De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

Keerpunten-2 4-04 #1. keerpunten in de natuurwetenschappen van ‘dode’ moleculen naar levende cellen #2 netwerken en genetische informatie roel van driel.

Verwante presentaties


Presentatie over: "Keerpunten-2 4-04 #1. keerpunten in de natuurwetenschappen van ‘dode’ moleculen naar levende cellen #2 netwerken en genetische informatie roel van driel."— Transcript van de presentatie:

1 keerpunten #1

2 keerpunten in de natuurwetenschappen van ‘dode’ moleculen naar levende cellen #2 netwerken en genetische informatie roel van driel Swammerdam Inst. voor Levenswetenschappen Universiteit van Amsterdam

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

4 keerpunten #4 de cel cytoplasma DNA celmembraan een plantecel

5 keerpunten #5 eiwitten kunnen (bijna) alles

6 keerpunten #6 macromoleculen: de sleutel tot leven simpele onvertakte ketens van eenvoudige chemische bouwstenen...! energie-opslag koolhydraten de werkpaarden eiwitten informatie-opslag DNA en RNA

7 keerpunten #7 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

8 keerpunten #8 eiwitten binden andere moleculen via veel zwakke precies passende interacties  specificiteit precies pas opgevouwen aminozuurketen

9 keerpunten #9 enzymen: de droom van elke chemicus  enzymen zijn eiwitten die chemische verandering katalyseren selectiviteit...! specificiteit...!  reactief centrum op eiwit-oppervlak  als opvouwing verandert: verlies van functie

10 keerpunten #10 een ander mens in een paar dagen...  50% van de moleculen in de cel is zijn eiwitten water niet meegerekend  alle eiwitten worden voortdurend aangemaakt en weer afgebroken in cel levensduur minuten tot dagen  na een paar dagen zijn alle eiwitten in het lichaam ten minste eenmaal vernieuwd

11 keerpunten #11 menu  biologische netwerken  genetische informatie: DNA lezen van genetische taal hoeveel DNA is nodig gebruiken van DNA meer dan DNA alleen

12 keerpunten #12 biologische netwerken hoe eiwitten samenwerken in de cel keerpunten in de biologie

13 keerpunten #13 eiwitten werken samen in netwerken

14 keerpunten #14 ketens van chemische reacties  bijvoorbeeld de omzetting van voedingsstoffen (glucose) in kooldioxide (CO 2 ), water en energie  keten van 17 reacties

15 keerpunten #15 verbranding van koolhydraten door mensen: één-staps proces b ij hoge temperatuur

16 keerpunten #16 ‘verbranding’ van koolhydraten door de levende cel: een heleboel kleine stapjes b ij hoge temperatuur b ij lage temperatuur chemische energie

17 keerpunten #17 verrassend: metabolisme in de cel  groot aantal samenhangende en op elkaar afgestemde chemische en fysische processen in de cel  elke(!) omzetting gekatalyliseerd door eigen enzym  vaak kan activiteit van enzymen gereguleerd worden  gedrag niet intuitief voorspelbaar systeembiologie...!

18 keerpunten #18 een ander netwerk: eiwit interactie-netwerk in gistcel  eiwitten in gistcel eiwitten interacties één groot netwerk verschillende cel- compartimenten verschillende typen celfuncties schikowski fig 1 Schwikowski et al., Nature Biotech. 18, 1257 (2000)

19 keerpunten #19 eiwit interactie netwerk in gist Schwikowski et al., Nature Biotech. 18, 1257 (2000)  geel: vet metabolisme  blauw: membranen  grijs: chromatine  rood: celdeling

20 keerpunten #20 architectuur van biologische netwerken: altijd scale-free  scale-free netwerken meeste componenten hebben maar weinig partners klein aantal heeft veel partners  grote robuustheid...! de ‘knopen’ zijn de achilleshiel  net als sociale netwerken www ecologische netwerken

21 keerpunten #21 heel veel reacties hangen met elkaar samen  netwerken van samenwerkende componenten in de cel eiwitten en enzymen genen  speciale systeem- eigenschappen geselecteerd tijdens evolutie robuustheid efficientie aanpassen aan omgeving  regulatie van systemen  ‘leven’ een netwerk van chemische en fysische netwerken dit is nog maar een heel klein deel van het totale netwerk

22 keerpunten #22 conclusie  moleculaire basis van leven is simpel èn complex individuele chemische en fysische interacties simpel samenspel van heel veel reacties en interacties is complex netwerken van reacties en interacties gereguleerd in tijd en ruimte  het bijzondere van leven zit ‘verborgen’ in de complexiteit van de netwerken van interacties ‘emergente eigenschappen’ van netwerken…

23 keerpunten #23 menu  biologische netwerken  genetische informatie: DNA  lezen van genetische taal  hoeveel DNA is nodig  gebruiken van DNA  meer dan DNA alleen

24 keerpunten #24 DNA codering van genetische informatie keerpunten in de biologie

25 keerpunten #25 when was it discovered...?  DNA is the genetic material 1933, 1944, 1955, 1966  DNA can be sequenced 1955, 1966, 1977, 1988  DNA is a double helix 1953, 1963, 1973, 1983  the human genome is sequenced 1991, 1996, 2001, 2006  a gene codes for a protein 1935, 1945, 1955, 1965

26 keerpunten #26 ons genetisch materiaal

27 keerpunten #27 hoe ziet ons genetisch materiaal eruit...? electronenmicroscopie DNA is donkerder lichtmicroscopie DNA is lichtgevend gemaakt de celkern van een menselijke cel

28 keerpunten #28 bij celdeling worden chromosomen zichtbaar

29 keerpunten #29 bij celdeling worden chromosomen zichtbaar

30 keerpunten #30 bij celdeling worden chromosomen zichtbaar  individuele chromosomen worden tijdelijke zichtbaar tijdens de celdeling

31 keerpunten #31 chromosomen ontdekt eind 19de eeuw  Theodor Bovari hoogleraar zoologie en vergelijkende anatomie Universiteit Wurzburg  hij wilde ontdekken: ‘those processes whereby a new individual with definite characteristic is created from the parental generative material’  hij ontdekte dat vorm en grootte van chromosomen typisch zijn voor een organisme

32 keerpunten #32  24 verschillende menselijke chromosomen  elke cel heeft 46 (2 x 23) chromosomen  vrouwen twee van 1 t/m 22 plus twee X  mannen twee van 1 t/m 22 plus X plus Y  elk chromosoom bevat één lang DNA molecuul de mens heeft 24 verschillende chromosomen chromosomen na openmaken delende cel en gekleurd chromosomen geordend door computer

33 keerpunten #33 macromoleculen: de sleutel tot leven simpele onvertakte ketens van eenvoudige chemische bouwstenen...! energie-opslag koolhydraten de werkpaarden eiwitten DNA (RNA)

34 keerpunten #34 James Watson, Francis Crick en Maurice Wilkins en ook Rosalind Franklin James Watson: I never saw Frances Crick in a modest mood...

35 keerpunten #35

36 keerpunten #36  DNA is keten van simpele chemische bouwstenen: nucleotiden menselijk DNA: drie miljard nucleotiden gemiddeld menselijk chromosoom is 130 miljoen nucleotiden lang  vier verschillende nucleotiden A = adenine T = thymine C = cytosine G = guanine  DNA keten is dubbel...! complementaire nucleotiden-volgorde altijd A tegenover T altijd C tegenover G het verbazende DNA

37 keerpunten #37 paring van nucleotiden in beide ketens van DNA molecuul  in twee ketens van DNA A past precies op T C past precies op G  informatie in de twee DNA ketens is redundant T G A C

38 keerpunten #38 DNA is een dubbele helix

39 keerpunten #39 elk chromosoom is één lang DNA molecuul verpakt in eiwitten een menselijke cel 2 x 23 chromosomen 2 maal 3 miljard nucleotiden gemiddeld 130 miljoen nucleotiden per chromosoom DNA model 15 nucleotiden lang een ontrafeld chromosoom

40 keerpunten #40 elk chromosoom is één lang DNA molecuul verpakt in eiwitten een menselijke cel 2 x 23 chromosomen 2 maal 3 miljard nucleotiden gemiddeld 130 miljoen nucleotiden per chromosoom DNA model 15 nucleotiden lang een ontrafeld chromosoom

41 keerpunten #41 humane genoomproject  nucleotiden-volgorde van volledige humane genoom bepaald 3 miljard nucleotiden  samenwerking groot aantal onderzoeksgroepen wereldwijd ten dele commercieel klaar in 2001  genoomprojecten van vele andere organismen

42 keerpunten #42 menu  biologische netwerken  genetische informatie: DNA  lezen van genetische taal  hoeveel DNA is nodig  gebruiken van DNA  meer dan DNA alleen

43 keerpunten #43 genetische informatie een taal met maar 4 letters keerpunten in de biologie

44 keerpunten #44 elk chromosoom is één lang DNA molecuul verpakt in eiwitten een menselijke cel 2 x 23 chromosomen 2 maal 3 miljard nucleotiden gemiddeld 130 miljoen nucleotiden per chromosoom DNA model 15 nucleotiden lang

45 keerpunten #45 gen is de eenheid van genetische informatie  gen concept is simpel gen is nucleotide- volgorde in ons DNA gen bevat de informatie voor de aanmaak van een eiwit lengte verschilt per gen 1000 tot nucleotiden per gen  mens heeft ongeveer genen gemiddeld ~1500 genen per chromosoom of toch (veel) meer...?

46 keerpunten #46 genen op een chromosoom  deel van chromosoom 2 van de fruitvlieg  in plaatje ~5 miljoen nucleotiden totale genoom van fruitvlieg is 165 miljoen  elk gekleurd balkje is een gen

47 keerpunten #47 genen op een chromosoom  deel van chromosoom 2 van de fruitvlieg  in plaatje ~5 miljoen nucleotiden totale genoom van fruitvlieg is 165 miljoen  elk gekleurd balkje is een gen

48 keerpunten #48 informatie in een gen  een specifiek gen bevat de informatie voor de aminozuur- volgorde in een specifiek eiwit aminozuurvolgorde bepaalt de opvouwing van het eiwit opvouwing van het eiwit bepaalt de functie – specifieke binding van andere moleculen – katalyse van specifieke chemische reactie (als eiwit een enzym is)  dus: een gen codeert voor een functie in de cel

49 keerpunten #49 een menselijk gen: codeert voor  -globine  genetische code is taal met slechts vier letters A, T, G, C  -globine gen beslaat ~2000 van de 3 miljard letters van het menselijke genoom nucleotide-volgorde van één van beide DNA ketens getoond  codeert voor onderdeel van bloed-eiwit hemoglobine beta-globine: eiwit ~150 aminozuren lang

50 keerpunten #50 genetische informatie een simpele lineaire code

51 keerpunten #51 humane genoomproject  nucleotiden-volgorde van volledige humane genoom volledig opgelost 3 miljard nucleotiden  alle genen bekend inzicht in alle eiwitten die in menselijke cellen kunnen voorkomen één gen één eiwit dogma maar: veel eiwitten worden chemisch veranderd in de cel op verschillende manieren

52 keerpunten #52 het menselijk genoom  2 x 3 miljard nucleotiden in elke cel ~ genen  slechts 3% van DNA zijn genen 97% van DNA heeft totaal onbekende functie...!  2 meter DNA in celkern diameter celkern is 10 micrometer (1/100 millimeter)

53 keerpunten #53 2 meter DNA per celkern van 1/100 mm doorsnee  equivalent 20 km draad in een tennisbal (10 cm) gemiddeld gen ~2 cm  toch efficiënt gen aan/uit zetten vind 2 cm gen op 20 km draad...!

54 keerpunten #54 nog een een rekensom  2 meter DNA per menselijke cel  mens: meer dan 75 miljard cellen totaal 75 x 2 x 10 9 meter  alle DNA moleculen uit één mens achter elkaar 150 miljoen km DNA... gelijk afstand aarde-zon...

55 keerpunten #55 menu  biologische netwerken  genetische informatie: DNA  lezen van genetische taal  hoeveel DNA is nodig  gebruiken van DNA  meer dan DNA alleen

56 keerpunten #56 hoeveel genetische informatie is nodig...? keerpunten in de biologie

57 keerpunten #57 genomen, genen en de complexiteit van organismen genoom genen neurons (nucleotiden) E. coli 4,200,000 4,3000 gist 13,000,000 6,100 0 worm (nematode) 80,000,00018, Arabidopsis (plant) 130,000,00025,000 0 fruitvlieg 140,000,00013, ,000 muis 3,300,000,00035,00040,000,000 mens 3.300,000,00035,000 ~75,000,000,000

58 keerpunten #58 genomen, genen en de complexiteit van organismen genoom genen neurons (nucleotiden) E. coli 4,200,000 4,3000 gist 13,000,000 6,100 0 worm (nematode) 80,000,00018, Arabidopsis (plant) 130,000,00025,000 0 fruitvlieg 140,000,00013, ,000 muis 3,300,000,00035,00040,000,000 mens 3.300,000,00035,000 ~75,000,000,000

59 keerpunten #59 geen simpele relatie complexiteit organisme, grootte van genoom en het aantal genen...! genoom genen neuronen (nucleotiden) E. coli 4,200,000 4,3000 gist 13,000,000 6,100 0 worm (nematode) 80,000,00018, Arabidopsis (plant) 130,000,00025,000 0 fruitvlieg 140,000,00013, ,000 muis 3,300,000,00035,00040,000,000 mens 3.300,000,00035,000 ~70,000,000,000 sommige amfibie ë n en planten hebben tot 100 maal meer DNA dan een mens

60 keerpunten #60 welke informatie is gecodeerd in ons DNA...?  het volledige bouwplan...? kun je op basis van het DNA een organisme de novo maken...?  overwegingen een cel/organisme ontstaat altijd uit een ander cel/organisme er ontstaat nooit de novo leven uit DNA  antwoord op vraag nog open...!

61 keerpunten #61 genetische informatie volledig uitwisselbaar  veel genen bijna hetzelfde in verschillende organismen  gen uit ene organisme functioneert prima in andere  voorbeeld stier Herman menselijk gen voor eiwit lactoferrine in rund-genoom geplaatst

62 keerpunten #62 genen fruitvlieg lijken op genen van mens  deel van chromosoom 2 van fruitvlieg  rose, rood en geel gemarkeerde genen ook in de mens gevonden

63 keerpunten #63 menu  biologische netwerken  genetische informatie: DNA  lezen van genetische taal  hoeveel DNA is nodig  gebruiken van DNA  meer dan DNA alleen

64 keerpunten #64 lezen van genetische informatie keerpunten in de biologie

65 keerpunten #65 informatie-stroom DNA -> RNA -> eiwit  stap #1 nucleotiden-volgorde van één van de twee DNA ketens van gen gekopieerd als RNA keten messenger RNA (mRNA) RNA synthese (transcriptie) in celkern  stap #2 mRNA getransporteerd van kern naar cytoplasma  stap #3 nucleotiden-volgorde van mRNA wordt vertaald naar aminozuur- volgorde van het eiwit waarvoor gen codeert eiwitsynthese (translatie) in cytoplasma

66 keerpunten #66 van DNA-taal naar eiwit-taal  DNA-taal 4 letters: 4 nucleotiden A,T.G.C  eiwit-taal 20 letters: 20 aminozuren  woordenboek: de genetische code groepje van drie nucleotiden afgelezen en vertaald in één aminozuur aminozuur triplet nucleotiden U = T

67 keerpunten #67 mutaties  mutatie is verandering van nucleotiden-volgorde in DNA resulteert in andere aminozuurvolgorde van eiwit waarvoor gen codeert meestal verlies van functie van eiwit verlies van eigenschap van cel  mutaties kunnen bijv. ziekten veroorzaken C X X phe X X X

68 keerpunten #68 mutaties wil de cel tot elke prijs voorkomen  de cel wil genetische informatie constant houden read only...!  DNA reparatie mechanismen vele mechanismen om veranderingen in DNA te herkennen en te repareren uiterst efficiënt uiterst precies  DNA replicatie tijdens celdeling extreem nauwkeurig één fout per kopieren van een miljard nucleotiden...! duizenden schades in DNA per huidcel per uur...!

69 keerpunten #69 regulering van het aflezen van een gen  genetische informatie van een gen wordt alleen afgelezen indien nodig als eiwit waarvoor gen codeert aangemaakt moet worden precies gereguleerd proces  speciale eiwitten herkennen begin van gen herkennen DNA nucleotiden- volgorde van gen en binden eraan recruteren enzym dat mRNA maakt (RNA polymerase)  RNA polymerase loopt langs DNA en maakt mRNA DNA eiwitten RNA polymerase RNA polymerase beweegt langs DNA en maakt mRNA

70 keerpunten #70 organismen kunnen genen aan- en uitzetten  een organisme kan veel van zijn genen aan- en uitzetten bijv. genen voor bloemontwikkeling o.i.v. signalen van buiten  regulering per celtype in het organisme Antirrhinum

71 keerpunten #71 genen werken samen in netwerken  bakkersgist 6100 genen  1000 genen onderzocht 4000 interacties  genen met soortgelijke functie hebben vaker interactie met elkaar dan met andere genen clusters in netwerk  genen ‘praten’ met elkaar via eiwitten geintegreerde netwerken Tong et al. Science 303, 808 (2004)

72 keerpunten #72 menu  biologische netwerken  genetische informatie: DNA  lezen van genetische taal  hoeveel DNA is nodig  gebruiken van DNA  meer dan DNA alleen

73 keerpunten #73 genetische informatie meer dan DNA alleen keerpunten in de biologie

74 keerpunten #74 probleem...!  een mens heeft ongeveer 200 à 300 verschillende soorten cellen bijv. huid, lever, nier, etc.  elk celtype maakt eigen keus uit totale repertoire van genen elk celtype heeft slechts toegang tot deel van alle genen % van totaal (?)  hoe kan dat...? oplossing: epigenetica extra epigenetische informatie

75 keerpunten #75 epigenetica  verandering in genetische eigenschappen van een cel zonder verandering in nucleotiden-volgorde van DNA  vereist inzicht in chromatine

76 keerpunten #76  DNA van eukaryoten verpakt met eiwitten  eenheid van verpakking is nucleosome complex van 8 eiwitten (histonen) schijfvormig (6 x 11 nm) dubbele DNA helix bijna 2 maal om schijf gewonden 150 nucleotiden per nucleosoom menselijk genoom: 20 miljoen nucleosomen  zelfde structuur voor alle(!) planten en dieren chromatine

77 keerpunten #77 chromatine hetzelfde in alle eukaryoten  kralenketting vouwt zich op in celkern  verschillende niveaus van opvouwing  nog veel open vragen

78 keerpunten #78 chemische veranderingen van nucleosoom-eiwitten  nucleosoom-eiwitten (histonen) kunnen verschillende chemische veranderingen ondergaan in cel m.b.v. speciale enzymen  chemische histon code geschreven op nucleosoom keten naast genetische code in vorm van nucleotiden volgorde in DNA chemische code herkend door speciale eiwitten  histon code bepaalt of genetische informatie in DNA toegankelijk is of niet  histon code hiërarchisch hoger dan genetische code in DNA

79 keerpunten #79 epigenetische informatie wordt geschreven gedurende embryonale ontwikkeling  genetische informatie (DNA) cel doet alles om deze informatie te behouden ‘read only’  epigenetische informatie (histon code in nucleosomen) cel kan deze informatie schrijven, lezen en (soms) wissen

80 keerpunten #80 epigenetische (histon) code geschreven tijdens embryonale ontwikkeling  bevruchte eicel alle genen beschikbaar net als stamcel  tijdens ontwikkeling van embryo differentiëren cellen tot verschillende weefsels differentieren = specialiseren  bij differentiatie steeds kleiner deel van totale gen- repertoir beschikbaar genen definitief uitgezet via histon code  kloneren van organismen is wissen en herschrijven van histon code...! klauwpad (Xenopus laevis)

81 keerpunten #81 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’  basis principes beginnen duidelijk te worden zelfde voor alle(!) levende wezens op deze aarde

82 keerpunten #82


Download ppt "Keerpunten-2 4-04 #1. keerpunten in de natuurwetenschappen van ‘dode’ moleculen naar levende cellen #2 netwerken en genetische informatie roel van driel."

Verwante presentaties


Ads door Google