Deel 1 Bio 5 De Cel 1.1+1.2 (PDF)

BASISSTOF VERRIJKINGSSTOF De cel gezien door de lichtmicroscoop 06 Ontstaan van de celtheorie De cel gezien door de elektronenmicroscoop 09 De microscopische wereld bekeken 22 Bouw en functie van het een...

BASISSTOF VERRIJKINGSSTOF De cel gezien door de lichtmicroscoop 06 Ontstaan van de celtheorie De cel gezien door de elektronenmicroscoop 09 De microscopische wereld bekeken 22 Bouw en functie van het eenheidsmembraan 10 Osmoregulatie bij waterorganismen 23 Overzicht van de celorganellen 11 Functioneel verband tussen celorganellen 14 Wateropname door plantenwortels 24 SYNTHESE 25 Verband cel - weefsel - orgaan - stelsel - organisme 16 Stofuitwisselingen tussen cellen en hun milieu 16 Passief transport 16 Actief transport 18 UITBREIDINCSSTOF Prokaryoten - eukaryoten 19 De cel Alle levende wezens, van de primitiefste tot de verst geëvolueerde, zijn uit cellen opgebouwd. De cel is de basiseenheid van alle levende organismen. In dit thema leren we hoe cellen zijn opgebouwd en wat de functie is van de celstructuren. We zullen inzien dat activiteiten zoals voeding, ademhaling, uitscheiding...uitgevoerd door levende wezens, in hun totaliteit terug te brengen zijn tot activiteiten van individuele éellen waaruit een organisme is opgebouwd.  BASISSTOF De cel gezien door de cellen, moleculen en atomen met elkaar vergelijken Plantencellen zijn begrensd door een celwand. lichtmicroscoop het cytoplasma bevinden zich door membraan Binnen omsloten structuren, zoals de vacuolen. Meestal bij planten maar één of enkele vrij grote zijn er vacuolen aanwezig. Het cytoplasma zelf bevat naast kleine ook Alle levende organismen zijn uit één tot heel veel cellen grotere korrels, de zogenaamde plastiden, o.a.chloro- opgebouwd. Dat werd stap voor stap ontdekt V 6). plasten. Van de kleine korrels is de structuur niet Bij meercellige organismen zijn de cellen binnen een zichtbaar ze zijn nauwelijks groter dan 0,2 vm. Het cytoplasma bepaald weefsel nagenoeg identiek. Tussen de cellen van een cel is altijd in beweging. Die plasmastroming in verschillende weefsels bestaat er echter een sterke zien in een plantencel met bladgroenkorrels. is te variatie in vorm. Dat is mooi te illustreren door een Dierlijke cellen hebben geen celwand en zijn enkel aantal dierlijke cellen (dwarsgestreepte spiercel, begrensd door het plasmamembraan. zenuwcel, mondepitheelcel,witte bloedcel...)en een aantal plantencellen (epidermiscel, schorscel, Afb. 1.1 Cellen gezien door de lichtmicroscoop parenchymcel...)te bekijken en te vergelijken (afbeel- ding 7.1).Die structuurverschillen werden pas geleidelijk ontdekt na de uitvinding van de lichtmicroscoop in de plasmamembraan 17eeeuw. Naarmate de resolutie of het oplossend vermogen van de lichtmicroscoop verbeterde,konden wetenschappers de structuur van de cel beter bestuderen. Lichtmicroscopisch kunnen we in elke levende cel (gemiddelde grootteorde van 10 à 40 pm; 1 vm = 1micrometer = 10 m) een kern en een cytoplasma met een korrelig uitzicht onderscheiden. kern Op afbeelding 7.2kunnen we de afmetingen van o.a. cytoplasma wangepitheelcellen celwand vacuole met vacuolevocht cytoplasma kern jonge oude cellen cel cellen van een helmdraadhaar van de eendagsbloem celwand 4 o —cyto- plasma non( cellen van een ajuinrok BA S 'SST OF Afb.1.2 Vergelijkendevoorstelling van afmetingen 10 m mens lm sommige zenuw- en spiercellen o o kippenei 1 cm kikkerei 1 mm 100 pm O o dier- en plantencel o.10 pm meeste bacteriën mitochondrion 1 pm o O kleinste o bacterie 100 nm virussen co ribosomen 10 nm eiwitten vetten kleine moleculenO atomen 0,1 nm BASISSTOF Afb. 1.3 Schets en EM-fotovan een dierlijke cel plasmamembraan cytoplasma mitochondrion microtubulus lysosoom glad ER dictyosoom centriolenpaar nucleolus ruw ER ribosomen kernporie kern chromatine kernmembraan kemmembraan nucleolus chromatine kern lysosoom mitochondrion ruw ER  BASISSTOF De cel gezien door de dierlijke cel wordt begrensd door het plasmamembraan. elektronenmicroscoop de celkern. Het cytoplasma is een colloïdaal mengsel waarin celorganellen kunnen worden waargenomen. De kern heeft een korrelig uitzicht. De plantencel (afbeelding 1.4)is begrensd door een Door de uitvinding van de elektronenmicroscoop (EM) stevige celwand en bevat meestal een grote centrale (1933)en de verfijning ervan (1950) konden wetenschap- vacuole in het cytoplasma die de rest van het pers de submicroscopische structuur van de cel cytoplasma tegen die celwand drukt. bestuderen V 7). De cel fungeert als functionele eenheid van levende De submicroscopische celstructuur van een dierlijke cel wezens. De celstructuren maken opbouw, afbraak en wordt schematisch voorgesteld op afbeelding 1.3.De vermenigvuldiging van de cel mogelijk. Am. 1.4 Schets en EM-foto van plantencel ruw ER intercellulaire tonoplast ruimte vacuole celwand kern kernmembraan nucleolus plasma- membraan chromatine kernporie plasma dictyosoom mitochondrion tonoplast vacuole ribosoom chloroplast zetmeelkorrel chloroplast celwand plasma- membraan 2.1 Bouw EN FUNCTIE VAN HET EENHEIDSMEMBRAAN dierlijke cellen. Vele proteïnen die polysachariden In een cel komen tal van organellen voor die door een spelen een rol als specifieke celreceptor. Ze dragen herkennen in membraan begrensd zijn (Golgi-apparaat, endoplasma- het extracellulaire milieu bepaalde stoffen en binden tisch reticulum, mitochondriën, kernmembraan...). ermee. Dat kan een reactie van de cel uitlokken. Membranen hebben altijd dezelfde basisstructuur. Ze zijn Het plasmamembraan zorgt voor afsluiting. Het opgebouwd uit een dubbele fosfolipidenlaag (vetten)die voorkomt dat ongewenste stoffen de cel binnendringen een stroperige structuur vertoont en voor een relatief en dat celeigen stoffen zomaar de cel verlaten. stabiele begrenzing zorgt. In die stroperige structuur Het plasmamembraan zorgt ook voor de selectieve liggen eiwitmoleculen (membraanproteïnen)als ijsbergen stofuitwisseling tussen de cel en de celomgeving. in de zee. Die globale structuur noemen we het eenheids- laat gewenste stoffen, zoals 02 en glucose, Het binnen maar membraan (afteelding 1$). zorgt er ook voor dat stoffen, zoals C02, de cel kunnen Membranen hebben enerzijds een begrenzende en verlaten. Voor het transport van grotere moleculen, anderzijds een uitwisselingsfunctie. glucose, spelen bepaalde transmembraanmoleculenzoals rol van transportmolecule of carrier. de De graad van stroperigheid is afhankelijk van de Deeltjes die te groot zijn en daardoor niet doorheen temperatuur, de samenstelling van de lipiden het membraan geraken,worden opgenomen door (opgebouwd uit verzadigde of onverzadigde vetzuren) endocytose (afbeelding 1.7).Het plasmamembraan omsluit de en de hoeveelheid sterolen, zoals bijvoorbeeld choleste- door instulping en snoert zich naar binnen toe deeltjes rol. De stroperigheid van de membranen bepaalt de af. Zo ontstaat een endocytoseblaasje. Worden vaste activiteit van bepaalde membraanprocessen, zoals het deeltjes opgenomen, dan spreken we van fagocytose. We doorlatenvan sommige stoffen. spreken van pinocytose, als de opgenomen deeltjes vloeibaar zijn. Voor vele eencelligen is endocytose de enige manier Het plasmamembraan (7 nm dik) (afbeelding 7.6)is een van voedselopname (afbeelding 7.8).Bij de mens worden eenheidsmembraan. Het omsluit de cel. vetten door de darmepitheelcellen gedeeltelijk De meeste membraanproteïnen en sommige lipiden in opgeno- men door pinocytose. de buitenste laag van het plasmamembraan dragen Bij cellen van planten, zwammen en bacteriën is polysachariden (suikermoleculen). Ze vormen de glycoca- er nog een celwand rond het plasmamembraan. lix. een gelatineus slijmachtig omhulsel, specifiek voor Aft. 1.5 Vereenvoudigde schets van het eenheidsmembraan Afb. 1.6 Plasmamembraan van een eukaryoot extracellulaire zijde extracellulaire zijde polysacharide dubbele fosfolipidenlaag fosfolipidenlaag fosfolipidenlaag eiwit eiwit eiwit met porie intracellulaire zijde intracellulaire zijde Aft). 1.7 Endocytose plasmamembraan Afb. 1.8 Fagocytose bij een amoebe cytoplasma kern schijnvoetje endocytoseblaasje voedseldeeltje -O lysosoom plasmamembraan voedsel- vacuole  BASISSTOF 2.2 OVERZICHT VAN DE CELORGANELLEN 2.2.2Golgi-apparaat 2.2.1 Endoplasmatisch reticulum (ER) Het Golgi-apparaat bestaat uit een aantal dictyosomen. Het ER bestaat uit afgeplatte zakjes, cisternen, omsloten Elk dictyosoom is opgebouwd uit een stapel afgeplatte door een eenheidsmembraan. Wanneer de cytoplasma- membraanzakjes, Golgi-cisternen, die aan de rand kleine zijde ribosomen bevat, spreken we van het 'ruw ER' (RER) blaasjes, Golgi-blaasjes, afsnoeren (afbeelding 1.10). (afbeelding 7.9).Het RER speelt een rol bij de synthese Golgi-cisternen en Golgi-blaasjes zijn omsloten door van proteïnen. Het 'glad ER' (GER) bevat geen ribosomen een eenheidsmembraan. De Golgi-cisternen groeien aan en staat in voor de synthese van lipiden. doordat kleine vesikels, microblaasjes, zich afsnoeren Bij de eukaryoten (Grieks: eu = goed, kation kern) van het ER en met de bestaande cisternen versmelten. omsluit het ER het erfelijk materiaal met een dubbel membraan en vormt het op die manier het kernmem- Golgi-blaasjes kunnen zich verplaatsen naar het braan. Op bepaalde plaatsen zijn de membranen plasmamembraan, waarmee ze versmelten. Op die verbonden, waardoor kleine openingen in het manier wordt hun inhoud aan de buitenwereld afgege- membraan ontstaan, de kernporiën. ven. Dat transport van stoffen van binnen de cel naar Bij bacteriën en cyanobacteriën ontbreekt het buiten noemen we exocytose (afbeelding 1.11). kernmembraan. Ze bezitten geen echte, afgeschermde Exocytose komt o.a.voor bij de vorming van de celwand kern, er is enkel een kernzone. We noemen ze daarom bij planten en de slijmproductie bij dieren. Bij de prokaryoten (Grieks: pro = voor, karion = kern). celwandsynthese worden de Golgi-blaasjes naar de juiste plaatsen op het plasmamembraan geleid. De blaasjes versmelten met het plasmamembraan zodat hun inhoud buiten de cel terechtkomt. Op dat ogenblik wordt het celwandmateriaal in zijn definitieve vorm in de celwand ingebouwd. Aft. 1.9 EM-foto van GER, RER en kernmembraan Afb. 1.10 Golgi-apparaat Golgi- micro- blaasjes blaasjes Golgi- cisternen GER Afb. 1.11 Exocytose chromatine microblaasje Golgi-cistern Golgi-blaasje kernmembraan RER exocytose  Afb. 1.12 EM-foto en schets van een mitochondrion 2.2.3 Lysosomen Lysosomen (0,2 pm) zijn van oorsprong Golgi-blaasjes die ontstaan door afsnoering van de Golgi-cisternen. Ze zijn omsloten door een eenheidsmembraan en bevatten verteringsenzymen. Lysosomen komen voor in dierlijke cellen. De functie van lysosomen op celniveau komt overeen met de functie van het spijsverteringsstel- sel op het niveau van een organisme. Lysosomen kunnen versmelten met endocytoseblaasjesen de stoffen in die blaasjes aftreken. Afbraak van stoffen die van buiten de cel aftomstig zijn, noemen we heterofagie. Bij de mens vernietigen sommige witte bloedcellen indringers door heterofagie. Ook celeigen materiaal, zoals verouderde celorganellen, kan worden buitenste mernbraan afgebroken. Dat proces noemen we autofagie of zelfver- cristae tering. De onverteerbare resten blijven in de cel achter als restlichaampjes. Soms worden ze uit de cel verwij- derd door exocytose. 2.2.4 Mitochondriën Een mitochondrion (ca. 3 pm bij pm) is omsloten door een dubbel eenheidsmembraan. Het binnenste membraan is sterk geplooid en vormt cristae. Die zijn bezet met bolvormige partikels met ademhalingsenzy- matrix men. De inhoud wordt matrix genoemd en bevat een weinig erfelijk materiaal en ribosomen (afbeelding 1.12). Mitochondriën zijn de energieproducerende organellen van de cel. Ze komen talrijk voor in cellen die veel energie moeten leveren (bv.spiercellen). 2.2.5Plastiden Afb. 1.13 EM-foto en schets van een bladgroenkorrel Plastiden komen enkel voor bij planten. Ze zijn kleurloos (leukoplasten), groen (bladgroenkorrels of chloroplasten) (afbeelding 1.13)of anders gekleurd (chromoplasten). Chloroplasten (ca. 5 pm) komen enkel voor in groene plantendelen en bij fotosynthetiserende eukaryotische eencelligen. Ze worden omsloten door een dubbel eenheidsmembraan. Het binnenste membraan vertoont sterke instulpingen. Door afsnoering van die instulpin- gen worden de thylakoïden gevormd. Ze liggen in het stroma. een vloeistof waarin ook vetdruppeltjes, zetmeel- korrels, ribosomen en erfelijk materiaal voorkomen. Soms zijn thylakoïden gestapeld tot een granum. De aanwezige bladgroenmoleculenin de thylakoïden zorgen voor absorptie van lichtenergie bij de fotosyn- these. 2.2.6 Vacuolen Vacuolen vormen de opslagruimte voor vloeibare en vaste partikels. Ze geven stevigheid aan de cel en spelen een belangrijke rol in de groei door celstrekking bij planten. Vacuolen komen eerder uitzonderlijk voor in dierlijke cellen, maar zijn opvallend groot bij plantaardige cellen. De grote vacuole in de plantaardige cel drukt vaak de rest van het cytoplasma tegen de 9 thylakoid celwand en neemt bijna de volledige celruimte in. Vacuolen zijn omsloten door een eenheidsmembraan, de tonoplast. Ze zijn gevuld met vloeistof bestaande uit zetmeelkorrel vetdruppeltje water, ionen en diverse organische verbindingen, zoals chloroplastmembraan pigmenten en reservestoffen. granum stroma met ribosomen  THEMA 1 DE c EL 13 BASISSTOF 2.2.7 Ribosomen Afb. 1.14 Ribosomen cytoplasma Ribosomenzijn kleine partikels (0,02 pm) die bestaan uit twee ongelijke eenheden (afbeelding 7.14).De riboso- men komen vrij voor in het cytoplasma of zitten vast op het REP Ribosomen zijn de 'leeskoppen' en 'vertalers' van de genetische code bij de eiwitsynthese.Ze zijn hoofdzake- lijk opgebouwd uit eiwitten en ribonucleïnezuur (RNA). 2.2.8 Cytoskelet Pantoffeldiertjes, eencellige wieren, zaadcellen, witte bloedcellen, amoeben en andere eencelligen kunnen zich voortbewegen en veranderen van vorm. Ook bepaalde celorganellen, zoals lysosomen, worden verplaatst in het cytoplasma.Om die bewegingen mogelijk te maken beschikt de cel over een vervor- ribosoom RER kern mings- en bewegingsstructuur, het cytoskelet.Het is een driedimensionaal netwerk dat ontstaat in het Afb.1.15 Dwarse doorsnede van een microtubulus celcentrum met vertakkingen naar alle richtingen in de cel. Het is opgebouwd uit buisvormige structuren,microtu- buli (diameter 28 nm), die bestaan uit het eiwit tubuline (afbeelding 7.15).De microtubuli zorgen voor vervorming of beweging in de cel en voor de opbouw van zweepdradeh en trilharen. 2.2.9 Centriolen De dierlijke cel bevat twee centriolen in het celcentrum (afbeelding7.16).Elk centriool is opgebouwd uit negen groepjes van drie microtubuli die gerangschikt zijn als schoepen van een watermolen. Onderling zijn ze verbonden met eiwitten. Het centriolenpaar vormt de basis van de zweepdraadstructuur en het cytoskelet. Het vervult een essentiële rol bij de verdeling van het erfelijk materiaal bij celdeling. Afb. 1.16 Schetsen en EM-fotovan centriolen 2.2.10 Kern De kern bevat plasma en is begrensd door een dubbel eenheidsmembraan. Het buitenste membraan gaat over in het ER.In het plasma vinden we naast chromatine ook één of twee nucleolen. Nucleolen zijn donkergekleurdezones in het kernplasma. Het zijn de aanmaakplaatsen van het t ribosomaal RNA. centriool (overlangse doorsnede) centriool (dwarse doorsnede) À' BASISSTOF Afb. 1.17 Schets van een chromosoom Chromatine is een netwerk van parelsnoervorrnioe draden, chromatinedraden, die gemakkelijk kleurstoff. DNA opnemen. Die chromatinedraden zijn opgebouwd eiwitten en DNA (desoxyribonucleïnezuur). Het DNA opgerold rond de eiwitten en draagt de genetische Voorde celdeling wordt het chromatinenetwerk beld en gecondenseerd tot chromosomen (afbeelding 1.17).De chromosomen delen zich vervolgens in de lengte en elke helft gaat naar een pool van de cel eiwitten Daardoor krijgt elke dochtercel uiteindelijk dezelfde erfelijke informatie als de moedercel (thema 8). Bij prokaryoten is het kernmateriaal niet begrensddorr een kernmembraan. Dat is één van de belangrijkste verschillen tussen prokaryote en eukaryote cellen. 2.3 FUNCTIONEEL VERBAND TUSSEN CELORGANELLEN Het functionele verband tussen celorganellen wordt geillustreerd in de eiwitsynthese binnen een cel.op afbeelding 7.18kun je dat goed volgen. De code voor de bouw van de eiwitten ligt in de celkerr op het DNA. De eiwitsynthese zelf verloopt echter ter hoogte van het RER in het cytoplasma. De code vooreer eiwit wordt in de celkern overgeschreven op een boodschappermolecule die via de kernporiën in het kernmembraan naar het RER migreert. Op het RER liggen de ribosomen die de code van de boodschapper vertalen naar een specifieke volgorde van aminozuren Die volgorde bepaalt de structuur van het eiwit. De ribosomen zijn dus de 'leeskoppen' en 'vertalers' van de genetische code bij de eiwitsynthese. AŒ. 1.18 Schets van de eiwitsynthese kernmembraan chromatine kernporie Golgi-blaasje microblaasje met eiwit Golgi-a paraat ribosomen 0 eiwit RER secretie van eiwit plasmamembraan BASISSTOF Het eiwit wordt verpakt in microblaasjes die zich Zo bevatten de Golgi-blaasjes van de speekselklieren afsnoeren van het ER. Zo worden die blaasjes naar het verteringsenzymen die worden afgescheiden in het Golgi-apparaat vervoerd, waar ze versmelten met de spijsverteringskanaal. Colgi-cisternen. Binnen de cisternen vindt de verdere modificatie van de ingesloten proteïnen plaats. De Op afbeelding 1.19worden de functies van enkele Golgi-cisternen snoeren dan op hun beurt Golgi- celorganellen voorgesteld. blaasjes af waarin het eiwit verpakt zit. Afb. 1.19 Overzicht functies celstructuren ribosomen kern Golgi-complex lysosomen mitoch ondrién lasmamembraan