Cellulaire biochemie
Thema I – Cellulaire groei & energie
PREP
Introductie
In dit thema gaan we het hebben over de volgende onderdelen:
Kenmerken van kanker (hallmarks).
Cell cyclus.
Energie en metabolisme.
Research technieken SRB-assay en Ki67-assay.
Het belangrijkste kenmerk van kanker voor dit thema is proliferatie, ofwel celgroei. Dit doen
kankercellen namelijk ongeremd. Om dit beter te begrijpen gaan we kijken naar de celcyclus, en dan
vooral naar de M-fase: mitose. Voor dit ongeremd delen van kankercellen is veel energie nodig.
Daarom gaan we ook kijken naar energie en metabolisme in de cel. Naast deze onderwerpen gaan
we ook kijken naar de research techniek SRB, waarmee de celgroei kan worden gemeten.
Eerst waren er maar 6 kenmerken van kanker, maar tegenwoordig zijn er 10. Je hoeft deze echt niet
allemaal te kennen, maar alleen diegene belangrijk voor dit thema: substained proliferative
signaling, wat uiteindelijk leidt tot celdeling. De celcyclus bestaat uit een aantal fasen: G1 (celgroei
en ontwikkeling), S (DNA-synthese), G2 (productie van microtubuli, en een heleboel andere dingen)
en M. Bij G1, S en G2 is ATP nodig.
Leerdoelen:
Je kunt verschillen tussen het metabolisme van een ‘gezonde’ cel en een kankercel
benoemen.
Je kunt uitleggen welke metabolische processen zorgen voor groei en progressie van kanker.
Je kunt berekeningen uitvoeren aan de vrije energie in een cel, met gebruik van standaard
potentialen, evenwichtsreacties en kinetische parameters.
Je kunt de methodiek van de SRB en IF techniek uitleggen.
Je kunt uit data van SRB en IF assays afleiden welke resultaten zijn gevonden.
Je kunt uit een artikel met biochemische en celbiologische data de relevante vraagstelling en
conclusie extraheren om een onderzoeksvraag voor een vervolgonderzoek te bedenken.
Hallmarks of cancer
Dit zijn 6 eigenschappen die alle kankercellen gemeen hebben:
1. Ondersteunende proliferatieve signalering.
Cellen hebben een receptor op hun oppervlak die, wanneer het een groeifactor ontvangt van
buurcellen, een intracellulaire cascade van signalen initieert wat leidt tot celgroei en celdeling.
Normaal krijgen cellen deze feedback van andere cellen, zodat ze weten wanneer ze moeten delen
en de proliferatie gecontroleerd verloopt. Kankercellen zijn in staat om te delen zonder dat zij deze
signalen ontvangen, wat leidt tot ongecontroleerde proliferatie. Meestal is een mutatie hier de
oorzaak van. Uiteindelijk kan dit ongecontroleerd delen leiden tot de formatie van een ophoping: een
tumor.
2. Het ontwijken van groei onderdrukkers.
,Om homeostase te behouden, bestaan er naast groeifactoren ook groei suppressors. Als cellen
ongecontroleerd delen, kunnen deze groei suppressors als een stopsignaal dienen op de eigen cel of
buurcel. Kankercellen kunnen deze stopsignalen negeren, waardoor de proliferatie doorgaat.
3. Weerstand tegen celdood.
4. Replicatieve onsterfelijkheid mogelijk maken.
5. Induceren van angiogenese.
6. Activeren van invasie en metastase.
De celcyclus
Interface = de fase waarin celgroei plaatsvindt, maar geen celdeling. De cel bevindt zich het grootste
gedeelte van de tijd in deze fase. Een uitzondering hierop zijn kankercellen: deze willen liever delen
van groeien. De interface bestaat weer uit verschillende fasen:
G1 = de groeifase. Het is de langste fase van de
celcyclus. Het produceert hier extra organellen zoals
ribosomen en eiwitten.
o Sommige cellen gaan een andere kant op, deze
gaan richting de G0-fase. Hier is geen celdeling
meer. Dit zijn cellen die niet graag delen, zoals
neuronen. Dan vindt alleen nog celgroei plaats.
S = synthese van DNA. Hier wordt DNA gerepliceerd.
G2 = nog een groeifase. Hierin bereidt de cel zich voor
op de celdeling. Onder andere microtubuli wordt hier
gemaakt.
Mitosis (M) = actieve celdeling. Na de celdeling zullen beide
cellen verder gaan in de G1 fase.
Regulatie
Bij de celcyclus komt veel regulatie kijken. Er zijn twee plaatsen waar deze regulatie vooral
plaatsvind:
1. Tussen de G1- en S-fase.
2. Tussen de G2- en M-fase.
Er zijn verschillende eiwitten betrokken bij deze regulatie: cyclin-dependent kinases en cyclines. Een
kinase is een eiwit dat een fosfaatgroep toevoegt aan andere enzymen of eiwitten om deze te
activeren of inactiveren. De cyclin-dependent kinases (CDKs) werken samen met cyclines. Deze CDKs
zijn altijd aanwezig in de cel, maar hun standaard functie is inactief. Ze moeten dus worden
geactiveerd door de cyclines. Het punt van regulatie is dat specifieke cyclines op specifieke tijden
worden gemaakt. Een CDK is alleen actief als het is gebonden aan een specifieke cycline. Complexen:
CDK2 – cycline E, deze activeren de DNA replicatie.
CDK4 – cycline D, deze fosforyleren het eiwit Rb wat dan DNA replicatie niet meer kan
inhiberen.
CDK1- cycline B, deze is in staat om mitose te activeren, ofwel celdeling.
Voor meer informatie over de celcyclus en de regulatie ervan: boek H12.10 (blz 476-480).
,Metabolisme en Energie
Metabolisme is de balans tussen anabolisme (opbouw) en katabolisme (afbraak). Maar hoe worden
de dingen die we eten afgebroken tot energie in het lichaam? Katabolisme:
Uit koolhydraten wordt de glucose eerst omgezet tot pyruvaat en later tot acetyl coA. Acetyl coA
wordt in de TCA cyclus, ofwel citroenzuurcyclus, omgezet tot allemaal verschillende stoffen. Hierbij
komen high energy carriers vrij. Deze high energy carriers worden vervolgens via de electron
transport chain omgezet waarbij ATP en watermoleculen vrijkomen.
Eiwitten worden eerst afgebroken tot aminozuren. Afhankelijk van welke aminozuren dit zijn, komen
deze de cyclus binnen op verschillende plaatsen. Hierbij wordt de aminogroep eerst afgescheiden,
wat een van de afvalproducten in onze urine is.
Vetten bestaan uit een glycerol backbone en 3 vetzuren. Als deze nodig zijn voor energie, worden de
vetzuren afgebroken in delen van twee koolstofatomen. Deze delen betreden de citroenzuurcyclus
op een andere plaats dan de glycerol backbone.
Anabolisme:
Koolhydraten glycogeen.
Eiwitten spieren, herstel.
Vetten vetweefsel
De balans tussen anabolisme en katabolisme wordt gecontroleerd door hormonen. Hormonen
stimuleren:
Katabolisme: glucagon, epinephrine, glucocorticoids, thyroxine en groeihormonen (vetten en
koolhydraten).
Anabolisme: insuline, sekshormonen, thyroxine en groeihormonen.
Sommige reacties zijn omkeerbaar. De omzet van pyruvaat in acetyl coA is echter onomkeerbaar!
Vetzuren kunnen dus nooit worden omgezet in pyruvaat of glucose. Daardoor zal een overmaat van
acetyl coA altijd leiden tot de aanmaak van vetweefsel.
Thermodynamiek
Verschil tussen thermodynamiek en kinetiek:
Thermodynamiek gaat over de spontaniteit van de reactie.
, Kinetiek gaat over de snelheid van de reactie.
Enzymen:
Verhogen de snelheid van de reactie door de activeringsenergie te verlagen.
Worden niet geconsumeerd.
Hebben geen invloed op de ΔG van de reactie.
Kunnen geen endergonische reactie versnellen.
Om endergonische reacties te stimuleren, gebruiken we reactie koppeling. We combineren een niet-
spontane reactie met een spontane reactie, waarbij een tussenproduct D wordt gevormd.
(1) A + B C + D ΔG1 > 0, dus niet spontaan.
(2) D + E F + G ΔG2 < 0, dus spontaan.
Het verbreken van fosforanhydride bindingen levert veel energie op.
Er zijn twee manieren om ATP te gebruiken:
1. ATP wordt omgezet tot ADP en daarna tot AMP. Hierbij worden twee fosforanhydride
bindingen verbroken, en dus levert dit 2x 30.5 kJ op. Het verbreken van de laatste
fosforanhydride binding levert maar 14 kJ op.
2. ATP wordt omgezet tot AMP en PPi. Dit geeft 31 kJ energie vrij. De fosfaatgroepen worden
dan afgebroken, wat 33 kJ energie oplevert.
De hoeveelheid ATP varieert tussen weefsels en de metabolische activiteiten.
Belangrijke termen: Gibbs vrije energie, vrije energie verandering en evenwichtsconstante.
Gibbs-Helmholtz vergelijking
ΔG = ΔH – TΔS
ΔG staat voor de Gibbs vrije energie. Dit is de totale verandering van de vrije energie van het
systeem. Reacties die energie in de wereld vrijlaten hebben een negatieve ΔG, en kunnen
dus spontaan plaatsvinden.
ΔH staat voor de enthalpieverandering, wat te meten is door de warmte van de reactie te
meten. Spontane reacties worden meestal geassocieerd met een negatieve ΔH.
T staat voor de temperatuur in Kelvin, dus de absolute temperatuur.
ΔS staat voor de entropieverandering, ofwel de maat van disorder. Een spontane reactie gaat
meestal samen met een toenemende entropie ofwel een positieve ΔS.
De delta’s (Δ) beschrijven dat het gaat over een verandering over de tijd.
S = kBlnW
kB = de Boltzmann constante
W = het aantal mogelijke statussen van het systeem.
In realiteit is dit heel erg moeilijk te meten, waardoor er altijd wordt uitgegaan van een
entropieverandering.
Endergonische reacties zijn reacties waarbij het systeem Gibbs vrije energie opneemt van de
omgeving.
Exergonische reacties zijn reacties waarbij het systeem Gibbs vrije energie afgeeft aan de omgeving.
Thema I – Cellulaire groei & energie
PREP
Introductie
In dit thema gaan we het hebben over de volgende onderdelen:
Kenmerken van kanker (hallmarks).
Cell cyclus.
Energie en metabolisme.
Research technieken SRB-assay en Ki67-assay.
Het belangrijkste kenmerk van kanker voor dit thema is proliferatie, ofwel celgroei. Dit doen
kankercellen namelijk ongeremd. Om dit beter te begrijpen gaan we kijken naar de celcyclus, en dan
vooral naar de M-fase: mitose. Voor dit ongeremd delen van kankercellen is veel energie nodig.
Daarom gaan we ook kijken naar energie en metabolisme in de cel. Naast deze onderwerpen gaan
we ook kijken naar de research techniek SRB, waarmee de celgroei kan worden gemeten.
Eerst waren er maar 6 kenmerken van kanker, maar tegenwoordig zijn er 10. Je hoeft deze echt niet
allemaal te kennen, maar alleen diegene belangrijk voor dit thema: substained proliferative
signaling, wat uiteindelijk leidt tot celdeling. De celcyclus bestaat uit een aantal fasen: G1 (celgroei
en ontwikkeling), S (DNA-synthese), G2 (productie van microtubuli, en een heleboel andere dingen)
en M. Bij G1, S en G2 is ATP nodig.
Leerdoelen:
Je kunt verschillen tussen het metabolisme van een ‘gezonde’ cel en een kankercel
benoemen.
Je kunt uitleggen welke metabolische processen zorgen voor groei en progressie van kanker.
Je kunt berekeningen uitvoeren aan de vrije energie in een cel, met gebruik van standaard
potentialen, evenwichtsreacties en kinetische parameters.
Je kunt de methodiek van de SRB en IF techniek uitleggen.
Je kunt uit data van SRB en IF assays afleiden welke resultaten zijn gevonden.
Je kunt uit een artikel met biochemische en celbiologische data de relevante vraagstelling en
conclusie extraheren om een onderzoeksvraag voor een vervolgonderzoek te bedenken.
Hallmarks of cancer
Dit zijn 6 eigenschappen die alle kankercellen gemeen hebben:
1. Ondersteunende proliferatieve signalering.
Cellen hebben een receptor op hun oppervlak die, wanneer het een groeifactor ontvangt van
buurcellen, een intracellulaire cascade van signalen initieert wat leidt tot celgroei en celdeling.
Normaal krijgen cellen deze feedback van andere cellen, zodat ze weten wanneer ze moeten delen
en de proliferatie gecontroleerd verloopt. Kankercellen zijn in staat om te delen zonder dat zij deze
signalen ontvangen, wat leidt tot ongecontroleerde proliferatie. Meestal is een mutatie hier de
oorzaak van. Uiteindelijk kan dit ongecontroleerd delen leiden tot de formatie van een ophoping: een
tumor.
2. Het ontwijken van groei onderdrukkers.
,Om homeostase te behouden, bestaan er naast groeifactoren ook groei suppressors. Als cellen
ongecontroleerd delen, kunnen deze groei suppressors als een stopsignaal dienen op de eigen cel of
buurcel. Kankercellen kunnen deze stopsignalen negeren, waardoor de proliferatie doorgaat.
3. Weerstand tegen celdood.
4. Replicatieve onsterfelijkheid mogelijk maken.
5. Induceren van angiogenese.
6. Activeren van invasie en metastase.
De celcyclus
Interface = de fase waarin celgroei plaatsvindt, maar geen celdeling. De cel bevindt zich het grootste
gedeelte van de tijd in deze fase. Een uitzondering hierop zijn kankercellen: deze willen liever delen
van groeien. De interface bestaat weer uit verschillende fasen:
G1 = de groeifase. Het is de langste fase van de
celcyclus. Het produceert hier extra organellen zoals
ribosomen en eiwitten.
o Sommige cellen gaan een andere kant op, deze
gaan richting de G0-fase. Hier is geen celdeling
meer. Dit zijn cellen die niet graag delen, zoals
neuronen. Dan vindt alleen nog celgroei plaats.
S = synthese van DNA. Hier wordt DNA gerepliceerd.
G2 = nog een groeifase. Hierin bereidt de cel zich voor
op de celdeling. Onder andere microtubuli wordt hier
gemaakt.
Mitosis (M) = actieve celdeling. Na de celdeling zullen beide
cellen verder gaan in de G1 fase.
Regulatie
Bij de celcyclus komt veel regulatie kijken. Er zijn twee plaatsen waar deze regulatie vooral
plaatsvind:
1. Tussen de G1- en S-fase.
2. Tussen de G2- en M-fase.
Er zijn verschillende eiwitten betrokken bij deze regulatie: cyclin-dependent kinases en cyclines. Een
kinase is een eiwit dat een fosfaatgroep toevoegt aan andere enzymen of eiwitten om deze te
activeren of inactiveren. De cyclin-dependent kinases (CDKs) werken samen met cyclines. Deze CDKs
zijn altijd aanwezig in de cel, maar hun standaard functie is inactief. Ze moeten dus worden
geactiveerd door de cyclines. Het punt van regulatie is dat specifieke cyclines op specifieke tijden
worden gemaakt. Een CDK is alleen actief als het is gebonden aan een specifieke cycline. Complexen:
CDK2 – cycline E, deze activeren de DNA replicatie.
CDK4 – cycline D, deze fosforyleren het eiwit Rb wat dan DNA replicatie niet meer kan
inhiberen.
CDK1- cycline B, deze is in staat om mitose te activeren, ofwel celdeling.
Voor meer informatie over de celcyclus en de regulatie ervan: boek H12.10 (blz 476-480).
,Metabolisme en Energie
Metabolisme is de balans tussen anabolisme (opbouw) en katabolisme (afbraak). Maar hoe worden
de dingen die we eten afgebroken tot energie in het lichaam? Katabolisme:
Uit koolhydraten wordt de glucose eerst omgezet tot pyruvaat en later tot acetyl coA. Acetyl coA
wordt in de TCA cyclus, ofwel citroenzuurcyclus, omgezet tot allemaal verschillende stoffen. Hierbij
komen high energy carriers vrij. Deze high energy carriers worden vervolgens via de electron
transport chain omgezet waarbij ATP en watermoleculen vrijkomen.
Eiwitten worden eerst afgebroken tot aminozuren. Afhankelijk van welke aminozuren dit zijn, komen
deze de cyclus binnen op verschillende plaatsen. Hierbij wordt de aminogroep eerst afgescheiden,
wat een van de afvalproducten in onze urine is.
Vetten bestaan uit een glycerol backbone en 3 vetzuren. Als deze nodig zijn voor energie, worden de
vetzuren afgebroken in delen van twee koolstofatomen. Deze delen betreden de citroenzuurcyclus
op een andere plaats dan de glycerol backbone.
Anabolisme:
Koolhydraten glycogeen.
Eiwitten spieren, herstel.
Vetten vetweefsel
De balans tussen anabolisme en katabolisme wordt gecontroleerd door hormonen. Hormonen
stimuleren:
Katabolisme: glucagon, epinephrine, glucocorticoids, thyroxine en groeihormonen (vetten en
koolhydraten).
Anabolisme: insuline, sekshormonen, thyroxine en groeihormonen.
Sommige reacties zijn omkeerbaar. De omzet van pyruvaat in acetyl coA is echter onomkeerbaar!
Vetzuren kunnen dus nooit worden omgezet in pyruvaat of glucose. Daardoor zal een overmaat van
acetyl coA altijd leiden tot de aanmaak van vetweefsel.
Thermodynamiek
Verschil tussen thermodynamiek en kinetiek:
Thermodynamiek gaat over de spontaniteit van de reactie.
, Kinetiek gaat over de snelheid van de reactie.
Enzymen:
Verhogen de snelheid van de reactie door de activeringsenergie te verlagen.
Worden niet geconsumeerd.
Hebben geen invloed op de ΔG van de reactie.
Kunnen geen endergonische reactie versnellen.
Om endergonische reacties te stimuleren, gebruiken we reactie koppeling. We combineren een niet-
spontane reactie met een spontane reactie, waarbij een tussenproduct D wordt gevormd.
(1) A + B C + D ΔG1 > 0, dus niet spontaan.
(2) D + E F + G ΔG2 < 0, dus spontaan.
Het verbreken van fosforanhydride bindingen levert veel energie op.
Er zijn twee manieren om ATP te gebruiken:
1. ATP wordt omgezet tot ADP en daarna tot AMP. Hierbij worden twee fosforanhydride
bindingen verbroken, en dus levert dit 2x 30.5 kJ op. Het verbreken van de laatste
fosforanhydride binding levert maar 14 kJ op.
2. ATP wordt omgezet tot AMP en PPi. Dit geeft 31 kJ energie vrij. De fosfaatgroepen worden
dan afgebroken, wat 33 kJ energie oplevert.
De hoeveelheid ATP varieert tussen weefsels en de metabolische activiteiten.
Belangrijke termen: Gibbs vrije energie, vrije energie verandering en evenwichtsconstante.
Gibbs-Helmholtz vergelijking
ΔG = ΔH – TΔS
ΔG staat voor de Gibbs vrije energie. Dit is de totale verandering van de vrije energie van het
systeem. Reacties die energie in de wereld vrijlaten hebben een negatieve ΔG, en kunnen
dus spontaan plaatsvinden.
ΔH staat voor de enthalpieverandering, wat te meten is door de warmte van de reactie te
meten. Spontane reacties worden meestal geassocieerd met een negatieve ΔH.
T staat voor de temperatuur in Kelvin, dus de absolute temperatuur.
ΔS staat voor de entropieverandering, ofwel de maat van disorder. Een spontane reactie gaat
meestal samen met een toenemende entropie ofwel een positieve ΔS.
De delta’s (Δ) beschrijven dat het gaat over een verandering over de tijd.
S = kBlnW
kB = de Boltzmann constante
W = het aantal mogelijke statussen van het systeem.
In realiteit is dit heel erg moeilijk te meten, waardoor er altijd wordt uitgegaan van een
entropieverandering.
Endergonische reacties zijn reacties waarbij het systeem Gibbs vrije energie opneemt van de
omgeving.
Exergonische reacties zijn reacties waarbij het systeem Gibbs vrije energie afgeeft aan de omgeving.
