Biology · Boek 3 · Bachelor Year 1

Universitaire biologie — jaar 1

Universitaire biologie — jaar 1 · Bachelor Year 1

19Genexpressie: transcriptie en translatie

Een gen van dertigduizend basenparen wordt in een kwartier tot een werkkopie gelezen, tot tweeduizend letters ingekort, de celkern uit verscheept, en door vijfentwintig ribosomen tegelijk vertaald in een eiwit van vijfhonderd aminozuren — één per vier seconden, zolang de kopie het uithoudt. De cel geeft hier meer energie aan uit dan aan wat zij ook doet. Dit hoofdstuk volgt de informatie van DNA naar eiwit: het kopiëren van een gen tot RNA, het bewerken van dat RNA bij eukaryoten, de code die drietallen basen op aminozuren afbeeldt, het ribosoom dat haar leest, en wat er met een eiwit gebeurt zodra het is gemaakt.

19.1 Van gen naar eiwit

Propositie 19.1 (De stroom van informatie)

Erfelijke informatie stroomt van DNA naar RNA naar eiwit. De transcriptie kopieert één streng van een gen tot een RNA met dezelfde sequentie als de andere streng (met U voor T); de translatie leest het boodschapper-RNA telkens drie basen tegelijk en voegt de bijbehorende aminozuren samen tot een polypeptide. Elke stap gebruikt de paring van basen: DNA met RNA bij de transcriptie, boodschapper met transfer-RNA bij de translatie. De sequentie van een eiwit is dus een afschrift van de sequentie van zijn gen, en een verandering van één base kan één aminozuur veranderen — de schakel tussen mutatie en fenotype. Informatie stroomt niet terug van eiwit naar nucleïnezuur; de ene omgekeerde stap, RNA dat door retrovirussen in DNA wordt overgeschreven, raakt geen eiwit.

19.2 Transcriptie

Definitie 19.2 (RNA-polymerase, promotor, transcriptie)

Het RNA-polymerase maakt RNA op een DNA-matrijs, 5′→3′5' \to 3', uit de vier ribonucleosidetrifosfaten, zonder primer. Het begint bij een promotor, een sequentie vlak vóór het gen die het herkent en bindt; bij bacteriën doet een subeenheid die σ\sigma (sigma) heet het herkennen, bij twee geconserveerde stukken tien en vijfendertig paren vóór de start. Het enzym opent ongeveer vijftien paren van de helix tot een transcriptiebel, kopieert de matrijsstreng (die 3′→5′3' \to 5' wordt gelezen) tot een RNA dat in sequentie gelijk is aan de andere, coderende streng, en schuift op met ongeveer vijftig nucleotiden per seconde, terwijl het de helix erachter weer sluit; het RNA pelt eraf zodra het is gemaakt. Het stopt bij een terminator: bij bacteriën een zelfcomplementaire sequentie waarvan het RNA zich tot een haarspeld vouwt die het transcript lostrekt. Vele polymerasen kunnen elkaar langs een gen opvolgen, zodat er elke seconde een transcript kan beginnen.

De transcriptie. Het polymerase opent een bel, paart ribonucleotiden aan de matrijsstreng en verbindt ze 5' 3'; het RNA verlaat het enzym door een kanaal terwijl dat oprukt.
De transcriptie. Het polymerase opent een bel, paart ribonucleotiden aan de matrijsstreng en verbindt ze 5′→3′5' \to 3'; het RNA verlaat het enzym door een kanaal terwijl dat oprukt.

Propositie 19.3 (Eukaryote transcriptie en RNA-bewerking)

Eukaryoten hebben drie polymerasen: I voor de grote ribosomale RNA’s, II voor de boodschapper-RNA’s, III voor transfer-RNA en kleine RNA’s. Polymerase II herkent zijn promotor niet alleen: een stel algemene transcriptiefactoren bouwt zich erop op (bij een TATA-sequentie ongeveer dertig paren stroomopwaarts in veel genen) en haalt het enzym erbij, en regeleiwitten die dichtbij of ver weg binden stellen de snelheid bij (Hoofdstuk 20). Het primaire transcript wordt in de celkern bewerkt: er komt een gewijzigde guanine als cap aan het 5′5'-uiteinde, een staart van zo’n tweehonderd adeninen (poly-A) aan het 3′3'-uiteinde, en de intronen worden door splicing verwijderd — een complex van kleine RNA’s en eiwitten, het spliceosoom, herkent de GU aan het begin van elk intron en de AG aan het eind ervan, knipt, en verbindt de exonen. Pas daarna wordt de rijpe boodschapper naar het cytosol uitgevoerd. Veel genen worden op meer dan één manier gespliced (alternatieve splicing), zodat één gen verscheidene eiwitten oplevert; de twintigduizend menselijke genen maken er misschien honderdduizend.

Bewijsmateriaal. Sharp en Roberts (1977) hybridiseerden een viraal boodschapper-RNA met het DNA van zijn gen en bekeken de hybriden in de elektronenmicroscoop: het RNA paarde in verscheidene stukken met het DNA, en daartussen lusten er ongepaarde stukken DNA uit — de intronen, aanwezig in het gen en afwezig in de boodschap. Bacteriële genen gaven bij dezelfde behandeling geen lussen. De grootte van het primaire transcript van een gen, in de celkern gemeten, komt overeen met het gen; de grootte van de boodschapper in het cytoplasma komt overeen met alleen de exonen. ∎

Van gen naar boodschapper bij een eukaryoot: het hele gen wordt overgeschreven, daarna worden de intronen uitgeknipt en de exonen verbonden, komen er een cap en een poly-A-staart bij, en verlaat de rijpe boodschap de celkern.
Van gen naar boodschapper bij een eukaryoot: het hele gen wordt overgeschreven, daarna worden de intronen uitgeknipt en de exonen verbonden, komen er een cap en een poly-A-staart bij, en verlaat de rijpe boodschap de celkern.

19.3 De genetische code

Definitie 19.4 (De genetische code)

De genetische code beeldt drietallen basen van de boodschapper, codons, af op aminozuren. Van de 64 codons leggen er 61 de twintig aminozuren vast en zijn er drie (UAA, UAG, UGA) stopsignalen; AUG legt methionine vast en is tevens het startcodon, zodat elk nieuw polypeptide met methionine begint. De code is gedegenereerd — de meeste aminozuren hebben verscheidene codons, die vooral op de derde plaats verschillen — niet-overlappend, zonder leestekens gelezen in een leesraam dat door het startcodon wordt vastgelegd, en vrijwel universeel, hetzelfde bij bacteriën, planten en dieren met kleine varianten in mitochondriën: een menselijk gen dat in een bacterie wordt gebracht, wordt juist gelezen.

eerstetweede basederde
baseUCAGbase
UPhe Phe Leu LeuSer Ser Ser SerTyr Tyr stop stopCys Cys stop TrpU C A G
CLeu Leu Leu LeuPro Pro Pro ProHis His Gln GlnArg Arg Arg ArgU C A G
AIle Ile Ile MetThr Thr Thr ThrAsn Asn Lys LysSer Ser Arg ArgU C A G
GVal Val Val ValAla Ala Ala AlaAsp Asp Glu GluGly Gly Gly GlyU C A G
De genetische code. Elke cel geeft de vier codons met de aangegeven eerste en tweede base en met U, C, A, G op volgorde als derde base. AUG is methionine en het startsignaal; UAA, UAG en UGA zijn stops. De derde base maakt vaak niet uit: de code is gedegenereerd.

Propositie 19.5 (Hoe de code is gelezen)

De code is een niet-overlappende drietallencode, en de betekenis van elk codon kan langs chemische weg worden bepaald.

Bewijsmateriaal. Crick en Brenner (1961) brachten in een faaggen mutaties aan die één base toevoegden of wegnamen: één zo’n verandering vernielde de werking van het gen, en twee ook, maar drie invoegingen (of drie verwijderingen) dicht bij elkaar herstelden haar — de boodschap wordt in drietallen gelezen, vanaf een vast startpunt, en een invoeging verschuift het raam van alles wat erop volgt. Nirenberg en Matthaei (1961) voegden een synthetisch RNA van uitsluitend uracillen toe aan een celvrij extract van E. coli met de twintig aminozuren: er werd een keten van uitsluitend fenylalanine gemaakt, dus betekent UUU Phe; andere synthetische boodschappers, en daarna het binden van losse trinucleotiden aan ribosomen met hun transfer-RNA’s, wezen alle vierenzestig toe in 1966. ∎

Voorbeeld 19.6 (Een boodschap lezen)

De boodschapper 5′5'-…GCAUGGCUUUCGGAUAA…-3′3' wordt vanaf de AUG gelezen: AUG GCU UUC GGA UAA — Met-Ala-Phe-Gly-stop: een peptide van vier residuen. Verwijder de eerste G na AUG en het raam verschuift: AUG CUU UCG GAU AA… — Met-Leu-Ser-Asp…, een ander eiwit van een andere lengte. Verander UUC in UUU en er verandert niets: beide zijn Phe, een stille mutatie.

19.4 Translatie

Definitie 19.7 (Transfer-RNA en zijn synthetasen)

Een transfer-RNA (Hoofdstuk 11) is de tussenschakel tussen codon en aminozuur: zijn anticodon, drie basen in een lus, paart antiparallel met een codon van de boodschap, en zijn 3′3'-uiteinde draagt het bijbehorende aminozuur. De paring op de derde plaats van het codon is los (wobble), zodat ongeveer veertig tRNA’s voor eenenzestig codons volstaan. Elk tRNA wordt geladen door zijn eigen aminoacyl-tRNA-synthetase, een enzym dat zowel het aminozuur als het tRNA herkent en ze in twee stappen aan elkaar koppelt ten koste van één ATP (tot AMP gesplitst: twee energierijke bindingen), waarbij het het aminozuur meteen proefleest. Deze twintig enzymen zijn de plaats waar de code werkelijk wordt uitgevoerd: het ribosoom controleert niet welk aminozuur een tRNA draagt, alleen of zijn anticodon past.

Definitie 19.8 (Het ribosoom)

Het ribosoom is een deeltje van twee subeenheden, elk van ribosomaal RNA en eiwitten (bij bacteriën: een kleine subeenheid van 30S en een grote van 50S, samen 70S, 2.5 MDa2.5\,\mathrm{MDa}; eukaryote ribosomen zijn groter, 80S). De kleine subeenheid bindt de boodschapper en decodeert haar; de grote subeenheid houdt de tRNA’s vast en vormt de peptidebinding — de katalysator is het ribosomale RNA zelf. Drie tRNA-plaatsen strekken zich over beide subeenheden uit: A (aminoacyl, waar het volgende geladen tRNA binnenkomt), P (peptidyl, dat de groeiende keten vasthoudt), E (exit).

Het ribosoom: twee subeenheden geklemd op de boodschapper, twee transfer-RNA’s in de spleet, en de groeiende keten die door een tunnel in de grote subeenheid vertrekt.
Het ribosoom: twee subeenheden geklemd op de boodschapper, twee transfer-RNA’s in de spleet, en de groeiende keten die door een tunnel in de grote subeenheid vertrekt.

Propositie 19.9 (De cyclus van de verlenging)

De translatie begint wanneer de kleine subeenheid het startcodon vindt — bij bacteriën door een sequentie van ribosomaal RNA te paren met een plaats vlak vóór de AUG, bij eukaryoten door de cap te binden en tot het eerste AUG te schuiven — en het start-tRNA (methionine) zich in de P-plaats nestelt; daarna sluit de grote subeenheid zich erbij aan. Elke ronde verlenging voegt één residu toe: een geladen tRNA waarvan het anticodon bij het codon in de A-plaats past wordt door een verlengingsfactor afgeleverd en gecontroleerd (één GTP); het ribosomale RNA van de grote subeenheid draagt de groeiende keten van het tRNA in de P-plaats over op het aminozuur van het tRNA in de A-plaats en vormt zo de peptidebinding; het ribosoom schuift één codon op (een tweede GTP), waarbij de tRNA’s naar P en E verschuiven en het lege vertrekt. Bij een stopcodon komt een afgiftefactor de A-plaats binnen en wordt de keten door hydrolyse vrijgemaakt. Bacteriële ribosomen voegen vijftien tot twintig residuen per seconde toe, eukaryote twee tot vijf; meerdere ribosomen lezen één boodschap tegelijk en vormen een polysoom.

Eén ronde verlenging. Een geladen tRNA wordt in de A-plaats toegelaten wanneer zijn anticodon past; het ribosomale RNA verbindt de keten met zijn aminozuur; het ribosoom schuift één codon op, en het lege tRNA vertrekt. Twee GTP per residu, plus de twee energierijke bindingen die het laden van het tRNA kost.
Eén ronde verlenging. Een geladen tRNA wordt in de A-plaats toegelaten wanneer zijn anticodon past; het ribosomale RNA verbindt de keten met zijn aminozuur; het ribosoom schuift één codon op, en het lege tRNA vertrekt. Twee GTP per residu, plus de twee energierijke bindingen die het laden van het tRNA kost.
Polysomen onder de elektronenmicroscoop: ribosomen aaneengeregen langs een boodschapper, die elk hun eigen kopie van het eiwit maken.
Polysomen onder de elektronenmicroscoop: ribosomen aaneengeregen langs een boodschapper, die elk hun eigen kopie van het eiwit maken.

Methode 19.10 (De synthese van een eiwit becijferen)

  1. Lengte: een eiwit van nn residuen vraagt een coderende sequentie van 3n+33n + 3 nucleotiden (het stopcodon meegerekend), binnen een boodschapper die langer is door haar niet-vertaalde uiteinden en, in het gen, door haar intronen.
  2. Tijd: deel nn door de verlengingssnelheid (15 to 20 15\text{ to }20\, per seconde bij bacteriën, 2 to 5 2\text{ to }5\, bij eukaryoten); de boodschap wordt om de 80 to 100 80\text{ to }100\, nucleotiden door een ribosoom gelezen, zodat de opbrengst per boodschap één keten per (afstand / snelheid) seconden is.
  3. Energie: vier energierijke fosfaatbindingen per residu (twee om het tRNA te laden, twee GTP op het ribosoom), plus de transcriptie van de boodschap tegen twee per nucleotide, verdeeld over alle ketens die die boodschap oplevert.
  4. Trouw: ongeveer één verkeerd aminozuur per 10410^4 codons; een eiwit van 500 500\, residuen is bij één kopie op twintig ergens fout — draaglijk omdat eiwitten vervangbaar zijn en fouten niet worden geërfd.

19.5 Na de translatie

Propositie 19.11 (Wat er met een nieuw polypeptide gebeurt)

De keten vouwt zich terwijl zij tevoorschijn komt, geholpen door chaperonnes (Hoofdstuk 12). Haar bestemming staat in haar sequentie geschreven: een signaalpeptide aan het N-uiteinde bindt een signaalherkenningsdeeltje dat de translatie stillegt, het ribosoom aan het endoplasmatisch reticulum koppelt en de keten het lumen ervan in schuift (Hoofdstuk 6); andere sequenties sturen eiwitten na de synthese naar de mitochondriën, de chloroplasten, de celkern of de peroxisomen; een eiwit zonder signaal blijft in het cytosol. Veel eiwitten worden gewijzigd: de eerste methionine wordt verwijderd, in het ER en het golgi-apparaat komen er suikers bij, kinasen en fosfatasen voegen fosfaten toe en halen ze weg, er worden lipiden aangehecht, er worden stukken uitgeknipt (insuline wordt als één keten gemaakt en in tweeën geknipt; zymogenen worden geknipt om ze te activeren). En elk eiwit wordt uiteindelijk afgebroken: gemerkt met het kleine eiwit ubiquitine en door het proteasoom ontvouwen en verteerd, na een leven van minuten (regeleiwitten) tot maanden (hemoglobine) — zodat de aanwezige eiwitten die zijn welke de cel op dat moment maakt.

Voorbeeld 19.12 (De getallen van een cel)

Een groeiende E. coli bevat zo’n 20 00020\,000 ribosomen, die er elk twintig residuen per seconde bij zetten: 4×1054 \times 10^{5} residuen per seconde, een miljoen eiwitten van 300 300\, residuen in een uur — haar eigen inhoud, en dat is wat elk uur verdubbelen vraagt. De helft van haar energie gaat naar de eiwitsynthese. Een levercel bevat tien miljoen ribosomen en maakt eiwitten voor weken gebruik in plaats van voor een deling; een plasmacel, die antistof afscheidt, zet er vrijwel alle in voor één eiwit en stort tweeduizend moleculen per seconde uit.

19.6 Opgaven

Oefening 19.1 ★

Geef het RNA dat van de matrijsstreng 3′3'-TACGGATTC-5′5' wordt overgeschreven, en de coderende streng.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.1.

RNA 5′5'-AUGCCUAAG-3′3'; coderende streng 5′5'-ATGCCTAAG-3′3'.

Oefening 19.2 ★

Noem de drie wijzigingen die een eukaryoot primair transcript ondergaat voordat het de celkern verlaat.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.2.

Een cap aan het 5′5'-uiteinde (een gewijzigde guanine), een poly-A-staart aan het 3′3'-uiteinde, en het verwijderen van de intronen door splicing.

Oefening 19.3 ★

Vertaal met de codetabel 5′5'-AUGCCGAAAGUUUGA-3′3'.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.3.

AUG CCG AAA GUU UGA: Met-Pro-Lys-Val, daarna stop.

Oefening 19.4 ★

Noem de drie tRNA-plaatsen van het ribosoom en wat er in elk gebeurt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.4.

A: het binnenkomende geladen tRNA wordt toegelaten en gecontroleerd. P: het tRNA dat de groeiende keten draagt; de binding ontstaat tussen zijn keten en het aminozuur in de A-plaats. E: het geleegde tRNA op weg naar buiten.

Oefening 19.5 ★★

Een boodschapper van 2400 2400\, nucleotiden heeft 150 150\, nucleotiden niet-vertaald 5′5'-gebied en 450 450\, niet-vertaald 3′3'-gebied plus poly-A. Hoeveel residuen telt het eiwit? Hoe lang doet één ribosoom erover bij vier residuen per seconde, en hoeveel ribosomen kunnen de boodschap tegelijk lezen bij één per 90 90\, nucleotiden?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.5.

Coderend 2400−600=18002400 - 600 = 1800 nucleotiden: 599 residuen (600 codons, waarvan één een stop). Tijd 599/4=150 s599/4 = 150\,\mathrm{s}. Ribosomen 1800/90=201800/90 = 20 tegelijk.

Oefening 19.6 ★★

Leg uit waarom drie invoegingen het leesraam van een gen herstellen en één of twee niet, en hoe het eiwit uit de drievoudige invoeging eruitziet.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.6.

De boodschap wordt vanaf een vast startpunt in drietallen gelezen; één of twee extra basen verschuiven elk codon erna en de rest van het eiwit is onzin, meestal eindigend bij een voortijdige stop. Drie extra basen voegen één codon toe en herstellen het raam: het eiwit heeft één residu extra en enkele verkeerde tussen de invoegingen, en werkt vaak nog.

Oefening 19.7 ★★

Een mutatie verandert het codon CAG in UAG midden in een gen van 300 300\, codons; een andere verandert CAG in CAA; een derde verandert het in CGG. Geef het effect van elk op het eiwit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.7.

CAG (Gln) naar UAG (stop): de keten eindigt bij residu 150, een afgekapt en vrijwel zeker inactief eiwit (nonsensmutatie). CAG naar CAA: nog steeds Gln, stil. CAG naar CGG: Arg in plaats van Gln, een vervanging (missense) waarvan het effect van de plaats afhangt.

Oefening 19.8 ★★

Leg uit waarom de trouw van de translatie op de aminoacyl-tRNA-synthetasen berust en niet op het ribosoom, en beschrijf een proef die dat aantoonde (een cysteïne die aan haar tRNA vastzit wordt chemisch in alanine omgezet; waar komt het alanine terecht?).

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.8.

Het ribosoom controleert alleen de paring van codon en anticodon; het kan het aminozuur niet zien. Wordt cysteïne op haar tRNA langs chemische weg in alanine omgezet, dan bouwt het ribosoom alanine in overal waar de boodschap cysteïne zegt: het tRNA wordt gelezen, niet het aminozuur. Dus is het synthetase, dat elk aminozuur met het juiste tRNA koppelt, de eigenlijke vertaler.

Oefening 19.9 ★★

Bereken de energiekosten, in energierijke bindingen, van een eiwit van 400 400\, residuen, en het deel daarvan dat op het ribosoom wordt uitgegeven.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.9.

400×4=1600400\times 4 = 1600 bindingen; de twee GTP per residu van het ribosoom zijn de helft, de twee van de synthetasen de andere helft.

Oefening 19.10 ★★★

Bij bacteriën beginnen ribosomen een boodschap te vertalen terwijl die nog wordt overgeschreven; bij eukaryoten kan dat niet. Leg uit waarom (twee redenen), en wat dit verschil bij eukaryoten mogelijk maakt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.10.

Bij eukaryoten wordt het transcript in de celkern gemaakt en zitten de ribosomen in het cytosol, gescheiden door de envelop; en het transcript is pas een boodschapper nadat het is gespliced en van een cap voorzien. Die scheiding maakt de bewerking zelf mogelijk — alternatieve splicing, de sturing van de uitvoer, en een controle dat de boodschap volledig is voordat zij wordt gelezen.

Oefening 19.11 ★★★

Een gen met vijf exonen kan zo worden gespliced dat exon 3 (90 90\, nucleotiden) en exon 4 (100 100\, nucleotiden) worden meegenomen of overgeslagen. Noem de mogelijke boodschappers en zeg welke het leesraam van exon 5 behouden. Wat laat dat zien over alternatieve splicing?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.11.

Vier boodschappers: met beide exonen (190 nucleotiden erbij), met alleen 3 (90), met alleen 4 (100), met geen van beide (0). Het raam blijft behouden als de toegevoegde lengte een veelvoud van 3 is: 0 en 90 behouden het; 100 en 190 verschuiven het, zodat de boodschappers met alleen exon 4 of met beide exonen exon 5 buiten het raam lezen en het eiwit afkappen. Alternatieve splicing moet het raam eerbiedigen, en juist daarom zijn exonen vaak een veelvoud van drie.

Oefening 19.12 ★★★

“De code is een bevroren toeval: willekeurig, maar te duur om te veranderen.” Bespreek dat in een korte alinea: wat er in de code willekeurig lijkt, wat er geoptimaliseerd lijkt (de derde plaats, verwante codons voor verwante aminozuren), en waarom een mutatie die de specificiteit van een synthetase verandert vrijwel altijd dodelijk is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.12.

Willekeurig: niets in de chemie zegt dat UUU Phe moet betekenen; de toewijzingen zijn afspraken die door de synthetasen worden vastgehouden. Geoptimaliseerd: de derde plaats is het sterkst gedegenereerd, zodat de fouten en mutaties die daar vallen vaak stil zijn, en codons die in één base verschillen coderen doorgaans voor verwante aminozuren, zodat een vervanging vaak mild is — de code beperkt de schade van een fout. Bevroren: een synthetase dat zijn specificiteit zou veranderen, zou in hetzelfde ogenblik elk eiwit van de cel veranderen, duizenden tegelijk; vrijwel geen enkele cel overleeft dat, zodat de code niet kan driften en sinds de gemeenschappelijke voorouder van alle levende wezens vastligt.

19.7 Vraagstuk: van een gen naar een eiwit

Probleem 19.1

Weekendvraagstuk — een gen van dertig kilobasen gevolgd tot een eiwit van vijfhonderd residuen: de transcriptie geklokt, de splicing gewogen, de ribosomen geteld, de energie en de fouten becijferd, eindigend op de kosten van één eiwit in ATP

Een menselijk gen beslaat 30 kb30\,\mathrm{kb} met acht exonen die samen 2000 2000\, nucleotiden rijpe boodschapper vormen, waarvan er 1503 1503\, coderen (500 residuen plus de stop). Polymerase II schrijft 30 30\, nucleotiden per seconde over; ribosomen verlengen met 4 4\, residuen per seconde en houden onderling één per 80 80\, nucleotiden afstand; de halveringstijd van de boodschapper is 2 h2\,\mathrm{h}. Kosten: twee energierijke bindingen per overgeschreven nucleotide, vier per vertaald residu; neem één energierijke binding als één ATP. Foutfrequenties: 10−510^{-5} per overgeschreven nucleotide, 10−410^{-4} per vertaald codon.

Deel I — Transcriptie en splicing.

  1. Hoe lang doet één polymerase erover om het gen over te schrijven?
  2. Welk deel van het primaire transcript wordt er door de splicing verwijderd?
  3. Hoeveel nucleotiden worden er overgeschreven per nucleotide rijpe boodschapper?
  4. Bereken het ATP dat aan het overschrijven van één primair transcript wordt besteed.
  5. Als er elke 10 s10\,\mathrm{s} een polymerase begint, hoeveel polymerasen zitten er dan tegelijk op het gen, en hoeveel boodschappers levert het gen per uur op?
  6. Bereken het aantal intronen en hun gemiddelde lengte.
  7. Het spliceosoom verwijdert elk intron in ongeveer een minuut, parallel. Bepaalt de splicing of de transcriptie de tijd van gen tot boodschapper?
  8. Bereken de fysieke lengte van het gen en van de rijpe boodschapper (0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} per nucleotide).

Deel II — Translatie.

  1. Hoe lang doet één ribosoom erover om het eiwit te vertalen?
  2. Hoeveel ribosomen lezen één boodschapper tegelijk?
  3. Hoeveel eiwitmoleculen levert één boodschapper per uur op?
  4. Hoeveel levert zij er over haar halveringstijd van 2 h2\,\mathrm{h} in totaal op (een boodschap met halveringstijd t1/2t_{1/2} levert gemiddeld t1/2/ln⁡2t_{1/2}/\ln 2 uur volle productie)?
  5. Bereken het ATP dat aan het vertalen van één eiwit wordt besteed.
  6. Bereken het ATP dat per eiwit aan de transcriptie wordt besteed, door de kosten van het transcript over de eiwitten uit vraag 12 te verdelen.
  7. Bereken de totale kosten van één eiwit en het deel dat aan de translatie is toe te schrijven.

Deel III — Fouten.

  1. Bereken de kans dat een bepaalde boodschapper ten minste één transcriptiefout draagt in haar 1503 1503\, coderende nucleotiden.
  2. Bereken de kans dat een bepaald eiwitmolecuul ten minste één translatiefout draagt.
  3. Ongeveer een kwart van de veranderingen van een nucleotide is stil en een derde van de vervangingen van een aminozuur is onschadelijk. Welk deel van de gemaakte eiwitmoleculen is defect?
  4. Een defecte boodschapper levert twee uur lang defecte eiwitten op; een defect eiwit is één molecuul. Leg uit waarom de cel zich een translatiefoutfrequentie kan veroorloven die tien keer die van de transcriptie is, en beide ver boven die van de replicatie.

Deel IV — De begroting van de cel. De cel maakt per uur 30003000 kopieën van dit eiwit, en in totaal 3×1093 \times 10^{9} residuen eiwit per dag.

  1. Hoeveel boodschappers van dit gen moeten er tegelijk aanwezig zijn (elk met de opbrengst uit vraag 11)?
  2. Hoeveel ribosomen zijn er met dit eiwit bezig?
  3. Bereken het ATP dat de cel per dag aan al haar eiwitsynthese besteedt (vier per residu) en, bij 50 kJ/mol50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}, het vermogen in watt voor een cel van 2000 µm32000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}.
  4. Vergelijk dat met het totale vermogen van de cel als zij 1×109 1 \times 10^{9}\, ATP per seconde verbruikt.
  5. Een geneesmiddel blokkeert het spliceosoom. Voorspel het effect ervan op dit eiwit en op een bacterieel eiwit.
  6. Geef het resultaat: de ATP-kosten van één molecuul van het eiwit, verdeeld over translatie en transcriptie, en de tijd van het begin van de transcriptie tot het eerste voltooide eiwit.
Oplossing

Oplossing van Probleem 19.1.

1. 30 000/30=1000 s30\,000/30 = 1000\,\mathrm{s}, ongeveer 17 min17\,\mathrm{min}. 2. 28 000/30 000=93 %28\,000/30\,000 = 93\,\%. 3. 30 000/2000=1530\,000/2000 = 15. 4. 2×30 000=60 0002\times 30\,000 = 60\,000 ATP. 5. 1000/10=1001000/10 = 100 polymerasen op het gen; 360 boodschappers per uur. 6. Zeven intronen, gemiddeld 28 000/7=4000 28\,000/7 = 4000\, nucleotiden. 7. De transcriptie (17 min17\,\mathrm{min}); de intronen worden gespliced zodra zij zijn gemaakt, en het laatste voegt maar een minuut toe. 8. Gen 30 000×0.34 nm=10 µm30\,000\times 0.34\,\mathrm{nm} = 10\,\text{µ}\mathrm{m}; boodschapper 0.68 µm0.68\,\text{µ}\mathrm{m}. 9. 500/4=125 s500/4 = 125\,\mathrm{s}. 10. 2000/80=252000/80 = 25. 11. Er komt elke 80/4=20 s80/4 = 20\,\mathrm{s} een keten gereed: 180 per uur. 12. 2/ln⁡2=2.9 h2/\ln 2 = 2.9\,\mathrm{h} volle productie: ongeveer 520 eiwitten. 13. 4×500=20004\times 500 = 2000 ATP. 14. 60 000/520=11560\,000/520 = 115 ATP per eiwit. 15. Ongeveer 2100 ATP, waarvan 95 %95\,\% in de translatie. 16. 1−(1−10−5)1503≈1503×10−5=1.5 %1 - (1 - 10^{-5})^{1503} \approx 1503\times 10^{-5} = 1.5\,\%. 17. 1−(1−10−4)500≈5 %1 - (1 - 10^{-4})^{500} \approx 5\,\%. 18. Transcriptie: 1.5%×0.75×0.67≈0.75%1.5\%\times 0.75\times 0.67 \approx 0.75\% van de boodschappers is defect, en dus ook van de eiwitten; translatie: 5%×0.67=3.3%5\%\times 0.67 = 3.3\%; samen ongeveer 4 %4\,\% van de moleculen. 19. Een fout in een eiwit blijft beperkt tot één molecuul, dat spoedig wordt afgebroken; een fout in een boodschapper wordt in honderden eiwitten gekopieerd; een fout in de replicatie wordt door elke nakomeling voorgoed geërfd. De kosten van een fout, en daarmee de nauwkeurigheid die de moeite waard is, stijgen bij elke stap terug. 20. 3000/180=173000/180 = 17 boodschappers aanwezig. 21. 17×25=42017\times 25 = 420 ribosomen. 22. 3×109×4=1.2×10103 \times 10^{9}\times 4 = 1.2 \times 10^{10} ATP per dag =2×10−14 mol= 2 \times 10^{-14}\,\mathrm{mol}, 1×10−9 J1 \times 10^{-9}\,\mathrm{J} per dag, oftewel 1.2×10−14 W1.2 \times 10^{-14}\,\mathrm{W} — 6 fW6\,\mathrm{fW} per kubieke micrometer. 23. 10910^9 ATP per seconde is 8.6×10138.6 \times 10^{13} per dag: de eiwitsynthese is daar een honderdste van in deze traag vernieuwende cel (in een delende bacterie de helft). 24. Geen rijpe boodschapper: de primaire transcripten hopen zich in de celkern op en het eiwit verdwijnt binnen enkele uren naarmate zijn boodschappers vervallen. Het bacteriële eiwit, waarvan het gen geen intronen heeft, blijft onaangetast. 25. Ongeveer 2100 ATP per molecuul — 2000 voor de translatie, honderd voor zijn aandeel in het transcript; het eerste eiwit na 1000 s1000\,\mathrm{s} transcriptie, een minuut bewerking en uitvoer, en 125 s125\,\mathrm{s} translatie: ongeveer twintig minuten.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 479 begrippen in de begrippenlijst