De microbiële cel Van molecuul tot leven

De microbiële cel Van 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. De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff
Date Name Chapter pp Title 27-10 fcb 1 25 Microorganisms and Microbiology 28-10 2 A brief journey to the microbial world 29-10 4 40 Cell structure and function in Bacteria and Archaea 30-10 wff 5 33 Nutrition, culture, and metabolism of microorganisms 31-10 6 30 Microbial growth 3-11 10 27 Overview of viruses and virology 4-11 20 (1,2,4,5,6, 8,9,14,15) 18 Metabolic diversity I 5-11 21 (1,2,4, 14,17,18) 13 Metabolic diversity II 6-11 22 Microbial genomics 14.1 t/m 14.4 Microbial evolution 7-11 7 Eukaryotic organelles 15.1 t/m 15.13 Bacteria: The Proteobacteria 10-11 9.1 t/m 9.9 15 Regulation of gene expression (+ werkcollege lac) 12-11 16.1 t/m 16.8 Bacteria: Gram-positive and other bacteria 13-11 17.1 t/m 17.8 Archaea 14-11 Syllabus Calculations De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

De microbiële cel Van molecuul tot leven
Lecture slides; course microbiologie bachelors biologen; Jan 2008; deel van Westerhoff (Jan 8-Jan11, 2008) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

College ppt: komt op blackboard
En: De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Ik behandel: Groei Regulatie Evolutie Genomics De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Algemene Microbiologie
Groei Het maken van leven Algemene Microbiologie

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Maken: Het maken van de benodigde materie Voeding en Metabolisme (Hfdstk & ) Vergroten: Het vergroten van het organisme Celvolumegroei (Hfdstk ) Vermeerderen: Het vermeerderen van het celaantal (Hfdstk ) Veranderen: Het differentiëren naar verschillende celtypes De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Eerst maar even differentiatie
Sporen Exospore, coat, cortex en dan ongeveer een cel Dehydratie, Dipicolinezuur, SASP’s Differentiatie ‘tot eukaryoot’ Kern, Organellen Differentiatie tot multicellulair organisme De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Microbiële groei: Principes
Reproductie! Alle reacties gekatalyseerd door enzymen Organismen kunnen (bijna) alles maken wat mogelijk is ONmogelijkheden: geconserveerde zaken ‘Verwende organismen’ Enzymen zijn eiwitten, soms met cofactoren De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Reproductie (dwz meer van hetzelfde; de machine maakt zichzelf)
Microbiële groei is: Reproductie (dwz meer van hetzelfde; de machine maakt zichzelf) Algemene Microbiologie

Reproductie dus: wat moeten ze maken?
Membraan en celwand: Lipiden polysacchariden Eiwit: Aminozuren Prosthetische groepen en cofactoren Coenzymen: ATP, ADP NADH Coenzym Q … DNA en RNA: Nucleotiden De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Alle reacties gekatalyseerd door enzymen
Elk enzym wordt gecodeerd door een gering aantal (een) gen(en) Algemene Microbiologie

Organismen kunnen (bijna) alles zelf maken!
Tabel 13.1: duizenden genen (bv. E. coli: 4 000) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Table13.1 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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)) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

13.2 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Omvangrijk metabolisme; het kan ‘alles’, ………………………………………..
De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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

Omvangrijk metabolisme: Kan ‘alles’, maar toch zijn er beperkingen. Welke? De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Metabole rijkdom Alles kan gemaakt worden wat mogelijk is Toename is netto import plus netto productie; voor de meeste stoffen is import niet nodig De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Metabole beperkingen Sommige dingen kunnen niet gemaakt worden En moeten dan dus geïmporteerd worden En moeten dan dus in het groeimedium zitten Toename is netto import plus netto productie X De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Metabole beperkingen, nog preciezer
Sommige dingen kunnen niet gemaakt worden En moeten dan dus geïmporteerd worden En moeten dan dus in het groeimedium zitten Toename is netto import plus netto productie X X De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Metabole beperkingen Sommige dingen kunnen niet gemaakt worden: Gibbs 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 Toename is netto import plus netto productie X X De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Welke elementen zijn van belang voor levende organismen?
C H O N S P K Fe, Mg, Mn, Ca, Co De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Behouden grootheden (kunnen niet gemaakt worden)
Elementen: C H =Electronen (redox) +H+ N {O (komt gratis van water)} S P Vrije energie (gaat verloren, maar kan niet gemaakt worden is dus ook nodig) (‘ATP’) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Omvangrijk metabolisme: Kan ‘alles’, maar toch zijn er beperkingen. Welke? De behouden grootheden De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Overzicht metabolisme; katabolisme, anabolisme en centrale rol van twee energiëen Gibbs harvest De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Overzicht metabolisme; katabolisme, anabolisme en centrale rol van twee energiëen: vlinderdas (bow-tie) structuur Gibbs harvest Gibbs harvest De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Vlinderdas voor elk benodigde substantie
celstructuur voedingsstoffen ATP De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Belangrijkste Gibbs energiedrager=
ATP Of eigenlijk ADP: ADP~P=ATP Algemene Microbiologie

Pyruvaat en Acetyl-CoA (‘C’) celstructuur voedingsstoffen De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Pyruvaat en acetyl Pyruvaat: CH3-CH2-COOH AcetylCoA CH3-COO-CoA Eigenlijk is Coenzym A de C2 drager De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

celstructuur voedingsstoffen Glutamaat (‘N’) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

celstructuur voedingsstoffen NADH ‘H’ of ‘e-’ of ‘redox’ De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

NADH 2-electron drager of eigenlijk..
NADH = NAD+ + H+ + 2e- NAD is de 2-electroncarrier en heeft dan de vorm NADH De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 dan getest? Algemene Microbiologie

Hoe wordt dit dan getest?
Een batterij van platen met verschillende groeimedia De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Wat zijn mogelijke Gibbs energiebronnen?
Licht Anorganische stoffen …… Organische stoffen De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoofdstuk 5:Voeding Diversiteit wat betreft Gibbs energie bron
zie sectie 5.14 fotonen: fototroof chemische stoffen: chemotroof organisch: chemoorganotroof anorganisch: chemolithotroof De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoofdstuk 5:Voeding: Diversiteit wat betreft koolstofbron 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) koolstof energie troof Fig. 5.23 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Wat zijn we zelf voor organisme? Chemolithoautotroof?
Oefenvraag Wat zijn we zelf voor organisme? Chemolithoautotroof? Neen: chemo-organo-hetero-troof Algemene Microbiologie

Chemoorganoheterotroof voorbeeld P. denitrificans
Fig. 5.23a De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Oefenvraag: wat voor type is dit organisme? Chemolithoautotroof Fig. 5.23b De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Gecombineerd: Diversiteit naar energie- en koolstofbron
De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Zie ook Fig. 20.1

Reproductie Alle reacties gekatalyseerd door enzymen Organismen kunnen (bijna) alles maken wat mogelijk is ONmogelijkheden: geconserveerde zaken ‘Verwende organismen’ Enzymen zijn eiwitten, soms met cofactoren Verscheidenheid aan energie en koolstofbronnen Classificatie (‘energie-koolstofbron-’troof) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Oefenvraag: Verklaar: Schoon houden werkt niet voor alle organismen Wel voor de meeste pathogenen Fotoautotrofe organismen kunnen groeien waar licht is Maar deze kunnen niet in ons lichaam leven Algemene Microbiologie

Omvangrijk metabolisme: Kan ‘alles’, maar toch zijn er beperkingen. Welke? De behouden grootheden, en? De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Maar sommige organismen zijn verwend:
Moeilijke, abundante verbindingen kunnen ze niet meer maken. Deze heten dan: vitamines De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Aminozuren in 3D kunnen niet alles katalyseren:
Prosthetische groepen (bv heem) Cofactoren (bv Mg2+, Mn2+,…. ) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Reproductie Alle reacties gekatalyseerd door enzymen Organismen kunnen (bijna) alles maken wat mogelijk is ONmogelijkheden: geconserveerde zaken ‘Verwende organismen’ Enzymen zijn eiwitten, soms met cofactoren De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoofdstuk 5:Voeding Stoffen
Macronutriënten Koolstof:autotroof (CO2) versus heterotroof (organische verbindingen) Micronutriënten Anorganische moleculen Tabel. 5.2 Groeifactoren Tabel 5.3 Organische moleculen De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

IJzer (als element): een micro!!nutrient
Fig. 5.2a De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Moeten dus alles bevatten wat voor groei nodig is
Groeimedia Moeten dus alles bevatten wat voor groei nodig is Algemene Microbiologie

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) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

5.2, 5.3: Hoe wordt gekeken of een bepaald organisme bepaalde stoffen nodig heeft om te groeien? De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Oefenvraag Hoe komt het dat sommige organismen niet goed bekend zijn?
Hoe zou U dat oplossen? Ze kunnen niet geweekt worden Vele kweekplaten proberen onder veel condities Kweken op lysaat van levende cellen Genomics: pathway analyse Algemene Microbiologie

5.14: Katabole alternatieven
Eerst even het standaardkatabolisme herhalen: Algemene Microbiologie

Vlinderdas voor koolstof en energie metabolisme (vaak samen voor chemoheterotrofen) catabolisme anabolisme ATP ‘C’ De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Geef 4 principes en leidt daaruit af wat er in voeding 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) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Oefenvraag: In voeding moet zitten
Gibbs energiebron (tenzij fototroof) Bron voor elk element; macronutriënt (C: tenzij autotroof) Bron voor elk element; micronutriënt Vitamines De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Eerst even het standaardkatabolisme herhalen
Koolstof….. Energie…. De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

koolstof glycolyse pyruvaat dehydrogenatie citroenzuurcyclus De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Standaard katabolisme en ademhaling: energie
Electronen met lage (sterk negatieve) redox potentiaal afplukken van voedingstof (electron donor) Ademhalingsketen geleidt die electronen naar zuurstof, hun Gibbs energie gebruikend om protonen te pompen H+-ATPase gebruikt protonen om ADP te fosforyleren De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Standaard katabolisme en ademhaling

electronen glycolyse pyruvaat dehydrogenatie citroenzuurcyclus De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

glycolyse De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glycolyse De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Wijs de belangrijke zaken in dit schema aan
Oefenvraag Wijs de belangrijke zaken in dit schema aan Algemene Microbiologie

Glycolyse energie De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glycolyse energie Netto opbrengst: 2ATP/glucose De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glycolyse: koolstof Netto opbrengst: 2pyruvaat/glucose De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glycolyse: redox Netto opbrengst: 2NADH/glucose De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

glycolyse pyruvaat dehydrogenatie citroenzuurcyclus De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

pyruvaat dehydrogenatie De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Pyruvaat dehydrogenatie

Pyruvaat dehydrogenering energie
Geen (direct) effect op energiebalans Fig (bovenaan) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Pyruvaat dehydrogenering koolstof
2 acetyl (2 C2) per 2 pyruvaat (2 C3) Fig. 5.22 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Pyruvaat dehydrogenering redox
2 NADH (4e-) per 2 pyruvaat Fig. 5.22 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

glycolyse pyruvaat dehydrogenatie citroenzuurcyclus De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

citroenzuurcyclus De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Citroen zuur cyclus Fig. 5.22 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Citroen zuur cyclus: energie
Fig. 5.22 1 ATP (GTP) per acetyl De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Citroen zuur cyclus: koolstof
Fig. 5.22 2 CO2 ↑ per acetyl De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Citroen zuur cyclus: redox
3 NADH, 1 FADH per acetyl 8 e- per acetyl Fig. 5.22 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Ademhalingsketen Fig. 5.20 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Ademhalingsketen: energie:
8? H+ per NADH 6 H+ per FADH De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Ademhalingsketen: geen koolstof:

Ademhalingsketen: redox:
½ O2 gereduceerd per NADH ½ O2 gereduceerd per FADH De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

ATP synthese uit protonkracht
1 ATP per 3? H+ De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoeveel ATP krijgt men per glucose met dit catabolisme?
Oefenvraag Hoeveel ATP krijgt men per glucose met dit catabolisme? Algemene Microbiologie

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 + → 3CO ATP Totaal Boek: 19 ; rekent 3 ATP/NADH De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

ATP balans volgens boek
Verschil: Hier geeft NADH 3 ATP Fig. 5.22 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Standaard katabolisme (bij chemoorganoheterotrofen) heeft nodig:
Suiker, vet of eiwit Zuurstof De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Gisteren Groei Verschillende begrippen Wetten voor metabolisme Implicaties De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Suiker, vet of eiwit Zuurstof Oefenvraag: waarvoor? …………….. Oefenvraag; Klopt dit wel? ………………. De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Suiker, vet of eiwit Zuurstof Oefenvraag: waarvoor? Suiker plus zuurstof voor energie Suiker voor koolstof En stikstofbron etc. De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Woensdag 5 november Om 9 uur ipv 9h45 beginnen? Algemene Microbiologie

Eerst even het standaardkatabolisme herhalen En dan nu: alternatieven
5.14: Katabole alternatieven: Wat als een van de benodigdheden voor bovenstaand catabolisme ontbreekt: O2, of glucose? Eerst even het standaardkatabolisme herhalen En dan nu: alternatieven Algemene Microbiologie

Vele micro-organismen hebben variaties op standaard katabolisme, waardoor ze kunnen leven op plaatsen waar bovenstaande {Suiker, vet of eiwit Zuurstof} ontbreekt (hoofdstuk 5.14) Algemene Microbiologie

Variaties binnen de principiële beperkingen
De principes blijven Variaties binnen de principiële beperkingen Algemene Microbiologie

Het zich handhavende leven
Elementen balansen moeten kloppen Redox balans moet kloppen Gibbs energie balans moet negatief kunnen zijn De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 redox Import moet export overtreffen (voor Gibbs energie) X X De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 èn elementen) X X De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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)) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Gibbs energie en koolstof moeten toch ergens vandaan komen
Er moet ook een redox (electron) balans zijn Algemene Microbiologie

Hoe lossen sommige microorganismen dit op?
Geen zuurstof? Hoe lossen sommige microorganismen dit op? Algemene Microbiologie

Geen zuurstof. Wel energie uit redox halen. Hoe?
5.10: Fermentatie: geen externe electronacceptor of Anaerobe ademhaling: andere electronacceptor dan zuurstof Algemene Microbiologie

Fermentatie (interne oxidatie en reductie): redox balans; geen externe electron acceptor Oxidized- De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glycolyse in melkzuurbacteriën: fermentatie: redox balans
Glucose: CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH2OH Lactic acid/melkzuur: CH3-CHOH-COOH geoxideerd gereduceerd De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Voor vrije energie (gaat verloren in processen) moet de balans positief zijn 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) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glycolyse in melkzuurbacteriën : fermentatie: Gibbs energie surplus
Glucose: CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH2OH Lactic acid/melkzuur: CH3-CHOH-COOH Glycolyse in melkzuurbacteriën levert op: 2 ATP/ glucose Ipv 34,6 ATP/glucose in standaard metabolisme geoxideerd gereduceerd De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glycolyse in melkzuurbacteriën : fermentatie: Koolstof surplus
Glucose: CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH2OH Lactic acid/melkzuur: CH3-CHOH-COOH geoxideerd gereduceerd De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Electron toren Electron acceptor koppels moeten positievere redox potentiaal hebben dan glucose [-0.43 eV] (‘electron moet erheen willen’) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Electrontoren in het geval van standaard metabolisme:
Glucose+6O2→6CO2+6H2O Electron acceptor koppels moeten positievere redox potentiaal hebben dan glucose [-0.43 eV] Zuurstof is ideaal ~241kJ/2e=-2e*96.5 kJ/eV/e*( ) eV Gibbs energie ATP=48 kJ/mol: theoretisch mogelijk: 12x241/48=60.2ATP/glucose (>>34.6ATP/glucose: echte efficiëntie is maar 34.6/60.2=57%) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Chemoorganoheterotroof voorbeeld P. denitrificans; met zuurstof als terminale electron acceptor Fig. 5.23a De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Geen zuurstof? Fermentatie: geen externe electronacceptor of
Anaerobe ademhaling: andere electronacceptor dan zuurstof Algemene Microbiologie

Chemoorganoheterotroof voorbeeld P. denitrificans; Met alternatieve electron acceptoren Fig. 5.23a De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glucose+6O2→6CO2+6H2O Electron acceptor koppels moeten positievere redox potentiaal hebben dan glucose [-0.43 eV] Nitraat reductie ~163kJ/2e= -2e*96.5 kJ/eV/e*( ) eV X Gibbs energie ATP=48 kJ/mol: theoretisch mogelijk: 12x163/48=41ATP/glucose (ipv 60.2) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Chemoorganoheterotroof voorbeeld P. denitrificans; Met alternatieve electron acceptoren Fig. 5.23a De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glucose+6O2→6CO2+6H2O Electron acceptor koppels moeten positievere redox potentiaal hebben dan glucose [-0.43 eV] Nitraat reductie; fumaraat reductie, sulkfaat reductie X De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Oefenvraag Glucose+6O2→6CO2+6H2O Hoeveel ATP zou men kunne maken uit de Gibbs energie die vroijkomt by alternatieve ademhaling met nitrat, fumaraat of sulfaat als electron acceptor? X Gibbs energie ATP=48 kJ/mol: Bij zuurstof theoretisch mogelijk: 12x163/48=41ATP/glucose (ipv 60.2) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Reproductie Alle reacties gekatalyseerd door enzymen Organismen kunnen (bijna) alles maken wat mogelijk is ONmogelijkheden: geconserveerde zaken ‘Verwende organismen’ Enzymen zijn eiwitten, soms met cofactoren De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Vlinderdas principe Catabolisme, intermediair, anabolisme Energie catabolisme: Directe koppeling aan ATP productie en Indirecte koppeling (electronen eraf, door electronenketen heen, gekoppeld aan proton gradiënt gedreven ATP synthese) Standaard metabolisme: glucose (glycolyse, pyruvaatdeh, citroenzuurcyclus) naar CO2 Directe synthese 1 ATP en 1 GTP (per halve glucose) Electronen via NADH + FADH naar zuurstof Anaëroob: Fermentatie Alternatieve electron acceptor (nitraat, sulfaat, …) Geen organisch substraat: H2, ammoniak, sulfide, Fe 2+ als electron donor, zuurstof als acceptor Geen substraat: fotonen als energiebron; electronen aangeslagen, rollen terug electronenketen af, protongradiënt makend, ATP synthese Z schema; oxygeen, NAD(P)H producerend Half Z-schema: anoxygeen Steeds variaties op thema; vaak dezelfde componenten hergebruikt Koolstof: intermediairen Acetyl op CoA, pyruvaat Stikstof: intermediairen -NH2 groep op glutamaat en glutamine) Mogelijkheid bij hoge en lage NH3 concentratie (ATP gebruik) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Wat is leuk hieraan? De microbiele wereld vindt oplossingen op (bijna) elk probleem. Uitdaging die te begrijpen. Ideëen voor technologie Algemene Microbiologie

Ik behandel: Groei Regulatie Evolutie Genomics De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Individu versus populatiegroei
Individu groeit Populatie groeit Fig. 6.1 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Gezien in BioCentrum Amsterdam…..
Fase contrast Nucleoïde FtsZ Combinatie De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Populatiegroei: toename in celaantal

Groei exponentieel, dus onverwacht
Laten we eens kijken: Figuren 6.1, 6.8a, 6.8b De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Cellen lijken plotseling op te komen!

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. Algemene Microbiologie

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Waar schendt het leven de wiskunde?
In de microbiologie: microörganismen vermenigvuldigen zich door zich te delen Algemene Microbiologie

Wat is het eenvoudigste groeimodel?
dN (toename in het aamtal cellen) in een stukje tijd dt: Neemt toe met….. De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Exponentiële groei Toename in het aantal (dN) is rechtevenredig met: het aantal zelf (N) tijdsduur (dt) overigens constant (vaak) evenredigheidsconstante is specifieke groeisnelheid ‘’ De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

dN per stukje tijd neemt steeds meer toe, omdat er steeds meer cellen zijn tijd dN N tijd De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Exponentiële kinetiek

Wanneer geen exponentiële groei?
Op gang komen (inductie) Sex Gebrek aan voeding Afsterving, migratie De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Generatietijd Fig. 6.9a De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Groeisnelheid Microbiële groeikinetiek Omgevingsfactoren Groeicontrole De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoofdstuk 6:Microbiële groeikinetiek
Batch groei lag, exponential, stationary, ‘death’ Fig. 6.10 Continu cultuur Fig 6.11, 6.13 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Pot groei (batch growth); practicum experiment)

Pot groei (batch growth)

Pot groei (batch growth): inductie fase

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

Pot groei (batch growth) alleen dood in afsterffase

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

De cel verandert steeds Liever een constante conditie
Nadeel potgroei De cel verandert steeds Liever een constante conditie Algemene Microbiologie

Continu cultuur; chemostaat
Fig. 6.11 [S] stelt zich in zodat (S)= D De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

[Substraat] bepaalt groeisnelheid; batch cultuur

Groeisnelheid bepaalt [substraat] chemostaat

Nu: Hoe meten we groei Waardoor wordt groei bepaald/beperkt Hoe kunnen we groei beperken? De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoe meten we populatiegroei?
Totaal aantal cellen tellen Levende cellen tellen Troebelheidsmeting (turbidometry) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Total aantal cellen tellen

Levende cellen tellen Let op: ‘viable non-culturable’ cells worden niet geteld! Fig. 6.15 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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

Turbidometrie Fig. 6.17 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

[Substraat] bepaalt groeisnelheid; batch cultuur

Temperatuurafhankelijkheid

Het leven heeft zich aangepast

Conserveringsmethode
Pasteuriseren Steriliseren-autoclaveren Algemene Microbiologie

Leven boven het kookpunt

pH (zuurtegraad) Zouden deze organismen pathogeen kunnen zijn? Zouden deze organismen pathogeen kunnen zijn? Fig. 6.24 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Zure bom/ augurken Algemene Microbiologie

substraat (concentratie of type) Temperatuur, pH wateractiviteit [conservering, watersimulerende stoffen] zuurstof De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Inzouten Inzoeten Drogen Algemene Microbiologie

Compatibele opgeloste stoffen:

Evolutionaire aanpassing organismen aan wateractiviteit

Zuurstofspanning Aerobe organismen obligaat facultatief microaerofiel Anaerobe organismen aerotolerant Oae Oan F M At Fig. 6.27 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Inblikken Begraven Algemene Microbiologie

Zuurstof is gevaarlijk/kan gevaarlijk worden…….

Zuurstofradicaal verwijderende enzymen

substraat (concentratie of type) Temperatuur pH wateractiviteit [conservering, watersimulerende stoffen] zuurstof De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Groei: samenvatting van de geleerde concepten
Populatie groei Groeivergelijkingen: standaard is exponentieel; 4 andere vormen Cel aantal meten (4 methodes) levend/dood De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Maken: Het maken van de benodigde materie Voeding en Metabolisme (Hfdstk 5) Vergroten: Het vergroten van het organisme Celvolumegroei (Hfdstk ) Vermeerderen: Het vermeerderen van het celaantal (Hfdstk ) Veranderen: Het differentiëren naar verschillende celtypes De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

21.1,2,4,14,17,18: Diversiteit: Katabole alternatieven
Standaardkatabolisme Alternatieven Algemene Microbiologie

Overzicht metabolisme; katabolisme, anabolisme en centrale rol van twee energiëen Gibbs harvest Gibbs De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoe lossen sommige microorganismen dit op?
Geen zuurstof? Hoe lossen sommige microorganismen dit op? Algemene Microbiologie

Diversiteit in fermentatie
Algemene Microbiologie

Belang De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Geen zuurstof. Wel energie uit redox halen. Hoe?
5.10: Fermentatie: geen externe electronacceptor of Anaerobe ademhaling: andere electronacceptor dan zuurstof Algemene Microbiologie

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 acceptor De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Electron toren (AcetatylCoA+CO2)/pyuvate2e ?- AcetylCoA maken om daaruit Gibbs energie te halen, maar hoe dan het redox probleem oplossen? De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Electron toren (AcetatylCoA+CO2)/pyuvate2e ?- AcetylCoA maken om daaruit Gibbs energie te halen, maar hoe dan het redox probleem oplossen? Dit kan alleen omdat er voldoende energie in acetylCoA zit De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Dit heet toch ‘fermentatie’ omdat H+ niet van buiten komt, maar van water in het medium: H2OH++OH- 2H++2e- H2 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 acceptor De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Fermentatie: geen externe electronacceptor: interne redox balans

Energiewinnende routes met fosforylering op substraatniveau (dwz niet met de electronketen) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

En dan dus nog electron acceptatie

Electronen bv. weer naar H+

Of naar interne verbinding

Fermentatie (interne oxidatie en reductie): redox balans; geen externe electron acceptor Oxidized- De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glycolyse in melkzuurbacteriën: fermentatie: redox balans in het process zelf Glucose: CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH2OH Lactic acid/melkzuur: CH3-CHOH-COOH geoxideerd gereduceerd De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Voor vrije energie (gaat verloren in processen) moet de balans positief zijn 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) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glycolyse in melkzuurbacteriën : fermentatie: Gibbs energie surplus
Glucose: CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH2OH Lactic acid/melkzuur: CH3-CHOH-COOH Glycolyse in melkzuurbacteriën levert op: 2 ATP/ glucose Ipv 34,6 ATP/glucose in standaard metabolisme geoxideerd gereduceerd De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Glycolyse in melkzuurbacteriën : fermentatie: Koolstof surplus als enkel molecuul: melkzuur (lactic acid) Homofermentatief Glucose: CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH2OH Lactic acid/melkzuur: CH3-CHOH-COOH geoxideerd gereduceerd De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Alternatieven op glycolyse
Heterofermentatief (lactaat plus alcohol) Homofermentatief Entner-Douderoff Algemene Microbiologie

Heterofermentatief wat is het verschil?

Hetero-fermentatief Wat is het verschil?

Entner-Douderoff 2 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Mixed acid fermentation

Wat moet ik hier nu in … van leren?
U moet het kunnen beargumenteren U moet erover kunnen nadenken De gouden regel: de microorganismen kunnen allles… wat mogelijk is Maar ze hebben Gibbs vrije energie nodig En elementen om te groeien. Algemene Microbiologie

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? De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Aanwijzing De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

3 Antwoord 3 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

3 Antwoord Maak Na+ gradient met Gibbs energie van 18 kJ/mol Het Na+-ATPase gebruikt 3 Na+ per ATP dus 3x18=54 kJ voor een mol ATP van 48 kJ. 3 Energie zonder ademhaling of substraatniveaufosforylering De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Zuurstof Rol als electron acceptor om Gibbs energie op te leveren Rol als chemische groep in verbindingen Algemene Microbiologie

In ademhaling 4 e- + O2 + 4 H+  H2O Zuurstof komt hierbij NIET in een voor het leven nodige stof terecht De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Afbraak van aromaten, bijvoorbeeld

Paradoxen rondom suiker
Cellulose, zetmeel en glycogeen Structuur materiaal, energieopslag Niet, wel, wel afbreekbaar De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Pentose fosfaat route Pentoses voor nucleotiden NADPH C4, C5, C6, C7 suiker gevormd De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Citroenzuurcyclus probleem: kun je groeien op acetaat?

Citroenzuurcyclus probleem: kun je groeien op acetaat of succinaat?
Neen, want dan verbruik je cyclus intermediairen De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Citroenzuurcyclus probleem: kun je groeien op acetaat of succinaat? Oplossing: glyoxylaat cyclus De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Microbiële genomics Algemene Microbiologie

Hoofdstuk 13: Genomics Cloning Genome sequencing Genomes Omics: Transcriptomics Proteomics Metabolomics Integrative Bioinformatics De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Cloning: Artificial chromosomes
Figs en 13.3 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Sequentiebepaling Systematisch: contigs, of: ‘Random’ shotgun’ (aan flarden, dan sequenties bepalen), plus bioinformatica: via overlap aan elkaar leggen en dan genen (ORFs) herkennen atgcgcgtatatg atatgcgcgtatatg Fig. 13.4 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoe groot zijn de genomen?
Tabel 15.1 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Genoom 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) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Sequenties zijn homoloog maar ook uniek
Voor organismen Voor eiwitten Algemene Microbiologie

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 microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

De ‘omes’ Genoom Transcriptoom Proteoom Metaboloom De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Transcriptoom: hybridization array
De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Fig & 13.16

Proteoom 2-D gelelectroforese (Wordt vervangen door massaspectrometrie) Kan voor prokaryoten Nog niet voor zoogdieren Vanwege genoom groottes De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Fig

Integratieve Bioinformatica
Combineer DNA, mRNA, eiwit and metabolieten /functie informatie Fig. 13.6 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Metagenomics (Ecogenomics aan de VU)
Genomen van alle organismen in een ecosysteem (bv de darm of de Saragossazee) Algemene Microbiologie

NMR Massa spectrometrie Robot enzym assays
Metabolomics NMR Massa spectrometrie Robot enzym assays Algemene Microbiologie

Dit was hoofdstuk 13: Genomics
Cloning Genome sequencing Genomes Omics: Transcriptomics Proteomics Metabolomics Integrative Bioinformatics De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoofdstuk 18 (18.1 – 18.4) Evolutie Algemene Microbiologie

Twee grote principes: Vinogradsky/Beyerinck Kluyver
Eerst Twee grote principes: Vinogradsky/Beyerinck Kluyver Algemene Microbiologie

Het principe van Winogradsky/Beijerinck; verrijkingsculture
Azotobacter chroococcum (aerobe stikstoffixeerder) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Het principe van Winogradsky (1890)/Beijerinck
Alles is overal Wat er groeit hangt slechts af van wat je aanbiedt De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Het principe van Winogradsky/Beijerinck
omzettingsactiviteit metabolisme mutatie groei selectie inductie tijd De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Het principe van Winogradsky (1890)/Beijerinck
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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Diversiteit en evolutie
Enorme diversiteit qua functie Enorme overeenkomsten qua componenten en netwerken (homologie) [eenheid in de biochemie=principe van Kluyver] De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Principe 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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Principe 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) De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Diversiteit 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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoe oud zijn wij? 4 miljard jaar De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Het begin Ontstaan van de soorten LUCA: Last Universal Common Ancestor 300 genen (!!) 300 genen (??) Ontstaan van het leven De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

The origin of species Het 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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Stamboom: eerst sequencen
Figure: 11-09 Caption: Ribosomal RNA sequencing of a pure culture of a microorganism using the polymerase chain reaction (PCR). The 16S rRNA gene is amplified and then sequenced by the Sanger method (Section 10.13). The primers added are complementary to conserved sequences in one of the domains of 16S rRNA (see Figure 11.8c). A cloning step may also be used in this procedure to clone the DNA encoding the 16S rRNA following its PCR amplification. Fig. 14.9 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Figure: 11-10a-c Caption: Preparing a phylogenetic distance tree from 16S ribosomal RNA sequences. For illustrative purposes, only short sequences are shown. The evolutionary distance (ED) in (b) is calculated as the percentage of nonidentical sequences between the RNAs of any two organisms. The corrected ED is a statistical correction necessary to account for either back mutations to the original genotype or additional forward mutations at the same site that could have occurred. The tree (c) is ultimately generated by computer analysis of the data to give the best fit. The total length of the branches separating any two organisms is proportional to the calculated evolutionary distance between them. In actual analyses a statistical process called bootstrapping is typically used whereby the computer generates hundreds of versions of the tree to confirm that the final tree is indeed the best fit to the data set. In addition, insertions of several nucleotides may separate regions of sequence homology in two organisms’ rRNA, and these insertions are “masked” (not considered) in the actual analyses. Fig De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Evolutionaire stamboom
Figure: 11-13 Caption: Universal phylogenetic tree as determined from comparative ribosomal RNA sequencing. Only a few key organisms or lineages are shown in each domain. For detailed domain trees refer to Figures 12.1, 13.1, and Of the three domains, two (Bacteria and Archaea) contain only prokaryotic representatives. The location highlighted in red is the hypothetical root of the tree, which represents the position of the universal ancestor of all cells. LUCA: Last Universal Common Ancestor Fig De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

The origin of Life De 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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Het begin Ontstaan van de soorten 300 genen (??) Ontstaan van het leven De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

De vroegste vorm van leven
Zelf replicerend RNA in lipide vesicles? Cel? (‘ 300 genen’) Membraan Geheugen Energie Katalysatoren De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Energie Geen zuurstof Chemolithotrofe organismen: H2 + S → 2H+ + S2- Zuurstof producerende organismen 2.8 Gjaar Maar eerst Fe2+ op oxideren: 2 Gjaar De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoofdstuk 14 samenvatting
4 Gjaar evolutie vanuit enkel organisme Stamboom: grote diversiteit èn grote verwantschap De vroegste vorm van leven: giswerk De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Werkvragen Hoe detecteren we leven? Is er leven op Mars?
Zjn er onbekende typen leven op aarde? Algemene Microbiologie

Evolutie stamboom (rRNA sequenties)

Evolutie tot diverse levensvormen
Moleculaire verschillen geringer Algemene Microbiologie

Hoe groot is leven (En waarom?)

Hoe ziet het leven eruit? Prokaryoot

Hoe ziet het leven eruit? Eukaryoot

Interne struktuur; wat is er zichtbaar?
Kern(-membraan) Organellen Celmembraan lipiden membraaneiwitten functie celmuur De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

De eukaryote cel: constellatie van ‘subcellen’
De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff 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 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Hoofdstuk 15.1-15.13 verder Doorlezen
Gevoel krijgen voor de diversiteit En voor Alles kan, wat kan. Algemene Microbiologie

Leerdoelen 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. De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

Eindtermen 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 de specifieke mogelijkheden van microbiële experimenten. De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

black board De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

De microbiële cel Van molecuul tot leven

Verwante presentaties

Presentatie over: "De microbiële cel Van molecuul tot leven"— Transcript van de presentatie:

Verwante presentaties

Over het project

Feedback

Inloggen

Inloggen via een sociaal netwerk:

De microbiële cel Van molecuul tot leven

Verwante presentaties

Presentatie over: "De microbiële cel Van molecuul tot leven"— Transcript van de presentatie:

Verwante presentaties

Over het project

Feedback