Van DNA naar eiwitten: Hoe werkt het ook allemaal weer?

Het hele bouwplan van ons lichaam, waarin onze vorm, ons uitzicht, maar - veel belangrijker - de werking van onze cellen in beschreven staat, is ons DNA. We spreken ook van ons genoom - de specifieke DNA-samenstelling voor een soort, bv. de mens. Het genoom, in essentie de verzameling van alle genen die bij een soort horen, bevat de informatie die vertelt hoe allerlei processen in cellen en weefsels moeten verlopen: welke kleurstoffen de cellen in het oog moeten aanmaken, hoe cellen glucose moeten afbreken om er energie uit te winnen, hoe beenmergcellen zich moeten omvormen tot bloedcellen, en wanneer zaden beginnen kiemen. Het DNA voert die activiteiten echter niet zelf uit. Dat is weggelegd voor de eiwitten of proteïnen, verzameld in het proteoom. De instructies die zeggen hoe dat eiwit er moet uitzien om die functie correct uit te voeren, die zijn opgeslagen in de moleculen van het DNA. We zeggen daarom ook wel dat DNA codeert voor een bepaald eiwit. De verbinding tussen genoom en proteoom wordt gevormd door het transcriptoom. Dit bestaat uit de mRNA-moleculen.

Het centrale dogma van de moleculaire biologie.
De zwarte pijlen duiden aan welke processen er in alle cellen plaatsvinden,
en de grijze pijlen in stippellijn tonen wat sommige virussen kunnen.

In elk levend wezen, in alle cellen, zijn die drie componenten met mekaar verbonden. De ene component wordt in de andere omgezet in een reeks van complexe biochemische processen, die ervoor zorgen dat alle informatie in het genoom op de juiste manier wordt gebruikt om de cel draaiende te houden. Eerst wordt het DNA overgeschreven naar RNA in een proces dat transcriptie heet. Daarna wordt dat RNA vertaald naar een eiwit (via het translatieproces). Ondertussen kopieert het DNA zichzelf elke keer als de cel zich begint te delen.

Bij de virussen komen er nog twee extra stappen voor. Om te beginnen kan daar soms het RNA in een complementaire streng worden overgeschreven. We spreken van de (+)-vorm en de (-)-vorm van het RNA. Daarnaast stockeren sommige virussen hun genetische informatie niet als DNA, maar als RNA. Wanneer ze een gastcel infecteren, moet dit RNA worden omgezet in DNA (en dat proces heet dan ook reverse transcriptie).

Heel deze flow van informatie noemen we het centrale dogma van de moleculaire biologie.

De spelers

Alles vertrekt in het schema van het DNA. Structureel bestaat een DNA-molecule uit twee lange ketens of strengen die precies in elkaar passen. Elk van deze twee strengen heeft een ruggengraat van afwisselend deoxyribose (een suikermolecule) en een fosfaatgroep. De fosfaatgroepen zitten gebonden op de zogenaamde 5'- en de 3'-koolstofatomen van de deoxyribose-molecule.

De suikers van RNA (ribose, links) en DNA (deoxyribose, rechts), met aanduiding van de 3’- en 5’-koolstoffen,
waarlangs de ruggengraat van het RNA of DNA wordt opgebouwd

 

Aan iedere deoxyribose zit op de 1'-positie een van de volgende vier basen: adenine (A), thymine (T), cytosine (C) of guanine (G). De A in een streng past tegenover de T in de tegenoverliggende streng en de G past tegenover de C. Hoewel er maar vier verschillende 'codeletters' zijn is het aantal mogelijke lettercombinaties van een stukje DNA van slechts honderd van deze zogenaamde basenparen astronomisch groot.

Onderlinge binding van twee complementaire DNA-strengen, met de vier basen in verschillende kleuren,
en de ruggengraat van deoxyribosen en fosfaten in het geel.
Bron: Madeleine Price Ball, bewerkt door Woudloper, Wikimedia, CC BY-SA 3.0

 

De twee strengen van het DNA hebben ieder een eigen richting en lopen tegengesteld (anti-parallel) van elkaar, zoals te zien op de figuur hierboven. In de bovenste streng zit de 3'-positie van de deoxyribose links; en de 5'-positie rechts. Zoals gezegd, zijn de 5'- en de 3'-posities de posities waaraan de fosfaatgroepen zijn bevestigd. In de rechter streng is het andersom, daar zitten de deoxyriboses bij wijze van spreken 'op hun kop'. De afstand tussen twee basenparen is 0.34 nm.

Twee strengen die precies op elkaar passen, worden complementaire strengen genoemd. Deze strengen samen vormen een dubbele helix (de vorm van een wenteltrap). Elke volledige wenteling meet 3,4 nm; er zijn dus tien basenparen te vinden per volledige wenteling. De twee strengen worden bij elkaar gehouden door relatief zwakke waterstofbruggen, twee tussen A en T en drie tussen C en G.

De dubbele helix van het DNA. De basen liggen horizontaal tussen de twee spiraalvormige strengen.
De atomen zijn gekleurd volgens een bepaalde code: stikstof: blauw, zuurstof: rood, koolstof: groen, waterstof: wit, fosfor: oranje
Bron: Richard Wheeler (Zephyris). Wikimedia, CC BY-SA 3.0

 

Vanuit het DNA komen we uit bij de tweede speler in het verhaal: RNA. RNA bestaat uit ongeveer dezelfde bouwstenen als het DNA, op drie grote verschillen na. Om te beginnen komt er in het RNA uridine (U) voor in plaats van thymidine. Ten tweede bevatten de nucleotiden geen deoxyribose, maar ribose als suiker. En ten derde is RNA omzeggens altijd enkelstrengig, terwijl DNA altijd als dubbele streng voorkomt.

De derde speler in het schema van het Centrale dogma zijn de eiwitten. Eiwitten zijn opgebouwd uit aminozuren. Elk van deze aminozuren is een kleine molecule die bestaat uit verschillende onderdelen: een organische zuurgroep (in het groen), een basische aminogroep (in het blauw), en een variabele groep (aangeduid met een R op de figuur). Deze R-groep bepaalt de chemische eigenschappen die het aminozuur onderscheiden van de negentien andere, en wat daar juist op de molecule staat, verschilt van aminozuur tot aminozuur.

Structuur van een aminozuur

De peptidebinding tussen twee aminozuren

 

Qua chemische structuur zijn eiwitten polymeren van aminozuren. Ze hangen aan mekaar door middel van een peptidebinding (zie figuur).

De aminozuren worden zo aan elkaar geregen tot een lange streng, zoals parels aan een parelsnoer. Om de correcte eiwitketens te synthetiseren, moet ons lichaam continu beschikken over een voorraad van elk van de twintig aminozuren. Negen van die aminozuren kunnen we niet zelf aanmaken en we moeten ze dus aanvoeren via de voeding. Als die aminozuren daarin ontbreken, kunnen onze cellen geen eiwitten produceren en sterven ze af. Omdat deze aminozuren levensnoodzakelijk zijn, worden ze de 'essentiële' aminozuren genoemd. Twee andere aminozuren, cysteïne en tyrosine, kunnen we wel zelf te synthetiseren, maar daar hebben we dan wel twee essentiële aminozuren voor nodig: methionine en fenylalanine. Daarnaast zijn er nog zes die we in principe wel zelf aanmaken, maar niet altijd in voldoende grote hoeveelheden. Wat we ontbreken, moeten we ook hier weer uit onze voeding halen. Men noemt deze aminozuren 'semi-essentieel'. Slechts drie aminozuren kan ons lichaam in alle omstandigheden in voldoende mate zelf aanmaken (de 'niet-essentiële' aminozuren – niet dat we die niet nodig hebben, maar we maken ze zelf en hoeven ze dus niet in onze voeding te hebben zitten).

De twintig aminozuren uit het menselijke dieet

 

In elke cel worden voortdurend, op maat van de biochemische activiteiten die nodig zijn, eiwitten opgebouwd uit of weer afgebroken tot hun aminozuren.

 

Het centrale dogma van stap tot stap

In de eerste plaats beslist de cel aan de hand van een complex regelmechanisme dat aangeeft wanneer de cel behoefte heeft aan het eiwit dat door het gen wordt gecodeerd.  Dit wordt aangestuurd door de promotor van het gen (figuur G). Dit is een stukje DNA aan de 5’-kant van het eigenlijke gen. Hierop kunnen eiwitten binden die dan de eigenlijke transcriptie in gang zetten. We noemen deze eiwitten transcriptiefactoren. Het gen zelf begint standaard met de basen A-T-G (in die volgorde) en eindigt met een basentrio dat “stop (de transcriptie)” betekent. Als zo een gen actief is (en er dus eiwitten gevormd worden vanuit de code van dat gen), zeggen we dat het gen tot expressie komt.

In de cel kunnen individuele genen van het DNA worden afgelezen en omgezet in zogenaamd boodschapper-RNA (messenger RNA of mRNA). Dit proces heet transcriptie.

Een gen bestaat zelf uit drie delen: vooraan zit een promotor (een stukje dat ervoor zorgt dat het gen op de juiste momenten en in de juiste cellen actief wordt), achteraan zit een stukje dat aangeeft dat het gen ten einde is. Intern bestaat een gen uit exons en introns. Exons zijn de stukken DNA die uiteindelijk ook echt gaan coderen voor een stuk eiwit; introns zijn stukken DNA waarvan we de betekenis nog niet goed kennen, maar die alleszins niet rechtstreeks bijdragen aan het finale mRNA en dus ook niet coderen voor een stuk van het eiwit.

Het proces waarbij dit finale mRNA wordt gemaakt, valt uiteen in twee stappen: eerst is er de eigenlijke transcriptie, waarbij het DNA wordt afgeschreven en waarbij er een RNA wordt aangemaakt die complementair is aan het DNA. Vooraan wordt er een stukje aangeplakt dat de “cap” heet (het petje), en achteraan komt er een staart. Dit geheel noemen we het pre-mRNA. Daarna worden de delen die overeenstemmen met de introns verwijderd in een proces dat we splicing noemen; het pre-mRNA wordt daarbij omgezet in mRNA.

Van DNA naar pre-mRNA naar mRNA

 

 

Dit mRNA wordt in de cel vertaald naar een eiwitmolecule. Dit proces heet translatie (figuur I). Het gebeurt op de ribosomen, die als de naald van een platenspeler (of de laser in een cd-speler, in modernere termen) langsheen de molecule mRNA bewegen. De basen op het RNA worden vertaald naar aminozuren, drie basen per aminozuur overigens (zo een setje van drie basen heet een codon). Voor elk aminozuur zijn er specifieke codons.

De aminozuren worden aangeleverd door een tweede soort RNA, het transfer-RNA (tRNA). Deze tRNA’s zijn speciaal gevouwen stukken RNA die zelf niet coderen voor een eiwit, maar enkel instaan voor het vervoer van de aminozuren tot aan het ribosoom, en het aan mekaar schakelen van deze aminozuren in de juiste volgorde. Elk aminozuur hangt aan een specifieke tRNA-molecule, die netjes past op het bijbehorende codon op het mRNA.

Een enkele molecule mRNA kan verschillende keren opnieuw worden afgelezen, waarbij steeds een nieuw eiwit wordt gemaakt.

Translatie gebeurt op het ribosoom.
Aangepast van: National Human Genome Research Institute, publiek domein.

Geplaatst door Geert op 06/04/2020 om 21:01