Inhoud
De meeste gewone mensen zijn bekend met deoxyribonucleïnezuur of DNA, zij het door het volgen van misdaadshows of blootstelling aan basisgenetica. Evenzo heeft de typische middelbare scholier hoogstwaarschijnlijk in sommige gevallen de term 'chromosoom' gehoord en erkend dat deze ook betrekking hebben op hoe levende wezens erfelijke eigenschappen reproduceren en naar hun nakomelingen sturen. Maar de entiteit die functioneel DNA en chromosomen samenvoegt, chromatine genoemd, is veel onduidelijker.
DNA is een molecule bezeten door alle levende dingen die is verdeeld in genen, de biochemische codes voor het maken van specifieke eiwitproducten. Chromosomen zijn zeer lange stroken DNA gebonden aan eiwitten die ervoor zorgen dat de chromosomen hun vorm dramatisch kunnen veranderen, afhankelijk van de levensfase van de cel waarin ze zitten. Chromatine is gewoon het materiaal waaruit chromosomen worden gemaakt; Anders gezegd, chromosomen zijn niets meer dan afzonderlijke stukjes chromatine.
Een overzicht van DNA
DNA is een van de twee nucleïnezuren die in de natuur worden gevonden, de andere is ribonucleïnezuur (RNA). In prokaryoten, bijna allemaal bacteriën, zit het DNA in een losse cluster in het cytoplasma van de bacteriecellen (het semi-vloeibare, eiwitrijke inwendige van cellen) in plaats van in een kern, omdat deze eenvoudige organismen interne membraangebonden missen structuren. In eukaryoten (d.w.z. dieren, planten en schimmels) ligt het DNA in de celkern.
DNA is een polymeer samengesteld uit subeenheden (monomeren) genoemd nucleotiden. Elk nucleotide omvat op zijn beurt een pentose, of vijf koolstof, suiker (deoxyribose in DNA, ribose in RNA), een fosfaatgroep en een stikstofbase. Elke nucleotide heeft een van de vier verschillende stikstofbasen die beschikbaar zijn; in DNA zijn dit adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T). In RNA zijn de eerste drie aanwezig, maar uracil of U wordt vervangen door thymine. Omdat het de basen zijn die de vier DNA-nucleotiden van elkaar onderscheiden, is het hun volgorde die het unieke karakter van het DNA van elk afzonderlijk organisme bepaalt; elk van de miljarden mensen op aarde heeft een genetische code, bepaald door DNA, die niemand anders heeft, tenzij hij of zij een identieke tweeling heeft.
DNA bevindt zich in een dubbelstrengige, spiraalvormige formatie in de meest chemisch stabiele vorm. De twee strengen zijn aan elk nucleotide gebonden door hun respectieve basen. A paren met en alleen met T, terwijl C paren met en alleen met G. Vanwege deze specifieke basenparing is elke DNA-streng in een hele molecule complementair naar de ander. DNA lijkt daarom op een ladder die vele keren aan elk van zijn uiteinden in tegengestelde richtingen is gedraaid.
Wanneer DNA van zichzelf kopieën maakt, wordt dit proces genoemd kopiëren. De belangrijkste taak van DNA is de code voor het maken van eiwitten naar de delen van de cel waar het naartoe moet. Het doet dit door te vertrouwen op een biochemische koerier die, zoals geluk zou hebben, ook toevallig DNA creëert. Enkele DNA-strengen worden gebruikt om een molecule op te bouwen die messenger RNA of mRNA wordt genoemd. Dit proces wordt genoemd transcriptieen het resultaat is een mRNA-molecuul met een nucleotidebase-sequentie die complementair is aan de DNA-streng waaruit is geconstrueerd (het sjabloon genoemd) behalve dat U in de mRNA-streng verschijnt in plaats van T. Dit mRNA migreert vervolgens naar structuren in het cytoplasma genoemd ribosomen, die de mRNA-instructies gebruiken om specifieke eiwitten te bouwen.
Chromatine: structuur
In het leven bestaat bijna al het DNA in de vorm van chromatine. Chromatine is DNA dat is gebonden aan eiwitten histonen. Deze histone-eiwitten, die ongeveer tweederde van de massa chromatine uitmaken, omvatten vier subeenheden die in paren zijn gerangschikt, waarbij de paren allemaal zijn gegroepeerd om een acht-subeenheidstructuur te vormen die een octameer wordt genoemd. Deze histone-octameren binden aan DNA, waarbij DNA rond de octameren wikkelt zoals draad rond een spoel. Elke octamer heeft iets minder dan twee volledige beurten DNA eromheen - ongeveer 146 basenparen in totaal. Het gehele resultaat van deze interacties - de histone-octameer en het DNA eromheen - wordt a genoemd nucleosoom.
De reden voor wat in één oogopslag overtollige eiwitbagage lijkt te zijn, is eenvoudig: met histonen, of meer specifiek nucleosomen, kan DNA worden samengeperst en gevouwen tot de uiterste mate die nodig is om een enkele volledige kopie van DNA te laten passen in een cel ongeveer een miljoenste meter breed. Menselijk DNA, volledig rechtgetrokken, zou een verbazingwekkende 6 voet meten - en onthoud, dat zit in elk van de triljoenen cellen in je lichaam.
De histonen kleven vast aan DNA om nucleosomen te maken waardoor chromatine eruitziet als een reeks kralen die onder een microscoop aan touw worden geregen. Dit is echter bedrieglijk, omdat chromatine in levende cellen voorkomt, het is veel strakker gewonden dan de spiraal rond de histone die octamers kunnen verklaren. In feite worden nucleosomen in lagen op elkaar gestapeld en deze stapels worden op hun beurt weer opgerold en verdubbeld in veel niveaus van structurele organisatie. Grof gezegd verhogen de nucleosomen alleen de DNA-pakking met een factor van ongeveer zes. Het daaropvolgende stapelen en oprollen van deze tot een vezel van ongeveer 30 nanometer breed (30 een miljardste van een meter) verhoogt de DNA-pakking verder met een factor 40. Deze vezel is gewikkeld rond een matrix of kern die nog eens 1000 keer de verpakkingsefficiëntie. En volledig gecondenseerde chromosomen verhogen dit met nog eens 10.000-voudige.
De histonen, hoewel hierboven beschreven als zijnde in vier verschillende types, zijn eigenlijk zeer dynamische structuren. Hoewel het DNA in chromatine gedurende zijn hele levensduur dezelfde exacte structuur behoudt, kunnen aan de histonen verschillende chemische groepen zijn bevestigd, waaronder acetylgroepen, methylgroepen, fosfaatgroepen en meer. Vanwege dit is het waarschijnlijk dat histonen een belangrijke rol spelen in hoe het DNA in hun midden uiteindelijk tot expressie wordt gebracht - dat wil zeggen hoeveel kopieën van bepaalde typen mRNA worden getranscribeerd door verschillende genen langs het DNA-molecuul.
De chemische groepen gehecht aan histonen veranderen welke vrije eiwitten in het gebied kunnen binden aan gegeven nucleosomen. Deze gebonden eiwitten kunnen de organisatie van de nucleosomen op verschillende manieren langs de lengte van het chromatine veranderen. Ook zijn ongemodificeerde histonen zeer positief geladen, waardoor ze standaard strak binden met het negatief geladen DNA-molecuul; eiwitten gebonden aan nucleosomen via de histonen kunnen de positieve lading van histonen verminderen en de histon-DNA-binding verzwakken, waardoor de chromatine onder deze omstandigheden kan "ontspannen". Dit loslaten van chromatine maakt de DNA-strengen toegankelijker en vrijer te bedienen, waardoor processen zoals replicatie en transcriptie gemakkelijker worden wanneer het moment komt dat deze zich voordoen.
chromosomen
Chromosomen zijn segmenten van chromatine in zijn meest actieve, functionele vorm. Mensen hebben 23 verschillende chromosomen, waaronder tweeëntwintig genummerde chromosomen en één geslachtschromosoom, X of Y. Elke cel in je lichaam heeft echter, met uitzondering van gameten, twee kopieën van elk chromosoom - 23 van je moeder en 23 van jouw vader. De genummerde chromosomen variëren aanzienlijk in grootte, maar chromosomen met hetzelfde nummer, ongeacht of ze van uw moeder of vader komen, zien er allemaal hetzelfde uit onder een microscoop. Je twee geslachtschromosomen zien er echter anders uit als je een man bent, omdat je een X en een Y hebt. Als je een vrouw bent, heb je twee X-chromosomen. Hieruit kunt u zien dat de genetische bijdrage van de man het geslacht van de nakomelingen bepaalt; als een mannetje een X aan de mix doneert, heeft het nageslacht twee X-chromosomen en is het vrouwelijk, terwijl als het mannetje zijn Y doneert, het nageslacht een van elk geslachtschromosoom heeft en mannelijk is.
Wanneer chromosomen repliceren - dat wil zeggen wanneer volledige kopieën van alle DNA en eiwitten in de chromosomen worden gemaakt - bestaan ze vervolgens uit twee identieke chromatiden, zusterchromatiden genoemd. Dit gebeurt afzonderlijk in elk exemplaar van uw chromosomen, dus na replicatie zou u in totaal vier chromatiden hebben die betrekking hebben op elk genummerd chromosoom: twee identieke chromatiden in uw vaders exemplaar van bijvoorbeeld chromosoom 17 en twee identieke chromatiden in uw moeders exemplaar van chromosoom 17.
Binnen elk chromosoom zijn de chromatiden verbonden bij een structuur van gecondenseerde chromatine genaamd de centromeer. Ondanks zijn ietwat misleidende naam, verschijnt het centromeer niet noodzakelijk halverwege de lengte van elke chromatide; in de meeste gevallen niet. Deze asymmetrie leidt tot het verschijnen van kortere "armen" die zich in de ene richting vanaf het centromeer uitstrekken, en langere "armen" die zich in de andere richting uitstrekken. Elke korte arm wordt de p-arm genoemd en de langere arm staat bekend als de q-arm. Met de voltooiing van het Human Genome Project in het begin van de 21ste eeuw, is elk specifiek gen in het lichaam gelokaliseerd en in kaart gebracht op elke arm van elk menselijk chromosoom.
Celdeling: meiose en mitose
Wanneer alledaagse cellen van het lichaam zich delen (gameten, kort besproken, zijn de uitzondering), ondergaan ze een eenvoudige reproductie van het volledige cellen-DNA, mitose genoemd. Hierdoor kunnen cellen in de verschillende weefsels van het lichaam groeien, worden gerepareerd en worden vervangen wanneer ze verslijten.
Meestal zijn de chromosomen in je lichaam ontspannen en diffuus in de kern en worden ze in deze toestand vaak gewoon chromatine genoemd vanwege het gebrek aan organisatie in de mate dat ze kunnen worden gevisualiseerd. Wanneer het tijd is voor de cel om zich te delen, repliceren de individuele chromosomen aan het einde van de G1-fase van de celcyclus (S-fase) en beginnen te condenseren in de kern.
Zo begint profase van mitose (de M-fase van de totale celcyclus), de eerste van vier afgebakende fasen van mitose. Twee structuren genoemd centrosomes migreren naar tegenovergestelde zijden van de cel. Deze centrosomen vormen microtubuli die zich uitstrekken naar de chromosomen en het midden van de cel, op een naar buiten uitstralende manier, wat de zogenaamde mitotische spindel. In metafasebewegen alle 46 chromosomen in een lijn naar het midden van de cel, met deze lijn loodrecht op de lijn tussen de chromosomen. Belangrijk is dat de chromosomen zodanig zijn uitgelijnd dat een zusterchromatide zich aan de ene kant van de binnenkort te delen lijn bevindt en een zusterchromatide volledig aan de andere kant is. Dit verzekert dat wanneer de microtubles functioneren als oprolmechanismen in anafase en trek de chromosomen uit elkaar op hun centromeren in telofasekrijgt elke nieuwe cel een identieke kopie van de 46 chromosomen van de oudercellen.
Bij meiose begint het proces met kiemcellen in de geslachtsklieren (voortplantingsklieren) met hun chromosomen in lijn, zoals bij mitose. In dit geval staan ze echter op een heel andere manier, met homologe chromosomen (die met hetzelfde nummer) over de scheidslijn. Hierdoor komt chromosoom 1 van je moeder in contact met chromosoom 1 van je vader, enzovoort. Hierdoor kunnen ze genetisch materiaal ruilen. Ook zijn de homologe chromosoomparen willekeurig over de scheidingslijn opgesteld, dus je moeders zijn niet allemaal aan de ene kant en je vaders aan de andere. Deze cel verdeelt zich dan als in mitose, maar de resulterende cellen verschillen van elkaar en van de oudercel. Het hele "punt" van meiose is het waarborgen van genetische variabiliteit in het nageslacht, en dit is het mechanisme.
Elke dochtercel deelt dan zonder zijn chromosomen te repliceren. Dit resulteert in gametenof geslachtscellen, die slechts 23 afzonderlijke chromosomen hebben. De gameten bij mensen zijn sperma (mannelijk) en eicellen (vrouwelijk). Een gekozen paar zaadcellen en eicellen fuseren met elkaar tijdens het bevruchtingsproces, waarbij een zygoot met 46 chromosomen wordt geproduceerd. Het moet duidelijk zijn dat omdat gameten met andere gameten samensmelten om een "normale" cel te maken, ze slechts de helft van het aantal "normale" chromosomen moeten hebben.