De cel als basiseenheid van het leven PDF

# De cel als basiseenheid van het leven ## Boek Om te begrijpen hoe een organisme functioneert, kijken we eerst naar de cel: hoe ze eruitziet, hoe ze werkt en vooral ook hoe ze samenwerkt met andere cellen. Alle levensprocessen die je de voorbije jaren bestudeerd hebt, zoals voeding, transport, adem...

# De cel als basiseenheid van het leven ## Boek Om te begrijpen hoe een organisme functioneert, kijken we eerst naar de cel: hoe ze eruitziet, hoe ze werkt en vooral ook hoe ze samenwerkt met andere cellen. Alle levensprocessen die je de voorbije jaren bestudeerd hebt, zoals voeding, transport, ademhaling en uitscheiding, kun je namelijk terugbrengen tot activiteiten op celniveau. In dit hoofdstuk zul je focussen op de vorm, de opbouw, de afmetingen en de diversiteit van cellen. ## Leerdoelen - De cel in verband brengen met andere organisatieniveaus - De organellen in een cel herkennen en hun bouw beschrijven - De functie van de organellen in een cel toelichten - De relatie tussen de structuur en de functie van de organellen toelichten # Cellen in relatie tot andere organisatieniveaus Vanaf de negentiende eeuw konden Matthias Schleiden (1804-1881), Theodor Schwann (1810-1882) en andere wetenschappers aantonen dat organismen opgebouwd zijn uit cellen. Ze legden daarmee de basis voor de celtheorie. Die theorie stelt dat cellen de basiseenheid zijn van structuur en functie in organismen. Bovendien kunnen sommige cellen zichzelf ook delen. Meercellige organismen bezitten een complexe inwendige organisatie, waarin je een aantal niveaus kunt onderscheiden. **Enkele voorbeelden:** - Een dierlijk spijsverteringsstelsel is opgebouwd uit organen, die elk op hun beurt bestaan uit verschillende weefseltypes. De maag als orgaan bevat onder andere slijmvliesweefsel, spierweefsel en bindweefsel. Die weefsels kunnen op hun beurt verschillende soorten cellen bevatten. Zo bevat het slijmvliesweefsel, dat dient om de maagwand te beschermen tegen de bijtende werking van maagzuur, onder andere kliercellen en epitheelcellen. - Bij planten is het blad een orgaan. Het bevat verschillende weefsels, waaronder parenchymweefsel (dat opgebouwd is uit parenchymcellen, epidermisweefsel en vaatweefsel). ## De ontdekking van cellen Omdat cellen klein zijn, duurde het tot 1665 voordat ze voor het eerst beschreven werden. Dat gebeurde door de Engelsman Robert Hooke (1635-1703). Hij bestudeerde een heel dun laagje kurk onder de microscoop. De structuur die hij zag, omschreef hij als een honingraat. Daarna volgden de ontdekkingen in sneltempo. De Nederlander Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) bouwde eenvoudige microscopen, waardoor hij als eerste levende cellen kon waarnemen. De organismen die hij zag, noemde hij animalcules of 'dierkens'. ## Cellen observeren met de microscoop De meeste cellen zijn niet zichtbaar voor het menselijk oog. Onder een lichtmicroscoop kun je ze wel waarnemen. - Bacteriële cellen zijn klein. Ze zijn tussen de 1 en 10 µm lang. - Plantencellen en dierlijke cellen zijn vaak ten minste tien keer groter dan bacteriële cellen. - Virussen zijn echter nog kleiner en kun je enkel met een elektronenmicroscoop waarnemen. # Soorten cellen De diversiteit aan cellen is enorm, maar globaal genomen onderscheidt men twee basistypes: de prokaryote en de eukaryote cel. Je leerde al dat je alle levende organismen kunt indelen in drie grote domeinen: de archaea, de bacteriën en de eukaryoten. Die indeling wordt vooral bepaald door het opbouwende celtype. ### 3.1 De prokaryote cel Archaea en bacteriën zijn organismen die uit één enkele prokaryote cel bestaan. Ze zijn klein en eenvoudig van structuur. Aan de buitenkant hebben ze soms eiwitstructuren waarmee ze zich aan hun omgeving kunnen hechten. Vorig jaar keek je al in detail naar hun bouw en zag je dat het erfelijk materiaal vrij in het cytoplasma ligt en niet omgeven is door membranen. Verder vind je geen door membranen omsloten celorganellen. Celorganellen zijn grote intracellulaire structuren met specifieke functies. Je bestudeert ze verder in dit hoofdstuk in detail. ### 3.2 De eukaryote cel Zowel een- als meercellige eukaryote organismen zijn opgebouwd uit eukaryote cellen. Die zijn gemiddeld zo'n tien keer groter en vooral complexer dan prokaryote cellen. Naast een celkern bezitten ze ook nog andere structuren die een specifieke functie hebben: de celorganellen. Die maken bijvoorbeeld energie beschikbaar en maken moleculen aan. Veel van die organellen zijn omgeven door een fosfolipidenmembraan. Ook bij eukaryote cellen bestaat er dus weer een grote variatie aan vormen en specialisaties. We kunnen een onderscheid maken naargelang de cellen afkomstig zijn van eencellige organismen, planten, schimmels of dieren. Zelfs binnen die groepen bestaan er veel verschillen. Zo is een bloedcel bijvoorbeeld heel anders opgebouwd dan een spiercel, en een wortelcel anders dan een bladcel. Dat cellen van elkaar verschillen in vorm, inhoud en functie komt doordat cellen zich specialiseren. Voorbeelden van eencellige eukaryote cellen zijn pantoffeldiertjes, gisten, vele soorten eencellige algen en amoeben. Een belangrijke stap in de evolutie is het ontstaan van meercellige organismen, die grotere afmetingen hebben. Die organismen zijn opgebouwd uit cellen die gespecialiseerde taken uitvoeren. Uit één bevruchte eicel ontstaat door opeenvolgende celdelingen een groot aantal dochtercellen. Het proces waarbij uit betrekkelijk eenvoudige cellen nieuwe cellen met heel specifieke functies ontstaan, noem je celdifferentiatie. Cellen met dezelfde functie vormen samen een weefsel. ## Subcellulaire structuren bij eukaryoten In eukaryote en prokaryote cellen komen verschillende structuren voor die elk een specifieke functie uitoefenen. Bij eukaryoten zijn er in de cel door membranen omringde structuren die je bij prokaryoten niet terugvindt. Die structuren binnen in de cel kun je vergelijken met de organen in een lichaam. Daarom noem je ze celorganellen. Pas wanneer elk organel correct zijn specifieke rol vervult, kan de cel functioneren als geheel. Plantencellen verschillen fundamenteel van dierlijke cellen. Het belangrijkste verschil tussen plantaardige en dierlijke cellen is hun bouw en de aanwezigheid van bepaalde structuren in de cel. # Cellen ## 4.1 Celkern De celkern of nucleus is de plaats waar het erfelijk materiaal, het DNA (desoxyribonucleïnezuur), wordt opgeslagen. DNA bevat alle informatie die nodig is voor de aanmaak van eiwitten in de cellen. De celkern is afgescheiden van het cytoplasma door het kernmembraan. Door de aanwezigheid van poriën in dat membraan is er een uitwisseling mogelijk van moleculen tussen het kernplasma of nucleoplasma en het cytoplasma. Langs die weg vindt er snel en selectief transport van moleculen plaats. Zo zullen alle moleculen die nodig zijn voor de eiwitsynthese, die in het cytoplasma gebeurt, via die poriën de kern verlaten. Anderzijds zullen enzymen die nodig zijn voor de verdubbeling van DNA, via die weg in de kern terechtkomen. In de kern zitten ook een of meerdere nucleoli of kernlichaampjes. Die bestaan uit chromatine, RNA en eiwitten. Chromatine is samengesteld uit DNA en eiwitten. Het DNA in een nucleolus bevat de informatie die nodig is voor de aanmaak van ribosomen. Die macromoleculaire eiwitcomplexen zijn belangrijk voor de eiwitsynthese. ## 4.2 Endoplasmatisch reticulum Het endoplasmatisch reticulum (ER) bestaat uit een sterk geplooid membraan, dat buisjes en afgeplatte zakjes vormt. In het ER kun je twee gebieden onderscheiden: het ruw endoplasmatisch reticulum (RER) en het glad endoplasmatisch reticulum (SER). ### A Het ruw endoplasmatisch reticulum Het ruw endoplasmatisch reticulum (RER) sluit nauw aan bij de kern. Aan de cytoplasmatische kant van het membraan bevinden zich ribosomen, waardoor het onder de elektronenmicroscoop een ruw uiterlijk heeft. De ribosomen op het RER maken eiwitten aan. Die komen via porie-eiwitten in het ER terecht. De daar aanwezige enzymen zullen helpen om de pas gevormde eiwitten op te vouwen. Vervolgens worden de eiwitten verpakt in transportblaasjes, die zich afsnoeren van het ER en vervoerd worden naar het Golgi-apparaat voor afwerking. Wanneer de eiwitten afgewerkt zijn, kunnen ze bijvoorbeeld deel gaan uitmaken van membranen of een functie vervullen als enzym, als boodschapper tussen cellen of als structuureiwit. ### B Het glad endoplasmatisch reticulum Het glad endoplasmatisch reticulum (SER) bezit geen ribosomen. **Functies:** - In het membraan van het SER liggen enzymen ingebed die een rol spelen bij de aanmaak van lipiden. Als er nieuw membraanmateriaal nodig is, maken ze bijvoorbeeld cholesterol en fosfolipiden aan. Het ER is op bepaalde plaatsen verbonden met het kernmembraan en maakt ook contact met alle celorganellen en met het celmembraan. Door die contacten kunnen fosfolipiden en cholesterol zich rechtstreeks verplaatsen naar de membranen van andere organellen. - Het SER zorgt ook voor calciumopslag. - Het speelt een rol bij stofwisselingsprocessen, die per celtype kunnen verschillen. Zo zal in levercellen het SER helpen bij het ontgiften van medicijnen of alcohol . In cellen van de bijnierschors staat het dan weer in voor de productie van steroïdhormonen, zoals cortisol. ## 4.3 Ribosomen Ribosomen komen vrij voor in het cytoplasma of zijn gebonden aan het membraannetwerk van het RER. Het zijn macromoleculaire eiwitcomplexen, die opgebouwd zijn uit een grote en een kleine subeenheid. Elke subeenheid is op haar beurt opgebouwd uit ribosomaal RNA (rRNA) en eiwitten. De nucleolus staat in voor de aanmaak van rRNA en de opbouw van de kleine en grote subeenheid van de ribosomen. De subeenheden verlaten de kern via de kernporiën en worden geassembleerd in het cytoplasma. De ribosomen staan in voor de eiwitsynthese in een cel. Eiwitten vervullen de sleutelfuncties in een cel. De code om eiwitten aan te maken, zit vervat in ons DNA. Tijdens de eiwitsynthese wordt de informatie uit het DNA omgezet naar een eiwit. ## 4.4 Golgi-apparaat Het Golgi-apparaat is een geheel van afgeplatte zakjes, cisternen genoemd, die op elkaar gestapeld liggen. Je onderscheidt een ciszijde, die dicht bij het endoplasmatisch reticulum (ER) ligt, en een transzijde, die het verst van het ER ligt. Beide delen van het Golgi-apparaat bevatten verschillende enzymen in hun cisternen. ## 4.5 Lysosomen Lysosomen zijn blaasjes die worden afgesplitst van het Golgi-apparaat. Het zijn celorganellen die omsloten zijn door een membraan en die typisch zijn voor dierlijke cellen. Lysosomen bevatten afbrekende enzymen en zorgen dus voor de vertering in de cel. De afbrekende enzymen werken het best bij een zure pH. Lysosomen kunnen: -celeigen bestanddelen afbreken tot kleinere componenten. Wie spreken van autofagie. De vrijgekomen bouwstenen kunnen dan elders in de cel hergebruikt worden voor de synthese van nieuwe moleculen. -materiaal afkomstig van buiten de cel verteren: we spreken van heterofagie. ## 4.6 Mitochondriën Een mitochondrie is een rond tot ovaal organel dat omgeven is door een dubbele membraan. Het inwendige membraan bezit een groot oppervlak door de vele instulpingen, die cristae heten. De binnenruimte heet de matrix. De mitochondriën zijn de energiecentrales van de cel. In het binnenste membraan en de matrix bevinden zich enzymen die belangrijk zijn om energie vrij te maken uit voedingsstoffen. Tijdens dat proces slaat de cel energie op in de vorm van een energierijke molecule, ATP (adenosinetrifosfaat). Je leert er later meer over. In cellen die veel energie nodig hebben, bijvoorbeeld spiercellen, komen soms duizenden mitochondriën voor. In dergelijke cellen bezitten de mitochondriën ook meer cristae om te kunnen voldoen aan de grote vraag naar energie. ## 4.7 Plastiden (o.a. chloroplasten) Alle groene delen van planten bevatten chloroplasten of bladgroenkorrels. Die zijn net zoals mitochondriën omgeven door een dubbele membraan. Het inwendige membraan van de chloroplast noem je het thylakoïdmembraan. Dat vormt lamellen met stapels gesloten platte membraanzakjes. Een stapeltje membraanzakjes vormt een granum. Het binnenste van de chloroplast, waarin de thylakoiden liggen, heet het stroma. In de thylakoïdmembranen liggen lichtabsorberende chlorofylmoleculen gebonden in een eiwitcomplex. Met behulp van lichtenergie vindt in chloroplasten fotosynthese plaats, waarbij de plant CO2 en water gebruikt om glucose op te bouwen. ## 4.8 Vacuole Een vacuole is een met vocht gevuld blaasje dat omsloten is door een membraan. Grote vacuoles vind je niet terug in dierlijke cellen. Bij plantaardige cellen zijn ze opvallend aanwezig. In zich ontwikkelende plantencellen ontstaan er meerdere kleine vacuolen door wateropname. Ze versmelten tot één grote centrale vacuole, die 80 tot 90% van het celvolume kan innemen. De vacuolen zijn omgeven door een membraan, dat je de tonoplast noemt. Het vacuolevocht is een waterige oplossing van onder andere sachariden, ionen, aminozuren en kleurstoffen. Het is doorgaans licht zuur, met een pH van 5-5,5. Het vocht in de vacuole is de watervoorraad van de plantencel. Een goed met water gevulde vacuole zorgt, samen met de celwand, voor de stevigheid van het plantenlichaam. De kleurstoffen geven kleur aan de niet-groene plantendelen, vruchten en bloemen. Bij sommige planten bevatten de vacuolen stoffen die toxisch of irriterend zijn voor een planteneter. Op die manier beschermen ze de plant tegen vraat. In de vacuole zijn ook afbrekende enzymen aanwezig die, net zoals de enzymen in de lysosomen, de verteringstaken in de plantencel op zich nemen en werkzaam zijn bij een zure pH. ## 4.9 Cytoskelet Het cytoskelet is een netwerk van eiwitvezels. Bij sommige cellen zorgt het cytoskelet voor het behoud van de celvorm, terwijl het bij andere cellen net vormveranderingen mogelijk maakt. Het houdt celorganellen op een bepaalde plaats in de cel, maar het maakt ook de verplaatsing van organellen mogelijk. ## 4.10 Centrosoom In alle dierlijke cellen en in bepaalde andere organismen, zoals mossen, komen centriolen voor. Een centriool is een cilinder die bestaat uit korte microtubuli, die gerangschikt zijn in negen sets van drie. Een dierlijke cel bevat twee centriolen, die dicht bij de kern liggen en loodrecht op elkaar staan. Rond het centriolenpaar komen eiwitten voor. Het geheel noem je het centrosoom. Wanneer dierlijke cellen zich delen, verdubbelt het centriolenpaar zich. De centriolenparen komen elk aan één kant van de delende cel te liggen. Rond elk centriool vormt zich uit het cytoskelet een structuur van microtubuli, die de chromosomen vasthoudt tijdens de celdeling. ## 4.11 Celmembraan De grens tussen een cel en de omgeving bestaat uit een dunne laag van ongeveer 10 nm dik, het celmembraan of plasmamembraan. Dat membraan omhult het cytoplasma en is opgebouwd uit een dubbele laag fosfolipidemoleculen. Binnen in het celmembraan zijn de hydrofobe vetzuurstaarten van de fosfolipiden naar elkaar gericht, waardoor ze een apolair middenstuk creëren. Op die manier vormt het membraan dus een barrière tussen de binnen- en buitenkant van de cel. De fosfaatgroepen vormen een hydrofiele kopgroep en zijn naar de waterige omgeving gericht. ## 4.12 Celwand Als je plantencellen bestudeert, vind je een structuur terug die het celmembraan omgeeft: de celwand. Dat is een verstevigende laag aan de buitenzijde van het celmembraan. De celwand geeft vorm, stevigheid en bescherming aan de cel. Tussen de moleculen in de celwand zitten kleine openingen, die ervoor zorgen dat de celwand doorlaatbaar is voor verschillende moleculen. Dierlijke cellen hebben nooit een celwand. ## 4.13 Vergelijking tussen een dierlijke cel en een plantencel Het belangrijkste verschil tussen plantaardige en dierlijke cellen ligt in hun bouw en de aanwezigheid van bepaalde organellen. Hier zijn de belangrijkste verschillen: - **Celwand:** plantaardige cellen hebben een celwand bestaande uit cellulose, terwijl dierlijke cellen geen celwand hebben. - **Vacuolen:** plantaardige cellen hebben meestal één grote centrale vacuole die water en voedingsstoffen opslaat. Dierlijke cellen hebben kleinere vacuolen of helemaal geen vacuolen. - **Chloroplasten:** plantaardige cellen bevatten chloroplasten, organellen die fotosynthese mogelijk maken en chlorofyl bevatten. Dierlijke cellen hebben geen chloroplasten. - **Centriolen:** dierlijke cellen hebben vaak een paar centriolen, die betrokken zijn bij celdeling. Plantaardige cellen hebben doorgaans geen centriolen. - **Vorm:** plantaardige cellen hebben meestal een vaste rechthoekige vorm, terwijl dierlijke cellen variëren in vorm; ze kunnen rond zijn, ovaal of andere vormen hebben. Het is belangrijk op te merken dat deze verschillen algemene kenmerken zijn en dat er variaties kunnen optreden, afhankelijk van het specifieke type planten of dierlijke cel.