Oorspronkelijke tekst

Replicatie van DNA

Een DNA-molecule moet niet alleen maar het vermogen bezitten om informatie op te slaan, ze moet ook in staat zijn om die informatie getrouw te kopiëren en ze bij deling aan de dochtercellen door te geven. Daarom wordt de DNA molecule verdubbeld tijdens de fase die aan de celdeling voorafgaat. We noemen dit DNA replicatie.

De twee strengen van de DNA-molecule maken zich eerst van mekaar los door het verbreken van de waterstofbrugkrachten tussen de base paren van de nucleotiden. Op de losse strengen hechten zich de passende nucleotiden: elke base bindt het nucleotide dat de complementaire base draagt. Die nucleotiden komen vrij in het cytoplasma: elke cel heeft er een ruime voorraad van aangelegd. Door de poriën van het kernmembraan migreren de nucleotiden naar het kernplasma, waar de replicatie van het DNA gebeurt.

Onder invloed van het enzym DNA-polymerase verbinden de aangevoerde nucleotiden zich tot twee nieuwe strengen, die samen met de oorspronkelijke strengen twee identieke DNA-moleculen vormen, één voor elke dochtercel (zie figuur 1.22 en 1.23).

Uit zo’n stel van twee identieke DNA-moleculen ontstaat dan, in een latere  fase van de celdeling, door contractie en spiralisatie twee chromatiden, die samen één chromosoom vormen. Tijdens de celdeling (mitose) krijgt elke dochtercel één chromatide van elk chromosoom. Het volledige pakket erfelijke informatie wordt dus ongewijzigd doorgegeven.

Transcriptie van DNA

Het DNA met de erfelijke informatie zit in de celkern. Maar het aaneenrijgen van aminozuren tot eiwitten (peptiden) gebeurt in de ribosomen, zoals je vorig schooljaar hebt geleerd.

Hoe raakt de informatie van het DNA - dat zelf de kern niet kan verlaten - in de ribosomen?

Van het gekozen DNA-fragment wordt er een kopie gemaakt, volgens een mechanisme dat grotendeels overeenkomt met dat van de replicatie, op enkele belangrijke verschillen na.

• De aangetrokken vrije nucleotiden bevatten ribose i.p.v. desoxyribose: er ontstaat dus geen complementaire DNA-streng, maar een RNA-molecule: het boodschapper-RNA (messenger-RNA of mRNA).
• De nucleotiden met de base adenine verbinden zich niet met een nucleotide dat thymine bevat, maar met uracyl.

De transcriptie begint met het “openen” van de DNA-molecule: de twee complementaire ketens ontrollen zich (zie figuur 1.24), zodat het “aflezen” van het geselecteerd deel van één streng kan starten. Elke base van het DNA-fragment bindt het nucleotide dat de complementaire base bevat. Vervolgens verbindt het RNA-polymerase die nucleotiden tot een éénstrengige molecule mRNA. Die mRNA-molecule is dus een perfecte moleculaire kopie of een “afdruk”, van de geselecteerde erfelijke informatie van het DNA.

Elk triplet van het mRNA wordt codon genoemd, en is complementair t.o.v. het overeenkomstige codogen op het DNA.

Om nauwkeurig te kunnen werken moet RNA-polymerase “weten” waar het kopiëren moet starten en waar het moet eindigen. Het te kopiëren DNA fragment wordt voorafgegaan door een START- en gevolgd door een STOP-sequentie.

De mRNA-molecule blijft niet vastzitten aan het DNA, maar maakt zich los en verlaat de kern door de poriën in het kernmembraan.

Eiwitsynthese

In Bio-Skoop 5 heb je geleerd dat de eiwitsynthese gebeurt in de ribosomen. Een ribosoom bestaat uit twee delen, een groter en een kleiner, die los van mekaar voorkomen in het cytoplasma. Allebei de delen zijn opgebouwd uit RNA-moleculen, in combinatie met eiwitten, maar in aanwezigheid van mRNA verenigen ze zich op een mRNA-molecule. Zo ontstaan actieve ribosomen (zie figuur 1.25).

Op basis van de informatie, overgebracht door de mRNA-molecule, start nu de synthese van een eiwit. De aminozuren die hiervoor nodig zijn, komen in grote hoeveelheden voor in de cytosol. Ze worden opgepikt en naar de ribosomen gebracht door een ander type van RNA: het transfer-RNA (tRNA).

Het zijn korte moleculen (70 tot 90 nucleotiden lang) die én het aminozuur én het corresponderende codon op het mRNA herkennen. Om te begrijpen hoe dat kan, moet je de structuur van het tRNA naderbij bekijken.

De tRNA-molecule heeft een geplooide driedimensionale structuur (klaverbladstructuur), die door waterstofbrugkrachten samen wordt gehouden (zie figuur 1.27).

Bovenaan bevindt zich de ‘leeskop’, die bestaat uit drie ‘vrije’ nucleotiden. Ze vormen een triplet, het anticodon. Met de leeskop wordt de informatie van de mRNA-streng afgetast en het passende complementaire codon opgespoord.

Aan de andere kant ligt de bindingsplaats voor het aminozuur, dat bij het anticodon van de leeskop hoort.

De koppeling van het aminozuur aan het tRNA gebeurt door een tijdelijke verbinding, die tot stand komt onder invloed van een ‘vertaalenzym’ (aminoacyl-tRNA-synthetase). Dat zijn echte ‘tweetalige’ moleculen 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 voor een groot deel afhankelijk van de uiterst nauwkeurige werking van de synthetasen: ze moeten de 64 verschillende nucleotidentripletten van het tRNA en de 20 verschillende aminozuren kunnen herkennen en op de juiste manier met mekaar verbinden (zie figuur 1.28 en ook kadertekst “vertaalenzymen” op blz. 26).

Aan elk codon van het mRNA hecht zich nu het tRNA-aminozuurcomplex met het corresponderende anticodon. Er wordt dus opnieuw een ‘afdruk’ of ‘afgietsel’ gemaakt van de eerste afdruk, zodat we in feite de informatie van het oorspronkelijk DNA fragment terug vinden.

De aangevoerde aminozuren worden op die manier automatisch in de juiste volgorde achter mekaar geplaatst (zie figuur 1.30).

Een ander enzym (peptidyltransferase) zorgt vervolgens voor het aaneenkoppelen van de geordende aminozuren, en verbreekt de tijdelijke binding met het tRNA (zie figuur 1.31): het eiwit glijdt uit zijn ‘gietvorm’!

Het gevormde eiwit komt daarna in het endoplasmatische reticulum terecht, wordt vervoerd, verder afgewerkt, ingedikt en zo nodig verpakt in het Golgi-apparaat (cfr BIO-SKOOP 5 blz. 12). Die afwerking is noodzakelijk: de lange aminozuurketen die de ribosomen verlaat is nog niet klaar voor gebruik. Pas als ze op de juiste manier is ‘opgevouwen’ wordt het eiwit functioneel.

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

CCA GCT GAA GCT ATG TAA

GGT CGA CTT CGA TAC ATT

Dat levert de volgende mRNA molecule op:

CCA GCU GAA GCU AUG UAA

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

Zo bindt het eerste codon (CCA) het tNRA met anticodon (GGU), dat zelf het aminozuur proline (zie figuur 1.32) heeft vastgekoppeld. Het tweede codon bindt een tRNA met het aminozuur alanine, enz. Op deze manier krijg je het peptide:

Proline - Alanine - Glutaminezuur - Alanine - Methionine - STOP

Je merkt op dat het laatste codon geen aminozuur codeert, maar het stopbevel.

Stel dat er een ‘sport’ van het geven DNA-fragment verandert:

CCA GGT GAA GCT ATG TAA

GGT CCA CTT CGA TAC ATT

Heeft deze wijziging - of mutatie - consequenties voor het gevormde eiwit?

Als je de beschreven werkwijze volgt, krijg je het volgende eiwit:

Proline - Glycine - Glutaminezuur - Alanine - Methionine - STOP

De DNA-mutatie heeft dus inderdaad een ander eiwit opgeleverd.