Samenvattingen · BiologieNL · VWO

DNA-replicatie en de celcyclus

Hoe een cel haar DNA verdubbelt en zich deelt. Je bestudeert de semiconservatieve DNA-replicatie, de fasen van de celcyclus (interfase met G1, S en G2, en de mitose), het verloop van de mitose met de chromosomen en chromatiden, en de regulatie van de celdeling — met kanker als voorbeeld van een verstoorde regeling.

4 Onderdelen~12 min leestijd4 VaardighedenNiveau Standaard 3 · Verdieping 1

T·0444 / 21

Examenprofiel

De semiconservatieve DNA-replicatie beschrijven (rol van DNA-polymerase en matrijs)De fasen van de celcyclus (G1, S, G2, M) onderscheiden en ordenenHet verloop en de betekenis van de mitose beschrijvenDe regulatie van de celdeling en de betekenis van verstoring (kanker) uitleggen

Operatoren:beschrijfleg uitverklaarordenenbereken

basisniveau

Voor het CE beschrijf je het semiconservatieve mechanisme en volg je het chromosoomaantal door de celcyclus.

verhoogd niveau

Verdieping ligt in de controlepunten van de celcyclus en het ontstaan van kanker door opeenstapeling van mutaties.

Diepte

Tekst

Inhoud · 4 onderdelen

DNA-replicatie en de celcyclus

DNA-replicatie: semiconservatief#

StandaardreplicatiesemiconservatiefDNA-polymerasematrijsstreng

Semiconservatieve replicatie

Afb. 1Afb. 1 — Semiconservatieve replicatie: de strengen scheiden, elk dient als matrijs, en er ontstaan twee identieke DNA-moleculen met elk een oude en een nieuwe streng.

Voordat een cel zich deelt, moet ze eerst haar volledige DNA verdubbelen, zodat beide dochtercellen een complete kopie krijgen. Dit verdubbelen heet DNA-replicatie en gebeurt in de S-fase van de celcyclus (afbeelding 1). Het mechanisme is semiconservatief: de twee strengen van de dubbele helix worden van elkaar gescheiden, en elke oude streng dient als matrijs (mal) voor de opbouw van een nieuwe, complementaire streng. Elk van de twee gevormde DNA-moleculen bestaat daardoor uit één oude en één nieuwe streng — vandaar de naam „semiconservatief” (half behoudend).

De replicatie berust volledig op de complementaire basenparing. Waar de strengen zijn gescheiden, koppelt het enzym DNA-polymerase vrije nucleotiden aan de matrijsstreng volgens de regels A-T en G-C. Zo ontstaat langs elke oude streng een nieuwe streng die precies complementair is, zodat de basenvolgorde exact wordt gekopieerd. Omdat elke oude streng zijn eigen nieuwe partner krijgt, zijn de twee resulterende DNA-moleculen identiek aan het oorspronkelijke molecuul en aan elkaar.

Het semiconservatieve karakter is de sleutel tot de betrouwbaarheid van de erfelijkheid: doordat de oude streng als sjabloon dient, wordt de informatie getrouw doorgegeven en krijgt elke dochtercel dezelfde genen. Toch is de kopie niet altijd perfect: heel af en toe wordt een verkeerde base ingebouwd. De meeste van die fouten worden door een controle-/reparatiemechanisme hersteld, maar een enkele die blijft staan, is een mutatie — de bron van genetische variatie waarop later de evolutie kan werken.

Replicatie moet je goed onderscheiden van transcriptie. Bij replicatie worden beide strengen als matrijs gebruikt en ontstaat een compleet, dubbelstrengs DNA-molecuul dat blijvend deel uitmaakt van de cel; het doel is het verdubbelen van het erfelijk materiaal vóór een celdeling. Bij transcriptie wordt slechts één streng afgelezen en ontstaat een tijdelijk, enkelstrengs mRNA voor de eiwitsynthese. Verwar de twee niet: replicatie kopieert het DNA, transcriptie schrijft een stukje ervan over naar RNA.

Uitgewerkt voorbeeld

Nieuwe strengen bepalen

Een DNA-molecuul heeft de strengen 5'-A T G C-3' en 3'-T A C G-5'. Geef na replicatie de samenstelling van de twee dochtermoleculen.

Strengen scheiden
De twee strengen 5'-A T G C-3' en 3'-T A C G-5' worden gescheiden en dienen elk als matrijs.
Nieuwe strengen vormen
Bij 3'-T A C G-5' ontstaat de complementaire nieuwe streng 5'-A T G C-3'; bij 5'-A T G C-3' ontstaat 3'-T A C G-5'.
Dochtermoleculen samenstellen
Dochter 1: oude 3'-T A C G-5' met nieuwe 5'-A T G C-3'. Dochter 2: oude 5'-A T G C-3' met nieuwe 3'-T A C G-5'.

Resultaat: Beide dochtermoleculen zijn identiek aan het origineel en bestaan elk uit één oude en één nieuwe streng — semiconservatief.

Veelgemaakte fouten

Denken dat bij replicatie de nieuwe DNA-moleculen elk uit twee volledig nieuwe strengen bestaan; elk bevat één oude en één nieuwe streng.
Replicatie en transcriptie verwarren: replicatie verdubbelt het DNA, transcriptie maakt een mRNA-kopie van één gen.

Actieve herhaling

Leg uit waarom de semiconservatieve replicatie ervoor zorgt dat beide dochtercellen na een celdeling exact dezelfde erfelijke informatie bevatten.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — DNA-replicatie (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

De celcyclus#

StandaardcelcyclusinterfaseG1S-faseG2M-fase

De celcyclus

Afb. 2Afb. 2 — De celcyclus: interfase (G1 groei, S DNA-verdubbeling, G2 voorbereiding) gevolgd door de M-fase (mitose en celdeling).

De celcyclus is de opeenvolging van gebeurtenissen van de ene celdeling tot de volgende, en bestaat uit twee hoofddelen: de interfase (de langste periode, waarin de cel groeit en haar DNA verdubbelt) en de M-fase (de deling zelf) (afbeelding 2). De interfase is onderverdeeld in drie fasen: de G1-fase, de S-fase en de G2-fase. In deze volgorde doorloopt de cel groei, DNA-verdubbeling en voorbereiding op de deling.

In de G1-fase groeit de cel: ze maakt eiwitten en organellen aan en voert haar normale functies uit. Deze fase bepaalt vaak hoe lang de hele cyclus duurt. In de S-fase (S van synthese) vindt de DNA-replicatie plaats: het volledige DNA wordt verdubbeld, zodat elk chromosoom voortaan uit twee identieke chromatiden bestaat. In de G2-fase groeit de cel verder en maakt ze de laatste voorbereidingen voor de deling, zoals de aanmaak van eiwitten die de mitose sturen.

Pas na deze hele interfase volgt de M-fase, waarin eerst de kern deelt (mitose) en daarna het cytoplasma (celdeling), zodat twee dochtercellen ontstaan. Elk van die dochtercellen begint dan zelf weer in de G1-fase, waarmee de cyclus rond is. Cellen die zich (voorlopig) niet delen — zoals rijpe zenuwcellen — verlaten de cyclus in een rusttoestand (soms G0 genoemd) en blijven daar; ze doorlopen de S- en M-fase niet.

Het bijhouden van het chromosoomaantal en de hoeveelheid DNA door de cyclus is een geliefd examenonderwerp. Vóór de S-fase heeft een menselijke cel 46 chromosomen die elk uit één chromatide bestaan; na de S-fase nog steeds 46 chromosomen, maar nu elk uit twee chromatiden (de hoeveelheid DNA is verdubbeld). Tijdens de mitose worden de chromatiden verdeeld, zodat elke dochtercel weer 46 chromosomen met elk één chromatide krijgt. Het aantal chromosomen blijft dus 46, maar de hoeveelheid DNA per chromosoom verandert gedurende de cyclus.

Uitgewerkt voorbeeld

Chromosomen en chromatiden tellen

Een menselijke cel bevindt zich in de G2-fase. Geef het aantal chromosomen en het aantal chromatiden, en de aantallen in elke dochtercel na de mitose.

Situatie in G2
Na de S-fase is het DNA verdubbeld: 46 chromosomen, elk bestaand uit 2 chromatiden, dus 92 chromatiden in totaal.
Mitose
Tijdens de mitose worden de 2 chromatiden van elk chromosoom naar de tegenoverliggende polen getrokken en over de dochtercellen verdeeld.
Na de deling
Elke dochtercel krijgt 46 chromosomen die elk weer uit 1 chromatide bestaan — gelijk aan de uitgangssituatie in G1.

Resultaat: In G2: 46 chromosomen (92 chromatiden). Na de mitose heeft elke dochtercel 46 chromosomen met elk 1 chromatide.

Veelgemaakte fouten

De S-fase overslaan of na de mitose plaatsen; de DNA-verdubbeling vindt in de interfase (S-fase) plaats, vóór de deling.
Het chromosoomaantal verwarren met de hoeveelheid DNA: na de S-fase blijft het aantal chromosomen 46, maar de hoeveelheid DNA is verdubbeld.

Actieve herhaling

Een menselijke lichaamscel bevindt zich net na de S-fase. Geef het aantal chromosomen en het aantal chromatiden per chromosoom, en leg uit hoe dit tijdens de mitose verandert.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — de celcyclus (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

Mitose: verloop en betekenis#

Standaardmitoseprofasemetafaseanafasetelofasechromatide

De fasen van de mitose

Afb. 3Afb. 3 — De vier fasen van de mitose en wat er in elke fase met de chromosomen gebeurt.

De mitose is de kerndeling waarbij uit één moederkern twee dochterkernen ontstaan die genetisch identiek zijn aan de moederkern en aan elkaar. Ze verloopt in vier op elkaar volgende fasen: profase, metafase, anafase en telofase (afbeelding 3). Voorafgaand is in de S-fase het DNA verdubbeld, zodat elk chromosoom uit twee identieke chromatiden bestaat die aan elkaar vastzitten; de mitose verdeelt die chromatiden nauwkeurig over de twee dochterkernen.

In de profase worden de chromosomen zichtbaar doordat het DNA sterk opgewonden en compact wordt; het kernmembraan verdwijnt en er vormt zich een spoelfiguur van draden. In de metafase gaan alle chromosomen netjes in het midden (het equatorvlak) van de cel liggen, met de spoeldraden aan hun chromatiden vast. Deze ordening in het midden zorgt ervoor dat de verdeling straks precies gelijk verloopt.

In de anafase worden de twee chromatiden van elk chromosoom uit elkaar getrokken en naar de tegenoverliggende polen van de cel bewogen; vanaf dat moment heten de losgetrokken chromatiden weer zelfstandige chromosomen. Omdat elk paar chromatiden identiek was, krijgt elke pool exact dezelfde set. In de telofase komen de chromosomen bij de polen aan, ontrollen ze weer en vormen zich twee nieuwe kernmembranen; er zijn nu twee dochterkernen. Meestal volgt direct daarna de deling van het cytoplasma, zodat twee volledige dochtercellen ontstaan.

De betekenis van de mitose is dat ze zorgt voor genetisch identieke cellen: groei, herstel van weefsels en ongeslachtelijke voortplanting berusten erop. Doordat de chromatiden precies gelijk worden verdeeld, houden alle lichaamscellen hetzelfde genoom — de moleculaire basis onder de differentiële genexpressie. Mitose staat daarmee tegenover de meiose (de reductiedeling bij de gametenvorming), die juist gehalveerde en onderling verschillende cellen oplevert; dat onderscheid komt bij de voortplanting terug.

Uitgewerkt voorbeeld

Een mitosefase herkennen

In een cel liggen de dubbele chromosomen in één rij precies in het midden van de cel, met spoeldraden eraan. Bepaal de fase en leg uit wat de volgende stap is.

Kenmerk herkennen
Chromosomen die netjes in het equatorvlak (het midden) liggen met spoeldraden eraan, is het kenmerk van de metafase.
Volgende stap
Hierna volgt de anafase: de spoeldraden trekken de twee chromatiden van elk chromosoom uit elkaar naar de tegenoverliggende polen.
Betekenis
Doordat de chromatiden identiek zijn, krijgt elke pool dezelfde set chromosomen, wat leidt tot genetisch identieke dochterkernen.

Resultaat: De cel is in de metafase; de volgende stap is de anafase, waarin de chromatiden naar de polen worden getrokken.

Veelgemaakte fouten

De fasen door elkaar halen, vooral metafase (chromosomen in het midden) en anafase (chromatiden uit elkaar).
Mitose en meiose verwarren: mitose levert 2 identieke cellen met hetzelfde aantal chromosomen, meiose levert 4 verschillende cellen met het halve aantal.

Actieve herhaling

In een preparaat zie je een cel waarvan de chromosomen keurig in één vlak in het midden liggen, met spoeldraden eraan vast. In welke fase van de mitose bevindt deze cel zich? Verklaar.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — mitose (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

Regulatie van de celdeling#

Verdiepingcontrolepuntceldelingsregulatiemutatiekankertumor

Verstoorde regulatie leidt tot een tumor

Afb. 4Afb. 4 — Mutaties in de celdelingsgenen laten de controlepunten falen; de cel deelt zich ongecontroleerd, wat tot een tumor leidt.

De celdeling is streng gereguleerd: een cel deelt niet zomaar, maar alleen als dat nodig is en als aan bepaalde voorwaarden is voldaan. Op enkele plaatsen in de celcyclus zitten controlepunten waar de cel „controleert” of alles in orde is voordat ze verdergaat — bijvoorbeeld of het DNA correct is verdubbeld en onbeschadigd is (afbeelding 4). Regeleiwitten die de celcyclus aandrijven of juist afremmen, sturen deze controlepunten. Zo blijft het aantal delingen afgestemd op de behoefte aan groei en herstel.

Wanneer een controlepunt schade aan het DNA constateert, kan de cel de cyclus stilzetten om de schade te repareren, of — als herstel niet lukt — zichzelf via apoptose opruimen. Deze bewaking voorkomt dat cellen met beschadigd erfelijk materiaal zich vermenigvuldigen. De regulatie is dus tegelijk een aandrijving (delen wanneer nodig) en een rem (niet delen bij problemen); het samenspel van bevorderende en remmende eiwitten houdt de deling in balans.

Kanker ontstaat wanneer deze regulatie wordt verstoord door mutaties in de genen die de celdeling sturen. Raken de „gaspedaal”-genen permanent aan of de „rem”-genen defect, dan gaat een cel zich ongecontroleerd delen, ongeacht de behoefte van het lichaam. Kanker is meestal het gevolg van een opeenstapeling van meerdere mutaties in dezelfde cellijn: één mutatie is doorgaans niet genoeg, doordat het lichaam meerdere controlemechanismen heeft die alle uitgeschakeld moeten raken.

De ongecontroleerde deling levert een gezwel (tumor) op. Een goedaardige tumor blijft ter plaatse; een kwaadaardige tumor kan omringend weefsel binnendringen en via bloed of lymfe uitzaaien naar andere organen (metastase). Dit verklaart waarom factoren die mutaties bevorderen — zoals bepaalde straling, tabaksrook en sommige chemische stoffen — het risico op kanker verhogen: ze vergroten de kans op de opeenstapeling van mutaties in de regelgenen. De celdelingsregulatie is zo de brug tussen de moleculaire biologie en een groot gezondheidsvraagstuk.

Uitgewerkt voorbeeld

Waarom mutagenen het kankerrisico verhogen

Leg uit waarom stoffen die mutaties veroorzaken het risico op kanker vergroten, en waarom er meestal meerdere mutaties nodig zijn.

Mutagenen en mutaties
Mutagene stoffen beschadigen het DNA en verhogen zo de kans op mutaties, ook in de genen die de celdeling regelen.
Verstoorde regulatie
Een mutatie in een gaspedaal- of remgen kan een controlepunt uitschakelen, waardoor de rem op de deling wegvalt.
Opeenstapeling nodig
Het lichaam heeft meerdere controlemechanismen; pas als door opeenstapeling van mutaties genoeg van die mechanismen falen, gaat de cel zich ongecontroleerd delen.

Resultaat: Mutagenen verhogen de kans op mutaties in regelgenen; doordat meerdere controlemechanismen moeten falen, ontstaat kanker meestal pas na een opeenstapeling van mutaties.

Veelgemaakte fouten

Denken dat één enkele mutatie meteen kanker veroorzaakt; meestal is een opeenstapeling van meerdere mutaties nodig.
Een tumor gelijkstellen aan kanker; alleen kwaadaardige tumoren dringen binnen en zaaien uit, goedaardige blijven ter plaatse.

Actieve herhaling

Leg uit waarom blootstelling aan mutagene stoffen (zoals stoffen in tabaksrook) het risico op kanker verhoogt, en waarom er meestal meerdere mutaties nodig zijn.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie VWO — regulatie van de celdeling (College voor Toetsen en Examens (CvTE))

Referenties en bronnen

Bronnen

College voor Toetsen en Examens (CvTE)

Examenprogramma biologie VWO — DNA-replicatie

DNA-replicatie en de celcyclus

4 Onderdelen~12 min leestijd4 VaardighedenNiveau Standaard 3 · Verdieping 1

DNA-replicatie en de celcyclus

Kernpunten

Nieuwe strengen bepalen

Kernpunten

Chromosomen en chromatiden tellen

Kernpunten

Een mitosefase herkennen

Kernpunten

Waarom mutagenen het kankerrisico verhogen

Bronnen

DNA-replicatie en de celcyclus

Kernpunten

Nieuwe strengen bepalen

Kernpunten

Chromosomen en chromatiden tellen

Kernpunten

Een mitosefase herkennen

Kernpunten

Waarom mutagenen het kankerrisico verhogen

Bronnen