samenvatting amenvatting - Faculteit Wetenschappen

MONITORAAT
FACULTEIT WETENSCHAP
WETENSCHAPPEN
CELESTIOJNENLAAN 200
200I
3001 LEUVEN,
LEUVEN BELGIË
LEUVEN
23/03/2015
SAMENVATTING
De cellulaire informatieflow
Hoe de genetische informatie tot concrete kenmerken leidt
leidt.
Leven is in feite een manifestatie van eiwitten of proteïnen.. Keratine in onze nagels, het
hormoon insuline, het zuurstoftransporterende hemoglobine in ons bloed
bloed: het zijn allemaal
voorbeelden van eiwitten. Meestal vervullen eiwitten in onze cellen de rol van enzym, die
telkens één welbepaalde chemische reactie van het cellulaire metabolisme katalyseert.
ka
Eiwitten bestaan uit een aaneenschakeling van aminozuren, waarvan er 20 verschillende
kunnen voorkomen. De precieze opeenvolging van de aminozuren bepaalt de algemene
structuur en werking van het eiwit. Eén afwijking in deze aminozuuropeenvolgin
aminozuuropeenvolging kan al
ernstige gevolgen hebben.
De informatie over de precieze opeenvolging van de aminozuren in de verschillende eiwitten,
ligt opgeslagen in het erfelijk materiaal, meer bepaald in de volgorde van de zogenaamde
basen in het DNA (desoxyribonucleïnezuur).
(desoxyribonucleïnezuur). DNA is in de regel een dubbelhelix, waarbij elke
streng bestaat uit een opeenvolging van één van vier mogelijke nucleotiden. Deze verschillen
van elkaar naargelang de base (adenine, cytosine, guanine, thymine) die ingebouwd is. De
twee strengen in de dubbelhelix
ubbelhelix zijn zijdelings met elkaar “verbonden” doordat een base van
de ene streng kan “paren” met een base van de andere streng. Chemisch kunnen er immers
(alleen) interacties optreden tussen een adenine van de ene streng en thymine van de
andere streng.. Hetzelfde geldt voor cytosine en guanine. Men spreekt in dit verband van
complementaire basenparing.
basenparing. De informatie die opgeslagen ligt in één DNA
DNA-streng is dus
eigenlijk als het ware ook in “spiegelbeeld” aanwezig in de andere streng. Het grote voordeel
hiervan blijkt onder andere bij de replicatie van DNA, het proces waarbij DNA verdubbeld
wordt (voorafgaand aan een celdeling). Beide complementaire strengen komen dan
geleidelijk los van elkaar en via het proces van basenparing kan dan makkelijk tegenover
elke streng een nieuwe complementaire streng aangemaakt worden. Het eindresultaat,
voorzover geen fouten (mutaties
mutaties) optreden, zijn twee identieke DNA-dubbelhelices.
dubbelhelices. In een
eukaryote cel is het DNA verbonden met eiwitten (o.a. histonen) en vormt zo
chromatinevezels
inevezels die zichtbaar kunnen worden (op het moment van celdeling) als
chromosomen.
Naast de inhoud van het erfelijk materiaal (het genotype)) kan ook de omgeving een rol
spelen in de uiteindelijke manifestatie van een kenmerk (het fenotype
fenotype). Lichaamslengte
bijvoorbeeld (een typisch voorbeeld van een kwantitatief kenmerk)) wordt deels genetisch
bepaald (door meerdere genen die een additief effect veroorzaken), deels door de omgeving
(bijvoorbeeld de hoeveelheid beschikbaar voedsel) en ook door de wijze waaro
waarop een
genotype reageert op de omgeving. Met moderne technieken wordt het steeds makkelijker
het geheel van alle eiwitten die op een gegeven moment in een cel actief zijn (proteoom)
(
te
visualiseren en zo de impact van vele eiwitten op complex kenmerk, als b
bv.
antibioticumresistentie bij bacteriën, in te schatten (proteomica).
Om nu een eiwit te maken, wordt het overeenkomstig informatiepakketje in het DNA, ook op
basis van complementaire basenparing “overgeschreven” (transcriptie)
(
) naar een aan DNA
verwant enkelstrengig
kelstrengig nucleïnezuur, namelijk RNA (ribonucleïnezuur), meer bepaald mRNA
(messenger RNA). Dit is mogelijk door de werking van onder andere het enzym RNApolymerase dat bindt ter hoogte van de zogenaamde promotor vóór het informatiepakketje
op het DNA. Het informatiepakketje zelf tesamen met de promotor vormt dan wat we een gen
noemen. Vanaf DNA kunnen nog andere RNA’s gemaakt worden. In ons verhaal van
eiwitsynthese (zie later) zijn vooral tRNA (transfer RNA) en rRNA (ribosomaal RNA) van
belang.
De volgende stap, de translatie, is de “vertaling” van mRNA naar eiwit (polypeptide). De
vraag is echter hoe de nucleïnezuurtaal, met slechts vier “letters” (de basen) de opeenvolging
van de 20 mogelijke aminozuren in een polypetide kan bepalen. Dit blijkt mogelijk doordat de
basen gegroepeerd “gelezen” worden. Drie opeenvolgende basen vormen namelijk een
codon, de code voor één aminozuur. Omdat je 64 verschillende codons kan maken en er
maar 20 aminozuren dienen gecodeerd te worden, mag je ervan uitgaan dat er voor heel wat
aminozuren meerdere codons bestaan (gedegenereerde genetische code).
De eigenlijke translatie gebeurt in de ribosomen, kleine supramoleculaire structuren die
naast eiwitten bestaan uit rRNA, dat een cruciale rol speelt in de eiwitsynthese. Hier zal op
elk codon in het mRNA achtereenvolgens een tRNA binden (met zijn complementair
anticodon). Op het tRNA is zelf door een enzym specifiek een bepaald aminozuur (één type
aminozuur per type tRNA). Dit aminozuur wordt nu in het ribosoom gekoppeld aan de
groeiende polypeptideketen, waarna het proces herhaald wordt tot het hele mRNA gescreend
is en het polypeptide afgewerkt is.
Niet elke eiwit is op elk moment in de cel nodig. Met andere woorden, er dient een regeling te
zijn van de genen en hun producten. Het belangrijkste aspect hiervan is de transcriptionele
regeling. In de (buurt van de) promotor kunnen bijkomende regelsequenties zitten die
bepaalde eiwitten, transcriptiefactoren genaamd, kunnen binden die net nodig zijn om een
vlotte transcriptie te krijgen of deze onmogelijk maken. De genen worden m.a.w. bediend
door een soort ON/OFF switchen. Bij prokaryoten is deze regulatie eenvoudiger dan bij
eukaryoten, waar vaak vele regelsequenties, ook op grote afstand van het eigenlijke gen,
kunnen aanwezig zijn. Daarnaast is een promotor van een eukaryoot gen in principe
standaard ontoegankelijk voor het polymerase, aangezien het DNA stevig gebonden is met
de histoneiwitten (zie hoger). Sowieso moet het DNA hiervan deels “losgeweekt” worden
door enzymen alvorens de genpromotor toegankelijk wordt. Hiervoor worden het DNA en/of
de histonen chemisch gewijzigd worden. Belangrijk hierbij is dat deze chemische wijziging
(bv. methylatie) ook kan doorgegeven worden aan toekomstige DNA-dubbelhelices, zelfs
over de generaties heen. Op deze wijze kan een individu een gen erven dat door zijn ouder
als het ware is uit- of aangeschakeld. Dit is wat we verstaan onder epigenetica, een “hot”
item trouwens.
Eigenlijk zitten we met betrekking tot de eiwitsynthese evolutionair gezien met een serieus
kip-ei-probleem: DNA-replicatie kan maar onder begeleiding van enzymen, maar het maken
van enzymen vergt DNA. Hoe kon dit dan ontstaan in de evolutie? Een mogelijke uitweg uit
deze paradox bestaat erin ervan uit te gaan dat miljarden jaren geleden, vooraleer er cellen
waren, er vóór de DNA-wereld een RNA-wereld bestaan heeft. Er is aangetoond dat RNA
zowel de functie van katalyse als replicatie op zich kan nemen. Het is niet onlogisch dat op
termijn de functie van replicatie vervolgens overgenomen is door het veel stabielere DNA en
de rol van katalyse door eiwitten die met hun 20 aminozuren veel diverser kunnen zijn dan
het RNA. Deze taakverdeling liet specialisatie toe, een fenomeen dat we ook elders in de
biologie aantreffen.
2/2