2019
CELBIOLOGIE
1STE BACHELOR BIO-INGENIEUR
KULEUVEN-KIRSTEN
,CELBIOLOGIE
ALLES IN HET UNIVERSUM IS VOORSPELBAAR (FYSICA-CHEMIE-WISKUNDE) BUITEN DE BIOLOGIE
EXAMEN
50% multiple choice vragen
10% beeldvraag (je krijgt een afbeelding waar je een uitleg moet bij geven)
25% mondeling (bij Aertsen of bij De Coninck)
- schriftelijk voorbereiden
- conceptuele vraag
- concepten kan je voorbereiden en details vraagt hij ter plekke (bij Abram)
15% practicum (apart schriftelijk examen
MODULE 1: ORIGIN AND EVOLUTION OF LIFE
VORMING VAN DE AARDE – PREBIOTISCHE WERELD
Inleiding
4,6 miljard jaar geleden: ontstaan aarde
Energie fotosynthese
- Anoxygeen: geen zuurstof (phototrophic bacteriën) ->
zuurstof arme aarde
- Oxygeen: afvalstof zuurstof -> eukaryoten, multi cellen
Het eerste leven
- Oorspronkelijk leefden bacteriën op H2S
hier haalden ze hun energie (= elektronen), anoxiefotosynthese
vormde als bijproduct zwavel, wat zeer giftig en vervuilend was
- Later waren er cyanobacteriën die H2O gebruikte als energiebron, hier haalde ze hun elektronen uit
veel voordeliger dan H2S
bijproduct is O2, is veel beter, heeft een grotere EN -> langere elektronentransportketen
o CO2 en H2O overal aanwezig, perfecte energiebron
o Zuurstof werd hiervoor niet gebruikt, gat in de markt
CO2 + H2O → Energie + O2
- De aarde werd stilaan geoxygeneerd
o Naarmate de zuurstofconcentratie stijgt, beginnen cellen zuurstof als energiebron te gebruiken
= TEA (terminale elektron acceptor)
o Dankzij deze redoxreactie kwam veel meer energie vrij uit zuurstof
Dit heeft echter een grote EN waarde en is hierdoor een goede TEA terminale elektron acceptor
in redoxreacties. Het gevolg hiervan is dat er complexere organismen gevormd kunnen
worden. Daarbij kunnen de eencellige organismen zich richten op andere dingen. Door deze
overschot aan energie ontstonden de eukaryoten organismes ofwel de meercellige
1
Kirsten Van Gils
, o “Division of labour”/ arbeidsdeling, taken werden verdeeld → de sleutel tot een efficiënter
leven
o Door de aanwezigheid van zuurstof konden verbrandingsreacties ook opgaan en vonden er
natuurlijke experimenten plaats (bv. de verbranding van koolwaterstoffen)
o Eerst gereduceerde atmosfeer → later O2 in atmosfeer + UV - licht → O3 in atmosfeer.
De zuurstof 'afval' zorgde er ook voor dat onze ozonlaag ontstond, die blokkeerde het
schadelijke UV-licht en zonnestraling, zodat er leven mogelijk was op het aardoppervlak en niet
enkel in de oceanen.
o Opgelet: O2 is zeer reactief (ROS = reactive oxigen species) tast hierdoor het DNA aan (double
stand breaks). Om deze reden is er een selectiedruk om de nucleuos en ER aan te maken om
het DNA te beschermen (ontstaan uit membraan van prokaryoten cel). Daarbij is er een fusie
van twee eukaryoten die zorgen voor de diploïdoteot om de ‘double stand breaks’ te repareren
(er is zo altijd een reservekopie beschikbaar)
o ijzer wordt geoxideerd → vorming steenlagen-
intermezzo: Vanaf dat er zuurstof (O) in een molecuul zit wordt deze als geladen gezien
- Phototrophic
= zonlicht oogsten om dat om te zetten in energie
o Het metabolisme is geëvolueerd, er was veel energie aanwezig: leven heeft een manier
gevonden om die om te zetten in chemische E (ATP) en met warmte E
- Aarde is ontstaan door het samenklitten van meteorieten tijdens de Big Bang
o één grote vuurbal die geleidelijk aan afkoelde → leven kon beginnen
o Veel stormen en blikseminslagen
- Leven heeft ervoor gezorgd dat de entropie (een maat van wanorde, of de afname van bruikbare
energie. De entropie neemt toe tot een maximum. Met het verloop van de tijd vallen alle fysische
systemen uit elkaar; alles neigt tot wanorde.) wordt tegengegaan door energievormen om te zetten
naar chemische energie. (bv. fototrofie)
De fotosynthese reactie
O2 + C6H12O6 (+ activatie energie) → H2O + CO2 + warmte (verlies)
- Normaal gaat de reactie energie die vrijkomt vanuit redoxreacties verloren aan warmte. Het leven heeft
deze energie weten te isoleren en kunnen omzetten naar chemische energie voor het verloren gaat in
warmte energie. Deze chemische energie komt voor in de vorm van ATP en NADH. Warmte is de laatste
energie vorm en zeer moeilijk te oogsten of te gebruiken.
- Cellen zijn dicht genoeg bij zonlicht en evolueren zodat ze energie kunnen halen uit de fotonen van het
zonlicht.
- De reden waarom nog niet alle reacties gebeurd zijn is dankzij de activatie energie.
2
Kirsten Van Gils
,BELANGRIJKE COMPONENTEN VAN DE BASIS CEL
Membraam
- Kop: hydrofiel (met veel waterkoolstoffen)
- Staart: hydrofoob (met O)
- Vorming van een (dubbel) membraan → gesloten
compartiment.
DNA (desoxyribonucleïnezuur; genetisch informatiesysteem)
- dubbele helix (gebonden door H2 bruggen)
- OH groep minder dan Ribose
- via transcriptie RNA maken
- zit veilig in de kern
- “bewaakt code”
- Basen: adenine A, thymine T, guanine G, cytosine C
- basenparen: A-T (dubbele H2-brug) en C-G (drievoudige
H2-brug)
- Fosfaatgroepen
➔ (synthese) RNA = replicatie enkelstreng, enkelstreng
- enkele streng/(helix)
- transporteert de erfelijke informatie + uitvoerende macht
- heeft nog een OH groep in tegenstelling tot DNA
- via translatie, door ribosomen, proteïnen synthetiseren
- uracil ipv thymine
- Mogelijks is het leven gestart dankzij RNA [ribosime
(enzyme) als katalyse]
- kan veel meer functies uitvoeren dan DNA door soort
combo van proteïnen en DNA
➔ (synthese) proteïnen/ eiwitten/
enzymen = functie/ uitvoerder,
aaneenschakeling van verschillende
aminozuren = allemaal polymeren,
kan je informatie insteken
Polymeren
- Eiwitpolymeren: sequentie van
aminozuren: dicteert vouwing
van een eiwit/3D
moeten hiermee een functie
uitvoeren
- DNApolymeren: sequentie van
basen: informatiedrager
(identiek kopiëren)
d.m.v. base complementair en
dubbelstreng; A-T, G-C
3
Kirsten Van Gils
,THE MILLER-UREY EXPERIMENT
EXPERIMENTELE VOORSTELLING VAN ONTSTAAN LEVEN OP AARDE , BIOTISCHE LEEFWERELD
Van geosfeer naar biosfeer
- aarde is afgekoeld
- elektrische vonk (bliksem) splitst oorspronkelijk
voorradige moleculen en vormt organische
moleculen uit anorganische
- In de oersoep zijn er dus organische moleculen
gecreëerd volgens de chemische wetten
Het leven kan abiotisch gevormd worden, geen
God nodig!
- Deze moleculen konden na activatie (bliksem) zich
organiseren op een oppervlak (kleilaag met speciale
rasterstructuur, delen negatieve geladen RNA blijft
aan de positieve geladen klei kleven)
aaneenschakeling basenparen
Zo onstaan uit deze monomeren een relatief korte RNA molecule, een polymeer.
- TRIAL AND ERROR: door toevalligheid van de juiste schikking en de juiste hoeveelheid,
Strengen kunnen loskomen van klei en andere complementaire uitgangstoffen aantrekken
RNA gaat door de wetten van de thermodynamica zich steeds opvouwen
bepaalde 3D-structuur wordt gecreëerd die enzymatische/proteïne activiteit doet ontstaan
(puur toeval, meeste strengen hebben geen enkel nut)
gevormde (werkende) RNA-sequenties versnellen andere processen
primitieve RNA replicase
Replicator
toeval: verdubbelt andere RNA-sequenties leidt tot niets
MAAR: stel replicatoren in afgesloten membraan met geen enkele andere structuur = compartiment
Compartimenten: puur abiotisch, vetzuren/lipiden bij elkaar komen, scheiding buitenwereld
Wanneer een replicase zich zelf tegenkomt kan hij zichzelf repliceren
RNA strengen vallen uit elkaar en maakt complementair nieuwe strengen aan
-streng enkel informatie bevatten voor de + streng
+streng is de replicase, het enzym/ eiwit
Na voldoende groei en replicatie in compartiment afsplitsing van protocel
ZELFREPLICATIE = START EVOLUTIE -> begin van het leven
Vorming membraan/ compartiment= vorming cel
- Fosfolipiden concentreren zich zodanig dat hydrofiele kop richting water en hydrofobe staart richting
elkaar geörienteerd liggen
bij genoeg aanrijking kan er een membraan ontstaan
4
Kirsten Van Gils
,Na telkens te reproduceren ontstaan mutaties
Meestal zinlose/slechte mutaties
Af en toe goede mutaties
Bv. sneller, sterker kan bv. meer nutrienten naar zich toetrekken
meer kans op overleven
= wet van de sterkste
= kracht evolutie
‘Als je kan repliceren, ben je van natuurlijke selectie af, niets is zo sterk als zelfreplicatie en natruulijke
selectie, dit is het recept voor het leven’
Twee voorwaarden voor het ontstaan van het leven:
- Zelfreplicatie
o Compartiment zodat je enkel jezelf gaat repliceren en geen anderen. Anders dun je alleen je
eigen populatie uit en is de kans op overleven kleiner.
- Toevallige mutaties/variaties natuurlijke selectie
o Evolutie leeft voort tot perfectie is nagestreven
o Mutaties kunnen ook zorgen voor de mogelijkheid om enzymen tot een totaal ander substraat/
omgeving te wenden
o Ontstaan van metabolisme
Maar ja, het kan evengoed zijn dat er eerst een metabolisme was en dan pas de genetica
5
Kirsten Van Gils
,RNA-WERELDHYPOTHESE
Vroeger stadium: protocellen
eerste protocellen waarschijnlijk alleen RNA
af te leiden uit de functies van het RNA
RNA zowel informatiedrager (d.m.v. basen) als uitvoerende functie (d.m.v. enkelstreng)
RNA zorgt voor 3D-structuuur in ribosoom: nodig om reacties uit te lokken
RNA heeft een complementaritieit (base zijn complementair )
membraam belangrijk voor zelfreplicatie anders zou 1 RNA alles gaan verdubbelen
behalve zichzelf (animatie: rode bol ) Rode bol animatie
Kan zichzelf dupliceren ( PCR-susyeem enkel bij nuceleïnezuren)
Later zouden pas de functies van RNA opgesplitst worden/ specialisatie van de functies
o Erfelijke funtie DNA
o Katalytische functie eiwitten/proteïnes
o ATP/ADH als energiedragers
Bewijs voor deze theorie:
o de functies van het RNA
o opbouw van ribosomen
De ribosomen zijn voor een groot deel opgebouwd uit RNA
→ dit betekent dat de ribosomen een soort van samenplaatsing zijn van een RNA molecule dat
nieuwe stoffen kan produceren (ribosoom = koppeling tussen info en eiwit)
FROM RNA TO DNA WORLD
Waarom DNA? Beter + veiliger
- Base, stabieler zonder OH-groep en stabieler met de dubbelstreng
- Volledig toeleggen op informatie overdracht
6
Kirsten Van Gils
,Virussen: Wereld gedomineerd door micro organisme
- Geen cel op zich = eiwitmantel (capside) met nucleïnezuur (RNA/DNA)
- cel infecteren, chromosoom inspuiten dwingen om te repliceren, zelf geen ribosomen, programmeert
cel tot malen van alle eiwitten nodig voor het virus = lytische cyclus
- Kan zich ook inbouwen in het chromosoom van de gastheercel = lysogene cyclus
- Niet levend, wordt pas levend als het een cel heeft = obligate parasiet
➔ virussen veroorzaken mutaties (fout in het DNA)
Conditie veranderen: selecteren welke cel best overleeft, met bepaalde mutatie = EVOLUTIE
Substraat (leefomgeving + voedsel + …) veranderen: selectief voordeel moet geen competitie aangaan want
andere cellen kunnen niet op dat bepaald substraat = EVOLUTIE
Cel evolueert om te ontsnappen aan het virus, maar het virus evolueert ook
➔ evolutie heeft verschillende snelheden! Evolutie tegen evolutie! Populatie tegen populatie!
Zeer snel! (parasiet en gastheer veranderen zo snel om elkaar te slim af te zijn dat er eigenlijk
niks veranderd (super versnelling van de evolutie)
zowel mutant virussen als mutant cellen, hierdoor krijgen we evolutie op evolutie (lytische/ lysogene cyclus)
In de tijd gaat hierdoor de ene keer de populatie van de virussen hoog zijn en andere keer die
van de cellen, o.w.v. mutatie en evolutie
Hoe kunnen virussen ervoor zorgen dat ze niet kapot worden geknipt door de restrictie enzymen van de
gastheercel?
- RNA virussen vermomt zijn RNA door ‘DNA’, kleine wijziging in het RNA, hydroxyl groep (OH-groep)
weg geknipt door bepaald enzyme in het virus en omgezet naar H, hierdoor niet meer zichtbaar voor
de restrictie enzymes van de cel
- DNA heel stabiel, voordeel!
- Virussen bouwen hun ‘DNA’ in gastheercel, hierdoor evolueerde de gastheercel ook in ‘DNA’
DNA RNA
= desoxyribonucleïnezuur = ribonucleïnezuur
Basen: dubbele binding, waterstofbruggen Basen: dubbele binding, waterstofbruggen
A-T (adenine – thymine) A-U (adenine – uracil)
G-C (guanine – cytosine) G-C (guanine – cytosine)
Fosfaatgroep(en) Fosfaatgroep(en)
Desoxyribose groep Desoxyribose
Dubbelstreng helix Enkel stren
7
Kirsten Van Gils
,THE TREE OF LIFE
LUCA: laatste gemeenschappelijke voorouder/ last universal common ancestor
= eencellig organisme, 3 tot 4 miljard jaar geleden (men probeert de eigenschappen van LUCA te
reconstrueren maar er is geen duidelijke overeenstemming hierover, bevat het RNA/DNA? )
- Het is opvallend dat al het leven op aarde al deze eigenschappen gemeenschappelijk heeft. (RNA en/of
DNA, proteïnen) Met name dat vrijwel universele genetische code wijst op het bestaan van een
gezamenlijke voorouder
- Luca was niet de eerste primitiefste levensvorm. Er wordt verondersteld dat er in die periode veel
meer leven was. De nakomelingen van de andere organismen zijn echter uitgestorven)
Prokaryoten
- Archaea en Bacteriën
meer primitieve celstructuur dan eukaryoten
- Kunnen in de meest extreme situaties leven
(in tegenstelling tot eukaryoten)
o Oerbacteriën gevonden in vulkanische warmwaterbronnen
- meestal kleiner dan eukaryoten
meer toegang tot de buitenwereld dan bij grote straal
het is gemakkelijker voor voedingsstoffen en uitwisseling met uitwendig milieus
o groeien hierdoor ook veel sneller
(Bacteriën overgroeien bv altijd gistcellen)
- opm: de cyanobacteriën van vroeger zijn eigenlijk proto cyanobacteriën aangezien ook zij evolueren (zie
endospore)
- Archaea:
Hebben een membraan dat thermisch veel stabieler is door covalent gebonden fosfolipiden
Is beter op hoge temperaturen en voor extreme situaties.
8
Kirsten Van Gils
, Eukaryoten
- Plantencellen en dierlijke cellen
- veel complexere structuren
(door aanwezigheid van energierijke zuurstof)
- ontstaan uit een gemeenschappelijke voorouder met Archaea
o Veel gelijkaardige celorganellen
gelijkaardig replicatie mechanisme als de archaea
o verschillend van bacteriën antibiotica inhiberen niet de menselijke DNA replicatie
o Celmembraan van de eukarya is gelijkaardig aan dat van de
bacteriën ipv Archaea (gunstiger)
Sommige cellen hebben na opname van een bacterie
(endosymbiose) ook het membraan van de bacterie
overgenomen. = gunstiger, natuurlijke selectie
Rigider celmembraan van archeae had geen voordeel
meer omdat de prokaryote in een lilieu leeft met minder
extreme temperaturen
Het membraan van de archaea heeft een
fosfolipidenlaag waarbij de hydrofobe staarten
gebonden zijn waardoor er niet een echte dubbellaag is.
o Door instulpen van het membraan is hoogstwaarschijnlijk een
tweede membraansysteem ontstaan binnen in de cel
Endoplasmatisch reticulum (ER)
o mitochondriën en chloroplasten
Eukaryote plantencellen Eukaryote dierlijke cellen
- Grote vacuole - Geen/kleine vacuole
- Celwand - Geen celwand
- Chloroplasten - Geen chloroplasten
- 2 kernmembranen, waarvan buitenste in
contact staat met het ER
Celgrootte
Volume pro. < Volume euk.
→ grotere stof uitwisseling oppervlakte
Hoe groter cel, hoe kleiner verhouding celoppervlak tot inhoud
→ proportioneel minder stofuitwisseling
→ minder groei
⇒ cellen evolueren naar evenwicht waar verhouding
𝑆𝑡𝑜𝑓𝑢𝑖𝑡𝑤𝑖𝑠𝑠𝑒𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑜𝑝𝑝.
voor hun optimaal is
𝐶𝑒𝑙𝑔𝑟𝑜𝑜𝑡𝑡𝑒
(verschilt van cel soort tot cel soort, dus in geval prokaryoten
is de verhouding groter, want cel is kleiner)
𝑆𝑡𝑜𝑓𝑢𝑖𝑡𝑤𝑖𝑠𝑠𝑒𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑜𝑝𝑝. 𝑆𝑡𝑜𝑓𝑢𝑖𝑡𝑤𝑖𝑠𝑠𝑒𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑜𝑝𝑝.
pro. > euk.
𝐶𝑒𝑙𝑔𝑟𝑜𝑜𝑡𝑡𝑒 𝐶𝑒𝑙𝑔𝑟𝑜𝑜𝑡𝑡𝑒
→ meer stofuitwisseling bij prokaryoten in verhouding tot hun cel inhoud
→ snellere groei
9
Kirsten Van Gils
