De microbi ë le cel Van molecuul tot leven

De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

De microbiële celVan molecuul tot leven

• Cursus voor tweedejaars Biologen• November 2008• Docenten:• Fred Boogerd (cursusleider), en Hans Westerhoff.• Leerstof: de leerstof bestaat uit basisdeel en vier

thema delen.• 'Brock: Biology of microorganisms' (twelfth edition);

Auteurs: MT Madigan and JM Martinko.


Date Name Chapter pp Title

27-10 fcb 1 25 Microorganisms and Microbiology

28-10 fcb 2 25 A brief journey to the microbial world

29-10 fcb 4 40 Cell structure and function in Bacteria and Archaea

30-10 wff 5 33 Nutrition, culture, and metabolism of microorganisms

31-10 wff 6 30 Microbial growth

3-11 fcb 10 27 Overview of viruses and virology

4-11 fcb20 (1,2,4,5,6, 8,9,14,15)

18 Metabolic diversity I

5-11 wff21 (1,2,4, 14,17,18)

13 Metabolic diversity II

6-11 wff 13 22 Microbial genomics

6-11 wff 14.1 t/m 14.4 10 Microbial evolution

7-11 wff 18 7 Eukaryotic organelles

7-11 wff 15.1 t/m 15.13 27 Bacteria: The Proteobacteria

10-11 fcb 9.1 t/m 9.9 15 Regulation of gene expression (+ werkcollege lac)

12-11 fcb 16.1 t/m 16.8 22 Bacteria: Gram-positive and other bacteria

13-11 fcb 17.1 t/m 17.8 22 Archaea

14-11 fcb Syllabus Calculations


De microbiële celVan molecuul tot leven


College ppt: komt op blackboard

• En:

• www.bio.vu.nl\hwconf\teaching


Ik behandel:

• Groei

• Regulatie

• Evolutie

• Genomics

Algemene Microbiologie

Groei

Het maken van leven


Groei: 4 verschillende betekenissen

Maken: Het maken van de benodigde materie

Vergroten: Het vergroten van het organisme

Vermeerderen: Het vermeerderen van het celaantal

Veranderen: Het differentiëren naar verschillende celtypes



Maken: Het maken van de benodigde materie– Voeding en Metabolisme (Hfdstk 5.1-5.3 & 5.14-5.17)

Vergroten: Het vergroten van het organisme– Celvolumegroei (Hfdstk. 6.1-6.3)

Vermeerderen: Het vermeerderen van het celaantal– (Hfdstk. 6.4 -6.6)



Eerst maar even differentiatie

• Differentiatie– Sporen– Exospore, coat, cortex en dan ongeveer een cel

– Dehydratie, Dipicolinezuur, SASP’s

• Differentiatie ‘tot eukaryoot’– Kern, Organellen

• Differentiatie tot multicellulair organisme








MicrobiMicrobiëële groei:le groei: Principes Principes

• Reproductie!Reproductie!• Alle reacties gekatalyseerd door enzymenAlle reacties gekatalyseerd door enzymen• Organismen kunnen (bijna) alles maken wat Organismen kunnen (bijna) alles maken wat

mogelijk ismogelijk is• ONmogelijkheden: geconserveerde zakenONmogelijkheden: geconserveerde zaken• ‘‘Verwende organismen’Verwende organismen’• Enzymen zijn eiwitten, soms met cofactorenEnzymen zijn eiwitten, soms met cofactoren


Microbiële groei is:

Reproductie

(dwz meer van hetzelfde; de machine maakt zichzelf)


Reproductie dus: wat moeten ze maken?

• Membraan en celwand:Membraan en celwand:– LipidenLipiden– polysaccharidenpolysacchariden

• Eiwit:Eiwit:– AminozurenAminozuren– Prosthetische groepen en cofactorenProsthetische groepen en cofactoren

• Coenzymen:Coenzymen:– ATP, ADPATP, ADP– NADHNADH– Coenzym QCoenzym Q– ……

• DNA en RNA:DNA en RNA:– NucleotidenNucleotiden


Alle reacties gekatalyseerd door enzymen

Elk enzym wordt gecodeerd door een gering aantal (een) gen(en)


Organismen kunnen (bijna) alles zelf maken!

• Tabel 13.1: duizenden genen– (bv. E. coli: 4 000)


Table13.1Table13.1


Organismen kunnen (bijna) alles zelf maken!

• Tabel 13.1: duizenden genen– (bv. E. coli: 4 000)

• Tabel 13.2: Hoog percentage metabole genen– (bv. E. coli: (21%=800))


13.213.2


Omvangrijk metabolisme;

het kan ‘alles’, ………………………………

………..

De microbiële cel, november 2008: colleges WesterhoffFig. 13.2Fig. 13.2


Omvangrijk metabolisme:Kan ‘alles’, maar toch maar toch

zijn er zijn er beperkingen.beperkingen.

Welke?Welke?


Balansprincipe

• Groei is een langdurig steady state proces en moet dus in balans zijn (micro-organisme als voorbeeld voor de planeet aarde en de mens)

• Toename is netto import plus netto productie

afbraaksyntheseoutin vvJJt

X


Metabole rijkdom

• Alles kan gemaakt worden wat mogelijk is

• Toename is netto import plus netto productie; voor de meeste stoffen is import niet nodig


X


Metabole beperkingen

• Sommige dingen kunnen niet gemaakt worden• En moeten dan dus geïmporteerd worden• En moeten dan dus in het groeimedium zitten



X

X


Metabole beperkingen, nog preciezer

• Sommige dingen kunnen niet gemaakt worden• En moeten dan dus geïmporteerd worden• En moeten dan dus in het groeimedium zitten



X

XX XX


Metabole beperkingen

• Sommige dingen kunnen niet gemaakt worden: Gibbs energie noch elementenGibbs energie noch elementen• En moeten dan dus geïmporteerd worden• En moeten dan dus in het groeimedium zitten• Voor Gibbs energie (gaat verloren in processen) moet de balans positief zijn• Voor elementen moet de balans nul zijn



X

XX XX


Welke elementen zijn van belang voor levende organismen?

• C• H• O• N• S• P• K• Fe, Mg, Mn, Ca, Co


Behouden grootheden(kunnen niet gemaakt worden)

• Elementen:Elementen:– CC

– H =Electronen (redox) +HH =Electronen (redox) +H++

– NN

– {O (komt gratis van water)}{O (komt gratis van water)}

– SS

– PP

• Vrije energie (gaat verloren, maar kan niet gemaakt Vrije energie (gaat verloren, maar kan niet gemaakt worden is dus ook nodig) (‘ATP’)worden is dus ook nodig) (‘ATP’)


Omvangrijk metabolisme:Kan ‘alles’,

maar toch zijn maar toch zijn er beperkingen.er beperkingen.

Welke?Welke?De behouden De behouden groothedengrootheden





– NN


– SS

– PP



Overzicht metabolisme; Overzicht metabolisme; katabolisme, anabolisme en centrale rol van katabolisme, anabolisme en centrale rol van

twee energiëentwee energiëen

Gibbs

Gibbs harvest


Overzicht metabolisme; Overzicht metabolisme; katabolisme, anabolisme en centrale rol van twee katabolisme, anabolisme en centrale rol van twee

energiëen: vlinderdas (bow-tie) structuurenergiëen: vlinderdas (bow-tie) structuur

Gibbs harvest

Gib

bs

Gib

bs

har

vest


Vlinderdas voor elk benodigde substantie

ATPATP

voedin

gsstoffenvoed

ingsstoffen

celstructu

ur

celstructu

ur


Belangrijkste Gibbs energiedrager=

ATP

Of eigenlijk ADP:

ADP~P=ATP





– NN


– SS

– PP




PyruvaPyruvaat en at en Acetyl-Acetyl-CoACoA

(‘C’)(‘C’)

voedin

gsstoffenvoed

ingsstoffen

celstructu

ur

celstructu

ur


Pyruvaat en acetyl

• Pyruvaat:

• CH3-CH2-COOH

• AcetylCoA

• CH3-COO-CoA

• Eigenlijk is Coenzym A de C2 drager



GlutaGlutamaatmaat

(‘N’)(‘N’)

voedin

gsstoffenvoed

ingsstoffen

celstructu

ur

celstructu

ur



NADHNADH

‘‘H’ of H’ of ‘e‘e--’ of ’ of ‘redox’‘redox’

voedin

gsstoffenvoed

ingsstoffen

celstructu

ur

celstructu

ur


NADH 2-electron drager of eigenlijk..

• NADH = NAD+ + H+ + 2e-

• NAD is de 2-electroncarrier en heeft dan de vorm NADH


De absolute vereisten van Gibbs energie en Koolstofbron leidden tot:

Classificatie van organismen naar voor groei

benodigde Gibbs energie- en koolstofbron

(gemakkelijke test)

Hoe wordt dit Hoe wordt dit dan getest?dan getest?


Hoe wordt dit dan getest?Hoe wordt dit dan getest?

Een batterij van platen met Een batterij van platen met verschillende groeimediaverschillende groeimedia


Wat zijn mogelijke Gibbs energiebronnen?

• Licht

• Anorganische stoffen

• ……

• ……

• Organische stoffen


In voeding moet dus Gibbs vrije energie zitten

• Troof: voedsel (Grieks trophē, voedsel )

• Licht voor fototrofe organismen

• Hoog energetische stof voor chemotrofe organismen:– Anorganisch: chemolithotrofe organismen

• (Grieks Lithos: steen)

– Organisch: chemoorganotrofe organismen


Hoofdstuk 5:Voeding

Diversiteit wat betreft Gibbs energie bron

• zie sectie 5.14

• fotonen: fototroof

• chemische stoffen: chemotroof– organisch: chemoorganotroof

– anorganisch: chemolithotroof


Hoofdstuk Hoofdstuk 55:Voeding: :Voeding: Diversiteit wat Diversiteit wat betreft betreft koolstofbronkoolstofbron voor biomassa voor biomassa

• CO2: autotroof

• Organisch materiaal: heterotroof

• chemoorganoheterotroof bestaat

• chemoorganoautotroof is zeldzamer• (want als je organische stoffen hebt voor energie

kun je ze ook gebruiken voor koolstof)

• chemolithoheterotroof komt voor (Fe2+voor energie, organische stof voor koolstof)

Fig. 5.23koolstofkoolstofenergieenergie trooftroof


Oefenvraag

Wat zijn we zelf voor organisme?

Chemolithoautotroof?

Neen: chemo-organo-hetero-troofNeen: chemo-organo-hetero-troof


Chemoorganoheterotroofvoorbeeld P. denitrificans

Fig. 5.23a


Chemolithoautotroof

Fig. 5.23b

Oefenvraag: wat voor Oefenvraag: wat voor type is dit organisme?type is dit organisme?


Gecombineerd: Diversiteit naar energie- en koolstofbron

Zie ook Fig. 20.1



• ReproductieReproductie• Alle reacties gekatalyseerd door enzymenAlle reacties gekatalyseerd door enzymen• Organismen kunnen (bijna) alles maken wat Organismen kunnen (bijna) alles maken wat

mogelijk ismogelijk is• ONmogelijkheden: geconserveerde zakenONmogelijkheden: geconserveerde zaken• ‘‘Verwende organismen’Verwende organismen’• Enzymen zijn eiwitten, soms met cofactorenEnzymen zijn eiwitten, soms met cofactoren• Verscheidenheid aan energie en koolstofbronnenVerscheidenheid aan energie en koolstofbronnen• Classificatie (‘energie-koolstofbron-’troof)Classificatie (‘energie-koolstofbron-’troof)


Hoe is hetgeen zojuist besproken is van groot belang voor de hygiëne?

• Schoonhouden behoeft geen antibiotica• Weghalen van koolstof en/of energiebron• Dan kunnen veel microorganismen er niet groeien• De chemoorganoheterotrofen• Echter wel: de fotoautotrofen• Maar dat zijn geen pathogenen, want ….• Die kunnen niet in ons lichaam leven


Oefenvraag:

•Verklaar:–Schoon houden werkt niet voor alle organismen

–Wel voor de meeste pathogenen

Fotoautotrofe organismen kunnen groeien Fotoautotrofe organismen kunnen groeien waar licht iswaar licht is

Maar deze kunnen niet in ons lichaam levenMaar deze kunnen niet in ons lichaam leven


Omvangrijk metabolisme:Kan ‘alles’,

maar toch zijn maar toch zijn er beperkingen.er beperkingen.

Welke?Welke?De behouden De behouden grootheden, grootheden,

en?en?


Maar sommige organismen zijn verwend:

• Moeilijke, abundante verbindingen kunnen ze niet meer maken. Deze heten dan:

• vitamines


Aminozuren in 3D kunnen niet alles katalyseren:

• Prosthetische groepen (bv heem)

• Cofactoren (bv Mg2+, Mn2+,…. )


Coenzymen dragen behouden zaken van het ene enzym naar het andere

• ADP (ATP): ~P (vrije energie)

• NAD+ (NADH): 2 electronen

• UQ (UQH2): 2 electronen in membranen

• UDP (of ADP): glucose resten

• Soms zijn dit type cofactoren vitamines






Hoofdstuk 5:Voeding en metabolisme

• Celsamenstelling: C, N, O, H, S, in eiwitten DNA, lipiden

• Fe, Ca, kleine stoffen, etc.• Balansvergelijking; Elementen versus stoffen• Elementen en Gibbs energie kunnen niet gemaakt

worden• Verbindingen kunnen veelal gemaakt worden;

behalve vitamines• Bovenstaande bepaalt voeding en metabolisme


Hoofdstuk 5.1:Benodigde Voeding

• Macronutriënten Biomassa• Micronutriënten Katalytisch (nodig om

de andere stoffen te maken, worden daarbij zelf niet gebruikt)

• Groeifactoren Organisch chemische micronutriënten

• (Gibbs) energie: de drijvende kracht


Hoofdstuk 5:Voeding Stoffen• Macronutriënten

– Koolstof:autotroof (CO2) versus heterotroof (organische verbindingen)

• Micronutriënten– Anorganische moleculen Tabel. 5.2

• Groeifactoren Tabel 5.3– Organische moleculen


IJzer (als element): een micro!!nutrient

Fig. 5.2a


Groeimedia

Moeten dus alles bevatten wat voor groei nodig is


Groeimedia

• Minimaal medium: precies gedefinieerd• Rijk medium: complex mengsel erbij (vaak extract van

levende organismen; gist extract, bloed,..)• Dan nog zijn veel organismen niet te kweken

(unculturable)

• Selectief medium• Indicator medium (differentieel medium)


5.2, 5.3: Hoe wordt gekeken of een bepaald organisme

bepaalde stoffen nodig heeft om te groeien?


Oefenvraag

Hoe komt het dat sommige organismen niet goed bekend zijn?

Hoe zou U dat oplossen?

Ze kunnen niet geweekt wordenZe kunnen niet geweekt worden

Vele kweekplaten proberen onder veel conditiesVele kweekplaten proberen onder veel condities

Kweken op lysaat van levende cellenKweken op lysaat van levende cellen

Genomics: pathway analyseGenomics: pathway analyse


5.14: Katabole alternatieven

Eerst even het standaardkatabolisme herhalen: 5.4-5.13


Vlinderdas voor koolstof en energie metabolisme (vaak samen voor

chemoheterotrofen)

ATPATP

‘‘C’C’

catabolism

ecatab

olisme

anab

olisme

anab

olisme


Geef 4 principes en leidt daaruit af wat er in Geef 4 principes en leidt daaruit af wat er in voeding van microorganismen moet zittenvoeding van microorganismen moet zitten

• Ze kunnen ‘alles' maken• Gekatalyseerd: enzymen• Behouden dingen: elementen, energie• Reproductie

Dus organismen•maken: DNA, eiwitten, lipiden, coenzymen•nemen op: elementen C, N, O, H, energie: veel•nemen op: weinig: vitaminen, cofactoren [zware metalen zoals Fe, Co, Zn] (=micronutriënten)


Oefenvraag:In voeding moet zitten

• Gibbs energiebron (tenzij fototroof)

• Bron voor elk element; macronutriënt (C: tenzij autotroof)

• Bron voor elk element; micronutriënt

• Vitamines


Eerst even het standaardkatabolisme herhalen

• Koolstof…..

• Energie….


glycolyseglycolyse

citroenzuurccitroenzuurcyclusyclus

pyruvaat pyruvaat dehydrogenatiedehydrogenatie

koolstofkoolstof


Standaard katabolisme en ademhaling: energie

• Electronen met lage Electronen met lage (sterk negatieve) (sterk negatieve) redox potentiaal redox potentiaal afplukken van afplukken van voedingstof (electron voedingstof (electron donor) donor)

• Ademhalingsketen Ademhalingsketen geleidt die geleidt die electronen naar electronen naar zuurstof, hun Gibbs zuurstof, hun Gibbs energie gebruikend energie gebruikend om protonen te om protonen te pompenpompen

• HH++-ATPase gebruikt -ATPase gebruikt protonen om ADP te protonen om ADP te fosforylerenfosforyleren


Standaard katabolisme en ademhaling





glycolyseglycolyse



electronenelectronen


glycolyseglycolyse


Glycolyse


Oefenvraag

Wijs de belangrijke zaken in dit schema aan


Glycolyseenergie


Glycolyseenergie

Netto opbrengst: Netto opbrengst: 2ATP/glucose2ATP/glucose


Glycolyse:koolstof

Netto opbrengst: Netto opbrengst: 2pyruvaat/glucose2pyruvaat/glucose


Glycolyse:redox

Netto opbrengst: Netto opbrengst: 2NADH/glucose2NADH/glucose





– NN


– SS

– PP



glycolyseglycolyse






Pyruvaat dehydrogenatie

Fig. 5.22


Oefenvraag



Pyruvaat dehydroge

neringenergieenergie

Fig. 5.22 (bovenaan)

Geen (direct) Geen (direct) effect op effect op energiebalansenergiebalans


Pyruvaat dehydroge

neringkoolstofkoolstof

Fig. 5.22

2 acetyl (2 C2) per 2 acetyl (2 C2) per 2 pyruvaat (2 C3)2 pyruvaat (2 C3)


Pyruvaat dehydroge

neringredoxredox

Fig. 5.22

2 NADH (4e2 NADH (4e--) per ) per 2 pyruvaat2 pyruvaat


glycolyseglycolyse






Citroenzuur

cyclus

Fig. 5.22


Oefenvraag



Citroenzuur

cyclus:energie

Fig. 5.22 1 ATP (GTP) per acetyl1 ATP (GTP) per acetyl


Citroenzuur

cyclus:koolstof

Fig. 5.22 2 CO2 CO22 ↑ ↑ per acetylper acetyl


Citroenzuur

cyclus:redox

Fig. 5.22 3 NADH, 1 FADH per acetyl3 NADH, 1 FADH per acetyl

8 e8 e-- per acetyl per acetyl








• Electronen met lage Electronen met lage (sterk negatieve) (sterk negatieve) redox potentiaal redox potentiaal afplukken van afplukken van voedingstof (electron voedingstof (electron donor)donor)




Ademhalingsketen

Fig. 5.20


Oefenvraag



Ademhalingsketen:energie:energie:

8? H8? H++ per NADH per NADH

6 H6 H++ per FADH per FADH


Ademhalingsketen:geen koolstof:geen koolstof:


Ademhalingsketen:redox:redox:

½ O½ O22 gereduceerd per gereduceerd per

NADHNADH

½ O½ O22 gereduceerdgereduceerd per per

FADHFADH


ATP synthese uit protonkracht

1 ATP per1 ATP per

3? H3? H++


Oefenvraag

Hoeveel ATP krijgt men per glucose met dit catabolisme?


Totale energie balans per glucose

• Glycolyse tot pyruvaat: ½ Glucose → pyruvaat + ATP + NADH• Pyruvaat dehydrogenatie: pyruvaat → NADH + acetylCoA+ CO2

• Citroenzuur cyclus: acetylCoA → 3 NADH + FADH + GTP + 2CO2

• 5xAdemhalingsketen vanaf NADH: 5 NADH + 2 ½ O2→ 40 H+

• 1xAdemhalingsketen vanaf FADH: FADH + ½ O2→ 6 H+

• 46/3xH+-ATPase: 46 H+ → 15.3 ATP

• Nucleotide diphoshate kinase: GTP → ATP

• Totaal:• ½ Glucose +3O2 + → 3CO2 + 17.3 ATP

• Totaal Boek: 19 ; rekent 3 ATP/NADH


ATP balans

volgens boek

Fig. 5.22

Verschil:Verschil:

Hier geeft NADH 3 ATPHier geeft NADH 3 ATP


Standaard katabolisme• Suikers (bv glucose):

– naar pyruvaat (glycolyse)• →~P (op ADP) (energie) en →electronen (op NAD)

– Pyruvaat dehydrogenase naar acetylCoA (‘C’)• →electronen (op NAD)

• Vetten: naar acetyl CoA (‘C’)• Eiwitten naar aminozuren (’N’) en dan verder..• AcetylCoA door citroenzuurcyclus naar CO2

– →~P (op ADP) en →electronen (op NAD)

• Electronen op NADH via oxidatieve fosforylering naar zuurstof– →protondrijvende kracht

• Protonen vanaf protondrijvende kracht– →~P (op ADP) (energie)







Standaard katabolisme (bij chemoorganoheterotrofen) heeft nodig:

• Suiker, vet of eiwit

• Zuurstof


Gisteren

• Groei

• Verschillende begrippen

• Wetten voor metabolisme

• Implicaties




• Zuurstof

Oefenvraag: waarvoor?Oefenvraag: waarvoor?…………………………....

Oefenvraag; Klopt dit wel?Oefenvraag; Klopt dit wel?

………………………………..




• Zuurstof

Oefenvraag: waarvoor?Oefenvraag: waarvoor?Suiker plus zuurstof voor energieSuiker plus zuurstof voor energie

Suiker voor koolstofSuiker voor koolstof

En stikstofbron etc.En stikstofbron etc.


Woensdag 5 november

Om 9 uur ipv 9h45 beginnen?


5.14: Katabole alternatieven:Wat als een van de benodigdheden voor

bovenstaand catabolisme ontbreekt:O2, of glucose?

Eerst even het standaardkatabolisme Eerst even het standaardkatabolisme herhalenherhalen

En dan nu: alternatievenEn dan nu: alternatieven


Vele micro-organismen hebben variaties op standaard katabolisme, waardoor ze

kunnen leven op plaatsen waar bovenstaande

{Suiker, vet of eiwitZuurstof} ontbreekt

(hoofdstuk 5.14)


De principes blijven

Variaties binnen de principiële beperkingen


Het zich handhavende leven

• Elementen balansen moeten kloppen

• Redox balans moet kloppen

• Gibbs energie balans moet negatief kunnen zijn


Beperkingen bij zich handhavend leven

• Sommige dingen kunnen niet gemaakt worden• En moeten dan dus geïmporteerd worden• En moeten dan dus in het groeimedium zitten• Voor vrije energie (gaat verloren in processen) moet de balans positief zijn• Voor elementen moet de balans nul zijn

• Export moet gelijk zijn aan import: voor elementen en redoxExport moet gelijk zijn aan import: voor elementen en redox• Import moet export overtreffen (voor Gibbs energie)Import moet export overtreffen (voor Gibbs energie)


X

0 XX XX


Beperkingen bij zich vermeerderend leven

• Sommige dingen kunnen niet gemaakt worden• En moeten dan dus geïmporteerd worden• En moeten dan dus in het groeimedium zitten• Voor vrije energie (gaat verloren in processen) moet de balans positief zijn• Voor elementen moet de balans nul zijn

• Import moet export overtreffen (voor Gibbs energie Import moet export overtreffen (voor Gibbs energie èèn n elementen)elementen)


X

0 XX XX


Voor vrije energie (gaat verloren in processen) moet de balans positief zijn

Voor elementen moet de balans nul zijn (handhaven) of positief

• Netto ATP productie

• Netto C productie (nodig voor biomassa)

• Redox balans (indien voeding even gereduceerd als biomassa; dan moet catabolisme redox neutraal zijn); tenzij er externe electronacceptor is voor electron overschot (bv Zuurstof))


Gibbs energie en koolstof moeten toch ergens vandaan komen

Er moet ook een redox (electron) balans zijn


Geen zuurstof?

Hoe lossen sommige microorganismen dit op?


Geen zuurstof.Wel energie uit redox halen.

Hoe?

5.10: Fermentatie: geen externe electronacceptor

of

Anaerobe ademhaling: andere electronacceptor dan zuurstof


Fermentatie (interne oxidatie en reductie): redox balans; geen externe electron acceptor

Oxidized-Oxidized-


Glycolysein melkzuurbacteriën: fermentatie: redox redox

balansbalans

Glucose:

CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH2OH

Lactic acid/melkzuur:

CH3-CHOH-COOH

gereduceerd

geoxideerd



Voor elementen moet de balans nul zijn

• Netto ATP productie ?

• Netto C productie (nodig voor biomassa)?

• Redox balans (indien voeding even gereduceerd als biomassa; dan moet catabolisme redox neutraal zijn); tenzij er externe electronacceptor is voor electron overschot (bv Zuurstof)


Glycolysein

melkzuurbacteriën : fermentatie:

Gibbs energie Gibbs energie surplussurplus

Glucose:



CH3-CHOH-COOH

gereduceerd

geoxideerd

Glycolyse in melkzuurbacteriGlycolyse in melkzuurbacteriëën levert op:n levert op:

2 ATP/ glucose2 ATP/ glucose

Ipv 34,6 ATP/glucose in standaard Ipv 34,6 ATP/glucose in standaard metabolismemetabolisme


Glycolysein


Koolstof surplusKoolstof surplusGlucose:



CH3-CHOH-COOH

gereduceerd

geoxideerd


Electron toren

• Electron acceptor koppels moeten positievere redox potentiaal hebben dan glucose [-0.43 eV]

• (‘electron moet erheen willen’)


Electrontoren in het geval van standaard

metabolisme:


• Zuurstof is ideaal

Glucose+6OGlucose+6O22→6CO→6CO22+6H+6H22OO

~~241kJ/2e=-2e*241kJ/2e=-2e*96.5 kJ/eV/e*(-0.43-0.82) eV96.5 kJ/eV/e*(-0.43-0.82) eV

Gibbs energie ATP=48 kJ/mol: Gibbs energie ATP=48 kJ/mol:

theoretisch mogelijk: 12x241/48=60.2ATP/glucose theoretisch mogelijk: 12x241/48=60.2ATP/glucose (>>34.6ATP/glucose: echte effici(>>34.6ATP/glucose: echte efficiëëntie is maar ntie is maar 34.6/60.2=57%)34.6/60.2=57%)


Chemoorganoheterotroofvoorbeeld P. denitrificans; met zuurstof als terminale electron

acceptor

Fig. 5.23a


Geen zuurstof?

Fermentatie: geen externe electronacceptor

of



Chemoorganoheterotroofvoorbeeld P. denitrificans; Met alternatieve electron acceptoren

Fig. 5.23a



metabolisme:


• Nitraat reductie


~~163kJ/2e=163kJ/2e=

-2e*-2e*96.5 kJ/eV/e*(-0.43-0.42) eV96.5 kJ/eV/e*(-0.43-0.42) eV

XX


theoretisch mogelijk: 12x163/48=41ATP/glucose (ipv 60.2)theoretisch mogelijk: 12x163/48=41ATP/glucose (ipv 60.2)


Chemoorganoheterotroofvoorbeeld P. denitrificans; Met alternatieve electron acceptoren

Fig. 5.23a



metabolisme:


• Nitraat reductie; fumaraat reductie, sulkfaat reductie


XX


Oefenvraag

• Hoeveel ATP zou men kunne maken uit de Gibbs energie die vroijkomt by alternatieve ademhaling met nitrat, fumaraat of sulfaat als electron acceptor?


XX


Bij zuurstof theoretisch mogelijk: 12x163/48=41ATP/glucose Bij zuurstof theoretisch mogelijk: 12x163/48=41ATP/glucose (ipv 60.2)(ipv 60.2)







• Vlinderdas principeVlinderdas principe• Catabolisme, intermediair, anabolismeCatabolisme, intermediair, anabolisme• Energie catabolisme:Energie catabolisme:

– Directe koppeling aan ATP productie enDirecte koppeling aan ATP productie en– Indirecte koppeling (electronen eraf, door electronenketen heen, gekoppeld aan proton gradiIndirecte koppeling (electronen eraf, door electronenketen heen, gekoppeld aan proton gradiëënt gedreven ATP synthese)nt gedreven ATP synthese)

• Standaard metabolisme: glucose (glycolyse, pyruvaatdeh, citroenzuurcyclus) naar COStandaard metabolisme: glucose (glycolyse, pyruvaatdeh, citroenzuurcyclus) naar CO22 – Directe synthese 1 ATP en 1 GTP (per halve glucose)Directe synthese 1 ATP en 1 GTP (per halve glucose)– Electronen via NADH + FADH naar zuurstofElectronen via NADH + FADH naar zuurstof

• AnaAnaëëroob: roob: – FermentatieFermentatie– Alternatieve electron acceptor (nitraat, sulfaat, …)Alternatieve electron acceptor (nitraat, sulfaat, …)

• Geen organisch substraat: HGeen organisch substraat: H22, ammoniak, sulfide, Fe , ammoniak, sulfide, Fe 2+2+ als electron donor, zuurstof als acceptor als electron donor, zuurstof als acceptor• Geen substraat: fotonen als energiebron; electronen aangeslagen, rollen terug electronenketen af, protongradiGeen substraat: fotonen als energiebron; electronen aangeslagen, rollen terug electronenketen af, protongradiëënt nt

makend, ATP synthesemakend, ATP synthese– Z schema; oxygeen, NAD(P)H producerendZ schema; oxygeen, NAD(P)H producerend– Half Z-schema: anoxygeenHalf Z-schema: anoxygeen

• Steeds variaties op thema; vaak dezelfde componenten hergebruiktSteeds variaties op thema; vaak dezelfde componenten hergebruikt• Koolstof: intermediairen Acetyl op CoA, pyruvaatKoolstof: intermediairen Acetyl op CoA, pyruvaat• Stikstof: intermediairen -NHStikstof: intermediairen -NH22 groep op glutamaat en glutamine) groep op glutamaat en glutamine)• Mogelijkheid bij hoge en lage NHMogelijkheid bij hoge en lage NH33 concentratie (ATP gebruik) concentratie (ATP gebruik)


Wat is leuk hieraan?

De microbiele wereld vindt oplossingen op (bijna) elk probleem.

Uitdaging die te begrijpen.Ideëen voor technologie


Ik behandel:

• Groei

• Regulatie

• Evolutie

• Genomics








Individu versus populatiegroeiIndividu versus populatiegroei

Individu groeit

Populatie groeit

Fig. 6.1



Gezien in BioCentrum Amsterdam…..

Fase contrastFase contrast

NucleoNucleoïïdede

FtsZFtsZ

CombinatieCombinatie








Populatiegroei: toename in celaantal

Fig. 6.8


Groei exponentieel, dus onverwacht

• Laten we eens kijken:• Figuren 6.1, 6.8a, 6.8b


Cellen lijken plotseling op te komen!Cellen lijken plotseling op te komen!

Fig. 6.8


De vleeswaren in Uw koelkast blijven de hele week ‘goed’, maar op zaterdag morgen, stikt het ineens van de witten ronde vlekjes

erop. Wat is dat? Opeens is het vlees bedorven.

Exponentiële groei; de kolonies ontstaan uit enkele bacteriën. Die waren er al die tijd al, maar de grootte wordt opeens zichtbaar; opeens door de exponentiële

groei.


Populatiegroei

• Hoofdstuk 6:Microbiële groei– Groei door splitsing: exponentieel Fig. 6.8, – Meetmethodes:

• telkamer Fig 6.14

• platen [levende cellen] Fig. 6.15, 6.16

• troebeling Fig. 6.17


Waar schendt het leven de wiskunde?

In de microbiologie: microörganismen vermenigvuldigen zich door zich te

delen


Wat is het eenvoudigste groeimodel?

• dN (toename in het aamtal cellen) in een stukje tijd dt:

• Neemt toe met…..


Exponentiële groei

NdtdN • Toename in het aantal (dN) is rechtevenredig

met:– het aantal zelf (N)– tijdsduur (dt)– overigens constant (vaak)

• evenredigheidsconstante is specifieke groeisnelheid ‘’


dN per stukje tijd neemt steeds meer toe, omdat er steeds meer cellen zijn

tijd

dNdN

tijd

NN


Exponentiële kinetiek

)()ln( tddtN

dNNd

dtNd )ln(

NdtdN

dtN

dN

0)ln()ln( 0 tNN

teN

N

0

Fig. 6.8

tN

N)ln(

0


Wanneer geen exponentiële groei?• Op gang komen

(inductie)

• Sex

• Gebrek aan voeding

• Afsterving, migratie

NdtdN

2NdtdN

NdtkNdtkNdtdN DD )(

NdttSdN ))((

NdttdN )(


Generatietijd

220

teN

N

2)2ln(693.0 t

Fig. 6.9a

teN

N

0


Groeisnelheid

• Microbiële groeikinetiek

• Omgevingsfactoren

• Groeicontrole


Hoofdstuk 6:Microbiële groeikinetiek

• Batch groei– lag, exponential, stationary, ‘death’ Fig. 6.10

• Continu cultuur Fig 6.11, 6.13


Pot groei (batch growth); practicum experiment)

NdtdN Fig. 6.10


Pot groei (batch growth)

NdtdN Fig. 6.10


Pot groei (batch growth): inductie fase

NdtdN NdttdN )(Fig. 6.10



NdtdN NdttSdN ))((Fig. 6.10



NdtdN NdtkNdtkNdtdN DD )(


Pot groei (batch growth):groei en dood gelijk in stationaire fase

NdtdN D

DD

k

NdtkNdtkNdtdN

)(0

(max)

(max))( )(

N

eNtN tkD


Pot groei (batch growth)alleen dood in afsterffase

NdtkNdtkNdtdN DD tk

tk

D

D

eN

eNtN

(max)

(max))( )(


Oefenvraag

• Vaak wordt gedacht dat bacterien exponentieel groeien. Dit is niet altijd het geval echter. Geef 3 redenen.

• Bacterie adapteert nog; groei komt op gang

• Substraat raakt op, specifieke groeisnelheid loopt terug

• Stefte groter dan groei



NdtdN Fig. 6.10


Nadeel potgroei

De cel verandert steeds

Liever een constante conditie


NdtDSdN ))((0

Continu cultuur; chemostaat

[S] stelt zich in zodat (S)= D

Fig. 6.11


[Substraat] bepaalt groeisnelheid; batch cultuur

Fig. 6.12


Groeisnelheid bepaalt [substraat] chemostaat

Fig. 6.12


Nu:

• Hoe meten we groei

• Waardoor wordt groei bepaald/beperkt

• Hoe kunnen we groei beperken?


Hoe meten we populatiegroei?

• Totaal aantal cellen tellen

• Levende cellen tellen

• Troebelheidsmeting (turbidometry)


Total aantal cellen tellen

Fig. 6.14


Levende cellen tellen

Let op: ‘viable non-culturable’ cells

worden niet geteld!Fig. 6.15



Ook ‘Most probable number’ methode: tussen 0 en 1*106


Turbidometrie

Fig. 6.17


Hoofdstuk 6: Groei en Omgevingsfactoren:

– substraat (concentratie of type)– Temperatuur Fig. 6.18, 6.19– pH Fig. 6.24– wateractiviteit [conservering, watersimulerende

stoffen] Fig. 6.25– zuurstof Fig. 6.27, 6.29, 6.30

NdtdN NdtpOapHTSdN OH ),,,,( 22


[Substraat] bepaalt groeisnelheid; batch cultuur

Fig. 6.12


TemperatuurafhankelijkheidTemperatuurafhankelijkheid

Fig. 6.18


Conserveringsmethode

Pasteuriseren

Steriliseren-autoclaveren


Leven boven het kookpuntLeven boven het kookpunt

Fig. 6.22


pH (zuurtegraad)pH (zuurtegraad)

Fig. 6.24

Zouden deze Zouden deze organismen organismen pathogeen pathogeen kunnen zijn?kunnen zijn?

Zouden deze Zouden deze organismen organismen pathogeen pathogeen kunnen zijn?kunnen zijn?



Zure bom/ augurken



– substraat (concentratie of type)– Temperatuur,– pH – wateractiviteit [conservering, watersimulerende

stoffen]– zuurstof

NdtdN NdtpOapHSTdN OH ),,,,( 22


Osmotische druk• Osmotische druk: binnen 0.3 M opgeloste deeltjes,

buiten geen

• Deze moet gebalanceerd worden door en mechanische druk (celwand), anders gaat het water naar binnen

atmospheremN

mllmolKKmolJ

V

nTRa

V

TROH

OH

5.7/105.7

/1000/3.0300//3.8

)ln(

25

3

2

2


Osmotische druk• Kleiner buiten: zwelling tot celwand de nodige

tegendruk levert

• Groter buiten: krimping tot intracellulaire ruimte dezelfde osmotische waarde krijgt– dan: verminderde en aH20

– verminderde wateractiviteit– verminderde metabole activiteit– conservering (zoute haring; jam)– of: aanmaak compatibele opgeloste stoffen



Inzouten

Inzoeten

Drogen


Compatibele opgeloste stoffen:

Fig. 6.26


Evolutionaire aanpassing organismen aan wateractiviteit

Fig. 6.25


Zuurstofspanning

• Aerobe organismen– obligaat– facultatief– microaerofiel

• Anaerobe organismen– aerotolerant– obligaat

Oae Oan F M AtFig. 6.27



Inblikken

Begraven


Zuurstof is gevaarlijk/kan gevaarlijk worden…….

Fig. 6.29


Zuurstofradicaal verwijderende enzymen

Fig. 6.30



– substraat (concentratie of type)– Temperatuur– pH– wateractiviteit [conservering, watersimulerende

stoffen]– zuurstof

NdtdN NdtpOapHSTdN OH ),,,,( 22


Groei: samenvatting van de geleerde concepten

• Populatie groei

• Groeivergelijkingen: standaard is exponentieel; 4 andere vormen

• Cel aantal meten (4 methodes) levend/dood

NdtpOapHTSdN OH ),,,,( 22



Maken: Het maken van de benodigde materie– Voeding en Metabolisme (Hfdstk 5)





21.1,2,4,14,17,18: Diversiteit: Katabole alternatieven

Standaardkatabolisme

Alternatieven


Overzicht metabolisme; Overzicht metabolisme; katabolisme, anabolisme en centrale rol van katabolisme, anabolisme en centrale rol van

twee energiëentwee energiëen

Gibbs

Gibbs harvest


Geen zuurstof?

Hoe lossen sommige microorganismen dit op?


Diversiteit in fermentatie


Belang


Geen zuurstof.Wel energie uit redox halen.

Hoe?

5.10: Fermentatie: geen externe electronacceptor

of



Letten op dingen die de cel niet kan maken: electronen; redox

• Electronen afplukken van substraat (electrondonor) en afstaan aan externe electronacceptor: ademhaling

• Waarom? • Omdat hierbij Gibbs energie gewonnen kan worden.• Indien er geen externe electron acceptor is, dan:

– fermentatie• Hoe dan Gibbs energie winnen?

– interne redox– verborgen electron acceptorverborgen electron acceptor


Electron toren

• AcetylCoA maken om daaruit Gibbs energie te halen, maar hoe dan het redox probleem oplossen?

(AcetatylCoA+CO(AcetatylCoA+CO22)/pyuvate)/pyuvate2e2e-- ??--


Electron toren

• AcetylCoA maken om daaruit Gibbs energie te halen, maar hoe dan het redox probleem oplossen?

(AcetatylCoA+CO(AcetatylCoA+CO22)/pyuvate)/pyuvate2e2e-- ??--

Dit kan alleen omdat er Dit kan alleen omdat er voldoende energie in voldoende energie in acetylCoA zitacetylCoA zit


Dit heet toch ‘fermentatie’ omdat Dit heet toch ‘fermentatie’ omdat HH++ niet van buiten komt, maar van niet van buiten komt, maar van water in het medium: Hwater in het medium: H22OOHH+++OH+OH--

2H2H+++2e+2e-- HH22






– interne redox– verborgen electron acceptorverborgen electron acceptor






– interne redoxinterne redox– verborgen electron acceptor


Fermentatie: geen externe electronacceptor: interne redox balans


Energiewinnende routes met fosforylering op substraatniveau (dwz niet met de electronketen)


En dan dus nog electron acceptatie


Electronen bv. weer naar HElectronen bv. weer naar H++


Of naar interne verbinding


Fermentatie (interne oxidatie en reductie): redox balans; geen externe electron acceptor

Oxidized-Oxidized-


Glycolysein melkzuurbacteriën: fermentatie: redox redox

balans in het balans in het process zelfprocess zelf

Glucose:



CH3-CHOH-COOH

gereduceerd

geoxideerd



Voor elementen moet de balans nul zijn

• Netto ATP productie ?

• Netto C productie (nodig voor biomassa)?

• Redox balans (indien voeding even gereduceerd als biomassa; dan moet catabolisme redox neutraal zijn); tenzij er externe electronacceptor is voor electron overschot (bv Zuurstof)


Glycolysein


Gibbs energie Gibbs energie surplussurplus

Glucose:



CH3-CHOH-COOH

gereduceerd

geoxideerd

Glycolyse in melkzuurbacteriGlycolyse in melkzuurbacteriëën levert op:n levert op:

2 ATP/ glucose2 ATP/ glucose

Ipv 34,6 ATP/glucose in standaard Ipv 34,6 ATP/glucose in standaard metabolismemetabolisme


Glucose:



CH3-CHOH-COOH

gereduceerd

geoxideerd

Glycolysein melkzuurbacteriën :

fermentatie: Koolstof Koolstof surplus als surplus als enkel enkel

molecuul: melkzuur molecuul: melkzuur (lactic acid)(lactic acid)

HomoHomofermentatieffermentatief


Alternatieven op glycolyse

Heterofermentatief (lactaat plus alcohol)

Homofermentatief Entner-Douderoff


Heterofermentatief

wat is het verschil?


Hetero-fermentatief

Wat is het verschil?


Entner-Douderoff

22


Mixed acid fermentation


Wat moet ik hier nu in … van leren?

U moet het kunnen beargumenterenU moet het kunnen beargumenterenU moet erover kunnen nadenkenU moet erover kunnen nadenkenDe gouden regel: de microorganismen kunnen allles… wat De gouden regel: de microorganismen kunnen allles… wat mogelijk ismogelijk isMaar ze hebben Gibbs vrije energie nodigMaar ze hebben Gibbs vrije energie nodigEn elementen om te groeien.En elementen om te groeien.


Zoals, wanneer ik de vraag stel:

• De Gibbs vrije energie van ATP is zo’n 45 kJ/mol (standaard Gibbs vrije energie 32 kJ/mol)

• De Gibbs vrije energie die anaeroob vrij kan komen uit stoffen zoals succinaat (barnsteenzuur) is 21 kJ/mol

• Succinaat + H2O propionaat +bicarbonaat • –G0’=-20.5 kJ/mol• Verwacht U bacteriën op barnsteenzuur onder de

grond?


Aanwijzing


Antwoord33

33


Antwoord33

33

Maak NaMaak Na++ gradient gradient met Gibbs energie met Gibbs energie van 18 kJ/molvan 18 kJ/mol

Het NaHet Na++-ATPase -ATPase gebruikt 3 Nagebruikt 3 Na++ per per ATP dus 3x18=54 kJ ATP dus 3x18=54 kJ voor een mol ATP voor een mol ATP van 48 kJ.van 48 kJ.

Energie zonder ademhaling of Energie zonder ademhaling of substraatniveaufosforyleringsubstraatniveaufosforylering


Zuurstof

Rol als electron acceptor om Gibbs energie Rol als electron acceptor om Gibbs energie op te leverenop te leveren

Rol als chemische groep in verbindingenRol als chemische groep in verbindingen


In ademhaling

• 4 e- + O2 + 4 H+ H2O

• Zuurstof komt hierbij NIET in een voor het leven nodige stof terecht


Bij oxygenatie wel

• A + O2 + AO + H2O mono-oxygenase

• Een zuurstofatoom komt hierbij WEL in een voor het leven nodige stof terecht

• A + O2 + AO2 + H2O di-oxygenase

• Beide zuurstofatomen komen hierbij WEL in een voor het leven nodige stof terecht


Afbraak van aromaten, bijvoorbeeld


Paradoxen rondom suiker

• Cellulose, zetmeel en glycogeen

• Structuur materiaal, energieopslag

• Niet, wel, wel afbreekbaar


Pentose fosfaat route

• Pentoses voor nucleotiden

• NADPH

• C4, C5, C6, C7 suiker gevormd


Citroenzuurcyclus probleem:kun je groeien op acetaat?


Citroenzuurcyclus probleem:kun je groeien op acetaat of succinaat?

Neen, want dan Neen, want dan verbruik je verbruik je cyclus cyclus intermediairenintermediairen


Citroenzuurcyclus probleem:kun je groeien op acetaat of succinaat?

Oplossing: glyoxylaat cyclus


Microbiële genomics


Hoofdstuk 13: Genomics

• Cloning• Genome sequencing• Genomes• Omics:

– Transcriptomics– Proteomics– Metabolomics– Integrative Bioinformatics


Cloning: Artificial chromosomes

Figs. 13.2 en 13.3


Sequentiebepaling• Systematisch: contigs, of:

• ‘Random’ shotgun’ (aan flarden, dan sequenties bepalen), plus bioinformatica: via overlap aan elkaar leggen en dan genen (ORFs) herkennen

Fig. 13.4

atgcgcgtatatg

atatgcgcgtatatg


Hoe groot zijn de

genomen?

Tabel 15.1


Genoom sequentie en bioinformaticaGenoom sequentie en bioinformatica

• Shot-gun sequentiebepaling

• Stambomen maken

• Identificatie van genfuncties middels homologie van ORF’s aan bekende genen

• Netwerk reconstructie

• Begrijpen netwerk functioneren (=integratieve bioinformatica en systeembiologie)


Sequenties zijn homoloog maar ook Sequenties zijn homoloog maar ook uniekuniek

Voor organismen

Voor eiwitten


Eiwitsequenties zijn uniek:hulp bij identificatie van mRNA en

eiwitten• Knip eiwitband uit• Sequence een paar

aminozuren• Bepaal welk eiwit

het is uit de genoom sequentie


De ‘omes’

Genoom

Transcriptoom

Proteoom

Metaboloom


Transcriptoom: hybridization array

Fig. 13.15 & 13.16


Proteoom2-D gelelectroforese

(Wordt vervangen door massaspectrometrie)

Kan voor prokaryoten

Nog niet voor zoogdieren

Vanwege genoom groottes

Fig. 15.13


Integratieve BioinformaticaIntegratieve Bioinformatica

• Combineer DNA, mRNA, eiwit and metabolieten /functie informatie

Fig. 13.6


Metagenomics(Ecogenomics aan de VU)

Genomen van alle organismen in een ecosysteem (bv de darm of de

Saragossazee)


Metabolomics

NMR

Massa spectrometrie

Robot enzym assays


Dit was hoofdstuk 13: Genomics

• Cloning• Genome sequencing• Genomes• Omics:

– Transcriptomics– Proteomics– Metabolomics– Integrative Bioinformatics


Hoofdstuk 18 (18.1 – 18.4)

EvolutieEvolutie


Eerst

Twee grote principes:

Vinogradsky/Beyerinck

Kluyver


Het principe van Winogradsky/BeijerinckHet principe van Winogradsky/Beijerinck;verrijkingsculture

Azotobacter chroococcum (aerobe stikstoffixeerder)


• Alles is overal

• Wat er groeit hangt slechts af van wat je aanbiedt

Het principe van Winogradsky (1890)/Beijerinck


Het principe van Winogradsky/Beijerinck verklaard• activiteit komt op achtereenvolgens door:

– metabolisme van al aanwezige organismen,– inductie van zulk mechanisme in al aanwezige

organismen,– groei van de organismen– selectie van beter aangepaste mutanten die al in

de populatie aanwezig waren – mutatie en dan selectie van nieuwe organismen


Het principe van Winogradsky/Beijerinck

tijd

omze

ttin

gsac

tivi

teit

indu

ctie

met

abol

ism

e

groe

i

sele

ctie

mut

atie


• Principe:– Alles is overal– Wat er groeit hangt slechts af van wat je aanbiedt

• Methodiek: – Verrijkingsculture:

• Om organismen te vinden en dan te bestuderen:» bv long pathogenen (TB)

• Om industriële processen biologisch te maken» bv. Alcohol resistente gist

Het principe van Winogradsky (1890)/Beijerinck


Diversiteit en evolutieDiversiteit en evolutie

• Enorme diversiteit qua functie

• Enorme overeenkomsten qua componenten en netwerken (homologie) [eenheid in de biochemie=principe van Kluyver]


Principe van KluyverPrincipe van Kluyver: eenheid in de biochemie van de grote verscheidenheid

van organismen• Verklaring: door de grote homologie• Alle organismen stammen van hetzelfde organisme af• Mutaties leven alleen voort als ze geen nadeel opleveren• Als je reeds optimaal bent, dan zijn alle mutaties negatief• Dubbele mutaties zijn zeldzaam• Wel: evolutie door het overnemen/anders toepassen van reeds

succesvolle eenheden


Principe van KluyverPrincipe van Kluyver: eenheid in de biochemie van de grote verscheidenheid

van organismen

• Verklaring: door de grote homologie• Dit kan gezien worden als bewijs voor de evolutie• Het alternatief zou analogie geweest zijn (dezelfde

functionaliteit maar verschillende oorsprong): de DNAsequentie wijst op gelijke afstamming, dus op homologie)


Diversiteit en evolutieDiversiteit en evolutie

• Enorme diversiteit qua functie• Enorme overeenkomsten qua samenstelling

(homologie) [eenheid in de biochemie=principe van Kluyver]

• Diversiteit: Bergey’s handleiding (Appendix 2)• Beyerink principe. Uitdaging: elke soort lost zijn eigen

problemen op


Hoe oud zijn wij?Hoe oud zijn wij?

4 miljard jaar4 miljard jaar


Hoe oud zijn wij?Hoe oud zijn wij?

• U: 20 jaar• De mens: 0.25 Mjaar• Multicellulaire organismen: 0.7 Gjaar• Oxygeen leven: 2.9 Gjaar• Aards leven: 3.9 Gjaar [300 genen??]• De Aarde: 4.6 Gjaar• Zonnestelsel: 4.6 Gjaar• Het heelal: 14 Gjaar


Het begin

300 genen (??)

Ontstaan van de soorten

Ontstaan van het leven

300 genen (!!)

LUCA: Last Universal LUCA: Last Universal Common AncestorCommon Ancestor


The origin of speciesHet ontstaan van de soorten

• Evolutie is de zeer waarschijnlijke verklaring– Evolutionaire stambomen worden bevestigd door de

DNA-sequentie homologie– Diversiteit, maar toch een gemeenschappelijk

oorsprong


Stamboom: Stamboom: eerst eerst

sequencensequencen

Fig. 14.9


Fig. 14.10


Fig. 14.16

Evolutionaire stamboom

LUCA: Last Universal LUCA: Last Universal Common AncestorCommon Ancestor


The origin of LifeDe oorsprong van het leven

• Slechts 0.4 Gjaar, vergeleken met 4 Gjaar voor de evolutie

• Verklaringen van de eerste levensvorm, die reeds complex moet zijn geweest (‘300 genen’) – Evolutie uit dode materie (niet onmogelijk)

– Afkomstig van een andere planeet (verplaatst het probleem, maar geeft wel veel meer tijd (10 Gjaar)

– Schepping: verplaatst het probleem en is ontestbaar


Het begin

300 genen (??)

Ontstaan van de soorten

Ontstaan van het leven


De vroegste vorm van leven

• Zelf replicerend RNA in lipide vesicles?

• Cel? (‘ 300 genen’)– Membraan– Geheugen– Energie – Katalysatoren


Energie

• Geen zuurstof• Chemolithotrofe

organismen:• H2 + S → 2H+ + S2-

• Zuurstof producerende organismen 2.8 Gjaar

• Maar eerst Fe2+ op oxideren: 2 Gjaar


Hoofdstuk 14 samenvatting

• 4 Gjaar evolutie vanuit enkel organisme

• Stamboom: grote diversiteit èn grote verwantschap

• De vroegste vorm van leven: giswerk


Werkvragen

Hoe detecteren we leven?

Is er leven op Mars?

Zjn er onbekende typen leven op aarde?


Evolutie stamboom (rRNA sequenties)


Evolutie tot diverse levensvormen

Moleculaire verschillen geringer


Hoe groot is leven (En waarom?)

Fig. 2.3


Hoe ziet het leven eruit?Prokaryoot

Fig. 2.1


Hoe ziet het leven eruit?Eukaryoot

Fig. 2.1


Interne struktuur; wat is er zichtbaar?

• Kern(-membraan)

• Organellen

• Celmembraan– lipiden– membraaneiwitten– functie– celmuur


De eukaryote cel: constellatie van ‘subcellen’

50 μm


Endosymbiose: bewijs

• Mitochondriën en chloroplasten bevatten DNA en eigen ribosomen [70 S]

• Antibiotica tegen prokaryote eiwit synthese werken ook ‘tegen’ chloroplasten en mitochondriën

• Fylogenetische stamboom: mitochondriën en chloroplasten dichtbij prokaryoten


Hoofdstuk 15.1-15.13 verder

DoorlezenGevoel krijgen voor de diversiteit

En voorAlles kan, wat kan.


LeerdoelenLeerdoelen

• Introduceren van het minimum aan supramoleculaire concepten en technieken dat nodig is om het leven te kunnen gaan begrijpen.

• Dit geschiedt aan de hand van de microbiële cel als de kleinste eenheid van autonoom leven.


EindtermenEindtermen• Begrip van het verschil tussen de levende cel en de ervan deel

uitmakende moleculen. • Inzicht in:

– de noodzakelijkhden van het metabolisme– de rijkdom van het metabolisme– het principe van Kluyver/Beyerinck– genetische en metabole overeenkomsten en diversiteit– diversiteit van kweekmethoden.– diversiteit van regulatiemethodes. – wat microbiële groei beïnvloedt– hoe microbiële groei onder controle gehouden kan worden.– overzicht van de diverse levensvormen– de levendigheid van het genoom

• Appreciatie van de verbondenheid van structuur, processen en functioneren

• Inzicht in:– de specifieke mogelijkheden van microbiële experimenten.


black board

Documents

De microbi ë le cel Van molecuul tot leven