Eiwitten

Deel I:
cellen aan de basis van het leven
Biologie gaat over alles dat leeft. Cellen zijn de kleinste levende
eenheden. Maar wanneer leeft iets eigenlijk?
Daar gaat deze presentatie over.
© augustus 2002 J.Dirkse, leerstoelgroep Didactiek van de Biologie, Universiteit Utrecht
We beginnen met wat vragen:
Wanneer leeft volgens jou iets? Wat kan een levend wezen
(een organisme) wat een levenloos ding niet kan?
Op de volgende pagina’s worden drie voorwaarden besproken die
men heeft gesteld om iets ‘leven’ te noemen.
De eerste voorwaarde voor leven:
Een organisme moet een binnen- en buitenkant hebben.
In de allereenvoudigste vorm is dat één cel. Organismen
die uit één cel bestaan moeten een vliesje hebben dat hen
scheidt van de omgeving. Zo’n vliesje noemen
we de celmembraan.
toets ‘enter’ om de celmembraan te zien
binnenkant cel
Alles dat leeft bestaat uit één of meer cellen, en al die
cellen hebben een celmembraan.
De tweede voorwaarde voor leven:
Een organisme moet kunnen groeien en zich ontwikkelen.
Je ziet dat om te groeien, bijvoorbeeld de celmembraan
groter moet worden. Er moet van alles gedaan worden in
. om te kunnen groeien en de cel te laten ontwikkelen.
een cel
Er moeten dus stoffen in de cel aanwezig zijn die daar voor
kunnen zorgen. Die stoffen heten eiwitten.
Eiwitten zitten in de cel,
Ze zijn te klein om met een
microscoop te kunnen zien.
De derde voorwaarde voor leven:
Een organisme moet zich kunnen voortplanten.
Om zich goed voort te planten moet een organisme zijn nageslacht de
mogelijkheid geven zich te ontwikkelen en te kunnen groeien.
Die mogelijkheid geeft een organisme door zijn nageslacht de
aanwijzingen te geven over het maken van de eiwitten die
daar voor zorgen. Zo kan het nageslacht zelf die eiwitten maken.
Die aanwijzingen zijn verpakt in de vorm van DNA.
Een organisme heeft
minimaal één sliert
DNA (één chromosoom) nodig.
Met behulp van dat
DNA worden de juiste
eiwitten gemaakt.
Samenvattend, minimale voorwaarden voor leven zijn:
- Het organisme moet een binnenkant en een buitenkant hebben,
een afgesloten gebied van de omgeving.
- Het organisme moet kunnen groeien en zich ontwikkelen.
- Het organisme moet zich kunnen voortplanten.
Vraag 1: Ontbreekt er volgens jou nog een voorwaarde om te kunnen leven?
Om al deze voorwaarden te vervullen heeft een organisme
energie en bouwstenen nodig. Bouwstenen haalt hij altijd uit zijn eten,
Maar energie kan hij soms ook uit de zon halen. Hieronder staan enkele
manieren hoe organismen aan hun energie en bouwstenen komen:
Manier 1: Het organisme kan wachten totdat er iets
eetbaars langskomt (iets dat leeft, want alleen dat geeft hem bouwstenen èn energie).
korrel
Manier 2: Het organisme kan er naar toe gaan.
Bijvoorbeeld met
een zweephaar
Manier 3: Het organisme heeft speciale
korrels die zonne-energie kunnen vastleggen.
Bouwstenen kunnen dan ook niet-levende stof zijn,
zoals water, mineralen en CO2.
Hoe het organisme ook aan energie komt,
allemaal wordt de energie in één bepaald
soort stof vastgelegd.
In ATP.
Door bijvoorbeeld suiker af te breken (veel organismen doen dat
met behulp van zuurstof), kunnen organismen deze stof maken.
ADP
+
Pi
+
+ suiker
+
+ zuurstof geeft
+
O2
ATP
+
afval
+
CO2 + H2O
Alle organismen hebben in ieder geval bouwstenen
nodig voor (toets 3x ‘enter’):
Eiwitten (voor groei en ontwikkeling)
Vetten (o.a. om celmembraan mee te maken)
Suikers (o.a. om energie in op te slaan)
Deze drie stoffen zijn ook nodig in jouw voeding.
Hoe een organisme aan zijn bouwstenen en energie komt,
hangt af van het organisme. Per rijk gaat het anders.
Dieren halen de bouwstenen en energie voor
hun cellen uit hun eten (heterotroof)
Planten halen de energie voor
hun cellen uit het zonlicht en de
bouwstenen uit de lucht (CO2) en
uit de grond (water,mineralen)
(autotroof).
bacterie
Schimmels halen de bouwstenen
en energie voor hun cellen uit
absorptie van hun gastheer
(heterotroof).
Sommige bacteriën halen de energie voor hun cellen uit
het zonlicht en bouwstenen uit hun omgeving, anderen leven
van kleinere bacteriën. (zowel autotroof als heterotroof).
Deel II:
cellen aan de basis van het leven
In dit deel gaan we in op hoe de cellen van de organismen
werken. We zien alles in meer detail.
Het organisme moet volgens de eerste voorwaarde een
binnenkant en een buitenkant hebben, een afgesloten gebied
van de omgeving. Maar hoe krijgt één cel dat voor elkaar?
cel
Laten we dit stukje eens vergroten.
Zo ziet een celmembraan eruit.
cel
Dit is een vetmolecuul met
een waterlievende (hydrofiele)
kop en twee vettige staarten.
Zo’n vetmolecuul noemen we
een ‘lipide’.
De lipiden
richten zich met
hun vettige staarten
naar elkaar.
Zo ontstaat er verschil tussen de cel en zijn omgeving.
Dit is de celmembraan
(toets ‘enter’)
Hier is de binnenkant van de cel
eiwit
Hier is de omgeving
Transmembraan-eiwitten zorgen voor dat voedingsstoffen
in de cel komen.
Dit eiwit zorgt ervoor
dat voedingstoffen uit
de omgeving in de
cel komen. Het eiwit
vormt een poort voor
suiker.
suiker
Binnenkant cel
O2
eiwit
O2
Omgeving
suiker
Zuurstof is zo klein dat
het zo wel tussen de
lipiden past.
De tweede voorwaarde voor leven is dat een organisme moet
kunnen groeien en zich ontwikkelen met behulp van eiwitten.
Maar hoe doen eiwitten dat eigenlijk?
Laten we dit stukje eens vergroten
Zo ziet schematisch een eiwit eruit. Dit eiwit is een enzym.
Enzymen zijn eiwitten met een scheikundige werking,
ze kunnen chemische reacties versnellen en vertragen.
In die reacties wordt altijd iets gemaakt of kapotgemaakt.
Dit enzym kan bijvoorbeeld het blauwe deeltje afbreken
Het blauwe deeltje past precies in dit enzym.
Dat moet ook, anders kan het enzym hem niet goed
afbreken.
Het enzym splitst het deeltje in twee stukken
En dan is het blauwe deeltje in 2 stukken afgebroken
Andere enzymen kunnen juist het tegenovergestelde,
Deze maken juist twee stukjes aan elkaar, zoals dit enzym.
(klik op ‘enter’ om verder te gaan)
(klik op ‘enter’ om verder te gaan)
Dit is typisch voor wat enzymen doen, ze zijn dus geschikt om
- moleculen kapot te maken (zoals voedsel).
- moleculen te bouwen (zoals voor de celmembraan).
Enzymen hebben vaak moeilijke namen, maar een ding hebben
ze allemaal gemeen: hun naam eindigt altijd op ‘–ase’.
Dat betekent ‘enzym’.
Hier volgen enkele namen van enzymen:
DNA-polymerase, RNA-polymerase, Rnase, transferase.
Of een enzym nou deeltjes sloopt of juist maakt, in beide gevallen
is energie nodig. Op dit moment van de reactie (toets ‘enter’) haalt
het enzym zijn energie uit de afbraak van ATP naar ADP en Pi
Vraag 2: Hoe komt een organisme aan ATP?
+
Naast de enzymen zijn er ook andere eiwitten, die
andere, architectonische, taken hebben in de cellen:
Bijvoorbeeld een eiwitpoort in de celmembraan,
zodat voedsel de cel in kan komen.
eiwit
Via zo’n poort kan verteerd voedsel van de
darminhoud naar het bloed bij zoogdieren.
( toets 2x ‘enter’)
Verteerd voedsel
darminhoud
eiwit
Darmcel van
zoogdier
In een darmcel zitten wel meer dan 3 eiwitpoorten,
maar voor de duidelijkheid worden er hier maar 3
getoond.
bloed
Je ziet dat de darmcellen uitsteeksels
hebben om meer uit de darm op te
kunnen nemen.
darminhoud
Door speciale eiwitdraden
kunnen deze uitsteeksels
ontstaan. (toets ‘enter’)
Zo’n eiwitdraad heet
‘actine’. (toets ‘enter’)
Heel vaak eindigen namen van
niet-enzymatische eiwitten op
‘-ine’ (vb: actine, tubuline).
Darmcel van
zoogdier
bloed
Ook de weefsels van organismen bestaan mede uit eiwitten
die geen enzymen zijn. Eiwitten komen dus ìn je cellen voor,
maar ook op een hoger niveau als weefsels.
Bijvoorbeeld, je eigen hoofdhaar bestaat uit
eiwitdraden.
Ook je oogkristal bestaat uit (gekristalliseerd)
eiwit.
Je spieren bestaan ook uit eiwit (daarom zit
er in het vlees biefstuk zo veel eiwit).
Maar oogkristal en hoofdhaar heeft een eencellig
organisme natuurlijk niet.
Samengevat: grofweg kun je eiwitten in 2 groepen indelen:
(toets 2x ‘enter’)
1. De enzymen
Deze breken voedsel af en maken of slopen
belangrijke moleculen in de cel (de ‘-ases’).
2. De structuureiwitten
Deze hebben vaak een architectonische
functie: poort, versteviging
et cetera (de ‘-ines’).
Je hebt nu gezien hoe belangrijk eiwitten zijn,
misschien vraag je je ook wel af hoe ze in de cel komen.
?
Gelukkig is het antwoord eenvoudig. Die maakt de cel zèlf.
Hoe maakt de cel dan eiwitten?
De aanwijzingen voor het maken van eiwitten staan in het DNA.
Laten we daarom het chromosoom (dat uit DNA bestaat) eens vergroten.
Schematische weergave van één chromosoom.
Gen 1
Gen 2
Op het chromosoom liggen genen. Één gen geeft aanwijzingen
voor het maken van één soort eiwit. (op een chromosoom liggen wel
tienduizenden genen, maar voor de duidelijkheid worden er maar 2 getoond.)
Globaal gaat eiwit maken als volgt:
(toets 4x ‘enter’)
Gen 1
Gen 2
eerst wordt het gen overgeschreven (transcriptie),
ribosoom
Eiwit
Dan wordt het overgeschrevene vertaald naar
een eiwit (translatie). Dit vertalen gebeurt
door een deeltje genaamd ‘ribosoom’
Deze twee processen (transcriptie en translatie) worden
nader besproken in presentatie 3 en 4.
Als een organisme zich voortplant, moet zijn
nageslacht ook alle aanwijzingen voor het maken van
eiwitten meekrijgen (de genen). Want het nageslacht moet
ook kunnen groeien en ontwikkelen, en daarvoor moet hij
enzymen en andere eiwitten kunnen maken.
Wat gebeurt hier nu eigenlijk?
Hoe de meest eenvoudige cel zich voortplant:
Eerst worden de eiwitten gemaakt die het DNA
kunnen verdubbelen. (toets 2x ‘enter’)
Dit noemen we de G1-fase (G van ‘Gap’, Engels
Voor ‘Gat’. G1 betekent dus de eerste G-fase.)
Hoe een cel precies zijn DNA verdubbelt, is een
ingewikkeld proces. Daarom gaan we daarop in bij
presentatie 2.
Dan wordt het DNA verdubbeld door de nieuwe
eiwitten. (toets ‘enter’)
Dit noemen we de S-fase. (S van Synthese oftewel opbouw)
Deze eiwitten worden weer afgebroken.
(toets 2x ‘enter’)
Dan komt er een periode waar weer eiwitten worden
gemaakt. (toets 2x ‘enter’)
Deze zijn om de celdeling goed te laten verlopen.
Deze periode noemen we G2-fase.
Dan volgt de werkelijke celdeling:
De nieuwe eiwitten pakken het chromosoom
helemaal samen. Die worden daardoor zo dik dat
ze onder een lichtmicroscoop zichtbaar worden.
(de ‘profase’)
Deze eiwitten verdwijnen even voor de duidelijkheid.
(toets ‘enter’)
Het chromosoom gaat naar het midden van de cel
(metafase)
Het midden van de cel
noemen we ook wel
Equatorvlak.
(denk maar aan het
Engelse ‘equator’ dat
‘evenaar’ betekent)
Door deze ‘celevenaar’ ontstaan ook
eiwitachtige celpolen.
(toets 2x ‘enter’)
(Denk maar aan de aardbol, met evenaar,
Noord- en Zuidpool.)
Vanuit beide polen komt een eiwitdraad
die in je boek ‘spoeldraad’ genoemd wordt.
(toets 4x ‘enter’)
Beide draden hechten zich vast aan
een chromosoom (die men op dit moment
‘chromatide’ noemt).
Nu begint de anafase waar de chromatiden
uitelkaar worden getrokken door de spoeldraden.
De spoeldraad bestaat uit een
eiwit dat tubuline heet.
Vraag 3: Wat voor soort eiwit is tubuline, een enzym of een structuureiwit? Waarom?
Toets ‘enter’ om verder te gaan.
Toets ‘enter’ om verder te gaan.
Dit is het begin van de telofase, waar langzaam
De twee nieuwe cellen ontstaan.
(‘telo’ is Grieks voor ‘eind’, telofase betekent dus ‘eindfase’)
Toets ‘enter’ om verder te gaan.
Hier is de celdeling klaar, er zijn twee nieuwe cellen.
Het chromosoom wordt door
eiwitten weer ‘uitgepakt’, zodat
het weer gebruikt kan worden.
Niet alleen eencellige organismen kennen celdeling, onze
cellen vermeerderen zich ook zo.
Deze vorm van voortplanting heet ongeslachtelijke voortplanting.
Planten en dieren (zoals de mens) planten zich voort met geslachtelijke
voortplanting. Maar daar hoor je meer over bij de hoofdstukken ‘sexualiteit
en voortplanting’ en ‘erfelijkheid’.
Samenvattend gebeurt er dus dit vlak vòòr de celdeling:
G1-fase
S-fase
DNA wordt verdubbeld,
er komt een chromosoom bij.
G2-fase
Samenvattend gebeurt dit tijdens de celdeling (toets 6x ‘enter’) :
Chromosoom wordt zichtbaar
(vervolg)
(begin) Anafase:
Metafase:
Profase:
Chromosoom ligt op equatorvlak
Anafase:
Chromatiden worden uit elkaar getrokken
Chromatiden worden uit elkaar getrokken
Telofase:
Nieuwe celmembraan vormt zich.
Celdeling is klaar
Samenvattend, minimale voorwaarden voor leven zijn:
- Het organisme moet een binnenkant en een buitenkant hebben,
een afgesloten gebied van de omgeving (een celmembraan).
- Het organisme moet kunnen groeien en zich ontwikkelen (met
behulp van enzymen en andere eiwitten).
- Het organisme moet zich kunnen voortplanten (door DNA te
verdubbelen en cel te delen).
- Voor bovenstaande drie voorwaarden heeft een organisme
zowel bouwstenen als energie nodig.
Deel III:
cellen aan de basis van het leven
Je hebt nu al gehoord over de minimale
voorwaarden voor leven, maar nog niet waar
de vele verschillende organismen vandaan
komen.
Daar gaan we het nu over hebben.
We hebben het nu gehad over het allereenvoudigste
organisme:
één cel, die dus nodig heeft: een celmembraan (toets ‘enter’),
eiwitten (toets 3x ‘enter’), en een chromosoom (toets 3x ‘enter’).
Om eiwitten te maken
zijn ribosomen nodig,
daarom komen ook zij
in het eenvoudigste
organisme voor.
Dit is hoe wetenschappers denken dat de oudste cel
(de ‘oercel’) eruit moet hebben gezien. Maar waar komen
alle andere cellen van grotere organismen dan vandaan?
Zoals je weet heeft een organisme energie en bouwstenen nodig voor
zijn levensvoorwaarden. Deze kan een organisme op verschillende
manieren uit zijn omgeving halen:
Manier 1:Het organisme
wacht totdat er iets
eetbaars langskomt.
Waarschijnlijk evolueerden
dergelijke cellen tot
(toets 2x ‘enter’)
schimmels
Manier 2: Het organisme
zoekt voedsel op.
Waarschijnlijk evolueerden
dergelijke cellen tot
(toets 2x ‘enter’)
dieren
Manier 3: Het organisme
heeft korrels voor
zonne-energie.
Waarschijnlijk evolueerden
dergelijke cellen tot
(toets 2x ‘enter’)
planten
Maar al dat geëvolueer betekent niet dat de vorm van
de ‘oercel’ weg is. Integendeel, bacteriën hebben veel
weg van onze voorstelling van de ‘oercel’.
=
bacterie
?
We gaan eens kijken hoe een bacteriecel er van binnen
uitziet als je ze onder microscoop legt.
Model van een bacterie:
één
chromosoom
bacterie
Celmembraan.
Cytoplasma, het vocht van de cel
(‘cyto’ betekent ‘cel’, ‘plasma’ betekent ‘vocht’)
Ribosomen,
die eiwitten maken
Sommige bacteriën kunnen met
speciale korrels zonlicht in energie
omzetten (de cyanobacteriën).
Sommige bacteriën hebben een zweephaar, waarmee ze zich
voort kunnen bewegen.
Een bacterie lijkt veel op de ‘oercel’.
Hier worden eiwitten wel
weergegeven, maar je kunt ze
niet zien onder een microscoop.
En bacteriën lijken op de ‘oervormen’ van
schimmels, dieren en planten.
De voorouders van schimmels, dieren en planten zijn
dus bacteriën.
Bacteriën vormen het oudste rijk op aarde. De oudste fossiele
vondsten dateren van 3,6 miljard (!) jaar geleden. De bacterie is
altijd eencellig. Er komen wel kolonies bacteriën voor, maar
allemaal kunnen ze ook zelfstandig leven.
Toen gebeurde er iets geks:
in de loop van de miljoenen jaren
gingen enkele bacteriën samenwerken.
Deze bacterie heeft
zich toegelegd op
het afbreken van suiker
en het maken van ATP
uit ADP en Pi.
Zo hoefde de grote bacterie nooit meer zijn suikers af te breken
en hoefde de kleine bacterie nooit meer voedsel te zoeken.
Slim toch?
Zo zag zo’n cel er dan uit:
Chromosoom
Die bacterie noemen we nu
het mitochondrium.
ribosomen
In een dergelijke cel moeten ook andere
veranderingen plaats hebben gevonden:
Het chromosoom
ging in een
aparte ruimte,
de celkern.
Vanuit de celkern
ontstond een netwerk
binnenin de cel:
een Endoplasmatisch
Reticulum (ER).
(klik 3x ‘enter’)
Wat betekent Endoplasmatisch Reticulum?
‘Endo’ betekent ‘binnen’,
‘plasmatisch’ betekent ‘waterig’, oftewel
het cytoplasma (het ‘celvocht’),
‘reticulum’ is Latijns voor ‘netwerk.
Dus ER betekent: ‘het netwerk binnen het cytoplasma’
(klik op ‘enter’) Sommige ribosomen gingen
vastzitten tegen het ER. Dat gebied
van het ER noemen we ruw ER.
Het belangrijkste gevolg is dat hierdoor
eiwitten (gemaakt door de ribosomen) in
het ER terecht komen en daar bewerkt kunnen
worden zodat ze hun taak beter kunnen uitvoeren.
Er ontstond ook een apparaat dat bewerkte
eiwitten vanuit het ER verdeelde over de cel:
het Golgi apparaat. (klik 3x ‘enter’)
(Deze structuur is vernoemd naar zijn ontdekker, meneer Golgi.)
Ook ontstond er een soort
sloperij van de cel, waar
alles kapot werd gemaakt:
het lysosoom.
Deze cel bestond zo’n 1500 miljoen jaar geleden al.
Dit kunnen we geen bacterie meer noemen, want deze cel
heeft celorganellen. (die worden hier dikgedrukt weergegeven)
Golgi apparaat
Mitochondrium
(vroegere bacterie)
Celmembraan
Celkern
(met meer
chromosomen
dan één.)
Lysosoom
Vrije Ribosoom
cytoplasma
Ribosoom aan ER
Endoplasmatisch
Reticulum (ER)
Cellen van dieren en schimmels zien er zo uit.
Deze ingewikkelde cellen gingen in de loop van de tijd
samenwerken. Dat deden ze niet, zoals eerst, ìn elkaar
maar mèt elkaar. (vereenvoudigde weergave, toets 26x ‘enter’)
Dit is een soort
oer-dier,
met een mond,
en een anus.
darm
Zoals je ziet, ontstonden er door de omgeving
verschillen tussen dezelfde cellen. Deze gele zijn darmcellen
gespecialiseerd in voedselopname.
Misschien vraag je je
af of dit een dier kan
zijn: niets is minder waar,
500 miljoen jaar
geleden ontstonden o.a.
sponzen, die hier erg op
lijken.
Maar hoe ging het dan met planten?
We noemen dit een
bladgroenkorrel of
chloroplast.
Bacterie die gespecialiseerd is in
het vastleggen van energie uit zonlicht gaat
samenwerken. (klik 2x ‘enter’)
Er evolueerde nog meer structuren in cellen:
Blaasjes, gevuld met water
Die we ‘vacuoles’ noemen. (klik ‘enter’)
PANG
Naarmate de blaasjes meer
water hebben worden de
blaasjes groter. Als een
blaasje teveel water heeft
gaat de cel kapot (klik 6x ‘enter’).
Om dat te voorkomen ontstond er ook een
celwand (klik ‘enter’).
De celwand bestaat uit hard houtachtig
materiaal, dat heel stevig is en houdt
de vacuoles klein.
Wat hebben planten aan vacuoles?
In die vacuoles wordt het water opgeslagen, die de plant
nodig heeft voor zijn fotosynthese.
Als een plant veel water in zijn vacuoles heeft opgenomen,
drukt dat water tegen de celwand. Die druk wordt ‘turgor’
genoemd. Door turgor worden planten stevig.
Daarom hebben planten water nodig en worden ze anders
een zielig hoopje groen.
Cellen van planten zien er dus zo uit:
Vacuole
Golgi apparaat
Celwand
Mitochodrium
(vroegere bacterie)
Celmembraan
Celkern
(met meer
chromosomen
dan één.)
Lysosoom
Vrije Ribosoom
Chloroplast
(vroeger bacterie)
Ribosoom aan ER
Planten kwamen zo’n 300 miljoen
jaar geleden op het land voor.
Endoplasmatisch
Reticulum (ER)
Als we een cel uit een plant halen, ziet die er schematisch zo uit:
Dus even alles op een rijtje:
4500 miljoen jaar geleden: ontstaan van de Aarde
3600 miljoen jaar geleden: oudste fossiele bacterie
1500 miljoen jaar geleden: oudste eencellige schimmel/diercel
500 miljoen jaar geleden: ontstaan van meercellige organismen
300 miljoen jaar geleden: planten koloniseren het land
50 miljoen jaar geleden: Dinosauriërs sterven uit
2 miljoen jaar geleden: Eerste mensen
Het evolutie-verhaal van net geeft weer hoe wetenschappers nu denken wat er
gebeurde, maar dat is verre van zeker! Hierboven staan feiten waaraan niet
getwijfeld hoeft worden.