Biochemie I: biomoleculen en katalyse
Deel 1: Het moleculair ontwerp van het leven
1. Leven in een notendop
1.1 Onder biologische diversiteit schuilt een biochemische eenheid
Biochemie:
• Tak van wetenschap die zich bezighoudt met de studie van de onderliggende moleculaire en
cellulaire processen die het leven ondersteunen
Geschiedenis:
• 4,6 biljoen jaar in een klok van 24 uur
• 00.00 → ontstaan van Aarde
• 05.00 → eerste prokaryoten
• 16.00 → vooral ééncellige zijn aanwezig (eerst prokaryoten, daarna eukaryoten)
• 20.30 → eerste meercellige organismen + eerste algen
• 21.04 → eerste schaaldieren
• 22.00 → eerste planten + kort gevolgd door eerste landdieren
• 22.30 → uitgestrekte bossen bedekken de Aarde
• 23.00 → dinosaurussen → beheerste de planeet voor 45 minuten + kort gevolgd door eerste
zoogdieren
• 23.58,43s → primaten (apen)
• 23.59,57s → eerste mensen
LUCA:
• = Last Universal Common Ancestor
• Proteobacteria → zorgen voor ontstaan van mitochondria
• Cyanobacteriën → zorgen voor ontstaan chloroplasten
• Virussen worden niet gezien als levend organismen want ze hebben een gastheer nodig om
zich te kunnen voortplanten
1
,1.1.1 Wat kunnen we zeggen over het leven?
Biologische diversiteit:
• Het leven wordt gekenmerkt door een enorme biologische diversiteit
• Er zijn ongeveer 8,7 miljoen verschillende levende soorten op aarde die er allemaal heel
anders uit zien → perfect aangepast aan hun habitat
Cellulair bestaan:
• Elk levend organisme bestaat uit 1 of meerdere individuele cellen
• Ontwikkeling van microscoop was nodig om deze te kunnen bestuderen
Moleculair ontwerp:
• Op moleculair niveau zijn levende organismen zeer vergelijkbaar → MAAR subtiele,
belangrijke verschillen bestaan nog steeds
• Ontwikkeling van biochemische wetenschappen was nodig om dit te kunnen bestuderen
Biologische eenheid:
• Vindt zijn oorsprong bij biologische diversiteit!
• Ook al lijken twee organismen heel anders, de processen die plaatsvinden op cellulair en
moleculair niveau zijn vaak zeer vergelijkbaar (of zelfs identiek)
• De diversiteit die het leven biedt, heeft onderliggende cellulaire, moleculaire en vooral
mechanistische aspecten die behouden blijven in alle domeinen van het leven
• De fundamentele bouwstenen van het leven (cellen, moleculen) worden gebruikt binnen een
gemeenschappelijk biochemisch kader
1.2 Biologische moleculen zijn ontstaan uit anorganische materialen
1.2.1 Als organische moleculen nodig waren om cellen te bouwen en het leven in
stand te houden, waar kwamen dan de eerste organische moleculen vandaan?
Prebiotisch tijdperk:
• Tijdperk voordat er organische moleculen waren
Hypothese 1: abiotische/anorganische origine
Experiment door Stanley Miller (1953):
• 500 ml water (→ oceaan) koken om stoom te produceren
• Anoxisch gasmengsel van CH4, NH3, H2 (→ atmosfeer)
• Stoom (H2O) vermengt zich met atmosfeer
• 60.000 volt vonk (→ bliksem)
• Condensor koelt gassen om vloeibaar water te produceren
(→ regen)
• Recirculatie om het proces continu te laten draaien
2
,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
• 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 AZ, 7 organozwavelverbindingen, lipiden, enz.)
Hypothese 2: Buitenaardse origine
• Ruimtemissies identificeerden komeetstof dat organische stoffen bevat die men gevonden
had op aarde
• Organische verbindingen afkomstig van ruimte die via kometen en meteoren naar de aarde
worden gebracht
Hypothese 1? Hypothese 2? Combinatie van beide?
• Eindresultaat was de creatie van een oersoep
o = Oplossing rijk aan organische verbindingen in de primitieve oceanen van de aarde,
waarvan men denkt dat het leven is ontstaan
• Verschillende organische verbindingen worden gekenmerkt door hun functionele groepen
• Reacties tussen biomoleculen mogen vrij plaatsvinden
• Condensatiereacties genereerden polymeren met biologische activiteit van monomeren
bouwstenen
1.3 Levende organismen hebben een cellulair bestaan
Ontstaan van cellen:
• Lipide-achtige moleculen in de oersoep vormden ingesloten blaasjes waardoor verschillende
biomoleculen werden gevangen en opgesloten in een ruimte → ontstaan van LUCA
• Opkomst van de prokaryoten:
o Bevatten twee van de drie levensdomeinen bevat
- Bacteriën
- Archaea
• Evolutie op verschillende manieren leidt tot het metaboliseren van verbindingen
Anaerobe prokaryoten:
• Aarde was zuurstofloos
• Waarschijnlijk extremofielen
• Waarschijnlijk chemotrofen
• Chemo heterotrofen gevolgd door chemo autotrofen
→ Ze konden dus leven in extreme omstandigheden en zonder zuurstof
3
, Opkomst van fototrofen:
• Door ontstaan van fotosynthese (evolutie)
• Eerste ontstond de anoxygene fotosynthese:
o CO2 + H2S → (CH2O)n + S0
o CO2 + S0 → (CH2O)n + SO42-
• Daarna de oxygene fotosynthese (met behulp van de cyanobacteriën → chloroplasten):
o 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
• Eerste was de zuurstofconcentratie laag
• Daarna volgende er een stijging door de fotosynthese → 20%
o Veroorzaakte een zuurstofholocaust → O2 was giftig voor anaerobe organismen
o Er ontstond een selectie van aerobe organismen
Toenemende metabolische diversiteit en complexiteit:
• Voedingsbehoeften van organisme weerspiegelt de bron van metabolische energie
o Zie begrippen (chemotrofen en autotrofen)
• Meer “opbergruimte” nodig (want meer DNA, meer eiwitten en meer metabolieten)
→ cellen beginnen uit te breiden en worden groter
o Hiervoor zijn extra aanpassingen nodig
- → zie aanpassingen
Begrippen:
Chemotroof:
• Een organisme dat verkrijgt energie van de oxidatie van een chemische brandstof
(organische of anorganische verbindingen)
• Kunnen verder verdeeld worden op basis van:
o Type brandstof dat ze oxideren
o Type molecule dat ze gebruiken als koolstofbron voor groei en generatie van de
biomassa (organisch cellulair materiaal)
Chemo autotroof:
• verkrijgen energie van de oxidatie van anorganische verbindingen (zoals NH3 of H2S) en
gebruiken CO2 als koolstofbron voor groei en synthese van biomassa
Chemo heterotroof:
• verkrijgen energie van de oxidatie van organische verbindingen en gebruiken andere
organische verbindingen dan CO2 als koolstofbron voor groei en synthese van biomassa
Fototroof:
• Een organisme dat verkrijgt energie uit licht
• Kunnen verder verdeeld worden op basis van:
o Type molecule dat ze gebruiken als koolstofbron voor groei en generatie van de
biomassa (organisch cellulair materiaal)
4
Deel 1: Het moleculair ontwerp van het leven
1. Leven in een notendop
1.1 Onder biologische diversiteit schuilt een biochemische eenheid
Biochemie:
• Tak van wetenschap die zich bezighoudt met de studie van de onderliggende moleculaire en
cellulaire processen die het leven ondersteunen
Geschiedenis:
• 4,6 biljoen jaar in een klok van 24 uur
• 00.00 → ontstaan van Aarde
• 05.00 → eerste prokaryoten
• 16.00 → vooral ééncellige zijn aanwezig (eerst prokaryoten, daarna eukaryoten)
• 20.30 → eerste meercellige organismen + eerste algen
• 21.04 → eerste schaaldieren
• 22.00 → eerste planten + kort gevolgd door eerste landdieren
• 22.30 → uitgestrekte bossen bedekken de Aarde
• 23.00 → dinosaurussen → beheerste de planeet voor 45 minuten + kort gevolgd door eerste
zoogdieren
• 23.58,43s → primaten (apen)
• 23.59,57s → eerste mensen
LUCA:
• = Last Universal Common Ancestor
• Proteobacteria → zorgen voor ontstaan van mitochondria
• Cyanobacteriën → zorgen voor ontstaan chloroplasten
• Virussen worden niet gezien als levend organismen want ze hebben een gastheer nodig om
zich te kunnen voortplanten
1
,1.1.1 Wat kunnen we zeggen over het leven?
Biologische diversiteit:
• Het leven wordt gekenmerkt door een enorme biologische diversiteit
• Er zijn ongeveer 8,7 miljoen verschillende levende soorten op aarde die er allemaal heel
anders uit zien → perfect aangepast aan hun habitat
Cellulair bestaan:
• Elk levend organisme bestaat uit 1 of meerdere individuele cellen
• Ontwikkeling van microscoop was nodig om deze te kunnen bestuderen
Moleculair ontwerp:
• Op moleculair niveau zijn levende organismen zeer vergelijkbaar → MAAR subtiele,
belangrijke verschillen bestaan nog steeds
• Ontwikkeling van biochemische wetenschappen was nodig om dit te kunnen bestuderen
Biologische eenheid:
• Vindt zijn oorsprong bij biologische diversiteit!
• Ook al lijken twee organismen heel anders, de processen die plaatsvinden op cellulair en
moleculair niveau zijn vaak zeer vergelijkbaar (of zelfs identiek)
• De diversiteit die het leven biedt, heeft onderliggende cellulaire, moleculaire en vooral
mechanistische aspecten die behouden blijven in alle domeinen van het leven
• De fundamentele bouwstenen van het leven (cellen, moleculen) worden gebruikt binnen een
gemeenschappelijk biochemisch kader
1.2 Biologische moleculen zijn ontstaan uit anorganische materialen
1.2.1 Als organische moleculen nodig waren om cellen te bouwen en het leven in
stand te houden, waar kwamen dan de eerste organische moleculen vandaan?
Prebiotisch tijdperk:
• Tijdperk voordat er organische moleculen waren
Hypothese 1: abiotische/anorganische origine
Experiment door Stanley Miller (1953):
• 500 ml water (→ oceaan) koken om stoom te produceren
• Anoxisch gasmengsel van CH4, NH3, H2 (→ atmosfeer)
• Stoom (H2O) vermengt zich met atmosfeer
• 60.000 volt vonk (→ bliksem)
• Condensor koelt gassen om vloeibaar water te produceren
(→ regen)
• Recirculatie om het proces continu te laten draaien
2
,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
• 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 AZ, 7 organozwavelverbindingen, lipiden, enz.)
Hypothese 2: Buitenaardse origine
• Ruimtemissies identificeerden komeetstof dat organische stoffen bevat die men gevonden
had op aarde
• Organische verbindingen afkomstig van ruimte die via kometen en meteoren naar de aarde
worden gebracht
Hypothese 1? Hypothese 2? Combinatie van beide?
• Eindresultaat was de creatie van een oersoep
o = Oplossing rijk aan organische verbindingen in de primitieve oceanen van de aarde,
waarvan men denkt dat het leven is ontstaan
• Verschillende organische verbindingen worden gekenmerkt door hun functionele groepen
• Reacties tussen biomoleculen mogen vrij plaatsvinden
• Condensatiereacties genereerden polymeren met biologische activiteit van monomeren
bouwstenen
1.3 Levende organismen hebben een cellulair bestaan
Ontstaan van cellen:
• Lipide-achtige moleculen in de oersoep vormden ingesloten blaasjes waardoor verschillende
biomoleculen werden gevangen en opgesloten in een ruimte → ontstaan van LUCA
• Opkomst van de prokaryoten:
o Bevatten twee van de drie levensdomeinen bevat
- Bacteriën
- Archaea
• Evolutie op verschillende manieren leidt tot het metaboliseren van verbindingen
Anaerobe prokaryoten:
• Aarde was zuurstofloos
• Waarschijnlijk extremofielen
• Waarschijnlijk chemotrofen
• Chemo heterotrofen gevolgd door chemo autotrofen
→ Ze konden dus leven in extreme omstandigheden en zonder zuurstof
3
, Opkomst van fototrofen:
• Door ontstaan van fotosynthese (evolutie)
• Eerste ontstond de anoxygene fotosynthese:
o CO2 + H2S → (CH2O)n + S0
o CO2 + S0 → (CH2O)n + SO42-
• Daarna de oxygene fotosynthese (met behulp van de cyanobacteriën → chloroplasten):
o 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
• Eerste was de zuurstofconcentratie laag
• Daarna volgende er een stijging door de fotosynthese → 20%
o Veroorzaakte een zuurstofholocaust → O2 was giftig voor anaerobe organismen
o Er ontstond een selectie van aerobe organismen
Toenemende metabolische diversiteit en complexiteit:
• Voedingsbehoeften van organisme weerspiegelt de bron van metabolische energie
o Zie begrippen (chemotrofen en autotrofen)
• Meer “opbergruimte” nodig (want meer DNA, meer eiwitten en meer metabolieten)
→ cellen beginnen uit te breiden en worden groter
o Hiervoor zijn extra aanpassingen nodig
- → zie aanpassingen
Begrippen:
Chemotroof:
• Een organisme dat verkrijgt energie van de oxidatie van een chemische brandstof
(organische of anorganische verbindingen)
• Kunnen verder verdeeld worden op basis van:
o Type brandstof dat ze oxideren
o Type molecule dat ze gebruiken als koolstofbron voor groei en generatie van de
biomassa (organisch cellulair materiaal)
Chemo autotroof:
• verkrijgen energie van de oxidatie van anorganische verbindingen (zoals NH3 of H2S) en
gebruiken CO2 als koolstofbron voor groei en synthese van biomassa
Chemo heterotroof:
• verkrijgen energie van de oxidatie van organische verbindingen en gebruiken andere
organische verbindingen dan CO2 als koolstofbron voor groei en synthese van biomassa
Fototroof:
• Een organisme dat verkrijgt energie uit licht
• Kunnen verder verdeeld worden op basis van:
o Type molecule dat ze gebruiken als koolstofbron voor groei en generatie van de
biomassa (organisch cellulair materiaal)
4
