Biochemie: moleculaire biologie
1. Cellen en hun genoom
1. 1 Inleiding en situering
● Genetische informatie → overgedragen van ouders naar kinderen → bepaalt eigenschappen.
● Overerfbaarheid → essentieel kenmerk van leven.
● Levende organismen → verbruiken energie → drijft chemische en fysische processen aan → gestuurd door genetische
code.
Veel levende organismen → bestaat uit één cel
13
→ mens: 10 cellen die zich organiseren in weefsel en orgaanstructuren → hebben specifieke functies die vaak verbonden zijn
● Bacterie & mens → ontstaan door deling van één cel.
● Eerste cel bevat:
○ Genetische informatie → nodig voor ontwikkeling van levend organisme.
○ Moleculaire machines → nemen bouwstenen uit omgeving op → maken nieuwe dochtercel.
■ DNA-replicatie
■ RNA-synthese
■ eiwitsynthese
1.2 Cellen stockeren hun genetische informatie in dezelfde chemische code: DNA
● DNA als genetische drager: Alle levende organismen slaan genetische informatie op als dubbelstrengig DNA.
● Bouwstenen van DNA: vier nucleotiden met de nucleobasen:
○ Adenine (A)
○ Thymine (T)
○ Guanine (G)
○ Cytosine (C)
● Verschil met eiwitten: DNA heeft slechts 4 bouwstenen, terwijl eiwitten uit 20 verschillende aminozuren bestaan.
● Codering van genetische informatie:
○ De volgorde van nucleotiden codeert genetische informatie
● DNA-overdracht naar dochtercellen:
○ Cellen bevatten een moleculaire machinerie die DNA nauwkeurig kopieert met minimale fouten.
● Structuur van een nucleotide:
○ suikergroep (deoxyribose)
○ fosfaatgroep
○ nucleobase (A, T, G of C)
1
, ● Fosfaatgroepen koppelen suikergroepen → vormen lineaire keten van nucleotiden met een specifieke sequentie
● Nucleotiden asymmetrisch → DNA-molecule krijgt richting, cruciaal voor biologische processen.
● DNA = dubbelstrengige helix → door complementaire baseparing:
○ Adenine (A) ↔ Thymine (T) → heel gemakkelijk breken
○ Guanine (G) ↔ Cytosine (C) → vraagt veel energie om te breken
● Waterstofbruggen tussen basen houden de dubbele streng samen
● Twee complementaire strengen → informatie in één streng kan worden
afgelezen van de andere.
● Geen lineaire synthese → bestaande streng = mal.
● Nieuwe streng gevormd door aflezing complementaire streng.
● Proces = DNA-replicatie
1.3 Informatie vloeit eerst van DNA naar RNA
● DNA bevat informatie → gebruikt voor meer dan alleen replicatie/celdeling.
● Twee belangrijke moleculen geproduceerd uit DNA:
○ RNA (ribonucleïnezuur)
○ Eiwitten
Centraal dogma= beschrijft stroom van genetische informatie in cel: DNA → RNA → Eiwit
→ kan niet omgekeerd! (alleen bij retrovirussen)
● Transcriptie → DNA → RNA
○ Enzymcomplex zet bepaalde DNA-segmenten (genen) om in RNA.
○ Complementaire baseparing bepaalt RNA-sequentie.
○ Niet elk DNA-segment wordt omgezet.
○ mRNA (boodschapper-RNA) → codeert voor eiwitten.
● Translatie (vertaling) → RNA → eiwit
○ mRNA wordt vertaald naar eiwit door ribosomen (grote enzymcomplexen).
2
,Verschil tussen RNA en DNA
● Ruggengraat:
○ RNA → ribose
○ DNA → deoxyribose
● Nucleobasen:
○ RNA → uracil (U) i.p.v. thymine (T)
1.4 Boodschapper RNA wordt vertaald naar eiwitten
Van nucleotiden naar eiwitten
● Slechts 4 nucleotiden → coderen voor 20 aminozuren.
● Codons = 3 opeenvolgende nucleotiden → coderen voor 1 aminozuur.
● 64 mogelijke codons (4 × 4 × 4), maar slechts 20 aminozuren → degeneratie genetische code (meerdere codons voor
hetzelfde aminozuur).
start: ATG, AUG: Met
stop: UAA, UAG, UGA
Examen: CUA (Leu): welk codon is de meeste kans ook
vr Leu? → 1e en 2e altijd hetzelfde
61 codons + 3 stopcodons
Rol van transfer RNA (tRNA)
● tRNA = gespecialiseerde RNA-molecule → helpt bij translatie.
● Elk tRNA draagt een specifiek aminozuur.
● Anticodon (3 nucleotiden op tRNA) → bindt complementair aan codon op
mRNA → juiste aminozuur wordt ingebouwd in het eiwit.
Leesraam en mutaties
● Tussen start- en stopcodon → codeert voor eiwit.
● Inserties/deleties → leesraam-mutaties (frameshift) → verschuiving van codons → foutieve eiwitten.
● Open Reading Frame (ORF) → aaneengesloten reeks codons zonder stopcodon → voorspelling van eiwit-coderende
sequenties in DNA/RNA → altijd veelvoud van 3!
Eiwittranslatie en ribosomen
● tRNA-moleculen → elk geladen met een specifiek aminozuur.
● Basenparing → tRNA bindt aan mRNA-codon.
● Aminozuren gekoppeld → vorming van peptidenbruggen.
● Vrijgekomen tRNA → gerecycleerd.
● Proces gebeurt op ribosomen
● Ribosomen = gigantische moleculaire machines, opgebouwd uit:
○ rRNA (ribosomaal RNA) → twee grote RNA-ketens.
○ Eiwitten → ~50 verschillende.
● Conservatie door evolutie → ribosomen functioneel in alle levende cellen.
3
, 1.5 Genomen en hun complexiteit
Classificatie van levende organismen
● Oorspronkelijke indeling → eukaryoten & prokaryoten (op basis van celstructuur).
○ Eukaryoten → DNA in celkern (nucleus), verpakt als chromosomen.
○ Prokaryoten → geen kern, DNA vrij in de cel.
● Nieuwere indeling → toevoeging van archaea (oerbacteriën)
● Morfologie als classificatieprobleem:
○ Onder de microscoop lijken sommige organismen sterk op elkaar (bv. gist & bacterie).
○ Zonder hoge resolutie → moeilijk om een nucleusstructuur te onderscheiden.
Genetische sequencing en evolutionaire verwantschap
● Volledige DNA-sequentie van een cel/organisme kan bepaald worden.
● Mutaties → kunnen voordelen bieden → bijdragen aan evolutie.
● Vergelijking van organismen:
○ Nauw verwante soorten → minder mutaties (bv. Listeria monocytogenes & Rickettsia prowazekii).
○ Verre verwanten → meer mutaties (bv. Listeria monocytogenes & een kat).
● Essentiële genen (bv. rRNA-genen) → mutaties hierin helpen bij het opstellen van genetische stambomen
Verschillen tussen genomen
Genoom = complete genetische informatie
Verschillen tussen de genomen in …
● Genoomgrootte → variatie in aantal nucleotiden.
● Genen → verschillen in hoeveelheid coderende informatie tussen organismen.
Oorzaken van verschillen in genoomcomplexiteit
● Voedingsbronnen → organismen gebruiken verschillende koolstof- en stikstofbronnen → nieuwe eiwitten & genen
nodig
○ Vooral bacteriën hebben hierin grote variatie.
● Omgevingsfactoren → aanpassing aan extreme omstandigheden:
○ Thermofielen → groeien bij hoge temperaturen (bv. warmwaterbronnen).
○ Halofielen → groeien bij hoge zoutconcentraties.
○ Extremofielen → speciale eiwitten & genen voor overleving.
● Mutaties & DNA-replicatie:
○ Foutgevoelig proces → ontstaan van functioneel voordelige/nadelige mutaties.
○ Genduplicatie → volledige genen kunnen verdubbelen → bijdragen aan complexiteit
4
1. Cellen en hun genoom
1. 1 Inleiding en situering
● Genetische informatie → overgedragen van ouders naar kinderen → bepaalt eigenschappen.
● Overerfbaarheid → essentieel kenmerk van leven.
● Levende organismen → verbruiken energie → drijft chemische en fysische processen aan → gestuurd door genetische
code.
Veel levende organismen → bestaat uit één cel
13
→ mens: 10 cellen die zich organiseren in weefsel en orgaanstructuren → hebben specifieke functies die vaak verbonden zijn
● Bacterie & mens → ontstaan door deling van één cel.
● Eerste cel bevat:
○ Genetische informatie → nodig voor ontwikkeling van levend organisme.
○ Moleculaire machines → nemen bouwstenen uit omgeving op → maken nieuwe dochtercel.
■ DNA-replicatie
■ RNA-synthese
■ eiwitsynthese
1.2 Cellen stockeren hun genetische informatie in dezelfde chemische code: DNA
● DNA als genetische drager: Alle levende organismen slaan genetische informatie op als dubbelstrengig DNA.
● Bouwstenen van DNA: vier nucleotiden met de nucleobasen:
○ Adenine (A)
○ Thymine (T)
○ Guanine (G)
○ Cytosine (C)
● Verschil met eiwitten: DNA heeft slechts 4 bouwstenen, terwijl eiwitten uit 20 verschillende aminozuren bestaan.
● Codering van genetische informatie:
○ De volgorde van nucleotiden codeert genetische informatie
● DNA-overdracht naar dochtercellen:
○ Cellen bevatten een moleculaire machinerie die DNA nauwkeurig kopieert met minimale fouten.
● Structuur van een nucleotide:
○ suikergroep (deoxyribose)
○ fosfaatgroep
○ nucleobase (A, T, G of C)
1
, ● Fosfaatgroepen koppelen suikergroepen → vormen lineaire keten van nucleotiden met een specifieke sequentie
● Nucleotiden asymmetrisch → DNA-molecule krijgt richting, cruciaal voor biologische processen.
● DNA = dubbelstrengige helix → door complementaire baseparing:
○ Adenine (A) ↔ Thymine (T) → heel gemakkelijk breken
○ Guanine (G) ↔ Cytosine (C) → vraagt veel energie om te breken
● Waterstofbruggen tussen basen houden de dubbele streng samen
● Twee complementaire strengen → informatie in één streng kan worden
afgelezen van de andere.
● Geen lineaire synthese → bestaande streng = mal.
● Nieuwe streng gevormd door aflezing complementaire streng.
● Proces = DNA-replicatie
1.3 Informatie vloeit eerst van DNA naar RNA
● DNA bevat informatie → gebruikt voor meer dan alleen replicatie/celdeling.
● Twee belangrijke moleculen geproduceerd uit DNA:
○ RNA (ribonucleïnezuur)
○ Eiwitten
Centraal dogma= beschrijft stroom van genetische informatie in cel: DNA → RNA → Eiwit
→ kan niet omgekeerd! (alleen bij retrovirussen)
● Transcriptie → DNA → RNA
○ Enzymcomplex zet bepaalde DNA-segmenten (genen) om in RNA.
○ Complementaire baseparing bepaalt RNA-sequentie.
○ Niet elk DNA-segment wordt omgezet.
○ mRNA (boodschapper-RNA) → codeert voor eiwitten.
● Translatie (vertaling) → RNA → eiwit
○ mRNA wordt vertaald naar eiwit door ribosomen (grote enzymcomplexen).
2
,Verschil tussen RNA en DNA
● Ruggengraat:
○ RNA → ribose
○ DNA → deoxyribose
● Nucleobasen:
○ RNA → uracil (U) i.p.v. thymine (T)
1.4 Boodschapper RNA wordt vertaald naar eiwitten
Van nucleotiden naar eiwitten
● Slechts 4 nucleotiden → coderen voor 20 aminozuren.
● Codons = 3 opeenvolgende nucleotiden → coderen voor 1 aminozuur.
● 64 mogelijke codons (4 × 4 × 4), maar slechts 20 aminozuren → degeneratie genetische code (meerdere codons voor
hetzelfde aminozuur).
start: ATG, AUG: Met
stop: UAA, UAG, UGA
Examen: CUA (Leu): welk codon is de meeste kans ook
vr Leu? → 1e en 2e altijd hetzelfde
61 codons + 3 stopcodons
Rol van transfer RNA (tRNA)
● tRNA = gespecialiseerde RNA-molecule → helpt bij translatie.
● Elk tRNA draagt een specifiek aminozuur.
● Anticodon (3 nucleotiden op tRNA) → bindt complementair aan codon op
mRNA → juiste aminozuur wordt ingebouwd in het eiwit.
Leesraam en mutaties
● Tussen start- en stopcodon → codeert voor eiwit.
● Inserties/deleties → leesraam-mutaties (frameshift) → verschuiving van codons → foutieve eiwitten.
● Open Reading Frame (ORF) → aaneengesloten reeks codons zonder stopcodon → voorspelling van eiwit-coderende
sequenties in DNA/RNA → altijd veelvoud van 3!
Eiwittranslatie en ribosomen
● tRNA-moleculen → elk geladen met een specifiek aminozuur.
● Basenparing → tRNA bindt aan mRNA-codon.
● Aminozuren gekoppeld → vorming van peptidenbruggen.
● Vrijgekomen tRNA → gerecycleerd.
● Proces gebeurt op ribosomen
● Ribosomen = gigantische moleculaire machines, opgebouwd uit:
○ rRNA (ribosomaal RNA) → twee grote RNA-ketens.
○ Eiwitten → ~50 verschillende.
● Conservatie door evolutie → ribosomen functioneel in alle levende cellen.
3
, 1.5 Genomen en hun complexiteit
Classificatie van levende organismen
● Oorspronkelijke indeling → eukaryoten & prokaryoten (op basis van celstructuur).
○ Eukaryoten → DNA in celkern (nucleus), verpakt als chromosomen.
○ Prokaryoten → geen kern, DNA vrij in de cel.
● Nieuwere indeling → toevoeging van archaea (oerbacteriën)
● Morfologie als classificatieprobleem:
○ Onder de microscoop lijken sommige organismen sterk op elkaar (bv. gist & bacterie).
○ Zonder hoge resolutie → moeilijk om een nucleusstructuur te onderscheiden.
Genetische sequencing en evolutionaire verwantschap
● Volledige DNA-sequentie van een cel/organisme kan bepaald worden.
● Mutaties → kunnen voordelen bieden → bijdragen aan evolutie.
● Vergelijking van organismen:
○ Nauw verwante soorten → minder mutaties (bv. Listeria monocytogenes & Rickettsia prowazekii).
○ Verre verwanten → meer mutaties (bv. Listeria monocytogenes & een kat).
● Essentiële genen (bv. rRNA-genen) → mutaties hierin helpen bij het opstellen van genetische stambomen
Verschillen tussen genomen
Genoom = complete genetische informatie
Verschillen tussen de genomen in …
● Genoomgrootte → variatie in aantal nucleotiden.
● Genen → verschillen in hoeveelheid coderende informatie tussen organismen.
Oorzaken van verschillen in genoomcomplexiteit
● Voedingsbronnen → organismen gebruiken verschillende koolstof- en stikstofbronnen → nieuwe eiwitten & genen
nodig
○ Vooral bacteriën hebben hierin grote variatie.
● Omgevingsfactoren → aanpassing aan extreme omstandigheden:
○ Thermofielen → groeien bij hoge temperaturen (bv. warmwaterbronnen).
○ Halofielen → groeien bij hoge zoutconcentraties.
○ Extremofielen → speciale eiwitten & genen voor overleving.
● Mutaties & DNA-replicatie:
○ Foutgevoelig proces → ontstaan van functioneel voordelige/nadelige mutaties.
○ Genduplicatie → volledige genen kunnen verdubbelen → bijdragen aan complexiteit
4
