Genetische controle van eiwitsynthese

De genen in de celkern controleren de eiwitsynthese. Doordat de eiwitsynthese door de celkern beïnvloed wordt, wordt dus de celfunctie bepaald. Eiwitten spelen een belangrijke rol in celfuncties. Eiwitten kunnen als enzym dienen bij celreacties en zijn belangrijk in de structuur van de cel.

Elk gen bestaat uit twee helixen van deoxyribonucleinezuur DNA. DNA controleert de vorming van ribonucleïnezuur RNA. Het RNA komt in de cel terecht en controleert de vorming van eiwitten. omdat er 30000 verschillende genen in de celkern zitten, is het mogelijk om zeer veel verschillende eiwitten te vormen. Nucleotiden zijn zo gevormd dat ze twee strengen van DNA vormen die zwak met elkaar verbonden zijn. Genen zijn met hun uiteinden aan elkaar verbonden middels dubbele helixen van DNA. DNA bestaat uit fosforzuur, deoxyribose (een suiker) en vier stikstofbasen. De stikstofbasen zijn of twee purines (adenine en guanine), of twee pyrimidines (thymine en cytosine). De eerste stap in de vorming van DNA is de combinatie van 1 molecuul een molecuul fosforzuur, 1 molecuul deoxyribose en 1 van de vier basen. Hieruit wordt nucleotide gevormd. Meerdere nucleotides worden aan elkaar gekoppeld en vormen twee strengen DNA. De twee strengen zijn zeer los een elkaar verbonden. Het skelet van DNA wordt afwisselend door fosforzuur en deoxyribose gevormd. De purine- en pyrimidinebasen zijn aan deoxyribose verbonden. De verbinding tussen purine- en pyrimidinebase is los. De purinebase adenine bindt altijd met de pyrimidinebase thymine. Guanine bindt altijd aan cytosine. De genetische code bestaat uit een triplet van basen. Elk van deze triplets wordt een codewoord genoemd. Deze codewoorden bepalen de volgorde van aminozuren van een eiwit dat in het cytoplasma worden gevormd.

DNA-code wordt omgezet in een RNA-code; transcriptie
Omdat het DNA zich in de celkern bevindt en de meeste celprocessen zich in het cytoplasma bevinden, moet er een methode zijn waarbij de genen van de celkern de chemische reacties in het cytoplasma beïnvloeden en bepalen. Dit wordt door RNA gedaan. De vorming van RNA staat onder de invloed van DNA. Dit proces wordt transcriptie genoemd. Het RNA diffundeert door poriën van de celkern richting het cytoplasma. RNA wordt in de celkern met een DNA-mal gevormd. Tijdens de vorming van RNA gaan de twee DNA-strengen uit elkaar. De codetriplets in het DNA veroorzaken de vorming van complementaire codetriplets (deze worden codons genoemd) in het RNA. Het RNA bepaalt de volgorde van aminozuren in het eiwit wat in het cytoplasma wordt gevormd. Elke DNA-streng van een chromosoom bevat de code voor ongeveer 4000 genen. De bouwstenen van RNA lijken heel erg op DNA. Ribose vervangt echter deoxyribose en het pyrimidine uracil vervangt thymine. De vorming van de nucleotides is voor RNA is exact hetzelfde als voor DNA. De basen in RNA zijn adenine, guanine, cytosine en uracil. De volgende stap in de synthese van RNA is activatie van de nucleotiden. De activatie van de nucleotiden gebeurt onder de invloed van twee waterstofionen, om zo trifosfaat te vormen. De laatste twee fosfaten worden gebonden aan nucleotide middels een hoog energetische verbinding. Deze hoog energetische verbindingen worden geleverd door ATP. Bij de activatie komen grote hoeveelheden energie vrij. Deze energie wordt gebruikt om chemische reacties die nodig zijn om nieuw RNA te vormen te stimuleren. De DNA-streng wordt gebruikt als een mal om RNA te vormen uit geactiveerde nucleotiden. De vorming van een RNA-molecuul vindt plaats onder de invloed van het enzym RNA-polymerase. Dit gebeurt op de volgende manier:
· In de DNA-streng gaat een promoter langs de nucleotiden die transcriptie moeten ondergaan. Het RNA-polymerase herkent de promoter en hecht aan deze promoter.
· Het polymerase zorgt ervoor dat de dubbele helix van DNA ontwart.
· Het polymerase gaat langs de ontwarde DNA-streng en zorgt voor de vorming van RNA-moleculen door complementaire RNA-nucleotiden aan elkaar te binden.
· De RNA-nucleotiden binden aan elkaar.
· Wanneer het RNA-polymerase het einde van het DNA-gen bereikt, komt het een bepaalde volgorde van nucleotiden tegen die ervoor zorgt dat het RNA-polymerase van het DNA los laat. De RNA-streng komt daarna vrij in het cytoplasma.
De DNA-code kent de volgende complementaire RNA-code: DNA-guanine RNA-cytosine, DNA-cytosine RNA-guanine, DNA-adenine RNA-uracil en DNA-thymine RNA-adenine. Er bestaan drie soorten RNA. Elke soort RNA speelt een andere rol in de eiwitsynthese: (1) messenger RNA; mRNA brengt het de genetische code voor eiwitsynthese naar het cytoplasma; (2) ribosomaal RNA samen met de daar aanwezige eiwitten vormt het ribosoom (hier worden de eiwitten gebouwd) en (3) transfer RNA; tRNA transporteert de geactiveerde aminozuren richting de ribosomen. Er bestaan 20 verschillende typen van tRNA. Elk type tRNA bindt aan een van de 20 specifieke aminozuren en brengt de aminozuren richting de ribosomen waar ze in een eiwit worden ingebouwd. De code in het tRNA die ervoor zorgt dat een bepaald codon wordt herkend, noemt men een anticodon. Bij de vorming van een eiwitmolecuul binden de drie basen van het anticodon met waterstofbruggen los aan de codonbasen van mRNA. Op deze manier staan de aminozuren in de rij langs de mRNA-streng op de wijze hoe ze in het eiwit gekoppeld moeten worden.
Translatie is de synthese van polypeptiden in de ribosomen
Om eiwitten te produceren moeten mRNA door het ribosoom. De hele mRNA-streng gaat binnen een 1 minuut door heel het ribosoom. Het ribosoom leest het mRNA en koppelt de juiste aminozuren aan elkaar. De aminozuren zijn middels peptidebindingen aan elkaar gekoppeld. Het mRNA herkent niet de verschillende aminozuren, maar wel de verschillende tRNA die aan de verschillende aminozuren zijn gekoppeld. De verschillende tRNA-moleculen zijn gekoppeld aan de verschillende aminozuren. Wanneer het mRNA door het ribosoom gaat, trekt het ribosoom een bepaald tRNA aan en dus een bepaald aminozuur. Dit aminozuur bindt met het vorige aminozuur middels een peptidebinding. Deze procedure wordt constant gevolgd, tot dat een volledig eiwit is gemaakt. Op dat moment zorgt een “chain-terminating codon” en geeft aan dat het eiwit af is. Het eiwit wordt op dat moment afgegeven aan het cytoplasma.
Controle van de genactiviteit en biochemische activiteit in de cel
De genen beïnvloeden de functies van elke cel, door de productie van enzymen en eiwitten te bepalen. De operons van een DNA-streng beïnvloedt de biochemische synthese en worden geactiveerd door een promoter. De vorming van enzymen die nodig voor een bepaald syntheseproces wordt gecontroleerd door een volgorde van genen die op hetzelfde stukje DNA zitten. Dit stukje DNA wordt een operon genoemd. De genen (structurele genen) in het operon zijn verantwoordelijk voor de vorming bepaalde enzymen. Een ander gebied op het gen trekt het RNA-polymerase aan. Dit gebied wordt de promoter genoemd. Het polymerase moet eerst met de promoter binden, voordat het DNA kan lezen en mRNA kan produceren. De promoter is daarom essentieel voor de activatie van het operon. Het operon wordt geremd door een “Repressor Operator”. In het midden van een promoter zit een gebied van nucleotiden dat “repressor operator” wordt genoemd. Een repressoreiwit kan met de “repressor operator” binden. Daardoor kan RNA-polymerase niet met de promoter binden. Hierdoor kan de transcriptie van genen niet plaats vinden. De repressoreiwitten kunnen gefaciliteerd, of geinhibeerd worden door bepaalde celmetabolieten. Het operon wordt gestimuleerd door een “Activator Operator”. In de buurt van de promoter regio is een gebied wat de “activator operator” wordt genoemd. Wanneer een regeleiwit (een activatoreiwit) aan de operator bindt, zorgt dat voor de aantrekking van RNA-polymerase. Zo wordt dus het operon geactiveerd. Het operon kan dus geactiveerd, of geinhibeerd worden door de verschillende operators. Het operon wordt beïnvloed middels negatieve feedback van het celproduct. Wanneer de cel een bepaalde hoeveelheid van een product heeft geproduceerd, veroorzaakt dat negatieve feedback inhibitie van het operon wat verantwoordelijk voor de synthese van het betreffende product. Deze inhibitie kan plaats hebben doordat het repressor eiwit aan de “repressor operator” kan binden of de verbinding met het activator eiwit kan verbreken. In beide gevallen wordt de operon geinhibeerd. Er bestaan verschillende mechanismen om de transcriptie van het operon te beïnvloeden:
· Een operon kan beïnvloedt worden door regulator gen, welke elders is gelokaliseerd in het gen.
· In sommige gevallen kan een bepaald regulator eiwit als activator voor het ene operon functioneren en voor een ander operon als repressor.
· Het DNA zit op structurele eenheden; de chromosomen. In elk chromosoom is het DNA om eiwitten heen gewikkeld. Deze eiwitten worden histonen genoemd. De histonen zijn zeer compact en strak in elkaar gewikkeld. Wanneer het DNA zeer sterk in elkaar is gewikkeld, kan er geen RNA worden gevormd.
Bronnen:
JE. Hall, 2006, Pocket Companion to Textbook of Medical Physiology, Elsevier Inc
GA Thibodeau, Patton KT 2007, Anatomy & Physiology, Mosby/Elsevier
EN Marieb, Hoehn K 2007, Human Anatomy & Physiology, Pearson/Benjamin Cummings