Samenvattingen · BiologieNL · HAVO

Eiwitsynthese: van DNA tot eiwit

Elk kenmerk van een organisme komt uiteindelijk voort uit eiwitten, en welke eiwitten een cel maakt ligt vast in het DNA. Dit onderwerp volgt die informatie stap voor stap: hoe DNA de erfelijke informatie opslaat in een volgorde van basen, hoe die volgorde in de celkern wordt overgeschreven naar mRNA (transcriptie), en hoe het mRNA aan het ribosoom met de genetische code codon voor codon wordt vertaald in een aminozuurvolgorde (translatie). Ten slotte zie je hoe een gen via een eiwit een eigenschap bepaalt en wat een mutatie daarmee doet.

4 Onderdelen~27 min leestijd4 VaardighedenNiveau Basis 1 · Standaard 2 · Verdieping 1

T·0222 / 20

Examenprofiel

De bouw van DNA beschrijven (nucleotiden, basenparing A-T en C-G, dubbele helix, antiparallel) en de begrippen gen, allel en chromosoom van elkaar onderscheiden.Transcriptie uitleggen: hoe RNA-polymerase met de template-streng in de celkern een mRNA maakt, met uracil (U) in plaats van thymine (T).De genetische code toepassen en een mRNA met een codontabel codon voor codon vertalen naar aminozuren (translatie aan het ribosoom met tRNA en peptidebindingen).Beredeneren hoe een gen via een eiwit een eigenschap bepaalt, en welk gevolg een mutatie heeft voor het eiwit en voor de erfelijkheid.

Operatoren:leg uitverklaarberedeneerleid afinterpreteer

basisniveau

Zorg dat je de basenparing (A-T en C-G) kunt toepassen en de twee stappen transcriptie (DNA naar mRNA, in de kern, U in plaats van T) en translatie (mRNA naar eiwit, aan het ribosoom) kunt uitleggen. Oefen vooral het codon voor codon vertalen van een mRNA met een codontabel, met AUG als start en een stopcodon als eind.

verhoogd niveau

Redeneer in onbekende contexten van een DNA- of mRNA-volgorde naar het eiwit en terug, en beredeneer het gevolg van een specifieke mutatie voor het aminozuur, het eiwit en een eigenschap van het organisme — inclusief het herkennen van een stille mutatie door de degeneratie van de code.

Diepte

Tekst

Inhoud · 4 onderdelen

Eiwitsynthese: van DNA tot eiwit

DNA als informatiedrager#

Basisexamenblad-nl

Het centrale dogma: van DNA tot eiwit

Afb. 1Het centrale dogma. De erfelijke informatie stroomt in twee stappen van DNA via mRNA naar eiwit: eerst transcriptie (in de celkern), daarna translatie (aan het ribosoom in het cytoplasma).

Vrijwel elk kenmerk van een organisme berust op eiwitten, en de bouwtekening voor al die eiwitten ligt opgeslagen in het DNA (desoxyribonucleïnezuur). Bij planten en dieren bevindt dit DNA zich in de celkern, opgerold in de chromosomen, en het zit in bijna elke cel van het lichaam. Een DNA-molecuul is een heel lange keten die is opgebouwd uit kleine bouwstenen, de nucleotiden. Elke nucleotide bestaat uit drie delen: een fosfaatgroep, een suiker (bij DNA is dat desoxyribose) en een stikstofbase. Het bijzondere zit in die base, want daarvan bestaan er vier soorten: adenine (A), thymine (T), cytosine (C) en guanine (G). De fosfaatgroepen en suikers vormen een vaste, zich herhalende ruggengraat; de informatie zit hem volledig in de vólgorde van de basen langs die keten. Je kunt het DNA daarom zien als een tekst die met een alfabet van maar vier letters is geschreven: de exacte volgorde A-T-G-C en zo verder legt vast welke eiwitten de cel kan maken.

De informatie wordt veilig bewaard doordat DNA uit twee strengen bestaat die op een vaste manier bij elkaar passen. Tegenover elke base in de ene streng staat namelijk een vaste partnerbase in de andere streng: A paart altijd met T, en C paart altijd met G. Deze basenparing wordt bij elkaar gehouden door waterstofbruggen — tussen A en T zitten er twee, tussen C en G drie, waardoor een C-G-paar iets steviger is. Doordat de paring zo strikt is, zijn de twee strengen complementair: als je de volgorde van de ene streng kent, ligt de volgorde van de andere streng volledig vast. Heeft de ene streng bijvoorbeeld de volgorde A-T-G-C, dan heeft de andere streng onvermijdelijk T-A-C-G. Onthoud de regel A-T en C-G goed: deze complementariteit is niet alleen de sleutel tot de stabiele opslag, maar ook tot het kopiëren (replicatie) en het aflezen (transcriptie) van het DNA, twee processen die je verderop tegenkomt.

Die twee complementaire strengen liggen niet plat naast elkaar, maar zijn om elkaar heen gedraaid tot de beroemde dubbele helix — een gedraaide touwladder. De bomen van de ladder zijn de suiker-fosfaatruggengraten van de twee strengen; de sporten worden gevormd door de basenparen (A-T en C-G) die met hun waterstofbruggen naar binnen wijzen en de strengen verbinden. Een belangrijk kenmerk is dat de twee strengen antiparallel lopen: ze zijn in tegengestelde richting georiënteerd, zodat waar de ene streng zijn ene uiteinde (het zogeheten 5'-uiteinde) heeft, de andere streng juist zijn andere uiteinde (het 3'-uiteinde) heeft. Voor het examen hoef je die uiteinden meestal niet te benoemen, maar het idee tegengestelde richting is wél van belang: enzymen die het DNA aflezen, doen dat altijd in één bepaalde richting langs de streng. De dubbele helix is dus tegelijk stabiel (twee strengen die elkaar beschermen) en goed afleesbaar.

Om over DNA te kunnen praten, heb je een paar begrippen nodig die net iets anders betekenen. Een chromosoom is één heel lang DNA-molecuul dat samen met eiwitten strak is opgerold; de mens heeft er 46, in 23 paren. Een gen is een afgebakend stúkje van zo'n DNA-molecuul: het bevat de informatie voor één bepaald eiwit (of, korter gezegd, voor één eigenschap). Op één chromosoom liggen dus heel veel genen achter elkaar. Een allel ten slotte is een specifieke variant van een gen: het gen voor bijvoorbeeld oogkleur kan in een bruine versie en een blauwe versie voorkomen, en dat zijn twee allelen van hetzelfde gen, op dezelfde plaats (locus) op de twee chromosomen van een paar. De hiërarchie loopt dus van klein naar groot: base, dan gen, dan DNA-molecuul (chromosoom), dan het hele genoom. Het gen is de eenheid die we in dit onderwerp volgen, want de basenvolgorde van één gen bepaalt straks één eiwit.

De informatie in een gen kan niet rechtstreeks een eiwit bouwen, en wel om een praktische reden: het DNA blijft veilig in de celkern, terwijl eiwitten daarbuiten worden gemaakt, in het cytoplasma. De cel lost dit op door van een gen eerst een mobiele werkkopie te maken en die kopie vervolgens te laten aflezen. Dat gebeurt in twee stappen. Bij de transcriptie wordt de basenvolgorde van het gen overgeschreven naar een molecuul mRNA (boodschapper-RNA); bij de translatie wordt dat mRNA aan een ribosoom vertaald in een volgorde van aminozuren, die samen het eiwit vormen. Deze vaste route — van DNA via mRNA naar eiwit — heet het centrale dogma van de moleculaire biologie en staat schematisch in de figuur hiernaast. De rest van dit onderwerp loopt precies die route stap voor stap af: eerst de transcriptie, dan de genetische code en de translatie, en ten slotte de vraag wat het eiwit met de eigenschappen van het organisme doet.

Uitgewerkt voorbeeld

De complementaire streng bepalen

Een streng van een DNA-molecuul heeft de basenvolgorde A-T-G-C-C-A. Bepaal de basenvolgorde van de complementaire streng en benoem de regel die je gebruikt.

Stap 1 — Pas de basenparingsregels toe
In DNA paart A met T en C met G (en omgekeerd). Je zet onder elke base van de gegeven streng de bijbehorende partnerbase; meer combinaties zijn er niet.
Stap 2 — Werk base voor base
A wordt T, T wordt A, G wordt C, C wordt G, C wordt G en A wordt T. Onder de streng A-T-G-C-C-A komt zo de volgorde T-A-C-G-G-T te staan.
Stap 3 — Controleer en koppel aan de structuur
De complementaire streng leest dus T-A-C-G-G-T. De twee strengen lopen antiparallel (in tegengestelde richting) en passen door de complementariteit precies op elkaar.

Resultaat: Resultaat: de complementaire streng is T-A-C-G-G-T. Omdat elke base maar één vaste partner heeft (A-T en C-G), ligt bij één gegeven streng de andere streng volledig vast — dat is precies waarom DNA betrouwbaar kan worden gekopieerd en afgelezen.

Veelgemaakte fouten

A laten paren met C of G. In DNA paart A altijd met T en C altijd met G — geen andere combinaties zijn mogelijk.
Gen en chromosoom door elkaar halen. Een chromosoom is één heel DNA-molecuul met heel veel genen; een gen is maar een (klein) stukje daarvan.
Allel als synoniem voor gen gebruiken. Een allel is een variant van een gen; verschillende allelen van hetzelfde gen liggen op dezelfde plaats (locus) op de homologe chromosomen.

Actieve herhaling

Een streng DNA heeft de basenvolgorde T-A-C-A-A-G-C-C-T. Geef de basenvolgorde van de complementaire streng, en leg uit waarom je met één streng de andere streng altijd kunt afleiden.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

Transcriptie: van DNA naar mRNA#

Standaardexamenblad-nl

DNA en mRNA vergeleken

Afb. 2De belangrijkste verschillen tussen DNA en mRNA. Let vooral op de basen: in mRNA staat uracil (U) op de plaats van thymine (T).

Transcriptie is de eerste stap waarin de cel de informatie van een gen toegankelijk maakt. Het probleem dat moet worden opgelost, is een ruimtelijk probleem: het kostbare DNA blijft in de celkern, maar de eiwitfabriekjes — de ribosomen — liggen in het cytoplasma, buiten de kern. Het DNA zelf kan de kern niet uit. De oplossing is om van het betreffende gen een kopie te maken in de vorm van een mRNA-molecuul, dat de kern wél kan verlaten. Transcriptie betekent letterlijk overschrijven, en dat dekt de lading: de basenvolgorde van één gen wordt overgeschreven in een complementaire basenvolgorde van mRNA. Je kunt het vergelijken met het overschrijven van één recept uit een dik naslagwerk dat de bibliotheek niet uit mag — het origineel blijft veilig staan, en met de kopie ga je aan de slag. Belangrijk om te onthouden: de transcriptie vindt plaats in de celkern, daar waar het DNA ligt.

De transcriptie wordt uitgevoerd door het enzym RNA-polymerase. Dit enzym hecht zich aan het begin van een gen en opent daar plaatselijk de dubbele helix, zodat de twee strengen even van elkaar loskomen. Vervolgens gebruikt het enzym één van de twee DNA-strengen als mal of sjabloon: de template-streng (ook wel de afleesstreng genoemd). Langs die template-streng legt RNA-polymerase complementaire RNA-nucleotiden neer en koppelt ze aan elkaar tot een mRNA-keten. De paring verloopt volgens dezelfde complementariteit als in het DNA, op één belangrijk verschil na dat in de volgende alinea aan bod komt: tegenover een C in de template komt een G, tegenover een G een C, en tegenover een T een A. Per gen wordt steeds maar één streng afgelezen; de andere streng (de coderende streng) wordt niet gebruikt, maar heeft dezelfde volgorde als het mRNA. Zo ontstaat een mRNA-molecuul waarvan de basenvolgorde een exacte afspiegeling van het gen is.

Het mRNA dat zo ontstaat, is geen DNA maar RNA, en daarin zitten een paar vaste verschillen die je moet kennen. Ten eerste bevat RNA een andere suiker: ribose in plaats van desoxyribose. Ten tweede — en dit is het belangrijkste voor het rekenwerk — gebruikt RNA de base uracil (U) in plaats van thymine (T). Tijdens de transcriptie plaatst RNA-polymerase daarom tegenover een A van de template-streng een U, en níét een T. Ten derde is mRNA enkelstrengs: het bestaat uit één keten, terwijl DNA dubbelstrengs is. Ten slotte is een mRNA-molecuul veel korter dan het hele DNA-molecuul, want het is maar de kopie van één gen. In de tabel hiernaast staan deze verschillen tussen DNA en mRNA overzichtelijk naast elkaar. De meest gemaakte fout bij transcriptie is dan ook het plaatsen van een T in het mRNA; train jezelf om bij elke A van de template automatisch aan U te denken.

Zodra de transcriptie klaar is, laat het mRNA los van het DNA en sluit de dubbele helix zich weer. Het verse mRNA-molecuul beweegt daarna door een kernporie de celkern uit, het cytoplasma in, op weg naar een ribosoom. Het DNA zelf blijft heel en in de kern achter; het wordt bij de transcriptie niet opgebruikt. Dat heeft een belangrijk gevolg: van hetzelfde gen kunnen kort na elkaar heel veel mRNA-kopieën worden gemaakt. Heeft een cel veel van een bepaald eiwit nodig, dan transcribeert ze het gen simpelweg vaker, zodat er meer werkkopieën beschikbaar zijn om te vertalen. Het origineel — het gen in het DNA — blijft al die tijd onaangetast bewaard. Hiermee is de eerste helft van de route afgerond: de informatie van het gen zit nu in een mobiel mRNA-molecuul dat klaarligt voor de tweede stap, de translatie.

Het is nuttig om het afleiden van een mRNA uit een template-streng even concreet te oefenen, want op het examen krijg je vaak een korte basenvolgorde om mee te werken. Stel dat de template-streng begint met de drie basen T-A-C. Tegenover de T komt een A, tegenover de A een U (let op: U, geen T) en tegenover de C een G — het mRNA begint dus met A-U-G. Die drie basen, AUG, blijken niet toevallig het zogeheten startcodon te zijn waarmee de translatie straks begint. Werk je op deze manier de hele template-streng af, dan krijg je het volledige mRNA, dat je vervolgens in drietallen (codons) kunt opdelen. In het uitgewerkte voorbeeld hiernaast doen we dit voor een iets langere streng en vinden we het mRNA AUG-GGC-UUU, precies het molecuul dat we in de volgende paragraaf vertalen in aminozuren.

Uitgewerkt voorbeeld

Het mRNA afleiden uit de template-streng

De template-streng (de afgelezen streng) van een stukje DNA luidt T-A-C-C-C-G-A-A-A. Schrijf de basenvolgorde van het mRNA op dat RNA-polymerase hiervan maakt, en let goed op welke base de plaats van T inneemt.

Stap 1 — Welke streng en welke regels?
RNA-polymerase leest alleen de template-streng en koppelt er complementaire RNA-nucleotiden tegenaan. Let op het verschil met DNA: in RNA komt tegenover een A een U (uracil), níét een T. Verder geldt gewoon T wordt A, C wordt G en G wordt C.
Stap 2 — Werk base voor base
Verdeel de template alvast in drietallen: T-A-C / C-C-G / A-A-A. Tegenover T-A-C komt A-U-G, tegenover C-C-G komt G-G-C, en tegenover A-A-A komt U-U-U. Het mRNA wordt zo A-U-G-G-G-C-U-U-U.
Stap 3 — Controleer de U's en het startcodon
Tegenover elke A in de template staat inderdaad een U in het mRNA (nergens een T). Het mRNA begint bovendien met AUG, het startcodon — daarmee kan straks de translatie beginnen.

Resultaat: Resultaat: het mRNA is A-U-G-G-G-C-U-U-U, oftewel de codons AUG-GGC-UUU. Dit is de werkkopie die de celkern verlaat; in de volgende paragraaf vertalen we precies dit mRNA in een volgorde van aminozuren.

Veelgemaakte fouten

Bij transcriptie tegenover een A toch een T plaatsen. In RNA bestaat geen thymine: tegenover een A van de template-streng komt een U.
Denken dat beide DNA-strengen worden afgelezen. Per gen wordt maar één streng — de template-streng — als mal gebruikt.
De transcriptie in het cytoplasma plaatsen. Transcriptie gebeurt in de celkern; pas de translatie gebeurt in het cytoplasma, aan het ribosoom.

Actieve herhaling

De template-streng van een gen luidt T-A-C-A-C-G-G-T-A. Schrijf het bijbehorende mRNA op en geef aan op welke twee punten dit mRNA verschilt van de coderende (niet-afgelezen) DNA-streng.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

De genetische code en de translatie#

Standaardexamenblad-nl

Fragment van een codontabel

Afb. 3Een klein deel van de genetische code. AUG is het startcodon (Met); UAA is een stopcodon. Dat zowel GGC als GGA voor glycine (Gly) codeert, laat de degeneratie van de code zien.

Met het mRNA buiten de kern komt de vraag hoe een volgorde van vier verschillende basen kan vastleggen welke aminozuren in welke volgorde aan elkaar moeten worden gekoppeld. Het antwoord is de genetische code: de afspraak die elke combinatie van basen koppelt aan een aminozuur. De code wordt gelezen in groepjes van drie basen tegelijk. Zo'n drietal heet een codon (of triplet), en elk codon codeert voor precies één aminozuur. Waarom juist drie? Met groepjes van twee basen zou je maar

4^2 = 16

verschillende combinaties hebben, te weinig voor de twintig aminozuren waaruit eiwitten zijn opgebouwd. Met drietallen kom je op

4^3 = 64

mogelijke codons, ruim voldoende. Je kunt een codon dus opvatten als een woord van drie letters: de volgorde van de codons in het mRNA bepaalt de volgorde van de aminozuren, net zoals de volgorde van woorden een zin bepaalt.

Niet elk codon codeert voor een gewoon aminozuur; een paar codons hebben een bijzondere, regelende functie. Het codon AUG is het startcodon: het markeert de plek waar de translatie begint, en codeert tegelijk voor het aminozuur methionine (Met). Daarnaast zijn er drie stopcodons — UAA, UAG en UGA — die géén aminozuur opleveren maar het sein einde geven, zodat de translatie daar stopt. Omdat er 64 codons zijn voor maar 20 aminozuren, coderen meerdere verschillende codons vaak voor hetzelfde aminozuur; glycine bijvoorbeeld wordt aangegeven door GGU, GGC, GGA én GGG. Dit verschijnsel heet de degeneratie (of redundantie) van de code. Welk codon bij welk aminozuur hoort, lees je af uit een codontabel, zoals het fragment in de tabel hiernaast. Zo'n tabel lees je eenvoudig op: zoek het codon op en lees het bijbehorende aminozuur af; let bij AUG en bij de stopcodons extra op hun start- en stopfunctie.

De vertaling zelf — de translatie — vindt plaats in het cytoplasma, aan een ribosoom. Bij dit proces spelen drie spelers een rol. Het ribosoom is de werkbank: het hecht zich aan het mRNA, leest het codon voor codon af en houdt alle onderdelen op hun plaats. De aminozuren zijn de bouwstenen die aan elkaar gekoppeld moeten worden tot een keten. En de koppeling tussen codon en aminozuur wordt gelegd door het tRNA (transport-RNA): elk tRNA-molecuul draagt aan de ene kant een specifiek aminozuur en heeft aan de andere kant een anticodon — een drietal basen dat complementair is aan een codon. Doordat het anticodon van het tRNA volgens de basenparingsregels (A met U, C met G) precies op het codon van het mRNA past, wordt gegarandeerd dat bij elk codon het juiste aminozuur wordt aangevoerd. Bij het codon GGC hoort bijvoorbeeld een tRNA met het anticodon CCG, dat het aminozuur glycine meebrengt.

Het ribosoom bouwt het eiwit op in een herhalende cyclus. Eerst hecht het zich aan het mRNA ter hoogte van het startcodon AUG, waar een tRNA het eerste aminozuur (methionine) aanlevert. Daarna schuift het ribosoom telkens één codon op. Bij elk nieuw codon komt het bijpassende tRNA met zijn aminozuur, en tussen het nieuwe aminozuur en het vorige wordt een peptidebinding gelegd — de chemische verbinding die aminozuren aan elkaar koppelt. Zo groeit, codon voor codon, een steeds langere keten van aminozuren. Het tRNA dat zijn aminozuur heeft afgegeven, laat los en kan opnieuw worden gebruikt. Dit gaat door totdat het ribosoom een stopcodon (UAA, UAG of UGA) bereikt; dan stopt de translatie en laat de voltooide aminozuurketen — het polypeptide — los. Een polypeptide is dus niets anders dan een lange keten van aminozuren, gekoppeld met peptidebindingen, die zich daarna opvouwt tot een werkend eiwit.

Bij de translatie is de vólgorde alles. Omdat het ribosoom het mRNA strikt van codon naar codon afleest en elk codon één aminozuur oplevert, bepaalt de volgorde van de codons in het mRNA rechtstreeks de volgorde van de aminozuren in het eiwit. Verschuift er iets in die volgorde, of staat er één codon anders, dan verandert het aminozuur op die plek mee — een gevoeligheid waar het volgende onderwerp (mutaties) op voortbouwt. Wil je een mRNA vertalen, hanteer dan altijd dezelfde werkwijze: deel de basenvolgorde op in codons van drie, begin bij AUG, zoek elk codon op in de codontabel, en stop zodra je een stopcodon tegenkomt. In het uitgewerkte voorbeeld hiernaast passen we deze stappen toe op het mRNA AUG-GGC-UUU en vinden we de aminozuurvolgorde Met-Gly-Phe. Beheers je deze routine, dan kun je elke gegeven basenvolgorde betrouwbaar omzetten in het bijbehorende stukje eiwit.

Uitgewerkt voorbeeld

Een mRNA codon voor codon vertalen

Een mRNA-molecuul heeft de basenvolgorde AUG-GGC-UUU. Bepaal met de codontabel stap voor stap de aminozuurvolgorde van het polypeptide dat hiervan wordt gemaakt.

Stap 1 — Lees het mRNA per codon (drietal)
Verdeel de basenvolgorde in codons van drie basen: AUG | GGC | UUU. Elk codon codeert voor één aminozuur, dus dit mRNA levert drie aminozuren op.
Stap 2 — Het startcodon AUG
AUG is het startcodon; het ribosoom begint hier en een tRNA met het anticodon UAC brengt het aminozuur methionine (Met). Het eerste aminozuur van de keten is dus Met.
Stap 3 — Het tweede codon GGC
Het ribosoom schuift op naar GGC. In de codontabel hoort daar Gly (glycine) bij; een tRNA met het anticodon CCG levert Gly. Tussen Met en Gly ontstaat een peptidebinding.
Stap 4 — Het derde codon UUU
Het laatste codon UUU codeert voor Phe (fenylalanine), aangevoerd door een tRNA met het anticodon AAA. Er vormt zich opnieuw een peptidebinding, nu tussen Gly en Phe.

Resultaat: Resultaat: de aminozuurvolgorde is Met-Gly-Phe. Deze drie aminozuren zijn met peptidebindingen aan elkaar gekoppeld tot een (begin van een) polypeptide. Was er nog een stopcodon (UAA, UAG of UGA) gevolgd, dan zou de translatie daar zijn gestopt en het eiwit hebben losgelaten.

Veelgemaakte fouten

De basen van het mRNA één voor één vertalen in plaats van per drietal. Een codon bestaat altijd uit precies drie basen.
Vergeten dat AUG zowel het startsein is als codeert voor het aminozuur methionine (Met); het eerste aminozuur is dus Met.
Denken dat een stopcodon ook een aminozuur oplevert. Stopcodons (UAA, UAG, UGA) coderen géén aminozuur; ze beëindigen alleen de translatie.
Het anticodon gelijkstellen aan het codon. Het anticodon van het tRNA is complementair aan het codon: bij codon GGC hoort anticodon CCG.

Actieve herhaling

Gebruik de codontabel hiernaast. Een mRNA luidt AUG-UUU-GGC-UAA. Geef de aminozuurvolgorde van het eiwit dat hiervan wordt gemaakt, en leg uit wat er bij het laatste codon gebeurt.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

Van gen tot eiwit en de functie van het eiwit#

Verdiepingexamenblad-nl

Plaats van transcriptie en translatie in de cel

Afb. 4De ruimtelijke scheiding van de twee stappen. De transcriptie (DNA → mRNA) vindt plaats in de celkern; het mRNA verlaat de kern, waarna de translatie (mRNA → eiwit) plaatsvindt aan de ribosomen in het cytoplasma.

Nu de twee stappen los zijn behandeld, is het tijd om de hele route in één keer te overzien. Het begint bij een gen in het DNA, dat veilig in de celkern ligt. Daar wordt het gen door transcriptie overgeschreven in een mRNA-molecuul. Dat mRNA verlaat de kern en gaat naar een ribosoom in het cytoplasma, waar het door translatie codon voor codon wordt vertaald in een keten van aminozuren. Die keten — het polypeptide — vouwt zich daarna op tot een werkend eiwit. In de figuur hiernaast zie je waar dit alles gebeurt: de transcriptie speelt zich af binnen de celkern, de translatie daarbuiten, aan de ribosomen in het cytoplasma. Die ruimtelijke scheiding is precies de reden dat de cel een mobiele mRNA-kopie nodig heeft. Houd deze keten — gen, dan mRNA, dan eiwit — als geheel in je hoofd, want bijna elke examenvraag over dit onderwerp vraagt je om ergens op die route in te stappen en de volgende stap te beredeneren.

Waarom is dat eiwit aan het eind van de route zo belangrijk? Omdat eiwitten in de cel vrijwel al het werk doen. Ze functioneren onder meer als enzymen die reacties versnellen, als bouwstoffen (zoals keratine in haar en collageen in de huid), als transportmoleculen (zoals hemoglobine dat zuurstof vervoert), als hormonen (zoals insuline) en als antistoffen in de afweer. Het beslissende inzicht is dat de vólgorde van de aminozuren bepaalt hoe het eiwit zich opvouwt, en dat de driedimensionale vorm op zijn beurt de functie bepaalt: een enzym werkt bijvoorbeeld alleen als zijn actieve plaats precies de juiste vorm heeft. Daarmee is de hele keten rond. De basenvolgorde van het gen legt — via codon en aminozuur — de aminozuurvolgorde vast; die bepaalt de vorm; de vorm bepaalt de functie; en de functie van al die eiwitten samen bepaalt uiteindelijk een waarneembare eigenschap van het organisme. Kort gezegd: een gen bepaalt een eigenschap, maar altijd via een eiwit.

Juist omdat de eigenschap zo strak vastligt aan de basenvolgorde, kan een kleine verandering in het DNA doorwerken in het eiwit. Zo'n verandering in de basenvolgorde heet een mutatie. Via transcriptie en translatie kan een veranderde base een codon veranderen, en daarmee het aminozuur dat op die plaats wordt ingebouwd. Er zijn grofweg drie mogelijke gevolgen. Soms verandert er niets aan het eiwit, omdat het nieuwe codon dankzij de degeneratie van de code voor hetzelfde aminozuur codeert; dat is een stille mutatie. Soms komt er één ánder aminozuur in het eiwit, waardoor de vorm en de functie kunnen veranderen — het klassieke voorbeeld is sikkelcelanemie, waarbij één verwisseld aminozuur in hemoglobine de rode bloedcellen vervormt. En soms ontstaat er door de mutatie een vroegtijdig stopcodon, zodat het eiwit te kort en onbruikbaar wordt. In het uitgewerkte voorbeeld hiernaast reken je twee van deze gevallen na en zie je hoe je het gevolg van een mutatie systematisch bepaalt.

Ten slotte verbindt de eiwitsynthese dit onderwerp met de erfelijkheid. Genen — en hun verschillende allelen — worden via de chromosomen in de geslachtscellen doorgegeven aan het nageslacht. Verschillende allelen van een gen verschillen in hun basenvolgorde, en leveren daardoor via transcriptie en translatie net iets andere eiwitten op; die net iets andere eiwitten zorgen voor de verschillende varianten van een eigenschap, zoals bruine of blauwe ogen. Een mutatie is in dit licht de bron van nieuwe allelen: ontstaat ze in een geslachtscel, dan is ze erfelijk en kan ze worden doorgegeven, terwijl een mutatie in een gewone lichaamscel níét aan nakomelingen wordt doorgegeven. Zo vormt de eiwitsynthese de brug tussen het genotype (de allelen die je erft) en het fenotype (de eigenschappen die je laat zien): het eiwit is wat een gen in de praktijk doet. Met dit inzicht sluit dit onderwerp aan op de overerving die je bij de genetica verder uitwerkt.

Overzie je het geheel, dan blijkt dit onderwerp één lange informatieketen te beschrijven. Het DNA slaat de erfelijke informatie op in een volgorde van basen; de transcriptie maakt daar een mRNA-kopie van; de genetische code geeft die basen hun betekenis in drietallen; de translatie bouwt op grond daarvan een eiwit; en het eiwit brengt ten slotte een eigenschap tot stand. Op het examen pas je deze keten telkens toe op een nieuwe context: je leidt uit een DNA- of mRNA-volgorde het eiwit af, je voorspelt het gevolg van een gegeven mutatie, of je verklaart waarom een afwijkend eiwit tot een aandoening leidt. Het mooie is dat elke stap volgens vaste regels verloopt — de basenparing A-T en C-G, het vervangen van T door U bij de transcriptie, en de codontabel bij de translatie — zodat er nergens iets te gokken valt. Wie die regels nauwkeurig toepast, kan de hele weg van gen tot eigenschap betrouwbaar navolgen.

Uitgewerkt voorbeeld

Het gevolg van een mutatie bepalen

In een gen treedt een mutatie op waardoor het mRNA-codon UUU verandert in UUA. Bepaal met de codontabel het effect op het eiwit, en leg met het begrip degeneratie uit waarom niet elke baseverandering zo'n effect heeft.

Stap 1 — Bepaal het oorspronkelijke aminozuur
Zoek het oude codon op in de codontabel: UUU codeert voor Phe (fenylalanine). Dat is het aminozuur dat oorspronkelijk op deze plaats in het eiwit zat.
Stap 2 — Bepaal het nieuwe aminozuur
Door de mutatie wordt het codon UUA. Dat codeert volgens de tabel voor Leu (leucine). Er komt dus een ánder aminozuur op deze plaats in de keten.
Stap 3 — Gevolg voor het eiwit en de eigenschap
Omdat de aminozuurvolgorde verandert (Phe wordt Leu), kan de opvouwing en daarmee de vorm van het eiwit veranderen. Een anders gevormd eiwit kan slechter of niet meer werken, waardoor een eigenschap van het organisme kan veranderen.
Stap 4 — Waarom niet altijd? (degeneratie)
Was het codon UUU veranderd in UUC, dan codeert dat nog steeds voor Phe — de code is immers gedegenereerd. Dan verandert het eiwit niet: dat is een stille mutatie, zonder gevolg voor het eiwit.

Resultaat: Resultaat: de mutatie vervangt Phe door Leu in het eiwit; doordat de aminozuurvolgorde verandert, kunnen de vorm en de functie van het eiwit veranderen en daarmee een eigenschap. Door de degeneratie van de genetische code leidt een baseverandering echter niet altijd tot een ander aminozuur (UUU naar UUC blijft Phe), zodat sommige mutaties geen merkbaar gevolg hebben.

Veelgemaakte fouten

Denken dat élke mutatie het eiwit verandert. Door de degeneratie van de code codeert een ander codon soms voor hetzelfde aminozuur (een stille mutatie), zodat het eiwit ongewijzigd blijft.
Het eiwit overslaan in de redenering gen-tot-eigenschap. Een gen bepaalt een eigenschap altijd via een eiwit; de aminozuurvolgorde bepaalt de vorm en die de functie.
Mutaties in lichaamscellen en geslachtscellen verwarren. Alleen een mutatie in een geslachtscel (gameet) is erfelijk en wordt aan nakomelingen doorgegeven.

Actieve herhaling

Door een mutatie verandert in een mRNA het codon GGC in GGA. Bepaal met de codontabel het oorspronkelijke en het nieuwe aminozuur en beredeneer of het eiwit hierdoor verandert. Leg vervolgens met het begrip erfelijkheid uit onder welke voorwaarde deze mutatie aan nakomelingen kan worden doorgegeven.

Actief ophalen

Haal de kernpunten op — onthul ze daarna.

Bronnen: Examenprogramma biologie (HAVO) (CvTE / Examenblad)

Referenties en bronnen

Bronnen

CvTE / Examenblad

Examenprogramma biologie (HAVO)

Eiwitsynthese: van DNA tot eiwit

4 Onderdelen~27 min leestijd4 VaardighedenNiveau Basis 1 · Standaard 2 · Verdieping 1

Eiwitsynthese: van DNA tot eiwit

Kernpunten

De complementaire streng bepalen

Kernpunten

Het mRNA afleiden uit de template-streng

Kernpunten

Een mRNA codon voor codon vertalen

Kernpunten

Het gevolg van een mutatie bepalen

Bronnen

Eiwitsynthese: van DNA tot eiwit

Kernpunten

De complementaire streng bepalen

Kernpunten

Het mRNA afleiden uit de template-streng

Kernpunten

Een mRNA codon voor codon vertalen

Kernpunten

Het gevolg van een mutatie bepalen

Bronnen