DNA (desoxyribonucleïnezuur) is een van de belangrijkste moleculen in uw lichaam, en hoewel ongeveer 99,9% van uw DNA hetzelfde is als dat van ieder ander mens, is de 0,1% die anders is, wat u genetisch uniek maakt! Deze piepkleine biologische structuur is de ultieme gebruiksaanwijzing, die de “recepten” bevat voor de eiwitten die je lichaam nodig heeft om zich te ontwikkelen en te functioneren.

Vandaag geven we je een inleiding op de basisprincipes van DNA. We zullen het hebben over de structuur, hoe het repliceert, en de rol die het speelt bij de productie van eiwitten.

De structuur van DNA: Fenomenale biologische krachten…Itty Bitty Leefruimte

Wist u dat er in de gemiddelde menselijke cel ongeveer 2 meter DNA zit? Dat is behoorlijk indrukwekkend, als je bedenkt dat zelfs de grootste cellen een doorsnede hebben van iets meer dan 100 µm. (Dat is trouwens heel klein: 1µm is een miljoenste van een meter.)

Hoe wordt al dat genetisch materiaal verpakt in een ruimte die veel kleiner is dan de kop van een speld? Het korte antwoord is een heleboel draaien en kronkelen. DNA wordt rond eiwitclusters gewikkeld, histonen genaamd, om eenheden te vormen die nucleosomen worden genoemd. Deze nucleosomen vouwen zich in een zig-zag patroon, dat dan lussen vormt.

Er zijn 46 afzonderlijke DNA-strengen in elke somatische cel van het menselijk lichaam. Elk van deze wordt een chromosoom genoemd. Wetenschappers groeperen ze in 23 homologe paren, wat betekent dat de chromosomen in elk paar vergelijkbaar zijn in structuur en functie. De enige uitzondering hierop is het 23e paar – de geslachtschromosomen – bij biologisch gezien mannelijke individuen. X en Y geslachtschromosomen hebben alleen bepaalde regio’s (autosomale regio’s) die homoloog zijn.

Op moleculair niveau heeft DNA een karakteristieke dubbele-helixvorm, en hoewel dit pas halverwege de 20e eeuw door wetenschappers werd waargenomen, is het al snel een van de meest iconische vormen in de hele wetenschap geworden.

Beeld van A&P 6.

De zijden van deze gedraaide ladder bestaan uit afwisselend moleculen van suiker (deoxyribose, om precies te zijn) en een fosfaatgroep. Elke zijde is genoemd naar de richting waarin ze loopt (5′-3′ of 3′-5′). De “treden” van de ladder bestaan uit twee stikstofbasen, die met waterstofbruggen bij elkaar worden gehouden.

Image credit: Madeleine Price Ball (Wikimedia Commons).

Vier stikstofbasen -cytosine, thymine, adenine en guanine- kunnen worden gevonden op DNA-strengen. In termen van hun chemische structuur, cytosine en thymine zijn pyrimidines en adenine en guanine zijn purines. Adenine en thymine (A en T) paren altijd aan elkaar, en guanine en cytosine (G en C) paren altijd aan elkaar. Zij paren op deze wijze omdat A en T twee waterstofbruggen met elkaar vormen en G en C er drie vormen.

Op het meest basale niveau geven verschillende secties van DNA-strengen (sequenties van stikstofhoudende basen) instructies voor de synthese van eiwitten. Een enkele sectie van DNA kan zelfs coderen voor meerdere eiwitten!

Replicatie: Verdubbeling van DNA

Beeld van A&P 6.

Herhaling van het DNA van een cel vindt plaats voordat een cel zich opmaakt voor deling – mitose of meiose I.

Het vindt plaats in drie(re) stappen.

1. DNA rolt zich af van de histonen.
2. Een enzym, DNA helicase genaamd, opent de helixstructuur op een segment DNA, waarbij de bindingen tussen de stikstofhoudende basen worden verbroken. Het doet dit op een rits-achtige manier, en laat een replicatievork achter.
3. Hier worden de dingen funky.

• Op de 5′-3′-streng van het DNA schuift een enzym, DNA-polymerase genaamd, naar de replicatievork en gebruikt de volgorde van de stikstofhoudende basen op die streng om een nieuwe streng DNA te maken die complementair is (dit betekent dat de basen ervan paren met die op de oude streng).
• Op de 3′-5′-streng paren meerdere DNA-polymerasen basenparen in gedeeltelijke segmenten, die zich van de replicatievork verwijderen. Later verbindt DNA-ligase deze gedeeltelijke strengen tot een nieuw ononderbroken segment van DNA.

Wilt u iets leuks weten? Wanneer een DNA-molecuul repliceert, bevat elk van de resulterende nieuwe DNA-moleculen een streng van het origineel, dus geen van beide is volledig “nieuw”. Ook worden nieuwe histonen gemaakt op hetzelfde moment dat het DNA repliceert, zodat de nieuwe DNA-strengen zich om hen heen kunnen spoelen.

Intermezzo: RNA vs DNA

Voordat we transcriptie en translatie bespreken, de twee processen die de sleutel vormen tot eiwitsynthese, moeten we het hebben over een ander soort molecuul: RNA.

RNA lijkt veel op DNA – het heeft een suiker-fosfaat ruggengraat en bevat reeksen stikstofhoudende basen. Er zijn echter een paar essentiële verschillen tussen RNA en DNA:

• RNA heeft slechts één nucleotideketen. Het lijkt slechts op één kant van de DNA-ladder.

• RNA heeft ribose als suiker in de ruggengraat.

• RNA heeft Uracil (U) in plaats van thymine.

• RNA is kleiner dan DNA. RNA is maximaal 10.000 basen lang, terwijl DNA gemiddeld 100 miljoen basen lang is.
• RNA kan de celkern verlaten. In feite doet het het grootste deel van zijn werk in het cytoplasma.

Er zijn verschillende soorten RNA, elk met verschillende functies, maar voor de doeleinden van dit artikel, gaan we ons richten op boodschapper-RNA (mRNA) en transfer-RNA (tRNA).

Eiwitten maken, deel 1: Transcriptie

Transcriptie is de eerste fase van het eiwitvormingsproces, ook al vindt de eigenlijke eiwitsynthese pas in de tweede fase plaats. Wat er in essentie tijdens de transcriptie gebeurt, is dat een mRNA de instructies voor het maken van een eiwit uit het DNA “kopieert”.

Beeld van A&P 6.

Eerst opent een enzym met de naam RNA-polymerase een stuk DNA en stelt een streng mRNA samen door de volgorde van de basen op een van de DNA-strengen te “lezen”. Als er een C op het DNA staat, zal er een G op het RNA staan (en vice versa). Als er een T op het DNA staat, zal er een A op het RNA staan, maar als er een A op het DNA staat, zal er een U (in plaats van een T) op het RNA staan. Als de RNA polymerase door de DNA streng reist, sluit het de spiraalvormige structuur weer achter zich.

Voordat het nieuwe mRNA naar buiten kan om de instructies voor de aanmaak van eiwitten af te leveren, wordt het “opgeschoond” door enzymen. Zij verwijderen segmenten die introns worden genoemd en splitsen vervolgens de overblijvende segmenten, exonen genaamd, aan elkaar. Exonen zijn de sequenties die daadwerkelijk coderen voor eiwitten, dus die moet het mRNA behouden. Je kunt introns zien als opvulling tussen de exons.

Ook, weet je nog dat ik zei dat een enkele sequentie van DNA kan coderen voor meerdere eiwitten? Alternatieve splicing is de reden waarom: voordat het mRNA de kern verlaat, kunnen de exonen op verschillende manieren worden samengevoegd.

Eiwitten maken, deel 2: translatie

Nadat alles is opgeruimd en klaar voor gebruik, verlaat het mRNA de kern en gaat het zijn bestemming vervullen: deelnemen aan translatie, de tweede helft van de eiwitbouw.

In het cytoplasma moet het mRNA met behulp van een ribosoom een verbinding aangaan met tRNA. tRNA is een type RNA dat een plaats heeft om zich te binden aan vrije aminozuren en een speciale reeks van drie stikstofhoudende basen (een anticodon) die zich aan het ribosoom bindt.

Ribosomen zijn organellen die de ontmoeting tussen tRNA en mRNA vergemakkelijken. Tijdens de translatie volgen ribosomen en tRNA de instructies op het mRNA en stellen aminozuren samen tot eiwitten.

Beeld van A&P 6.

Elk ribosoom bestaat uit twee subeenheden (groot en klein). Deze komen samen aan het begin van de translatie. Ribosomale subeenheden kunnen meestal zwevend in het cytoplasma worden gevonden, maar een ribosoom zal aan het ruwe endoplasmatische reticulum dokken als het eiwit dat het maakt in een transportblaasje moet worden gebracht. Ribosomen hebben ook drie bindingsplaatsen waar tRNA kan dokken: de A site (aminoacyl, eerste positie), de P site (peptidyl, tweede positie) en de E site (de exit positie).

Ultimately, vertaling heeft drie stappen: initiatie, elongatie, en beëindiging.

Tijdens de initiatie vormt de streng van het mRNA een lus, en een kleine ribosomale subeenheid (de onderkant van het ribosoom) haakt zich eraan vast en vindt een reeks basen die het signaal geeft om de transcriptie te beginnen. Dit wordt het startcodon (AUG) genoemd.

Dan paart een tRNA met UAC anticodon aan dit startcodon en neemt de tweede positie (P) in op de plaats van het ribosoom. Dit tRNA draagt het aminozuur Methionine (Met). Op dit punt komt ook de grote ribosomale subeenheid in positie (deze zit boven het mRNA en de kleine subeenheid zit eronder).

In de elongatiefase begint het volledig geassembleerde ribosoom langs het mRNA te schuiven. Laten we zeggen dat de volgende basenreeks die het na het startcodon tegenkomt GCU is. Een tRNA-molecuul met het anticodon CGA zal zich binden aan de eerste positie (A) van het ribosoom. Het aminozuur dat het draagt (alanine) vormt een peptide binding met Met. Daarna verhuist het CGA tRNA (dat de Met-Ala keten draagt) naar de tweede positie en komt het UAC tRNA op de E-bindingsplaats. De plaats van de eerste positie is dan klaar om een nieuw tRNA te accepteren. Dit proces gaat door totdat het ribosoom bij een “stop”-codon komt.

Videobeelden van A&P 6.

Terminatie is zo’n beetje wat het klinkt. Bij het bereiken van het “stop”-codon draagt het tRNA dat zich aan de eerste positie bindt, een eiwit dat een releasefactor wordt genoemd. De aminozuurketen breekt dan af van het ribosoom, ofwel in het cytosol ofwel in de cisterna van de ruwe ER, en het ribosoom valt uit elkaar. Het is echter heel goed mogelijk dat het weer samenkomt en opnieuw rond de mRNA-lus gaat. Ook kunnen meerdere ribosomen tegelijk aan hetzelfde mRNA werken!

En dat zijn de basisprincipes van DNA!

Hier is een handig schema dat je kunt bekijken als je je de verschillen tussen transcriptie, translatie en replicatie moet herinneren:

	Location	Purpose	Main Deelnemers	Product(en)
Replicatie	Nucleus	Dupliceren van een volledige streng DNA	DNA DNA helicase DNA polymerase DNA ligase	2 identieke strengen DNA
Transcriptie	Nucleus	Gebruik een streng DNA om een molecuul mRNA te bouwen	DNA RNA-polymerase (DNA ligase)	mRNA
Translatie	Cytoplasma	Gebruik mRNA om een aminozuurketen te bouwen	mRNA Ribosoom tRNA (en aminozuren)	Aminozuurketen (eiwit)

Als je meer over cellen wilt leren, bekijk dan deze gerelateerde VB Blog posts:

• Anatomie & Fysiologie: Delen van een Menselijke Cel
• Klein Transport: Passief versus actief transport in cellen

Wees geabonneerd op de Visible Body Blog voor meer anatomie awesomeness!

Ben je een instructeur? Wij hebben bekroonde 3D-producten en hulpmiddelen voor uw anatomie- en fysiologiecursus! Meer informatie vindt u hier.