Genetische code

De genetische code beschrijft hoe mRNA wordt gelezen om een eiwit te vormen. Deze code is universeel geldig bij alle bekende organismen.

Een mRNA-streng bestaat uit een opeenvolging van basen. Er zijn vier verschillende basen: Adenine (A), Guanine (G), Uracil (U) en Cytosine (C). 

Drie opeenvolgende basen vormen een codon of triplet. Een ribosoom kan de streng lezen en vertaalt elk codon in een aminozuur. Het aantal verschillende codons bedraagt 43, dus 64, ruim voldoende voor de twintig verschillende aminozuren. Het proces waarbij de code van mRNA wordt vertaald naar een streng aminozuren, een zogenoemde polypeptide, noemen we translatie.

De katalysator bij dit proces is het ribosoom. In het ribosoom worden tRNA's gebruikt om van de code op het mRNA een streng aminozuren te maken. Voor de 64 verschillende codons zijn minder tRNA-moleculen nodig. Er zijn 3 stopcodons, waarvoor geen tRNA is. Verder zijn er tRNA's die op meerdere codons passen. Hierdoor zijn in een cel minimaal 31 en maximaal 61 verschillende tRNA's nodig. De tRNA's spelen een hoofdrol bij het omzetten van de genetische code. Dat gaat zo: als er in het mRNA een bepaald codon voorkomt, bijvoorbeeld ACU, is er een tRNA-molecuul met een anticodon aan een uiteinde dat precies past op het codon in het mRNA. Aan het andere uiteinde van dat tRNA-molecuul zit een specifiek aminozuur gekoppeld. In dit voorbeeld is dat het aminozuur threonine. Dit aminozuur wordt nu aan de aminozuurketen toegevoegd en losgekoppeld van het tRNA. Het ribosoom katalyseert zowel het bij elkaar brengen van het mRNA en het tRNA als het aankoppelen van de aminozuren en loskoppelen van het aminozuur en het tRNA.

De 64 codons coderen voor 20 verschillende aminozuren. Sommige aminozuren worden dan ook door meer dan één codon aangeduid. Er is een codon dat aangeeft waar het polypeptide moet starten (het zogenoemde startcodon "AUG" ofwel het aminozuur methionine). Elk polypeptide begint dus met methionine, al wordt dit in de meeste eiwitten er later weer afgeknipt. Er zijn drie codons die stop betekenen (UAA, UAG, UGA). Dit zijn stopcodons doordat er geen tRNA's met de bijpassende anticodons zijn.

Het aflezen van het mRNA gebeurt maar in een leesrichting. Deze leesrichting wordt bepaald door de nummering van de koolstof van de ribosesuikers. De ruggengraat van het mRNA wordt namelijk gevormd door een afwisseling van ribose (een suiker) en fosfaat. Een nucleotide van mRNA bestaat uit een fosfaat die aan het vijfde koolstofatoom van ribose vastzit en aan de ribose-eenheid zit een stikstofbase gekoppeld. RNA ontstaat als de fosfaatgroep van het ribosenucleotide aan het derde koolstofatoom van een ander ribosenucleotide koppelt. Zo ontstaat een streng die een richting heeft van het vijfde atoom van het eerste nucleotide (de 5'-kant) aan de ene kant naar het derde atoom van het laatste nucleotide (de 3'-kant). Dit is belangrijk omdat er in een moleculaire code anders geen richting is. Zonder het aangeven van de 5'-3'-richting kan een streng nucleotiden op twee manieren worden afgelezen en zo dus twee eiwitten vormen waarvan er maar een zou werken.

Alle levende wezens hebben dezelfde genetische basiscode maar er zijn wel variaties. Zo codeert het UGA-codon meestal als stop maar in speciale gevallen ook wel als selenocysteine. Ook andere variaties zijn bekend. Met name in bacteriën zijn er veel kleine afwijkingen van de standaardcode bekend. In onze eigen cellen gebruiken de mitochondriën een eigen variatie waarbij drie codons een andere functie hebben dan in de rest van de cel. Dit is mogelijk doordat mitochondriën eigen DNA en eigen ribosomen hebben.

In 2004 werd het aantal baseparen van het menselijk DNA op iets minder dan 3 miljard geschat (<3000 Mbp). Er zijn ongeveer 20.000–25.000 genen.

Codontabellen 
Tabel 1: Codontabel. Deze tabel geeft de 64 (43) mogelijke codons met de bijbehorende aminozuren.De aminozuren zijn ook aangeduid met de drieletterige schrijfwijze en de eenletterige afkorting.

A=Adenine, C=Cytosine, T=Thymine, G=Guanine en U=Uracil

RNA
RNA verschilt van DNA doordat uracil (U) wordt gebruikt in plaats van thymine (T) en als suiker ribose in plaats van 2-desoxyribose. Het laatste verklaart de benamingen ribonucleïnezuur en desoxyribonucleïnezuur.

In de cel kunnen individuele genen van het DNA worden afgelezen en omgezet in zogenoemd messenger RNA (mRNA). Dat proces heet transcriptie. Aan de hand van een complex regelmechanisme dat aangeeft wanneer de cel behoefte heeft aan het eiwit dat door het gen wordt gecodeerd, wordt beslist wanneer een overeenkomstige mRNA-molecule moet worden gevormd. Allereerst wordt pre-mRNA aangemaakt dat door splicing omgezet wordt in zuiver mRNA. Bepaalde delen van het mRNA, de introns, worden daarbij weggeknipt, en zowel voor- als achteraan wordt het voorzien van een specifiek aanhangsel, dat verder geen rol zal spelen bij de eigenlijke vorming van eiwitten.
Na de transcriptie verlaten die mRNA-moleculen de celkern en verplaatsen ze zich naar andere delen van de cel (naar het celplasma of naar het endoplasmatisch reticulum). Daar worden ze vertaald (translatie) in een reeks aaneengeschakelde aminozuren, een polypeptide die - vaak samen met een of meerdere soortgelijke ketens - in een driedimensionale structuur geplooid wordt om samen een eiwit te vormen.
Eiwitten zijn dus ketens van aminozuren, waarvan er in de natuur 22 voorkomen. Ieder aminozuur in de keten wordt gespecificeerd door een bepaalde volgorde van drie basen (een codon) op een RNA-streng.

Het mRNA wordt in de cel afgelezen door ribosomen (grote complexen van RNA en eiwitten) met behulp van transfer RNA (tRNA)-moleculen die helpen om de aminozuren in de juiste volgorde aan te dragen. Het ribosoom koppelt deze aminozuren aan elkaar tot een polypeptide. Dat proces heet translatie.

De keten van aminozuren vormt zich op basis van verschillende ladingen en krachten (onder andere H-bruggen, S-bruggen) in die keten tot een eiwit. Vaak wordt een streng meerdere malen afgelezen door een serie van ribosomen, waardoor er in een geringe tijd veel van een bepaald eiwit gemaakt kan worden. De vorm van een eiwit en het actieve centrum bepalen samen de functie van het eiwit. Ook enzymen zijn eiwitten.

Bij de transcriptie bij prokaryoten spelen operons een belangrijke rol. Een operon bestaat uit op het DNA bij elkaar liggende genen die zorgen voor het tegelijk uitvoeren van één transcriptie van meerdere enzymen voor één celproces. Een voorbeeld is het lac-operon voor de productie van het lactoseverterend enzym (ß-galactosidase).

Genetica