---
title: "Regeling van de genexpressie"
book: "Universitaire biologie — jaar 1"
subject: biology
language: nl
chapter: 20
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/20-regeling-van-de-genexpressie
---

# Hoofdstuk 20 — Regeling van de genexpressie

Een bacterie die op glucose groeit draagt vijf moleculen van het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) dat lactose verteert; geef haar lactose en zij draagt er binnen enkele minuten vijfduizend. Een levercel en een [neuron](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/4-bouwplannen-en-weefsels-van-dieren#def-b1-body-plans-tissues-nervous) dragen dezelfde twintigduizend [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) en maken vrijwel geheel verschillende stellen [eiwitten](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide), en geen van beide zal ooit die van de ander maken. Niets in [Hoofdstuk 19](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#ch-b1-gene-expression) verklaart dat: de machinerie van de expressie is voor elk [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) dezelfde. Wat verschilt is of een [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) wordt gelezen, hoe vaak, en hoe lang — beslissingen die bij de promotor worden genomen door [eiwitten](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) die aan [DNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain) binden, en daarna door het lot van de boodschapper en het [eiwit](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide). Dit hoofdstuk beschrijft hoe bacteriën [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) aan- en uitzetten naar gelang hun voedsel, hoe eukaryoten hun [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) sturen via het chromatine, verre [enhancers](#def-b1-expression-control-enhancer) en combinaties van factoren, en hoe diezelfde sturing, op verschillende [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) in verschillende [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) toegepast, uit één [genoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-genome) een lichaam maakt.

## 20.1 Waarom en waar genen worden geregeld

**Propositie 20.1 (De expressie wordt op elk niveau geregeld).**

Sommige [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) zijn *constitutief* — zij komen altijd op een gelijkmatig niveau tot expressie omdat hun producten altijd nodig zijn (de [eiwitten](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) van het [ribosoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#def-b1-gene-expression-ribosome), de [enzymen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) van de [glycolyse](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/15-celademhaling-en-gisting#def-b1-respiration-fermentation-glycolysis)). De meeste zijn *geregeld*: zij komen alleen in bepaalde omstandigheden, bepaalde [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en bepaalde momenten tot expressie. De regeling grijpt bij elke stap van de stroom aan — vooral bij het begin van de [transcriptie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma), de goedkoopste plaats om te beslissen, maar ook bij de bewerking, de uitvoer, de stabiliteit en de vertaling van de boodschapper, en bij de wijziging en de afbraak van het [eiwit](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) — en de reactietijden lopen van seconden (een [eiwit](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) dat wordt gewijzigd) via minuten (een bacterieel [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) dat wordt aangezet) tot dagen (een chromatinetoestand die verandert).

**Voorbeeld 20.2 (Alleen enzymen maken wanneer zij nodig zijn).**

Het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) $\beta$-galactosidase, dat lactose splitst, is een tetrameer van vier ketens van $1024\,$ residuen: vijfduizend kopieën zijn $3\,\%$ van het [eiwit](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) van een [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en kosten $8 \times 10^{7}\,$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/8-water-en-kleine-biomoleculen#def-b1-water-small-molecules-atp) per generatie. Een bacterie die ze zou maken zonder lactose om te verteren, zou ongeveer een procent trager groeien dan een concurrent die dat niet deed, en zou binnen enkele honderden generaties in de minderheid zijn. Regeling wordt geselecteerd omdat expressie duur is.

## 20.2 Het lac-operon

**Definitie 20.3 (Operon, repressor en operator).**

Een *operon* is een groep bacteriële [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) die vanaf één promotor samen tot één boodschapper worden overgeschreven, en dus samen worden geregeld. Het *lac-operon* van *E. coli* bestaat uit drie [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) voor het gebruik van lactose — *lacZ* ($\beta$-galactosidase), *lacY* (de lactosepermease die haar invoert) en *lacA* — achter een promotor en een *operator*, een korte sequentie die de promotor overlapt. Een apart [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene), *lacI*, maakt de *lac-repressor*, een [eiwit](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) dat de operator bindt en het polymerase blokkeert. Lactose, in de [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) tot allolactose omgezet, is de *inductor*: zij bindt de repressor, verandert diens vorm, en laat hem de operator loslaten. Het operon staat dus uit tenzij er lactose aanwezig is — *negatieve regeling* die door *inductie* wordt opgeheven.

![Het lac-operon. Zonder lactose zit de repressor op de operator en kan het polymerase niet beginnen; met lactose trekt de inductor de repressor eraf en worden de drie genen tot één boodschapper overgeschreven.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/fig-e3482b6f3c61.svg)

*Het [lac-operon](#def-b1-expression-control-operon). Zonder lactose zit de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) op de [operator](#def-b1-expression-control-operon) en kan het polymerase niet beginnen; met lactose trekt de inductor de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) eraf en worden de drie [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) tot één boodschapper overgeschreven.*

**Propositie 20.4 (Het operonmodel).**

De [lac-genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) worden geregeld door een diffundeerbare [repressor](#def-b1-expression-control-operon) die aangrijpt op een plaats naast de [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene): de regeling is negatief, de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) werkt in *trans* (vanuit de hele [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell)), en de [operator](#def-b1-expression-control-operon) werkt in *cis* (alleen op de [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) ernaast).

**Bewijsmateriaal.** Jacob en Monod (1959–1961) redeneerden vanuit mutanten. Stammen met een mutatie in *lacI* ($I^-$) maakten het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) met of zonder lactose (*constitutief*); een normaal *lacI*-gen dat op een tweede kopie van het gebied werd ingebracht, herstelde de regeling, dus is het product van dat [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) een diffundeerbare [repressor](#def-b1-expression-control-operon) die een mutant mist. Stammen met een mutatie in de [operator](#def-b1-expression-control-operon) ($O^c$) waren eveneens constitutief, maar een tweede normale [operator](#def-b1-expression-control-operon) op een andere kopie herstelde de regeling niet — de [operator](#def-b1-expression-control-operon) regelt alleen de [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) die er fysiek aan vastzitten, en is dus een plaats, geen product. Een derde klasse ($I^s$) kon in het geheel niet worden geïnduceerd en was dominant: een [repressor](#def-b1-expression-control-operon) die de inductor niet meer bindt. In de PaJaMo-proef (1959) legde een normaal *lacI*-gen dat door conjugatie in een $I^-$-cel werd overgebracht de enzymsynthese binnen enkele minuten stil: de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) werkt snel, en op de [transcriptie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) — van de boodschapper werd later aangetoond dat zij een halveringstijd van minuten heeft. ∎

**Definitie 20.5 (Positieve regeling: CAP en cAMP).**

De lac-promotor is zwak: zelfs zonder de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) begint het polymerase er zelden tenzij een tweede [eiwit](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide), *CAP* (catabolite activator protein), er vlak vóór is gebonden, het [DNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain) buigt en het polymerase op zijn plaats houdt. CAP bindt alleen aan [DNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain) wanneer het *cyclisch AMP* draagt, waarvan het gehalte in de [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) daalt zodra er veel glucose is. Het [operon](#def-b1-expression-control-operon) staat dus pas volledig aan wanneer er lactose aanwezig is *en* glucose ontbreekt: twee signalen, een negatief en een positief, worden bij één promotor samengebracht. Krijgt *E. coli* beide suikers, dan eet zij eerst de glucose, pauzeert zij terwijl het cAMP stijgt en de [lac-enzymen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) worden gemaakt, en eet zij daarna de lactose — de tweefasige groeicurve die *diauxie* heet, die Monod in 1941 beschreef en die hem op het spoor van het [operon](#def-b1-expression-control-operon) zette.

![Diauxische groei van E. coli op glucose plus lactose. De kweek groeit op glucose alleen, stopt zodra die op is, en hervat op lactose na het half uur dat het induceren van het lac-operon kost.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/fig-98b9ffb64cd5.svg)

*Diauxische groei van *E. coli* op glucose plus lactose. De kweek groeit op glucose alleen, stopt zodra die op is, en hervat op lactose na het half uur dat het induceren van het [lac-operon](#def-b1-expression-control-operon) kost.*

![Het lac-operon zichtbaar gemaakt: kolonies op een plaat met X-gal, een kleurloos substraat dat -galactosidase blauw maakt. Blauwe kolonies brengen lacZ tot expressie; witte dragen een kapot gen — de reporter die in duizend proeven is gebruikt.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/img-27d15b010166.jpg)

*Het [lac-operon](#def-b1-expression-control-operon) zichtbaar gemaakt: kolonies op een plaat met X-gal, een kleurloos [substraat](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) dat $\beta$-galactosidase blauw maakt. Blauwe kolonies brengen *lacZ* tot expressie; witte dragen een kapot [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) — de reporter die in duizend proeven is gebruikt.*

**Methode 20.6 (Een lac-fenotype voorspellen).**

1. Schrijf het genotype van elke kopie van het gebied op: $I$ , $P$ , $O$ , $Z$ ( $^+$ normaal, $^-$ inactief, $O^c$ operator-constitutief, $I^s$ superrepressor).
2. De [repressor](#def-b1-expression-control-operon) werkt in trans: één $I^+$ waar dan ook onderdrukt elke normale [operator](#def-b1-expression-control-operon) ; $I^s$ onderdrukt ongeacht de inductor.
3. De [operator](#def-b1-expression-control-operon) en de promotor werken in cis: een $O^c$ bevrijdt alleen de $Z$ op zijn eigen [DNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain) ; een $P^-$ legt alleen zijn eigen [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) stil.
4. Vraag, met en zonder inductor, of elk $Z^+$ -gen wordt overgeschreven; het fenotype is dienovereenkomstig induceerbaar, constitutief of niet-induceerbaar. Voeg daarna glucose toe: zonder cAMP–CAP is de [transcriptie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) laag, wat de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) ook doet.

**Voorbeeld 20.7 (Twee partiële diploïden).**

$I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$: de $I^+$-kopie maakt [repressor](#def-b1-expression-control-operon) die de $O^+$ naast $Z^+$ bindt; induceerbaar — de mutatie wordt gecomplementeerd. $I^+\,O^c\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^-$: de enige werkende $Z$ zit achter een [operator](#def-b1-expression-control-operon) die de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) niet kan binden; constitutief — de normale [operator](#def-b1-expression-control-operon) op de andere kopie kan niet helpen, want zij regelt alleen de kapotte $Z$.

## 20.3 Andere strategieën van bacteriën

**Propositie 20.8 (Repressie, attenuatie en sigmafactoren).**

[Operons](#def-b1-expression-control-operon) voor biosynthese worden in de omgekeerde zin geregeld: het *[trp-operon](#prop-b1-expression-control-trp)*, vijf [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) om tryptofaan te maken, wordt overgeschreven tenzij er tryptofaan aanwezig is — het [aminozuur](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-aminoacid) bindt de [trp-repressor](#def-b1-expression-control-operon) en *stelt* hem in staat de [operator](#def-b1-expression-control-operon) te binden (een corepressor). Een tweede, fijnere regeling, de *[attenuatie](#prop-b1-expression-control-trp)*, gebruikt de koppeling van [transcriptie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) en [translatie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) bij bacteriën: het begin van de boodschapper codeert voor een kort peptide met twee tryptofanen achter elkaar; is er veel tRNA met tryptofaan geladen, dan vertaalt een [ribosoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#def-b1-gene-expression-ribosome) dat snel en vouwt het [RNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain) erachter zich tot een terminatorhaarspeld die het polymerase vóór de [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) stilzet; is tryptofaan schaars, dan blijft het [ribosoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#def-b1-gene-expression-ribosome) bij de tryptofaancodons steken en vouwt het [RNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain) zich anders, waardoor de [transcriptie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) doorloopt. Bacteriën schakelen ook hele stellen [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) om door de $\sigma$-subeenheid van hun polymerase te wisselen: een hitteschok-$\sigma$ stuurt het naar de promotors van chaperonnegenen; een sporulatie-$\sigma$ naar die van de sporenvorming.

## 20.4 Regeling bij eukaryoten

**Definitie 20.9 (Transcriptiefactoren, enhancers).**

Bij eukaryoten begint het polymerase nooit uit zichzelf: de algemene factoren bij de promotor ([Hoofdstuk 19](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#ch-b1-gene-expression)) halen het erbij, en de snelheid wordt bepaald door *transcriptiefactoren* die aan *regelsequenties* zijn gebonden — sommige dicht bij de promotor, vele in *enhancers* die duizenden [basenparen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#thm-b1-nucleic-acids-helix) verderop kunnen liggen, stroomopwaarts, stroomafwaarts of in een [intron](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene), in beide richtingen, en die werken doordat het [DNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain) een *lus* maakt waardoor de eraan gebonden factoren het complex bij de promotor via mediatoreiwitten aanraken. Een transcriptiefactor is [modulair](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/3-functionele-organisatie-van-een-bloemplant#prop-b1-flowering-plant-organization-modular) opgebouwd: een *DNA-bindend domein* dat een korte sequentie herkent (de families helix-turn-helix, zinkvinger, leucinerits) en een *activerings-* of *onderdrukkingsdomein* dat de machinerie erbij haalt of tegenhoudt. Een [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) wordt gelezen wanneer de juiste *combinatie* factoren aanwezig is: enkele honderden factoren sturen, in combinaties, twintigduizend [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene).

![De werking van een enhancer. Activatoren die aan een verre enhancer zijn gebonden worden door een lus in het DNA bij de promotor gebracht, en een mediatorcomplex geeft hun signaal aan het polymerase door.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/fig-0f601f6501dc.svg)

*De werking van een [enhancer](#def-b1-expression-control-enhancer). Activatoren die aan een verre [enhancer](#def-b1-expression-control-enhancer) zijn gebonden worden door een lus in het [DNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain) bij de promotor gebracht, en een mediatorcomplex geeft hun signaal aan het polymerase door.*

**Propositie 20.10 (Het chromatine hoort bij de regeling).**

Een [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) dat in nucleosomen is gewikkeld en tot heterochromatine is gepakt kan niet worden gelezen: de factoren kunnen er niet bij. Activatoren halen [enzymen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) erbij die de [histonen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-nucleosome) *acetyleren*, waardoor die het [DNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain) losser vasthouden en het gebied als open wordt gemerkt; [repressoren](#def-b1-expression-control-operon) halen [enzymen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) erbij die de acetylgroepen verwijderen en merken aanbrengen die het chromatine samenpakken. Methylgroepen op cytosinen van een promotor leggen die duurzaam stil, en de merken worden bij de replicatie meegekopieerd, zodat het patroon van open en gesloten [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) van een [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) door haar dochters wordt geërfd — het geheugen waardoor de dochters van een levercel levercellen blijven (het deel van jaar 3 behandelt deze *epigenetische* mechanismen uitgebreid).

**Bewijsmateriaal.** In de reuzenchromosomen (polyteenchromosomen) van vliegenlarven (duizend kopieën van elk [chromosoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-genome) zij aan zij, met banden) verschijnen [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) die worden overgeschreven als *puffs* waar het chromatine zich heeft ontvouwen; het hormoon ecdyson, dat de vervelling op gang brengt, laat binnen enkele minuten een bepaald stel puffs verschijnen en uren later andere, in een vaste volgorde — de [transcriptie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) rechtstreeks zichtbaar, en door een signaal geschakeld. [Genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) die door een chromosoomherschikking naast heterochromatine belanden worden in sommige [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) stilgelegd en in andere niet, en de toestand wordt door hun dochters geërfd. ∎

![Een polyteenchromosoom uit de speekselklier van een vlieg: gebandeerd, met twee puffs waar het chromatine zich voor de transcriptie heeft geopend. Puffs verschijnen en verdwijnen naarmate genen worden aan- en uitgezet.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-expression-control/img-fccaea43354d.jpg)

*Een polyteenchromosoom uit de speekselklier van een vlieg: gebandeerd, met twee puffs waar het chromatine zich voor de [transcriptie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) heeft geopend. Puffs verschijnen en verdwijnen naarmate [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) worden aan- en uitgezet.*

**Voorbeeld 20.11 (Een signaal wordt een expressiepatroon).**

Cortisol komt een levercel binnen en bindt zijn receptor, een [transcriptiefactor](#def-b1-expression-control-enhancer) die in het [cytosol](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/6-functionele-organisatie-van-de-eukaryote-cel#def-b1-eukaryotic-cell-organelle) inactief wordt gehouden; het complex gaat de celkern in, bindt een sequentie van vijftien basen die bij een honderdtal [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) voorkomt — waaronder die van de [gluconeogenese](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/16-biosynthesen-en-de-geintegreerde-cel#def-b1-biosyntheses-integration-gluconeogenesis) ([Hoofdstuk 16](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/16-biosynthesen-en-de-geintegreerde-cel#ch-b1-biosyntheses-integration)) — en haalt acetylasen en mediator erbij: binnen een uur worden de [enzymen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) van de glucosesynthese gemaakt. Hetzelfde hormoon zet in een lymfocyt, waarvan het open chromatine een ander stel van die sequenties blootlegt, [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) aan die de [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) doden. Eén signaal, één receptor, twee antwoorden: het verschil is welke [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) toegankelijk waren.

## 20.5 Na de transcriptie, en het maken van een lichaam

**Propositie 20.12 (Regeling voorbij de promotor).**

Een [eukaryote cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-prokeuk) beslist ook hoe een transcript wordt gespliced (alternatieve [splicing](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-processing) geeft een spier en een brein uit één [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) verschillende [eiwitten](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide)), of het wordt uitgevoerd, hoe lang het meegaat (halveringstijden van minuten voor de boodschappen van regeleiwitten tot dagen voor die van hemoglobine, vastgelegd door sequenties in de niet-vertaalde gebieden die [eiwitten](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) en kleine regulerende [RNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain)’s binden), en of het wordt vertaald ([cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) met ijzergebrek blokkeren de vertaling van de ferritineboodschap met een [eiwit](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) dat aan haar $5'$-uiteinde is gebonden, en laten haar los zodra er ijzer is). Het [eiwit](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) wordt, eenmaal gemaakt, geregeld door wijziging en afbraak ([Hoofdstuk 13](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#ch-b1-enzymes)). Elk later niveau is sneller en plaatselijker dan het vorige, en duurder: de [transcriptie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) beslist wat de [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) kan doen, de latere niveaus wat zij nu doet.

**Propositie 20.13 (Verschillen in expressie maken een lichaam).**

Elke [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) van een meercellig [organisme](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/1-het-organisme-een-systeem-in-wisselwerking-met-zijn-omgeving#def-b1-organism-environment-organism) draagt hetzelfde [genoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-genome); de [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) verschillen doordat zij er verschillende delen van tot expressie brengen. *Huishoudgenen* — enkele duizenden voor de stofwisseling, het [ribosoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#def-b1-gene-expression-ribosome), het [cytoskelet](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/6-functionele-organisatie-van-de-eukaryote-cel#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton) — staan in elke [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) aan; de rest wordt in sommige [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) aan- en in andere uitgezet door de combinaties [transcriptiefactoren](#def-b1-expression-control-enhancer) die elke [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) draagt en de chromatinetoestanden die zij heeft geërfd. De voorloper van een rode [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) zet globine aan en vrijwel al het overige uit; een [neuron](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/4-bouwplannen-en-weefsels-van-dieren#def-b1-body-plans-tissues-nervous) zet zijn [kanalen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/7-membranen-en-membraantransport#def-b1-membranes-transport-transporters) aan en deelt nooit meer. *Differentiatie* is het verwerven van een stabiel expressiepatroon, en de *ontwikkeling* (het deel van jaar 2) is het proces waarmee signalen tussen [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) die patronen op de juiste plaatsen vastleggen.

**Bewijsmateriaal.** Een kern die uit een gedifferentieerde kikkercel wordt gehaald en in een eicel wordt gebracht waarvan de eigen kern is verwijderd, kan de ontwikkeling van een hele kikkervis aansturen (Gurdon, 1962; bekend uit het deel over de bovenbouw): de gedifferentieerde [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) had geen [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) verloren, alleen uitgezet, en het [cytoplasma](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) van de eicel zette de schakelaars terug. De [eiwitten](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) van een celtype, op een gel gescheiden, verschillen van die van een ander type; zijn boodschappers zijn, eenmaal gesequencet, een voor dat type kenmerkende deelverzameling van het [genoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-genome); en een handvol [transcriptiefactoren](#def-b1-expression-control-enhancer) die in een huidcel worden gebracht, kunnen die tot stamcel of [neuron](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/4-bouwplannen-en-weefsels-van-dieren#def-b1-body-plans-tissues-nervous) herprogrammeren. ∎

**Voorbeeld 20.14 (Eén gen in twee organen gelezen).**

Het [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) voor het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) dat glucose uit glucose-6-fosfaat maakt komt tot expressie in de lever en de nier en in geen enkel ander [weefsel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/4-bouwplannen-en-weefsels-van-dieren#def-b1-body-plans-tissues-tissue): zijn promotor draagt plaatsen voor factoren die alleen daar aanwezig zijn, en in andere [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) is zijn promotor gemethyleerd en zijn chromatine gesloten. Een spier, die het [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) ongeschonden draagt, kan geen glucose aan het bloed afgeven ([Hoofdstuk 16](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/16-biosynthesen-en-de-geintegreerde-cel#ch-b1-biosyntheses-integration)) — niet bij gebrek aan het [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) maar omdat het [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) niet wordt gelezen. Het [genoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-genome) is hetzelfde; de expressie is het [orgaan](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/2-functionele-organisatie-van-een-zoogdier#def-b1-mammal-organization-organ).

## 20.6 Opgaven

**Oefening 20.1 ★.**

Noem de onderdelen van het [lac-operon](#def-b1-expression-control-operon) en geef de toestand van het [operon](#def-b1-expression-control-operon) met en zonder lactose, met en zonder glucose.

**Oplossing van Oefening 20.1.**

*lacI* (het repressorgen), de promotor, de [operator](#def-b1-expression-control-operon), *lacZ*, *lacY*, *lacA*, en de CAP-plaats. Geen lactose: uit (de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) zit erop). Lactose met glucose erbij: nauwelijks aan (de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) is los, maar er is geen cAMP–CAP). Lactose zonder glucose: volledig aan. Geen van beide suikers: uit.

**Oefening 20.2 ★.**

Leg het verschil uit tussen een genproduct dat in trans werkt en een plaats die in cis werkt, met van elk één voorbeeld uit het [operon](#def-b1-expression-control-operon).

**Oplossing van Oefening 20.2.**

Een product dat in trans werkt is een diffundeerbaar molecuul dat op elke kopie van zijn doel in de [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) kan aangrijpen: de [repressor](#def-b1-expression-control-operon). Een plaats die in cis werkt is een DNA-sequentie die alleen de [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) beïnvloedt die er fysiek aan vastzitten: de [operator](#def-b1-expression-control-operon).

**Oefening 20.3 ★.**

Lees uit de diauxiefiguur de duur van de aanloop af en de verdubbelingstijden op elke suiker.

**Oplossing van Oefening 20.3.**

De aanloop duurt ongeveer $36\,\mathrm{min}$ (van $2\,\mathrm{h}$ tot $2.6\,\mathrm{h}$); de verdubbeling $20\,\mathrm{min}$ op glucose, $30\,\mathrm{min}$ op lactose.

**Oefening 20.4 ★.**

Definieer [enhancer](#def-b1-expression-control-enhancer), [transcriptiefactor](#def-b1-expression-control-enhancer) en huishoudgen.

**Oplossing van Oefening 20.4.**

[Enhancer](#def-b1-expression-control-enhancer): een regelsequentie, vaak ver weg, die de [transcriptie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) van een [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) verhoogt zodra er factoren aan binden. [Transcriptiefactor](#def-b1-expression-control-enhancer): een [eiwit](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) met een DNA-bindend domein en een activerings- of onderdrukkingsdomein dat de [transcriptie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) regelt. Huishoudgen: een [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) dat in elke [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) op een gelijkmatig niveau tot expressie komt.

**Oefening 20.5 ★★.**

Geef het fenotype (induceerbaar, constitutief, niet-induceerbaar) van: $I^-$; $O^c$; $I^s$; $I^-\,O^+\,Z^+ / I^+\,O^+\,Z^+$; $I^s\,O^+\,Z^+ /
I^+\,O^+\,Z^+$; $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$.

**Oplossing van Oefening 20.5.**

$I^-$: constitutief. $O^c$: constitutief. $I^s$: niet-induceerbaar. $I^-/I^+$: induceerbaar (de $I^+$-repressor werkt in trans). $I^s/I^+$: niet-induceerbaar ($I^s$ is dominant). $I^+\,O^c\,Z^- / I^+\,O^+\,Z^+$: induceerbaar — de enige werkende $Z$ zit achter een normale [operator](#def-b1-expression-control-operon).

**Oefening 20.6 ★★.**

Vergelijk het lac- en het [trp-operon](#prop-b1-expression-control-trp): wat het kleine molecuul in elk met de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) doet, en waarom de logica omgekeerd is.

**Oplossing van Oefening 20.6.**

Lac: de suiker (inductor) bindt de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) en *maakt hem los* van de [operator](#def-b1-expression-control-operon) — de [enzymen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) worden gemaakt wanneer hun [substraat](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) aanwezig is. Trp: het [aminozuur](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-aminoacid) (corepressor) bindt de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) en *stelt* hem in staat te binden — de [enzymen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) worden gemaakt wanneer hun product ontbreekt. Katabole routes worden door hun invoer aangezet, anabole door hun uitvoer uitgezet.

**Oefening 20.7 ★★.**

Een mutant kan geen cAMP maken. Voorspel haar groei op glucose, op alleen lactose, en op beide, en het gehalte aan $\beta$-galactosidase in elk geval.

**Oplossing van Oefening 20.7.**

Op glucose: normale groei (glucose heeft geen CAP nodig). Op alleen lactose: vrijwel geen groei — zonder cAMP kan CAP de lac-promotor niet activeren, zodat het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) zelfs met een losgelaten [repressor](#def-b1-expression-control-operon) op enkele procenten van het geïnduceerde niveau blijft. Op beide: groei op glucose, daarna stilstand; geen tweede fase. Het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) blijft in alle gevallen laag.

**Oefening 20.8 ★★.**

Leg uit waarom [attenuatie](#prop-b1-expression-control-trp) bij eukaryoten onmogelijk is, vanuit de bouw van de [eukaryote cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-prokeuk).

**Oplossing van Oefening 20.8.**

De [attenuatie](#prop-b1-expression-control-trp) vereist dat het [ribosoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#def-b1-gene-expression-ribosome) de boodschapper vertaalt terwijl het polymerase haar nog overschrijft, zodat de plaats van het [ribosoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#def-b1-gene-expression-ribosome) de vorm bepaalt van het [RNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain) achter het polymerase. Bij eukaryoten vindt de [transcriptie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) in de celkern plaats en de [translatie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) in het [cytosol](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/6-functionele-organisatie-van-de-eukaryote-cel#def-b1-eukaryotic-cell-organelle), en wordt de boodschap pas vertaald nadat zij is bewerkt en uitgevoerd.

**Oefening 20.9 ★★.**

Een [enhancer](#def-b1-expression-control-enhancer) wordt van $5\,\mathrm{kb}$ vóór zijn [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) naar $5\,\mathrm{kb}$ erachter verplaatst en omgekeerd; het [gen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) komt nog steeds tot expressie. Leg uit wat dat laat zien over de werking van [enhancers](#def-b1-expression-control-enhancer).

**Oplossing van Oefening 20.9.**

[Enhancers](#def-b1-expression-control-enhancer) werken op afstand, in beide richtingen en aan beide kanten, en kunnen dus niet werken doordat zij worden gelezen of doordat zij het polymerase rechtstreeks plaatsen; zij werken doordat zij factoren binden die de promotor via een lus in het [DNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain) aanraken, waarvoor afstand en richting weinig uitmaken.

**Oefening 20.10 ★★★.**

Hoeveel [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/8-water-en-kleine-biomoleculen#def-b1-water-small-molecules-atp) kosten vijfduizend $\beta$-galactosidasetetrameren van $4096\,$ residuen (vier per residu)? De begroting van een [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) per generatie is ongeveer $1 \times 10^{10}\,$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/8-water-en-kleine-biomoleculen#def-b1-water-small-molecules-atp). Bereken het groeinadeel van een constitutieve mutant, en het aantal generaties waarin haar aandeel in een gemengde populatie van een helft tot een honderdste daalt.

**Oplossing van Oefening 20.10.**

$5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/8-water-en-kleine-biomoleculen#def-b1-water-small-molecules-atp): $0.8\,\%$ van de begroting. De groeisnelheid is $0.8\,\%$ lager: per generatie daalt het aandeel van de mutant met de factor $2^{-0.008} = 0.9945$. Van $1:1$ naar $1:99$: $0.9945^n = 1/99$, $n = \ln 99/0.00555 = 830$ generaties — enkele weken continu kweken.

**Oefening 20.11 ★★★.**

Een levercel en een [neuron](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/4-bouwplannen-en-weefsels-van-dieren#def-b1-body-plans-tissues-nervous) van dezelfde persoon worden vergeleken: hetzelfde [genoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-genome), andere [eiwitten](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide), en elke deling van de levercel geeft levercellen. Leg met het chromatine, de factoren en de vererving van merken uit hoe het verschil ontstaat en hoe het in stand blijft.

**Oplossing van Oefening 20.11.**

Elk celtype draagt een eigen stel [transcriptiefactoren](#def-b1-expression-control-enhancer), die de [enhancers](#def-b1-expression-control-enhancer) van zijn [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) binden en acetylasen erbij halen die hun chromatine openen, terwijl de [genen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-gene) van andere types zijn gemethyleerd en in heterochromatine zijn gepakt waar geen factor bij kan. De factoren houden elkaars expressie in stand (een netwerk met stabiele toestanden), en de chromatinemerken worden bij de replicatie meegekopieerd, zodat de dochters zowel de factoren als de open en gesloten gebieden erven. Het [genoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-genome) is hetzelfde; het toegankelijke [genoom](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/17-genomen-van-cellen-en-virussen#def-b1-genomes-genome) niet, en de ontoegankelijkheid wordt geërfd.

**Oefening 20.12 ★★★.**

“Een bacterie leest haar omgeving; een [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) van een lichaam leest haar geschiedenis.” Bespreek in een alinea de twee typen regeling, hun signalen, hun tijdschalen en hun omkeerbaarheid.

**Oplossing van Oefening 20.12.**

De regelingen van een bacterie zijn op het medium afgestemd: een suiker, een [aminozuur](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-aminoacid), een temperatuur bindt een [repressor](#def-b1-expression-control-operon) of een [sigmafactor](#prop-b1-expression-control-trp) en de reactie is binnen minuten volledig en wordt teruggedraaid zodra het signaal verdwijnt — de expressie volgt de omgeving. Een [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) van een lichaam luistert ook naar signalen, maar haar belangrijkste beslissingen zijn tijdens de ontwikkeling genomen en in het chromatine vastgelegd: wat zij tot expressie kan brengen is bepaald door de factoren die zij heeft geërfd en de merken op haar [DNA](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/11-nucleotiden-en-nucleinezuren#def-b1-nucleic-acids-chain), en verandert alleen door deling en meestal onomkeerbaar. De bacterie is een lezer van het heden; de gedifferentieerde [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) heeft een geheugen dat haar identiteit is.

## 20.7 Vraagstuk: diauxie

**Probleem 20.1.**

Weekendvraagstuk — de tweefasige groeicurve van Monod cel voor cel gereconstrueerd: glucose uitgeput, lactose geïnduceerd, enzymen geteld, mutanten voorspeld en de kosten van de regeling becijferd, eindigend op de inductiefactor van $\beta$-galactosidase

Een kweek van *E. coli* begint met $10^7$ [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) per milliliter in een medium met $0.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ glucose en $1.0\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ lactose. Op glucose verdubbelen de [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) elke $20\,\mathrm{min}$, op lactose elke $30\,\mathrm{min}$; een [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) heeft per deling $1.5 \times 10^{-12}\,\mathrm{g}$ suiker nodig ($180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ voor glucose; lactose, $342\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$, telt als twee glucosen). Niet-geïnduceerde [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) bevatten 5 moleculen $\beta$-galactosidase; volledig geïnduceerd $5000$. De inductie duurt $30\,\mathrm{min}$. Het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) is een tetrameer van $4\times 1024$ residuen; elk residu kost 4 [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/8-water-en-kleine-biomoleculen#def-b1-water-small-molecules-atp); de ATP-begroting van een [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) is $10^{10}$ per deling en haar [eiwit](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/12-aminozuren-en-eiwitten#def-b1-proteins-peptide) $1.5 \times 10^{-13}\,\mathrm{g}$ ($110\,\mathrm{Da}$ per residu).

**Deel I — De glucosefase.**

1. Bereken de beschikbare glucose per milliliter, in gram.
2. Hoeveel delingen per milliliter kan die dragen?
3. Hoeveel [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) zijn er, uitgaande van $10^7$ [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) , wanneer de glucose op is? (Eén deling maakt één nieuwe [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) .)
4. Hoeveel verdubbelingen is dat, en hoe lang duurt de glucosefase?
5. Wat is in deze fase de toestand van het [lac-operon](#def-b1-expression-control-operon) , en waarom, in moleculaire termen ( [repressor](#def-b1-expression-control-operon) en CAP)?

**Deel II — De omschakeling.**

6. Wat stijgt er in de [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) zodra de glucose op is, en wat bindt het?
7. Er was de hele tijd lactose aanwezig. Waarom stond het [operon](#def-b1-expression-control-operon) in de glucosefase toch vrijwel uit?
8. Tijdens de aanloop van $30\,\mathrm{min}$ maakt elke [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) haar $5000$ [enzymen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) . Bereken het aantal enzymmoleculen per seconde per [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) , en het aantal residuen per seconde.
9. Een [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) bevat $20\,000$ [ribosomen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#def-b1-gene-expression-ribosome) bij $20\,$ residuen per seconde. Welk deel van haar [translatie](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#prop-b1-gene-expression-dogma) gaat er tijdens de aanloop naar $\beta$ -galactosidase?
10. Bereken de massa van $5000$ tetrameren en het deel van het celeiwit dat zij vormen.
11. Bereken de inductiefactor.
12. Waarom is de permease ( *lacY* ) voor groei op lactose even noodzakelijk als het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) , en wat gebeurt er met een *lacY* $^-$ -mutant die lactose krijgt?

**Deel III — De lactosefase.**

13. Bereken de beschikbare lactose per milliliter in glucose-equivalenten, in gram.
14. Hoeveel verdere delingen draagt die, en wat is het uiteindelijke celaantal?
15. Hoe lang duurt de lactosefase?
16. Stel de tijdlijn op: glucosefase, aanloop, lactosefase, totaal.
17. Leg uit waarom de verdubbelingstijd op lactose langer is (twee redenen: één over de enzymstap, één over de permease).

**Deel IV — Mutanten en kosten.**

18. Een $I^-$ -mutant: beschrijf haar groeicurve op hetzelfde medium en haar enzymgehalte gedurende de hele tijd.
19. Een CAP $^-$ -mutant: beschrijf haar curve en haar enzymgehalte.
20. Een $O^c$ -mutant in een medium met alleen lactose: enig verschil met het wildtype? En met alleen glucose?
21. Bereken de ATP-kosten per generatie van het maken van $5000$ tetrameren, en het deel van de begroting van de [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) .
22. Als dat deel de generatietijd met datzelfde deel verlengt, hoeveel loopt de groeisnelheid van de $I^-$ -mutant op glucose dan achter bij die van het wildtype?
23. Na hoeveel generaties op glucose is de mutant, uitgaande van gelijke aantallen, een tiende van de populatie? ( $r^n =  0.1/0.9$ met $r$ de verhouding van de groeisnelheden per generatie, oftewel $2^{-\delta}$ bij een achterstand $\delta$ in verdubbelingen.)
24. Leg uit waarom $I^-$ -mutanten desondanks veel voorkomen in laboratoriumstammen die op lactose worden gekweekt.
25. Geef het resultaat: de inductiefactor van $\beta$ -galactosidase, de kosten van het onnodig maken ervan als deel van de ATP-begroting, en de totale duur van de diauxieproef.

**Oplossing van Probleem 20.1.**

**1.** $0.5\times 10^{-3}\times 180 = 0.09\,\mathrm{g}/\mathrm{L} =
9 \times 10^{-5}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$. **2.** $9\times 10^{-5}/1.5\times 10^{-12} = 6 \times 10^{7}$ delingen. **3.** $10^7 + 6 \times 10^{7} = 7 \times 10^{7}$ [cellen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) per mL. **4.** $7 = 2^n$: $n = 2.8$ verdubbelingen, $56\,\mathrm{min}$. **5.** Uit: lactose (allolactose) heeft de [repressor](#def-b1-expression-control-operon) losgelaten, maar glucose houdt het cAMP laag, zodat CAP niet is gebonden en de promotor vrijwel zwijgt; bovendien is de permease schaars, zodat er weinig lactose binnenkomt. **6.** Het cAMP stijgt en bindt CAP, dat de promotor bindt. **7.** De negatieve regeling was opgeheven maar de positieve ontbrak: een zwakke promotor zonder CAP begint zelden ([katabolietrepressie](#def-b1-expression-control-cap)). **8.** $5000/1800 = 2.8$ tetrameren per seconde; $2.8\times 4096 =
11\,400$ residuen per seconde. **9.** Capaciteit $20\,000\times 20 = 4 \times 10^{5}$ residuen per seconde: $3\,\%$ van de [ribosomen](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/19-genexpressie-transcriptie-en-translatie#def-b1-gene-expression-ribosome). **10.** $5000\times 4096\times 110\times 1.66\times 10^{-24} =
3.7 \times 10^{-15}\,\mathrm{g}$: $2.5\,\%$ van het celeiwit. **11.** $5000/5 = 1000$. **12.** Lactose kan de membraan zonder de permease niet passeren; een *lacY*$^-$-mutant heeft het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) maar geen [substraat](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) binnenin en groeit niet op lactose (en induceert ook slecht, want de inductor wordt binnen de [cel](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/5-de-cel-eenheid-van-het-leven#def-b1-cell-unit-of-life-cell) uit lactose gemaakt). **13.** $1.0\times 10^{-3}\times 342 = 0.342\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$, ter waarde van $2\times 180 = 360\,\mathrm{g}$ glucose per mol, oftewel $0.36\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ $= 3.6 \times 10^{-4}\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$. **14.** $3.6\times 10^{-4}/1.5\times 10^{-12} = 2.4 \times 10^{8}$ delingen; uiteindelijk $7 \times 10^{7} + 2.4 \times 10^{8} = 3.1 \times 10^{8}$ per mL. **15.** $3.1/0.7 = 4.4 = 2^n$: $n = 2.1$ verdubbelingen, $64\,\mathrm{min}$. **16.** Glucose $56\,\mathrm{min}$, aanloop $30\,\mathrm{min}$, lactose $64\,\mathrm{min}$: samen $150\,\mathrm{min}$. **17.** De lactose moet eerst worden gehydrolyseerd, een extra enzymatische stap waarvan de snelheid de aanvoer van glucose begrenst; en de permease gebruikt de protonengradiënt om haar in te voeren, een kostenpost die het glucosetransport niet kent. **18.** $I^-$: het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) staat de hele tijd op $5000$ (constitutief, zodra de glucose op is; op glucose begrenst CAP het nog, zodat het niveau ertussenin ligt); haar aanloop is korter of afwezig, zodat de curve een kleinere pauze toont; de kosten vertragen haar op glucose licht. **19.** CAP$^-$: groeit op glucose tot $7 \times 10^{7}$ en stopt dan: het [lac-operon](#def-b1-expression-control-operon) kan niet worden geactiveerd, het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) blijft rond 5 moleculen, en de lactose wordt nooit gebruikt. **20.** Op alleen lactose: geen verschil in enzymgehalte zodra er is geïnduceerd (beide volledig aan) en vrijwel geen in groei; $O^c$ mist alleen de vertraging van de inductie. Op alleen glucose: $O^c$ maakt het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) nutteloos (voor zover CAP dat toelaat), het wildtype niet. **21.** $5000\times 4096\times 4 = 8.2 \times 10^{7}$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/8-water-en-kleine-biomoleculen#def-b1-water-small-molecules-atp): $0.8\,\%$ van $10^{10}$. **22.** De generatietijd is $0.8\,\%$ langer: de groeisnelheid is $0.8\,\%$ lager, $\delta = 0.008$ verdubbeling per generatie. **23.** $r = 2^{-0.008} = 0.99447$; $r^n = 0.111$: $n =
\ln 0.111/\ln 0.99447 = 2.20/0.00555 = 400$ generaties. **24.** Op lactose is het [enzym](https://one-course.com/books/biology/3/nl/chapter/13-enzymen-en-biochemische-katalyse#def-b1-enzymes-enzyme) toch nodig, zodat de mutant niets betaalt en de aanloop wint: er wordt niet tegen haar geselecteerd en soms zelfs vóór haar; en laboratoriumstammen worden om het gemak gekweekt, niet om de concurrentie. **25.** Inductiefactor 1000 (van 5 naar $5000$ moleculen); het onnodig maken kost $0.8\,\%$ van de ATP-begroting; de proef duurt ongeveer tweeënhalf uur.