DNA: een allesomvattend begrip voor het leven

DNA: een allesomvattend begrip voor het leven 1

INHOUD Inhoud... 2 Les 1 Algemene informatie over DNA, TRANSCRIPTIE en TRANSLATIE... 4 1.1 DNA... 4 1.2 Transcriptie: Van DNA naar RNA... 6 1.3 Translatie: Van RNA naar eiwit... 9 1.4 trna...10 1.5 ribosomen...10 1.6 Het translatieproces...11 Opdrachten bij les 1...12 Les 2: Eiwitten: AMINOZUREN EN POSTTRANSLATIONELE MODIFICATIES...15 2.1 codons...15 2.2 aminozuren...15 2.3 Peptidebindingen...18 2.4 Posttranslationele modificaties...19 Opdrachten bij les 2...22 Les 3: Eiwitten: EIWITVOUWING en MUTATIES...24 3.1 Eiwitvouwing...24 3.2 Transport...25 3.3 Retinitis Pigmentosa...27 3.4 Mutaties...27 3.4 Rhodopsine en retinal...28 Opdrachten bij les 3...29 BIOINFORMATICA-COMPUTERPRACTICUM...30 algemene informatie bioinformatica...31 COMPUTERPRACTICUM MET YASARA...31 Les 4 DNA REPLICATIE EN DNA ONDERZOEK...34 2

4.1 DNA replicatie...34 4.2 Polymerase chain reaction (PCr)...35 4.3 Sequencing...37 Opdrachten bij les 4...39 Definitieblad...40 3

LES 1 ALGEMENE INFORMATIE OVER DNA, TRANSCRIPTIE EN TRANSLATIE Figuur 1.1: Plek in de cel. Het DNA bevindt zich in de celkern. Tijdens de ontwikkeling en groei van ons lichaam is de stof DNA betrokken. Dit DNA is belangrijk in alle processen van ons lichaam. Één van de belangrijkste processen om ons in leven te houden is de eiwitsynthese. Hierbij wordt DNA overgeschreven naar RNA, dat weer vertaald wordt naar een eiwit. Wanneer de eiwitten niet goed worden gesynthetiseerd kan ons lichaam niet goed functioneren en kan het zijn dat we ziek worden. De besturing van dit proces begint in de celkern met de chromosomen. Chromosomen bestaan uit een groot aantal genen en ieder gen codeert voor een eiwit (zie figuur op de voorpagina). 1.1 DNA Desoxyribonucleïnezuur (DNA) is de belangrijkste drager van erfelijke informatie. In 1953 ontdekten de onderzoekers James Watson en Francis Crick dat het DNA de vorm heeft van een spiraalvormige draad die met een andere DNA draad is verbonden en die gedraaid is om zijn lengteas. Dit wordt ook wel de dubbele helix genoemd. Een DNAmolecuul is dubbelstrengs en bestaat uit twee lange ketens van nucleotiden. Deze ketens zijn polyesters van afwisselend een fosfaat- en desoxyribosegroep (suikergroep). Naast de fosfaatgroep en de suikergroep bezit het DNA ook nog over base. De twee nucleotideketens worden met elkaar verbonden door middel van basenparen. De base waaruit het DNA bestaat zijn adenine (A), thymine (T), cytosine (C) en guanine (G). 4

Figuur 1.2: Structuur van het DNA. DNA bestaat uit twee ketens nucleotiden met verschillende basen, die met elkaar verbonden zijn met waterstofbruggen. De ketens liggen geordend in een dubbele helix. Er zijn vier verschillende basen: adenine, thymine, cytosine en guanine. De combinatie van een fosfaatgroep, een desoxyribosegroep en één van de vier basen heet een nucleotide. De twee nucleotideketens worden door de base gekoppeld op een specifieke manier. Er is alleen een koppeling mogelijk tussen adenine en thymine en tussen guanine en cytosine. Deze strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen (H-bruggen). De binding tussen de basen gebeurt door middel van een waterstofbrug. Tussen G en C zitten drie waterstofbruggen en tussen A en T twee. Figuur 1.3: Waterstofbruggen tussen de basenparen. Basenparing is specifiek. Guanine en cytosine kunnen waterstofbruggen met elkaar vormen en adenine en thymine ook. Tussen guanine en cytosine kunnen er drie waterstofbruggen gevormd worden en tussen adenine en thymine maar twee. De binding tussen guanine en cytosine is dus sterker dan die tussen adenine en thymine. 5

De waterstofbruggen geven een zwakke, niet covalente binding tussen twee basenparen. Deze twee basenparen passen als puzzelstukjes in elkaar. Vanwege het aantal waterstofbruggen wordt het GC-basenpaar minder gemakkelijk verbroken dan het ATbasenpaar. Verbreking van de basenparen kan relatief makkelijk plaatsvinden door verhitting of door een mechanische kracht. Qua chemische structuur worden de basen onderverdeeld in twee soorten: guanine en adenine zijn purinebasen, ze hebben het skelet van purine, dat bestaat uit een 5-ring en een 6-ring. Cytosine en thymine zijn pyrimidinebasen, ze hebben het skelet van pyrimidine dat bestaat uit enkel een 6-ring. Zowel het purine- als het pyrimidineskelet bevatten meerdere stikstof-atomen, waarvan sommige participeren in de vorming van waterstofbruggen. Elk basenpaar bestaat uit een purine- en een pyrimidinebase. De nucleotideketen heeft een 3 -uiteinde en een 5 - uiteinde. Dit betekent dat aan het 3 -uiteinde van de nucleotideketen aan de suikergroep 2 OH groepen gebonden zijn aan het 3 e C-atoom. Het 5 -uiteinde van de nucleotideketen is waar aan het suiker een fosfaatgroep gebonden zit aan het 5 e C-atoom. De DNA strengen zijn zo aan elkaar gekoppeld dat ze in tegengestelde richting liggen, waarbij 1 streng van 5 naar 3 ligt en waarbij 1 streng van 3 naar 5 ligt. Hieronder zie je een voorbeeld van een stukje DNA: 5 -- A G T C C T G A A G G T T C T A G G 3 3 T C A G G A C T T C C A A G A T C C -- 5 Wanneer de volgorde van één streng bekend is kan de volgorde van de andere streng worden afgeleid. De Figuur 1.4: Oriëntatie van nucleotideketens in DNA. De twee nucleotideketens liggen in tegengestelde richting tegenover elkaar. Dit betekent dat de ene keten van 3 naar 5 ligt en de andere keten van 5 naar 3. strengen worden daarom ook wel complementair genoemd. De basen volgen elkaar op in één lange reeks, met elke keer een andere volgorde. Het aflezen van een DNA streng gebeurt altijd in de richting van 3 5. Het aflezen gebeurt aan de hand van codons. Drie nucleotiden naast elkaar vormen een codon. De reeks van verschillende codons is de unieke code voor het ontwikkelen van eiwitten. 1.2 TRANSCRIPTIE: VAN DNA NAAR RNA Transcriptie is (in de genetica) het proces waarbij het DNA van een gen wordt gekopieerd naar ribonucleïnezuur (RNA) en is de eerste stap in de eiwitsynthese. Tijdens de transcriptie wordt de code van het DNA afgelezen en omgezet in een RNA code. Voordat we het gaan hebben over het proces gaan we eerst wat dieper in op de verschillende onderdelen van de transcriptie. 6

DNA en RNA verschillen in een aantal opzichten van elkaar: - De polyesterketen van het RNA bestaat uit ribose in plaats van desoxyribose. De moleculen van deoxyribose missen een zuurstofatoom ten opzichte van ribose. - RNA bevat het nucleotide uracil (U) in plaats van thymine. Uracil kan net als thymine alleen maar binden met adenine. - RNA moleculen zijn enkelstrengs en DNA dubbelstrengs. Figuur 1.5: Verschillen tussen DNA en RNA moleculen. RNA en DNA lijken erg op elkaar, maar verschillen op drie punten. RNA bestaat uit een riboseketen en DNA uit een desoxiriboseketen. Verder heeft RNA de base uracil in plaats van thymine bij DNA. En RNA bestaat niet uit een dubbele helix, maar uit een enkele helix. De transcriptie start met een stuk DNA dat geactiveerd wordt om afgelezen te worden. Hierbij bindt het enzym RNA polymerase op een specifieke plaats, herkenbaar aan de basenvolgorde TAC. De RNA polymerase bindt aan de DNA keten en vouwt zich eromheen. Het enzym ontwindt het DNA en verbreekt de waterstofbruggen waardoor het DNA nu enkelstrengs is geworden en tijdelijk toegankelijk is voor andere actieve componenten van het enzym. Als alle transcriptiefactoren gebonden zijn kan de transcriptie beginnen. Deze stap van de transcriptie noemen we de initiatie. Daarna moet de RNA streng verlengd worden. Dit noemen we elongatie. In de celkern zwerven losse RNA nucleotiden rond die gekoppeld kunnen worden aan de groeiende RNA streng. Welk nucleotide dit zal zijn wordt steeds bepaald door de tegenoverliggende DNA nucleotide.één van de DNA strengen fungeert dus als matrijs of template. Het RNA 7

polymerase beweegt zich in de zogenaamde 3 5 richting over het DNA. De RNA streng groeit in de 5 3 richting. Tegelijkertijd wordt het RNA aan de achterkant weer gescheiden van het DNA. Wanneer het hele gen gekopieerd is en de RNA polymerase weer een specifieke sequentie (stopcodon) tegenkomt stopt de RNA synthese. Dit is de terminatie. Initiatie Elongatie Terminatie Figuur 1.6: Transcriptie in drie stappen (RNAP is RNA polymerase). In de initiatie binden RNA Polymerase en andere transcriptiefactoren en start de transcriptie. Daarna wordt de mrna strang verlengd. Dit is de elongatie. Als de RNA Polymerase een stopcoon tegenkomt wordt de transcriptie beëindigd en laten de transcriptiefactoren en het mrna los. Dit is de terminatie. Het RNA dat nu gesynthetiseerd is wordt ook wel het pre-mrna genoemd. Het bevat stukken die wel tot expressie komen (exonen) maar ook stukjes die niet tot expressie komen (intronen). Door middel van splicing (knippen) worden de intronen verwijderd. Enzymen plakken de exonen achter elkaar waardoor alleen het gedeelte overblijft dat wel tot expressie kan komen. Ook wordt de mrna streng voorzien van een 5 -methylcap en een poly-a staart. Een 5 -methylcap is een methylgroep aan het eerste nucleotide, waaraan eiwitten kunnen binden. Een poly-a staart is een keten adenines aan het 3 uiteinde van het mrna. Deze bewerkingen zorgen ervoor dat: de twee uiteinden van het mrna kunnen worden onderscheiden het mrna afgelezen kan worden transporteiwitten kunnen binden en het mrna uit de kern kunnen transporteren het mrna stabieler wordt er een controle is dat het mrna molecuul af is 8

Figuur 1.7: splicing. Het bewerken van het RNA begint met toevoegen aan het 5 -einde een cap wat bestaat uit een 7-methylguanosinetrifosfaat groep. Aan het 3 -einde bevindt zich een knipsignaal. Hier zal het mrna geknipt worden en tevens een poly(a)staart aan toegevoegd worden. Als laatste stap worden de intronen verwijderd uit het pre-mrna. Alle exonen worden vervolgens aan elkaar geplakt zodat alleen de gedeelten die afgelezen moeten worden bij elkaar zitten. Splicing wordt gedaan om van DNA via mrna naar een functioneel eiwit te komen. De bouwstenen van een eiwit noemen we aminozuren. Als laatste stap gaan we deze les kijken hoe een mrna-streng vertaald kan worden in een reeks aminozuren, dit noemen we translatie. 1.3 TRANSLATIE: VAN RNA NAAR EIWIT Splicing wordt gedaan om van DNA via mrna naar een functioneel eiwit te komen. De bouwstenen van een eiwit noemen we aminozuren en hier gaan we het volgende les over hebben. Als laatste stap gaan we deze les kijken hoe een mrna-streng vertaald kan worden in een reeks aminozuren, dit noemen we translatie. Van DNA bestaat er maar een soort, terwijl er van RNA meerdere soorten zijn. Naast mrna kennen we Transport / transfer RNA (trna). trna speelt tijdens de translatie een rol als drager van aminozuren. Er zijn 20 verschillende trna moleculen (omdat er 20 verschillende eiwit-bouwstenen zijn), elk gespecialiseerd in het vervoeren van een bepaald aminozuur. Ribosomen zijn vervolgens in staat tijdens de translatie mrna af te lezen en de aminozuren van het eiwit aan elkaar te koppelen. 9

1.4 TRNA Door het translatieproces worden deze aminozuren aan elkaar gebonden. Het trna (in het nederlands transport RNA en in het engels transfer RNA ) speelt daar een belangrijke rol in. Het trna bindt aan een bepaald aminozuur. Wanneer de code van dit aminozuur overeenkomt met het mrna zal deze trna het aminozuur naar de groeiende polypeptideketen brengen. Het trna molecuul heeft een aparte structuur. Anders dan andere RNA moleculen is het grotendeels dubbelstrengs, en bezit dus inwendige waterstofbruggen. Deze zorgen voor een typische secundaire structuur, die ook wel het klaverbladstructuur wordt genoemd. In werkelijkheid wordt deze structuur nog meer gevouwen waardoor het geheel een L-vorm krijgt. Een trna molecuul bezit 3 karakteristieke loops. De linkerarm is de D arm en de rechterarm is de T arm. De onderste arm wordt de anti-codon arm genoemd. Een anticodon is complementair aan een codon, bij een UAG codon zou bijvoorbeeld een AUC anti-codon horen. De anti-codon arm bevat een anti-codon en kan daarmee aan een codon van het mrna binden. Dan is er nog de acceptor stam, waar een aminozuur aan gebonden kan worden (hij kan een aminozuur accepteren ). Dit is het aminozuur dat bij het mrna-codon hoort. figuur 5.2: Het trna molecuul. trna heeft een klaverbladstructuur met drie armen. De anti-codon arm bindt aan het mrna, waarna de acceptor stam het nieuw gevormde aminozuur kan transporteren. Zo kan het trna controleren of de code van het aminozuur overeenkomt met het mrna. Het translatieproces kan niet beginnen voordat een specifieke aminozuur gebonden wordt aan een trna molecuul. Het binden van zo n aminozuur aan het trna wordt laden genoemd. Dit proces kost energie, die verkregen wordt van ATP. Er zijn in totaal twintig enzymen die deze formatie mogelijk maken (één voor elk aminozuur). 1.5 RIBOSOMEN Naast trna moleculen spelen ook ribosomen een belangrijke rol bij het translatieproces. Nadat het mrna de celkern verlaat wordt het gebonden aan de ribosomen. Ieder ribosoom kan maar één mrna-streng binden, wel kunnen er meerdere ribosomen op één mrna-streng actief zijn. Ribosomen bestaan uit twee subeenheden, een groot en een klein deel. Het ribosoom heeft vier bindingsplaatsen: 1 voor de mrna-streng en 3 voor trna moleculen. Één trna molecuul zit in de wacht op de A-plaats (acceptorplaats) van het ribosoom. Daarnaast zit één trna-molecuul op de P-plaats (werkplaats), die zijn aminozuur aan de groeiende aminozuurketen koppelt. En achter de P-plaats zit de E- plaats (exitplaats), waar een trna molecuul weer wordt losgekoppeld van een ribosoom. 10

1.6 HET TRANSLATIEPROCES Het translatieproces omvat 3 stappen: initiatie (start), elongatie (verlenging) en terminatie (eind). Initiatie Translatie begint met het uiteenvallen van het ribosoom in twee subeenheden. Het mrna bindt aan het 5 uiteinde van het kleine subdeel. Het mrna verschuift totdat het bij het startcodon (AUG) aankomt (zie codontabel in les 4). Het trna molecuul met het anti-codon UAC bindt aan het mrna. Vervolgens bindt het grote ribosoomdeel en kan de translatie beginnen. Elongatie Na binding van het grote subdeel kan de verlenging beginnen. Een verlengingsfactor brengt het juiste trna op plaats A naast het al aanwezige trna molecuul (op plaats P) in het ribosoom. Enzymen koppelen het eerste aminozuur los van het trna molecuul waardoor een polypeptide ontstaat. De peptidebinding tussen de aminozuren vindt plaats tussen de zuurgroep van het aminozuur op plaats P en de aminegroep van het aminozuur op plaats A. Een tweede verlengingsfactor verwijdert het lege trna molecuul waardoor het ribosoom drie nucleotiden in de richting van het mrna opschuift (translocatie: verschuiving van het ribosoom over het mrna door middel van een verlengingsfactor). Terminatie De translatie stopt wanneer het ribosoom één van de stopcodons (UAA, UAG of UGA) tegenkomt. Er bindt een ontkoppelingsfactor aan het Figuur 1.8: Translatie proces 11

mrna. Waardoor achtereenvolgens de voltooide polypeptideketen, het laatste trna molecuul en het mrna van het ribosoom worden ontkoppeld. Het ribosoom valt weer uiteen in twee subdelen waardoor het klaar is voor een nieuwe cyclus. OPDRACHTEN BIJ LES 1 1. Waaruit bestaat een DNA-molecuul? 2. DNA is een zuur. Door welk deel van het DNA komt dat? 3. Hieronder is een DNA-molecuul afgebeeld. Een DNA-molecuul is opgebouwd uit nucleotiden met onder andere vier verschillende basen: A, T, G, en C. Deze basen komen in het DNA-molecuul paarsgewijs voor. Biodoen In welke afbeelding is een nucleotide weergegeven? En wat zie je in de andere afbeeldingen? (A) (B) (C) (D) 4. Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen een RNA en een DNA molecuul? 12

5. Voordat de transcriptie van RNA begint, despiraliseren ongeveer de eerste 20 basenparen van het DNA-molecuul. Dit gebeurt met behulp van een `RNApolymerase`enzym dat zich aan één van de twee DNA-strengen hecht. De DNAstreng die met behulp van een `RNA-polymerase`enzym wordt gekopieerd, wordt de template streng genoemd. r = RNA-polymerase i = initiatieplaats t = terminatieplaats Kruis de juiste antwoorden aan: De leesrichting van de template streng van het DNA-molecuul loopt van 5 naar 3 3 naar 5 en is de parallelle antiparallelle streng van het DNAmolecuul De leesrichting van de gekopieërde RNA-streng loopt van 3 naar 5 5 naar 3 en is parallel antiparallel aan die van de template DNA-streng. 6. Hieronder zie je een stuk van een DNA fragment. Geef de nucleotidenvolgorde en de leesrichting aan van het stukje RNA dat ontstaat na transcriptie. 3 G A T C A T T C T A G 5 5 C T A G T A A G A T C 3 13

7. Label de armen van het trna molecuul 8. Hoeveel soorten trna moleculen zijn er? Waarom? 9. Door mutatie verandert een codon in het mrna van 5 CAG 3 naar 5 GAG 3. Welke gevolgen heeft dit voor de eiwitsynthese? 10. Waar in de cel vindt transcriptie plaats? En waar translatie? Extra informatie over deze les: Wil je meer weten over één van de volgende onderwerpen bekijk dan de filmpjes! http://www.bioplek.org/animaties/moleculaire_genetica/transcriptie.html transcriptie http://www.youtube.com/watch?v=vjsmz3dsntu transcriptie http://www.youtube.com/watch?v=yjwuvrzvzya mrna processing http://www.youtube.com/watch?v=fvuawbgw_pq mrna splicing Wil je het translatieproces nog een rustig bekijken, ga dan naar deze filmpjes: http://www.youtube.com/watch?v=5bledd-pstq http://ihome.cuhk.edu.hk/~z045513/virtuallab/animation/translation.html 14

LES 2: EIWITTEN: AMINOZUREN EN POSTTRANSLATIONELE MODIFICATIES 2.1 CODONS Zoals in les 1 is uitgelegd bestaat mrna net als DNA uit nucleotiden. De basen van RNA zijn adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en uracil (U). Een set van drie nucleotiden noemen we een codon, omdat het codeert voor één aminozuur van een eiwit. mrna met de sequentie ACU-GGC-AUC staat bijvoorbeeld voor de aminozuurketen threonine-glycineisoleucine. Om zo n mrna sequentie te vertalen naar een aminozuursequentie gebruik je een codontabel (zie figuur 4.2). Het eerste nucleotide van een codon lees je links af, de tweede boven en de derde rechts. Je kunt dan het bijbehorende aminozuur aflezen in de tabel. Er bestaan 64 verschillende codons. Er zijn namelijk 4 3 verschillende manieren om de 4 letters te combineren in een set van 3. Toch zijn er maar 20 verschillende aminozuren. Dat betekent Figuur 2.1: Codontabel. De basen worden afgelezen vanuit de 5 naar de 3 richting. Met deze tabel kunnen dat er in sommige gevallen meerdere mrna-codons vertaald worden naar aminozuren. De codons voor hetzelfde aminozuur eerste base van het codon staat links in de tabel, de tweede boven en de derde rechts. Naast de 20 coderen. Je ziet dan ook dat sommige aminozuren zijn ook de start- en stopcodons aminozuren bij meerdere codons in te weergegeven. AUG is de startcodon (waarbij de translatie start) en UAA/UGA/UAG zijn de stopcodons tabel voorkomen. Verder zie je drie keer (waarbij de translatie stopt). STOP staan in de tabel. Dit staat voor stopcodon, de plaats waar de translatie stopt. Er bestaat ook een startcodon, de translatie start namelijk altijd bij het codon AUG. Het eerste aminozuur van een eiwit is dan ook altijd een methionine. 2.2 AMINOZUREN Elk aminozuur bestaat uit een koolstofatoom met een aminogroep, een waterstof, een zuurgroep en een restgroep. De restgroepen zijn voor ieder aminozuur anders en bepalen de vorm van het eiwit. Op basis van deze restgroepen, kun je de aminozuren indelen in 5 groepen: de positief geladen aminozuren, de negatief geladen aminozuren, de polaire aminozuren, de apolaire aminozuren en de aromatische aminozuren. Let op: de lading van de aminozuren hangt af van de ph van de omgeving! Bij een lage ph (zuur milieu) worden aminozuren meer positief geladen, omdat ze een H + kunnen opnemen. Bij een hoge ph (basisch milieu) worden de aminozuren meer negatief geladen, omdat ze een H + afstaan aan hun omgeving. De lading wordt gegeven voor ph=7, aangezien de ph op veel plekken in ons lichaam rond de 7 ligt. De polaire aminozuren zijn niet geladen, maar 15

hebben een ongelijke ladingsverdeling. Dat wil zeggen dat een deel van de restgroep de elektronen wat meer aantrekt en daardoor negatief geladen wordt. Automatisch zitten die elektronen dan wat minder in een ander deel van de restgroep en wordt die een beetje positief geladen. Apolaire aminozuren hebben geen lading en een gelijke ladingsverdeling. Die zullen dus niet onderhevig zijn aan krachten die met lading te maken hebben. Dan is er nog een laatste groep aminozuren, waarvan de restgroep een ringstructuur bevat. We noemen deze aminozuren aromatisch. Hun restgroepen zijn erg groot en zijn daarom ook erg belangrijk voor de eiwitstructuur. 16

Polaire restgroepen Apolaire restgroepen Glycine Alanine Valine Serine Threonine Cysteïne Leucine Isoleucine Proline Asparagine Methionine Glutamine Positief geladen restgroepen Negatief geladen restgroepen Aparaginezuur Histidine Glutaminezuur Lysine Arginine Aromatische restgroepen Algemene notatie aminozuren zuurgroep Fenylalanine Tyrosine Tryptofaan Aminogroep R Restgroep Waterstofatoom 17

Figuur 2.2: Aminozuren. De 20 aminozuren zijn hier onderverdeeld op basis van hun restgroep. Er zijn aminozuren met een apolaire restgroep, met een polaire restgroep, met een aromatische restgroep, met een positief Naast geladen deze groepen restgroep zijn en met er een ook negatief nog een geladen paar restgroep. losse aminozuren die opvallen. Glycine valt bijvoorbeeld op, omdat hij de kleinste is. De restgroep bestaat uit alleen één waterstofatoom. Methionine en cysteine bevatten allebei een zwavelatoom. Deze kunnen zwavelbruggen vormen (hier komen we in les 6 op terug), die ook belangrijk zijn voor de eiwitstructuur. Zo n brug zorgt voor veel stevigheid, en kan alleen gevormd worden als de zwavelatomen dicht genoeg bij elkaar in de buurt liggen. Proline is ook een bijzonder aminozuur, want het zorgt voor een knik in de backbone van het eiwit. Normaal gesproken zitten de aminogroep en de zuurgroep op één lijn en wordt de backbone dus een lange rechte slinger. Bij proline is dat niet zo, en dat is handig als het eiwit in een bocht moet liggen. 2.3 PEPTIDEBINDINGEN Met de aminogroep en de zuurgroep kunnen ze peptidebingen maken met elkaar. Dit gaat door middel van een condensatiereactie. Hieronder zie je weergegeven hoe zo n reactie verloopt. Aan de linkerkant van de reactievergelijking staan twee alanine aminozuren. De zuurgeoep van het ene aminozuur wordt aan de aminogroep van het andere aminozuur gekoppeld. Hierbij wordt een watermolecuul afgesplitst. Dit watermolecuul bestaat uit OH - van de zuurgroep en een H + van de aminogroep. Een reeks peptidebindingen vormt de backbone van het eiwit. De zuurgroepen en mainogroepen vormen een lange keten, waar de waterstofatomen (erg klein) en de restgroepen uitsteken. Figuur 2.3: Peptidebinding. De zuurgroep van het ene aminozuur wordt gekoppeld aan de aminogroep van het andere aminozuur. Hierbij komt een watermolecuul vrij. We noemen dit een condensatiereactie. 18

2.4 POSTTRANSLATIONELE MODIFICATIES Als de complete aminozuursequentie van een eiwit is aangemaakt op een ribosoom, is het nog niet af. Om het eiwit functioneel te maken moeten er nog twee dingen gebeuren. Ten eerste moet het eiwit nog gevouwen worden. Daar gaan we het devolgende les nog uitgebreid over hebben. Maar voor of na het vouwen kunnen er nog wat kleine veranderingen plaats vinden. Er kan bijvoorbeeld nog een aantal groepen aan de aminozuren worden gebonden, of er kan een stukje uit de aminozuursequentie worden geknipt. Al deze dingen samen noem je posttranslationele modificaties. Een moeilijk woord, maar wel logisch: het zijn veranderingen (modificaties) nadat het eiwit gevormd is (na de translatie). Deze veranderingen zijn reversibel, en kunnen dus ook weer ongedaan gemaakt worden. Voorbeelden van groepen die aan de aminozuren worden gehangen zijn: fosfaatgroepen, suikergroepen, vetgroepen en andere organische stoffen. Om deze groepen aan een aminozuur te kunnen binden zijn er enzymen nodig. Enzymen zijn eiwitten die werken als een biologische katalysator. Zij zorgen ervoor dat de reactie tussen het aminozuur en de extra groep kan verlopen. 3- Bij fosforylering van een eiwit wordt er een PO 4 groep aan een bepaald aminozuur gebonden. Zo n fosfaatgroep is erg groot en hydrofiel, waardoor bindingen in en tussen eiwitten niet meer mogelijk zijn of er juist nieuwe gemaakt kunnen worden. Het eiwit verandert dan van vorm en daarmee verandert ook de werking. Meestal zorgen fosforyleringen voor een activering van het eiwit. Bij fosforyleringen zijn ook enzymen betrokken, zogenaamde kinases. Een fosfaatgroep kan weer worden verwijderd met behulp van fosfatases. Dan is het eiwit weer geïnactiveerd. Figuur 2.4: Fosfaatgroep. R staat voor Rest en is in dit geval het eiwit waar de fosfaatgroep aan gebonden is. De fosfaatgroep zelf bestaat ui één fosforatoom en vier zuurstofatomen. Fosfor is een vijfwaardig atoom en kan dus vijf bindingen aangaan. Er worden daarom drie enkele bindingen met zuurstofatomen gevormd en één dubbele binding. Zuurstof is een tweewaardig atoom. De zuurstofatomen die niet dubbel gebonden zijn en geen binding hebben met het eiwit (R) zijn daarom een beetje negatief geladen (polair). Deze zuurstofatomen binden daarom snel een waterstofatoom, die een beetje positief geladen is. Als er een suikergroep aan een eiwit gebonden wordt, noem je dat glycosylering. De meeste eiwitten worden direct na de translatie geglycosyleerd, aangezien dat vaak essentieel is voor een goede vouwing. Ze zorgen er dus voor dat het eiwit netjes gevouwen blijft, en niet weer terug valt in de ongevouwen vorm. Belangrijke suikergroepen bij mensen zijn bijvoorbeeld N-acetylglucosaminegroepen, mannosegroepen en glucosegroepen. Hieronder zijn deze groepen weergegeven. Valt jullie iets op aan de notatie? De notatie is in alle drie de gevallen anders. Je kunt zien dat het allemaal zeshoeken zijn. Op één van de hoeken zit een zuurstofatoom, maar op de andere vijf hoeken is er niets aangegeven. Voor deze notatie hebben we namelijk afgesproken dat we alle koolstofatomen in de ring niet weergeven. Elke hoek is dus een koolstofatoom, tenzij anders aangegeven. Ook de waterstofatomen worden niet 19

weergegeven in deze notatie. De verbindingen naar de zijgroepen hebben een bepaalde richting gekregen. Figuur 2.5: Een N-acetylglucosaminegroep (links), mannosegroep (midden) en een glucosegroep (rechts). De drie groepen zijn in verschillende notaties weergegeven. Het zijn allemaal zeshoeken met op één hoek een zuurstofatoom. Op de andere hoeken zitten koolstofatomen, maar die worden in deze notaties niet weergegeven (ook de gebonden waterstofatomen niet!). De oriëntatie van de groepen rondom de ring is in elke notatie anders weergegeven. (Bekijk ook tabel 67A1 van Binas) Meestal bestaat een glycosylering uit een keten van reacties, waarbij meerdere suikergroepen aan een aminozuur worden gebonden. De eerste suikergroep zit vast aan het aminozuur, en de volgende groepen worden dan aan die eerste vastgekoppeld. Dit gaat via een condensatiereactie, waarbij een watermolecuul wordt afgestoten (figuur 6.4). Twee gekoppelde suikergroepen heten een disaccharide en meer dan twee gekoppelde suikergroepen heten een polysaccharide. Om deze disaccharides en polysacharides weer af te breken tot losse suikergroepen moet water worden toegevoegd. We noemen deze reactie een hydrolysereactie (lees figuur 3 van rechts naar links). Een hydrolysereactie is in feite het omgekeerde van een condensatiereactie. s Figuur 2.6: Vorming van een disaccharide door middel van een condensatiereactie. Twee glucosegroepen tot maltose. Bij de condensatiereactie wordt er een watermolecuul afgesplitst. De glucosegrepen worden met een zuurstofatoom verbonden en vormen nu een disacharide. In deze notatie worden wel alle atomen weergegeven, vergelijk het maar eens met de glucosegroep uit figuur 2. 20

Sommige eiwitten hebben een functie op een membraan. Je kunt hierbij denken aan ionkanalen of receptoren. Het is dan vaak nodig om een eiwit wat hydrofober te maken, zodat het zich thuis voelt in het hydrofobe membraan. Dit wordt gedaan door een aantal vetgroepen aan het eiwit te binden. Vetgroepen zijn moleculen met een lange koolstofketen. Zo n keten kan geen waterstofbruggen vormen met water is daarom erg hydrofoob. Door deze koolstofketens te verankeren in het membraan blijft het eiwit op zijn plek zitten. Deze lipoproteïnen worden niet alleen gebruikt voor membranen, maar bijvoorbeeld ook voor vettransport. Figuur 2.7: Eiwit met suikergroepen en een vetgroep verankerd in het membraan. Links boven is het eiwit weergegeven. Er zitten meerdere groepen aan het eiwit gebonden, met aan het uiteinde een vetgroep. De vetgroep bevat twee koolstofketens die naar binnen in het membraan steken. Het membraan is aan de buitenkant hydrofiel (de bolletjes) en aan de binnenkant hydrofoob (de staarten). Met behulp van de koolstofketens zit het eiwit vast aan het membraan. Naast suikergroepen en vetgroepen zijn er ook andere organische stoffen die gebruikt kunnen worden voor posttranslationele modificaties. Acetylgroepen zijn bijvoorbeeld van Figuur 4: eiwit met vetgroepen, verankerd in een membraan (GPI anchor) groot belang voor histonen. Histonen zijn eiwitten waar het DNA in de kern omheen is gerold. DNA en histonen samen vormen uiteindelijk chromatine, het bestanddeel van chromosomen. Belangrijk in deze les is echten dat histonen normaalgesproken een beetje positief geladen zijn, waardoor ze binden aan de negatieve fosfaatgroepen van het DNA (les 1). De acetylgroepen zijn een beetje negatief geladen, dus als een histon geacetyleerd wordt dan wordt zijn positieve lading opgeheven. Hierdoor zal de binding met het DNA minder sterk worden en laat het DNA dus een beetje los van het eiwit. Dit is erg belangrijk bij transcriptie (les 2), want alleen dit lossere DNA kan overgeschreven worden naar RNA. Figuur 2.8: Acetylgroep. In deze notatie zijn de C- atomen weggelaten. Eigenlijk staat er CH 3-CO-R, waarbij R in dit geval het eiwit is. 21

Figuur 2.9: Opbouw van chromosomen. Onderaan zie je de dubbele helix van het DNA. Deze dubbele helix wordt om histonen gerold. Acht histonen met DNA eromheen vormen een nucleosoom. Ook deze nucleosomen worden weer in een soort spiraalvorm opgerold. Deze spiraal wordt weer opgerold tot een chromosoom, die zich in de celkern (nucleus) bevindt. Figuur Op 6: deze opbouw manier van kunnen chromosomen wij ongeveer 2 meter DNA per cel opslaan! Door posttranslationele modificaties kun je van dezelfde DNA-sequentie verschillende eiwitten maken. Ook kun je door middel van deze modificaties de transcriptie van DNA reguleren (denk aan de histonen, maar ook aan fosforylering en dus activatie van transcriptiefactoren). Dit verklaart waarom cellen verschillende functies kunnen hebben, terwijl ze allemaal hetzelfde DNA bevatten. OPDRACHTEN BIJ LES 2 1. Een DNA-sequentie kun je vertalen naar aminozuursequentie. Leg uit welke stappen je hiervoor moet ondernemen. 2. Kun je ook een aminozuursequentie van een eiwit terug vertalen naar de DNAsequentie? 3. Geef aan waarom elk gesynthetiseerd eiwit begint met het aminozuur `methionine`. 4. Hieronder is een DNA keten weergegeven. Vertaal deze sequentie naar een mrnasequentie en vervolgens naar een aminozuursequentie. Vergeet hierbij niet de 3 en 5 uiteinden weer te geven. Gebruik voor deze opdracht onder andere de tabel met de genetische code (Binas 70 E ) 3 --- A G T C A G T C T A G C C T A T G A A C C C T T G A C T A T A T T T A G T --- 5 22

5. Teken twee aminozuren die met een peptidebinding aan elkaar zitten. Geef de restgroepen aan met een R. Deze twee aminozuren zitten in een langere keten, dus geef aan beide uiteinden aan dat de keten nog verder gaat. 6. Leg uit wat een posttranslationele modificatie is. En waar in de cel vinden posttranslationele modificaties plaats? 7. Hieronder ze je de structuurformule van sacharose (kristalsuiker). Geef de reactievergelijking van de hydrolyse van sacharose in structuurformules en molecuulformules. Krijg je twee dezelfde suikers? 8. Maakt een suikergroep het aminozuur hydrofieler of hydrofober? Hoe komt dat? 9. Zie de mannosegroep in figuur 2.3: 1 OH-groep zit iets verder van de ring af dan de andere. Welk atoom zit er nog tussen de OH-groep en de ring? En met welke atomen staat deze in verbinding? 10. Vetgroepen worden gebruikt om een eiwit hydrofober te maken. Waarom zijn de lange koolstofketens eigenlijk hydrofoob? 11. Als histonen geacetyleerd worden gaat het DNA iets losser om de histonen zitten. Verloopt de transcriptie makkelijker of moeilijker bij dit lossere DNA? En hoe komt dat? 23

LES 3: EIWITTEN: EIWITVOUWING EN MUTATIES 3.1 EIWITVOUWING Een keten aminozuren is onderhevig aan veel krachten. Positieve ladingen trekken negatieve ladingen aan, hydrofobe delen zullen zich het liefst van het water afkeren en de hydrofiele delen willen zich juist in een waterige omgeving bevinden. Onder invloed van dit soort krachten zal het eiwit zich gaan vouwen. In les 2 heb je gezien dat er 20 verschillende aminozuren bestaan. Ze hebben allemaal een aminogroep en een zuurgroep, waarmee ze petidebindingen kunnen vormen. Een keten van peptidebindingen noemen we de backbone van het eiwit. Deze ervaart vooral de aantrekkingskrachten van waterstof- en zuurstofatomen. Dit resulteert in waterstofbruggen. De aminozuren hebben ook ieder een eigen restgroep. Sommige van deze restgroepen zijn geladen, hydrofiel of juist hydrofoob. Een aminozuur met een negatief geladen restgroep zal een aminozuur met een positief geladen restgroep aantrekken. De restgroepen kunnen dan zoutbruggen vormen. Hydrofiele restgroepen steken graag naar buiten en zullen ook graag in de omgeving van andere hydrofiele restgroepen zitten, zodat ze waterstofbruggen kunnen vormen. Hydrofobe restgroepen zullen zich proberen te clusteren, zodat ze zich een beetje kunnen afschermen tegen de waterige omgeving. Bij de hydrofiele en hydrofobe interacties zijn de posttranslationele modificaties natuurlijk ook van belang. Denk maar eens aan de vetgroepen en de acetylgroepen. Verder zijn er nog restgroepen die zwavel-atomen bevatten. Deze kunnen zwavelbruggen vormen wat een covalente binding is (-SH HS-, denk aan redoxreacties). In tabel 1 staat een overzicht van de belangrijkste interacties die een rol spelen bij de eiwitvouwing. Backbone Restgroepen Waterstofbruggen tussen H (op N) en O Waterstofbruggen bij hydrofiele restgroepen Zoutbruggen bij geladen restgroepen Zwavelbruggen bij restgroepen met zwavel Hydrofobe interacties Bij hydrofobe restgroepen Tabel 3.1: Aminozuurinteracties bij eiwitvouwing. In de backbone (keten peptidebindingen) kunnen waterstofbruggen gevormd worden tussen een zuurstofatoom van het ene aminozuur en een waterstofatoom van het andere aminozuur. Ook hydrofiele restgroepen kunnen waterstofbruggen vormen met elkaar. Verder kunnen geladen restgroepen zoutbruggen vormen, restgroepen van cysteïnes zwavelbruggen en kunnen hydrofobe restgroepen hydrofobe interacties met elkaar hebben. De belangrijkste factor voor de stabiliteit van een eiwit zijn de waterstofbruggen. Het eiwit zal daarom zo gevouwen worden dat deze bruggen optimaal gevormd kunnen worden. Deze waterstofbruggen worden voornamelijk gevormd tussen atomen van de backbone, en die is in ieder eiwit hetzelfde. Je ziet dan ook een aantal structuren die gunstig zijn voor de waterstofbruggen in alle eiwitten terugkomen. Ten eerste de α-helix, waarbij de backbone een soort slinger vormt. De restgroepen van de aminozuren steken allemaal naar buiten. In deze vorm kunnen alle zuurstofatomen van de backbone een waterstofbrug vormen. Dit doen ze met een waterstofatoom (van een stikstofatoom) één slinger lager. De tweede structuur is de β-sheet (heet ook wel β-plaat), waarbij de backbone heen en weer slingert tot een soort plaat. De restgroepen van de aminozuren zitten ongeveer in het vlak van de plaat en steken om en om naar rechts en naar links. Bij deze structuur kan de helft van de zuurstofatomen uit de backbone een waterstofbrug vormen. En om de α-helices en de β-sheets met elkaar te verbinden zijn er turns, een 24

soort kabels. De verschillen tussen eiwitten zitten vooral in de hoeveelheid van deze structuren en de manier waarop ze tegen elkaar aan liggen. A A B C Figuur 3.1: Secundaire structuren (α-helix en β-sheet) en tertiare structuur (rechts). Bij de α-helix ligt de backbone in een spiraalvorm en steken de restgroepen naar buiten (A). De β-sheet is een soort plaat, waarin de backbone zigzaggend heen en weer gaat. De restgroepen liggen in het oppervlak van de plaat (B). De tertiaire structuur aan de rechterkant bestaat uit α-helices, β-sheets en turns (C). Figuur 3.2: Waterstofbruggen in de α-helix (links) en β-sheet (rechts). Links is de α-helix weergegeven met alle atomen van de backbone. Ook zijn de waterstofbruggen getekend, die ervoor zorgend at de helix zijn vorm behoudt. De restgroepen steken allemaal naar buiten. In de β-sheet liggen de aminozuurketens naast elkaar. De Waterstofbruggen zorgen ook hier voor de stevigheid en de restgroepen steken in het vlak van de sheet. We noemen de keten aminozuren de primaire structuur van een eiwit, en de α-helices, β- sheets en turns de secundaire structuren. Als je kijkt naar de ruimtelijke ordening van deze secundaire structuren ten opzichte van elkaar (figuur 6.8 rechts), noem je dat de tertiare structuur van een eiwit. En mocht het eiwit bestaan uit meerdere subunits, dan noem je de manier waarop deze subunits tegen elkaar aan liggen de quaternaire structuur. 3.2 TRANSPORT De translatie, dus de vorming van het eiwit, vindt plaats op een ribosoom op het ruwe Endoplasmatisch Reticulum (ER). Dit is een membranenstelsel in het cytoplasma, en de eiwitten zullen dan ook na hun synthese in het cytoplasma terecht komen. Veel eiwitten moeten daar hun functie uitoefenen, maar er zijn ook eiwitten die hun functie ergens anders in de cel of buiten de cel uitoefenen. Die eiwitten moeten dan eerst nog naar de 25

goede plaats getransporteerd worden. Maar hoe weet een eiwit nou waar hij heen moet? Daar kan zo n eiwit bijvoorbeeld een signaalsequentie voor gebruiken. Die bestaat meestal uit de eerste paar aminozuren van het eiwit, en kan herkend worden door transporteiwitten. Deze transporteiwitten zullen aan het nieuwe eiwit binden en hem meenemen naar de goede locatie. Je kunt die signaalsequentie dus zien als een soort treinkaartje, en de transporteiwitten als de trein. Een andere manier van transport is via posttranslationele modificaties. Glycosylering heeft bijvoorbeeld veel met transport te maken. De suikergroep aan het eiwit heeft dan dezelfde functie als een signaalsequentie. Hij kan herkend worden door andere (transport)eiwitten, die ervoor zorgen dat het eiwit op de goede plek terecht komt. De suikergroep van het eiwit wordt gebonden aan de transporteiwitten. De eerste stap in het transport van eiwitten is transport van het ER naar het golgisysteem. Ook het golgisysteem bestaat uit membranen en je kunt het zien als een soort postorderbedrijf. Hier worden de transportlabels (signaalsequenties of suikergroepen) herkend en worden de eiwitten in de goede transportblaasjes gestopt. Dan komt de tweede stap van het eiwittransport: transport van het golgisysteem naar een ander organel in de cel. Meestal wordt het eiwit dan naar zijn eindbestemming gebracht, waar het transportblaasje versmelt met het membraan van het betreffende organel. Zo komt het eiwit dan in dat organel terecht. Als het eiwit zijn functie buiten de cel uit moet oefenen zal het blaasje naar het celmembraan gaan, en daarmee versmelten. Dit proces noemen we exocytose. Bij het transport van eiwitten zijn veel enzymen betrokken. Er zitten bijvoorbeeld enzymen op het membraan van het golgisysteem die de transportlabels kunnen herkennen. Deze zorgen ervoor dat de eiwitten in de goede transportblaasjes terecht komen. Figuur 3.2: Transport van eiwitten. Het mrna wordt naar het ruwe endoplasmatisch reticulum getransporteerd, waar het met behulp van een ribosoom vertaald wordt naar een eiwit. Na eventuele posttranslationele modificaties en eiwitvouwing wordt het eiwit naar het golgisysteem getransporteerd. Hier worden de transportlabels herkend en wordt elk eiwit naar de goede plaats in de cel gebracht in een transportblaasje. 26

3.3 RETINITIS PIGMENTOSA We hebben tot nu gezien hoe een DNA sequentie uiteindelijk resulteert in een functioneel eiwit. Het DNA wordt eerst afgeschreven naar RNA (transcriptie). Dan wordt het RNA vertaald naar een eiwit (translatie), en wordt dit eiwit gemodificeerd en gevouwen. Pas dan heeft een eiwit zijn functionele vorm. We hebben net ook gezien dat het eiwit na vouwing naar de goede plek in de cel wordt getransporteerd, zodat het eiwit daar zijn functie kan vervullen. Je kunt je voorstellen dat een foutje in het DNA grote gevolgen kan hebben voor het functioneren van een eiwit, en dus voor het functioneren van ons lichaam. Na gaan we een voorbeeld hiervan bekijken: de ziekte Retinitis Pigmentosa. Retinitis Pigmentosa (RP) is een verzamelnaam voor afwijkingen aan het netvlies (in het latijn retina). Het komt bij ongeveer 1 op de 4000 mensen voor. Patiënten met RP gaan steeds minder goed zien. Ze kunnen last krijgen van nachtblindheid, verblinding en een kokervisus. Bij nachtblindheid kun je in het donker alleen nog maar de lichtpunten zien. Verblinding houdt in dat je wanneer het licht is alleen contouren ziet. Retinitis betekent letterlijk ontsteking van het netvlies, maar dat is eigenlijk niet wat er bij de ziekte gebeurt. Bij RP worden er namelijk pigmentophopingen op het netvlies gevormd. Hierdoor raken de lichtgevoelige cellen (de kegeltjes en de staafjes) van het oog beschadigd. De meeste mensen met RP worden niet volledig blind, maar wel maatschappelijk blind. Dit houdt in dat het gezichtsvermogen kleiner is dan 10% of de gezichtshoek kleiner dan 10 graden. De leeftijd waarop de ziekte zich gaat uiten verschilt heel erg. Dat kan al vanaf de geboorte zijn, maar ook pas vanaf het zestigste jaar. Ook het verloop is niet te voorspellen, het kan erg snel gaan of het kan lang stabiel blijven. Wel is het zeker dat er geen spontane verbeteringen optreden. Figuur 3.3: Opbouw van het oog en zicht bij kokervisus. Links is de opbouw van het oog te zien, waarbij een stukje netvlies is uitvergroot. De lichtgevoelige cellen van het netvlies kunnen onderverdeeld worden in de staafjes en de kegeltjes 3.4 MUTATIES RP wordt veroorzaakt door een foutje in het DNA, een mutatie. Mutaties kun je overerven van je ouders of je kunt ze later krijgen. Ze kunnen dan ontstaan doordat bepaalde 27

processen in je lichaam niet meer zo goed werken of door externe factoren zoals straling. Als het DNA afgeschreven wordt kan zo n mutatie zorgen voor een verandering in de aminozuurvolgorde van het eiwit. Let op: dat is niet altijd zo! Denk maar eens terug aan de RNA-codons die coderen voor de aminozuren. Soms zijn er meerdere codons die coderen voor hetzelfde aminozuur. Het aminozuur Serine wordt bijvoorbeeld gevormd bij de codons: UCU, UCC, UCA, UCG, AGU en AGC. Als je dan een mutatie zou hebben in de laatste base van U naar C, dan heeft dat geen gevolgen voor de aminozuursequentie. Maar een mutatie wardoor UCU verandert in CCU maakt van de Serine een Proline en zorgt dus wel voor een aminozuurverandering. Als er een aminozuurverandering is in een eiwit, kan het anders gaan functioneren en kan er een ziekte ontstaan. Dit is ook wat er gebeurt bij RP. 3.4 RHODOPSINE EN RETINAL RP kan ontstaan door verschillende soorten mutaties. Deze mutaties kunnen ook nog op veel verschillende genen liggen. Één van de genen die betrokken zijn bij RP is het rhodopsine-gen, dat codeert voor rhodopsine. Rhodopsine bevindt zich op het membraan van lichtgevoelige cellen. Je ziet dat weergegeven in het figuur hieronder. Dat rhodopsine kan reageren op licht komt doordat het een klein molecuul retinal bindt. Dat molecuul is weergegeven in het midden van het linkerfiguur. De fotonen uit het licht kunnen een verandering veroorzaken van 11-cis-retinal naar trans-retinal. Hierdoor verandert ook het rhodopsine van vorm, en dit zet een reactie in gang. Uiteindelijk zullen hierdoor neuronen geactiveerd worden, die er in de hersenen voor zorgen dat je kunt zien. Figuur 3.4: Rhodopsine met retinal (links) en de structuurformule van retinal (rechts). Rhodopsine is een membraaneiwit. De helices steken dwars door het membraan heen en vormen een soort cilinder. Hier binnen in zit het retinal gebonden. Als retinal in de cisvorm aanwezig is, is het rhodopsine inactief. Maar onder invloed van licht gaat verandert retinal van cis naar trans en wordt rhodopsine actief. Je kunt je dus wel voorstellen dat de binding tussen rhodopsine en retinal erg belangrijk is voor het zien. RP kan dan ook veroorzaakt worden door mutaties van rhodopsine op plekken waar het retinal bindt. Hier gaan we nu naar kijken met een bioinformatica opdracht. 28

OPDRACHTEN BIJ LES 3 1. Welke verbindingen spelen de grootste rol bij eiwitvouwing? Welke secundaire structuur zal het meest stabiel zijn? 2. Kijk naar de α-helix en de β-sheet (bron 10 en 11 H-22). Wat valt je op aan de oriëntatie van de restgroepen? 3. We hebben het kort gehad over de rol van zwavelbruggen bij de eiwitvouwing. Onze haren zijn opgebouwd uit eiwitketens, waarbij zwavelbruggen een belangrijke rol spelen. Ze bepalen onder andere of je stijl haar hebt of krullen. Maak hierover opdracht 31 a-c van paragraaf 18.3 (scheikunde boek). Wanneer deze zwavelbruggen weer gevormd worden zit het haar om de krulspeld en zullen de zavelbruggen scheef gevormd worden. Daarom blijft het haar na deze behandeling nog in de krul zitten. 4. Noem twee soorten treinkaartjes die eiwitten kunnen hebben, zodat ze op de goede plek in terecht komen. 5. Beschrijf het transport van een membraaneiwit. Gebruik hierbij de termen: golgisysteem, exocytose, transportblaasje, endoplasmatisch reticulum. 6. Kijk in tabel 67D van je binas. Heeft hemoglobine een quarternaire structuur? 7. Noem drie manieren waarop je een mutatie kunt krijgen. 8. Hieronder staan de eerste 30 basen van het rhosopsinegen. Vertaal deze DNAsequentie naar een eiwitsequentie. atgaatggca cagaaggccc taacttctac 9. Welke mutaties zijn er allemaal mogelijk in de dertiende base? En welke aminozuren kunnen er dan ontstaan? Welke mutatie lijkt jou het meest erg? 10. Leg uit hoe een mutatie kan leiden tot een ziekte. Je mag voor je antwoord internet gebruiken, maar dat hoeft niet. Extra informatie over deze les: Soms zegt een filmpje meer dan een stapel papier, dus wie weet steek je nog iets op van hetvolgende filmpje: Glycosylatie en transport van eiwitten: http://www.youtube.com/watch?v=u38ljcovdzu 29

BIOINFORMATICA-COMPUTERPRACTICUM celmembraan Figuur 9.1: Plek in de cel. Het eiwit rhodopsine bevindt zich op het celmembraan. Voorbereiding: Yasara downloaden: www.yasara.com >downloads >Yasara for new users >stage I >click here to download (inschrijven met het gegeven formulier) >order Je krijgt na 10 minuten een e-mail van eliza@yasara.org (wellicht gelabeld als spam). Bij puntje 2) van deze mail staat een link die je kunt openen in internet explorer: http://yasara3.cmbi.ru.nl/go/er15sp/deployyasara.exe Eenmaal geopend krijg je een schermpje met uivoeren/opslaan. Kies opslaan en selecteer een map waar je het bestand in wilt zetten. Dit kan even duren. Daarna kun je het bestand deployyasara.exe openen en klikken op uitvoeren. Yasara wordt nu geïnstalleerd en geopend. Site van het vak bioinformatica 2: http://swift.cmbi.ru.nl/teach/b2/index.html Site waarop je Opsin.pbd kunt dowloaden: http://www.cmbi.kun.nl/~vgelder/vwo/rp/index_origineel.html 30

ALGEMENE INFORMATIE BIOINFORMATICA Bioinformatica is een vakgebied waarbij informatica gebruikt wordt om biologische kennis te verkrijgen. Het is dus een subdomein van de biologie. Je kunt met bioinformatica bijvoorbeeld verschillende aminozuursequenties vergelijken. Als je de sequentie van een bepaald eiwit van meerdere diersoorten vergelijkt, kun je bijvoorbeeld iets zeggen over de evolutie van dat eiwit. De stukken die bij elke diersoort hetzelfde zijn noemen we geconserveerd. Deze stukken zijn meestal erg belangrijk voor het functioneren van het eiwit. Andere delen verschillen per diersoort en zijn meestal minder essentieel. Bij dit soort analyses gebruik je de computer om de sequenties zo goed mogelijk onder elkaar te zetten. De computer zoekt dus voor je uit welke gebieden van het eiwit sterk overeen komen. Een ander deel van de bioinformatica is gericht op het zichtbaar maken van eiwitten. Er zijn bijvoorbeeld computerprogramma s gemaakt die de krachten binnen zo n eiwitmolecuul kunnen berekenen. Je voert daar dan een aminozuursequentie in, en de computer laat je het optimaal gevouwen eiwit zien. Als er in een eiwit bijvoorbeeld geladen aminozuren voorkomen, dan zullen die krachten ondervinden. Gelijk geladen aminozuren stoten elkaar af en tegengesteld geladen aminozuren trekken elkaar aan. Als je al dit soort krachten meeneemt in een computermodel komt je voorspelling erg dicht bij de werkelijke vorm van het eiwit. Die zal immers ook altijd optimaal gevouwen zitten. Wij gaan zo met de computer kijken naar rhodopsine. De structuur van dit eiwit kun je downloaden van de Protein Data Bank (PDB). Dit is een site op internet waar alle eiwitstructuren, die tot nu toe bekend zijn, opgeslagen zijn. Dit hebben wij al voor jullie gedaan. Daarna kun je deze PDB-file openen met Yasara. Je krijgt dan een driedimensionaal beeld van het eiwit. Je kunt het eiwit ronddraaien en voor allerlei weergaven kiezen. Om te begrijpen hoe zo n eiwit in elkaar zit is het wel belangrijk dat je de verschillende aminozuren kent. We zullen dus eerst even aandacht besteden aan de verschillende aminozuren en hun eigenschappen. Figuur 3: structuurformules van de 20 aminozuren Figuur 9.2: Protein Data Bank (PDB) en Yasara. De Protein Data Bank is een site waarop je vele driedimensionale eiwitstructuren kunt downloaden. Deze kun je bijvoorbeeld openen in het programma Yasara. COMPUTERPRACTICUM MET YASARA Getting started 31