Eiwitten worden de bouwstenen of moleculen van het leven genoemd. In de basis is elk molecuul, ook een eiwit, opgebouwd uit verschillende atomen. Verschillende atomen samen kunnen ingedeeld worden in een type molecuul. Zo bestaat er een DNA-molecuul, koolhydraat, lipide, nucleïnezuur, etc. Hoewel een eiwit één groot molecuul is, bestaat het uit kleinere bouwstenen: aminozuren.

Aminozuren zijn een specifiek soort moleculen die gekenmerkt worden door een aantal atomen die altijd op dezelfde manier aan elkaar gelinkt zijn (zie figuur 1). De ruggengraat (Engels: backbone) van een aminozuur is altijd hetzelfde. De zijketen (in het figuur weergegeven met R) bepaald de unieke identiteit van elk aminozuur.

Het samenvoegen van deze aminozuren is hoe een eiwit ontstaat. De definitie van een eiwit is dus: een keten van aan elkaar gekoppelde aminozuren. Dat samenvoegen gebeurt op een heel verfijnde en elegante manier. Om te weten hoe dat gaat moeten we eerst terug naar de bron van eiwitten: DNA.

Het DNA is niet een onderwerp waar de meeste mensen aan denken bij het horen van ‘eiwitten’. Voor een biochemicus is dit onvoorstelbaar en het is voor hem lastig voor te stellen dat het grootste deel van de mensen deze link niet hebben gelegd: DNA bevat de blauwdruk voor eiwitten, en enkel en alleen eiwitten ¹. Het DNA bevat dus geen blauwdruk voor lipiden, nucleotiden, koolhydraten, celorganellen, of dergelijken.

Het DNA bevindt zich in de celkern waar het grotendeels beschermt is tegen veranderingen. Een verandering in het DNA kan namelijk leiden tot celdood. Net zoals er vaak een kopie van een belangrijk document wordt gemaakt om te voorkomen dat er iets gebeurt met het origineel, zo wordt er ook een kopie gemaakt van het DNA in de vorm van RNA. Het DNA is opgedeeld in verschillende hoofdstukken en paragraven. Elke paragraaf is een nieuwe blauwdruk voor een eiwit, een gen genoemd. Wanneer eiwit X geproduceerd moet worden wordt gezocht naar gen X en vervolgens wordt dit gen gekopiëerd, en dus niet het hele DNA. Het kopiëren van een gen naar RNA wordt transcriptie genoemd. Vervolgens wordt dit RNA (messenger RNA) buiten de celkern gebracht waar het verder verwerkt wordt.

Als het RNA buiten de celkern is, is het tijd voor de tweede stap: translatie. De RNA-streng moet vertaald (in jargon translatie genoemd) naar een keten van aminozuren die uiteindelijk een eiwit vormen. De taal van RNA verschilt iets van die van DNA. Beide bestaan uit nucleotiden en DNA bevat de volgende vier:

• Adenosine (A)
• Cytosine (C)
• Guanine (G)
• Thymine (T)

RNA is een exacte kopie van DNA maar verschilt wat nucleotiden betreft op één cruciaal punt. Thymine (T) wordt vervangen door Uracil (U). Functioneel zijn ze hetzelfde, maar dit is waarmee RNA zich onderscheidt van DNA².

RNA is een reeks van deze nucleotiden en zo’n reeks wordt een sequentie genoemd. Een sequentie ziet er als volgt uit:

 ttcatgcactttgtccgaaca. 

Het zijn alle nucleotiden als letters aan elkaar geschreven. Zoals je ziet wordt hier Thymine gebruikt en niet Uracil. De reden hiervoor is dat RNA een kopie is van DNA en daarom worden dit soort sequenties altijd weergeven alsof het DNA is. Deze sequentie is trouwens een stukje van het Sars-Cov–2³ gesampled in Duitsland.

Deze RNA sequentie wordt gebruikt als blauwdruk voor een eiwit. Oftewel: op de één of andere manier bevat een RNA sequentie de instructies die nodig zijn voor het maken van een eiwit. Let wel, RNA bevat niet de bouwstoffen voor het maken van een eiwit, alleen de instructies.

RNA kun je zien als geheimschrift en wordt pas leesbaar als je het goed weet te vertalen. Dus wat is hier de vertaalsleutel?

Als jij je het nog kan herinneren zijn eiwitten opgebouwd uit 20 verschillende aminozuren. Het DNA bestaat uit vier verschillende nucleotiden (A, C, G en T). We kunnen dus niet simpelweg aan elke letter een aminozuur toewijzen. De crux zit in het combineren van letters. Wanneer je de DNA sequentie per groepje van drie nucleotiden, codon genoemd, gaat vertalen lukt het wel! Een codon is dan bijvoorbeeld: aac, ggt, act, atg, etc. Er zijn 64 verschillende codons⁴.

Elk codon staat voor een aminozuur en zoals je misschien al geraden hebt, worden meerdere codons gebruikt voor hetzelfde aminozuur. Zo worden cct, ccc en ccg allemaal gebruikt voor het aminozuur Proline. Via een codontabel kun je kijken welk codon vertaald wordt in welk aminozuur (ik zal zo uitleggen hoe dat werkt). Nu is het niet zo dat alle 64 codons gebruikt worden voor een aminozuur. In praktijk worden er 61 gebruikt. De overige drie worden gebruikt als stop-codon. Er wordt namelijk altijd meer DNA mee gekopiëerd en het stop-codon geeft aan waar de eiwitinstructies ophouden ⁵. En als er een stop-codon bestaat zal er vast ook een start-codon bestaan, en dat klopt! Er is één start-codon atg` en in tegenstelling tot het stop-codon is hier wel een aminozuur aangekoppeld en we gaan zo zien welk aminozuur dat is.

Als we terug gaan naar de Sars-Cov–2 sequentie dan kunnen we die vertalen naar aminozuren. Hier is de sequentie. Ik heb voor het gemak heb ik de nucleotiden al opgedeeld per codon:

ttc atg cac ttt gtc cga aca

Als we dit willen vertalen naar een eiwit moeten we eerst opzoek naar een start-codon, atg. Je ziet dat de sequentie niet gelijk begint met de start-codon, die vinden we op de tweede plek. Dat betekent dus ook dat ttc niet behoort tot de instructies voor het maken van het eiwit. Nu moeten we weten welk aminozuur eraan gekoppeld is. Daarvoor gebruiken we een codontabel.

Als we kijken naar de codontabel (zie figuur 2) kunnen we achterhalen welk aminozuur aan dit codon gekoppeld is. De tabel lijkt overweldigend, maar als je het eenmaal snapt werkt het heel voorspoedig. De tabel lees je van binnen naar buiten. Je kiest dus eerst je letter vanuit het midden en vervolgens kun je in de volgende laag weer kiezen uit vier letters. Nadat je weer je letter hebt gekozen ga je opnieuw een laag naar buiten om weer te kiezen uit vier letters. Als het goed is kom je nu bij een aminozuur uit. Als je het aminozuur opzoekt dat gekoppeld is voor atg dan vindt je dat atg gekoppeld is aan Met, oftewel Methionine.

Het eerstvolgende codon van het eiwit is cac. Als we van binnen naar buiten werken (eerst c, dan a en als laatste c) dan vinden we dat cac gekoppeld is aan ‘His’, oftewel Histidine.

Lukt het je de overige vier codons te vertalen? Succes! De antwoorden staan in deze voetnoot ⁶.

We hebben de RNA sequentie nu met de hand vertaald. In een cel wordt dit proces uitgevoerd door een machine het ribosoom genaamd. Het is een vernuftig eiwit dat bestaat uit twee delen waartussen het RNA glijdt terwijl het vertaald wordt. Bij elke codon wordt het desbetreffende aminozuur erbij gehaald⁷ om gekoppeld te worden. Het vertalen en koppelen gebeurt met een snelheid van ongeveer 20 aminozuren per seconde (20 aa/s).

Het meest voorkomende gewicht van eiwitten ligt tussen de 100–300 kDa. Een aminozuur weegt gemiddeld 110 Da. Stel we hebben een eiwit van 150 kDa dan bestaat dat uit 150.000 / 110 = 136 aminozuren. Met een snelheid van 20 aa/s wordt dit eiwit in minder dan zeven seconden geproduceerd door het ribosoom.

Voor een groot deel van de eiwitten is dit het einde van de reis, of eigenlijk liever gezegd, het begin van hún reis. Ze worden losgelaten in het cytosol⁸ van de cel en kunnen daar hun werk doen. Voor een andere groep eiwitten duurt hun reis nog een stukje langer. Maar hier zal ik verder op ingaan in het volgende deel.

Dit was het meest technische artikel van deze vierdelige serie, alleen om duidelijk te maken dat DNA de blauwdruk bevat voor eiwitten. Wanneer we over DNA praten dan gaat het eigenlijk om de genetische informatie, oftewel de instructies voor eiwitproductie. Wat vervolgens absurd klinkt is dat maar 1% van het DNA daadwerkelijk instructies zijn. Vroeger werd de overige 99% afgedaan als junk DNA, gewoon rommel, maar dat blijkt in de verste verte niet waar te zijn. Sterker nog, van grote delen weten we nu dat ze essentieel zijn, maar dat is voor een eventueel vervolgartikel. Het belangrijkste dat je mag onthouden is dat DNA de blauwdruk bevat voor eiwitten.

In het volgende deel laten we DNA weer met rust en zoomen we in op een eiwit en bespreken we de driedimensionale eiwitvouwing, eiwitdomeinen en specifieke functies van eiwitten.

Wil je de reis van vandaag nog een keer doorlopen maar dan visueel? Dan heb ik hieronder een filmpje waar je nog even van kunt nagenieten.