Handboek · hoofdstuk 29DNA, genen en eiwitten

Een nucleotide bevat een fosfaat, deoxyribose en één base: A, T, G of C. De suiker–fosfaatverbindingen vormen de rug van de keten; de basenvolgorde draagt informatie. Een covalente 3′–5′-fosfodiësterbinding verbindt het 3′-OH van de ene suiker met het 5′-fosfaat van de volgende.

De twee strengen lopen antiparallel. A paart met T, G met C; waterstofbruggen en basestapeling dragen aan de dubbele-helixstabiliteit bij. Complementariteit maakt kopiëren mogelijk, maar is geen garantie dat elk kopieerproces foutloos verloopt.

Schrijf een losse sequentie standaard 5′→3′. Benoem daarnaast of je coderende DNA, matrijs-DNA of RNA bedoelt. Zonder die richting en rol kun je niet betrouwbaar vertalen.

DNA is in chromosomen georganiseerd. Bij planten liggen nucleaire genen tussen regulerende gebieden; ook chloroplasten en mitochondriën bevatten DNA. Een allel is een sequentievariant op een locus. Twee rassen kunnen hetzelfde type eiwit hebben en toch verschillen in het tijdstip of de hoeveelheid waarin het wordt gemaakt.

Een eiwitcoderend gen omvat de informatie die uiteindelijk een polypeptide oplevert, maar promoter, andere regulerende elementen, introns en RNA-verwerking bepalen mede wat er ontstaat. Niet elk gen codeert voor een eiwit: rRNA en tRNA vervullen hun functie als RNA.

Een genotype is dus geen complete gebruikshandleiding voor een plant. Ontwikkeling, licht, voeding, temperatuurgeschiedenis en epigenetische regulatie beïnvloeden het fenotype. Dat maakt rassen vergelijken tot een experimentele vraag.

Helicase opent het DNA; topoisomerase helpt de torsiespanning beheersen. Primase maakt een primer. Een DNA-polymerase verlengt alleen een bestaande vrije 3′-OH: nieuw DNA groeit 5′→3′, terwijl de matrijs 3′→5′ wordt gelezen.

Bij een vork kan de leidende streng doorlopend mee worden gevormd. De achterblijvende streng krijgt steeds nieuwe primers en korte Okazaki-fragmenten, die eveneens 5′→3′ groeien maar tegengesteld aan de lokale vorkbeweging. Primerverwijdering, opvullen en ligase maken een doorlopende rug. Eukaryote chromosomen hebben veel startplaatsen; de uiteinden vragen speciale aandacht.

Semiconservatief betekent dat elk dochter-duplex een oude en een nieuwe streng bevat. Het zegt niet dat slechts de helft van de informatie wordt gekopieerd.

Een polymerase kan een verkeerde base inbouwen. Proofreading en verdere reparatiesystemen verlagen de kans dat zo'n fout als blijvende variant wordt doorgegeven. Schade aan DNA, een tijdelijk verkeerde baseparing en een erfelijke mutatie zijn daarom niet identiek.

Stel uitsluitend voor een rekenmodel dat de onafhankelijke overblijvende foutkans p=10⁻⁸ per nieuw nucleotide is. Bij N=10⁶ nucleotiden is de verwachting Np=0,01 en P(geen fout)=(1−p)^N≈e^(−Np)=0,99005. Dit is geen gemeten plantenmutatiepercentage: werkelijk herstel, sequentiecontext, schade en selectie zijn niet uniform.

RNA-polymerase herkent met andere factoren een startgebied en maakt RNA 5′→3′. Het leest voor dit gen de matrijs-DNA-streng 3′→5′. In het RNA staat U waar in het coderende DNA T staat, mits je hetzelfde gebied en dezelfde 5′→3′-richting vergelijkt.

Dat ‘coderende DNA’ niet wordt afgelezen is een naamvalkuil: zijn letters lijken op het RNA, maar de complementaire matrijs wordt gelezen. De rollen kunnen op andere genen langs hetzelfde chromosoom omkeren. Een richting zonder genaanduiding is onvoldoende.

RNA is geen tweede permanent archief met dezelfde chemie. Het heeft ribose, vaak een enkele streng en eigen vouwingen en functies; mRNA is een tijdelijke boodschapper waarvan productie én afbraak tellen.

Drie RNA-basen vormen één codon: 4³=64 mogelijkheden. In de hier gebruikte standaardcode specificeren 61 codons een van twintig gewone aminozuren; drie geven stop. Verschillende codons kunnen hetzelfde aminozuur aanduiden: redundantie betekent niet dat een codon willekeurig meerdere aminozuren kiest.

Onderstaande eigen tabel volgt NCBI transl_table 1. Binnen elke cel staat de derde base in de volgorde U,C,A,G. * betekent stop; M bij AUG is methionine. Biologische startkeuze vraagt startcontext; een intern AUG is ook gewoon Met. Andere organellen/organismen kunnen een andere code gebruiken, dus kies de juiste tabel.

Het ribosoom leest mRNA 5′→3′. Een tRNA bindt met zijn antiparallel anticodon en draagt een aminozuur. Aminoacyl-tRNA-synthetasen laden tRNA's; juiste codonparing alleen bewijst niet dat het juiste aminozuur was geladen. Peptidebindingen verbinden residuen; de keten groeit van N- naar C-terminus.

Bij elongatie komen geladen tRNA's binnen, ontstaat een peptidebinding en schuift het ribosoom. Vrijgavefactoren herkennen een stopcodon; stop is geen gewoon ‘stop-tRNA’ met een aminozuur. De synthese verbruikt geactiveerde bouwstenen en nucleotidetrifosfaten: informatieverwerking is ook een energievraag.

De primaire structuur is de aminozuurvolgorde. Secundaire structuur bevat lokale patronen zoals α-helices en β-platen, gestabiliseerd onder meer door waterstofbruggen van de rug. Tertiaire structuur is de totale ruimtelijke organisatie van één polypeptide. Quaternaire structuur beschrijft meerdere ketens in een complex.

Hydrofobe groepen, ladingen, waterstofbruggen, covalente disulfideverbindingen en de omgeving beïnvloeden vouwing. Chaperonnes kunnen helpen. Een gewijzigd residu kan een actieve plek, binding of stabiliteit veranderen, maar kan ook weinig effect hebben. ‘Zelfde lengte’ betekent daarom niet ‘zelfde functie’.

Een grotere transcriptiesnelheid geeft niet ogenblikkelijk meer eiwit. Voor relatieve RNA-voorraad m en eiwitvoorraad p gebruiken we dm/dt=s(t)−km·m en dp/dt=kt·m−kp·p. Elk verlies is evenredig met de eigen voorraad; productie van p hangt af van m.

Neem km=0,5 h⁻¹, kt=2 h⁻¹ en kp=0,2 h⁻¹. Met s=1 eenheid/h is m*=2 en p*=20. Hun vervalhalfwaardetijden zijn ln2/km=1,386 h en ln2/kp=3,466 h. Een bronstap naar 4 maakt een nieuwe stationaire toestand m*=8,p*=80, maar de tijdelijke koudeprikkel duurt hier maar acht uur.

Een substitutie kan synoniem zijn, een ander aminozuur geven (missense) of een voortijdige stop veroorzaken (nonsense). Inserties/deleties kunnen het leesraam verschuiven. Grotere varianten kunnen genkopieën, chromosoomstructuur of regulering veranderen. Een variant in een promoter kan de hoeveelheid veranderen zonder één eiwitresidu te vervangen.

In het minigen GCT→GCC blijft Ala. TTT→TCT maakt Phe→Ser. GAA→TAA stopt vroeger. De 1-base-deletie levert in het getoonde fragment een andere keten en geen aangetroffen stop; dat laatste is geen bewijs voor een veilig of functioneel langer eiwit.

Synoniem betekent hetzelfde gecodeerde aminozuur in deze tabel, niet altijd nul biologisch effect: RNA-stabiliteit, splicing of translatiecontext kunnen veranderen. Een ernstige verandering in een niet-gebruikt gen kan in één meetconditie onzichtbaar blijven.

Bij kou moeten cellen onder meer membraanfunctie, waterhuishouding, eiwitwerking en metabolisme bewaren. Voorbehandeling kan de reactie veranderen: koud-acclimatie is een geschiedenisafhankelijk fenotype. Rasverschillen kunnen in regulerende netwerken, eiwitvarianten en vele andere kenmerken liggen.

Jaglo-Ottosen en collega's (1998) verhoogden CBF1-expressie in Arabidopsis en vonden verhoogde COR-genexpressie en vriestolerantie bij niet-geacclimeerde planten. CBF1 is een transcriptiefactor; dit ondersteunt een reguleringsmechanisme. Het bewijst niet dat dezelfde ingreep elk slaras zonder groeiverlies vorstbestendig maakt.

Voor Habitat kies je daarom rassen via een gecontroleerde proef binnen bruikbare temperatuurbereiken. Bescherm de referentieteelt; leg opbrengst én schade, herstel, kieming en acclimatie vast. Een hogere overleving met veel minder eetbare massa kan het energiebudget toch verslechteren.