H1: Wat is bio-informatica?
Bio-informatica= het verzamelen, opslaan en analyseren van alle biologische 1 bit 0 of 1
data om er zoveel mogelijk informatie van te verzamelen 1 byte 8 bit
1 kb 1.000 byte
Moleculaire modellering= het gedrag van biomoleculen op atomisch level 1 MB Miljoen byte
simuleren interacties in 3D als balletje aan veer + potentiële E van 3D 1 GB Miljard byte
molecules berekend door krachtveld 1 TB Biljoen byte
Hierarchie: gen > genoom > cel > weefsel > orgaan > organisme > populatie > ecologie
Bio-informatica is booming: verbetering in sequencing technologie veel info
Welke velden zijn belangrijk in bioinformatica?
a) Geneeskunde: creëren van data + gebruik van info voor research/ patiënten
b) Informatica: databanken en algoritmes ontwikkelen
c) Statistiek: grote hoeveelheden data hebben methoden nodig voor correcte analyse
d) Biomedische: patient data + design nieuwe drugs + keuze drug therapy + drug resistance
e) Biotechnologie: data vergelijken met data van andere organismen of genproducten
H2: Review van biomoleculaire
bouwblokken
Non-coding RNA (ncRNA)= codeert niet voor eiwitten, maar voor RNA dat op zichzelf kan opvouwen
1. Aminozuren
21 AZ komen voor in eiwitten
54 eiwitten in mens
Alle AZ zijn linksdraaiend!
Selenocysteine (SEC, U)= gecodeerd door stopcodon UGA
1
, bevat riboswitch: geen stopcodon, wel SEC inbouwen
His: + geladen of neutraal afhankelijk van pH
Trp en Tyr: polair buitenkant eiwit
Cys: vorming S-bruggen
Gly: flexibel + geen zijketen
Pro: cyclische backbone maakt eiwit rigide
Primaire - AZ-sequentie is 1e stap in opvouwen van eiwitcomplex
structuur - Gelezen van N tot C terminus
- Elektron delocalisatie peptidebond is planair + rigide
- Dipool in peptidebond peptidebinding kan draaien
- Rigide peptidebond 2 conformaties: cis + trans (99.9% is trans)
- Pro: zowel cis als trans afhankelijk van zijketen omgeving
Anfinsen dogma= alle informatie om correct op te vouwen en actief te zijn is
opgeslagen in de sequentie alleen
Primaire sequentie bepaalt welke secundaire structuur wordt gevormd
Secundaire - 1e structuur duidt 2e structuur aan gevormd tijdens translatie
structuur - a-helices, b-strands, b-turn (reverse turn)
- Stabilisatie door H-bruggen en zijketen interacties
Beta-turn= stevige verbinding tussen 2 strengen in anti-parallel sheet
verschillende types afhankelijk van orientatie residues
Tertiaire Anfinsen dogma= primaire structuur bepaalt tertiaire structuur
structuur Levinthal paradox= bemonsteren van alle conformaties van eiwit duurt langer
dan het universum oud is logica achter eiwitopvouwing
- Opvouwing volgens trechter: in begin heb je veel combinaties
- Hydrofobe elementen verstopt + hydrofiele elementen exposed
Molten globule= structuur waarbij we bijna tertiaire structuur hebben, nog niet
volledig perfect in conformatie gevormd tijdens opvouwing
Quaternaire - Opgevouwen eiwitten interageren met andere molecules actief
structuur - Residues actieve site: polair, Ser, His, Asp, Cys, Asp/Glu + Mg/Mn +
Cys/His + Zn
Prosthetische groep= gebonden en laat nooit los
Co-factor= gebonden en kan los laten gebonden aan vrije e-paren (backbone
O, Asp, Glu, His, Cys, water) metaal heeft voorkeurssymmetrie
Co-enzyme= substraat voor enzymatische reactie
Tunneling= brengen verschillende enzymatische sites samen om substraten
gemakkelijk door te brengen
Allosterie= binding molecule aan monomeer A zorgt voor verhoogde/ verlaagde
activiteit van monomeer B
H3: Databanken
2
, Eerste databanken waren niet online
1965: Margaret Dayhoff zet eerste eiwitsequenties (65) in een boek 1984: telefonische
toegang tot pagina’s (Protein Information Resource)
1982: nucleotide en eiwitsequenties (GenBank)
1. Sequentie databanken
Resultaten van DNA sequenering (NCBI, Bioinformatics portal, Swissprot)
Systemen in databanken zijn aan elkaar gekoppeld
FASTA format= behoudt enkel de sequentie-informatie
2. Structuurdatabanken
Protein Data Bank (PDB): 3D structuren van eiwitten 1e database klaar voor computer
Verschillende experimentele methoden verschillende structurele info + data
eigenschappen
Resolutie en R-waarde moeten zo laag mogelijk zijn!
Eiwit a)Diffractie
crystallography b)Fourier series: kristallen zijn moleculen die zich ritmisch herhalen
c)Kristallen: ritmische symmetrische pakking van units
d)X-rays: intense straling opwekken + kunnen interfereren met
elektronen
1914: structuur NaCl opgelost (vaste structuur zonder covalente
bindingen in kubusrooster)
1953: DNA-structuur opgelost uit vezels
Eiwit NMR- - Gebruik van gelabelde eiwitten (15N + 13C)
spectroscopy - Meten welke atomen dicht bij elkaar staan
- Minder accurate techniek: backbone is wel juist
CryoEM single - EM (100.000 – 2.000.000x vergroting)
particle analysis - 3D reconstructie: alle beelden combineren in 3D beeld
NADELEN VOORDELEN
Eiwit - Moeilijk om te kristalliseren - Elke grootte is mogelijk
crystallography - Hoge zuiverheid nodig
- Artefacten van kristal packing
Eiwit NMR- - Gelabelde eiwitten nodig - Geen crystallisatie nodig
spectroscopy - Structuur is een model: veel - Reflecteert dynamica in oplossing
oplossingen
- Grote eiwitten zijn onmogelijk
- Moeilijk om multimeren te
modelleren
CryoEM - Grote complexen nodig (125 kDa) - In silico oplossing van onzuiverheden
- Bepaalde vorm/ symmetrie nodig - Gedrag in oplossing bekijken
Crystallography: kwaliteit
Resolutie= experimenteel bepaald, afhankelijk van kristalkwaliteit en X-ray intensiteit hoe lager de
resolutie, hoe beter (beter opgeloste structuur, kleinere e-wolk)
3
Bio-informatica= het verzamelen, opslaan en analyseren van alle biologische 1 bit 0 of 1
data om er zoveel mogelijk informatie van te verzamelen 1 byte 8 bit
1 kb 1.000 byte
Moleculaire modellering= het gedrag van biomoleculen op atomisch level 1 MB Miljoen byte
simuleren interacties in 3D als balletje aan veer + potentiële E van 3D 1 GB Miljard byte
molecules berekend door krachtveld 1 TB Biljoen byte
Hierarchie: gen > genoom > cel > weefsel > orgaan > organisme > populatie > ecologie
Bio-informatica is booming: verbetering in sequencing technologie veel info
Welke velden zijn belangrijk in bioinformatica?
a) Geneeskunde: creëren van data + gebruik van info voor research/ patiënten
b) Informatica: databanken en algoritmes ontwikkelen
c) Statistiek: grote hoeveelheden data hebben methoden nodig voor correcte analyse
d) Biomedische: patient data + design nieuwe drugs + keuze drug therapy + drug resistance
e) Biotechnologie: data vergelijken met data van andere organismen of genproducten
H2: Review van biomoleculaire
bouwblokken
Non-coding RNA (ncRNA)= codeert niet voor eiwitten, maar voor RNA dat op zichzelf kan opvouwen
1. Aminozuren
21 AZ komen voor in eiwitten
54 eiwitten in mens
Alle AZ zijn linksdraaiend!
Selenocysteine (SEC, U)= gecodeerd door stopcodon UGA
1
, bevat riboswitch: geen stopcodon, wel SEC inbouwen
His: + geladen of neutraal afhankelijk van pH
Trp en Tyr: polair buitenkant eiwit
Cys: vorming S-bruggen
Gly: flexibel + geen zijketen
Pro: cyclische backbone maakt eiwit rigide
Primaire - AZ-sequentie is 1e stap in opvouwen van eiwitcomplex
structuur - Gelezen van N tot C terminus
- Elektron delocalisatie peptidebond is planair + rigide
- Dipool in peptidebond peptidebinding kan draaien
- Rigide peptidebond 2 conformaties: cis + trans (99.9% is trans)
- Pro: zowel cis als trans afhankelijk van zijketen omgeving
Anfinsen dogma= alle informatie om correct op te vouwen en actief te zijn is
opgeslagen in de sequentie alleen
Primaire sequentie bepaalt welke secundaire structuur wordt gevormd
Secundaire - 1e structuur duidt 2e structuur aan gevormd tijdens translatie
structuur - a-helices, b-strands, b-turn (reverse turn)
- Stabilisatie door H-bruggen en zijketen interacties
Beta-turn= stevige verbinding tussen 2 strengen in anti-parallel sheet
verschillende types afhankelijk van orientatie residues
Tertiaire Anfinsen dogma= primaire structuur bepaalt tertiaire structuur
structuur Levinthal paradox= bemonsteren van alle conformaties van eiwit duurt langer
dan het universum oud is logica achter eiwitopvouwing
- Opvouwing volgens trechter: in begin heb je veel combinaties
- Hydrofobe elementen verstopt + hydrofiele elementen exposed
Molten globule= structuur waarbij we bijna tertiaire structuur hebben, nog niet
volledig perfect in conformatie gevormd tijdens opvouwing
Quaternaire - Opgevouwen eiwitten interageren met andere molecules actief
structuur - Residues actieve site: polair, Ser, His, Asp, Cys, Asp/Glu + Mg/Mn +
Cys/His + Zn
Prosthetische groep= gebonden en laat nooit los
Co-factor= gebonden en kan los laten gebonden aan vrije e-paren (backbone
O, Asp, Glu, His, Cys, water) metaal heeft voorkeurssymmetrie
Co-enzyme= substraat voor enzymatische reactie
Tunneling= brengen verschillende enzymatische sites samen om substraten
gemakkelijk door te brengen
Allosterie= binding molecule aan monomeer A zorgt voor verhoogde/ verlaagde
activiteit van monomeer B
H3: Databanken
2
, Eerste databanken waren niet online
1965: Margaret Dayhoff zet eerste eiwitsequenties (65) in een boek 1984: telefonische
toegang tot pagina’s (Protein Information Resource)
1982: nucleotide en eiwitsequenties (GenBank)
1. Sequentie databanken
Resultaten van DNA sequenering (NCBI, Bioinformatics portal, Swissprot)
Systemen in databanken zijn aan elkaar gekoppeld
FASTA format= behoudt enkel de sequentie-informatie
2. Structuurdatabanken
Protein Data Bank (PDB): 3D structuren van eiwitten 1e database klaar voor computer
Verschillende experimentele methoden verschillende structurele info + data
eigenschappen
Resolutie en R-waarde moeten zo laag mogelijk zijn!
Eiwit a)Diffractie
crystallography b)Fourier series: kristallen zijn moleculen die zich ritmisch herhalen
c)Kristallen: ritmische symmetrische pakking van units
d)X-rays: intense straling opwekken + kunnen interfereren met
elektronen
1914: structuur NaCl opgelost (vaste structuur zonder covalente
bindingen in kubusrooster)
1953: DNA-structuur opgelost uit vezels
Eiwit NMR- - Gebruik van gelabelde eiwitten (15N + 13C)
spectroscopy - Meten welke atomen dicht bij elkaar staan
- Minder accurate techniek: backbone is wel juist
CryoEM single - EM (100.000 – 2.000.000x vergroting)
particle analysis - 3D reconstructie: alle beelden combineren in 3D beeld
NADELEN VOORDELEN
Eiwit - Moeilijk om te kristalliseren - Elke grootte is mogelijk
crystallography - Hoge zuiverheid nodig
- Artefacten van kristal packing
Eiwit NMR- - Gelabelde eiwitten nodig - Geen crystallisatie nodig
spectroscopy - Structuur is een model: veel - Reflecteert dynamica in oplossing
oplossingen
- Grote eiwitten zijn onmogelijk
- Moeilijk om multimeren te
modelleren
CryoEM - Grote complexen nodig (125 kDa) - In silico oplossing van onzuiverheden
- Bepaalde vorm/ symmetrie nodig - Gedrag in oplossing bekijken
Crystallography: kwaliteit
Resolutie= experimenteel bepaald, afhankelijk van kristalkwaliteit en X-ray intensiteit hoe lager de
resolutie, hoe beter (beter opgeloste structuur, kleinere e-wolk)
3
