DNA
Ofschoon men al in 1869 wist dat de celkern DNA bevatte, bleek pas later dat de chromosomen uit DNA waren opgebouwd. DNA is de afkorting van deoxyribonucleic acid (deoxyribonucleïnezuur) en is opgebouwd uit nucleotiden zo genoemd omdat ze bestaan uit een nucleïnezuur dat, behalve de suiker deoxyribose, fosforzuur en een organische stikstofbase (N) bevat. Deze base kan zijn: adenine (A), thymine (T), guanine (G) of cytosine (C). Pas in 1943 werd DNA door Avery geïdentificeerd als drager van genetische informatie. In 1953 ontdekten Watson en Crick de ruimtelijke structuur van DNA, een ontdekking waarvoor zij in1963 de Nobelprijs ontvingen.
De nucleotiden waaruit DNA is samengesteld blijken te zijn gelegen op twee strengen die om elkaar heen zijn gedraaid en zo de beroemde dubbele helix vormen. Bekijken we deze helix wat nauwkeurig dan zien we dat deze een soort wenteltrap is waarvan de treden worden gevormd door de basen van de nucleotiden. Elke base is via een waterstofbruggetje met de base aan de overkant verbonden. Vervolgens valt op dat adenine (A) alleen combineert met thymine (T) en guanine (G) alleen met cytosine (C). We kunnen dit goed zien als we de wentrap weer in een plat vlak projecteren.
De letters P en D staan voor respectievelijk fosforzuur en deoxyribose en de letters A, T, G en C voor de vier stikstofbasen. Het is nu gebleken dat ieder groepje van 3 letters (een zogenaamd triplet) van beide DNA-strengen codeert, dat wil zeggen de gegevens bevat, voor één bepaald aminozuur. In het gegeven voorbeeld codeert GGC voor proline. Verder codeert in de bovenste streng AGA voor serine en CTT voor glutaminezuur. De onderste streng codeert voor andere aminozuren. Van alle 20 aminozuren is de codering nu bekend. Deze groepjes van telkens 3 letters vormen achterelkaar gezet de zogenaamde genetische code.
Genen en eiwitten
Aminozuren vormen de onderdelen van eiwitten: een reeks van soms wel honderden aminozuren achterelkaar. Dit betekent dat een stuk van het DNA, dus een serie nucleotiden achterelkaar, codeert voor één bepaald eiwit. Zo’n stuk DNA-streng noemen we een gen (gen of genesis is het Griekse woord voor ‘oorsprong’). Genen zijn dus stukken van het DNA die voor één eiwit coderen. Dit vormde recent nog het centrale dogma in de genetica. Nu is echter gebleken dat één gen voor verschillende eiwitten kan coderen en dat genen ook kunnen (of moeten) samenwerken om één eiwit tot stand te brengen. De mens bezit ongeveer 35.000 genen. (5)
Genen zelf maken dus geen eiwitten; dat gebeurt elders. Ze leveren alleen de code voor de fabricage en zorgen dat deze informatie terechtkomt waar de eiwitten worden gemaakt. In totaal zijn er 20 verschillende aminozuren en dus zullen in één eiwit een aantal aminozuren meerdere malen voorkomen. (6) De structuur en het soort eiwit worden echter niet alleen bepaald door het specifieke gehalte aan diverse aminozuren maar ook door de volgorde waarin deze aan elkaar gekoppeld zijn.
Hoe verschaft nu een gen informatie over welke aminozuren moeten worden aangemaakt en de volgorde, de plaats, die deze aminozuren moeten aanhouden en met name hoe komt het door het gen geleverde recept voor een specifiek eiwit terecht in de fabriek waar het wordt gesynthetiseerd? De genen bevinden zich immers in de kern van de cel terwijl de plaats waar de eiwitten worden aangemaakt gelegen is in het cytoplasma aan de buitenzijde van de kernmembraan en wel in de ribosomen. Dit zijn kleine celinsluitsels waar de bouwstenen van de eiwitten, de aminozuren te vinden zijn.
Om hun boodschap af te leveren in de ribosomen maken de genen gebruik van een koerier, een boodschapper, om hun code naar de eiwitfabriek te brengen. Deze boodschapper is een RNA-molecuul. RNA is de afkorting van ribonucleïc acid (ribonucleïnezuur) dat ook in de celkern wordt geproduceerd en dat qua structuur veel lijkt op DNA maar in een aantal opzichten ervan verschilt. Zo bestaat RNA maar uit één streng (DNA uit twee), is de suiker deoxyribose vervangen door ribose (D wordt R) en is de base thymine (T) vervangen door de base uracil (U).
Het gen maakt nu van zo’n ribose-keten gebruik om zijn DNA-code als een boodschap (message) over te brengen naar de ribosomen. Vandaar noemt men dit RNA het messenger-RNA, afgekort mRNA. De overdracht van de code van DNA naar mRNA is de transcriptie: de DNA-boodschap wordt ‘overgeschreven’ in een RNA-boodschap.
Hoe gaat dit overschrijven in zíjn werk? De transcriptie wordt bewerkstelligd met behulp van het enzym RNA-polymerase. Dit enzym herkent een bepaalde volgorde van nucleotiden in het DNA waar een gen begint: de zogenaamde promotor. Hieraan hecht zich het enzym en begint de dubbele DNA-keten overlangs te splijten. Aldoende verplaatst het enzym zich zo over de lengte van het gen en projecteert tegelijkertijd de code van de DNA-streng op het RNA waarbij dan, zoals gezegd, in plaats van thymine, uracil wordt geschreven: A uit de DNA-code correspondeert dus niet met een T (van thymine) maar met de U van uracil in de RNA-code. Aan het einde van het gen komt het enzym een stop tegen, weer in de vorm van een bepaalde volgorde van nucleotiden: de zogenaamde chain-terminating sequence.
De RNA-code die nu is ontstaan heet ook wel een codon, vergelijkbaar met een triplet in het DNA, behalve dat de T van thymine nu vervangen is door de U van uracil. Zo is nu bijvoorbeeld het triplet AGA omgezet in het codon UCU dat eveneens voor het aminozuur serine codeert.
Bezien we nu de lijst van de codons voor alle 20 aminozuren, dan valt op dat van de 64 codons vaak meerdere codons voor één aminozuur kunnen coderen en verder dat er één apart codon is voor het begin van de transcriptie en 3 voor het beëindigen ervan. Het startcodon codeert tevens voor het aminozuur methionine.
Het mRNA begeeft zich nu met de code in de vorm van codons op zak, op weg via een porie in de kernmembraan naar een ribosoom voor de synthese, het in elkaar zetten, van een eiwit.
Daar aangekomen verschijnt een tweede soort RNA ten tonele: het transport-RNA of transfer RNA, afgekort als tRNA. Dit tRNA draagt op zijn rug een specifieke code van drie nucleotiden die complementair zijn met die van het mRNA maar nu een anticodon wordt genoemd.
Aan de andere zijde van het tRNA bevindt zich één van de 20 aminozuren naar gelang de samenstelling van het anticodon. Volgens de regels die we al zijn tegengekomen: A combineert met U en C met G, zoekt het mRNA naar een corresponderend anticodon op het tRNA. Als het dit heeft gevonden laat het tRNA zijn aminozuur los en voegt het op de juiste plaats in een keten, een proces dat translatie (vertaling) wordt genoemd. In de zo ontstane lange keten van aminozuren vormen twee aminozuren telkens een peptide, de zogenaamde peptide linkage. Deze peptiden worden weer aaneengekoppeld en zo ontstaan uiteindelijk dan de polypeptiden: de eiwitten. De formatie van een eiwit vangt aan als een anticodon een begincodon tegenkomt en eindigt als een stopcodon verschijnt.
De conclusie is nu dat de voornaamste taak van de genen bestaat uit het leveren van de code voor de aanmaak van specifieke eiwitten die nodig zijn voor de opbouw van de lichaamscellen en hun functioneren in het dagelijks leven. Zonder de genen zouden onze organen niet werken en zouden bijvoorbeeld ook de nodige enzymen en hormonen niet worden aangemaakt.
In een cel gaat niets vanzelf! Alles wordt geregeld en gebeurt door eiwitten die ook weer onderling samenwerken. Door deling vermenigvuldigen de genen zich ook en zorgen zelf voor nieuw DNA. Men zou ze kunnen vergelijken met eiwitrobotjes die zichzelf in elkaar zetten. Dit gebeurt bij de deling van de cel (de mitose) die, zoals we hebben gezien, begint met een deling van de chromosomen. Met de splitsing van de chromosomen, splijt ook het DNA overlangs en dupliceert zich. De twee strengen van de dubbele spiraal wijken uiteen en doen elk dienst als een matrijs (mal) voor een nieuwe streng DNA. Onder invloed van het enzym DNA-polymerase, hechten zich vervolgens in de cel aanwezige nucleotiden aan deze nieuwe strengen en wel zodanig dat weer een A tegenover een T en een C tegenover een G wordt geplaatst. De nieuw gevormde strengen draaien om elkaar en de oorspronkelijke spiraal is nu gedupliceerd (verdubbeld). De twee ontstane dochtercellen hebben dus dezelfde genetische samenstelling als de moedercel.
Dat de genen naast hun taak te zorgen voor de nodige eiwitten, ook voor de overdracht van menselijke eigenschappen verantwoordelijk zijn, zoals voor uiterlijke kenmerken, is te danken aan hun ligging op de chromosomen.
Deze chromosomen zijn voor de helft afkomstig van de vader en voor de helft van de moeder. Het genoom, dit is: de totale genetische informatie die aanwezig is in een lichaamscel, verschilt dus van het genoom van de ouders, al zullen gedeelten van hun beider genomen bij het kind worden aangetroffen.
