Universele biochemie

 

De Universele aard van   de biochemie van   de levende stofhttp://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 besteedtveel 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 cellenvan 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, chronischeinflammatieziektes, 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 gebruiktbij 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 vanbepaalde 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 wandelenen 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 vancomplexe eiwitmengsels te identificeren. Dergelijke analyses kunnen je bijvoorbeeld leren wat er mis gaat in bepaalde ziekten.

> Genetic engineering: goochelen met DNAChromosomen zijn aanwezig in elke levende cel en bestaan uit een reeks DNA moleculen. Het gen, alsdrager van erfelijke eigenschappen, is een segment van die DNA-streng. In de jaren zeventig ontwikkeldenwetenschappers (o.a. aan de Gentse universiteit) technieken om stukjes DNA uit te knippen en die in hetDNA van andere organismen over te brengen, vooral op plasmiden van bacteriën. Dergelijke technologieënworden aan elke student tijdens de opleiding heel praktisch aangeleerd. Zo kan je een stukje DNA datcodeert voor menselijke eiwitten overbrengen in bacteriën. Die bacterie is dan als het ware omgebouwd12mogelijk een biologisch systeem in zijn totaliteit te onderzoeken door middel van de analyse van deexpressie van genen (transcriptoom) of eiwitten (proteoom). De bio-informatica is onontbeerlijk voor deverwerking 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 "bouw-doos" -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 " organisatie-niveaus( 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 isde 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 dekosmos )

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-molecuulIn  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 radio-

telescoop van Green Bank :   die ving   straling op van glycolaldehyde-moleculen.

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 druk- en 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".

Appendixhttp://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 Pagehttp://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.htmlThe 125 reported interstellar and circumstellar molecules. Updated 2004 Aug 24 by HAW.

OERMOLECULENDe 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

ontdekt werden in een enorme interstellaire wolk: Sagittarius B2, 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.

Zo konden ze twee moleculen onderscheiden: propenal en propanal, die 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 n 처 g complexere moleculen.

Propanal en Propenal http://www.nrao.edu/pr/2004/GBTMolecules/

Diagram of the 10-atom molecule propanaland the 8-atom molecule propenal.

.

LINKSBiochemische elementen in de wereldruimte

http://www.nrao.edu/pr/

Ethylglucosehttp://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 bio-informatica 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 …