Leerlingenhandleiding

Leerlingenhandleiding
Inleidende les
Bioinformatica:
leven in de computer
Ontwikkeld door het Netherlands Bioinformatics Centre
in samenwerking met het Centre for Molecular and Biomolecular Informatics
van Radboud University Nijmegen Medisch Centrum
Tekst
Celia van Gelder, Robbie Joosten en Hienke Sminia
Illustraties
….
Op alle lesmaterialen is de Creative Commons
Naamsvermelding-Niet-commercieel-Gelijk delen
3.0 Nederland Licentie van toepassing (http://
creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/nl/).
CC BY-NC-SA 2009 – NBIC
Met vragen en/of opmerkingen kunt u contact opnemen
met het Netherlands Bioinformatics Centre ([email protected]).
Bioinformatica: leven in de computer
DNA, genen, eiwitten en genomen. Daar ga je de komende lessen mee aan de slag! Twee
studenten van de universiteit zullen jou en jouw klas twee uur lang voorzien van een
practicum in de nieuwste technieken van DNA-onderzoek. Daar is een goede voorbereiding
voor nodig en na het practicum ga je zelfs nog een stapje verder. Je gaat de diepte in van
het wetenschappelijk onderzoek of je gaat de relatie van het onderzoek met de samenleving
in kaart brengen. Veel plezier met deze lessen over moleculen met grote gevolgen!
Inleidende les
DE CEL
De cel is de kleinste levende eenheid die zelfstandig kan groeien en zich kan
vermenigvuldigen. Vele meercellige organismen, zoals de mens, zijn ontstaan uit slechts één
cel bij de bevruchting. Een volwassen mens bestaat uit 75 000 000 000 000, of m.a.w. 75
biljoen, cellen. Er zijn honderden soorten levende cellen. Ze verschillen in hun eigen
specifieke eigenschappen zoals vorm, kleur en functie maar hebben ook
gemeenschappelijke kenmerken, waaronder de aanwezigheid van een celkern en een
celmembraan. De celvloeistof wordt cytoplasma genoemd en daarin bevinden zich
organellen zoals de mitochondria en ribosomen. Ook voedingsstoffen, water, gassen, ionen,
etc. kunnen in het cytoplasma opgelost zijn.
De belangrijkste macromoleculen in de cel zijn suikers, vetten, eiwitten, DNA en RNA.
Opdracht 1:
Geef 5 soorten cellen:
.......................................................
.......................................................
.......................................................
.......................................................
.......................................................
Opdracht 2:
Geef 3 specifieke voorbeelden van moleculen die je in de cel vindt:
.......................................................
.......................................................
.......................................................
EIWITTEN
Eiwitten spelen een zeer grote rol in het leven en in je lichaamsprocessen. Je haar en nagels
zijn gemaakt van eiwitten, je lichaam verdedigt zich tegen ziektes met behulp van
antilichamen (en dat zijn eiwitten), jouw waspoeder zit vol met eiwitten die bepaalde stoffen
afbreken, eiwitten in je oog vangen het licht op waardoor je kunt zien...
0
Opdracht 3:
Geef een paar voorbeelden van eiwitten die volgende functies verrichten:
• Structureel:................................................................................................
• Signaaloverdracht:....................................................................................
• Verdediging: .............................................................................................
• Enzymen: .................................................................................................
Je kunt dus zonder twijfel zeggen dat eiwitten eigenlijk in alle levende materie aanwezig zijn
en zeer uiteenlopende en belangrijke functies vervullen.
Eiwitten zijn macromoleculen, bestaande uit aminozuren. Elk aminozuur bestaat uit een
centrale koolstof (de Cα), een aminogroep, een carboxylgroep (= de “zure” groep) en een
zijketen. De opeenvolging van ...-NH-Cα-CO-NH- Cα-CO-... noemt men de “ruggengraat” of
backbone.
Opdracht 4:
Geef in onderstaande figuur de volgende delen van het aminozuur: de Cα, de aminogroep,
de carboxylgroep en de zijketen aan.
Deze figuur is een vereenvoudigde voorstelling van een aminozuur, omdat er geen ladingen
aanwezig zijn. In een cel daarentegen, komen losse aminozuren voor als zwitterionen,
moleculen met zowel een positieve als een negatieve lading (respectievelijk als NH3+ en
COO-) .
Twee aminozuren kunnen aan elkaar gebonden worden via een peptidebinding. Dit gaat
gepaard met afsplitsing van 1 H2O.
Opdracht 5:
Geef in onderstaande figuur de peptidebinding aan.
Wanneer meer dan twee aminozuren aan elkaar gebonden
zijn, spreekt men van een polypeptide of eiwit.
1
Er bestaan 20 natuurlijke aminozuren, die enkel verschillen in de structuur en samenstelling
van de zijketen ( R ). Elk aminozuur heeft eigen specifieke eigenschappen zoals
hydrofobiciteit (het niet liefhebben van water als omgeving), lading, grootte, zuur-base
eigenschappen en de mogelijkheid om waterstofbruggen of covalente bindingen te vormen.
In de bijlage vind je een tabel met alle
aminozuren, evenals de drielettercode en
éénlettercode die door wetenschappers
wordt gehanteerd.
De eigenschappen van aminozuren zijn
heel belangrijk voor het opvouwen van een
eiwitketen. Zo kunnen geladen zijketens
ionische bindingen vormen met elkaar of
met andere geladen moleculen in de cel.
Het aminozuur cysteïne bevat een zeer
belangrijke zwavel. Twee cysteïnes kunnen
onderling een zwavelbrug vormen, die heel
belangrijk is voor de structuur van de
polypeptideketens.
Opdracht 6:
Geef in de bovenstaande figuur de volgende onderdelen aan: polypeptide backbone,
ionische binding, zwavelbrug, hydrofobe interactie en waterstofbrug.
Je zou kunnen denken dat slechts 20 aminozuren best weinig zijn om zo’n brede waaier aan
eiwitten aan te maken, maar dat is slechts een indruk.
Opdracht 7:
Hoeveel verschillende dipeptiden kan je maken met deze 20 aminozuren? ............................
En hoeveel verschillende eiwitten, bestaande uit 100 aminozuren? ........................................
(de meeste eiwitten zijn nog een stuk groter)
De afspraak in de wetenschappelijke wereld is dat aminozuursequenties (= de volgorde van
aminozuren) van eiwitten altijd gelezen worden van de N-terminus naar de C-terminus, met
andere woorden, van de “aminostaart” naar de “carboxylstaart”.
De aminozuursequentie van een eiwit is dus niet omkeerbaar, Alanine – Glycine – Valine en
Valine – Glycine – Alanine zijn twee heel verschillende tripeptiden! Ook wordt er steeds
gebruik gemaakt van de éénlettercode (zie bijlage 1)
2
Opdracht 8:
Teken aan de hand van de bijgevoegde aminozuurstructuren (Bijlage 1, en gebruik zonodig
ook je Binas Boek) de dipeptiden Leu – Asp en Asp – Leu. Bespreek de verschillen
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
De ruimtelijke vorm van een eiwit is heel belangrijk voor zijn functie en wordt bepaald door:
1. De primaire structuur ofwel de sequentie: de volgorde waarin de aminozuren aan
elkaar geketend zijn.
2. De secundaire structuur beschrijft specifieke vormen die kunnen voorkomen in de
aminozuurketen, namelijk een α-helix of een β-sheet. Deze structuren worden
voornamelijk door waterstofbruggen tussen de N-H en de C=O groepen uit de
backbone in stand gehouden.
3. De helices en sheets zijn op hun beurt weer onderling tegen elkaar aan gevouwen,
dit noemt men de tertiaire structuur.
4. De quaternaire structuur beschrijft de wijze waarop meerdere eiwitten in een complex
gerangschikt kunnen zijn.
3
Opdracht 9:
Voeg aan onderstaande figuur de volgende labels toe: primaire structuur, secundaire
structuur, tertiaire structuur, quaternaire structuur, α-helix en β-sheet, N-terminus, C-terminus
Opdracht 10:
Een reclamespotje op televisie bespreekt de “unieke eigenschappen” van een
gezichtsverzorgingscrème op basis van “aminopeptiden”. Wat is er verkeerd aan deze
uitspraak?
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
4
ENZYMEN
Enzymen zijn heel belangrijke eiwitten, omdat ze chemische reacties enorm kunnen
versnellen en nauwgezet kunnen begeleiden. Men noemt ze biokatalysatoren. Dit zijn stoffen
die reacties beïnvloeden, maar zelf onveranderd uit de reactie komen. Eén enzymmolecuul
kan per minuut ongeveer 100.000 tot 5 miljoen moleculen verwerken.
De moleculen die verwerkt worden, heten substraten en worden omgezet tot producten.
Enzymen worden benoemd naar het proces dat zij katalyseren, gevolgd door de uitgang ase.
Amylase knipt zetmeel (amylose), lipasen knippen vetten (lipiden), proteasen knippen
eiwitten (proteïnen), etcetera.
De functie van een eiwit hangt nauw samen met zijn aminozuursequentie en zijn tertiaire
structuur. Enzymen worden verder gekenmerkt door de aanwezigheid van een reactief
centrum. Deze structuur bepaalt of moleculen wel of niet hechten aan het enzym.
Aan de hand van de structuur van een enzym kunnen
we de werking van sommige vergiften verklaren. De
moleculen van de giftige stof hechten zich ook aan de
actieve plaatsen van een enzym waardoor deze bezet
is en het enzym zijn katalytische werking niet meer kan
uitoefenen. Men noemt zulke blokkerende moleculen
inhibitoren.
Alle enzymen zijn eiwitten, maar de meesten hebben
ook een niet-eiwit gedeelte, het co-enzym. Dit coenzym kan een metaalion zijn (Zn2+, Ca2+, Mg2+), een
energieleverende molecule (ATP) of simpelweg een
proton.
Eén verkeerd aminozuur kan een enzym trager maken
of zelfs volledig inactief. Dat is onder andere het geval
voor alcohol dehydrogenase (ADH). Naast het enzym
ADH is ook ALDH betrokken bij het verwerken van alcohol en ook in deze stap verschillen
aziaten van niet-aziaten. In een normaal ALDH staat op de 487ste plaats een glutaminezuur.
Bij een aantal Aziatische mensen is de glutamaat gemuteerd tot een lysine.
Opdracht 11:
Teken deze twee aminozuren en geef het belangrijkste verschil tussen beide:
.................................................................................................................................................
5
Opdracht 12:
In je rode bloedcellen zit hemoglobine, een eiwit dat zuurstof transporteert door je lichaam.
Welk essentieel co-enzym heeft hemoglobine nodig om te kunnen functioneren?....................
Koolstofmonoxide (CO) kan de plaats van zuurstof innemen in het reactieve centrum van
hemoglobine, waardoor de zuurstof niet meer getransporteerd kan worden. Dit kan
aanleiding geven tot hoofdpijn, misselijkheid, bewustzijnsverlies en uiteindelijk tot de dood.
Koolstofmonoxide is dus een ......................................
Enzymen hebben een specifieke werking, ze
katalyseren de omzetting van slechts één
bepaald molecuul of versnellen slechts één
reactietype. Dit houdt in dat een enzym een
specifiek molecuul moet kunnen herkennen.
Een enzymmolecuul heeft in de buurt van het
reactive centrum een holte waarin het
substraatmolecuul precies past. Dit is
vergelijkbaar met een slot waarin precies één
sleutel past. Heb je de verkeerde sleutel, dan
gaat de deur niet open; heb je het verkeerde
substraat, dan kan de reactie niet doorgaan.
Daarnaast hebben enzymen ook een bepaald
pH-optimum en temperatuuroptimum. Dit zijn
de condities waarin het enzym het grootste
aantal processen kan katalyseren in de kortste
tijd. Vaak kan een enzym slechts binnen een
kleine range van temperaturen en pH’s werken,
bijvoorbeeld tussen 30 en 40ºC.
Opdracht 13:
Wat is de optimale temperatuur voor een enzym dat voedsel afbreekt in de darm van de
mens, bijvoorbeeld pepsine? .................................................
Wat is de optimale pH voor enzymen die werken in onze maag? ...................................
Opdracht 14:
In waspoeders zitten veel enzymen. Deze breken de vlekken af op de kleren. Proteasen,
bijvoorbeeld, breken andere eiwitten af, lipasen vallen vetten aan, enz. Zou je een menselijk
(humaan) protease kunnen gebruiken in waspoeders?
...................................................................
6
DNA EN RNA
De erfelijke informatie van een organisme ligt in het DNA opgeslagen in de vorm van een
code. De code is opgebouwd uit vier bouwstenen of basen (A voor Adenine, C voor
Cytosine, G voor Guanine, T voor Thymine). Deze basen volgen elkaar op in een bepaalde
volgorde, bijvoorbeeld ‘...AGTCGTAATTGGCCCCAATTGCAAAAA...’. Een dergelijke
opeenvolging of sequentie die instaat voor de aanmaak van één eiwit, noemt men een gen.
De DNA-“backbone” bestaat uit suikers (deoxyribose) en fosfaten. Aan elke suiker is een van
de volgende basen gebonden: adenine, guanine, cytosine en thymine. DNA komt steeds
voor als een dubbele helix, de twee ketens in het dubbelmolecuul worden bijeen gehouden
door waterstofbruggen tussen de basen. Adenine is steeds gebonden met thymine, en
guanine met cytosine.
Opdracht 15:
Vul onderstaande figuur aan met de namen: adenine, thymine, cytosine, guanine, uracil,
fosfaat, deoxyribose, waterstofbrug, backbone, stikstofbasen
Opdracht 16:
Een stuk DNA bevat 33% guanine. Welk percentage adenine, cytosine en thymine vind je in
dat stuk? .......................................................................................................
In RNA komt ribose voor in plaats van deoxiribose en komt in plaats van thymine de base
uracil voor. RNA komt bijna altijd voor als een enkele keten, hoewel deze keten op zichzelf
kan vouwen en een welbepaalde 3D-structuur aannemen.
7
Opdracht 17:
Geef twee RNA-typen die bekend zijn om hun structuur: ..............................
TRANSCRIPTIE EN TRANSLATIE
Zoals reeds vermeld werd, is DNA een “code” die leidt tot de vorming van eiwitten. Met
behulp van enzymen wordt een RNA-kopie van één van de ketens van de dubbele helix
gemaakt. Dit boodschapper-RNA bevat de code, waarmee de aminozuursequentie van
eiwitten wordt gedicteerd. De eiwitsynthese vindt plaats op de ribosomen.
De vorming van boodschapper-RNA wordt transcriptie genoemd, de vorming van eiwitten
translatie.
DNA
RNA
Transcriptie
RNA-synthese
Eiwit
Translatie
Eiwitsynthese
Het is belangrijk te beseffen dat één stuk DNA, een gen, zal coderen voor één welbepaald
eiwit.
In een codontabel (zie Binas en Bijlage 2) vind je de “code” van het RNA: daarin kan je
opzoeken welk aminozuur wordt gecodeerd door een bepaald codon. De genetische code
kan je ook vinden op http://nl.wikipedia.org/wiki/Genetische_code
8
Opdracht 18:
Een stukje (enkelstrengs) DNA heeft de volgende basenvolgorde:
TACCATCCGTTCATGATC
Welk peptide zal hierdoor gecodeerd worden?
9
BIJLAGE 1: DE AMINOZUURSTRUCTUREN
DE AMINOZUURCODE
10
Aminozuur
Alanine
Arginine
Asparagine
Asparaginezuur
Cysteïne
Glutaminezuur
Glutamine
Glycine
Histidine
Isoleucine
Leucine
Lysine
Methionine
Phenylalanine
Proline
Serine
Threonine
Tryptofaan
Tyrosine
Valine
Drielettercode
Ala
Arg
Asn
Asp
Cys
Glu
Gln
Gly
His
Ile
Leu
Lys
Met
Phe
Pro
Ser
Thr
Trp
Tyr
Val
Eenlettercode
A
R
N
D
C
E
Q
G
H
I
L
K
M
F
P
S
T
W
Y
V
BIJLAGE 2: DE GENETISCHE CODE
Bron: http://nl.wikipedia.org/wiki/Genetische_code
11
De genetische code is een tabel die aangeeft hoe tripletten van aangrenzende
nucleotidenbasen (codons) worden vertaald naar aminozuren bij de biosynthese van
eiwitten. Er zijn 64 (43) verschillende codons, die coderen voor 20 verschillende aminozuren;
voor veel van de aminozuren zijn dus meerdere verschillende codons.
De DNA-basen van een gen worden eerst vertaald naar een molecuul messenger-RNA
(mRNA) (transcriptie). Bepaalde delen van het mRNA, de introns, worden daarna
weggeknipt, en daarna worden aminozuren aan elkaar vastgekoppeld bij de translatie in het
ribosoom. Sommige codons hebben geen aminozuurequivalent; wordt zo'n codon gelezen
dan eindigt de translatie. Ze worden daarom stopcodons genoemd.
Vrijwel alle levende wezens gebruiken dezelfde genetische code. De volgende tabel geeft de
standaardversie. (U staat voor Uracil in het RNA; in het DNA zou hiervoor een T van
Thymine staan).
Tabel 1: Codon tabel. Deze tabel geeft de 64 (43) mogelijke codontripletten
A=Adenine, C=Cytosine, G=Guanine en U=Uracil
2e base
U
U
C
e
1
base
A
G
UUU Fenylalanine
UUC Fenylalanine
UUA Leucine
UUG Leucine
CUU Leucine
CUC Leucine
CUA Leucine
CUG Leucine
AUU Isoleucine
AUC Isoleucine
AUA Isoleucine
1
AUG Methionine
GUU Valine
GUC Valine
GUA Valine
GUG Valine
C
UCU Serine
UCC Serine
UCA Serine
UCG Serine
CCU Proline
CCC Proline
CCA Proline
CCG Proline
ACU Threonine
ACC Threonine
ACA Threonine
ACG Threonine
GCU Alanine
GCC Alanine
GCA Alanine
GCG Alanine
A
G
UAU Tyrosine
UAC Tyrosine
UAA Stop
UAG Stop
CAU Histidine
CAC Histidine
CAA Glutamine
CAG Glutamine
AAU Asparagine
AAC Asparagine
AAA Lysine
AAG Lysine
GAU Asparaginezuur
GAC Asparaginezuur
GAA Glutaminezuur
GAG Glutaminezuur
UGU Cysteïne
UGC Cysteïne
UGA Stop
UGG Tryptofaan
CGU Arginine
CGC Arginine
CGA Arginine
CGG Arginine
AGU Serine
AGC Serine
AGA Arginine
AGG Arginine
GGU Glycine
GGC Glycine
GGA Glycine
GGG Glycine
1
Het AUG codon codeert voor methionine en dient tevens als startpunt; de eerste AUG in
een mRNA is de plaats waar de translatie begint.
12