Farmaceutische wetenschappen Bach1
Cel- en weefselbiologie
Deel 1: Inleiding tot de celbiologie
1. Ontstaan van eukaryote cellen
De aarde ontstond 4,6 miljard jaar geleden
Eerste sporen van leven op aarde aangetroffen 3,4-3,5 miljard jaar geleden (rots in Afrika)
Die aanwezigheid suggereert dat er foto-autotrofie bestond
o Foto-autotrofie: organismen die zichzelf van voedsel voorzien (energie uit zonlicht)
o nCO2 + nH2O + E —> (CH2O)n + nO2
o Bovenstaande omzetting kan in aanwezigheid van een fotosynthetisch pigment
o Zuurstofmoleculen komen vrij
De organismen die tot op dat moment in de evolutie ontstaan waren, zijn cellen met een betrekkelijk
eenvoudige structuur, en gekenmerkt door:
Een celmembraan omgeven door een celwand
Het cytosol waarin alle katabole en anabole activiteiten uitgevoerd worden
Deze groep worden prokaryoten genoemd en omvat 2 domeinen:
De Archaea
De Bacteria
De eukarya of eukaryoten (ontstaan uit Archaea-achtige voorouders)
Na een aantal adaptaties ontstaan:
o Een uitgebreid systeem van interne cytomembranen (groot volume +
kernenvelop)
o Een cytoskelet met bijhorende motorische systemen (celcompartimentering
+ beweging)
o De complexe organisatie van het genoom en de strikte ruimtelijke scheiding
van transcriptie en translatie (gespecialiseerde eiwitten, celtypes, …)
o Het ontstaan van mitochondria, peroxisomen en plastiden (interiorisatie van
respiratie en energieproductie)
Voornaamste verschillen tussen pro- en eukaryote cellen:
PROKARYOOT EUKARYOOT
Uitsluitend eencellig Eencellig of meercellig
Celmembraan én celwand Celmembraan
Geen kern Kern
Circulair chromosoom in cytosol Chromosoom in kern
Niet gecompartimenteerd Organellen
Deling door doorsnoering Deling door mitose of meiose
De verschillen tussen beide types
cellen worden op de afbeelding
weergegeven:
,Farmaceutische wetenschappen Bach1
2. De chemische bouwstenen van cellen
De 4 meest voorkomende biologische macromoleculen (opgebouwd uit kleinere monumeren):
Eiwitten
o Lineaire polymeren
o Bestaan soms uit tienduizenden aminozuren
o Gebonden door peptidebindingen
o Langere ketens = polypeptiden (tot 4000 AZ)
o Driedimensionale structuur
o Individuele aminozuren = residu
o Karakteristieke structuur:
Centraal koolstofatoom
4 verschillende chemische groepen:
Een amino (NH2) groep
Een carboxyl (COOH) groep
Een waterstof (H) atoom
Een variabele groep (R) die de verschillende aminozuren
onderscheidt en bepaalde chemische karakteristieken toekent
o Aan 1 uiteinde een aminogroep (N-terminus)
o Aan andere uiteinde carboxylgroep (C-terminus)
o Alle aminozuren (behalve glycine) bestaan als optische isomeren (L-vorm)
Primaire structuur: opeenvolging aminozuren
Secundaire structuur: door opvouwen van gelokaliseerde gedeelten
Tertiaire structuur: conformatie (vorming unieke driedimensionale structuur) van polypeptideketen
Quaternaire structuur: beschrijft aantal en relatieve posities van subunits (multimere eiwitten
bestaan uit 2 of meer polypeptiden of subunits)
o Opvouwen wordt soms bijgestaan door chaperone-eiwitten
o Wanneer de natuurlijke confirmatie verbroken wordt (temperatuursverhoging)
spreekt men van denaturatie
Nucleïnezuren (zie bouw DNA)
Polysachariden
o Bouwstenen zijn eenvoudige suikers of monosachariden
o Monosachariden: koolhydraten, covalent gebonden combinaties C en H 2O (CH2O)n
o In waterige omgeving vaak ringstructuur waarbij een aldehyde (zoals in glucose) of
een keton (zoals in fructose) groep reageert met een hydroxylgroep
o De eenvoudigste polysachariden bestaan uit 2 monosachariden (bv maltose, sucrose)
o Voorbeelden van polysachariden: glycogeen, zetmeel en cellulose
o Eiwitten en koolhydraten komen vaak in combinaties voor
o Glycoproteïnen zijn eiwitten met covalent gebonden koolhydraatketens
o Proteoglycanen zijn eiwit-koolhydraten combinaties met gespecialiseerde
polysacharideketens (glycosaminoglycanen)
,Farmaceutische wetenschappen Bach1
Vetten (lipiden)
o Strikt gesproken horen ze niet in het rijtje thuis -> worden niet door stapsgewijze
polymerisatie gevormd
o Zijn wel even belangrijk in de eukaryote cel
o Chemische structuur:
Vetzuren: bestaan uit hydrofobe koolwaterstoffen gehecht aan
carboxylgroep (-COOH), afhankelijk van of er geen, één of meerdere dubbele
bindingen zijn, spreekt men van (on)verzadigd of poly-onverzadigde
(beïnvloedt de fluïditeit van celmembranen) vetzuren
Triglyceriden: glycerol moleculen gebonden aan 3 vetzuurketens
Fosfolipiden: fosfoglyceriden en sfingolipiden
Glycolipiden: vgl met fosfolipiden maar met koolhydraatgroep ipv
fosfaatgroep
Steroïden: belangrijkste vertegenwoordiger in menselijk lichaam: cholesterol
Terpenen: bv de carotenoïden zoals provitamine A; veel plantgeproduceerde
terpenen hebben therapeutische effecten (taxol)
3. De energiehuishouding in de cel
Cellen kunnen niet overleven zonder energiebron en bron van chemische bouwstenen, kleine
moleculen waaruit bv eiwitten, nucleïnezuren en polysachariden worden gesynthetiseerd.
Voedsel, hetzij fototroof (geproduceerd door organismen), hetzij chemotroof (opgenomen door
organismen), bevat zowel deze energiebron als deze bouwstenen.
Elke taak die een cel moet uitvoeren vereist een reeks reacties, in een bepaalde volgorde, waarbij
elke reactie gewoonlijk gekatalyseerd wordt door een ander enzym.
Het geheel van reacties dat plaatsvinden = metabolisme van een cel
Metabolische pathways zijn van 2 types:
Deze betrokken bij synthese (opbouw): anabolische pathways, vragen energie
Deze betrokken bij afbraak: katabolische pathways, geven energie vrij
In bijna alle cellen is de molecule ATP (adenosinetrifosfaat) aanwezig. Afsplitsing van een
fosfaatgroep door hydrolyse (reactie met water) van ATP geeft aanleiding tot ADP
(adenosinetrifosfaat difsfaat), en geeft energie vrij; synthese van ATP vanuit ADP vergt energie.
Stralingsenergie van de zon wordt omgezet in chemische energie tijdens fotosynthese:
ATP wordt aangemaakt door splitsing van water met vrijgave van zuurstof.
Daarna wordt ATP gebruikt voor aanmaak van koolhydraten (= anabole reactie) die dienen
als voedsel voor zowel fototrofen als chemotrofen..
In aanwezigheid van zuurstof worden de voedselcomponenten geoxideerd (oxidatie =
elektronen onttrekken) elektronen worden overgedragen op elektronenacceptor.
Vele substanties kunnen fungeren als substraat voor oxidatie.
3 voornaamst eiwitten, koolhydraten en vetten.
Voor vertebraten (inc mens) is glucose belangrijkste voor oxidatie.
Aërobe oxidatie of cel respiratie: volledige oxidatie van glucose in koolstofdioxide en water in
aanwezigheid van zuurstof
Ook in omstandigheden waar geen zuurstof voorhanden is, kunnen de meeste organismen nog
energie onttrekken aan glucose. Tijdens dit proces, dat glycolyse genoemd wordt, worden elektronen
onttrokken van één intermediair in de pathway, en weer toegevoegd aan een ander intermediair
later in de pathway. Glycolyse is een vorm van fermentatie: het partieel afbreken van moleculen met
, Farmaceutische wetenschappen Bach1
vrijstelling van energie in afwezigheid van zuurstof (anaëroob). Katabolisme in aërobe
omstandigheden leidt tot een veel grotere energie-opbrengst.
4. Enzymen: algemene principes
Enzymen werken volgens een sleutel-slotmodel; induced fit: geïnduceerde pasvorm om de reactie
beter te kunnen uitvoeren.
Eiwitten komen bij alle processen of reacties, die plaatsvinden in de cel, tussen als katalysator. Een
enzym bevordert de chemische verandering van de molecule waaraan ze bindt, het zogenaamde
substraat. Onafhankelijk van hun chemische samenstelling hebben katalysatoren de volgende
eigenschappen gemeen:
Ze verhogen de reactiesnelheid door het verlagen van de activatie-energie
Ze vormen een tijdelijk complex met substraatmoleculen en binden hierop zodat hun
interactie makkelijker wordt
Ze veranderen enkel de snelheid waarmee een reactie-evenwicht bereikt wordt, niet de
positie van het evenwicht
Elk enzym heeft een actieve plaats, met 2 functioneel belangrijke gebieden:
Een gebied dat instaat voor herkenning van een binding met het substraat
Een gebied dat de reactie katalyseert eenmaal substraat gebonden is
Kenmerken van enzymen zijn:
Enzymen bezitten een grote substraat-specificiteit
Door hun hoge specificiteit en het groot aantal reacties dat moet gekatalyseerd worden
bestaat er een enorme diversiteit aan enzymen
Enzymen zijn temperatuur- (optimale werking bij 37graden) en pH-gevoelig
De meeste enzymen zijn eiwitten; sommige bestaan uit RNA en worden ribozymen genoemd.
5. Methoden voor de studie van cellen en hun componenten
De moderne celbiologie steunt op gegevens verkregen in de:
Cytologie:
o Bestudeert vooral cellulaire structuur en steunt daarvoor op visualisatietechnieken
(met bv microscoop, fluorescentiemicroscoop)
Biochemie:
o Bestudeert functies in en van de cel
o Techniek fractionatie: de inhoud van de cellen wordt geëxtraheerd en bestanddelen
worden gescheiden op basis van fysische en chemische eigenschappen
o Andere technieken chromatografie (op basis van grootte, lading of affiniteit) en (gel-)
elektroforese (op basis van mobiliteit)
o ‘In silico’: computeranalyse van grote datasets
Genetica:
o Bestudeert de informatiestroom en de overtrefbaarheid.
o Scheiding van DNA moleculen en hun fragmenten, DNA sequencing
o De hybridisatie van nucleïnezuren
o Recombinant DNA technologie heeft inzicht gebracht in genexpressie
o Onderzoek in labo gebeurt vaak mbv een gezuiverde cel- of weefselcomponent
o ‘In vitro’ kweek = in glas —> in leven houden buiten lichaam, vrij van fysiologische
omstandigheden
o ‘In vivo’ kweek = in een modelorganisme (bv worm of muis, makkelijk te kweken,
makkelijk te manipuleren, goed gekarakteriseerd en veralgemenen naar mens)
Fysiologie: steunt op alle informatie om functie van cellen, weefsels, organen te ontrafelen.
