4. DNA/RNA en eiwitsynthese

Samenvatting voor scheikunde: DNA, RNA en eiwitsynthese

De genetische code

De cellen van elk levend organisme bevatten chromosomen. Deze chromosomen zijn de dragers van je erfelijke materiaal, en zijn opgebouwd uit de genetische code voor het leven: DNA. DNA staat voor Deoxyribonucleic Acid, in het Nederlands desoxyribonucleïnezuur. DNA is gevormd als een dubbele helix en daarom ook altijd dubbelstrengs; het bestaat dus uit twee strengen. We beginnen met hoe een enkele streng is opgebouwd.

De opbouw van een enkele DNA-streng

Een enkele streng is opgebouwd uit kleine bouwstenen, genaamd nucleotiden. Een nucleotide is weer opgebouwd uit drie kleine onderdelen, namelijk een suiker gebonden aan een fosfaat en een base. Dit suiker heeft vijf koolstofatomen, en wordt daarom een pentose genoemd. ‘Penta’ betekent vijf in het latijn. Zoals je misschien weet hebben moleculen met meerdere koolstoffen soms een nummering van de koolstofatomen. Zo heeft ook pentose een nummering, die loopt van 1’ tot 5’.

Op de plaats van koolstofatoom nummer 1’, zit de base gebonden. Er zijn hiervoor vier mogelijke basen, namelijk adenine, guanine, thymine en cytosine. Op het vijfde koolstofatoom, 5’, bindt er een fosfaat. Dit fosfaat schakelt dan weer door naar de volgende pentose op koolstofatoom nummer 3’. Zo zien we een trap ontstaan van suiker naar fosfaat, naar suiker, en ga zo maar door. Hier komt de benaming van de richting dan ook vandaan dat het DNA kan lopen van 5’ naar 3’, of van 3’ naar 5’, aangezien de suiker fosfaatketen telkens verbonden wordt tussen de derde en vijfde koolstofatoom. Deze aaneenschakeling van suiker en fosfaat in een lange keten wordt ook wel de suiker fosfaat backbone genoemd, omdat deze net zoals een wervelkolom de stevigheid geeft aan het DNA.

De template streng

Nu hebben we gezien hoe een enkele streng DNA eruit ziet en uit wat voor onderdelen deze is opgebouwd. In dit voorbeeld had de eerste streng een richting van 5’ naar 3’. Deze streng wordt dan de coderende streng genoemd. De tweede streng die zal paren aan deze coderende streng, zal in precies omgekeerde richting lopen en dus een kopie zijn van de coderende streng, maar dan in de omgekeerde richting; namelijk van 3’ naar 5’. Deze streng wordt de template streng of de matrijsstreng genoemd.

De template streng paart aan de coderende streng door gebruik te maken van waterstofbruggen. Deze waterstofbruggen zullen een zwakke binding maken tussen de basen van de twee strengen. Adenine kan alleen binden aan thymine, en guanine kan alleen binden aan cytosine. Hierdoor zijn de twee strengen dus qua basen precies het tegenovergestelde van elkaar. Doordat er een verschil is in de sterkte van de bindingen tussen de basen, krijgt het DNA zijn spiraalvorm. Nu we een idee hebben over hoe het DNA is opgebouwd kunnen we kijken hoe DNA dan wordt omgezet in een eiwit.

Transcriptie

Daarvoor beginnen we eerst met transcriptie. Transcriptie is het proces waarin het DNA, desoxyribose nucleïnezuur, wordt omgezet in mRNA, messenger RNA , om het af te kunnen lezen. Zie het DNA bijvoorbeeld als een kookboek dat nog geschreven is in de verkeerde taal, waardoor het nog niet afgelezen kan worden. Als we het eiwit willen maken, zullen we eerst het kookboek moeten omschrijven naar de juiste taal. Dit proces is dan transcriptie.

Om je te helpen bij dit stuk, wil ik dat je binas tabel 71E er even bij pakt. Allereerst wordt het DNA, daar waar het benodigde gen gecodeerd ligt, opengeritst, zodat de basen af te lezen zijn. Zoals we eerder hebben vastgesteld zijn twee richtingen in het DNA: 3’ naar 5’, de matrijsstreng of ook wel de template streng, en de 5’ naar 3’ streng, de coderende streng. Bij transcriptie wordt er in principe alleen gebruik gemaakt van de matrijsstreng, die in de 3’ naar 5’ richting loopt.

Allereerst wordt de dubbele helix dus opengeritst. Vervolgens komt er een slim eiwit genaamd RNA polymerase, die zich bindt aan de matrijsstreng. Hij zal gaan ‘scannen’ over de matrijsstreng, en op elke base die de RNA polymerase leest zal hij een nucleotide maken met de omgekeerde base. Dus als de RNA polymerase bij een nucleotide is met een guanine base, zal die een nucleotide bouwen met een cytosine base. Zo vormt de RNA polymerase langzaam een enkelstrengse keten.

Wat je overhoudt is een exacte kopie van de coderende keten van het DNA, dus die tegenovergestelde streng van de template streng. Er is echter nog een verschil tussen het nieuw gevormde RNA en DNA: Alle thymine wordt vervangen door uracil, afgekort U. Dus de coderende streng en het nieuw gevormde RNA verschilt van elkaar doordat Thymine nu Uracil is in het RNA. Als dit proces klaar is, schuift de RNA polymerase er weer uit en wordt het DNA weer aan elkaar vast gelijmd.

mRNA

Het product, mRNA, is eigenlijk nog niet helemaal af en heet nu nog pre-mRNA. Omdat je DNA vatbaar is voor schade genaamd mutaties door invloed van buitenaf, is er iets ontzettend handigs ontstaan. In je DNA zitten er coderende delen en niet-coderende delen. Doordat er niet-coderende delen in het DNA zitten, fungeren deze als een soort van buffer, zodat niet elke vorm van schade direct je coderende DNA hoeft aan te tasten.

Dit zien we dan ook bij het pre-mRNA; er zitten niet coderende delen in genaamd intronen. Deze moeten er eerst uitgehaald worden, zodat je alleen het coderende deel overhoudt, genaamd exonen. Het proces waarbij de intronen worden weggehaald heet splicing, waardoor we dus een mRNA streng overhouden met alleen nog exonen. Voor een uitgebreide weergave hiervan kun je altijd binas tabel 71H naslaan. Nu is je pre-mRNA volwassen mRNA en is het klaar voor de volgende stap!

Translatie

Bij translatie wordt de mRNA code vertaald naar aminozuren. Dit gebeurt door een ribosomen, die we even mogen zien als kleine eiwitfabrieken. Om nog even kort samen te vatten waar we zijn: we hadden een recept voor een eiwit, maar deze was nog niet in de juiste taal. Vervolgens is deze met transcriptie naar de juiste taal vertaald. Nu is het recept bij de fabriek aangekomen, de ribosoom, en kan deze het recept aflezen, het mRNA, om eiwitten te gaan maken. Maar, hoe leest de ribosoom dit recept dan eigenlijk?

Als je met je binas de stappen wil volgen, kun je tabel 71J er bij pakken. Translatie gebeurt allereerst in de 5’ naar 3’ richting. Zoals we eerder besproken, zijn er na transcriptie dus vier basen: adenine A, uracil in plaats van thymine, U, guanine G en cytosine C. De ribosoom begint met lezen zodra hij de sequentie AUG tegenkomt. Dit is het startsignaal dat de eiwitten moeten worden gemaakt. AUG wordt daarom ook wel het startcodon genoemd.

Vervolgens gaat de ribosoom per drie, een zogeheten triplet, lezen wat voor aminozuur er gebouwd moet worden. Dit gaat zo door tot het stopcodon, wat voor de ribosoom een teken is dat het translatieproces voorbij is en de aminozuurketen af is. De ontkoppel factor bindt en de aminozuurketen dissocieert van de ribosoom. Let goed op: er is maar één startcodon, AUG, maar er zijn meerdere mogelijke stopcodons. Raadpleeg altijd tabel 71G om te zien wat voor aminozuren er gemaakt worden en wat de start- en stopcodons zijn.

Nu heeft het eiwit zijn primaire structuur. Als laatste stappen wordt het eiwit in het endoplasmatisch reticulum en golgi gevouwen, wat we de secundaire en tertiaire structuren noemen. Als laatste structuur kan het eiwit nog met andere eiwitten een complex gaan vormen, wat we de quaternaire structuur noemen. Dan is het eiwit dan echt ‘af’.

Toepassingen van eiwitten

Het proces van het maken van eiwitten gebeurt constant in alle verschillende cellen van je lichaam. Wat er precies zal worden gemaakt voor eiwitten, zal afhankelijk zijn van het type lichaamscel. Zo zullen er in je levercellen hele andere eiwitten nodig zijn dan in je huidcellen. Ook kunnen verschillende omgevingsfactoren invloed hebben op het maken van eiwitten. Als er bijvoorbeeld heel lang geen voedsel beschikbaar is, zal je lichaam moeten omgaan met dit voedseltekort en andere eiwitten maken dan wanneer er wel voedsel was geweest.

In het kort:

• Erfelijk materiaal is opgebouwd uit chromosomen met DNA sequenties 
• DNA → transcriptie → pre-mRNA → splicing → mRNA → translatie → eiwit (primaire structuur) → vouwen in ER en Golgi → eiwit (secundaire/tertiaire structuur) → complex vorming → eiwit (quaternaire structuur)
• Eiwitten hebben vele verschillende toepassingen!