Provinciale Hogeschool Limburg Van gen tot populatie Departement

Provinciale Hogeschool Limburg
Departement Biotechniek
Van gen tot populatie
Deel 1 - opdracht 2
Opdracht 2: Eiwitsynthese en Genregulatie
Doelstelling
1.
2.
3.
4.
De student kan het mechanisme van transcriptie en translatie beschrijven.
De student kan de genetische code gebruiken.
De student kan verklaren waarom genen niet steeds tot expressie komen .
De student kan exemplarisch weergeven welke genen al dan niet tot uiting komen op een
bepaald ogenblik.
5. De student kan het mechanisme van genregulatie beschrijven voor een anabolisch en
katabolisch gen.
Duur:
Uitvoering
Beantwoord de vragen A en B
A. Terminologie i.v.m. eiwitsynthese
Verklaar volgende begrippen of zoek een definitie:
1. Promotor
Startsein voor de aanmaak van RNA bij een DNA-streng. Het is de plaats waarop het RNApolymerase begint. Hier wordt ook dan gestart met de transcriptie. (startsein  AUG)
2.Terminator
Hier stopt het aanmaak van RNA bij een DNA-streng. Het stopsein is die plaats waar het
RNA-polymerase weet dat hij moet stoppen met de transcriptie.
3. Startcodon
Dit kan men zien als het startsein voor de initiatie bij mRNA.
4. Anticodon
Wordt gezien als de complementaire codon op het tRNA voor de codons op het overstaande
mRNA.
5. Stopcodon
Dit is het stopsein voor het ribosoom. Er kunnen nu geen tRNA’s meer gebonden worden.
(terminatie)
6. Transcriptie eenheid
Een eenheid die voorkomt tijdens het doorlopende proces van de transcriptie.
1
7. RNA-polymerase
Dit kan men zien als het actieve enzym tijdens de transcriptie.
8. Aminozuur
Het monomeer (bouwsteen) dat de vorming geeft aan eiwitten (polymeren)
9. Ribosoom
Dit is een celorganel waar men de eiwitsynthese terug vindt. Processen als initiatie, elongatie
en terminatie vind men hier terug.
10. pre-mRNA
Dit is hetzelfde als het heterogeen nucleair RNA (hnRNA) en kan gezien worden als het
onbewerkte mRNA zoals men dat terug vind na de transcriptie. Door het RNA-processing
wordt dit pre-mRNA omgezet in mRNA. (eukaryoten)
11. Leesraam
Hier kan men de opeenvolging van codons aflezen om zo een beter beeld te krijgen van welke
codons voor een bepaald aminozuur staat. Wanneer het lezen verkeerd begint zal er foute
informatie doorgegeven worden.
12. Genetische code
Kan gezien worden als een code die vastgelegd is door een opeenvolging van basenparen in
het DNA. Ze bevatten de informatie voor het maken van aminozuren (eiwitten)
13. operon
Een plaats of gen dat wordt gecontroleerd door een promotor.
14. regulatorgen
Een cel kan niet eindeloos een bepaald enzym gaan maken, er moet een bepaalde rem op
staan. Er is anders gevaar dat bepaalde processen op hol slaan. Hier komt dan het regulatorgen
van te pas die er voor zorgt dat de enzymvorming onder controle wordt gehouden.
15. repressor
Is een DNA-bindings protein dat de expressie regelt van 1 of meerdere genen door het binden
aan een operator en het blokkeren van RNA-polymerase aan de promotor. Dus eigenlijk het
voorkomen van transcriptie op de genen (repressie).
16. promotor
Dit kan een sequentie zijn van een aantal nucleotiden die herkend worden door het RNApolymerase. Dit omvat 2 gebieden, namelijk het herkenningsgebied voor een enzym en ten
tweede de bindingsplaats voor het enzym.
17. operator
Dit is een plaats dat doorgaans deel uitmaakt van de promotor en verantwoordelijk is voor de
genregulatie. (kan bezet zijn door repressor)
18. cistron
Een segment of gedeelte van het DNA dat alle informatie bevat voor het aanmaken van of
productie van enkele polypeptide.
2
19. anabolisch operon
Zie Trp operon op pagina 39.
20. katabolisch operon
Zie Lac-operon op pagina 38.
21. inducer
Een molecuul dat zorgt voor het starten van de genen expressie. Ze binden aan repressoren dat
er voor zorgt dat ze van vorm veranderen en bovendien voorkomen ze het binden aan de
DNA.
22. inhibitie
Dit zorgt voor het omvormen van moleculen waardoor dat dit de werking van enzymen en
andere proteinen afremt.
B. Evaluatie- en denkvragen
1. Kunnen beide strengen van een transcriptie-eenheid gekopieerd worden? Verklaar je
antwoord!
Neen, het polymerase eiwit kan enkel verder gaan op 3’-uiteindes dus zal de transcriptie enkel
verlopen van 3’- naar een 5’-uiteinde.
2. Ribosomen kunnen een binding tussen twee aminozuren tot stand brengen. Hoe noem je
deze binding (Zoek de structuur van methionine en tryptofaan eens op en verbindt deze twee
aminozuren zoals een ribosoom zou doen)?
Binding= Peptidebinding.
(structuren terug te vinden in boek)
3. Construeer, door gebruik te maken van de genetische code, de basenvolgorde van 5’ -> 3’
van de DNA streng die na kopiëren het m-RNA oplevert dat codeert voor het eiwit Phe-ProLys
DNA: 3’ AAA-GGA-TTT 5’
mRNA: UUU-CCU-AAA
DNA: 5’ TTT-CCT-AAA 3’
4. Bespreek de functie van het ribosoom tijdens de eiwitsynthese?
Daar gebeurt de translatie (Ini, Elo, Ter)
5. Hoe weet het RNA-polymerase waar het moet starten en stoppen met een gen over te
schrijven.
RNA-polymerase komt van toepassing bij de transcriptie. De promotor en terminator in dit
proces zeggen waar de polymerase moet starten en stoppen.
6. Een mRNA bevat de volgende sequentie 5’-CCAUUUACG-3’. Voor welk eiwit codeert
dit mRNA (maak gebruik van de genetische code)?
Er zijn hier geen start en stop codon aanwezig. Enkel een aaneenvolging van AZ. Dus kan
men dit niet beschouwen als een eiwit.
3
7. Het startcodon is steeds AUG. Welk gevolg heeft dit? Wat zijn de stopcodons, heeft dit ook
bepaalde gevolgen?
Omdat het startcodon altijd AUG is heeft dit als gevolg dat het eerste aminozuur altijd
hetzelfde is. (MET)
De stopcodon daarentegen (UAA,UAG en UGA) heeft geen gevolgen op het eiwit. Dus
wanneer de startcodon gepasseerd is zal de aanmaak van mRNA pas stoppen als men een
stopcodon tegen komt.
8. Beschrijf schematisch wat de verschillen zijn tussen eiwitsynthese bij een prokaryoot en
een eukaryoot.
Bij de prokaryoten gebeurt de transcriptie en translatie in het cytoplasma (geen kern) en bij
eukaryoten gebeurt de translatie in het cytoplasma en transcriptie in de kern. Bovendien zijn
na de 2 processen in de prokaryoten geen verdere processen en bij eukaryoten wel.
9. Eiwit X wordt minder snel gevormd dan eiwit Y. Leg uit i.f.v. tRNA wat hiervan de
oorzaak kan zijn.
Bepaalde aminozuren hebben een kleine hoeveelheid aan tRNA’s en andere een grootte
hoeveelheid. Dus als een mRNA bestaat uit veel codons die een kleine hoeveelheid aan tRNA
heeft zal de eiwitsynthese trager verlopen. Indien Dit omgekeerd is dus weinig codons en
grote hoeveelheid tRNA zal de synthese veel sneller verlopen.
10. Geef telkens de richting aan waarin transcriptie en translatie gebeuren.( vb. Tijdens
transcriptie wordt DNA overgeschreven van de …. richting in de …. richting.).
Transcriptie: 3’  5’
Translatie: 5’  3’
RNA: 5’  3’
Orientatie codon: 5’  3’
Orientatie anticodon: 3’  5’
11. Initiatie van translatie houdt in dat het ribosoomcomplex zich moet verenigen rond een
mRNA-molecule. Is deze stelling volledig?
Neen, want het eerste tRNA moet ook nog gebruikt worden met het bijhorende aminozuur
methionine.
12. Hieronder vind je de opeenvolging van nucleotiden in een van de twee ketens van een
stukje DNA-helix. Schrijf de opeenvolging van de nucleotiden in de complementaire RNAketen.
DNA: 3’-CTTACTGGATTCGCACTGCTA-5’
RNA: 5’-GAAUGACCUAAGCGUGACGAU-3’
13. Kun je aan de hand van de codeertabel noteren welk stukje eiwit gesynthetiseerd kan
worden met volgende code in het boodschapper – RNA?
UCU UCU GCA CUG GGA GGA ACU GCA
Ser-Ser-Ala-Leu-Gly-Gly-Thr-Ala
14. Schrijf een mogelijke opeenvolging van nucleotiden (met letters) die resulteert in het
stukje eiwit Leu-Gly-Thr-Gly-Ala
CUG-GGU-ACA-GGU-GCG
15. Waarvoor dient transport-RNA
Dit brengt de overeenkomstige aminozuren ( ten opzichte van de overeenkomstige codon van
het mRNA) naar de ribosomen.
4
16. Kun je verklaren waarom twee codeletters per codon niet voldoende zijn?
1 nucleotide  1 letter  41 = 4 onvoldoende
2 nucleotiden  2 letters  4² = 16 onvoldoende
3 nucleotiden  3 letters  4³ = 64 VOLDOENDE!
17. Bij chromatinevezels kun je microscopisch, op sommige plaatsen, wolkachtige
verdikkingen zien, puffs genaamd. Die puffs bevinden zich altijd op dezelfde plaats voor een
bepaald celtype.
Toluidineblauw kleurt
 DNA blauw
 RNA roodviolet.
Als je die kleuring op een cel toepast, zie je dat de eigenlijke chromatinevezel gelijkmatig
blauw kleurt binnen en buiten de puff maar dat de puffs zelf roodviolet zijn. Daarbuiten komt
er geen roodviolette kleuring voor.
a) Hoe zou je dit interpreteren?
De zogenaamde puffs zijn de plaatsen waar de transcriptie plaats vindt.
b) Hoe komt het dat de puffs van levercellen zich op andere plaatsen bevinden
dan die van hersen-, spier en speekselkliercellen.
Men heeft een andere functie dus ook andere eiwitten die nodig zijn. Dus er
worden ook andere genen overgeschreven.
18. Bij een transplantatiepatiënt met een ruilnier gaan de proteïnen van de niercellen na een
tijd ten gronde. Ook hier worden ze snel door andere vervangen.
Volgens welke code: die van de transplantatiepatiënt zelf (acceptor) of die van de donor?
Staaf je antwoord.
Die van de donor want het zijn die cellen die gekopieerd worden. Dus het DNA van de donor
maakt de eiwitten in de cellen.
19.Bij de mRNA-synthese en bij de proteïnesynthese gebeurt er basenparing. Waarin ligt het
verschil?
Het verschil ligt hem bij mRNA bij de werking van de enzymen en bij proteïnesynthese bij de
codon en de anticodon die op mekaar moeten passen.
20. Het genoom van het tabakmozaiëkvirus (TMV) bestaat uit een RNA-streng van ongeveer
6000 nucleotiden, omgeven door een mantel (capside) van 2150 identieke proteïnemoleculen,
die elk uit 158 aminozuren bestaan. De proteïnesynthese verloopt in de cel van de tabaksplant.
a. Verloopt de synthese van de TMV-eiwitten ook in twee tijden: transcriptie en
translatie? Leg uit.
Neen, dit is een RNA virus dus enkelstreng en kan dus onmiddellijk van start
gaan met de translatie.
b. Hoeveel nucleotiden van het RNA zijn codeletters voor de opbouw van
capside-eiwitten.
158 AZ * 3 = 474 eiwitten
5
21.
Sachariden, proteïnen en lipiden worden in het spijsverteringskanaal afgebroken door
enzymen. Kunnen die spijsverteringsenzymen ter plaatse, dus binnen het spijsverteringskanaal
gesynthetiseerd worden? Rechtvaardig je antwoord.
Neen, de holtes bevatten geen ribosomen en andere zaken dus is geen cel. Bovendien moeten
de eiwitten verplaatst worden met behulp van het golgi apparaat van binnen in de cel naar een
extracellulaire plaats.
22. Waarin verschilt een polysoom dat uit cytoplasmatische ribosomen bestaat, qua ligging
en functie van een polysoom dat uit reticulaire ribosomen bestaat?
Ten eerste kan een polysoom gezien worden als meerdere ribosomen die elk na elkaar werken
op hetzelfde molecuul. De reticulaire ribosomen vind men terug in het endoplasmatisch
riticulum en maken vooral eiwitten die nodig zijn in de extracellulaire ruimtes. De
cytoplasmatische daarentegen zitten in het cytoplasma en maken vooral eiwitten die nodig
zijn in het cytoplasma.
23. Geef de polypeptidesequenties die door de volgende polyribonucleotiden (mRNA)
gecodeerd worden: poly-AC (poly = 6), poly-AAG (4), poly-UAUC (3).
ACA CAC ACA CAC  Thr-His-Thr-His
AAG AAG AAG AAG  Lys-Lys-Lys-Lys
UAU CUA UCU AUC  Tyr-Leu-Ser-lle
24.
Hoe verandert de polypeptidesequentie als bij het poly-UAUC
a. De tweede A door U vervangen wordt?
UAUCUAUCUAUC  Tyr-Leu-Ser-lle (geen enkele verandering)
b. De tweede C door G vervangen wordt?
UAUCUAUGUAUC  Tyr-Leu-Cys-lle (wel een verandering)
25.
Sikkelcelanemie is een erfelijke ziekte waarbij, in de molecule hemoglobine het
aminozuur glutaminezuur op 1 plaats vervangen is door valine. Zoek op wat er kan
gebeurd zijn en met welk nucleotidenpaar.
De codons GAA en/of GAG kan vervangen zijn door GUA en GUG
26.
Het genoom van menselijke mitochondriën bestaat uit een cirkelvormige DNAmolecule die verschillende genen bevat en een enkele startsequens (promotor). De
transcriptie gebeurt voor de hele DNA-molecule ineens en voor beide strengen zodat
er, na transcriptie, twee reuze-RNA-moleculen gevormd zijn.
a. Hoe kun je die twee transcripties voorstellen: verlopen ze in dezelfde zin of in
tegengestelde zin. Argumenteer je antwoord.
Ze worden overgeschreven en dit in de tegengestelde zin.
b. Zijn beide reuze-RNA’s identiek? Maw als de ene 5’AUGUAC3’ is, hoe is dan
de andere?
Neen, ze zijn complementair aan mekaar.
6
c. Bouwen ze dezelfde proteïnen op?
Neen, ze zijn complementair aan mekaar dus dat betekent dat er ook andere
basen aanwezig zijn die coderen voor andere aminozuren.
27.
Het alfa-amanitine, een toxische stof uit de groene knolamaniet (Amanita phalloides),
inhibeert de werking van RNA-polymerase bij de eukaryoten. Zoek een mogelijke
verklaring voor de grote toxiciteit van amanitine.
De RNA-polymerase maakt mRNA als die er niet is kunnen er ook geen eiwitten
gemaakt worden dat zorgt voor een kleine overlevingskans van een cel.
28.
Streptomycine, neomycine en andere antibiotica van hetzelfde type binden zich met de
kleine subeenheden van ribosomen bij de prokaryoten, waardoor het aflezen van het
mRNA foutief gebeurt. Hoe weet de mens nuttig gebruik te maken van die eigenschap?
Antibiotica zorgt voor het binden van ribosomen en geeft als gevolg dat bacteriën de
nodige eiwitten niet maken om te delen.
29.
Vergelijk codon en anticodon
a. Tot welk type molecule behoren ze? codon (mRNA) - Anticodon (tRNA)
b. Welke oriëntatie hebben ze: 5’3’ of 3’5’? Codon (5’3’) – Anticodon (3’5’)
c. Op welke plaats van de cel zijn ze werkzaam?
Codon geeft vorming in kern en de vertaling verloopt in het cytoplasma. Bij de
anticodon daarentegen gebeurt alles in het cytoplasma.
d. Hoe staan ze tot elkaar Complementair
e. Welke van de beide staat het dichtst bij het gen, welke het dichtst bij de
proteïne? Op welke manier vormen ze de schakel tussen beide?
De codon is te vinden bij het gen en de anticodon dichter bij het eiwit. En de
schakel is complementaire baseparing.
30.
Proinsuline is een proteïne dat in de eilandjes van Langerhans gevormd wordt en uit 86
aminozuren bestaat.
a. Hoeveel tRNA-moleculen moeten zich verplaatsen voor de synthese van een
molecule proinsuline? 86 tRNA’s
b. Hoeveel nucleotiden telt het mRNA? 86*3+3 = 261
c. Hoeveel nucleotidenparen vertonen het coderende deel van het gen voor proinsuline? 86*3 = 258
31.
Nucleotidensequenties die niet coderen kunnen toch een belangrijke genetische rol
vervullen. Welke? Op DNA-niveau is dit regulatoren en termintatoren (regulatorische
sequenties)
Geef een voorbeeld van DNA-sequenties die niet overgeschreven worden in RNA?
Regulatoren en terminatoren
7
32. Hoe werkt de inducer in een anabolisch en in een katabolisch operon?
Algemeen is een inducer iets dat zorgt dat genen geactiveerd of geïnhibeerd worden in
respons op omgevingsfactoren. Met de repressor zal hij zijn functie vervullen.
Katabolisch operon  hier werkt de inducer als een af te breken stof en inhibeert de
repressor. (Vb: lactose-operon) Activator
Anabolische operon  Hier is de inducer het eindproduct en indien er veel eindproduct is zal
dit binden op de repressor waardoor deze actief wordt en op zijn beurt gaat binden op de
operator. Waardoor de transcriptie niet meer mogelijk is (Vb: Trp operon) Inhibitor
33. Een bepaalde mutatie in E. coli zorgt ervoor dat de active repressor niet meer kan binden
op het lactose operon. Waar zou deze mutatie zich hebben voorgedaan? Wat zouden de
gevolgen van deze mutatie zijn voor de cel?
De repressor zelf verandert ofwel de operator. Dan zijn de gevolgen dat de bacteriën zinloos
eiwitten blijven aanmaken en dat is niet echt nodig en verliest een beetje energie.
34. Welk chemisch principe ligt aan de basis van het al dan niet binden van de inducer aan de
repressor.
Chemisch evenwicht omdat men een complex vormt van inducer en repressor. (I-R-complex)
35. Wat is feedback regulatie (inhibitie). Ken je enkele voorbeelden?
Moleculen vormt verder in de reactieweg. Met een negatief gevolg.
Tryptofaan.
36. Zoek het werkingsmechanisme van miRNA’s op op Internet en geef het schematisch
weer.
EXAMEN: Wat is Lac en Trp operon, operon, werking, …..
8