Replicatie

Deze les gaat over replicatie. Voordat je hieraan kunt beginnen is het noodzakelijk dat je op de hoogte bent van hoe het DNA is opgebouwd. In een andere les op biologielessen wordt de bouw van het DNA uitgelegd. Replicatie is het verdubbelen van het DNA tijdens de S-fase van de celcyclus. In deze fase van de celcyclus verdubbelt de celkern zijn DNA. Grote vraag is natuurlijk: Waarom wil de cel op een gegeven moment in zijn levenscyclus zijn DNA verdubbelen. Het antwoord op deze vraag is relatief simpel. Zodra de cel merkt dat het milieu, lees zijn omgeving met andere cellen, deling toestaat gaat de cel zich voorbereiden op een celdeling. Echter de cel heeft maar een beperkt aantal organellen en natuurlijk ook maar een beperkte hoeveelheid DNA in zijn celkern. Elke cel in de G1-fase van de celcyclus heeft namelijk maar 46 strengen DNA in de celkern liggen met daarop de erfelijke eigenschappen. Na de celdeling is het echter wel de bedoeling dat elke van de twee dochtercel een volledig pakket van 46 strengen DNA krijgt. Het is dan ook logisch dat voorafgaande aan de cel of kerndeling de cel eerst zijn 46 strengen DNA verdubbelt naar 92 strengen DNA. Een cel met 92 strengen DNA in zijn celkern kan elke dochter cel een setje van 46 strengen DNA meegeven.Vanaf het einde van de S-fase zitten er dus 92 strengen DNA in de celkern. In de M-fase van de celcyclus ontvangt elk van de dochtercellen 46 strengen DNA.

Het kopiëren van het DNA gebeurt in de S-fase van de celcyclus. Heeft de cel in deze fase al zijn DNA gekopieerd dan komt deze cel in een volgende fase van de celcyclus. In de G2-fase. In de G2-fase check de cel nog even of wel al het DNA netjes is gekopieerd. Ook maakt de cel in deze G2-fase voldoende organellen aan om te verdelen over de twee te ontstane dochters.

Nucleotiden

De bouwstenen van het DNA zijn de nucleotiden. Voorafgaande aan de S-fase maakt de cel grote aantallen nucleotiden. Het complete genoom van de mens is opgebouwd uit drie miljard nucleotiden. In de G1 fase moet de cel eerst 3 miljard bouwstenen produceren, voordat deze bouwstenen in de S-fase gekoppeld kunnen worden tot een extra 46 strengen DNA.

De replicatie

Replicatie gebeurt in de in de S-fase van de celcyclus. In deze fase van de celcyclus  wordt het complete genoom verdubbeld. In de afbeelding hieronder zie je in het kort hoe de verdubbeling van het DNA plaatsvindt. In het eerste plaatje zie je een originele streng DNA in de celkern van de moedercel. De moedercel heeft 46 van deze strengen DNA in haar celkern zolang de cel in de G1-fase van de celcyclus zit. In de S-fase vindt de replicatie plaats. De originele streng DNA (donkerblauw) wordt dan opengeritst door het enzym Helicase als de rits van je trui.

Er ontstaat dan uit één dubbelstrengs keten DNA twee enkele strengen DNA.
De losse nucleotiden (lichtblauw) die rond zweven in de celkern worden nu met behulp van het enzym DNA-polymerase razendsnel complementair gekoppeld. Op deze manier worden er twee nieuwe strengen dubbelstrengs DNA gesynthetiseerd. Elke nieuwe streng DNA die ontstaat in de S-fase van de celcyclus is dus opgebouwd uit een deel oud DNA van de moeder (donkerblauw) en een nieuw gesynthetiseerde streng (lichtblauw)

In de afbeelding hieronder is het gehele proces van replicatie in de celkern iets meer in detail weergegeven.

In werkelijkheid is het proces van de replicatie veel ingewikkelder dan hierboven wordt afgebeeld. Voor replicatie wordt het DNA open geritst als een rits van je regenjas. Het DNA wordt op verschillende plekken tegelijk opengemaakt. Een opengemaakte streng DNA heet een replicatiebubble. In zo’n bubble zijn een aantal enzymen actief. De twee belangrijkste enzymen die werkzaam zijn bij de replicatie zijn DNA-polymerase en helicase. Het DNA-polymerase snelt als een trein over de matrijsstreng en koppelt de losse nucleotiden snel aan elkaar tot een dochterstreng. Het helicase werkt als een soort wig en wringt het DNA open tot twee losse strengen. In het kernplasma drijven de losse nicleotiden. Met behulp van het DNA polymerase worden de losse bouwstenen van het DNA complementair gekoppeld aan de matrijsstreng. Bij deze koppeling worden twee fosfaatgroepen van de nucleotide afgekoppeld. De vrijgekomen energie wordt gebruikt om het nuclotide te koppelen aan de groeiende streng.

 

Op bioplek.org kan je fantastisch oefenen met replicatie. Heb je nog vragen, bezoek dan eerst bioplek.org.

Hieronder uitleg in twee video’s over de replicatie op VWO-niveau.

Telomeren zijn de uiteinden van een streng DNA. Telomeren zijn de zogenaamde landingsplaatsen voor het enzym DNA-polymerase dat ervoor zorgt dat voorafgaande aan de celdeling het DNA wordt gekopieerd. Dit systeem werkt echter niet feilloos. Elke keer als het DNA moet worden gekopieerd verdwijnt er een klein stukje van het uiteinde van het DNA. Van het telomeer dus. Aangezien het telomeer de landingsplaats is voor DNA-polymerase, wordt per celdeling deze landingsbaan korter. Na ongeveer 50 celdelingen is er nog maar zo weinig over van het telomeer dat DNA-polymerase niet meer kan koppelen aan het DNA. DNA replicatie is dan niet meer mogelijk. De cel zal sterven. De werking van weefsels zal verminderen, het organisme zal langzaam verouderen en uiteindelijk sterven.

De losse nucleotiden die door het DNA-polymerase moeten worden gekoppeld kunnen alleen maar koppelen aan een vrije OH-groep aan de 3’ kant van het DNA. Aan de 5’ kant zit namelijk een fosfor. Telomerase verlengt een deel van de originele streng zodat er weer plek komt voor het DNA-polymerase om een zogenaamde primer (hechter) te maken. Zo’n primer heeft  wel een vrije OH-groep. Zodra er weer een vrije OH-groep is, is het DNA polymerase weer in staat een stukje DNA te synthetiseren