Cursus Biologie 5de Jaar PDF

Cursus Biologie Naam: _____________________ Klas: ____________ Schooljaar: 20__ - 20__ Leerkracht: _________________  Afspraken voor het vak biologie * Materiaal Elke les breng je de volgende dingen mee: - Je cursus in een ringma...

Cursus Biologie Naam: _____________________ Klas: ____________ Schooljaar: 20__ - 20__ Leerkracht: _________________  Afspraken voor het vak biologie * Materiaal Elke les breng je de volgende dingen mee: - Je cursus in een ringmap (eventueel samen met een ander vak) - Cursusbladen, schrijfgerief !!! - Taken- en toetsenmapje: stop je taken en toetsen onmiddellijk in je map. Als je ze terugkrijgt vul je taken- en toetsenlijst aan. * Taken Je zal voor natuurwetenschappen een aantal taken moeten maken. - We spreken samen een uiterste datum af waarop de taak moet worden ingediend. Kan je door omstandigheden niet tijdig afgeven, zeg het dan aan je leerkracht, en geef je taak in één van de volgende lessen af. Uiteraard verlies je hiermee wel punten. - Was je afwezig op de dag dat een taak werd opgegeven, dan maak je de taak tóch tegen de uiterste datum. Informeer dus zelf bij je klasgenoten of je leerkracht. - Ben je afwezig op de dag dat de taak normaal moet worden afgegeven, dan dien je ze in tijdens de eerste les dat je terug aanwezig bent. - Geef taken altijd af, ook al ben je hopeloos te laat. Niet alleen moet je een minimum aantal taken hebben om aan het examen te mogen deelnemen, ook zal je taak nog verbeterd worden zodat je weet waar je sterktes en je zwaktes zitten. * Toetsen - Herhalingstoetsen worden steeds vooraf afgesproken, zodat je je optimaal kan voorbereiden. - Onaangekondigde toetsen over de vorige les of de les zelf kunnen gebeuren bij teveel rumoer of om te testen of je de leerstof wel begrepen hebt. - Wanneer we samen een datum afspreken voor een toets, legt in principe iedereen de toets af. Ook hier geldt: informeer bij je klasgenoten of de leerkracht, zowel naar de datum als naar wat je moet kennen als je afwezig was. - Als je op de dag van de toets aanwezig bent en wegens omstandigheden de toets niet kan meemaken dan ben je verplicht om een briefje van je ouders mee te brengen. Anders maak je de toets gewoon mee. - Ben je afwezig op de dag van een toets, dan ga je zelf naar de leerkracht om iets af te spreken. - Als je spiekt of praat tijdens een toets, krijg je een nul. * Tijdens de les - Je hebt genoeg pauzes op een lesdag dat je niet moet eten of drinken tijdens de les. Ook kauwgom kan niet. - Zet je GSM – of tenminste je geluid- uit tijdens de les. Als je GSM’t, kan je je toestel kwijtraken, voor even of voor langer. - Om ervoor te zorgen dat we elkaar begrijpen, steek je je hand op als je iets wil zeggen en wacht je tot je het woord krijgt. - Leg geen andere spullen op je tafel dan wat je voor de les nodig hebt. Je zou ze wel eens kwijt kunnen geraken. - Sta niet midden in de les op om het licht aan te doen, de gordijnen dicht te doen,… Vraag gewoon even de toestemming. - Zet je petje af zodra je het klaslokaal binnenkomt. * Tijdens het labo - Het volledige laboreglement vind je in het schoolreglement, ondertekening van het schoolreglement houdt in dat je dus ook hiermee akkoord gaat. - Het laboreglement werd opgesteld voor je eigen veiligheid én die van je klasgenoten. Houd je er dus aan, het kan veel onheil voorkomen. - Labo-opdrachten vul je zo volledig en netjes mogelijk in. - Vele handen maken licht werk, ruim dus niet enkel je eigen werktafel op, maar help ook andere leerlingen of de leerkracht een handje. - Wanneer je een labo verbeterd terugkrijgt, bewaar je het tevens in je toetsen- en takenmapje. * Denk eraan... - Als je een langere tijd (een hele week of langer) afwezig bent, kan je wat taken en toetsen betreft andere afspraken maken met de leerkracht. Neem wel zelf het initiatief, zo niet kan je toch punten verliezen. - Meewerken in de les is niet alleen leuk voor de leerkracht. Het houdt er ook je aandacht bij, en je test al eens in hoeverre je mee bent met de les. Je hoeft niet bang te zijn dat je “iets stoms” zegt, je bent hier om te leren. - Bij het opstarten van een begeleiding is het aan jou om samenvattingen te maken, extra oefeningen te vragen. Bij het indienen van een samenvatting, extra oefening wordt dit in je dossier vermeld. - Het is cliché, maar het is wel waar: goeie afspraken maken goeie vrienden... Laten we er ons dan ook zo goed mogelijk aan houden, dan wordt het heus een fijn schooljaar !  Naam: __________________________________ Nr.: ________ Klas: __________ Vak: ____________________________________ Leerkracht: ________ Toetsen/taken/practica 20__ – 20__ Handtek. Handtek. Nr. Datum Onderwerp Punten ouder lkr. Thema 1: De cel  Cursus biologie 5de jaar Hoofdstuk 1: De cel: basiseenheid van het leven 1 De ontdekking van de cel In de 17de eeuw gebruikte de Engelse natuurkundige Robert Hooke (1635-1703) een zelfgemaakte microscoop om kurkcoupes te bekijken. Hij zag dat kurk uit kleine hokjes bestond die van elkaar gescheiden werden door dunne wanden. Afb. 1 Robert Hooke Afb. 2 Kurkcoupe Omdat dit regelmatige netwerk van kleine gaatjes hem deed denken aan cellen van gevangenen, noemde hij ze ‘cellen’. 400 jaar later gebruiken we nog altijd dat woord. Enkele belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen gebeurden door amateurs in plaats van door professionele wetenschappers. Zo was Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) vertrouwd met het gebruik van vergrootglazen voor het Afb. 3 Antonie van Afb. 4 Primitieve microscoop inspecteren van vezels en weefsels Leeuwenhoek in kleding. Hij sleep glazen lenzen en monteerde ze tussen dunne laagjes zilver of brons om eenvoudige microscopen te maken. van Leeuwenhoek gebruikte primitieve microscopen om rivierwater, speeksel, uitwerpselen, bacteriën en dergelijke te bekijken. Hij was gefascineerd door een groot aantal bewegende objecten, onzichtbaar voor het blote oog. Uiteindelijk zou hij meer dan 250 microscopen maken, waarvan de sterkste in staat waren om een voorwerp 200 tot 300 keer te vergroten. Hij was niet de eerste die microscopen gebruikte om ziekteverwekkende organismen of andere kleine organismen te bestuderen, maar de gedetailleerde beschrijvingen van zijn waarnemingen schreef hij tussen 1673 en 1723 neer in meer dan 300 brieven aan de British Royal Society. Die brieven maakten de wereld attent op het bestaan van microscopische levensvormen. 1 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar In 1838 kwam Matthias Schleiden, een Duitse plantkundige tot de conclusie dat planten bijna geheel uit cellen bestaan. In de daaropvolgende jaren breidde de dierkundige Theodor Schwann de observatie van Afb. 5 Matthias Afb. 6 Theodor Schleiden uit naar dierlijke weefsels en stelde Schleiden Schwann hij een cellulaire basis van alle leven voor. Die celtheorie is uiterst belangrijk voor de biologie omdat ze de basisgelijkheid van alle levende wezens benadrukt en zo een onderliggende eenheid brengt in de heel gevarieerde studies naar veel verschillende soorten organismen. De celtheorie luidt als volgt: De cel is de basiseenheid van het leven want ze kan autonoom haar levensfunctie vervullen. Alle organismen bestaan uit één of meerdere cellen. Nieuwe cellen ontstaan enkel door deling van bestaande cellen. Historisch overzicht 1611 Kepler suggereert om een microscoop te maken 1655 Hooke gebruikt een microscoop en beschrijft kleine openingen in delen van kurk, hij noemt die ‘cellen’. 1674 van Leeuwenhoek ontdekt protozoa; bacteriën ziet hij negen jaar later voor het eerst. 1838 Schleiden en Schwann stellen de celtheorie voor: de cel is de structurele en functionele eenheid in levende organismen. Tabel 1 Historisch overzicht 2 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 2 Observeren van cellen Microscopen zijn onmisbaar voor een degelijke studie van celstructuren. Dat heeft natuurlijk alles te maken met de kleine afmetingen van de meeste cellen. Speciale gevallen zijn de eicel van een kikker (ruim 1 mm), eieren van vogels (verschillende centimeters) en sommige zenuwcellen (tot 80 cm lang!). Die cellen zijn zichtbaar met het blote oog. Plantencellen en dierlijke cellen zijn ongeveer 10 tot 100 μm groot (1 μm = 0,001 mm). Ze liggen, net als de meeste bacteriën (1-10 μm), binnen het optisch bereik van een lichtmicroscoop. Met een lichtmicroscoop kan je ook celstructuren als het celmembraan, het cytoplasma, de kern, de vacuole en bladgroenkorrels waarnemen. Afb. 7 Lichtmicroscoop De elektronenmicroscoop werd ontwikkeld in de jaren 50 van vorige eeuw en maakte veel sterkere vergrotingen mogelijk dan de lichtmicroscoop. Door het gebruik van de elektronenmicroscoop werd het mogelijk om meer te weten te komen over de submicroscopische structuur1 van de cel. Er wordt namelijk niet met licht gewerkt maar met een elektronenbundel die op het preparaat wordt gebombardeerd. Dat levert echter altijd een zwart-witbeeld op. Een ander nadeel is dat het preparaat onder vacuüm geobserveerd wordt waardoor men geen levend materiaal kan bekijken. In de nieuwste types is dat wel technisch mogelijk. Afb. 8 Elektronenmicroscoop 1 Submicroscopisch betekent onder de waarneembaarheidsgrens van een lichtmicroscoop. 3 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Er zijn twee soorten elektronenmicroscopen: Met de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) kijkt men naar heel dunne coupes van cellen. Zo kan men alle celorganellen in doorsnede zien. Met de rasterelektronenmicroscoop (REM) of scanning- elektronenmicroscoop (SEM) ziet men het oppervlak van structuren (driedimensionaal). Om cellen aan de binnenkant te bekijken, moet men ze daarom breken. Structuren met een grootte van 1 nm (= 0,001 μm) zijn goed zichtbaar met een elektronenmicroscoop. Celorganellen zoals ribosomen, mitochondriën en het endoplasmatisch reticulum heeft men uitgebreid onderzocht met de rasterelektronenmicroscoop. Het blote oog (100 μm) , de lichtmicroscoop (0,2 μm) en de elektronenmicroscoop (0,1 nm) hebben een verschillend oplossend vermogen (= resolutie = scheidend vermogen). Het oplossend vermogen geeft de minimale afstand tussen twee punten weer die men nog afzonderlijk kan waarnemen. Voor de lichtmicroscoop met een resolutie van 0,2 μm wil dit zeggen dat: Als de afstand tussen twee punten kleiner is dan 0,2 μm dan ______________________________________________________________ Als de afstand tussen twee punten groter dan of gelijk is aan 0,2 μm dan ______________________________________________________________ Afb. 9 Cartoon primitieve microscoop 4 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Afb. 11 Pollenkorrel bekeken met lichtmicroscoop Afb. 12 Pollenkorrel bekeken met TEM Afb. 13 Pollenkorrel bekeken met SEM Afb. 10 Vergelijking oplossend vermogen blote oog, licht- en elektronenmicroscoop Afb. 14 Pollenkorrels bekeken met SEM 5 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3 Overzicht van de celstructuren en hun functie Een cel is een driedimensionale structuur omgeven door een celmembraan en eventueel ook een celwand. In het cytoplasma, de waterachtige vloeistof in de cel, komen er verschillende types celorganellen voor. Deze organellen bezitten elk hun functie, waardoor de cel zelfstandig haar levensfuncties kan vervullen. Een cel kan worden vergeleken met een fabriekje dat grondstoffen toegeleverd krijgt en meestal afgewerkte producten aflevert. Afb. 15 Overzicht functies celorganellen 6 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.1 Membraanstructuren Het is opmerkelijk hoeveel membranen er in een cel voorkomen. Alle cellen worden omgeven door een celmembraan. Maar ook in het cytoplasma komen er celorganellen voor die bestaan uit membranen die dezelfde structuur vertonen als het celmembraan. 3.1.1 Cytoplasmamembraan = celmembraan Het celmembraan vormt de grens tussen de omgeving (extracellulair) en de celinhoud (intracellulair). Deze grens met de buitenwereld controleert de in- en uitvoer in de cel. Het voorkomt dat ongewenste stoffen de cel binnendringen en dat celeigen stoffen de cel zomaar verlaten. Het membraan zorgt voor een selectieve stofuitwisseling tussen de cel en de celomgeving. Het laat gewenste stoffen, zoals O2 en glucose, binnen maar zorgt er ook voor dat stoffen, zoals CO2, de cel kunnen verlaten. Afb. 16 Structuur van een membraan 7 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Een celmembraan is vervormbaar en zelfsluitend. Dit wil zeggen dat bij het doorbreken van het membraan (bv. met een naald) het gaatje vanzelf zal sluiten. Het celmembraan is voor het grootste gedeelte opgebouwd uit fosfolipiden. Deze fosfolipiden hebben een dubbel karakter. Hun ‘kopje’ is waterlievend of hydrofiel terwijl de vetzuurstaartjes waterafstotend of hydrofoob zijn. Omdat er zowel aan de buitenkant als aan de binnenkant een waterige oplossing zit, rangschikken de fosfolipiden zich in een dubbellaag waarbij de vetzuurstaartjes naar elkaar gericht zijn. Tussen de fosfolipiden zitten er cholesterolmoleculen. Cholesterolmoleculen bepalen mee de membraanvloeibaarheid. De aanwezigheid van cholesterol maakt de membraan stijver (minder vloeibaar, minder vervormbaar). Het aantal cholesterolmoleculen kan sterk variëren van cel tot cel. In niet-dierlijke cellen wordt cholesterol weinig of niet aangetroffen. Het celmembraan wordt vergeleken met een vloeibaar mozaïekmodel waarbij fosfolipiden, eiwitten (= proteïnen) en andere membraancomponenten ronddrijven als ijsbergen in de zee. Sommige eiwitten steken enkel uit aan de binnenkant van de cel, of aan de buitenkant. Andere eiwitten steken dwars door het membraan heen. Deze transmembraanproteïnen hebben diverse functies. Een voorbeeld van transmembraanproteïnen zijn de transporteiwitten. Deze eiwitten spelen een rol bij het vervoer van stoffen doorheen het celmembraan. Receptoreiwitten gaan verbindingen aan met stoffen van buiten de cel en geven op die manier signalen door aan de cel. Hormonen bijvoorbeeld kunnen de activiteit van een cel beïnvloeden door zich te binden aan de receptoren. Ze passen op deze receptoren zoals een sleutel in een slot past.2 2 Zo zal na een maaltijd het hormoon insuline binden aan specifieke receptoren in de levercellen. De levercellen krijgen dan een signaal om glucose op te nemen uit het bloed. Insuline speelt een belangrijke rol bij de regeling van de bloedsuikerspiegel. 8 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar In het celmembraan kunnen er ook glycoproteinen3 en glycolipiden voorkomen. Dat zijn respectievelijk proteïnen en lipiden waaraan suikerketens gekoppeld zijn. Deze suikerketens vormen de glycocalyx. De glycocalyx vindt men enkel terug langs de buitenzijde van de cel. De glycocalyx maakt de cel herkenbaar en vormt als het ware de ‘vingerafdruk’ van de cel. Het afweersysteem is in staat om op basis van deze suikerketens cellen te herkennen als lichaamseigen of lichaamsvreemd. 3.1.2 Kern met kernmembraan De kern (= nucleus) is omgeven door twee membranen die gescheiden zijn door een tussenruimte. Het buitenste membraan staat in verbinding met het endoplasmatisch reticulum. In dit dubbelmembraan zijn er op verschillende plaatsen kleine kernporiën. Doorheen deze kernporiën staat de kern in contact met het cytoplasma en Afb. 17 Schets van kern kunnen stoffen uitgewisseld worden. In de kern is het kernlichaampje (1 of enkele) of de nucleolus (mv. nucleoli) te zien. De kernlichaampjes zijn de aanmaakplaatsen van het ribosomaal RNA (rRNA) dat nodig is voor de opbouw van ribosomen. Ze zijn waarneembaar als bolvormige, donkergekleurde zones in de kern. Afb. 18 EM-foto kern De kern vormt het controlecentrum van de cel. De kerninhoud of het kernplasma ziet er korrelig uit en bevat chromatine zo genoemd omdat dit als fijne draadjes goed zichtbaar wordt na kleuring.4 Het chromatine bevat eiwitten en het DNA (desoxyribonucleïnezuur). In het DNA zit de erfelijke informatie opgeslagen. Het DNA bevat de code om eiwitten te maken (vb. insuline, keratine in haar,…). 3 In het celmembraan van rode bloedlichaampjes zitten glycoproteïnen die verschillen van persoon tot persoon. De aanwezige glycoproteïnen bepalen de bloedgroep van een persoon. 4 Chróma (Grieks) = kleur 9 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.1.3 Endoplasmatisch reticulum5 Het endoplasmatisch reticulum vormt een netwerk van membranen die een groot deel van de cel innemen. Het ruw endoplasmatisch reticulum (r van het Engelse ‘rough’) is verbonden met het kernmembraan en is bezet met ribosomen. Het RER speelt een rol bij de aanmaak van eiwitten. De aanmaak van eiwitten gebeurt op basis van de genetische code in het DNA. De ribosomen op het RER maken op basis van de genetische code in het DNA eiwitten aan die via poriën in het RER terechtkomen. In het RER zullen de gevormde eiwitten een driedimensionale structuur krijgen die belangrijk is voor hun werking. Soms worden er ook suikerketens toegevoegd aan de proteïnen in het RER. Vervolgens worden de meeste proteïnen verpakt in transportblaasjes en vervoerd naar het Golgi-apparaat. Het glad endoplasmatisch reticulum (s van het Engelse ‘smooth’) is verbonden met het RER en bevat geen ribosomen. Het SER staan in voor onder andere: de aanmaak van vetten en geslachtshormonen, de omzetting van suikers de afbraak van bijvoorbeeld drugs, alcohol en medicijnen opslag van calcium Afb. 19 Schets van RER en SER Afb. 20 EM-foto RER 5 Endo = binnen (Grieks voorvoegsel) / reticulum = netwerk (Latijns) 10 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.1.4 Golgi-apparaat Het Golgi-apparaat bestaat uit een stapel afgeplatte zakjes die Golgi-cisternen worden genoemd. In het Golgi-apparaat komen transportblaasjes toe. Deze blaasjes zijn gevormd door het ER en bevatten suikers, eiwitten en vetten. Deze stoffen worden in het Golgi- apparaat afgewerkt (bv. door toevoegen suikerketens) en daarna verpakt in blaasjes. Deze blaasjes worden met behulp van een soort adressticker naar de juiste plaats verzonden. Als de blaasjes naar het celmembraan gaan, dan zullen ze daarmee versmelten en stoffen uit de cel brengen of onderdelen naar het celmembraan zelf vervoeren. Blaasjes die stoffen uit de cel brengen worden secretieblaasjes genoemd. Cellen met een secretiefunctie (bv. speekselklieren) zullen veel Golgi-apparaten bevatten. Het Golgi-apparaat zorgt ook voor de vorming van blaasjes die lysosomen worden genoemd. (zie 3.1.5). Afb. 21 Schets van Golgi-apparaat Afb. 22 EM-foto Golgi-apparaat 11 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Afb. 23 Schets functioneel verband tussen ER, Golgi-apparaat en lysosomen Afb. 24 Schets functioneel verband tussen celkern, ER en Golgi-apparaat 12 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.1.5 Lysosomen Lysosomen zijn afsnoeringen van het Golgi- apparaat, omgeven door een membraan. Lysosomen bevatten een mengsel van bijzondere eiwitten nl. enzymen.6 Lysosomen komen enkel voor in dierlijke cellen. Afb. 25 EM-foto lysosomen De functie van lysosomen op celniveau komt overeen met de functie van het spijsverteringsstelsel op het niveau van een organisme. In de lysosomen vindt de intracellulaire vertering plaats. Men onderscheidt hierbij twee vormen: Heterofagie is de vertering van stoffen die van buiten de cel afkomstig zijn. - Voedingsstoffen worden bij eencelligen in de cel opgenomen via een voedselvacuole (soort blaasje). De voedselvacuole versmelt met een lysosoom. Op die manier worden de opgenomen voedingsstoffen verteerd tot bouwstenen voor de cel. - Bepaalde witte bloedcellen doen aan fagocytose en nemen indringers op via een blaasje (=fagosoom). Dit blaasje versmelt met een lysosoom en zo worden de indringers vernietigd. Autofagie is de vertering van celeigen materiaal (bv. verouderde celorganellen) Afb. 26 Schematische voorstelling functioneel verband tussen R.E.R., Golgi-apparaat en lysosoom 6Enzymen spelen een rol bij opbouw- en afbraakreacties in organismen. De lysosomen bevatten afbraakenzymen. De bouw en werking van enzymen komt verder in de cursus aan bod. 13 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Intermezzo: Lysosomen spelen een rol bij het krijgen van Alzheimer Een neurodegeneratieve ziekte is een aandoening waarbij in de loop van de jaren zenuwcellen in hersenen of ruggenmerg heel geleidelijk aan afsterven. Doordat dit proces heel langzaam verloopt is dit een chronische ziekte die steeds erger wordt. De aantasting van zenuwcellen leidt tot ernstige lichamelijke en geestelijke invaliditeit. Een gekend voorbeeld van een neurodegeneratieve ziekte is de ziekte van Alzheimer. De ziekte van Alzheimer is de meest voorkomende vorm van dementie. Het is een hersenziekte, waarbij neuronen in sommige delen van de hersenen ophouden met functioneren en afsterven. Onderzoekers hebben ontdekt dat genetische aanleg het risico op Alzheimer verhoogt. Naast genetische aanleg spelen ook andere factoren een rol (bv. voeding, fysieke activiteit,…) Vooral oudere mensen worden getroffen door deze ziekte. De ziekte wordt gekenmerkt door: geheugenverlies, taalproblemen, toenemende onhandigheid,gedragsstoornissen (bv. agressie),… Wanneer hersencellen van patiënten met de ziekte van Alzheimer onder een microscoop bekeken worden blijkt dat ze volgepakt zijn met onverteerd materiaal. In gezonde mensen wordt dit afgebroken in de lysosomen. In de hersencellen van Alzheimerpatiënten blijken de lysosomen niet goed te werken. Dit leidt tot de ophoping van onverteerd materiaal wat zo duidelijk te zien is onder de microscoop. Eén van de materialen die ophoopt is bèta-amyloïd. Dit eiwit stapelt zich op tussen de zenuwcellen en vormt de zogenaamde plaques. Deze plaques bemoeilijken de communicatie tussen de hersencellen. In het cytoplasma van de hersencellen ontstaat een kluwen van een ander eiwit, de zogenaamde tangles. Deze tangles bestaan uit het onoplosbaar tau-eiwit. Het tau-eiwit is normaal een onderdeel van de microtubuli (zie verder). Het eiwit zorgt ervoor dat de microtubuli opgebouwd en gestabiliseerd worden. Bij Alzheimerpatiënten verandert de structuur van het tau-eiwit en vallen de microtubuli uit elkaar. Hierdoor verliest de zenuwcel haar structuur en verloopt het transport van voedingsstoffen doorheen de cel niet goed. Uiteindelijk zal de cel sterven. Op macroscopisch niveau vindt er langzaamaan een globale inkrimping van de hersenen plaats. De groeven en windingen worden dieper en de hersenkamers worden groter. Afb. 27 Veranderingen in de hersenen op microscopisch (links) en op macroscopisch niveau (rechts) Om de ziekte te behandelen gebruikt men momenteel medicijnen die het ziekteproces vertragen of de symptomen van de ziekte verminderen. 14 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.1.6 Mitochondriën Een mitochondrion of mitochondrium (mv. mitochondriën of mitochondria) is een ovaal blaasje, begrensd door een dubbel membraan. Het binnenste membraan is sterk geplooid en vormt cristae (enkelvoud: crista). De inhoud wordt matrix genoemd en bevat een weinig DNA7 en ribosomen. Afb. 28 Schets van mitochondrion Afb. 29 EM-foto mitochondrion In de mitochondriën vindt de celademhaling plaats. Tijdens dit proces worden voedingsstoffen (vb. glucose) m.b.v. enzymen in de matrix en de binnenste membraan verbrand. Hierbij komt er energie vrij die wordt vastgelegd in de universele energiedrager ATP (= adenosinetrifosfaat). ATP wordt verbruikt tijdens allerlei lichaamsprocessen die energie vergen (bv. het samentrekken van spieren). Noteer hieronder de globale reactie van de celademhaling: ___________________________________________________________________ 7Het mitochondriaal DNA (mt DNA) wordt bij mensen en andere zoogdieren bijna altijd overgeërfd via de moeder. Dat komt doordat bij de bevruchting alleen de mitochondriën van de eicel behouden blijven. De mitochondriën in de zaadcel bevinden zich in het middenstuk en dat blijft tijdens de bevruchting samen met de staart buiten de eicel. 15 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.1.7 Plastiden Plastiden zijn omgeven door een dubbele membraan en komen enkel voor bij planten. Volgens kleur en taak onderscheidt men: Amyloplasten of leukoplasten zijn kleurloos en zorgen voor de opslag van zetmeel. Chloroplasten (= bladgroenkorrels) bevatten chlorofyl (= bladgroen) en doen aan fotosynthese. Chlorofylmoleculen vangen lichtenergie op om energierijke suikers op te bouwen uit CO2 en H2O. Noteer hieronder de globale reactie van de fotosynthese: ______________________________________________________________ Chromoplasten zorgen voor de opslag van rode, oranje of gele kleurstoffen. Deze kleurstoffen geven kleur aan plantendelen zoals bloemen en vruchten (tomaten, bananen, sinaasappels,…) Afb. 30 Lichtmicroscopische foto van leukoplast (links), chloroplast (midden) en chromoplast (rechts) Een bepaalde type van plastiden kan overgaan in een ander type van plastiden. Als tomaten rijpen worden de groene chloroplasten omgezet in roodgekleurde chromoplasten. Tijdens de herfst worden groene chloroplasten omgezet in chromoplasten die verantwoordelijk zijn voor de herfstkleuren van bladeren.. Als je aardappelen in het licht laat liggen worden ze groen. De kleurloze leukoplasten worden omgezet in chloroplasten. Typisch voor een chloroplast zijn de vele, kleine, groene lichaampjes: de grana (enkelvoud: granum). De grana in de chloroplast zijn met elkaar verbonden door intergranale lamellen. 16 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar De grana zelf bestaan uit stapeltjes kleine, groene membraanzakjes: de thylakoïden. De thylakoïdmembranen bevatten het chlorofyl en de enzymen die nodig zijn voor het fotosyntheseproces. Dat alles ligt in een kleurloze vloeistof: het stroma. In deze vloeistof komen ook vetdruppeltjes, zetmeelkorrels, ribosomen en DNA voor. Afb. 31 Schets van chloroplast Afb.32 EM-foto chloroplast 3.1.8 De vacuole Een vacuole is een blaasje omgeven door een membraan, de tonoplast. Ze komen eerder uitzonderlijk voor in dierlijke cellen, maar zijn opvallend groot bij plantaardige cellen. De vacuole bevat een waterige oplossing van ionen, suikers, zuren, kleurstoffen,… Afb. 33 EM-foto vacuole 17 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar De vacuole heeft verschillende functies in planten: Doordat de vacuole goed gevuld is, ontstaat een druk tegen de celwand die planten hun stevigheid verleent. Ze speelt een rol in de groei door celstrekking. In de vacuole kunnen er allerlei stoffen worden opgeslagen (vb. watervoorraad en voedingsstoffen). Bij sommige plantensoorten bevat de vacuole giftige stoffen om de plant tegen celvraat te beschermen De vacuole kan ook stoffen afbreken zoals de lysosomen in dierlijke cellen. Bij eencellige eukaryoten hebben vacuolen eveneens verschillende functies: Ze spelen een rol bij de osmoregulatie (bv. bij het pantoffeldiertje). Dit is de regeling van de concentratie opgeloste stoffen en hoeveelheid water in de cel. Er kunnen voedselvacuolen aanwezig zijn. Deze voedselvacuolen bevatten stoffen die door de cel werden opgenomen en afgebroken moeten worden. 3.2 Niet-membraanstructuren 3.2.1 Ribosomen Ribosomen zijn kleine, bolvormige organellen bestaande uit een kleine en een grote subeenheid. Ze zijn opgebouwd uit rRNA en eiwitten. Ribosomen komen vrij voor in het cytoplasma of zijn verbonden met het RER. Cellen waarin veel eiwitsynthese gebeurt, zijn rijk aan ribosomen. Hieruit kan men afleiden dat ribosomen betrokken zijn bij de aanmaak van eiwitten. Afb. 34 Schets van ribosoom Afb. 35 EM-foto ribosomen 18 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.2.2 Het cytoskelet Het cytoplasma bevat naast de celorganellen ook netwerken van eiwitdraden bestaande uit microfilamenten, intermediaire filamenten en microtubuli (zie 3.2.4). Zij vormen het cytoskelet dat mee de vorm, stevigheid en beweeglijkheid van de cel kan bepalen. Afb. 36 Schets van cytoskelet Afb. 37 EM-foto cytoskelet Intermezzo: Het cytoskelet Microfilamenten zijn de kleinste filamenten. Ze zijn opgebouwd uit het eiwit actine. Ze komen als een netwerk voor net onder het celmembraan zodat de cel in staat is om bruuske vormveranderingen op te vangen. Microfilamenten spelen ook een rol bij de beweging van spiercellen en bij de deling van een dierlijke cel in twee dochtercellen. Intermediaire filamenten zijn sterke draadvormige filamenten opgebouwd uit verschillende soorten eiwitten. Intermediaire filamenten zorgen onder meer voor het juist positioneren van celorganellen in de cel, zoals de centrale ligging van de celkern. Keratine is een voorbeeld van een intermediair filament. Dat is een eiwit dat voorkomt in haar, nagels en huid. Plantencellen bevatten geen intermediaire filamenten. Ze zorgen mee voor de stevigheid van de cel en deze taak wordt in plantencellen vervuld door de celwand en de vacuole. Microtubuli zijn de grootste filamenten. Ze zijn opgebouwd uit het eiwit tubuline. Het zijn holle, buisvormige structuren die straalsgewijs een netwerk vormen in het cytoplasma. Hun functie wordt uitgebreid besproken in 3.2.4. 19 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.2.3 Celwand De celwand komt voor bij onder andere plantencellen, schimmels8 en de meeste prokaryoten9. Dierlijke cellen bezitten geen celwand. De celwand zorgt voor stevigheid, vorm en bescherming van de cel. In de celwand zijn meestal drie grote celwandlagen te onderscheiden, namelijk (van binnen naar buiten toe) een dikkere secundaire celwand, een dunnere primaire celwand en de middenlamel. Afb. 38 Bouw van de celwand met van binnen naar buiten toe: secundaire celwand, primaire celwand en middenlamel De primaire celwand bij plantencellen is voornamelijk opgebouwd uit cellulose. Cellulose bestaat uit ketenvormige moleculen die in lagen liggen en onderling met elkaar verbonden zijn. Daardoor krijgt de celwand een enorm sterke structuur. Bepaalde plantencellen van jonge bladeren bezitten enkel een primaire celwand. De secundaire celwand ontstaat na de vorming van de primaire celwand. Indien een secundaire celwand aanwezig is, omringt deze laag als eerste het celmembraan. Een belangrijke component van de secundaire celwand is lignine (houtstof). Gedroogd hout bv. bestaat uit ongeveer 30% lignine. 8 Bij schimmels bestaat de celwand voornamelijk uit chitine. 9 Bij bacteriën bestaat de celwand voornamelijk uit peptidoglycaan. 20 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar De celwand van de ene plantencel is verbonden met de celwand van andere plantencellen door de middenlamel. De middenlamel bevat onder andere pectine. Pectine zorgt voor het aan elkaar klitten van naburige cellen. Bij het rijpen van fruit wordt pectine afgebroken waardoor het fruit zachter wordt. In de celwand komen er openingen voor. Deze openingen noemt men cytoplasmabruggen of plasmodesmen. Zij verbinden het cytoplasma van naburige cellen met elkaar. Afb. 39 Cellulosevezels in celwand liggen in lagen en zijn onderling met elkaar verbonden door H-bruggen (een soort intermoleculaire kracht) Afb. 40 Celwand met plasmodesmen die het cytoplasma van naburige cellen met elkaar verbinden 21 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.2.4 Microtubuli Een microtubulus bestaat uit een holle buis waarvan de wand opgebouwd is uit dertien protofilamenten. Elk protofilament is opgebouwd uit α - en β- tubuline. Afb. 41 Schets van een microtubulus Microtubuli vormen een deel van het cytoskelet en worden voortdurend opgebouwd en weer afgebroken. Op die manier zijn ze tegelijk star en flexibel. Hierdoor spelen ze een belangrijke rol in : de beweging van cellen (bv. bij amoeben) de verplaatsing van allerlei organellen in de cel. De microtubuli vormen hierbij een soort spoorwegennet waarlangs organellen kunnen bewegen met behulp van motorproteïnen. Afb. 42 Beweging van organellen langsheen microtubulus m.b. v. een minuscuul krachtpatsertje genaamd motorproteïne Microtubuli vormen ook de basis voor de structuur van trilharen, zweepharen en centriolen. 22 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.2.5 Centriolen Centriolen komen enkel voor in dierlijke cellen. In elke dierlijke cel zit één centriolenpaar. Dit centriolenpaar vormt samen het centrosoom. Elk centriool heeft de vorm van een cilinder die opgebouwd is uit 9 groepjes van drie microtubuli, die als de schoepen van een watermolen gerangschikt zijn. Ze zijn onderling verbonden door vezels die uit andere proteïnen bestaan dan tubuline. De centriolen spelen een rol bij de deling van de cel. Afb. 43 Schets van centriool Afb. 44 EM-foto centriool 23 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 4 Verschillende celtypes 4.1 Prokaryote en eukaryote cellen Men kan cellen indelen in twee grote groepen: prokaryote en eukaryote cellen. Ze verschillen onderling in grootte en in de aanwezige celorganellen. Afb. 45 Schets prokaryote en eukaryote cel Prokaryote cellen hebben een erg eenvoudige structuur. Alle bacteriën zijn prokaryoten. De prokaryote cellen die nu nog leven gelijken heel erg op de fossiele cellen die werden gevonden in rotsen in Zuid-Afrika en Australië. Die fossiele cellen zijn meer dan 3,5 miljard jaar oud. Prokaryoten waren vermoedelijk de enige levende organismen op aarde gedurende 2 miljard jaar tot de eerste eukaryoten verschenen. Eukaryote cellen hebben een veel complexere structuur dan prokaryoten en zijn ook groter. Planten, dieren, schimmels,… zijn eruit opgebouwd. Ondanks de fundamentele verschillen in structuur zijn er ook enkele gelijkenissen tussen prokaryote en eukaryote cellen. De eukaryote cellen zijn immers geëvolueerd uit de prokaryoten. Dat verklaart waarom ze dezelfde genetische code hanteren. Ze hebben ook beide een celmembraan en kunnen omgeven zijn door een celwand. De celwand van de prokaryoten heeft echter duidelijk een andere samenstelling dan die van eukaryoten. 24 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Inwendig is de eukaryote cel veel complexer dan een prokaryote cel. Bij prokaryote cellen zit het genetisch materiaal los in het cytoplasma. Eukaryote cellen daarentegen hebben een kern die omgeven is door een complexe membraanstructuur (het kernmembraan). Vandaar komen de termen prokaryoot (Gr. pro = voor, karyon = kern) en eukaryoot (Gr. eu = echt). Prokaryote cellen hebben veel minder DNA dan eukaryote cellen: het genetisch materiaal bestaat grotendeels uit 1 ringvormige DNA-streng terwijl in de kern van eukaryote cellen meerdere chromosomen voorkomen. Hun DNA is nooit geassocieerd met proteïnen (‘naakt’ DNA) wat wel het geval is in de chromosomen van eukaryoten. Naast het centraal gelegen DNA bevat een prokaryote cel soms ook nog kleine cirkelvormige DNA-moleculen, de plasmiden. Die zijn van groot belang in de biotechnologie. Het cytoplasma van de twee soorten cellen is erg verschillend. Bij eukaryote cellen komen er veel organellen voor in het cytoplasma die omgeven zijn door of bestaan uit membraanstructuren, bijvoorbeeld mitochondriën, plastiden, vacuolen, endoplasmatisch reticulum en Golgi-apparaat. Deze membraanstructuren komen niet voor bij prokaryote cellen. Het cytoskelet van eukaryote cellen is anders opgebouwd dan het cytoskelet in prokaryote cellen. Een celorganel dat ze wel gemeenschappelijk hebben zijn ribosomen, hoewel hun opbouw en structuur verschilt. Prokaryote cellen delen veel eenvoudiger dan eukaryote cellen. Dankzij die simpele manier van delen kunnen prokaryote cellen zich bijzonder snel vermenigvuldigen. Een bacteriepopulatie kan zich elke 20 tot 40 minuten verdubbelen. Zowel prokaryoten als eukaryoten kunnen flagellen hebben om zich voort te bewegen. Hun structuur is echter volledig verschillend: eenvoudige proteïnefilamenten (flagelline) bij de prokaryoten en een complexe geordende eiwitstructuur bij eukaryoten. 25 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Gelijkenissen Prokaryoten en Eukaryoten 1. Ze bezitten dezelfde genetische code. 2. Ze bezitten beide een celmembraan en eventueel een celwand. 3. Ze bezitten beide ribosomen. Tabel 2 Gelijkenissen tussen pro- en eukaryoten Verschillen Prokaryoten Eukaryoten 1. Geen echte celkern → DNA los in 1. Celkern omgeven door kernmembraan cytoplasma → DNA in kern 2. Minder DNA: 1 cirkelvormige DNA- 2. Meer DNA -> verschillende streng chromosomen 3. Naakt DNA 3. DNA geassocieerd met eiwitten 4. Plasmiden kunnen aanwezig zijn 4. Geen plasmiden aanwezig 5. Geen membraanstructuren in cel 5. Veel membraanstructuren zoals mitochondriën, Golgi-apparaat,… in cel 6. Bouw cytoskelet verschillend van 6. Bouw cytoskelet verschillend van eukaryoten prokaryoten 7. Snelle eenvoudige celdeling 7. Trage, complexe celdeling 8. Kleiner (1 – 10 µm) 8. Groter (10 – 100 µm) 9. Verschillende opbouw van celwand, 9. Verschillende opbouw van celwand, flagellen en ribosomen flagellen en ribosomen Tabel 3 Verschillen tussen pro- en eukaryoten 26 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 4.2 Ontstaan eukaryote cel Men vermoedt dat de prokaryote cel de eerste vorm van leven is geweest. De eukaryote cel is veel later ontstaan en is maar 1 miljard jaar oud. De kern en ook het endoplasmatisch reticulum zijn vermoedelijk ontstaan door instulpingen van de celmembraan. In een eukaryote cel organellen komen celorganellen voor met een dubbelmembraan (bv. mitochondriën) suggereert men dat deze organellen ooit als symbiotische prokaryoten zijn opgenomen in andere cellen. Deze hypothese wordt de endosymbiosetheorie genoemd. Mitochondriën zijn volgens die theorie aërobe bacteriën die in een prokaryote cel geslopen zijn. De bacterie vindt bescherming en voedingsstoffen in de cel en levert energie aan de cel. Volgens dezelfde theorie zijn chloroplasten fotosynthetiserende bacteriën die in symbiose zijn gaan leven met een andere prokaryote cel. Argumenten voor die endosymbiosetheorie zijn: Mitochondriën en chloroplasten bezitten een dubbelmembraan: het eigen membraan en die van het blaasje waarin ze werden opgesloten. Ze bezitten eigen DNA: naakt en cirkelvormig (zoals bij prokaryoten) Ze bevatten ribosomen van het prokaryote type. Afb. 46 Ontstaan eukaryote cel 27 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 4.3 Plantaardige en dierlijke cellen Aan de hand van volgende figuren kan je zelf een vergelijking maken tussen een plantaardige en een dierlijke cel. Plantaardige cel Dierlijke cel celmembraan celwand kern endoplasmatisch reticulum Golgi-apparaat lysosomen mitochondriën plastiden vacuole ribosomen cytoskelet centriolen Tabel 4 Gelijkenissen en verschillen tussen plantaardige en dierlijke cellen 28 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Afb. 47 Schets plantaardige cel Afb. 48 Schets dierlijke cel 29 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 5 Cellen in relatie tot andere organisatieniveaus De biosfeer is het deel van de aarde waar leven mogelijk is. De biosfeer is opgebouwd uit verschillende ecosystemen (bv. ecosysteem bos, ecosysteem vijver). Elk ecosysteem (bv. ecosysteem bos) bevat verschillende populaties van organismen (bv. populatie reeën, populatie everzwijnen). Een populatie is een groep van organismen van dezelfde soort die op een welbepaalde plaats en op een welbepaald tijdstip samenleven en zich generatie op generatie voortplanten. (bv. Een populatie everzwijnen bestaat uit verschillende everzwijnen). Een organisme bestaat uit één of meerdere cellen. Een voorbeeld van een eencellig organisme is een bacterie, een voorbeeld van een meercellig organisme is een mens. De cel wordt, zoals eerder vermeld, de basiseenheid van het leven genoemd. Dat betekent dat ze autonoom haar levensfunctie kan vervullen. In de cel vindt men celorganellen (bv. mitochondriën) die opgebouwd zijn uit moleculen (bv. fosfolipiden) die op hun beurt uit atomen bestaan (bv. fosfor, koolstof). Bij meercellige organismen zullen cellen zich verder verenigen tot grotere structuren. 5.1 Cellen vormen weefsels Een cel leeft. Dat betekent dat ze in staat is zichzelf gedurende een bepaalde periode in stand te houden. Ze moet zorgen voor toevoer, verwerking en afvoer van stoffen en energie. Die interacties met het uitwendig milieu gebeuren bij een eencellig organisme door of via het celmembraan. Maar hoe gebeurt het bij organismen die uit vele miljoenen cellen opgebouwd zijn? 30 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Bij meercellige organismen zijn bepaalde cellen aangepast aan specifieke functies. Die specialisatie zorgt ervoor dat ze er ook enigszins anders uitzien: ze zijn gedifferentieerd. De bouw van de cel is aangepast aan de functie. Zaadcellen hebben bijvoorbeeld een zweepstaart om zich voort te bewegen naar de eicel. Zenuwcellen bezitten dendrieten om signalen op te vangen en een axon om impulsen door te geven. De darmwandcellen (= darmepitheelcellen) van de dunne darm hebben vingervormige uitstulpingen (microvilli) die zorgen voor oppervlaktevergroting. Deze uitstulpingen zorgen voor een optimale opname van voedingsstoffen vanuit de darminhoud in het bloed. Afb. 49 De bouw van cellen is aangepast aan hun functie (van links naar rechts): zaadcel met zweepstaart, zenuwcel met dendrieten/axon, darmwandcel met microvilli Cellen gespecialiseerd in dezelfde of gelijkaardige taak komen samen voor, hierdoor stijgt de efficiëntie. Een dergelijke groepering van cellen noemt men een weefsel. Zo is er: Epitheelweefsel bestaande uit aansluitende cellen die de buitenkant afsluiten of organen en lichaamsholten bekleden (bv. binnenkant van onze wang). Bindweefsel dat verbindt en andere weefsels ondersteunt. Kraakbeenweefsel, beenweefsel, vetweefsel en bloed behoren tot het bindweefsel. Spierweefsel bestaande uit cellen die kunnen samentrekken. Zenuwweefsel bestaande uit cellen die gespecialiseerd zijn in het doorgeven van een impuls (prikkel). Afb. 50 Spierweefsel Afb. 51 Zenuwweefsel 31 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 5.2 Weefsels vormen organen Weefsels die bij elkaar liggen en een gemeenschappelijke taak hebben, vormen samen een orgaan. Als voorbeeld bekijken we ons hart. Het hart bevat verschillende weefsels met elk hun eigen taak: Het spierweefsel zorgt voor het samentrekken van het hart. Het zenuwweefsel zorgt voor de prikkelgeleiding en zorgt ervoor dat de hartspier in het juiste tempo en in de juiste volgorde samentrekt (eerst boezems, dan kamers). Het vetweefsel zorgt voor een beschermlaagje rond het hart. Het bloed wordt door het hart naar ons lichaam gepompt. Het zorgt voor het transport van O2, voedingsstoffen,… Afb. 52 Verschillende weefsels in het hart 32 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 5.3 Organen vormen stelsels Verschillende organen die samenwerken aan één grote taak vormen een stelsel (= orgaansysteem). Bij de mens kan men verschillende stelsels onderscheiden. Hieronder enkele voorbeelden: Onze longen behoren tot het ademhalingsstelsel. De nieren behoren tot het uitscheidingsstelsel. De eierstokken behoren tot het voortplantingsstelsel. De maag behoort tot het spijsverteringsstelsel. Het hart behoort tot het transportstelsel. De hersenen behoren tot het zenuwstelsel. Afb. 53 Het spijsverteringsstelsel 33 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 5.4 Stelsels vormen een organisme Doordat de verschillende stelsels samenwerken, bekomt men een goed werkend geheel dat men een organisme noemt. Afb. 54 Verband tussen cel-weefsel-orgaan-stelsel-organisme In een organisme vormen de gespecialiseerde stelsels de schakel tussen de individuele cellen en het milieu. Dankzij de samenwerking tussen deze stelsels is elke cel in het lichaam bereikbaar en kan ze alle levensfuncties vervullen. Zo wordt het voedsel door het spijsverteringsstelsel afgebroken tot elementaire basisstoffen. Deze voedingsstoffen, die bouwelementen en energie vertegenwoordigen, worden via de darmen opgenomen in het bloed. Het bloed wordt via bloedvaten in het transportstelsel door het hele lichaam getransporteerd. Via dat fijnmazige transportsysteem kunnen de voedingsstoffen bij elke cel komen. In de cel worden ook afvalstoffen geproduceerd en afgevoerd via hetzelfde transportstelsel. Het uitscheidingsstelsel zorgt voor de definitieve verwijdering van de afvalstoffen uit het organisme. 34 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Zuurstofgas wordt ter hoogte van de longen (ademhalingsstelsel) opgenomen in het bloed (uitwendige ademhaling). Het bloed vervoert het zuurstofgas naar de verschillende weefsels van ons lichaam. In de cellen van deze weefsels vindt de inwendige ademhaling of celademhaling plaats. Tijdens dit proces worden voedingsstoffen m.b.v. zuurstofgas verbrandt in de mitochondriën van deze cellen. Hierbij worden energie en CO2 gevormd. CO2 wordt opgenomen in het bloed en vervoert naar de longen waar het wordt afgegeven aan de buitenlucht. bloed Opname van O2 in de Inwendige ademhaling longen = en Celademhaling Afgifte van CO2 aan in de mitochondriën buitenlucht van de cellen = Uitwendige ademhaling Uitwendige ademhaling bloed Afb. 55 Voorbeeld: gespecialiseerde stelsels vormen schakel tussen individuele cellen en milieu 35 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 6 Celdifferentiatie Alle cellen van een meercellig organisme zijn ontstaan uit dezelfde bevruchte eicel. Om van een bevruchte eicel tot een volgroeid organisme te komen, zijn twee essentiële processen nodig: celdeling en celdifferentiatie. Door celdeling neem het aantal cellen in een organisme toe. Tijdens elke celdeling zal de oorspronkelijke cel opgedeeld worden in twee dochtercellen die elk de helft van het vooraf gekopieerde DNA krijgen. Beide dochtercellen zijn dus genetisch identiek aan elkaar en de oorspronkelijke moedercel. Afb. 56 Celdeling speelt een belangrijke rol bij de groei van een organisme Celdifferentiatie is de omzetting van een weinig gespecialiseerde cellen naar gespecialiseerde cellen, waarbij deze gewoonlijk veranderen van vorm, grootte en functie. In elk celtype zullen dus specifieke delen van het DNA actief zijn en ervoor zorgen dat de cel haar specifieke functie kan uitoefenen. In het ontwikkelingsproces van een organisme spelen stamcellen een belangrijke rol. Een stamcel is een cel die zichzelf kan delen en daarnaast nog in staat is om te differentiëren tot één of meer gespecialiseerde celtypes. Stamcellen spelen niet alleen een belangrijke rol bij de groei van een organisme, maar zijn ook essentieel voor het onderhoud, herstel van weefsels bij volwassen organismen. 36 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 6.1 Celdifferentiatie bij dierlijke cellen Bij dieren neemt naarmate de embryonale ontwikkeling vordert, het delings- en differentiatievermogen van stamcellen af. Op basis van dit delings- en differentiatievermogen van stamcellen onderscheidt men verschillende soorten stamcellen. Totipotente stamcellen kunnen uitgroeien tot een volledige mens. Niet alleen de bevruchte eicel is totipotent, maar ook de cellen van een achtcellig embryo. Pluripotente stamcellen kunnen uitgroeien tot bijna alle celtypes. Embryonale stamcellen zijn pluripotent. Ze kunnen zich nog ontwikkelen tot alle soorten lichaamscellen, maar niet tot cellen van de placenta (= moederkoek), wat een totipotente stamcel wel nog kan. Multipotente stamcellen kunnen ontwikkelen tot verschillende celtypes die in één specifiek weefsel voorkomen. Foetale stamcellen, navelstrengstamcellen en sommige volwassen stamcellen zijn multipotent. In het beenmerg bevinden zich bijvoorbeeld volwassen stamcellen die kunnen differentiëren tot de drie soorten bloedcellen: rode bloedcellen, witte bloedcellen en bloedplaatjes. Afb. 57 Cellen in het beenmerg zijn multipotent Unipotente stamcellen kunnen zich slechts ontwikkelen tot één celtype. Een voorbeeld hiervan zijn de volwassen stamcellen in de teelbal van de man die zaadcellen vormen. 37 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Intermezzo: stamceltherapie Bij stamceltherapie (=stamceltransplantatie) krijgt een patiënt gezonde, goedwerkende stamcellen toegediend. Deze ongedifferentieerde stamcellen zijn in staat om in een ander soort lichaamscel te veranderen en zo defecte of afwezige cellen in het lichaam te vervangen. Er bestaan twee vormen van stamceltransplantatie. Bij autologe stamceltherapie komen de stamcellen uit het bloed van de patiënt zelf. Er is dan geen kans op afstoting van de toegediende stamcellen. Bij allogene stamceltherapie worden stamcellen van een donor gebruikt. Om afstoting te voorkomen moet men op zoek gaan naar geschikte donor waarvan het weefseltype zo veel mogelijk overeenstemt met de patiënt. De keuze tussen autologe en allogene stamceltransplantatie hangt onder meer af van de ziekte die de patiënt heeft. Afb. 58 Verschil tussen autologe (links) en allogene (rechts) stamceltransplantatie Stamceltherapie kan gebruikt worden voor onder andere de behandeling van leukemie. Leukemie is een vorm van kanker, die wordt veroorzaakt door een woekering van afwijkende witte bloedcellen (leukocyten). Er bestaan verschillende vormen van leukemie. Soms wordt bij de behandeling van leukemie als ondersteunde behandeling stamceltherapie gebruikt. Voor de stamceltransplantatie krijgt de patiënt eerst chemotherapie, radiotherapie en/of medicatie toegediend om de kankercellen te doden. Om de stamcellen te verzamelen moest vroeger een beenmergpunctie (beenmergtransplantatie) gebeuren. Nu gebeurt dit via een bloedtransfusie wat minder belastend is voor de donor. De donor krijgt voor de bloedtransfusie medicatie om ervoor te zorgen dat stamcellen vanuit het beenmerg in de bloedbaan terechtkomen. De verkregen stamcellen worden via de bloedbaan toegediend en vinden zelf hun weg naar het beenmerg. Ongeveer 12 dagen na het toedienen van de stamcellen treedt er een herstel op van het beenmerg. 38 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 6.2 Celdifferentiatie bij plantaardige cellen Bij volwassen planten vindt men cellen terug die een compleet nieuwe plant kunnen vormen. In volwassen planten bevinden zich dus stamcellen die totipotent zijn. Ze kunnen nog uitgroeien tot alle onderdelen van een plant (blad, bloem, …). Stamcellen in een plant bevinden zich voornamelijk in de stengel- en worteltoppen. Het weefsel waarin deze stamcellen zich bevinden wordt meristeemweefsel genoemd. Naast celdeling en celdifferentiatie speelt ook celstrekking een belangrijke rol bij de groei van planten. Nadat celdeling heeft plaatsgevonden vindt celstrekking plaats. Tijdens dit proces zullen cellen zich strekken doordat de cellen water opnemen in de pasgevormde vacuole en zo langer worden. Na celstrekking gaan de cellen zich differentiëren tot wortelharen, cellen van transportweefsel,…. Afb. 59 Celdeling en celstrekking zijn belangrijke processen bij de groei van planten 39 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 7 Zelfreflectie Noteer in onderstaande tabel de functies van de verschillende celdelen. De oplossing vind je terug op smartschool. Celdelen en hun functie Celstructuur Functie celmembraan kern nucleolus r.E.R s.E.R. Golgi-apparaat lysosoom mitochondrion chloroplast chromoplast leukoplast vacuole ribosoom cytoskelet celwand microtubulus centriool 40 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Hoofdstuk 2: Stofuitwisseling tussen cellen en hun milieu Om goed te kunnen functioneren is het noodzakelijk dat cellen en hun omgeving voortdurend stoffen kunnen uitwisselen. Moleculen zoals glucose, water en zuurstofgas moeten worden opgenomen in de cel. Afvalstoffen zoals koolstofdioxide moeten de cel verlaten. In dit hoofdstuk wordt besproken via welke transportmethodes die uitwisseling van stoffen tussen cellen en hun omgeving langsheen het celmembraan kan gebeuren. 1 Passief transport Deze vorm van transport vergt geen energie van de cellen. Door passief transport wordt het oorspronkelijk concentratieverschil kleiner. 1.1 Diffusie 1.1.1 Omschrijving diffusie Als je een druppel inkt in een bekerglas laat vallen , merk je dat de pigmenten zich over de hele vloeistof verspreiden zonder te roeren of schudden. Dit kan je gemakkelijk begrijpen als je inziet dat de moleculen (zowel de watermoleculen als de inktmoleculen) voortdurend bewegen. Door de Afb. 1 Vrije diffusie beweging als gevolg van hun inwendige energie botsen de moleculen tegen elkaar en zullen ze de beschikbare ruimte innemen. Bij diffusie verplaatsen de moleculen van de opgeloste stof zich van het gebied met een hoge concentratie van de stof naar een gebied met de lage concentratie van de stof tot de concentratie overal gelijk is. 41 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Moleculen van een vaste stof kunnen enkel diffunderen als ze in een vloeistof opgelost zijn. Moleculen van vloeistoffen en gassen kunnen ook diffunderen. Zo kan je bij het spuiten van deo na verloop van tijd de geur over het gehele klaslokaal ruiken. Diffusie kan ook plaatsvinden als de stoffen gescheiden zijn door een permeabel (= doorlaatbaar) membraan. Hierbij zijn de poriën voldoende groot om de moleculen van de diffunderende stoffen door te laten. De celwand bij plantencellen kan men beschouwen als een permeabel membraan, want ze vormt geen hinderpaal voor de meeste stoffen. Afb. 2 Diffusie van twee opgeloste stoffen doorheen permeabel membraan Bij het celmembraan kunnen geladen ionen en grote polaire moleculen (bv. glucose) moeilijk doorheen de hydrofobe fosfolipidenlaag van het membraan. Kleine polaire moleculen (bv. water) en apolaire moleculen (bv. O2 en CO2) kunnen wel vrij doorheen het celmembraan diffunderen. Daarom noemt men een celmembraan semi-permeabel (= half-doorlaatbaar). Afb. 3 Diffusie doorheen semi-permeabel celmembraan 42 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 1.1.2 Voorbeelden van diffusie bij organismen De uitwisseling van gassen in organismen gebeurt steeds via diffusie: Ter hoogte van de longblaasjes wordt O2 via diffusie opgenomen in het bloed. CO2 en H2O-damp worden via diffusie afgegeven aan de omgeving. Ter hoogte van de weefsels wordt O2 vanuit het bloed via diffusie opgenomen in de omliggende weefsels. CO2 diffundeert vanuit de weefsels naar het bloed. Ter hoogte van de placenta diffundeert O2 van het bloed van de moeder naar het bloed van het kind. CO2 verplaatst zich in de tegengestelde richting. …. Afb. 4 Voorbeeld diffusie: gasuitwisseling t.h.v. longblaasje 43 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 1.2 Vergemakkelijkte diffusie (= geleide diffusie) 1.2.1 Omschrijving vergemakkelijkte diffusie Sommige moleculen (bv. glucose) kunnen niet vrij doorheen het celmembraan diffunderen. Cellen beschikken over gespecialiseerde transporteiwitten, namelijk kanaaleiwitten, aquaporines en carriers om deze moleculen te transporteren. Men noemt dit vergemakkelijkte diffusie. In het celmembraan van één cel zitten duizenden van deze transportproteïnen voor allerlei moleculen. Sommige transportproteïnen laten slechts één soort molecule door, andere laten verschillende soorten door. a) Kanaaleiwitten Kanaaleiwitten zijn met water gevulde tunnels die zorgen voor het transport van kleine wateroplosbare deeltjes (bv. Na+ en K+). Allerlei regelmechanismen1 bepalen of deze kanaaltjes open of gesloten zijn. Op deze manier kan de cel controleren welke Afb. 5 Werking kanaaleiwit in celmembraan ionen of moleculen in of uit de cel gaan. Speciale kanaaleiwitten zijn de waterkanalen of aquaporines. Dit zijn specifieke kanaaltjes voor het transport van water. Ze komen voornamelijk voor in cellen waar het transport van water snel moet gebeuren vb. in de membranen van speekselkliercellen, Afb. 6 Werking aquaporine in celmembraan traankliercellen, … Ook in de vacuolemembraan van planten vindt men aquaporines terug. Tijdens plasmolyse en deplasmolyse worden relatief snel grote hoeveelheden water respectievelijk afgegeven en opgenomen (zie 1.3.2). 1 Bv. elektrische spanning over het celmembraan, binding van neurotransmitters aan receptormolecule,…. 44 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar b) Carriers Carriers herkennen en binden bepaalde moleculen zoals glucose of aminozuren. Deze carriers veranderen dan van vorm en op Afb. 7 Werking carrier in celmembraan die manier brengen ze de gebonden molecule aan de andere kant van het membraan. Voor elke molecuulsoort bestaat er een ander soort carrier. Zo kan aan de carrier voor glucose geen fructose binden. De aard van de aanwezige carriers bepaalt welke moleculen er in en uit de cel getransporteerd worden. 1.2.2 Voorbeeld van vergemakkelijkte diffusie bij organismen De impulsgeleiding in zenuwcellen is gebaseerd op veranderingen in de membraanpotentiaal. De membraanpotentiaal is het spanningsverschil tussen de binnenkant en de buitenkant van het celmembraan. Het spanningsverschil wordt veroorzaakt door de verschillende concentratie van positieve (Na+ en K+) en negatieve ionen (Cl- en negatief geladen eiwitmoleculen) aan weerszijden van het membraan. In rust is de binnenzijde van de cel negatief geladen t.o.v de buitenzijde. Er bevinden zich meer Na+-ionen buiten de cel dan binnen de cel. Voor K +-ionen geldt het omgekeerde. Wanneer er een impuls doorheen een zenuwcel loopt zullen kanaaleiwitten voor Na+- en K+-ionen zich achtereenvolgens openen. Na+-ionen bewegen zich eerst naar binnen en K+-ionen bewegen zich vervolgens naar buiten. Daardoor treden er veranderingen op in de membraanpotentiaal en kan de impuls worden doorgegeven. Afb. 8 Verloop impulsgeleiding: rustfase (links),Na+kanalen open (midden), K+-kanalen open (rechts) 45 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Intermezzo: Nierdialyse is gebaseerd op diffusie In de jaren 40 is men in staat de nierfunctie gedeeltelijk kunstmatig over te nemen, we spreken dan van nierdialyse. Men gaat over op nierdialyse als de nierwerking door een nierziekte is afgenomen tot ongeveer 5 tot 10 procent. Door ophoping van afvalstoffen in het bloed raakt het lichaam vergiftigd. Met nierdialyse wordt het bloed op een kunstmatige manier gezuiverd. Dit gebeurt meestal drie keer per week, telkens gedurende ongeveer vier uren. Afb. 9 Oud dialysetoestel Bij nierdialyse wordt het bloed langs een kunstmatig membraan geleid. Het te filteren bloed loopt via een slangetje van de ader naar de kunstnier. In die kunstnier stroomt het bloed door honderden dunne buisjes. De wanden van die buisjes bestaan uit een semi-permeabel membraan. Afvalstoffen kunnen doorheen het membraan, maar bestanddelen zoals de meeste eiwitten en bloedcellen worden door het membraan tegengehouden. Aan de andere kant van het semi-permeabel membraan stroomt de dialysevloeistof, het spoelwater. Dat spoelwater neemt geleidelijk de giftige afvalstoffen uit het bloed op. Het bloed en de dialysevloeistof stromen in tegengestelde richting. Dit bevordert de opname van afvalstoffen in de dialysevloeistof. Als het bloed en de dialysevloeistof in dezelfde richting zouden stromen, dan zou de opname van afvalstoffen in de dialysevloeistof veel minder grondig kunnen gebeuren. Dit tegenstroomprincipe vindt men terug bij vele biologische processen. Afb. 10 Werking nierdialyse 46 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 1.3 Osmose 1.3.1 Omschrijving osmose Osmose is een speciale vorm van diffusie waarbij het oplosmiddel zich verplaatst doorheen een semi-permeabel membraan van het gebied waar de concentratie aan opgeloste stoffen lager is naar het gebied waar deze concentratie hoger is. Afb. 11 Osmose doorheen een semipermeabel membraan Als men twee oplossingen met verschillende concentraties vergelijkt, noemt men deze met de hoogste concentratie aan opgeloste stof hypertoon. De oplossing met de laagste concentratie aan opgeloste stof is dan hypotoon. Dit zijn relatieve begrippen die alleen een betekenis hebben in vergelijkingen. Zo is kraantjeswater _________________ ten opzichte van gedestilleerd water en ___________________ ten opzichte van zeewater. Hebben twee oplossingen dezelfde concentratie dan noemt men ze isotoon. Afb. 12 Verduidelijking begrippen hypotoon, isotoon en hypertoon: de oplossing links is.... t.o.v. de oplossing rechts 47 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 1.3.2 Osmotische zuigkracht, osmotische druk en osmotische waarde van een oplossing Men kan de osmotische zuigkracht aantonen met behulp van afbeelding 13. Figuur A stelt een vat voor dat door een semi-permeabele wand in twee vakken (1 en 2) is verdeeld; beide zijn tot hetzelfde niveau met water gevuld. In vak 1 zit een opgeloste stof, bv. glucose. In B zie je de toestand enige tijd later. Het niveau in 1 is gestegen en in 2 evenveel gedaald. Er was dus een waterverplaatsing door osmose. Je ziet dat het water wordt opgezogen van 2 naar 1, dus van een plaats met een lage concentratie aan opgeloste deeltjes, naar een plaats met een hoge concentratie. Men spreekt van de osmotische zuigkracht van een oplossing. Afb. 13 Schematische voorstelling van de osmotische zuigkracht (B) en de osmotische druk (C) van een oplossing Als de osmotische zuigkracht wordt tegengewerkt door een tegendruk uit te oefenen op het vloeistofniveau van vak 1, zoals in C, dan gebeurt die waterverplaatsing niet. De grootte van de drukkracht die je moet uitoefenen om eenzelfde vloeistofniveau te verkrijgen is gelijk aan de osmotische druk van de oplossing. Aangezien een oplossing slechts een osmotische zuigkracht uitoefent als ze doorheen een semi-permeabele wand in contact staat met water, spreken we ook van de osmotische waarde van een oplossing. Hoeveel water er zich door osmose zal verplaatsen hangt af van de concentratie van de osmotisch werkzame deeltjes in de oplossing. Hoe geconcentreerder een oplossing is, hoe hoger de osmotische waarde. Een glucose-oplossing in een bekerglas heeft een osmotische waarde maar oefent geen osmotische zuigkracht uit. De osmotische waarde van een oplossing geeft de grootste osmotische zuigkracht of druk waar die de oplossing kan uitoefenen. 48 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 1.3.3 Voorbeelden van osmose bij organismen a) Plasmolyse en deplasmolyse in plantencellen Normaal gezien is de celinhoud van een plantencel hypertoon t.o.v. het milieu (o.a. het bodemwater). Als gevolg van osmose neemt de plantencel water op in de vacuole. Door de sterk gezwollen vacuole wordt de celinhoud tegen de celwand gedrukt en zet de cel uit. Daardoor ontstaat er een druk op de celwand die men de turgordruk noemt. De plantencel kan niet blijven uitzetten doordat de stevige celwand een tegendruk uitoefent. Als de cel haar grootste volume bereikt heeft, is ze volledig opgespannen of turgescent. Planten verkrijgen hun stevigheid door de turgordruk in hun cellen. Bij watertekort valt de turgordruk geleidelijk weg en verwelken de planten. Als men een plantencel in een hypertone oplossing brengt, dan zal door osmose water aan de vacuole onttrokken worden. De vacuole krimpt en de celmembraan kan loskomen van de celwand. Dit verschijnsel noemt men plasmolyse. Brengt men de plantencel vervolgens in een hypotone oplossing (bv. regenwater), dan dringt door osmose weer water binnen in de vacuole. De vacuole zwelt op en drukt de celmembraan opnieuw tegen de celwand aan. Dit verschijnsel heet deplasmolyse. Afb. 14 Plasmolyse en deplasmolyse in een plantencel Het gebruik van zout om onkruid in de tuin te doden is gebaseerd op plasmolyse. 49 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar b) Osmoregulatie bij pantoffeldiertjes Organismen kunnen soms de concentratie van opgeloste stoffen in hun cellen aanpassen om te overleven. Zo is de celinhoud van een pantoffeldiertje hypertoon Afb. 15 Pantoffeldiertje met kloppende t.o.v. het zoete water waarin ze leeft. vacuole Daardoor dringt er water via de celmembraan naar binnen. Om te vermijden dat de cel openbarst, beschikt ze over een kloppende vacuole. Dat organel pompt het overtollig water weer naar buiten. c) Hongeroedeem bij kinderen in ontwikkelingslanden Ondervoede kinderen in ontwikkelingslanden hebben vaak een opgezwollen buik. Het verschijnsel wordt veroorzaakt door een eiwittekort door een ontoereikende of eenzijdige voeding. Door voedselgebrek daalt het eiwitgehalte in het bloed waardoor het bloed hypotoon wordt ten opzichte van het weefselvocht. Vervolgens verplaatst water zich vanuit de bloedvaten naar het weefselvocht. Vooral de buik zwelt daar sterk bij op omdat er in de buikholte veel bloedvaten zijn. Afb. 16 Kinderen met hongeroedeem Men noemt deze ziekte ‘kwashiorkor’. Letterlijk betekent dit: de ziekte die het oudere kind krijgt als de baby geboren is. Zolang een kind borstvoeding krijgt, haalt het de nodige eiwitten uit de moedermelk. Vanaf het ogenblik dat er een nieuwe baby is, moet het oudere kind overschakelen op een andere voeding. In de derde wereld bestaat dit vooral uit aardappelen, bananen,... Deze voedingsmiddelen bevatten weinig proteïnen. 50 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 2 Actief transport Deze vorm van transport vergt energie van de cellen. Door actief transport wordt het oorspronkelijk concentratieverschil groter. 2.1 Actief transport via eiwitpompen 2.1.1 Omschrijving actief transport via eiwitpompen Een eerste manier om moleculen of ionen tegen de concentratiegradiënt in te verplaatsen, is via eiwitpompen in het membraan. Afb. 17 Actief transport via eiwitpomp Een eiwitpomp beschikt over een bindingsplaats voor een bepaalde molecule of ion. Na de binding van deze molecule of dit ion verandert de pomp van vorm en de gebonden molecule of het gebonden ion komt daarbij vrij. Er bestaan verschillende types van deze pompen. De meeste pompen werken slechts voor één bepaalde stof en werken slechts in één richting. 51 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 2.1.2 Voorbeeld van actief transport via eiwitpompen Eén van de meest bestudeerde eiwitpompen is de Na+-/K+-pomp in zenuwcellen. Zoals reeds vermeld in 1.2.2 is de concentratie Na+-ionen buiten de cel groter dan de concentratie Na+-ionen binnen de cel. Voor K+-ionen geldt het omgekeerde. Door deze concentratieverschillen binnen en buiten de cel diffunderen Na+-ionen naar binnen en K-ionen naar buiten. Om de concentratieverschillen tussen Na+- en K+-ionen binnen en buiten de cel te behouden zal de Na+-/K+-pomp Na+-ionen actief naar buiten en K+-ionen actief naar binnen pompen. Afb. 18 Werking Na+/K+-pomp in zenuwcellen Ook voor het telkens opnieuw prikkelbaar maken van de zenuwcellen is het nodig om het ladingsverschil tussen Na+- en K+-ionen te herstellen. 52 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Intermezzo: Bij mucoviscidose is het actief transport door zoutkanalen verstoord Mucoviscidose of taaislijmziekte (ook cystische fibrose genoemd) is een genetisch overdraagbare ziekte die ontstaat door een defect in het water en zout transport in cellen. Op verschillende plaatsen in ons lichaam maken slijmproducerende cellen slijm of mucus aan. Deze slijmproducerende cellen geven hun inhoud af aan holle organen in de luchtwegen, het maag- darmkanaal,… De aanmaak van slijmen en het bevochtigen van de slijmvliezen wordt geregeld door meerdere zout- en waterkanalen. Bij mucoviscidose werkt één van deze zoutkanalen niet. Dit zoutkanaal is een eiwit dat zich in de celmembraan bevindt. Het wordt het ‘CFTR’- eiwit genoemd. CFTR staat voor ‘ cystic fibrosis transmembrane conductance regulator’ Dit eiwit regelt het chloortransport doorheen de celmembraan. In normale omstandigheden vindt er actief transport van chloorionen vanuit de cel naar de holtes van de luchtwegen, het maag-darmkanaal,… plaats. Het gevormde slijm is dan hypertoon ten opzichte van de celinhoud. Hierdoor wordt water door osmose afgegeven door de cel en wordt het gevormde slijm minder viskeus. Bij mucoviscidose werkt het chloorkanaal niet, waardoor er minder actief transport is van chloorionen vanuit de cel en dus ook het transport van water naar buiten de cel wordt hierdoor verhinderd. Bijgevolg ontstaat er taai slijm. Afb. 19 Chloor en water transport in een slijmproducerende cel (links: normale situatie / rechts: situatie bij muco) Het viskeuse slijm kan moeilijk afgevoerd worden via de trilharen in de luchtwegen. Het slijm stapelt zich op en verhindert zo meer en meer de ademhaling. Ook de spijsvertering wordt verstoord. Patiënten met muco hebben ook te kampen met vruchtbaarheidsproblemen. De behandeling van muco slorpt veel tijd en energie op (bv. ophoesten van slijmen, inhaleren van medicatie,…) 53 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 2.2 Actief transport via endo- of exocytose 2.2.1 Omschrijving actief transport via endo- en exocytose Een tweede manier om deeltjes tegen de concentratiegradiënt in te verplaatsen, is via blaasjes. Deze blaasjes worden ook membraanzakjes genoemd omdat ze steeds omgeven zijn door een dubbele fosfolipidenlaag. Men onderscheidt twee vormen van blaasjestransport: endo- en exocytose. a) Endocytose Bij endocytose zal de cel vloeistofdruppels of partikels van buiten de cel opnemen Daarbij zal een gedeelte van het celmembraan instulpen en vervolgens afsnoeren waardoor er een klein blaasje ontstaat. Naargelang de grootte van het deeltje en de manier van opnemen zijn er twee vormen: pinocytose en fagocytose. Afb. 20 Verschillende vormen van endocytose: pinocytose (links) en fagocytose (rechts) 54 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Bij pinocytose zal het celmembraan lichtjes instulpen en een druppel extracellulaire vloeistof met daarin opgeloste stoffen omgeven. Dit geheel wordt vervolgens via de afsnoering van een membraanzakje opgenomen in de cel. Een voorbeeld van pinocytose is de opname van vetdruppels ter hoogte van de dunne darm. Bij fagocytose zal het celmembraan uitstulpingen of pseudopodiën vormen die vaste deeltjes insluiten. De uitstulpingen versmelten met elkaar waardoor er een membraanzakje ontstaat dat wordt opgenomen in de cel. Een voorbeeld van fagocytose is de opname van een indringer door een witte bloedcel. Het gevormde blaasje met de ingesloten indringer versmelt met een lysosoom zodat de indringer vervolgens kan vernietigd worden door de aanwezige enzymen in het lysosoom. b) Exocytose Exocytose is eigenlijk het omgekeerde van endocytose. Door versmelting van het celmembraan met een in de cel gevormd membraanzakje zal de inhoud van dit membraanzakje worden afgegeven aan de extracellulaire ruimte. Exocytose wordt dikwijls door cellen gebruikt om afvalstoffen buiten Afb. 21 Verband tussen endo- en de cel te brengen. exocytose Door exocytose zal de totale celmembraanoppervlakte behouden blijven, want wat verloren gaat door endocytose wordt gecompenseerd door exocytose. 55 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 2.2.2 Voorbeeld van actief transport via endo- en exocytose Exocytose wordt door kliercellen gebruikt om stoffen uit de cel te brengen. Men maakt een onderscheid tussen endocriene en exocriene klieren. Bij endocriene klieren worden er in de kliercellen hormonen2 aangemaakt in het endoplasmatisch reticulum en eventueel verder afgewerkt in het Golgi-apparaat. In het Golgi-apparaat worden blaasjes met hormonen afgesnoerd. Die blaasjes versmelten met het celmembraan en de hormonen komen vrij in de bloedbaan. Een voorbeeld van een endocriene klier is de schildklier. Bij exocriene klieren worden de in de kliercellen geproduceerde stoffen (verteringsenzymen, zweet, moedermelk,…) opgeslagen in kleine blaasjes. Die blaasjes versmelten vervolgens met het celmembraan en de stoffen diffunderen zo naar buiten. 2 Hormonen zijn signaalstoffen die via de bloedbaan cellen van weefsels/organen bereiken en zo een cellulaire respons opwekken. 56 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3 Zelfreflectie Hieronder worden de verschillende vormen van stofuitwisseling tussen cellen en hun milieu schematisch weergegeven. Probeer de verschillende vormen van transport te herkennen en noteer die vormen op de juiste plaats in het schema. De oplossing vind je terug op smartschool. Afb. 22 Overzicht verschillende vormen van stofuitwisseling tussen cellen en hun milieu 57 Sint-Donatus Campus Markt  Thema 2: Celmetabolisme  Cursus biologie 5de jaar Hoofdstuk 1: Rol van enzymen in stofwisselingsprocessen 1 Verschil stofuitwisseling en stofwisseling Om goed te kunnen functioneren is het voor een organisme belangrijk dat er voortdurend stoffen uitgewisseld worden met de omgeving. In de cellen van een levend wezen worden er dus continu stoffen opgenomen en afgegeven. Dit transport op celniveau wordt stofuitwisseling genoemd en werd reeds uitvoerig besproken in hoofdstuk 2 van thema 1. In organismen moeten er ook voortdurend stoffen worden omgezet in andere stoffen. Het geheel van chemische reacties in cellen of organismen noemt men stofwisseling of metabolisme. 2 Soorten stofwisselingsreacties Chemische reacties in de cellen van een organisme kan men verdelen in twee soorten: anabole en katabole reacties. Bij anabole reacties of assimilatie worden grote moleculen gevormd uit kleinere moleculen. Deze reacties verbruiken energie en zijn daarom endo-energetisch. Voorbeelden van anabole reacties zijn: de aanmaak van proteïnen door de aaneenschakeling van aminozuren, het fotosyntheseproces waarbij glucose wordt gevormd uit koolstofdioxide en water,…. De door anabole reacties gevormde moleculen worden ingebouwd of tijdelijk opgeslagen in de lichaamscellen en zorgen voor groei, onderhoud en herstel van het lichaam. Bij katabole reacties of dissimilatie worden grotere moleculen afgebroken tot kleinere. Bij deze reacties komt er energie vrij en zijn daarom exo-energetisch. Deze energie kan gebruikt worden voor energievergende processen zoals beweging en het op peil houden van de lichaamstemperatuur. 58 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Voorbeelden van katabole reacties zijn de afbraakreacties in het spijsverteringsstelsel, de oxidatie van voedingsstoffen zoals glucose in de mitochondriën ,… energie energie grotere moleculen bv. eiwitten, zetmeel,… anabole reactie katabole reactie kleinere moleculen bv. aminozuren, ,… Afb. 1 Verband tussen tussen anabole en katabole reacties 3 Enzymen Een steriele oplossing van sacharose kan in een hermetisch gesloten fles nagenoeg onbeperkt bewaard worden. Men moet het suiker blootstellen aan hoge temperaturen of aan de werking van sterke zuren of basen wil het afgebroken worden. Een organisme kan echter niet onbeperkt wachten of beschikt niet over zulke radicale middelen om sacharose om te zetten. Daarom bestaan er in cellen verbindingen die dergelijke stofwisselingsprocessen wel mogelijk maken ; het zijn zgn. biokatalysatoren of enzymen. Op enkele uitzonderingen na (zoals sommige RNA-moleculen), hebben nagenoeg alle enzymen een eiwitstructuur. Verder blijken alleen globulaire eiwitten te kunnen fungeren als enzymen. 59 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.1 Functie van enzymen Demo-experiment Onderzoeken Onderzoeksvraag: Hoe beïnvloedt het enzym katalase in aardappelcellen de reactiesnelheid waarbij waterstofperoxide (H2O2) wordt afgebroken tot O2 en H2O. Hypothese: _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Informeren In cellen ontstaat als bijproduct van de stofwisseling de schadelijke stof waterstofperoxide. Het wordt onmiddellijk onschadelijk gemaakt door het enzym katalase. Het ontstaan van O2 kan tijdens de chemische reacties worden waargenomen in de vorm van bruisen en m.b.v. een gloeiende houtspaander. Uitvoeren Benodigdheden: twee proefbuizen, H2O2-oplossing, aardappel, mesje, houtspaander, lucifers, pipet Werkwijze: - Giet in twee proefbuizen 5 ml H2O2-oplossing. - Snijd enkele stukjes uit een aardappel. - Doe de aardappelstukjes in één van de twee proefbuizen met H2O2-oplossing. - Sluit de proefbuizen af met een dop. - Laat de proefbuizen enkele minuten staan en kijk wat er gebeurt. - Steek met een lucifer een houtspaander aan en blaas uit zodat hij blijft gloeien. - Doe de dop van de proefbuis zonder aardappel. Steek onmiddellijk de gloeiende houtspaander in de proefbuis. - Herneem de twee laatste stappen voor de proefbuis met de aardappelstukjes. Waarnemingen: _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Reflecteren _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 60 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Enzymen zijn biokatalysatoren. Ze verlagen de activeringsenergie1 om een bepaalde reactie te laten plaatsvinden waardoor deze reactie makkelijker en dus sneller2 verloopt. Na de reactie kan het enzym onveranderd teruggevonden worden. Afb. 2 Invloed van enzym op verloop enzymatische reactie Afb. 3 Nodige activeringsenergie bij een chemische reactie met en zonder enzym 3.2 Bouw van enzymen De meeste enzymen bestaan uit twee delen: Het apo-enzym is het eiwitgedeelte dat op zichzelf geen enzymatische werking heeft. De cofactor is het niet-eiwitgedeelte dat zorgt dat het eiwit wel een enzymatische werking krijgt. De cofactor kan een metaalion zijn of een organische verbinding die men dan een co-enzym noemt. Vele vitaminen zijn co-enzymen. Bij vitaminetekorten kunnen bepaalde, door een enzym gekatalyseerde reacties, niet doorgaan. 1 De noodzakelijke hoeveelheid energie die men moet toevoegen om een bepaalde reactie te laten plaatsvinden, noemt men de activeringsenergie. 2 De snelheid waarmee een enzymatische reactie gebeurt is vaak fenomenaal ; zo veroorzaakt 1 molecule van het enzym katalase de ontbinding van 5 000 000 moleculen waterstofperoxide per minuut bij 0°C! 61 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Een enzym is dus pas functioneel zodra de cofactor eraan verbonden is. Afb. 4 Schematische voorstelling bouw van een enzym 3.3 Werking van enzymen Door de eiwitstructuur heeft een enzym een driedimensionale vorm die van groot belang is voor de werking van het enzym. Het enzym bezit een groef of holte die het actieve centrum van het enzym vormt. Dat actieve centrum is zo gevormd dat de stof waarop het enzym inwerkt er precies in past. De stof die door het enzym wordt omgezet, noemt men het substraat. Enzymen zijn substraatspecifiek d.w.z. dat ze slechts kunnen reageren met één soort substraat. Om dit voor te stellen gebruikt men dikwijls het beeld van een sleutel die past op een welbepaald slot, het sleutel-slotprincipe. Hierbij treedt het substraat op als sleutel en het actieve centrum Afb. 5 Schematische voorstelling sleutel- van het enzym als slot. Het eiwitgedeelte van het slotprincipe enzym, meer bepaald het actieve centrum, bepaalt de substraatspecificiteit. Tijdens een enzymatische reactie gaat het enzym een binding aan met zijn substraat, waardoor een kortlevend enzym-substraatcomplex ontstaat. Er treedt een specifieke reactie in het substraat op waarna het complex zich terug ontbindt en men één of meerdere producten bekomt. Zoals eerder vermeld is het enzym onveranderd gebleven en kan het vervolgens een nieuwe gelijkaardige reactie katalyseren. 62 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Stel de werking van een enzym schematisch voor en benoem alle delen die je tekent. Sommige enzymen kunnen een substraat afbreken tot verschillende producten en versnellen dus afbraakreacties. Zo zullen in het spijsverteringsstelsel verschillende enzymen met afbraakfunctie werkzaam zijn. Andere enzymen koppelen verschillende substraten aan elkaar zodat er een nieuw product wordt gevormd. Een enzym met opbouwfunctie kan men bijvoorbeeld terugvinden in de lever. Het enzym glycogeensynthase versnelt daar de aaneenschakeling van glucosemoleculen tot glycogeen. Afb. 6 Schematische voorstelling van een enzym met afbraakfunctie en een enzym met opbouwfunctie 63 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar 3.4 Naamgeving van enzymen Enzymen worden meestal genoemd naar het substraat waarop ze inwerken. De naam van het enzym heeft daarbij meestal als uitgang –ase. Voorbeelden van enzymen waarvan de naam naar het substraat verwijst: lipase, lactase,…. 3.5 Factoren die de reactiesnelheid van enzymen beïnvloeden 3.5.1 Invloed van substraatconcentratie Bij het bestuderen van een enzymatisch gekatalyseerde reactie stellen we altijd een typisch verloop vast bij het uitzetten van de reactiesnelheid van een enzym in functie van de toenemende concentratie aan substraat. Afb. Afb.7 7Invloed Invloedvan van substraatconcentratie substraatconcentratie op op reactiesnelheid reactiesnelheid van van een een enzym enzym Bij een lage substraatconcentratie zijn de actieve centra van de enzymmoleculen niet verzadigd en is de reactiesnelheid afhankelijk van de concentratie aan substraat. Bij toename van het substraat kunnen er meer substraatmoleculen botsen met enzymen waardoor de kans op het plaatsvinden van een enzymatisch gekatalyseerde reactie verhoogt. 64 Sint-Donatus Campus Markt  Cursus biologie 5de jaar Bij een hoge substraatconcentratie, zijn de actieve centra meer en meer bezet, tot bij volledige verzadiging, dit is het moment waa