Biochemie I
Hoofdstuk 1: In ontzag van het leven
Inhoudsopgave
1. Het leven in een notendop ................................................................................................................. 2
1.1 Onder de biologische diversiteit schuilt een biochemische eenheid ..................................................... 2
1.2 Biologische moleculen zijn ontstaan uit anorganische materialen ....................................................... 3
1.3 Levende organismen kennen een cellulair bestaan............................................................................... 4
1.4 Levende organismen interageren met elkaar op verschillende manieren ............................................ 6
1.5 Decelismeerdaneenlipidenzakjegevuldmetmoleculen .......................................................................... 6
2. Erik of het klein insectenboek ............................................................................................................ 7
2.1 Biochemische processen spelen zich af in een nanowereld................................................................... 7
3. DethermodynamicavanhetLeven ........................................................................................................ 8
3.1 Biologische systemen zijn onderhevig aan de wetten van de thermodynamica................................... 8
3.2 De verandering in Gibbs vrije energie bepaalt de spontaneïteit van biologische processen ................ 9
3.3 Thermodynamisch ongunstige reacties kunnen gedreven worden door thermo-
dynamischgunstigereacties ............................................................................................................................... 10
3.4 Het belangrijk en vitaal verschil tussen evenwicht en homeostase .................................................... 11
4. DechemievanhetLeven..................................................................................................................... 12
4.1 De eigenaardige eigenschappen van water zijn essentieel voor het Leven ........................................ 12
4.2 DemoleculenvanhetLevenzijngebaseerdopkoolstof ............................................................................ 17
4.3 Sommige biomoleculen zijn zwakke zuren of basen en kunnen ge(de)protoneerd worden ............... 22
4.4 De wereld van de biologische macromoleculen wordt bepaald door niet-covalente interacties ....... 24
5. Allesismetelkaarverbonden.............................................................................................................. 28
5.1 De impact van de biochemische wetenschappen op de maatschappij ............................................... 28
5.2 De biochemische wetenschappen genereren gigantische hoeveelheden gegevens ........................... 28
5.3 Defundamentelerolvandebiochemieinjullieopleiding.......................................................................... 28
, 1. Het leven in een notendop
1.1 Onder de biologische diversiteit schuilt een biochemische eenheid
De planeet Aarde heeft iets heel unieks en kostbaars: Leven, Het leven heeft de tand des tijds doorstaan en
heeft zich in de loop van miljarden jaren ontwikkeld tot vele verschillende vormen.
Biochemie: de tak van wetenschap die zich bezighoudt met de studie van de onderliggende moleculaire en
cellulaire processen die het leven in stand houden.
Biochemie onthult de werking van de natuurlijke wereld en stelt ons in staat de unieke en mysterieuze
toestand die wij leven noemen te begrijpen en te waarderen.
Levende organismen kunnen worden opgedeeld in drie grote ‘domeinen’, die verder worden opgesplitst
in ‘rijken’.
1) Archaebacteria/Archaea
2) Eubacteria/Bacteria
3) Eukaryoten
a. Regnum Fungi (zwammen)
b. Regnum Plants (planten)
c. Regnum animalia (dieren)
Er zijn enkele ‘organismen’ waarvan nog niet duidelijk is of ze tot de levende organismen gerekend moeten
worden.
Virussen kennen geen cellulair bestaan omdat ze niet zelfstandig kunnen voortplanten. Ze hebben een
gastheer nodig.
Wat kunnen we zeggen over het leven?
1) Het leven wordt gekenmerkt door een enorme biologische diversiteit
a. Er zijn ongeveer 8,7 miljoen verschillende levende soorten op aarde. Ze zien er allemaal
heel verschillend uit en hebben zich perfect aan hun habitat aangepast.
2) Levende organismen hebben een cellulair bestaan
a. Grote organismen zijn opgebouwd uit cellen
b. Gelijkenis met eencellige organismen
3) Het leven heeft een moleculair ontwerp
a. Op moleculair niveau lijken levende organismen sterk op elkaar (er bestaan nog steeds
subtiele, belangrijke verschillen)
, Biochemische eenheid ligt ten grondslag aan biologische diversiteit! Ook al kunnen twee organismen er
totaal verschillend uitzien, de processen die zich op cellulair en moleculair niveau afspelen zijn vaak zeer
vergelijkbaar (of zelfs identiek). De diversiteit die het leven biedt, heeft onderliggende cellulaire,
moleculaire en vooral mechanistische aspecten die in alle domeinen van het leven bewaard blijven. De
fundamentele bouwstenen van het leven (cellen, moleculen) worden alle gebruikt binnen een
gemeenschappelijk biochemisch kader.
Dit roept een paar vragen op...
- Welke componenten en mechanismen maken het leven mogelijk?
- Wat zijn de fysisch-chemische eigenschappen en de driedimensionale structuren van deze
componenten en hoe houden deze verband met de biologische functie?
- Hoe werken deze componenten met elkaar samen om een biologisch actieve eenheid te vormen?
o Monomeren assembleren tot macromoleculen
o Macromoleculen en kleinere moleculen werken samen om de cel te vormen
- Wat zijn de mechanismen voor het organiseren van biologische moleculen en het coördineren van
hun activiteiten?
- Hoe synthetiseert en breekt een cel biologische moleculen af?
- Hoe wordt energie door de cel bewaard en gebruikt?
- Hoe reageert een cel op veranderingen in zijn omgeving?
- Hoe wordt genetische informatie opgeslagen, doorgegeven en uitgedrukt?
1.2 Biologische moleculen zijn ontstaan uit anorganische materialen
Als organische moleculen nodig waren om cellen te bouwen en het leven in stand te houden, waar kwamen
dan de eerste organische moleculen vandaan?
Hypothese 1: abiotische/anorganische oorsprong
Experiment van Stanley Miller (1953)
1) 500 ml water ("oceaan"); kook water om stoom te produceren
2) Anoxisch gasmengsel van CH4, NH3, H2 ("atmosfeer"); stoom (H2O) mengt zich met atmosfeer
3) 60.000 volt vonk ("bliksem")
4) Condensor koelt gassen af en produceert vloeibaar water ("regen")
5) Recirculatie om het proces continu te laten draaien
Resultaat na een paar dagen:
- Gas bevat CO2 en CO
- Vloeistof bevat organische verbindingen
(aminozuren, lactaat, acetaat, enz.)
Verfijning van het Miller-experiment (2010)
- Dezelfde experimentele opstelling
- Toevoeging van H2S om vulkanische activiteit na te
bootsen
- Gebruik van UV-straling in plaats van "bliksem"
Resultaat na een paar dagen:
- Gas bevat CO2 en CO
- Vloeistof bevat grotere verscheidenheid aan
organische verbindingen (23 aminozuren, 7
organische zwavelverbindingen, lipiden, enz.
Hoofdstuk 1: In ontzag van het leven
Inhoudsopgave
1. Het leven in een notendop ................................................................................................................. 2
1.1 Onder de biologische diversiteit schuilt een biochemische eenheid ..................................................... 2
1.2 Biologische moleculen zijn ontstaan uit anorganische materialen ....................................................... 3
1.3 Levende organismen kennen een cellulair bestaan............................................................................... 4
1.4 Levende organismen interageren met elkaar op verschillende manieren ............................................ 6
1.5 Decelismeerdaneenlipidenzakjegevuldmetmoleculen .......................................................................... 6
2. Erik of het klein insectenboek ............................................................................................................ 7
2.1 Biochemische processen spelen zich af in een nanowereld................................................................... 7
3. DethermodynamicavanhetLeven ........................................................................................................ 8
3.1 Biologische systemen zijn onderhevig aan de wetten van de thermodynamica................................... 8
3.2 De verandering in Gibbs vrije energie bepaalt de spontaneïteit van biologische processen ................ 9
3.3 Thermodynamisch ongunstige reacties kunnen gedreven worden door thermo-
dynamischgunstigereacties ............................................................................................................................... 10
3.4 Het belangrijk en vitaal verschil tussen evenwicht en homeostase .................................................... 11
4. DechemievanhetLeven..................................................................................................................... 12
4.1 De eigenaardige eigenschappen van water zijn essentieel voor het Leven ........................................ 12
4.2 DemoleculenvanhetLevenzijngebaseerdopkoolstof ............................................................................ 17
4.3 Sommige biomoleculen zijn zwakke zuren of basen en kunnen ge(de)protoneerd worden ............... 22
4.4 De wereld van de biologische macromoleculen wordt bepaald door niet-covalente interacties ....... 24
5. Allesismetelkaarverbonden.............................................................................................................. 28
5.1 De impact van de biochemische wetenschappen op de maatschappij ............................................... 28
5.2 De biochemische wetenschappen genereren gigantische hoeveelheden gegevens ........................... 28
5.3 Defundamentelerolvandebiochemieinjullieopleiding.......................................................................... 28
, 1. Het leven in een notendop
1.1 Onder de biologische diversiteit schuilt een biochemische eenheid
De planeet Aarde heeft iets heel unieks en kostbaars: Leven, Het leven heeft de tand des tijds doorstaan en
heeft zich in de loop van miljarden jaren ontwikkeld tot vele verschillende vormen.
Biochemie: de tak van wetenschap die zich bezighoudt met de studie van de onderliggende moleculaire en
cellulaire processen die het leven in stand houden.
Biochemie onthult de werking van de natuurlijke wereld en stelt ons in staat de unieke en mysterieuze
toestand die wij leven noemen te begrijpen en te waarderen.
Levende organismen kunnen worden opgedeeld in drie grote ‘domeinen’, die verder worden opgesplitst
in ‘rijken’.
1) Archaebacteria/Archaea
2) Eubacteria/Bacteria
3) Eukaryoten
a. Regnum Fungi (zwammen)
b. Regnum Plants (planten)
c. Regnum animalia (dieren)
Er zijn enkele ‘organismen’ waarvan nog niet duidelijk is of ze tot de levende organismen gerekend moeten
worden.
Virussen kennen geen cellulair bestaan omdat ze niet zelfstandig kunnen voortplanten. Ze hebben een
gastheer nodig.
Wat kunnen we zeggen over het leven?
1) Het leven wordt gekenmerkt door een enorme biologische diversiteit
a. Er zijn ongeveer 8,7 miljoen verschillende levende soorten op aarde. Ze zien er allemaal
heel verschillend uit en hebben zich perfect aan hun habitat aangepast.
2) Levende organismen hebben een cellulair bestaan
a. Grote organismen zijn opgebouwd uit cellen
b. Gelijkenis met eencellige organismen
3) Het leven heeft een moleculair ontwerp
a. Op moleculair niveau lijken levende organismen sterk op elkaar (er bestaan nog steeds
subtiele, belangrijke verschillen)
, Biochemische eenheid ligt ten grondslag aan biologische diversiteit! Ook al kunnen twee organismen er
totaal verschillend uitzien, de processen die zich op cellulair en moleculair niveau afspelen zijn vaak zeer
vergelijkbaar (of zelfs identiek). De diversiteit die het leven biedt, heeft onderliggende cellulaire,
moleculaire en vooral mechanistische aspecten die in alle domeinen van het leven bewaard blijven. De
fundamentele bouwstenen van het leven (cellen, moleculen) worden alle gebruikt binnen een
gemeenschappelijk biochemisch kader.
Dit roept een paar vragen op...
- Welke componenten en mechanismen maken het leven mogelijk?
- Wat zijn de fysisch-chemische eigenschappen en de driedimensionale structuren van deze
componenten en hoe houden deze verband met de biologische functie?
- Hoe werken deze componenten met elkaar samen om een biologisch actieve eenheid te vormen?
o Monomeren assembleren tot macromoleculen
o Macromoleculen en kleinere moleculen werken samen om de cel te vormen
- Wat zijn de mechanismen voor het organiseren van biologische moleculen en het coördineren van
hun activiteiten?
- Hoe synthetiseert en breekt een cel biologische moleculen af?
- Hoe wordt energie door de cel bewaard en gebruikt?
- Hoe reageert een cel op veranderingen in zijn omgeving?
- Hoe wordt genetische informatie opgeslagen, doorgegeven en uitgedrukt?
1.2 Biologische moleculen zijn ontstaan uit anorganische materialen
Als organische moleculen nodig waren om cellen te bouwen en het leven in stand te houden, waar kwamen
dan de eerste organische moleculen vandaan?
Hypothese 1: abiotische/anorganische oorsprong
Experiment van Stanley Miller (1953)
1) 500 ml water ("oceaan"); kook water om stoom te produceren
2) Anoxisch gasmengsel van CH4, NH3, H2 ("atmosfeer"); stoom (H2O) mengt zich met atmosfeer
3) 60.000 volt vonk ("bliksem")
4) Condensor koelt gassen af en produceert vloeibaar water ("regen")
5) Recirculatie om het proces continu te laten draaien
Resultaat na een paar dagen:
- Gas bevat CO2 en CO
- Vloeistof bevat organische verbindingen
(aminozuren, lactaat, acetaat, enz.)
Verfijning van het Miller-experiment (2010)
- Dezelfde experimentele opstelling
- Toevoeging van H2S om vulkanische activiteit na te
bootsen
- Gebruik van UV-straling in plaats van "bliksem"
Resultaat na een paar dagen:
- Gas bevat CO2 en CO
- Vloeistof bevat grotere verscheidenheid aan
organische verbindingen (23 aminozuren, 7
organische zwavelverbindingen, lipiden, enz.
