Eiwitten

Van code naar aminozuur

Een eiwit is een keten aminozuren, en welke aminozuren dat zijn staat in het DNA. De code werkt in drietallen: elk codon van drie basen staat voor één aminozuur. Met vier basen levert dat 64 combinaties voor twintig aminozuren, dus meerdere codons betekenen hetzelfde — de code is redundant, maar nooit dubbelzinnig.

Twee codons doen iets anders. Het startcodon AUG geeft aan waar het aflezen begint, en levert meteen het eerste aminozuur. Bij een stopcodon hoort geen aminozuur; daar laat het ribosoom de keten los.

Transcriptie en translatie

De eiwitsynthese verloopt in twee stappen, op twee plaatsen. Bij de transcriptie wordt in de kern één gen overgeschreven naar mRNA. Van de twee DNA-strengen dient de matrijsstreng als mal; het mRNA wordt daar complementair aan gebouwd, en komt dus overeen met de coderende streng. Het aflezen gebeurt altijd in dezelfde richting.

Het mRNA verlaat de kern en gaat naar een ribosoom in het cytoplasma. Daar volgt de translatie: tRNA-moleculen brengen elk hun eigen aminozuur aan en klikken met hun anticodon op het passende codon. Het ribosoom, dat zelf uit rRNA en eiwitten bestaat, koppelt de aminozuren aan elkaar.

Eiwitten die de cel gaat uitscheiden, worden gemaakt aan het ruwe endoplasmatisch reticulum en verder afgewerkt en verpakt in het golgi-systeem.

Van keten naar werkend eiwit

De volgorde van de aminozuren — de primaire structuur — ligt vast in het gen en bepaalt alles wat daarna gebeurt. De keten vouwt zichzelf op: eerst plaatselijk tot spiralen en vouwbladen (secundair), dan tot de complete ruimtelijke vorm van één keten (tertiair), vastgezet door onder meer zwavelbruggen. Bestaat het eiwit uit meerdere ketens samen, zoals hemoglobine, dan heet dat de quaternaire structuur.

Die vorm ís de functie. Een enzym past alleen op zijn substraat als het goed gevouwen is. Eén verkeerd aminozuur kan de vouwing veranderen en het eiwit onbruikbaar maken — dat is waarom een puntmutatie zulke grote gevolgen kan hebben.

Assimilatie en dissimilatie

Alle stofwisseling valt in twee richtingen uiteen. Bij assimilatie bouwt de cel organische stof op en legt daarbij energie vast. Bij dissimilatie breekt ze die weer af en komt de energie vrij.

Waar de bouwstenen vandaan komen bepaalt het onderscheid autotroof-heterotroof. Een autotroof organisme maakt zijn organische stof zelf uit anorganische stof; een heterotroof organisme moet die uit ander organisch materiaal halen. Dat verschil is de basis onder elke voedselketen.

Enzymen als katalysator

In een cel gebeurt vrijwel geen enkele chemische reactie vanzelf snel genoeg. Enzymen lossen dat op: ze katalyseren, dat wil zeggen ze verlagen de energie die de reactie nodig heeft om op gang te komen, zonder er zelf bij op te gaan.

Elk enzym doet één ding, want zijn vorm past maar op één substraat. Veel reacties zijn bovendien evenwichtsreacties die beide kanten op kunnen; welke kant overheerst hangt af van de concentraties aan weerszijden — het enzym versnelt alleen, het bepaalt de richting niet.

Energie in de cel

Energie komt in verschillende vormen voor: chemische energie in bindingen, lichtenergie in straling, kinetische energie in beweging, en warmte — de vorm waarin bij elke omzetting een deel verloren gaat.

De cel rekent intern in ATP. Door aan ADP een derde fosfaatgroep te koppelen sla je energie op; door die er weer af te halen komt hij meteen bruikbaar vrij. Voor het vervoer van waterstof en elektronen zijn er aparte dragers: NAD+ wordt NADH bij de dissimilatie, NADP+ wordt NADPH bij de fotosynthese.

Onder de motorkap gaat het om protonen en elektronen. Een verschil in protonconcentratie over een membraan is precies wat de cel gebruikt om ATP te maken.

Fotosynthese in de chloroplast

In de chloroplast, met zijn stapels membranen vol chlorefyl, verloopt de fotosynthese in twee delen.

De lichtreactie heeft licht nodig. Chlorofyl neemt vooral blauw en rood uit het elektromagnetisch spectrum op — groen kaatst het terug, en daarom zien we het blad groen. Met die energie wordt water gesplitst: er komt zuurstof vrij en er ontstaan ATP en NADPH.

De donkerreactie gebruikt die ATP en NADPH om uit koolstofdioxide glucose te bouwen. Licht is daar niet direct voor nodig, al stopt het proces wel als de lichtreactie stilvalt. Samen heet dat C-assimilatie: koolstof vastleggen in organische stof.

Voortgezette assimilatie

De glucose uit de fotosynthese is nog niet het eindpunt. In de voortgezette assimilatie bouwt het organisme er andere stoffen van, elk met hun eigen rol: bouwstof voor cellen en weefsels, brandstof voor de dissimilatie, en reservestof voor later.

Koolhydraten lopen van klein naar groot. Een monosacharide is een enkelvoudige suiker, een disacharide bestaat uit twee, en een polysacharide uit een lange keten. Zetmeel is de reservestof van planten, glycogeen die van dieren — allebei polysachariden, allebei snel weer om te zetten in glucose.

Wat er van gemaakt wordt

Uit de assimilatieproducten bouwt het organisme alles wat het nodig heeft. Cellulose wordt de plantencelwand — voor ons onverteerbaar, maar als voedingsvezel wel nuttig. Vet, opgebouwd uit glycerol en vetzuren, is de compactste reservestof en levert per gram ruim twee keer zoveel energie als koolhydraat.

Eiwitten komen uit aminozuren. Sommige daarvan kan het lichaam zelf maken, de essentiële aminozuren niet: die moeten uit voedsel komen. Fosfolipiden vormen de membranen, DNA de erfelijke informatie, en tussencelstof geeft weefsels hun samenhang.

Anaerobe dissimilatie

Zonder zuurstof kan de cel glucose maar gedeeltelijk afbreken. De glycolyse splitst het molecuul en levert daarbij een kleine hoeveelheid ATP.

Wat er overblijft wordt bij gisting omgezet in alcohol, bij gist en veel planten, of in melkzuur, in onze spiercellen bij zuurstoftekort. In beide eindproducten zit nog veel energie opgesloten: dat is precies waarom de opbrengst zo laag is. Melkzuur hoopt op en verzuurt de spier, wat de inspanning uiteindelijk afremt.

Aerobe dissimilatie

Mét zuurstof kan de afbraak wél volledig. Na de glycolyse gaat de koolstof de citroenzuurcyclus in en wordt hij helemaal afgesplitst als koolstofdioxide; de waterstof gaat mee met de transporteurs.

In de oxidatieve fosforylering geven die transporteurs hun elektronen af aan een reeks eiwitten. Elke stap laat een beetje energie vrij, en aan het eind vangt zuurstof — de oxidator — de elektronen op. Hier ontstaat verreweg de meeste ATP. Zonder zuurstof aan het eind loopt de hele rij vast, en daarom kan de aerobe route zonder zuurstof niet draaien.

Reactievergelijkingen en elementen

Een reactievergelijking zet de beginstoffen links en de eindproducten rechts, met aan beide kanten evenveel atomen van elk element. De molecuulformule zegt alleen wát er in een molecuul zit, de structuurformule ook hoe het aan elkaar hangt — nodig om stoffen met dezelfde molecuulformule te onderscheiden.

De elementen die je moet kennen zijn er niet veel. Koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof vormen de organische stof; fosfor zit in DNA, ATP en fosfolipiden; calcium, ijzer, kalium, natrium en chloor doen mee aan botten, zuurstoftransport en de prikkelgeleiding.

De verbindingen die telkens terugkomen zijn glucose, water, koolstofdioxide en zuurstofgas — en in de kringlopen ammoniak, nitraat, nitriet, stikstofgas, fosfaat en methaan.

Hoe een enzym werkt

De werking van een enzym berust op vorm. De actieve plaats past precies op het substraat, zoals een slot op een sleutel. Samen vormen ze kort een enzymsubstraatcomplex, waarin de omzetting plaatsvindt; daarna laat het enzym het product los en is het onveranderd klaar voor de volgende.

Daarom werkt een enzym maar op één stof, en daarom heeft een cel er duizenden verschillende. Of een reactie is verlopen kun je in de praktijk aantonen met een indicator, die door een kleurverandering laat zien of een bepaalde stof aanwezig is.

Temperatuur en pH

Enzymwerking is geen rechte lijn maar een optimumkromme. Bij een lage temperatuur bewegen de moleculen te langzaam en komen enzym en substraat elkaar zelden tegen. Wordt het warmer, dan gaat de reactie sneller — tot het optimum.

Daarboven slaat het om. Door hitte, of door een verkeerde zuurgraad, verliest het eiwit zijn ruimtelijke vorm: denaturatie. Dan past het niet meer op zijn substraat, en dat is onherstelbaar. Elk enzym heeft dan ook zijn eigen optimum: pepsine werkt juist in het zure maagsap, de darmenzymen bij een bijna neutrale pH.

Micro-organismen aan het werk

De stofwisseling van micro-organismen is technisch bruikbaar. Bij fermentatie laat je gisten, bacteriën of schimmels op grote schaal een omzetting doen: brood, bier, yoghurt, kaas, en ook antibiotica en enzymen voor de industrie.

Met recombinant-DNA-technologie ga je een stap verder. Je brengt een gen van een ander organisme in — vaak met een plasmide als vervoermiddel — zodat de bacterie een eiwit gaat maken dat hij van zichzelf niet maakt. Zo wordt bijvoorbeeld menselijke insuline geproduceerd.

Fotosynthese en chemosynthese

Beide processen leggen koolstof vast in organische stof, en beide maken hun organisme autotroof. Het verschil zit in de energiebron.

De fotosynthese gebruikt licht. De chemosynthese haalt de energie uit anorganische reacties, bijvoorbeeld uit de omzetting van zwavel- of stikstofverbindingen. Dat betekent dat chemosynthetiserende bacteriën in het volslagen donker kunnen leven — in de bodem, en bij bronnen op de diepzeebodem waar hele levensgemeenschappen op draaien.

Waarom genregulatie nodig is

Elke cel van een organisme heeft hetzelfde DNA, maar een levercel is geen zenuwcel. Het verschil zit niet in welke genen er zijn, maar in welke er aanstaan.

Genregulatie is dat aan- en uitzetten. Zonder die regeling zou elke cel alles tegelijk aanmaken: een enorme verspilling, en bovendien onmogelijk om nog gespecialiseerde weefsels te vormen. Ook binnen één cel wisselt het voortdurend — een enzym dat nu nodig is, is dat straks niet meer.

Genregulatie bij prokaryoten

Bij bacteriën is het schakelmechanisme goed te overzien. Vóór een structuurgen — het gen voor het eiwit dat de cel wil maken — liggen een promotor, waar het afleesenzym aanhecht, en een operator, die als schakelaar dienstdoet.

Een apart regulatorgen codeert voor een repressor. Zit die op de operator, dan komt het afleesenzym er niet langs en blijft het gen uit. Komt de stof waar het om draait beschikbaar, dan bindt die aan de repressor, laat hij los, en gaat het gen aan. Zo maakt de bacterie het enzym precies wanneer er iets te doen is.

Genregulatie bij eukaryoten

Bij eukaryoten is het ingewikkelder, want er zijn veel meer genen en veel meer situaties.

Hier bepalen transcriptiefactoren of een gen wordt afgelezen: eiwitten die aan het DNA binden, meestal met meerdere tegelijk. Een activator bevordert de transcriptie juist, in plaats van hem te remmen. Doordat er per gen een eigen combinatie van factoren nodig is, kan één cel heel fijnmazig regelen wat er wanneer aanstaat.

Genexpressie is dynamisch

Of een gen bereikbaar is, hangt ook af van hoe het DNA is opgeborgen. Het is gewikkeld om eiwitkernen tot nucleosomen; hoe strakker opgerold, hoe minder toegankelijk.

Daarnaast kan er aan het DNA een kleine chemische groep worden gehangen — methylering — waardoor een gen wordt uitgeschakeld zonder dat de basenvolgorde verandert. Zulke veranderingen kunnen bovendien worden doorgegeven aan dochtercellen en zelfs aan nakomelingen: dat is het terrein van de epigenetica. Een derde route is RNAi, waarbij kleine RNA-moleculen het mRNA blokkeren of afbreken, zodat er alsnog geen eiwit komt.

Als de regulatie stukgaat

Mutagene factoren — uv-straling, röntgenstraling, stoffen uit rook — vergroten de kans op mutaties. Raakt daarbij een gen dat over celdeling gaat, dan kan de regulatie zelf ontsporen.

Twee soorten genen zijn daarbij van belang. Een proto-oncogen stimuleert normaal de celdeling; door een mutatie kan het blijvend aanstaan en wordt het een oncogen — het gaspedaal blijft ingedrukt. Een tumorsuppressorgen remt juist af of laat een beschadigde cel afsterven; valt het uit, dan is de rem weg. Meestal is er meer dan één zo'n mutatie nodig voordat een cel echt ongecontroleerd gaat delen.