Hoe werkt eiwitsynthese?

Cellen maken gebruik van eiwitten om allerlei verschillende taken uit te voeren. Eiwitten zijn voor cellen dé oplossing om te communiceren met elkaar; om structuur te behouden; om dingen te transporteren; om te reguleren en nog zoveel meer. Beschouw eiwitten dus als een soort 'speciale werkers' in je cel, ieder met een andere specialiteit. Zonder eiwitten kan de cel ongeveer niks doen of bestaan. Deze eiwitten worden gemaakt door middel van eiwitsynthese. Maar wat is eiwitsynthese precies? Op deze pagina lees je alles wat je hier over moet weten.

Wat is eiwitsynthese?

Eiwitsynthese is het proces waarbij eiwitten worden gemaakt op basis van de informatie in het DNA. Simpel gezegd is eiwitsynthese het maken van een eiwit in een menselijke cel. Deze eiwitsynthese gebeurt in twee stappen:

1. Transcriptie. Dit is het proces waarbij DNA wordt aflezen en hierdoor een complementaire RNA-kopie wordt gemaakt.
2. Translatie. Dit is het proces waarbij RNA wordt afgelezen en hierdoor eiwit wordt gemaakt.

Het is dus belangrijk om je te realiseren dat er een stapsgewijs proces moet plaatsvinden om een eiwit te maken in een menselijke cel: van DNA naar RNA naar eiwit. Dat ziet er als volgt uit:

Dit proces zal hieronder worden uitgelegd.

Transcriptie

Hierbij moet je bedenken dat we beginnen in de celkern. Hier bevindt zich namelijk al het DNA in een menselijke cel. Het menselijk DNA bevat ongeveer 21.000 genen. Een gen is een specifiek stukje van het DNA, dat kan coderen voor een fysiek/functioneel stukje van een erfelijke eigenschap. In bijna alle gevallen codeert een gen dus voor een eiwit. Het gaat erom dat we bij transcriptie niet het hele DNA gaan aflezen en daar een mega lang RNA stuk van maken. Bij transcriptie ben je een gen aan het aflezen, dus een specifiek klein stukje van het DNA.

Wie 'leest' dat dan? Hiervoor hebben we een enzym dat RNA-polymerase heet. Het RNA-polymerase leest één streng van het DNA af om zo een enkelstrengs RNA-molecuul te maken. Het dubbelstrengs DNA wordt dus, bij het specifieke gen dat je wilt lezen, tijdelijk 'uit elkaar getrokken'. Hierdoor kan het RNA-polymerase één van de strengen aflezen. Deze 'afleesstreng' wordt de matrijsstreng of de templatestreng genoemd. De DNA-streng die niet wordt afgelezen heet de coderende streng. Het specifieke stukje op het DNA-molecuul waar het RNA-polymerase zich aan bindt heet een promotor.

Het RNA-polymerase 'leest' een specifiek gen (een stuk DNA) en krijgt hierdoor de instructie om een RNA-molecuul te maken. Dit 'lezen' en het 'maken' gaan een bepaalde richting op. Jij moet de richting van het RNA-polymerase en de richting van het maken van het RNA-molecuul kunnen bepalen op je examen en bijvoorbeeld kunnen interpreteren welk RNA-molecuul wordt gemaakt.

Een belangrijk aspect van de transcriptie is dus de afleesrichting. Jij weet als je een boek leest, dat je van links naar rechts moet gaan lezen en dat die woorden een betekenis krijgen in een zin.  Als jij een zin van rechts naar links leest, krijg je een onzinnige zin en weet je niet waar de tekst over gaat. Een RNA-polymerase werkt ongeveer hetzelfde. Er zijn 'regels' om het DNA te lezen en om er RNA van te maken.

Allereerst 'weet' het RNA-polymerase welke kant het gen op moet worden gelezen zodat het juiste RNA-molecuul zal ontstaan. Om transcriptie echt te begrijpen moet je goed weten wat de bouwstenen van het DNA en het RNA zijn. Het DNA en het RNA zijn beiden opgebouwd uit de bouwstenen: nucleotiden. Nucleotiden zijn op hun beurt weer opgebouwd uit een fosfaatgroep, een suikergroep en een stikstofbase. In DNA is de suikergroep desoxyribose en de stikstofbase is adenine (A), thymine (T), guanine (G) of cytosine (C). In het DNA heb je dus 4 verschillende nucleotiden. In een RNA-molecuul is de suikergroep ribose en de stikstofbase is adenine (A), uracil (U), guanine (G) of cytosine (C). Het RNA heeft dus ook 4 verschillende nucleotiden.

Je weet ook dat er vaste basenparingen (complementaire basenparingen) plaatsvinden tussen de stikstofbases van de nucleotiden, namelijk: C-G en A-T. In een RNA-molecuul wordt dat C-G en A-U. Dit is heel belangrijk, want dit is één van de regels die het RNA-polymerase volgt. Het RNA-polymerase maakt een complementaire RNA-kopie van het gen.

Het RNA-polymerase bindt op de promotor en start dan met het lezen en de bouw van het RNA-molecuul. Het RNA-polymerase leest de eerste nucleotide op het specifieke gen van DNA, bijvoorbeeld G. Nu gaat het RNA-polymerase dit gegeven omzetten in een RNA-molecuul, dus moet de eerste nucleotide van het RNA-molecuul een C zijn (door de complementaire baseparingen). Dan schuift het RNA-polymerase een stukje op en leest de volgende nucleotide op het gen, bijvoorbeeld A. Nu moet er aan het eerste RNA-nucleotide een tweede RNA-nucleotide worden gezet, namelijk U. Dit gaat zo door. Als de matrijsstreng de nucleotiden GACCTTAGT heeft, dan maakt het RNA-polymerase het RNA-molecuul CUGGAAUCA.

Het maken van het RNA-molecuul door het RNA-polymerase, gebeurt van een 5’-uiteinde naar een 3’-uiteinde! De 3’en de 5’ zeggen iets over de koolstofatomen in een nucleotide. Elk koolstofatoom (C) in een molecuul heeft een nummer gekregen, om zo specifiek iets te kunnen zeggen over de verbindingen in het molecuul, in ons geval een nucleotide. Aangezien er een RNA-molecuul wordt gebouwd, moeten de nucleotiden aan elkaar worden vastgeplakt/verbonden door het RNA-polymerase. Dit gebeurt door de fosfaatgroep van een nucleotide te verbinden met de suikergroep van een ander nucleotide. Nog specifieker, hierdoor is koolstofatoom 3’ van de eerste nucleotide verbonden met koolstofatoom 5’ van de tweede nucleotide! Hier gaat het om, als je spreekt over de bouwrichting van het RNA-polymerase: van een 5’-uiteinde naar een 3’-uiteinde. Een 5’-uiteinde en een 3’-uiteinde zit dus aan elk nucleotide, maar doordat je de nucleotiden aan elkaar gaat koppelen verschuif je de uiteindes op. Je kunt namelijk geen verbinding meer leggen aan het 3’ koolstofatoom van nucleotide A, omdat die al vastzit aan nucleotide B. Alleen nucleotide B heeft nog wel een 3’-uiteinde die verbonden kan worden! Als een nucleotide C komt die zich verbindt, schuift het 3’-uiteinde dus weer op. Het RNA-polymerase blijft dus nucleotiden aanbouwen aan een 3’-uiteinde kant van een nucleotide (waar zich dus een hydroxylgroep bevindt).

Check onderstaande video van NGbiologie voor meer uitleg over transcriptie:

De leesrichting van het RNA-polymerase is precies andersom: van een 3’-uiteinde naar een 5’-uiteinde. Het RNA-polymerase beweegt die kant op, om het gen, op de mattrijsstreng van het DNA, te lezen. Een gemiddeld gen is ongeveer 1500 nucleotideparen lang en het RNA-polymerase kan dat gen in 50 seconden lezen en het bijpassende complementaire RNA-molecuul maken. Super snel dus.

Transcriptie vindt dus plaats in de celkern, waarin een RNA-polymerase een gen op de matrijsstreng leest van 3’ naar 5’, om daardoor in de 5’ naar 3’ richting een complementaire RNA-kopie te maken van het gen.

Splicing

Nu hebben we dus een RNA-molecuul gemaakt. Alleen dit is pre-RNA, er zitten nog stukken in die eruit moeten worden gehaald voordat je er een eiwit van kunt maken! Het pre-RNA bevat nog intronen en exonen. Een exon is het coderende deel, waaruit je dus een eiwit kunt maken. Een intron is het niet-coderende deel. Dit was alleen nodig voor de regulatie, maar heeft nu geen functie meer. Die introns moeten er dus uit worden geknipt! Het proces dat intronen uit het pre-RNA knipt, zodat je alleen nog exonen overhoudt, heet splicing. Splicing gebeurt nog in de celkern. Na splicing wordt het RNA-molecuul, mRNA genoemd (messenger-RNA). Het heeft namelijk het bericht: 'maak dit specifieke eiwit!' Het mRNA verlaat de celkern via een kernporie en belandt zo in het cytoplasma.

Translatie

Het mRNA is nu klaar om vertaald te worden in een eiwit en het bevindt zich nu in het cytoplasma. De translatie kan beginnen. Translatie is dus het proces waarbij het mRNA wordt afgelezen en wordt vertaald naar een eiwit. 

De bouwstenen van een eiwit zijn aminozuren. Er moet dus een lange keten aminozuren worden gemaakt bij translatie. Bij translatie is er weer een speciale 'lezer' nodig: een ribosoom. Een ribosoom kan het mRNA aflezen en de verbindingen tussen de aminozuren maken, zodat uiteindelijk een eiwit ontstaat. Een ribosoom is één van de grootste en meest complexe structuren in een cel. Een ribosoom bestaat uit een groot eiwitcomplex (1/3 deel) en essentiële rRNA’s (ribosomaal-RNA, 2/3 deel).  Er zijn ongeveer 10 miljoen ribosomen aanwezig in één cel. Er zijn dus super veel ribosomen aanwezig om al die eiwitten te maken. De ribosomen zijn ongeveer 20 seconden tot een paar minuten bezig om een mRNA te vertalen in eiwitten.

Een ribosoom kun je dus vergelijken met een vertaler in de cel. Wij hebben bijvoorbeeld vertalers die een Spaanse tekst kunnen lezen en vertalen in het Nederlands, een ribosoom doet dit in feite ook. Het ribosoom leest het mRNA en vertaalt het in een aminozuur. Het mRNA bestaat uit 'woorden' die het ribosoom kan lezen en omzetten in een aminozuur. Zo een 'woord' wordt een codon genoemd. Een codon bestaat uit drie opeenvolgende nucleotiden (bijv ‘CUA’ of ‘GGA’ of ‘AAG’) die wordt gelezen door het ribosoom en wordt vertaald naar een aminozuur. De translatie begint altijd bij het startcodon: AUG. Dit is het allereerste codon dat wordt afgelezen bij elk translatieproces. Het startcodon AUG codeert voor het aminozuur methionine.

Het ribosoom leest dus het startcodon en dan moet het goede aminozuur worden aangedragen, in dit geval methionine. Het ribosoom kan zelf niet het juiste aminozuur aandragen, een ander molecuul moet daarbij helpen, namelijk tRNA-moleculen (transfer-RNA). Een tRNA kan namelijk een specifiek aminozuur aan zich binden. Een tRNA heeft bijvoorbeeld het aminozuur methionine (Met) gebonden en wordt dan Met-tRNA genoemd.

Hoe werkt translatie?

Translatie werkt als volgt: allereerst bindt het ribosoom op het mRNA en gaat dan het mRNA aflezen in de 5’ naar 3’ richting. Eerst wordt dus het startcodon AUG afgelezen op het mRNA door het ribosoom. Bij het codon AUG hoort dus het aminozuur methionine. Er moet een tRNA komen met het aminozuur methionine aan zich gebonden. Omdat we een keten willen maken van aminozuren moet het eerste Met-tRNA niet weer wegvliegen in het cytoplasma voordat methionine verbonden is met een ander aminozuur. Het Met-tRNA moet dus even tijdelijk gebonden worden aan het ribosoom en het mRNA.

De binding van het tRNA met het mRNA gebeurt door het anticodon op het tRNA. Het anticodon van het tRNA bestaat uit drie complementaire nucleotiden van het codon dat wordt afgelezen op het mRNA. Bij het startcodon AUG is het anticodon op het tRNA dus UAC (door de vaste baseparingen), en heeft dit tRNA het aminozuur methionine gebonden. Het tRNA heeft dus twee belangrijke aspecten: het anticodon en de bindingsplaats voor het specifieke aminozuur. Hierna is dus het Met-tRNA gebonden aan het ribosoom en aan het bijbehorende codon op het mRNA.

Nu leest het ribosoom het volgende codon op het mRNA, bijvoorbeeld UGG. Hierdoor past het tRNA met anticodon ACC op die plek, door de complementaire baseparing. Dit tRNA met het ACC anticodon heeft het aminozuur tryptofaan (Trp) aan zich gebonden dus is Trp-tRNA. In je BINAS-tabel kun je opzoeken welk codon codeert voor welk aminozuur. Let op, in je BINAS-tabel gaat het altijd over de codons op het mRNA, niet over het anticodon van het tRNA! (Als er dus een vraag is die zegt: het anticodon is CGA, welk aminozuur hoort daarbij? Dan moet je zelf bedenken dat in je BINAS-tabel het mRNA staat, dus moet je CGA omzetten in GCU en dan aflezen in de tabel, hieruit komt aminozuur: alanine)

Check onderstaande video van NGbiologie voor meer uitleg over translatie:

Het Met-tRNA en het Trp-tRNA zijn nu beiden gebonden aan het mRNA via hun anticodon. De twee aminozuren methionine en tryptofaan liggen nu dichtbij elkaar. Op dit moment kan het ribosoom een verbinding leggen tussen deze twee aminozuren (een peptidebinding). Daarna duwt het ribosoom het eerste tRNA weg uit de bindingsplaats, (die dan dus geen methionine meer heeft gebonden) om plaats te maken voor een nieuw tRNA. Nu gaat het ribosoom het volgende codon weer lezen, bijvoorbeeld UUC. Het tRNA met het anticodon AAG gaat daar dus aan binden en het aminozuur fenylalanine (Phe) zit aan dat tRNA gebonden: Phe-tRNA. Nu kan het aminozuur fenylalanine weer verbonden worden door het ribosoom met de ontstaande aminozuurketen Met-Trp. Hierna heb je dus een keten van Met-Trp-Phe, dan duwt het ribosoom weer een tRNA weg en leest weer het volgende codon etc.

Zo blijft het proces doorgaan, zodat het ribosoom een lange keten kan maken van aminozuren, dat een eiwit vormt. Uiteindelijk komt het ribosoom een stopcodon tegen op het mRNA. Een stopcodon bestaat ook uit een opeenvolging van drie nucleotiden, alleen codeert dit niet voor een aminozuur, maar voor het beëindigen van de translatie: het ribosoom stopt dus met aminozuren aan elkaar knopen.

Translatie vindt dus plaats in het cytoplasma, waarbij een ribosoom begint bij het startcodon en het mRNA afleest in de 5’ naar 3’ richting, zodat tRNA’s kunnen binden aan het mRNA via hun complementaire anticodons waardoor ze de juiste aminozuren aandragen, zodat het ribosoom deze aminozuren aan elkaar kan koppelen om een eiwit te laten ontstaan. Dit proces stopt wanneer het ribosoom een stopcodon tegenkomt.

Na transcriptie en translatie hebben we dus een eiwit gemaakt! Het eiwit is nog niet helemaal af na translatie, het wordt gemodificeerd, aangepast, gevouwen of opgeslagen in het endoplasmatisch reticulum. Daarna kan het eiwit getransporteerd worden naar het Golgi-systeem en wordt daar verder gemodificeerd, opgeslagen of getransporteerd.

Je hebt nu een van de ingewikkeldste processen doorgenomen voor je examen: transcriptie en translatie! Het maken van eiwitten is dus een complex proces, maar de hele wereld van de cel draait erom! Zonder eiwitten maakt de cel geen schijn van kans om te bestaan.