Moleculaire biologie
Hoofdstuk 1: Inleiding tot de moleculaire biologie
Centrale dogma: DNA wordt gerepliceerd en zorgt voor de aanmaak van mRNA (transcriptie). Dat
mRNA dient voor de aanmaak van een functioneel proteïne, via translatie. Het RNA is als het ware
een intermediaire boodschapper voor de productie van proteïnen.
Voorbeeld uitzondering: Er bestaan RNA-virussen die geen gebruik maken van DNA in hun
infectiecyclus. Het RNA codeert alle noodzakelijke genen voor de amplificatie van het virus en wordt
rechtstreeks gebruikt als matrijs om te vertalen in proteïnes. Extra vb zie cursus p.3.
Hoofdstuk 2: Biologische bindingen
Sterke bindingen: verbreken niet spontaan
Covalente bindingen
Zwakke bindingen: kunnen spontaan verbroken worden (omdat de energie-inhoud heel laag is)
H-bruggen
Van der Waalskrachten
Ionbindingen
1) Eigenschappen van een binding
o Afstand tussen de atomen: sterkte is afhankelijk van de lengte tussen de atomen in de binding. De
atomen in een sterke binding bevinden zich dichter in elkaars buurt dan de
atomen in een zwakke binding.
- Covalente binding: atomen zitten dicht op elkaar (H-H: 0,74 Å)
- Van der Waalsbindingen: atomen verder van elkaar (H-H: 1,20 Å)
o Aantal simultane bindingen:
- Covalente binding: afhankelijk van valentie (=maximaal aantal covalente bindingen)
- Van der Waalsbindingen: gelimiteerd door sterische hinder (gelimiteerd tot het aantal
atomen dat met elkaar in interactie kan treden)
- H-bruggen: gelimiteerd (covalent gebonden H: gaat maximaal 1 H-brug aan, covalent
gebonden O: maximaal 2 H-bruggen)
o Bindingshoek:
- Covalente bindingen: vaste hoekwaarden
- Zwakkere bindingen: meer vrijheid en verschillen (door sterische hinder)
2) Vrije energie
Sterkte van een binding weergegeven in (vrije)
energie. ΔG: verandering van vrije energie.
ΔG > 0: niet-spontane reactie
ΔG < 0: vermindering in vrije energie: spontane
reactie
ΔG = 0: evenwicht
Vormen van een binding à energie vrij
,Verbreken van een binding à energie-input nodig
Vormingsenergie = verbrekingsenergie (wet van behoud van energie)
3) Zwakke bindingen
Van der Waals: zwakste bindingen (1-2 kcal/mol)
Ze ontstaan door niet specifieke aantrekking tussen atomen (het heeft niets te maken met de atomen
zelf, maar gewoon met de afstand ertussen). De krachten zijn enkel van belang wanneer de atomen
dicht bij elkaar komen. Als de afstand tussen de atomen te klein wordt, gaan ze elkaar afstoten. Als ze
zich te ver van elkaar bevinden: makkelijk verbroken. Deze krachten zijn enkel belangrijk als er veel
interacties aangegaan kunnen worden (meestal enkel wanneer de ene molecule precies past in de
andere).
Wanneer de afstand tussen de atomen zeer klein is, gaan die elkaar
afstoten. De atomen zullen daardoor verder uit elkaar gaan liggen en de
energie zal dalen (de binding wordt dus stabieler). Op een bepaalde punt
wordt er een stabiele situatie bereikt, waar de energie zo laag mogelijk
is. Een verdere toename van afstand zal ervoor zorgen dat de energie
stijgt en het systeem weer minder stabiel wordt. Hoe verder de atomen
van elkaar gaan (door afstoting), hoe makkelijker van der Waalskrachten
doorbroken worden, want er is steeds minder energie-inhoud.
Ionbindingen (3-7 kcal/mol)
De bindingen worden gevormd tussen positief en negatief geladen atomen. Deze bindingen dragen
weinig bij tot de vorm van de molecule (sterische hinder kan een rol spelen). Waterstofbruggen zijn
een soort van ionbindingen.
H-bruggen
Ze worden gevormd tussen een waterstofatoom gebonden op een sterke elektronegatieve groep (de
waterstofdonor genoemd: O-H, N-H) en een andere sterk elektronegatieve groep (namelijk de
waterstofacceptor: O,N). Daardoor ontstaan er partieel ladingen. De waterstofbruggen zijn
directioneel. De sterkste waterstofbruggen liggen in het verlengde van de covalente bindingen
(tussen het waterstofatoom en het donoratoom).
4) Enzym-subtraatbinding
De zwakke bindingen hebben relatief lage bindingsenergieën.
Gevolg:
- Specificiteit = het passen in het bindingspakket van een enzym.
Vele zwakke bindingen geven samen een zeer lage ΔG. Die gecombineerde energie van
alle interacties tussen enzym en substraat verzekert dat er voldoende specificiteit is. Een
foutief substraat kan minder bindingen aangaan (zal sneller dissociëren) en heeft een
hogere ΔG.
- Snelheid:
De gecombineerde energie is toch klein genoeg om verbroken te worden door de energie
afkomstig van kleine thermale gebeurtenissen. Dit verzekert een voldoende snelle
dissociatie tussen enzym en substraat, zodat een volgend substraat kan gebonden
worden.
5) Hoogenergetische binding
Om bindingen te maken, moet je de activeringsenergie-berg over geraken en bindingen breken, dit
kost energie. Dit kan spontaan gebeuren als ΔG<0. Enzymen veranderen niets aan de
,reactievoorwaarden (ze veranderen niets aan de spontaniteit), ze veranderen enkel de snelheid van
de reactie (door de activeringsenergie te verlagen).
Hoogenergetische moleculen worden gehydrolyseerd om energie te leveren voor het vormen van
andere bindingen (daardoor lijkt het soms dat de vrije energie stijgt bij het vormen van bindingen).
Bv: ATP (adenosinetrifosfaat), GTP (slechts voor enkele reacties bruikbaar)
Hoofdstuk 3: Nucleïnezuren
1) Nucleotiden
Nucleïnezuren: DNA en RNA. Het zijn lineaire, niet-vertakte
heteropolymeren die instaan voor het dragen van genetische
informatie. Ze zijn opgebouwd uit 4 basismoleculen
(nucleotiden), deze nucleotiden bestaan uit 3 delen: een
suikergroep (ribose), een base en een fosfaatgroep. Ze
hebben een verschillende base.
Suikergroep
DNA: deoxyribose, RNA: ribose.
Het suiker is een pentose want 5 C en een aldose want het
bevat een eindstandige aldehydegroep. Enkel D-(2-
deoxy)ribose enantiomeer komt in natuurlijke nucleïnezuren
voor (L-ribose niet).
Door hemiacetaalvorming kan een furanose- (5-ring: 4 C en 1 O) of pyranosering (6-ring: 5 C en 1 O)
gevormd worden. Bij deze ringvorming wordt C1’ chiraal, hetgeen bij de lineaire vormen niet het geval
was. (chiraal koolstofatoom= asymmetrisch (C gebonden aan 4 verschillende groepen/atomen)).
Enkel de β-vorm (= op C1’ OH vanboven) komt voor in nucleïnezuren: β-D-(2-deoxy)ribose komt voor.
Base
Er bestaan 4 basen in DNA en 4 in RNA, ze bepalen de zogenaamde sequentie. Het zijn vlakke
ringstructuren die N bevatten, de pyrimidines bestaan uit een enkelvoudige ring, de purines uit een
dubbele. Ze zijn gebonden aan de C1’ van het suiker via een β-N-glycosidebinding en hun
absorptiemaximum is bij 260 nm.
Structuren kunnen tekenen, naam kennen:
, Als er iets een substitutie is op de C van een suiker: C x’, als er iets een substitutie is op de base: C x.
Fosfaatgroep
Een nucleotide bevat minstens 1 fosfaatgroep. De fosfaatgroep is gebonden aan de pentose op de C 5’-
positie via een fosfoesterbinding.
Nucleoside= nucleotide zonder een fosfaatgroep op C 5’.
Als een nucleotide nog niet is ingebouwd in DNA/RNA bevat het 3 fosfaatgroepen: α, β, γ, de
fosfaatgroep is dan een trifosfaat in een geactiveerde nucleotide.
Monofosfaatgroep in DNA/RNA: Als een nucleotide wel is ingebouwd in DNA/RNA bevat het nog
maar 1 fosfaatgroep. De vereiste energie voor de inbouw van het nucleotide komt vrij door afsplitsing
van een pyrofosfaatgroep van het geactiveerde nucleotide bij de inbouw.
De fosfaatgroep zorgt voor het zure karakter van het nucleotide en interacties met proteïnen.
2) Speciale nucleotiden
Cyclische nucleoside monofosfaat
De molecule wordt gevormd wanneer de monofosfaatgroep 2x gebonden is aan dezelfde ribose.
Meest linkse structuur: je zou verwachten dat fosfaatgroep gebonden is aan
HOCH2-groep, hoe komt het dat de fosfaatgroep van 5’ C naar 2’ en 3’ C is gegaan?
Dat komt omdat het niet de fosfaatgroep van deze nucleoside is, maar die van de
volgende.
Cyclisch AMP is ook een voorbeeld van deze groep monofosfaten. Het is een
signaalmolecule in de energiecyclus. Het enzym adenylaatcyclase zal de α-fosfaat van
adenosinetrifosfaat (ATP) verbinden met de C 3’ (cycliseren van α-fosfaat). Het enzym cAMP
fosfodiesterase gaat cAMP afbreken (binding tussen fosfaatgroep en C 3’ breken). Het enzym is cafeïne
gevoelig: cafeïne legt cAMP fosfodiesterase stil, waardoor er geen ATP productie meer zal zijn en
cAMP zal opstapelen.
cAMP en cGMP: neem kennen en
kunnen tekenen.
Guanosine-5’-difosfaat-3’-difosfaat (ppGpp) en guanosine-5’-trifosfaat-3’-difosfaat (pppGpp)
Ze zijn betrokken bij de regulatie van gen transcriptie.
Hoofdstuk 1: Inleiding tot de moleculaire biologie
Centrale dogma: DNA wordt gerepliceerd en zorgt voor de aanmaak van mRNA (transcriptie). Dat
mRNA dient voor de aanmaak van een functioneel proteïne, via translatie. Het RNA is als het ware
een intermediaire boodschapper voor de productie van proteïnen.
Voorbeeld uitzondering: Er bestaan RNA-virussen die geen gebruik maken van DNA in hun
infectiecyclus. Het RNA codeert alle noodzakelijke genen voor de amplificatie van het virus en wordt
rechtstreeks gebruikt als matrijs om te vertalen in proteïnes. Extra vb zie cursus p.3.
Hoofdstuk 2: Biologische bindingen
Sterke bindingen: verbreken niet spontaan
Covalente bindingen
Zwakke bindingen: kunnen spontaan verbroken worden (omdat de energie-inhoud heel laag is)
H-bruggen
Van der Waalskrachten
Ionbindingen
1) Eigenschappen van een binding
o Afstand tussen de atomen: sterkte is afhankelijk van de lengte tussen de atomen in de binding. De
atomen in een sterke binding bevinden zich dichter in elkaars buurt dan de
atomen in een zwakke binding.
- Covalente binding: atomen zitten dicht op elkaar (H-H: 0,74 Å)
- Van der Waalsbindingen: atomen verder van elkaar (H-H: 1,20 Å)
o Aantal simultane bindingen:
- Covalente binding: afhankelijk van valentie (=maximaal aantal covalente bindingen)
- Van der Waalsbindingen: gelimiteerd door sterische hinder (gelimiteerd tot het aantal
atomen dat met elkaar in interactie kan treden)
- H-bruggen: gelimiteerd (covalent gebonden H: gaat maximaal 1 H-brug aan, covalent
gebonden O: maximaal 2 H-bruggen)
o Bindingshoek:
- Covalente bindingen: vaste hoekwaarden
- Zwakkere bindingen: meer vrijheid en verschillen (door sterische hinder)
2) Vrije energie
Sterkte van een binding weergegeven in (vrije)
energie. ΔG: verandering van vrije energie.
ΔG > 0: niet-spontane reactie
ΔG < 0: vermindering in vrije energie: spontane
reactie
ΔG = 0: evenwicht
Vormen van een binding à energie vrij
,Verbreken van een binding à energie-input nodig
Vormingsenergie = verbrekingsenergie (wet van behoud van energie)
3) Zwakke bindingen
Van der Waals: zwakste bindingen (1-2 kcal/mol)
Ze ontstaan door niet specifieke aantrekking tussen atomen (het heeft niets te maken met de atomen
zelf, maar gewoon met de afstand ertussen). De krachten zijn enkel van belang wanneer de atomen
dicht bij elkaar komen. Als de afstand tussen de atomen te klein wordt, gaan ze elkaar afstoten. Als ze
zich te ver van elkaar bevinden: makkelijk verbroken. Deze krachten zijn enkel belangrijk als er veel
interacties aangegaan kunnen worden (meestal enkel wanneer de ene molecule precies past in de
andere).
Wanneer de afstand tussen de atomen zeer klein is, gaan die elkaar
afstoten. De atomen zullen daardoor verder uit elkaar gaan liggen en de
energie zal dalen (de binding wordt dus stabieler). Op een bepaalde punt
wordt er een stabiele situatie bereikt, waar de energie zo laag mogelijk
is. Een verdere toename van afstand zal ervoor zorgen dat de energie
stijgt en het systeem weer minder stabiel wordt. Hoe verder de atomen
van elkaar gaan (door afstoting), hoe makkelijker van der Waalskrachten
doorbroken worden, want er is steeds minder energie-inhoud.
Ionbindingen (3-7 kcal/mol)
De bindingen worden gevormd tussen positief en negatief geladen atomen. Deze bindingen dragen
weinig bij tot de vorm van de molecule (sterische hinder kan een rol spelen). Waterstofbruggen zijn
een soort van ionbindingen.
H-bruggen
Ze worden gevormd tussen een waterstofatoom gebonden op een sterke elektronegatieve groep (de
waterstofdonor genoemd: O-H, N-H) en een andere sterk elektronegatieve groep (namelijk de
waterstofacceptor: O,N). Daardoor ontstaan er partieel ladingen. De waterstofbruggen zijn
directioneel. De sterkste waterstofbruggen liggen in het verlengde van de covalente bindingen
(tussen het waterstofatoom en het donoratoom).
4) Enzym-subtraatbinding
De zwakke bindingen hebben relatief lage bindingsenergieën.
Gevolg:
- Specificiteit = het passen in het bindingspakket van een enzym.
Vele zwakke bindingen geven samen een zeer lage ΔG. Die gecombineerde energie van
alle interacties tussen enzym en substraat verzekert dat er voldoende specificiteit is. Een
foutief substraat kan minder bindingen aangaan (zal sneller dissociëren) en heeft een
hogere ΔG.
- Snelheid:
De gecombineerde energie is toch klein genoeg om verbroken te worden door de energie
afkomstig van kleine thermale gebeurtenissen. Dit verzekert een voldoende snelle
dissociatie tussen enzym en substraat, zodat een volgend substraat kan gebonden
worden.
5) Hoogenergetische binding
Om bindingen te maken, moet je de activeringsenergie-berg over geraken en bindingen breken, dit
kost energie. Dit kan spontaan gebeuren als ΔG<0. Enzymen veranderen niets aan de
,reactievoorwaarden (ze veranderen niets aan de spontaniteit), ze veranderen enkel de snelheid van
de reactie (door de activeringsenergie te verlagen).
Hoogenergetische moleculen worden gehydrolyseerd om energie te leveren voor het vormen van
andere bindingen (daardoor lijkt het soms dat de vrije energie stijgt bij het vormen van bindingen).
Bv: ATP (adenosinetrifosfaat), GTP (slechts voor enkele reacties bruikbaar)
Hoofdstuk 3: Nucleïnezuren
1) Nucleotiden
Nucleïnezuren: DNA en RNA. Het zijn lineaire, niet-vertakte
heteropolymeren die instaan voor het dragen van genetische
informatie. Ze zijn opgebouwd uit 4 basismoleculen
(nucleotiden), deze nucleotiden bestaan uit 3 delen: een
suikergroep (ribose), een base en een fosfaatgroep. Ze
hebben een verschillende base.
Suikergroep
DNA: deoxyribose, RNA: ribose.
Het suiker is een pentose want 5 C en een aldose want het
bevat een eindstandige aldehydegroep. Enkel D-(2-
deoxy)ribose enantiomeer komt in natuurlijke nucleïnezuren
voor (L-ribose niet).
Door hemiacetaalvorming kan een furanose- (5-ring: 4 C en 1 O) of pyranosering (6-ring: 5 C en 1 O)
gevormd worden. Bij deze ringvorming wordt C1’ chiraal, hetgeen bij de lineaire vormen niet het geval
was. (chiraal koolstofatoom= asymmetrisch (C gebonden aan 4 verschillende groepen/atomen)).
Enkel de β-vorm (= op C1’ OH vanboven) komt voor in nucleïnezuren: β-D-(2-deoxy)ribose komt voor.
Base
Er bestaan 4 basen in DNA en 4 in RNA, ze bepalen de zogenaamde sequentie. Het zijn vlakke
ringstructuren die N bevatten, de pyrimidines bestaan uit een enkelvoudige ring, de purines uit een
dubbele. Ze zijn gebonden aan de C1’ van het suiker via een β-N-glycosidebinding en hun
absorptiemaximum is bij 260 nm.
Structuren kunnen tekenen, naam kennen:
, Als er iets een substitutie is op de C van een suiker: C x’, als er iets een substitutie is op de base: C x.
Fosfaatgroep
Een nucleotide bevat minstens 1 fosfaatgroep. De fosfaatgroep is gebonden aan de pentose op de C 5’-
positie via een fosfoesterbinding.
Nucleoside= nucleotide zonder een fosfaatgroep op C 5’.
Als een nucleotide nog niet is ingebouwd in DNA/RNA bevat het 3 fosfaatgroepen: α, β, γ, de
fosfaatgroep is dan een trifosfaat in een geactiveerde nucleotide.
Monofosfaatgroep in DNA/RNA: Als een nucleotide wel is ingebouwd in DNA/RNA bevat het nog
maar 1 fosfaatgroep. De vereiste energie voor de inbouw van het nucleotide komt vrij door afsplitsing
van een pyrofosfaatgroep van het geactiveerde nucleotide bij de inbouw.
De fosfaatgroep zorgt voor het zure karakter van het nucleotide en interacties met proteïnen.
2) Speciale nucleotiden
Cyclische nucleoside monofosfaat
De molecule wordt gevormd wanneer de monofosfaatgroep 2x gebonden is aan dezelfde ribose.
Meest linkse structuur: je zou verwachten dat fosfaatgroep gebonden is aan
HOCH2-groep, hoe komt het dat de fosfaatgroep van 5’ C naar 2’ en 3’ C is gegaan?
Dat komt omdat het niet de fosfaatgroep van deze nucleoside is, maar die van de
volgende.
Cyclisch AMP is ook een voorbeeld van deze groep monofosfaten. Het is een
signaalmolecule in de energiecyclus. Het enzym adenylaatcyclase zal de α-fosfaat van
adenosinetrifosfaat (ATP) verbinden met de C 3’ (cycliseren van α-fosfaat). Het enzym cAMP
fosfodiesterase gaat cAMP afbreken (binding tussen fosfaatgroep en C 3’ breken). Het enzym is cafeïne
gevoelig: cafeïne legt cAMP fosfodiesterase stil, waardoor er geen ATP productie meer zal zijn en
cAMP zal opstapelen.
cAMP en cGMP: neem kennen en
kunnen tekenen.
Guanosine-5’-difosfaat-3’-difosfaat (ppGpp) en guanosine-5’-trifosfaat-3’-difosfaat (pppGpp)
Ze zijn betrokken bij de regulatie van gen transcriptie.
