Moleculaire mechanismen De connectie tussen interacties van eiwitten en activiteiten van cellen
The Hallmarks of Cancer Hanahan and Weinberg, Cell 2000 Niet afhankelijk van groei signalen
Apoptose ontwijken
Ongevoelig voor anti-groei signalen
Veranderde stofwisseling in de cel
Ontwijken van het immuunsysteem
Angiogenese
Weefsel invasie & metastase Oneindig replicatievermogen
Celactiviteiten • Er zijn cellen in je lichaam die… – Delen – Dood gaan – Insuline produceren – Zuurstof transporteren – Voedingsstoffen opnemen – Etc.
Celdeling: wat moet er gebeuren? • Verdubbelen en verdelen DNA, eiwitten, membranen, organellen etc.
‘Hoe?’ of ‘Wat is het mechanisme?’
Opdelen van celactiviteiten Celdeling Verdubbelen van celinhoud
Verdelen van celinhoud
Chromosomen verdubbelen
Meer cytoplasm
Verdelen van DNA
DNA replicatie
Eiwit synthese
Mitose
Transport van chromosomen
Hoe? / wat is het mechanisme?
Verdelen van organellen
Transport van organellen
Eiwit activiteiten • Er zijn eiwitten in je lichaam die… – – – – – – –
Reacties versnellen Stoffen afbreken (voedsel) Herkennen (receptoren) Selecteren/ doorlaten (membraan eiwitten) Stoffen vervoeren (hemoglobine) DNA aflezen … Hoe?
Moleculaire interacties
Basis ideeën over eiwit interacties • • • • •
Willekeurige (warmte)beweging Willekeurig botsen Aantrekken en afstoten alleen heel nabij Sleutel /slotprincipe (niet alleen voor enzymen) Interactie = aangaan bindingen tussen de moleculen, maar daardoor ook veranderingen in bindingen in de moleculen > vormverandering
Alleen als het past…
Sleutel – Slot ?
Sleutel – Slot ?
Willekeurige beweging
http://www.youtube.com/watch?v=FAdxd2Iv-UA
Willekeurige beweging
http://www.youtube.com/watch?v=PtYP8uoN0lk
Self -assembly
http://www.youtube.com/watch?v=X-8MP7g8XOE
Self -assembly
http://www.youtube.com/watch?v=YbpTusoDEgA
Vormverandering
Eiwit interacties
http://www.youtube.com/watch?v=Ms_ehUVvKKk
Basis ideeën over eiwit interacties • • • • •
Willekeurige (warmte)beweging Willekeurig botsen Aantrekken en afstoten alleen heel nabij Sleutel /slotprincipe (niet alleen voor enzymen) Interactie = aangaan bindingen tussen de moleculen, maar daardoor ook veranderingen in bindingen in de moleculen > vormverandering
Eiwit activiteit: (in)activeren
Eiwit activiteit: (in)activeren
Eiwit activiteit: (in)activeren
Moleculaire mechanismen • De interacties tussen eiwitten (en andere moleculen) leiden tot eiwit activiteiten. • Moleculaire mechanisme verklaren hoe een geheel van eiwitactiviteiten samen kan leiden tot grotere activiteiten in de cel. – – – –
Welke eiwitten? Welke interacties? Welke eiwit-activiteiten? Waar en wanneer? (organisatie)
Celactiviteit: blaasje beweegt naar het celmembraan. Mechanistische verklaring: HOE?
Inner life of the cell
http://www.youtube.com/watch?v=Mszlckmc4Hw
Kinesin (lopend eiwit)
http://www.youtube.com/watch?v=lLxlBB9ZBj4
Moleculair mechanistisch redeneren Als ik kijk naar een plaatje van signaalroute weet ik: • • •
Dat alle moleculen een ruimtelijke structuur hebben die bepaald wordt door de chemische interacties tussen de atomen van het molecuul Dat alle moleculen trillen en dat alle moleculen die niet verankerd zijn willekeurig bewegen en botsen. Dat moleculen chemische interacties aangaan, die de eigenschappen (vorm en chemische groepen) en daardoor interactiemogelijkheden van de moleculen kunnen veranderen.
Moleculair mechanistisch redeneren Bij moleculair mechanistisch redeneren vraag ik me af:
• • • • •
Waar kijk ik naar: Over welke hoe/waardoor-vraag gaat het? Welke (soort) deeltjes spelen een rol? Hoe zijn de deeltjes georganiseerd (plaats/tijd)? Wat is de beginsituatie en de eindsituatie? Kom ik via logische stappen (op basis van moleculaire interacties) van beginsituatie tot eindsituatie? – Welke moleculen hebben interactie? Hoe wordt dat weergegeven of beschreven? – Wat gebeurt er door die interactie? Hoe wordt dat weergegeven of beschreven? – Welke deeltjes en/of veranderingen spelen een rol, maar staan niet beschreven of weergegeven? – Welke hoe-vragen blijven er over? Welke gaten zitten er in de causale keten? – Welke vermoedens/hypotheses heb ik over deze openstaande hoe-vragen?
Moleculair mechanistisch redeneren Een leerling laat zien dat hij moleculair mechanistisch redeneert:
•
Als hij er blijk van geef zich bewust te zijn van het feit dat aan alle veranderingen in de cel moleculaire interacties ten grondslag liggen. Elke verandering kan in principe verklaard worden uit interacties van moleculen. Dat een leerling dit idee beheerst valt af te leiden uit het type vragen dat hij stelt en de hypotheses die hij daarbij hanteert.
•
Als hij herkent dat de doelgerichte beweging van eiwitten zoals die in animaties wordt weergegeven, een foutieve weergave is van iets dat in werkelijkheid random beweging door botsing van deeltjes is.
•
Als hij gebruik maakt van ‘mechanistische’ termen: trillen, willekeurig bewegen, botsen, hechten, bindingen aangaan, bindingen verbreken, van vorm veranderen, loslaten.
•
Als hij in zijn redenering causale verbanden legt tussen de een verandering en de daarop volgenden verandering. Dit is te herkennen aan het gebruik van de woorden: als… dan, en doordat…
•
Als hij het ontbreken van causale verbanden herkent. Dit is te herkennen aan het gebruik van de vraag: waardoor…? (of slordig gebruik van varianten als waarom? en hoezo?)
Startplaats van het gen
G
P
R
T
Rpol
Eiwit in de signaalroute
localisatie
Bind aan
Activiteit
•Groeifactor
Buiten de cel
Receptor
Activeert receptoren
Eiwit in de signaalroute
localisatie
Bind aan
Activiteit
Receptor met kinase activiteit
In celmembraan Groeifactor Protease
Koppelt fosfaatgroepen aan andere eiwitten
Eiwit in de signaalroute
localisatie
Bind aan
Activiteit
Protease
In cytoplasma
Receptor Repressor
Knipt andere eiwitten
Eiwit in de signaalroute
localisatie
Bind aan
Activiteit
Repressor
In cytoplasma
Protease Transcriptiefactor
Blokkeert andere eiwitten
Eiwit in de signaalroute
localisatie
Bind aan
Activiteit
Transcriptiefactor
In cytoplasma
DNA RNA-polymerase
Activeert RNApolymerase
Eiwit in de signaalroute
localisatie
Bind aan
Activiteit
RNApolymerase
in Kern
DNA Transcriptiefactor
Maakt mRNA kopie van het gen
Opdracht 1 Organiseer de verschillende onderdelen op zo’n manier dat er een mechanisme ontstaat waarbij binding van de groeifactor leidt tot afschrijven van het gen. Schrijf hieronder stapsgewijs de moleculair mechanistische verklaring op door gebruik te maken van daardoor / doordat / als … dan.
-P -P
Opdracht 2 • Een van de veranderingen in kankercellen: de cellen krijgen continu of te veel groeisignalen. • Mutaties in het DNA kunnen er voor zorgen dat dit gebeurt.
• Ga voor elk van de eiwitten in het schema na welk type mutatie(s) in het DNA dit eiwit zodanig beïnvloedt dat dit uiteindelijk leidt tot continu of te veel signaal tot celdeling • Is het gen dat codeert voor dit eiwit een proto-oncogen of een tumorsupressor gen?
Eiwit in de signaalroute Groeifactor
Receptor met kinase activiteit
Protease Repressor
Transcriptiefactor
Effect nodig voor continu of meer signaal
Mutatie die dit effect kan veroorzaken Proto-oncogen (P) of tumorsuppressor (T)?
Eiwit in de signaalroute
Effect nodig voor continu of meer signaal
Mutatie die dit effect kan veroorzaken
Groeifactor (P)
• Meer groeifactoren
• Amplificatie groeifactor-gen • Verhoogde transcriptie groeifactor-gen
Receptor met kinase activiteit (P)
• Meer receptoren • Continu actieve receptoren
• Amplificatie receptor-gen • Verhoogde transcriptie receptor-gen • Mutatie in kinase domein (continu actief)
Protease (P)
• Continu actieve protease
• Mutatie in activatie domein (ook zonder fosfaatgroep actief)
Repressor (T)
• Inactieve repressor • Afwezigheid repressor
• Vervroegd stopcodon in repressor-gen (geen of niet-functioneel eiwit)
Transcriptiefactor (P)
• Transcriptiefactor die niet kan binden aan repressor • Meer transcriptiefactor
• Amplificatie transcriptiefactor-gen • Verhoogde transcriptie door mutatie in promotor • Mutatie in repressor-bindingsplaats
