Universele biochemie

Universele biochemie
De Universele aard van de biochemie van de
levende stof
http://www.pnas.org/cgi/content/full/98/3/805
(EXOBIOLOGY )
De studies Biochemie en Biotechnologie behoren tot de levenswetenschappen (‘Life
Sciences’)en beogen de diepgaande studie van het leven op vier niveaus: de molecule, de cel, het
modelorganisme(bacterie, gist, plant, rondworm, vlieg, zebravis, muis, mens) en de toepassingen.
(De bio-informatica die nodig is bij de verwerking van de vele biologische en genetische
informatie (denk aan de verschillende genoomsequenties die ter beschikking komen) komt
daarbij ook uitgebreidaan bod.(1 )
De moderne biochemie en biotechnologie vindt zijn oorsprong in de grondige kennis van de structuur
en werking van informatiedragende moleculen zoals DNA en eiwitten. De opleiding besteedt
veel aandacht aan de studie van biomacromoleculen en hoe die functioneren in de levende
organismen tijdens de ontwikkeling, de homeostase en ziektetoestanden.
Een biomolecule werkt steeds in een bepaalde context (cellen, organen, organismen, populaties,
ecosystemen).
Ook deze grotere biologische gehelen komen uitvoerig aan bod in de opleiding.
Een belangrijke vaststelling is dat de meeste biochemische en moleculair
biologische processen in de levende materie universeel zijn.
Anders gezegd, ze voltrekken zich niet alleen in cellen
van de mens, maar ook in cellen van dieren, planten, gisten en zelfs in bacteriën.
Deze universaliteit duidterop dat alle huidige leven afkomstig is van een gemeenschappelijke
oorspronkelijke oercel.
ELK levend wezen (inclusief wijzelf) is dus het levende bewijs van een succesvolle
ononderbroken erfelijke lijn die teruggaat tot de oorsprong van het cellulaire leven zo’n 3,8
miljard jaar geleden.
Vier soorten biomoleculen vormen de basis van alle celcomponenten:
vetten, eiwitten, suikers en nucleïnezuren.
De vetten of lipiden zijn het hoofdbestanddeel van de cellulaire membranen, maar spelen ook een
belangrijke rol in allerlei biochemische processen.
Eiwitten worden ingedeeld naargelang ze een rol spelen in de structuur van de cel dan wel voor de
functie van de cel. Zo zijn er eiwitten die dienen als bouwstenen,bijvoorbeeld in de celmembraan of als
‘skelet’ binnen de cel (= cytoskelet). Andere eiwitten staan in voor de biochemische processen
(enzymen), zorgen voor de communicatie tussen of in de cellen of zorgenervoor dat de juiste genen
worden geactiveerd op het juiste moment.
Tussen en in de cellen bestaan ingewikkelde communicatienetwerken. Dit gebeurt doordat de
moleculen signalen naar elkaar sturen... Veel ziekteprocessen zoals kanker, neurodegeneratieve
ziektes, chronische
inflammatieziektes, metabole ziektes zoals diabetes zijn een gevolg van een fout in deze
communicatienetwerken.
Voor onze energievoorziening worden meestal suikers uit de voeding omgezet tot
energierijkeverbindingen. Bovendien heeft het plaatsen van suikergroepen op eiwitten een zeer
belangrijke communicatiefunctie voor eiwitten.
De nucleïnezuren zijn onder andere de basis van het DNA(desoxyribonucleïnezuur), d.i. onze
genetische informatie. Het is een lange keten van nucleotiden.
Wist je dat zich in elke cel ongeveer twee meter DNA bevindt indien je het volledig ontrolt?
Elke cel in een organisme bevat dezelfde DNA-kopij maar zal, afhankelijk van zijn functie (spiercel,
zenuwcel enz.), slechts een specifiek deel van het DNA ‘aflezen’.
De biochemische en biotechnologische wetenschappen leren en zoeken verder uit hoe dat
allemaal juist werkt en in elkaar zit !
> Micro-organismen: meesterlijke fabriekjes
Micro-organismen (bacteriën, virussen, schimmels, gisten, micro-algen ...) spelen een belangrijke rol
in het biochemisch en biotechnologisch onderzoek. Ze worden al lang op grote schaal met succes
gebruikt
bij industriële fermentatieprocessen, onder meer bij de bereiding van bier, kaas en yoghurt, en
waterzuiveringsprocessen.
De nieuwe onderzoeksmethodes houden zich bezig met het zoeken naar micro-organismen die over
bepaalde, gewenste eigenschappen beschikken.
Bacteriën zijn helemaal niet zo primitief als vaak wordt verondersteld. Zij zijn de kampioenen in het
uitvoeren van reacties die zogenaamd hogere organismen niet kunnen uitvoeren. De afbraak van
bepaalde plasticsoorten is één van de meest tot de verbeelding sprekende voorbeelden. Hogere
organismen zoals plant, mens en dier zijn opgebouwd uit verschillende gespecialiseerde celtypes.
Micro organismen kan men massaal kweken voor de productie van bijvoorbeeld specifieke vaccins.
Daarnaast kunnen ze genetisch gemanipuleerd worden zodat ze andere stoffen aanmaken die
belangrijk zijn voor
onder meer de gezondheidszorg: insuline, bloedverdunners, groeihormoon en dergelijke.
Op die manier krijgen we veilige en betaalbare geneesmiddelen ter beschikking.
Biotechnologische technieken laten bijvoorbeeld toe yoghurtbacteriën genetisch aan te passen om
zeer ernstige darmaandoeningen te bestrijden.
Deze technologie werd ontwikkeld in de Gentse laboratoria.
Eiwitonderzoek en -engineering:
Een wandeling door een eiwit !
Wegens hun belang, hun grote diversiteit, aantal, functie en opbouw is eiwitonderzoek één van de
grootste uitdagingen in de biochemie en de biotechnologie.
De functie van elk enzym wordt bepaald door de volgorde van de aminozuren in de eiwitketen. Die
volgorde bevat informatie over de manierwaarop het eiwit in de ruimte is opgebouwd,(stereochemie ,
plooing )
met andere eiwitten kan interageren en over zijn functie als enzym.
De ruimtelijke structuur van een eiwit kan bepaald worden door X-stralenanalyse van eiwitkristallen (=
structurele biologie). Via je computerscherm kan je als het ware door het eiwit wandelen
en leer je hoe en waarom een eiwit op een bepaalde manier functioneert. Veel geneesmiddelen
blokkeren de werking van bepaalde enzymen bv. aspirine, de antikanker middelen Gleevec en taxol
enz.
Een betere kennis van de structuur en werking van eiwitten wordt gezien als de basis voor het
identificeren van nieuwe geneesmiddelen. Spitstechnologische apparatuur maakt het mogelijk om de
samenstelling van
complexe eiwitmengsels te identificeren. Dergelijke analyses kunnen je bijvoorbeeld leren wat er mis
gaat in bepaalde ziekten.
> Genetic engineering: goochelen met DNA
Chromosomen zijn aanwezig in elke levende cel en bestaan uit een reeks DNA moleculen. Het gen,
als
drager van erfelijke eigenschappen, is een segment van die DNA-streng. In de jaren zeventig
ontwikkelden
wetenschappers (o.a. aan de Gentse universiteit) technieken om stukjes DNA uit te knippen en die in
het
DNA van andere organismen over te brengen, vooral op plasmiden van bacteriën. Dergelijke
technologieën
worden aan elke student tijdens de opleiding heel praktisch aangeleerd. Zo kan je een stukje DNA dat
codeert voor menselijke eiwitten overbrengen in bacteriën. Die bacterie is dan als het ware
omgebouwd12
mogelijk een biologisch systeem in zijn totaliteit te onderzoeken door middel van de analyse van de
expressie van genen (transcriptoom) of eiwitten (proteoom). De bio-informatica is onontbeerlijk voor
de
verwerking van deze kolossale hoeveelheden aan experimentele gegevens. Een boeiende puzzel …
Het bekende leven gebruikt simpele organische molecules
als bouwelementen voor grotere molecules .
Aminozuren worden gebruikt bij de konstruktie van lange eiwit-ketens ;
Eenvoudige suikers combineren bij de konstruktie van nucleine -zuren
Het lijkt logisch dat de evolutie van gelijk welke organische levensvorm ook is gebaseerd op de "bouwdoos" -achtige konstruktie van complexe molecules en wel als zichzelf herhalende stucturen van
simpele onderdelen( sub-units ) Het is zelfs voorstelbaar dat de basis bouwstenen van het leven
overal gelijkaardig zullen zijn aan de aardse : toch zeker in het algemeen indien al niet in de details
De 20 vertrouwde amino-zuren zijn de eenvoudigst voorstelbare koolstof-strukturen die funktionele
groepen kunnen leveren zoals door het levende gebruikt
---> Hun eigenschappen regelen onder meer ,reactievermogens met water en
Bovendien blijken aminozuren eenvoudig te worden gevormd uit erg simpele organische mengsels en
komen ze voor in buitenaardselichamen zoals meteorieten ; ze worden dus hoogst waarschijnlijk
overal gevormd waar een voldoende scheikundige komplexiteit( nodig voor het leven ) bestaat ...
Op dezelfde manier blijken de vijf koolstof- suikers die worden gebruikt in de nucleine-zuren te
bestaan uit repeterende eenheden , misschien gedeeltelijk omdat ze de kleinste suikers zijn die nog
kunnen cycleren en daardoor ruimtelijke orientatie ( -->stereochemie ! ) geven aan anderemolecules
; bijvoorbeeld aan de purines en pyrimidines die de genetische informatie van de aardse
organismen stoffelijk dragen ...
Door de unieke eigenschappen en mogelijkheden van interaktie ( met particuliere specifiteit )
tussen purines en pyrimidides; zijn ook deze sub-units __ of iets erg gelijkaardigs ___ waarschijnlijk
ook algemeen waar maar leven is /onstaat /onstond
Verschillen in evolutionaire systemen liggen waarschijnlijk aan de basis van " hogere " organisatieniveaus( levels ) :
Er bestaan nog verscheidene andere levens- universalia , buiten de "bouwstenen "
Energie overdracht en transformatie is een kritiek gegeven ...
Lithotroof :
verondersteld de oxydatie en noodzakelijke reductie van geochemische mengsels
Bijvoorbeeld :
Methaan-genererende organismen winnen groei -energie door het gebruik van waterstof (H2) als
een bron van hoog energetische elektronen , die worden doorgegeven aan kooldioxyde (CO2),
en zodoende methaan (CH4)vormen .
Andere microben gebruikken waterstof- sulfide (H2S) als energiebron en ademen zuurstof (O2),
om zwavelzuur (H2SO4).te produceren
Er word verondersteld dat het vroegste aardse leven afhankelijk was van lithotroof metabolisme
het tweede proces bij de energiewinning is
de photosynthesis
De opgevangen licht energie ( fotonen ) word omgezet in energie-rijke elektronen die kunnen worden
gebruikt als biochemische trekpaarden ...
Photosynthese onstond vroeg in de geschiedenis van het aardse leven en is waarschijnlijk de
drijfkracht-installatie van de meeste basisprodukties van de huidige aarde biosfeer
Het lithotrofe aandeel bij die primaire produktie is echter onbekend , want er is (nog steeds)weinig
geweten over de distributie in de aardkorst van zulke (extremofiele?) organismen ...
Er word verwacht dat aards leven ___ en buitenaards leven ___ vele gelijkaardige , indien al niet
identieke , stoffen / bouwstenen en processen zullen gebruiken
: maar er word ook verwacht dat sommigen unieke biochemische kwaliteiten zullen hebben
Deze verwachtingen zijn gebaseerd op het feit dat
verschillende lijnen ( ramifications and pathways ) van aardse evolutie ook ooit hebben geleid
tot unieke oplossingen binnen die lijnen
( Nota : gekozen door de Natuurlijke Selektie in de wisselende oplosssingsruimtes
van opeenvolgende leef-omgevingen en uitdagingen )
De Biochemie van methanogenesis onstond in de Archae :
terwijl de clorofyl-photosynthesis ontwikkelde in het phylogenetisch domein Bacteria ;
Het cytoskeleton , waarschijnlijk een voorwaarde voor grotere en complexere cellstrukturen
,onstond in de eukaryoten ...
Indien we rekening houden met de aardse biodiversiteit dan zijn zowel "nieuwigheden " als "goede
oude oplossingen "overal te verwachten ...
----> Een van de voorlopers van de exobiologie ( in de zestiger jaren van vorige eeuw ) is de
canadese bioloog en vulgarisator N.L. BERIL
Astrophysica
---> (2002 ) ***dat zich in de paardekopnevel methanol-moleculen (CH3OH).bevinden
.Een aanwijzing voor de aanwezigheid van dergelijke moleculen is tegelijk een indicatie dat er zich
elders in de ruimte levensvormen kunnen ontwikkelen (hebben ontwikkeld).
--->( 2002 )*** In een molecuulwolk genoemd “ Sagittarius -B “ , 26000 lichtjaar van ons vandaan
hebben bio-astronomen nu ook het " antivries-molecuul" aethyleenglucose ontdekt ( 2002 )
Dit uit koolstof,zuurstof en waterstof opgebouwde molecuul behoort tot de grotere en
ingewikkelder suikermoleculen.
Hiermee worden de indicaties dat wij op aarde niet de enige levensvormen in het heelal
vertegenwoordigen steeds indringender.......
CHNOPS
(C-) Koolstof ,( H-) waterstof , (N-) stikstof ,(O-) zuurstof ,(P-) fosfor en ( S ) zwavel , worden
beschouwd als de
essentieele niet-metalen die altijd aanwezig zijn in elke vorm van ( bekend ) aards leven ...
Ze komen ook voor in het interstellaire stof en gas ( H is zelfs het meest voorkomende "stoffelijke "
basisingredient van de
kosmos )
In feite is Biochemie ---> koolstofchemie
of er ook andere elementen als grondslag voor "leven" kunnen dienen ( bijvoorbeeld = Silicium -->Si ) is ( nog ) niet bekend ....
CHNOPS.docx (488.6 KB) -
antivries-molecuul
In Sagittarius B2(N), 26000 lichtjaar van ons vandaan hebben astronomen een
" antivries-molecuul"
ontdekt.( 2002 )
Dit uit koolstof,zuurstof en waterstof opgebouwde molecuul behoort tot de grotere en
ingewikkelder suikermoleculen.
Hiermee worden de indicaties dat wij op aarde niet de enige levensvormen in het heelal
vertegenwoordigen steeds indringender.......
De ontdekking in sagittarius gebeurde met de pas een paar jaar in gebruik zijnde radiotelescoop van Green Bank : die ving straling op van
moleculen.
glycolaldehyde-
http://www.enchantedlearning.com/ggifs/Glycolaldehyde.GIF
De gaswolk in sagittarius heeft een temperatuur van slechts acht graden boven
het absolute nulpunt.
Tot nog toe was het niet helemaal duidelijk of er wel complexere moleculen onder zulke
omstandigheden konden gevormd worden.
De onderzoekers gaan van de veronderstelling uit dat de bouwstenen hiervoor uit
interstellaire stofdeeltjes zijn neergeslagen en onder invloed van druken stootgolven zichzelf tot zulke complexere moleculen hebben kunnen vormen.
Zulke druk- en stootgolven zijn typische bijverschijnselen bij de vorming van sterren in zulke
gaswolken.
Pseudo-panspermia theorie ?
Soortgelijke processen zouden zich ook kunnen hebben voorgedaan in de buitenste
regionen van de solaire "oernevel" waaruit ons zonnestelsel is ontstaan.
Er wordt al langere tijd over de mogelijkheid gediscussieerd dat het ontstaan van het
leven op bijvoorbeeld onze Aarde mede "geholpen" werd of tenminste
bespoedigd werd door dergelijke moleculen die dan bijvoorbeeld via kometen binnen
het bereik van het aardmagnetisme werden "ingevangen".
Appendix
http://www.astrosmo.unam.mx/~luisfr/glycolaldehyde.gif
http://www.cv.nrao.edu/~awootten/ch2ohcho.html
Molecular Parameters for CH2OHCHO
National Radio Astronomy Observatory
This is the third in a series of three isomers (along with methyl formate and acetic acid)
known in the ISM. The molecule is astrobiologically important as the first monosaccharide to
be detected in interstellar space. In Figure two of the discovery paper the three isomers are
illustrated:
Interstellar detection by Hollis, J. M., Lovas, F. J. & Jewell, P. R. 2000, Ap. J. Letters, 540,
L107
Interstellar glycolaldehyde (CH2OHCHO) has been detected in emission toward the Galactic
center source Sagittarius B2(N) by means of millimeter-wave rotational transitions.
Glycolaldehyde is an important biomarker since it is structurally the simplest member of the
monosaccharide sugars that heretofore have gone undetected in interstellar clouds. There is
no consensus as to how any such large complex molecules are formed in the interstellar
clouds. It may be that the typical environment of dense interstellar clouds is favorable to
glycolaldehyde synthesis by means of the polymerization of formaldehyde (H2CO) molecules
either on grain surfaces or in the gas phase. Alternatively, we speculate that glycolaldehyde
and other complex molecules may undergo assembly from functional molecular groups on
grain surfaces. Utilizing common chemical precursors, a chance process could account for
the high degree of isomerism observed in complex interstellar molecules (e.g., methyl
formate, acetic acid, and glycolaldehyde). This work suggests that the phenomenon of
isomerism be investigated further as a means of potentially constraining interstellar chemistry
routes for those individual sources where the condition of good source-beam coupling can be
achieved.
to the Known Interstellar Molecules Page
http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html
The 125 reported interstellar and circumstellar molecules. Updated 2004 Aug 24 by HAW.
OERMOLECULEN
De ruimte is rijk aan organische moleculen, die waarschijnlijk aan de basis lagen van het leven op
aarde, maar waarvan nog steeds niet alles geweten is.
De Astrophysical Journal Letters ( september 2004 ) beschrijft twee organische moleculen, die
Sagittarius B2,
ontdekt werden in een enorme interstellaire wolk:
een extreem koude
massa van sterrenvormend gas in het hart van de melkweg waar ook wij toe behoren.
Al snel bleek dat de moleculen op koolstof gebaseerd zijn, zoals veel van wat aan de oorsprong van
het leven moet hebben gelegen. Maar om hun specifieke samenstelling te achterhalen, dienden
astronomen een gedetailleerde analyse te maken van de frequenties van de radiostralen afkomstig
uit de wolk.
propenal propanal, die
Zo konden ze twee moleculen onderscheiden:
en
respectievelijk uit acht en tien atomen bestaan, waarvan drie koolstofatomen.
Het is niet de eerste keer dat er organische moleculen uit ruimtestralen geplukt werden, maar de
nieuwe structuren bieden onvermoede mogelijkheden om voort te borduren op de vraag hoe er in de
ruimte complexe organische moleculen ontstonden.
Het volstaat bijvoorbeeld om twee waterstofatomen aan een propenalmolecule te hangen om propanal
te vormen. Dat vervolgens als een tussenstap kan fungeren naar n처g complexere moleculen.
Propanal en Propenal
http://www.nrao.edu/pr/2004/GBTMolecules/
Diagram of the 10-atom molecule propanal
and the 8-atom molecule propenal.
.
LINKS
Biochemische elementen in de wereldruimte
http://www.nrao.edu/pr/
Ethylglucose
http://www.nrao.edu/pr/2002/antifreeze/
Ethylene Glycol Molecule
(1) > Bio-informatica en systeembiologie
De totale sequentie van het menselijke DNA is een opeenvolging van 3,3 miljard nucleotiden (=
genoom).Slechts 1,5 % van het genoom geeft aanleiding tot eiwitten. De rest van het genoom bevat
vooral herhalendeDNA-sequenties, gegevens over hoe de genen in bepaalde cellen al of niet
geactiveerd moeten worden enDNA-sequenties met ongekende functies.
Tegenwoordig beschikt men over honderden totale genoom-DNAsequenties. Via de bioinformatica kan men deze genomen vergelijken, de evolutie proberen te reconstrueren en
bepaalde regulerende sequenties proberen te identificeren.
Bio-informatica is ook nodig voor de berekening van de structuur van eiwitten. De
biotechnologische technieken en de bio-informatica maken het mogelijk een biologisch systeem in
zijn totaliteit te onderzoeken door middel van de analyse van de expressie van genen
(transcriptoom) of eiwitten (proteoom).
De bio-informatica is onontbeerlijk voor de verwerking van deze kolossale hoeveelheden
aan experimentele gegevens. Een boeiende puzzel …