Cursus: celbiologie I
1
,INHOUDSTAFEL
Chapter 1: A preview of cell biology ................................................................................................................. 5
1.1: The cell theory: a brief history ..................................................................................................................... 5
1.2: The emergence of modern cell biology ....................................................................................................... 6
1.3: How do we know what we know: .............................................................................................................. 13
Chapter 2: The chemistry of the cell ............................................................................................................... 15
2.1: The importance of carbon: ........................................................................................................................ 16
2.2: The importance of water: .......................................................................................................................... 18
2.3: The importance of the selectively permeable membranes: ...................................................................... 20
2.4: The importance of the synthesis by polymerization: ................................................................................ 22
2.5: The importance of self-assembly:.............................................................................................................. 23
Chapter 3: The macromolecules of the cell..................................................................................................... 27
3.1: Proteïns: ..................................................................................................................................................... 27
3.2: Nucleic acids: ............................................................................................................................................. 35
3.3: Polysaccharides: ........................................................................................................................................ 38
3.4: Lipids: ......................................................................................................................................................... 41
Chapter 5: Bioenergetics: the flow of energy in the cell: ................................................................................ 45
5.1: The importance of energy ......................................................................................................................... 45
5.2: Bioenergetics ............................................................................................................................................. 47
5.3: Understanding ΔG and Keq: ........................................................................................................................ 50
Chapter 6: Enzymes: the catalysts of life ........................................................................................................ 54
6.1: Activation energy and the metastable state: ............................................................................................ 54
6.2: Enzymes as biological catalysts: ................................................................................................................ 55
6.3: Enzyme kinetics: ........................................................................................................................................ 60
6.4: Enzyme regulation: .................................................................................................................................... 65
Chapter 9: Chemotrophic energy metabolism: glycolysis and fermentation ................................................... 68
9.1: Metabolic pathways: ................................................................................................................................. 68
9.2: ATP: The universal energy molecule: ......................................................................................................... 68
9.3: Chemotrophic energy metabolism: ........................................................................................................... 71
9.4: Glycolysis ATP generation without the involvement of oxygen: ............................................................... 74
9.5: Fermentation: ............................................................................................................................................ 79
9.6: Alternative substrates for glycolysis: ......................................................................................................... 81
9.7: Gluconeogenesis: ....................................................................................................................................... 82
9.8: The regulation of glycolysis and gluconeogenesis: .................................................................................... 84
2
, 9.9: Novel roles for glycolytic enzymes: ........................................................................................................... 86
Chapter 10: Chemotrophic energy metabolism: Aerobic respiration .............................................................. 87
10.1: Cellular respiration: maximizing ATP yields: ............................................................................................ 87
10.2: The mitochondrion: where the action takes place: ................................................................................. 87
10.3: The citric acid cycle: oxidation in the round ............................................................................................ 90
10.4: Electron transport: electron flow from co-enzymes to oxygen: .............................................................. 98
10.5: The electrochemical proton gradient: key to energy coupling: ............................................................. 103
10.6: ATP synthesis: putting it all together: .................................................................................................... 106
10.7: Aerobic Respiration: Summing it all up ................................................................................................. 108
Chapter 11: Photosynthesis .......................................................................................................................... 112
11.1: An overview of photosynthesis ............................................................................................................. 112
11.2: Photosynthetic energie transduction I: light harvesting ....................................................................... 112
11.3: Photosynthetic energie transduction I: NAPH synthesis ....................................................................... 114
Chapter 16: DNA & chromosomes: ............................................................................................................... 116
16.1: Chemical nature of the genetic material ............................................................................................... 116
16.2: DNA structure ........................................................................................................................................ 119
16.3: DNA packaging ....................................................................................................................................... 125
16.4: The nucleus ............................................................................................................................................ 134
Chapter 17: Replication, repair, recombination ............................................................................................ 139
17.1: DNA replication:..................................................................................................................................... 139
17.2: DNA damage and repair: ....................................................................................................................... 153
17.3: Homologous recombination and mobile genetic elements: ................................................................. 161
Chapter 18: Gene expression: I. The genetic code and transcription ............................................................ 164
18.1: The genetic code and the directional flow of genetic information: ...................................................... 164
18.2: Mechanics of transcription: ................................................................................................................... 173
18.3: RNA processing and turnover: ............................................................................................................... 184
Chapter 19: Gene expression II: protein synthesis and sorting ..................................................................... 201
19.1: Translation: the cast of characters: ....................................................................................................... 201
19.2: The mechanism of translation: .............................................................................................................. 207
19.3: Mutations and translation: .................................................................................................................... 216
19.4: Posttranslational processing: ................................................................................................................. 219
19.5: Protein targeting and sorting ................................................................................................................. 220
Extra: Anti-biotica ........................................................................................................................................... 221
Chapter 20: The regulation of gene expression ............................................................................................ 224
3
, 20.1: Bacterial gene regulation ....................................................................................................................... 224
20.2: Eukaryotic gene regulation: genomic control ........................................................................................ 236
Chapter 21: Molecular biology techniques for cell biology ........................................................................... 269
21.1: Analyzing and manipulating DNA .......................................................................................................... 269
21.2: Analyzing genomes ................................................................................................................................ 281
21.3. Analyseren van RNA en proteins ........................................................................................................... 285
21.4: Analyzing and manipulating gene function ........................................................................................... 294
Chapter 24: The cell cycle and mitosis .......................................................................................................... 301
24.1: Overview of the cell cycle ...................................................................................................................... 301
24.2: Nuclear and cell devision ....................................................................................................................... 302
24.3: Regulation of the cell cycle .................................................................................................................... 308
24.4: Growth factors and cell proliferation .................................................................................................... 316
24.5: Apoptosis ............................................................................................................................................... 317
Chapter 25: Sexual reproduction, meiosis and genetic recombination ......................................................... 320
25.1: Sexual reproduction............................................................................................................................... 320
25.2: Meiosis ................................................................................................................................................... 321
25.3: Genetic variability: segregation and assortment of alleles ................................................................... 329
25.4: Genetic variability: recombination and crossing over ........................................................................... 331
25.5: Genetic recombination in bacteria and viruses ..................................................................................... 333
25.6: Mechanisms of homologous recombination ......................................................................................... 336
Chapter 26: Cancer cells ............................................................................................................................... 339
26.1: How cancers arise .................................................................................................................................. 339
26.2: How cancers spread ............................................................................................................................... 342
26.3: What causes cancer? ............................................................................................................................. 345
26.4: Oncogenes and tumor suppressor genes .............................................................................................. 348
26.5: Diagnosis, screening and treatment ...................................................................................................... 358
4
,CHAPTER 1: A PREVIEW OF CELL BIOLOGY
Levende wezens: 3 algemene eigenschappen
1. Gestructureerd
Organen → weefsels → cellen → celorganellen → macromoleculen → bouwstenen → atomen
2. Dynamisch evenwicht met de omgeving
Dingen opnemen van, en afgeven aan omgeving + signaaltransductie1
Opnemen → omvormen = metabolisme → afgeven, reageren op prikkels
3. Groeien + reproductie = maken van nieuwe bouwstenen, moleculen & delingen + nieuwe kopieën
1.1: THE CELL THEORY: A BRIEF HISTORY
(!) Opmerking: namen van wetenschappers en data → niet kennen
Hooke bouwde 1e microscoop (max. vergroting: 30x) → bestudeerde kurk: holtes = cellula (kurk = dode cellen).
Van Leeuwenhoek bouwde een betere microscoop (max. vergroting: 300x) → observeerde als 1e levende cellen
(bloedcellen, spermacellen, bacteriën en ééncellige organisme).
2 factoren verhinderden verder onderzoek:
• Gelimiteerde resolutie/resolving power (= de mogelijkheid om fijne structurele details te zien → hoever
moeten ‘objecten’ gescheiden zijn om ze afzonderlijk waar te nemen)
• De 17e -eeuwse biologie ging niet verder dan louter beschrijven wat men zag, er werd niets verklaard.
→ Een combinatie van verbeterde microscopen en meer gericht experimenteren, zorgden wetenschappers voor
een beter verstaan van het belang van cellen in biologische organisatie.
1830s: Uitvinden van een samengestelde (compound) microscoop, de 1e lens (oogstuk) vergroot de afbeelding
gecreëerd door de 2e lens (het objectief) → structuren van 1 µm konden duidelijk bekeken worden
Andere bijdragers waren:
I. Brown: ontdekte de nucleus
II. Schleiden: al het plantaardig weefsel bestaat uit cellen en een embryonale plant ontstaat altijd uit één
cel
III. Schwann: ontdekte gelijkenissen tussen plantaardige en dierlijke cellen + eerste 2 principes
van de celtheorie
IV. Virchow: 3e principe van de celtheorie: cellen ontstaan enkel uit reeds bestaande cellen
Celtheorie:
• Cel = basiseenheid van het leven/biologie
• Elke organisme is opgebouwd uit één of meerdere cellen
• Alle cellen ontstaan uit andere cellen → de cel is niet alleen de basiseenheid van structuur voor alle
organismen, maar ook voor de reproductie.
1
Het doorgeven van signalen binnen een cel → deze signalen worden doorgegeven via 'paden' van
voornamelijk eiwitten
5
,Cellen bestaan in enorm veel vormen en maten & deze eigenschappen geven soms al iets weg over de functie
(bv. microvilli in de darmcellen die zorgen voor oppervlaktevergroting zodat de absorptie van voedingsstoffen
maximaal is).
1.2: THE EMERGENCE OF MODERN CELL BIOLOGY
Celbiologie is ontstaan uit 3 verschillende wetenschapstakken (in volgorde van ontstaan): cytologie, biochemie
& genetica → celbiologen moeten op de hoogte zijn van de alle 3 de domeinen, ongeacht hun directe interesses
1) Cytologie
- Voornamelijk cellulaire structuren
- Het uitvinden van de verschillende microscopen & andere optische technieken heeft
bijgedragen tot een beter begrijpen van celstructuren
- Enkele microscopen
▪ Lichtmicroscoop (resolutie: 0,25 µm ter vergelijking: resolutie oog: 0,25 mm)
▪ Elektronenmicroscoop (resolutie: 0,25 nm)
De cytologische streng bestudeert de cellen door gebruik van optische technieken.
Cellulaire dimensies:
• De micrometer (µm) (1 . 10-6 m) voor de grootte van de cellen & haar celorganellen
• De nanometer (nm) (1 . 10-9 m) voor de grootte van moleculen & subcellulaire structuren (te klein voor
een lichtmicroscoop)
• De angstrom Å (0.1 nm) voor atomen & proteïnen
Lichtmicroscoop:
• Membraangerelateerde structuren (organellen) werden zichtbaar → nuclei, mitochondriën en
chloroplasten (belangrijke kenmerken van plantaardige & dierlijke cellen, NIET van bacteriële cellen)
• Ontwikkeling microtoom: mogelijkheid om snel efficiënt zeer dunne sneedjes (enkele µm) preparaten
te maken van weefsel
• Resolutielimiet (= hoe ver ‘objecten’ van elkaar moeten zijn om ze
afzonderlijk waar te kunnen nemen, hoe lager dit limiet hoe hoger de
resolving power)
• Ontwikkeling van fixatie: nodig voor het herkennen van subcellulaire
structuren
→ Theoretische limiet voor de resolutie: de halve grootte van
de golflengte van het licht gebruikt voor de verlichting → max.
theoretische vergroting 1000-1500x, voor zichtbaar licht (golflengtes
van 400-700 nm) is de resolutielimiet 200-350 nm
(figuur 1-4 pagina 30)
→ Voorlopig gaat het hier om helderveld/brightfield microscopie
(wit licht gaat direct door het al dan niet gemerkte preparaat)
▪ Voorwerp absorbeert al het licht → zwart
▪ Voorwerp absorbeert deels het licht → kleuren
▪ Voorwerp absorbeert geen licht (volledige terugkaatsing) →
wit
6
,Limiet brightfield microscopie: Preparaten moeten hiervoor vaak chemisch gefixeerd, gedehydrateerd, ingebed
in paraffine of plastiek worden om ze in dunne sneedjes te snijden zodat transparante kenmerken opvallen. Deze
preparaten zijn niet langer in leven → de geobserveerde kenmerken = vervormingen veroorzaakt door het
snijden van de preparaten (niet typisch is voor levende cellen!)
Gespecialiseerde lichtmicroscopen: limiet brightfield microscopie tegengaan
- Fasecontrast & differentiële interferentie contrast microscopie:
mogelijkheid om levende cellen duidelijk te bekijken, verbeteren en
versterken → lichte veranderingen in de fase van het doorgelaten
licht als het door een structuur gaat met een andere brekingsindex
dan het omliggende milieu (verschil in refractie-index)
- Fluorescentie microscopie: detecteren van specifieke proteïnen,
DNA sequenties of andere moleculen die fluorescent worden
gemaakt:
▪ Door hen te koppelen met een fluorescente kleuring
▪ Door hen te binden aan een fluorescent gemerkt
antilichaam2, die door licht, een kleur zal uitstralen
→ Onderzoekers kunnen de verdeling van verschillende
soorten moleculen in dezelfde cel volgen door het gebruiken van 2 of meer
kleuren/antilichamen (primaire & secundaire immunoreflectie)
→ Deze methode wordt ook gebruikt op DNA om de precieze positie van specifieke
genen te bepalen binnen een cel
→ De limiet hier is dat de onderzoeker zich hier alleen kan focussen op één verschillend vlak
van het preparaat per keer
primaire immunofluorescentie secundaire immunofluorescentie
Primaire anti-lichamen → binden met antigen van
Fluoriscerende anti-lichamen → binden met antigen het doelwitmolecule → fluorescerende secundaire
van doelwitmolecule → gemakkelijk plaats bepalen anti-lichamen worden toegevoegd die op primaire
van dat molecule anti-lichamen binden → plaats bepalen
2
Eiwit dat bindt aan een antigen
7
, - Confocale microscopie: gebruik van een laser om één vlak te belichten per
keer → gebruik met dikkere preparaten zoals hele cellen kan ook, want deze
benadering geeft een veel betere resolutie
- Digitale video microscopie: gebruikt videocamera’s om digitale afbeeldingen
van de cellen op de computer te zetten
Een licht sensitieve camera gebruiken → lange perioden cellen observeren met heel weinig licht →
fluorescente moleculen visualiseren + soms zelfs aparte macromoleculen (bv. DNA of eiwitten)
→ Resolutie tot 50-100 nm (voorbij theoretisch resolutielimiet) hoewel de golflengte van het licht dat
gebruikt wordt om de cellen te observeren toch een limiet veroorzaakt
Elektronenmicroscoop: theoretische limiet van de lichtmicroscoop tegengaan
• Er wordt gebruik gemaakt van elektronen die in een magnetisch veld worden gestuurd
→ Vanwege de korte golflengte van elektronen is de resolutielimiet slechts 0,1-0,2 nm, maximale
vergroting is dan tot 100 000x
• 2 soorten:
▪ Transmission electron microscope (TEM) = elektronen worden door het exemplaar gestuurd
(transmissie)
▪ Scanning electron microscope (SEM) = scant de oppervlakte van het exemplaar door
elektronen te detecteren op deze oppervlakte
8
,2) Biochemie
- Begrijpen van cellulaire structuren en functies
- Grote ontwikkelingen zoals ultracentrifugatie, chromatografie, radioactief merken, elektrofrese &
massaspectromerie voor het scheiden en identificeren van cellulaire componenten
- Chemie van de cel (macromoleculen, bouwstenen …)
De biochemische streng betreft de chemie van de biologische structuur en functie:
Biochemische reacties en ontdekkingen:
• Fredrich Wöhler (1828): ureum kan worden gesynthetiseerd in vitro uitgaande van ammonium
cyanaat = bio-chemisch.
• Louis Pasteur (1860s): gist zet glucose om in ethanol
• Buchners (1897): gistextracten doen hetzelfde (enzymen als bio-katalysatoren)
• De ontdekking van de glycolyse en de citroenzuurcyclus (interbellum) (beide zijn belangrijke
processen tijdens het ontrekken van energie uit glucose in de cellen)
• Radioactieve isotopen werden gebruikt om stofwisselingen van atomen en moleculen te
onderzoeken i.v.m. fotosynthese → Calvin-cyclus
9
, Biochemische methoden/hulpmiddelen:
I. Centrifugatie → zorgde ervoor dat het mogelijk werd om subcellulaire structuren en macromoleculen
te scheiden op basis van hun grootte, vorm en/of dichtheid
Dit heet subcellulaire fractionatie → specifieke delen van de cel bestuderen
→ Centrifugale krachten → zwaarste partikels eerst weg (hoe hoger g, hoe kleiner en kleiner de partikels
zijn die kunnen gescheiden worden)
II. Ultracentrifugatie → handig om kleine organellen en macromoleculen te onderscheiden aan heel hoge
snelheden (100 000 revoluties per min & met een kracht van 500 000 x de zwaartekracht)
III. Chromatografie = een techniek waarbij een mengsel van moleculen in oplossing stap per stap wordt
ontleed tot aparte componenten → moleculen onderscheiden op basis van grootte, lading, affiniteit
voor bepaalde andere moleculen of functionele groepen
IV. Electroforese = techniek waarbij een elektrisch veld wordt gebruikt voor het scheiden van moleculen
op basis van hun mobiliteit (meestal door een semi-vast gel)
→ Het wordt enkel gebruikt voor het bepalen van lengte/grootte van proteïnen, DNA en RNA moleculen
→ Na de elektroferese doet men aan massaspectromerie (precieze bepaling van de massa van
moleculen) om de grootte en de samenstelling van individuele proteïnen te determineren
Centrifugatie Chromatografie
Elektroferese
10
