1. BIOCHEMIE IN ONTZAG VOOR HET LEVEN
1.1.HET LEVEN IN EEN NOTENDOP
1.1.1. BIOLOGISCHE DIVERSITEIT EN BIOCHEMISCHE EENHEID
Biochemie: Tak van de wetenschap die zich bezighoudt met de studie van de onderliggende moleculaire en
cellulaire processen die het leven in stand houden
• Planeet Aarde bevat iets heel unieks en kostbaars: leven
• Het leven is in de loop van miljarden jaren in veel verschillende vormen geëvolueerd
• Er is een grote diversiteit, maar op niveau van moleculen is er eenheid
Evolutie van de aarde in 24u
0u Ontstaan v/d aarde (4,6 miljard jaar geleden)
5u Eerste prokaryote levensvormen (3,5 miljard jaar geleden)
5u-21u Leven gedomineerd door eencellige levensvormen (eerst prokaryoten dan eukaryoten)
- Anaerobe prokaryoten (3,5 miljard jaar geleden)
- Anoxygene fotosynthetische bacterieen (3 miljard jaar geleden): productie
organische koolstof
- Zuurstofrijke fotosynthetische bacterieen (2,5 miljard jaar geleden): productie
organische koolstof en zuurstof
- Aeroob ademende bacterieen (2 miljard jaar geleden)
- Nitrificerende en dentrificerende bacterieen (2 miljard jaar geleden)
- Eencellige eukaryoten (2 miljard jaar gelen)
20u30 Eerste meercellige organismen, eerste algen
21u04 Eerste schaaldieren
22u Eerste planten, kort daarna de eerste dieren die op land kunnen lopen
22u30 Uitgestrekte bossen bedekken de planeet
23u Tijdperk van de dinosaurussen, gevolgd door de eerste zoogdieren
0,3s voor 24u Ontstaan v/d mens
4,6 biljoen jaren
LUCA (last universal common ancestor): hypothetisch ééncellig organisme dat de evolutionaire voorouder zou zijn
van hedendaagse organisme
1
,3 groepen
• Archaea
o Hebben geen echte kern
o Prokaryoten met de eigenschappen van eukaryoten
• Bacteriën
o Proteobacteriën gaven aanleiding tot mitochondriën
o Cyanobacteriën gaven aanleiding tot chloroplasten -> zorgden onder andere voor fotosynthese
• Eukaryoten
o Mens en dieren
Virussen: niet gezien als levend wat kunnen zichzelf niet voortplanten → gastheer nodig
Kenmerken van het leven
• Enorme biologische diversiteit
o Ongeveer 8,7 miljoen verschillende levende soorten op aarde
o Zien er allemaal anders uit en hebben zich aangepast aan hun leefgebied
o Makkelijk onderscheid tussen maken
• Levende organismen hebben een cellulair bestaan
o Ontwikkeling v/d microscoop heeft ervoor gezorgd dat we organismen op cellulair niveau waar
kunnen nemen
o Grote organismen zijn opgebouwd uit cellen
o Gelijkenis met eencellige organismen
• Het leven heeft een moleculair ontwerp
o Ontwikkeling van biochemische wetenschappen
o Op moleculair niveau lijken levende organismen sterk op elkaar biochemische eenheid
Besluit:
• Biochemische eenheid ligt ten grondslag aan biologische diversiteit! (onder biochemische diversiteit is er
dus een biochemische eenheid)
• Ook al zien twee organismen er totaal verschillend uit, de processen die op cellulair en moleculair niveau
plaatsvinden, lijken vaak sterk op elkaar (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 zijn gebleven.
2
,1.1.2. BIOLOGISCHE MOLECULEN ZIJN ONTSTAAN UIT ANORGANISHCE MATERIALEN
Prebiotische tijdperk: tijd zonder levende organismen, in deze periode ontstonden de eerste organisme
moleculen die noodzakelijk waren voor de opbouw van de cellen en het ontstaan van het leven
Ontstaan van organische moleculen: vorming werd beïnvloed door verschillende omgevingsfactoren
• Water: er was veel water aanwezig op aarde, essentieel als medium voor chemische reacties
• Blikseminslagen: leverde energie voor chemische reacties
• Vulkanische activiteit: zorgde voor de uitstoot van diverse gassen die bouwstenen konden vormen
• Blootstelling aan UV-straling: stimuleerde chemische omzettingen
Deze energiebronnen maakten het mogelijk dat eenvoudige gassen, complexe organische moleculen vormden.
Vervolgens konden deze biomoleculen zich binden en polymeren vormen, zoals lipiden. Zonder deze
gebeurtenissen zouden biomoleculen en daarmee leven niet kunnen ontstaan.
Hypothese 1: abiotische/organische origine
Experiment door Stanley Miller: probeerde situatie van prebiotische tijdperk na te bootsen
Opstelling:
Waterbad Stelde de “oceanen” voor. Het water werd gekookt om stoom te produceren.
Atmosfeer Anoxisch gasmengsel van CH4, NH3, H2 (reageert met stoom) -> stimuleerde de primitieve
atmosfeer
Elektrische vonk Elektrische vonk via anode en kathode bootste bliksem na
Condensor Condensor koelt gassen af om vloeibaar water te produceren als “regen”
Recirculatie Het systeem draaide in een gesloten systeem om het proces continu te laten draaien
Resultaat na enkele dagen:
• Gas bevat CO2 en CO (was oorspronkelijk niet aanwezig)
• Vloeistof bevat organische moleculen (aminozuren, lactaten, acetaten, en acetaat)
3
, Verfijning van het Miller-experiment (2010):
• Zelfde experimentele opstelling
• Opname 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 een grotere verscheidenheid aan organische verbindingen (23 aminozuren,
7 organische zwavelverbindingen, lipiden, enz.)
Hypothese 2: buitenaardse oorsprong
• Ruimtemissies hebben komeetstof geïdentificeerd dat organische verbindingen op aarde bevat
• Organische verbindingen die via kometen en meteoren naar de aarde worden gebracht
Conclusie:
• Men weet niet welke hypothese klopt + maakt niet uit
• Eindresultaat is belangrijk: creatie v/e oersoep/ primoridale soep: dit is een oplossing rijk aan organische
verbindingen in de primitieve oceanen v/e aarde. Hieruit zou het leven zijn ontstaan
• Organische verbindingen worden gekarakteriseerd door hun functionele groepen, die hun chemische
eigenschappen bepalen en interacties mogelijk maken.
• Reacties tussen biomoleculen konden vrij plaatsvinden.
• Condensatiereacties genereerden polymeren met biologische activiteit uit monomere bouwstenen.
• Op een bepaald moment werden deze reacties beperkter, wat mogelijk leidde tot de eerste georganiseerde
systemen die tot cellen evolueerden.
(!) Functionele groepen moet je kennen en kunnen tekenen!
4
,1.1.3. LEVENDE ORGANISMEN KENNEN EEN CELLULAIR BESTAAN
Genese van LUCA: Lipide-achtige moleculen in de oersoep vormden ingesloten blaasjes, waardoor verschillende
biomoleculen gevangen werden in een besloten ruimte
• Opkomst van de prokaryoten: bevatten 2 van de 3 domeinen van het leven: bacteriën en archaea
• Evolutie van verschillende manieren om verbindingen te metaboliseren
Evolutie van prokaryoten
Anaerobe prokaryoten
• Aarde was anoxisch (zuurstofloos)
• Waarschijnlijk extremofielen: organismen die in extreme omstandigheden kunnen overleven)
• Waarschijnlijk chemotrofen: autotroof of heterotroof organimse dat benodigde energie verkrijgt door
oxidatie van chemische verbindingen zoals (an)organische verbindingen
• Chemoheterotrofen gevolgd door chemoautotrofen
o Hiervoor meer moleculen nodig, dus waarschijnlijk pas later in de evolutie
o Onderverdeeld afh van type chemische brandstof dat ze oxideren en type moleculen gebruikt als
koolstofbron
Chemo-heterotroof Energie uit oxidatie van organische moleculen
Gebruiken o.a. organische verbindingen dan CO2 als koolstofbron voor groei en
synthese van biomassa
Chemo-autoroof Energie uit oxidatie van anorganische moleculen (NH3, H2S)
Gebruiken CO2 als koolstofbron voor groei en synthese van biomassa
Fototrofen
• Organisme dat energie haalt uit licht
• Evolutie van fotosynthese zorgde voor de opkomst van fototrofen
• Kunnen worden onderverdeeld afhankelijk van
o Type molecuul dat ze gebruiken als koolstofbron voor groei en opwekking
o Dit komt van hun biomassa (organisch celmateriaal
Foto-heterotroof Energie uit licht
Gebruikt andere organische verbinding dan CO2 als koolstofbron voor groei en
synthese van biomassa
Foto-autotroof Energie uit licht
Gebruikt CO2 als koolstofbron voor groei en synthese van biomassa
Anoxygene fotosynthese: vorm van fotosynthese waarbij geen zuurstof vrijkomt
CO2 + H2S → (CH2O)n + S0
CO2 + S0 → (CH2O)n + SO42-
• Vorm van fotosynthese waarbij geen zuurstof vrijkomt (was lethaal eerst)
• Geologisch bewijs: banded iron formation → ijzerlagen zijn veranderd en geven specifieke kleur (evolutie)
5
, Zuurstof fotosynthese
CO2 + H2O → (CH2O)n + O2
• Cyanobacteriën produceerde meer zuurstof
• Zuurstofholocaust (20% O2) → dodelijk voor anaeroob, ontstaan aeroob
• Voordeel aeroob: meer energie uithalen (bv glucose afbreken)
Toenemende metabolische diversiteit en complexiteit
• Voedingsbehoeften v/e organisme weerspiegelen de bron van metabolische energie
• Vereist meer “opslagruimte” (meer DNA, eiwitten, metabolieten,…) → cellen worden groter
• Extra aanpassing: compartimentering
Kleine cellen
• Grote SA/V ratio (SA : buitenoppervlak en V : volume)
• Voedingsstoffen moeten cel binnenkomen door celmembraan te passeren
• Proces beperkt door diffusie
• Kleine opp. → stoffen kunnen elkaar snel tegenkomen
• Voor grote SA/V: meer voedingsstoffen beschikbaar per cytoplasmavolume, zorgt voor snelle
stofwisseling en groei
Grote cellen
• SA/V-verhouding neemt af naarmate cellen groter worden
• Per cytoplasmavolume minder voedingsstoffen beschikbaar
• Metabolisme vertraagt tot dat het niet in staat is om te groeien
• Groot opp. → nood aan kleine compartimenten
• Begin ontstaan v/d uni-cellulaire eukaryoten
Compartimentering: de verdeling van een cel in kleinere functioneel discrete systemen
6
1.1.HET LEVEN IN EEN NOTENDOP
1.1.1. BIOLOGISCHE DIVERSITEIT EN BIOCHEMISCHE EENHEID
Biochemie: Tak van de wetenschap die zich bezighoudt met de studie van de onderliggende moleculaire en
cellulaire processen die het leven in stand houden
• Planeet Aarde bevat iets heel unieks en kostbaars: leven
• Het leven is in de loop van miljarden jaren in veel verschillende vormen geëvolueerd
• Er is een grote diversiteit, maar op niveau van moleculen is er eenheid
Evolutie van de aarde in 24u
0u Ontstaan v/d aarde (4,6 miljard jaar geleden)
5u Eerste prokaryote levensvormen (3,5 miljard jaar geleden)
5u-21u Leven gedomineerd door eencellige levensvormen (eerst prokaryoten dan eukaryoten)
- Anaerobe prokaryoten (3,5 miljard jaar geleden)
- Anoxygene fotosynthetische bacterieen (3 miljard jaar geleden): productie
organische koolstof
- Zuurstofrijke fotosynthetische bacterieen (2,5 miljard jaar geleden): productie
organische koolstof en zuurstof
- Aeroob ademende bacterieen (2 miljard jaar geleden)
- Nitrificerende en dentrificerende bacterieen (2 miljard jaar geleden)
- Eencellige eukaryoten (2 miljard jaar gelen)
20u30 Eerste meercellige organismen, eerste algen
21u04 Eerste schaaldieren
22u Eerste planten, kort daarna de eerste dieren die op land kunnen lopen
22u30 Uitgestrekte bossen bedekken de planeet
23u Tijdperk van de dinosaurussen, gevolgd door de eerste zoogdieren
0,3s voor 24u Ontstaan v/d mens
4,6 biljoen jaren
LUCA (last universal common ancestor): hypothetisch ééncellig organisme dat de evolutionaire voorouder zou zijn
van hedendaagse organisme
1
,3 groepen
• Archaea
o Hebben geen echte kern
o Prokaryoten met de eigenschappen van eukaryoten
• Bacteriën
o Proteobacteriën gaven aanleiding tot mitochondriën
o Cyanobacteriën gaven aanleiding tot chloroplasten -> zorgden onder andere voor fotosynthese
• Eukaryoten
o Mens en dieren
Virussen: niet gezien als levend wat kunnen zichzelf niet voortplanten → gastheer nodig
Kenmerken van het leven
• Enorme biologische diversiteit
o Ongeveer 8,7 miljoen verschillende levende soorten op aarde
o Zien er allemaal anders uit en hebben zich aangepast aan hun leefgebied
o Makkelijk onderscheid tussen maken
• Levende organismen hebben een cellulair bestaan
o Ontwikkeling v/d microscoop heeft ervoor gezorgd dat we organismen op cellulair niveau waar
kunnen nemen
o Grote organismen zijn opgebouwd uit cellen
o Gelijkenis met eencellige organismen
• Het leven heeft een moleculair ontwerp
o Ontwikkeling van biochemische wetenschappen
o Op moleculair niveau lijken levende organismen sterk op elkaar biochemische eenheid
Besluit:
• Biochemische eenheid ligt ten grondslag aan biologische diversiteit! (onder biochemische diversiteit is er
dus een biochemische eenheid)
• Ook al zien twee organismen er totaal verschillend uit, de processen die op cellulair en moleculair niveau
plaatsvinden, lijken vaak sterk op elkaar (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 zijn gebleven.
2
,1.1.2. BIOLOGISCHE MOLECULEN ZIJN ONTSTAAN UIT ANORGANISHCE MATERIALEN
Prebiotische tijdperk: tijd zonder levende organismen, in deze periode ontstonden de eerste organisme
moleculen die noodzakelijk waren voor de opbouw van de cellen en het ontstaan van het leven
Ontstaan van organische moleculen: vorming werd beïnvloed door verschillende omgevingsfactoren
• Water: er was veel water aanwezig op aarde, essentieel als medium voor chemische reacties
• Blikseminslagen: leverde energie voor chemische reacties
• Vulkanische activiteit: zorgde voor de uitstoot van diverse gassen die bouwstenen konden vormen
• Blootstelling aan UV-straling: stimuleerde chemische omzettingen
Deze energiebronnen maakten het mogelijk dat eenvoudige gassen, complexe organische moleculen vormden.
Vervolgens konden deze biomoleculen zich binden en polymeren vormen, zoals lipiden. Zonder deze
gebeurtenissen zouden biomoleculen en daarmee leven niet kunnen ontstaan.
Hypothese 1: abiotische/organische origine
Experiment door Stanley Miller: probeerde situatie van prebiotische tijdperk na te bootsen
Opstelling:
Waterbad Stelde de “oceanen” voor. Het water werd gekookt om stoom te produceren.
Atmosfeer Anoxisch gasmengsel van CH4, NH3, H2 (reageert met stoom) -> stimuleerde de primitieve
atmosfeer
Elektrische vonk Elektrische vonk via anode en kathode bootste bliksem na
Condensor Condensor koelt gassen af om vloeibaar water te produceren als “regen”
Recirculatie Het systeem draaide in een gesloten systeem om het proces continu te laten draaien
Resultaat na enkele dagen:
• Gas bevat CO2 en CO (was oorspronkelijk niet aanwezig)
• Vloeistof bevat organische moleculen (aminozuren, lactaten, acetaten, en acetaat)
3
, Verfijning van het Miller-experiment (2010):
• Zelfde experimentele opstelling
• Opname 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 een grotere verscheidenheid aan organische verbindingen (23 aminozuren,
7 organische zwavelverbindingen, lipiden, enz.)
Hypothese 2: buitenaardse oorsprong
• Ruimtemissies hebben komeetstof geïdentificeerd dat organische verbindingen op aarde bevat
• Organische verbindingen die via kometen en meteoren naar de aarde worden gebracht
Conclusie:
• Men weet niet welke hypothese klopt + maakt niet uit
• Eindresultaat is belangrijk: creatie v/e oersoep/ primoridale soep: dit is een oplossing rijk aan organische
verbindingen in de primitieve oceanen v/e aarde. Hieruit zou het leven zijn ontstaan
• Organische verbindingen worden gekarakteriseerd door hun functionele groepen, die hun chemische
eigenschappen bepalen en interacties mogelijk maken.
• Reacties tussen biomoleculen konden vrij plaatsvinden.
• Condensatiereacties genereerden polymeren met biologische activiteit uit monomere bouwstenen.
• Op een bepaald moment werden deze reacties beperkter, wat mogelijk leidde tot de eerste georganiseerde
systemen die tot cellen evolueerden.
(!) Functionele groepen moet je kennen en kunnen tekenen!
4
,1.1.3. LEVENDE ORGANISMEN KENNEN EEN CELLULAIR BESTAAN
Genese van LUCA: Lipide-achtige moleculen in de oersoep vormden ingesloten blaasjes, waardoor verschillende
biomoleculen gevangen werden in een besloten ruimte
• Opkomst van de prokaryoten: bevatten 2 van de 3 domeinen van het leven: bacteriën en archaea
• Evolutie van verschillende manieren om verbindingen te metaboliseren
Evolutie van prokaryoten
Anaerobe prokaryoten
• Aarde was anoxisch (zuurstofloos)
• Waarschijnlijk extremofielen: organismen die in extreme omstandigheden kunnen overleven)
• Waarschijnlijk chemotrofen: autotroof of heterotroof organimse dat benodigde energie verkrijgt door
oxidatie van chemische verbindingen zoals (an)organische verbindingen
• Chemoheterotrofen gevolgd door chemoautotrofen
o Hiervoor meer moleculen nodig, dus waarschijnlijk pas later in de evolutie
o Onderverdeeld afh van type chemische brandstof dat ze oxideren en type moleculen gebruikt als
koolstofbron
Chemo-heterotroof Energie uit oxidatie van organische moleculen
Gebruiken o.a. organische verbindingen dan CO2 als koolstofbron voor groei en
synthese van biomassa
Chemo-autoroof Energie uit oxidatie van anorganische moleculen (NH3, H2S)
Gebruiken CO2 als koolstofbron voor groei en synthese van biomassa
Fototrofen
• Organisme dat energie haalt uit licht
• Evolutie van fotosynthese zorgde voor de opkomst van fototrofen
• Kunnen worden onderverdeeld afhankelijk van
o Type molecuul dat ze gebruiken als koolstofbron voor groei en opwekking
o Dit komt van hun biomassa (organisch celmateriaal
Foto-heterotroof Energie uit licht
Gebruikt andere organische verbinding dan CO2 als koolstofbron voor groei en
synthese van biomassa
Foto-autotroof Energie uit licht
Gebruikt CO2 als koolstofbron voor groei en synthese van biomassa
Anoxygene fotosynthese: vorm van fotosynthese waarbij geen zuurstof vrijkomt
CO2 + H2S → (CH2O)n + S0
CO2 + S0 → (CH2O)n + SO42-
• Vorm van fotosynthese waarbij geen zuurstof vrijkomt (was lethaal eerst)
• Geologisch bewijs: banded iron formation → ijzerlagen zijn veranderd en geven specifieke kleur (evolutie)
5
, Zuurstof fotosynthese
CO2 + H2O → (CH2O)n + O2
• Cyanobacteriën produceerde meer zuurstof
• Zuurstofholocaust (20% O2) → dodelijk voor anaeroob, ontstaan aeroob
• Voordeel aeroob: meer energie uithalen (bv glucose afbreken)
Toenemende metabolische diversiteit en complexiteit
• Voedingsbehoeften v/e organisme weerspiegelen de bron van metabolische energie
• Vereist meer “opslagruimte” (meer DNA, eiwitten, metabolieten,…) → cellen worden groter
• Extra aanpassing: compartimentering
Kleine cellen
• Grote SA/V ratio (SA : buitenoppervlak en V : volume)
• Voedingsstoffen moeten cel binnenkomen door celmembraan te passeren
• Proces beperkt door diffusie
• Kleine opp. → stoffen kunnen elkaar snel tegenkomen
• Voor grote SA/V: meer voedingsstoffen beschikbaar per cytoplasmavolume, zorgt voor snelle
stofwisseling en groei
Grote cellen
• SA/V-verhouding neemt af naarmate cellen groter worden
• Per cytoplasmavolume minder voedingsstoffen beschikbaar
• Metabolisme vertraagt tot dat het niet in staat is om te groeien
• Groot opp. → nood aan kleine compartimenten
• Begin ontstaan v/d uni-cellulaire eukaryoten
Compartimentering: de verdeling van een cel in kleinere functioneel discrete systemen
6
