De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

keerpunten in de natuurwetenschappen van ‘dode’ moleculen naar levende cellen de grote verwondering roel van driel Swammerdam Inst. voor Levenswetenschappen.

Verwante presentaties


Presentatie over: "keerpunten in de natuurwetenschappen van ‘dode’ moleculen naar levende cellen de grote verwondering roel van driel Swammerdam Inst. voor Levenswetenschappen."— Transcript van de presentatie:

1

2 keerpunten in de natuurwetenschappen van ‘dode’ moleculen naar levende cellen de grote verwondering roel van driel Swammerdam Inst. voor Levenswetenschappen Universiteit van Amsterdam

3 keerpunten 4-04 #2 is dit iets anders…? elementaire deeltjes atomen, moleculen zonnestelsels sterrenstelsels big bang evolutie aarde, ecologie

4 keerpunten 4-04 #3 menu  denken over biologie  kijken naar leven  de levende cel  leven en dood  de werkpaarden van de cel  netwerken

5 keerpunten 4-04 #4 denken over biologie denken over leven... keerpunten in de biologie

6 keerpunten 4-04 #5 hier gaat het over: ons zelf…

7 keerpunten 4-04 #6...en de wereld om ons heen

8 keerpunten 4-04 #7 er is nog nooit zoveel belangstelling geweest voor biologie  waarom…? begrijpen wie we zijn een lang(er) leven remedie tegen al onze kwalen ons zelf ‘verbeteren’ controle over onze omgeving biomimetisch – chemie, engineering, nanotechnologie, etc. kennis is macht, geld...

9 keerpunten 4-04 #8 visie op levende materie  vitalisme stoffen in levende organismen zijn fundamenteel anders dan die in dode materie  allereerste synthese van een natuurstof (ureum) door Friedrich Wöhler in WANNEER..? “I must tell you that I can prepare urea without requiring a kidney or an animal, either man or dog.”  begin van de biochemie

10 keerpunten 4-04 #9 visie op levende materie tot ~1900  vitalisme stoffen in levende organismen zijn fundamenteel anders dan die in dode materie  allereerste synthese van een natuurstof (ureum) door Friedrich Wöhler in 1828 “I must tell you that I can prepare urea without requiring a kidney or an animal, either man or dog.”  begin van de biochemie

11 keerpunten 4-04 #10 visie op levende materie tot ~1900  vitalisme chemische reacties in levende materie heel anders dan in dode materie een ‘levenskracht’  Eduard Buchner (1897) extract van dode gistcellen kan glucose tot ethanol omzetten basis voor ontdekking van enzymen nobelprijs scheikunde 1907

12 keerpunten 4-04 #11 generatio spontana  experimenten lieten zien dat leven uit (schijnbaar) dode materie kan ontstaan bijv. uit een hooi-extract  Louis Pasteur (~1860) geen generatio spontana na pasteurisatie "Never will the doctrine of spontaneous generation recover from the mortal blow of this simple experiment. No, there is now no circumstance known in which it can be affirmed that microscopic beings came into the world without germs, without parents similar to themselves."  maar, wat te denken van het ontstaan van het leven...?

13 keerpunten 4-04 #12 visie op leve nu... ik voldoe aan alle natuurwetten

14 keerpunten 4-04 #13 vragen  kunnen we ‘leven’ begrijpen in termen van natuurwetten…?  wat is ‘begrijpen’ eigenlijk…?  hoe is het leven ontstaan...?

15 keerpunten 4-04 #14 wat is ‘begrijpen’…? from: Lazebnik, Cancer Cell, 2003 begrijpen: kwantitatief en voorspellend model van systeem complex systeem veel informatie, maar weinig begrip

16 keerpunten 4-04 #15 is dit iets anders…? elementaire deeltjes atomen, moleculen zonnestelsels sterrenstelsels big bang evolutie aarde, ecologie

17 keerpunten 4-04 #16  biologie weinig theorie weinig wetten weinig unificatie geen universele taal voor beschrijving van systemen extreem complexe systemen  natuurkunde veel theorie wetten unificatie centraal universele taal gebaseerd op ‘first principles’ biologische wetenschappen t.o.v. andere natuurwetenschappen

18 keerpunten 4-04 #17 menu  denken over leven  kijken naar leven  de levende cel  leven en dood  de werkpaarden van de cel  netwerken

19 keerpunten 4-04 #18 kijken naar leven afmetingen van cellen en moleculen keerpunten in de biologie

20 keerpunten 4-04 #19 afmetingen van cellen en moleculen stappen van maal vergroot100 maal1.000 maal maal maal maal maal onvergroot

21 keerpunten 4-04 #20 leven speelt zich af op microscopisch niveau  cellen meten in micrometers (  m) 1  m = meter – 1  m = 1/1.000 mm menselijke cel:  m bacterie:  m  moleculen meten in nanometers (nm) 1 nm = meter – 1 nm = 1/ mm macro-moleculen: eiwitten, DNA, RNA kleine moleculen: suikers, zouten, vetten

22 keerpunten 4-04 #21 het concept cel  de eerste ‘cellen’ gezien door Hooke in 1665 dunne plakjes kurk eigenlijk de wanden van cellen die overbleven na hun afsterven

23 keerpunten 4-04 #22 kijken naar leven  Van Leeuwenhoek’s microscoop tweede helft 17de eeuw preparaathouder lensje

24 keerpunten 4-04 #23 wat Van Leeuwenhoek zag in 1684

25 keerpunten 4-04 #24 moderne microscopen electronenmicroscooplichtmicroscoop prijs Euro

26 keerpunten 4-04 #25 microscopie  lichtmicroscopie  2D, 3D of 4D (=3D + tijd) resolutie: ~200 nm – met trucs: nu ~30 nm…! cellen en onderdelen van cellen  electronenmicroscopie resolutie: ~1 nm grote moleculen  aspecten van microscopie vergroting contrast interpretatie

27 keerpunten 4-04 #26 twee menselijke cellen

28 keerpunten 4-04 #27 contrast, interpretatie en vergroting voorbeeld: de celkern electronenmicroscopie van de kern van een menselijke cel contrast door binding van zware metaal ionen aan (onder andere) DNA lichtmicroscopie van de kern van een levende menselijke cel contrast door lichtgevend maken van het DNA

29 keerpunten 4-04 #28 menu  denken over leven  kijken naar leven  de levende cel  leven en dood  de werkpaarden van de cel  netwerken

30 keerpunten 4-04 #29 de cel is de kleinste eenheid van leven keerpunten in de biologie

31 keerpunten 4-04 #30 cellen in vele soorten en maten zenuwcel

32 keerpunten 4-04 #31 twee soorten cellen  prokaryote cellen cellen zonder celkern bacteriën eencellig  eukaryote cellen cellen met celkern planten, dieren, gisten, schimmels eencellig of meercellig ~1  m ~50  m

33 keerpunten 4-04 #32 een bacterie-cel: ‘simpele’ interne structuur  twee compartimenten cytoplasma compact DNA  cel omgeven door celmembraan sluit af van de buitenwereld 1  m cytoplasma DNA celmembraan

34 keerpunten 4-04 #33 structuur van eukaryote cellen is veel complexer cytoplasma DNA celmembraan een plantecel

35 keerpunten 4-04 #34 een eukaryote cel: een kosmos in zichzelf

36 keerpunten 4-04 #35  gekweekte huidcel (Muntjac) blauw: celkern paars: cytoskelet van actine groen: membraan-systeem in de cel ~50  m

37 keerpunten 4-04 #36  gekweekte huidcellen (muis) cytoskelet van microtubili ~50  m

38 keerpunten 4-04 #37  delende plantecel  wortel van Arabidopsis thaliana (zandraket) cytoskelet van microtubili ~30  m

39 keerpunten 4-04 #38 het is vol in een cel

40 keerpunten 4-04 #39

41 keerpunten 4-04 #40 cellen kunnen het eeuwige leven hebben  bijvoorbeeld bacteriën delen onbeperkt aantal malen  niet: onze eigen cellen beperkt aantal celdelingen  wel: onze tumorcellen veel gebruikte tumorcellijn: HeLa  HeLa cellen cervix tumor cellen gekweekt in de hele wereld van Henrietta Lacks – cervix biopsie – overleden aan baarmoederhals kanker 1951 – 31 jaar oud, Baltimore

42 keerpunten 4-04 #41 menu  denken over leven  kijken naar leven  de levende cel  leven en dood  de werkpaarden van de cel  netwerken

43 keerpunten 4-04 #42 levende vs. dode materie keerpunten in de biologie

44 keerpunten 4-04 #43 wat is leven…?  je herkent ‘leven’ als je het ziet (meestal)  kenmerken plant zich voort past zich aan buitenwereld aan voedingstoffen omzetten in voor de cel nuttige verbindingen voedingsstoffen omzetten in bruikbare vormen van energie homeostase, robuustheid etc.  geen strikte definitie mogelijk

45 keerpunten 4-04 #44 leven: één succesvolle basisformule  moleculair lijken wij heel veel op alle andere levende organismen dieren, planten, gisten, schimmels, bacteriën, etc.

46 keerpunten 4-04 #45 leven: één succesvolle basisformule  zelfde basis-principes voor alle(!) levende organismen op aarde genetische informatie altijd in DNA (of RNA) opgeslagen zelfde genetische code zelfde eiwitten/enzymen doen het werk zelfde basisprincipes van de organisatie van de cel etcetera

47 keerpunten 4-04 #46 evolutionaire verwantschap  ~3,5 miljard jaar evolutie

48 keerpunten 4-04 #47 studie van levende materie  biochemie, celbiologie, moleculaire biologie, microbiologie, etc. analyse levensprocessen op moleculair niveau  hoe werkt ‘leven’…? samenspel van moleculen interacties en chemische reacties gewone fysica en chemie simpel en toch ingewikkeld…!  echt begrijpen van ‘Leven’ wordt mogelijk consequenties…?

49 keerpunten 4-04 #48 moleculaire basis van leven simpel en toch complex  in een cel relatief simpele chemie en fysica...!  maar...! heel veel verschillende moleculen samenspel van heel veel chemische reacties en fysische processen precies gereguleerd in tijd en ruimte

50 keerpunten 4-04 #49 levende versus dode materie…  wat onderscheidt levende cellen/organismen van dode materie? zelfde natuurwetten...!  kenmerken van leven…? voortplanting robuustheid, homeostase aanpassen aan veranderingen in de buitenwereld energie uit voedingstoffen orde uit chaos – in tijd en ruimte  tijdens de evolutie zijn bijzondere oplossingen gevonden heel verrassende chemie en fysica zeewier (Fucus)

51 keerpunten 4-04 #50 tweede hoofdwet van de thermodynamica elk systeem verandert spontaan van een toestand van lagere waarschijnlijkheid naar een toestand van hogere waarschijnlijkheid is Leven in strijd met de tweede hoofdwet…?

52 keerpunten 4-04 #51 het begrip ‘waarschijnlijkheid van een toestand’  basis begrip de kans dat een systeem spontaan geordend wordt is extreem klein  tweede hoofdwet thermodynamica elk systeem verandert spontaan van een toestand van lagere waarschijnlijkheid naar een toestand van hogere waarschijnlijkheid

53 keerpunten 4-04 #52

54 keerpunten 4-04 #53 de cel en de tweede hoofdwet…  cel is in staat moleculen te ordenen verandert toestand van hoge waarschijnlijkheid in een toestand van lagere waarschijnlijkheid  nodig is (vrije) energie uit voedsel uit zonlicht  cel moet chaos in heelal (=buitenwereld) vergroten afgeven van warmte tweede hoofdwet thermodynamica elk systeem verandert spontaan van een toestand van lagere waarschijnlijkheid naar een toestand van hogere waarschijnlijkheid

55 keerpunten 4-04 #54 leven en dood: leven kan zich fabelachtige aanpassen aan omgeving Rothschild and Mancinelli, Nature 409,1092 (2001) leven in hete bronnen in Yellowstone National Park wat is hoogste en laagste temperatuur die leven toelaat...?

56 keerpunten 4-04 #55 levende organismen kunnen bestaan tussen -20 en +120 o C Rothschild and Mancinelli, Nature 409,1092 (2001)

57 keerpunten 4-04 #56 menu  denken over leven  kijken naar leven  de levende cel  leven en dood  de werkpaarden van de cel  netwerken

58 keerpunten 4-04 #57 eiwitten de werkpaarden van de cel keerpunten in de biologie

59 keerpunten 4-04 #58 grijs: C-atoom blauw: N-atoom rood: O-atoom deel van het eiwit hemoglobine

60 keerpunten 4-04 #59 eiwitstructuur database en viewer  Brookhaven database duizenden 3D structuren van biomacromoleculen  RASMOL: eenvoudige viewer voor eiwitstructuren download structuren in PDB format

61 keerpunten 4-04 #60 macromoleculen: de sleutel tot leven simpele onvertakte ketens van eenvoudige chemische bouwstenen...! energie-opslag koolhydraten onze werkpaarden eiwitten informatie-opslag DNA en RNA

62 keerpunten 4-04 #61 eiwitten kunnen bijna alles  elk van onze genen bevat de informatie voor één bepaald eiwit  hierarchie tussen genen en eiwitten...?

63 keerpunten 4-04 #62 wat maakt eiwitten zo bijzonder  heel breed scala van functies  specificiteit heel precies herkennen, binden en chemisch veranderen van andere moleculen  elk eiwit is lange onvertakte keten van aminozuren

64 keerpunten 4-04 #63 eiwitten zijn grote moleculen met nanometer afmetingen  cellen meten in micrometers (  m) 1  m = meter – 1  m = 1/1.000 mm menselijke cel:  m bacterie:  m  moleculen meten in nanometers (nm) 1 nm = meter – 1 nm = 1/ mm macro-moleculen: eiwitten, DNA, RNA kleine moleculen: suikers, zouten, vetten

65 keerpunten 4-04 #64 eiwitten zijn lineaire keten van aminozuren  alle eiwitten in levende organismen opgebouwd uit dezelfde aminozuren  er zijn maar 20 verschillende aminozuren verschillen alleen in zijketen  aminozuren zijn simpele chemische verbindingen

66 keerpunten 4-04 #65  een ruggegraat van C en N atomen vier zijketens  grotere eiwitten precies zo  eiwitten kunnen van tientallen tot vele duizenden aminozuren lang zijn  simpele lineaire structuur...! een kort eiwit van 4 aminozuren

67 keerpunten 4-04 #66 eiwitten in alle maten  eiwitten kunnen van enkele tientallen tot vele duizenden aminozuren lang zijn onvertakte keten van aminozuren insuline: 51 az – hormoon titin: ~ az – lang elastisch spier-eiwit

68 keerpunten 4-04 #67  twee soorten zijketens van aminozuren hydrofiel (blauw) – graag in contact met water hydrofoob (groen) – contact met water ongewenst  geheim van eiwitten zit ‘m in de ruimtelijke opvouwing van de keten...! eiwitten zijn simpel

69 keerpunten 4-04 #68 opvouwing van de keten van aminozuurketen  zo veel mogelijk hydrofobe (non- polaire) aminozuur- zijketens niet in contact met water  zo veel mogelijk hydrofiele (polaire) aminozuur- zijketens wel in contact met water

70 keerpunten 4-04 #69 opvouwing van de keten van aminozuurketen  elk eiwit wordt anders opgevouwen aminozuurvolgorde bepaalt opvouwing opvouwing bepaalt eigenschappen chaperone eiwitten helpen opvouwen  te complex om uit te rekenen...!  dus: aminozuurvolgorde bepaalt functie van eiwit...!

71 keerpunten 4-04 #70 een correct opgevouwen eiwit kan zijn functies uitoefenen  door opvouwing onstaat chemisch reactief centrum op oppervlak van eiwit eiwit kan ander molecuul herkennen en binden specificiteit...!  voorbeelden een specifiek hormoon in het bloed binden een specifieke stof chemisch veranderden een complex vormen met een specifiek ander eiwitmolecuul

72 keerpunten 4-04 #71 eiwitten binden andere moleculen via veel zwakke precies passende interacties  specificiteit precies pas  affiniteit veel zwakke bindingen maken samen iets sterks

73 keerpunten 4-04 #72 enzymen: de droom van elke chemicus  enzymen zijn eiwitten die chemische verandering katalyseren selectiviteit...! specificiteit...!  reactief centrum op eiwit-oppervlak  heel andere chemische omgeving dan in een reageerbuis...!  als opvouwing verandert: verlies van functie

74 keerpunten 4-04 #73 heel veel eiwitten mogelijk met 20 aminozuren  keten van N aminozuren 20 N mogelijkheden N = 100 aminozuren – 1,26 x mogelijkheden  de natuur gebruikt maar een minieme fractie van wat mogelijk is  elke aminozuursequentie geeft een andere 3D opvouwing dus een andere functie

75 keerpunten 4-04 #74 eiwitten kunnen (bijna) alles

76 keerpunten 4-04 #75 geen leven zonder water  eiwitten functioneren alleen in waterig milieu  zonder water vouwen onze eiwitten zich niet correct op...!

77 keerpunten 4-04 #76 water is het belangrijkste onderdeel van cellen

78 keerpunten 4-04 #77 röntgendiffractie aan kristallen van eiwitten


Download ppt "keerpunten in de natuurwetenschappen van ‘dode’ moleculen naar levende cellen de grote verwondering roel van driel Swammerdam Inst. voor Levenswetenschappen."

Verwante presentaties


Ads door Google