How Did Life Begin
MP4 bestand – 33,8 MB 102 downloads
Origins Of Life Early Life What Did LUCA Look Like
MP4 bestand – 25,7 MB 89 downloads

LUCA

Last Universal Common Ancestor

Ongeveer 4 miljard jaar geleden leefde er een microbe genaamd LUCA: de laatste universele gemeenschappelijke voorouder. Er zijn aanwijzingen dat het een ietwat 'buitenaardse' levensstijl heeft kunnen leiden, diep onder de grond verborgen in ijzer-zwavelrijke hydrothermale ventilatieopeningen. Anaëroob ademde het geen lucht in en het maakte zijn eigen voedsel uit de donkere, metaalrijke omgeving eromheen. Het metabolisme was afhankelijk van waterstof, kooldioxide en stikstof, die in organische verbindingen, zoals ammoniak, werden omgezet.

Het meest opmerkelijke van alles is, dat deze kleine microbe het begin was van een lange lijn die al het leven op aarde zou gaan omvatten.

RNA-wereld

Men gaat er momenteel vanuit dat RNA het eerst ontstond en spreekt daarom van de RNA-wereld. RNA is niet alleen een eenvoudiger molecuul dan DNA, het heeft ook de mogelijkheid tot auto-replicatie via de ribozymen. Maar hoe werd het eerste RNA gevormd?

De vraag ‘Hoe het leven begon?’ hangt nauw samen met de vraag ‘Wáár begon het leven?’ De meeste wetenschappers zijn het over ‘wanneer’ wel eens, namelijk tussen 3,8 en 4 miljard jaar geleden. Maar er is nog steeds geen overeenstemming over de omgeving wáár deze gebeurtenis ooit heeft kunnen beginnen. Was het op het aardoppervlak ergens aan een ondiepe zee of in een vulkanisch gebied? Of was de aanvang ergens in een diepe oceaan bij hydrothermale bronnen rond vulkanisch actieve gebieden ergens op de bodem van een oceaan. Heet magma warmt het water op en dat water borrelt naar boven.   

Dit water kan soms wel 180°C zijn. Black smokers daarentegen hebben extreem hoge temperaturen tot wel 400°C. 

Toch kookt het water niet! Door de hoge druk op deze diepte kan het water immers niet overgaan in waterdamp.

Na een tijdje schuiven de aardplaten weer verder en verliest de hydrothermale bron zijn hitte.

Black Smokers And Deep Sea Creatures Of Longqi Vent Field
MP4 bestand – 12,2 MB 93 downloads

Sinds hun ontdekking zijn diepzee-hydrothermale openingen  als de geboorteplaats van het leven, met name alkalische openingen, zoals die gevonden in Lostcity in het midden van de Atlantische Oceaan.

Hydrothermal Vents In The Deep Sea
MP4 bestand – 34,7 MB 88 downloads
Fly Over Lost City Hydrothermal Vent Field
MP4 bestand – 1.004,1 KB 77 downloads

......hoewel de alomtegenwoordigheid van microbiële gemeenschappen op dergelijke locaties naast onze zuurstofrijke atmosfeer een exacte analogie onmogelijk maakt.....

De ontdekking van hydrothermische bronnen heeft de manier waarop we de geologische, geochemische en ecologische geschiedenis van de Aarde kunnen zien, aanzienlijk veranderd. Openingen onder de zee zijn overvloedig aanwezig op de bodem van de wereldzeeën en zijn belangrijke bronnen van vele elementen en organische verbindingen die in de hydrosfeer worden overgebracht. 

Hydrothermische bronnen kunnen het leven ondersteunen zonder input van fotosynthese en ze herbergen een fascinerend leven met symbiotische relaties waarbij lithototrofe micro-organismen betrokken zijn geweest, die anorganische verbindingen gebruiken als energiebron. Bovendien is een bezoek aan actieve diepzee-hydrothermale ventilatieomgevingen, ook een bezoek aan de vroege aarde - actieve hydrothermische systemen bestonden al zodra vloeibaar water zich meer dan 4,2 miljard jaar geleden op de aarde verzamelde.

Het is mogelijk dat de huidige hydrothermische micro-organismen in de lucht relateren aan fysiologische kenmerken die lijken op de vroegste microbiële ecosystemen op aarde. Het is ook mogelijk dat geochemische processen van koolstofreductie in hydrothermische systemen dezelfde soort energie-vrijmakende chemie vertegenwoordigen die aanleiding gaf tot de eerste biochemische routes. Het leven hoeft niet zo te zijn geëvolueerd, maar het vooruitzicht dat het zou hebben gegaan, is reden genoeg om deze omgevingen verder te onderzoeken.

Om op de vroege aarde leven te laten ontstaan ​​uit CO₂, rotsen en water, was een aanhoudende bron van chemisch overdraagbare energie essentieel. Het serpentinisatieproces komt naar voren als een steeds waarschijnlijkere bron van die energie. Serpentinisatie door het (ultramafische) stollingsgesteente, waaruit ingrediënten vanuit het binnenste van de aarde naar boven komen, zou continu waterstof (H), methaan (CH4), formiaat (methaanzuur CH2O2), ammoniak (NH3), calcium (Ca) en sporen van acetaat  (azijnzuur-ion CH3-), wolfraam, silica en sulfide (zwavel-ionen S2−) geleverd hebben aan alkalische hydrothermale bronnen, die aanwezig waren in de metaalrijke koolzuurhoudende Hadeïsche Oceaan.

Metaalatomen  leveren altijd de positieve ionen, niet-metaalatomen leveren altijd de negatieve ionen. Zouten zijn opgebouwd uit positieve en negatieve ionen.

Er werden proton- en redox-gradiënten gegenereerd, die een rijke bron van natuurlijk geproduceerde chemiosmotische energie leveren, afkomstig van geochemie die alleen nog maar hoefde worden afgetapt. Chemiosmose is een algemene aanduiding van de mechanismen die een rol spelen bij het transport van ionen. Chemiosmose-de-basis-voor-leven

Hydrothermale heuvels die zich ophopen op vergelijkbare locaties in de oceanen van vandaag, bieden conceptuele en experimentele modellen voor de chemie die relevant is voor het ontstaan ​​van leven, hoewel de alomtegenwoordigheid van microbiële gemeenschappen op dergelijke locaties naast onze zuurstofrijke atmosfeer een exacte analogie onmogelijk maakt.

Origin Of Life
MP4 bestand – 30,0 MB 93 downloads

Moleculair waterstof (witte bolletjes) en zwavel (gele bolletjes) worden uit de ventilatieopening gespuwd. Waterstof (witte) en zuurstof (rode bolletjes) blijven in de oceaankorst. 

Vervolgens is er een vermenging met ijzer (zwarte bolletjes) en let wel: RNA-voorlopers van aminozuren!! (groene bolletjes) 

 

De wanden van deze alkalische bronnen zijn poreus en vormen een soort 'honingraat'.....

.....waarin de genoemde elementen RNA-strengen kunnen vormen

Een nieuwe studie maakt duidelijk, dat het eerste leven uit gassen ontstond (H2, CO2, N2, H2S) en dat de energie voor het eerste leven verzameld werd uit geochemische gradiënten die zich bevinden in kleine onderling verbonden poriën van speciale hydrothermale bronnen. Een dergelijk soort honingraat van microscopische gaatjes kan gezien worden als een geheel aan katalytische kleine cellen, waar zich vervolgens lipiden, proteïnen en nucleotiden gevormd kunnen hebben.

Deze nieuwe ideeën baseren zich op die van Michael J. Russell over alkaline diepzeebronnen die chemische gradiënten produceren. Deze komen sterk overeen met de protonengradiënten in de membranen van levende organismen. (Even ter verduidelijking: waterstofionen ((H+) worden aangeduid als protonen. Er is dus een gradiënt, 'n verschil aan beide kanten van bijvoorbeeld een membraan). Zie ook Chemiosmose-de-basis-voor-leven.

Gradients ATP Synthases
MP4 bestand – 9,6 MB 84 downloads

Er is sprake van een gradiënt wanneer er een hogere concentratie van een element of molecuul in één compartiment is in vergelijking met een aangrenzend compartiment.

Wat ATP precies is zie je verderop.

Het-protonengradient

Dit proces speelt zich af in de mitochondriën, de kleine krachtcentrales in elke cel. 

De allereerste cellen moeten op één of andere manier een impuls gehad hebben om ergens energie vandaan te halen en ook om zich te "willen delen....." 

De eerste organismen maakten waarschijnlijk gebruik van protonengradienten om het universele energiemolecuul ATP aan te maken. Mettertijd evolueerden de organismen naar een eigen intern protonengradient. Een gradiënt van deze protonen betekent een verschil in concentratie van protonen aan weerszijden van een halfdoorlatend membraan. 

De mitochondriën staan ​​bekend als de 'krachtcentrale' van de cel. Een mitochondrion heeft een diameter van ongeveer 1 micrometer = 0,001 mm. Het bezit een dubbele membraan: 

  • een buitenste membraan
  • een binnenste membraan, met instulpingen en plooien: de cristae.

Tussen de cristae zit de matrix (vloeistof). Het aantal instulpingen staat in relatie met de intensiteit van de celademhaling.

Ook de ATP moleculen zijn weergegeven

Mitochondriën zijn celorganellen die de in koolhydraten en vetten aanwezige energie overdragen aan ATP en de energie ter beschikking stellen van energievragende reacties in de cel. Het is de taak van de mitochondriën om eiwitten en energie te maken die de cel kan gebruiken om in leven te blijven. De cyclus stopt nooit (tenzij de cel sterft), maar het gebeurt voortdurend. De delen van de mitochondriën omvatten: het buitenmembraan, binnenmembraan, matrix, ATP-synthase, DNA, ribosomen, cristae (plooien) en korrels. Binnenin de mitochondriën vinden de processen van cellulaire ademhaling plaats van binnen en wordt energie gemaakt of vrijgegeven. 

Ik maakte even een vergelijking tussen de geochemische gradiënten in de kleine poriën van hydrothermale bronnen, met de poriën en membranen van levende organismen. Maar ik ga nu verder met het vormen van RNA-strengen.

De eerste RNA-strengen ontstonden in oceanen

en wel in Hydrothermale bronnen.

Met de RNA-streng ontstaat er leven in de proto-cel, dat gaandeweg een membraan ontwikkelde om zich te beschermen tegen het "koolzure geweld van buiten". De cellen werden door de oceaanstroming opwaarts gestuwd en kwamen terecht op de allereerste cratons....bijna 3,5 miljard jaar geleden.....

In zoutkristallen bevinden zich microscopische sporen van water. Aangenomen wordt dat dit water stamt uit de oorsprong van ons zonnestelsel, een periode die inmiddels al zo’n 4,5 miljard jaar achter ons ligt. Daarnaast wordt een mix van complexe organische verbindingen aangetroffen. Je moet dan bijvoorbeeld denken aan aminozuren en koolwaterstoffen. We kijken hier naar de organische ingrediënten die kunnen leiden tot de oorsprong van leven. Koolwaterstoffen bestaan in de eerste plaats uit koolstof en waterstof.

Maar voor de verschillende eigenschappen in de moleculen zijn functionele groepen nodig. Dit zijn onderdelen van moleculen met een vaste elementaire samenstelling, met atoombindingen die grotendeels verantwoordelijk zijn voor de reactiviteit van het betreffende molecuul. Stikstof is een element dat cruciaal is voor 'n goot aantal verschillende functionele groepen. De belangrijkste zijn hier afgebeeld:

Maar hoe is zo'n RNA-molecuul kunnen ontstaan?

Laboratoriumonderzoek neemt enkele tientallen jaren in beslag om dit uit te vinden, de natuur zélf nam hier enkele tientallen miljoenen jaren de tijd voor! Bovendien was er geen vooropgezet plan om "de komende miljoenen jaren nou 'ns een RNA-molecuul te gaan samenstellen".....zie ook de-proto-rna-wereld.

Het samenstellen van moleculen.

Koolstof, waterstof, stikstof, zuurstof, zwavel en fosfor waren op de vroege Aarde en in de vroege oceanen voorradig. Als  twee of meer van deze niet-metaal atomen zich verbinden, vormen deze een covalente (atoom)binding. De deeltjes waaruit deze stoffen zijn opgebouwd en dus meerdere atomen bevatten, worden moleculen genoemdIn metalen komen metaalbindingen voor, en in  zouten kennen we ionbindingen.

What Is A Molecule
MP4 bestand – 27,7 MB 98 downloads
Vibration Of Molecules CHEM Study
MP4 bestand – 19,8 MB 89 downloads
Introduction To Chemical Reactions
MP4 bestand – 13,3 MB 91 downloads

John Sutherland over de chemische oorsprong van leven: wij-zijn-gewoon-het-resultaat-van-chemie

"In je onderzoek staat het gas waterstofcyanide, HCN, centraal als grondstof. Waarom is dat een zinvolle grondstof voor prebiotische chemie?"

“HCN is een zeer stevig molecuul. Dat is cruciaal, omdat de materie op de vroege aarde heel wat te verduren had. Voortdurende metroriet-inslagen: de meeste organische moleculen overleven zo’n botsing niet eens!!"

"Bovendien is het bekend dat HCN veelvuldig voorkomt in kometen en dat het ook onder invloed van UV-licht in de interstellaire ruimte gevormd wordt. Het is dus zeer aannemelijk dat HCN op de vroege Aarde en in de eerste oceanen aanwezig was.”

Ik stuit inmiddels op een ander onderzoek. De resultaten hiervan bevestigen mijn eigen ideeën hierover: in de omgevingen van hydrothermale bronnen kunnen RNA-moleculen gevormd worden! 

Bron: Life's Building Blocks Form In Replicated Deep Sea Vents

Het blijft een raadsel hoe het eerste leven is kunnen ontstaan. De belangrijkste bouwstenen van het leven zijn nu DNA, dat genetische gegevens kan opslaan, en eiwitten, waaronder enzymen die chemische reacties kunnen sturen. DNA heeft echter eiwitten nodig om zich te vormen, en eiwitten hebben DNA nodig om zich te vormen, waardoor de kip-en-ei-vraag rijst, hoe eiwit en DNA zich zonder elkaar hadden kunnen vormen.

Scientific Animation Protein Production And Folding
MP4 bestand – 8,7 MB 79 downloads

Om dit raadsel op te lossen, hebben wetenschappers gesuggereerd dat het leven mogelijk eerst voornamelijk afhing van verbindingen die bekend staan ​​als RNA. Deze moleculen kunnen genetische gegevens zoals DNA opslaan, dienen als enzymen zoals eiwitten en helpen bij het maken van zowel DNA als eiwitten. Later vervingen DNA en eiwitten deze "RNA-wereld" omdat ze efficiënter zijn in hun respectieve functies, hoewel RNA nog steeds bestaat en een vitale rol vervult in de biologie.

Het blijft echter onzeker hoe RNA is ontstaan ​​uit eenvoudiger voorlopers in de oersoep die op aarde bestond voordat het leven ontstond. Net als DNA is RNA complex en gemaakt van helixvormige ketens van kleinere moleculen die bekend staan ​​als nucleotiden.

Een manier waarop RNA zich mogelijk voor het eerst heeft gevormd, is met behulp van mineralen, zoals metaalhydriden. Deze mineralen kunnen als katalysatoren dienen en helpen bij het maken van kleine organische verbindingen uit anorganische bouwstenen. Dergelijke mineralen worden aangetroffen bij alkalische hydrothermale ventilatieopeningen op de zeebodem.

Alkalische hydrothermale ventilatieopeningen zijn ook de thuisbasis van grote schoorsteenachtige structuren die rijk zijn aan ijzer en zwavel. Eerdere studies suggereerden dat oude tegenhangers van deze schoorstenen mogelijk organische moleculen hebben geïsoleerd en geconcentreerd, waardoor het ontstaan ​​van leven op aarde is ontstaan.

Schoorsteenachtige minerale structuren gecreëerd in het laboratorium gemaakt van oplossingen die ijzer, zwavel en silicium bevatten onder a) lage concentraties en b) hoge concentraties.

Structuren in a) vertegenwoordigen heuvels (links) en spilformaties (rechts), terwijl b) 'chemische tuinformaties' vertegenwoordigen. Foto: Bradley Burcar, Astrobioloog.

De 'schoorstenen' werden gekweekt in vloeistoffen en gassen die leken op de oceanen en de atmosfeer van de vroege aarde. De vloeistoffen waren zuur en verrijkt met ijzer, terwijl de gassen rijk waren aan stikstof en geen zuurstof hadden. De wetenschappers prikten vervolgens injectiespuiten door de schoorstenen om alkalische oplossingen met een verscheidenheid aan chemicaliën in de modeloceaan te pompen. Dit gesimuleerde 'oeroude ventilatievloeistof sijpelde in de oerzeeën'. 

De wetenschappers ontdekten dat niet alleen de chemische samenstelling van de schoorstenen belangrijk was bij het vormen van RNA, maar ook de fysieke structuur van de schoorstenen. Toen de onderzoekers ijzer-, zwavel- en siliciumoplossingen in hun gesimuleerde oceanen mengden, in plaats van ze langzaam in het zeewater te injecteren om schoorstenen te vormen, kon het resulterende mengsel geen RNA-vorming veroorzaken.

Een punt van zorg over deze bevindingen is dat de experimenten werden uitgevoerd bij kamertemperatuur. Hydrothermale ventilatieopeningen zijn veel heter en dergelijke temperaturen kunnen RNA vernietigen.......... "Houd er wél rekening mee dat hydrothermale ventilatieopeningen dynamische systemen zijn met gradiënten van chemische en fysische omstandigheden, waaronder temperatuur", zei McGown, een analytisch chemicus en astrobiologe aan het Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, N.Y. "In principe kunnen koelere delen van hydrothermale ventilatieopeningen RNA en zijn voorlopermoleculen hebben gevoed".

The Chemical Garden A Time Lapse Movie
MP4 bestand – 17,1 MB 89 downloads

De schoorsteenstructuren zien eruit als iets wat je zou kunnen tegenkomen in de donkere gebieden van Tolkiens Middle Earth, waardoor deze studie een geologische context kreeg die tot de verbeelding sprak!

We kennen bacteriën die in staat zijn om uit alleen koolstofdioxide, waterstof en wat ammoniak een relatief complex molecuul als een aminozuur te maken. Maar dat vraagt wel een ingewikkelde cellulaire machinerie en het is niet waarschijnlijk dat de allereerste cellen daar meteen over beschikten.

De eerste aminozuren zijn mogelijk ontstaan zonder biosynthese, maar waren chemische samenstellingen, ontstaan in de interstellaire ruimte en die op mogelijk miljarden planeten ingezaaid zijn door meteorieten en kometen. Het eerste leven is in ieder geval kunnen ontstaan in een omgeving met een hoge concentratie aan noodzakelijke moleculen, waardoor een primitieve cel niet alles zelf hoefde te maken. Het vermogen om dat wel te kunnen kan gedurende een bepaalde evolutie ontwikkeld worden, zoals hier op Aarde gebeurde!

Aminozuur

R staat voor Restgroep/Residugroep

Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten. Het zijn moleculen die een basische aminogroep (NH) en een zure carboxylgroep (COOH) bevatten: koolmonoxide CO en een OH groep: zuurstof en waterstof. De amino- en carboxylgroep zijn gebonden aan een centraal koolstofatoom, waaraan ook een restgroep zit. Die restgroep is kenmerkend voor het specifieke aminozuur, en in welke groep deze wordt ingedeeld (hydrofiel, hydrofoob, positief of negatief geladen).

Twintig verschillende aminozuren

In levende cellen kunnen twintig verschillende aminozuren voorkomen, waaruit ontelbare verschillende eiwitten  kunnen worden gebouwd. Eiwitten bestaan uit ketens van aminozuren. 

Cellen moeten over een systeem beschikken, waardoor zij in staat zijn om continu de energiedrager ATP op te bouwen.  Celademhaling is een biochemische reactie waarbij in een mitochondrion de energiedrager ATP wordt ingeschakeld. Dit geschiedt door verbranding van biomoleculen (glucose, koolhydraten en vetten).

Alle organismen produceren ATP, dit is de universele energie-eenheid van het leven. 

ATP (Adenosinetrifosfaat) is de drager van chemische energie en is opgebouwd uit drie fosfaatgroepen, het eenvoudige suiker ribose en de nucleobase adenine. ATP is een belangrijk opslagmedium voor energie.

ADP (Adenosinedifosfaat) met veel minder energie, is opgebouwd uit twee fosfaatgroepen, ribose en adenine. In de mitochondriën wordt het gevormd door ATP te splitsen. Hierbij komt een hoeveelheid chemische energie vrij die kan worden gekoppeld aan een biochemische reactie met een hoge activeringsenergie.

Fosfaten zijn verbindingen van fosfor en zuurstof (P2O5). Fosfaatverbindingen spelen een belangrijke rol in ons DNA en in de energievoorziening van mensen, dieren en planten.

ATP Synthase The Power Plant Of The Cell
MP4 bestand – 17,0 MB 97 downloads

ATP-synthase = ATP-synthese oftewel de vorming van het molecuul ATP. 

Ook in de membranen van bacteriën komt ATP-synthase voor. Bacteriën vormen ATP op dezelfde wijze als eukaryoten. Net als bij veel andere enzymen is de reactie die ATP-synthase katalyseert omkeerbaar: het kan voorkomen dat een ATP-molecuul door ATP-synthase weer gesplitst wordt in ADP en Pi. Wanneer een bacterie grote hoeveelheden ATP heeft kan hij dit gebruiken om een protongradiënt aan te leggen. Het protongradiënt kan bewust of onbewust door de bacterie o.a. gebruikt worden om het zweepstaartje te laten bewegen of voor het transport van voedingsstoffen in de cel mogelijk te maken.

De ATP-concentratie bedraagt in een cel tussen de 1 en 10 millimolair. Een mens van 70 kilogram verbruikt ongeveer 65 kilogram ATP per dag, terwijl de hoeveelheid ATP/ADP op één moment zo'n 50 gram bedraagt. In de cel moet dus steeds ATP gevormd worden. Dit gebeurt door talrijke processen:

  • Door vetzuurafbraak om energie op te wekken
  • Door anaerobe ademhaling 
  • Tijdens de fotosynthese 
  • Gedurende de gycolyse

Gycolyse betekent letterlijk de afbraak van suiker. Glycolyse neemt 1 glucosemolecuul van 6 koolstofatomen en maakt twee 3 koolstofmoleculen genaamd pyruvaat. Daarbij worden elektronen en waterstofatomen opgevangen door NAD +. Alle vrijgekomen energie wordt afgegeven als warmte of opgevangen als ATP of NADH.

Structuurformule van α-D-glucose

Glucose  is een natuurlijk voorkomende chemische verbinding met brutoformule C6H12O6

Glucose wordt voornamelijk gemaakt door planten en cyanobacteriën tijdens fotosynthese uit water en kooldioxide, met behulp van energie uit zonlicht.

Bij mensen en dieren circuleert glucose in het bloed als bloedsuiker. De glucose in het bloed is afkomstig van vooral zetmeel, dat door enzymen eerder, in het spijsverteringskanaal is afgebroken.

Bij de verbranding van voedingsstoffen zoals glucose komt energie vrij. Deze vrijkomende energie wordt, zoals we zagen, opgeslagen in moleculen ATP. Dit is dus de energie opslag-accu van de cel. Met de verbranding (dissimilatie) van één molecuul glucose kan de cel 36 energie-accuutjes ATP vullen. Als de energie in één keer beschikbaar zou komen, zou er dus heel veel energie direct verloren gaan als warmte. De afbraak van brandstoffen gaat dan ook stapsgewijs: allereerst wordt de brandstof ontdaan van waterstof en elektronen: de brandstof wordt geoxideerd.  

  • Oxidatie is het proces waarbij de geoxideerde stof (de reductor) elektronen afstaat aan een andere stof (de oxidator). De reductor kan elektronen afstaan (doneren) en de oxidator kan elektronen opnemen (accepteren).
  • De term 'oxidatie' wordt gebruikt voor iedere willekeurige chemische reactie waarbij elektronenoverdracht plaatsvindt.
  • Elektronenoverdracht is het proces waarin een elektron van een molecuul of atoom zich verplaatst naar een andere deeltje. Deze overdracht is het achterliggende mechanisme van redoxreacties, waarbij de mate van oxidatie (de oxidatietoestand) van de reductor en de oxidator verandert. 
  • Een reactie waarbij oxidatie optreedt is een redoxreactieredox is een samenstelling van de begrippen reductie en oxidatie. Het is een reactie tussen atomen, moleculen en/of ionen waarbij elektronen worden uitgewisseld (elektronenoverdracht). 
  • De oudst bekende, natuurlijke oxidatiereacties zijn dan ook alledaagse verschijnselen als verbranding en zuurstofcorrosie, waarbij zuurstof de (valentie)elektronen afneemt van koolstof uit koolwaterstoffen en hout, waarbij koolstofdioxide CO2 wordt gevormd. 
  • Verbranding is een reactie met zuurstof ofwel oxidatie, wat hierbij ontstaat is koolstofdioxide (CO2) en water.
  • Daarnaast is het een exotherme chemische reacties tussen een brandstof, bijvoorbeeld hout, en een oxidator, meestal zuurstofgas Owaarbij energie vrijkomt: warmte en licht ontstaat in de vorm van een vlam of een gloed.
  • Hout bestaat voornamelijk uit cellulose, dat verbrandt volgens de reactie C6H10O5+ 6O2→ 6CO2+ 5H2
  • Per CO2-molecuul dat vrijkomt, komt dus 0,83 watermolecuul vrij. Dat betekent dat bij de verbranding van cellulose elke kilo uitgestoten CO2 vergezeld gaat van 0,34 kilo water.

 

ATP Adenosine Triphosphate
MP4 bestand – 3,5 MB 70 downloads

Op het moment dat de cel energie nodig heeft, dan gebruikt de cel één of meerdere moleculen ATP. In de cel wordt ATP dan afgebroken tot ADP. De energie die nodig is voor deze koppeling komt uit de afbraak van organische verbindingen zoals glucose. Bij deze afbraak komt energie ter beschikking aan de cel.

ATP en ADP zijn dus energiedragers oftewel energiecarriers 

 

Adenosinetrifosfaat en Adenosinedifosfaat

Adenosine is een ribonucleoside die is opgebouwd uit adenine en ribose (een pentose, een eenvoudige suiker met 5 koolstofatomen (C5H10O5).

Chemische gezien kan een nucleoside gezien worden als een nucleotide zonder fosfaatgroepen. Nucleosiden kunnen mono-, di- of trifosforylering ondergaan om nucleotiden te vormen.

Fosforylering van een eiwit is het plaatsen van een fosfaatgroep (P = fosfor) op een van de reactieve hydroxylgroepen (bestaande uit een zuurstof- en een waterstofatoom OH) van de samenstellende aminozuren ván dat eiwit.

Enzymen versnellen de opbouwstofwisseling (assimilatie), maar ook de afbraakstofwisseling (dissimilatie). In het actieve centrum komen vaak speciale hulpstoffen voor die een rol spelen bij de scheikundige reacties.

Coënzymen zijn 'eenvoudige' biochemische verbindingen die een rol vervullen bij enzymatische omzettingen. Een enzym heeft een bepaald coënzym nodig om een reactie te versnellen. 

Het zijn hulpstoffen die co-factoren genoemd worden als ze anorganisch zijn en co-enzymen als ze organisch zijn.
Co-factoren kunnen bepaalde ionen zijn zoals ijzer, calcium of chloor. In het hemoglobine uit de rode bloedlichaampjes worden ijzeratomen (als co-factor) gebruikt bij de binding van zuurstof. Veel vitaminen werken als co-enzym bij enzymreacties. 

NAD en FAD

Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD) en Flavin Adenine Dinucleotide (FAD) zijn co-enzymen die betrokken zijn bij oxidatie- en reductiereacties. 

NAD+  / NADH

Nicotinamide Adenine Dinucleotide in zijn geoxideerde staat wordt NAD+ genaamd. Na te zijn gereduceerd (of elektronen te accepteren), wordt het NADH genoemd. 

FAD / FADH2

Flavin adenine dinucleotide in zijn geoxideerde toestand wordt FAD genoemd. Nadat het is gereduceerd (elektronen afgestaan) wordt het FADH2 genoemd. Net als bij NADH zal FADH2 belangrijk zijn omdat het waterstofatomen en elektronen zal leveren aan biochemische processen die de elektronen en waterstofatomen kunnen gebruiken om ATP te maken.

Nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD) is een co-enzym (een hulpstof) dat in de cellen van alle organismen functioneert als biochemische elektronendrager. Het is een organisch molecuul dat met behulp van een enzym een bepaalde chemische reactie kan laten verlopen. NAD kan in twee vormen bestaan: als oxidator en als reductor. Als oxidator wordt deze aangeduid als NAD+, en kan NAD elektronen opnemen. Als reductor kan het elektronen afstaan; deze toestand wordt aangeduid als NADH.

NAD is van groot belang bij alle stofwisselingsprocessen. Op moleculair niveau is de stofwisseling van een organisme te beschouwen als een aaneenschakeling van redoxreacties: voortdurende omzettingen van chemische energie. NAD vervult in deze reacties een hoofdrol als elektronendrager. NAD+ neemt daarbij elektronen op uit voedingsstoffen zoals suikers en vetzuren. Het NADH dat zo ontstaat geeft vervolgens de elektronen af in diverse cellulaire processen die het organisme in leven houden.

Bronnen voor deze ingewikkelde en zeer bijzondere processen: byui.edu/readings/atp_nad_fad.html / beukema/coenzymen  /  robkalmeijer.nl/voedingsleer/metabolisme/coenzymen

Oxidatieve fosforylering is de ademhalingsketen. 

Ademhaling is een proces waarmee energie behouden blijft via het transport van elektronen in een ademhalingsketen. Het wordt daarom ook de elektronentransportketen genoemd, of de Oxidatieve fosforylering.

De oxidatieve fosforylering is een elektronentransportketen dat zich bevindt in de binnenmembraan van het mitochondrion.

Dit proces speelt zich bij alle meercelligen af in de mitochondriën van elke cel.

Oxidatieve fosforylering is een biochemisch proces waarbij de energie die vrijkomt bij oxidatie van voedingsstoffen in de cel, niet verloren gaat als warmte maar behouden blijft in de vorm van energierijke verbindingen adenosine-trifosfaat = ATP.

Er zijn twee theorieën:

1. De chemische theorie stelt dat de energie gedurende alle stappen van het proces bestaat in de vorm van een chemische binding.

2. De chemisch-osmotische theorie claimt dat gedurende sommige fasen de energie bestaat als concentratieverschillen aan weerszijden van de membranen (osmotisch betekent: door wederzijdse doordringing veroorzaakt).

Chemiosmose is de aanduiding van de mechanismen die een rol spelen bij het transport van ionen over een half doorlatend membraan. Het uitgangspunt is dat het genereren van energie om de biosynthese van complexe moleculen aan te drijven het meest basale en meest oorspronkelijke kenmerk van het leven is. 

Volgens de chemiosmotische theorie werkt de oxidatieve fosforylering volgens de volgende principes:

  • Energierijke elektronen uit de citroenzuurcyclus geven hun energie af in een serie redoxreacties, waarbij uiteindelijk zuurstof wordt gereduceerd tot water d.w.z. er worden elektronen afgestaan. 
  • Deze energie wordt gebruikt om een protonengradiënt (protonenverschil) te creëren zie eerder filmbestand Gradients (ATP Synthases). Er worden protonen uit het binnenste membraan van het mitochondrion gepompt. Hierdoor komen er meer protonen buiten het membraan, waardoor de elektrische lading daar toeneemt. Er ontstaat dan een spanning de tussen de twee membranen. Wanneer de protonen terugstromen, dan wordt de spanning opgeheven en de energie die dat oplevert zorgt voor de vorming van ATP.
  • ATP levert dan energie voor 'n aantal enzymatische en cellulaire processen.

De (zeer ingewikkelde) citroenzuurcyclus ook wel de Krebscyclus genoemd, suggereert dat de cyclus één van de eerste onderdelen van cellulaire stofwisseling is geweest en kan zijn ontstaan uit niet-levende materie. 

Iets eenvoudiger: bioplek.citroenzuurcyclus.

Fotofosforylering

Fotofosforylering is een onderdeel van de fotosynthese bij planten en cyanobacteriën, en is de nauw verwante tegenhanger van de oxidatieve fosforylering. Bij de fotofosforylering wordt met behulp van licht het ATP opgebouwd door oxidatie van water tot moleculair zuurstof. Elektronen gaan dan spontaan van donor richting ontvanger via de elektronentransportketen.

Fotosynthese is in wezen omgekeerd aan de celademhaling: tijdens de donkerreactie wordt koolstofdioxide uit de lucht gereduceerd tot koolhydraten en bij de lichtreactie wordt water geoxideerd tot moleculair zuurstof.

Bekijk: Fotosynthese-de-lichtreactie-en-de-donkerreactie.

of het gehele (Engelstalige) quantummechanische proces in het volgende bestand:

The Magical Leaf The Quantum Mechanics Of Photosynthesis
MP4 bestand – 17,0 MB 84 downloads

Cellen moeten over een systeem beschikken, waardoor zij in staat zijn om continu de energiedrager ATP op te bouwen. Anaerobe ademhaling is het afbreken van stoffen zonder zuurstof. Dissimilatie (verbranding) van koolhydraten zonder zuurstof wordt gisting genoemd, of fermentatie. Er is sprake van fermentatie wanneer micro-organismen zoals schimmels en bacteriën organische stoffen, zoals suikers, omzetten in energie.

De belangrijkste vorm van dissimilatie in de aerobe ademhaling is de reactie van glucose met zuurstof. Dit is een redoxreactie: glucose geeft zijn elektronen af (oxidatie) en zuurstof neemt elektronen op (reductie)Fermentatie is een anaeroob proces, waarbij de energierijke elektronen van glucose niet terechtkomen bij zuurstof, maar bij een andere organische stof, zoals bijvoorbeeld methaan.

Gisten zijn eencellige micro-organismen met een grootte van circa 0,005 - 0,020 mm. Anders dan bacteriën hebben gistcellen hun DNA in de celkern opgeborgen; dat hebben zij gemeen met planten, dieren en mensen, waardoor zij ingedeeld zijn bij de eukaryote organismen. De gistcellen zijn opgebouwd uit een dunne celwand die het protoplasma omsluit. In het midden van het protoplasma bevindt zich de celkern met daarin een duidelijke nucleolus of kernlichaampje. In het protoplasma liggen korreltjes glycogeen en ander reservevoedsel.
Omdat gisting het afbreken is van stoffen zónder gebruikmaking zuurstof, dus een anaerobe ademhaling, kan gisting gezien worden als de allereerste vorm van een soort ademhaling.

Ademhaling bij bacteriën, schimmels en gisten, zie anaerobe ademhaling.

Groei van gistcellen

Gist kan zich vermenigvuldigen door deling, zoals je in het figuur hiernaast ziet. Onder gunstige omstandigheden deelt een gistcel zich elk half uur en groeit uit tot een volwassen cel van dezelfde grootte die zich ook weer kan delen.

Budding Of Yeast Cells
MP4 bestand – 25,6 MB 88 downloads

De aerobe ademhaling wordt voornamelijk geregeld via het koolstofdioxide-gehalte in het bloed, niet zoals vaak gedacht wordt via het zuurstofgehalte.

Bij ons mensen:

Wanneer het  koolstofdioxide-gehalte in het bloed te hoog wordt zenden de chemosensoren een seintje naar het ademhalingscentrum in de hersenstam. Vanuit de hersenen gaat er een signaal richting het middenrif en ademhalingspieren om in te ademen. De spieren van de ribbenkast (tussenribspieren) spannen aan waardoor de borstkas omhoog komt (borstademhaling) en de inhoud van de borstkas toeneemt. Het middenrif spant ook aan en gaat naar onderen (buikademhaling). Hierdoor vermindert de druk in de borstholte en ontstaat er een vacuüm (onderdruk) in de longen. Dit vacuüm zorgt er voor dat lucht de longen ingezogen wordt. Zodra er ingeademd wordt stopt het ademhalingsstelsel met het afgeven van signalen. Vervolgens ontspannen het middenrif en de ribbenkast zich waardoor het middenrif weer omhoog en de ribbenkast omlaag gaat. Dit vergroot de druk in de longen waardoor de lucht uit de longen geperst wordt. De inhoud van de borstkas neemt hierbij weer af.

Aerobe bacteriën die het vermogen hadden zuurstof te gebruiken om grote hoeveelheden energie te produceren. werden opgenomen door primitieve cellen en gingen de cel dienen als permanente energie-fabriekjes.  

Zellorganellen Die Endosymbiontentheorie
MP4 bestand – 33,1 MB 94 downloads

Ongeveer 1,5 miljard jaar geleden verkregen eukaryote cellen hun benodigde energie door een serie primitieve reacties, waarvoor geen zuurstof nodig was. Zuurstof, dat een afvalproduct was van fotosynthese, begon zich langzaam in de atmosfeer op te bouwen. Het idee van de endosymbiose-hypothese werd als eerste door de botanicus Wilhelm Schimper in 1883 gepubliceerd. Hij gaf op deze manier een verklaring voor het ontstaan van chloroplasten. Maar we kennen de theorie voornamelijk van de Amerikaanse biologe Lynn Margulis: een primitieve eukaryote cel heeft een primitieve bacterie opgenomen die het vermogen had zuurstof te gebruiken om grote hoeveelheden energie te produceren. Na verloop van tijd begon er een symbiotische, met elkaar samenwerkende relatie te ontstaan tussen de cellen en de opgenomen organellen. Alle cellen van planten en dieren hebben organellen die de afstammelingen zijn van oorspronkelijke energie-fabriekjes. In dierlijke cellen worden deze organellen mitochondriën genoemd. Planten hebben naast mitochondriën nog een tweede soort energie producerend organel, namelijk de chloroplast. 

Men gaat er tegenwoordig vanuit, dat de eerste eencelligen, primitieve mitochondriën hadden, die bestonden uit vroege archaebacteriën die door 'n endosymbiose-proces in de cel waren opgenomen. Deze aërobe bacterie zorgde door oxidatie van bepaalde stoffen voor de energievoorziening van de eencellige. De ingenomen aërobe bacterie ontving voedsel van de gast , terwijl de gast energie verkreeg door de aërobische activiteit van de bacterie, net zoals de mitochondriën dat tegenwoordig in alle eukaryoten doen. 

Endocytose is het proces waarbij de cel stoffen opneemt die door het celmembraan werden ingesloten. De stoffen die het celmembraan door mogen, worden ingesloten doordat het celmembraan verder naar binnen toe instulpt, totdat het uiteindelijk een zelfstandig blaasje vormt. Fagocytose, 'n vorm van endocytose: het is een manier van eten, maar ook een manier van afweer tegen indringers.

Min of meer tegelijkertijd speelde zich een ander proces af, waarbij het erfelijk materiaal (DNA) van de oer-archaebacterie,  door insnoering van de celmembraan, werd omhuld door een kernmembraan, zodat het werd afgescheiden van de rest van de cel. Zo ontstond de celkern, die kenmerkend is voor alle meercelligen, en er ontvouwde zich een celcyclus.

Lees hierover op m'n andere site: heelalstructuren.com/celcyclus.