Deel 2 Hoofdstuk 9, 10 en 11

Hoofdstuk 9 Evolutie 9.1 Waar vandaan? Vanaf de Oudheid (vanaf 3500 voor Chr.) komen er antwoorden over het ontstaan en de zingeving van het leven. Ze nemen de vorm aan van scheppingsverhalen. Rond 500 voor Chr. begint men te zoeken naar natuurlijke verklaringen. Vooral de Griekse filosofen. In hun ontstaanstheorieën ontbreekt een God als schepper. Lamarck ging als een van de eerste uit van een evolutie (het veranderen van soorten en het ontstaan van nieuwe soorten). Volgens Lamarck veranderen veel dieren tijdens hun leven doordat bepaalde nuttige, veel gebruikte eigenschappen zich steeds beter ontwikkelen. Later blijkt dat actieve aanpassingen tijdens het leven niet leiden tot veranderingen in het DNA. Darwin betoogt in zijn boek ‘On the Origin of Species by means of Natural Selection’ dat er binnen een soort een erfelijke variatie in eigenschappen bestaat. Dieren met gunstige eigenschappen overleven en kunnen zich voortplanten. Daarbij geven ze die gunstige eigenschappen door aan de volgende generatie. Tijdens de evolutie verandert zo de soort. Sommige mensen kunnen de evolutie niet aanvaarden, omdat het rechtstreeks ingaat tegen de letterlijke betekenis van de Bijbel. Zij geloven dat alles in zes dagen is geschapen, deze opvatting heet creationisme. Creationisten gaan er vanuit dat een beperkte variatie binnen een geschapen groep mogelijk is en dat uit de variatie verschillende soorten kunnen ontstaan, maar dan alleen binnen vastgestelde grenzen. Een wereldwijde zondvloed is de verklaring voor de aanwezigheid van aardlagen met vele fossielen van uitgestorven planten en dieren. Tegenwoordig is bekend dat de mens niet evolueerde uit een aap, maar dat mens en mensaap in het verre verleden een gemeenschappelijke voorouder en daarna hun eigen weg gingen. Deze voorouder behoorde tot de zogenaamde Dryopithecus-groep. In 1974 is Lucy gevonden. Ze is waarschijnlijk drie miljoen jaar oud. Ze had een primitieve schedel, het hersenvolume van een chimpansee, was ongeveer 110 cm groot en ze liep rechtop. Haar ‘soort’ heet Australopithecus afarensis en evolueerde waarschijnlijk tot drie andere soorten. Zo’n twee miljoen jaar geleden leefden Australopithecus africanus, Australopithecus robustus en Homo habilis naast elkaar in Afrika. Alle drie liepen rechtop. De tak van de Australopithecinen stierf waarschijnlijk een half miljoen jaar geleden uit. De Homo habilis werd de voorouder van Homo erectus, de Homo sapiens neanderthalensis en de huidige mens, Homo sapiens sapiens. Wat de mens uniek maakt, is in de eerste plaats de ontwikkeling van de hersenen. En al meer dan drie en een half miljoen jaar lopen ‘mensachtigen’ rechtop. Het rechtop lopen maakt de ‘mens’ tot de slak onder de zoogdieren. We kunnen niet snel vluchten of achter een prooi aan rennen, maar we kunnen wel verder kijken en hebben beide handen vrij. Het gebruik van werktuigen was een noodzakelijke ontwikkeling om te overleven op de savanne. Andere werktuigen laten zien dat de ‘mens’ later ging jagen. 9.2 Versteend verleden Voor het idee van evolutie bestond, vonden mensen al fossielen. Skeletten, afdrukken en afgietsels zin aanwijzingen dat lang geleden andere planten en dieren leefden. Een fossiel is een restant van vroeger leven, veelal bewaard in steen. Wanneer een gewerveld dier sterft, breken micro-organismen een lichaam meestal snel af. Als het lichaam onder een dikke laag zand of slik van een rivier terechtkomt is het beschermd tegen afbraak. Skelet en tanden blijven hierbij intact. De laag die de resten bedekt, kan door samenpersing in kalksteen veranderen. Tijdens dit proces dringen mineralen, opgelost in water, de botten binnen en vervangen geleidelijk de mineralen waaruit de botten bestaan. Deze versteende fossielen bestaan dus gedeeltelijk uit de originele botten en gedeeltelijk uit gesteente. Planten fossiliseren ook. Er zijn bovendien tal van andersoortige fossielen, die een bewijs vormen voor de aanwezigheid van een levensvorm. Hieronder vallen poot- en huidafdrukken, nesten en eieren, krassen op de grond en krassen van tanden op botten. Fossiele soorten die wereldwijd voorkomen en korte tijd bestaan hebben, helpen bij het dateren van lagen. Dit zijn gidsfossielen. De methode ‘vertelt’ dus iets over de relatieve leeftijd van de lagen (de ouderdom ten opzichte van elkaar), maar niets over de absolute leeftijd (de leeftijd in miljoenen jaren). Om de absolute leeftijd van een aardlaag of een fossiel te bepalen zijn er andere methoden. De meest bekende maakt gebruik van het radioactief verval van elementen in de gesteenten. Een onstabiel, radioactief moederelement ‘M’ verandert in een stabiel dochterelement ‘D’. De tijd die verstrijkt tot de helft van een bepaalde hoeveelheid van ‘M’ vervallen is tot ‘D’, heet de halveringstijd van moederelement ‘M’. Voor ieder radioactief element heeft de halveringstijd een vaste waarde, onafhankelijk van de temperatuur en druk. De uranium-238-bepaling is zeer geschikt voor het dateren van oude gesteenten en lagen (halveringstijd 4,5 miljard jaar). Linnaeus baseerde zijn biologische classificatie op verschillen en overeenkomsten in bouw. Er is onderscheid tussen twee vormen van overeenkomst in bouw bij verwantschap: homologie en analogie. Homologe structuren in organismen hebben hetzelfde bouwplan, maar vervullen een andere functie (arm en been). Overeenkomst in bouwplan wijst op een gemeenschappelijke herkomst en gaat het om organen of andere structuren die op overeenkomstige plaatsen zitten. Ze zijn ongeveer opgebouwd uit dezelfde elementen en die bij en reeks van soorten steeds een beetje anders zijn uitgevoerd. Analoge structuren hebben een zelfde functie, maar een verschillend bouwplan (vleermuisvleugel, vogelvleugel, vlindervleugel). Dat verschillende bouwplannen toch dezelfde functie kunnen hebben, is mogelijk doordat ze onder dezelfde omstandigheden tot stand zijn gekomen. Soms veranderen organen bij het ontstaan van nieuwe soorten hun functie, doordat er geen aanwijzing is voor een evolutionaire verwantschap tussen soorten. Dit noemt men rudimentaire organen. De aanwezigheid van zulke organen is een aanwijzing voor verwantschap met soorten waarbij die organen nog wel een functie hebben. Ook overeenkomsten in de embryonale ontwikkeling van verschillende diersoorten kunnen duiden op verwantschap. Het DNA van soorten bevat belangrijke aanwijzingen voor verwantschappen. De DNA-hybridisatie-techniek biedt evolutiebiologen vaak uitsluitsel. De techniek vergelijkt de totale genetische bagage van twee soorten. De techniek is gebaseerd op het feit dat strengen DNA met een sterk overeenkomende nucleotidenvolgorde zich steviger met elkaar verbinden dan strengen met een ongelijke nucleotidenvolgorde.
9.3 Langzaam en onzeker Darwin gaat mee als natuurkenner op het schip e Beagle voor vijf jaar. Ten gevolge van die reis veranderen Darwin’s ideeën over het ontstaan van soorten. 23 jaar lang zoekt hij naar wetenschappelijke argumenten om zin theorie te onderbouwen. In 1859 verschijnt Darwin’s boek ‘On the Origin of Species’. In zijn boek concludeert Darwin dat soorten veranderen en dat ze ontstaan uit andere soorten. Hij draagt daarvoor een aantal argumenten. Fossielen tonen reeksen op elkaar lijkende soorten die elkaar in de tijd opvolgen. Veel soorten vertonen overeenkomsten in bouw. Bovendien is het mogelijk via fokken (menselijke selectie in plaats van natuurlijke selectie) nieuwe rassen te kweken. Darwin ziet tijdens zijn reis dat er binnen een soort variatie bestaat in eigenschappen. Tevens merkt Darwin dat organismen veel meer nakomelingen krijgen dan dat er ooit volwassen worden. Het aantal individuen binnen een populatie blijft vaak constant. Darwin trekt daaruit een aantal conclusie. Als het aantal individuen constant blijft, terwijl er veel nakomelingen zijn, dan sterven veel soortgenoten in de strijd om het bestaan, de ‘struggle for life’. Sommige variaties hebben in een bepaalde omgeving een grotere kans in deze strijd om het bestaan. Darwin noemt dit de ‘survival of the fittest’. De ‘fittest’ zijn de individuen die de meeste vruchtbare nakomelingen krijgen. Dit proces noemt hij ‘natuurlijke selectie’. Door de erfelijkheid van eigenschappen lijken die nakomelingen op hun ouders. Zo blijft de eigenschap die een beter aanpassing aan de omgeving oplevert behouden en verandert de soort langzaam. Het DNA bevat de erfelijke informatie in de vorm van genen. Genen kunnen veranderen: zij muteren. Mutaties leiden tot veranderingen in eigenschappen. Deze nieuwe kennis is verwerkt in de neo-darwinistische theorie. Door mutaties ontstaan erfelijke variaties in eigenschappen. Onder bepaalde omstandigheden zal door natuurlijke selectie het aantal individuen met gunstige eigenschappen toenemen. De soort verandert, hoewel de gunstige eigenschappen nooit helemaal uit de populatie verdwijnen. Een soort bestaat uit organismen die zich onderling voortplanten en vruchtbare nakomelingen krijgen. Soortvorming verloopt in drie stadia. Eerst raakt een deel van een populatie geïsoleerd door een fysieke barrière. In het tweede stadium ontstaan er verschillen in gedrag en uiterlijk tussen twee gescheiden populaties (door mutaties en natuurlijke selectie). In het derde stadium zijn de verschillen in gedrag en uiterlijk tussen de leden van de twee populaties zo groot geworden dat ze elkaar niet langer als soortgenoten herkennen. Na het opheffen van de isolatie vindt geen onderlinge voortplanting meer plaats. 9.4 Allelen in evenwicht Het MN-bloedgroepstelsel heeft drie bloedgroepen: M, N en MN (3 fenotypen), bepaald door twee allelen Lm en Ln. De genotypenfrequenties zijn te berekenen door de aantallen fenotypen te delen door het totale aantal aboriginals in de steekproef. In de praktijk kun je beter werken met allelfrequenties dan met genotypenfrequenties, omdat er altijd minder allelen dan genotypen zijn. De allelfrequenties kun je berekenen uit de aantallen genotypen of de genotypenfrequenties. De onderzoekers Hardy en Weinberg ontwikkelden onafhankelijk van elkaar een regel om genotypenfrequenties en allelfrequenties te bereken. Zij stelden dat in een oneindig grote populatie de allelfrequentie gelijk blijven, mits er geen selectie, mutaties of migratie optreden. Als aan al deze voorwaarden voldaan is, verkeert een populatie in Hardy-Weinberg-evenwicht. Voor de allelfrequenties luidt de regel: p + q = 1, waarbij p de allelfrequentie van het dominante allel aangeeft en q die van het recessieve allel. Voor de genotypenfrequentie geldt: p2 + 2pa + q2 = 1 (waarbij p2 de genotypenfrequentie van de dominante homozygoot is, 2pq van de heterozygoot en q2 van de recessieve homozygoot). Onder de Amish komt de zeldzame erfelijke afwijking polydactylie (meer dan tien vingers of tenen) voor. Het bezit van een extra vinger of teen levert geen nadelige selectie op. Daardoor kon deze mutatie zich gemakkelijk handhaven in de populatie. In de kleine, geïsoleerde gemeenschap verspreidde het allel voor deze afwijking zich onder de nakomelingen. Uit huwelijken binnen de gemeenschap komen vervolgens de kinderen voort die homozygoot recessief zijn voor het gen. Zo’n toevallige verandering in frequentie van een erfelijke eigenschap heet (random) genetic drift. Een populatie bevindt zich in werkelijkheid zelden in Hardy-Weinberg-evenwicht. Er zijn mutaties en er is selectie. De allelfrequenties blijven in opeenvolgende generatie niet constant. Een gemuteerd dominant allel dat ongunstig is, zal door selectie snel uit de populatie verdwijnen. Een gemuteerd dominant allel dat gunstig is zal juist snel in frequentie toenemen. Op een gemuteerd recessief allel dat ongunstig is, heeft selectie alleen invloed bij individuen die er homozygoot voor zijn. Schadelijke recessieve allelen kunnen zich dan ook via heterozygote individuen zeer land in de populatie handhaven. 9.5 Oersoep vooraf In de Middeleeuwen dachten mensen dat het leven steeds opnieuw, snel en spontaan ontstaat. Dit heet generatio spontanea. Het ontstaan van leven uit levenloze materie, abiotische evolutie, was waarschijnlijk een uitermate langzaam proces dat honderden miljoenen jaren gekost heeft. Volgens de huidige inzichten is het heelal zo’n 20 miljard jaar oud. Ons zonnestelsel is veel jonger: de zon en haar planeten (waaronder onze aarde) ontstonden ruim 4,5 miljard jaar geleden. Bij het ontstaan van de aarde kwam een enorme hitte vrij die haar binnenste deed smelten. De gassen die daarbij ontstonden stegen via vulkanen op en vormden een atmosfeer. Behalve waterdamp bevatte die vroege atmosfeer grote hoeveelheden methaan, waterstofsulfide, ammoniak en koolstofdioxide. De waterdamp in de atmosfeer veroorzaakte stortregens die langzamerhand de oceaanbekkens vulden. In het warme water losten allerlei stoffen op. Zuurstof was toen nog nergens te bekennen. In de oeratmosfeer en oeroceanen vormden zich waarschijnlijk de eerste organische moleculen. Miller demonstreerde dat aminozuren kunnen ontstaan wanneer een elektrische lading door een gasmengsel gaat me de samenstelling van de oeratmosfeer. Onderzoekers denken dat meer energiebronnen op de oeratmosfeer inwerkten, zoals UV-straling van de zon en bliksems. Naast aminozuren ontstonden suikers en nucleotiden. Dut mengsel vormde in de oceanen de ‘oersoep’. Doordat zuurstof en micro-organismen in de atmosfeer ontbraken, werden de organische stoffen sneller gevormd dan afgebroken. Zo ontstond er in het water een grote voorraad organische moleculen. Dat is nu niet meer mogelijk. Vanaf het begin vond selectie plaats. Stabiele moleculen die gemakkelijk vormden, waren in het voordeel ten opzichte van onstabiele moleculen. Als bovendien bepaalde moleculen (DNA, RNA) de vorming van identieke moleculen stimuleren, dan is er een vroege vorm van voortplanting. Onderzoekers denken dat deze vroege DNA-moleculen ingesloten zin geraakt in vetzuurbolletjes. Langzamerhand ontstond hieruit een ‘primitieve cel’ waarin het DNA beschermd werd. Later ontstonden meercellige organismen die verschillende levensfuncties over een groot aantal cellen verdeelden. De eerste organismen waren waarschijnlijk heterotroof: ze leefden van de organische moleculen die in de oersoep te vinden waren. De voedselvoorraad nam daardoor af en er kwam een tekort. Dat het leven toch doorging is waarschijnlijk te danken aan het ontstaan van autotrofe organismen. Deze organismen kunnen door fotosynthese in hun eigen organische stoffen voorzien. Door de fotosynthese veranderde echter de atmosfeer. Er kwam een grote hoeveelheid zuurstof vrij. Daaruit werd een ozonlaag gevormd die de UV-straling filterde. De autotrofe organismen maakten met hun zuurstofrevolutie de omstandigheden ongedaan waaraan ze hun eigen ontstaan hadden te danken. De aantal soorten, levensgemeenschappen, biomoleculen en genen die ergens voorkomen is een maat voor de biodiversiteit. De huidige biodiversiteit is het resultaat van een zeer grillig ontwikkelingsproces. Van alle soorten die ooit geleefd hebben, is 99% weer uitgestorven. Uitsterven is dus een normale zaak. Er is, door de mens, sprake van een enorme teruggang in biodiversiteit en genetische variatie, genetische erosie. De huidige biodiversiteit zal alleen behouden blijven als mensen andere soorten beschermen tegen uitsterven. Hoofdstuk 10 Moleculen van de twintigste eeuw 10.1 Genen in beeld Cystische fibrose (CF) is een van de meest voorkomende erfelijke ziekten onder blanke mensen. De kliercellen bij CF-patiënten produceren slijm dat veel dikker en taaier is dan normaal, waardoor allerlei problemen ontstaan. De trilharen in de luchtwegen kunnen het taaie slijm niet afvoeren. De longen raken verstopt en er ontstaat een chronische longontsteking daar bacteriën in het slijm. Het alvleessap is zo dik dat het de afvoergangen van de alvleesklier verstopt. Opgehoopte enzymen beschadigen de alvleesklier waardoor suikerziekte ontstaat. Het CFTR-gen codeert voor een transporteiwit voor chloorionen in het celmembraan. Van het CFTR-gen zijn meer dan 700 mutaties bekend. Bij ongeveer 70% van de CF-patiënten betreft het de delta-F508 mutatie. Cellen maken het gemuteerde eiwit aan, maar dit eiwit blijft steken in het ER. Vervolgens wordt het afgebroken. Hierdoor ontbreken de chloortransporteitwitten in het celmembraan. CF is nog niet te genezen. Een vroege diagnose is dus belangrijk. Daartoe laat de dokter een zweettest uitvoeren. Het zweet van CF-patiënten is ongewoon zout. Daarnaast kan een DNA-test van een bloedmonster een defect CFTR-gen aantonen. Voor het opsporen van de meeste voorkomende gendefecten in het CFTR-gen zijn standaardtesten ontwikkeld. Daarnaast bepaalt de onderzoeker meestal ook nog de basenvolgorde van het gen om zeker te zijn van de aanwezigheid van een mutatie. Een andere manier om een mutatie in een gen op te sporen, is te kijken naar de lengte van het gevormde eiwit. Door de ontdekking van het CFTR-gen lijkt gentherapie een alternatief. Virussen of andere vectoren brengen daarbij een kopie van het juiste gen in de cel. In de praktijk blijken er echter allerlei technische problemen te zijn, die nog opgelost moeten worden. Goede gentherapie is daardoor nog een toekomstbeeld. 10.2 Geordend verpakt DNA is in de celkern opgerold met behulp van eiwitten, zogenaamd histonen. Het zure DNA hecht zicht daarbij goed aan de basische histonen. DNA en histonen vormen samen de chomatinedraden van de celkern. De chromatinedraden draaien om zichzelf heen en vouwen zich verder op (spiraliseren). Op een elektronenmicroscopische foto zie je in de kern van een niet-delende cel door al dat gedraai lichte en donkere gebieden. De lichte gebieden bestaan uit los opgevouwen euchromatine. De donkere gebieden bestaan uit sterk opgevouwen heterochromatine. Euchromatine heeft een open structuur, waardoor het vrij eenvoudig is de genetische informatie af te lezen in die delen waar het nodig is. Heterochromatine is compacter. Sommige delen zijn alleen actief gedurende een korte periode van de celcyclus (G2-fase), waarbij ze veranderen in euchromatine. Een groot deel van het heterochromatine is permanent opgerold, waaronder het chromatine dat deel uitmaakt van het centromeer en grote stukken DNA zonder genen. Wat de functie is van dit zogenaamde nonsens- of ‘junk-DNA’ (ruim 90% van het DNA!) is nog onbekend. Vlak voor de mitose (S-fase) verdubbelt het DNA. Tijdens de verdubbeling komen nieuwe histonen de celkern binnen. Ze binden aan één van beide DNA-strengen. De oude histonen blijven aan de andere DNA-streng vastzitten. Na de DNA-verdubbeling rollen de chromatinedraden zich op tot compacte structuren, zichtbaar onder een lichtmicroscoop. Elk chromosoom krijgt daarbij een bepaalde, vaste lengte en een karakteristiek bandenpatroon. Ook de plaats van het centromeer is vast. Niet-histon eiwitten vormen het skelet van deze structuren.
10.3 DNA maakt DNA DNA is een ’kookboek’ vol ‘eiwitrecepten. Bij een celdeling kopieert de cel deze informatie en geeft deze door naar de dochtercellen. In niet-delende cellen brengen RNA-afdrukken van actieve genen informatie van het DNA naar het cytoplasma waar eiwitsynthese plaatsvindt. De ‘ruggengraat’ van het DNA-molecuul bestaat afwisselend uit deoxyribose en fosfaat. Het ene uiteinde van de DNA-strengen heeft altijd een vrije OH-groep aan het C3’-atoom van het suikermolecuul. Dit is het 3’-uiteinde. Het andere uiteinde van de keten, het 5’- uiteinde, heeft een fosfaatgroep aan het C5’-atoom van het suikermolecuul. De strengen van het DNA wijzen in een tegengestelde richting: een van 5’ naar 3’, de ander van 3’ naar 5’. Voorafgaand aan een celdeling verdubbelen DNA-moleculen (S-fase). Elk molecuul kopieert zich. De DNA-replicatie (of duplicatie) start wanneer enzymen de waterstofbruggen tussen de basen verbreken. De strengen wijken als bij een rits uiteen, waardoor een zogenaamde replicatievork ontstaat. Beide strengen vormen de basis voor een nieuw DNA-molecuul, dat uiteindelijk uit één oude en één nieuwe (complementaire) streng bestaat. Dit heet semi-conservatieve replicatie. Na het uiteengaan van de strengen maakt het enzym RNA-polymerase een stukje RNA dat dient als startpunt. DNA-polymerase verlengt het RNA met nieuwe DNA-nucleotiden en brengt waterstofbruggen aan. DNA-polymerase controleert voortdurend of de juiste basen zijn ingebouwd. Een verkeerd ingebouwd nucleotide wordt (bijna altijd) vervangen voor de polymerisatie verder gaat. Het aflezen van DNA kan slecht in één richting: van 3’ -> 5’. Daardoor groeit de ene nieuwe streng ononderbroken met de replicatievork mee (van 5’ -> 3’) terwijl de andere nieuwe streng van de replicatievork af groeit (maar ook van 5’ -> 3’). De replicatiesnelheid is ongeveer 40-50 nucleotiden per seconde. Zou een chromosoom één replicatievork bezitten, dan duurt de replicatie van dit chromosoom meer dan een maand. Doordat de replicatie op enkele duizenden plaatsen tegelijk start, is de S-fase in een paar uur afgerond. Een onderzoeker heeft grote aantallen van hetzelfde DNA-fragment nodig, om onderzoek te kunnen doen. Een vrij eenvoudige en snelle manier om DNA-fragment te klonen is de polymerase-kettingreactie (PCR-techniek of Polymerase Chain Reaction). Deze techniek is gebaseerd op de temperatuurgevoeligheid van DNA. Bij hoge temperaturen gaan de waterstofbruggen tussen de twee strengen los waardoor de strengen uiteenvallen (denaturatie). Bij lage temperaturen ontstaan nieuwe waterstofbruggen tussen de complementaire strengen waardoor de dubbele helix zich herstelt (renaturatie). Bij de PCR-techniek vindt verhitting van een DNA-fragment plaats, in aanwezigheid van grote aantallen van elk van de vier nucleotiden, een DNA-polymerase en een overmaat aan twee kunstmatige gemaakte ‘DNA-primers’ (ongeveer 20 nucleotiden lang). De primers zijn complementair met de unieke basenvolgorden aan de uiteinden van het te kopiëren DNA-fragment. Ze vormen de startplaatsen voor het DNA-polymerase. Door toepassing van het hittebestendige Taq-polymerase (geïsoleerd uit de heetwaterbronbacterie Thermus aquaticus) kan het proces vele malen verlopen zonder nieuw enzym toe te voegen 10.4 DNA overschrijven DNA bevat de blauwdruk voor alle eiwitten van een organisme. Eiwitten ontstaan in het cytoplasma. De overdracht van de DNA-informatie naar de ribosomen in het grondplasma gebeurt door middel van een tussenstof: boodschapper- of messenger-RNA (mRNA). RNA is net als DNA een nucleïnezuur. Een mRNA-molecuul bestaat uit een enkele streng. Omdat het slechts de informatie bevat van een enkel gen is het vele malen korter dan een DNA-molecuul. Bovendien wijkt RNA in twee bouwstenen af van DNA: het ribose in plaats van deoxyribose en uracil (U) in plaats van thymine (T). Naast mRNA bevat een cel nog andere typen RNA. Ribosomaal-RNA (rRNA) is een bestanddeel van de ribosomen (ongeveer 50%). De andere helft van het ribosoom bestaat uit eiwitten. Het rRNA ontstaat voor het overgrote deel in de nucleolus. Tienduizenden RNA-polymerasen zijn actief rond een DNA-lus die vele kopieën van hetzelfde ‘rRNA-gen’ bevat. Per seconde levert dit een 20-tal rRNA-strengen op van zo’n 14.000 nucleotiden. Transport- of transfer-RNA (tRNA) in het cytoplasma brengt aminozuren naar de juiste plaats in de ribosomen. Er zijn verschillende tRNA-moleculen, elk gespecialiseerd in het vervoeren van een bepaald aminozuur. TRNA is 75-90 nucleotiden lang met inwendige waterstofbruggen. Hierdoor ontstaat de typische klaverbladstructuur. De middelste lus van het klaverblad bevat het anticodon, een volgorde van drie nucleotiden. Een anticodon is complementair aan het codon (de tripletcode) van het mRNA. Daarmee is de aanvoer van het juiste aminozuur gewaarborgd. Het overschrijven van DNA-taal naar RNA-dialect, de transcriptie, vertoont overeenkomsten met de replicatie van het DNA. Een transcriptie begint met het uiteenwijken van de DNA-strengen onder invloed van RNA-polymerase. Dit gebeurt voor elk gen steeds op dezelfde plaats, herkenbaar aan een karakteristieke basenvolgorde. Vervolgens verplaatst het RNA-polymerase zich langs één van de twee DNA-strengen in de 3’-5’ richting, terwijl het RNA in de 5’-3’ richting groeit en uit gaat steken buiten het DNA-molecuul. Opmerkelijk is dat de transcriptie altijd aan dezelfde streng plaats vindt: de matrijs- of template-streng. De andere DNA-streng is de coderende-streng, die dezelfde basenvolgorde heeft als het gevormde RNA (behalve dat T door U vervangen is). De transcriptie stopt wanneer het RNA-polymerase het eind van het gen bereikt, eveneens herkenbaar aan een karakteristieke basenvolgorde. De gevormde RNA-streng laat vervolgens los. Doordat grote aantallen RNA-polymerasemoleculen na elkaar langs de DNA template gaan, ontstaan vele RNA-moleculen tijdens een transcriptie. Een gen bevat stukken DNA die tot expressie komen (exons) en stukken die dat niet doen (introns). Het gevormde RNA bevat beide. In eukaryote cellen ondergaat het mRNA nog een aantal veranderingen (rijping). Enzymen verwijderen de introns en plakken de exons achter elkaar. Het aantal introns varieert van 0 tot meer dan 50. De totale lengte van de introns kan vele malen groter zijn dan die van de exons. Over de functie van de introns bestaat nog veel onduidelijkheid. De kans dat een willekeurige mutatie een gen verminkt, is door de aanwezigheid van introns kleiner dan zonder. 10.5 Cellulaire vertaalslag Om steeds hetzelfde eiwit te krijgen bij een zelfde mRNA code, start de eiwitsynthese op het mRNA altijd bij het startcodon AUG. Nucleotiden die vóór het startcodon staan, dienen uitsluitend als ‘aanloopstrook’. Doordat de startcodon steeds dezelfde is, begint de synthese van een eiwit altijd met het aminozuur methionine. Bij verdere bewerking van het eiwit verwijderen enzymen dit eerste methionine vaak. Ook het einde van de eiwitsynthese is vastgelegd. Hiervoor dienen de stopcodons: UAA, UGA en UAG. Zij coderen niet voor een aminozuur. In een cel zijn lang niet alle genen actief. Bij bacteriën is aangetoond dat specifieke eiwitmoleculen (repressoreiwitten) zich binden aan het DNA, vóór de startplaats van RNA-polymerase. Dit blokkeert de transcriptie van een gen. Het repressoreiwit laat los van het DNA in aanwezigheid van bepaalde eiwitten (inductoreiwitten) die het repressormolecuul sterker binden dan DNA. Daarna is transcriptie mogelijk. Of dit mechanisme van genregulatie ook voor eukaryoten geldt, is tot dusver niet bekend. Het aflezen van de mRNA-boodschap`en het vertalen naar een aminozuurvolgorde heet translatie. De translatie begint met het uiteenvallen van een ribosoom in twee subeenheden. Het mRNA bindt zich met het 5’-uiteinde aan de kleinste startcodon. Het rRNA dat past bij het startcodon (UAC), koppelt vast. Wanneer de grote subeenheid van het ribosoom weer op z’n plaats zit, start de verlenging van de keten. Een verlengingsfactor brengt het juiste tRNA naast het al aanwezig tRNA. Een enzym koppelt het eerste aminozuur (methionine) los van het tRNA en brengt een peptidebinding tot stand met het volgende aminozuur. Een tweede verlengingsfactor verwijdert het ‘lege’ tRNA waardoor het ribosoom drie nucleotiden in de richting van het 3’-uiteinde van het mRNA opschuift. Met de aanvoer van een nieuwe tRNA-molecuul begint het verlengingsproces van voren af aan. Zo ontstaat er aan het ribosoom een groeiende polypeptideketen. Zodra een stopcodon in het ribosoom opduikt, bindt een ontkoppelingsfactor aan het mRNA. Deze factor koppelt achtereenvolgens de voltooide polypeptideketen, het laatste tRNA en het mRNA los van het ribosoom. Het ribosoom is klaar voor een nieuwe cyclus. Hoofdstuk 11 Verbeter de wereld, begin bij … een eiwit 11.1 Het juiste eiwit op de juiste plaats Wanneer eiwitten aan de ribosomen (een gemiddeld zoogdier bevat er zo’n 10 miljoen) ontstaan, hebben ze meestal nog niet hun definitieve vorm. Enzymen kunnen nog koolhydraten of vetmoleculen aan de peptideketen koppelen. Hierdoor ontstaan glycoproteínen, respectievelijk lipoproteïnen. De slijmstoffen die kliercellen van darm en luchtwegen produceren zijn voorbeelden van glycoproteïnen. Ook het celmembraan bevat vele glycoproteïnen. De lever scheidt lipoproteïnen in het bloed uit. Deze zorgen onder andere voor het transport van vetten. Ook kunnen enzymen een deel van de aminozuurketen afknippen of ketens aan elkaar koppelen. Het eiwit insuline wordt in de eerste instantie als één lange polypeptideketen op de ribosomen gevormd. Vervolgens wordt het molecuul opgevouwen en ontstaan er ‘bruggen’ (-S-S-) tussen bepaalde stukken van het molecuul. Alvorens actief te worden wordt er eerst nog een stuk uit de polypeptide geknipt. Enzymen die deze veranderingen aanbrengen bevinden zich in het cytoplasma, in het ER, in het Golgi-systeem en op de plaats waar het eiwitmolecuul zijn functie gaat vervullen. Het enzym peptase krijgt pas zijn werkzame vorm in de maag. De cellen scheiden het af als pepsinogeen, de inactieve vorm van het enzym. Bij de overgang van pepsinogeen naar peptase verliest het molecuul bijna 1/5 deel van zijn molecuulmassa. Pas nadat al deze veranderingen zijn aangebracht, zijn eiwitten functioneel. Ribosomen komen vrij in het cytoplasma voor en gebonden aan het ER (endoplasmatisch reticulum). Eiwitten die aan vrije ribosomen ontstaan komen direct terecht in het grondplasma. Komt zo’n eiwitmolecuul bij een membraanreceptor van bijvoorbeeld het kernmembraan, dan kan deze het eiwit door het membraan heen transporteren. In 1999 ging de Nobelprijs voor medicijnen naar de celbioloog Blobel. Hij ontdekte welke delen van een eiwit de membraanreceptoren van organellen herkennen. Eiwitten die aan ER-gebonden ribosomen ontstaan passeren het membraan van het ER en bewegen zich vervolgens voort langs die membraan. Het ER en het daarop volgend Golgi-systeem vormen een soort ‘montagehal’. Het eiwit is een soort casco waar nog van alles mee gebeurt. Onderweg over de membranen worden er suikers aangeknoopt, aminozuren afgehaald en dergelijke tot het eiwit de juiste samenstelling/structuur heeft. Betreft het een eiwit dat wordt afgescheiden dan verzamelt het zich in blaasjes die ten slotte door exocytose buiten de cel terechtkomen. Eiwitten die onderdeel gaan uitmaken van het celmembraan maken in cascovorm deel uit van het ER-membraan en ondergaan eveneens een bewerking. Door fusie met ander membranen komen ze bij andere celcompartimenten (Golgi-systeem, mitochondriën, chloroplasten, ed) Dit zijn ‘apparaten’ binnen een cel omgeven door een membraan met eigen specifieke receptoren. Elk celcompartiment krijgt zo een eigen specifieke eiwitsamenstelling en daarmee een eigen functie. Een eiwit bestaat uit een keten van aminozuren. Het soort, aantal en de volgorde van de aminozuren bepalen de primaire eiwit structuur. Er bestaan duizenden verschillende eiwitten. Ze maken 15% uit van je lichaamsgewicht. Een eiwit kan uit één of meer subunits bestaan: lange gevouwen polypeptideketens van 10-1.000 aminozuren. De eigenschappen verschillen sterk per eiwitsoort. Bouw en functie hangen nauw samen. Als bouwstof vind je eiwitten bijvoorbeeld in membranen, als onderdeel van het celskelet en in haren. Deze eiwitten vertonen onderling vaak veel overeenkomst in primaire structuur zodat er sprake is van eiwitfamilies. Het bestaan van de overeenkomsten in bouw duidt op evolutionaire verwantschap. Behalve als bouwstof of enzym kunnen eiwitten een functie hebben als signaalstof en als afweerstof. 11.2 Bruggen bouwen Haren, nagels, hoeven, horens, snavels en veren danken hun stevigheid aan het eiwit keratine. Het is een duidelijk voorbeeld van een eiwit met een bouwstoffunctie. Keratine ontstaat in levende epitheelcellen. Het zijn lange eiwitdraden die dwars door de cellen lopen, van celmembraan naar celmembraan. De draden bestaan uit een pik pak langgerekte eiwitmoleculen. Dezelfde moleculen tref je ook in het celskelet. Wanneer de cellen afsterven en drogen, komen de keratinedraden op elkaar te liggen en verbinden zich met elkaar. De keratinemoleculen in haren zijn niet draad- maar spiraalvormig. Dat verklaart de grote rekbaarheid van haren. De spiraal is een veel voorkomende ruimtelijke vorm van eiwitmoleculen. Deze ruimtelijke vorm van een eiwit heet a-helix en is een voorbeeld van de secundaire structuur van eiwitmoleculen. Andere secundaire structuren zijn de b-plaat en de b-bocht. Deze structuren tref je aan in zijde en vogelveren. Al deze molecuulvormen zijn stabiel door waterstofbruggen. Als je je haar nat maakt en verwarmt, verbreek je de waterstofbruggen in de secundaire structuur. Het haar laat zich dan gemakkelijk in de gewenste vorm brengen. Na afkoeling en drogen ontstaan andere waterstofbruggen dan voorheen. Het aantal bindingen is echter minder. Wanneer het haar de kans krijgt herstelt dan ook de oude situatie. Met een permanent verander je de tertiaire structuur van eiwitmoleculen. Deze structuur ontstaat door bindingen tussen de restgroepen van de aminozuren. Het zijn meestal bindingen tussen zwavelatomen in het aminozuur cysteïne. De tertiaire structuur is de ruimtelijke positie van alle atomen van een eiwit, dus ook die in de restgroepen.
11.3 Sleutel en slot Eiwitten met een katalysefunctie heten enzymen. Enzymmoleculen hebben een specifieke hechtingsplaats voor substraatmoleculen, de ‘active site’. Het enzym chymotryptase bijvoorbeeld bindt zich aan eiwitten via de aminozuren fenylalanine, tyrosine en/of tryptofaan. Daarna bevordert het enzym de hydrolyse van de peptidebinding achter deze aminozuren. Chymotryptase versnelt de hydrolyse van een peptidebinding met een factor 1.000.000.000. De werking bestaat uit twee stappen. Ten eerste zorgen waterstofbruggen tussen enzym en substraat voor stabilisatie van een chemische overgangstoestand. Ten tweede zorgt het enzym met het trio asparagine, histidine en serine voor zowel een zure als een ‘basische’ aanval op de peptidebinding. Hierdoor schudden de aminozuren als het ware op chemische wijze uit elkaar. Hormonen beïnvloeden de productiesnelheid van enzymen. Denk maar aan de geslachtshormonen die bevorderen dat eicellen en zaadcellen ontstaan. Daar zijn vele enzymen bij betrokken. Je lichaam regelt de activiteit van enzymen naar behoefte. In je bloed en je darmen scheiden je cellen enzymen uit in een niet-actieve vorm. Een kleine chemische verandering kan ze dan activeren. Dat is handig wanneer een snelle reactie op veranderingen in je lichaam gewenst is. Voorbeelden hiervan zijn het enzym trombokinase dat betrokken is bij de bloedstolling en het verteringsenzym chymotyptase. Een ander enzym of een co-factor, bijvoorbeeld een metaal-ion, een Cl- ion of een vitamine, activeert het enzym. In de cel zijn van veel stoffen slechts zeer kleine concentraties aanwezig. Hogere concentraties hebben een negatieve invloed op de pH of de osmotische waarde van de cel. Een hoge concentratie van zo’n stof remt de werking van het enzym dat aan zijn eigen productie bijdraagt. Zo’n systeem van negatieve terugkoppeling garandeert lage concentraties van zo’n stof. Nog een mogelijkheid om enzymen (tijdelijk) uit te schakelen is door enzymspecifieke blokkeringseiwitten: inhibitoren. De werking van verschillende geneesmiddelen (hoofdpijnstillers), maar ook van veel gifstoffen (curare oa) berust hierop. 11.4 Werken met eiwit Als je bijvoorbeeld voor onderzoek DNA wil vermenigvuldigen, kan je dit aan een machine overlaten. In drie uur kan daarmee de vermeerdering van het DNA klaar zijn, maar het is ook een heel gepruts. De zogenaamde ‘eppendorfvaatjes’ waar het DNA in moet, hebben een inhoud van 0,2 milliliter. Na twee uur kunnen de ‘eppjes’ bestudeerd worden. Het DNA kan nu gebruikt worden in de recombinant-DNA-techniek. Daarbij nemen bacteriën het DNA op en brengen het tot expressie: ze maken eiwit. Maar lang niet altijd wordt het opgenomen DNA door de bacteriën gelezen. Maar als je geluk hebt, scheiden de bacteriën het enzym in voldoende hoeveelheden uit. Nu kun je een serie proeven uitvoeren onder verschillende abiotische omstandigheden. Als je DNA wil inbrengen, kun je dit doen met behulp van een virus. Bijvoorbeeld de methode waarbij met DNA-knip- en –plak-enzymen het DNA in een virus te krijgen. Dan doe je het gemodificeerde virus in de weefselkweek. Het virus dringt de cellen binnen en een paar dagen later kan je een eiwit aantonen. HIV-1 virus veroorzaakt AIDS. Griep, hondsdolheid en herpes zijn andere voorbeelden van virusziekten. Je afweersysteem is er niet altijd tegen opgewassen. Virussen kunnen zich in cellen razendsnel vermeerderen. Ze dringen de cel binnen door zich aan specifieke receptoren op het celmembraan te hechten. Het AIDS-virus heeft eiwitten die zich hechten aan receptoren die vooral voorkomen op de T-lymfocyten (T-helpercellen) van het menselijk afweersysteem. Het onderzoek naar een medicijn tegen een HIV-besmetting heeft al verschillende werkzame stoffen opgeleverd. Echter, die stoffen vertragen slechts het ziekteproces. Bovendien krijgen de gebruikers las van bijwerkingen, waardoor ze zich alleen maar beroerder gaan voelen. Virussen kunnen zich lang in cellen ‘verstoppen’, onbereikbaar voor de antistoffen en medicijnen in je bloed. Een stof die virusvermeerdering stopt moet je ín de cel zien te krijgen. Een methode is om het medicijn te verpakken in een minuscule membraanbolletjes, liposomen. Deze neemt de cel makkelijker op. Een tweede moeilijkheid bij het ontwikkelen van een middel tegen virusinfecties is om alleen de geïnfecteerde cellen te treffen. Veel medicijnen tasten ook gezonde cellen aan en hebben schadelijke bijwerkingen. De ontwikkeling van een goed nieuw medicijn duurt daarom vaak vele jaren. Er bestaat een nationale groep, een onderzoeksteam dat een internationaal samenwerkingsverband heeft. Deze internationale groep heeft al veel vorderingen gemaakt. In 1984 ontdekten ze aan welke receptoren van de T-cellen het HIV-1 hecht. Het betrof steeds het CD4 glycoproteïne met daarnaast een co-receptor, waaronder het CXCR4. In 1996 waren naast CXCR4 nog zes andere co-receptoren bekend op verschillende subklassen T-cellen en macrofagen. Er bleken verschillende HIV-1 stammen te zijn. Sommige kunnen met één, andere met meerdere subklassen fuseren. Het virus bindt zich aan de receptoren van de gastheercel met het eiwit ‘gp120’, gp staat voor glycoproteïne, 120 slaat op de molecuulmassa (120.000 u). Na binding activeert dit eiwit een ander viruseiwit, gp41, dat de membraanfusie tot stand brengt. HIV-geïnfecteerde T-cellen hebben hierdoor de gp120 en gp41 eiwitten in hun celmembraan. In 1997 lukte het zowel de Yale Universiteit in de VS als op de Universiteit in Tübingen in Duitsland om een ander virus van zijn hechtingseiwit te ontdoen en daarvoor in de plaats de receptoren CD4 en CXCR4 in te bouwen. Dit gemodificeerde rabiësvirus hecht zich alleen aan T-cellen waarop het gp120/gp41 van het HIV is achtergebleven. Op deze manier valt dit virus alleen HIV-geïnfecteerde cellen aan. Het onderzoek is echter nog in een experimenteel stadium. Op het instituut doen ze onderzoek met weefselkweken van menselijke cellen. De resultaten geven hoop: na infectie met het gemodificeerde virus neemt het percentage HIV-geïnfecteerde cellen exponentieel af. Het is echter de vraag of het proces net zo verloopt bij een AIDS-patiënt. Om dit uit te kunnen voeren zullen er een aantal experimenten gedaan moeten worden waarbij proefdieren nodig zijn.