Eiwitsynthese

Definitie

Eiwitsynthese is het proces waarbij polypeptideketens worden gevormd uit gecodeerde combinaties van enkelvoudige aminozuren in de cel. De synthese van nieuwe polypeptiden vereist een gecodeerde sequentie, enzymen, en boodschapper-, ribosomale en transferribonucleïnezuren (RNA’s). Eiwitsynthese vindt plaats in de kern en de ribosomen van een cel en wordt gereguleerd door DNA en RNA.

Eiwitsynthesestappen

Eiwitsynthesestappen zijn tweeledig. Ten eerste moet de code voor een eiwit (een keten van aminozuren in een specifieke volgorde) worden gekopieerd uit de genetische informatie in het DNA van een cel. Deze eerste stap in de eiwitsynthese staat bekend als transcriptie.

Transcriptie produceert een exacte kopie van een deel van het DNA. Deze kopie staat bekend als boodschapper-RNA (mRNA), dat vervolgens buiten de celkern moet worden getransporteerd voordat de volgende stap in de eiwitsynthese kan beginnen.

De tweede stap in de eiwitsynthese is translatie. De translatie vindt plaats in een celorganel dat ribosoom wordt genoemd. Boodschapper-RNA baant zich een weg naar en verbindt zich met het ribosoom onder invloed van ribosomaal RNA en enzymen. Transfer RNA (tRNA) is een molecuul dat een enkel aminozuur draagt en een gecodeerde sequentie die werkt als een sleutel. Deze sleutel past in een specifieke reeks van drie codes op het mRNA, waardoor het juiste aminozuur op zijn plaats komt. Elke reeks van drie stikstofbasen op het mRNA wordt een codon genoemd.

Translatie en transcriptie worden verderop veel gedetailleerder uitgelegd. Om eiwitsynthese eenvoudig te houden, moeten we eerst de basis kennen.

Polypeptiden en Eiwitten

Het resultaat van eiwitsynthese is een keten van aminozuren die, schakel voor schakel, in een specifieke volgorde aan elkaar zijn bevestigd. Deze keten wordt een polymeer of polypeptide genoemd en is opgebouwd volgens een op DNA gebaseerde code. Je kunt je een polypeptideketen voorstellen als een rij kralen, waarbij elke kraal de rol speelt van een aminozuur. De volgorde waarin de kralen aaneengeregen worden, is overgenomen van instructies in ons DNA.

Wanneer we het over eiwitsynthese hebben, is het belangrijk onderscheid te maken tussen polypeptideketens en eiwitten. Alle eiwitten zijn polypeptiden, maar niet alle polypeptiden zijn eiwitten; echter, zowel eiwitten als polypeptiden zijn opgebouwd uit aminozuurmonomeren.

Het verschil tussen een eiwit en een polypeptide is de vorm. Kleinere ketens van aminozuren – gewoonlijk minder dan veertig – blijven bestaan als enkelvoudige ketens en worden polypeptiden genoemd. Grotere ketens moeten zichzelf strakker verpakken; zij vouwen zich in vaste structuren – secundair, tertiair en quaternair. Wanneer een polypeptideketen zich vouwt, wordt hij een eiwit genoemd.

Polypeptideketens worden gevormd tijdens het translatieproces van de eiwitsynthese. Deze polypeptiden kunnen zich in een later stadium al dan niet tot eiwitten vouwen. De term “eiwitsynthese” wordt echter ook in de wetenschappelijke wereld gebruikt en is niet onjuist.

Eiwitsynthese begrijpen is eenvoudig als we ons DNA voorstellen als een receptenboek. In dit boek staan de instructies die een cel laat zien hoe elk piepklein onderdeel van elk systeem, orgaan en weefsel in ons lichaam gemaakt moet worden. Al deze afzonderlijke onderdelen zijn polypeptiden. Van de keratine in je haar en vingernagels tot de hormonen die door je bloedbaan stromen: polypeptiden en eiwitten zijn de hoekstenen van elke structuur. Ons DNA codeert niet voor vetten of koolhydraten – het codeert alleen voor polypeptiden.

Het enzym RNA polymerase opent het receptenboek voor DNA dat zich in de celkern bevindt. Het gebruikt bepaalde stukken code als bladwijzers om de juiste pagina te vinden. Dit receptenboek is geschreven in een vreemde taal – mRNA kopieert wat er geschreven staat zonder het te begrijpen. De recepten worden vertaald in een taal die andere moleculen in een later stadium kunnen ontcijferen. De vertalers zijn ribosomen en tRNA. Zij lezen het recept en kunnen de juiste ingrediënten verzamelen en, in de juiste volgorde, het afgewerkte polypeptideproduct maken.

DNA-sequenties

In de celkern worden twee strengen DNA bij elkaar gehouden door stikstofhoudende basen (ook wel nucleobasen of basen genoemd). Vier basen – cytosine, guanine, adenine en thymine – vormen de letters van de woorden in het DNA-receptenboek.

Eén streng DNA bevat de oorspronkelijke code. Als de instructies van deze code nauwkeurig worden opgevolgd, kan buiten de kern een specifiek juist polypeptide worden geassembleerd. De tweede DNA-streng – de sjabloonstreng – is een spiegelbeeld van de oorspronkelijke streng. Het moet een spiegelbeeld zijn omdat nucleobasen zich alleen kunnen hechten aan complementaire partners. Cytosine kan bijvoorbeeld alleen paren met guanine en thymine alleen met adenine.

Je hebt waarschijnlijk codes gezien als CTA, ATA, TAA, en CCC in verschillende biologieboeken gezien. Als dit de codons (sets van drie basen) zijn van de oorspronkelijke streng DNA, zal de sjabloonstreng zich hieraan hechten met behulp van hun partners. Dus gebruikmakend van de gegeven voorbeelden, zal het sjabloon-DNA zich aan de oorspronkelijke DNA-streng hechten met GAT, TAT, ATT, en GGG.

Messenger RNA kopieert vervolgens de sjabloonstreng. Dit betekent dat het uiteindelijk een exacte kopie van de oorspronkelijke streng maakt. Het enige verschil is dat mRNA thymine vervangt door een base genaamd uracil. De mRNA-kopie van de sjabloonstreng met behulp van de gegeven voorbeelden zou CUA, AUA, UAA, en CCC luiden.

Deze codes kunnen door transfer-RNA buiten de celkern worden gelezen; het recept kan worden begrepen door een molecuul dat de taal van het origineel niet volledig begrijpt (het begrijpt geen thymine, alleen uracil). Transfer RNA helpt om de juiste onderdelen naar de assemblagelijn van het ribosoom te brengen. Daar wordt een eiwitketen geconstrueerd die overeenkomt met de instructies in de oorspronkelijke DNA-streng.

Bijdragers aan de synthese van eiwitten

Om het gekopieerde stuk code te maken (transcriptie) hebben we enzymen nodig die RNA-polymerasen worden genoemd. Deze enzymen verzamelen vrij zwevende boodschapper-RNA-moleculen (mRNA) in de kern en stellen ze samen tot de letters van de code. Elke letter van de DNA-code heeft zijn eigen sleutel en elke nieuwe letter die door mRNA wordt gevormd, draagt een slot dat bij deze sleutel past, een beetje zoals tRNA.

Merk op dat we het over letters hebben. Dit is belangrijk. In de kern wordt de DNA-code niet begrepen, maar gewoon gekopieerd – getranscribeerd. Het begrijpen van de code door het spellen van de woorden die door deze letters worden gevormd – vertalen – gebeurt in een later stadium.

RNA-polymerase moet voor elke stikstofhoudende base op de sjabloonstreng de juiste mRNA-molecule vinden en overbrengen. De geselecteerde mRNA-moleculen verbinden zich tot een keten van letters. Uiteindelijk zullen deze letters het equivalent van een zin vormen. Elke zin staat voor een specifiek (polypeptide) product. Als het recept niet precies wordt gevolgd, kan het eindproduct heel anders zijn of niet zo goed werken als zou moeten.

Boodschapper-RNA is nu de code geworden. Het gaat naar de volgende groep van belangrijke medewerkers die als productiefabriek werken. Ribosomen bevinden zich buiten de celkern, hetzij in het cytoplasma van de cel, hetzij vastgehecht aan het ruwe endoplasmatisch reticulum; het zijn ribosomen die het endoplasmatisch reticulum ‘ruw’ maken.

Een ribosoom is in tweeën gesplitst en de streng mRNA loopt er doorheen als lint door een ouderwetse typemachine. Het ribosoom herkent en verbindt zich met een speciale code aan het begin van de vertaalde zin – het startcodon. Transfer RNA-moleculen komen het ribosoom binnen en brengen individuele ingrediënten met zich mee. Zoals bij al deze processen zijn enzymen nodig om de verbindingen tot stand te brengen.

Als elk mRNA codon een slot heeft, bezit tRNA de sleutels. De tRNA-sleutel voor een mRNA- codon wordt een anticodon genoemd. Wanneer een tRNA molecuul de sleutel bezit die overeenkomt met een drie-nucleobase code, kan het de deur openen, zijn lading (een aminozuur) afgeven, en de ribosoom fabriek verlaten om een andere aminozuur lading op te halen. Dit zal altijd hetzelfde type aminozuur zijn als het anticodon.

Messenger RNA schuift langs het ribosoom als op een lopende band. Bij het volgende codon brengt een ander tRNA-molecuul (met de juiste sleutel) het volgende aminozuur. Dit aminozuur bindt zich aan het vorige. Een keten van gebonden aminozuren begint zich te vormen – een polypeptideketen. Wanneer deze polypeptideketen voltooid is, is het een nauwkeurig eindproduct, vervaardigd volgens de instructies in het DNA-receptenboek. Geen taart of cake, maar een polypeptideketen.

Het einde van het vertaalproces van de mRNA-code wordt gesignaleerd door een stopcodon. Start- en stopcodons coderen niet voor aminozuren, maar vertellen het tRNA en het ribosoom waar een polypeptideketen moet beginnen en eindigen.

Het eindproduct – het nieuw gesynthetiseerde polypeptide – wordt in het cytoplasma vrijgegeven. Van daaruit kan het verder reizen naar de plaats waar het nodig is.

Site of Protein Synthesis

De plaats van eiwitsynthese is tweeledig. Transcriptie (het kopiëren van de code) vindt plaats in de celkern waar het DNA zich bevindt. Zodra de mRNA-kopie van een klein deel van het DNA is gemaakt, reist het door de nucleaire poriën naar het cytoplasma van de cel. In het cytoplasma beweegt de streng mRNA zich in de richting van een vrij ribosoom of een ribosoom dat vastzit aan het ruwe endoplasmatische reticulum. Dan kan de volgende stap in de eiwitsynthese – de translatie – beginnen.

Nieuwe rollen voor ribosomen

De gemiddelde zoogdiercel bevat meer dan tien miljoen ribosomen. Kankercellen kunnen tot 7.500 ribosomale subeenheden (kleine en grote) per minuut produceren. Als een polypeptide-producerende fabriek, is het bestaan, de ontwikkeling, en de functie van elk levend organisme afhankelijk van het ribosoom.

Vroeger werd gedacht dat eukaryote ribosomen alleen een effector-rol speelden bij de eiwitsynthese (een effect veroorzaakten – een nieuw eiwit). Recent onderzoek toont nu echter aan dat ribosomen ook het translatieproces reguleren. Zij bepalen mede welke eiwitten worden vervaardigd en in welke hoeveelheden. Het succes en de resultaten van translatie hangen af van meer dan de beschikbaarheid van vrije aminozuren en enzymen – ze hangen ook af van de kwaliteit van de ribosomen.

Transcriptie in eiwitsynthese

Het transcriptieproces is de eerste stap van eiwitsynthese. Bij deze stap wordt genetische informatie van het DNA overgebracht naar de ribosomen van het cytoplasma of het ruw endoplasmatisch reticulum. Transcriptie is verdeeld in drie fasen: initiatie, elongatie en terminatie.

Initiëring

Initiëring vereist twee speciale eiwitgroepen. De eerste groep bestaat uit transcriptiefactoren – deze herkennen promotorsequenties in het DNA. Een promotorsequentie is een stuk code aan het begin van een gen dat aangeeft waar het kopieerproces moet beginnen en in welke richting deze code moet worden gelezen. Een promotor werkt een beetje zoals het startcodon op mRNA.

De tweede eiwitgroep die nodig is voor het initiëren van transcriptie bestaat uit DNA-afhankelijke RNA-polymerasen (RNAP’s). Een RNA-polymerasemolecuul bindt zich aan de promotor. Zodra deze verbinding tot stand is gebracht, rolt het dubbelstrengs DNA zich af en gaat het open (unzips).

Geschakelde basen houden de twee strengen DNA in een dubbele-helix vorm. Wanneer de twee strengen worden uitgepakt, blijven de afzonderlijke en nu ongepaarde basen bloot liggen. Het uitpakken wordt langs de DNA-streng herhaald door RNAP’s totdat het eindpunt van de transcriptie of de terminator is bereikt. Initiatie bestaat dus uit de herkenning van een promotorsequentie en het uitpakken van een stuk DNA onder invloed van transcriptiefactoren en RNA-polymerasen.

Elongatie

De volgende fase in het transcriptieproces is elongatie. Met de gecodeerde sequentie blootgelegd, kunnen RNAP’s elke individuele adenine, guanine, cytosine of thymine base op de sjabloonstreng lezen en er de juiste partnerbasen aan koppelen. Het is belangrijk te onthouden dat RNA niet in staat is thymine te repliceren en dit vervangt door het nucleobase bekend als uracil.

Als bijvoorbeeld een korte DNA-sequentie op de sjabloonstreng wordt voorgesteld door C-A-G-T-A of cytosine-adenine-guanine-thymine-adenine, zal RNAP de juiste partnerbasen verbinden, verkregen uit populaties van vrij zwevende basen in de kern. In dit voorbeeld bindt RNA polymerase een guanine base aan cytosine, uracil aan adenine, cytosine aan guanine, en adenine aan thymine om een streng boodschapper-RNA te vormen met de gecodeerde stikstofhoudende basenvolgorde G-U-C-A-A-U. Dit proces herhaalt zich totdat het RNAP-enzym een sequentie van de genetische code detecteert die het beëindigt – de terminator.

Terminatie

Wanneer de RNAP’s een terminator-sequentie detecteren, vindt de laatste fase van de transcriptie – de terminatie – plaats. De reeks RNAP’s maakt zich los van het DNA en het resultaat is een streng boodschapper-RNA. Dit mRNA draagt de code die uiteindelijk tRNA zal instrueren welke aminozuren naar een ribosoom moeten worden gebracht.

Boodschapper-RNA verlaat de kern via de nucleaire poriën hoofdzakelijk door diffusie, maar heeft soms hulp nodig van transport-enzymen en ATP om zijn bestemming te bereiken.

Translatieproces bij eiwitsynthese

Tijdens het translatieproces sluiten de kleine en grote subeenheden van een ribosoom zich over een streng mRNA, waardoor het losjes binnenin wordt opgesloten. Ribosomen ordenen de streng in codons of reeksen van drie stikstofhoudende basenletters. Dit komt omdat de code voor een enkel aminozuur – de meest basale vorm van een eiwit – een nucleobase-code van drie letters is.

Als ribosomen delen van de code herkennen, kunnen we zeggen dat ze de code begrijpen. De wirwar van gekopieerde letters die tijdens de transcriptiefase is gemaakt, kan in de translatiefase worden gelezen en begrepen.

Bijv. GGU, GGC, GGA, en GGG coderen voor het aminozuur glycine. De meeste aminozuren hebben meerdere codes, omdat dit de kans op fouten verlaagt – als RNA polymerase per ongeluk adenine in plaats van cytosine aan GG verbindt, maakt dat niet uit. Zowel GGC als GGA coderen voor hetzelfde aminozuur. Een lijst van mRNA-codons voor de twintig niet-essentiële aminozuren vindt u hier.

Er is maar één startcodon-code – AUG. Drie codons – TAA, TAG, en TGA – vertegenwoordigen stopcodons. Noch start- noch stopcodons komen overeen met de code voor een aminozuur; zij zijn niet-coderend. De enkele start- en drie stopcodons zijn duidelijk aangegeven op dit codonwiel.

Wanneer een codon zichtbaar wordt – zodra het vorige codon aan een aminozuur is gekoppeld – past een deel van een transfer-RNA-molecuul in het mRNA- codon. Deze ‘sleutel’ wordt het anticodon genoemd. Transfer RNA heeft twee rollen – het hecht zich aan een aminozuur buiten het ribosoom en het zet dit aminozuur op het juiste moment en op de juiste plaats op een mRNA-streng binnen het ribosoom in.

Tienduizenden transfer RNA-moleculen produceren een polypeptideketen. Titine of connectine is het grootste eiwitmolecuul en bevat ongeveer 33.000 aminozuren. Het kleinste functionele polypeptide is glutathion – slechts drie aminozuren. Om glutathion te produceren, moeten het ribosoom en het tRNA eerst het startcodon lezen (drie basen), dan het eerste eiwitcoderende codon (drie basen), het tweede (drie basen), het derde (drie basen), en het stopcodon (drie basen). De coderende DNA- en mRNA-recepten (sequenties) voor glutathion bevatten negen basen. Er kunnen al dan niet extra secties van niet-coderend DNA binnen dit recept zijn. Niet-coderende sequenties produceren geen aminozuren.

Zoals bij het transcriptieproces wordt ook de translatie binnen het ribosoom opgedeeld in de drie stadia van initiatie, elongatie en terminatie.

Initiëring omvat de herkenning door het ribosoom van het mRNA-startcodon. Elongatie verwijst naar het proces waarbij het ribosoom langs het mRNA-transcript beweegt, individuele codons herkent en blootlegt, zodat tRNA de juiste aminozuren kan brengen. De anticodon arm van tRNA hecht zich aan het juiste mRNA codon onder invloed van ribosomale enzymen.

Tot slot vindt beëindiging plaats wanneer het ribosoom het mRNA-stopcodon herkent; de voltooide polypeptideketen wordt dan in het cytoplasma losgelaten. Het wordt verzonden waar het nodig is – binnen de cel of naar andere weefsels, en verlaat het celmembraan via exocytose.

Quiz

Bibliografie