Hoofdstuk 1: Inleiding tot de moleculaire biologie Niet zo belangrijk!
1.1 Wat is moleculaire biologie?
- Relatief nieuwe wetenschap
- Doel = biologische processen verklaren in moleculaire termen
- Hoe zien (macro)moleculen eruit, hoe worden ze gevormd en hoe functioneren ze
- Bestudeert moleculaire achtergrond v/h cellulaire metabolisme
o Alle stappen gekatalyseerd door enzymen
Enzymen zijn proteïnen
o Informatie over structuur enzymen en andere proteïnen bevindt zich in DNA v/d cel
DNA wordt via hele reeks tussenstappen gedecodeerd
o Replicatie, transcriptie en translatie = het centrale dogma
1.2 Genetisch materiaal & het centrale dogma
- DNA, RNA en proteïnen = macromoleculen die gecodeerde informatie bevatten in de
sequentie van hun bouwstenen
o DNA en RNA: opgebouwd uit nucleotiden
o Proteïnen: opgebouwd uit aminozuren
o opeenvolging van deze monomeren (klein molecuul) tot polymere structuur (groot
molecuul dat bestaat uit meerdere aan elkaar gekoppelde monomeren)
o bepaalt informatie, structuur en/of functie van deze macromoleculen
- Molecule moet voldoen aan volgende eigenschappen om erfelijke (overdraagbare) informatie
te kunnen opslaan
1. Drager moet lineair (niet vertakt) zijn
2. Molecule moet stabiel zijn
3. Molecule moet over code beschikken
4. Gecodeerde informatie moet kunnen ‘gelezen’ en tot uitdrukking gebracht worden
o = code moet vertaald kunnen worden in functionele molecule
5. Molecule moet controle en regulatie toelaten
6. Molecule moet gekopieerd en doorgegeven kunnen worden
- DNA en RNA voldoen aan deze eisen => vormen dragers van genetische informatie
o Meeste organismen: dubbelstrengig DNA (dsDNA)
o Sommige virussen: enkelstrengig DNA (ssDNA) of RNA (ssRNA of dsRNA)
o Maken gebruik van 4 verschillende bouwstenen = de nucleotiden
De informatie is gecodeerd in een precieze opeenvolging (=sequentie) van
deze vier bouwstenen
- Centrale dogma: DNA (universele drager v gen info)
o Replicatie = DNA dient als matrijs (template) voor
zijn eigen vermenigvuldiging
o Transcriptie = DNA dient als matrijs voor aanmaak messenger RNA (mRNA)
DNA → RNA
o Translatie = mRNA uit transcriptie dient op zijn beurt als matrijs voor synthese van een
functioneel proteïne
RNA omzetten naar eiwitten
o Opm. RNA kan niet gevormd worden vanuit eiwitten
1
, - DNA als drager van erfelijk materiaal
- RNA als intermediaire boodschapper voor de productie van proteïnen
- Proteïnen als ‘werkpaarden’ van de cel
- Uitzonderingen: RNA-virussen, ribozymes, celwand, mitochondriën, ...
1.3 Universaliteit van de biochemie : klopt altijd, buiten uitzonderingen
- Centraal dogma is universeel geldig (met betrekking tot de aarde)
o Alle levende organismen maken gebruik van DNA of RNA
- 4 (+1) nucleotiden in DNA/RNA
- 20 aminozuren (hieruit zijn eiwitten opgebouwd) (basis)
- Genetische code: (ongeveer) universeel
o Triplet van nucleotiden (codon) codeert telkens voor 1 welbepaald aminozuur
- Universele hoofdwegen in intermediair metabolisme
o Vb. glucose actief acetaat CO2
- Adenosinetrifosfaat (ATP) als energiebron
o ATP vervult sleutelrol als drager van energie in de cel
o Er bestaan nog andere energievormen
- Uitzonderingen: modificaties in basen en aminozuren, verschillen in codons tussen
prokaryoten en eukaryoten, ...
o Vb. centrale dogma: RNA-virussen en afwezigheid DNA-stadium (zie hierboven)
o Vb. samenstelling nucleïnezuren
DNA: A,G,C,T
RNA: A,G,C,U
o Vb. samenstelling proteïnen: steeds dezelfde 20 basisaminozuren
Kleine variaties of modificaties van aminozuren kunnen voorkomen
Variaties hebben vaak specifieke functie (reactie op stressfactoren, correcte
vouwing promoten, ...)
o Vb. genetische code: kleine verschillen in tripletcode
In prokaryoten en eukaryoten kan eenzelfde codon voor ander aminozuur
coderen
o Meeste codons door alle vormen van het leven gebruikt, maar er kunnen verschillen
zijn tussen vertalen codon bij bacterie en mens
2
,Hoofdstuk 2: Biologische bindingen Niet heel belangrijk (herhaling)
2.1 Inleiding
- Macromoleculen: nucleïnezuren en proteïnen
o = polymeren, opgebouwd uit monomeren van nucleotiden en aminozuren
o Bouwstenen met elkaar verbonden via sterke en stabiele covalente bindingen
Covalente bindingen breken niet spontaan
- Zwakke bindingen tussen verschillende biologische moleculen
o Vb. interactie tussen basen van 2 complementaire strengen nucleïnezuren
(basenparing)
o Vb. tussen zijketens van aminozuren
o Vb. tussen proteïne en zijn cofactoren, liganden en substraten
(Ligand: molecuul dat zich bindt aan een metaalion of een ander molecuul, vaak in een complex, zoals
een eiwit.)
o Belang:
Stabiliteit DNA-dubbelhelix
Vouwen RNA in zijn typische secundaire structuren
Bepalen vorm van proteïnen (en dus ook hun functie)
o Kunnen wel spontaan verbroken worden
2.2 Sterke en zwakke bindingen
- Sterke bindingen: covalente binding
o Verbreken niet spontaan
o Zijn de enige bindingen die niet spontaan verbreken in moleculaire biolgie
- Zwakke bindingen
o Kunnen wel spontaan verbroken worden
o H-bruggen
o Van der Waalskrachten
o Ionbindingen
- Verschil: energie inhoud → zorgt voor het makkelijk/ moeilijk verbreken van bindingen
Structurele eigenschappen chemische bindingen
- Afstand tussen de atomen
o Kleine afstand tussen sterk gebonden atomen
o Waterstofatomen v/e molecule H2: covalent gebonden
Afstand = 0,74 A°
o 2 waterstofatomen: verbonden door van der Waalskrachten
Afstand = 1,2 A°
- Aantal gelijktijdige bindingen
o Maximum aantal covalente bindingen dat atoom mogelijk kan aangaan = valentie
o Aantal van der Waalsbindingen is vaak enkel gelimiteerd door sterische hinder
o Aantal H-bruggen is sterk gelimiteerd (maar van groot belang in biochem)
- Bindingshoek
o Covalente bindingen: vaste hoekwaarde
o Zwakke bindingen: bindingshoeken hebben meer vrijheid en variabiliteit
, VDW enkel beperkt door sterische hinder → bindingshoek bij zwakke
bindingen zal ook altijd verschillende zijn
- Rotatie
o Covalente bindingen:
Enkelvoudig => ongehinderde rotatievrijheid
Dubbel en drievoudig => gelimiteerde rotatievrijheid
Peptidebinding: gedeeltelijke dubbele binding
Limiteren rotatievrijheid
Gevolg: carbonylgroep (C=O) en de iminogroep (N=C) moeten in
hetzelfde vlak liggen
Afbeelding: wel rotatievrijheid rond linkeratoom (grijs)
o Zwakkere bindingen: minder restricties op rotatievrijheid (afhankelijk v ster hinder)
Vrije energie
- Sterkte v/d binding: weergeven in termen van energie = vrije energie G
- Verandering in vrije energie = ∆G
o Spontante reacties: vermindering in vrije energie (∆G < 0)
o Niet-spontane reacties: ∆G > 0
o Evenwicht: ∆G = 0
Geen verandering meer in hoeveelheid vrije energie
In gesloten systeem: situatie met minst vrije energie aanwezig
- Vormen binding: energie komt vrij
- Verbreken binding: vraagt energie-input
- Wet van behoud van energie: vormingsenergie = verbrekingsenergie
- Vrije energie is in staat om arbeid te verrichten
Zwakke bindingen
- Van der Waalsbindingen, hydrofobe interacties, waterstofbruggen en ionbindingen
- Niet specifiek: kunnen gevormd w tussen alle atomen, moleculen
- Van der Waals: zwakste
o Energie = 1-2 kcal/mol
o Ontstaan door niet-specifieke aantrekking tussen 2 atomen in elkaars buurt
o Ontstaan tussen alle soorten molecule: polair en apolair
o Enkel van belang wanneer atomen dicht in elkaars buurt kunnen komen
Atomen te dicht bij elkaar => afstotende krachten nemen over
o In biologische systemen: van der Waalskrachten pas van belang wanneer veel atomen
van de ene molecule interageren met veel atomen v/d andere molecule
Gebeurt enkel wanneer ene molecule precies in de andere past
Vb. binding tussen antilichaam en specifieke antigen
Atilichaam kan meestal maar 1 specifiek antigen herkennen
Gecombineerde kracht van al deze interacties = 20-30 kcal/mol
=> Binding tussen antilichaam-antigen lost nooit
- Ionbindingen
o Gevormd tussen moleculen of ionen met tegengestelde lading
o Energie = 3-7 kcal/mol (hoger dan VDW)
o Bindingen gevormd met anorganisch ion (Na+, K+, Mg2+, Cl-, SO4-)
1.1 Wat is moleculaire biologie?
- Relatief nieuwe wetenschap
- Doel = biologische processen verklaren in moleculaire termen
- Hoe zien (macro)moleculen eruit, hoe worden ze gevormd en hoe functioneren ze
- Bestudeert moleculaire achtergrond v/h cellulaire metabolisme
o Alle stappen gekatalyseerd door enzymen
Enzymen zijn proteïnen
o Informatie over structuur enzymen en andere proteïnen bevindt zich in DNA v/d cel
DNA wordt via hele reeks tussenstappen gedecodeerd
o Replicatie, transcriptie en translatie = het centrale dogma
1.2 Genetisch materiaal & het centrale dogma
- DNA, RNA en proteïnen = macromoleculen die gecodeerde informatie bevatten in de
sequentie van hun bouwstenen
o DNA en RNA: opgebouwd uit nucleotiden
o Proteïnen: opgebouwd uit aminozuren
o opeenvolging van deze monomeren (klein molecuul) tot polymere structuur (groot
molecuul dat bestaat uit meerdere aan elkaar gekoppelde monomeren)
o bepaalt informatie, structuur en/of functie van deze macromoleculen
- Molecule moet voldoen aan volgende eigenschappen om erfelijke (overdraagbare) informatie
te kunnen opslaan
1. Drager moet lineair (niet vertakt) zijn
2. Molecule moet stabiel zijn
3. Molecule moet over code beschikken
4. Gecodeerde informatie moet kunnen ‘gelezen’ en tot uitdrukking gebracht worden
o = code moet vertaald kunnen worden in functionele molecule
5. Molecule moet controle en regulatie toelaten
6. Molecule moet gekopieerd en doorgegeven kunnen worden
- DNA en RNA voldoen aan deze eisen => vormen dragers van genetische informatie
o Meeste organismen: dubbelstrengig DNA (dsDNA)
o Sommige virussen: enkelstrengig DNA (ssDNA) of RNA (ssRNA of dsRNA)
o Maken gebruik van 4 verschillende bouwstenen = de nucleotiden
De informatie is gecodeerd in een precieze opeenvolging (=sequentie) van
deze vier bouwstenen
- Centrale dogma: DNA (universele drager v gen info)
o Replicatie = DNA dient als matrijs (template) voor
zijn eigen vermenigvuldiging
o Transcriptie = DNA dient als matrijs voor aanmaak messenger RNA (mRNA)
DNA → RNA
o Translatie = mRNA uit transcriptie dient op zijn beurt als matrijs voor synthese van een
functioneel proteïne
RNA omzetten naar eiwitten
o Opm. RNA kan niet gevormd worden vanuit eiwitten
1
, - DNA als drager van erfelijk materiaal
- RNA als intermediaire boodschapper voor de productie van proteïnen
- Proteïnen als ‘werkpaarden’ van de cel
- Uitzonderingen: RNA-virussen, ribozymes, celwand, mitochondriën, ...
1.3 Universaliteit van de biochemie : klopt altijd, buiten uitzonderingen
- Centraal dogma is universeel geldig (met betrekking tot de aarde)
o Alle levende organismen maken gebruik van DNA of RNA
- 4 (+1) nucleotiden in DNA/RNA
- 20 aminozuren (hieruit zijn eiwitten opgebouwd) (basis)
- Genetische code: (ongeveer) universeel
o Triplet van nucleotiden (codon) codeert telkens voor 1 welbepaald aminozuur
- Universele hoofdwegen in intermediair metabolisme
o Vb. glucose actief acetaat CO2
- Adenosinetrifosfaat (ATP) als energiebron
o ATP vervult sleutelrol als drager van energie in de cel
o Er bestaan nog andere energievormen
- Uitzonderingen: modificaties in basen en aminozuren, verschillen in codons tussen
prokaryoten en eukaryoten, ...
o Vb. centrale dogma: RNA-virussen en afwezigheid DNA-stadium (zie hierboven)
o Vb. samenstelling nucleïnezuren
DNA: A,G,C,T
RNA: A,G,C,U
o Vb. samenstelling proteïnen: steeds dezelfde 20 basisaminozuren
Kleine variaties of modificaties van aminozuren kunnen voorkomen
Variaties hebben vaak specifieke functie (reactie op stressfactoren, correcte
vouwing promoten, ...)
o Vb. genetische code: kleine verschillen in tripletcode
In prokaryoten en eukaryoten kan eenzelfde codon voor ander aminozuur
coderen
o Meeste codons door alle vormen van het leven gebruikt, maar er kunnen verschillen
zijn tussen vertalen codon bij bacterie en mens
2
,Hoofdstuk 2: Biologische bindingen Niet heel belangrijk (herhaling)
2.1 Inleiding
- Macromoleculen: nucleïnezuren en proteïnen
o = polymeren, opgebouwd uit monomeren van nucleotiden en aminozuren
o Bouwstenen met elkaar verbonden via sterke en stabiele covalente bindingen
Covalente bindingen breken niet spontaan
- Zwakke bindingen tussen verschillende biologische moleculen
o Vb. interactie tussen basen van 2 complementaire strengen nucleïnezuren
(basenparing)
o Vb. tussen zijketens van aminozuren
o Vb. tussen proteïne en zijn cofactoren, liganden en substraten
(Ligand: molecuul dat zich bindt aan een metaalion of een ander molecuul, vaak in een complex, zoals
een eiwit.)
o Belang:
Stabiliteit DNA-dubbelhelix
Vouwen RNA in zijn typische secundaire structuren
Bepalen vorm van proteïnen (en dus ook hun functie)
o Kunnen wel spontaan verbroken worden
2.2 Sterke en zwakke bindingen
- Sterke bindingen: covalente binding
o Verbreken niet spontaan
o Zijn de enige bindingen die niet spontaan verbreken in moleculaire biolgie
- Zwakke bindingen
o Kunnen wel spontaan verbroken worden
o H-bruggen
o Van der Waalskrachten
o Ionbindingen
- Verschil: energie inhoud → zorgt voor het makkelijk/ moeilijk verbreken van bindingen
Structurele eigenschappen chemische bindingen
- Afstand tussen de atomen
o Kleine afstand tussen sterk gebonden atomen
o Waterstofatomen v/e molecule H2: covalent gebonden
Afstand = 0,74 A°
o 2 waterstofatomen: verbonden door van der Waalskrachten
Afstand = 1,2 A°
- Aantal gelijktijdige bindingen
o Maximum aantal covalente bindingen dat atoom mogelijk kan aangaan = valentie
o Aantal van der Waalsbindingen is vaak enkel gelimiteerd door sterische hinder
o Aantal H-bruggen is sterk gelimiteerd (maar van groot belang in biochem)
- Bindingshoek
o Covalente bindingen: vaste hoekwaarde
o Zwakke bindingen: bindingshoeken hebben meer vrijheid en variabiliteit
, VDW enkel beperkt door sterische hinder → bindingshoek bij zwakke
bindingen zal ook altijd verschillende zijn
- Rotatie
o Covalente bindingen:
Enkelvoudig => ongehinderde rotatievrijheid
Dubbel en drievoudig => gelimiteerde rotatievrijheid
Peptidebinding: gedeeltelijke dubbele binding
Limiteren rotatievrijheid
Gevolg: carbonylgroep (C=O) en de iminogroep (N=C) moeten in
hetzelfde vlak liggen
Afbeelding: wel rotatievrijheid rond linkeratoom (grijs)
o Zwakkere bindingen: minder restricties op rotatievrijheid (afhankelijk v ster hinder)
Vrije energie
- Sterkte v/d binding: weergeven in termen van energie = vrije energie G
- Verandering in vrije energie = ∆G
o Spontante reacties: vermindering in vrije energie (∆G < 0)
o Niet-spontane reacties: ∆G > 0
o Evenwicht: ∆G = 0
Geen verandering meer in hoeveelheid vrije energie
In gesloten systeem: situatie met minst vrije energie aanwezig
- Vormen binding: energie komt vrij
- Verbreken binding: vraagt energie-input
- Wet van behoud van energie: vormingsenergie = verbrekingsenergie
- Vrije energie is in staat om arbeid te verrichten
Zwakke bindingen
- Van der Waalsbindingen, hydrofobe interacties, waterstofbruggen en ionbindingen
- Niet specifiek: kunnen gevormd w tussen alle atomen, moleculen
- Van der Waals: zwakste
o Energie = 1-2 kcal/mol
o Ontstaan door niet-specifieke aantrekking tussen 2 atomen in elkaars buurt
o Ontstaan tussen alle soorten molecule: polair en apolair
o Enkel van belang wanneer atomen dicht in elkaars buurt kunnen komen
Atomen te dicht bij elkaar => afstotende krachten nemen over
o In biologische systemen: van der Waalskrachten pas van belang wanneer veel atomen
van de ene molecule interageren met veel atomen v/d andere molecule
Gebeurt enkel wanneer ene molecule precies in de andere past
Vb. binding tussen antilichaam en specifieke antigen
Atilichaam kan meestal maar 1 specifiek antigen herkennen
Gecombineerde kracht van al deze interacties = 20-30 kcal/mol
=> Binding tussen antilichaam-antigen lost nooit
- Ionbindingen
o Gevormd tussen moleculen of ionen met tegengestelde lading
o Energie = 3-7 kcal/mol (hoger dan VDW)
o Bindingen gevormd met anorganisch ion (Na+, K+, Mg2+, Cl-, SO4-)
