KU Leuven
Menselijke biologie
Prof. Rudi D’Hooge en Prof. Zsuzsa Vegh
Academiejaar 2022 - 2023
,
,HOOFDSTUK 1 – DE CHEMIE VAN DE LEVENDE DINGEN
HET WATERMOLECULE
Het watermolecule is een polaire molecule omdat:
• H-atomen en O-atoom delen elektronen en die verdeling is oneven
• De elektronen hebben meer kans om dichter bij het O-atoom aangetrokken te worden –
trekt elektronen harder aan
• De oneven verdeling zorgt ervoor dat de zuurstofkant van het molecule gedeeltelijk
positief is en de waterstofkant van het molecule gedeeltelijk negatief is
Opmerkingen:
• Het atoom in zijn geheel is echter wel elektrisch neutraal!
• Door het principe dat tegengestelden elkaar aantrekken, zullen watermoleculen zich steeds zo ordenen dat de positieve
kant van de ene molecule gericht is naar de negatieve kant van de andere molecule – verbonden door H-bruggen
Levende organismen bestaan slechts uit een paar elementen:
• 99 % van het lichaamsgewicht bestaat uit zuurstof, koolstof, waterstof, natrium, calcium en fosfor
• Zijn belangrijke elementen omdat ze stabiel zijn en gemakkelijk ionen vormen waardoor ze met andere elementen kunnen
verbinden en de levensmoleculen te vormen
HET BELANG VAN WATER IN ONS LEVEN
Ons lichaamsgewicht wordt voor 60% veroorzaakt door water!
Volgende eigenschappen van water zijn belangrijk voor levende organismen:
• Water is een uitstekend oplosmiddel
o Oplosmiddel = vloeistof waarin andere substanties oplossen
Opgeloste stof = elke opgeloste substantie
o Water is een goed oplosmiddel omdat het een polaire vloeistof is op lichaamstemperatuur
o VOORBEELD van een oplosreactie met NaCl
1. Als NaCl in water komt, komen er Na+ en Cl- ionen los
2. De polaire watermoleculen gaan meteen rond de ionen zitten waardoor
ze tegengehouden worden om opnieuw te binden
3. De watermoleculen gaan rond de ionen zitten volgens de regel dat
tegengestelden aangetrokken worden
o Hydrofiel = polaire moleculen die aangetrokken zijn tot water en er makkelijk met interacteren
Hydrofoob = niet-polaire, neutrale moleculen die niet interacteren met water en niet oplossen
• Water is een vloeistof bij lichaamstemperatuur
o Tussen 0 en 100°C is er voldoende warmte-energie om sommige H-bruggen te breken, er is thermische beweging
o Onder 0°C is er niet meer voldoende warmte-energie en er worden stabiele, onveranderde lattice structuren gevormd
o Boven 100°C zijn alle H-bruggen gebroken en verdwijnen de watermoleculen in de lucht als gas
Water is een uitstekend middel om opgeloste stoffen
doorheen ons lichaam te vervoeren en om lege ruimtes op te
vullen!
,• Water kan warmte-energie absorberen en vasthouden + verdamping van water verbruikt warmte-energie
o De mogelijkheid van water om warmte te absorberen en vast te houden helpt snelle veranderingen in lichaamswarmte
te voorkomen wanneer er veranderingen zijn in het metabolisme of in de omgeving
o Een manier dat we warmte verliezen is door verdamping van water (zweet) van op de oppervlakten van ons lichaam
1. We gebruiken de warmte-energie om de H-bruggen van het water te breken!
2. Als ons zweet verdampt, dan wordt het bloed in de bloedvaten dichtbij de oppervlakte van onze huid afgekoeld
• Water is een element in belangrijke chemische reacties
HET BELANG VAN H-IONEN
Soms (sterke verbindingen dus normaal niet!) zullen de covalente bindingen tussen waterstof en zuurstof verbroken worden
• De elektron van één H-atoom wordt volledig verplaatst naar de O-atoom
• De watermolecule breekt in 2 ionen: een waterstofion (H+) en een waterstofoxide ion (OH-)
Andere manier om H+ ionen te bekomen: via een zuur (bevat meer H+ ionen dan
neutraal water)
Andere manier om OH- ionen te bekomen: via een base (bevat minder H+ ionen dan
neutraal water)
! Een zuur en een base kunnen elkaar neutraliseren!
Bv: baking soda voor een zure maag
De pH-schaal = een meting van de concentratie aan H+ ionen in een oplossing
• Schaal van 0 - 14 met pH 7 (waterstofconcentratie van 10^-7 mol/liter) voor neutraal water
• Zuur heeft pH < 7 en base heeft pH > 7
• Elke sprong van 1 eenheid in pH = een 10-voudige sprong in waterstofconcentratie in de tegengestelde richting
De pH van bloed = 7,4 → natuurlijk evenwicht of homeostase
• Lage concentratie van H+ ionen behouden want deze zijn klein, mobiel, positief geladen en hoog reactief
• Kan werking en vorm van sommige cellen/proteïnen verstoren, invloed hebben op transport van moleculen en bepalen hoe
snel chemische reacties optreden
Buffer = elke substantie die ervoor zorgt dat veranderingen in de pH, die normaal bij toevoegen van een zuur of een base
optreden, tegengehouden worden
• In bloed of urine: bufferparen van moleculen met tegengestelde effecten
1. Zuurvorm: doneert H+ ionen wanneer een base toegevoegd wordt
2. Basevorm: accepteert H+ ionen wanneer een zuur toegevoegd wordt
• Bijvoorbeeld: bicarbonaat & carbonzuur 𝐻𝐶𝑂3− + 𝐻 + ↔ 𝐻2 𝐶𝑂3
MACROMOLECULEN
Macromoleculen = organische moleculen met onbeperkte grootte, bestaan uit duizenden/miljoenen smallere moleculen
1. Dehydratie synthese = kleinere moleculen (subeenheden) worden toegevoegd
via covalente bindingen – elke keer als een subeenheid toegevoegd wordt,
wordt het equivalent van een watermolecule verwijdert
• Subeenheden afkomstig van voedsel en biochemische reacties van lichaam
• Energie nodig voor het maken van macromoleculen
• Toepassingen: opslaan van energie, structurele componenten van cellen of
andere lichaamsdelen, activiteiten van de cellen, signalisatie tussen cellen
2. Hydrolyse = afbreken van macromoleculen – het equivalent van een
watermolecule wordt toegevoegd elke keer wanneer een covalente binding
tussen twee enkele subeenheden uit de ketting verbroken wordt
• Energie wordt vrijgegeven bij het afbreken van macromoleculen – gestockeerd in de covalente bindingen tussen
atomen
• Toepassingen: afbreken van moleculen van voedsel tijdens de vertering, recycleren van materialen en verwijderen van
elementen die het lichaam niet langer meer nodig heeft
,SUIKERS OF KOOLHYDRATEN
Opbouw: ruggengraat van C-atomen met H en O aan gehecht in dezelfde proportie als ze voorkomen in water - gehydrateerd
Functie: als energie voor levende organismen en planten gebruiken cellulose als structurele ondersteuning
Monosaccharides = simpelste vorm van koolhydraten, ringvormige structuur die bestaat uit C, O en H in een 1-2-1 verhouding
• Ribose, deoxyribose, glucose, galactose en fructose
Oligosaccharides = korte ketens van monosaccharides gevormd door dehydratie synthese
• Sucrose (disaccharide: fructose + glucose), lactose (glucose + galactose), maltose (glucose + glucose) en glycoproteïns
(aangrenzende cellen met elkaar verbinden en cel-cel herkenning en communicatie)
Polysaccharides = complexe koolhydraten waarbij doormiddel dehydratie synthese duizenden monosaccharides samengevoegd
worden in rechte of vertakte ketens
• Energieopslag: lange ketens van glucosemonosacchariden - bij mensen = glycogeen, bij dieren = zetmeel
Opm: mens breekt zetmeel af tot glucose om aan eigen energiebehoefte te voldoen
• Cellulose: structurele ondersteuning van planten
Opm: cellulose kan de mens niet afbreken, deelse opname nodig voor beweging van afvalstoffen in ons spijsverteringstelsel
LIPIDEN OF VETTEN
Triglycerides of vetten = gesynthetiseerd van een glycerol molecule en 3 vetzuurstaarten (ketting van hydrocarbons dat eindigt
in een carboxylgroep - opgeslagen in vetweefsel en belangrijke bron voor energie in ons lichaam (opgeslagen in bindingen
• Verzadigde vetten: enkele bindingen tussen C in de staart, rechte staarten, vast bij kamertemperatuur, dierlijke vetten
• Onverzadigde vetten: één of meer atomen let een dubbele binding tussen C in de staart, vloeibaar bij kamertemperatuur
tussen C en H in vetzuurstaarten)
Phospholipiden = gemodificeerde vorm van lipiden en primaire structurele component van celmembranen
• Glycerol molecule met 2 vetzuurstaarten, een negatief geladen fosfaatgroep en een andere positief geladen groep
• Speciale eigenschap: door geladen uiteinden is het ene uiteinde molecule oplosbaar in water en het andere uiteinde
neutraal en relatief onoplosbaar
Steroïden = opmerkelijke andere structuur, maar niet-oplosbaar in water dus als vet gezien
• Bestaan uit een ruggengraat van 3 6-ledige koolstofringen en 1 5-ledige koolstofring waaraan een willekeurig aantal
verschillende groepen kan bevestigd worden
• Cholesterol: hoge niveaus in het bloed = hart- en vaatziekten, maar toch een zekere hoeveelheid nodig
→ Essentieel structureel onderdeel van verschillende hormonen zoals oestrogeen en testosteron
PROTEÏNEN OF EIWITTEN
Eiwitten zijn macromoleculen opgebouwd uit lange reeksen aminozuren (20 verschillende)
• Opbouw: aminogroep aan het ene uiteinde, carboxylgroep aan het andere uiteinde, COH-groep in het midden en een extra
groep R die de rest vertegenwoordigt (neutraal, polair, positief of negatief)
• Verschillen in de lading en structuur beïnvloeden de vorm en functies van de eiwitten die daaruit opgebouwd zijn
• Mens kan er 11 zelf maken, maar haalt ze voornamelijk uit voedsel
Polypeptide = enkele reeks van 3 tot 100 aminozuren aaneengemaakt d.m.v. dehydratie synthese
Eiwit = polypeptide langer dan 100 aminozuren en met complexere structuur en functie - soms reeks van polypeptides
Functies: structurele ondersteuning, spiercontractie, deel van het celmembraan om informatie van materialen in en uit de cellen
te brengen, enzymen (regelen snelheid van chemische processen)
Gevormd door relatief zwakke H-bruggen: vorm van eiwitten kan veranderen in aanwezigheid van geladen of polaire moleculen
• Essentieel voor sommige eiwitten
• Eiwitstructuur kan permanent beschadigd geraken door veranderingen in T op pH, wat leidt tot verlies van biologische
functie = denaturatie
,Meeste eiwitten zijn oplosbaar in water
→ MAAR: eiwitten die deel uitmaken van onze celmembranen = onoplosbaar of onoplosbare gebieden - kunnen zich hierdoor
associëren met de onoplosbare gebieden van de fosfolipiden (vormen grootste deel van celmembraanstructuur)
Eiwitstructuren die functie van het proteïne bepalen:
1. Primaire structuur: weergegeven door de aminozuursequentie
2. Secundaire structuur: beschrijft hoe de keten van aminozuren in de ruimte is georiënteerd
• Alpha helix: rechtste spiraal gestabiliseerd door H-bruggen tussen aminozuren op
regelmatige afstand
• Beta sheet: twee primaire sequenties van aminozuren verbonden door H-bruggen
• Eiwitten kunnen zich oprollen tot oneindig veel willekeurige vormen, afhankelijk van de
aminozuren waaruit de reeks bestaat
3. Tertiaire structuur: hoe het eiwit draait en vouwt tijdens of na de synthese om een 3D
• Hangt af van de volgorde van de aminozuren - locaties van polaire en geladen vorm te
vormen groepen bepalen hoe de H-bruggen gevormd worden om de reeks bijeen te
houden
• Neutrale aminozuren inwendig, geladen en polaire aminozuren naar buiten gericht
4. Quartaire structuur: aantal polypeptides waaruit het eiwit bestaat (als er meer dan 1 is) en
hoe deze met elkaar associëren
Enzymen = een eiwit dat als biologische katalysator fungeert (snelheid chemische reacties versnellen zonder deel te worden)
• Kunnen enkel reacties versnellen die hoe dan ook zouden gebeuren, enkel vele trager
• Enzymen kunnen als eiwit van vorm veranderen: zal moleculen uit elkaar breken of samenvoegen
• Algemeen proces: enzym neemt twee reactanten of substraten en verandert deze in één of meer producten
Belang? Reden dat we glycogeen en zetmeel kunnen verteren
en cellulose niet
Opmerking: homeostase heel belangrijk omdat elke afwijking
een invloed kan hebben op tientallen verschillende enzymen
NUCLEÏNEZUREN
DNA of deoxyribonucleïnezuur = het genetische materiaal in levende wezens en stuurt alles wat de cel doet - zowel het
organisatieplan als de instructies om het plan uit te voeren
RNA of ribonucleïnezuur = verantwoordelijk voor de uitvoering van de instructies van DNA en, in sommige gevallen, voor het
reguleren van de activiteit van DNA zelf - bij sommige virussen is RNA het genetisch materiaal (i.p.v. DNA)
Belang?
• DNA bevat de instructies voor het produceren van RNA
• RNA bevat de instructies voor het produceren van eiwitten
• Eiwitten sturen het grootste deel van de levensprocessen
Beide bestaan uit nucleotiden en die nucleotiden bestaan uit: (1) een suiker met 5 C-atomen, (2) een enkele of dubbelringige
structuur die stikstof bevat (een zogenaamde base) en (3) één of meer fosfaatgroepen
→ 4 stikstofbezittende basismoleculen: adenine A, thymine T, cytosine C en guanine G
DNA bestaat uit twee ineengestrengelde strengen nucleotiden die bij elkaar worden gehouden door zwakke H-bruggen
• De volgorde van de ene streng bepaalt de volgorde van de andere door A-T en C-G
• Code voor het maken van een specifieke proteïne zit in 1 streng van het DNA
DNA bevat heel veel informatie en om functie te kunnen uitvoeren, worden delen van het DNA getranscripteerd op RNA
• Thymine wordt vervangen door uracil
• RNA bestaat slechts uit 1 streng en is korter omdat het maar een deel van het DNA bevat
,ATP
Adenosinetrifosfaat of ATP = identiek aan het adenine bevattende nucleotide in RNA, maar ATP bezit 2 extra fosfaatgroepen
ATP = een universele energiebron voor cellen omdat de bindingen tussen de fosfaatgroepen veel potentiële energie bevatten
• Als een cel energie nodig heeft, breekt deze de band tussen de buitenste cellen van 2 fosfaatgroepen (= de zwakste binding)
• Bij afbraak ontstaat ADP of adenosinedifosfaat, een anorganische fosfaatgroep en energie
• ATP kan opnieuw gevormd worden door P opnieuw te bevestigen aan ADP: P afkomstig uit voedsel of de afbraak van
energieopslagmoleculen zoals glycogeen of vet
,HOOFDSTUK 2 – DE STRUCTUUR EN FUNCTIE VAN CELLEN
DE INDELING VAN CELLEN
Plasmamembraan = het buitenmembraan waarmee alle cellen omgeven zijn
• Omsluit materiaal in de cel dat bestaat uit:
o Voornamelijk water
o Andere enzymen en andere structuren die de cel nodig heeft om in leven te blijven
• Alle leven cellen geclassificeerd als eukaryoot of prokaryoot (afhankelijk van interne organisatie)
Eukaryoten Prokaryoten
Menselijke cellen die bestaan uit 3 basiscomponenten: Bacteriën die voldoen aan volgende criteria:
1. Plasmamembraan • Plasmamembraan omgeven door een stijve celwand
Vormt buitenste omhulling van de cel • Genetisch materiaal geconcentreerd in een bepaald
2. Nucleus of kern gebied, niet een celkern
Membraangebonden compartiment dat het genetisch • Missen de meeste organellen die eukaryoten worden
materiaal van de cel herbergt en functioneert als het aangetroffen
‘informatiecentrum’ – meestal één kern
3. Cytoplasma
Omvat alles in de cel buiten de kern
• Samengesteld uit een zachte, gelachtige vloeistof =
cytosol
• Cytosol bevat verschillende microscopische kleine
structuren = celorganellen
o Gespecialiseerde functies
CELSTRUCTUREN
Eukaryote cellen bevatten verschillende structurele kenmerken, ongeacht van welk organisme ze afkomstig zijn
• Structuur en functie hangen samen + alle cellen moeten dezelfde activiteiten uitvoeren om in leven te blijven
• Activiteiten: grondstoffen verzamelen, afvalstoffen uitscheiden, maken van macromoleculen, groeien en voortplanten
(reproduceren)
• Structurele verschillen tussen cellen weerspiegelen verschillen in functie:
o Spiercellen: mitochondriën om energie voor spiercontractie te produceren
o Zenuwcellen: lang en dun, langste transporteren zenuwimpulsen van tenen tot aan ruggenmerg
o Cellen in niertubili: kubusvormig en stevig aan elkaar verbonden voor transport van water en andere moleculen
• Cellen met dezelfde functie zijn vergelijkbaar tussen soorten
ALLE CELLEN ZIJN KLEIN
Eén kenmerk dat ALLE cellen gemeen hebben = klein in één of meer dimensies, maar waarom?
• De natuur ondergaat bepaalde eenvoudige en begrijpelijke principes:
o Totale metabole activiteit van cel is recht evenredig met volume van het cytoplasma (= de grootte) – om activiteiten te
ondersteunen: voedingstoffen gelijk aan grootte nodig + manier om afvalstoffen kwijt te geraken
o Alle grondstoffen, energie en afval moeten plasmamembraan passeren om in en uit de cel te gaan
o Cellen die groter worden nemen in volume meer toe dan in grootte – 8voudige vergroting in V = 4voudige vergroting in
grootte
• Hoe groter de cel, hoe groter de kans dat zijn groei en metabolisme beperkt worden door het vermogen om zichzelf via het
plasmamembraan te voeden – hoe kleiner de cel, hoe effectiever hij grondstoffen kan verkrijgen en afvalstoffen kan
vervoeren
• Microvilli = microscopisch kleine projecties van het plasmamembraan (sommige cellen hebben er talloze)
o Effectieve manier om oppervlak i.v.t. volume te vergroten
o Vooral bij cellen die stoffen in en uit lichaam transporteren (spijsverteringskanaal of
niertubuli)
,SOORTEN MICROSCOPEN
De drie belangrijkste soorten microscopen die tegenwoordig gebruikt worden om een cel te bestuderen:
1. Lichtmicroscoop LM
• Meer dan 300 jaar oud
• Gebruikt zichtbaar licht om een klein monster te verlichten dat bekeken wordt via een vergrotende lens
• Max 1000x vergroten
• Enige microscoop die op levende monsters gebruikt kan worden
2. Transmissie-elektronenmicroscoop TEM
• Bombardeert dunne plak van een object met een bundel elektronen
• Sommige elektronen door monster gestuurd om 2D beeld dat tot 100.000x kan vergroot worden
• Enige microscoop die structurele details bij hoge vergroting kan onthullen
3. Scanning elektronenmicroscoop SEM
• Maakt gebruik van een elektronenbundel om het opp van een object te scannen waardoor een 3D beeld van het
buitenoppervlak ontstaat
• Vergroting van 100.000-voudig
• Zwart-wit beeld dat nadien ingekleurd wordt (ook bij TEM)
DE OPBOUW VAN EEN CEL
INTERNE STRUCTUREN VAN EEN CEL
Organellen = membraangebonden structuren van een cel
Celkern of nucleus • Informatiecentrum van de cel die grootste deel van genetisch materiaal bevat in de vorm van
lange DNA moleculen – DNA controleert bijna alle activiteiten van de cel
• Opbouw:
o Buitenoppervlakte van kern bestaat uit dubbellaags membraan = kernmembraan
▪ Houdt DNA binnen in de kern
▪ Overbrugt door kernporiënen: te klein voor DNA om te passeren, maar maakt
doorgang voor RNA moleculen en kleine eiwitten
o In de kern zit nucleolus
▪ Synthetiseert componenten van ribosomen (RNA en ribosomale eiwitten)
▪ Deze gaan door kernporiënen en vormen in het cytoplasma ribosomen
, Ribosomen • Opbouw: kleine structuren samengesteld uit RNA en bepaalde eiwitten die vrij in cytosol
zweven of zijn vastgemaakt aan endoplasmatisch reticulum (celorganel dat de meeste
biologische moleculen synthetiseerd)
• Verantwoordelijk voor het maken van specifieke eiwitten
o Assembleren aminozuren tot eiwitten door de aminozuren in de juiste volgorde te
verbinden volgens een RNA-template
▪ Worden voornamelijk verpakt in membraangebonden blaasjes, naar celmembraan
getransporteerd en uitgescheiden
o Ribosomen vastgemaakt aan ER geven eiwitten vrij in plooien van ER
Endoplasmatisch • Synthetiseert, samen met aangehechte ribosomen, de meeste chemische verbindingen die
reticulum ER door cel worden aangemaakt
• Output is nog niet in zijn definitieve vorm – wordt verfijnd en verpakt door Golgi-apparaat
• Opbouw:
o Uitgebreid gebouwen, vliezig systeem dat een met vloeistof gevulde ruimte omringt
o Deel van ER verbonden met kernmembraan
o Twee soorten ER:
Ruw ER: oppervlakte bezaaid met ribosomen dat korrelig uiterlijk geeft
▪ Betrokken bij synthese van eiwitten
▪ Eiwitten komen vrij in de met vloeistof gevulde ruimte van ER
▪ Nadien komen ze in glad ER waar ze verpakt en overgedragen naar Golgi-apparaat
worden
Glad ER: regio’s zonder ribosomen
▪ Synthetiseert andere macromoleculen dan eiwitten: lipiden (waaronder enkele
hormonen)
▪ Talrijke enzymen in oppervlak van glad ER vergemakkelijken de chemische reacties
nodig voor het vormen van macromoleculen
▪ Verantwoordelijk voor verpakken van eiwitten en lipiden voor levering aan Golgi
1. Nieuwe gesynthetiseerde eiwitten en lipiden verzamelen zich in de buitenste
lagen van glad ER
2. Kleine delen van met vloeistof omringde ruimte omgeven door ER-membraan en
afgeknepen
3. Blaasjes gevormd die vloeistof, eiwitten, vezels en lipiden bevatten
4. Migreren naar het Golgi-apparaat, fuseren met het membraan ervan en geven
hun inhoud eraan af voor verdere verwerking
Golgi-apparaat • Raffinage-, verpakking- en verzendcentrum van de cel
• Opbouw:
o Ziet eruit als een reeks onderling verbonden met vloeistof gevulde ruimten omgeven door
een membraan
o Bevat enzymen om producten van ER verder te verfijnen tot uiteindelijke vorm
• Inhoud beweegt naar buiten door een langzaam, maar continu proces
• Op de buitenste laag zijn de producten eindelijk klaar om in blaasjes te worden verpakt en naar
hun uiteindelijke eindbestemming te worden verbonden
Blaasjes • Membraangebonden bolletjes die iets in de cel omsluiten
• Verschillende soorten blaasjes:
o Blaasjes die cellulaire producten verzenden en opslaan
▪ Omsluiten en transporteren producten van ER en Golgi-apparaat
▪ Verzendlabels bepalen welk product er in het blaasje wordt gedaan en naar waar het
gestuurd wordt
▪ Producten die niet meteen nodig zijn, blijven in celcytoplasma
o Secretoire blaasjes
▪ Bevatten producten bestemd voor export vanuit de cel
▪ Migreren naar plasmamembraan en geven hun inhoud buiten de cel af
▪ Worden in Golgi-apparaat gemaakt en zijn dus afkomstig van dit membraan
o Endocytotische blaasjes
▪ Omsluiten bacteriën en grondstoffen uit extracellulaire omgeving
▪ Brengen ze door endocytose in de cel
o Peroxisomen en lysosomen
▪ Bevatten enzymen zo krachtig dat ze in blaasje moeten gehouden worden om schade
aan de rest van de cel te voorkomen
▪ Geproduceerd door Golgi-apparaat
▪ Peroxisomen: enzymen voor afbraak van giftige afvalstoffen geproduceerd in de cel of
van buitenaf binnengedrongen – ontgiftingsproces vindt plaats in het blaasje
