Biology of microorganisms.
H1. Microorganisms and microbiology. Pag. 30-39.
Microbiologie is de studie van micro-organismen. Micro-organismen zijn alle microscopische
eencelligen inclusief virussen die wel microscopisch zijn maar niet cellulair. Het zijn cellen die als
onafhankelijke units beschouwd kunnen worden omdat ze hun levensprocessen onafhankelijk van
andere cellen kunnen uitvoeren. Dierlijke en planten cellen kunnen daarentegen niet alleen leven.
Het bestuderen van micro-organismen heeft twee doelen: begrip en toepassing van dit begrip in het
voordeel van de mens. Ondanks dat micro-organismen de kleinste levensvorm op aarde is bestaat het
bulk van de biomassa uit micro-organismen en zijn verantwoordelijk voor vele chemische reacties
die wij en andere hogere organismen nodig hebben.
De basiseenheid van de biologie is de cel, een cel is een wezen dat geïsoleerd is van andere wezens
door een celmembraan. Daarnaast hebben vele cellen nog een celwand. Ondanks dat een cel een
compartiment is, is dit niet geseald het membraan is semipermeabel en dus is de cel een open en
dynamische structuur. Alle cellen hebben de volgende eigenschappen;
- Metabolisme: Het opnemen van nutriënten uit de omgeving en ze omzetten in nieuw
celmateriaal en afvalproducten. Tijdens dit proces wordt energie gegenereerd zodat andere
processen kunnen ontwikkelen.
- Groei: Chemicaliën worden omgezet in nieuwe cellen m.b.v. de genetische informatie in de
bestaande cellen.
- Evolutie: Het proces waarbij genetische verschillende cellen geselecteerd worden op basis van
hun reproductieve fitness. Het is normaal een sloom proces, maar kan snel gaan als de
selectiedruk groot wordt (antibiotica resistentie).
Daarnaast zijn er cellen die de volgende eigenschappen kunnen hebben;
- Beweging; De meeste cellen kunnen zich bewegen door een ronddraaiende flagel.
- Differentiatie; Sommige cellen ondergaan differentiatie ze kunnen nieuwe celstructuren
vormen zoals een spore.
- Communicatie; De meeste cellen communiceren m.b.v.
chemicaliën die opgenomen of uitgescheiden worden.
Er zijn twee dingen nodig voor groei/reproductie Genetische
functies (DNA replicatie, transcriptie en translatie) en
Katalytische functies (Energie omzetting ADP + Pi ATP,
Metabolisme en enzymen).
Micro-organismen komen voor in mengculturen waar ze
interacties met elkaar kunnen hebben. Deze interacties kunnen
positief (als afval van de ene bacterie door een andere als voedselbron gebruikt kan worden), neutraal
en negatief (als de een de andere wegconcurreert) zijn. De dichtheid is afhankelijk van het resources
en condities. Verandering in fysische en chemische omstandigheden, die ze zelf kunnen veroorzaken,
leiden tot veranderingen in de samenstelling van de mengcultuur (b.v. O2 die door aerobe bacteriën
worden weggevangen waardoor de concentratie steeds lager wordt anaerobe bacteriën nemen toe).
,Micro-organismen waren de eerste levende
systemen op aarde en een belangrijke groep
in de evolutie zijn de cyanobacterie omdat
deze O2 als afvalproduct van zijn
metabolisme heeft. Zie pag. 34 voor een
uitgebreidere afbeelding van de geschiedenis
van de aarde en een plaatje over de
verwantschappen. Samengevat zijn de
hoogtepunten;
4.6-2.6 miljard jaar was er eerst geen O2. De
atmosfeer bestond uit N2, CO2 en wat andere
gassen. Tijdens deze periode konden dus alleen anaerobe organismen leven veel verschillende
organismen, maar ook methanogens die methaan (CH4) produceren. De evolutie van fototrope (halen
energie uit zonlicht) micro-organismen begon ongeveer 3.6 miljard jaar geleden. Dit waren vrij
simpele anoxygene (geen zuurstof) fototrope bacteriën. Een miljard jaar later evolueerden de
Cyanobacterien (oxigeen (wel zuurstof) fototrope bacteriën) en dit had tot gevold dat de aarde zich
langzaam vulde met zuurstof. CO2 + 2H2O + licht energy CH2O + H2O + O2. O2 komt dus vrij als
afvalproduct. Door deze opvulling van O2 in de atmosfeer ontwikkeld multicellulair leven zich tot de
planten en dieren die we nu kennen.
Er zijn schattingen die zeggen dat er 2.5 * 1030 micro-organismen zijn. De hoeveelheid C in hierin is
gelijk aan dat van planten en veel meer in dat van dieren. De hoeveelheid N en P is meer dan 10 keer
die in alle planten. Het bevat dus veel biomassa (C) en is een reservoir voor essentiële nutriënten
voor het leven. Voor de verdeling zie tabel 1.1 op pag. 35.
De impact van micro-organismen op ons leven.
Aan het begin van deze eeuw waren er veel infectieziekten die door micro-organismen werden
veroorzaakt pathogene. Tegenwoorden is dat door de toegenomen kennis veel minder. De meeste
zijn echter niet schadelijk voor de mens, we gebruiken ze in ons voordeel.
Sommige planten gebruiken de NH3 of SO42- die vrijkomt door micro-organismen en in de pens van
bijvoorbeeld koeien zorgen micro-organismen voor een betere vertering van cellulose. Dit laatste is in
groot contrast met andere dieren en de mens omdat onze maag een zure pH heeft en de vertering hier
vooral gebaseerd is op chemische reacties i.p.v. microbiologische reacties. Alleen de dikke darm heet
veel microbiota, daarnaast ook de mondholte en
huid.
Micro-organismen spelen een belangrijke rol bij
bederf aan de ene kant maar ook bij de productie
van kaas, yoghurt en alcohol. Daarnaast
produceren sommige biobrandstoffen deze
worden gemaakt uit biomassa (voedselgewassen,
mais, koolzaad of suikerbiet waarbij micro-
organismen worden toegevoegd en die
bijvoorbeeld methaan als afvalproduct hebben).
, Voor de paradox over antibioticum gebruik zie de p.p.
Een (1) aeroob organisme haalt adem met O2. Zuurstof treed in dit geval op als elektronen acceptor
voor de elektronen die vrij komen tijdens de verbranding.
Het meeste ATP wat wordt gemaakt in de cel komt van oxidatieve fosforilatie. Hier worden de NADH+, H+ en
FADH2 als energiebron gebruikt. Van FADH2 en NADH+ worden de elektronen vrijgelaten aan de elektronen
transportketen en uiteindelijk bindt aan O2 om H2O te vormen, wat energie oplevert. Deze energie gebruiken
verschillende complexen in het binnenmembraan van de mitochondriën om H+ naar buiten te pompen (zie pag.
80). Door het ontstaan van een concentratiegradient kan ATP synthase dit gebruiken om van ADP + Pi ATP te
maken.
Atomen zitten zo in elkaar dat in de eerste schil 2 elektronen kunnen en in de twee schil 8 en in de
derde schil 18. In het periodiek systeem staat rechtsonder hoe vol deze schillen zijn. Bij O 2 staat er 2,6,
wat inhoud dat er nog twee plaatsen vrij zijn. Als dit wordt opgevuld wordt de O2 negatief waardoor
H2O ontstaat.
Een (2) anaeroob organisme haalt adem met een andere lektronenacceptor van buitenaf (NO3-, SO42-,
CO2, Fe3+<) respectievelijk 2,5; 2,8,6; 2,4; 14,2. Bij een oxidatiereactie komen elektronen vrij, bij een
reductiereactie worden er elektronen toegevoegd.
Organische N en Ammonia kunnen geen elektronen meer opnemen. Als de elektronenacceptor
elektronen opneemt worden ze daarbij dus gereduceerd.
Een (3) fermentatief organisme gebruik een zelfgemaakte organische verbindingen (pyruvaat) als
elektronacceptor. Een voorbeeld hiervan is een gist wat een eencellig schimmel is.
Er zijn dus organismen die energie uit licht halen, uit organische verbindingen maar uit
anorganische verbindingen? Het verschil tussen organisch en anorganisch is dat er bij anorganisch
verbindingen geen C-H bindingen aanwezig zijn. Wel kunnen deze C bevatten. Desondanks C maar
een van de 92 natuurlijke elementen is, is het wel de basis van alle organische verbindingen.
H1. Microorganisms and microbiology. Pag. 30-39.
Microbiologie is de studie van micro-organismen. Micro-organismen zijn alle microscopische
eencelligen inclusief virussen die wel microscopisch zijn maar niet cellulair. Het zijn cellen die als
onafhankelijke units beschouwd kunnen worden omdat ze hun levensprocessen onafhankelijk van
andere cellen kunnen uitvoeren. Dierlijke en planten cellen kunnen daarentegen niet alleen leven.
Het bestuderen van micro-organismen heeft twee doelen: begrip en toepassing van dit begrip in het
voordeel van de mens. Ondanks dat micro-organismen de kleinste levensvorm op aarde is bestaat het
bulk van de biomassa uit micro-organismen en zijn verantwoordelijk voor vele chemische reacties
die wij en andere hogere organismen nodig hebben.
De basiseenheid van de biologie is de cel, een cel is een wezen dat geïsoleerd is van andere wezens
door een celmembraan. Daarnaast hebben vele cellen nog een celwand. Ondanks dat een cel een
compartiment is, is dit niet geseald het membraan is semipermeabel en dus is de cel een open en
dynamische structuur. Alle cellen hebben de volgende eigenschappen;
- Metabolisme: Het opnemen van nutriënten uit de omgeving en ze omzetten in nieuw
celmateriaal en afvalproducten. Tijdens dit proces wordt energie gegenereerd zodat andere
processen kunnen ontwikkelen.
- Groei: Chemicaliën worden omgezet in nieuwe cellen m.b.v. de genetische informatie in de
bestaande cellen.
- Evolutie: Het proces waarbij genetische verschillende cellen geselecteerd worden op basis van
hun reproductieve fitness. Het is normaal een sloom proces, maar kan snel gaan als de
selectiedruk groot wordt (antibiotica resistentie).
Daarnaast zijn er cellen die de volgende eigenschappen kunnen hebben;
- Beweging; De meeste cellen kunnen zich bewegen door een ronddraaiende flagel.
- Differentiatie; Sommige cellen ondergaan differentiatie ze kunnen nieuwe celstructuren
vormen zoals een spore.
- Communicatie; De meeste cellen communiceren m.b.v.
chemicaliën die opgenomen of uitgescheiden worden.
Er zijn twee dingen nodig voor groei/reproductie Genetische
functies (DNA replicatie, transcriptie en translatie) en
Katalytische functies (Energie omzetting ADP + Pi ATP,
Metabolisme en enzymen).
Micro-organismen komen voor in mengculturen waar ze
interacties met elkaar kunnen hebben. Deze interacties kunnen
positief (als afval van de ene bacterie door een andere als voedselbron gebruikt kan worden), neutraal
en negatief (als de een de andere wegconcurreert) zijn. De dichtheid is afhankelijk van het resources
en condities. Verandering in fysische en chemische omstandigheden, die ze zelf kunnen veroorzaken,
leiden tot veranderingen in de samenstelling van de mengcultuur (b.v. O2 die door aerobe bacteriën
worden weggevangen waardoor de concentratie steeds lager wordt anaerobe bacteriën nemen toe).
,Micro-organismen waren de eerste levende
systemen op aarde en een belangrijke groep
in de evolutie zijn de cyanobacterie omdat
deze O2 als afvalproduct van zijn
metabolisme heeft. Zie pag. 34 voor een
uitgebreidere afbeelding van de geschiedenis
van de aarde en een plaatje over de
verwantschappen. Samengevat zijn de
hoogtepunten;
4.6-2.6 miljard jaar was er eerst geen O2. De
atmosfeer bestond uit N2, CO2 en wat andere
gassen. Tijdens deze periode konden dus alleen anaerobe organismen leven veel verschillende
organismen, maar ook methanogens die methaan (CH4) produceren. De evolutie van fototrope (halen
energie uit zonlicht) micro-organismen begon ongeveer 3.6 miljard jaar geleden. Dit waren vrij
simpele anoxygene (geen zuurstof) fototrope bacteriën. Een miljard jaar later evolueerden de
Cyanobacterien (oxigeen (wel zuurstof) fototrope bacteriën) en dit had tot gevold dat de aarde zich
langzaam vulde met zuurstof. CO2 + 2H2O + licht energy CH2O + H2O + O2. O2 komt dus vrij als
afvalproduct. Door deze opvulling van O2 in de atmosfeer ontwikkeld multicellulair leven zich tot de
planten en dieren die we nu kennen.
Er zijn schattingen die zeggen dat er 2.5 * 1030 micro-organismen zijn. De hoeveelheid C in hierin is
gelijk aan dat van planten en veel meer in dat van dieren. De hoeveelheid N en P is meer dan 10 keer
die in alle planten. Het bevat dus veel biomassa (C) en is een reservoir voor essentiële nutriënten
voor het leven. Voor de verdeling zie tabel 1.1 op pag. 35.
De impact van micro-organismen op ons leven.
Aan het begin van deze eeuw waren er veel infectieziekten die door micro-organismen werden
veroorzaakt pathogene. Tegenwoorden is dat door de toegenomen kennis veel minder. De meeste
zijn echter niet schadelijk voor de mens, we gebruiken ze in ons voordeel.
Sommige planten gebruiken de NH3 of SO42- die vrijkomt door micro-organismen en in de pens van
bijvoorbeeld koeien zorgen micro-organismen voor een betere vertering van cellulose. Dit laatste is in
groot contrast met andere dieren en de mens omdat onze maag een zure pH heeft en de vertering hier
vooral gebaseerd is op chemische reacties i.p.v. microbiologische reacties. Alleen de dikke darm heet
veel microbiota, daarnaast ook de mondholte en
huid.
Micro-organismen spelen een belangrijke rol bij
bederf aan de ene kant maar ook bij de productie
van kaas, yoghurt en alcohol. Daarnaast
produceren sommige biobrandstoffen deze
worden gemaakt uit biomassa (voedselgewassen,
mais, koolzaad of suikerbiet waarbij micro-
organismen worden toegevoegd en die
bijvoorbeeld methaan als afvalproduct hebben).
, Voor de paradox over antibioticum gebruik zie de p.p.
Een (1) aeroob organisme haalt adem met O2. Zuurstof treed in dit geval op als elektronen acceptor
voor de elektronen die vrij komen tijdens de verbranding.
Het meeste ATP wat wordt gemaakt in de cel komt van oxidatieve fosforilatie. Hier worden de NADH+, H+ en
FADH2 als energiebron gebruikt. Van FADH2 en NADH+ worden de elektronen vrijgelaten aan de elektronen
transportketen en uiteindelijk bindt aan O2 om H2O te vormen, wat energie oplevert. Deze energie gebruiken
verschillende complexen in het binnenmembraan van de mitochondriën om H+ naar buiten te pompen (zie pag.
80). Door het ontstaan van een concentratiegradient kan ATP synthase dit gebruiken om van ADP + Pi ATP te
maken.
Atomen zitten zo in elkaar dat in de eerste schil 2 elektronen kunnen en in de twee schil 8 en in de
derde schil 18. In het periodiek systeem staat rechtsonder hoe vol deze schillen zijn. Bij O 2 staat er 2,6,
wat inhoud dat er nog twee plaatsen vrij zijn. Als dit wordt opgevuld wordt de O2 negatief waardoor
H2O ontstaat.
Een (2) anaeroob organisme haalt adem met een andere lektronenacceptor van buitenaf (NO3-, SO42-,
CO2, Fe3+<) respectievelijk 2,5; 2,8,6; 2,4; 14,2. Bij een oxidatiereactie komen elektronen vrij, bij een
reductiereactie worden er elektronen toegevoegd.
Organische N en Ammonia kunnen geen elektronen meer opnemen. Als de elektronenacceptor
elektronen opneemt worden ze daarbij dus gereduceerd.
Een (3) fermentatief organisme gebruik een zelfgemaakte organische verbindingen (pyruvaat) als
elektronacceptor. Een voorbeeld hiervan is een gist wat een eencellig schimmel is.
Er zijn dus organismen die energie uit licht halen, uit organische verbindingen maar uit
anorganische verbindingen? Het verschil tussen organisch en anorganisch is dat er bij anorganisch
verbindingen geen C-H bindingen aanwezig zijn. Wel kunnen deze C bevatten. Desondanks C maar
een van de 92 natuurlijke elementen is, is het wel de basis van alle organische verbindingen.
