Samenvatting week 1 (GZC I)

Deze samenvatting is gebaseerd op het studiejaar 2013-2014.

Hoorcollege 1

De cel is de kleinste organische eenheid in het lichaam en wordt afgesloten door een membraan. In de cel zitten verschillende organellen (bijvoorbeeld de celkern) met een eigen functie, die ook omhuld worden door een membraan. Door middel van aankleuren kunnen onder de microscoop de verschillende onderdelen van de cel en de aanwezige eiwitten duidelijker zichtbaar worden gemaakt. Cellen zijn heel dynamisch door eiwitten die dit veroorzaken.

De cel bestaat voor een groot gedeelte uit water en is een goed oplosmiddel voor polaire stoffen. De mens bestaat voor 70% uit water. Water verdrijft echter vet, een hydrofobe stof. De cel maakt gebruik van amfipathische/amfifiele stoffen, die aan de ene kant een polaire kop en aan de andere kant een apolair (hydrofobe) staart (vetzuur) hebben. . De amfipatsche stoffen kunnen met elkaar micellen vormen. Er ontstaat als het ware een bolletje doordat de apolaire staarten bij elkaar gaan zitten en de polaire koppen zich naar buiten keren. Deze gaan interacties aan met het water,

De opbouw van een membraan om de cel ziet er ongeveer hetzelfde uit. Zowel binnen als buiten de cel is een polaire omgeving waar de polaire koppen interacties mee aangaan. De koppen keren zich naar buiten en de apolaire staarten steken naar elkaar toe. Er ontstaat een dubbele laag. De cel communiceert met de buitenkant (extracellulaire ruimte) door middel van eiwitten die door de membranen heen steken. Het deel van het eiwit dat zich in het celmembraan bevindt is hydrofoob.

De cel bestaat naast 70% water uit chemische stoffen. Dit zijn voornamelijk eiwitten, DNA, RNA, lipiden en suikers. Deze stoffen bestaan uit subunits, die gepolymeriseerd worden en zo lange ketens vormen. Bij eiwitten bijvoorbeeld zijn de subunits de 20 aminozuren. Voor DNA en RNA zijn er 4 nucleotiden. De losse subunits worden met covalente bindingen aan elkaar gekoppeld. De ontstane ketens vormen een molecuul. De losse moleculen gaan ook een interactie met elkaar aan door middel van non-covalente bindingen.
Eiwitten
Een aminozuur bestaat uit een centraal C-atoom, een carboxylgroep en een aminogroep. Aan het centrale C-atoom zit een specifieke zijketen. Deze zijketens hebben een verschillend karakter, zoals hydrofoob, hydrofiel, zuur, base. Deze specificiteit van de zijketens zorgt uiteindelijk voor de eigenschappen van een eiwit. De aminozuurvolgorde is gecodeerd in het DNA. Het vormt de primaire structuur van een eiwit.

De aminozuren worden door peptidebindingen (covalente bindingen) aan elkaar gekoppeld. De peptidebinding is stijf en vlak, dus niet vrij draaibaar. Tussen de carboxylgroep en de aminogroep ontstaat namelijk een soort dubbele binding, doordat de ene kant iets positiever geladen is en de andere kant iets negatiever. De C=O en N-H groepen zijn vrijwel altijd in de trans positie.

Als we inzoomen op het eiwit zien we in de vorm een aantal simpele principes. Dit zijn α helici en β sheets. Zij vormen de secundaire structuur. Ook zwavelbruggen behoren tot de secundaire structuur van een eiwit. De α-helix is een rechts draaiende compacte structuur. De helix bestaat per winding uit 3.6 aminozuren. Alle C=O en N-H groepen uit de hoofdketen vormen waterstofbruggen. De waterstofbruggen worden altijd gevormd tussen een C=O en N-H groepen die vier residuen van elkaar verwijderd zijn. Door de gedraaide vorm wordt het water weggedrukt, omdat die ook de H-bruggen wil vormen. Aan de binnenkant van het eiwit zie je dan ook geen water.

Bij de β -pleated sheets is de hoofdketen vrijwel gestrekt en alle C=O en N-H groepen uit de hoofdketens vormen H-bruggen met elkaar.. De ketens kunnen parallel of antiparallel lopen. Verschillende α-helici en β-sheets worden met elkaar verbonden door loops.

De lange eiwitketen met de gevormde α-helici en β-sheets krijgt een specifieke vouwing en pas op dat moment is het eiwit functioneel. Deze specifieke vouwing wordt de tertiaire structuur van een eiwit genoemd. Deze specifieke vouwing wordt bepaalde door de restgroepen van het eiwit. De vouwing treedt op doordat er niet-covalente bindingen worden gevormd tussen verschillende restgroepen, bijvoorbeeld een ionbinding, Van der Waalsbinding, of waterstofbrug. De verschillende specifieke vormen die eiwitten krijgen dragen bij aan de functie. De tertiaire structuur van een eiwit is niet te voorspellen doordat er vaak chemische modificaties plaatsvinden.

De quaternaire structuur van een eiwit komt tot stand wanneer meerdere eiwitten een verbinding met elkaar aangaan. Zo ontstaat bijvoorbeeld homodimeer, gevormd uit twee dezelfde subunits of een hetrodimeer, gevormd uit twee verschillende subunits.

• Eiwitten zijn gemaakt om andere moleculen te binden. Voortdurend botsen de eiwitten en alleen met de moleculen waar een goede affiniteit mee is, bindt een eiwit. Dit moet wel heel snel, vandaar dat er geen covalente bindingen, maar niet-covalente bindingen (zwakke interacties) ontstaan. Elk eiwit heeft een bepaalde functie, een voorbeeld van een eiwit is een enzym. Enzymen hebben een katalytische werking. Chemische reacties verlopen tot een evenwicht. Enzymen versnellen de chemische reactie naar dit evenwicht door de omzetting van substraat in product te versnellen. Het evenwicht wordt bepaald door de wetten van de thermodynamica.

Voordelen van enzymen:

• De snelheid van de reactie wordt bepaald door overgangsenergie en enzymen verlagen de overgangsenergie. Dit gebeurt doordat het enzym bindt aan een substraat. De bindingsenergie die hierbij vrijkomt wordt gebruikt om de overgangsenergie te verlagen.

• Een enzym zorgt voor één specifiek product en er ontstaan dus minder bijproducten.

• Een enzym heeft een regulerende werking en kan zorgen voor een juiste volgorde van reacties.

Bij katalyse wordt een ongunstige toestand gunstig gemaakt. Voorbeeld: een enzym vervormt een substraat, zodat de reactie sneller verloopt. Een enzym kan er ook voor zorgen dat twee stoffen bij elkaar worden gebracht of dat de lading van een stof wordt veranderd zodat de reactie kan plaatsvinden.

Lysozym: een eiwit, ontdekt door Flemming, dat de polysachariden in de bacteriële celwand knipt. In het eiwit bevindt zich een groeve, waarin de aminozuren aspartaat en glutamaat zitten. Het polymeer van sachariden gaat in de groeve zitten en de groeve kan 6 suiker-residuen bezitten. Na het 4^e residue is er een knipplaats, precies bij glutamaat en aspartaat. Daarnaast is het residue 4 op D-positie vervormd. Vervolgens vindt katalyse plaats door het aspartaat en vervorming van D.
De reactie wordt beëindigd door water. Het enzym keert weert terug naar zijn oude staat. Een enzym is namelijk nooit onderdeel van de reactie en wordt dus nooit bij de reactie verbruikt.

Eiwitten zijn een belangrijk element van cellen, ze zijn dynamisch en hebben een bepaalde functie door specifieke structuren. De conformatie van een eiwit is flexibel. Eiwitten kunnen onder invloed van andere eiwitten, of omgeving ook van vorm veranderen. De zijketens van de 20 aminozuren zorgen voor de specifiteit van het eiwit. Nadat het eiwit gevouwen is treden er modificaties op. Een veelvoorkomende verandering is de toevoeging of afsplitsing van een fosfaatgroep. In dit geval kan een interactie met een ander eiwit al dan niet plaatsvinden. Het eiwit kan dus gereguleerd worden door modificatie. Het enzym kan aan- en uitgeschakeld worden. Proteïnekinase is een enzym dat een fosfaatgroep op een eiwit plaatst. Veel medicijnen tegen kanker zijn hiertegen gericht. Om het fosfaat weer weg te halen is fosfotase nodig. Onder invloed van energie treedt er een verandering in vorm van het eiwit op. Bij het verbreken van de fosfaatbinding komt energie vrij. Dit proces is fosforylering. GTPase is ook een enzym dat aan en uitgeschakeld kan worden door afsplitsing van een fosfaatgroep. Door de mogelijkheid enzymen aan en uit te schakelen kunnen er moleculaire motoren worden gevormd.
DNA bestaat uit vier basen, A, T, C en G. Tussen A-T en C-G worden waterstofbruggen gevormd. De dochtercellen moeten allebei alle genetische informatie krijgen. De DNA streng wordt gesplitst en tegenover de oorspronkelijke streng, template streng, wordt een nieuwe streng gevormd met behulp van het enzym DNA polymerase. De bouwsteen van het DNA heeft een polariteit. Er is een 5’groep en een 3’groep. De 3’-groep wordt verlengd. DNA strengen zijn antiparallel. Aangezien synthese altijd van de 5’ naar 3’ kant verloopt, krijg je een probleem bij de lagging strand. Dit wordt opgelost door losse stukjes (Okazaki fragments) te synthetiseren en deze later aan elkaar maken. De continue gesynthetiseerde streng wordt de leadingstrand genoemd. Een ander probleem is dat DNA-polymerase niet zomaar kan beginnen, dus moet je een RNA-primer gebruiken. Bij de lagging strand zijn dus meerdere primers nodig.

Transcriptie en translatie
Een RNA polymerase maakt van ribonuclotiden mRNA. mRNA neemt de code over van het DNA. In het cytoplasma vindt eiwitsynthese uiteindelijk plaats op de ribosomen. Hiervoor is tRNA nodig. Dit kan de code lezen van mRNA. Bij een bepaalde nucleotidevolgorde wordt een specifiek aminozuur aangemaakt. Er zijn veel tRNA moleculen die proberen te matchen met het mRNA, maar alleen als het codon past met het anticodon kan een binding gemaakt worden. De tRNA moleculen zijn gebonden aan het aminozuur dat past bij het codon waarop zij passen. De verschillende aminozuren die door tRNA worden aangevoerd worden met elkaar gekoppeld tot een lange aminozuurketen.

Interactief college

Het replicatieproces begint met het zoeken van een bepaalde volgorde van basen in het DNA, dat de replication origin wordt genoemd. Op dit punt grijpt het eiwit helicase aan om het dubbelstrengs DNA te ontwinden. Hierbij wordt ATP gebruikt. Menselijk DNA heeft meerdere replication origins. Hierdoor kan op meerdere plekken DNA replicatie op hetzelfde moment plaatsvinden, zodat het genoom binnen zeer korte tijd helemaal vermenigvuldigd is.

Na de ontwinding van de dubbele helix van het DNA vormt het eiwit primase een RNA-primer. Dit vormt een aangrijpingspunt voor DNA-polymerase. DNA polymerase wordt aan de DNA streng gehouden door een sliding clamp. Nu kan DNA-synthese beginnen. DNA synthese vindt plaats van de 5’ kant naar de 3’ kant. De C’atomen van het suikeratoom bepaalt of het een 3’ of 5’is (5’ is het 5^e C-atoom uiteinde, 3’ is het 3^e C-atoom uiteinde). De energie die vrijkomt bij hydrolyse van pyrofosfaat wordt gebruikt voor de vorming van een peptidebinding. Dit is de reden dat er altijd van de 5’ naar de 3’ kant wordt gesynthetiseerd. Als je namelijk van de 3’ naar de 5’ kant gaat synthetiseren en vervolgens een fout tegenkomt bij proofreading wordt ook de fosfaatgroep weggehaald. Op deze manier kan je niet opnieuw een peptidebinding maken.

Doordat de DNA synthese alleen plaatsvindt van de 5’ kant naar de 3’ kant, kan een deel van de DNA-streng niet aan één stuk door gesynthetiseerd worden. Deze streng wordt de lagging-strand genoemd. Het deel van het DNA dat continu gesynthetiseerd wordt, wordt de leading-strand genoemd.

Beschadigingen in het DNA die ontstaan tijdens de replicatie worden gerepareerd tijdens proofreading. Dit wordt gedaan door DNA-polymerase. Voordat deze een nieuwe base aankoppeld, controleert het eiwit of de vorige base klopt. Zo niet, dan wordt de base verwijderd en wordt de goede base ingebouwd. DNA-polymerase gebruikt voor proofreading een ander deel van zijn structuur dan voor de DNA-synthese.
Wanneer een fout niet gerepareerd is tijdens proofreading, kan deze gerepareerd worden door mis-match-repair. Tijdens dit proces wordt de fout herkend, de fout wordt verwijderd, de goede base wordt ingebouwd en als laatste wordt de opening gedicht door ligase. Het is wel van belang dat de laats gesynthetiseerde DNA-streng wordt herkend, zodat de foute base wordt verwijderd. Dit gaat waarschijnlijk aan de hand van zogenaamde ‘nicks’ die alleen in de laatst gesynthetiseerde streng voorkomen.

Bij mismatch repair is een speciale set van eiwitten nodig voor het herstel van correcte baseparing in het DNA. Bij HNPCC (Hereditary Nonpolyposis Colon Cancer) is er iets mis met één van de mismatch repair eiwitten. Dit kan leiden tot kanker. De diagnose voor een defect mismatch repair systeem is micro-satelliet instabiliteit. Een fout in een mis-match-repair eiwit kan worden vastgesteld door te kijken naar de lengte van het DNA. Wanneer dit tussen verschillende cellen varieert is er een fout aanwezig. Het extra ingebouwde codon dat tijdens backward slippage wordt ingebouwd, wordt namelijk niet meer herkend en verwijderd.
 

Depurinatie: nucleotiden vallen weg.
 

Deanimering: veranderde basen door afsplitsing van een aminogroep.

Pyrimidine dimeren: Er ontstaat een binding tussen twee aangrenzende pyrimidine dimeren (T/U/C) onder invloed van UV-straling.

NER pathway

Het repareren van het DNA verloopt in zes stappen:

• Het beschadigde deel wordt herkend

• Aan beide kanten wordt een incisie gemaakt

• De reeks nucleotiden wordt verwijderd

• Een nieuw stuk wordt erin gezet en vastgeplakt

• De opening wordt weer gesloten

Wanneer er een dubbele breuk in het DNA optreedt, kan deze op twee manieren worden gerepareerd. Wanneer de fout tijdens de replicatie optreedt wordt deze aan de hand van de nog aanwezige goede DNA-strengen gerepareerd. De fout wordt op deze manier volledig hersteld. Wanneer er geen tweede DNA-paar aanwezig is, worden de gebroken DNA-strengen gewoon aan elkaar gekoppeld. Dit kan leiden tot mutaties.

Xeroderma Pigmentosum
Bij Xeroderma Pigmentosum is sprake van een extreme overgevoeligheid voor UV-licht (zonlicht). Als men Xeroderma Pigmentosum heeft, mist een gen voor de aanmaak van een van de eiwitten (nuclease) die een rol spelen bij de NER pathway. Er zijn 7 varianten en bij ieder mist de patiënt één of meer eiwitten van de NER pathway. Doordat de DNA reparatie niet goed verloopt, blijven de cellen beschadigd. Als dit in oncogenen of tumor supressor genen gebeurt, ontstaan er gezwellen.

Mutaties in genen die coderen voor eiwitten bij regulatie van de celdeling leiden tot kanker. De kans op kanker neemt toe naarmate je ouder wordt.

Hoofdstuk A: Bouwstenen van een cel

Levende cellen volgen dezelfde natuur- en scheikundige wetten als niet-levende dingen. De chemie van levende cellen heeft echter wel een aantal karakteristieke kenmerken. Allereerst zijn stoffen en reacties grotendeels gebaseerd op koolstofverbindingen, wat bekend staat als organische chemie. Daarnaast vinden deze reacties voornamelijk plaats in een waterige omgeving en in een smal bereik van temperaturen. Bovendien is deze organische chemie zeer complex. Polymeren, een ketting van aaneengeschakelde eenheden, hebben hierbij een centrale rol. De unieke eigenschappen van deze polymeren stellen de cel tot vele processen in staat. Ten slotte is de manier waarop alle reacties gereguleerd worden een zeer streng en precies proces, dat met behulp van verschillende mechanismen wordt uitgevoerd door de cel.

Chemische verbindingen

Stoffen zijn opgebouwd uit verschillende elementen. Dit zijn de stoffen die niet afgebroken of veranderd kunnen worden met behulp van chemische reacties. Atomen zijn de kleinste eenheden van een chemisch element die hun karakteristieke chemische eigenschappen behouden. Atomen bevatten verschillende deeltjes. In de atoomkern zijn positief geladen protonen en neutraal geladen neutronen te vinden. Om de kern draait een wolk van negatieve deeltjes, elektronen. Het aantal protonen in de kern is gelijk aan het aantal elektronen dat rond de kern draait. Dit aantal protonen is bepalend voor het atoomnummer en het element. Waterstof heeft bijvoorbeeld maar een enkele proton, en heeft daarom atoomnummer 1. De elektrische lading van een proton is precies gelijk, maar tegengesteld aan de elektrische lading van een elektron. Omdat een atoom evenveel protonen als elektronen bevat, is het atoom zelf elektrisch neutraal. De neutronen in de kern zijn belangrijk voor de stabiliteit van de kern. Isotopen van een element bevatten hetzelfde aantal protonen, maar een ander aantal neutronen.

Levende organismen zijn opgebouwd uit een beperkt aantal elementen. 96,5% van hun massa bestaat uit koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N) en zuurstof (O).

De eigenschappen van een atoom worden bepaald door de rangschikking van elektronen. Elektronen draaien in specifieke schillen om de atoomkern heen, die elk een bepaald aantal elektronen kunnen bevatten. De elektronen willen zich zo dicht mogelijk bij de (positief geladen) kern bevinden, dus de schillen worden van binnen naar buiten gevuld. Een atoom is het meest stabiel als zijn buitenste elektronenschillen compleet gevuld is met elektronen, en als deze elektronen zich in hun laagste energieniveau bevinden.

Elektronen in incomplete schillen zorgen ervoor dat atomen interacties aan kunnen gaan met andere atomen. Stoffen bestaande uit meerdere atomen worden moleculen genoemd. Hierdoor kunnen twee soorten bindingen ontstaan: ion bindingen, waarbij elektronen worden overgedragen, en covalente bindingen, waarbij atomen een elektron met elkaar delen. Soms trekt het ene atoom harder aan het gedeelde elektronenpaar dan het andere atoom. Hierdoor wordt het ene atoom negatiever dan het andere. Dit heet een polaire covalente binding.

Als een elektron zich van een atoom naar een andere verplaatst, worden twee ionen gegenereerd, met tegengestelde ladingen. Het aantal elektronen dat een atoom kan op nemen of kan afstaan verschilt per element. Als twee ionen met tegengestelde lading bij elkaar komen, trekken ze elkaar aan en vormen ze een ion binding. Dit is een vorm van elektrostatische aantrekkingskracht. Stoffen die bij elkaar worden gehouden door ion bindingen, noemen we zouten.

Bij een covalente binding wordt een paar elektronen gedeeld door twee atomen. Er ontstaat een molecuul. Sommige stoffen kunnen meer dan één covalente binding vormen, waaronder C, O, S, N en P, omdat er meer elektronen in de buitenste schil beschikbaar zijn. Zuurstof kan bijvoorbeeld maximaal twee covalente bindingen vormen en koolstof vier. Deze bindingen worden met specifieke hoeken ten opzichte van elkaar gevormd, wat de ruimtelijke structuur van een molecuul karakteriseert.

Bij een enkele covalente binding kunnen atomen vaak relatief makkelijk ten opzichte van elkaar draaien op de bindingsassen. Een dubbele binding tussen twee atomen is zeer beperkend voor bewegingsvrijheid in een driedimensionaal vlak.

In een watermolecuul worden twee H’s en een O door middel van covalente bindingen met elkaar verbonden. De O trekt echter harder aan elektronen dan de H’s, waardoor een kleine polariteit ontstaat. Stoffen met polaire bindingen en ionen worden daarom door watermoleculen aangetrokken. Dit zijn hydrofiele stoffen, die goed oplosbaar zijn in water. Hydrofobe stoffen zijn neutraal geladen en kunnen niet oplossen in water.
Bepaalde polaire moleculen kunnen in water zuren of basen vormen door een proton (H⁺) af te staan of op te nemen.

Moleculen in cellen

Koolstof kan vier covalente bindingen vormen en is daarom zeer geschikt om grote moleculen mee te vormen. Koolstofverbindingen die in cellen worden gemaakt zijn organische moleculen. Alle andere moleculen zijn anorganisch. De belangrijkste groepen van kleine organische moleculen zijn de suikers, aminozuren, vetzuren en nucleotiden.

• Suikers (monosachariden) zijn de belangrijkste bron van chemische energie in de cellen, maar worden ook gebruikt als bouwstof. Zij kunnen opgeslagen worden in de vorm van polysachariden. Door een condensatiereactie kunnen monosacharide aan elkaar worden gekoppeld tot polysacharide.

• Vetzuren zijn ook belangrijk bij de energieopslag, maar dienen voornamelijk als bouwstof voor celmembranen. Een vetzuur bestaat uit een lange hydrofobe staart en een hydrofiele kop.

• Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten, en worden hierbij als ketting aan elkaar gebonden. Vervolgens worden zij in een ruimtelijke structuur in elkaar gevouwen om tot een specifieke functie te dienen.

• Nucleotiden zijn de bouwstenen van DNA en RNA, en coderen voor de erfelijke eigenschappen van het organisme. Er zijn verschillende nucleotide basen. Cytosine (C), thymine (T), adenine (A) en guanine (G) zijn de basen waaruit DNA wordt opgebouwd. Uracil (U) zit op de plaats van thymine in RNA. De basenparen in DNA zijn G-C en A-T, bij RNA zijn dit G-C en A-U.

Daarnaast zijn nucleotiden essentieel bij energietransport. Het ribonucleotide adenosine trifosfaat, ATP, speelt een rol bij het vervoeren van energie bij honderden reacties in de cel.

Macromoleculen

Macromoleculen zijn polymeren die ontstaan door condensatiereacties tussen monomeren. Voorbeelden van macromoleculen zijn eiwitten, DNA, RNA, lipiden en polysacharide. Enkele covalente bindingen geven de keten een grote flexibiliteit, waardoor veel verschillende vormen aangenomen kunnen worden. De volgorde van de zogenaamde subunits bepaalt de exacte vorm van het macromolecuul, doordat deze subunits interacties met elkaar aan gaan. Dit gebeurt door middel van niet-covalente bindingen: elektrostatische verbindingen, waterstofbruggen en Van der Waals krachten. De laatstgenoemde krachten ontstaan spontaan tussen moleculen, en zijn groter tussen moleculen met een grotere massa. Niet-covalente bindingen zijn over het algemeen zeer zwak, maar opgeteld kunnen zij een grote aantrekkingskracht tussen (delen van) moleculen creëren. Bij DNA zorgen interacties tussen de individuele basen voor de karakteristieke dubbele helix. Eiwitten worden door interacties tussen de aminozuren in specifieke vormen gevouwen, waardoor ze een specifieke functie krijgen. Ook kunnen eiwitten door niet-covalente bindingen naar elkaar getrokken worden, waardoor eiwitcomplexen ontstaan.

Hoofdstuk B Functie en structuur van eiwitten

Chemisch gezien hebben eiwitten een ingewikkelde structuur en erg verfijnde functies. Eiwitten zijn opgebouwd uit een lange keten aminozuren. Er zijn 20 verschillende aminozuren. Aminozuren zijn met elkaar verbonden door middel van een covalente peptidenbinding. Eiwitten worden daarom ook wel polipeptiden genoemd. Elk type eiwit heeft zijn eigen aminozuur volgorde, die bepalend is voor de uiteindelijke vorm van het eiwit

Een polypeptide bestaat uit een keten van aaneengekoppelde aminozuren. De specifieke zijgroepen van de aminozuren steken uit de keten. Deze zijgroepen kunnen hydrofiel of hydrofoob zijn, negatief of positief geladen of bijvoorbeeld chemisch reactief zijn. De zijgroep bepaald de specifieke eigenschappen van het aminozuur.

Lange peptidenketens zijn erg flexibel en kunnen dus op veel manieren vouwen. De gevouwen structuur van een eiwit wordt in stand gehouden door niet-covalente interacties tussen verschillende delen van de peptidenketen (waterstofbruggen, elektrostatische krachten en van der Waals bindingen). Ook hydrofobe/hydrofiele interacties spelen een rol. De hydrofobe zijgroepen van aminozuren draaien zo ver mogelijk van de waterige omgeving af en dus het eiwit in. De hydrofiele zijgroepen draaien juist naar de waterige omgeving toe of vormen waterstofbruggen met elkaar. Elk eiwit creëert op deze manier een eigen driedimensionale structuur. De niet-covalente bindingen zijn over het algemeen zwak, maar door de combinatie van vele niet-covalente bindingen kan toch een stabiele structuur ontstaan.

De driedimensionale structuur van een eiwit wordt dus bepaald door zijn aminozuurvolgorde. Als laatste heeft ook de energietoestand van het eiwit invloed. Een eiwit zal in die vorm gevouwen worden waarbij de vrije energie het laagst is.

Zie afbeelding 1

In een cel komen bepaalde eiwitten, moleculaire chaperones, voor. Moleculaire chaperones helpen gedeeltelijk gevouwen eiwitten verder te vouwen tot de meest gunstige driedimensionale structuur. Zij maken het proces efficiënter en betrouwbaarder.

Wanneer de driedimensionale structuur van verschillende eiwitten met elkaar vergeleken wordt, valt het op dat er twee vouwpatronen vaak voorkomen, de α-helix en de β-sheet. Deze vouwpatronen ontstaan door waterstofbruggen tussen de N-H en C=O groepen van de backbone (zijgroepen zijn hierbij niet betrokken).

α-helices zijn rechtsdraaiende of linksdraaiende spiraalvormige eiwitketens (zie afbeelding), waarbij waterstofbruggen tussen aminozuren zorgen voor de spiraalvorm. Elke NH-groep van de peptideketen is verbonden met de C=O-groep van dezelfde keten, maar dan 4 aminozuren verder. Er zijn totaal 3,6 aminozuren oer draai. De zijgroepen van de aminozuren komen aan de buitenkant van de helix te liggen. Soms draaien meerdere helices in elkaar, er ontstaat dan een stevige structuur. Dit wordt coiled-coil genoemd.

β-sheets zijn vlakken, bestaande uit ketens van aminozuren die bij elkaar worden gehouden door waterstofbruggen (de bruggen vinden dus plaats tussen de naast elkaar gelegen delen van de keten). De hoofdketen is hierbij vrijwel gestrekt en de zijgroepen bevinden zich zowel aan de binnen- als aan de buitenkant. Er bestaan parallelle β sheets en antiparallelle β-sheets. In de afbeelding is (A) antiparallel en (B) parallel.

Zie afbeelding 2

De primaire structuur van een eiwit is de aminozuurvolgorde. De secundaire structuur zijn de α-helices en β-sheets. De tertiaire structuur is de driedimensionale vorm van een heel polipeptidenketen. Hierbij horen zowel α-helices, als β-sheets, als andere gevormde structuren. Wanneer er meerdere polipeptidenketens samen een eiwitcomplex vormen, wordt dit de quaternaire structuur genoemd.

In theorie zijn er oneindig veel verschillende polypeptideketens mogelijk, maar deze komen niet allemaal in de cellen voor. Een polypeptide keten die n aminozuren lang is, heeft 20ⁿ mogelijke aminozuurvolgordes. Toch zal maar een klein deel van de mogelijke polypeptideketens vormen tot een stabiele driedimensionale structuur. De eiwitten die niet functioneel of stabiel waren, zijn door natuurlijke selectie geëlimineerd.

Eiwitfamilies zijn groepen eiwitten die qua aminozuurvolgorde en driedimensionale structuur op elkaar lijken. Kleine verschillen in structuur zorgen er echter voor dat verschillende ‘familieleden’ verschillende functies in het lichaam hebben.

Sommige eiwitten zijn opgebouwd uit meerdere polipeptidenketens. Elke polipeptideketen in zo’n eiwit wordt een subunit genoemd. De interactie tussen de subunits vindt plaats door non-covalente bindingen. De plaats van interactie op het eiwit noemen we de bindingsite. Ook kunnen verschillende eiwitten aan elkaar gekoppeld worden. Virussen en ribosomen zijn bijvoorbeeld opgebouwd uit één of meerdere soorten eiwitten plus RNA of DNA-moleculen.

Globular proteins: eiwitten waarvan de polipeptidenketen zich opvouwt, zodat er een compact geheel (soort van bal) ontstaat met een onregelmatig oppervlak.

Fibrous proteins: eiwitten met een relatief simpele, langwerpige drie dimensionale structuur. Deze bevinden zich vaak buiten de cel, waar zij een extracellulaire matrix vormen, die cellen van weefsels aan elkaar helpt te binden.

Elk eiwit bindt aan een specifiek molecuul. De K_M geeft de sterkte van deze binding weer. Hoe lager de K_M hoe sterker de binding. Een molecuul dat aan een eiwit gebonden is noemen we een ligand. De binding tussen ligand en eiwit bestaat uit non-covalente bindingen. Om de binding zo sterk mogelijk te maken moet het contactoppervlak tussen ligand en eiwit zo groot mogelijk zijn. De ligand en het eiwit moeten dus precies op elkaar passen. De plaats waar de ligand en het eiwit binden wordt bindingsite genoemd.

Enzymen katalyseren de chemische reacties die in de cel plaatsvinden. Zij binden aan een of meer liganden (ook wel substraten genoemd) en zetten deze om in een product. Enzymen versnellen reacties door het verlagen de activatie-energie. Zij worden hierbij zelf niet verbruikt of veranderd. Elk enzym is specifiek voor een bepaald substraat en een bepaalde reactie.

Regulatie van eiwitten

De expressie van eiwitten kan op verschillende niveaus geregeld worden. Ten eerste kan de cel beheren welk eiwit wordt gesynthetiseerd door te reguleren welke genen tot expressie komen. Daarnaast kan de expressie van een eiwit geregeld worden door het eiwit aan of uit te zetten. Het aan of uitzetten van een eiwit kan op verschillende manieren.

De activiteit van eiwitten wordt vaak geregeld door de binding van andere moleculen. Hiervoor heeft het enzym twee bindingssites. Eén voor het substraat en één voor het regulerende molecuul. Binding van een regulerend molecuul zorgt voor een vormverandering van het eiwit, waardoor het actief of juist inactief wordt. De meeste enzymen zijn allosterische eiwitten. Een allosterisch eiwit is een eiwit dat twee of meer verschillende vormen aan kan nemen en door te wisselen tussen deze twee vormen ‘aan’ of ‘uit’ gezet kan worden.

Een van de meest voorkomende vormen van regulatie door moleculen is feedback inhibition: een enzym in het begin van een reactieketen wordt geremd door een product aan het eind van de reactieketen (negatieve terugkoppeling). De binding van de inhibitor aan het enzym veroorzaakt een vormverandering van het actieve centrum, waardoor substraat moleculen niet meer kunnen binden. Het enzym staat ‘uit’. Er kan ook een positieve terugkoppeling plaatsvinden. Hierbij wordt de enzymactiviteit gestimuleerd door een bepaald product uit de reactieketen.

Een andere manier van enzymregulatie vindt plaats door het binden of het afsplitsen van een fosfaatgroep. Omdat een fosfaatgroep negatief geladen is, zorgt koppeling/afsplitsing voor een grote conformatie verandering, Dit proces vindt op twee manieren plaats:

• Reversible protein phosphorylation: door het binden/afsplitsen van een fosfaatgroep aan de zijketen van het eiwit, wordt het eiwit inactief/actief gemaakt. Dit proces gebeurt door omzetting van ATP in ADP. Kinase koppelt een fosfaatgroep aan het eiwit. fosfatase koppelt een fosforgroep van het eiwit af.

GTP-bindend eiwit (trifosfaat): Door de hydrolyse van GTP ontstaat GDP (difosfaat) en een losse fosfaatgroep. Het eiwit is inactief. Door GDP van het eiwit te vervangen door GTP wordt het eiwit weer actief gemaakt.

Motor proteins: eiwitten wiens hoofdfunctie het in beweging brengen van andere moleculen is.

Een eiwit kan zich voortbeweging door een serie van vormveranderingen te ondergaan. Wanneer deze veranderingen niet gereguleerd worden zal het eiwit willekeurig bewegen. Om het eiwit vooruit te laten bewegen moet er voor gezorgd worden dat het eiwit niet achteruit kan. Dit gebeurt door de vormveranderingen van het eiwit te koppelen aan de hydrolyse van een ATP molecuul dat aan het eiwit gebonden is. (om achteruit te kunnen bewegen zal het eiwit nu een fosfaatmolecuul moeten binden aan ADP om ATP te vormen. Dit is erg onwaarschijnlijk)

Protein machines bestaan uit een samenstel van meerdere allosterische eiwitten. Zij kunnen complexe cellulaire functies efficiënt uitoefenen als gevolg van gecoördineerde vormveranderingen.

Hoofdstuk C DNA en chromosomen

De complete erfelijke informatie in het DNA van een organisme noemen we het genoom. Deze informatie wordt gekopieerd en verzonden van cel naar dochtercellen. In de celkern bevinden zich chromosomen (chroma=kleur), die bestaan uit DNA en eiwitten. De eiwitten fungeren als verpakking en houden de lange DNA strengen bij elkaar. DNA bestaat uit twee lange polynucleotide kettingen, opgebouwd uit vier soorten nucleotiden. De twee DNA strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen de baseparen A-T en C-G.

Een nucleotide bestaat uit een vijf-C-atomig suikermolecuul, één of meer fosfaatgroepen en een base. De nucleotiden van DNA zijn opgebouwd uit het suiker desoxyribose, één fosfaatgroep en een base: adenine, thymine, cytosine of guanine). De fosfaatgroep en de hydroxylgroep aan het 5^e C-atoom van het suikermolecuul vormen door (covalente) peptidebindingen de ruggengraat van de DNA-streng. Er ontstaat een backbone met afwisselend suiker-fosfaat-suiker-fosfaat. Deze manier van binden geeft de DNA-strand een chemische polariteit, doordat het ene eind een hydroxylgroep (3’end) bevat en het andere eind een fosfaatgroep (5’end). De twee DNA strengen zijn antiparallel, zodat een nucleotide waterstofbruggen kan vormen met zijn tegenhanger (A-T, C-G). Er ontstaat een dubbele helix met alle basen aan de binnenkant en de backbone aan de buitenkant.

De opeenvolging van nucleotiden in een gen bepaalt uiteindelijk de aaneenschakeling van de aminozuren (subunits) in eiwitten. Het proces waarbij een gen tot uitdrukking komt in de cel heet genexpressie. Dit komt tot stand door transcriptie en translatie.
Structuur van eukaryotische chromosomen
In eukaryotische (=met celkern) cellen worden de lange DNA strengen verpakt in chromosomen. Het DNA wordt door gespecialiseerde eiwitten zo verpakt dat alle eiwitten die zorgen voor replicatie, herstel en genexpressie er nog toegang tot hebben. Het menselijk genoom bevat ongeveer 3,2 miljard nucleotiden die zijn verdeeld over 24 chromosomen.

Genoom: Alle erfelijke informatie op de chromosomen van een organisme.

Chromatine: Het complex van DNA en eiwitten.

Behalve de geslachtscellen en zeer gespecialiseerde cellen, die geen DNA bevatten, bevatten alle menselijke cellen twee kopieën van elk chromosoom. Eén afkomstig van de vader en één afkomstig van de moeder. Deze chromosoomparen worden homologe chromosomen genoemd. Alleen de geslachtschromosomen zijn niet homoloog bij mannen (namelijk een X- en Y-chromosoom). .

Karyotype: weergave van alle 46 chromosomen.

Een bepaald gen op een chromosoom bepaalt uiteindelijk welk eiwit (of eiwitten die op elkaar lijken) worden gemaakt. Daarnaast reguleren sommigen genen de productie van RNA als eindproduct, in plaats van een eiwit. De mens heeft ongeveer 25000 genen, omdat het zo’n gecompliceerd organisme is. Naast die genen bestaan veel eukaryotische chromosomen uit zogenaamd “junk DNA”. Dit DNA draagt niet bepaalde informatie bij zich die leidt tot genexpressie.

Om een celdeling succesvol te laten verlopen, moet DNA in staat zijn om gekopieerd en verdeeld te worden, zodat er twee dochtercellen met goed functionerende chromosomen ontstaan. Dit gebeurt in fases in de celcyclus. Tijdens de interfase worden de chromosomen verdubbeld en tijdens de mitose worden ze overgedragen naar twee dochtercelkernen. Het DNA wordt zeer snel gerepliceerd, doordat op verschillende locaties DNA-replicatie kan starten, De replicatie kan starten bij de replication origin, gecodeerd door een bepaalde nucleotide volgorde. Telomeren worden gecodeerd door een andere herhalende nucleotide volgorde. Zij vormen de twee uiteinden van een chromosoom. Telomeren zorgen ervoor dat de uiteinden van chromosomen goed worden gerepliceerd en dat zij niet worden aangezien als een fout of als een kapot DNA molecuul. Tijdens de M-fase krijgt het DNA een compacte structuur die het mogelijk maakt het DNA onder de microscoop te bekijken. Het centromeer is het punt waar de twee ontstane armen na verdubbeling nog bij elkaar blijven.

De celkern wordt omgeven door een kernomhulsel (nuclear envelope) dat bestaat uit een dubbel membraan en het nuclear limina (= netwerk van eiwitvezels die een dunne laag onder het binnenste kernmembraan vormen). Het kernomhulsel bevat poriën die moleculen de cel in en uit transporteren. De chromosomen raken niet in elkaar verstrikt, omdat ze bepaalde regio’s bezetten in de kern en op bepaalde plekken aan het kernomhulsel of aan het nuclear lamina vastzitten. Nucleolus: De plaats waar de genen die coderen voor ribosomaal RNA op de chromosomen bij elkaar komen. Hierlangs wordt ribosomaal RNA gesynthetiseerd en gekoppeld aan eiwitten om ribosomen te vormen.
DNA wordt zeer dicht op elkaar gepakt in chromosomen. Tijdens mitose is de lengte van een chromosoom 10.000 keer compacter dan in uitgestrekte vorm. Dit komt door eiwitten die het DNA zeer georganiseerd opwinden en vouwen.

De eiwitten die aan het DNA binden om chromosomen te vormen worden opgedeeld in twee groepen: histonen en niet-histonen eiwitten. Histonen zijn fundamenteel voor het eerste niveau compactheid van chromatine: de nucleosomen. Het chromatin, bestaand uit histonen en DNA, kan dan worden gezien als een draad met kralen. Een nucleosoom (de kraal) bestaat uit acht histonen (2 moleculen van H2A,H2B,H3 en H4) en het dubbelstrengs DNA (147 nucleotideparen) dat om de histone octamer is gewonden. Dit stukje DNA noemen we het linker DNA. De nucleosomen vormen het eerste niveau van compactheid van chromatine.
Alle vier de histonen zijn kleine eiwitten met een grote hoeveelheid positief geladen aminozuren (lysine en arginine). Deze zorgen voor een stevige binding met de negatief geladen ruggengraat van DNA. De histonen hebben daarnaast een N-staart, die uit de nucleosomen steekt. Deze zijn onderhevig aan verschillende covalente chemische veranderingen die de chromatine structuur regelen. De histonen zijn in de evolutie zeer onveranderd gebleven en daarmee wordt de belangrijke rol ervan voor de chromosoom structuur aangetoond.
De nucleosomen blijven niet in uitgestrekte vorm, maar krijgen een compactere vorm: de30-nm vezel (30nm fiber). Hiervoor is een vijfde histone nodig, genaamd H1, die de nucleosomen samenbrengt in een zich regelmatig herhalende rij. De compacte streng van lussen van de 30-nm fiber ondergaat nog minstens één opstapeling meer om een mitotische chromosoom te vormen.
 

Regulatie van de chromosoomstructuur

Eukaryotische cellen kunnen op verschillende manieren snel de structuur van de chromatine aanpassen om de benodigde erfelijke informatie vrij te geven of delen van het chromosoom bereikbaar te maken voor eiwitten. Eén manier is chromatin-remodeling complexes. Deze eiwitmachine gebruikt de energie van ATP hydrolyse om de positie van DNA om de nucleosomen te veranderen. Het DNA wordt om de histoonkern heen geduwd en door die verplaatsing kan de informatie makkelijker bereikt worden. Tijdens mitose is een deel van dit systeem uitgeschakeld, zodat het DNA juist wel strak om de histonen heen gewikkeld is.

Een andere manier om de chromatinestructuur aan te passen is afhankelijk van de omkeerbare chemische verandering van de histonen. De staarten van de vier histonen zijn hierbij erg belangrijk. Er kunnen acetyl, fosfaat, of methylgroepen aan toegevoegd en verwijderd worden door enzymen in de kern. Deze veranderingen hebben met name effect op de stabiliteit van de 30-nm chromatine fiber.
Deze veranderingen geven de histone tails de mogelijkheid om specifieke eiwitten te binden en zo te zorgen voor een bepaalde strekking van de chromatine. Verschillende veranderingen van de histonenstaart trekken verschillende eiwitten aan. Sommige daarvan zorgen voor verdere condensatie van de chromatine, andere krijgen toegang tot het DNA door decondensatie van de chromatine. Verschillende combinaties van staartveranderingen hebben dus verschillende betekenissen voor de cel. De enzymen die de histone tails wijzigen worden naar een specifieke regio van de chromatine gebracht en ze werken samen met de chromatin-remodeling complexes.

De plaatselijke verandering van de chromatine structuur heeft effect op de structuur van de chromosomen tijdens de interfase. Locaties op het chromosoom waar genen tot uiting komen worden meer uitgerekt. Dus de gedetailleerde structuur van de chromosomen in de interfase kan verschillen tussen cellen.

De meest opeengepakte vorm van chromatine wordt heterochromatine genoemd. Heterochromatine komt voor bij de telomeren en het centroom van een chromosoom. Deze zeer compacte structuur wordt veroorzaakt door veranderingen in de histonenstaarten. Het meeste DNA dat permanent gevouwen is in heterochromatine bevat geen genen. Heterochromatine is namelijk zo compact dat genen die zich daar zouden bevinden niet tot expressie komen. Wanneer heterochromatine voorkomt op andere plaatsen op het chromosoom, zou het ziektes kunnen veroorzaken.

De rest van het chromatin in de interfase wordt euchromatine genoemd. Dit is een meer uitgerekte vorm, waarop wel genen liggen die tot expressie komen. Zowel euchromatine als heterochromatine komen voort uit een mix van verschillende chromatinestructuren, veroorzaakt door verschillende histonenstaarten die bepaalde non-histonen aantrekken.
 

Wanneer een cel het genoom repliceert, ontvangt elke dochter DNA-helix de helft van de histooneiwitten van de ouders waarin ook covalente veranderingen zitten. Elk dochterchromosoom zal een mix bevatten van het oude chromosoom en van nieuw gesynthetiseerde histonen die nog niet zijn veranderd. Bepaalde eiwitten die de oude histonen herkennen, binden en veroorzaken dezelfde veranderingen in de nieuwe histonen. Hierdoor wordt de oude chromatinstructuur hersteld. Dit is een vorm van epigenetische erfelijkheid.
 

Hoofdstuk D: DNA replicatie en herstel

De beide strengen van de dubbele helix van het DNA bevatten een nucleotidevolgorde die complementair is aan de nucleotidevolgorde van de andere streng. Als we de ene streng A noemen en de andere streng B, vormt streng A een template streng voor streng B, en andersom. Bij replicatie van streng A ontstaat een nieuwe streng B en bij replicatie van streng B ontstaat een nieuwe streng A. Een streng die gebruikt wordt voor replicatie heet een template, de nieuwe streng die langs de template gevormd wordt, heet een replicate. Doordat het mogelijk is om replicates te maken, is de cel in staat om zijn genen te kopiëren. Het kopiëren wordt uitgevoerd door een aantal proteïnen die samen een replicatie machine vormen.

Bij DNA replicatie ontstaan uit één dubbele helix twee dubbele helices, die identiek zijn aan het oorspronkelijke DNA. Elke streng van de dubbele helix dient als een template voor een nieuwe streng. Daardoor bevat elke kopie van het DNA uiteindelijk één streng van het originele DNA, en één replicate. Deze vorm van replicatie heet semi-conservatief.

De dubbele helix is normaal gesproken gesloten. De twee strengen worden bij elkaar gehouden door een groot aantal waterstofbruggen tussen de basen van beide strengen. DNA replicatie begint met het ontwinden en scheiden van de twee strengen. Door proteïnes worden de waterstofbruggen tussen de twee strengen verbroken en gaan de strengen uit elkaar. De stoffen die dit veroorzaken heten initiator proteins. De plaatsen waar het DNA geopend wordt, heten replication origins. Deze zijn te herkennen aan een bepaalde nucleotidevolgorde. Deze origins trekken de initiator proteins aan en bevinden zich op delen van het DNA dat makkelijker te openen is (meestal bij A-T paren vanwege minder waterstofbruggen). De mens heeft ongeveer 10.000 origins, zodat het gehele genoom in korte tijd gekopieerd kan worden.

Op de plaats waar het DNA geopend wordt door een initiator, worden eiwitten aangetrokken die bij het replicatieproces betrokken zijn. Deze groep van eiwitten vormen de replication machine. DNA moleculen die gerepliceerd worden, bevatten Y-vormige knooppunten die we replicatie vorken (replication forks) noemen. Bij deze vorken verplaatst de replication machine zich langs het DNA. De machine opent beide strengen en gebruikt elke als een template om een replicate te vormen. Per replication origin worden twee replicatie vorken gevormd en deze bewegen zich in tegenovergestelde richting. Het proces van DNA replicatie heet daarom bidirectional. De replicatie vindt bij de mens plaats met een snelheid van 100 nucleotiden per seconde. Bij een bacterie is deze snelheid 1000 nucleotiden per seconde.

Een enzym dat belangrijk is bij de DNA replicatie is DNA polymerase. Dit enzym katalyseert het toevoegen van een nucleotide aan het 3’-uiteinde van een replicate. Het helpt een binding te vormen tussen het 3’-eind van de replicate en de fosfaatgroep (5’eind) van de nieuwe nucleotide. . Voor de reactie heeft plaatsgevonden bevatten de vrije nucleotiden energie. De vrije nucleotiden zijn trifosfaten. Bij de hydrolyse van een trifosfaat worden twee fosfaatgroepen van de vrije nucleotide afgesplitst. Hierbij komt energie vrij die de vorming van de binding tussen de vrije nucleotide en de replicate mogelijk maakt. Het DNA polymerase zorgt ervoor dat de energie benut wordt voor de verbinding tussen de nucleotide en de replicate.

De replicatie kan slechts in één richting plaatsvinden, namelijk in de richting van het 5’-uiteinde naar het 3’-uiteinde. De twee strengen van de DNA molecuul hebben echter een tegenovergestelde richting. Als gevolg hiervan wordt één nieuwe DNA streng gemaakt langs een template die van 3’ naar 5’ loopt. De andere DNA streng wordt echter gemaakt langs een template die van 5’ naar 3’ loopt. Dit is een probleem omdat DNA-polymerase alleen een replicate van 5’ naar 3’ kan maken.. Bij de replicatie van deze streng wordt dit probleem opgelost door telkens kleine stukjes te repliceren in de richting van het 5’-uiteinde naar het 3’-uiteinde, en deze korte fragmenten te koppelen. Deze korte fragmenten heten Okazaki-fragmenten. De streng die op deze manier gerepliceerd wordt heet de lagging strand. De streng die in een keer gerepliceerd wordt heet de leading strand.

DNA polymerase heeft twee bijzondere eigenschappen die ervoor zorgen dat de DNA replicatie bijna zonder fouten plaats kan vinden. Ten eerste controleert het polymerase of de combinatie van twee nucleotiden juist is (A-T en C-G). Alleen wanneer de combinatie klopt, katalyseert het polymerase de bindingsreactie. Ten tweede kan het polymerase een gemaakte fout herstellen door middel van proofreading. Proofreading vindt tegelijkertijd plaats met de synthese van DNA. Voordat een nieuwe nucleotide aan de groeiende, nieuwe DNA-streng wordt gebonden, wordt er eerst gecontroleerd of de baseparing van de voorafgaande nucleotide klopt. Als dit het geval is, gaat de replicatie verder. Als dit niet het geval is, wordt de foute nucleotide verwijderd en probeert het polymerase het opnieuw. Kortom kan polymerase van 5’naar 3’ eind polymeriseren en van 3’naar 5’ proofreading toepassen.

Polymerase kan zelf geen begin maken aan een nieuwe DNA-streng. Hier is een ander enzym voor nodig, namelijk het primase. Dit enzym synthetiseert echter geen DNA, maar maakt een klein stukje RNA langs de DNA template. Dit RNA bestaat uit ongeveer tien nucleotiden en dient als primer voor de synthese van DNA. Deze primer is met basen van de template gepaard en bevat een 3’ eind waaraan polymerase nieuwe nucleotide kan koppelen. Primase is een voorbeeld van een RNA polymerase. RNA polymerase synthetiseert RNA waarbij het DNA gebruikt wordt als template. Het verschil tussen DNA en RNA is dat DNA desoxyribose bevat en RNA ribose. Daarnaast wordt bij RNA de base uracil gebruikt in plaats van thymine, waardoor de combinatie U-A voorkomt in plaats van T-A.

Bij replicatie van de leading strand is één primer nodig om de replicatie bij de replication origin te starten. Vervolgens kan de replicatie aan een stuk van 5’ naar 3’ door gaan. Bij replicatie van de lagging strand zijn meerdere primers nodig, omdat DNA polymerase niet continu over de template kan bewegen. Ook zijn er drie andere enzymen nodig om het geheel van korte stukjes gerepliceerd DNA aan elkaar te plakken. Deze enzymen verwijderen de primers, vervangen deze door DNA, en plakken de stukken aan elkaar. Een nuclease verwijdert het RNA, een DNA polymerase (repair polymerase) vervangt het RNA door DNA, en DNA ligase plakt de uiteinden aan elkaar.

Voor het voortduren van de replicatie is het nodig dat de twee DNA strengen van de helix uit elkaar gaan in de richting van de replicatie. Hierbij speelt helicase een belangrijke rol. Aan de voorkant van de replication machine ontbindt helicase de twee DNA strengen. Hiervoor is helicase van ATP afhankelijk. Aan de gescheiden strengen binden eiwitten die ervoor zorgen dat de DNA strengen niet weer terugvormen in een dubbele helix. Het eiwit slinding clamp zorgt ervoor dat DNA-polymerase aan de template vast blijft. Zonder dit eiwit heeft polymerase de neiging om van de template af te vallen.

Omdat langs de lagging strand een discontinue replicate wordt gevormd, moet er steeds een nieuwe RNA primer worden gevormd. Dit zorgt echter voor problemen aan het eind van de streng, Aan het eind van het DNA molecuul is geen plaats om een primer te binden, hierdoor stopt de replicatie langs de lagging strand eerder. Eucaryoten hebben aan het eind van hun DNA-strengen een specifieke nucleotidevolgorde, die telomeren worden genoemd. Deze telomeren trekken het enzym telomerase aan. Dit enzym bevat een stukje RNA, dat wordt gekoppeld aan de lagging strand. Hierdoor is DNA-polymerase is staat om de gehele lagging strand te kopiëren.

DNA herstel

Af en toe worden er fouten gemaakt in het DNA replicatie en repair proces. Als gevolg hiervan ontstaan er permanente fouten in het DNA die we mutaties noemen.

Er wordt tijdens replicatie ongeveer 1 fout gemaakt per 10⁷ gekopieerde nucleotiden. DNA mismatch repair is een systeem in de cel dat ongeveer 99% van deze fouten herstelt. Er blijft dus ongeveer 1 fout over in het DNA per 10⁹ nucleotiden. DNA mismatch repair weet aan de hand van nicks (kleine scheurtjes) in het DNA welke van de twee strengen gerepareerd moet worden. Nicks wijzen er namelijk op dat de streng nieuw gesynthetiseerd is (en dus de fout zal bevatten). Een complex van mis-match-repair eiwitten herkent een fout en bindt aan dit deel van het DNA, Vervolgens verwijdert het eiwit de fout en herstelt het gat door middel van DNA-polymerase en ligase.

Het mis-match-repair proces speelt een belangrijke rol in het voorkomen van kanker. De erfelijke aanleg voor bepaalde kanker wordt veroorzaakt door een defect in de genen die coderen voor de mis-match-repair eiwitten. Mensen hebben twee kopieën van dit gen. Wanneer beide defect raken, worden mutaties niet meer hersteld. Dit vergroot de kans op kanker.

DNA schade als gevolg van onvermijdelijke chemische reacties wordt gerepareerd door verschillende enzymen die DNA schade herkennen en een kleine reeks nucleotiden verwijderen. Het missende deel wordt aangevuld door een repair DNA polymerase dat de onbeschadigde streng als template streng gebruikt. DNA ligase vult de laatste scheurtjes in het DNA op.

Voorbeelden van chemische reacties die plaatsvinden zijn:

• Depurination: purine basen (dit zijn A en G) laten spontaan los van het DNA. De ruggengraat wordt dus niet verbroken.

• Deamination: een aminogroep laat spontaan los van de base cytosine. Vervolgens ontstaat de base uracil.

• Thymine dimer: er ontstaat een covalente bindingen tussen twee thymine basen als gevolg van UV-straling

Een gevaarlijk type DNA-beschadiging ontstaat wanneer beide strengen van de dubbele helix breken. Hierdoor blijft er geen template intact die zuiver herstel mogelijk maakt. In lichaamscellen worden deze breuken gerepareerd door een mechanisme dat nonhomologous end-joining wordt genoemd. De uiteinden worden bij elkaar gebracht door een groep enzymen en aan elkaar gemaakt door DNA ligase. Er gaan gedurende dit proces echter nucleotiden op de plaats van de breuk verloren. Een betere oplossing is homologous recombination. Dit mechanisme kan dubbelstrengs DNA breuken betrouwbaar repareren. Het komt er op neer dat er informatie wordt uitgewisseld tussen homologe DNA moleculen. Informatie die voorkomt op het onbeschadigde homologe DNA wordt gebruikt als voorbeeld om de gebroken DNA strengen te repareren.

• (B)Een nuclease zorgt ervoor dat de uiteinden bij de breuk enkelstrengs worden door een stukje van de DNA strengen te verwijderen..

• (C)Een van de uiteinden dringt met behulp van enzymen in het homologe DNA en vormt basen paren met de complementaire streng. Wanneer dit leidt tot een goede baseparing, wordt er een branch point gecreëerd. (het punt waar de verschillende DNA strengen elkaar kruisen)

• (D)De binnendringende streng wordt verlengd door DNA-polymerase. Hierbij wordt de complementaire homologe streng als template gebruikt.

• (E)Vervolgens vervalt het branch punt en wordt de dubbele breuk door base paring weer aan elkaar gemaakt. DNA-polymerase vult de missende nucleotide op de complementaire streng aan.

• (F)DNA ligase vult scheurtjes op. Het herstel is compleet.

Zie afbeelding 3

Mobile genetic elements/transposons verplaatsen zich in genooms van hun gastheer waardoor er een bron van genetische variatie ontstaat.

Hoofdstuk E Van DNA naar eiwit

De omzetting van de genetische informatie in DNA naar eiwitten wordt genexpressie genoemd.

Om de genetische informatie in DNA tot uiting te laten komen, wordt de nucleotide volgorde van een gen eerst overgeschreven naar RNA. ,Dit wordt transcriptie genoemd. Transcriptie begint met de ontwinding van de dubbele helix van een stukje DNA, zodat het gen bereikbaar wordt. Eén van de DNA-strengen dient vervolgens als template voor de synthese van RNA. Transcriptie wordt gekatalyseerd door het enzym RNA polymerase. Dit enzym verbindt de ribonucleotide tot een suiker-fosfaat backbone. RNA polymerase beweegt langs de template en synthetiseert de RNA keten van 5’ naar 3’ eind. Ribonucleotide worden toegevoegd door middel van complementaire basenparing aan de template. De RNA streng blijft niet gebonden aan de DNA streng. Vlak nadat een ribonucleotide aan de RNA streng is gekoppeld, laat deze los van de DNA streng en herstelt de dubbele helix zich. RNA polymerase herkent bepaalde reeksen van nucleotiden in het DNA molecuul en weet aan de hand hiervan waar de transcriptie moet beginnen en waar moet eindigen.

RNA en DNA verschillen van elkaar op bepaalde punten. RNA is opgebouwd uit ribose, DNA is opgebouwd uit desoxyribose. RNA bevat de base uracil (U) op plaatsen waar DNA de base thymine (T) zou bevatten. RNA-moleculen zijn enkelstrengs, DNA-moleculen zijn dubbelstrengs. Omdat RNA enkelstrengs is, heeft het de mogelijkheid zich op verschillende manieren op te vouwen (in tegenstelling tot DNA). De functie van DNA is vooral het dragen van informatie. RNA heeft echter zowel structurele, informatieve en katalyserende functies.

Cellen maken verschillende soorten RNA.

• mRNA: draagt de instructies voor het maken van eiwitten

• non-messenger RNA: RNA dat het eindproduct is van bepaalde genen. Dit RNA dient als regulerende, structurele of enzymatische componenten van de cel.

• rRNA: component van ribosomen

• tRNA: gedraagt zich als een adapter molecuul in de eiwitsynthese

Transcriptie begint op plekken in het DNA die promoters genoemd worden, hier bindt RNA polymerase aan de DNA streng. Een promoter is een specifieke reeks van nucleotiden die het startpunt voor RNA synthese aangeeft. Eucaryotische RNA polymerase vereist een aantal transcriptie factoren. Zonder deze eiwitten kan RNA polymerase niet aan het DNA binden en kan de transcriptie niet verlopen. RNA polymerase in bacteriën heeft alleen een sigma factor nodig. De transcriptie gaat door totdat RNA polymerase een terminator bereikt. Dit is een specifieke nucleotide volgorde die het eind van het gen aangeeft. Op dit punt laat RNA polymerase los van de template.

In eucaryoten cellen vindt transcriptie plaats in de kern, maar translatie gebeurt op de ribosomen in het cytoplasma. mRNA moet daarom door de kernenvelop heen getransporteerd worden. Voordat dit gebeurt, ondergaat het RNA verschillende verwerkingsstappen om de stabiliteit van het RNA te verhogen en het RNA herkenbaar te maken. Het verschilt per soort RNA welke verwerkingsprocessen worden toegepast. Wanneer transcriptie plaatsvindt, rijden de enzymen voor RNA verwerking mee op de staart van RNA polymerase. Twee verwerkingsstappen die worden toegepast bij mRNA zijn: capping en polyadenylation. RNA capping is het veranderen van het 5’einde van mRNA. Er wordt een G base met methylgroep toegevoegd. Bij polyadenylation wordt eerst een deel van het 3’eind afgesneden. Vervolgens worden er vele adenine nucleotiden toegevoegd.

In eucaryotisch DNA zijn de meeste genen opgebouwd uit exons en introns. Exons zijn de coderende stukken DNA. Introns zijn stukken DNA die nergens voor coderen. Zowel exons als introns worden gekopieerd tijdens transcriptie. Introns worden verwijderd uit het RNA door middel van splicing, en exons worden bij elkaar gevoegd. Dit proces wordt gekatalyseerd door kleine ribonucleoproteins, snRNPs. De cel weet welke stukken verwijderd moeten worden, omdat introns reeksen van nucleotiden bevatten die functioneren als aanwijzingen.

Van alle gesynthetiseerde mRNA, is maar een klein deel bruikbaar voor de cel. Pas nadat mRNA capping, polyadenylation en splicing heeft ondergaan, is het functioneel en kan het vertaald worden in een eiwit. Het bruikbare RNA wordt van het onbruikbare RNA gescheiden doordat het transport van de celkern naar het cytoplasma selectief is: alleen RNA dat ‘af’ is kan passeren.

Van RNA naar eiwit
De nucleotiden reeks in mRNA wordt gelezen in setjes van drie nucleotiden. Een setje van drie nucleotiden wordt een codon genoemd. Elk codon correspondeert met een bepaald aminozuur. Welk codon correspondeert met welk aminozuur is vastgelegd in de genetische code. De mogelijke combinaties van de vier verschillende nucleotiden in RNA geven 64 verschillende, mogelijke codons. Sommige codons corresponderen dan ook met hetzelfde aminozuur.

Translatie van mRNA naar eiwit vindt plaats in het cytoplasma op ribosomen. Translatie vindt plaats aan de hand van adaptor moleculen die codons van het mRNA herkennen. Deze adaptor moleculen zijn kleine RNA moleculen bestaande uit ongeveer 80 nucleotiden en worden transfer RNA genoemd. Dit tRNA is op een speciale manier opgevouwen door basenparing. Het bevat een reeks van drie nucleotiden, het anticodon genoemd, dat kan binden aan een codon in het mRNA door basevorming. Daarnaast heeft het tRNA aan zijn 3’einde een bindingsplaats voor een aminozuur. Aminoacyl-tRNA synthetases zijn enzymen die aminozuren linken aan de passende tRNA moleculen. De binding van het aminozuur aan het tRNA komt tot stand door hydrolyse van ATP. Er ontstaat een energierijke binding, De energie van deze binding wordt later gebruikt om het aminozuur aan de peptideketen te koppelen.

Eiwitsynthese begint wanneer een ribosoom hecht aan een startcodon (AUG) op het mRNA. Het startcodon correspondeert met een speciaal tRNA dat altijd methionine als aminozuur heeft (initiator tRNA). Dit initiator DNA wordt gekoppeld aan het kleine ribosoomdeel. Dit proces wordt gereguleerd door eiwitten die translation initiation factors genoemd worden. Vervolgens wordt ook het grote ribosoomdeel eraan gekoppeld en is het ribosoom compleet. De synthese van het eiwit kan nu beginnen. Het ribosoom schuift over het mRNA en bindt steeds een tRNA met het complementaire anticodon. De aminozuren worden aaneengekoppeld tot een polipeptide keten. Het eiwit wordt losgelaten van het ribosoom wanneer een stopcodon bereikt wordt (UAA, UAG of UGA). Er bindt dan een releasefactor aan het ribosoom, waardoor alle ribosoomdelen loslaten en het eiwit wordt losgekoppeld.

Ribozyme: een RNA molecuul dat een chemische reactie kan katalyseren.

Het stap voor stap aan elkaar vastmaken van aminozuren om een polipeptidenketen te vormen wordt gekatalyseerd door een rRNA molecuul in de ribosomale subunit (het ribosoom is dus een voorbeeld van een ribozyme).

Het aantal van een bepaald eiwit is afhankelijk van de aanmaak en afbraak van dit eiwit. De afbraak van eiwitten is dus een manier om de hoeveelheid te reguleren. Proteasen: enzymen die eiwitten afbreken in kleine peptiden en later in aminozuren.

Proteasomen: bevat een centrale cilinder opgebouwd uit proteasen, waarvan de actieve centra naar binnen wijzen. Aan beide einden van de cilinder zit een groot eiwitcomplex dat bestaat uit minstens 10 verschillende eiwit subunits. Ze kunnen aan eiwitten binden en met behulp van ATP hydrolyse breken ze eiwitten af.

Bepaalde enzymen, genaamd ubiquitin, kunnen eiwitten, die afgebroken moeten worden, merken. Zodat proteasomen aan deze eiwitten kunnen binden.

Op grond van de kennis die we tegenwoordig hebben lijkt het aannemelijk dat het leven op aarde is begonnen met de evolutie van RNA moleculen die in staat waren hun eigen replicatie te katalyseren. Er wordt aangenomen dat, in de loop van de evolutie, de dubbele DNA helix de functie van het RNA voor het opslaan van genetische informatie heeft overgenomen omdat het een steviger molecuul is. Eiwitten zouden de katalytische en structurele functies van RNA overgenomen hebben. Toch katalyseert RNA nog steeds belangrijke reacties zoals de vorming van peptidenbindingen.

bijlage_week_1.pdf