Bio-informatica Cursus Notes (PDF)

(course 5) Info podcast bioinformatie (Course 5 II) Bio-informatica Om de opdrachten in de cursus Bioinformatics volledig te begrijpen en correct te beantwoorden, is het belangrijk om de volgende concepten te beheersen: **Bioinformatica:** Dit vakgebied combineert biologie, informatica en statist...

(course 5) Info podcast bioinformatie (Course 5 II) Bio-informatica Om de opdrachten in de cursus Bioinformatics volledig te begrijpen en correct te beantwoorden, is het belangrijk om de volgende concepten te beheersen: **Bioinformatica:** Dit vakgebied combineert biologie, informatica en statistiek om biologische data te analyseren en te interpreteren. Bioinformatica tools worden gebruikt om bijvoorbeeld: - Patronen in DNA- en eiwitsequenties te identificeren. - De 3D-structuur van eiwitten te voorspellen. - De functie van genen en eiwitten te bepalen. - Evolutionaire relaties tussen organismen te bestuderen. **Databases:** Bioinformatica databases bevatten enorme hoeveelheden biologische gegevens, zoals DNA- en eiwitsequenties, 3D-structuren van eiwitten, informatie over pathways en nog veel meer. Enkele voorbeelden van databases zijn Uniprot, KEGG, PDB, en NCBI BLAST. **Eiwitstructuur en -functie:** Eiwitten zijn essentiële moleculen die een breed scala aan functies in levende organismen vervullen. De structuur van een eiwit is direct gerelateerd aan zijn functie. - **Primaire structuur:** de aminozuursequentie van het eiwit. - **Secundaire structuur:** lokale vouwingen van de polypeptideketen, zoals alfa-helices en bèta-sheets. - **Tertiaire structuur:** de 3D-structuur van het eiwit. - **Quaternaire structuur:** de structuur van een eiwitcomplex dat bestaat uit meerdere polypeptideketens. **Factoren die de eiwitfunctie beïnvloeden:** - **Aminozuursequentie:** De volgorde van aminozuren bepaalt de chemische eigenschappen van een eiwit en hoe het vouwt. - **Locatie in de cel:** Eiwitten kunnen zich in verschillende compartimenten van de cel bevinden, wat hun functie beïnvloedt. - **Interacties met andere moleculen:** Eiwitten kunnen interageren met andere eiwitten, DNA, RNA, liganden, etc. - **Post-translationele modificaties:** Eiwitten kunnen na translatie chemisch worden gemodificeerd, wat hun functie kan veranderen. - **Proteolytische klieving:** Sommige eiwitten moeten worden geknipt om actief te worden. **Homologie:** Eiwitten die een gemeenschappelijke voorouderlijke sequentie delen, worden homoloog genoemd. Herkenning: - 2 eiwitsequenties \>100 aminozuren lang en \>25% identiteit. - 2 DNA sequenties \> 100 nt lang en \> 70% identiteit - Bij een lagere % identiteit kunnen ze nog steeds homoloog zijn! - Structuur is meer geconserveerd dan sequentie, dus hoogstwaarschijnlijk hebben deze eiwitten een vergelijkbare structuur. (betekent dat de 3D-structuur van een eiwit vaak beter behouden blijft tijdens evolutie dan de aminozuursequentie) - '+' betekent vergelijkbare aminozuren. Dus ze zullen chemische en/of structurele eigenschappen delen. Homologie kan worden gebruikt om: - Evolutionaire relaties tussen eiwitten te bestuderen. - De functie van een onbekend eiwit te voorspellen op basis van zijn homologie met een bekend eiwit. - 3D-modellen van eiwitten te bouwen. Er zijn twee soorten homologie: - **Orthologie:** Homologe eiwitten in verschillende organismen die ontstaan zijn door soortvorming. Orthologe eiwitten hebben vaak een vergelijkbare functie. - **Paralogie:** Homologe eiwitten in hetzelfde organisme die ontstaan zijn door genduplicatie. Paraloge eiwitten kunnen vergelijkbare of verschillende functies hebben. **Isoform** = **geen paraloog** - Een proteïne-isoform, of \"proteïnevariant\", is een lid van een set van zeer vergelijkbare proteïnen die afkomstig zijn van een enkel gen of genfamilie en het resultaat zijn van genetische verschillen undefined **Pathways:** Een pathway is een reeks van moleculaire interacties die leiden tot een bepaald product of een verandering in de cel. - **Metabolische pathways:** Betrokken bij de synthese en afbraak van moleculen. - **Signaaltransductiepathways:** Betrokken bij de overdracht van signalen binnen en tussen cellen. - **Genetische netwerken:** Betrokken bij de regulatie van genexpressie. **Modellering en voorspelling:** Bioinformatica wordt gebruikt om de structuur en functie van eiwitten te modelleren en te voorspellen. - **Eiwitten worden gebruikt voor modellering en voorspelling in plaats van DNA** omdat de structuur van een eiwit direct gerelateerd is aan zijn functie. De DNA-sequentie bevat alleen de informatie voor de aminozuursequentie, maar niet hoe het eiwit zal vouwen. - **Multipele sequentie-uitlijning (MSA):** Wordt gebruikt om homologe sequenties te identificeren en te vergelijken. - **Topologievoorspelling:** Wordt gebruikt om te voorspellen hoe een eiwit over een membraan is gevouwen. **Tools en technieken:** - **BLAST:** Een tool om homologe sequenties te zoeken in databases. - **Uniprot:** Een database met informatie over eiwitsequenties en -functie. - **KEGG:** Een database met informatie over pathways. - **Hydropathie plot:** Een grafiek die de hydrofobiciteit van aminozuren in een eiwitsequentie weergeeft. Dit kan worden gebruikt om transmembraandomeinen te voorspellen. - **CRISPR/Cas9 en RNAi:** Technieken om genen te modificeren (overexpressie of silencing) om fenotypische eigenschappen te veranderen. - De **PDB-database (Protein Data Bank)** is een centrale opslagplaats voor 3D-structuren van biomoleculen, zoals eiwitten, DNA en RNA. **Inhoud**: Structuren bepaald via technieken zoals röntgenkristallografie, cryo-EM en NMR-spectroscopie. **Gebruik**: - Studie van eiwitstructuur en -functie. - Moleculaire modellering en geneesmiddelontwikkeling. - Begrip van biologische processen op atoomniveau. **TransMembrane prediction (TMpred)** Output: **ProtScale** voorspelt de topologie (vouwing etc) van membraaneiwitten ab initio (zonder voorafgaande kennis oftewel met sequentie van aminozuren) door de fysisch-chemische eigenschappen, zoals hydropathie, van de aminozuursequentie te analyseren. Grafiek aantoning: - Hydropathieplot: toont de hydrofobiciteit van aminozuren. Te voorspellen: - Het kan transmembraandomeinen voorspellen die zeer hydrofoob en 20-25 aa lang zijn - Het kan de aanwezigheid van een N-term signaalsequentie voorspellen, die gewoonlijk licht hydrofoob en 10-20 aa lang is - Het kan voorspellen of een proteïne een transmembraanproteïne is en hoe het over het membraan is gevouwen Voorspelling hoe eiwit over membraan vouwt (tekening):  TMD = TransMembrane Domain (deel van een eiwit dat zich door het celmembraan vouwt en vaak bestaat uit een of meerdere **transmembraan-helices)** Afbeelding met diagram, lijn, Perceel Automatisch gegenereerde beschrijving Stap 1: teken een lijn bij y = 0 (niet altijd in het midden) - y \> 0 toont hydrofobe AA-residuen - y \< 0 toont hydrofiele AA-residuen Stap 2: x-as begint bij 0? - Indien **NEE**: signaalsequentie (SS) is aanwezig maar niet weergegeven in de uitvoer. - Indien **JA**: eerste 10 AA hydrofoob (= SS) of hydrofiel (= geen SS)? - Indien SS aanwezig: N-term. **buiten** membraan Stap 3: hoeveel continue \~20-25 hydrofobe AA-regio\'s (= aantal TMD\'s)? Stap 4: daadwerkelijke tekening van proteïnetopologie (zie volgende:)  Afbeelding met tekst, schermopname, Lettertype, lijn Automatisch gegenereerde beschrijving