Cellen – eiwitsynthese
Eiwitten
Cellen maken gebruik van eiwitten om allerlei verschillende taken uit te voeren. Eiwitten zijn voor cellen dé oplossing om te communiceren met elkaar, om structuur te behouden, om dingen te transporteren, om te reguleren en nog veel meer. Je kunt eiwitten dus zien als een soort ‘werkers’ in je cel en ieder eiwit met een andere specialiteit. Zonder eiwitten kan de cel eigenlijk niets doen of bestaan. Deze eiwitten worden gemaakt door middel van eiwitsynthese.
Aminozuren
Eiwitsynthese (opbouw) is de vorming van eiwitten uit aminozuren, die aan elkaar worden gekoppeld. Een aminozuur is een organische verbinding met stikstof, dat de bouwsteen is van eiwitmoleculen. Een aminozuur bestaat uit een koolwaterstofketen waarin een waterstofatoom is vervangen door een aminogroep en een ander waterstofatoom door een zuurgroep. Er worden ongeveer 20 verschillende aminozuren worden onderscheiden.
De volgorde van de verschillende aminozuren in het eiwitmolecuul bepaalt de eigenschappen van het eiwit.
Een molecuul is het kleinste deeltje van een stof, dat nog de eigenschappen van een stof heeft. Moleculen zijn ontzettend klein. Ze zijn kleiner dan het kleinste stofje, dat je kunt zien, kleiner dan bacteriën en de cellen in je huid, kleiner dan het kleinste wat je je kunt voorstellen. De moleculen bestaan zelf ook weer uit nog kleinere deeltjes, de atomen. Ieder molecuul is opgebouwd uit twee of meer atomen, die met elkaar verbonden zijn. Het aantal atomen bepaalt of een molecuul groot is of klein. De kleinste moleculen bestaan uit twee atomen.
Eiwitsynthese
Eiwitsynthese is het proces, waarbij eiwitten worden gemaakt op basis van de informatie in het DNA. Simpel gezegd is eiwitsynthese het maken van een eiwit in een menselijke cel. De fasen zijn: van DNA (transcriptie) naar RNA (translatie) naar eiwit. Tijdens de transcriptie wordt het DNA afgelezen en wordt er een complementaire RNA-kopie gemaakt. Tijdens de translatie wordt het RNA afgelezen en wordt hierdoor eiwit aangemaakt.
Transcriptie en translatie
De eiwitsynthese gebeurt dus in twee fasen: transcriptie en translatie.
• Transcriptie
Bij de transcriptie wordt het DNA afgelezen en wordt een complementaire RNA-kopie gemaakt in de celkern, waar al het DNA aanwezig is. RNA is ribonucleïnezuur.
Het menselijk DNA bevat ongeveer 30.000 genen. Een gen is een specifiek stukje van het DNA, dat kan coderen voor een stukje van een erfelijke eigenschap. In bijna alle gevallen codeert een gen dus voor een eiwit. Bij de transcriptie wordt niet het gehele DNA afgelezen om er een heel lang RNA stuk van maken, maar wordt een gen afgelezen, dus een specifiek klein stukje van het DNA.
Het enzym RNA-polymerase leest één streng van het DNA af om zo een enkelstrengs RNA-molecuul te maken. Het dubbelstrengs DNA wordt dus bij een specifiek gen tijdelijk uit elkaar getrokken. Hierdoor kan het RNA-polymerase een specifiek gen van één van de DNA strengen aflezen en krijgt zo de instructie om een RNA-molecuul te maken.
Dit ‘lezen’ en het ‘maken’ liggen vast in een afleesrichting. Een boek moet bijvoorbeeld van links naar rechts gelezen worden om de woorden in een zin te begrijpen. Lezen van rechts naar links geeft een onbegrijpelijke zin en geen idee, waar de tekst over gaat. Een RNA-polymerase werkt ongeveer hetzelfde. Er zijn ‘regels’ om het DNA te lezen en om er RNA van te maken. Het RNA-polymerase weet welke kant het gen op moet worden gelezen, zodat het juiste RNA-molecuul ontstaat.
Om de transcriptie te begrijpen, is belangrijk te weten, wat de bouwstenen zijn van het DNA en het RNA. Het DNA en het RNA zijn allebei opgebouwd uit nucleotiden. Nucleotiden zijn opgebouwd uit een fosfaatgroep, een suikergroep en een stikstofbase.
In DNA is de suikergroep desoxyribose en de stikstofbase is adenine (A), thymine (T), guanine (G) of cytosine (C), dus 4 verschillende nucleotiden.
In een RNA-molecuul is de suikergroep ribose en de stikstofbase is adenine (A), uracil (U), guanine (G) of cytosine (C), dus ook 4 verschillende nucleotiden.
Er zijn vaste (complementaire) basenparingen tussen de stikstofbases van de nucleotiden, namelijk: C-G en A-T. In een RNA-molecuul wordt dat C-G en A-U.
Dit is één van de regels die het RNA-polymerase volgt. Het RNA-polymerase start met het lezen en de bouw van het RNA-molecuul. Het leest de eerste nucleotide op het specifieke gen van DNA, bijvoorbeeld G. Nu gaat het RNA-polymerase dit gegeven omzetten in een RNA-molecuul, dus moet de eerste nucleotide van het RNA-molecuul een C zijn (door de complementaire baseparingen). Dan schuift het RNA-polymerase een stukje op en leest de volgende nucleotide op het gen, bijvoorbeeld A. Nu moet er aan het eerste RNA-nucleotide een tweede RNA-nucleotide worden gezet, namelijk U, enzovoorts. Een gemiddeld gen is ongeveer 1500 nucleotideparen lang en het RNA-polymerase kan dat gen in 50 seconden lezen en het bijpassende complementaire RNA-molecuul maken, het messenger-RNA (mRNA). Het RNA-polymerase maakt een complementaire RNA-kopie van het gen.
Het mRNA is RNA, waarbij de erfelijke informatie is overgeschreven van een (DNA-)gen. De erfelijke informatie van het mRNA bepaalt de volgorde waarin, op de ribosomen, de aminozuren aan elkaar worden gekoppeld tot een eiwit. De aminozuurvolgorde van het eiwit is essentieel voor de eigenschappen van een eiwit. De eiwitten worden zo continu aangemaakt volgens de bouwtekening, die is opgeslagen in het DNA in de celkern. Het mRNA verlaat de celkern via een kernporie en belandt zo in het cytoplasma.
• Translatie
Translatie vindt plaats in het cytoplasma, waarbij een ribosoom begint bij het startcodon en het mRNA afleest. Ribosomen liggen in het cytoplasma en op het ruw endoplasmatisch reticulum. Het proces stopt, wanneer het ribosoom een stopcodon tegenkomt.
Voor de translatie begint, is het mRNA in het cytoplasma klaar om vertaald te worden in een eiwit. De bouwstenen van een eiwit zijn aminozuren. Er moet dus een lange keten aminozuren gemaakt worden bij translatie. Hiervoor is een specifieke vertaler nodig: een ribosoom. De celkern bevat kernlichaampjes. Het kernlichaampje is een structuur in de celkern, waar ribosomaal RNA (rRNA) wordt gemaakt. Hierin liggen de genen voor de aanmaak van de ribosomen.
Ribosomen zijn opgebouwd uit eiwitten en ribosomaal RNA (rRNA). De genen in het DNA, die coderen voor rRNA, worden tijdens de transcriptie omgeschreven naar rRNA. Het ribosomaal RNA (rRNA) wordt samengevoegd met specifieke eiwitten uit het cytoplasma om ribosomen te vormen. Een ribosoom kan het mRNA aflezen, vertalen in een aminozuur en de verbindingen tussen de aminozuren maken, zodat er uiteindelijk een eiwit ontstaat. Een ribosoom bestaat uit een groot eiwitcomplex (1/3 deel) en ribosomaal RNA (rRNA, 2/3 deel). Er zijn ongeveer 10 miljoen ribosomen aanwezig in één cel. De ribosomen zijn ongeveer 20 seconden tot een paar minuten bezig om een mRNA te vertalen in eiwitten.
Het mRNA bestaat uit een groep letters, die het ribosoom kan lezen en omzetten in een aminozuur. Deze groep letters wordt een codon genoemd. Een codon bestaat uit drie opeenvolgende nucleotiden (bijvoorbeeld CUA of GGA of AAG), die worden gelezen door het ribosoom en vertaald naar een aminozuur. De translatie begint altijd bij het startcodon: AUG. Dit is het allereerste codon dat wordt afgelezen bij ieder translatieproces en dat codeert voor het aminozuur methionine. Het ribosoom leest het startcodon en dan moet het goede aminozuur worden aangedragen.
Het ribosoom kan niet zelf het juiste aminozuur aandragen, maar heeft de hulp nodig van een ander molecuul. Dit is een transfer-RNA-molecuul (tRNA), dat een specifiek aminozuur aan zich kan binden. Transfer RNA (tRNA) is het RNA dat de genetische informatie in het mRNA overbrengt naar de aminozuren. tRNA bevat een anticodon, waarmee het in het ribosoom tijdelijk kan binden met een bijbehorend codon op het mRNA. Bij de translatie bindt het ribosoom op het mRNA en gaat dan het mRNA aflezen. Het tRNA bindt aan het aminozuur methionine (Met) en wordt dan Met-tRNA genoemd. Om een keten te maken van aminozuren moet het eerste Met-tRNA niet verdwijnen in het cytoplasma, voordat het aminozuur methionine verbonden is met een ander aminozuur. Het Met-tRNA wordt daarom tijdelijk gebonden aan het ribosoom en het mRNA. De binding van het tRNA met het mRNA gebeurt door het anticodon op het tRNA. Het anticodon van het tRNA bestaat uit drie complementaire nucleotiden van het codon, dat wordt afgelezen op het mRNA. Bij het startcodon AUG is het anticodon op het tRNA dus UAC (door de vaste baseparingen) en bindt dit tRNA het aminozuur methionine. Het tRNA heeft dus het anticodon en de bindingsplaats voor het specifieke aminozuur. Hierna is het Met-tRNA gebonden aan het ribosoom en aan het bijbehorende codon op het mRNA. Daarna leest het ribosoom het volgende codon op het mRNA, bijvoorbeeld UGG. Hierdoor past het tRNA met het anticodon ACC op die plek (complementaire baseparing) en bindt aan het ribosoom en aan het bijbehorende codon op het mRNA.
De twee aminozuren liggen nu dicht bij elkaar via hun anticodon. Nu kan het ribosoom een verbinding leggen tussen deze twee aminozuren (een peptidebinding). Daarna duwt het ribosoom het eerste tRNA weg uit de bindingsplaats om plaats te maken voor een nieuw tRNA. Nu gaat het ribosoom het volgende codon weer lezen, bijvoorbeeld UUC. Het tRNA met het anticodon AAG gaat daar dus aan binden en het aminozuur fenylalanine (Phe) zit aan dat tRNA gebonden: Phe-tRNA. Nu kan het aminozuur fenylalanine weer verbonden worden door het ribosoom met de aminozuurketen. Dan duwt het ribosoom weer een tRNA weg en leest het volgende codon en zo kan het ribosoom een lange keten maken van aminozuren, dat een eiwit vormt. Uiteindelijk komt het ribosoom een stopcodon tegen op het mRNA. Een stopcodon bestaat ook uit een opeenvolging van drie nucleotiden, alleen codeert dit niet voor een aminozuur, maar voor het beëindigen van de translatie: het ribosoom stopt dus met aminozuren aan elkaar knopen.
Endoplasmatisch reticulum (ER) en Golgi-apparaat
Het eiwit is nog niet helemaal af na de translatie door de ribosomen, want het wordt veranderd, aangepast, gevouwen en opgeslagen in het endoplasmatisch reticulum (ER). Daarna kan het eiwit vervoerd worden naar het golgi-apparaat en wordt daar verder aangepast, opgeslagen of vervoerd. Eiwitten zijn belangrijk voor alle processen in de cel.
