Biology · Boek 3 · Bachelor Year 1

Universitaire biologie — jaar 1

Universitaire biologie — jaar 1 · Bachelor Year 1

17Genomen van cellen en virussen

Twee meter DNA is opgevouwen in een celkern van zes micrometer, en wel zo dat elk van twintigduizend genen binnen enkele minuten kan worden gevonden en gelezen. Een bacterie vouwt anderhalve millimeter op in een cel die duizend keer korter is, en kopieert die elke twintig minuten. Een virus draagt enkele duizenden letters in een eiwitomhulsel en laat ze lezen door een cel die het niet bezit. Dit hoofdstuk beschrijft het genoom — het geheel van het DNA van een organisme — als een fysiek voorwerp: hoe het DNA van bacteriën, van eukaryote cellen, van organellen en van virussen is geordend, wat het naast genen bevat, en waarom de hoeveelheid ervan zo weinig zegt over het organisme dat het draagt.

17.1 Het bacteriële genoom

Definitie 17.1 (Genoom, chromosoom, nucleoïde)

Het genoom van een cel is het geheel van haar DNA: de informatie voor elk eiwit en elk RNA dat zij kan maken, en de sequenties die bepalen wanneer die worden gemaakt. Een chromosoom is één DNA-molecuul met de eiwitten die het ordenen. Een bacterie heeft er meestal één, ringvormig, van één tot tien miljoen basenparen (E. coli: 4.6×1064.6 \times 10^{6}, 1.5 mm1.5\,\mathrm{mm} lang), opgevouwen in een gebied van het cytoplasma, het nucleoïde, zonder membraan eromheen. Naast het chromosoom dragen veel bacteriën plasmiden: kleine ringen van enkele duizenden tot enkele honderdduizenden paren, in één tot honderden kopieën, die zich zelfstandig repliceren en facultatieve genen dragen — resistentie tegen antibiotica, toxines, de machinerie om zichzelf naar een andere cel over te brengen.

Propositie 17.2 (Hoe een bacterie haar chromosoom opvouwt)

Een ringvormig DNA waarvan de uiteinden niet kunnen draaien, kan als een elastiek worden gewrongen: superspiralisatie. Enzymen die topo-isomerasen heten knippen de strengen, laten ze langs elkaar en sluiten ze weer om windingen toe te voegen of weg te nemen; het gyrase gebruikt ATP om negatieve superwindingen aan te brengen, die de helix losser winden en haar tegelijk compacter en gemakkelijker te openen maken. Het chromosoom van E. coli is in zo’n vijftig lussen geordend, die elk afzonderlijk zijn gesuperspiraliseerd en aan een eiwitkern verankerd, zodat de 1.5 mm1.5\,\mathrm{mm} een nucleoïde van ongeveer een micrometer beslaat — een duizendvoudige samenpakking — terwijl elke lus voor het lezen of kopiëren kan worden ontwonden zonder de rest te storen. Kleine basische eiwitten (histonachtig, al zijn zij niet met histonen verwant) buigen het DNA en overbruggen het overal.

Een ringvormig chromosoom ontspannen, gesuperspiraliseerd, en in lussen geordend. De superspiralisatie pakt het molecuul samen en slaat de energie op die helpt het te openen; de lussen laten telkens één gebied ontwinden.
Een ringvormig chromosoom ontspannen, gesuperspiraliseerd, en in lussen geordend. De superspiralisatie pakt het molecuul samen en slaat de energie op die helpt het te openen; de lussen laten telkens één gebied ontwinden.

Voorbeeld 17.3 (Een dicht bezet genoom)

Van de 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb} van het chromosoom van E. coli codeert 88 %88\,\% voor eiwit: zo’n 43004300 genen van elk ongeveer 10001000 paren, kop aan staart gepakt met honderd paren ertussen, en vele gegroepeerd in operons die samen worden overgeschreven (Hoofdstuk 20). Een plasmide van 5 kb5\,\mathrm{kb} kan drie genen dragen en in vijftig kopieën voorkomen; het resistentiegen dat het draagt kan zich in weken door de bacteriën van een ziekenhuisafdeling verspreiden, door conjugatie, sneller dan enige mutatie zou kunnen ontstaan.

17.2 Het eukaryote genoom: chromatine

Definitie 17.4 (Nucleosoom, chromatine)

In een eukaryote celkern is het DNA om eiwitten gewonden: 147 147\, basenparen maken 1,7 winding rond een achttal histonen (twee elk van H2A, H2B, H3, H4, kleine eiwitten rijk aan lysine en arginine die de fosfaten neutraliseren), en vormen zo een nucleosoom van 11 nm11\,\mathrm{nm} breed; nucleosomen volgen elkaar om de 200 200\, paren op, als kralen aan een snoer, met een vijfde histon, H1, dat elke kraal afsluit. Dit chromatine vouwt zich verder op: tot een vezel van 30 nm30\,\mathrm{nm}, tot lussen van tienduizenden paren die aan een eiwitgeraamte zijn verankerd, en — bij de deling — tot de compacte staafjes van het metafasechromosoom, tienduizend keer korter dan het kale DNA. Euchromatine is de lossere, genrijke vorm die in de interfase wordt overgeschreven; heterochromatine de gecondenseerde, genarme vorm die compact blijft (rond de centromeren, aan de uiteinden, en op een uitgeschakeld X-chromosoom).

De verpakkingsniveaus van eukaryoot DNA, van de helix tot het metafasechromosoom. Elk niveau vermenigvuldigt de samenpakking; samen komen zij op tienduizend.
De verpakkingsniveaus van eukaryoot DNA, van de helix tot het metafasechromosoom. Elk niveau vermenigvuldigt de samenpakking; samen komen zij op tienduizend.
Links: de chromosomen van één menselijke cel, uitgespreid vanuit een cel die in de metafase is stilgezet. Rechts: dezelfde chromosomen op grootte en banderingspatroon gesorteerd tot een karyotype — tweeëntwintig paren en XY, zesenveertig in totaal. Karyotype: National Human Genome Research Institute, publiek domein.
Links: de chromosomen van één menselijke cel, uitgespreid vanuit een cel die in de metafase is stilgezet. Rechts: dezelfde chromosomen op grootte en banderingspatroon gesorteerd tot een karyotype — tweeëntwintig paren en XY, zesenveertig in totaal. Karyotype: National Human Genome Research Institute, publiek domein.
Links: de chromosomen van één menselijke cel, uitgespreid vanuit een cel die in de metafase is stilgezet. Rechts: dezelfde chromosomen op grootte en banderingspatroon gesorteerd tot een karyotype — tweeëntwintig paren en XY, zesenveertig in totaal. Karyotype: National Human Genome Research Institute, publiek domein.

Definitie 17.5 (Karyotype, centromeer, telomeer)

Het karyotype is de verzameling chromosomen van een cel, gesorteerd op grootte en banderingspatroon: de mens heeft 23 paren (22 autosomen en XY of XX), in totaal 6.4×1096.4 \times 10^{9} basenparen, 2.2 m2.2\,\mathrm{m}; het grootste chromosoom bevat 250 Mb250\,\mathrm{Mb}, het kleinste 50 50\,. Elk lineair chromosoom draagt een centromeer, het ingesnoerde gebied waar de twee kopieën na de replicatie verbonden blijven en waar de spoelfiguur aangrijpt (Hoofdstuk 18), en twee telomeren, herhaalde sequenties aan de uiteinden die die uiteinden ervoor behoeden voor gebroken DNA te worden aangezien en bij elke replicatie korter te worden.

Propositie 17.6 (De grootte van een genoom meet de complexiteit niet)

organismegenoom (Mb)eiwitcoderende genen
E. coli4.643004300
gist1260006000
fruitvlieg14014 00014\,000
mens320020 00020\,000
mais230040 00040\,000
longvis130 000130\,000≈20 000\approx20\,000
Paris japonica (een lelie)150 000150\,000≈30 000\approx30\,000

De grootte van een genoom varieert bij eukaryoten duizendvoudig zonder verband met het aantal genen of met de complexiteit van het organisme (de C-waardeparadox): een longvis draagt veertig keer het DNA van een mens en niet meer genen. Het verschil zit niet in de genen maar in het DNA ertussen.

17.3 Wat een genoom bevat

Definitie 17.7 (Anatomie van een gen)

Een gen is een stuk DNA dat tot een functioneel RNA wordt overgeschreven — meestal een boodschapper voor één eiwit. Een eukaryoot eiwitcoderend gen bestaat uit een promotor, de sequentie stroomopwaarts waar de transcriptie begint en wordt geregeld; exonen, de delen die in de rijpe boodschap blijven; intronen, de delen die worden overgeschreven en er daarna worden uitgeknipt (Hoofdstuk 19); de niet-vertaalde gebieden aan beide uiteinden van de boodschap; en een terminator. Een menselijk gen is gemiddeld 27 kb27\,\mathrm{kb} lang met acht exonen die samen 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb} beslaan: negentien twintigste van een gebruikelijk gen is intron. Bacteriële genen hebben geen intronen.

Een eukaryoot gen: een promotor, exonen (behouden) afgewisseld met intronen (na de transcriptie verwijderd). Op een samengedrukte schaal getekend — in een echt gen zouden de intronen twintig keer langer zijn dan de exonen.
Een eukaryoot gen: een promotor, exonen (behouden) afgewisseld met intronen (na de transcriptie verwijderd). Op een samengedrukte schaal getekend — in een echt gen zouden de intronen twintig keer langer zijn dan de exonen.

Propositie 17.8 (De telling van het menselijk genoom)

Van de 3.2 Gb3.2\,\mathrm{Gb} codeert ongeveer 1.5 %1.5\,\% voor eiwit; 25 %25\,\% is intron; 45 %45\,\% is het overblijfsel van transponeerbare elementen — sequenties die zichzelf naar nieuwe plaatsen kopiëren, voor het grootste deel al lang dood (alleen al het alu-element van 300 bp300\,\mathrm{bp} komt in een miljoen kopieën voor, een tiende van het genoom); 8 %8\,\% is korte herhalingen achter elkaar (satelliet-DNA, bij de centromeren en de telomeren); de rest is unieke niet-coderende sequentie waaronder de promotors, enhancers en RNA-genen die de expressie regelen. Veel genen behoren tot families die door verdubbeling zijn ontstaan (de globinen, de reukreceptoren — duizend stuks), en het genoom bevat duizenden pseudogenen, dode kopieën die niet meer werken. Een genoom is geen ontwerp maar een verslag.

Waar het menselijk genoom uit bestaat. De exonen die voor eiwit coderen zijn een splinter; de helft van het genoom is het puin van elementen die zichzelf ooit kopieerden.
Waar het menselijk genoom uit bestaat. De exonen die voor eiwit coderen zijn een splinter; de helft van het genoom is het puin van elementen die zichzelf ooit kopieerden.

Voorbeeld 17.9 (De grootte van een genoom lezen)

Een genoom van 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb} zonder intronen en met weinig herhalingen bevat 43004300 genen; een van 3200 Mb3200\,\mathrm{Mb} met lange intronen en de helft van zijn lengte aan herhalingen bevat er 20 00020\,000; een van 130 000 Mb130\,000\,\mathrm{Mb} bevat diezelfde twintigduizend. De grootte meet hoeveel er zich in het niet-coderende DNA van een lijn heeft opgehoopt, en hoe doeltreffend dat is verwijderd, niet hoeveel het organisme doet.

17.4 Genomen van organellen en virussen

Definitie 17.10 (Genomen van organellen)

Mitochondriën en chloroplasten houden een restant van het chromosoom van hun bacteriële voorouders vast (Hoofdstuk 6): een kleine ring — 16.6 kb16.6\,\mathrm{kb} en 37 genen bij menselijke mitochondriën, 120 to 160 kb120\text{ to }160\,\mathrm{kb} en ongeveer 100 genen bij chloroplasten — in vele kopieën per organel, die voor een deel van hun eigen eiwitten en voor het RNA van hun ribosomen coderen. De rest van hun eiwitten komt van kerngenen. Bij de meeste dieren wordt het mitochondriale genoom uitsluitend van de moeder geërfd, met het cytoplasma van de eicel.

Definitie 17.11 (Virus)

Een virus is een genoom in een eiwitomhulsel, de capside — soms gewikkeld in een membraan, de envelop, aan een gastheercel ontleend — dat zich uitsluitend binnen een cel voortplant, met de ribosomen, de energie en de bouwstoffen van die cel. Zijn genoom kan DNA of RNA zijn, dubbel- of enkelstrengs, lineair of ringvormig, één molecuul of verscheidene: van 5 kb5\,\mathrm{kb} (enkele genen) tot 1.2 Mb1.2\,\mathrm{Mb} (duizend, bij de reuzenvirussen). Buiten een cel doet een virus niets: het is geen cel, het heeft geen stofwisseling, en het leeft alleen in de zin dat het informatie draagt en evolueert. De bacteriofagen zijn de virussen van bacteriën.

Bacteriofagen die zich aan een bacterie hebben gehecht: veelvlakkige koppen met het DNA erin, en staarten waardoor het zal worden ingespoten. Eén enkele cel zal binnen een half uur honderd nieuwe fagen vrijgeven.
Bacteriofagen die zich aan een bacterie hebben gehecht: veelvlakkige koppen met het DNA erin, en staarten waardoor het zal worden ingespoten. Eén enkele cel zal binnen een half uur honderd nieuwe fagen vrijgeven.

Propositie 17.12 (De twee cyclussen van faag λ\lambda)

Faag λ\lambda spuit zijn 48.5 kb48.5\,\mathrm{kb} DNA (Hoofdstuk 11) in E. coli, waar het zich tot een ring sluit. Daarna zijn er twee lotgevallen. In de lytische cyclus worden de genen van de faag door het polymerase van de gastheer overgeschreven, wordt zijn DNA honderdvoudig gerepliceerd, worden capside-eiwitten gemaakt en samengevoegd, wordt het DNA erin gepakt, en lost een enzym de wand op: de cel barst en geeft veertig minuten na de besmetting honderd fagen vrij. In de lysogene cyclus wordt het DNA van de faag in het chromosoom van de gastheer ingevoegd en tot zwijgen gebracht door een repressor van eigen makelij: de profaag wordt generaties lang met het chromosoom meegekopieerd, onzichtbaar, tot schade aan het DNA van de gastheer de onderdrukking opheft en de lytische cyclus hervat. De keuze is een moleculaire schakelaar, een van de eerste die is begrepen (Hoofdstuk 20).

Faag : de lytische cyclus (rood) of de lysogene (groen), en de inductie die de tweede in de eerste omzet.
Faag λ\lambda: de lytische cyclus (rood) of de lysogene (groen), en de inductie die de tweede in de eerste omzet.

Voorbeeld 17.13 (Virussen met RNA-genomen)

Influenza draagt acht segmenten enkelstrengs RNA en een eigen polymerase om ze te kopiëren, want cellen hebben geen enzym dat RNA kopieert; dat polymerase maakt één fout per 10 00010\,000 basen en het virus verandert elk seizoen. Een retrovirus (hiv) draagt RNA en een reverse transcriptase dat het in DNA overschrijft, dat als een profaag in het gastheerchromosoom wordt ingevoegd — een blijvende besmetting. De mechanismen, en de afweerreactie erop, horen bij het deel van jaar 3; hier markeren zij hoe ver het begrip genoom reikt.

17.5 Opgaven

Oefening 17.1 ★

Vergelijk het bacteriële en het eukaryote genoom: aantal en vorm van de chromosomen, plaats, eiwitten die ze ordenen, en gendichtheid.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.1.

Bacterie: één ringvormig chromosoom (plus plasmiden) in een nucleoïde zonder eigen membraan, samengepakt door superspiralisatie en kleine basische eiwitten, voor ongeveer 90 %90\,\% coderend. Eukaryoot: verscheidene lineaire chromosomen in een celkern, om histonen gewonden tot chromatine, voor enkele procenten coderend.

Oefening 17.2 ★

Beschrijf een nucleosoom en geef de samenpakkingsfactor van elk niveau waarop chromatine wordt opgevouwen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.2.

147 basenparen 1,7 keer om een achttal histonen gewonden (twee elk van H2A, H2B, H3, H4), door H1 afgesloten, om de 200 paren één. Kralen aan een snoer ×6\times 6; vezel van 30 nm30\,\mathrm{nm} ×40\times 40; lussen ×1000\times 1000; metafasechromosoom ×10 000\times 10\,000.

Oefening 17.3 ★

Welk deel van het menselijk genoom codeert volgens de tellingsfiguur voor eiwit, en wat is de grootste categorie?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.3.

1.5 %1.5\,\%; transponeerbare elementen en hun resten, 45 %45\,\%.

Oefening 17.4 ★

Wat is een virus, en in welke zin leeft het niet?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.4.

Een genoom (DNA of RNA) in een eiwitcapside, soms met envelop, dat zich uitsluitend binnen een cel voortplant met de machinerie van die cel. Buiten een cel heeft het geen stofwisseling, geen groei, geen reactie — een levenloos deeltje; het “leeft” alleen doordat het erfelijke informatie draagt die evolueert.

Oefening 17.5 ★★

Bereken de lengte van het chromosoom van E. coli en het aantal nucleosoomwindingen dat het zou vragen als het eukaryoot was; leg uit hoe de bacterie het in plaats daarvan samenpakt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.5.

4.6×106×0.34=1.56 mm4.6 \times 10^{6}\times 0.34 = 1.56\,\mathrm{mm}; 4.6×106/200=23 0004.6 \times 10^{6}/200 = 23\,000 nucleosomen. In plaats daarvan: negatieve superspiralisatie door het gyrase en opvouwing in zo’n vijftig lussen op een eiwitkern, met kleine basische eiwitten die het DNA buigen — duizendvoudig, tot een nucleoïde van een micrometer.

Oefening 17.6 ★★

Een menselijk gen van 27 kb27\,\mathrm{kb} heeft 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb} exon in acht stukken. Bereken de gemiddelde exon- en intronlengte en het deel van het primaire transcript dat wordt weggegooid.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.6.

Exonen 1500/8=190 bp1500/8 = 190\,\mathrm{bp}; intronen 25 500/7=3640 bp25\,500/7 = 3640\,\mathrm{bp}; 25.5/27=94 %25.5/27 = 94\,\% van het transcript wordt weggegooid.

Oefening 17.7 ★★

Bereken met de tabel het aantal genen per megabase voor E. coli, gist, de fruitvlieg, de mens en de longvis. Becommentarieer de trend.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.7.

E. coli 930 genen per Mb; gist 500; vlieg 100; mens 6; longvis 0,15. De gendichtheid daalt met vier ordes van grootte terwijl het aantal genen vijfvoudig stijgt: het extra DNA is niet-genisch.

Oefening 17.8 ★★

Het alu-element is 300 bp300\,\mathrm{bp} lang en komt in een miljoen kopieën voor. Welk deel van het genoom is alu? Als elke kopie door retrotranspositie is ontstaan (een RNA dat naar DNA is teruggeschreven en ingevoegd), hoeveel invoegingen per generatie zouden er dan in 6060 miljoen jaar bij 2020 jaar per generatie een miljoen kopieën opleveren?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.8.

106×300=3×108 bp10^6\times 300 = 3 \times 10^{8}\,\mathrm{bp}: 9 %9\,\% van het genoom. 60×106/20=3×10660\times 10^6/20 = 3 \times 10^{6} generaties: gemiddeld één nieuwe invoeging per drie generaties, ergens in de lijn.

Oefening 17.9 ★★

Leg uit waarom het mitochondriale genoom via de moeder wordt geërfd, en wat dat betekent voor het naspeuren van afstamming.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.9.

De eicel levert het cytoplasma met haar mitochondriën; de weinige mitochondriën van de zaadcel worden buitengesloten of na de bevruchting vernietigd. Het mitochondriale DNA gaat daardoor ongemengd van moeder op kind, en de mutaties die zich erin ophopen tekenen de moederlijke lijnen door de tijd heen.

Oefening 17.10 ★★★

Faag λ\lambda wordt in de lysogene toestand eens per gastheergeneratie gekopieerd; in de lytische toestand maakt hij honderd kopieën in 40 min40\,\mathrm{min}. Vergelijk de twee strategieën over twee uur in een goed gevoede kweek die elke 20 min20\,\mathrm{min} verdubbelt; vergelijk ze opnieuw in een hongerende kweek die zich niet deelt. Waarom reageert de schakelaar op de toestand van de gastheer?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.10.

Gevoede kweek, twee uur: lysogenie geeft 26=642^6 = 64 kopieën (één per gastheerdeling); lysis geeft 100 fagen in 40 min40\,\mathrm{min}, en hun nakomelingen 1003=106100^3 = 10^6 in twee uur als er gastheren in overvloed zijn — lysis wint met ruime afstand. Hongerende kweek: lysogenie geeft één kopie, veilig binnen een levende cel; lysis geeft 100 fagen zonder cel om te besmetten, die vergaan. De schakelaar leest de toestand van de gastheer omdat de beste strategie ervan afhangt of er nieuwe gastheren beschikbaar zullen zijn.

Oefening 17.11 ★★★

Een longviscel draagt 130 Gb130\,\mathrm{Gb}: bereken de lengte van het DNA, het aantal nucleosomen en de massa aan histonen per cel, en de tijd om het te repliceren bij de menselijke vorksnelheid (50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s} per vork) met één oorsprong per 100 kb100\,\mathrm{kb}. Wat kost een groot genoom een cel?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.11.

1.3×1011×0.34 nm=44 m1.3 \times 10^{11}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 44\,\mathrm{m} (haploïd); 6.5×1086.5 \times 10^{8} nucleosomen; histonen 6.5×108×108 000×1.66×10−24=117 pg6.5 \times 10^{8}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 117\,\mathrm{pg}. Oorsprongen: 1.3×1061.3 \times 10^{6}, die elk aan weerszijden 50 kb50\,\mathrm{kb} repliceren bij 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}: 1000 s1000\,\mathrm{s} — de tijd is bij genoeg oorsprongen niet het probleem; de kosten zijn de nucleotiden (130 pg130\,\mathrm{pg} DNA per deling), de histonen, de tijd om ze te maken, en een celkern en een cel die vele malen groter zijn, en daarom delen zulke cellen traag.

Oefening 17.12 ★★★

“Het genoom is een verslag, geen ontwerp.” Bespreek dat in een alinea met pseudogenen, transponeerbare elementen, genfamilies en de C-waardeparadox.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.12.

Een ontwerp zou bevatten wat nodig is en niets meer; een verslag bevat wat er is gebeurd. Pseudogenen zijn de lijken van verdubbelde genen die door mutatie zijn gestorven; transponeerbare elementen zijn parasieten die zichzelf tientallen miljoenen jaren hebben gekopieerd en nooit zijn verwijderd; genfamilies tonen verdubbeling gevolgd door uiteenlopen; en de C-waardeparadox toont dat de hoeveelheid DNA de geschiedenis van ophoping en verlies in een lijn weerspiegelt en niet haar behoeften. De selectie houdt de genen werkend en laat de rest driften: wat wij in een genoom lezen is grotendeels geschiedenis.

17.6 Vraagstuk: twee meter in zes micrometer

Probleem 17.1

Weekendvraagstuk — een menselijke celkern opgemeten van de helix tot het chromosoom: lengtes, volumes, nucleosomen, histonen en de verpakkingsverhouding op elk niveau, eindigend op de totale samenpakking in de metafase

Een menselijke diploïde celkern is een bol met een doorsnede van 6 µm6\,\text{µ}\mathrm{m} die 6.4×1096.4 \times 10^{9} basenparen op 46 chromosomen bevat; het grootste chromosoom draagt 250 Mb250\,\mathrm{Mb}, het kleinste 50 50\,. Neem 0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} per paar, 2 nm2\,\mathrm{nm} voor de doorsnede van de helix, 650 Da650\,\mathrm{Da} per paar, 200200 paren per nucleosoom, een histonachttal van 108 kDa108\,\mathrm{kDa}, en 1.66×10−24 g1.66 \times 10^{-24}\,\mathrm{g} per dalton.

Deel I — Lengtes en volumes.

  1. Bereken de totale lengte van het DNA in de celkern.
  2. Bereken het aantal windingen van de dubbele helix dat zij bevat.
  3. Bereken de lengte van het DNA van het grootste en van het kleinste chromosoom.
  4. Bereken het volume van de celkern.
  5. Bereken het volume van het DNA als cilinder, en het deel van de celkern dat het inneemt.
  6. Bereken de massa van het DNA in de celkern, in picogram.
  7. De celkern bevat ongeveer 25 pg25\,\mathrm{pg} eiwit. Welk deel van de kernmassa is DNA, als water 80 %80\,\% van de kern uitmaakt (dichtheid 1.1 g/mL1.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mL})?

Deel II — Nucleosomen.

  1. Bereken het aantal nucleosomen in de celkern.
  2. Bereken de massa aan histonen en vergelijk die met de massa aan DNA.
  3. De 200 200\, paren van één nucleosoom beslaan 68 nm68\,\mathrm{nm} helix maar nemen een kraal van 11 nm11\,\mathrm{nm} in. Bereken de samenpakkingsfactor van de “kralen aan een snoer”.
  4. De vezel van 30 nm30\,\mathrm{nm} bevat zes nucleosomen per 11 nm11\,\mathrm{nm} lengte. Bereken haar samenpakkingsfactor ten opzichte van kaal DNA.
  5. Bereken de lengte van de vezel van 30 nm30\,\mathrm{nm} voor het hele genoom, en vergelijk die met de doorsnede van de celkern.
  6. Elk nucleosoom moet uit elkaar worden gehaald en weer worden opgebouwd wanneer het DNA wordt gerepliceerd of overgeschreven. Hoeveel nucleosomen worden er in de S-fase (8 h8\,\mathrm{h}) opnieuw opgebouwd? En per seconde?

Deel III — Lussen en chromosomen.

  1. Lussen van 75 kb75\,\mathrm{kb} van de vezel van 30 nm30\,\mathrm{nm} hangen aan een geraamte. Bereken de lengte vezel in één lus en het aantal lussen in het genoom.
  2. Een metafasechromatide van het grootste chromosoom is 10 µm10\,\text{µ}\mathrm{m} lang. Bereken de samenpakkingsfactor van kaal DNA tot metafasechromosoom.
  3. Bereken het volume van die chromatide als cilinder met een doorsnede van 0.7 µm0.7\,\text{µ}\mathrm{m}, en het deel ervan dat DNA is.
  4. De 46 chromosomen in de metafase, elk een staafje met dezelfde dichtheid: bereken hun totale volume en vergelijk dat met de interfasekern.
  5. Leg uit waarom chromatine in de interfase niet zo strak kan worden gepakt als in de metafase.

Deel IV — Een gen vinden.

  1. Een eiwit moet één plaats van 20 bp20\,\mathrm{bp} in het genoom vinden. Als het per milliseconde één willekeurige plaats toetste, hoe lang zou het zoeken dan duren? Wat zegt dat over de manier waarop plaatsen worden gevonden?
  2. De 20 000 20\,000\, genen van het genoom zijn gemiddeld 27 kb27\,\mathrm{kb} lang. Welk deel van het genoom ligt binnen genen? Welk deel codeert, bij 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb} exon per gen?
  3. Elk chromosoom neemt zijn eigen gebied van de celkern in. Bereken het volume van het gebied van het grootste chromosoom als de gebieden evenredig zijn met het DNA-gehalte, en de DNA-concentratie daarbinnen in basenparen per kubieke micrometer.
  4. Welk volume zou een longviskern met dezelfde DNA-dichtheid hebben voor 260 Gb260\,\mathrm{Gb} (diploïd)? En welke doorsnede?
  5. Bereken het aantal histonachttallen dat een cel in de S-fase moet maken en het aantal aminozuren daarin (1000 1000\, residuen per achttal). Vergelijk dat met de 3×109 3 \times 10^{9}\, residuen eiwit die een cel per dag maakt.
  6. Leg in twee zinnen uit waarom bacteriën het zonder nucleosomen kunnen stellen en eukaryoten niet.
  7. Geef het resultaat: de totale samenpakkingsfactor van de helix tot het metafasechromosoom, en de factoren op elk niveau.
Oplossing

Oplossing van Probleem 17.1.

1. 6.4×109×0.34 nm=2.18 m6.4 \times 10^{9}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 2.18\,\mathrm{m}. 2. 6.4×109/10=6.4×1086.4 \times 10^{9}/10 = 6.4 \times 10^{8} windingen. 3. 2.5×108×0.34=8.5 cm2.5 \times 10^{8}\times 0.34 = 8.5\,\mathrm{cm}; 1.7 cm1.7\,\mathrm{cm}. 4. 43π×33=113 µm3\frac{4}{3}\pi\times 3^3 = 113\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}. 5. π×(1 nm)2×2.18 m=6.8×10−18 m3=6.8 µm3\pi\times(1\,\mathrm{nm})^2\times 2.18\,\mathrm{m} = 6.8 \times 10^{-18}\,\mathrm{m}^{3} = 6.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}: 6 %6\,\% van de celkern. 6. 6.4×109×650×1.66×10−24=6.9×10−12 g=6.9 pg6.4 \times 10^{9}\times 650\times 1.66\times 10^{-24} = 6.9 \times 10^{-12}\,\mathrm{g} = 6.9\,\mathrm{pg}. 7. Kernmassa 113×10−12 mL×1.1=124 pg113\times 10^{-12}\,\mathrm{mL}\times 1.1 = 124\,\mathrm{pg}; DNA is er 5.6 %5.6\,\% van, eiwit 20 %20\,\%. 8. 6.4×109/200=3.2×1076.4 \times 10^{9}/200 = 3.2 \times 10^{7}. 9. 3.2×107×108 000×1.66×10−24=5.7 pg3.2 \times 10^{7}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 5.7\,\mathrm{pg}: ongeveer evenveel als het DNA. 10. 68/11=6.268/11 = 6.2. 11. Zes nucleosomen, 1200 bp1200\,\mathrm{bp} =408 nm= 408\,\mathrm{nm} helix, in 11 nm11\,\mathrm{nm}: factor 3737. 12. 2.18/37=5.9 cm2.18/37 = 5.9\,\mathrm{cm} vezel — tienduizend keer de kerndoorsnede, daarbinnen opgevouwen. 13. Alle 3.2×1073.2 \times 10^{7}, plus evenveel nieuwe op de tweede kopie: 6.4×1076.4 \times 10^{7} in 28 800 s28\,800\,\mathrm{s}, ongeveer 22002200 per seconde. 14. 75 000×0.34/37=690 nm75\,000\times 0.34/37 = 690\,\mathrm{nm} vezel per lus; 6.4×109/75 000=85 0006.4 \times 10^{9}/75\,000 = 85\,000 lussen. 15. 8.5 cm/10 µm=85008.5\,\mathrm{cm}/10\,\text{µ}\mathrm{m} = 8500. 16. π×0.352×10=3.85 µm3\pi\times 0.35^2\times 10 = 3.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}; DNA π×10−6×0.085 m=0.27 µm3\pi\times 10^{-6}\times 0.085\,\mathrm{m} = 0.27\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}: 7 %7\,\% — de rest is histon- en geraamte-eiwit en water. 17. Totaal DNA 6.4×1096.4 \times 10^{9} paren bij dezelfde dichtheid (2.5×1082.5 \times 10^{8} paren in 3.85 µm33.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}, per chromatide; twee chromatiden per chromosoom): 2×6.4×109/2.5×108×3.85=197 µm32\times 6.4\times 10^9/2.5\times 10^8\times 3.85 = 197\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}, groter dan de interfasekern omdat de chromosomen nu staafjes zijn met ruimte ertussen. 18. Chromatine in de interfase moet worden gelezen en gekopieerd: de polymerasen en hun factoren hebben toegang tot het DNA nodig, zodat het grootste deel ervan als de open vezel van 30 nm30\,\mathrm{nm} en als lussen blijft; chromatine in de metafase is inert en kan voor het vervoer strak worden gepakt. 19. 6.4×1096.4 \times 10^{9} plaatsen bij 10310^3 per seconde: 6.4×1066.4 \times 10^{6} seconden, 74 dagen. Eiwitten zoeken niet willekeurig: zij binden niet-specifiek aan het DNA en glijden erlangs, en vele kopieën zoeken tegelijk, zodat een plaats binnen seconden wordt gevonden. 20. 20 000×27 kb=540 Mb20\,000\times 27\,\mathrm{kb} = 540\,\mathrm{Mb}, 17 %17\,\% van 3.2 Gb3.2\,\mathrm{Gb}; coderend 20 000×1.5=30 Mb20\,000\times 1.5 = 30\,\mathrm{Mb}, 0.9 %0.9\,\% (ongeveer 1,5% als de kortere genen zorgvuldiger worden meegeteld). 21. 113×2×250/6400=8.8 µm3113\times 2\times 250/6400 = 8.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} (twee kopieën); 5×108/8.8=5.7×107 bp/µm35 \times 10^{8}/8.8 = 5.7 \times 10^{7}\,\mathrm{bp}/\text{µ}\mathrm{m}^{3}, hetzelfde als voor de hele celkern. 22. 2.6×1011/5.7×107=4600 µm32.6 \times 10^{11}/5.7 \times 10^{7} = 4600\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}: een doorsnede van 21 µm21\,\text{µ}\mathrm{m}, in volume veertig keer de menselijke celkern. 23. 3.2×1073.2 \times 10^{7} achttallen, 3.2×10103.2 \times 10^{10} residuen — een tiende van de dagelijkse eiwitsynthese van de cel, besteed aan verpakking. 24. Het chromosoom van een bacterie is duizend keer korter en superspiralisatie in lussen volstaat om het in een micrometer te laten passen; een eukaryoot moet een lengte van tienduizend keer haar celkern opvouwen en heeft een hiërarchie van verpakking nodig, waarvan het nucleosoom het eerste niveau is. 25. Ongeveer 85008500 (8.5 cm8.5\,\mathrm{cm} in 10 µm10\,\text{µ}\mathrm{m}), opgebouwd als ×6\times 6 (nucleosomen), nog eens ×6\times 6 (vezel van 30 nm30\,\mathrm{nm}, in totaal ×37\times 37), nog eens ×27\times 27 (lussen, in totaal ×1000\times 1000), en nog eens ×8\times 8 (condensatie in de metafase).

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 479 begrippen in de begrippenlijst