Deze chromosomen bestaan uit chromatine: DNA plus eiwitten. De eiwitten helpen om de enorm dunne en lange DNA-keten (gemiddeld 100 miljoen baseparen lang) samen te vouwen in de kern. Verder spelen de eiwitten een rol bij het onderhoud aan het DNA en ook bij de regulatie van de genexpressie (de vertaling van specifieke genen naar eiwit). In bacteriën bestaat het genoom meestal uit één chromosoom in de vorm van een gesloten cirkel.
Het DNA in de chromosomen bestaat uit twee complementaire ketens. Elke keten is opgebouwd uit vier verschillende nucleotiden die bestaan uit suikerfosfaten die verschillen in de daaraan gekoppelde basen: adenine (A), cytosine ©, guanine (G) en thymidine (T). Deze nucleotidebasen vormen in een bepaalde volgorde een lange streng. In een dubbele helix ligt adenine altijd tegenover thymidine, en cytosine altijd tegenover guanine. Doordat elke streng complementair is aan de andere, is het erg makkelijk om deze te kopiëren: elke streng is een sjabloon voor de andere. Zo kan bij celdeling een kopie van het chromosoom worden doorgegeven aan de dochtercel.
Genen lezen en vertalen
Op de chromosomen liggen genen: afgebakende stukjes DNA die genetische informatie bevatten. Meestal coderen ze voor eiwitten. Een aanzienlijk deel van de chromosomen bestaat overigens niet uit genen. Die niet-coderende stukjes DNA spelen vaak een rol bij het reguleren van de expressie van genen.
Veel genen zijn georganiseerd in een zogenoemd operon. In een operon liggen genen die samen betrokken zijn bij hetzelfde proces, zoals voedselopname en vertering, dicht bij elkaar onder de controle van één promoter. Een promoter is een sequentie in het DNA waar de eerste stap van de genexpressie, de transcriptie begint.
Eén cluster van genen voor één type klus
Organismen groeperen de genen die coderen voor samenwerkende eiwitten doorgaans in een operon. Dit is wel zo efficiënt omdat een cel moeilijk permanent al zijn duizenden verschillende genen ‘aan’ kan zetten om eiwitten te maken. Dat kost veel energie en bouwstoffen. Bovendien hebben veel eiwitten heel specifieke functies, die slechts in bepaalde situaties nodig zijn. Een van de bekendste en best bestudeerde clusters van genen is het zogenoemde lac-operon in de bacterie Escherichia coli.
Het Lac-operon.
Stichting Biowetenschappen en Maatschappij
Met behulp van eiwitten in het membraan kan een cel stoffen in zijn omgeving waarnemen. Wordt een bepaalde stof gevonden, dan kan dit het begin zijn van een complete estafette van signalen naar het DNA en vervolgens het maken van eiwitten op basis van informatie in genen. Het lacZ-gen codeert voor een enzym dat melksuiker (lactose) afbreekt, het lacY-gen voor een eiwit dat lactose de cel in transporteert, en het lacA-gen voor een enzym dat lactose aanpast. De terminator tenslotte geeft aan waar de transcriptie van het lac-operon eindigt. Wanneer een cel een klein beetje lactose in het milieu signaleert wordt het lac-operon geactiveerd en worden veel lacZ, lacY en lacA eiwitten gemaakt. Dat stelt E. coli in staat om te groeien met lactose als brand- en bouwstof.
De expressie van genen is een proces waar veel verschillende eiwitten bij betrokken zijn. De eerste stap in de genexpressie is de transcriptie: het overschrijven. Hiervoor moet eerst een transcriptiefactor aan het DNA binden. Die geeft het signaal dat het gen afgelezen moet worden. Door dit signaal bindt een heel complex van verschillende eiwitten aan het DNA. Een van deze eiwitten is helicase. Helicase duwt de strengen van het DNA uit elkaar, zodat de rest van het complex met de eigenlijke transcriptie kan beginnen.
Overschrijven van DNA en vertalen naar RNA
Tijdens de transcriptie wordt aan de hand van het DNA als matrijs een streng RNA gevormd. RNA lijkt erg veel op DNA, maar er zijn een paar belangrijke verschillen. RNA vormt geen dubbele helix met een andere streng. Verder bevat RNA in plaats van thymine (T) de base uracil (U). RNA wordt geproduceerd door het enzym RNA-polymerase. Zodra deze polymerase bijvoorbeeld de sequentie ‘CGTA’ leest in het DNA, zorgt het ervoor dat er GCAU wordt geschreven in RNA, de complementaire letters. Aan het einde van een gen zit een signaal dat aangeeft dat het RNA-polymerase niet meer verder hoeft te gaan met aflezen. Het eiwitcomplex raakt los van het DNA en ook het RNA wordt losgekoppeld. De dubbele helix herstelt zich weer.
Het op deze manier gevormde RNA wordt messenger-RNA (mRNA) genoemd, een term die precies weergeeft wat het doet: het brengt de boodschap uit het DNA over naar het ribosoom, waar de eiwitketen wordt gevormd. Het ribosoom is een groot complex van eiwitten en RNA dat in de cel de chemische reacties versnelt.
Het ribosoom leest aan de hand van het mRNA af hoe het eiwit gevormd moet worden. Deze tweede stap in de genexpressie heet translatie. De genetische code bepaalt hoe de RNA-keten wordt vertaald naar aminozuren. Een combinatie van drie letters in het RNA, een ‘codon’, codeert voor één aminozuur. Omdat er 4 keer 4 keer 4, dus 64 mogelijke combinaties zijn van letters voor het RNA, en 20 aminozuren, zijn er dus verschillende combinaties die voor hetzelfde aminozuur coderen. Verder zijn er nog drie tripletten van nucleotiden die een zogenoemd stopcodon vormen. Deze geven aan waar de translatie is afgelopen.
Om een eiwit te vormen is ook transfer-RNA (tRNA) nodig: stukken RNA die het bijpassende aminozuur in het ribosoom brengen en het via een anticodon koppelen aan het passende codon in het messenger RNA.
Het ribosoom
Het ribosoom is de plek in een cel waar de aminozuren aaneen worden geregen tot eiwitmoleculen. Het bestaat uit een groot en een klein deel. Het mRNA bindt aan het kleine deel. De grote subeenheid heeft drie bindingsplaatsen voor tRNA. Stapje voor stapje schuift het ribosoom over de mRNA-keten, en worden de individuele aminozuren aangevoerd door de tRNA moleculen en tot een eiwitketen aaneen geregen. Nadat de eiwitketen het ribosoom verlaat neemt het zijn specifieke driedimensionale structuur aan en kan het eiwit zijn taak in de cel gaan vervullen. Overigens moeten sommige eiwitten die na de translatie vrijkomen ook nog specifieke chemische modificaties ondergaan, zoals het aanhechten van suikergroepen. Dat zijn de zogenoemde post-translationele modificaties.