DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations

DNA, RNA en eiwitten:

“rules and regulations” met een uitgebreide toelichting

VWO, scheikunde Marnix College Ede

DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations

G.H.F. Hurenkamp, 2007

SAMENVATTING AFSPRAKEN DNA, RNA, AMINOZUREN EN EIWITTEN DNA EN RNA: Enkelstrengs DNA en RNA: bij afspraak schrijven we het 5’ uiteinde links en het 3’ uiteinde rechts. Voor de notatie van dubbelstrengs DNA 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 TRANSCRIPTIE: -

de DNA-streng waaraan de te vormen mRNA-streng paart wordt de template strand genoemd (strand = streng) de ándere DNA-streng wordt de coding strand genoemd het gevormde mRNA heeft ten opzichte van de template strand een complementaire basenvolgorde het gevormde mRNA heeft dezelfde basenvolgorde als de coding strand, behalve wat betreft de T’s (dat zijn in het mRNA namelijk U’s geworden)

In het algemeen noteert men de coding strand als bovenste DNA-streng (dus 5’→3’) en de template strand als onderste DNA-streng (dus 5’→3’). De mRNA-streng wordt daardoor ook genoteerd met 5’ links en 3’ rechts. AMINOZUREN EN EIWITTEN: Men nummert de C-atomen naast de carboxylgroep met α, β, γ, etc. Volgens afspraak zet men de COOH in een aminozuur rechts en de NH2 in een aminozuur links. Merk op: - als de NH2-groep de hoogste prioriteit heeft, dan spreekt met van een amine. Voorbeeld: ethaanamine; - als de NH2-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 –COOH en –NH2 Een (poly)peptide heeft een zijde met een vrije NH2-groep en een zijde met een vrije COOH-groep. Volgens afspraak noteert men peptiden met de vrije NH2-groep links en met de vrije COOH-groep rechts.

2



HOOFDTUK 1: DNA EN RNA DNA en RNA 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 RNA-moleculen bevat als suiker ribose. De ruggegraat van DNAmoleculen bevat als suiker deoxyribose (ook wel desoxyrobose genoemd). Het 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). CH2OH

OH

CH2OH

OH

O

O

C4

H

H

H

C3

C2

OH

OH

C1 H

C4

H

H

H

C3

C2

OH

H

ribose

C1 H

deoxyribose (OH aan C2 is H) figuur 1: ribose en deoxyribose

In zowel DNA als RNA zijn de suikermoleculen met elkaar verbonden door fosfaatgroepen. Fosfaat is het zuurrestion van het driewaardige zuur fosforzuur (H3PO4). De binding tussen de suikermoleculen en de fosfaatgroepen is chemisch gezien een fosfaatesterbinding. Hierbij fungeren de suikers als alcoholen (OH-groepen) en fosforzuur/fosfaat als het zuur. Omdat fosforzuur driewaardig is, blijft er in het fosfaatgedeelte één vrije OH-groep over. Bij de gebruikelijke pH’s in organismen is deze groep gedeprotoneerd en is er dus aan het fosforatoom een O– (negatief geladen Oatoom) aanwezig. Het geheel van een suikermolecuul en een base noemt met een nucleoside. Het 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.

BASE HO

O H

H

H

H

H

O O

P

OBASE

O

CH2 O H H H H H O O

P

OBASE

O CH2 H H

O H H

OH figuur 2: een trinucleotide

3

H



Basen In DNA bevinden zich vier mogelijke basen: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en tyrosine (T). NH2 O A en G zijn de purines, omdat ze sterk lijken op de N N N N stof purine. C en T zijn de N NH pyrimidines, omdat ze sterk N lijken op de stof pyridine. N N N H

In RNA bevinden zich dezelfde basen met één uitzondering: thymine komt in RNA niet voor. De vierde base in RNA is het pyrimidine uracil (U).

N adenine

H

purine

NH2

De letters A, C, G, T en U worden zowel voor alleen de basen alsook voor de totale nucleotiden gebruikt.

N H

cytosine

pyridine

NH

NH

O

N H

NH2

O

O

N

N

N guanine

H

O

thymine

N H uracil

figuur 3: de stikstofbasen in DNA en RNA

Totale structuur van DNA of RNA De totale structuur van een trinucleotide staat hieronder weergegeven. Het betreft het trinucleotide ACG. NH2 N

vrije OH aan C5 5' uiteinde

N

N

HO

N

A

O H

H

H

H

H NH2

O

N O

P

O-

C N

O CH2 H

O

O

H

H

O

H

O

H N

O

P

NH

ON

O CH2 H H

N

O H H

H

OH

vrije OH aan C3 3' uiteinde

figuur 4: het trinucleotide ACG

4

NH2

G

O



Merk op, dat een keten van nucleotiden een richting heeft. In dit geval is aan de kant van het nucleotide A een vrije OH-groep aan C5 van het deoxyribose aanwezig. Aan de kant van de G is een vrije OH-groep aan C3 van het deoxyribose. Deze kanten worden aangeduid met respectievelijk 5’ en 3’. Het 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’ ACG3’). ACG is dus niet hetzelfde als GCA! DNA is een dubbelstrengs molecuul In 1953 ontdekten James Watson en Francis Crick wát de ruimtelijke structuur van DNA moest zijn (noot: met de onmisbare hulp van Maurice Wilkins en Rosalind Franklin). Hun model is als volgt: 1. DNA 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) DNA zichzelf kopieert (DNA-replicatie). Voor de notatie van dubbelstrengs DNA 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) RNA is een enkelstrengs molecuul RNA verschilt in verschillende opzichten van DNA. Opgemerkt is al het verschil in suiker (voor RNA is dat ribose) en het verschil in de aanwezige basen (U in plaats van T). RNA komt meestal voor als enkelstrengs molecuul. Het komt voor dat één deel van een RNA-keten toevallig complementair is aan een ander deel van de keten. In zulke gevallen kan uit één RNA-keten gedeeltelijk een dubbele streng worden gevormd. Ook bij RNA geldt de afspraak: 5’ links en 3’ rechts. Soorten RNA In de cel hebben RNA-moleculen verschillende functies. De drie bekendste soorten RNA zijn rRNA, tRNA en mRNA. rRNA: in ribosomen (bepaalde celorganellen, waarover later meer) bevinden zich twee soorten bouwstenen: zogenaamd ribosomaal RNA (rRNA) en eiwitten. tRNA: ook bestaat er transfer-RNA (tRNA), dat als een soort taxi zorgdraagt voor de juiste aflevering van aminozuren bij het vormen van eiwitketens (eiwitten zijn zoals bekend aminozuurpolymeren). mRNA: het soort RNA waar wij ons voorlopig op zullen richten is het messenger-RNA (mRNA)

5



Transcriptie: RNA wordt afgeschreven van het voorbeeldmolecuul DNA Veel (zo niet alle) chemische reacties in levende wezens worden gekatalyseerd door enzymen. Enzymen zijn eiwitten, óf bestaan voor het grootste deel uit eiwitmoleculen. Het geheel aan eiwitmoleculen in een cel bepaalt dus, wát de cel allemaal wel of niet kan. Het is dus belangrijk om de juiste eiwitmoleculen in een cel te hebben. Hoe wordt hiervoor gezorgd? Eiwitten (enzymen) worden in de cel gemaakt. De bouwtekeningen van deze eiwitten bevinden zich als het ware in het DNA. De volgorde van de nucleotiden in DNA bepalen, wélke aminozuren in wélke volgorde aan elkaar worden verbonden (door condensatiereacties tussen de NH2-groepen en de COOH-groepen van de naburige aminozuren). Hoe “zorgt het DNA ervoor”, dat de juiste aminozuren aan elkaar worden gebonden?Dit gebeurt via RNA als boodschapper (vandaar messenger-RNA of mRNA). Van een gedeelte van één van de twee DNA-strengen in dubbelstrengs DNA wordt een afdruk gemaakt. Deze afdruk wordt als mRNA-keten gemaakt. Vervolgens gaat een mRNA-keten naar een ribosoom (of komt het ribosoom naar de mRNA-keten toe). Het ribosoom is als het ware de fabriek, waarin de aminozuren van het te vormen eiwit aan elkaar worden gekoppeld. Het “afdrukken” van DNA in een mRNA-molecuul wordt transcriptie genoemd. Dit gebeurt door het paren van RNA-nucleotiden aan één van de DNA-strengen. Wanneer in deze DNA-streng zich een C bevindt, paart daar een G aan (maar dan wél een G met ribose in plaats van deoxyribose – er wordt immers RNA gemaakt). Er is dus – zoals ook bij DNA-replicatie – complementaire paring van de nucleotiden. Het aan elkaar binden van de nucleotiden wordt gekatalyseerd door een speciaal enzym. Afspraken: - de DNA-streng waaraan de te vormen mRNA-streng paart wordt de template strand genoemd (strand = streng) - de ándere DNA-streng wordt de coding strand genoemd - het gevormde mRNA heeft ten opzichte van de template strand een complementaire basenvolgorde - het gevormde mRNA heeft dezelfde basenvolgorde als de coding strand, behalve wat betreft de T’s (dat zijn in het mRNA namelijk U’s geworden) In het algemeen noteert men de coding strand als bovenste DNA-streng (dus 5’→3’) en de template strand als onderste DNA-streng (dus 5’→3’). De mRNA-streng wordt daardoor ook genoteerd met 5’ links en 3’ rechts.

figuur 5: transcriptie

6



Het deel van een DNA-streng dat codeert voor een eiwit wordt een gen genoemd. Translatie: tRNA paart aan mRNA Het mRNA (de kopie van de bouwtekening) wordt in ribosomen afgelezen. Dit gebeurt doordat aan het mRNA opnieuw complementaire basenparing plaatsvindt. Aan de basen van mRNA paart namelijk tRNA. Aan een molecuul tRNA 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 mRNA en tRNA vindt plaats tussen stukjes van drie nucleotiden. Het stukje in het mRNA noemt men een codon en het complementaire stukje in het tRNA noemt met het anticodon. Doordat elk tRNA een verschillend anticodon bevat, kan er verschil worden gemaakt tussen de bij elkaar te brengen aminozuren. Elk tRNAmolecuul 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). Het is daarom niet verwondelijk, dat een codon en een anticodon minimaal drie nucleotiden moeten bevatten. Daarmee zijn 4 maal 4 maal 4 (dus 43) = 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 mRNA-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 mRNA !! Om 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 mRNA men moet beginnen met aflezen. Daar is een zogenaamd startcodon voor nodig. Het startcodon (dus de mRNA-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 DNA en het mRNA kan uiteraard grote gevolgen hebben. Wanneer een nucleotide in het DNA 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 DNA of mRNA 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. Ook bij insertie of deletie van een nucleotide spreekt men van mutatie van het DNA. 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 Nederlanders voor (en één op de tien Nederlanders is drager!).

7



HOOFDSTUK 2: EIWITTEN Aminozuren Eiwitten zijn polymeren van α-aminozuren. Een aminozuur is een molecuul, dat zowel een aminogroep (NH2-groep) als een carboxylgroep (COOH-groep) bevat. Omdat de COOH-groep volgens de algemene regels voor naamgeving (zoals bepaald door de IUPAC) een hogere prioriteit heeft dan de NH2-groep, wordt de NH2-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 COOH in een aminozuur rechts en de NH2 in een aminozuur links.

H2N

H

O

Cα

C

OH

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 Cα een asymmetrisch C-atoom is. In de natuur komt slechts één stereochemische configuratie voor, namelijk de L-configuratie. Eiwitvorming: amidebinding De COOH-groep van het ene aminozuur kan reageren met de NH2-groep van het andere aminozuur. Deze reactie vertoont sterke gelijkenissen met de normale estervorming (tussen –COOH en –OH). Het resultaat is, dat een condensatiereactie plaatsvindt (er ontstaat H2O) en dat een nieuw type karakteristieke groep ontstaat: de amidebinding. O C

NH

figuur 7: de amidebinding

Merk dus op (subtiele verschillen!): - als de NH2-groep de hoogste prioriteit heeft, dan spreekt met van een amine. Voorbeeld: ethaanamine; - als de NH2-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 –COOH en –NH2 De amidebinding wordt ook wel peptidebinding genoemd.

8



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 NH2-groep en een zijde met een vrije COOH-groep. Volgens afspraak noteert men peptiden met de vrije NH2-groep links en met de vrije COOH-groep rechts. Er is dus een verschil tussen het dipeptide glycine-alanine (afgekort Gly-Ala) en het dipeptide alanine-glycine (Ala-Gly)! O

O H2N

CH

C

H2N

OH

OH

alanine (R = CH3)

H N

CH C

H2N

OH

CH3

H

O

O

O

O CH C

C

CH3

H

glycine (R = H)

H2N

CH

CH C CH3

H N

CH C

OH

H

Ala-Gly

Gly-Ala 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

DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations

Recommend Documents