Ribonucleïnezuur (RNA) en de eiwitsynthese

Hoewel het RNA wel meer functies vervult in het kader van de erfelijkheid, is zijn belangrijkste taak bij de eiwitsynthese een tussenschakel te vormen tussen de blijvend in de celkern opgeslagen DNA-code en de ribosomen in het cytoplasma. RNA blijft meestal enkelstrengs en is veelal buiten de celkern in het protoplasma gesitueerd, dit in afwijking tot DNA dat de celkern nooit verlaat en dubbelstrengs is.

• Algemeen
• Gene silencing
• Het omzetten van de DNA-code
• Het vormen van RNA-afdrukken
• Een verdere bewerking van het RNA
• Het aaneenrijgen van aminozuren tot een polypeptide
• Het omvormen tot volwaardige eiwitten

Algemeen

Ribonucleïnezuur (RNA) kennen we vooral in de vorm van het messenger (mRNA), dat in het kader van de eiwitsynthese stukken van de DNA-code overbrengt naar de ribosomen. Het heeft een chemische structuur die heel veel overeenkomsten vertoont met die van het DNA. Ook hierbij gaat het om een verbinding van een reeks nucleotiden, maar in plaats van een desoxyribose vindt men er een ribose als suiker en de base thymine(T) wordt er systematisch vervangen door uracil(U). Hoewel het RNA meer functies vervult is de belangrijkste taak de eiwitsynthese. Dit blijft een uiterst belangrijk proces, het komt er daarbij vooral op aan om een correcte samenvoeging te realiseren voor een reeks passende aminozuren. Een en ander volgens de instructies van het DNA in de celkern. Welke aminozuren tot een polypeptide aaneengevoegd moeten worden, wordt aangegeven door de opeenvolging van basen in het DNA.

Gene silencing

Kleinere RNA-moleculen (rRNA) worden gebruikt als bouwstenen van de ribosomen zelf. Andere (tRNA) dienen als vervoermiddel om eveneens in het kader van de eiwitsynthese de nodige aminozuren aan te brengen. Recentelijk zijn er nog diverse andere soorten RNA ontdekt die als bemiddelde functie hebben, de overgang van transcriptie naar translatie. Ze functioneren er als een soort censor die bepaalt of een mRNA afschrift al dan niet gebruikt mag worden bij de aanmaak van eiwitten. Dit wordt gene silencing genoemd, waarin we vooral twee soorten kunnen onderscheiden. Deze beide soorten beknotten de invloed van een gen door te vermijden dat zijn mRNA-afschrift gebruikt zou kunnen worden bij de translatie. Deze soorten zijn small interfering RNA (siRNA) en microRNA (miRNA), welk laatste RNA-vorm mRNA kan blokkeren, opdat er geen eiwit wordt aangemaakt in het ribosoom. Vier miRNA's zijn bij de ziekte van Hashimoto en Graves beduidend lager dan bij gezonde mensen. Mogelijk zorgt dit voor een slechtere immuunreactie van de T-cellen en andere witte bloedcellen, waardoor er meer ontstekingseiwitten gemaakt blijven worden. Hierbij geldt dat als T-cellen eenmaal iets slechts hebben gedetecteerd er geen weg terug meer is.

Het omzetten van de DNA-code

Die omzetting van de DNA-code naar polypeptiden en vandaar naar eiwitten verloopt in verschillende stappen. Daarbij is één tussenschakel van bijzondere betekenis, met name de vorming van een corresponderende RNA-molecule. In de eiwitsynthese kan men globaal twee deelprocessen onderscheiden. Het eerste doet zich voor in de celkern, het tweede in het cytoplasma. Eerst wordt van het stukje DNA dat de feitelijke code bevat voor de aanmaak van de gewenste polypeptide een RNA-afschrift gemaakt. Men noemt dit de transcriptiefase: het overschrijven van DNA naar RNA. Bij de transcriptie wordt derhalve van een stukje DNA een ruwe mRNA-kopie gemaakt en bevat zowel de introns als de exons. Tijdens dit proces worden de introns eruit geknipt en zo ontstaat het rijpe mRNA. Die RNA-molecule verlaat daarna de celkern om in het cytoplasma te geraken. Daar zijn het de ribosomen die het initiatief overnemen om, in overeenstemming met de informatie op het messenger RNA (mRNA), de passende aminozuren aan te trekken en die met elkaar te verbinden tot de gewenste polypeptidenketen. Dat is de translatiefase, het vertalen of omzetten van de boodschap op het mRNA in een overeenkomstige reeks aminozuren.

Het vormen van RNA-afdrukken

Op de plaats waar een hoeveelheid DNA van een chromosoom gebruikt zal worden, wat we gewoonlijk aanduiden als een gen, gebeurt er eerst een splitsing van de dubbele DNA-keten. De waterstofbruggen die de paarsgewijze aan elkaar gekoppelde basen (A-T, T-A, C-G of G-C) met elkaar verbinden, worden losgemaakt door het enzym RNA-polymerase en daardoor komen de enkelvoudige basen vrij aan de oppervlakte te liggen. Vervolgens wordt er aan één kant van de nu openstaande DNA-keten een complementaire RNA-afdruk gemaakt. Het aflezen van het DNA gaat steeds in de 3-5 richting, maar aangezien het RNA-afschrift complementair is aan de DNA-streng, gebeurt de aanmaak van een RNA-streng en het latere aflezen ervan door de ribosomen, in de richting 5-3. Het is uiteraard van groot belang te weten aan welke kant het DNA afgelezen dient te worden. Ook al zijn de beide zijden van het DNA volledig complementair, wegens de 3-5 leesrichting zou het toch een groot verschil maken indien de ene in plaats van de andere kant afgeschreven zou worden. Als de ene kant van het DNA bijvoorbeeld de letters TGAATC zou bevatten, dan vinden we aan de tegenoverliggende kant ACTTAG. Maar door de verschillende leesrichting zou de afdruk van de eerste ACUUAG als eindresultaat geven, terwijl dit bij de tweede CUAAGU zou worden.

De functie van de promotor

Om vergissingen uit te sluiten, bevindt er zich net vóór het af te schrijven DNA-segment steeds een herkenbaar stukje DNA, dat men aanduidt als de promotor. Die bevat een specifieke opeenvolging van basen, die aangeeft waar en in welke richting het aflezen dient te beginnen. Op het einde van het segment dat afgeschreven moet worden, zorgt een ander stukje DNA er dan weer voor dat het afschrijfproces wordt stopgezet. Dit stukje DNA wordt de terminator genoemd. Eigenaardig is wel dat de feitelijke code nu eens op de ene en dan weer op de andere DNA-streng te vinden is. Dit levert echter toch geen problemen op omdat de promotor steeds de juiste richting aangeeft. Uiteindelijk brengt de mRNA-afdruk de erfelijke code over naar de ribosomen.

Een verdere bewerking van het RNA

Het mRNA dat rechtstreeks wordt afgeschreven van het DNA noemt men primaire of pre-mRNA. Het omvat nog het volledige afschrift van de hele transcriptie-eenheid en dus bestaat het uit zowel de afspiegelingen van de introns als die van de exons. Voordat dit pre-mRNA de celkern verlaat, ondergaat het eerst een aantal bewerkingen, die men aanduidt met processing. Vooreerst wordt het, nog tijdens het transcriptieproces zelf, aan beide uiteinden voorzien van een speciaal toevoegsel, vermoedelijk om het behoeden voor een eventuele verbrokkeling in zijn doortocht door het cytoplasma. Vooraan krijgt het een G-kapje opgezet, in de vorm van een chemisch gewijzigde guanine- of G-nucleotide. Achteraan wordt het voorzien van een poly-A-staart, die tot enige honderden adenines (A's) kan omvatten. Vervolgens worden de introns uit het mRNA weggeknipt en worden de exons tot één doorlopende streng aan elkaar gelast. Dit wordt splicing genoemd en het belang van dit knip- en plakwerk wordt duidelijk omdat hierdoor vertrekkend van éénzelfde mRNA-streng, soms heel verschillende polypeptiden aangemaakt kunnen worden. Daarmede is het RNA klaar om, als rijp of gezuiverd RNA, door de ribosomen opgewacht te worden in het kader van de eiwitsynthese.

Translatie van RNA naar eiwitten

De volgende stap wordt gezet door de ribosomen in het cytoplasma. Hun taak bestaat erin de code die door het mRNA wordt aangebracht nauwkeurig af te lezen en ze om te zetten in een polypeptidenketen, waarvan de opeenvolging van de aminozuren perfect beantwoordt aan de instructies van de oorspronkelijke DNA-code. Daarna zullen er nog enkele bewerkingen doorgevoerd moeten worden om die polypeptide, eventueel met één of meerdere andere, om te bouwen tot een functioneel eiwit.

Codons: de drieletterwoorden van het mRNA

Voor de ribosomen komt het in de eerste plaats op aan om uit de informatie op het mRNA af te leiden welke aminozuren achtereenvolgens met elkaar verbonden moeten worden. Daarvoor komen in totaal twintig verschillende soorten aminozuren in aanmerking. Als het om niet meer dan 16 aminozuren zou gaan, dan zouden groepjes van telkens twee letters volstaan. Er zijn echter twintig verschillende aminozuren bij betrokken en dus is er telkens een groepje van drie letters nodig om een specifiek aminozuur te kunnen aanwijzen. Zo'n groepje van drie letters (of basen) wordt een codon genoemd. Met drie letters met een keuze uit vier letters (A, U, G en C) kunnen in totaal 64 verschillende codons gevormd worden. Er is dus zelfs een ruim overschot en dus zullen er meerdere codons zijn die naar eenzelfde aminozuur verwijzen. Die worden aangeduid als synonieme codons.

Het aaneenrijgen van aminozuren tot een polypeptide

In het cytoplasma bevinden zich op elk moment grote hoeveelheden transfer of tRNA-moleculen. Dat zijn klaverbladvormige RNA-kettinkjes, die ieder een bepaald aminozuur vervoeren. Ze bezitten onderaan drie specifieke basen, die samen het complement uitmaken van een van de 64 codons van het mRNA en die daarom een anticodon genoemd worden. Bovenaan transporteren ze, naar gelang de samenstelling van hun anticodon, een specifiek aminozuur. Bij ieder codon hoort dus, middels het overeenkomstige anticodon, telkens één bepaald aminozuur. En zoals te verwachten is, zijn het precies die tRNA-moleculen die de bouwstenen zullen aanleveren, waarmee de ribosomen aan het werk kunnen gaan om de passende polypeptidenketen ineen te sleutelen. Ribosomen bezitten voldoende ruimte in het translatieproces om drie codons naast elkaar te kunnen herbergen. Overeenkomstig het soort codon, wordt telkens een specifieke tRNA-molecule aangetrokken, die een welbepaald aminozuur aanbrengt. De aminozuren van naast elkaar geparkeerde tRNA-moleculen worden met elkaar verbonden. Aldus ontstaat het begin van een steeds langer wordende polypeptidenketen. Het pas verbonden aminozuur wordt vervolgens van zijn tRNA losgekoppeld en dit laatste verlaat zijn ankerplaats op het ribosoom. Daardoor kan het ribosoom een plaats opschuiven, zodat een volgend codon aan de beurt komt. Zodra het ribosoom een stopcodon ontmoet, houdt het translatieproces op.

Het translatiesysteem

Merkwaardig is wel dat het hier om een vrijwel universele code gaat. Op enkele uitzonderingen na hanteren alle organismen hetzelfde translatiesysteem. Dat maakt het onder meer mogelijk om stukjes DNA of RNA van het ene organisme in te bouwen in de cellen van een ander, waar het dan op dezelfde manier als bij de donor omgezet kan worden in polypeptiden en eiwitten. Alleen de mitochondriën, evenals sommige eencellige organismen, gebruiken een ietwat andere code. Zo codeert het stopcodon UGA bij mitochondriën voor het aminozuur tryptofaan. De codons AGA en AGG zijn daar stopcodons, terwijl ze bij het mRNA dat van de chromosomen wordt afgeschreven, coderen voor het aminozuur arginine.

Het omvormen tot volwaardige eiwitten

Met de vorming van een polypeptidenketen is de eiwitsynthese nog lang niet voltooid. In feite is daarmee nog maar een eerste stap gezet in de constructie van wat een volwaardig eiwit zal worden. De tweede stap bestaat erin dat de polypeptidenketen een spiralisatie ondergaat en vervolgens op een correcte manier geplooid en ineengedraaid wordt tot een driedimensionale structuur. Hoe die eruit zal zien, wordt bepaald door de precieze opeenvolging van de aminozuren zelf. Bepaalde aminozuren, die soms ver uit elkaar kunnen liggen op de polypeptidenketen, worden elektrisch of chemisch tot elkaar aangetrokken, zodat er allerlei grillige kronkels en vormen ontstaan die iedere polypeptide er anders doet uitzien. Tenslotte worden ze onderling verbonden tot een samengesteld eiwit, dat een karakteristieke vorm en functie heeft. Daarmede is de constructie van het eiwit compleet, het moet alleen nog naar zijn plaats van bestemming worden gebracht. Voor eiwitten die als secretie product door de cel afgescheiden zullen worden, betekent dit dat ze opgevangen worden door het endoplasmatische reticulum, om vervolgens via het Golgi-apparaat de cel te verlaten. Andere eiwitten, waarvan de functie in de cel zelf, bijvoorbeeld in het cytoplasma, de kern of de mitochondriën te situeren is, worden naar hun eindbestemming geleid door een deel van hun eigen structuur, dit dan als een soort gids optreedt.

De invloed van een gen kan beknot worden door te vermijden dat zijn mRNA-afschrift gebruikt zou kunnen worden bij de translatie. Er kan echter ook nog vroeger worden ingegrepen door de transcriptie zelf tegen te werken. Dat kan in principe op twee manieren geschieden ofwel door de basen van het DNA op bepaalde plaatsen te voorzien van specifieke chemische moleculen die het afschrijven bemoeilijken, ofwel door stukken van het chromosoom zodanig te compacteren dat ze ontoegankelijk worden voor de afschrijfmachinerie.

Methylering van stukjes DNA

Genen die gedurende een korte of langere tijd niet tot expressie mogen komen, kunnen voorzien worden van een methylgroep. Dat is een chemische molecule die bestaat uit één koolstof- en drie waterstofatomen (CH3). Het aanbrengen van deze moleculen ter hoogte van het DNA kan het afschrijven van genen temperen of onmogelijk maken, zonder de genetische structuur van het DNA zelf te veranderen. Methylering van bepaalde stukjes van een gen kan een selectieve demping veroorzaken van het betreffende gen. De oorspronkelijke functie van methylering bestaat er in de cel te beschermen tegen het onberekenbare gedrag van transposons, door het aanbrengen van methylgroepen. Die houden de wilde sprongen van de transposons enigszins in bedwang. Daarnaast kan methylering er ook voor zorgen dat van bepaalde genen niet te veel afschriften worden gemaakt, omdat ook hier overdaad soms schaadt.

Chemisch wijzigen van de histonen

Door bepaalde moleculen vast te hechten aan de histonen kunnen hele stroken van het DNA losser komen te zitten of gecompacteerd worden, waardoor ze beter of minder toegankelijk voor de afschrijfmachinerie. Op plaatsen waar veel acetyl, dat is een verbinding van een methyl- en een carbongroep, aanwezig is komt de DNA-ketting losser te zitten. Op plaatsen die vooral bezet zijn door methyl zal het DNA doorgaans steviger ineengedraaid zijn, zodat transcriptie daar onmogelijk is.

Lees verder

• De werking van genen in de cellen
• Mutaties van cellen