Hoofdstuk 7, van DNA naar eiwit
Eiwitten, zijn de belangrijkste componenten van de cel en bepalen niet alleen zijn structuur, maar
ook zijn functie.
Centrale dogma, de flow van genetische informatie van DNA naar RNA naar eiwitten vindt in alle
cellen plaats, van bacteriën tot de mens.
Transcriptie, hierbij wordt DNA gekopieerd tot RNA.
Translatie, hierbij wordt RNA vertaald tot een eiwit.
RNA splicing, dit proces vindt alleen in eukaryoten plaats en hierbij worden delen van een RNA
transcript verwijderd waarna het overgebleven RNA weer aan elkaar gezet wordt.
Van DNA naar RNA
Genexpressie, d.m.v. transcriptie en translatie brengen cellen hun genen
tot expressie. De eerste stap in genexpressie is transcriptie.
Amplificatie, van een gen kunnen meerdere RNA moleculen gemaakt
worden en van een RNA molecuul kunnen meerdere eiwitten
geproduceerd worden. Hierdoor kunnen cellen snel grote hoeveelheden
eiwit produceren. Elk gen en zijn bijbehorend RNA molecuul kunnen op
verschillende snelheden afgelezen worden, waardoor de cel sommige
eiwitten in grote hoeveelheid aan kan maken en andere eiwitten in kleine
hoeveelheid. Dit is rechts in de afbeelding ook aangegeven.
RNA, verschilt van DNA op de volgende eigenschappen:
- Suikergroep, RNA bevat ribose i.p.v. deoxyribose.
- Base, RNA bevat uracil (U) i.p.v. thymine (T).
- Enkelstrengs, RNA komt enkelstrengs voor i.p.v. dubbelstrengs. Dit verschil in
structuur heeft functionele consequenties. RNA kan hierdoor namelijk in vele
vormen vouwen die voor DNA niet eens mogelijk zijn. Hierbij zijn baseparen
(H-bruggen) en zwakke niet-covalente bindingen betrokken. Deze mogelijkheid tot het
vouwen van een complexe 3D structuur zorgt ervoor dat RNA verschillende functies uit kan
voeren in de cel. Zo kan het een structurele, regulerende of katalyserende rol hebben.
Transcriptie, al het RNA in een cel wordt door transcriptie gemaakt. Transcriptie begint met het
openen van de dubbele DNA helix, waarna een van de twee strengen als template strand dient. RNA
polymerase zal vervolgens een voor een ribonucleotiden aan de groeiende RNA streng toevoegen. De
manier waarop dit gebeurt lijkt erg op DNA replicatie. Toch zijn er een paar belangrijke verschillen:
- In tegenstelling tot een nieuwe DNA streng blijft de RNA streng niet met H-bruggen aan de
template verbonden. In plaats daarvan laat RNA een paar nucleotide later alweer los waar de
DNA dubbele helix dan weer gevormd wordt.
- RNA moleculen zijn veel korter dan DNA moleculen, omdat ze maar een
gedeelte van het DNA kopiëren.
Omdat een RNA streng in de 5’-3’ richting aangemaakt wordt, wordt die altijd met
het 5’ einde als eerst weergegeven, omdat dat als eerste gesynthetiseerd wordt.
RNA polymerase, katalyseert het vormen van fosfodiëster bindingen tussen de
nucleotiden. Hierbij leveren de nucleotiden (ATP, CTP, GTP
en UTP) de energie die nodig is voor deze binding. RNA
polymerase beweegt hierbij stapje voor stapje over het
DNA waarbij de dubbele DNA helix steeds opent om een
nieuwe regio van de template strand te begaan. Ondanks
dat RNA polymerase en DNA polymerase vrijwel dezelfde
chemische reactie katalyseren, zijn er belangrijke
verschillen tussen deze enzymen:
- RNA pol gebruikt ribonucleoside trifosfaten als
substraat, zodat het de binding van
ribonucleotiden i.p.v. deoxyribonucleotiden katalyseert.
, - RNA pol kan beginnen zonder een RNA primer. Dit komt waarschijnlijk doordat DNA als
permanente opslag van informatie dient en RNA maar tijdelijk, waardoor de gevolgen minder
erg zijn als er een foutje in het RNA molecuul zit. RNA pol maakt ongeveer 1 op de 104 keer
een fout.
De snelle ontkoppeling van RNA met het DNA maakt het mogelijk dat er veel RNA kopieën van 1 gen
tegelijkertijd gemaakt kunnen worden.
mRNA, een RNA molecuul dat codeert voor een gen en uiteindelijk een eiwit op zal leveren, noemen
we messenger RNA. In eukaryoten draagt een mRNA molecuul meestal maar 1 gen, maar in
bacteriën worden naast elkaar gelegen genen vaak samen afgeschreven als 1 gen.
Nonmessenger RNA, het eindproduct van andere genen is
het RNA molecuul zelf. Net als eiwitten hebben deze
moleculen meerdere rollen: regulerend, structurerend en
katalyserend. Zo speelt rRNA (ribosomaal RNA) een rol in
translatie, maar ook tRNA (transfer RNA) speelt een rol in
translatie. Andere kleine RNA moleculen zoals miRNAs (micro
RNA) spelen een rol in genexpressie.
Genexpressie, breed gezegd refereert genexpressie naar de processen die de informatie, die in DNA
ligt opgeslagen, omzetten in een product dat effect heeft op de cel of het organisme. In gevallen
waar het eindproduct van een gen een eiwit is, includeert genexpressie zowel transcriptie als
translatie. In het geval dat een gen echter alleen omgezet wordt in een RNA molecuul is translatie
niet nodig voor genexpressie.
Transcription start site, de initiatie van transcriptie is een kritiek proces, aangezien de cel hierbij
selecteert welk eiwit of RNA geproduceerd moet worden. Om transcriptie te beginnen moet RNA
polymerase het begin van een gen kunnen onderscheiden en daar aan kunnen binden. De manier
waarop RNA polymerase de transcriptie startplek herkent, verschilt tussen bacteriën en eukaryoten.
Als iets enkel bacteriën betreft, zal het begrip dus paars gekleurd zijn en als het enkel eukaryoten
betreft, zal het begrip groen gekleurd zijn.
Promotor, als RNA polymerase random botst met DNA zal het
enzym zwakjes aan de dubbele helix plakken en zich over de lengte
voortbewegen. RNA polymerase zal zich daarna strak aan de
dubbele helix hechten tot die een bepaalde gen regio is
tegengekomen: de promotor. Deze bevat een specifieke nucleotide
volgorde die meteen upstream van het startpunt van RNA synthese
ligt. Als RNA polymerase eenmaal strak aan deze sequentie
gebonden is, zal die de dubbele helix openen en begin aan RNA
synthese.
Terminator/stop site, RNA polymerase gaat door met de elongatie
totdat die een tweede signaal in het DNA aantreft: de terminator.
Hier stopt RNA polymerase en laat die zowel de DNA template als
het nieuw gevormde RNA los. Deze terminator zit in het gen en
wordt dus afgeschreven. Het is in het RNA molecuul aanwezig aan
het 3’ uiteinde.
Omdat polymerase strak aan het DNA gebonden moet zijn voor het
aan transcriptie kan beginnen, zal een stuk DNA alleen
getranscribeerd worden als het voorafgegaan wordt door een promotor.
Sigma factor, een subunit van RNA polymerase, de sigma factor, is voornamelijk verantwoordelijk
voor het herkennen van de promotor sequentie. De sigma factor kan de juiste sequentie vinden,
zonder de dubbele helix daarvoor open te breken, omdat elke base blijkbaar een uniek kenmerk aan
de buitenkant presenteert.
Template strand, er zijn twee DNA strengen en RNA polymerase zal maar een van de twee als
template gebruiken. Welke van de twee die als template streng kiest, zit hem in de polariteit van de
promotor sequentie. De promotor bestaat namelijk uit twee sequenties die upstream van het gen
