Functie van de cel Structuur van de cel

Bioinformatica – het probleem
•
Wat is de betekenis [in brede zin] van het menselijk genome?
– Welke structuur hebben de genen (erfelijk materiaal)?
– Wat is de link tussen structuur en functie?
Inleiding Medisch Technische
Wetenschappen
•
Bioinformatica is een discipline die helpt deze vragen te
beantwoorden:
Het toepassen van informatica om DNA-structuren te
ontrafelen en te koppelen aan eigenschappen van levende
organismen
Bioinformatica
Deel 1
Michael Egmont-Petersen
•
Literatuur:
–
TK. Attwood, DJ. Parry-Smith, Introduction to Bioinformatics, Longman,
Harlow, 1999.
–
R. Durbin et al. Biological Sequence Analysis, Cambridge University
Press, Cambridge, 1998.
–
SL Salzberg et al. Computational Methods in Molecular Biology, Elsevier,
Amsterdam, 1998.
–
Encyclop edia Britannica, 2001.
1
2
Elementaire celbiologie
Celbiologie
• Onderscheid tussen structuur en functie van de cel:
• Genotype: de genetische organisatie van een
organisme (een cel, of meerdere cellen)
• Fenotype: alle observeerbare kenmerken van en
organisme (vorm, grootte, gedrag, …) die resulteren
van interactie tussen genotype en omgeving
Celbiologie
Belangrijke begrippen:
Nucleus, ribosoom, DNA, RNA, Celmembraan,
Cytoplasma, slechts eukaryoten (met celkern)
Anatomie
van de cel
De nucleus (kern) is 6 micrometer in diameter, 6 x
10-6 meter, maar bevat 1.8 meter DNA
Structuur
van de cel
3
Fysiologie
van de cel
Replicatie
van de cel
Functie van de cel
4
1
Begrippen uit de celbiologie
•
Het alfabet
DNA (deoxyribonucleic acid)
DNA/RNA–bouwstenen
– Molecuul dat genetische informatie codeert
•
• 4 bouwstenen in DNA: A, C, G, T.
• 4 bouwstenen in RNA: A, C, G, U.
RNA (Ribonucleic acid)
– thymine in DNA is vervangen door uracil in
RNA
– Molecuul dat genetische informatie naar de
ribosomen overbrengt
•
Nucleotides (adenine, guanine, cytosine, thymine)
Bouwstenen van enzymen
– Coderen samen de erfelijke informatie van het DNA
• 20 Aminozuren: Alanine, Arginine, Asparagine,
•
Drie naburige nucleotides wordt een codon genoemd. Een
codon codeert voor een aminozuur
•
Intron, redundante informatie in DNA
•
Exon, het gedeelte van het DNA dat voor proteïnes
codeert
•
Aminozuur
Aspartic acid, Cysteine, Glutamic acid, Glutamine,
Glycine, Histidine, Isoleucine, Leucine, Lysine,
Methionine, Phenylalanine, Proline, Serine, Threonine,
Tryptophan, Tyrosine, Valine.
• Aminozuren zijn covalent gebonden door peptiden
om proteïnes te vormen
– Fundamentele bouwstenen van DNA en proteïnes
– 20 aminozuren in de menselijke cellen
5
Proteïne
6
DNA-dubbelspiraal
• Proteïne
– Molecuul bestaande uit een of meer aminozuren
in een specifieke volgorde
– Voorbeelden van proteïnes zijn: (sommige)
hormonen, enzymen en antistoffen
• Enzym, molecuul dat werkt als katalysator bij
chemische reacties (snelheid) zonder dat het zelf
deelneemt
• Antistof, molecuul dat vreemde stoffen (bacteriën,
virus) opspoort en mogelijkerwijs vernietigt
• Hormoon, signaalmolecuul dat fysiologische
processen reguleert tussen cellen
7
8
2
DNA II
DNA III
• Primaire structuur, DNA
• DNA ladder (strand) bestaat uit suikermoleculen
verbonden door fosfaatmoleculen
– Sequentie van de 4 bases (nucleotides)
A (adenine)
G (guanine)
C (cytosine)
T (thymine)
DNA-ladder
A
T
C
G
T
A
G
C
• James Dewey Watson won in 1962 de Nobelprijs in
Geneeskunde door de ontdekking hiervan
– adenine en thymine komen even vaak voor in
het DNA als guanine en cytosine
– Ontrafeld met röntgen kristallografie
9
Structuurbegrippen uit celbiologie I
10
Dubbel Helix
• Primaire structuur, DNA
– Sequentie van de 4 nucleotides
• Primaire structuur, proteïnes
– Volgorde van aminozuren
– Elke aminozuur bestaat uit een sequentie van 3
nucleotides
• Secundaire structuur, proteïne
– Door de chemische ladingen kunnen de atomen
niet in een rechte lijn liggen
– Zij vormen een spiraal – dubbelhelix. De
ruimtelijke structuur van de aminozuren is de
secundaire structuur.
• Er bestaan ook tertiaire en quartaire
structuurbegrippen
11
12
3
RNA en Organellen
Celmetabolisme I
• messenger RNA (mRNA), RNA die de informatie
van een DNA molecuul uit de celkern overdraagt
naar een ribosoom
• De cel – een chemische fabriek
• Energie voor de cel komt door stofwisseling bekend
als hydrolyse van ATP (adenosine triphosphate).
• Elk codon in mRNA codeert voor een aminozuur
• Het hydrolyse proces heeft energie nodig – hiervoor
worden suikermolecules afgebroken.
• Ribosoom, moleculair complex in cytoplasma
verantwoordelijk voor het omzetten van mRNA in
proteïnes
• De mitochondria zijn de krachtcentrales van de cel.
Zij zijn verantwoordelijk voor (netto) productie van
ATP d.m.v. suiker (Hydrolyse)
• ribosoom RNA, bestanddeel van ribosoom die
mRNA kan lezen
ATP + Suiker ⇔ Suiker-6-PO4 + ADP + Energie
• Mitochondria, organellen die dienen als
energiefabrieken voor de cel. Produceren ATP =
brandstof voor de cel
• Een reeks enzymen bepalen of er energie wordt
vrijgemaakt ÿ
of opgeslagen ⇐
13
Mitochondria
14
Cel metabolisme II
• Het omzetten van suiker en water in energie (ATP)
is een chemisch procédé
• Sommige stappen zijn reversibel, andere niet
• Voorbeeld: Omzetten van tussenproduct ADP in
ATP
15
16
4
RNA en celmetabolisme
Transcriptie
• De RNA moleculen hebben twee functies:
• Bij transcriptie wordt DNA in mRNA vertaald
– Sommige moleculen fungeren als katalysator in
chemische reacties in de celkern
– Andere RNA moleculen zijn "messenger RNA“
welke als “mal” dienen voor synthese
(productie) van proteïnes
Productie van proteïnes
Celkern
DNA
Kopie
van DNA
RNA
verlaat kern
RNA
Ribosoom
17
Translatie (proteïnesynthese)
18
Ribosoom in vergroting
• messenger RNA wordt gesynthetiseerd door
speciale enzymen die een RNA keten maken
waarbij een ‘strand’ van het DNA helix als mal
fungeert
• Na het verlaten van de celkern, wordt een mRNA
molecuul “opgevangen” door een ribosoom
• Ribosomen lezen het “messenger RNA” en vertaalt
dit in proteïnes
• De volgorde van nucleotides wordt gedecodeerd,
drie per keer (codon) door het ribosoom
• Elk codon specificeert een bepaalde aminozuur
19
20
5
Celreplicatie – Mitose
Cel cyclus
• Cellen hebben een levencyclus
• Tijdens fase G1 (G0) groeit de cel (reguliere
stofwisseling)
• Synthese begint in fase S met replicatie van DNA
(DNA Polymerase – een template enzym)
• Vervolgens worden in fase G2 extra proteienes
aangemaakt (voor 2 cellen)
• In fase M vindt de deling plaats
De twee nieuwe cellen zijn identiek, afgezien
van mutaties
Nobelprijs 2001: Hartwell, Hunt en Nurse voor het ontdekken van
"key regulators of the cell cycle"
Duurt minuten tot uren
21
Celreplicatie – Meiose
22
Samenvatting – celbiologie
•
• Meiose – celreplicatie bij voortplanting
– Twee verschillende donorcellen smelten samen
(eicel en zaadcel)
– Donorcellen hebben een enkel chromosoom
– Donorcellen maken een conglomeraat van hun
DNA – een gefuseerde cel
– Vervolgens repliceert deze gefuseerde cel door
mitose
De cel is een chemische fabriek
– Een cel wordt gescheiden van zijn omgeving door
een celmembraan
– De cel bevat cytoplasma en een celkern
– Het cytoplasma bevat energiecentrales
(mitochondria), proteïnefabrieken (ribosomen) en
eenheden voor afvalverwerking (lysosomen en
proteasomen)
– De celkern bevat het erfelijke materiaal – het DNA –
van de cel
– De stofwisseling (metabolisme) in de cel bestaat uit
ingewikkelde chemische reacties
– Mutaties in de donorcellen zijn meestal
schadelijk ÿ genetische afwijkingen
– De stofwisseling van de cel wordt gecontroleerd door
proteïnes – enzymen – die uit aminozuren zijn
samengesteld
– Mutaties vormen ook de kiem voor evolutie
– Het DNA wordt door transcriptie vertaald in mRNA
die de celkern verlaat en voor proteïnesynthese zorgt
in de ribosomen
• Celdood:
– apoptose, geprogrammeerde dood van enkele
cellen
– Celreplicatie gebeurt via celdeling (mitose) en
voortplanting (meiose)
– necrose, massieve dood van meerdere cellen
23
24
6