Hoofdstuk 1 – Het ontstaan van leven op
aarde: van biomolecules tot cel
Bouwstenen van het leven (p7 cursus)
Alle biomolecules zijn opgebouwd met koolstof als centraal atoom.
• Koolwaterstoffen
o Enkel koolstof en waterstof
o Lage ENW, ENW van koolstof en waterstof ongeveer gelijk ® APOLAIR
o Functionele groepen gebonden (bv. hydroxyl, amino, fosfaat…)
Meeste biomolecules hebben ook ander atomen in hun structuur met andere ENW ® POLAIR
Isomeren = moleculen met dezelfde structuurformule maar een andere structuur
o Structurele isomeren: verschillen in structuur van hun koolstofskelet
o Stereoisomeren: zelfde koolstofskelet (3D-structuur: belangrijk als moleculen
interreageren met elkaar) maar verschillende ruimtelijke plaatsing van hun zijgroepen
§ Enantiomeren: moleculen die elkaars spiegelbeeld zijn (= chiraliteit: ze zijn in staat om
gepolariseerd licht te buigen, er zijn links- en rechtsdraaiende moleculen)
Naast water dat bestaat uit waterstof en zuurstof, zijn de meeste chemische processen in de cel afhankelijk van
koolstof-bevattende verbindingen.
¾ Eiwitten/proteïnen: geven structuur aan cellen en fungeren als katalysatoren voor chemische reacties
en als signaalmoleculen (polymeren van aminozuren)
¾ Nucleïnezuren: coderen genetische informatie, bewaren ze en geven ze door
(aaneenschakeling van nucleotiden)
¾ Koolhydraten: bron van energie en bouwstenen van de celwand van planten en bacteriën
(opeenvolging van eenvoudige suikers)
¾ Lipiden: vormen celmembranen, een energievoorraad en hebben functies als signaalmoleculen
Deze moleculen zijn vaak groot, bevatten honderden of duizenden atomen en de meeste zijn
polymeren, bestaande uit covalent gebonden eenvoudigere eenheden. Typisch polymeren:
1. Hebben een richting
2. Opeenvolging van eenheden heeft een betekenis: creëert diversiteit tussen moleculen
® organisme gebruikt eenvoudige bouwstenen om enorme diversiteit aan biomoleculen te vormen
• Koolhydraten = suikers, sachariden,…
o Opgebouwd uit C, H en O (CH2O)n (n = aantal koolstofatomen)
o Monosachariden: C6H12O6 = lineair molecule, in waterig milieu ® ringstructuur
Voorbeelden: glucose, galactose en fructose
o Disachariden: covalente binding tussen aldehyde en hydroxylgroep van monosachariden
Voorbeeld: lactose, maltose, sacharose
o Polysachariden: hydroxylgroepen aan C1 en C4 die onderling een glycoside binding aangaan,
fungeren vaak als energievoorraad of als structurele component in de opbouw van organisme
Voorbeeld: zetmeel, glycogeen (dierlijk, energievoorraad), cellulose (plantaardig, celwand)
1
, Aldehyde
groep
6
Lineair glucose Cyclisch glucose
Glycoside bindingen
• Nucleïnezuren = opgebouwd uit nucleotiden, belangrijk als informatiedragend in onze cel
o DNA en RNA: informatiedragers van onze cellen
o DNA: opgebouwd uit deoxynucleotides
§ Afgeschreven tot complementair enkelstrengig RNA (= transcriptie)
o RNA: opgebouwd uit ribonucleotides
§ mRNa: informatiedragend en wordt vertaald in een eiwit (= translatie)
§ rRNA: helpen bij het vertalen van mRNA
§ tRNA: brengt aminozuren aan tijdens translatie
§ snRNA (klein nucleair RNA): helpt bij splicing en polyadenylatie
§ zeer korte (21-23 nt) regulerernde RNAs, microRNAs (miRNA) en korte interfererende
RNAs (siRNA): translatie inhiberen door binden aan hun complementaire mRNA
waardoor deze vernietigd wordt door cellulaire machinerie
§ lncRNA (lang niet-coderend RNA): regulerende rol in transcriptie van genen
§ circRNA (circulair RNA): van proteïne-coderend RNA afgeleid en zowel coderende als
regulerende eigenschappen hebben
o Verbindingen = fosfodiesterverbinding waarbij de 3’hydroxylgroep van het ene nucleotide een
covalente binding vormt met de 5’fosfaatgroep van het volgende nucleotide
o ATP: meest gebruikte energie-molecule van cel: ATP hydrolyse genereert energie in een groot
aantal cellulaire reacties (NAD+ en FAD zijn belangrijke elektronencarriers)
Volgens het centrale dogma van de biologie worden genen in het DNA afgeschreven tot
enkelstrengig mRNA ter hoogte van de celkern. Dit mRNA wordt in het cytoplasma vertaald tot
eiwit.
DNA RNA
dubbele helix (stabiel): waterstofbruggen enkelstrengig
tussen complementaire basen
deoxyribose ribose
A-2-T G-3-C A-2-U G-3-C
5’®3’ of 3’®5’ 5’®3’
fosfaatgroep
Chromosoom
Chromatine
DNA windt zich
rond
histone eiwitten
ter
Fosfodiester
binding
Dubbele Deoxyribose
helix suiker
2
, Structuur van DNA: Nucleosomen worden opgerold en vormen een chromatinedraad die opgerold
wordt door celdeling een chromosoom wordt. De manier waarop DNA is opgerold, de structuur van
DNA = epigenetische informatie.
Transcriptie: van DNA naar RNA (celkern)
Structuur van een gen
Promotor: plaats waar eiwitten binden die noodzakelijk zijn voor transcriptie
Terminator: zorgt dat transcriptie stopt
Transcriptiefactoren: geven aan welk gen afgeschreven moet worden en niet
¾ Algemene transcriptiefactoren: binden aan promotor
¾ Specifieke transcriptiefactoren: binden ergens anders
De richting van gen loopt van 5’® 3’ van de coderende streng, die complementair is aan matrijsstreng. Bij
transcriptie wordt de matrijsstreng (niet-coderende streng) overgeschreven, de sequentie van de coderende
streng en het mRNA zijn bijgevolg gelijk.
1. RNA polymerase bindt aan de promotor, die in het niet-coderende gebied stroomopwaarts van de
transcriptie-initiatie plaats gelegen is
2. Transcriptiefactoren binden en matrijsstreng wordt overgeschreven
3. Transcriptie stopgezet als RNA polymerase een terminator sequentie tegenkomt, transcript wordt dan
losgelaten ® mRNA nog niet klaar voor translatie
4. Splicing: verwijderen van intronen (niet-coderend) en aan elkaar plakken van exonen
§ Alternatieve splicing: één RNA op verschillende manier gespliced, waardoor verschillende
exonen behouden blijven/weggeknipt worden in verschillende transcripten. Zo kan één code
verschillende eiwitten opleveren en zo meerdere functies hebben.
5. Capping: 5’ einde wordt beschermd door toevoeging van een poly-A-staart.
Transcriptiefactoren = eiwitten die binden aan niet-coderende gen-regulerende sequenties. Deze
sequenties kunnen in de promotor liggen, maar ook duizenden basenparen weg van het gen op het
zogenaamde ‘enhancer’ of ‘repressor’ plaatsen.
¾ Transcriptiefactoren die op een enhancer binden: transcriptie versterken
¾ Transcriptiefactoren die op een repressor binden: leidt tot stopzetten van transcriptie
3
, Translatie: van mRNA naar functioneel eiwit (cytoplasma van ribosomen)
Tijdens translatie wordt in de ribosomen de code van het mRNA vertaald ter vorming van een
polypeptideketting, en kent drie fases: initiatie, elongatie en terminatie. tRNA’s herkennen codons en brengen
aminozuren aan. De genetische code wordt afgelezen per triplet en is dus degeneratief of redundant: één
aminozuur wordt meestal gecodeerd door meerdere triplets.
1. Start bij startcodon = AUG (methionine): polypeptideketting begint met aminogroep van methionine en
eindigt aan de carboxylgroep van het laatste aminozuur, het C-terminale einde.
2. Einde bij stopcodons = hierbij wordt translatieproces gestopt en polypeptideketens worden losgelaten.
3. Post-translationele modificaties:
§ Additie van chemische groepen of suikergroepen
§ Groot effect op de activiteit van het eiwit
Mutaties
o Puntmutatie: als slechts één base gewijzigd is
o Stille mutaties: (punt)mutaties die niet leiden tot een wijziging in aminozuur dat gecodeerd werd
o Missense mutaties: (punt)mutaties die leiden tot een ander aminozuur
o Nonsense mutaties: (punt)mutaties die leiden tot een stopcodon
o Deletie: als meer dan één basenpaar wegvalt
o Insertie: als meer dan één basenpaar ingevoegd wordt
o Frameshift: verschuiven van leesraam (door deletie of insertie als die geen veelvoud is van drie)
Eiwitten/proteïnen = peptidebindingen van aminozuren
® biomolecules met diverse vorm en functie
In waterig milieu zal carboxylgroep een proton afgeven en de aminogroep een proton opnemen: aminozuur
ioniseert. Aminozuren reageren met elkaar en vormen peptidebruggen: covalente C-N binding tussen
aminogroep van ene en carboxylgroep van volgend aminozuur. Polypeptideketting = lange aaneenschakeling van
aminozuren.
o Primaire structuur = volgorde van aminozuren: van N-terminale deel (start) tot C-terminale deel (einde)
o Secundaire structuur = vorming van a-helix of b-helix
o Tertiaire structuur = samenvoegen en verder opplooien van eiwit tot 3D vorm door chaperone-eiwitten,
deze structuur kan aanleiding geven tot sleuven of bulten die belangrijk zijn voor interacties die het
eiwit al dan niet zal kunnen aangaan met andere molecules
§ Denaturatie: verlies tertiaire structuur door veranderingen in omgeving (pH, temperatuur..)
§ Dissociatie: proces waarbij twee functionele eiwitten of subeenheden van mekaar loskomen
® tertiaire structuur niet verloren maar quaternaire wel, proces omkeerbaar
§ Renaturatie: terugkeren naar hun tertiaire structuur na denaturatie (vaak niet mogelijk)
o Quaternaire structuur = als meerdere tertiare structuren deelnemen aan groot eiwitcomplex
Als het opplooien van eiwitten niet goed verloopt kan dit leiden tot verlies van eiwitfunctie, en als gevolg
daarvan tot ziektes (bv mucoviscidose).
4
aarde: van biomolecules tot cel
Bouwstenen van het leven (p7 cursus)
Alle biomolecules zijn opgebouwd met koolstof als centraal atoom.
• Koolwaterstoffen
o Enkel koolstof en waterstof
o Lage ENW, ENW van koolstof en waterstof ongeveer gelijk ® APOLAIR
o Functionele groepen gebonden (bv. hydroxyl, amino, fosfaat…)
Meeste biomolecules hebben ook ander atomen in hun structuur met andere ENW ® POLAIR
Isomeren = moleculen met dezelfde structuurformule maar een andere structuur
o Structurele isomeren: verschillen in structuur van hun koolstofskelet
o Stereoisomeren: zelfde koolstofskelet (3D-structuur: belangrijk als moleculen
interreageren met elkaar) maar verschillende ruimtelijke plaatsing van hun zijgroepen
§ Enantiomeren: moleculen die elkaars spiegelbeeld zijn (= chiraliteit: ze zijn in staat om
gepolariseerd licht te buigen, er zijn links- en rechtsdraaiende moleculen)
Naast water dat bestaat uit waterstof en zuurstof, zijn de meeste chemische processen in de cel afhankelijk van
koolstof-bevattende verbindingen.
¾ Eiwitten/proteïnen: geven structuur aan cellen en fungeren als katalysatoren voor chemische reacties
en als signaalmoleculen (polymeren van aminozuren)
¾ Nucleïnezuren: coderen genetische informatie, bewaren ze en geven ze door
(aaneenschakeling van nucleotiden)
¾ Koolhydraten: bron van energie en bouwstenen van de celwand van planten en bacteriën
(opeenvolging van eenvoudige suikers)
¾ Lipiden: vormen celmembranen, een energievoorraad en hebben functies als signaalmoleculen
Deze moleculen zijn vaak groot, bevatten honderden of duizenden atomen en de meeste zijn
polymeren, bestaande uit covalent gebonden eenvoudigere eenheden. Typisch polymeren:
1. Hebben een richting
2. Opeenvolging van eenheden heeft een betekenis: creëert diversiteit tussen moleculen
® organisme gebruikt eenvoudige bouwstenen om enorme diversiteit aan biomoleculen te vormen
• Koolhydraten = suikers, sachariden,…
o Opgebouwd uit C, H en O (CH2O)n (n = aantal koolstofatomen)
o Monosachariden: C6H12O6 = lineair molecule, in waterig milieu ® ringstructuur
Voorbeelden: glucose, galactose en fructose
o Disachariden: covalente binding tussen aldehyde en hydroxylgroep van monosachariden
Voorbeeld: lactose, maltose, sacharose
o Polysachariden: hydroxylgroepen aan C1 en C4 die onderling een glycoside binding aangaan,
fungeren vaak als energievoorraad of als structurele component in de opbouw van organisme
Voorbeeld: zetmeel, glycogeen (dierlijk, energievoorraad), cellulose (plantaardig, celwand)
1
, Aldehyde
groep
6
Lineair glucose Cyclisch glucose
Glycoside bindingen
• Nucleïnezuren = opgebouwd uit nucleotiden, belangrijk als informatiedragend in onze cel
o DNA en RNA: informatiedragers van onze cellen
o DNA: opgebouwd uit deoxynucleotides
§ Afgeschreven tot complementair enkelstrengig RNA (= transcriptie)
o RNA: opgebouwd uit ribonucleotides
§ mRNa: informatiedragend en wordt vertaald in een eiwit (= translatie)
§ rRNA: helpen bij het vertalen van mRNA
§ tRNA: brengt aminozuren aan tijdens translatie
§ snRNA (klein nucleair RNA): helpt bij splicing en polyadenylatie
§ zeer korte (21-23 nt) regulerernde RNAs, microRNAs (miRNA) en korte interfererende
RNAs (siRNA): translatie inhiberen door binden aan hun complementaire mRNA
waardoor deze vernietigd wordt door cellulaire machinerie
§ lncRNA (lang niet-coderend RNA): regulerende rol in transcriptie van genen
§ circRNA (circulair RNA): van proteïne-coderend RNA afgeleid en zowel coderende als
regulerende eigenschappen hebben
o Verbindingen = fosfodiesterverbinding waarbij de 3’hydroxylgroep van het ene nucleotide een
covalente binding vormt met de 5’fosfaatgroep van het volgende nucleotide
o ATP: meest gebruikte energie-molecule van cel: ATP hydrolyse genereert energie in een groot
aantal cellulaire reacties (NAD+ en FAD zijn belangrijke elektronencarriers)
Volgens het centrale dogma van de biologie worden genen in het DNA afgeschreven tot
enkelstrengig mRNA ter hoogte van de celkern. Dit mRNA wordt in het cytoplasma vertaald tot
eiwit.
DNA RNA
dubbele helix (stabiel): waterstofbruggen enkelstrengig
tussen complementaire basen
deoxyribose ribose
A-2-T G-3-C A-2-U G-3-C
5’®3’ of 3’®5’ 5’®3’
fosfaatgroep
Chromosoom
Chromatine
DNA windt zich
rond
histone eiwitten
ter
Fosfodiester
binding
Dubbele Deoxyribose
helix suiker
2
, Structuur van DNA: Nucleosomen worden opgerold en vormen een chromatinedraad die opgerold
wordt door celdeling een chromosoom wordt. De manier waarop DNA is opgerold, de structuur van
DNA = epigenetische informatie.
Transcriptie: van DNA naar RNA (celkern)
Structuur van een gen
Promotor: plaats waar eiwitten binden die noodzakelijk zijn voor transcriptie
Terminator: zorgt dat transcriptie stopt
Transcriptiefactoren: geven aan welk gen afgeschreven moet worden en niet
¾ Algemene transcriptiefactoren: binden aan promotor
¾ Specifieke transcriptiefactoren: binden ergens anders
De richting van gen loopt van 5’® 3’ van de coderende streng, die complementair is aan matrijsstreng. Bij
transcriptie wordt de matrijsstreng (niet-coderende streng) overgeschreven, de sequentie van de coderende
streng en het mRNA zijn bijgevolg gelijk.
1. RNA polymerase bindt aan de promotor, die in het niet-coderende gebied stroomopwaarts van de
transcriptie-initiatie plaats gelegen is
2. Transcriptiefactoren binden en matrijsstreng wordt overgeschreven
3. Transcriptie stopgezet als RNA polymerase een terminator sequentie tegenkomt, transcript wordt dan
losgelaten ® mRNA nog niet klaar voor translatie
4. Splicing: verwijderen van intronen (niet-coderend) en aan elkaar plakken van exonen
§ Alternatieve splicing: één RNA op verschillende manier gespliced, waardoor verschillende
exonen behouden blijven/weggeknipt worden in verschillende transcripten. Zo kan één code
verschillende eiwitten opleveren en zo meerdere functies hebben.
5. Capping: 5’ einde wordt beschermd door toevoeging van een poly-A-staart.
Transcriptiefactoren = eiwitten die binden aan niet-coderende gen-regulerende sequenties. Deze
sequenties kunnen in de promotor liggen, maar ook duizenden basenparen weg van het gen op het
zogenaamde ‘enhancer’ of ‘repressor’ plaatsen.
¾ Transcriptiefactoren die op een enhancer binden: transcriptie versterken
¾ Transcriptiefactoren die op een repressor binden: leidt tot stopzetten van transcriptie
3
, Translatie: van mRNA naar functioneel eiwit (cytoplasma van ribosomen)
Tijdens translatie wordt in de ribosomen de code van het mRNA vertaald ter vorming van een
polypeptideketting, en kent drie fases: initiatie, elongatie en terminatie. tRNA’s herkennen codons en brengen
aminozuren aan. De genetische code wordt afgelezen per triplet en is dus degeneratief of redundant: één
aminozuur wordt meestal gecodeerd door meerdere triplets.
1. Start bij startcodon = AUG (methionine): polypeptideketting begint met aminogroep van methionine en
eindigt aan de carboxylgroep van het laatste aminozuur, het C-terminale einde.
2. Einde bij stopcodons = hierbij wordt translatieproces gestopt en polypeptideketens worden losgelaten.
3. Post-translationele modificaties:
§ Additie van chemische groepen of suikergroepen
§ Groot effect op de activiteit van het eiwit
Mutaties
o Puntmutatie: als slechts één base gewijzigd is
o Stille mutaties: (punt)mutaties die niet leiden tot een wijziging in aminozuur dat gecodeerd werd
o Missense mutaties: (punt)mutaties die leiden tot een ander aminozuur
o Nonsense mutaties: (punt)mutaties die leiden tot een stopcodon
o Deletie: als meer dan één basenpaar wegvalt
o Insertie: als meer dan één basenpaar ingevoegd wordt
o Frameshift: verschuiven van leesraam (door deletie of insertie als die geen veelvoud is van drie)
Eiwitten/proteïnen = peptidebindingen van aminozuren
® biomolecules met diverse vorm en functie
In waterig milieu zal carboxylgroep een proton afgeven en de aminogroep een proton opnemen: aminozuur
ioniseert. Aminozuren reageren met elkaar en vormen peptidebruggen: covalente C-N binding tussen
aminogroep van ene en carboxylgroep van volgend aminozuur. Polypeptideketting = lange aaneenschakeling van
aminozuren.
o Primaire structuur = volgorde van aminozuren: van N-terminale deel (start) tot C-terminale deel (einde)
o Secundaire structuur = vorming van a-helix of b-helix
o Tertiaire structuur = samenvoegen en verder opplooien van eiwit tot 3D vorm door chaperone-eiwitten,
deze structuur kan aanleiding geven tot sleuven of bulten die belangrijk zijn voor interacties die het
eiwit al dan niet zal kunnen aangaan met andere molecules
§ Denaturatie: verlies tertiaire structuur door veranderingen in omgeving (pH, temperatuur..)
§ Dissociatie: proces waarbij twee functionele eiwitten of subeenheden van mekaar loskomen
® tertiaire structuur niet verloren maar quaternaire wel, proces omkeerbaar
§ Renaturatie: terugkeren naar hun tertiaire structuur na denaturatie (vaak niet mogelijk)
o Quaternaire structuur = als meerdere tertiare structuren deelnemen aan groot eiwitcomplex
Als het opplooien van eiwitten niet goed verloopt kan dit leiden tot verlies van eiwitfunctie, en als gevolg
daarvan tot ziektes (bv mucoviscidose).
4
