De Functionele Morfologie van de Cel PDF

1 I. De Functionele Morfologie van de Cel Een basiskenmerk van alle levende organismen is dat ze opgebouwd zijn uit één of meer cellen. Ons lichaam bijvoorbeeld bevat meer dan 10 12 cellen. Begrijpen en verklaren hoe een organisme functioneert kunnen we maar als we weten hoe een cel (...

1 I. De Functionele Morfologie van de Cel Een basiskenmerk van alle levende organismen is dat ze opgebouwd zijn uit één of meer cellen. Ons lichaam bijvoorbeeld bevat meer dan 10 12 cellen. Begrijpen en verklaren hoe een organisme functioneert kunnen we maar als we weten hoe een cel (Lat. cellula = kamertje) werkt en hoe cellen onderling samenwerken, want op het niveau van de cel vinden we alle processen terug die kenmerkend zijn voor levende wezens: stofwisseling, reactie op prikkels en voortplanting. 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. Alle levensprocessen zoals voeding, ademhaling, transport, excretie,… kan je terugbrengen tot processen die plaatsvinden op celniveau. Die interacties met het uitwendige milieu gebeuren bij een eencellig organisme door of via het celmembraan. Maar hoe gebeurt het bij organismen die uit vele miljoenen cellen opgebouwd zijn? Alleen de buitenste cellaag en de cellen die eventuele instulpingen begrenzen, staan rechtstreeks met de buitenwereld in contact. Maar ook de vele inwendige cellen moeten bereikbaar zijn. Bij meercellige organismen zijn bepaalde cellen aangepast aan specifieke functies. Die specialisatie zorgt ervoor dat ze er ook enigszins anders uitzien: ze zijn gedifferentieerd. Een rode bloedcel ziet er daarom heel anders uit dan een zenuwcel of een spiercel. Cellen met een bepaalde bouw en functie liggen meestal gegroepeerd in een weefsel. Verschillende weefsels met verwante of specifieke, maar noodzakelijk met elkaar verbonden taken vormen samen een orgaan. Verschillende organen die samenwerken aan één grote taak zijn de samenstellende delen van een stelsel. Dankzij een netwerk van stelsels is elke cel in een lichaam bereikbaar en kan ze alle levensfuncties vervullen. Zo wordt het voedsel in het verteringsstelsel afgebroken tot elementaire basisstoffen. De voedingsstoffen gaan via de maag en de darmen naar het bloed. Het bloed circuleert in speciale vaten door het hele lichaam (transportstelsel). Via dat fijnmazige transportsysteem kunnen de voedingsstoffen bij elke cel komen. De stofwisselingsreacties in de cel zorgen voor opbouw en afbraak van verbindingen. In de cel worden ook afvalstoffen geproduceerd en afgevoerd via hetzelfde transportstelsel. Het ademhalingsstelsel zorgt voor de opname van zuurstof. Het excretiestelsel verwijdert definitief de afvalstoffen uit het organisme. Het voortplantingsstelsel produceert gameten (= voortplantingscellen) Dit zijn allemaal voorbeelden van gespecialiseerde cellen met een specifieke taak die onmisbaar zijn voor een groter geheel: het organisme. Een organisme kan je niet beschrijven als een som van zijn onderdelen. Het zijn de coördinatie en de moleculaire communicatie tussen de cellen, de weefsels en de organen die het organisme als geheel laten functioneren. Biologie 5e jaar Wet SJB  2 Het onderstaande schema maakt duidelijk dat de cel de morfologische basiseenheid is in de opbouw van een organisme. Supramacroscopische Biosfeer organisatieniveaus Ecosysteem Populatie Macroscopische organisatieniveaus Te onderzoeken met het blote oog of met een loep Organisme Organenstelsel Orgaan Weefsel Microscopische organisatieniveaus Cel Te onderzoeken met een lichtmicroscoop Submicroscopische Celorganel organisatieniveaus Te onderzoeken met een Macromolecule elektronenmicroscoop Moleculaire organisatieniveaus Te onderzoeken met indirecte methodes Molecule (bv. X – stralen diffractie) Atoom De biosfeer: Het gedeelte van de aarde waar leven mogelijk is. Een ecosysteem: Het geheel van relaties tussen de aanwezige organismen enerzijds en de relaties tussen deze organismen en abiotische factoren anderzijds. Een celorganel: Een celstructuur met een bepaalde vorm en functie. Biologie 5e jaar Wet SJB 3 I. Lichtmicroscopisch onderzoek van plant en dier. I.1. Bouw microscoop Een microscoop is een onmisbaar hulpmiddel voor de studie van celstructuren. De waarneming is mogelijk dank zij een systeem van lenzen (zie figuren). Het oculair ( met vaste vergroting) zit in de tubus. Dit is een vaste afstand. Onderaan de tubus zit een draaibare revolver bevestigd met daarop de objectieven met een verschillende vergroting. Het vaste gedeelte van de microscoop is het statief dat bestaat uit een voetstuk en een arm. Het beweegbare gedeelte is de objecttafel. Onder de objecttafel zit de condensor. Deze concentreert het licht op het preparaat. Onderaan de condensor zit het diafragma. Dit regelt de breedte van de invallende lichtbundel. I.2. Werkingsprincipe De totale vergroting van de microscoop = vergroting oculair x vergroting objectief 6 4 10 40 10 4 10 40 De kwaliteit van een microscoop wordt niet bepaald door de vergroting maar wel door het oplossend vermogen. Het oplossend vermogen is de minimumafstand tussen twee punten die nog afzonderlijk kunnen worden waargenomen. Formule oplossend vermogen: Het oplossend vermogen van het menselijk oog ligt bij de 0,2 mm. Het oplossend vermogen van een lichtmicroscoop is ongeveer 0,2 µm. I.3. Lichtmicroscopisch onderzoek van een plantencel en een dierlijke cel. Plantencel Dierlijke cel Grootte Cel begrenzing  Celkern Vacuole Cytoplasma Chloroplasten Biologie 5e jaar Wet SJB 4 II. Elektronenmicroscopisch onderzoek. II.1. Werking Bij elektronenmicroscopie (E.M.) kan men alleen dode structuren bekijken. Bij de elektronenmicroscoop wordt gebruik gemaakt van elektronenstralen in plaats van lichtstralen. Dat levert altijd een zwart - witbeeld op. Hierdoor kan theoretisch een oplossend vermogen bereikt worden van 0.1 nm. In de praktijk wordt het oplossend vermogen echter beperkt door de noodzakelijke voorbereiding van het materiaal: het beste dat met biologische preparaten kan verkregen worden is een oplossend vermogen van 1-2 nm. Dank zij het verbeteren van de preparatietechnieken en ook wel van de elektronenmicroscopen zelf kan men een continue verbetering van de kwaliteit van de E.M.-foto's waarnemen. II.1.1 Transmissie-elektronenmicroscopie T.E.M. : Belangrijke factoren bij T.E.M. zijn de fixatie van het materiaal, het inbedden in een geschikt hars en het snijden van ultradunne coupes. Bij T.E.M. zijn de preparaten dun en wordt de elektronenbundel door het preparaat gestuurd zodat de inhoud zichtbaar wordt. II.1.2 Scanning-elektronenmicroscopie S.E.M. : Bij S.E.M. worden elektronen weerkaatst op de oppervlakte van een met een zwaar metaal bestoven object. Hierdoor is S.E.M. bijzonder geschikt voor het bestuderen van de oppervlakte van biologische structuren. Dank zij de E.M. werd aangetoond dat zowel cellen van lagere als hogere organismen een uitgebreid systeem van structuren bevatten (celorganellen). II.1.3 Observaties van cellen: Cellen die zichtbaar zijn met het blote oog: - zenuwcellen - eicel van een kikker Cellen die zichtbaar zijn met een lichtmicroscoop: - plantencellen - dierlijke cellen - bacteriën  - sommige celorganellen: Cellen die zichtbaar zijn met een elektronenmicroscoop: - bacteriën - virussen - celorganellen: - macromoleculen: Biologie 5e jaar Wet SJB 5 II.2. Het onderscheid tussen prokaryoten en eukaryoten II.2.1 Prokaryoten Bacteriën en Cyanobacteriën Prokaryoten zijn kleine organismen ~ 1µm groot en waarneembaar onder een E.M. Kenmerk: eenvoudige bouw van hun cellen = geen duidelijke inwendige compartimentatie Bestanddelen: - Kernzone: een molecule DNA die niet van het cytoplasma is afgesloten. - Plasmamembraan - Cytoplasma met ribosomen en voedselpartikels - Celwand - Pili en Flagellen Tekening: Biologie 5e jaar Wet SJB 6 II.2.2 Eukaryoten Zwammen Lagere planten Hogere planten Dieren In alle eukaryoten treft men een duidelijke inwendige compartimentatie aan. = celorganellen In alle eukaryote cellen is een celkern aanwezig. Deze celorganellen hebben een eigen specifieke structuur en functie. Er is een onderscheid tussen plantaardige cellen en dierlijke cellen omdat sommige celorganellen verschillen. Taak: Maak een tabel van gemeenschappelijke en verschillende celorganellen tussen plantencellen en dierlijke cellen! Biologie 5e jaar Wet SJB 7 III. Celorganellen III.1. De Celwand De celwand is typisch voor plantencellen. In vergelijking met het plasmamembraan is de celwand veel dikker, sterker en onbeweeglijker. Schetsen ontstaan: Biologie 5e jaar Wet SJB 8 III.1.1 De primaire celwand De primaire celwand is elastisch. Deze vervormbaarheid is een gevolg van de samenstelling van de primaire celwand. Aan de buitenzijde van het celmembraan ligt een grondstof van eiwitten. In deze eiwitten worden pectine (=korrels) en cellulose(=ketens van suiker) afgezet. De eiwitten verstijven en er ontstaat een primaire celwand. III.1.2 De secundaire celwand Tijdens de appositiegroei wordt de secundaire celwand gevormd. Uit het cytoplasma worden stoffen afgezet doorheen het plasmamembraan op de primaire celwand. Deze stoffen zijn vooral pectine, cellulose, lignine (=houtstof), kurk en cutine. Deze laatste twee beschermen de plant tegen uitdrogen en binnendringen van bacteriën. Schetsen: III.1.3 Plasmodesmen Op bepaalde plaatsen worden geen verdikkingslagen afgezet, men heeft hier alleen een primaire celwand. Door deze plasmodesmen staat het protoplasma van aangrenzende cellen onderling in verbinding. III.2. Het plasmamembraan Het plasmamembraan fungeert als barrière tussen de celinhoud en de omgeving van de cel. Voor een dierlijke cel is dit plasmamembraan de enige barrière, voor een plantaardige cel vormt de celwand een bijkomende barrière. De membranen hebben echter veel meer functies dan louter dienst te doen als scheidingsvlak. Dit wordt later behandeld in de cursus. Het plasmamembraan is niet waarneembaar met een L.M. wel met een E.M. want het is slechts 8nm dik. Structuur van een plasmamembraan op een E.M.-foto: Biologie 5e jaar Wet SJB 9 Hydrofiele en hydrofobe interacties versus polaire en apolaire moleculen De interacties van moleculen ten opzichte van water geven we weer door de termen hydrofiel (waterminnend) en hydrofoob(waterafstotend). Water is een polair oplosmiddel, omdat watermoleculen polaire moleculen zijn. Een molecule is polair wanneer er een asymmetrische ladingsverdeling is over het molecule door een verschil in elektronegativiteit tussen de atomen. Zo ontstaat een molecule met een positieve en een negatieve pool: het dipoolmolecule. +- Een molecule is apolair wanneer een er symmetrische ladingsverdeling is over het molecule. Hierdoor is er geen interactie mogelijk met polaire moleculen zoals water. Apolaire moleculen zijn daarom hydrofoob. Het plasmamembraan bestaat uit fosfolipiden en eiwitten die op een welbepaalde manier gestructureerd zijn. Sommige eiwitten zitten dwars door het membraan, dit zijn de transmembraanproteïnen, andere drijven op het membraan, dit zijn de perifere proteïnen. Schematische weergave van de algemene structuur: Dus één plasmamembraan bestaat uit een dubbellaag van fosfolipiden onderbroken door eiwitten. De fosfolipiden zijn voortdurend in beweging. Het plasmamembraan moet gezien worden als een vloeibare structuur en niet als een vaste structuur. Ook cholesterolmoleculen komen voor in de membranen. Ze bepalen de vloeibaarheid van het membraan. Deze membraanopbouw noemen we het eenheidsmembraan. Zoals later blijkt, vinden we dezelfde membraanopbouw terug in verschillende celorganellen. Bij dierlijke cellen ligt op het plasmamembraan een glycocalix. Het zijn vertakte sacharidenmoleculen die vastzitten op lipiden en proteïnen. Dit zijn de glycolipiden en glycoproteïnen. De glycocalix maakt het celoppervlak herkenbaar, zodat cellen onderling kunnen communiceren. Biologie 5e jaar Wet SJB  10 Schematische voorstelling van een fosfolipide: Chemische formule: III.3. De Celkern. Schematische voorstelling van de bouw: De chromatinedraden bestaan uit eiwit en genetische informatie, het DNA. 99% van het genetisch materiaal zit in de celkern. De kern reguleert de erfelijkheid en stuurt alle chemische processen in de cel. De chromatinedraden kunnen zich spiraliseren tot chromosomen, waarneembaar bij een cel in deling. Bij de mens bezit elke lichaamscel 46 chromosomen. Deze 46 chromosomen komen echter in paren voor (homologe paren) en daarom is het juister te spreken over 23paar chromosomen. De rangschikking volgens grootte van de 23 paar chromosomen is de chromosomenkaart of het karyotype. In dit karyotype wordt er een onderscheid gemaakt tussen 22 paar autosomen (ze staan rechts) en de 2 heterosomen of geslachtschromosomen (ze staan links). De vrouw bezit 2 grote geslachtschromosomen = XX De man bezit één groot en één klein geslachtschromosoom = XY Biologie 5e jaar Wet SJB 11 III.4. Het Endoplasmatisch Reticulum (E.R.) Het E.R. staat in verbinding met het buitenste kernmembraan. Het is een netwerk van membranen dat een op zichzelf afgesloten ruimte vormt binnen de cel. Het E.R. bestaat uit twee types: III.4.1 Het R.E.R. (Ruw Endoplasmatisch Reticulum) Het is aan de buitenkant bezet met ribosomen. De voornaamste functie is de synthese van proteïnen, voornamelijk bestemt voor secretie. Een andere functie is de synthese van lipiden. Cellen die gespecialiseerd zijn in secretie bevatten zeer veel R.E.R. III.4.2 Het S.E.R. ( Glad Endoplasmatisch Reticulum) Het bevat geen ribosomen. Het heeft twee belangrijke functies: De eerste ligt op het vlak van de synthese en afbraak van lipiden. De tweede betreft de detoxificatie van toxische verbindingen. III.5. Het Golgi-apparaat Het Golgi-apparaat bestaat uit verschillende stapeltjes afgeplatte membraanzakjes; de cisternae of cisternen. Deze cisternen bezitten opgezwollen uiteinden die vesikels afsnoeren; de Golgi vesikels. De membranen van het Golgi-apparaat zijn glad, ze bezitten geen ribosomen en er gebeurt bijgevolg geen proteïnesynthese in of op het Golgi-apparaat. De belangrijkste functies zijn het opslaan en de secretie van stoffen = Export. III.6. De secretieweg in de cel Het E.R. vormt het startpunt van de secretieweg. Op de uiteinden van het R.E.R. worden er transportvesikels gevormd die migreren naar het Golgi-apparaat. Deze transportvesikels bevatten proteïnen. Deze vesikels versmelten met het Golgi-apparaat aan één welbepaalde zijde en hun inhoud doorloopt gans het Golgi-apparaat, de proteïnen doorlopen een rijpingsproces. Aan de andere zijde van het Golgi-apparaat worden er Golgi-vesikels gevormd die "rijpe" proteïnen bevatten. Deze Golgi-vesikels migreren ofwel naar het plasmamembraan ofwel naar de lysosomen. Als de vesikels met hun proteïnen versmelten met het plasmamembraan kunnen deze proteïnen in de buitenwereld worden uitgescheiden = exocytose. Als de vesikels versmelten met een lysosoom dan kan er vertering optreden. Biologie 5e jaar Wet SJB 12 III.7. De Lysosomen De lysosomen vormen de maag van de cel. De functie van de lysosomen is vertering. Lysosomen komen enkel in dierlijke cellen voor. Ze bevatten een hele reeks krachtige enzymen, de hydrolasen, die via het Golgi apparaat afkomstig zijn van het R.E.R. Deze hydrolasen werken het best in een zuur milieu, de inhoud van de lysosomen is zuur. Verklarende schets: Afbraak van partikels tot op het niveau van de bouwstenen. De bouwstenen gaan terug naar het cytoplasma. Is het materiaal dat afgebroken wordt eigen celmateriaal dan spreken we van autofagie. Is het materiaal dat afgebroken wordt afkomstig van buiten de cel, dus vreemd materiaal dan spreken we van heterofagie. Vreemd materiaal wordt door de cel opgenomen door de vorming van blaasjes door het plasmamembraan = endocytose. III.8. De Vacuole De vacuole komt voor bij planten. Ze vult het grootste gedeelte van de cel daarom spreken we ook van de centrale vacuole. Functies: Opslaan van water Opslaan van reservestoffen en pigmenten Zure inhoud; vertering III.9. De Ribosomen De kleinste partikels die we op E.M.-foto’s kunnen onderscheiden zijn de ribosomen. Deze komen ofwel vrij voor ofwel gebonden aan het E.R. Ribosomen bestaan uit twee subeenheden, een groot en een klein. Ze zijn noodzakelijk voor de synthese van proteïnen. Biologie 5e jaar Wet SJB 13 III.10. De Mitochondriën Bouw: Mitochondriën zorgen voor de energie van de cel. Ze vormen bruikbare energie = ATP uit ADP. De enzymen die hiervoor nodig zijn zitten gebonden op de cristae. Cellen die veel energie vereisen bezitten veel mitochondriën. Reactie: III.11. De Chloroplasten Bouw: Biologie 5e jaar Wet SJB 14 Chloroplasten zijn typisch voor planten. Zij doen immers aan fotosynthese. De grana zijn gestapelde membranen die afgesnoerd werden van het binnenste membraan. Op deze grana komt chlorofyl voor. Reactie: III.12. Microtubuli Het zijn dikke, holle buisjes opgebouwd uit eiwit en aan één uiteinde verbonden met het plasmamembraan. Microtubuli komen gegroepeerd voor in het centrosoom. Een centrosoom bestaat uit twee loodrecht op elkaar staande centriolen. Elk centriool bestaat uit 9 tripletten van microtubili. Het cytoskelet is een driedimensionaal netwerk van microtubuli die ontspringen in het centrosoom en eindigen aan het plasmamembraan. Functies: Vormgeven aan de cel Houden de celorganellen op hun plaats Helpt celorganellen verplaatsen binnen een cel. Vormt transportbanen waarop vesikels (blaasjes) kunnen bewegen met behulp van motorproteïnen Voorkomen: Biologie 5e jaar Wet SJB 15 Cytoskelet met microtubuli en motorproteïne Biologie 5e jaar Wet SJB