De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff De microbiële cel Van molecuul tot leven Cursus voor tweedejaars Biologen November 2008 Docenten:

Verwante presentaties


Presentatie over: "De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff De microbiële cel Van molecuul tot leven Cursus voor tweedejaars Biologen November 2008 Docenten:"— Transcript van de presentatie:

1 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff 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.

2 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff DateNameChapterppTitle 27-10fcb125Microorganisms and Microbiology 28-10fcb225A brief journey to the microbial world 29-10fcb440Cell structure and function in Bacteria and Archaea 30-10wff533Nutrition, culture, and metabolism of microorganisms 31-10wff630Microbial growth 3-11fcb1027Overview of viruses and virology 4-11fcb 20 (1,2,4,5,6, 8,9,14,15) 18Metabolic diversity I 5-11wff 21 (1,2,4, 14,17,18) 13Metabolic diversity II 6-11wff1322Microbial genomics 6-11wff14.1 t/m Microbial evolution 7-11wff187Eukaryotic organelles 7-11wff15.1 t/m Bacteria: The Proteobacteria 10-11fcb9.1 t/m 9.915Regulation of gene expression (+ werkcollege lac) 12-11fcb16.1 t/m Bacteria: Gram-positive and other bacteria 13-11fcb17.1 t/m Archaea 14-11fcbSyllabusCalculations

3 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff De microbiële cel Van molecuul tot leven

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

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

6 Algemene Microbiologie Groei Het maken van leven

7 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff 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

8 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Groei: 4 verschillende betekenissen 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

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

10 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Groei: 4 verschillende betekenissen 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

11 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Microbiële groei: Principes

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

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

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

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

16 De microbiële cel, november 2008: colleges WesterhoffTable13.1

17 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))

18 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff 13.2

19 Omvangrijk metabolisme; het kan ‘alles’, ……………… ……………… ………..

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

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

22 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

23 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

24 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

25 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 XX

26 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Metabole beperkingen Gibbs energie noch elementenSommige 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 XX

27 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

28 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Behouden grootheden (kunnen niet gemaakt worden) Elementen: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’)Vrije energie (gaat verloren, maar kan niet gemaakt worden is dus ook nodig) (‘ATP’)

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

30 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Behouden grootheden (kunnen niet gemaakt worden) Elementen: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’)Vrije energie (gaat verloren, maar kan niet gemaakt worden is dus ook nodig) (‘ATP’)

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

32 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

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

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

35 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Behouden grootheden (kunnen niet gemaakt worden) Elementen: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’)Vrije energie (gaat verloren, maar kan niet gemaakt worden is dus ook nodig) (‘ATP’)

36 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Vlinderdas voor elk benodigde substantie Pyruva at en Acetyl- CoA (‘C’) voedingsstoffen celstructuur

37 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Pyruvaat en acetyl Pyruvaat: CH 3 -CH 2 -COOH AcetylCoA CH 3 -COO-CoA Eigenlijk is Coenzym A de C2 drager

38 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Vlinderdas voor elk benodigde substantie Gluta maat (‘N’) voedingsstoffen celstructuur

39 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Vlinderdas voor elk benodigde substantie NADH ‘H’ of ‘e - ’ of ‘redox’ voedingsstoffen celstructuur

40 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

41 Algemene Microbiologie 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?

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

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

44 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

45 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

46 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Hoofdstuk 5:Voeding: Diversiteit wat betreft koolstofbron voor biomassa CO 2 : 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 (Fe 2+ voor energie, organische stof voor koolstof) Fig. 5.23koolstofenergietroof

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

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

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

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

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

52 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

53 Algemene Microbiologie 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

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

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

56 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Aminozuren in 3D kunnen niet alles katalyseren: Prosthetische groepen (bv heem) Cofactoren (bv Mg 2+, Mn 2+,…. )

57 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

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

59 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

60 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

61 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Hoofdstuk 5:Voeding Stoffen Macronutriënten –Koolstof:autotroof (CO 2 ) versus heterotroof (organische verbindingen) Micronutriënten –Anorganische moleculen Tabel. 5.2 GroeifactorenTabel 5.3 –Organische moleculen

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

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

64 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff 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)

65 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?

66 Algemene Microbiologie 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

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

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

69 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)

70 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

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

72 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff glycolyse citroenzuurc yclus pyruvaat dehydrogenatie koolstof

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

74 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Standaard katabolisme en ademhaling

75 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff glycolyse citroenzuurc yclus pyruvaat dehydrogenatie electronen

76 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff glycolyse

77 Glycolyse

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

79 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Glycolyse energie

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

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

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

83 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Behouden grootheden (kunnen niet gemaakt worden) Elementen: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’)Vrije energie (gaat verloren, maar kan niet gemaakt worden is dus ook nodig) (‘ATP’)

84 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff glycolyse citroenzuurc yclus pyruvaat dehydrogenatie

85 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff pyruvaat dehydrogenatie

86 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Pyruvaat dehydrogenatie Fig. 5.22

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

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

89 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff koolstof Pyruvaat dehydroge nering koolstof Fig acetyl (2 C2) per 2 pyruvaat (2 C3)

90 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff redox Pyruvaat dehydroge nering redox Fig NADH (4e - ) per 2 pyruvaat

91 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff glycolyse citroenzuurc yclus pyruvaat dehydrogenatie

92 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff citroenzuurc yclus

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

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

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

96 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Citroen zuur cyclus: koolstof Fig CO 2 ↑ per acetyl

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

98 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Standaard katabolisme en ademhaling

99 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Standaard katabolisme en ademhaling

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

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

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

103 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff geen koolstof: Ademhalingsketen: geen koolstof:

104 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff redox: Ademhalingsketen: redox: ½ O 2 gereduceerd per NADH ½ O 2 gereduceerd per FADH

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

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

107 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Totale energie balans per glucose Glycolyse tot pyruvaat: ½ Glucose → pyruvaat + ATP + NADH Pyruvaat dehydrogenatie: pyruvaat → NADH + acetylCoA+ CO 2 Citroenzuur cyclus: acetylCoA → 3 NADH + FADH + GTP + 2CO 2 5xAdemhalingsketen vanaf NADH: 5 NADH + 2 ½ O 2 → 40 H + 1xAdemhalingsketen vanaf FADH: FADH + ½ O 2 → 6 H + 46/3xH + -ATPase: 46 H + → 15.3 ATP Nucleotide diphoshate kinase: GTP → ATP Totaal: ½ Glucose +3O 2 + → 3CO ATP Totaal Boek: 19 ; rekent 3 ATP/NADH

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

109 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 CO 2 –→~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)

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

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

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

113 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Standaard katabolisme (bij chemoorganoheterotrofen) heeft nodig: Suiker, vet of eiwit Zuurstof Oefenvraag: waarvoor? …………….. Oefenvraag; Klopt dit wel? ……………….

114 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Standaard katabolisme (bij chemoorganoheterotrofen) heeft nodig: Suiker, vet of eiwit Zuurstof Oefenvraag: waarvoor? Suiker plus zuurstof voor energie Suiker voor koolstof En stikstofbron etc.

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

116 Algemene Microbiologie 5.14: Katabole alternatieven: Wat als een van de benodigdheden voor bovenstaand catabolisme ontbreekt: O 2, of glucose?

117 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)

118 Algemene Microbiologie De principes blijven Variaties binnen de principiële beperkingen

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

120 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 redoxExport moet gelijk zijn aan import: voor elementen en redox Import moet export overtreffen (voor Gibbs energie)Import moet export overtreffen (voor Gibbs energie) XX

121 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)Import moet export overtreffen (voor Gibbs energie èn elementen) XX

122 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))

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

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

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

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

127 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff redox balans Glycolyse in melkzuurbacteriën: fermentatie: redox balans Glucose: CH 2 OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH 2 OH Lactic acid/melkzuur: CH 3 -CHOH-COOH gereduceerd geoxideerd

128 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)

129 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Gibbs energie surplus Glycolyse in melkzuurbacteriën : fermentatie: Gibbs energie surplus Glucose: CH 2 OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH 2 OH Lactic acid/melkzuur: CH 3 -CHOH-COOH gereduceerd geoxideerd Glycolyse in melkzuurbacteriën levert op: 2 ATP/ glucose Ipv 34,6 ATP/glucose in standaard metabolisme

130 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Koolstof surplus Glycolyse in melkzuurbacteriën : fermentatie: Koolstof surplus Glucose: CH 2 OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH 2 OH Lactic acid/melkzuur: CH 3 -CHOH-COOH gereduceerd geoxideerd

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

132 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Electrontoren in het geval van standaard metabolisme: Electron acceptor koppels moeten positievere redox potentiaal hebben dan glucose [ eV] Zuurstof is ideaal Glucose+6O 2 →6CO 2 +6H 2 O ~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%)

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

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

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

136 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Electrontoren in het geval van standaard metabolisme: Electron acceptor koppels moeten positievere redox potentiaal hebben dan glucose [ eV] Nitraat reductie Glucose+6O 2 →6CO 2 +6H 2 O ~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)

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

138 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Electrontoren in het geval van standaard metabolisme: Electron acceptor koppels moeten positievere redox potentiaal hebben dan glucose [ eV] Nitraat reductie; fumaraat reductie, sulkfaat reductie Glucose+6O 2 →6CO 2 +6H 2 O X

139 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Oefenvraag Hoeveel ATP zou men kunne maken uit de Gibbs energie die vroijkomt by alternatieve ademhaling met nitrat, fumaraat of sulfaat als electron acceptor? Glucose+6O 2 →6CO 2 +6H 2 O X Gibbs energie ATP=48 kJ/mol: Bij zuurstof theoretisch mogelijk: 12x163/48=41ATP/glucose (ipv 60.2)

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

141 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Microbiële groei: Principes Vlinderdas principeVlinderdas principe Catabolisme, intermediair, anabolismeCatabolisme, intermediair, anabolisme Energie catabolisme: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 CO 2Standaard metabolisme: glucose (glycolyse, pyruvaatdeh, citroenzuurcyclus) naar CO 2 –Directe synthese 1 ATP en 1 GTP (per halve glucose) –Electronen via NADH + FADH naar zuurstof Anaëroob:Anaëroob: –Fermentatie –Alternatieve electron acceptor (nitraat, sulfaat, …) Geen organisch substraat: H 2, ammoniak, sulfide, Fe 2+ als electron donor, zuurstof als acceptorGeen organisch substraat: H 2, ammoniak, sulfide, Fe 2+ als electron donor, zuurstof als acceptor Geen substraat: fotonen als energiebron; electronen aangeslagen, rollen terug electronenketen af, protongradiënt makend, ATP syntheseGeen 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 hergebruiktSteeds variaties op thema; vaak dezelfde componenten hergebruikt Koolstof: intermediairen Acetyl op CoA, pyruvaatKoolstof: intermediairen Acetyl op CoA, pyruvaat Stikstof: intermediairen -NH 2 groep op glutamaat en glutamine)Stikstof: intermediairen -NH 2 groep op glutamaat en glutamine) Mogelijkheid bij hoge en lage NH 3 concentratie (ATP gebruik)Mogelijkheid bij hoge en lage NH 3 concentratie (ATP gebruik)

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

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

144 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Groei: 4 verschillende betekenissen 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

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

146 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

147 Gezien in BioCentrum Amsterdam….. Fase contrast Nucleoïde FtsZCombinatie

148 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Groei: 4 verschillende betekenissen 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

149 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Populatiegroei: toename in celaantal Fig. 6.8

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

151 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Cellen lijken plotseling op te komen! Fig. 6.8

152 Algemene Microbiologie 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.

153 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff 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

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

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

156 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 ‘  ’

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

158 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Exponentiële kinetiek Fig. 6.8

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

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

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

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

163 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Pot groei (batch growth); practicum experiment) Fig. 6.10

164 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Pot groei (batch growth) Fig. 6.10

165 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Pot groei (batch growth): inductie fase Fig. 6.10

166 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Pot groei (batch growth) Fig. 6.10

167 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Pot groei (batch growth)

168 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Pot groei (batch growth): groei en dood gelijk in stationaire fase

169 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Pot groei (batch growth) alleen dood in afsterffase

170 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff 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

171 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Pot groei (batch growth) Fig. 6.10

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

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

174 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff [Substraat] bepaalt groeisnelheid; batch cultuur Fig. 6.12

175 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Groeisnelheid bepaalt [substraat] chemostaat Fig. 6.12

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

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

178 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Total aantal cellen tellen Fig. 6.14

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

180 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff

181 Ook ‘Most probable number’ methode: tussen 0 en 1*10 6

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

183 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Hoofdstuk 6: Groei en Omgevingsfactoren: –substraat (concentratie of type) –Temperatuur Fig. 6.18, 6.19 –pH Fig –wateractiviteit [conservering, watersimulerende stoffen] Fig –zuurstof Fig. 6.27, 6.29, 6.30

184 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff [Substraat] bepaalt groeisnelheid; batch cultuur Fig. 6.12

185 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Temperatuurafhankelijkheid Fig. 6.18

186 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Het leven heeft zich aangepast Fig. 6.19

187 Algemene Microbiologie Conserveringsmethode Pasteuriseren Steriliseren-autoclaveren

188 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Leven boven het kookpunt Fig. 6.22

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

190 Algemene Microbiologie Conserveringsmethode Zure bom/ augurken

191 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Hoofdstuk 6: Groei en Omgevingsfactoren: –substraat (concentratie of type) –Temperatuur, –pH –wateractiviteit [conservering, watersimulerende stoffen] –zuurstof

192 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

193 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 a H20 –verminderde wateractiviteit –verminderde metabole activiteit –conservering (zoute haring; jam) –of: aanmaak compatibele opgeloste stoffen

194 Algemene Microbiologie Conserveringsmethode Inzouten Inzoeten Drogen

195 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Compatibele opgeloste stoffen: Fig. 6.26

196 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Evolutionaire aanpassing organismen aan wateractiviteit Fig. 6.25

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

198 Algemene Microbiologie Conserveringsmethode Inblikken Begraven

199 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Zuurstof is gevaarlijk/kan gevaarlijk worden……. Fig. 6.29

200 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Zuurstofradicaal verwijderende enzymen Fig. 6.30

201 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Hoofdstuk 6: Groei en Omgevingsfactoren: –substraat (concentratie of type) –Temperatuur –pH –wateractiviteit [conservering, watersimulerende stoffen] –zuurstof

202 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

203 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Groei: 4 verschillende betekenissen 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

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

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

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

207 Algemene Microbiologie Diversiteit in fermentatie

208 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Belang

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

210 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

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

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

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

214 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

215 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

216 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Fermentatie: geen externe electronacceptor: interne redox balans

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

218 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff En dan dus nog electron acceptatie

219 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Electronen bv. weer naar H +

220 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Of naar interne verbinding

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

222 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff redox balans in het process zelf Glycolyse in melkzuurbacteriën: fermentatie: redox balans in het process zelf Glucose: CH 2 OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH 2 OH Lactic acid/melkzuur: CH 3 -CHOH-COOH gereduceerd geoxideerd

223 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)

224 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Gibbs energie surplus Glycolyse in melkzuurbacteriën : fermentatie: Gibbs energie surplus Glucose: CH 2 OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH 2 OH Lactic acid/melkzuur: CH 3 -CHOH-COOH gereduceerd geoxideerd Glycolyse in melkzuurbacteriën levert op: 2 ATP/ glucose Ipv 34,6 ATP/glucose in standaard metabolisme

225 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Glucose: CH 2 OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO-CH 2 OH Lactic acid/melkzuur: CH 3 -CHOH-COOH gereduceerd geoxideerd Koolstof surplus als enkel molecuul: melkzuur (lactic acid) Homofermentatief Glycolyse in melkzuurbacteriën : fermentatie: Koolstof surplus als enkel molecuul: melkzuur (lactic acid) Homofermentatief

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

227 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Heterofermentatief wat is het verschil?

228 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Hetero- fermentatief Wat is het verschil?

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

230 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Mixed acid fermentation

231 Algemene Microbiologie 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.

232 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff 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 + H 2 O  propionaat +bicarbonaat –  G 0 ’=-20.5 kJ/mol Verwacht U bacteriën op barnsteenzuur onder de grond?

233 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Aanwijzing

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

235 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Antwoord 3 3 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. Energie zonder ademhaling of substraatniveaufosforylering

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

237 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff In ademhaling 4 e - + O H +  H 2 O Zuurstof komt hierbij NIET in een voor het leven nodige stof terecht

238 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Bij oxygenatie wel A + O 2 +  AO + H 2 O mono-oxygenase Een zuurstofatoom komt hierbij WEL in een voor het leven nodige stof terecht A + O 2 +  AO 2 + H 2 O di-oxygenase Beide zuurstofatomen komen hierbij WEL in een voor het leven nodige stof terecht

239 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Afbraak van aromaten, bijvoorbeeld

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

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

242 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Citroenzuurcyclus probleem: kun je groeien op acetaat?

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

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

245 Algemene Microbiologie Microbiële genomics

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

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

248 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 Fig atgcgcgtatatg atatgcgcgtatatg

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

250 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)

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

252 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff 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

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

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

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

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

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

258 Algemene Microbiologie Metabolomics NMR Massa spectrometrie Robot enzym assays

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

260 Algemene Microbiologie Hoofdstuk 18 (18.1 – 18.4) Evolutie

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

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

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

264 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

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

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

267 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]

268 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Principe van Kluyver 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

269 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Principe van Kluyver 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)

270 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

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

272 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

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

274 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

275 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Stamboom: eerst sequencen Fig. 14.9

276 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Fig

277 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Fig Evolutionaire stamboom LUCA: Last Universal Common Ancestor

278 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

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

280 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

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

282 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

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

284 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Evolutie stamboom (rRNA sequenties)

285 Algemene Microbiologie Evolutie tot diverse levensvormen Moleculaire verschillen geringer

286 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Hoe groot is leven (En waarom?) Fig. 2.3

287 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Hoe ziet het leven eruit? Prokaryoot Fig. 2.1

288 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff Hoe ziet het leven eruit? Eukaryoot Fig. 2.1

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

290 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff De eukaryote cel: constellatie van ‘subcellen’ 50 μm

291 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff 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

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

293 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff 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.

294 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 Inzicht in: –de specifieke mogelijkheden van microbiële experimenten.

295 De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff black board


Download ppt "De microbiële cel, november 2008: colleges Westerhoff De microbiële cel Van molecuul tot leven Cursus voor tweedejaars Biologen November 2008 Docenten:"

Verwante presentaties


Ads door Google