Herwerkte tekst

Van de genetische code tot een eiwit

1. DOELSTELLINGEN

• Het proces DNA replicatie in eigen woorden uitleggen
• De twee belangrijkste verschillen tussen DNA replicatie en DNA transcriptie opsommen
• DNA transcriptie beschrijven
• Eiwitsynthese kunnen toelichten
• Functies van de enzymen DNA-polymerase, RNA-polymerase, aminoacyl-tRNA-synthetase en peptidyltransferase kunnen beschrijven.
• Uitgaand van de genetische code en met behulp van een tabel het bijhorende eiwit kunnen afleiden.

2. EVEN HERHALEN

OPDRACHT: Plaats de termen bij de correcte definitie

A. DNA - molecule	1. Aanvullend, vormen een paar
B. Nucleotiden	2. De bouwstenen van het DNA
C. Waterstofbrug	3. Bestaat uit twee nucleotiden en bouwt de dubbele DNA helix op
D. Base-paren	4. Een molecule die fungeert als drager van het erfelijke materiaal
E. complementair	5. 20 verschillende bouwstenen voor eiwitten
F. Spiralisatie	6. Een triplet basen die een genetische code in zich dragen op het DNA
G. Aminozuren	7. Opgewonden worden, met elkaar vervlechten
H. Ribosomen	8. Een suiker dat, samen met fosforzuur en een base, een nucleotide van DNA vormt
I. Desoxyribose	9. Een niet-covalente binding die plaatsvindt tussen een waterstof (H) atoom en een negatief geladen atoom (zuurstof/stikstof/fluor)
J. Codogen	10. Complex van eiwitten en RNA ketens en hebben een belangrijke functie bij de bouw van eiwitten

A B C D E F G H I J

OPDRACHT: Benoem de verschillende nucleotiden

A

G

C

T

U

Opmerking: Waarom werd U apart weergegeven?

Antwoord:

3. REPLICATIE VAN DNA

Om het erfelijke materiaal (DNA) tijdens de celdeling aan de dochtercellen te kunnen doorgeven, zal de informatie eerst moeten gekopiëerd worden. Daarom wordt de DNA-molecule verdubbeld tijdens een fase die aan de celdeling voorafgaat. Deze fase noemen we de DNA-replicatie.

De twee strengen van de DNA-molecule splitsen eerst op door het verbreken van waterstofbrugkrachten tussen de base-paren van de nucleotiden. Elke cel bezit in zijn cytoplasma een ruime voorraad aan nucleotiden. Deze nucleotiden migreren door de porïen van het kernmembraan naar het kernplasma, waar de replicatie zal plaatsvinden. Passende nucleotiden hechten zich vervolgens op de gesplitste DNA-strengen. Onder invloed van het enzym DNA-polymerase, bindt elke base op het nucleotide dat de complementaire base draagt. Uiteindelijk worden twee identieke DNA-moleculen gevormd: één voor elke dochtercel (zie figuur 1). In een latere fase van de celdeling, vormen deze twee identieke DNA-moleculen samen één chromosoom. Dit gebeurt door contractie en spiralisatie. Celdeling komt later in dit hoofdstuk uitgebreid aan bod.

Figuur 1: De replicatie van DNA

INTERMEZZO

WAAR of NIET WAAR (+ verbeter indien nodig)

Stelling 1:  Replicatie is een proces waarbij het DNA verdubbeld wordt zodat tijdens de celdeling het erfelijk materiaal over de dochtercellen kan verdeeld worden.

Stelling 2:  DNA polymerase is een enzym dat betrokken is bij de DNA replicatie. Het verdubbelt het DNA door aan elke base één van de vier DNA nucleotiden te plakken.

4. TRANSCRIPTIE VAN DNA

De celkern bevat het DNA met de erfelijke informatie. De aaneenkoppeling van aminozuren tot eiwitten (peptiden) gebeurt echter in de ribosomen, gelokaliseerd in het cytoplasma. Het DNA kan de celkern niet verlaten. Hoe raakt de informatie van het DNA dan in de ribosomen?

Het gekozen DNA-fragment wordt gekopieerd, volgens een mechanisme dat grotendeels overeenkomt met de DNA-replicatie. Er zijn echter enkele belangrijke verschillen:

• De vrije nucleotiden bevatten ribose in plaats van desoxyribose. Hierdoor ontstaat geen complementaire DNA-streng, maar een RNA-molecule. Deze molecule noemen we boodschapper-RNA of messenger-RNA (mRNA).
• De nucleotiden met de base adenine verbinden zich niet met een nucleotide dat thymine bevat, maar met een nucleotide dat uracyl bevat.

De transcriptie begint met het ontrollen van de 2 complementaire ketens van de DNA-molecule (zie figuur 2). Een deel van één streng wordt geselecteerd en het ‘aflezen’ van dit deel kan starten. Elke base van het DNA-fragment bindt het nucleotide dat de complementaire base bevat. Het enzym RNA-polymerase verbindt vervolgens deze nucleotiden tot een éénstrengige mRNA-molecule. Deze mRNA-molecule is dus een perfecte moleculaire kopie, of een ‘afdruk’ van de geselecteerde erfelijke informatie van het DNA.

Figuur 2: De transcriptie van DNA

Elk triplet van het mRNA noemen we een codon en is complementair ten opzichte van het overeenkomstige codogen op het DNA. Om nauwkeurig te kunnen werken, moet het RNA-polymerase weten waar het kopiëren moet beginnen en eindigen. Het te kopiëren DNA-fragment wordt daarom voorafgegaan door een START-sequentie en wordt beëindigd met een STOP-sequentie. Na de transcriptie maakt de mRNA-molecule zich los van het DNA en verlaat het de kern via de poriën van het kernmembraan

INTERMEZZO

Multiple Choice: Omcirkel het correcte antwoord

Vraag 1:  Wat is de functie van mRNA?

A) transport van aminozuren naar de ribosomen

B) bevat informatie voor de volgorde van aminozuren in een eiwit

C) aanbrengen van aminozuren voor de bouw van eiwitten

Vraag 2: Wat is het bijhorend stukje coderend DNA streng van volgend stukje mRNA:

CCCUGCGUAGGGAGU

A) CCCTGCGTAGGGAGT

B) CCCAGCGAAGGGAGA

C) GGGACGCATCCCTCA

5. EIWITSYNTHESE = TRANSLATIE

De eiwitsynthese gebeurt in de ribosomen, een celorganel opgebouwd uit 2 delen. Deze twee delen komen los van elkaar voor in het cytoplasma. Allebei de delen zijn opgebouwd uit RNA-moleculen in combinatie met eiwitten. In aanwezigheid van het mRNA verenigen ze zich op een mRNA-molecule en ontstaan actieve ribosomen.

De synthese van een eiwit start op basis van de informatie overgebracht door het mRNA. De aminozuren, nodig voor de bouw van een eiwit, komen in grote hoeveelheden voor in het cytosol. Ze worden in het cytosol opgepikt door een ander type van RNA, namelijk het transfer-RNA (tRNA). Het tRNA brengt de aminozuren dan naar de ribosomen.

Het tRNA is een korte molecule met 70 à 90 nucleotiden. tRNA herkent zowel het aminozuur als het corresponderende codon op het mRNA. Om dit te begrijpen, moeten we de structuur van het tRNA in detail bekijken.

De tRNA-molecule heeft een geplooide driedimensionale structuur (klaverbladstructuur). Deze structuur wordt door waterstofbrugkrachten samengehouden. Bovenaan de structuur bevindt zich de ‘leeskop’, die bestaat uit drie ‘vrije’ nucleotiden. Deze nucleotiden vormen een triplet, het anticodon genoemd. De leeskop tast de informatie af van de mRNA-streng en het passende complementaire codon wordt opgespoord. Onderaan de tRNA-structuur ligt de bindingsplaats voor het aminozuur dat bij het anticodon van de leeskop hoort (zie figuur 3).

Figuur 3: Structuur van het tRNA

De koppeling tussen het aminozuur en het tRNA gebeurt door een tijdelijke verbinding en komt tot stand onder invloed van een ‘vertaalenzym’, het aminoacyl-tRNA-synthetase. Dit is een ‘tweetalige’ molecule met twee aparte leeskoppen: één voor de nucleotidentaal van de erfelijke informatie, en één voor de aminozuurtaal van de eiwitten. De kwaliteit van de gevormde eiwitten is grotendeels afhankelijk van de nauwkeurige werking van de synthetase-enzymen. De enzymen moeten 64 verschillende nucleotidentripletten van het tRNA en 20 verschillende aminozuren kunnen herkennen. Vervolgens moeten de tripletten en aminozuren op de juiste manier met elkaar verbonden worden.

In een volgende stap, hecht elk tRNA-aminozuurcomplex met zijn anticodon aan het corresponderende codon op het mRNA. Door de sequentie op het mRNA te volgen, worden de aangevoerde aminozuren meteen in de juiste volgorde geplaatst (zie figuur 4). Een ander enzym, het peptidyltransferase, koppelt de aminozuren tot één eiwitketen. Dit enzym verbreekt ook de tijdelijke binding met het tRNA.

Figuur 4: de eiwitsynthese

Het gevormde eiwit komt daarna terecht in het endoplasmatische reticulum. Het wordt vervoerd, afgewerkt, ingedikt en zo nodig verpakt in het Golgi-apparaat. De afwerking is noodzakelijk want het eiwit is nog niet klaar voor gebruik. Het eiwit is pas functioneel wanneer het op een correcte manier is opgevouwen (zie volgend hoofdstuk).

• Oefening 1:  welk eiwit wordt gevormd?

Stel dat de onderste keten van het volgende DNA-fragment wordt gekopieerd:

CCA GCT GAA GCT ATG TAA

GGT CGA CTT CGA TAC ATT

DNA transcriptie levert de volgende mRNA-molecule op:

--- --- --- --- --- ---

Elk triplet (codon) van het mRNA bindt nu met het complementaire triplet (anticodon) van een tRNA-molecule met haar specifiek aminozuur.

Uit de tabel in bijlage (zie hieronder) kunnen we nu afleiden met welk aminozuur het tRNA gekoppeld is. Op deze manier wordt volgend eiwit bekomen:

______ _______ _______ ________ _______ ______

Extra vraag: Stel dat een codon van het gegeven DNA verandert:

CCA GGT GAA GCT ATG TAA

GGT CCA CTT CGA TAC ATT

Heeft deze wijziging (ook mutatie genoemd) gevolgen voor het gevormde eiwit? Ga dit na via bovenstaande methode:

mRNA molecule:

--- --- --- --- --- ---

Eiwit:

______ _______ _______ ________ _______ ______

• Oefening 2:

Gegeven: de anticodons (in de juiste volgorde):

CAU GCA ACC UUG UGA

a) Met welk eiwit corresponderen deze anticodons?

b) Geef de structuur van het bijbehorend DNA-fragment, en zeg welke streng als informatie diende voor het gevormde eiwit.

• Oefening 3:

Vul de ontbrekende letters in:

DNA	T	C	A		.	.	.		.	.	.
	.	.	.		C	.	.		.	.	.
mRNA	U	.	.		.	C	A		.	.	.
tRNA	.	.	.		.	.	.		G	C	A
Aminozuur

6. SAMENVATTING

Figuur 5: Van de genetische code tot het eiwit

7. BIJLAGE

Codons van het mRNA met de corresponderende aminozuren.