DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations

Transcriptie

1 DA, RA en eiwitten: rules and regulations met een uitgebreide toelichting VW, scheikunde Marnix College Ede

2 DA, RA en eiwitten: rules and regulations G..F. urenkamp, 2007 SAMEVATTIG AFSPRAKE DA, RA, AMIZURE E EIWITTE DA E RA: Enkelstrengs DA en RA: bij afspraak schrijven we het 5 uiteinde links en het 3 uiteinde rechts. Voor de notatie van dubbelstrengs DA geldt de volgende afspraak: de bovenste streng loopt van 5 (links) naar 3 (rechts) en de onderste streng loopt van 3 (links) naar 5 (rechts). BIJ TRASCRIPTIE: - de DA-streng waaraan de te vormen mra-streng paart wordt de template strand genoemd (strand = streng) - de ándere DA-streng wordt de coding strand genoemd - het gevormde mra heeft ten opzichte van de template strand een complementaire basenvolgorde - het gevormde mra heeft dezelfde basenvolgorde als de coding strand, behalve wat betreft de T s (dat zijn in het mra namelijk U s geworden) In het algemeen noteert men de coding strand als bovenste DA-streng (dus 5 3 ) en de template strand als onderste DA-streng (dus 5 3 ). De mra-streng wordt daardoor ook genoteerd met 5 links en 3 rechts. AMIZURE E EIWITTE: Men nummert de C-atomen naast de carboxylgroep met α, β, γ, etc. Volgens afspraak zet men de C in een aminozuur rechts en de 2 in een aminozuur links. Merk op: - als de 2-groep de hoogste prioriteit heeft, dan spreekt met van een amine. Voorbeeld: ethaanamine; - als de 2-groep niet de hoogste prioriteit heeft, dan spreekt met van een aminogroep. Voorbeelden: 1-amino-2-propanol en 2-aminopropaanzuur - een amidebinding is het resultaat van condensatie tussen C en 2 Een (poly)peptide heeft een zijde met een vrije 2-groep en een zijde met een vrije C-groep. Volgens afspraak noteert men peptiden met de vrije 2-groep links en met de vrije C-groep rechts. 2

3 DA, RA en eiwitten: rules and regulations G..F. urenkamp, 2007 FDTUK 1: DA E RA DA en RA zijn ketenvormige moleculen. De moleculen bestaan uit een ruggegraat (backbone) van afwisselend fosfaatgroepen en suikergroepen. Aan de suikergroepen zitten basemoleculen vast. Ruggegraat De ruggegraat van RA-moleculen bevat als suiker ribose. De ruggegraat van DAmoleculen bevat als suiker deoxyribose (ook wel desoxyrobose genoemd). et verschil tussen deze suikers blijkt uit onderstaande figuur: het betreft de atomen aan het tweede C-atoom (C2) in de ribosering (de nummering geldt volgens conventie). C 2 C 4 C 1 C 2 C 4 C 1 C 3 C 2 C 3 C 2 ribose figuur 1: ribose en deoxyribose deoxyribose ( aan C 2 is ) In zowel DA als RA zijn de suikermoleculen met elkaar verbonden door fosfaatgroepen. Fosfaat is het zuurrestion van het driewaardige zuur fosforzuur (3P4). De binding tussen de suikermoleculen en de fosfaatgroepen is chemisch gezien een fosfaatesterbinding. ierbij fungeren de suikers als alcoholen (-groepen) en fosforzuur/fosfaat als het zuur. P BASE - mdat fosforzuur driewaardig is, blijft er in het fosfaatgedeelte één vrije -groep over. Bij de gebruikelijke p s in organismen is deze groep gedeprotoneerd en is er dus aan het fosforatoom een (negatief geladen - atoom) aanwezig. C 2 BASE et geheel van een suikermolecuul en een base noemt met een nucleoside. et geheel van een suikermolecuul, base en fosfaatgroep noemt met een nucleotide In de figuur hiernaast is een keten van drie nucleotiden getekend, met deoxyribose als suiker. P - C 2 BASE figuur 2: een trinucleotide 3

4 DA, RA en eiwitten: rules and regulations G..F. urenkamp, 2007 Basen In DA bevinden zich vier mogelijke basen: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en tyrosine (T). A en G zijn de purines, omdat ze sterk lijken op de stof purine. C en T zijn de pyrimidines, omdat ze sterk lijken op de stof pyridine. In RA bevinden zich dezelfde basen met één uitzondering: thymine komt in RA niet voor. De vierde base in RA is het pyrimidine uracil (U). 2 purine adenine guanine 2 2 De letters A, C, G, T en U worden zowel voor alleen de basen alsook voor de totale nucleotiden gebruikt. pyridine cytosine thymine uracil figuur 3: de stikstofbasen in DA en RA Totale structuur van DA of RA De totale structuur van een trinucleotide staat hieronder weergegeven. et betreft het trinucleotide ACG. 2 vrije aan C 5 5' uiteinde 2 A P - C C 2 P - 2 G C 2 vrije aan C 3 3' uiteinde figuur 4: het trinucleotide ACG 4

5 DA, RA en eiwitten: rules and regulations G..F. urenkamp, 2007 Merk op, dat een keten van nucleotiden een richting heeft. In dit geval is aan de kant van het nucleotide A een vrije -groep aan C5 van het deoxyribose aanwezig. Aan de kant van de G is een vrije -groep aan C3 van het deoxyribose. Deze kanten worden aangeduid met respectievelijk 5 en 3. et komt overigens ook voor, dat aan de 5 of 3 nog een of meer fosfaatgroepen aanwezig zijn. Bij afspraak schrijven we het 5 uiteinde links en het 3 uiteinde rechts. De notatie van het bovenstaande trinucleotide is dus ACG (of vollediger: 5 ACG 3 ). ACG is dus niet hetzelfde als GCA! DA is een dubbelstrengs molecuul In 1953 ontdekten James Watson en Francis Crick wát de ruimtelijke structuur van DA moest zijn (noot: met de onmisbare hulp van Maurice Wilkins en Rosalind Franklin). un model is als volgt: 1. DA komt voor als dubbelstrengs molecuul; 2. de strengen winden zich als dubbel helix door elkaar; 3. de ruggegraat van fosfaten en deoxyriboses bevindt zich aan de buitenkant en de basen bevinden zich aan de binnenkant van de dubbele helix; 4. door waterstofbruggen worden specifieke paren gevormd tussen de basen. A paart altijd met T en C paart altijd met G (dit resulteert in zogenaamde complementaire ketens ); 5. het 5 uiteinde van de ene streng ligt tegenover het 3 uiteinde van de andere streng ( antiparallel ) Deze baanbrekende ontdekking legde de weg bloot voor vele volgende ontdekkingen, onder andere de ontdekking van de manier waarop (het mechanisme waarmee) DA zichzelf kopieert (DA-replicatie). Voor de notatie van dubbelstrengs DA geldt de volgende afspraak: de bovenste streng loopt van 5 (links) naar 3 (rechts) en de onderste streng loopt van 3 (links) naar 5 (rechts) RA is een enkelstrengs molecuul RA verschilt in verschillende opzichten van DA. pgemerkt is al het verschil in suiker (voor RA is dat ribose) en het verschil in de aanwezige basen (U in plaats van T). RA komt meestal voor als enkelstrengs molecuul. et komt voor dat één deel van een RA-keten toevallig complementair is aan een ander deel van de keten. In zulke gevallen kan uit één RA-keten gedeeltelijk een dubbele streng worden gevormd. ok bij RA geldt de afspraak: 5 links en 3 rechts. Soorten RA In de cel hebben RA-moleculen verschillende functies. De drie bekendste soorten RA zijn rra, tra en mra. rra: in ribosomen (bepaalde celorganellen, waarover later meer) bevinden zich twee soorten bouwstenen: zogenaamd ribosomaal RA (rra) en eiwitten. tra: ook bestaat er transfer-ra (tra), dat als een soort taxi zorgdraagt voor de juiste aflevering van aminozuren bij het vormen van eiwitketens (eiwitten zijn zoals bekend aminozuurpolymeren). mra: het soort RA waar wij ons voorlopig op zullen richten is het messenger-ra (mra) 5

6 DA, RA en eiwitten: rules and regulations G..F. urenkamp, 2007 Transcriptie: RA wordt afgeschreven van het voorbeeldmolecuul DA Veel (zo niet alle) chemische reacties in levende wezens worden gekatalyseerd door enzymen. Enzymen zijn eiwitten, óf bestaan voor het grootste deel uit eiwitmoleculen. et geheel aan eiwitmoleculen in een cel bepaalt dus, wát de cel allemaal wel of niet kan. et is dus belangrijk om de juiste eiwitmoleculen in een cel te hebben. oe wordt hiervoor gezorgd? Eiwitten (enzymen) worden in de cel gemaakt. De bouwtekeningen van deze eiwitten bevinden zich als het ware in het DA. De volgorde van de nucleotiden in DA bepalen, wélke aminozuren in wélke volgorde aan elkaar worden verbonden (door condensatiereacties tussen de 2-groepen en de C-groepen van de naburige aminozuren). oe zorgt het DA ervoor, dat de juiste aminozuren aan elkaar worden gebonden?dit gebeurt via RA als boodschapper (vandaar messenger-ra of mra). Van een gedeelte van één van de twee DA-strengen in dubbelstrengs DA wordt een afdruk gemaakt. Deze afdruk wordt als mra-keten gemaakt. Vervolgens gaat een mra-keten naar een ribosoom (of komt het ribosoom naar de mra-keten toe). et ribosoom is als het ware de fabriek, waarin de aminozuren van het te vormen eiwit aan elkaar worden gekoppeld. et afdrukken van DA in een mra-molecuul wordt transcriptie genoemd. Dit gebeurt door het paren van RA-nucleotiden aan één van de DA-strengen. Wanneer in deze DA-streng zich een C bevindt, paart daar een G aan (maar dan wél een G met ribose in plaats van deoxyribose er wordt immers RA gemaakt). Er is dus zoals ook bij DA-replicatie complementaire paring van de nucleotiden. et aan elkaar binden van de nucleotiden wordt gekatalyseerd door een speciaal enzym. Afspraken: - de DA-streng waaraan de te vormen mra-streng paart wordt de template strand genoemd (strand = streng) - de ándere DA-streng wordt de coding strand genoemd - het gevormde mra heeft ten opzichte van de template strand een complementaire basenvolgorde - het gevormde mra heeft dezelfde basenvolgorde als de coding strand, behalve wat betreft de T s (dat zijn in het mra namelijk U s geworden) In het algemeen noteert men de coding strand als bovenste DA-streng (dus 5 3 ) en de template strand als onderste DA-streng (dus 5 3 ). De mra-streng wordt daardoor ook genoteerd met 5 links en 3 rechts. figuur 5: transcriptie 6

7 DA, RA en eiwitten: rules and regulations G..F. urenkamp, 2007 et deel van een DA-streng dat codeert voor een eiwit wordt een gen genoemd. Translatie: tra paart aan mra et mra (de kopie van de bouwtekening) wordt in ribosomen afgelezen. Dit gebeurt doordat aan het mra opnieuw complementaire basenparing plaatsvindt. Aan de basen van mra paart namelijk tra. Aan een molecuul tra zit een aminozuur vast en daardoor komen er aminozuren naast elkaar te liggen. Wanneer deze door condensatie (amidevorming) aan elkaar worden gekoppeld, is het maken van de eiwitketen een feit. De paring tussen mra en tra vindt plaats tussen stukjes van drie nucleotiden. et stukje in het mra noemt men een codon en het complementaire stukje in het tra noemt met het anticodon. Doordat elk tra een verschillend anticodon bevat, kan er verschil worden gemaakt tussen de bij elkaar te brengen aminozuren. Elk tramolecuul sleept zijn eigen aminozuur mee. Dit vertalingsproces in het ribosoom wordt translatie genoemd. Eiwitten in organismen (mensen, dieren, planten) bestaan uit slechts 20 verschillende aminozuren. Wanneer een codon (en het complementaire anticodon) slechts uit twee nucleotiden zou bestaan, zouden slechts 16 verschillende mogelijkheden bestaan (4 keuzen voor het eerste nucleotide maal 4 keuzen voor het tweede). et is daarom niet verwondelijk, dat een codon en een anticodon minimaal drie nucleotiden moeten bevatten. Daarmee zijn 4 maal 4 maal 4 (dus 4 3 ) = 64 codemogelijkheden beschikbaar. Elk codon codeert voor één aminozuur. Wél zijn er vaak verschillende codons, die voor hetzelfde aminozuur coderen. De vertaling van de codons (dus de mra-fragmenten) naar de aminozuren wordt de genetische code genoemd. Let er goed op, dat tabellen voor de genetische code in het algemeen zijn gebaseerd op codons, dus op mra!! m ervoor te zorgen, dat het onderscheid tussen de codons op de juiste plek wordt afgelezen, moet het voor de cel duidelijk zijn bij welke plek op het mra men moet beginnen met aflezen. Daar is een zogenaamd startcodon voor nodig. et startcodon (dus de mra-volgorde waar wordt gestart met translatie) is AUG. Er zijn ook enkele stopcodons, die duidelijk maken waar gestopt moet worden met de aangroei van de eiwitketen. Mutaties Een kleine fout in het aflezen van het DA en het mra kan uiteraard grote gevolgen hebben. Wanneer een nucleotide in het DA veranderd (gemuteerd) is (bijvoorbeeld door toedoen van mutagene chemicaliën of door UV- of andere straling), dan bestaat de kans dat het nieuwe codon codeert voor hetzelfde aminozuur en dat dus hetzelfde eiwit ontstaat. Wanneer een extra nucleotide in het DA of mra is tussengevoegd (of er juist tussenuit is gehaald), zijn vaak grotere veranderingen in de aflezing en dus in de aminozuurvolgorde van het gevormde eiwit het gevolg. ok bij insertie of deletie van een nucleotide spreekt men van mutatie van het DA. Dit kan zeer ernstige effecten hebben, doordat bepaalde celreacties niet meer worden gekatalyseerd. Disfunctionerende cellen en daardoor ziekten kunnen het gevolg zijn. Een voorbeeld is de stofwisselingsziekte hemochromatose ofwel ijzerstapeling; dit komt bij één op de 200 ederlanders voor (en één op de tien ederlanders is drager!). 7

8 DA, RA en eiwitten: rules and regulations G..F. urenkamp, 2007 FDSTUK 2: EIWITTE Aminozuren Eiwitten zijn polymeren van α-aminozuren. Een aminozuur is een molecuul, dat zowel een aminogroep (2-groep) als een carboxylgroep (C-groep) bevat. mdat de C-groep volgens de algemene regels voor naamgeving (zoals bepaald door de IUPAC) een hogere prioriteit heeft dan de 2-groep, wordt de 2-groep als zijgroep gezien en als voorvoegsel (amino) genoteerd. Vandaar de algemene naamgeving aminozuur. α-aminozuren Een α-aminozuur is een aminozuur, waarbij de aminogroep aan de C naast de carboxylgroep is verbonden. Men nummert de C-atomen naast de carboxylgroep met α, β, γ, etc. Volgens afspraak zet men de C in een aminozuur rechts en de 2 in een aminozuur links. 2 C α C R figuur 6: algemene weergave van een aminozuur De zijgroep R bepaalt, van wélk α-aminozuur sprake is. In de natuur komen 20 verschillende aminozuren geregeld voor. Elk aminozuur heeft zijn eigen drieletterige afkorting (bijvoorbeeld Gly voor glycine en Ala voor alanine). Soms wordt ook een éénletterige code voor de aminozuren gebruikt (G voor glycine en A voor alanine). Merk op dat C α een asymmetrisch C-atoom is. In de natuur komt slechts één stereochemische configuratie voor, namelijk de L-configuratie. Eiwitvorming: amidebinding De C-groep van het ene aminozuur kan reageren met de 2-groep van het andere aminozuur. Deze reactie vertoont sterke gelijkenissen met de normale estervorming (tussen C en ). et resultaat is, dat een condensatiereactie plaatsvindt (er ontstaat 2) en dat een nieuw type karakteristieke groep ontstaat: de amidebinding. C figuur 7: de amidebinding Merk dus op (subtiele verschillen!): - als de 2-groep de hoogste prioriteit heeft, dan spreekt met van een amine. Voorbeeld: ethaanamine; - als de 2-groep niet de hoogste prioriteit heeft, dan spreekt met van een aminogroep. Voorbeelden: 1-amino-2-propanol en 2-aminopropaanzuur - een amidebinding is het resultaat van condensatie tussen C en 2 De amidebinding wordt ook wel peptidebinding genoemd. 8

9 DA, RA en eiwitten: rules and regulations G..F. urenkamp, 2007 Wanneer vele aminozuren aan elkaar worden gekoppeld (condensatiepolymerisatie), dan heet het resultaat een polyamide of een polypeptide. Een eiwit is dus een polypeptide. Een (poly)peptide heeft een zijde met een vrije 2-groep en een zijde met een vrije C-groep. Volgens afspraak noteert men peptiden met de vrije 2-groep links en met de vrije C-groep rechts. Er is dus een verschil tussen het dipeptide glycine-alanine (afgekort Gly-Ala) en het dipeptide alanine-glycine (Ala-Gly)! 2 C C 2 C C C 3 glycine (R = ) alanine (R = C 3 ) 2 C C C C 2 C C C C C 3 C 3 Gly-Ala Ala-Gly figuur 8: Gly-Ala en Ala-Gly Gebruikte literatuur: L. Stryer, Biochemistry (1995) vakgroep Biochemie/vakgroep Moleculaire Biologie, Landbouwuniversiteit Wageningen, Dictaat Celfysiologie I (1996) J.F.J. Engbersen en Æ. de Groot, Inleiding in de bio-organische chemie (1995) 9