Moleculaire en cellulaire biologie
Hoofdstuk 1 – Cellen zijn de fundamentele eenheden van leven
Wat betekent ‘leven’ en hoe onderscheidt dit zich van niet-levende materie?
• Alle levende organismen zijn opgebouwd uit cellen.
• Cellen zijn:
o Kleine, functionele eenheden
o Omgeven door een membraan
o Gevuld met een waterig milieu dat rijk is aan biomoleculen
• Ontstaan en evolutie:
o Eerste cellen ontstonden ongeveer 4 miljard jaar geleden
o Eerste eukaryote cellen verschenen ± 3 miljard jaar geleden
o Multicellulaire organismen ontwikkelden zich ± 1,7 miljard jaar geleden
Overzicht van de evolutie van cellen
• Evolutie verliep van eenvoudige naar complexere celtypes
• Van prokaryoten → eukaryoten → multicellulaire organismen
Soorten cellen en hun evolutie
Belangrijkste indeling
• Twee hoofdtypes cellen:
o Prokaryoten
o Eukaryoten
Prokaryoten
• Algemene kenmerken:
o Geen celkern
o Geen membraan-gebonden organellen
o Geen cytoskelet
• Genetisch materiaal:
o Eén circulair DNA-molecuul
o Bevat ongeveer 0,6 × 10⁶ tot 5 × 10⁶ basenparen
• Celstructuur:
o Meestal omgeven door een stevige celwand
o Celwand bestaat uit polysachariden en eiwitten
• Organisatieniveau:
o Meestal eencellig
o Soms kolonies (ketens of groepjes)
• Twee belangrijke groepen:
o Eubacteriën
▪ Onschadelijke bacteriën (bv. darmflora)
▪ Pathogene bacteriën (ziekteverwekkers)
▪ Typische vorm: bolvormig of staafvormig
▪ Grootte: enkele micrometers
▪ Zeer snelle reproductie
o Archaebacteriën
▪ Evolutionair later afgesplitst
▪ Leven in extreme omstandigheden:
▪ Warmwaterbronnen (± 80 °C)
▪ Zuurstofloze zeesedimenten
▪ Zure omgevingen (bv. maag van herkauwers)
1
,Eukaryoten
• Algemene kenmerken:
o Bevatten meerdere celorganellen
o Hebben een duidelijke celkern met genetisch materiaal
• Celorganellen:
o Omgeven door enkelvoudige of dubbele membranen
o Membranen bestaan voornamelijk uit lipiden en eiwitten
• Grootte:
o Veel groter dan prokaryoten
o Volume is gemiddeld 1000× groter
• Voorbeelden:
o Gisten: eenvoudige eencellige eukaryoten (± 6 µm)
o Amoeben: zeer grote eencelligen (tot 1 mm)
o Groene algen: eencellig, bevatten chloroplasten, doen fotosynthese
• Cytoskelet:
o Afwezig bij prokaryoten
o Zorgt voor:
▪ Celvorm, stevigheid, beweging en intracellulair transport
• Verschil tussen planten- en dierlijke cellen:
o Plantencellen hebben:
▪ Een celwand
▪ Chloroplasten
Evolutie van de verschillende celtypes
• Oorsprong:
o Eén enkel prokaryoot celtype ± 4,2 miljard jaar geleden
• Hieruit ontstonden:
o Eubacteriën
o Archaebacteriën
o Eukaryoten
• Verwantschap:
o Archaebacteriën zijn nauwer verwant aan eukaryoten dan aan eubacteriën
• Kritische evolutionaire stap:
o Ontstaan van cellen met organellen
o Verklaard door endosymbiosetheorie
• Argumenten voor endosymbiose:
o Mitochondriën en chloroplasten:
▪ Hebben eigen DNA
▪ Delen door binaire deling
▪ Zijn vergelijkbaar in grootte met bacteriën
▪ Bevatten ribosomen die lijken op bacteriële ribosomen
Multicellulaire organismen
• Ontstaan:
o Ongeveer 1,7 miljard jaar geleden
o Door associatie van eencellige eukaryoten
• Voorbeeld:
o Groene algen die kolonies vormen
• Evolutie naar complexiteit:
o Ontstaan van celspecialisatie
o Taakverdeling tussen cellen
o Evolutie naar complexe dieren en planten
2
,Cellen en weefsels in het menselijk lichaam
• Focus van de cursus:
o Eukaryote cellen
• In het menselijk lichaam:
o ± 200 verschillende celtypes
o Vormen 5 weefseltypes:
▪ Epitheelweefsel
▪ Bindweefsel
▪ Bloed
▪ Zenuwweefsel
▪ Spierweefsel
• Microbioom:
o Grote hoeveelheid prokaryote cellen in en op het lichaam
o Locaties:
▪ Maagdarmstelsel, luchtwegen, huid en voortplantingsorganen
o Speelt een belangrijke rol in gezondheid
Essentiële eigenschappen van levende wezens
• Hebben een hoge graad van organisatie
• Kunnen groeien
o Opmerking: kristallen kunnen groeien maar zijn niet levend
• Kunnen zichzelf reproduceren:
o Cellen dupliceren DNA en delen
o Virussen:
▪ Hebben DNA of RNA
▪ Kunnen niet zelfstandig repliceren
▪ Zijn daarom niet levend
• Kunnen stoffen opnemen uit de omgeving
• Kunnen reageren op prikkels:
o Handhaven homeostase
o Interne omgeving blijft zo constant mogelijk
Dierlijke cel Plantaardige cel
Compartimentalisatie van eukaryote cellen
Voordelen
• Hogere efficiëntie van biochemische reacties
• Ruimtelijke scheiding van tegengestelde reacties
• Verschillende pH-omgevingen per organel (bv. lysosomen)
3
, Nadelen
• Stoffen kunnen niet vrij door membranen bewegen
• Transport vereist energie
• Complexe transportsystemen zijn nodig
De celcompartimenten
De plasmamembraan
• Samenstelling:
o Fosfolipiden
o Eiwitten
o Cholesterol
• Eigenschappen:
o Flexibel
o Hydrofoob in het midden
• Doorlaatbaarheid:
o Apolaire moleculen diffunderen vrij
o Grotere hydrofiele moleculen via transportmechanismen
• Watertransport:
o Hypotoon milieu → cel barst
o Hypertoon milieu → cel krimpt
o Verklaard door osmose
De celwand
• Prokaryoten:
o Bestaat uit suikers en peptiden
o Geeft stevigheid
o Voorkomt barsten (turgordruk)
• Plantencellen:
o Bestaat uit cellulose, polysachariden en eiwitten
• Niet essentieel in isotoon milieu
Het cytosol
• Waterige, gelachtige matrix
• Bevat veel moleculen
• Plaats van:
o Talrijke biochemische reacties
o Eiwitsynthese op ribosomen
De kern
• Grootste organel in eukaryoten
• Dubbele membraan (nucleaire envelop)
• Bevat DNA in chromosomen
• Functies:
o DNA-replicatie
o Transcriptie
• Nucleolus:
o Productie van ribosomen
o Geen membraan
4
Hoofdstuk 1 – Cellen zijn de fundamentele eenheden van leven
Wat betekent ‘leven’ en hoe onderscheidt dit zich van niet-levende materie?
• Alle levende organismen zijn opgebouwd uit cellen.
• Cellen zijn:
o Kleine, functionele eenheden
o Omgeven door een membraan
o Gevuld met een waterig milieu dat rijk is aan biomoleculen
• Ontstaan en evolutie:
o Eerste cellen ontstonden ongeveer 4 miljard jaar geleden
o Eerste eukaryote cellen verschenen ± 3 miljard jaar geleden
o Multicellulaire organismen ontwikkelden zich ± 1,7 miljard jaar geleden
Overzicht van de evolutie van cellen
• Evolutie verliep van eenvoudige naar complexere celtypes
• Van prokaryoten → eukaryoten → multicellulaire organismen
Soorten cellen en hun evolutie
Belangrijkste indeling
• Twee hoofdtypes cellen:
o Prokaryoten
o Eukaryoten
Prokaryoten
• Algemene kenmerken:
o Geen celkern
o Geen membraan-gebonden organellen
o Geen cytoskelet
• Genetisch materiaal:
o Eén circulair DNA-molecuul
o Bevat ongeveer 0,6 × 10⁶ tot 5 × 10⁶ basenparen
• Celstructuur:
o Meestal omgeven door een stevige celwand
o Celwand bestaat uit polysachariden en eiwitten
• Organisatieniveau:
o Meestal eencellig
o Soms kolonies (ketens of groepjes)
• Twee belangrijke groepen:
o Eubacteriën
▪ Onschadelijke bacteriën (bv. darmflora)
▪ Pathogene bacteriën (ziekteverwekkers)
▪ Typische vorm: bolvormig of staafvormig
▪ Grootte: enkele micrometers
▪ Zeer snelle reproductie
o Archaebacteriën
▪ Evolutionair later afgesplitst
▪ Leven in extreme omstandigheden:
▪ Warmwaterbronnen (± 80 °C)
▪ Zuurstofloze zeesedimenten
▪ Zure omgevingen (bv. maag van herkauwers)
1
,Eukaryoten
• Algemene kenmerken:
o Bevatten meerdere celorganellen
o Hebben een duidelijke celkern met genetisch materiaal
• Celorganellen:
o Omgeven door enkelvoudige of dubbele membranen
o Membranen bestaan voornamelijk uit lipiden en eiwitten
• Grootte:
o Veel groter dan prokaryoten
o Volume is gemiddeld 1000× groter
• Voorbeelden:
o Gisten: eenvoudige eencellige eukaryoten (± 6 µm)
o Amoeben: zeer grote eencelligen (tot 1 mm)
o Groene algen: eencellig, bevatten chloroplasten, doen fotosynthese
• Cytoskelet:
o Afwezig bij prokaryoten
o Zorgt voor:
▪ Celvorm, stevigheid, beweging en intracellulair transport
• Verschil tussen planten- en dierlijke cellen:
o Plantencellen hebben:
▪ Een celwand
▪ Chloroplasten
Evolutie van de verschillende celtypes
• Oorsprong:
o Eén enkel prokaryoot celtype ± 4,2 miljard jaar geleden
• Hieruit ontstonden:
o Eubacteriën
o Archaebacteriën
o Eukaryoten
• Verwantschap:
o Archaebacteriën zijn nauwer verwant aan eukaryoten dan aan eubacteriën
• Kritische evolutionaire stap:
o Ontstaan van cellen met organellen
o Verklaard door endosymbiosetheorie
• Argumenten voor endosymbiose:
o Mitochondriën en chloroplasten:
▪ Hebben eigen DNA
▪ Delen door binaire deling
▪ Zijn vergelijkbaar in grootte met bacteriën
▪ Bevatten ribosomen die lijken op bacteriële ribosomen
Multicellulaire organismen
• Ontstaan:
o Ongeveer 1,7 miljard jaar geleden
o Door associatie van eencellige eukaryoten
• Voorbeeld:
o Groene algen die kolonies vormen
• Evolutie naar complexiteit:
o Ontstaan van celspecialisatie
o Taakverdeling tussen cellen
o Evolutie naar complexe dieren en planten
2
,Cellen en weefsels in het menselijk lichaam
• Focus van de cursus:
o Eukaryote cellen
• In het menselijk lichaam:
o ± 200 verschillende celtypes
o Vormen 5 weefseltypes:
▪ Epitheelweefsel
▪ Bindweefsel
▪ Bloed
▪ Zenuwweefsel
▪ Spierweefsel
• Microbioom:
o Grote hoeveelheid prokaryote cellen in en op het lichaam
o Locaties:
▪ Maagdarmstelsel, luchtwegen, huid en voortplantingsorganen
o Speelt een belangrijke rol in gezondheid
Essentiële eigenschappen van levende wezens
• Hebben een hoge graad van organisatie
• Kunnen groeien
o Opmerking: kristallen kunnen groeien maar zijn niet levend
• Kunnen zichzelf reproduceren:
o Cellen dupliceren DNA en delen
o Virussen:
▪ Hebben DNA of RNA
▪ Kunnen niet zelfstandig repliceren
▪ Zijn daarom niet levend
• Kunnen stoffen opnemen uit de omgeving
• Kunnen reageren op prikkels:
o Handhaven homeostase
o Interne omgeving blijft zo constant mogelijk
Dierlijke cel Plantaardige cel
Compartimentalisatie van eukaryote cellen
Voordelen
• Hogere efficiëntie van biochemische reacties
• Ruimtelijke scheiding van tegengestelde reacties
• Verschillende pH-omgevingen per organel (bv. lysosomen)
3
, Nadelen
• Stoffen kunnen niet vrij door membranen bewegen
• Transport vereist energie
• Complexe transportsystemen zijn nodig
De celcompartimenten
De plasmamembraan
• Samenstelling:
o Fosfolipiden
o Eiwitten
o Cholesterol
• Eigenschappen:
o Flexibel
o Hydrofoob in het midden
• Doorlaatbaarheid:
o Apolaire moleculen diffunderen vrij
o Grotere hydrofiele moleculen via transportmechanismen
• Watertransport:
o Hypotoon milieu → cel barst
o Hypertoon milieu → cel krimpt
o Verklaard door osmose
De celwand
• Prokaryoten:
o Bestaat uit suikers en peptiden
o Geeft stevigheid
o Voorkomt barsten (turgordruk)
• Plantencellen:
o Bestaat uit cellulose, polysachariden en eiwitten
• Niet essentieel in isotoon milieu
Het cytosol
• Waterige, gelachtige matrix
• Bevat veel moleculen
• Plaats van:
o Talrijke biochemische reacties
o Eiwitsynthese op ribosomen
De kern
• Grootste organel in eukaryoten
• Dubbele membraan (nucleaire envelop)
• Bevat DNA in chromosomen
• Functies:
o DNA-replicatie
o Transcriptie
• Nucleolus:
o Productie van ribosomen
o Geen membraan
4
