Biology · Boek 3 · Bachelor Year 1

Universitaire biologie — jaar 1

Universitaire biologie — jaar 1 · Bachelor Year 1

18DNA-replicatie en mitose

Ongeveer elke acht uur kopieert een cel van de darmbekleding zes miljard basenparen met ongeveer één fout per miljard, en verdeelt zij de twee kopieën daarna over twee dochtercellen zodat elk precies zesenveertig chromosomen krijgt — niet vijfenveertig, niet zevenenveertig. Het kopiëren wordt gedaan door een machine die de ene streng leest en haar complement bouwt met vijftig letters per seconde, vanuit tienduizenden startpunten tegelijk; het sorteren door een spoelfiguur van microtubuli die de twee kopieën van elk chromosoom uit elkaar trekt met een nauwkeurigheid van één fout per honderdduizend delingen. Dit hoofdstuk beschrijft de replicatievork en haar enzymen, het probleem van de uiteinden, de celcyclus die de replicatie en de deling regelt, en de mitose, de deling zelf.

18.1 Semiconservatieve replicatie

Propositie 18.1 (Elke streng is een matrijs)

DNA wordt semiconservatief gerepliceerd: de twee strengen van de helix gaan uit elkaar, en elk dient als matrijs waarop een nieuwe complementaire streng wordt gebouwd, zodat elk dochtermolecuul één oude streng gepaard met één nieuwe is.

Bewijsmateriaal. Meselson en Stahl (1958; bekend uit het deel over de bovenbouw) kweekten E. coli op zware stikstof, brachten haar over op lichte stikstof, en scheidden het DNA op dichtheid: na één generatie had al het DNA een tussenliggende dichtheid, na twee de helft tussenliggend en de helft licht — precies de voorspelling van één oude en één nieuwe streng per molecuul, en van geen enkel ander schema. Cairns (1963) merkte replicerende bacteriechromosomen met tritium en fotografeerde ze met autoradiografie: ringen met een replicerende “bel” waarvan de twee vorken vanuit één oorsprong in tegengestelde richting bewogen. Kornberg (1956) zuiverde een enzym dat in de reageerbuis DNA maakte uit de vier nucleosidetrifosfaten en een matrijs, in de volgorde van die matrijs. ∎

Definitie 18.2 (De replicatievork en haar enzymen)

De replicatie begint bij een oorsprong — één op het bacteriechromosoom, tienduizenden op een eukaryoot genoom — waar de helix wordt geopend en twee replicatievorken in tegengestelde richting weglopen. Bij elke vork ontwindt een helicase de helix (één ATP per basenpaar), houden enkelstrengbindende eiwitten de gescheiden strengen uit elkaar, en heft een topo-isomerase vóór de vork de torsie op die het ontwinden opbouwt. Het DNA-polymerase voegt nucleotiden alleen aan de 3′3'-hydroxylgroep van een bestaande keten toe, zodat elke nieuwe streng 5′→3′5' \to 3' groeit en geen enkele uit het niets kan beginnen: een primase legt eerst een korte RNA-primer neer die het polymerase verlengt. Op de matrijs die 3′→5′3' \to 5' wordt gelezen groeit de nieuwe streng ononderbroken naar de vork toe: de leidende streng. Op de andere matrijs moet de nieuwe streng van de vork af groeien, in stukken van 1000 to 2000 1000\text{ to }2000\, nucleotiden bij bacteriën en 100 to 200 100\text{ to }200\, bij eukaryoten, de okazakifragmenten, elk met een eigen primer: de volgende streng. Een tweede polymerase vervangt de primers door DNA en een ligase verbindt de fragmenten tot één streng.

Een replicatievork. Het helicase opent de ouderlijke dubbelstreng; de leidende streng wordt ononderbroken naar de vork toe gekopieerd, de volgende streng achterwaarts in okazakifragmenten, omdat polymerasen alleen in de richting 5' 3' bouwen.
Een replicatievork. Het helicase opent de ouderlijke dubbelstreng; de leidende streng wordt ononderbroken naar de vork toe gekopieerd, de volgende streng achterwaarts in okazakifragmenten, omdat polymerasen alleen in de richting 5′→3′5' \to 3' bouwen.

Propositie 18.3 (Trouw)

Basenparing alleen zou ongeveer één fout op 10510^5 geven; het polymerase leest proef — een exonucleaseactiviteit in de richting 3′→5′3' \to 5' verwijdert een verkeerd gepaarde nucleotide voordat de volgende wordt toegevoegd — wat de fout op één op 10710^7 brengt; en nadat de vork is gepasseerd vindt een systeem voor mismatchherstel de overgebleven verkeerde paren, herkent het de nieuwe streng en verbetert het die: één fout op 10910^9 tot 101010^{10} basenparen per replicatie. Een menselijke cel die 6.4×1096.4 \times 10^{9} paren kopieert maakt bij elke deling een handvol mutaties; een bacterie één per duizend delingen.

Voorbeeld 18.4 (Snelheid en startpunten)

Een bacteriële vork beweegt met 1000 1000\, basenparen per seconde: twee vorken kopiëren de 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb} van E. coli in 40 min40\,\mathrm{min}, en in een rijk medium, waar de cel elke twintig minuten deelt, begint er een nieuwe ronde voordat de vorige klaar is. Een eukaryote vork, door het chromatine vertraagd, beweegt met 50 50\, per seconde: een menselijk chromosoom van 250 Mb250\,\mathrm{Mb} vanuit één oorsprong kopiëren zou een maand kosten, en daarom wordt het genoom vanuit zo’n 40 00040\,000 oorsprongen in acht uur gekopieerd, in een volgorde die per celtype vastligt.

18.2 De uiteinden

Propositie 18.5 (Het eindreplicatieprobleem en het telomerase)

Op een lineair chromosoom kan de volgende streng niet tot het uiterste einde worden afgemaakt: wanneer de laatste primer wordt verwijderd is er geen 3′3'-hydroxylgroep stroomopwaarts van waaruit de opening kan worden gevuld, en elke replicatie zou het chromosoom met 50 to 100 50\text{ to }100\, nucleotiden verkorten. Eukaryoten sluiten hun chromosomen af met telomeren, duizenden kopieën van een korte herhaling (TTAGGG bij gewervelden) die geen genen dragen, en geslachtscellen en stamcellen bezitten telomerase, een enzym met een eigen RNA-matrijs dat herhalingen aan het 3′3'-uiteinde toevoegt en zo herstelt wat de replicatie verliest. De meeste lichaamscellen missen het: hun telomeren worden bij elke deling korter, en na zo’n vijftig delingen in kweek houden zij op met delen. Bacteriën, met ringvormige chromosomen, hebben geen uiteinden.

Het eindreplicatieprobleem (boven) en de oplossing ervan (onder). De volgende streng blijft aan het uiteinde van het chromosoom te kort; het telomerase voegt herhalingen aan het 3'-uiteinde van de matrijs toe, zodat het verlies valt op sequentie die geen genen draagt.
Het eindreplicatieprobleem (boven) en de oplossing ervan (onder). De volgende streng blijft aan het uiteinde van het chromosoom te kort; het telomerase voegt herhalingen aan het 3′3'-uiteinde van de matrijs toe, zodat het verlies valt op sequentie die geen genen draagt.

18.3 De celcyclus

Definitie 18.6 (De celcyclus)

De celcyclus van een eukaryote cel heeft vier fasen. G1_1 (gap 1): de cel groeit en maakt de enzymen van de replicatie; S (synthese): zij repliceert haar DNA, zodat elk chromosoom twee identieke zusterchromatiden wordt die bij het centromeer verbonden zijn; G2_2: zij groeit verder en controleert de kopieën; M: de mitose, de deling van de celkern, gevolgd door de cytokinese, de deling van het cytoplasma. G1_1, S en G2_2 vormen samen de interfase, waarin de chromosomen uitgestrekt en actief zijn; een cel die ophoudt met delen verlaat de cyclus vanuit G1_1 naar een rusttoestand, G0_0. Een delende menselijke cel doet er ongeveer 24 h24\,\mathrm{h} over: G1_1 10 h10\,\mathrm{h}, S 8 h8\,\mathrm{h}, G2_2 4 h4\,\mathrm{h}, M 1 h1\,\mathrm{h}; een gist 90 min90\,\mathrm{min}; een vroeg kikkerembryo dertig minuten, geheel zonder gaps.

Het DNA-gehalte van een celkern door één celcyclus van 24\, h heen. Het verdubbelt tijdens de S-fase, van q (2n chromosomen van één chromatide) naar 2q (2n chromosomen van twee chromatiden), en keert aan het eind van de mitose in elke dochtercel terug naar q; het aantal chromosomen verandert nooit.
Het DNA-gehalte van een celkern door één celcyclus van 24 h24\,\mathrm{h} heen. Het verdubbelt tijdens de S-fase, van qq (2n chromosomen van één chromatide) naar 2q2q (2n chromosomen van twee chromatiden), en keert aan het eind van de mitose in elke dochtercel terug naar qq; het aantal chromosomen verandert nooit.

Propositie 18.7 (Controlepunten)

De cyclus wordt vooruit gedreven door een familie eiwitkinasen, die op hun beurt worden geactiveerd door eiwitten die cyclinen heten en waarvan het gehalte door de cyclus heen stijgt en daalt, en zij wordt bij controlepunten opgehouden tot aan de voorwaarden is voldaan: aan het eind van G1_1 legt de cel zich pas op de replicatie vast als zij groot genoeg is, gevoed is en het signaal om te delen heeft gekregen, en als haar DNA onbeschadigd is; aan het eind van G2_2 gaat zij de mitose pas in wanneer de replicatie voltooid is; in de mitose scheiden de chromatiden pas wanneer elk chromosoom van beide kanten aan de spoelfiguur vastzit. Schade legt de cyclus stil en zet, als zij niet kan worden hersteld, de dood van de cel in gang. De moleculaire machinerie van deze regeling hoort bij het deel van jaar 3; haar falen is kanker.

18.4 Mitose

Definitie 18.8 (Mitose)

De mitose verdeelt de gerepliceerde chromosomen zo dat elke dochterkern van elk chromosoom één chromatide ontvangt — hetzelfde aantal en dezelfde genen als de moedercel. Haar stadia:

  • profase: de chromosomen condenseren tot zichtbare staafjes, elk van twee zusterchromatiden die over hun hele lengte door cohesine-eiwitten bijeen worden gehouden; de twee centrosomen gaan uit elkaar en de mitotische spoelfiguur van microtubuli groeit ertussen;
  • prometafase: de kernenvelop valt uiteen; microtubuli van de spoelfiguur hechten vanuit tegenovergestelde polen aan het kinetochoor van elke chromatide, een eiwitstructuur bij het centromeer;
  • metafase: de chromosomen liggen op de evenaar van de spoelfiguur, elk onder spanning vanuit beide polen;
  • anafase: het cohesine wordt geknipt, de zusterchromatiden gaan uiteen en worden naar tegenovergestelde polen getrokken doordat de microtubuli korter worden (anafase A) en de polen uit elkaar gaan (anafase B);
  • telofase: de chromosomen ontrollen zich, en er vormt zich rond elke set weer een kernenvelop.

De cytokinese verdeelt daarna het cytoplasma: bij dierlijke cellen snoert een contractiele ring van actine en myosine de cel in tweeën; bij plantencellen versmelten blaasjes van het golgi-apparaat op de evenaar tot een celplaat die naar buiten toe uitgroeit tot een nieuwe wand.

Cellen uit een uienworteltop in de interfase, de profase, de metafase, de anafase, de telofase, en na de cytokinese met de nieuwe wand er dwars doorheen. De chromosomen zijn alleen zichtbaar zolang zij gecondenseerd zijn, van de profase tot de telofase.
Cellen uit een uienworteltop in de interfase, de profase, de metafase, de anafase, de telofase, en na de cytokinese met de nieuwe wand er dwars doorheen. De chromosomen zijn alleen zichtbaar zolang zij gecondenseerd zijn, van de profase tot de telofase.
Vier stadia van de mitose in een dierlijke cel. Profase: de chromosomen condenseren terwijl de spoelfiguur zich vanuit de twee centrosomen vormt. Metafase: elk chromosoom ligt op de evenaar, vanuit beide polen vastgehecht. Anafase: de zusterchromatiden worden uit elkaar getrokken. Telofase: er vormen zich twee celkernen en de insnoering deelt de cel.
Vier stadia van de mitose in een dierlijke cel. Profase: de chromosomen condenseren terwijl de spoelfiguur zich vanuit de twee centrosomen vormt. Metafase: elk chromosoom ligt op de evenaar, vanuit beide polen vastgehecht. Anafase: de zusterchromatiden worden uit elkaar getrokken. Telofase: er vormen zich twee celkernen en de insnoering deelt de cel.
Een gekweekte cel in de metafase, met haar microtubuli groen gemerkt en haar chromosomen blauw: de spoelfiguur overspant de cel van pool tot pool en de chromosomen vormen een plaat over haar evenaar.
Een gekweekte cel in de metafase, met haar microtubuli groen gemerkt en haar chromosomen blauw: de spoelfiguur overspant de cel van pool tot pool en de chromosomen vormen een plaat over haar evenaar.

Propositie 18.9 (Wat de mitose behoudt)

De mitose is een deling die het aantal chromosomen behoudt: een cel met 2n chromosomen (46 bij een mens) geeft twee cellen met 2n. Het DNA-gehalte gaat van 2q2q (na de replicatie) naar qq in elke dochtercel; het aantal chromosomen verandert nooit, omdat een chromosoom aan zijn centromeer wordt geteld, en elke chromatide, eenmaal gescheiden, een chromosoom is. Elke cel van een lichaam is daardoor genetisch gelijk aan de eicel waarvan zij afstamt, op de mutaties na die het kopiëren heeft aangebracht. De deling die het aantal chromosomen halveert, de meiose, hoort bij het deel van jaar 2.

Methode 18.10 (Een celcyclusproef lezen)

  1. Meet het DNA per cel (een kleurstof waarvan de fluorescentie evenredig is met het DNA, cel voor cel): cellen op qq zitten in G1_1, op 2q2q in G2_2 of M, ertussenin in S. De fracties geven de duur: het aandeel van een fase in de cyclus is haar aandeel in de cellen.
  2. Geef een puls gemerkte nucleotide (broomdeoxyuridine): alleen cellen in de S-fase nemen die op; de gemerkte fractie is de S-fractie, en het merk tot in de mitose volgen geeft de lengte van G2_2.
  3. Tel de mitosefiguren in een gekleurde coupe: de mitotische index, het deel van de cellen in M, is het deel van de cyclus dat M inneemt — 4 %4\,\% bij een cyclus van 24 h24\,\mathrm{h} met een mitose van één uur.
  4. Blokkeer een stap (een middel dat microtubuli afbreekt legt cellen in de metafase stil; een middel dat de DNA-synthese blokkeert legt ze in S stil) en tel wat zich ophoopt.

Voorbeeld 18.11 (Vernieuwing)

Het epitheel van de dunne darm wordt elke vier dagen vernieuwd, de huid elke maand, de rode cellen elke vier maanden vanuit het beenmerg, dat er twee miljoen per seconde maakt; een levercel deelt ongeveer eens per jaar en een neuron nooit. De cellen van een tumor hebben hun controlepunten verloren: zij delen wanneer dat niet zou moeten, verdragen verkeerd verdeelde chromosomen, en hopen de mutaties op die hen nog sneller laten delen. De chemotherapie buit dat verschil uit: middelen die de spoelfiguur of het polymerase vergiftigen doden de cellen die het meest delen.

18.5 Opgaven

Oefening 18.1 ★

Leg uit waarom de ene streng bij een vork ononderbroken wordt gekopieerd en de andere in fragmenten.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.1.

Polymerasen voegen nucleotiden alleen aan een 3′3'-uiteinde toe, zodat nieuwe strengen 5′→3′5' \to 3' groeien; de twee matrijzen zijn antiparallel, zodat bij een vork de ene nieuwe streng ononderbroken naar de vork toe kan groeien terwijl de andere er juist van weg moet groeien en telkens opnieuw in fragmenten begint naarmate er meer matrijs vrijkomt.

Oefening 18.2 ★

Noem de enzymen en eiwitten bij een replicatievork en de taak van elk.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.2.

Helicase (ontwindt), enkelstrengbindende eiwitten (houden de strengen uit elkaar), topo-isomerase (heft de torsie vooruit op), primase (RNA-primers), DNA-polymerase (verlengt primers, leest proef), een tweede polymerase (vervangt de primers), ligase (verbindt de fragmenten).

Oefening 18.4 ★

Zet de stadia van de mitose op volgorde en geef van elk de bepalende gebeurtenis.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.4.

Profase (condensatie, de spoelfiguur vormt zich), prometafase (de envelop valt uiteen, de kinetochoren hechten), metafase (uitlijning op de evenaar), anafase (de chromatiden gaan uiteen), telofase (de enveloppen vormen zich opnieuw), daarna de cytokinese.

Oefening 18.5 ★★

Bereken het aantal okazakifragmenten dat er bij het kopiëren van het menselijk genoom wordt gemaakt (6.4×1096.4 \times 10^{9} paren, fragmenten van 150 150\,), en het aantal primers, primerverwijderingen en ligaties dat dat betekent.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.5.

De helft van het genoom is synthese van de volgende streng: 6.4×109/150=4.3×1076.4 \times 10^{9}/150 = 4.3 \times 10^{7} fragmenten; evenveel primers, verwijderingen en ligaties.

Oefening 18.6 ★★

Bereken de foutfrequentie per menselijk genoom per replicatie voor een polymerase alleen (10−510^{-5}), met proeflezen (10−710^{-7}) en met mismatchherstel (10−910^{-9}). Hoeveel mutaties geeft elk per deling?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.6.

6.4×109×10−5=64 0006.4 \times 10^{9}\times 10^{-5} = 64\,000; ×10−7\times 10^{-7}: 640; ×10−9\times 10^{-9}: ongeveer 6 mutaties per deling.

Oefening 18.7 ★★

Een lichaamscel verliest per deling 80 80\, nucleotiden telomeer en begint met 10 kb10\,\mathrm{kb}; zij houdt bij 5 kb5\,\mathrm{kb} op met delen. Hoeveel delingen kan zij maken? Waarom heeft een kankercel telomerase nodig?

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.7.

5000/80=625000/80 = 62 delingen. Een tumor moet onbeperkt delen; zonder telomerase zouden zijn telomeren opraken en zouden zijn cellen stilvallen of sterven, en daarom activeren vrijwel alle kankers het enzym opnieuw.

Oefening 18.8 ★★

Een weefsel heeft 5 %5\,\% van zijn cellen in de mitose en 30 %30\,\% in de S-fase; de mitose duurt één uur. Bereken de lengte van de cyclus en van de S-fase.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.8.

Cyclus =1 h/0.05=20 h= 1\,\mathrm{h}/0.05 = 20\,\mathrm{h}; S =0.30×20=6 h= 0.30\times 20 = 6\,\mathrm{h}.

Oefening 18.9 ★★

Een cel heeft 2n =8= 8. Geef het aantal chromosomen, het aantal chromatiden en het DNA-gehalte (in qq) in G1_1, in G2_2, in de metafase, en in elke dochtercel na de telofase.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.9.

G1_1: 8 chromosomen, 8 chromatiden, qq. G2_2: 8, 16, 2q2q. Metafase: 8, 16, 2q2q. Dochtercel: 8, 8, qq.

Oefening 18.10 ★★★

E. coli heeft 40 min40\,\mathrm{min} nodig om haar chromosoom te repliceren maar deelt in een rijk medium elke 20 min20\,\mathrm{min}. Leg uit hoe, en bereken hoeveel oorsprongen en vorken een cel op het moment van de deling bevat.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.10.

Er beginnen elke 20 min20\,\mathrm{min} nieuwe rondes bij de oorsprong voordat de vorige ronde is afgelopen: de replicatie overlapt, en een pasgeboren cel heeft al gedeeltelijk gerepliceerd DNA. Bij de deling is het chromosoom dat zijn ronde afmaakt 40 min40\,\mathrm{min} eerder begonnen, heeft een tweede ronde die 20 min20\,\mathrm{min} eerder begon haar vorken halverwege, en begint een derde net: 4 oorsprongen en 6 vorken in de delende cel.

Oefening 18.11 ★★★

Colchicine breekt microtubuli af. Voorspel wat er met een delende cel gebeurt die ermee wordt behandeld, wat er met haar aantal chromosomen gebeurt als zij daarna de interfase weer ingaat, en waarom het middel wordt gebruikt om karyotypes te maken.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.11.

Er vormt zich geen spoelfiguur: de chromosomen condenseren wel maar kunnen zich niet uitlijnen of scheiden, en de cel blijft bij het spoelfiguurcontrolepunt steken in een metafase-achtige toestand. Glijdt zij zonder te delen terug in de interfase, dan heeft zij 4n chromosomen (tetraploïd). Stilgelegde cellen met gecondenseerde, afzonderlijke chromosomen zijn precies wat een karyotype nodig heeft: het middel wordt gebruikt om ze op te hopen.

Oefening 18.12 ★★★

“De mitose is een kopiëren van het genoom gevolgd door een tellen.” Bespreek dat in een alinea: wat de replicatie waarborgt, wat de spoelfiguur waarborgt, de controlepunten ertussen, en wat er misgaat in een cel die een chromosoom verkeerd verdeelt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 18.12.

De replicatie waarborgt dat elk chromosoom twee identieke chromatiden wordt, tot op één fout per miljard; de spoelfiguur waarborgt dat elke dochtercel er van elk paar één ontvangt, door elk chromosoom vanuit beide polen vast te hechten en de anafase op te houden tot elk chromosoom onder spanning staat. Het controlepunt aan het eind van G2_2 zorgt dat het kopiëren klaar is voordat het tellen begint; het spoelfiguurcontrolepunt zorgt dat het tellen is opgezet voordat de scheiding komt. Een cel die verkeerd verdeelt eindigt met één chromosoom te veel of te weinig (aneuploïdie): een tot op de letter juiste kopie, op het verkeerde adres bezorgd — wat de meeste van zulke cellen doodt en de meeste kankers kenmerkt.

18.6 Vraagstuk: een menselijk genoom kopiëren

Probleem 18.1

Weekendvraagstuk — een S-fase van acht uur: vorken geklokt, oorsprongen geteld, fragmenten en primers opgeteld, fouten berekend en een bacterie vergeleken, eindigend op het kleinste aantal oorsprongen

Een menselijke cel repliceert 6.4×1096.4 \times 10^{9} basenparen in een S-fase van 8 h8\,\mathrm{h}. Een eukaryote vork beweegt met 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}; een bacteriële vork met 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}. Okazakifragmenten zijn 150 150\, nucleotiden lang bij eukaryoten en 1500 1500\, bij bacteriën. Elke toegevoegde nucleotide kost twee ATP-equivalenten (de trifosfaatvoorloper). Foutfrequenties per base: 10−510^{-5} voor het polymerase alleen, 10−710^{-7} met proeflezen, 10−910^{-9} met mismatchherstel.

Deel I — Vorken en oorsprongen.

  1. Hoeveel basenparen kopieert één vork in 8 h8\,\mathrm{h}?
  2. Een oorsprong stuurt twee vorken uit. Hoeveel basenparen kopieert één oorsprong in 8 h8\,\mathrm{h}?
  3. Bereken het kleinste aantal oorsprongen dat nodig is om het genoom in 8 h8\,\mathrm{h} te kopiëren als zij allemaal bij aanvang starten.
  4. Bereken de gemiddelde afstand tussen die oorsprongen langs het DNA, in kilobasen en in micrometers.
  5. In werkelijkheid starten oorsprongen de hele S-fase door en worden er ongeveer 40 00040\,000 gebruikt. Bereken de gemiddelde afstand en de gemiddelde weg die één vork werkelijk aflegt.
  6. Hoe lang zou het duren om het grootste chromosoom (250 Mb250\,\mathrm{Mb}) te kopiëren vanuit één oorsprong in het midden?
  7. Leg uit waarom het aantal oorsprongen, en niet de vorksnelheid, is wat de evolutie heeft bijgesteld om de S-fase kort te maken.

Deel II — Fragmenten en primers.

  1. Bereken het aantal okazakifragmenten dat in één S-fase wordt gemaakt.
  2. Bereken het aantal RNA-primers dat wordt neergelegd, met één per leidende streng per oorsprong meegerekend.
  3. Bereken het aantal ligaties dat nodig is.
  4. Bereken het totale aantal gepolymeriseerde nucleotiden (beide strengen van het hele genoom).
  5. Bereken de ATP-equivalenten die aan het polymeriseren worden besteed, en de gemiddelde snelheid in ATP per seconde over de S-fase.
  6. Vergelijk dat met de ATP-omzet van een rustende cel van ongeveer 10910^9 per seconde: welk deel van de energie van de cel gaat naar het polymeriseren?

Deel III — Fouten.

  1. Bereken het aantal fouten per S-fase bij elk van de drie foutfrequenties.
  2. De coderende sequentie van een gen is 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb}. Hoe groot is met de volledige machinerie de kans dat een bepaald gen bij één deling een mutatie oploopt?
  3. De cellen van een persoon ondergaan in een leven zo’n 101610^{16} delingen. Hoeveel mutaties in totaal, bij 10−910^{-9}? Waarom verdraagt het lichaam dat?
  4. Een mutatie schakelt het mismatchherstel uit. Met welke factor stijgt de mutatiesnelheid, en wat doet dat met het kankerrisico over een leven?

Deel IV — De bacterie. E. coli: 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb}, één oorsprong, twee vorken.

  1. Bereken de tijd om het chromosoom te repliceren.
  2. In een rijk medium deelt de cel elke 20 min20\,\mathrm{min}. Hoeveel replicatierondes lopen er tegelijk, en hoeveel oorsprongen draagt een pasgeboren cel?
  3. Bereken het aantal okazakifragmenten per ronde en per seconde.
  4. Bereken de fouten per ronde bij 10−910^{-9} en het deel van de dochtercellen dat een nieuwe mutatie draagt.
  5. Een kweek van 10910^9 cellen per milliliter deelt eenmaal. Hoeveel nieuwe mutaties verschijnen er in een milliliter, en hoeveel daarvan treffen een bepaald gen van 1 kb1\,\mathrm{kb}?
  6. Leg uit waarom er in vrijwel elke grote kweek van een gevoelige stam resistentie tegen antibiotica te vinden is.
  7. Vergelijk de twee organismen: basenparen, oorsprongen, vorksnelheid, duur van de S-fase, en het ontwerp dat het grotere genoom in een vergelijkbare tijd laat kopiëren.
  8. Geef het resultaat: het kleinste aantal oorsprongen voor een menselijke S-fase van 8 h8\,\mathrm{h}, en het werkelijke aantal en de afstand ertussen.
Oplossing

Oplossing van Probleem 18.1.

1. 50×28 800=1.44×106 bp50\times 28\,800 = 1.44 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}. 2. 2.88×106 bp2.88 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}. 3. 6.4×109/2.88×106=22206.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6} = 2220 oorsprongen. 4. 2.9 Mb2.9\,\mathrm{Mb}, oftewel 2.9×106×0.34 nm=0.98 mm2.9\times 10^6\times 0.34\,\mathrm{nm} = 0.98\,\mathrm{mm} DNA tussen de oorsprongen. 5. 6.4×109/40 000=160 kb6.4 \times 10^{9}/40\,000 = 160\,\mathrm{kb} afstand; elke vork legt ongeveer 80 kb80\,\mathrm{kb} af, een half uur werk. 6. 125 Mb125\,\mathrm{Mb} per vork bij 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}: 2.5×1062.5 \times 10^{6} s, 29 dagen. 7. De vorksnelheid wordt begrensd door de chemie en door het chromatine (twintigvoudig trager dan bij bacteriën); oorsprongen kunnen onbeperkt worden vermenigvuldigd, zodat de S-fase wordt verkort door startpunten toe te voegen en niet door de vorken op te jagen. 8. De synthese van de volgende streng beslaat de helft van het genoom, 3.2×1093.2 \times 10^{9} nucleotiden: 2.1×1072.1 \times 10^{7} fragmenten (de twee vorken van elke oorsprong hebben elk een volgende streng, en de helften tellen op tot één genoom). 9. 2.1×107+2×40 000=2.1×1072.1 \times 10^{7} + 2\times40\,000 = 2.1 \times 10^{7} primers. 10. Ongeveer 2.1×1072.1 \times 10^{7} ligaties (één per fragment) plus één per ontmoeting van vorken. 11. 2×6.4×109=1.28×10102\times6.4 \times 10^{9} = 1.28 \times 10^{10} nucleotiden. 12. 2.56×10102.56 \times 10^{10} ATP; over 28 800 s28\,800\,\mathrm{s} is dat 8.9×1058.9 \times 10^{5} per seconde. 13. Ongeveer 0.1 %0.1\,\% van de ATP-omzet van de cel: het polymeriseren is goedkoop; duur zijn het maken van de nucleotiden en van de histonen. 14. 64 00064\,000, 640 en 6,4 fouten. 15. 1500×10−9=1.5×10−61500\times 10^{-9} = 1.5 \times 10^{-6}: één gen op zevenhonderdduizend per deling. 16. 1016×6.4=6.4×101610^{16}\times 6.4 = 6.4 \times 10^{16} mutaties — elke mogelijke enkelvoudige verandering van het genoom vele malen, verspreid over 101310^{13} cellen: vrijwel alle vallen in niet-coderend DNA of in cellen die worden afgestoten, en een gemuteerde cel is er één op miljarden; alleen enkele combinaties in één cel doen ertoe. 17. Honderdvoudig (10−710^{-7}): de reeks mutaties die een kanker maakt, en die bij 10−910^{-9} decennia kost om zich op te hopen, hoopt zich veel eerder op — erfelijke gebreken in het mismatchherstel veroorzaken darmkanker op jonge volwassen leeftijd. 18. 2.3×1062.3 \times 10^{6} paren per vork bij 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}: 2300 s2300\,\mathrm{s}, 38 min38\,\mathrm{min}. 19. Ongeveer twee overlappende rondes; een pasgeboren cel draagt twee oorsprongen (die elk al eenmaal zijn gerepliceerd) en heeft haar vorken halverwege: haar chromosoom is bij de geboorte al gedeeltelijk gerepliceerd. 20. 4.6×106/1500=30704.6 \times 10^{6}/1500 = 3070 fragmenten per ronde, ongeveer 1,3 per seconde. 21. 4.6×106×10−9=4.6×10−34.6 \times 10^{6}\times 10^{-9} = 4.6 \times 10^{-3} fouten per ronde: ongeveer één dochtercel op 200 draagt een nieuwe mutatie. 22. 109×4.6×10−3=4.6×10610^9\times4.6 \times 10^{-3} = 4.6 \times 10^{6} nieuwe mutaties per milliliter; een bepaald gen van 1 kb1\,\mathrm{kb} wordt 4.6×106×1000/4.6×106=10004.6 \times 10^{6}\times 1000/4.6 \times 10^{6} = 1000 keer getroffen. 23. Met duizend onafhankelijke mutaties in elk willekeurig gen per milliliter per deling is elke mogelijke enkelvoudige verandering — ook die welke resistentie geven — al aanwezig in een grote kweek voordat het antibioticum wordt toegediend; het middel selecteert, het schept niet. 24. Mens: 6.4×1096.4 \times 10^{9} paren, 40 00040\,000 oorsprongen, 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}, 8 h8\,\mathrm{h}. Bacterie: 4.6×1064.6 \times 10^{6} paren, één oorsprong, 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}, 40 min40\,\mathrm{min}. Een genoom dat duizend keer groter is, gekopieerd door vorken die twintig keer trager zijn, in slechts twaalf keer de tijd: het verschil zijn de tienduizenden oorsprongen die parallel werken. 25. Minimaal ongeveer 22002200 oorsprongen, als zij allemaal tegelijk zouden starten; in werkelijkheid zo’n 40 00040\,000, één per 160 kb160\,\mathrm{kb}, die na elkaar starten zodat elke vork ongeveer 80 kb80\,\mathrm{kb} aflegt.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 479 begrippen in de begrippenlijst