Molekulêre biologie

Die molekulêre biologie is die wetenskap waarin verskillende lewensprosesse op 'n molekulêre vlak bestudeer word. Dit is veral op die gebied van erflikheid waar molekulêre bioloë die belangrikste deurbrake gemaak het. Die molekulêre beginsels van erflikheid was nog altyd een van die lewe se groot geheime, totdat dit duidelik geword het dat daar in alle selle sekere groepe molekules voorkom wat as die draers van erflike inligting beskou kan word.

Tot hierdie sogenaamde informasiemolekules behoort die proteïene en nukleïensure. Proteïene is by byna alle belangrike lewensprosesse in die selle van organismes betrokke en vervul 'n baie wye reeks regulatoriese en strukturele funksies. Proteïene kan dus beskou word as die molekules wat die erflike eienskappe van 'n sel of 'n organisme bepaal. Die verskil tussen 'n blom en 'n padda word dus bepaal deur die verskille in die proteïene wat deur paddaselle en die proteïene wat deur die selle van 'n blom gesintetiseer kan word.

Die genetiese inligting wat selle nodig het om die proteïene te maak, word in deoksiribonulkleïensuur (DNS, ook DNA) geberg. Die DNS in 'n sel is saamgestel uit kleiner molekules, die nukleotiede. Hierdie nukleotiede bevat elkeen een van vier verskillende stikstofbevattende basisse. Die volgorde waarin die basisse in die DNS-ketting voorkom, bepaal die volgorde waarin die verskillende aminosure tydens proteïensintese in 'n proteïen ingebou word.

Die aminosuurvolgorde bepaal op sy beurt die struktuur en die belangrikste fisiologiese kenmerke van proteïene. Die struktuur van DNS het nie alleen van die belangrikste fundamentele beginsels van proteïensintese opgeklaar nie, maar ook 'n verduideliking gebied van hoe erflike inligting deur die duplikasie van DNS volledig en noukeurig na dogterselle oorgedra kan word tydens seldeling of voortplanting. Die DNS-struktuur bied ook 'n verklaring van hoe veranderinge in erflike materiaal deur middel van mutasies kan plaasvind.

By proteïensintese in die sel is daar bene wens die DNS ook in ander groep nukleïensure betrokke, naamlik die ribonukleïensure (RNS, ook RNA). Boodskapper-RNS dien as tussenganger tussen DNS en die sellulêre apparaat of ribosome, met behulp waarvan proteïensintese plaasvind.

'n Ander groep RNS-molekules, die draers-RNS, speel 'n onontbeerlike rol in die aaneenskakeling van die aminosure in die proteïenketting. Dit is vandag tegnies moontlik om die basisvolgorde van nukleïensure te bepaal en om sekere nukleïensure (self volledige gene) kunsmatig in die laboratorium te vervaardig. Dit is vandag ook moontlik om sekere proteïene kunsmatig uit aminosure saam te stel. Die groot ontwikkelinge wat vandag op die gebied van genetiese manipulasie plaasvind, spruit regstreeks uit kennis wat op die vakgebied van die molekulêre biologie opgedoen is.

Inleiding

Die belangrikste aspek waarmee die molekulêre biologie hom besig hou, kan saamgevat word in die vraag: "Wat is lewe?" Hoewel hierdie vraag al deur baie eeue heen gevra is, het die molekulêre biologie as 'n wetenskap eers werklik sy beslag gekry toe wetenskaplikes in die vyftigerjare vir die eerste keer 'n begrip ontwikkel het van die molekulêre grondslag van erflikheid. In die verlede het wetenskaplikes meermale die faktore probeer identifiseer wat lewende materiaal van dooie materiaal onderskei.

Eienskappe soos groei en die vermoë om voort te beweeg, het nie in alle gevalle die juiste onderskeid gemaak nie. Die een fundamentele kenmerk wat alle bekende lewende organismes wel gemeen het is dat almal uit selle opgebou is. Die eenvoudigste lewende organisme, 'n bakterie, bestaan uit 'n enkele sel, terwyl hoër organismes uit 'n bykans ontelbare menigte selle bestaan. Die belangrikste kenmerk van 'n sel is sy vermoë om te groei en te verdeel.

Dit is hierdie vermoë wat die fundamentele karakter van lewe bepaal. In die natuur kan 2 tipes selle onderskei word, naamlik die wat sonder 'n kern is, soos die bakterieë en blougroen alge (prokariotiese selle), en die wat wei kerne besit (eukariotiese selle) . Alle selle bestaan uit 'n selmembraan wat as omhulsel dien vir 'n waterige oplossing, wat die selsap of sitoplasma genoem word. In die sitoplasma van sekere selle kom daar liggaampies of organelle voor wat deur 'n membraan omring word. In diereselle is daar mitochondrieë wat 'n rol speel in sellulêre respirasie, terwyl daar in plantselle chloroplaste voorkom wat betrokke is by die gebruik van sonlig as 'n bron van energie.

Verder blyk dit dat alle selle saamgestel is uit hoofsaaklik 4 verskillende soorte makromolekules, naamlik suikers (koolhidrate), vette (lipiede), proteïene en nukleïensure. Die suikers en vette dien hoofsaaklik as bron van energie, terwyl die proteïene en nukleïensure as inligtingsmolekules beskou word. Proteïene is betrokke by feitlik elke aspek van sellulêre fisiologie. Hulle is noodsaaklik vir groei, instandhouding en alle ensiemgekataliseerde reaksies in die sel.

Een van die kenmerke van die lewe van 'n sel is sy vermoë om voortdurend die fisiologies benodigde hoeveelhede van spesifieke proteïene te kan sintetiseer. Proteïene kan nie soos klein metaboliese boustowwe van buite af toegevoeg word nie en die sel moet dus in sy eie behoefte kan voorsien. Ook moet die sel oor die vermoë beskik om die inligting wat hy vir die sintese van proteïene nodig het, na die volgende geslag oor te dra. Hierdie informasie-oordrag op molekulêre vlak is een van die belangrikste aspekte wat deur navorsers in die molekulêre biologie opgeklaar is.

Erflikheid

Oor die beginsels van erflikheid is eers in die afgelope 100 jaar groter duidelikheid verkry. Voorheen was dit onmoontlik om te verklaar hoe genetiese inligting deur voortplanting oorgedra word. Hoe is dit moontlik dat daar uit koekoekeiers wat deur 'n ander voël uitgebroei word, tog jong koekoeke te voorskyn kom? Net so kom daar uit die eiers van skilpaaie net ander skilpaaie te voorskyn en nie kuikentjies of koekoeke nie.

Die genetiese inligting wat skilpaaie van koekoeke onderskei, moet dus volledig in die eier vasgelê wees. Van die belangrikste erflikheidsbeginsels is reeds deur Gregor Mendel (1822- 1884), die vader van die klassieke genetika, ontdek. Daar is veronderstel dat genetiese eienskappe soos haarkleur, wat van geslag tot geslag oorgedra kan word, vasgelê is in spesifieke selstrukture, wat later gene genoem is na aanleiding van die ou benaming van Hugo de Vries (1848- 1935) naamlik pangene.

Wanneer 'n eensellige organisme met behulp van 'n ligmikroskoop bestudeer word, kan gesien word dat selle vermenigvuldig deur 'n proses van seldeling, waartydens 2 dogterselle gevorm word. Walther Flemming (1843- 1905) het in 1879 waargeneem dat seldeling voorafgegaan word deur die verdubbeling van sekere selstrukture, wat met behulp van kleurstowwe gekleur kan word. Hierdie strukture is chromosome (Grieks vir "gekleurde liggaam") genoem.

Die verdubbeling van 'n chromosoom verseker dat wanneer die sel in 2 verdeel, elke dogtersel een van die 2 chromosome bekom. Toe die werk van Mendel aan die begin van hierdie eeu herontdek is, is beset dat die gene op die chromosome gelokaliseer moet wees. In 1928 is eksperimenteel bevestig dat chromosome die draers van erflike eienskappe is. Die aantal chromosome in 'n sel hang van die soort sel af. Bakterieë besit slegs 'n enkele chromosoom (haploïed).

By hoër organismes kom die chromosome in pare voor (diploïed). Die mens besit normaalweg 46 chromosome, terwyl 'n hoender 78 besit. Die diploïede karakter van chromosome kan dien as 'n beveiligingsmeganisme omdat die ander chromosoom in die geval van 'n defek in een van die 2 chromosome steeds oor die regte genetiese inligting beskik. Reeds voor 1928 het Friedrich Miescher ontdek dat chromosome uit proteïene en 'n suur bestaan.

Omdat die suur in die kern van die sel voorkom, word dit kernsuur of nukleïensuurgenoem. In 1944 het Oswald Avery (1877-1955) aangetoon dat nukleïensuur die erflike inligting bevat en nie die proteïene nie, soos tot in daardie stadium vermoed is. In 1953 het James D. Watson en F. Crick die ruimtelike struktuur van nukleïensuur opgeklaar. Hierdie ontdekking het meer as elke ander faktor daartoe bygedra dat navorsing in die molekulêre biologie gestimuleer is en 'n tydperk van byna ongekende ontwikkeling op die gebied is ingelui. Die vordering wat sodoende gemaak is, het vir die eerste keer beplande genetiese manipulasie op molekulêre vlak moontlik gemaak.

Hierdie genetiese tegnieke, wat ook as genetiese boukunde (Engels: genetic engineering) bekend staan, het belangrike praktiese toepassings op verskillende terreine, soos byvoorbeeld in die landbou en die farmakologie. Vandag word baie van die tegnieke in die molekulêre biologie ook gebruik om aspekte van evolusionêre ontwikkeling en immunologie te bestudeer.

DNS

Omstreeks 1870 het Friedrich Miescher ontdek dat daar in die kern van 'n sel 'n fosforbevattende suur voorkom. Hierdie kernsuur of nukleïensuur bevat al die genetiese inligting wat deur die sel benodig word. Die gene van 'n sel is dus niks anders as stukke nukleïensuur nie.

In 1944 het Oswald Avery eksperimenteel bewys dat nukleïensuur in die afwesigheid van enige proteïen genetiese inligting kan oordra. Hy het uit 'n bakteriële stam 'n verbinding geïsoleer waarmee hy die erflike eienskappe van 'n ander stam kon verander. Avery het verskeie toetse gedoen en tot die gevolgtrekking gekom dat hierdie geïsoleerde verbinding slegs uit nukleïensuur bestaan het. 'n Ander klassieke eksperiment is in 1952 deur Hersey en Chase uitgevoer.

Hulle het 'n studie gemaak van virusinfeksie. 'n Virus bestaan uit 'n nukleïensuur wat deur. 'n beskermende proteïendop omring word. Hulle het vasgestel dat tydens die infeksie van 'n bakterie met 'n bakteriële virus (bakteriolaag), slegs die nukleïensuurgedeelte van die virus die gasheersel binnedring, terwyl die proteïendeel van die virus buite bly. Na 'n tyd bars die gasheersel oop en honderde nuwe viruspartikels, wat almal presies identies is aan die oorspronklike virus, word vrygelaat. Die genetiese inligting met behulp waarvan die proteïendop van die virus vervaardig word en die virus homself kan dupliseer, moet dus in die nukleïensuur van die virus geleë wees. Hierdie ontdekking het in 1969 aan Hersley die Nobelprys besorg.

Samestelling

Nukleïensure is saamgestel uit 'n groot aantal klein molekules, – die nukleotiede. 'n Enkelnukleotied word 'n mononukleotied genoem, gekoppelde enkelnukleotiede vorm ‘n oligonukleotied, terwyl 'n lang ketting van nukleotiede as 'n polinukleotied bekend staan. 'n Mononukleotied is uit 3 groepe verbindings saamgestel, naamlik 'n stikstofbevattende basis, 'n suiker en 'n fosfaatgroep. Wanneer die fosfaatgroep afwesig is, word die verbinding 'n nukleosied genoem.

Daar kom 2 tipes stikstofbasisse in nukleotiede voor, naamlik die puriene en die pirimidiene: Die purienbasisse in nukleïensure is hoofsaaklik adenien (A) en guanien (G), terwyl die pirimidienbasisse hoofsaaklik voorkom as urasiel (U), timien (T) en sitosien (C). Die eienskappe van die verskillende basisse toon baie ooreen- komste. Almal absorbeer ultraviolet lig by 'n golflengte van 260 tot 280 nm (1 nm = 10^-9 m). Hierdie eienskap word gebruik by die kwantitatiewe analise van vry basisse, nukleosiede en nukleïensure.

Die nukleïensure waarin die genetiese inligting van alle selle opgesluit lê, staan bekend as deoksiribonukleïensuur (DNS, ook bekend as DNA). Dit is saamgestel uit deoksiribonukleotiede, wat 2'-deoksiribose as suiker bevat. Die suiker kan aan sowel sy 3'- as 5'- posisie aan fosfaat gekoppel wees. Die aksente dui daarop dat die nommers op die koolstofatome van die suikermolekules betrekking het. Nommers sonder aksente het betrekking op die atome van die basisse.

Die vier basisse wat in DNS voorkom, is adenien, guanien, sitosien en timien. Die ooreenstemmende deoksinukleotiede staan bekend as deoksiadenosienmonotosfaat (dAMP), deoksiguanosienmonofosfaat (dGMP), deoksisitidienmonofosfaat (dCMP) en deoksitimidienmonofosfaat (dTMP). By nukleotiede is die fosfaatgroep aan die 5'-posisie van die suiker gekoppel. Dieselfde fosfaatgroep kan hom ook aan die 3'-kant van In ander nukleotied koppel. Deur middel van hierdie 3'- 5' fosfodiësterbindings kan 'n lang ketting van alternatiewe fosfaat- en suikergroepe gevorm word. So 'n ketting is die ruggraat van 'n DNS-molekule.

Struktuur

Die eksperimente van Avery en later die van Hershey en Chase het bewys dat die inligting vir die sintese van proteïene in die DNS geleë is. Hoewel die chemiese samestelling van DNS reeds geruime tyd bekend was, het dit tot 1953 geduur voordat wetenskaplikes 'n begrip gekry het van hoe die erflike eienskappe in DNS vasgelê is en hoe dit oorgedra kan word. Die opklaring van die ruimtelike struktuur van DNS in 1953 deur James D. Watson (geb. 1928) en Francis Harry Compton Crick (geb. 1916) het seker die belangrikste enkele bydrae gelewer tot die vestiging van molekulêre biologie as 'n vakgebied.

Vir hierdie ontdekking het hulle in 1962 die Nobelprys ontvang. In DNS kom 4 verskillende deoksiribonukleotiede voor. Normaalweg bestaan DNS uit 2 deoksiribonukleotiedkettings, wat in die vorm van 'n dubbelspiraal aan mekaar gebind is. Die ruggraat en konstante deel van elke spiraal bestaan afwisselend uit suiker- (deoksiribose-) en fosfaatgroepe, wat gekoppel is deur 'n binding tussen die 5'-fosfaatgroepe van een nukleotied met die 3'-OH-posisie van die suiker van 'n ander nukleotied.

Die veranderlike deel van die DNS-molekules word bepaal deur die volgorde waarin die basisse in die 2 kettings voorkom. Hierdie basisse, wat aan die 1 posisie van die suikermolekules gebind is, vul die ruimte tussen die 2 spiraalkettings en bind die 2 kettings aan mekaar deur middel van waterstofbindings tussen die teenoormekaarliggende basisse op die 2 kettings. Hierdie basisparing verskaf stabiliteit aan die DNS-molekule. Omdat die 4 basisse in struktuur verskil, verskil hulle ook in die ruimte wat hulle in beslag neem en kan die vereiste basisparing slegs plaasvind wanneer 'n timienbasis (Tl op die een ketting reg teenoor die adenienbasis (A) op die ander ketting lê, terwyl sitosien (C) altyd teenoor guanien (G) geleë moet wees. By die A–T-basisparing is 2 waterstofbindings (ook genoem waterstofbrûe) betrokke en by die C–G-basisparing 3 waterstofbindings.

As gevolg van hierdie streng gespesifiseerde basisparing volg dit dat daar by dubbeldraad-DNS altyd 'n gelyke getal timien- en adenienbasisse voorkom (A=T), asook 'n gelyke getal sitosien- en guanienbasisse (C=G). Die basisse lê loodreg op die lengteas van die spiraal en kan goed vergelyk word met die treetjies van 'n wenteltrap wat in posisie gehou word deur die fosfaat-suikerruggraat van die 2 spiraalkettings. Die stabiliteit van die DNS word verder verhoog deur die interaksie tussen die suikermolekules en die waterige medium. Die interaksie tussen die basisse wat in die struktuur bo-op mekaar gestapel lê, verleen verdere stabiliteit aan die molekule. Die struktuur van dubbeldraad- DNS staan ook bekend as die dubbelheliks.

Replikasie

Die struktuur van DNS het dadelik In verduideliking gebied vir die manier waarop die molekule tydens seldeling kan verdubbel. As die waterstofbindings tussen die basisse breek, kan die 2 kettings van die DNS van mekaar losraak. Die 2 enkeldraad-DNS-kettings kan daarna basisparing aangaan met komplementere vry basisse in die reaksiemedium. Weer eens is slegs A-T - en C-G-basisparing toelaatbaar. Gevolglik sal die twee komplementere enkeldraad-DNS-kettings na volledige basisparing met vry nukleotiede 2 identiese dubbeldraad-DNS-molekules oplewer.

In die natuur word die DNS-replikasiereaksie gekataliseer deur 'n ensiem, DNS-polimerase. Die vry deoksinukleotiede wat aan die reaksie deelneem, is in die trifosfaatvorm (dATP, dGTP, dCTP en dTTP). Slegs die monofosfaatnukleotiede word in DNS ingebou en die reaksie gaan dus gepaard met die afsplitsing van 'n pirofosfaat (PPi) vir elke nukleotied wat in die ketting gekoppel word. Hierdie afsplitsing stel energie beskikbaar wat vir die reaksie nodig is.

Die werking van die ensiem berus daarop dat dit 'n koppeling bewerkstellig tussen die 3'-OH-groep van die suiker van een deoksiribonukleotied en die 5'-fosfaatgroep van 'n ander. Benewens die DNS-polimerase is daar nog 'n hele reeks ander ensieme wat spesifiek met DNS gemoeid is. Die DNS-nukleases splyt DNS in klein brokstukke. Die groot verskeidenheid DNS-restriksie- ensieme is in die opsig hoogs spesifiek en kloof die DNS slegs by baie spesifieke nukleotied volgordes. Hierdie ensieme speel 'n baie belangrike rol in die karakterisering van DNS en word dikwels gebruik om lang, komplekse DNS-kettings in kleiner, hanteerbaarder fragmente op te deel.

Ander ensieme is die DNS-ligases, wat nukleïensuurstukkies aan mekaar kan koppel. Daar bestaan ook DNS-herstelensieme, wat 'n rol speel in die herstel van beskadigde DNS. Foute wat nie herstel word nie, kan blywende veranderinge in die DNS meebring en so word mutasies verkry. Baie mutasies is dodelik vir 'n organisme, maar in enkele uitsonderlike gevalle kan dit 'n funksionele verbetering meebring en kan dit 'n evolusionêre vooruitgang vir die organisme beteken.

Tydens die replikasieproses vind daar waarskynlik byna nooit verkeerde basisparing plaas nie. Die kans op foutiewe basisparing is minder as een uit honderdmiljoen, Dit is voor die hand liggend dat die erflike inligting in die DNS deur die varierende deel van die molekule, dit wil sê die basisse, bepaal word. Die volgorde waarin die basisse in die DNS-molekules van 'n organisme voorkom, verskil van soort tot soort en van individu tot individu (behalwe by organismes soos bakterie, waar die DNS van die dogterselle presies identies is aan die ouersel-DNS). Dit is dus die basisvolgorde wat die genetiese informasie in 'n DNS-molekule bepaal. Gene is stukke DNS wat deur middel van verskille in hut onderskeie basisvolgordes verskillende erflike eienskappe bepaal.

Voorkoms

Dubbeldraad-DNS kom in alle selle en organismes voor, uitgesonderd enkele virusse. In die eukariotiese selle (giste, skimmels, plante en diere) word die grootste deel van die totale hoeveelheid DNS in die kern aangetref. Hierdie DNS staan ook bekend as kern-DNS of chromosomale DNS en is tussen die verskillende chromosome verdeel. 'n Klein hoeveelheid DNS kom elders voor en staan bekend as satelliet-DNS. Hierdie DNS is kleiner en daar kom klein verskille in die basissamestelling voor.

Dit word aangetref in organelle soos mitochondrieë en chloroplaste in die sitoplasma. Die suurgedeeltes van die DNS word geneutraliseer deur assosiasie met basiese proteïene soos die histone of, soos in sperm-DNS, deur protamiene. By die prokariotiese selle (bakterieë en blougroen alge) is daar nie 'n kern wat deur 'n afsonderlike membraan omsluit word nie. Die chromosomale DNS kom vry voor en maak ongeveer 1% van die massa van 'n sel uit.

Daar is geen proteïene wat direk met die DNS verbind is nie. Dit mitochondrieë en chloroplaste kan ook as prokariotiese strukture beskou word. Hierdie organelle is semi-outonoom en die DNS het eienskappe wat dit onderskei van chromosomale DNS. Daar word beweer dat die organelle vroeër selfstandige, outonome bakterieë was, maar dat hulle op 'n bepaalde tydperk in die evolusionêre ontwikkeling die selle van hoër organismes binnegedring het, waardeur 'n simbiotiese samehang ontwikkel het.

Purien- en pirimidienmetabolisme

Die sintese van nukleïensure berus op die beskikbaarheid van pirimidien- en purienbasisse. Die nukleotiedtrifosfate wat by die DNS-replikasiereaksie betrokke is, speel ook 'n rol in 'n aantal ander sellulêre prosesse. Die trifosfate is bekende "energieryke verbindings". Dit beteken dat die afsplitsing van een of twee van die fosfaatgroepe energie beskikbaar stel vir sekere reaksies in die sel.

Die sintese van die puriene en pirimidiene is dus 'n belangrike onderdeel van sellulêre metabolisme. In die sintese van die puriene speel inosienmonofosfaat (IMP) 'n belangrike rol. In die sintese van al die puriennukleotiede kan van IMP as uitgangspunt gebruik gemaak word. Die sentrale plek in pirimidienmetabolisme word ingeneem deur orootsuur. Die basisse wat afgegee word tydens die afbraak (katabolisme) van nukleïensure, kan gebruik word vir die sintese van nuwe nukleïensure.

ʼn Gedeelte word egter verder afgebreek. By die mens, ape en voëls is uriensuur die eindproduk van purienafbraak en word dit in die urien afgeskei. Versteurings in hierdie afbraak kan siektetoestande veroorsaak. Wanneer die omsetting van xantien tot uriensuur geblokkeer word, hoop xantienstene in die urien op. By 'n oormatige afskeiding van uriensuur hoop uriensuurkristalle in die weefsel op en ontwikkel 'n siekte wat as jig bekend staan.

RNS

In die voorafgaande gedeelte is aangedui hoe inligtingsmolekules soos DNS en proteïen betrokke is by die bepaling van erflike kenmerke. Inligting vir die sintese van bepaalde proteïene word in DNS-molekules geberg. Die DNS van eukariotiese selle is saamgepak in die chromosome en omring deur 'n kernmembraan wat nie groot DNS-molekules deurlaat nie. Proteïensintese vind plaas buite die kern op die ribosoompartikels in die sitoplasma. Die vraag ontstaan nou hoe die DNS proteïensintese kan spesifiseer as dit nooit by die ribosome uitkom nie.

Geskiedenis

Dit was lank reeds bekend dat daar benewens DNS ook ribonukleïensuur (DNS, ook bekend as RNA) in selle voorkom, maar die funksie daarvan was lank onduidelik. Enkele eksperimente het egter daarop gedui dat die hoeveelheid RNS in 'n sel aan die begin van proteïensintese toeneem. By bakterieë is verder ontdek dat daar RNS-molekules voorkom wat vinnig afgebreek word en dus 'n baie kort lewensduur het. Soortgelyke kortleeftyd-RNS kom ook voor in bakterieë wat met 'n virus geïnfekteer is.

Omdat die RNS volgens basissamestelling veel meer met virus-DNS as met sel-DNS ooreenkom, is aangeneem dat die RNS van virusoorsprong is. 'n Ander belangrike waarneming was dat nuwe proteïensintese in 'n bakterie baie vinnig, binne die bestek van enkele minute, geaktiveer kan word.

Wanneer bakterieë eers gekweek word met glukose (ʼn suiker) as voedingsbron en daarna oorgeplaas word op 'n voedingsbron wat die suiker laktose in plaas van glukose bevat, kan die bakterieë hulle binne enkele minute by die veranderde omstandighede aanpas, In die eerste geval het die bakterieë 'n glukose-afbrekende ensiem nodig om te kan groei en in die tweede geval 'n ensiem wat laktose kan afbreek, laasgenoemde ensiem is nie normaalweg in die sel aanwesig nie en die sintese moet dus eers geïnduseer word deur 'n induktor, in die gevallaktose.

Daar kan onderskei word tussen geïnduseerde ensieme en konstitutiewe ensieme, wat altyd in die sel aanwesig is. Dit is dus duidelik dat die oordrag van genetiese inligting van die DNS na die proteïensintese-apparaat baie vinnig moet kan plaasvind. Die betrokkenheid van 'n tussenganger molekule wat baie vinnig gesintetiseer kan word, sou die probleem oplos. Die kortleeftyd-RNS is as 'n goeie kandidaat vir so 'n tussengangerfunksie beskou.

Gevolglik het Francis Jacob (geb. 1920) en Jacques Monod (geb.1910), die Franse wenners van die Nobelprys, hul boodskapper-RNS- (b-RNS- of m-RNA-) teorie uiteengesit. Eksperimentele bewyse vir die bestaan van b-RNS is kort daarna gekry.

Boodskapper-RNS

Die genetiese inligting in die basisvolgorde van DNS kan nie direk gebruik word nie, maar moet eers "oorgeskryf" word in die vorm van 'n enkeldraad-RNS-molekule, die b-RNS. Die boodskap is nou in die basisvolgorde van die RNS opgesluit en word in die vorm na die ribosome oorgedra.

Die b-RNS is 'n veel kleiner molekule as die DNS omdat een b-RNS-molekule, anders as die DNS wat al die genetiese inligting bevat, slegs die inligting bevat vir die sintese van enkele proteïene (1 tot 10). 'n Monosistroniese b-RNS bevat die inligting vir die sintese van een proteïen en 'n polisistroniese b-RNS die vir die sintese van verskillende proteïene. Oor die algemeen is baie van die b-RNS'e onstabiel en nadat hulle 'n paar keer vir proteïensintese gebruik is, word hulle vinnig afgebreek.

Die feit dat die b-RNS-molekules betreklik klein is, het die voordeel dat die b-RNS vinnig gemaak en vinnig gebruik kan word. Net so het die kort leeftyd van die b-RNS die voordeel dat wanneer daar geen nuwe b-RNS meer gemaak word nie, proteïensintese vinnig tot 'n einde kom. Isolasie van die b-RNS'e word baie bemoeilik deur die klein hoeveelhede wat gemaak word en deur die vinnige afbraak van die molekules. Van die eerste suksesvolle isolasies, die van die hemoglobien- b-RNS, is gemaak uit retikulosietselle, wat hoofsaaklik een proteïen, hemoglobien, maak. Virus-b-RNS'e kan dikwels betreklik maklik geïsoleer word, Vandag het die tegnieke vir die isolering van b-RNS sodanig verbeter dat verskeie sellulêre b-RNS'e in suiwer vorm geïsoleer kan word.

Samestelling en struktuur

Net soos DNS is RNS 'n polinukleotied, RNS verskil egter in die volgende opsigte:

• Die mononukleotiede van RNS het ribose as suiker in plaas van deoksiribose.  Die basisse in die mononukleotiede van RNS is adenien, guanien, sitosien en urasiel (U). By RNS is die timien van DNS vervang deur urasiel, 'n basis wat net soos timien waterstofbindings met adenien kan vorm.
• Anders as DNS is RNS gewoonlik 'n enkeldraad, hoewel dubbeldraad-RNS wel by sekere virusse voorkom.
• By enkeldraad-RNS is daar gewoonlik 'n aansienlike mate van intramolekulêre basisparing tussen komplementere basisse (A met U en C met G) op dieselfde RNS-ketting.
• RNS-molekules is minder stabiel as die van DNS en het gewoonlik 'n kort leeftyd.

Ander RNS-molekules

Daar is nog 2 ander tipes RNS-molekules by proteïensintese betrokke. Die ribosomale RNS (r-RNS) vorm saam met 'n hele aantal verskillende proteïene die ribosoompartikels waarop proteïensintese plaasvind. Daar kan onderskei word tussen die 70S-ribosome van bakterieë en die 80S-ribosome, wat in eukariotiese selle voorkom. Die benamings 70S en 80S spruit uit die isolasieprosedure en dui daarop dat die 70S-ribosoom tydens ultrasentrifugering effens stadiger sedimenteer as die 80S-ribosome (S = Svedberg-eenheid van sedimentasie)

Mitochondrieë en chloroplaste bevat bakteriële ribosome. Die ander RNS, oordrag-RNS (o-RNS of t-RNA, na aanleiding van die Engels "transfer RNA"), sorg dat die boustene van proteïene, dit wil sê aminosure, by die ribosome uitkom. Hierdie groep RNS-molekules is betreklik klein en bevat ongeveer 80 nukleotiede. Die o-RNS-struktuur word gekarakteriseer deur basisparing tussen 'n groot aantal komplementere basisse in dieselfde molekule.

Hierdie intermolekulêre waterstofverbindings is noodsaaklik vir die funksie van die o-RNS en is daarvoor verantwoordelik dat 'n aantal haarnaaldlusse gevorm word wat aan o-RNS 'n baie karakteristieke klawerblaarstruktuur verskaf. Aan die "stingel" van die klawerblaar kan 'n aminosuur gebind word, terwyl die lus aan die kop van die molekule 'n groep van 3 basisse (die antikodon) bevat, wat deur middel van basisparing aan komplementere basisse (die kodon) op die o-RNS gebind kan word.

Daar is spesifieke o-RNS-molekules vir elk van die verskillende aminosure. Behalwe die 4 normale RNS-basisse kom daar in o-RNS 'n betreklik groot aantal afwykende basisse voor. Besondere RNS kom verder voor in mitochondrieë en in sekere virusse. Daar bestaan verskeie soorte virusse wat RNS as genetiese materiaal bevat. By sekere virusse funksioneer die virus-RNS self as b-RNS. By die dubbeldraad-RNS-virusse moet daar eers b-RNS-transkripsie plaasvind. Daar is ook aanduidings dat RNS-molekules by geheuewerking 'n rol kan speel.

RNS-sintese

Die sintese van RNS in die sel word transkripsie genoem. Genetiese inligting in die DNS word in 'n RNS-vorm oorgeskryf. In die reaksie word 'n ensiem, die RNS-polimerase, gebruik. Hierdie ensiem heg hom aan spesifieke promotorgedeeltes op die DNS en druk daardeur die drade van die 2 kettings gedeeltelik uitmekaar.

Een van die 2 DNS-kettings dien dan as templaat (matrys) vir die sintese van RNS. Die nukleotiede wat aan die reaksie deelneem, is adenosientrifosfaat (ATP, ook bekend as ATF), guanosientrifoslaat (GTP), sitidientrilosfaat (CTP) en uridientrifosfaat (UTP). DNS-replikasie is 'n simmetriese proses omdat albei kettings van die DNS gelyktydig gerepliseer word. Daarteenoor is die transkripsieproses asimmetries en die RNS wat gesintetiseer word, is komplementer aan slegs 'n deel van 1 van die 2 drade van die DNS. By enkeldraad- RNS is komplementere basisse dus ook nie in gelyke getalle aanwesig nie (A≠U en G≠C). In die DNS is daar aparte gene vir die transkripsie van die verskillende o-RNS'e en r-RNS'e.

Genetiese kode

Die gene in 'n sel bevat al die nodige inligting vir die voortbestaan van 'n sel. Soos reeds genoem, is hierdie gene niks anders as stukke DNS nie. Die volgorde waarin die 4 basisse in die DNS voorkom, bepaal die proteïen of die RNS wat gesintetiseer kan word.

Hierdie voorskrif word deur middel van 'n b-RNS oorgedra na die ribosome, waar die sintese plaasvind. Die oordrag van genetiese inligting van een molekulêre spesie na 'n ander is in die laat vyftigerjare deur Francis Crick in sy sentrale dogma uiteengesit. Hierdie informasievloei het egter slegs betrekking op algemene sellulêre reaksies, en die dogma is later uitgebrei om ook die spesiale prosesse waarmee sekere virusse genetiese inligting oordra en opberg, in te sluit.

Sekere virusse kan byvoorbeeld die informasievloei omkeer deur RNS in 'n DNS oor te skryf. Die kenmerke van 'n proteïen word bepaal deur die sowat 20 verskillende aminosure waaruit proteïenkettings saamgestel is. Proteïene kan dus gesintetiseer word wanneer daar 'n voorskrif bestaan wat presies aandui watter aminosure aan mekaar gekoppel moet word. Hierdie voorskrif lê opgesluit in die basisvolgorde van die b-RNS. Die genetiese kode is dus 'n reeks basisvolgordes wat die inbou van verskillende aminosure spesifiseer.

Eienskappe

Die genetiese kode is tans volledig bekend. Die kode het die volgende kenmerke:

• Die kodewoord of kodon vir een aminosuur word gevorm deur 'n groepie van 3 opeenvolgende basisse (‘n basistriplet) in die b-RNS. Omdat die basisse in hul afgekorte vorm aangegee word as die letters A, G, C, en U, word ook die kode 'n drieletterkode of tripletkode genoem. Elke drieletterkombinasie bevat die kode vir 'n enkele aminosuur: UUC is byvoorbeeld die kode vir die vorming van fenielalanien.

• Met 4 verskillende basisse kan daar 3⁴ = 64 kombinasies of kodons

deur middel van drieletterkodes gevorm word. Die kodons bevat egter die kodes vir slegs 20 verskillende aminosure. Daar is dus veel meer kodons as aminosure. Dit is dus nie verbasend dat meer as een kodon vir dieselfde aminosuur bestaan nie, byvoorbeeld sowel UUC as UUU kodeer die vorming van fenielalanien. Om die rede word dit 'n gedegenereerde kode genoem.

• Daar bestaan 'n spesiale inisiasiekodon (AUG) en 'n stopkodon (UAA, UAG of UGA) wat die begin en einde van 'n aminosuurketting aandui. GUG funksioneer ook onder sekere omstandighede as inisiasiekodon.
• Die kodons lê direk langs mekaar op die b-RNS. Anders as die woorde in 'n sin, is daar geen spasies of kommas tussen verskillende kodons nie. Die kode is punktuasievry.
• Gewoonlik is elke basis slegs deel van een kodon en is daar geen oorvleueling van die kode nie. Die reël geld egter nie in alle gevalle nie en oorvleueling kan in sekere gevalle voorkom.
• Die kode is universeel en geld sover bekend vir alle organismes.

Ontsyfering

Die grootste gedeelte van die genetiese kode is in omstreeks 1965 opgeklaar. Marshall Warren Nirenberg (geb. 1927) en Har Gobind Khorana (geb. 1922) het die kodes ontsyfer deur die aminosure te identifiseer wat in 'n selvrye proteïensintesesisteem met behulp van kunsmatige b-RNS'e ingebou word. Hulle het byvoorbeeld die 2 kettings UUUUU ... en UGUGUG, gesintetiseer en met hierdie 2 b-RNS'e onderskeidelik die aminosuurkettings fenielalanien-fenielalanien-fenielalanien.... en sistien-valien-sistien-valien gesintetiseer.

Dit bewys dat die UUU-kodon die inbou van fenielalanien spesifiseer, terwyl UGU en GUG onderskeidelik sistien en valien kodeer. Nirenberg en Leder het later met behulp van kunsmatige kodons (RNS'e van presies 3 basisse elk) die o-RNS'e geïdentifiseer wat in die teenwoordigheid van 'n bepaalde kodon aan die ribosome bind. Elke o-RNS is spesifiek vir 'n bepaalde aminosuur en deur vas te stel watter o-RNS by watter kodon tuishoort, kan direk afgelei word watter aminosuur deur 'n bepaalde basistriplet gekodeer word.

Antikodon

Die metode van Nirenberg en Leder berus daarop dat elke aminosuurgebonde o-RNS 'n bepaalde kodon op die b-RNS kan herken. Hierdie herkenningsmeganisme maak gebruik van basisparing tussen die kodon en 'n triplet van 3 komplementere basisse op een van die lusse van die o-RNS, Hierdie o-RNS-triplet word die antikodon genoem.

Gevolge

Een van die opvallendste kenmerke van die genetiese kode is dat die kode universeel is. Dit beteken dat die kode slegs een keer in die evolusionêre ontwikkeling ontstaan het. Omdat vermoed word dat bakterieë al 3 000 miljoen jaar gelede geleef het, beteken dit dat die kode al in daardie tydperk funksioneel moet gewees het. Dit beteken ook dat die kode nie deur middel van mutasies ontstaan het nie en dat mutasies wat die letters in 'n kodon verander, dodelik sal wees.

Die eienskap dat die kode punktuasievry is, kan soms foute tot gevolg hê. Wanneer translasie (die lees van 'n kode) byvoorbeeld in die middel van 'n kodon sou begin, of wanneer 'n basis oorgeslaan word, is die hele daaropvolgende kode uit fase en sal 'n heeltemal ander boodskap gelees word. Die gevolg is dat 'n nuttelose proteïen gesintetiseer word. 'n Voorbeeld van die verandering wat plaasvind wanneer 'n basis wegval, is die volgende:

Veronderstel dat by die basisvolgorde UUCIGCA/CAG/UA .. (kode vir fenielalanien-alanienglutamien) die kursiewe C wegval, verander die basisvolgorde na UUG/CAC/AGU/A,.. (kode vir eusienhistidienserien). Die enkele basisverandering het dus 'n totale verandering in die proteïen tot gevolg gehad.

Die genetiese kode is gedegenereerd. Omdat verskeie kodons dieselfde aminosuur kodeer, het alle mutasies nie noodwendig 'n ander aminosuur tot gevolg nie. Ook is alle mutasies nie noodwendig skadelik nie en kan 'n proteïen as gevolg van mutasies beter eienskappe bekom as wat hy voorheen gehad het. Op die manier kan daar dus verbeterings in die erflike materiaal van 'n organisme teweeggebring word.

Proteïensintese

Alle organismes, of dit nou uit 'n enkele sel of uit miljoene selle bestaan, is afhanklik van sellulêre proteïensintese, Virusse kan nie hul eie proteïene produseer nie, maar maak gebruik van die sel se proteïensintese-apparaat om hul eie genetiese inligting (virus-DNS of

-RNS) te transleer of te lees. Elke individu produseer liggaamseie proteïene en alle spesies maak spesiespesifieke proteïene. Die proteïene in voedsel kan nie direk deur die liggaam opgeneem word nie, maar word eers afgebreek tot aminosure, wat vir nuwe proteïensintese gebruik kan word. Liggaamsvreemde proteïene lok dikwels 'n sterk immunologiese verdedigingsreaksie uit. Die sterkte van die reaksie neem af hoe nader die verwantskap tussen die vreemde en die liggaamseie proteïene is. Die immunologiese kruisreaksies kan dus gebruik word as 'n maatstaf om die verwantskap tussen twee individue ot spesies te bepaal.

Proteïensintese

Proteïensintese vind plaas op die ribosome. Hier word die genetiese kode vertaal in die aminosuurvolgorde van 'n proteïen. Die translasieproses kan onderverdeel word in die volgende reaksies:

• Vorming van 'n ribosomale kompleks.
• Koppeling van aminosure aan die o-RNS'e.
• Die begin (inisiasie) van die aminosuurketting,
• Kettingverlenging.
• Beëindiging of terminasie.

Die verskillende reaksies sal opeenvolgens bespreek word.

Die ribosomale kompleks

'n Ribosoom is saamgestel uit ribosomale RNS en 'n hele aantal spesifieke proteïene. Die ribosoom vorm saam met die b- en o-RNS die ribosomale kompleks. Wanneer b-RNS hom aan die ribosoom heg, neem die b-RNS 'n gestrekte vorm aan, want die boodskap kan nie getransleer word as die RNS deur intermolekulêre

basis paring verskillende lusse maak nie, By die o-RNS daarenteen is die intermolekulêre basisparing voordelig, want daardeur verkry die molekule die kenmerkende klawerblaarstruktuur wat noodsaaklik is vir sy funksie, Die aminosuur is aan die "stingel" van die klawerblaar gekoppel, terwyl die antikodon op die teenoorgestelde lus geleë is, Die lus is afgeplat op die plek waar die antikodon geleë is om die kodon-antikondonbinding moontlik te maak.

Na gelang van die grootte van die b-RNS kan een of meer ribosome gelyktydig aan dieselfde RNS gekoppel wees, 'n Groep ribosome wat aan een bepaalde b-RNS-ketting gekoppel is, word 'n poliribosoom, polisoom of ergosoom genoem. Tydens die sintese van hemoglobien is daar byvoorbeeld 4 tot 6 ribosome tegeIykertyd aan die hemoglobien-b-RNS gekoppel. Groter b-RNS'e wat die kode vir die sintese van proteïenkettings met 300 tot 500 aminosure bevat, kan 12 tot 20 ribosome bevat.

Ribosome is klein sellulêre partikels wat saamgestel is uit 2 afgeplatte bolvormige subeenhede, waarvan die een ongeveer 2 maal so groot as die ander een is. Albei subeenhede bevat een spesifieke ribosomale RNS-molekule. Die kleiner (30S) subeenheid van Escherichia coli bevat 21 verskillende proteïene, terwyl die groter (50S) subeenheid 34 proteïene bevat. Die b-RNS bind tydens translasie aan die kleinste subeenheid, terwyl die o-RNS'e aan die groter partikel bind.

Aminosuurkoppeling

Die energie wat nodig is om aminosure aan spesifieke o-RNS'e te koppel, word verskaf deur die omsetting van die "energieryke" verbinding adenosientrifosfaat (ATP) na adenosienmonofosfaat (AMP) en pirofosfaat. In 'n eerste stap-word die aminosure geaktiveer. In die aanwesigheid van ATP en 'n ensiem (aminoasielsintase) word 'n aminosuur by sy karboksielgroep deur middel van 'n energieryke verbinding aan adenosienmonofosfaat gekoppel. Die geaktiveerde aminosuur word aan die o-RNS gebind deur middel van 'n aminoasielbinding tussen die karboksielgroep van die aminosuur en die adenienbasis aan die "stingelkant" van die o-RNS. Die ensieme wat die reaksies kataliseer, naamlik die aminoasielo-RNS-sintetases, is spesifiek vir 'n bepaalde aminosuur. Die koppeling kan soos volg voorgestel word:

aminosuur + o-RNS + ATP ensiem

aminoasiel-o-RNS + AMP + PPi

Inisiasie

By bakterieë is daar 'n spesifieke o-RNS, N-formielmetioniel- o-RNS of o-RNS_F, wat die sintese aan die gang kry, Hierdie 0- RNS_F verbind met die AUG-kodon (die inisiasiekodon) op die b-RNS. Die kompleks is nou gereed om die aminosuurketting met die eerste inkomende aminosuur te begin.

Die AUG-kodon is nie altyd die inisiasie-kodon nie en kan ook funksioneer as kodon vir die aminosuur metionien. In die geval is 'n ander o-RNS betrokke. By hoër organismes is o-RNS nie betrokke nie. Hoewel baie van die translasieprosesse by eukariote in beginsel presies dieselfde is as by prokariote, is die sisteem, insluitende die inisiasie van translasie, in baie opsigte veel meer gekompliseerd.

Die groter hoeveelheid genetiese materiaal wat by eukariode betrokke is, noodsaak 'n ingewikkelder sisteem van beheer en organisasie. By eukariote is daar benewens die spesifieke o-RNS'e ook 'n hele reeks inisiasiefaktore betrokke. Hierdie faktore verseker onder meer dat proteïensintese op die regte plek begin.

Verlenging

Op die groot subeenhede van die ribosomale subpartikels is daar 2 bindingsplekke. Die eerste, die peptidiel-o-RNS-plek (P-plek), is 'n donorplek waar die reeds bestaande deel van die proteïenketting aan 'n o-RNS gekoppel is. Die tweede, die aminoasielplek (A-plek), is 'n akseptorposisie waar die volgende aminoasiel-o-RNS in posisie gebring word. Hierdie twee plekke is direk langs mekaar sodat die reeds bestaande deel van die aminosuurketting in die P-posisie van die o-RNS losgemaak en aan die nuwe aminosuur in die A-posisie gekoppel kan word.

Hierdie oordrag en binding verloop met behulp van die ensiem peptidieltransferase. Sodra die koppeling afgehandel is, is die o-RNS in die P-posisie oorbodig en maak dit plek vir die o-RNS in die A-posisie, wat nou die oorspronklike aminosuurketting plus een addisionele aminosuur bevat. Die A-posisie is nou weer beskikbaar vir die volgende aminoasiel-o-RNS, wat deur die volgende kodon op die b-RNS gespesifiseer word. Dit is voor die hand liggend dat die ribosoom tydens translasie oor die b-RNS moet beweeg ten einde elke keer 'n nuwe kodon in posisie te bring.

Hoe hierdie verskuiwing plaasvind, is nog nie duidelik nie en dit is selfs nie seker of dit die b-RNS of die ribosoom is wat vorentoe beweeg nie, Wat wel seker is, is dat die verskuiwing (translokasie) energie vereis. Hierdie energie word verskaf deur die gedeeltelike hidrolise van guanosientrifosfaat (GTP). Daar is ook spesifieke oordragfaktore by hierdie verskuiwingsreaksie betrokke. Die eukariotiese oordragfaktore is verskillend van die van bakterieë. Translokasie word soms met die spiersametrekkingsmeganisme vergelyk, aangesien spiersametrekking ook energie en spesifieke proteïene nodig het.

Beëindiging

Onder optimale omstandighede vind proteïensintese baie.vinnig plaas en 'n ketting van tot 400 aminosure kan binne 20 sekondes voltooi word. Gedurende hierdie tydperk neem die voltooide deel van die ketting reeds sover moontlik sy finale driedimensionele struktuur aan.

Die translasieproses word beëindig wanneer een van die drie spesifieke stopkodons (UAA, UAG of UGA) in die b-RNS in die A-posisie van die ribosoom beland. Die aminosuurketting moet nou van die o-RNS losgemaak word. Hierdie reaksie behels die hidrolise van die binding tussen die proteïen en die 0- RNS. Hiervoor is sekere spesiale vrylatingsfaktore nodig. Verskeie sulke faktore is reeds geïsoleer en daar is vasgestel dat die faktore hulle aan die A-posisie van die ribosoom kan bind. Op die manier "lees" die faktore waarskynlik die stopkodons. Die werking van die faktore is afhanklik van die aanwesigheid van GTP.

Vervoer

By prokariote kom die ribosome vry voor in die sitoplasma. Dit is ook die geval by enkele eukariotiese selle waar proteïensintese hoofsaaklik vir interne gebruik bedoel is, soos byvoorbee1d by retikulosiete. By die selle wat proteïene vir eksterne gebruik produseer, is die meeste ribosome membraangebonde. In eukariotiese selle is daar 'n ingewikkelde netwerk van membrane, die endoplasmatiese retikulum, waaraan die ribosome gebonde is. By die uitskeiding van die proteïene (sekresie) is 'n aparte selorgaan, die Golgiapparaat, betrokke. Proteïene word met behulp van Golgi-vesikels na die rand van die sel vervoer, waar dit met die selmembraan versmelt en die inhoud na buite afgee.

Beheer

Nie altyd dieselfde hoeveelheid is nodig van die verskillende proteïene wat in 'n set vervaardig kan word nie. Veranderde omstandighede kan die sintese noodsaak van proteïene wat normaalweg nooit in die sel voorkom nie. Alle inligting in die DNS word dus nie in dieselfde mate benut nie en 'n groot persentasie van die inligting word nooit gebruik nie. Laasgenoemde word geïllustreer deur veral die feit dat alle hoër organismes slegs 'n baie klein deel van die totale DNS gebruik vir die sintese van die nodige proteïene.

By sekere organismes word selfs net 5 % van die DNS gebruik. Die res van die DNS word waarskynlik nooit vir proteïensintese gebruik nie en is klaarblyklik onnodig vir die voortbestaan van die organisme. Dit is duidelik dat daar in die sel streng beheer oor proteïensintese uitgeoefen moet word om te verseker dat net die proteïene gemaak word wat werklik nodig is. By eukariote is hierdie beheer baie kompleks en bestaan dit waarskynlik uit 'n kombinasie van beheer op die transkripsie- en translasievlak van proteïensintese.

By die prokariote is daar nie 'n groot hoeveelheid onnodige DNS nie en is daar heelwat meer oor beheer bekend. Die belangrikste vlak van beheer is waarskynlik op die gebied van b-RNS-sintese (transkripsie). Die bes bestudeerde voorbeelde van beheer is die induksie van sekere ensieme by bakterieë. Sekere bakterieë produseer altyd glukoseafbrekende ensieme. Die ensieme is dus konstituerend. Wanneer die bakterieë gedwing word om te groei in 'n medium wat laktose in plaas van glukose bevat, is dit noodsaaklik dat daar ensieme gesintetiseer word wat laktose kan afbreek.

Die ensieme is normaalweg nie aanwesig nie, maar die sintese daarvan kan geïnduseer word en die ensieme is dan induktief. Die bakterieë besit dus wei die genetiese inligting om laktose-afbrekende ensieme te sintetiseer, maar normaalweg word nie daarvan gebruik gemaak nie. Om hierdie reguleringsmeganisme te verklaar, het Jacob en Monod die operon-model opgestel.

Laktose-operon

Jacob en Monod het aangeneem dat die verskillende gene wat vir die sintese van laktose-afbrekende ensieme nodig is, agter mekaar op die DNS gelokaliseer is. Die gene wat die kodes bevat vir die sintese van proteïene, word struktuurgene genoem.

Hierdie genetiese inligting word normaalweg nie gebruik nie omdat die plek van die RNS-polimerase, wat die b-RNS-sintese behartig, deur 'n proteïenrepressor geblokkeer is. Daar kan dus geen transkripsie (b-RNS-sintese) plaasvind nie en gevolglik word die ooreenstemmende proteïene nie gemaak nie. Die tipe beheer kan dus alle onnodige gene afskakel. Hierdie afskakeling kan permanent wees, maar dit kan ook in sekere gevalle, soos by die laktoseoperon, opgehef word.

In so 'n geval bind die laktose wat die sel binnekom, met die repressor sodat die nie langer in die RNS-polimerasebindingsplek kan bind nie. Die RNS-polimerase kan nou die struktuurgene vir die laktose-afbraak ensiem transkribeer en proteïensintese van stapel laat loop. Laktose funksioneer dus as 'n induktor en solank daar genoeg laktose is om die repressor te bind, word die nodige ensieme gemaak. Sodra die laktose verwyder word, word die transkripsie weer deur die repressor geblokkeer.

As gevolg van die kort leeftyd van bakteriële b-RNS sal die sintese van die ensieme ook gou stopgesit word. Die verskillende gene op die DNS wat by die induksiesisteem betrokke is, word die laktose-operon genoem. Die voorste operongeen kodeer vir die sintese van die repressor proteïen. Direk daarna volg die plek waar die RNS-polimerase bind (die promotorgeen) en direk daarlangs is die operatorgeen waar die repressor bind. Daarna volg die struktuurgene.

Histidien-operon

Dit blyk dat die algemene beginsels van die laktoseoperon ook op ander induseerbare ensiemsisteme by bakterieë toegepas kan word. Met geringe wysigings geld dit ook vir sisteme waar die genetiese inligting normaalweg nie onderdruk word nie, maar onder besondere omstandighede wel. 'n Voorbeeld van die tipe beheer is die histidien-operon in bakterieë. Wanneer bakterieë in 'n medium gekweek word wat min voedsel bevat.

Word die aminosuur histidien deur die bakterieë self met behulp van 10 verskillende ensieme geproduseer. Die inligting vir die sintese is geleë in die 10 opeenvolgende struktuurgene van die histidien-operon. Hierdie 10 gene word getranskribeer in een groot polisistroniese b-RNS. Wanneer histidien in die groeimedium aanwesig is, word die sintese van al 10 ensieme gelyktydig onderdruk. Die beheer staan bekend as gekoördineerde repressie.

Laboratoriumsintese

In die navorsing op proteïensintese was dit soms belangrik om kort nukleïensuurkettings te sintetiseer. By byvoorbeeld die ontrafeling van die genetiese kode is van sulke kunsmatige b-RNS'e gebruik gemaak. Sedertdien is daar nog baie vordering op die gebied van molekulêre biologie gemaak en dit is vandag veral op die gebied van genetiese boukunde of genetiese manipulasie waar dit van groot belang geword het om kunsmatige nukleïensuurkettings van 'n spesifieke basisvolgorde te kan sintetiseer. Ook die laboratoriumsintese van proteïene is vandag moontlik en die tegnieke kan toegepas word op gebiede soos die medisyne, die sintese van kunsmatige entstowwe, ensovoorts.

Proteïensintese

In 'n proteïen is die aminosure deur peptiedbindings aan mekaar gekoppel. So 'n peptiedbinding word gevorm wanneer koolstof aan die karboksielgroep van een aminosuur en stikstof aan die aminogroep van 'n ander aminosuur verbind word. Een molekule water word afgegee. Soos in die onderstaande reaksie aangedui word, word 'n dipeptied gevorm. Hierdie dipeptied kan met 'n volgende aminosuur reageer en 'n tripeptied vorm, en sodoende kan daar uiteindelik 'n polipeptied gesintetiseer word.

Een probleem by die laboratoriumsintese van 'n polipeptied is dat die opbrengs gewoonlik baie laag is. Vir 'n ketting van 100 aminosure moet 100 afsonderlike stappe uitgevoer word. Selfs al sou elke stap 'n opbrengs van 95 % lewer, bly daar na 100 sulke stappe 'n opbrengs van minder as 2,5 % oor. 'n Ander probleem is dat daar spesiale voorsorgmaatreëls getref moet word om te verseker dat die aminosure slegs op die voorgeskrewe manier koppel.

Wanneer aminosuur A met aminosuur B moet bind, moet die reaksie van A met A en B met B op een of ander manier verhinder word. Om die probleem te oorbrug, word al die reaktiewe groepe wat nie aan die reaksie mag deelneem nie, geblokkeer deur middel van beskermende groepe wat 'n reaksie aan die kant van die molekule onmoontlik maak. 'n Goeie voorbeeld van hierdie benadering is die Merrifield-sintese, waartydens die karboksielgroepend van die groeiende peptiedketting aan polistereen gebonde bly. Die ensiem RN-ase (ribonuklease). wat RNS afbreek, is op die manier kunsmatig vervaardig.

Polinukleotiede

Die laboratoriumsintese van polinukleotiede vind plaas met behulp van organiese en ensimatiese metodes. Van historiese belang is die ensiem polinukleotiedfosforilase, wat in 1955 ontdek is. Hierdie ensiem kataliseer deur 'n ewewigsreaksie in die intersellulêre afbraak van nukleïensure. In 'n proefbuis is dit moontlik om die ewewig na die anderkant te verskuif deur die nukleosied- difosfate (ADP, GDP, CDP en UDP) in groot konsentrasie aanwesig te hê.

In die reaksie word RNS gevorm In die laaste paar jaar is groot vordering gemaak met die in vitro sintese van DNS. 'n Volledige geen wat selfs die regulerende sekwense bevat, is in 1976 deur die Nobelpryswenner Har Gobind Khorana (geb. 1922) en medewerkers gesintetiseer. Die DNS-molekules wat vir die A- en B-ketting van menslike insulien kodeer, is ook reeds met behulp van chemiese metodes in vitro gesintetiseer. Rekombinasie van die DNS met die DNS van die bakterie Escherichia coli het dit moontlik gemaak om insulien in bakteriële selle te sintetiseer.

Die kunsmatige DNS bevat dus al die regte inligting. Die ensimatiese metodes om DNS te sintetiseer, behels die gebruik van 'n spesifieke ensiem, naamlik omgekeerde transkriptase, wat daartoe in staat is om 'n RNS-molekule in 'n DNS-molekule om te skakel. Konyn-betaglobien-b-RNS is op die manier gebruik vir die eerste volledige DNS-sintese met behulp van ensimatiese metodes.

Nukleïensuursekwensbepalings

Een van die belangrikste ontwikkelings op die gebied van molekulêre biologie is die groot vordering wat ten opsigte van nukleïensuursekwensbepalings gemaak is. Aanvanklik kon slegs die sekwense van die kleiner RNS-molekules soos die o-RNS'e bepaal word.

Hierdie molekules bevat slegs ongeveer 80 nukleotiede en tog het dit aanvanklik verskeie jare geduur om so 'n sekwensbepaling te doen. Vandag kan selfs lang DNS-sekwense met betreklik eenvoudige metodes bepaal word. Die tegniek wat veral bale gebruik word, is een wat deur Maxam en Gilbert ontwikkel is. Dit is die enigste metode wat direk op dubbeldraad-DNS toegepas kan word en dit stel navorsers daartoe in staat om 'n groot aantal basisvolgordes binne 'n enkele eksperiment te bepaal.

Groot DNS-molekules word eers "vereenvoudig" deur hulle met ensieme in kleiner stukke op te deel. Die wye toepassing van die tegniek het 'n kennisontploffing op die gebied van DNS-sekwense tot gevolg gehad en rekenaars word vandag gebruik om al die gegewens te berg wat van oral ingesamel word. 'n Variasie van die metode kan ook vir die bepaling van RNS-sekwense gebruik word.

Praktiese toepassing

Na al die groot deurbrake op die gebied van die molekulêre biologie in die jare sewentig is die stadium bereik dat verskillende aspekte op 'n praktiese manier toegepas kan word. Die belangrikste van hierdie toepassings is op die gebied van die genetiese boukunde ot manupilasie.

Met behulp van hierdie tegnieke is dit moontlik om die DNS-geen, wat die genetiese inligting vir die sintese van 'n bepaalde proteïen bevat, te kombineer met die DNS van 'n bakteriële sel wat nooit voorheen die inligting bevat het nie. Die sel kan nou hierdie "vreemde" proteïen sintetiseer. Op die manier kan bakterieë gebruik word om proteïene soos menslike insulien en groeihormoon te produseer, wat normaalweg net deur spesiale selle in die mens se liggaam geproduseer word. Eksperimente van die aard word streng beheer om te verseker dat geen nuwe ongewenste organismes geskep word nie.

Bronnelys

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409605, volume 19, bl. 142

Eksterne skakels

• Wikimedia Commons het meer media in die kategorie Molekulêre biologie.