Inhoudsopgave:
Celdeling. Fasen van de celcyclus. DNA. Communicatie: zenuw- en hersencellen. Neuronen, bouwstenen van ons brein. Enzymatische katalyse: Quantumbiologische aspecten van alle levensvormen. Fotosynthese is een quantummechanisch procwes.
Het leven is één wentelende cyclus met momenten die op een bepaalde manier met elkaar verbonden zijn en die elkaar overlappen. De evolutie van het leven staat niet los van de evolutie van de Aarde, die weer verbonden is met de evolutie van het Zonnestelsel……..de Melkweg, de miljoenen andere Sterrenstelsels……kortom met de hele Kosmische evolutie. Vandaar dat verschillende cruciale momenten in een aantal van mijn berichten herhaaldelijk terugkomen.
Het leven is, letterlijk ‘in wezen‘, gebaseerd op het vermogen van cellen om zich te delen in genetisch gelijkwaardige ‘dochtercellen’. Het proces dat zich afspeelt vanaf het samensmelten van twee cellen tot haar eigen splitsing en weer verder…..
Een mens bestaat uit zo’n 37,2 biljoen cellen. (biljoen is miljoen x miljoen…..dus een mens heeft zo’n 37.200.000.000.000 cellen).
We gaan ons nu op nanoschaal begeven:
- Eén nanometer (nm) is ’n miljoenste mm
- Diameter menselijke haar is 80.000 nanometer
Een gemiddelde lichaamscel heeft een diameter van ongeveer 15 micrometer (μm) 15 μm = 0,015 mm. (1 μm is één micrometer = ’n duizendste mm) dat is net zo dun als de helft van een vel aluminiumfolie. Een gemiddelde cel weegt ongeveer vijf nanogram = 5 miljardste gram….
Het meest verbazingwekkende is, dat het nu volgende zich uiterst nauwkeurig en perfect op elkaar afgestemd afspeelt in een voortdurend continu en nauwgezet proces…ongewilde mutaties uitgezonderd, daarover later meer.
En om dit alles te begrijpen moeten wij een universitaire studie volgen, omdat het eenvoudige proces zeer ingewikkeld uitgelegd dient te worden met encyclopedische termen. Het is vooralsnog volslagen onbegrijpelijk, dat deze in wezen vanzelfsprekende processen plaatsvinden in een minuscuul celletje met een afmeting van slechts enkele duizendsten van een millimeter……
cel door elektronenmicroscoop
Binnenin deze cel met een diameter van 0,015 mm bevinden zich maar liefst 13 Organellen met ieder een eigen cruciale functie.
Ongeveer 300 miljard cellen worden dagelijks vervangen. Al deze cellen worden niet even snel vernieuwd : volgens hun functie worden ze na enkele dagen al of pas na jaren vervangen. Cellen hebben dus een eigen leeftijd.
Skeletcellen kunnen enkele tientallen jaren leven, spiercellen uit het ademhalingsstelsel 15 jaar, en alle neuronen (zenuwcellen) zijn zo oud als jezelf bent. Van alle hartcellen wordt jaarlijks vanaf je twintigste ongeveer 1% vervangen.
De meeste cellen delen zich gemiddeld om de 3 tot 4 maanden…..dus vanwege de gigantische hoeveelheid van 37,2 biljoen cellen is er een voortdurend en continu proces gaande van vervanging of deling en van apoptose (het afsterven van een cel).
Celdeling
De meeste cellen delen zich gemiddeld om de 3 tot 4 maanden…..dus vanwege de gigantische hoeveelheid van 37,2 biljoen cellen is er een voortdurend en continu proces gaande van vervanging of deling en van apoptose (het afsterven van een cel).
Hoe weten we wanneer een cel gaat delen?
- Eiwitkinasen en fosfatasen reguleren biologische signalen door te werken als enzymen, die fosforylatie (activering) en defosforylatie (inactivering) in biologische organismen katalyseren (versnellen). Kinase is een enzym dat een fosfaatgroep aan een molecuul toevoegt Een fosfatase is een enzym dat een fosfaatgroep juist afbreekt van een molecuul.
- Fosforylering gekatalyseerd door proteïnekinasen zendt inkomende signalen opnieuw uit door de substraten van de proteïnekinasen te activeren. Signaaloverdracht zal worden beëindigd door defosforylering (inactivering) van hun substraten, een reactie die wordt gekatalyseerd door eiwitfosfatasen.
- Een substraat is in de biochemie een stof die via een chemische reactie wordt omgezet met behulp van een enzym als katalysator. Het enzym gaat daarbij tijdelijk een verbinding aan met het substraat. Nadat het substraat is afgebroken komt het enzym weer vrij.
Iets simpeler uitgelegd:
De signalen werken als aan-/uitknoppen die de cellen ‘vertellen’ wanneer ze moeten beginnen en stoppen met delen. Cellen regelen hun celdeling door met elkaar te communiceren. Dit doen ze door middel van chemische signalen van speciale eiwitten genaamd cyclinen.
Cyclinen vormen een eiwitfamilie die een belangrijke rol speelt bij de celcyclus door het activeren van kinase-eiwitten. Kinase is een verzamelnaam voor een groep enzymen, die een fosfaatgroep kan aanbrengen op een ander eiwit. Een kinase verbruikt bij deze een katalysatiereactie….die de snelheid van een bepaalde chemische reactie beïnvloedt zonder zelf verbruikt te worden.
Deze schakelfunctie kan op deze manier chemische reacties in de cel aansturen en vormt een belangrijke factor in de cel-interne signaaltransductie, dit is het doorgeven van signalen binnen een cel. Deze signalen worden weer doorgegeven via ‘paden’ van voornamelijk eiwitten. Naast de signalen binnen de cel komen er ook signalen van buiten de cel met speciale signaalstoffen, zoals hormonen, neurotransmitters en andere moleculen.
Een eiwit kan bijvoorbeeld ‘geschakeld’ worden door een fosfaatgroep op een bepaalde positie aan te hechten door een kinase. Op die manier kan een signaal door de cel geleid worden naar de plek waar dat nodig is, waarna er iets met de cel kan gebeuren, bijvoorbeeld beweging, doodgaan (of niet), starten met deling, enz.
Fasen van celdeling
De celcyclus bestaat uit vijf delen. De G0-fase, de G1-fase, de S-fase, de G2-fase en de M-fase. De G1-fase, S-fase, en G2-fase bij elkaar noemen we de interfase.
Fasen van de celcyclus
G0-fase (G nul-fase)
Als een cel in de G0-fase zit, dan doet de cel gewoon zijn werk. Kliercellen produceren dan sappen, zenuwcellen geleiden dan elektrische impulsen en spiercellen zorgen dan voor beweging. De cellen in de G0-fase vervullen gewoon hun functie voor het organisme waar ze deel van uit maken. De cel bezit 46 strengen DNA, min of minder gecondenseerd, maar in het algemeen kan je spreken over chromatine, het complex van DNA en eiwitten in de celkern.
G1-fase
Vanuit de G0-fase kan de cel terecht komen in de G1-fase. De cel gaat zich voorbereiden op een mogelijke celdeling. De cel heeft nog steeds 46 strengen DNA.
S-fase
In deze fase van de celcyclus gaat de cel zich voorbereiden op de naderende celdeling. Omdat na de celdeling alle dochtercellen weer 46 chromosomen moeten hebben, zorgt de cel ervoor dat in de S-fase al het DNA gekopieerd wordt. Voor een menselijke cel geldt dan dat er van elke streng DNA een kopie wordt gemaakt. Een cel in de S-fase van zijn leven heeft 92 strengen DNA in de celkern.
G2-fase
De cel gaat zich voorbereiden op de naderende kerndeling. De celkern heeft nog steeds 46 strengen DNA, die nog maar matig zijn opgerold tot chromatine.
De M-fase
De cel gaat zich daadwerkelijk delen. De celkern moet er zorg voor dragen dat het DNA nu heel goed opgevouwen wordt. De 92 strengen DNA wordt nu maximaal opgevouwen (gecondenseerd) tot 46 chromosomen. Elk chromosoom bestaat uit twee chromatiden. De twee chromatiden van het chromosoom zijn exacte kopieën van elkaar.
- De duur van de verschillende fasen is afhankelijk van het celtype en het organisme. Gemiddeld duurt in een celcultuur een celdeling 12 tot 24 uur.
- Om de cyclus goed te begrijpen moet het duidelijk zijn dat de erfelijkheidsdrager van de cel zich in verschillende (drie) fasen kan bevinden. Fasen mitose
Chromosoom 1: Chromatide 2: Centromeer 3: Korte arm 4: Lange arm
Interfase en stadia van de mitose
Interfase (inter = tussen): Gedurende het grootste deel van de celcyclus in deze interfase, is het DNA langdradig en onzichtbaar aanwezig in de celkern. De langdradige DNA-kluwen in de celkern wordt chromatine genoemd. Binnen de celcyclus verkeren cellen de meeste tijd in het stadium interfase. Interfase wordt beschouwd als de fase waarin cellen hun “normale” celfunctie uitvoeren, met name nutriënten (voedingsstoffen) opnemen, groeien, DNA aflezen en eiwitten aanmaken en waarin ze zich op de mitose voorbereiden door hun DNA te repliceren. In interfase kunnen soms nucleoli (kernlichaampjes) of een enkele nucleolus in de kern door een elektronenmicroscoop als bolvormige objecten onderscheiden worden.
Profase: de voorbereidingsfase, het eerste stadium van de mitose (celdeling). Vroege profase: de chromosomen beginnen te spiraliseren. Midden profase: de kernmembraan en de kernlichaampjes fragmenteren en verdwijnen. De centrosomen(spoellichaampjes bestaande elk uit een paar centriolen komen alleen voor in dierlijke cellen), die in de G2-fase verdubbeld zijn, gaan nu uiteen. Een centriool heeft de vorm van een cilindertje, opgebouwd uit negen groepjes van drie microtubuli (buisjes) die gerangschikt zijn als de schoepen van een watermolen.
spindles zijn microtubili video
- Microtubili zijn holle buisjes, opgebouwd uit een soort ‘nano-lego’ die stevigheid geven aan een cel. Ook vormen ze een soort rails waarlangs allerlei onderdelen binnen de cel kunnen worden getransporteerd. Bij de celdeling worden ze bijvoorbeeld gebruikt om de chromosomen van elkaar te scheiden.
- (zie video microtubili) In dierlijke cellen ligt net buiten de kernmembranen, het centrosoom (spoellichaampje), dat zich bij de kerndeling verdubbelt, waarna elk centrosoom zich langzaam naar één kant van de kern beweegt. Geleidelijk ontwikkelt zich in de buurt van elk van de centrosomen een structuur van draden, de spoelfiguur. Als de centrosomen bij de dierlijke cel elk aan één kant van de kern aangekomen zijn, is er een netwerk van draden ontstaan dat de gehele kern omspant. Deze draden zorgen ervoor dat de chromosomen in de cel (die bij de celdeling los in het cytoplasma zitten) in het midden gehouden worden.
Late profase: alle chromosomen zijn gecondenseerd tot staafvormige structuren die onder een lichtmicroscoop zichtbaar zijn. Ze bestaan nu uit twee chromatiden die op het centromeer nog aan elkaar vastzitten. Het centromeer deelt het chromosoom in twee armen.
Metafase (meta = midden): de middenfase. De chromosomen gaan weer in het equatoriale vlak tussen de polen liggen. Deze fase is afgelopen zodra de chromatiden loslaten, doordat het centromeer zich in tweeën deelt. De twee chromatiden vormen nu elk een zelfstandig chromosoom. De metafase is de fase waarin de chromosomen het duidelijkst bestudeerd kunnen worden. In de metafase zijn de chromosomen volledig gespiraliseerd. Er ontstaat een spoelfiguur van microtubuli (draadvormige structuren bestaande uit tubuline polymeren) van pool tot pool en van pool tot centromeer.
Anafase (ana = opwaarts): de verdelingsfase. Van elk chromosoom worden de twee chromatiden aan een spoelfiguur van microtubuli gehecht zijn, uit elkaar getrokken richting tegenoverliggende polen. Elk losse chromatide wordt vanaf nu weer als chromosoom beschouwd. De centromeren worden gesplitst en de chromatiden worden over de bedrading van de microtubili naar de tegenoverliggende polen getrokken
Telofase (telos = eind): de eindfase. Dit is de afrondingsfase van de kerndeling. De spoelfiguur verdwijnt, de chromosomen despiraliseren, er ontstaat een nieuw kernmembraan en de nieuwe kernlichaampjes (nucleoli) worden zichtbaar.
Cel in telofase
Tijdens de telofase despiraliseren de chromosomen en worden weer lange dunne draden (chromatine), die niet van elkaar te onderscheiden zijn met de lichtmicroscoop. De nucleoli verschijnen weer. De chromosomen worden opnieuw ‘verpakt’ in een kernenvelop en de vorming van twee complete kernen is dan voltooid. Alle resterende microtubili van de spoelfiguur depolymeriseren (uit elkaar gaan). Nadat de telofase ten einde is gekomen, is het resultaat twee nieuwe kernen. Hiermee is de mitose beëindigd.
Cytokinese (kytos = leeg vat = cel, en kinesis = beweging): de verzelfstandiging van de twee dochtercellen. Gedurende de cytokinese, die op de eigenlijke mitose aansluit wordt het cytoplasma van de twee dochtercellen via een tussenmembraan gescheiden. De scheiding van de twee nieuwe cellen gebeurt door insnoering van de celmembraan.
Als een cel zich deelt, worden de onderdelen van de cel gelijkelijk over de twee dochtercellen verdeeld. We weten sinds een halve eeuw dat de informatie om de cel op te bouwen en te laten werken in lange draden DNA vast ligt, als de letters en woorden in een zin. De DNA-draden moeten in de kern blijkbaar helemaal uiteen getrokken zijn, om te kunnen functioneren. We weten immers dat de informatie van het DNA over de hele lengte van de draden verspreid is en om de informatie aan twee dochtercellen door te geven, moeten de DNA-draden dus eerst in de volle lengte opgesplitst worden.
Vooraf is het noodzakelijk te weten hoe het DNA is opgebouwd.
Genen zijn stukjes DNA die coderen voor een erfelijke eigenschap. Het gehele menselijke genoom bestaat ongeveer uit 20.000 genen. Een mens is dus het product van 20.000 erfelijke eigenschappen die verdeeld liggen over 46 chromosomen. Het gen codeert voor het eiwit. Een eiwit kan een erfelijke eigenschap tot uiting brengen, zoals bloedgroep of ….de kleur van een bloem. In tegenstelling wat je zou vermoeden, bestaat slechts een klein deel van alle DNA in een cel uit genen. De rest is DNA dat niet codeert voor eiwitten.
Het genoom
- Het gehele erfelijke materiaal van een individu/organisme. Het genoom van de mens bestaat uit 46 chromosomen met daarop ongeveer 20.000 erfelijke eigenschappen.
Nucleotiden
Nucleotiden zijn bouwstenen van het DNA bestaande uit een fosfaatgroep, een desoxyribose (eenvoudige koolhydraten) en een stikstofbase. Er zijn vijf nucleotiden. Guanine (G) Cytosine (C) Adenine (A) en Thymine (T) en Uracil (U). Nucleotiden ‘voelen’ dat ze energie en signalen af kunnen geven binnen een cel.
- Fosfaat is een verbinding van fosfor met zuurstof. Fosfaatverbindingen spelen een belangrijke rol in de energievoorziening. Zo is het molecuul adenosinetrifosfaat (ATP drager van chemische energie). In ons bloed regelt fosfaat de zuurgraad. De grootste hoeveelheid fosfaat vinden we terug in onze botten en
- Desoxyribosen zijn de eenvoudigste koolhydraten (suikers), het zijn verbindingen van koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen
- Stikstofbasen de basen/onderdelen van het DNA. Er bestaan vier stikstofbasen voor de bouw van het DNA: Thymine, Cytosine, Guanine en Adenine. In de volgorde van deze stikstofbasen liggen onze erfelijke eigenschappen geschreven.
Nucleobasen
De Nucleobasen voor DNA zijn de stikstofbasen adenine, thymine, cytosine en guanine….afgekort met de letters A, T, C en G. Het zijn alle 4 stikstofbasen.
Aangezien het DNA bestaat uit een dubbelstreng, worden er tussen de basen waterstofbruggen gevormd.
Waterstofbruggen
Een waterstofbrug (H-brug) is een zwakke chemische verbinding die voorkomt tussen polaire -/+ moleculen.
Een waterbrug ontstaat als een positief geladen waterstofatoom wordt aangetrokken wordt door een negatief geladen atoom van een ander molecuul. In levende cellen ontstaan waterstofbruggen meestal tussen negatief geladen zuurstof- en/of stikstofatomen.
DNA en chromosomen
Wat is nu eigenlijk het verschil tussen DNA en een chromosoom. Allebei zijn ze aanwezig in de celkern en beide zijn de erfelijkheidsdragers van het organisme. DNA is een extreem lang molecuul, van wel 2 meter lang….. Tijdens de deling in de celcyclus is het handig als de 46 lange strengen DNA netjes geordend worden. DNA kan zichzelf ordenen door zich dubbel te spiraliseren. Dit ordenen begint bij het binden van eiwitten (histonen) aan het DNA. Het zijn dan eiwitballetjes dat nog het meest op een kralenketting lijkt.
Deze kralenketting kan zich vervolgens gaan spiraliseren. Je spreekt dan niet meer van histonen omwikkeld door DNA, maar van chromatine. Als nu het chromatine zich ook nog eens gaat spiraliseren (tweede spiralisatie) dan ontstaat er een chromosoom. Een chromosoom is dan dus eigenlijk: dubbel gespiraliseerd DNA omwikkeld rondom eiwitten.
Het genoom, alle erfelijke eigenschappen bij elkaar, ligt op 46 chromosomen die zich in de celkern bevinden. Deze 46 chromosomen (2×23) bevatten gezamenlijk ongeveer 20.000 erfelijke eigenschappen. De bouw van het DNA-molecuul is in wezen verrassend simpel.
- Een ruggengraat bestaande uit suiker- en fosfor moleculen en de treden van de trap die opgebouwd zijn met maar vier letters. G, C, A en T.
- Het zijn deze vier letters van de treden van de trap, waarmee het leven van een organisme al 2,5 miljard jaar wordt geschreven in genetische codes.
De genetische code
Fragmenten van de genetische code – de vertaling van DNA naar eiwitten – die coderen voor een specifieke eigenschap wordt een gen genoemd. Op basis van deze code wordt door de Ribosomen, het Endoplasmatisch reticulum en het Golgiapparaat de eiwitten geproduceerd waar het organisme uit is opgebouwd.
In wezen is de genetische code een concept waarmee de cel eiwitten kan produceren. Dit ontwerp is tijdens het ontstaan van het eerste leven op Aarde al in gang gezet.
De eerste levensvormen
De eerste levensvormen leefden zonder zuurstof: het was in hoge concentraties zelfs giftig voor ze. Hier waren deze organismen zich al op één of andere manier “onbewust” van bewust. Dit onbewuste bewustzijn was volgens mij al in het DNA van de allereerste levensvormen aanwezig en heeft in alles ’n overheersende factor. We dienen ons echter wél te realiseren, dat deze organismen en alle levensvormen erna inclusief de eerste menselijke wezens, zich slechts instinctief bewust waren van hun omgeving. Ze beschikten ook al over ’n noodzakelijk vermogen zich aan te passen áán die omgeving. Dit waren zeer langzame processen van (in ons tijdsbesef) misschien wel vele honderdduizenden jaren…..’al doende en ondervindend kwamen ze erachter hoe te overleven’.
Is leven een kenmerk dat alléén bij onze planeet hoort? Is het alleen op Aarde ontstaan? Dat dacht ik niet!
Abiogenese, het ontstaan van leven uit niet levende materie, dus uit anorganische chemische mengsels, is een proces dat overal in het universum kan plaatsvinden op elk van de vele honderden miljarden planeten die er nou eenmaal zijn! Levend organisme heeft het vermogen om mengsels van koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof tot complexe verbindingen om te zetten, zichzelf te beschermen tegen invloeden van buitenaf, zoals UV-straling, zuren en zouten.
Levende organismen zijn, door een membraan begrensde systemen die materie en energie met hun omgeving uitwisselen: anabolisme en katabolisme. Door het membraan kunnen deze organismen zich beschermen. Bovendien wisten zij zichzelf te kopiëren….. ziehier opnieuw het ‘onbewuste bewustzijn’ van levend organisme.
Het kunnen ontstaan van de eerste leven
Zowel anorganische als organische elementen waren, zoals gezegd, terechtgekomen in oceanen en vormden al vrij snel verbindingen. Door verdamping van het water, vooral in ondiepe wateren, werd de concentratie van het aantal organische verbindingen groter. Hierdoor was voor kleinere moleculen de mogelijkheid ontstaan om grotere verbindingen te vormen. Ook op bodems van oceanen kon leven ontstaan van bacteriën, voor wie zuurstof giftig was en die zich thuis voelden in extreme omstandigheden zoals bij Black Smokers, waar de temperatuur kan oplopen tot wel 400 graden…
In óndiepe zeeën hadden zich allerlei organische moleculen, zoals eiwitten en organische zuren gevormd. Die werden onder invloed van energie (uit bliksem, vulkaanuitbarstingen en kosmische straling) gevormd uit anorganische stoffen. Het vroege DNA ontwikkelde het vermogen om zichzelf te verdubbelen en uiteindelijk om de aanmaak van eiwitten aan te sturen.
Op die manier ontwikkelden zich de eerste bacteriën.
DNA in een bacterie
Het erfelijk materiaal van de bacterie bestaat uit precies dezelfde bouwstenen als bij mens, dier en plant, namelijk uit DNA. De volgorde van de basen in het DNA bepaalt de volgorde van de aminozuren in het eiwit , en hiermee de eigenschappen van dit eiwit. Een eiwit is weer verantwoordelijk voor een bepaalde eigenschap, zoals Replicatie= kopiëren van het DNA
Replicatie
Replicatie van het DNA vindt plaats in de eerder genoemde S-fase in de celcyclus.
Bij de meeste mutaties die een rol spelen in de evolutie gaat het vaak om heel kleine veranderingen in het erfelijke materiaal. Het positieve effect over opvolgende generaties kan aanleiding geven tot heel nieuwe eigenschappen en op termijn zelfs tot een nieuwe soort. Vele mutaties ontstaan echter spontaan en zijn meestal het gevolg van toevallige foutjes bij het kopiëren van het DNA tijdens de S-fase van de celcyclus, maar ze kunnen ook ontstaan tijdens de normale werkingsfase van de cel. Andere worden veroorzaakt door fysische of chemische invloeden uit de buitenwereld.
Celdeling en de verdubbeling van DNA zijn zulke complexe processen dat het niet verwonderlijk is dat er af en toe iets fout gaat. Eigenlijk is het onvoorstelbaar dat het zo vaak goed gaat. Als er fouten gemaakt worden bij een volgroeid organisme, is dat meestal niet zo erg. Defecte cellen worden door cellen van het immuunsysteem ontdekt en onschadelijk gemaakt. Soms maken de defecte cellen zelf een einde aan hun leven (apoptose) door middel van enzymen of is er zelfs een herstelfase mogelijk….een reparatie van een verkeerde mutatie.
Het blijkt tóch om communicatie te gaan en de juiste informatie door te geven!
Zenuwcellen zijn de informatie- en signaalverwerkers van het lichaam: ze ontvangen signalen en geven signalen door. Een mens heeft ongeveer 100 miljard zenuwcellen, waarvan het merendeel zich in de hersenen bevinden: hersencellen oftewel neuronen.
Het kan volgens mij geen toeval zijn, dat de hersenstructuur identiek is aan de grootschalige heelalstructuur. Het denkvermogen dat de mens heeft ontwikkeld zou identiek kunnen zijn aan bepaalde kosmische impulsen, die ook een aanvang hebben gekend bij het ontstaan van de allereerste sterren.
- ………elke ster en elk sterrenstelsel zendt evenals elke zenuwcel bepaalde signalen uit…..elektromagnetisch en/of elektrochemisch…..
Met onze hersenen zijn we ons bewust wie, wat, waar en waarom we zijn. Bovendien kunnen we proberen (….) het heelal te begrijpen…als je het aandurft tenminste!!
Alles wat we zien, zijn, horen, ruiken, voelen en denken is uiteindelijk na miljarden jaren evolutie kunnen ontstaan vanuit ’n kosmologisch proces en dit vind je ook terug in alle biologische- en biochemische processen.
De lijn van ontwikkeling van het heelal, kán nou eenmaal niet anders verlopen, dan dat er op vele miljarden planeten, willekeurig verspreid over het universum, uiteindelijk ergens heel simpel leven is kunnen ontstaan in een vanzelfsprekend proces – in diepe of ondiepe zeeën met welke vloeistof dan ook, waar organische en anorganische stoffen zich kunnen mengen om verbindingen aan te gaan.
Dus krioelt ’t van leven in het universum. Elke levensvorm zal zich voortdurend blijven ontwikkelen en aanpassen aan de eveneens voortdurende veranderingen van z’n omgeving. Dit is een ingefluisterde wetmatigheid van het Universum. Deze wetmatigheden kunnen begrepen worden door de zich steeds verder evoluerende hersenen.
De mensheid op onze planeet heeft door de evolutie van de hersenen, ’n eigen manier van leven kunnen ontwikkelen. Op elke plek van onze aardbol hebben zowel mensen, dieren als planten zich aan weten te passen aan de ook weer voortdurend veranderende tektonische, klimatologische, atmosferische en biologische omstandigheden. Dat is ’n “Survival of the fittest”…..wat zich aanpast, overleeft……
Wij mensen hebben hiervoor ’n eigen en dus ’n zeer uiteenlopende manier van denken ontwikkeld, en ook in ons eigen denken kunnen voortdurend veranderingen en ontwikkelingen plaatsvinden……………..als we er tenminste voor open staan…….
Nog niet zolang geleden werd gedacht dat we met een bepaald aantal hersencellen werden geboren zonder dat er ook maar één hersencel bijkomt…….Tegenwoordig weten we dat er zich ook nog op latere leeftijd nieuwe cellen in ons brein kunnen ontwikkelen. Als gevolg van studie en hersentraining, ontstaan tussen de neuronen nieuwe verbindingen, terwijl andere verbindingen verstevigd worden.
Neuronen, bouwstenen van ons brein
Bron: Natuurinformatie (gedeeltelijk overgenomen)
De hersenen van de mens zijn opgebouwd uit ongeveer 100 miljard neuronen. Deze zijn allemaal al bij de geboorte aanwezig. Bij alles wat er in de hersenen gebeurt draait het om de communicatie tussen de neuronen onderling. Er worden voortdurend miljarden chemische signalen en elektrische impulsen in millivolts rondgestuurd.
Complexe netwerken
Al bij het embryo wordt een begin gemaakt met het leggen van verbindingen tussen de neuronen onderling. Deze zijn geschikt voor het uitvoeren van een aantal basisfuncties die vlak na de geboorte nodig zijn. Na de geboorte gaat het aanleggen van verbindingen door en dat leidt uiteindelijk tot een complex netwerk waarin miljarden neuronen met elkaar zijn verbonden. Juist door zijn complexiteit is dit netwerk in staat gelijktijdig grote hoeveelheden informatie te ontvangen, te verwerken en door te geven.
- Het netwerk is voortdurend aan verandering onderhevig. Afhankelijk van je ervaringen en leerprocessen worden verbindingen steeds aangepast. Dit wordt plasticiteit genoemd, een aanpassingsvermogen.
Neuronen delen zich na de geboorte niet meer zoals dit bij andere cellen gebeurt. Hun aantal neemt om die reden met het ouder worden fors af, hoewel de inzichten hierover aan het veranderen zijn:
- Vroeger dacht men dat we met een bepaald aantal zenuwcellen worden geboren zonder dat er ook maar eentje bijkomt. Tegenwoordig weten we dat er op latere leeftijd nog nieuwe zenuwcellen bij kunnen komen. In de ventrikels (holtes/kamers) van de hersenen liggen voorlopercellen (volwassen stamcellen) waaruit nieuwe zenuwcellen kunnen ontstaan. Als gevolg van leren en training kunnen tussen zenuwcellen nieuwe verbindingen gemaakt worden en anderen verstevigd worden. Dit wordt neuroplasticiteit genoemd plasticiteit-en-cognitie
Video Neuroplasticity - Een volwassene kan dus nog steeds nieuwe dingen leren, hoewel dit met het ouder worden steeds moeilijker wordt. Hoe meer we ons ontwikkelen hoe meer nieuwe verbindingen aangelegd worden. Hoe vaker bepaalde ‘routes’ in de hersenen gebruikt worden, hoe sneller contact met die bepaalde gebieden gelegd wordt. Omgekeerd worden weinig gebruikte, dus onrendabele, routes opgeheven.
- Dankzij dit aanpassingsvermogen is er ook een kans (meer of minder) te herstellen van een beperkt hersenletsel. De complexiteit van het netwerk -er zijn veel meer verbindingen dan nodig zijn- maakt het mogelijk ‘omwegen’ aan te leggen als de ‘rechtstreekse route’ naar bepaalde hersengebieden afgesloten is. Reorganisatie, dat wil zeggen overname van functies door andere gebieden, en gebruik van onbenutte hersencapaciteit is dus mogelijk.
Bouw van het neuron
Net als andere cellen hebben neuronen een cellichaam met een kern. Alle onderdelen die ook bij andere cellen zorgen voor de cel huishouding zijn aanwezig. Het voornaamste verschil is de vorm: het cellichaam van het neuron heeft een aantal uitlopers: de neurieten. Het aantal neurieten kan per neuron verschillen.
Ook kan het cellichaam zich niet delen en vermenigvuldigen. Als het cellichaam beschadigd wordt bestaat het risico dat het hele neuron afsterft.
Celkern
In de kern is de genetische code, het DNA, opgeslagen die bepaalt hoe de cel zich ontwikkelt en hoe er duizenden chemische reacties worden verwerkt.
Mitochondriën
Dit zijn de energiecentrales van de cel. In de mitochondriën worden vetten en suikers omgezet in ATP, een chemische stof die de energie levert voor een groot aantal celfuncties.
Neurieten
Er zijn twee soorten neurieten: axonen en dendrieten. Neurieten kunnen zich door weefsels heen wringen om met andere neuronen in contact te komen. Zo kan het neuron via de axonen en dendrieten met andere neuronen communiceren.
Axon
Ieder neuron heeft maar één axon, deze vertrekt vanuit het cellichaam. Het is een kabel met meerdere eindvertakkingen. Een axon voert elektrische signalen vanuit het cellichaam weg naar andere neuronen.
Dendrieten
Ieder neuron heeft meerdere dendrieten. Dendrieten zijn korte twijgvormige uitlopers van het cellichaam. Deze uitlopers maken contact met de eindvertakkingen van de axonen van andere neuronen en ontvangen via hun receptoren de signalen die het axon aanvoert, dus naar het cellichaam toe. Maar deze signalen kunnen niet zonder meer van het ene aan het andere neuron worden doorgegeven, omdat neuronen omgeven zijn door een vlies ofwel membraan.
Synapsen
Het doorgeven van de elektrische signalen gebeurt op speciale verbindingspunten, waar de membranen van de neuronen elkaar heel dicht naderen: de synaps. Dit is dus de plek waar neuronen contact met elkaar maken. Dat gebeurt via chemische stoffen die neurotransmitters worden genoemd. Tussen de celmembranen van twee neuronen is een kleine opening die de synapsspleet genoemd wordt. Synapsen zijn contactpunten die op de eindvertakkingen van axonen zitten. Deze contactpunten bevatten blaasjes waarin de neurotransmitters zitten. Zodra een elektrisch signaal aankomt op het uiteinde van een axon worden er neurotransmitters vrijgemaakt, die ‘uitgestort’ worden in de synapsspleet, deze ‘oversteken’ en het ontvangende neuron activeren.
Meer en sterke synapsen zorgen voor efficiënte informatieverwerking in je brein, omdat dit de volgende keer dat de neuronen gaan communiceren sneller gebeurt.
Neurotransmitter
Een neurotransmitter zorgt voor de signaaloverdracht tussen de neuronen onderling. Vrijgemaakte neurotransmitters binden zich tijdelijk aan de receptoren van het ontvangende neuron. Via een ingewikkeld chemisch proces wordt er dan een nieuw elektrisch signaal opgewekt. De receptoren geven dit signaal weer af en sturen het door. Daarna wordt de neurotransmitter weer losgekoppeld en afgebroken of gaat terug naar het neuron waar hij vandaan kwam.
Myelineschede
De myelineschede zorgt voor isolatie en bescherming van de axonen en voorkomt dat signalen van het ene neuron op het andere kunnen overspringen. Wanneer de myeline beschadigd raakt ontstaan er problemen met het transport van de elektrische signalen. Elke myelineschede is een millimeter lang.
Stofwisseling of metabolisme betekent verandering of omzetting. Dit proces vindt plaats in cellen en organismen. Enzymen (eiwitten) spelen bij de omzettingen een cruciale rol. Enzymen maken reacties mogelijk of versnellen reacties zonder daarbij zelf te worden verbruikt (katalyserende werking).
Er is een verschil tussen de opbouw van stoffen met gebruik van energie: anabolisme en de afbraak van stoffen waarbij energie weer vrijkomt: katabolisme.
De bouwstoffen van DNA (de basen Adenine, Cytosine, Guanine en Thymine) hebben veel energie nodig om ze te laten ontstaan. ATP is hierbij de energiedrager.
Adenosine is een bio-organische verbinding. Ribose is een eenvoudige suiker. P is een fosfaat, ’n organische verbinding met fosfor (P)
Door evolutionaire veranderingen (mutaties) ontstonden biopolymeren, die uit meerdere moleculaire delen bestaan. Deze konden iets heel bijzonders: ze maakten stoffen, die leken op de benodigde bouwstoffen en zetten deze stoffen om in de échte bouwstoffen!!
Daardoor groeiden deze “nep-bouwstoffen” sneller dan de echte, omdat ze eenvoudigweg meer bouwstenen ter beschikking kregen! Op deze manier konden deze ook worden gemaakt uit eenvoudige suikers, die veelvuldig aanwezig zijn. Wel was er veel energie nodig om al deze bouwstoffen te maken, maar de energie kwam vrij tijdens de afbraak van andere organische moleculen….parasiterend dus……….
Schema van de stofwisseling bij elk levend organisme
Het maken (de opbouw) van bouwstoffen heeft energie nodig: anabolisme (blauw)
Bij het afbreken van stoffen komt energie vrij: katabolisme (rood)
De celstofwisseling omvat vele duizenden chemische reacties die voortdurend in de cel plaatsvinden. Nieuwe moleculen ontstaan op vele manieren. Dat kan door het ombouwen van uit het uitwendige milieu opgenomen (= assimilatie) of reeds aanwezige stoffen, door samenvoeging van soms zeer vele kleinere brokstukken tot één groot molecuul (= anabolisme) of door splitsing van grote in soms vele kleine moleculen (= katabolisme). Als het bij dit laatste proces gaat om afbraak van structuurelementen, spreekt men van dissimilatie. Zie beschrijving hierboven en video celstofwisseling.
Het mechanisme dat nodig is voor al deze reacties, wordt gevonden in de vele verschillende door de cel geproduceerde eiwitten, die reacties kunnen laten verlopen die in de chemische techniek soms uitsluitend onder omstandigheden van hoge druk of hoge temperatuur kunnen plaatsvindt.
Enzymen
De eiwitten die als katalysator fungeren om de reacties bij normale temperatuur en druk te laten verlopen noemt men enzymen; ze vormen het belangrijkste bestanddeel van het cytoplasma (celvloeistof). Veel enzymen komen verspreid in het cytoplasma voor, maar er zijn ook enzymen te vinden in organellen (cel-organen) en daar dan de specifieke functie bepalen.
Enzymen versnellen in onze cellen het metabolisme: het proces waardoor talloze biomoleculen in onze cellen voortdurend worden omgezet in talloze andere biomoleculen om ons in leven te houden.
Enzymen zijn de motoren van het leven en is ervan afhankelijk. Van de allereerste microben die uit de oersoep sijpelden, via dinosauriërs die door de Jurassische bossen denderden, tot ieder nu levend organisme. Elke cel in je lichaam zit vol met honderden of zelfs duizenden van die moleculaire mechanismen, die helpen om dat voortdurende proces van het samenstellen en recyclen van biomoleculen op gang te houden, het proces dat wij leven noemen. De taak van enzymen is om allerlei biochemische reacties te versnellen, te ‘katalyseren’, die anders veel te langzaam zouden gaan. Men spreekt daarom van enzymatische katalyse.
Enzym katalyse – Enzyme catalysis – qwe.wiki:
- Tunneleffect
In “door de barrière” -modellen, een proton of een elektron kunnen tunnelen door activatie barrières. De tunnel bijdrage (meestal het verhogen van de snelheidsconstante met een factor -1000 vergelijking met de reactiesnelheid voor ‘over de klassieke barrière’ route) is waarschijnlijk essentieel voor de levensvatbaarheid van biologische organismen. Dit benadrukt het grote belang van tunneling reacties in de biologie. In 1971-1972 de eerste kwantummechanische model van enzym katalyse geformuleerd.
Quantumbiologische aspecten van levensvormen.
Enzymatische katalyse is voor bijna alle levensvormen een biochemisch grondbeginsel omdat het specifieke reacties laat verlopen die nodig zijn voor hun metabolisme, homeostase (het vermogen van meercellige organismen om het interne milieu in evenwicht te houden) en de synthese van alle biomoleculen, waarbij de energie o.a. kan worden geleverd door zonlicht zoals bij fotosynthese.
Er zijn nu nog maar weinig wetenschappers die betwijfelen dat elektronen zich door middel van een quantum tunneleffect voortbewegen langs de ademhalingsketens van de mitochondriën.
Tunnelen is vergelijkbaar met geluidsgolven die door ’n muur gaan. Wil een deeltje op dit niveau tunnelen, dan moet het golfachtig blijven om door ’n barrière heen te kunnen sijpelen.
Hiermee komen de belangrijkste reacties waarbij energie wordt aangewend in dierlijke en (niet-fotosynthetische) microbiële cellen duidelijk binnen het domein van de quantumbiologie:
- Omdat de zéér ingewikkelde, maar uiterst nauwkeurige oxidatieve fosforylering zich afspeelt binnen een miniem orgaantje met een diameter van ongeveer één micrometer oftewel ’n duizendste mm……
Quantumtunneling werd een belangrijk aspect van de kernfysica. Het is fundamenteel voor het leven op aarde, omdat daardoor paren positief geladen waterstofkernen in het inwendige van de zon kunnen fuseren in de eerste stap van de omzetting van waterstof in helium, waarbij de enorme hoeveelheid energie van de zon vrijkomt. Maar tot voor kort dacht men niet dat het een rol speelde bij de processen van het leven!
Naar quantummaatstaven zijn levende cellen grote objecten, dus op het eerste gezicht lijkt het onwaarschijnlijk dat het quantum tunneleffect zou worden aangetroffen in warme, vochtige levende cellen waarvan de atomen en moleculen voor het merendeel op een incoherente (onsamenhangende) manier bewegen. Maar zoals we hebben ontdekt gaat het er in een enzym anders aan toe: daarvan voeren de deeltjes een gechoreografeerde dans uit en niet een chaotische rave. Bron: ‘Hoe het leven ontstaat’ van Jim Al-Khalili en Johnjoe McFadden. Zelf ben ik ervan overtuigd dat endosymbiose ook met quantumtunneling te maken heeft.
Quantumbiologische aspecten in de plantenwereld
Een ander quantumbiologisch aspect is de fotosynthese. Wie fotosynthese écht wil begrijpen, vindt antwoord in de kwantummechanica.
Elke seconde straalt de zon duizenden biljoenen lichtdeeltjes uit. Zonlicht landt op het blad in quantumpakketjes: fotonen. Dit is ’n zogenoemde lichtreactie.
Lichtdeeltjes zijn elektromagnetische golven met een welbepaalde energie. Allereerst komt deze energie aan bij een zogeheten ‘antenne’, ’n verzameling van honderdduizenden chloroplasten (bladgroenkorrels)
Planten hebben een plantaardige celcyclus. In plantencellen bevinden zich bladgroenkorrels of chloroplasten. Bladgroenkorrels kennen ook een membraan, de thylakoid, die is opgebouwd uit eiwitten en vetten. Hierin liggen verzamelingen van enkele honderden chlorofyl-moleculen ingebed, de zogenaamde fotosystemen, dit zijn eiwitten en moleculen die samen de energietoelevering verzorgen voor de fotosynthese. Ze functioneren als ‘antennes’, die lichtdeeltjes van de zon opvangen. Fotosystemen absorberen vooral blauw en rood licht; groen licht wordt juist verstrooid. Daarom zijn planten groen.
Als het fotosysteem een lichtdeeltje (foton) opvangt, wordt de lichtenergie overgenomen door een electron, dat daardoor in een hogere baan komt. Dit verschijnsel heet excitatie. Het electron, in deze toestand wordt daarom ook exciton genoemd. Het exciton kan door trillingen van molecuul naar molecuul springen en zo door het fotosysteem bewegen.
Aan één zijde van de thylakoïde-membraan bevindt zich een gespecialiseerd molecuul, dat het reactiecentrum wordt genoemd. Het reactiecentrum kan het exciton binden en daardoor ontstaat een elektrische spanning over de membraan. Het fotosysteem functioneert dus als een foto-elektrische cel, die met behulp van licht een elektronenstroom genereert.
De elektronen worden toegeleverd aan de fotosynthese reactie. Een elektron binnen deze bladgroenkorrels worden door het zonlichtdeeltje aangeslagen en in een hoger baan gezet…..
…..en krijgt daardoor meer energie die wordt gebruikt om door het fotosysteem heen te ‘springen’ opzoek naar een overbrugging. Dit is voor te stellen als een “doolhof van touwbruggen” die, als de exciton de weg weten te vinden, leiden tot het zogeheten ‘reactiecentrum’.
In dit reactiecentrum vindt uiteindelijk een reactie plaats waardoor de energie van het foton wordt omgezet in chemische energie. Het reactiecentrum is te vergelijken met een batterij dat wordt opgeladen. Er zijn 2 verschillende reacties:
- Tijdens de lichtreactie is de energie van het zonlicht omgezet in chemische energie en ‘opgeslagen’ in de moleculen ATP en NADPH (als in een batterij).
ATP wordt in cellen gebruikt voor de opslag van energie
NADPH is een molecuul dat in een chemische reactie elektronen kan afstaan en elektronen levert voor diverse andere reacties. - Tijdens de donkerreactie, de Calvinreactie genoemd die lichtonafhankelijk is, wordt de opgeslagen energie gebruikt om koolstofdioxide uit de lucht (CO2) biochemisch om te zetten in glucose en zuurstof.
Glucose is de bron van energie voor de plant zelf, maar ook voor alle organismen die van de plant eten. Glucose wordt gebruikt bij de verbranding. Bij de verbranding wordt glucose met behulp van zuurstof afgebroken. Hierbij komt de vastgelegde energie weer vrij, samen met water en koolstofdioxide. Er wordt dus geen energie gemaakt, maar uit glucose gehaald, maar energie wordt vrijgemaakt. De zuurstof komt hierbij vrij als reststof/afvalstof.
Het overbruggingsgebied is een ware nachtmerrie, want ‘je moet er zo snel mogelijk door het doolhof heen zien te springen’. De sprongen nemen alle energie op uit de lichtfotonen van de zon.
- Als het namelijk te lang duurt om het reactiecentrum te bereiken heeft het exciton te weinig tijd om op tijd te komen en is al de energie reeds opgenomen
- Slechts 1 nanoseconde heeft het aangeslagen electron hier de tijd voor, dit is ’n miljardste seconde……
Fotosynthese is een uiterst nauwkeurig, bijna uitgekiend biologisch quantumproces op ultra kleine schaal in ’n extreem kort tijdbestek, weliswaar……in een warme en natte omgeving….
- …..onze hersenen hebben er moeite mee om ons dit alles bewust te worden, terwijl dit “ingewikkelde” biologische proces gewoon ’n eigen onbewuste en vanzelfsprekende misschien wel ’n eigen intuïtief verloop kent…..
Mijn verdiepingen 