Genexpressie en celdifferentiatie (Biologie havo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Biologie
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Uitleg over de weg van DNA via RNA naar eiwit, gen, startcodon en stopcodon, de functies van eiwitten en het fenotype, genexpressie, celdifferentiatie en stamcellen. Met een woordweb, zes controlevragen, een video over stamcellen en een afsluitende poll.

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Genexpressie en celdifferentiatie

Examenstof biologie havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: M3.1 en M3.2 (C1). Image credit: Id711 / Wikimedia Commons, publiek domein

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Wat ga je kunnen?

Ik kan uitleggen hoe een gen via RNA een eiwit oplevert en hoe genexpressie leidt tot verschillende celtypen.

Welke woorden horen bij: hoe maakt een cel een eiwit?

Verwacht: DNA, gen, RNA, eiwit, cel, kern, spiercel, enzym, insuline. Koppel de woorden aan de begrippen van de les: genexpressie, genoom, celdifferentiatie, stamcel. Veelgemaakte misvatting: elke cel heeft alleen de genen die hij gebruikt. Dat komt in blok 3 terug.

Van DNA via RNA naar eiwit

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Van DNA naar RNA naar eiwit

• In het DNA staat de informatie om eiwitten te maken.

• Van een gen wordt een kopie van RNA gemaakt.

• Het RNA wordt vertaald in een eiwit, volgens de genetische code.

• De nucleotidenvolgorde van het gen bepaalt welk eiwit ontstaat.

Syllabus M3.1 punt 1: de relatie tussen DNA, RNA en eiwit, met genetische code en nucleotidenvolgorde. Het DNA blijft in de celkern. Een kopie van een gen wordt als RNA gemaakt en daarna vertaald in een eiwit. Veelgemaakte fout: denken dat een eiwit rechtstreeks van DNA wordt gemaakt, zonder RNA. Image credit: Eigen schema, LessonUp

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Gen, startcodon en stopcodon

• Een gen is een stuk DNA met de informatie voor een eiwit.

• Drie nucleotiden vormen samen een codon en horen bij één bouwsteen van het eiwit.

• Het startcodon geeft aan waar het gen begint, het stopcodon waar het eindigt.

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

Syllabus M3.1 punt 1: gen, startcodon, stopcodon, niet-coderend DNA. Laat op het schema van de vorige dia aanwijzen waar het startcodon en het stopcodon zitten. Niet-coderend DNA codeert niet voor een eiwit; meer is voor dit examen niet nodig. Veelgemaakte fout: startcodon en stopcodon verwisselen.

Hartspierweefsel onder de microscoop: lange spiercellen met celkernen

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Andere cellen, andere eiwitten

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

• In verschillende typen cellen komen verschillende genen tot expressie.

• Spiercellen maken veel myosine, cellen van de alvleesklier maken insuline.

• Dus worden in verschillende typen cellen verschillende eiwitten gemaakt.

Syllabus M3.1 punt 2: in verschillende typen cellen worden verschillende eiwitten gemaakt (genexpressie). Myosine is een eiwit dat spiercellen laat samentrekken. Insuline is een hormoon dat door cellen in de alvleesklier wordt gemaakt. Veelgemaakte fout: denken dat een cel alleen de genen heeft die hij gebruikt. Alle genen zijn aanwezig, maar niet alle komen tot expressie. Image credit: Alexander G. Cheroske / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Zet op volgorde, van informatie naar eiwit

1

Gemaakt eiwit

2

Gen op het DNA

3

Vertaling met de genetische code

4

RNA-kopie van het gen

Eerst staat de informatie in een gen op het DNA. Daarvan wordt een kopie van RNA gemaakt, dat wordt vertaald in een eiwit. Verwachte fout: RNA en DNA omdraaien.

Vul in

Een gen begint bij een startcodon en eindigt bij een stopcodon, terwijl niet-coderend DNA niet voor een eiwit codeert.

startcodon

stopcodon

niet-coderend

genoom

celtype

Het startcodon geeft het begin van het gen aan, het stopcodon het einde. Niet-coderend DNA bevat geen informatie voor een eiwit. Verwachte fout: startcodon en stopcodon omwisselen.

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Eiwitten doen veel dingen

• Een enzym versnelt een chemische reactie, bijvoorbeeld bij de vertering van voedsel.

• Een receptor herkent een signaalstof en zet een reactie in de cel in gang.

• Een membraaneiwit zit in of op het celmembraan. Een transporteiwit vervoert stoffen door het membraan.

• Een eiwithormoon is een hormoon dat uit eiwit bestaat, zoals insuline.

• Een structuureiwit geeft bouw en stevigheid aan cellen en weefsels, zoals collageen.

Syllabus M3.1 punt 3: enzym, receptor, membraaneiwit, transporteiwit, eiwithormoon, structuureiwit en antistof (antistof volgt op de volgende dia). Een transporteiwit is een membraaneiwit dat stoffen door het celmembraan laat gaan. Veelgemaakte fout: denken dat eiwitten alleen als bouwstof dienen. Eiwitten hebben veel verschillende functies.

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Antistoffen en de vorm van eiwitten

• Een antistof is een eiwit dat een ziekteverwekker herkent en eraan bindt.

• Antistoffen worden gemaakt door cellen van het afweersysteem.

• Elk eiwit heeft een eigen vorm die past bij zijn functie.

• Een ander eiwit heeft dus een andere functie.

Syllabus M3.1 punt 3: antistof. Een antistof past bij één bepaalde ziekteverwekker, zoals een sleutel bij een slot. Hier ligt een verbinding met vorm-functiedenken (A11): de vorm van het eiwit past bij wat het doet. Het onderwerp afweer komt in een eigen les aan bod.

Computermodel van het eiwit hemoglobine, dat zuurstof vervoert (detail)

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Eiwitten bepalen het fenotype

• Het fenotype zijn de eigenschappen van een organisme die je kunt zien of meten.

• Eiwitten bepalen het fenotype: ze bouwen cellen op en sturen processen in de cel.

• Voorbeeld: een enzym maakt kleurstof in je haren. Werkt dat enzym anders, dan heb je een andere haarkleur.

• Hemoglobine is een eiwit in rode bloedcellen. Het vervoert zuurstof en kleurt het bloed rood.

Syllabus M3.1 punt 4: eiwitten bepalen het fenotype. Het fenotype ontstaat in de eerste plaats door de eiwitten die cellen maken. Eerder is al besproken dat ook milieufactoren meewerken (zie de les Erfelijkheid en kruisingen). Veelgemaakte fout: het fenotype alleen aan het gen koppelen en de eiwitten overslaan. Image credit: Park et al. (PDB 2DN1) / Wikimedia Commons, CC0

Vul in

Een enzym versnelt een chemische reactie, een antistof herkent een ziekteverwekker en een structuureiwit geeft stevigheid aan cellen en weefsels.

enzym

antistof

structuureiwit

receptor

eiwithormoon

Enzym: versnelt reacties. Antistof: bindt een ziekteverwekker. Structuureiwit: bouw en stevigheid. Verwachte fout: receptor en enzym verwisselen.

Hoe bepalen eiwitten het fenotype?

Een goed antwoord: een gen bepaalt welk eiwit een cel maakt, en de eiwitten bepalen eigenschappen zoals vorm, kleur en functies in de cel, en daarmee het fenotype. Verwachte fout: alleen zeggen dat genen het fenotype bepalen, zonder de eiwitten te noemen.

Dezelfde genen, maar in elk celtype staat een ander gen aan

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Hetzelfde genoom in bijna alle cellen

• Het genoom is het geheel van alle genen van een organisme.

• Vrijwel alle cellen van een meercellig organisme hebben hetzelfde genoom.

• Toch zijn er verschillende celtypen, zoals spiercellen en huidcellen.

• Het verschil ontstaat doordat in elk celtype andere genen tot expressie komen.

Syllabus M3.2 punt 1 en punt 3: vrijwel alle cellen hebben hetzelfde genoom, en celdifferentiatie ontstaat door expressie van specifieke genen. Waarom vrijwel? Rijpe rode bloedcellen hebben geen celkern, en geslachtscellen hebben de helft van het genoom. Veelgemaakte fout: denken dat een spiercel alleen de genen voor spiereiwitten bevat. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Bloedcellen onder de elektronenmicroscoop: de schijfvormige cellen zijn rode bloedcellen

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Celdifferentiatie

• Celdifferentiatie is het proces waarin cellen een eigen vorm en functie krijgen.

• Het ontstaat doordat in een cel specifieke genen tot expressie komen.

• Een rode bloedcel is schijfvormig en vervoert zuurstof.

• Een spiercel is lang en kan samentrekken.

Syllabus M3.2 punt 2 en punt 3: differentiatie leidt tot cellen met verschillende vorm en functie. Dit is vorm-functiedenken (A11). Het resultaat is een celtype. Veelgemaakte fout: denken dat bij differentiatie genen verloren gaan. Genen worden alleen aan of uit gezet. Image credit: Bruce Wetzel en Harry Schaefer (NCI) / Wikimedia Commons, publiek domein

Een stamcel kan delen en differentiëren tot gespecialiseerde cellen

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Stamcellen en hun gebruik

• Een stamcel kan zich delen en kan differentiëren tot gespecialiseerde cellen.

• Een stamcel is zelf nog niet gespecialiseerd.

• Stamcelonderzoek: bijvoorbeeld naar de ontwikkeling van cellen en het testen van medicijnen.

• Stamceltransplantatie: bijvoorbeeld bloedstamcellen van een donor voor een patiënt met leukemie.

Syllabus M3.2 punt 4 en punt 5: eigenschappen van stamcellen en doelen. Bij een stamceltransplantatie bij leukemie vervangen gezonde bloedstamcellen het zieke bloedvormende systeem van de patiënt. Er zijn stamcellen in embryo's en in volwassenen, bijvoorbeeld in het beenmerg. Veelgemaakte fout: denken dat een stamcel een ander genoom heeft. Het genoom is gelijk. Image credit: Eigen schema, LessonUp

TODO: Implement SchoolTV player

Video: Wat zijn stamcellen? (NTR, Schooltv). Kijkvraag: welke twee soorten stamcellen noemt de video en wat kan een stamcel worden? De video duurt ongeveer twee minuten.

Welke bewering over het genoom van lichaamscellen klopt?

A

Elk celtype heeft een eigen genoom

B

Zenuwcellen hebben andere genen dan huidcellen

C

Cellen verliezen genen tijdens de differentiatie

D

Vrijwel alle cellen van een persoon hebben hetzelfde genoom

Alle cellen ontstaan uit dezelfde bevruchte eicel en hebben vrijwel hetzelfde genoom. Verschillen zitten in de expressie. Verwachte fout: kiezen voor een eigen genoom per celtype.

Zet op volgorde, van stamcel tot gespecialiseerde cel

1

Een stamcel krijgt een signaal

2

De cel krijgt een eigen vorm en functie

3

Er worden andere eiwitten gemaakt

4

Specifieke genen komen tot expressie

Eerst een signaal, dan genexpressie, dan andere eiwitten en daardoor een eigen vorm en functie. Verwachte fout: vorm en functie vóór de eiwitten zetten.

Wat vond je vandaag het lastigst?

1

Van DNA naar eiwit via RNA

2

Start- en stopcodon en niet-coderend DNA

3

De functies van eiwitten

4

Celdifferentiatie en stamcellen

Gebruik de uitslag om het onderdeel dat de meeste stemmen krijgt in de volgende les nog eens met een voorbeeld te doorlopen.

Noem een voorbeeld van celdifferentiatie.

Een goed antwoord noemt twee celtypen die uit dezelfde cellen ontstaan, bijvoorbeeld spiercel en huidcel, of een stamcel die een bloedcel wordt, en zegt dat andere genen tot expressie komen. Verwachte fout: alleen twee celtypen noemen zonder genexpressie.

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Begrippen (1/2)

• DNA, RNA en eiwit: Het DNA bevat de informatie; een kopie daarvan als RNA wordt vertaald in een eiwit.

• genetische code: De regels waarmee de nucleotidenvolgorde van een gen wordt vertaald in een eiwit.

• gen: Een stuk DNA met de informatie voor een eiwit.

• startcodon en stopcodon: Het startcodon geeft het begin van een gen aan, het stopcodon het einde.

• niet-coderend DNA: Een deel van het DNA dat niet voor een eiwit codeert.

ZELFORGANISATIE · GENEXPRESSIE

Begrippen (2/2)

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

• genoom: Het geheel van alle genen van een organisme.

• celdifferentiatie: Het proces waarin cellen een eigen vorm en functie krijgen door expressie van specifieke genen.

• celtype: Een soort cel met een eigen vorm en functie, zoals een spiercel.

• stamcel: Een nog niet gespecialiseerde cel die zich kan delen en kan differentiëren.