Werkcollege affiniteit & specificiteit (Week 1)
In de cursus Genoom wordt er vooral aandacht besteed aan subcellulaire processen, zoals DNA
replicatie, DNA repair, transcriptie en translatie. Deze processen vinden plaats doordat moleculen, in
veel gevallen eiwitten, met elkaar samenwerken. Je zult in deze cursus veel eiwitten tegenkomen.
Het is belangrijk dat je deze eiwitten niet gedachteloos uit je hoofd leert, maar dat je in je
achterhoofd houdt bij welk subcellulaire proces ze betrokken zijn en wat de functie van zo’n proces
in een cel is. Het heeft bijvoorbeeld weinig nut om een rijtje transcriptiefactoren uit je hoofd te leren.
Het is echter wel belangrijk dat je weet hoe transcriptiefactoren aan elkaar binden, dat ze betrokken
zijn bij het subcellulaire proces transcriptie en dat transcriptie het proces is waarbij mRNA-moleculen
gesynthetiseerd worden. Dit is essentieel voor de cel, omdat een cel eiwitten nodig heeft om te
functioneren. Het is dus belangrijk dat je altijd in je achterhoofd houdt wat de connectie is tussen het
moleculaire, het subcellulaire en het cellulaire niveau. Om de connectie tussen moleculaire en
(sub)cellulaire processen te kunnen leggen, is het belangrijk om je een beetje te verdiepen in de
eigenschappen van moleculen. Een molecuul bestaat uit atomen die via covalente bindingen aan
elkaar zitten. Een eiwit kan gedefinieerd worden als macromolecuul, bestaande uit covalent aan
elkaar gekoppelde aminozuren. Soms vormen meerdere aminozuurketens samen één geheel
(bijvoorbeeld bij Hemoglobine). Dan spreek je van een eiwitcomplex.
Moleculaire eigenschappen van eiwitten & eiwit interacties
Eiwitten hebben (lokale) ladingen. Sommige aminozuurzijketens hebben een positieve lading en
andere hebben een negatieve lading bij de pH die heerst in cellen (pH 6,8).
1. Bekijk het overzicht van alle aminozuren op de volgende pagina. Noem de aminozuren die
positief en negatief geladen zijn bij pH 6,8.
Asparaginezuur negatief geladen
Glutaminezuur negatief geladen
Arginine positief geladen
Lysine positief geladen
Histidine positief geladen
Aminozuurzijketens kunnen polair of apolair zijn. Eiwitten vouwen meestal zodanig dat de hydrofobe
aminozuurzijketens binnenin het eiwit zitten, en de hydrofiele aminozuurzijketens aan het oppervlak.
Transmembraaneiwitten hebben vaak een polair (hydrofiel) en een apolair (hydrofoob) deel.
2. Bekijk nogmaals het overzicht van alle aminozuren. Verdeel de aminozuren in een polaire en in
een apolaire groep.
Asparagine, glutamine, serine, threonine, tyrosine polair + vraag 1
Alanine, glycine, valine, leucine, isoleucine, proline, phenylalanine, methionine, tryptofaan,
cysteine apolair
Door de specifieke eigenschappen van eiwitten, kunnen eiwitten interacties aangaan met elkaar en
met andere moleculen zoals second messengers, metabolieten, DNA-moleculen en RNA-moleculen.
, 3. Zoals ook in het hoorcollege besproken is, zijn het cytoplasma en het kernplasma
stroperige vloeistoffen vol met eiwitten en andere (macro)moleculen. Leg uit hoe het kan
dat eiwitten op elke plek in de cel komen en tegen heel veel andere moleculen aan botsen.
Moleculen bewegen altijd, ze staan nooit stil. Doordat er zich meerdere moleculen bevinden in het
cytoplasma bewegen er allerlei verschillende moleculen willekeurig (en een andere kant op)
waardoor een molecuul na een gegeven tijd altijd op alle plekken binnen de omgeving terecht
komt.
Thermal motion moleculen bewegen zelf
Brownian motion beweging door een omgeving doordat het molecuul zelf beweegt
4. Ondanks dat slechts een klein deel van de botsingen leidt tot binding van eiwitten, vinden
er toch heel veel eiwitinteracties plaats. Leg uit i) hoe het kan dat slechts een klein deel van
de botsingen leidt tot binding en ii) hoe het kan dat ondanks dat slechts een klein deel van
de botsingen leidt tot interacties, er toch voldoende interacties plaatsvinden om
biologische processen in een cel te laten verlopen.
i) Bindingen zijn specifiek, een binding kan dus alleen veroorzaakt worden als twee
moleculen in elkaar passen en specifiek zijn en dus een affiniteit voor elkaar hebben.
ii) Moleculen onderling hebben affiniteit voor elkaar en zijn specifiek. Doordat ze altijd
bewegen en overal in de omgeving wel een keer terecht komen, komen deze elkaar
ooit een keer wel tegen. Daarnaast zijn er een heleboel verschillende moleculen die
allemaal affiniteit en specificiteit hebben voor andere moleculen, en sommige
moleculen zijn minder specifiek dan andere waardoor meerdere moleculen op
dezelfde receptor kunnen binden. Ook zijn er sommige moleculen die in overmaat
aanwezig zijn in de cel.
De kans dat eiwitten met elkaar of andere moleculen binden na botsing is afhankelijk van de 3D-
structuur van de bindingsplaats en de sterkte van en het aantal non-covalente interacties dat
gevormd kan worden tussen de twee moleculen. Omdat non-covalente bindingen dynamisch zijn en
ook weer verbroken worden, dissociëren moleculen na binding ook weer van elkaar. Zo ontstaat er
een evenwicht waarbij een deel van de eiwitten in gebonden toestand en een ander deel in
ongebonden toestand verkeert. Hoeveel eiwit er wel of niet gebonden is in evenwicht is dus
afhankelijk van hoe snel eiwitten aan elkaar binden en weer loslaten.
,Overzicht aminozuren
, Bindingsaffiniteit & specificiteit
5. De termen chemische bindingsaffiniteit en –specificiteit komen vaak voor als het gaat om
eiwit-eiwitinteracties. Leg met je kennis uit het hoorcollege in je eigen woorden de termen
bindingsaffiniteit en -specificiteit uit.
Affiniteit is de ‘aantrekkingskracht’ die moleculen voor elkaar hebben, en de verhouding van het
aantal gebonden versus ongebonden moleculen in een dynamisch evenwicht, en de totale tijd die
hiervoor nodig is (hoge affiniteit kortere tijd).
Specificiteit is een maat voor de hoeveelheid soorten moleculen die bijvoorbeeld op een receptor
passen, hoe minder hoe specifieker de receptor.
Extracellulaire signaalmoleculen kunnen een signaal doorgeven naar binnenin de cel via een
receptor. Er bestaan liganden die een hele hoge affiniteit, maar ook die een lage affiniteit hebben
voor hun receptoren.
6. Stel dat ligand A een hoge affiniteit heeft voor zijn receptor X en ligand B een lage affiniteit
voor zijn receptor Y, terwijl er evenveel receptoren van X en Y zijn. Wat kun je zeggen over
de concentratie van ligand B in vergelijking met de concentratie van ligand A waarbij ligand
A en B evenveel receptoren binden?
De concentratie van ligand A is lager dan die van ligand B.
7. Leg uit hoe de concentratie van andere liganden invloed kan hebben op de mate van
binding tussen ligand A en receptor X.
Andere liganden kunnen minder specifiek zijn en ook op receptor X binden.
Hogere concentraties van andere liganden zorgt ervoor dat er meer tijd nodig is voordat A aan
receptor X kan binden.
8. In het hoorcollege zijn er verschillende voorbeelden van interacties tussen
macromoleculen naar voren gekomen.
a) Welke krachten spelen een rol bij de vorming van interacties tussen eiwitten en andere
moleculen?
- Van der Waals krachten of hydrofobe interacties
- Elektrostatische bindingen
- Waterstofbruggen/Zwavelbruggen
- Non-covalente bindingen/Covalente bindingen
b) Teken deze krachten door eerst juiste aminozuren op de juiste plaats in de
onderstaande schematische weergave van twee eiwitten te tekenen (je hoeft dus
alleen de zijketen te tekenen (het groene gedeelte)) en vervolgens de krachten tussen
de juiste atomen aan te geven.
In de cursus Genoom wordt er vooral aandacht besteed aan subcellulaire processen, zoals DNA
replicatie, DNA repair, transcriptie en translatie. Deze processen vinden plaats doordat moleculen, in
veel gevallen eiwitten, met elkaar samenwerken. Je zult in deze cursus veel eiwitten tegenkomen.
Het is belangrijk dat je deze eiwitten niet gedachteloos uit je hoofd leert, maar dat je in je
achterhoofd houdt bij welk subcellulaire proces ze betrokken zijn en wat de functie van zo’n proces
in een cel is. Het heeft bijvoorbeeld weinig nut om een rijtje transcriptiefactoren uit je hoofd te leren.
Het is echter wel belangrijk dat je weet hoe transcriptiefactoren aan elkaar binden, dat ze betrokken
zijn bij het subcellulaire proces transcriptie en dat transcriptie het proces is waarbij mRNA-moleculen
gesynthetiseerd worden. Dit is essentieel voor de cel, omdat een cel eiwitten nodig heeft om te
functioneren. Het is dus belangrijk dat je altijd in je achterhoofd houdt wat de connectie is tussen het
moleculaire, het subcellulaire en het cellulaire niveau. Om de connectie tussen moleculaire en
(sub)cellulaire processen te kunnen leggen, is het belangrijk om je een beetje te verdiepen in de
eigenschappen van moleculen. Een molecuul bestaat uit atomen die via covalente bindingen aan
elkaar zitten. Een eiwit kan gedefinieerd worden als macromolecuul, bestaande uit covalent aan
elkaar gekoppelde aminozuren. Soms vormen meerdere aminozuurketens samen één geheel
(bijvoorbeeld bij Hemoglobine). Dan spreek je van een eiwitcomplex.
Moleculaire eigenschappen van eiwitten & eiwit interacties
Eiwitten hebben (lokale) ladingen. Sommige aminozuurzijketens hebben een positieve lading en
andere hebben een negatieve lading bij de pH die heerst in cellen (pH 6,8).
1. Bekijk het overzicht van alle aminozuren op de volgende pagina. Noem de aminozuren die
positief en negatief geladen zijn bij pH 6,8.
Asparaginezuur negatief geladen
Glutaminezuur negatief geladen
Arginine positief geladen
Lysine positief geladen
Histidine positief geladen
Aminozuurzijketens kunnen polair of apolair zijn. Eiwitten vouwen meestal zodanig dat de hydrofobe
aminozuurzijketens binnenin het eiwit zitten, en de hydrofiele aminozuurzijketens aan het oppervlak.
Transmembraaneiwitten hebben vaak een polair (hydrofiel) en een apolair (hydrofoob) deel.
2. Bekijk nogmaals het overzicht van alle aminozuren. Verdeel de aminozuren in een polaire en in
een apolaire groep.
Asparagine, glutamine, serine, threonine, tyrosine polair + vraag 1
Alanine, glycine, valine, leucine, isoleucine, proline, phenylalanine, methionine, tryptofaan,
cysteine apolair
Door de specifieke eigenschappen van eiwitten, kunnen eiwitten interacties aangaan met elkaar en
met andere moleculen zoals second messengers, metabolieten, DNA-moleculen en RNA-moleculen.
, 3. Zoals ook in het hoorcollege besproken is, zijn het cytoplasma en het kernplasma
stroperige vloeistoffen vol met eiwitten en andere (macro)moleculen. Leg uit hoe het kan
dat eiwitten op elke plek in de cel komen en tegen heel veel andere moleculen aan botsen.
Moleculen bewegen altijd, ze staan nooit stil. Doordat er zich meerdere moleculen bevinden in het
cytoplasma bewegen er allerlei verschillende moleculen willekeurig (en een andere kant op)
waardoor een molecuul na een gegeven tijd altijd op alle plekken binnen de omgeving terecht
komt.
Thermal motion moleculen bewegen zelf
Brownian motion beweging door een omgeving doordat het molecuul zelf beweegt
4. Ondanks dat slechts een klein deel van de botsingen leidt tot binding van eiwitten, vinden
er toch heel veel eiwitinteracties plaats. Leg uit i) hoe het kan dat slechts een klein deel van
de botsingen leidt tot binding en ii) hoe het kan dat ondanks dat slechts een klein deel van
de botsingen leidt tot interacties, er toch voldoende interacties plaatsvinden om
biologische processen in een cel te laten verlopen.
i) Bindingen zijn specifiek, een binding kan dus alleen veroorzaakt worden als twee
moleculen in elkaar passen en specifiek zijn en dus een affiniteit voor elkaar hebben.
ii) Moleculen onderling hebben affiniteit voor elkaar en zijn specifiek. Doordat ze altijd
bewegen en overal in de omgeving wel een keer terecht komen, komen deze elkaar
ooit een keer wel tegen. Daarnaast zijn er een heleboel verschillende moleculen die
allemaal affiniteit en specificiteit hebben voor andere moleculen, en sommige
moleculen zijn minder specifiek dan andere waardoor meerdere moleculen op
dezelfde receptor kunnen binden. Ook zijn er sommige moleculen die in overmaat
aanwezig zijn in de cel.
De kans dat eiwitten met elkaar of andere moleculen binden na botsing is afhankelijk van de 3D-
structuur van de bindingsplaats en de sterkte van en het aantal non-covalente interacties dat
gevormd kan worden tussen de twee moleculen. Omdat non-covalente bindingen dynamisch zijn en
ook weer verbroken worden, dissociëren moleculen na binding ook weer van elkaar. Zo ontstaat er
een evenwicht waarbij een deel van de eiwitten in gebonden toestand en een ander deel in
ongebonden toestand verkeert. Hoeveel eiwit er wel of niet gebonden is in evenwicht is dus
afhankelijk van hoe snel eiwitten aan elkaar binden en weer loslaten.
,Overzicht aminozuren
, Bindingsaffiniteit & specificiteit
5. De termen chemische bindingsaffiniteit en –specificiteit komen vaak voor als het gaat om
eiwit-eiwitinteracties. Leg met je kennis uit het hoorcollege in je eigen woorden de termen
bindingsaffiniteit en -specificiteit uit.
Affiniteit is de ‘aantrekkingskracht’ die moleculen voor elkaar hebben, en de verhouding van het
aantal gebonden versus ongebonden moleculen in een dynamisch evenwicht, en de totale tijd die
hiervoor nodig is (hoge affiniteit kortere tijd).
Specificiteit is een maat voor de hoeveelheid soorten moleculen die bijvoorbeeld op een receptor
passen, hoe minder hoe specifieker de receptor.
Extracellulaire signaalmoleculen kunnen een signaal doorgeven naar binnenin de cel via een
receptor. Er bestaan liganden die een hele hoge affiniteit, maar ook die een lage affiniteit hebben
voor hun receptoren.
6. Stel dat ligand A een hoge affiniteit heeft voor zijn receptor X en ligand B een lage affiniteit
voor zijn receptor Y, terwijl er evenveel receptoren van X en Y zijn. Wat kun je zeggen over
de concentratie van ligand B in vergelijking met de concentratie van ligand A waarbij ligand
A en B evenveel receptoren binden?
De concentratie van ligand A is lager dan die van ligand B.
7. Leg uit hoe de concentratie van andere liganden invloed kan hebben op de mate van
binding tussen ligand A en receptor X.
Andere liganden kunnen minder specifiek zijn en ook op receptor X binden.
Hogere concentraties van andere liganden zorgt ervoor dat er meer tijd nodig is voordat A aan
receptor X kan binden.
8. In het hoorcollege zijn er verschillende voorbeelden van interacties tussen
macromoleculen naar voren gekomen.
a) Welke krachten spelen een rol bij de vorming van interacties tussen eiwitten en andere
moleculen?
- Van der Waals krachten of hydrofobe interacties
- Elektrostatische bindingen
- Waterstofbruggen/Zwavelbruggen
- Non-covalente bindingen/Covalente bindingen
b) Teken deze krachten door eerst juiste aminozuren op de juiste plaats in de
onderstaande schematische weergave van twee eiwitten te tekenen (je hoeft dus
alleen de zijketen te tekenen (het groene gedeelte)) en vervolgens de krachten tussen
de juiste atomen aan te geven.
