GENOOM – DEEL 1: MOLECULAIRE MECHANISMEN - HOORCOLLEGES
WEEK 1: STRUCTUUR EN FUNCTIE VAN HET GENOOM
MOLECULAIRE PRINCIPES: AFFINITEIT & SPECIFICITEIT
Botsen
• Moleculen bewegen niet naar elkaar toe, maar komen elkaar vanzelf tegen door hun bewegingen
kriskras door de cel: brownian motion. Het pad van een molecuul is altijd random en nooit
hetzelfde.
• Er zijn veel eiwitten van dezelfde soort en deze botsen kriskras tegen elkaar en andere
moleculen.
• Voorwaarde voor binding: ze passen in elkaar en de interactie is sterk genoeg
• Door thermal motion zijn bindingsplaatsen nooit precies hetzelfde. Het binden van twee
moleculen volgt nooit exact hetzelfde ‘pad’ en interactie leidt ook niet altijd tot succesvolle
binding.
• Binding is een continue proces van moleculaire interacties, waarbij er tijdens een sterkte binding
sterke moleculaire interacties aanwezig zijn en er dus wordt gebonden.
• Een ligand botst aan alles tot het botst met een molecuul met zijn affiniteit, dan ontstaat er een
binding. Dit is een kansproces.
• Er stelt zich een dynamisch evenwicht in waarbij de verhouding tussen liganden in gebonden en
ongebonden toestand stabiel blijft
Brownian motion = de willekeurige beweging van een molecuul dwars door de cel waarbij de
moleculen met elkaar spontaan botsen. Het afgelegen pad van de moleculen is nooit hetzelfde.
Thermal motion = hierdoor zijn bindingsplaatsen nooit precies hetzelfde en erg dynamisch.
Botsingen zijn dus willekeurig
Affiniteit
• Affiniteit is een maat voor de sterkte van de binding tussen twee moleculen en geeft de kans aan
dat eiwitten in gebonden toestand voorkomen.
… en dus niet alleen de kans dat ze binden, want loslaten speelt ook een rol!
• Affiniteit is gebaseerd op het evenwicht tussen binden en loslaten. Sterkere onderlinge
interacties zorgen voor meer binden en/of minder vaak loslaten en dus gemiddeld langer
gebonden zijn.
• Je kunt affiniteit uitdrukken als de verhouding van het aantal gebonden versus ongebonden
moleculen tijdens dynamisch evenwicht en als de verhouding van de totale tijd dat één
molecuul gebonden versus ongebonden is
Hoge affiniteit Lage affiniteit
Lange bindingstijd Korte bindingstijd
Ligand bindt sterk aan de receptor, waardoor Ligand bindt zwak aan de receptor, waardoor
het niet snel loslaat het snel los kan laten
Er zijn veel moleculen in verhouding gebonden Er zijn weinig moleculen in verhouding
gebonden
,De kans dat macromoleculen aan elkaar binden, is afhankelijk van het aantal en de sterkte van de
non-covalente interacties die moleculen met elkaar aan kunnen gaan.
• De non-covalente interacties van sterk naar zwakst: Elektrostatische interacties (+/- lading),
Waterstofbruggen, VanderWaalskrachten, Hydrofobe interacties.
• Non-covalente interacties zijn afhankelijk van de 3D-structuur van de bindingsplaats.
• Welke non-covalente interacties gevormd kunnen worden, is afhankelijk van de chemische
eigenschappen van de bindingsplaats.
Specificiteit
• Specificiteit zegt iets over hoe specifiek twee moleculen aan elkaar binden. Wanneer een
molecuul een vergelijkbare affiniteit heeft voor meerdere andere moleculen, heeft dit molecuul
een lage specificiteit. (in hoeverre één molecuul op één receptor past)
• Hoge specifiteit: één molecuul past op één receptor
Lage specifiteit: meerdere moleculen passen op één receptor
• Dit is afhankelijk van de specifieke 3D-structuur en van de chemische eigenschappen van de
atomen in de bindingsplaats van het molecuul
Eiwitfuncties
Structuur eiwit bepaalt wat voor interacties een eiwit aan kan gaan en bepaalt dus de functie:
• DNA-eiwitinteractie: transcriptiefactor
• RNA-eiwitinteractie: ribosomaal eiwit
• Eiwit-eiwitinteractie: enzym
• Groeifactor-eiwitinteractie: receptor
• Etc.
3D-structuur en mogelijke interacties eiwitten
• Aminozuurketens hebben specifieke eigenschappen die bepaald worden door: polariteit, lading
en grootte -> Specifieke eigenschappen van aminozuurzijketens die de bindingsplaats vormen,
bepalen de affiniteit.
→ Hoe sterker en hoe groter het aantal mogelijke interacties, des te hoger is de affiniteit en des
te groter is de kans dat twee moleculen in gebonden toestand voorkomen
• De secundaire en tertiaire structuur van eiwitten komen tot stand door vanderWaalsbindingen,
waterstofbruggen, elektrostatische interacties, hydrofobe interacties en zwavelbruggen
(covalente binding)
• Post-translationele modificaties zijn lokale structuur- en ladingsveranderingen die worden
aangebracht aan het eiwit na de vouwing. Zorgt voor structuur- en ladingsverandering.
Modificatie Plaats Aminozuren Functie
Fosforylering eiwit serine, threonine, tryosine eiwitten (in)activeren
Acetylering DNA-ontwinding bij asparaginezuur, genexpressie
histonen glutaminezuur, lysine reguleren
Methylering DNA-ontwinding bij asparaginezuur, genexpressie
histonen glutaminezuur, lysine, reguleren
arginine
Glycolysering eiwit bescherming,
herkenning, transport
Lipolysering eiwit cysteïne, methionine verankering
,• Vorming van di-sulfide bindingen: cysteine, methionine
• Kleinste aminozuur: glycine
• Aromatisch: phenylalanine, tryptophan, tyrosine (benzeenring)
, Veranderingen in 3D-structuur en affiniteit
1) ligand binding
2) eiwit-eiwitinteractie
3) post-translationele modificaties
-> hebben invloed op de 3D-structuur en de eigenschappen van een bindingsplaats en dus op de
affiniteit
-> maken kans op binding met volgend molecuul groter/kleiner
DNA- en RNA-interacties
• DNA en RNA binden waar ze binden kunnen
• Hoe sterker en hoe groter het aantal mogelijke interacties, des te hoger is de affiniteit en des te
groter is de kans dat twee moleculen in gebonden toestand voorkomen.
Conclusie
• Macromoleculen ‘vinden’ elkaar door thermal motion.
• Eiwitbinding is een kansproces.
• Affiniteit is een maat voor de sterkte van de binding tussen twee moleculen en geeft de kans aan
dat eiwitten in gebonden toestand voorkomen.
• Uit te drukken in de verhouding van gebonden versus ongebonden moleculen tijdens
dynamisch evenwicht
• Uit te drukken in de verhouding van totale tijd dat één molecuul gebonden versus
ongebonden is
• Specificiteit zegt iets over hoeveel andere moleculen een molecuul kan binden met een
vergelijkbare affiniteit.
• Specificiteit en affiniteit zijn afhankelijk van het aantal en de sterkte van de mogelijke
dynamische intermoleculaire non-covalente interacties.
• De structuur van een molecuul bepaalt welke interacties het aan kan gaan en is dus bepalend
voor de functie.
WEEK 1: STRUCTUUR EN FUNCTIE VAN HET GENOOM
MOLECULAIRE PRINCIPES: AFFINITEIT & SPECIFICITEIT
Botsen
• Moleculen bewegen niet naar elkaar toe, maar komen elkaar vanzelf tegen door hun bewegingen
kriskras door de cel: brownian motion. Het pad van een molecuul is altijd random en nooit
hetzelfde.
• Er zijn veel eiwitten van dezelfde soort en deze botsen kriskras tegen elkaar en andere
moleculen.
• Voorwaarde voor binding: ze passen in elkaar en de interactie is sterk genoeg
• Door thermal motion zijn bindingsplaatsen nooit precies hetzelfde. Het binden van twee
moleculen volgt nooit exact hetzelfde ‘pad’ en interactie leidt ook niet altijd tot succesvolle
binding.
• Binding is een continue proces van moleculaire interacties, waarbij er tijdens een sterkte binding
sterke moleculaire interacties aanwezig zijn en er dus wordt gebonden.
• Een ligand botst aan alles tot het botst met een molecuul met zijn affiniteit, dan ontstaat er een
binding. Dit is een kansproces.
• Er stelt zich een dynamisch evenwicht in waarbij de verhouding tussen liganden in gebonden en
ongebonden toestand stabiel blijft
Brownian motion = de willekeurige beweging van een molecuul dwars door de cel waarbij de
moleculen met elkaar spontaan botsen. Het afgelegen pad van de moleculen is nooit hetzelfde.
Thermal motion = hierdoor zijn bindingsplaatsen nooit precies hetzelfde en erg dynamisch.
Botsingen zijn dus willekeurig
Affiniteit
• Affiniteit is een maat voor de sterkte van de binding tussen twee moleculen en geeft de kans aan
dat eiwitten in gebonden toestand voorkomen.
… en dus niet alleen de kans dat ze binden, want loslaten speelt ook een rol!
• Affiniteit is gebaseerd op het evenwicht tussen binden en loslaten. Sterkere onderlinge
interacties zorgen voor meer binden en/of minder vaak loslaten en dus gemiddeld langer
gebonden zijn.
• Je kunt affiniteit uitdrukken als de verhouding van het aantal gebonden versus ongebonden
moleculen tijdens dynamisch evenwicht en als de verhouding van de totale tijd dat één
molecuul gebonden versus ongebonden is
Hoge affiniteit Lage affiniteit
Lange bindingstijd Korte bindingstijd
Ligand bindt sterk aan de receptor, waardoor Ligand bindt zwak aan de receptor, waardoor
het niet snel loslaat het snel los kan laten
Er zijn veel moleculen in verhouding gebonden Er zijn weinig moleculen in verhouding
gebonden
,De kans dat macromoleculen aan elkaar binden, is afhankelijk van het aantal en de sterkte van de
non-covalente interacties die moleculen met elkaar aan kunnen gaan.
• De non-covalente interacties van sterk naar zwakst: Elektrostatische interacties (+/- lading),
Waterstofbruggen, VanderWaalskrachten, Hydrofobe interacties.
• Non-covalente interacties zijn afhankelijk van de 3D-structuur van de bindingsplaats.
• Welke non-covalente interacties gevormd kunnen worden, is afhankelijk van de chemische
eigenschappen van de bindingsplaats.
Specificiteit
• Specificiteit zegt iets over hoe specifiek twee moleculen aan elkaar binden. Wanneer een
molecuul een vergelijkbare affiniteit heeft voor meerdere andere moleculen, heeft dit molecuul
een lage specificiteit. (in hoeverre één molecuul op één receptor past)
• Hoge specifiteit: één molecuul past op één receptor
Lage specifiteit: meerdere moleculen passen op één receptor
• Dit is afhankelijk van de specifieke 3D-structuur en van de chemische eigenschappen van de
atomen in de bindingsplaats van het molecuul
Eiwitfuncties
Structuur eiwit bepaalt wat voor interacties een eiwit aan kan gaan en bepaalt dus de functie:
• DNA-eiwitinteractie: transcriptiefactor
• RNA-eiwitinteractie: ribosomaal eiwit
• Eiwit-eiwitinteractie: enzym
• Groeifactor-eiwitinteractie: receptor
• Etc.
3D-structuur en mogelijke interacties eiwitten
• Aminozuurketens hebben specifieke eigenschappen die bepaald worden door: polariteit, lading
en grootte -> Specifieke eigenschappen van aminozuurzijketens die de bindingsplaats vormen,
bepalen de affiniteit.
→ Hoe sterker en hoe groter het aantal mogelijke interacties, des te hoger is de affiniteit en des
te groter is de kans dat twee moleculen in gebonden toestand voorkomen
• De secundaire en tertiaire structuur van eiwitten komen tot stand door vanderWaalsbindingen,
waterstofbruggen, elektrostatische interacties, hydrofobe interacties en zwavelbruggen
(covalente binding)
• Post-translationele modificaties zijn lokale structuur- en ladingsveranderingen die worden
aangebracht aan het eiwit na de vouwing. Zorgt voor structuur- en ladingsverandering.
Modificatie Plaats Aminozuren Functie
Fosforylering eiwit serine, threonine, tryosine eiwitten (in)activeren
Acetylering DNA-ontwinding bij asparaginezuur, genexpressie
histonen glutaminezuur, lysine reguleren
Methylering DNA-ontwinding bij asparaginezuur, genexpressie
histonen glutaminezuur, lysine, reguleren
arginine
Glycolysering eiwit bescherming,
herkenning, transport
Lipolysering eiwit cysteïne, methionine verankering
,• Vorming van di-sulfide bindingen: cysteine, methionine
• Kleinste aminozuur: glycine
• Aromatisch: phenylalanine, tryptophan, tyrosine (benzeenring)
, Veranderingen in 3D-structuur en affiniteit
1) ligand binding
2) eiwit-eiwitinteractie
3) post-translationele modificaties
-> hebben invloed op de 3D-structuur en de eigenschappen van een bindingsplaats en dus op de
affiniteit
-> maken kans op binding met volgend molecuul groter/kleiner
DNA- en RNA-interacties
• DNA en RNA binden waar ze binden kunnen
• Hoe sterker en hoe groter het aantal mogelijke interacties, des te hoger is de affiniteit en des te
groter is de kans dat twee moleculen in gebonden toestand voorkomen.
Conclusie
• Macromoleculen ‘vinden’ elkaar door thermal motion.
• Eiwitbinding is een kansproces.
• Affiniteit is een maat voor de sterkte van de binding tussen twee moleculen en geeft de kans aan
dat eiwitten in gebonden toestand voorkomen.
• Uit te drukken in de verhouding van gebonden versus ongebonden moleculen tijdens
dynamisch evenwicht
• Uit te drukken in de verhouding van totale tijd dat één molecuul gebonden versus
ongebonden is
• Specificiteit zegt iets over hoeveel andere moleculen een molecuul kan binden met een
vergelijkbare affiniteit.
• Specificiteit en affiniteit zijn afhankelijk van het aantal en de sterkte van de mogelijke
dynamische intermoleculaire non-covalente interacties.
• De structuur van een molecuul bepaalt welke interacties het aan kan gaan en is dus bepalend
voor de functie.
