Eiwitsynthese en genexpressie (Biologie vwo), les 1: Uitleg

• New lesson editor
• Biologie
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introduction

Uitleg over genexpressie, transcriptie en translatie, de codontabel, introns, exons en splicing, de structuur van eiwitten en het knock-out-gen. Met een woordweb, vijf controlevragen, een poll en een open reflectievraag.

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Eiwitsynthese en genexpressie

Examenstof biologie vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: M1.2 en M3.1 (B1, C1). Image credit: Louisa Howard / Wikimedia Commons, publiek domein

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Wat ga je kunnen?

Ik kan uitleggen hoe een gen via transcriptie en translatie een eiwit oplevert en met de codontabel de aminozuurvolgorde bepalen.

Welke woorden horen bij: hoe wordt een gen een eiwit?

Verwacht: DNA, gen, mRNA, RNA-polymerase, ribosoom, tRNA, aminozuur, codon, eiwit, kern. Koppel de woorden aan de begrippen van de les: transcriptie, translatie, codon, anticodon. Veelgemaakte misvatting: het eiwit wordt rechtstreeks van het DNA gemaakt, zonder mRNA.

Van gen via mRNA naar eiwit

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Van gen naar eiwit

• Genexpressie is het gebruiken van een gen op een chromosoom om een eiwit te maken.

• Eerst wordt van het gen een RNA-kopie gemaakt: de transcriptie, in de celkern.

• Het mRNA wordt in het cytoplasma vertaald in een eiwit: de translatie.

• Een eiwit (proteïne) is een keten van aminozuren.

Syllabus M3.1 punt 3 en M1.2 punt 1 en 2: het verloop van genexpressie tot en met eiwitsynthese. Het DNA blijft in de celkern, het mRNA gaat via een kernporie naar het cytoplasma. Bouw en functie van DNA en RNA komen in de les Bouw van DNA en RNA aan bod, genregulatie in de les Genregulatie en celdifferentiatie: hier alleen het verloop. Veelgemaakte fout: transcriptie en translatie verwisselen. Ezelsbrug: transcriptie is overschrijven (dezelfde taal, DNA naar RNA), translatie is vertalen (andere taal, van nucleotiden naar aminozuren). Image credit: Eigen schema, LessonUp

Transcriptie door RNA-polymerase

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Transcriptie: van DNA naar mRNA

• RNA-polymerase bindt aan het DNA bij het gen en opent de DNA-helix.

• Het enzym leest de matrijsstreng af van 3' naar 5': dat is de afleesrichting.

• Langs de matrijsstreng wordt mRNA gemaakt, van 5' naar 3', met complementaire nucleotiden.

• De andere DNA-streng is de coderende streng.

Syllabus M1.2 punt 2 en M3.1 punt 3: transcriptie, mRNA, RNA-polymerase, coderende streng, afleesrichting, matrijsstreng. RNA-polymerase beweegt in het schema naar rechts: de matrijsstreng ligt met zijn 3'-uiteinde links en wordt dus van 3' naar 5' afgelezen, terwijl het mRNA aan zijn 3'-uiteinde langer wordt. Veelgemaakte fout: denken dat het mRNA van 3' naar 5' wordt gemaakt. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Coderende streng, matrijsstreng en mRNA naast elkaar

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Matrijsstreng en coderende streng

• Matrijsstreng en coderende streng zijn complementair: A tegenover T, C tegenover G.

• In het mRNA komt tegenover A een U, tegenover T een A, tegenover C een G en tegenover G een C.

• Het mRNA heeft dezelfde basenvolgorde als de coderende streng, met U (uracil) in plaats van T (thymine).

• Met de coderende streng kun je dus direct het mRNA opschrijven.

Syllabus M1.2 punt 2: coderende streng, matrijsstreng. Het voorbeeld in het schema is een volledig gen met startcodon (ATG op de coderende streng) en stopcodon (TAA). Controle: coderende streng 5'-ATGGCTGAATTTCGATAA-3', matrijsstreng 3'-TACCGACTTAAAGCTATT-5', mRNA 5'-AUGGCUGAAUUUCGAUAA-3'. Veelgemaakte fout: het mRNA gelijkstellen aan de matrijsstreng in plaats van aan de coderende streng. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Zet de stappen van transcriptie op volgorde.

1

De DNA-helix wordt geopend

2

Er ontstaat een mRNA-keten van 5' naar 3'

3

De matrijsstreng wordt afgelezen

4

RNA-polymerase bindt aan het DNA bij het gen

Eerst bindt RNA-polymerase, dan wordt de helix geopend, dan wordt de matrijsstreng afgelezen en ontstaat het mRNA. Verwachte fout: het aflezen voor het openen van de helix zetten.

Vul in

RNA-polymerase leest de matrijsstreng af. Het mRNA lijkt op de coderende streng, maar bevat uracil in plaats van thymine.

matrijsstreng

coderende streng

uracil

anticodon

exon

De matrijsstreng wordt afgelezen, het mRNA heeft dezelfde volgorde als de coderende streng en bevat uracil in plaats van thymine. Verwachte fout: matrijsstreng en coderende streng omwisselen.

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Niet-coderend DNA en introns

• Bij eukaryoten is het grootste deel van het DNA niet-coderend DNA: dat codeert niet voor een eiwit.

• Ook in een gen ligt niet-coderend DNA: een eukaryoot gen bestaat grotendeels uit introns.

• De delen van een gen die wel voor het eiwit coderen heten exons.

• RNA-polymerase schrijft het hele gen over, dus ook de introns: het eerste RNA heet pre-mRNA.

• De genetische code in de exons bepaalt de aminozuurvolgorde van het eiwit.

Syllabus M3.1 punt 1 en 2: niet-coderend DNA, introns, exons, genetische code. Het meeste DNA van een mens codeert niet voor een eiwit, en ook binnen een gen is het grootste deel intron. Veelgemaakte fout: denken dat niet-coderend DNA nutteloos is. Een deel ervan speelt een rol bij genregulatie (komt in een andere les aan bod).

Splicing en cDNA

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Splicing en cDNA

• Bij splicing worden de introns uit het pre-mRNA geknipt en de exons aan elkaar gekoppeld.

• Splicing gebeurt in de celkern, voordat het mRNA de celkern verlaat.

• Het mRNA na splicing bestaat dus alleen uit exons.

• cDNA is DNA dat met mRNA als mal is gemaakt en bevat daarom geen introns.

Syllabus M3.1 punt 2 en 3: introns, exons, cDNA, splicing. Het schema laat een gen met drie exons zien. cDNA wordt gebruikt als een gen in een bacterie tot expressie moet komen: een bacterie kan geen introns uit het RNA verwijderen. Veelgemaakte fout: denken dat splicing introns uit het DNA verwijdert. Het DNA blijft intact, alleen het RNA wordt bewerkt. Image credit: Eigen schema, LessonUp

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Expressie hangt van de omstandigheden af

• Niet elk gen is steeds aan: een gen komt tot expressie als de cel dat eiwit nodig heeft.

• Voorbeeld: bij veel schadelijke stoffen in het bloed maken levercellen meer afbraakenzymen.

• Ook hormonen en voeding kunnen bepalen welke genen in een cel tot expressie komen.

• Dezelfde cel kan daardoor op een ander moment andere eiwitten maken.

• Het DNA blijft gelijk: alleen de genexpressie verandert.

Syllabus M3.1 punt 4: genen komen afhankelijk van de omstandigheden tot expressie. Hoe de cel dat regelt (promotor, repressor, transcriptiefactoren) komt in de les Genregulatie en celdifferentiatie aan bod: hier alleen het verschijnsel. Veelgemaakte fout: denken dat een cel een gen verliest of krijgt als de eiwitproductie verandert.

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Celtypen maken verschillende eiwitten

• Vrijwel alle cellen van een persoon hebben hetzelfde DNA, maar elk celtype maakt andere eiwitten.

• Enzym: versnelt een reactie. Receptor: herkent een signaalstof. Antistof: bindt een ziekteverwekker.

• Membraaneiwit: zit in het celmembraan. Transporteiwit: een membraaneiwit dat stoffen door het membraan vervoert.

• Eiwithormoon: een signaalstof zoals insuline. Structuureiwit: geeft stevigheid, zoals collageen.

• Motoreiwit: zorgt voor beweging in de cel, zoals myosine in een spiercel.

Syllabus M3.1 punt 5: enzym, receptor, membraaneiwit, transporteiwit, eiwithormoon, structuureiwit, antistof en motoreiwit. Een receptor is vaak een membraaneiwit, een transporteiwit is altijd een membraaneiwit. Veelgemaakte fout: denken dat eiwitten alleen als bouwstof dienen.

In welk deel van de cel vindt splicing plaats?

A

Op het ruw ER

B

Aan ribosomen in het cytoplasma

C

In de celkern

D

In het golgi-systeem

Splicing vindt plaats in de celkern, voordat het mRNA de kern verlaat. Verwachte fout: kiezen voor de ribosomen, omdat daar het eiwit wordt gemaakt.

Translatie aan een ribosoom

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Translatie aan het ribosoom

• Een ribosoom (rRNA en eiwit) leest het mRNA af van 5' naar 3' en maakt een eiwit.

• Een tRNA brengt een aminozuur. Het anticodon past op een codon van het mRNA.

• Drie nucleotiden vormen samen een codon: de tripletcode. Elk codon hoort bij één aminozuur.

• Translatie begint bij het startcodon en eindigt bij een stopcodon.

Syllabus M1.2 punt 1 en 2: translatie, ribosoom, rRNA, tRNA, anticodon, codon, tripletcode, startcodon, stopcodon. In het schema staat het tRNA met anticodon 3'-UAC-5' tegenover het codon 5'-AUG-3'. Het anticodon schrijf je uitgelijnd onder het codon, dus van 3' naar 5'. De bouw van rRNA zelf hoort bij de les Bouw van DNA en RNA. Veelgemaakte fout: anticodon en codon gelijkstellen in plaats van complementair. Image credit: Eigen schema, LessonUp

De standaard codontabel

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

De codontabel gebruiken

• Lees een mRNA-codon zo af: eerste base links, tweede base boven, derde base in het vak.

• Er zijn 64 codons: 61 coderen voor een aminozuur, drie zijn een stopcodon (UAA, UAG en UGA).

• Er zijn 20 aminozuren, dus voor veel aminozuren bestaat meer dan één codon.

• Het startcodon AUG codeert voor Met (methionine). Voorbeeld: codon GCU is Ala.

Syllabus M1.2 punt 1: aminozuur, codon, startcodon, stopcodon, tripletcode. De tabel in het schema is de standaard codontabel voor mRNA (in BINAS vind je dezelfde tabel). Laat leerlingen eerst een paar codons opzoeken. Veelgemaakte fout: de codontabel gebruiken met DNA-tripletten terwijl er mRNA-codons staan. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Primaire t/m quaternaire eiwitstructuur

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Van aminozuurketen tot eiwit

• Aminozuren zijn met peptidebindingen gekoppeld. Hun volgorde is de primaire structuur.

• De volgorde bepaalt de vouwing: een secundaire structuur (helix, plaat) en een tertiaire structuur.

• Een zwavelbrug tussen twee cysteïne-aminozuren houdt de tertiaire structuur vast.

• Meerdere ketens samen vormen de quaternaire structuur. De vorm bepaalt de werking van het eiwit.

Syllabus M1.2 punt 3: primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur, peptidebinding, zwavelbrug. Een secundaire structuur komt tot stand door waterstofbruggen binnen de keten. Hemoglobine is een voorbeeld van een eiwit met een quaternaire structuur (vier ketens). Veelgemaakte fout: de zwavelbrug aanzien voor een peptidebinding. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Cel van de alvleesklier: links van de celkern lagen ruw ER (elektronenmicroscoop)

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Eiwitten maken op het ruw ER

• Veel eiwitten worden gemaakt aan ribosomen die vrij in het cytoplasma liggen.

• Eiwitten voor het membraan of voor uitscheiding worden gemaakt aan ribosomen op het ruw ER.

• Het eiwit komt het ER in en gaat in blaasjes naar het golgi-systeem.

• Het golgi-systeem verwerkt het eiwit en verpakt het in blaasjes naar het celmembraan.

Syllabus M1.2 punt 2: cytoplasma, ribosoom, golgi-systeem, (ruw) endoplasmatisch reticulum. De foto toont een cel van de alvleesklier, een cel die veel eiwit uitscheidt: links van de celkern liggen lagen ruw ER. Ruw is het ER door de ribosomen op het oppervlak. Veelgemaakte fout: denken dat het golgi-systeem eiwitten maakt. Image credit: Louisa Howard / Wikimedia Commons, publiek domein

Muis met een knock-out-gen (links) naast een gewone muis

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Knock-out-gen en fenotype

• Eiwitten bepalen de bouw en werking van een organisme, en daarmee het fenotype.

• Bij een knock-out-gen is een gen uitgeschakeld, zodat het eiwit niet meer wordt gemaakt.

• Vergelijk je een knock-out-muis met een gewone muis, dan leid je de functie van dat gen af.

• Zo beredeneer je hoe genexpressie het functioneren van een organisme beïnvloedt.

Syllabus M3.1 punt 6 en M1.2 punt 4: knock-out-gen, fenotype, eiwitten bepalen bouw en werking. Op de foto is bij de linkermuis een gen uitgeschakeld, rechts staat een gewone muis. Een knock-out onderzoekt het verschil in fenotype, niet alleen de afwezigheid van het gen. Veelgemaakte fout: denken dat een knock-out-gen een gen is dat extra actief is. Image credit: Maggie Bartlett, NHGRI / Wikimedia Commons, publiek domein

Welk anticodon past bij het mRNA-codon 5'-GCU-3'?

A

3'-CGA-5'

B

3'-GCU-5'

C

3'-CGT-5'

D

3'-CGU-5'

Het anticodon is complementair aan het codon: G tegenover C, C tegenover G en U tegenover A, dus 3'-CGA-5'. Verwachte fout: het codon zelf kiezen, of T gebruiken in een RNA-molecuul.

Welke binding houdt de aminozuren in de primaire structuur bijeen?

A

Zwavelbruggen

B

Waterstofbruggen

C

Glycosidebindingen

D

Peptidebindingen

Aminozuren in de keten zijn verbonden met peptidebindingen. Zwavelbruggen horen bij de tertiaire structuur. Verwachte fout: zwavelbruggen kiezen.

Welk onderdeel was voor jou het lastigst?

1

Transcriptie en de strengen

2

Introns, exons en splicing

3

Translatie en de codontabel

4

Eiwitstructuur en knock-outs

Gebruik de uitslag om het onderdeel met de meeste stemmen in de volgende les met een voorbeeld te herhalen.

Wat is voor jou nog onduidelijk en waarom?

Open reflectievraag: lees de antwoorden door om te zien welk begrip extra aandacht nodig heeft. Er is geen goed of fout antwoord.

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Begrippen (1/2)

• genexpressie: Het gebruiken van een gen om een eiwit te maken.

• transcriptie: Het overschrijven van een gen in mRNA door RNA-polymerase.

• matrijsstreng en coderende streng: De matrijsstreng wordt afgelezen; het mRNA lijkt op de coderende streng.

• intron, exon en splicing: Introns worden uit het pre-mRNA verwijderd, exons blijven over.

• cDNA: DNA dat met mRNA als mal is gemaakt, zonder introns.

EIWITSYNTHESE · GENEXPRESSIE

Begrippen (2/2)

• codon en anticodon: Een codon staat op het mRNA, het anticodon op het tRNA.

• startcodon en stopcodon: AUG begint de translatie, UAA, UAG of UGA beëindigt de translatie.

• peptidebinding en zwavelbrug: Peptidebindingen koppelen aminozuren, zwavelbruggen houden de vouwing vast.

• primaire tot quaternaire structuur: Volgorde, helix of plaat, 3D-vorm en samenstelling uit ketens.

• knock-out-gen: Een uitgeschakeld gen waarmee je de functie van het gen onderzoekt.