Materie, energie en leven

4 De structuur van het leven
4.1
De cel als bouwsteen van levende wezens
De cel is de kleinste levende eenheid die zelfstandig kan groeien en zich kan vermenigvuldigen.
Sommige organismen bestaan slechts uit één cel zoals de protozoa. Een volwassen mens bestaat uit
1013 cellen.
De cel is de bouwsteen van levende organismen. Robert Hooke was de eerste die het woord 'cel'
gebruikte in biologische zin. Dat deed hij in 1665 bij de beschrijving van dunne schijfjes kurk die hij
had bekeken met één van de eerste microscopen. Door de microscoop leek het materiaal opgebouwd
te zijn uit een soort kamertjes, die hij vergeleek met de ruimten in een honingraat. ‘Cella’ is het latijns
woord voor ‘kamer’. Pas 150 jaar later werden er sterkere en betere lenzen uitgevonden, waardoor de
cel als gemeenschappelijk kenmerk van alle levende organismen werd gezien.
Alle levende organismen, van microbe tot plant en mens, bestaan uit cellen, en hun onderlinge
verschillen worden bepaald door het aantal cellen en de manier waarop deze georganiseerd zijn.
Kleinere organismen hebben minder cellen die vrij eenvoudig zijn georganiseerd en grotere
organismen hebben ongelofelijk veel cellen die op een zeer ingewikkelde manier zijn georganiseerd.
Het menselijke lichaam bevat 100 maal meer cellen dan er sterren in de melkweg zijn.
Eén cel is een georganiseerd geheel van celonderdelen = celorganellen, die in het celvocht –
cytoplasma – liggen. Belangrijke onderdelen zijn de kern, het celmembraan, de mitochondriën, de
lysosomen, het Golgi-apparaat en de ribosomen. Enkele onderdelen bespreken we hier, de andere
komen later aan bod.
Stuurgroep NW - VVKSO
1
4.2
Bouw van een cel
4.2.1 Practicum: microscopisch onderzoek van cellen
Een preparaat maken:
Benodigdheden: een draagglaasje; een dekglaasje, een pasteurpipet, gedemineraliseerd water
Reinig een draagglaasje en droog het af. Laat geen vingerafdrukken achter.
Breng het te bekijken voorwerp op het draagglaasje en doe er eventueel een
druppel water op.
Plaats de rand van een dekglaasje tot tegen het water en laat het dan vallen.
Een slecht preparaat met te veel
water
Instructies voor het juiste gebruik van een microscoop
Benoem de delen van de microscoop. Je kan ze terugvinden in de instructies.
Installeer de microscoop:
Neem de microscoop vast met het statief en plaats hem op je werktafel. Verwijder eventueel de
beschermhoes.
Draai met de macroschroef de voorwerptafel omlaag.
Draai de revolverkop tot de voorwerplens met de kleinste vergroting vlak boven het gaatje van
voorwerptafel terechtkomt. Heb je de klik gevoeld?
Leg het preparaat op de voorwerptafel met het dekglaasje naar boven en zo dat het te onderzoeken
voorwerp in het midden van het gaatje terechtkomt.
Regel de lichtsterkte:
Steek de stekker in het stopcontact en knip de schakelaar (op de voet van de microscoop) aan.
Kijk door de ooglens en draai het diafragma meer open of dicht tot je een gelijkmatig verlicht vlak ziet.
Stuurgroep NW - VVKSO
2
Zoek het beeld:
Draai de macroschroef zo dat de voorwerplens zo dicht mogelijk bij het preparaat komt.
Draai daarna, terwijl je door het oculair kijkt, traag in de andere richting tot je het voorwerp opmerkt in
het kijkveld.
Verplaats het preparaat tot het beeld of het onderdeel dat je wilt bestuderen in het midden van het
kijkveld komt.
Het beeld scherpstellen:
Draai met de microschroef op en neer tot je een scherp beeld waarneemt. Dit is wel verschillend van
persoon tot persoon. Je moet het dus aanpassen als je in de microscoop van een medeleerling kijkt.
Een voorwerp aanwijzen (indien wijzer aanwezig is):
Je kan de wijzer bij een detail plaatsen door aan het oculair te draaien of het preparaat te verschuiven
tot het uiteinde van de wijzer bij het detail staat.
Overschakelen naar een andere vergroting:
Draai de revolverkop tot de volgende voorwerplens boven het gaatje van de
voorwerptafel staat. Regel de scherpte bij met de microschroef. Indien je naar
sterkere vergrotingen overschakelt moet je het diafragma verder open zetten
om een klaarder beeld te bekomen.
Opruimen:
Als je klaar bent met het microscopisch onderzoek, draai dan de
voorwerptafel omlaag vooraleer het preparaat te verwijderen.
Reinig de glaasjes, droog ze af en plaats ze in de juiste doos of op de
aangegeven plaats. Knip de schakelaar uit.
Microscopie van enkele preparaten
1. Cellen van het kleurloze vlies tussen twee uirokken
Benodigdheden: een ui, een mesje, lugoloplossing, een pasteurpipet, een draagglaasje en een
dekglaasje
Maak de schubben van een ui los van elkaar. Het binnenvlies van de schub is witzilver van kleur. Dit
weefselvliesje is één cellaag dik en kan als een apart vliesje worden afgescheurd.
Leg het vlies in het midden van een draagglaasje.
Breng een druppel lugol aan op het vlies.
Bedek het vlies met een dekglaasje (vermijd hierbij luchtbellen).
Bekijk het preparaat onder een microscoop.
Opgave: Maak een schets van een aantal cellen. Benoem de zichtbare delen.
Stuurgroep NW - VVKSO
3
De vacuolen van de rode ui bevatten anthocyaan. Vergelijk de structuur van de cel met jouw
preparaat.
Opmerking: Noem een groente die anthocyaan bevat.
2. Cellen van de binnenzijde van de kaak
Benodigdheden: een lepeltje, een pasteurpipet, een druppel methyleenblauw, een draagglaasje, een
dekglaasje
Schraap zachtjes met een lepeltje aan de binnenzijde van de kaak.
Breng het schraapsel aan op een draagglas, voeg een druppel methyleenblauw toe en bedek met een
dekglaasje.
Opgave: Maak een tekening van een zestal menselijke cellen (vergroting:..........)
3. Pantoffeldiertje in vijverwater
Benodigdheden: vijverwater, een draagglaasje, een pasteurpipet
Onderzoek een druppel vijverwater op de aanwezigheid van
pantoffeldiertjes.
Maak een schets van een pantoffeldiertje
Zoek in de tekst de Latijnse naam van het pantoffeldiertje
Stuurgroep NW - VVKSO
4
4. Cellen van de waterpest (aquariumwinkel)
Benodigdheden: waterpest, een draagglaasje, een dekglaasje
Scheur een stukje van een blaadje af. Dek af en bekijk het blaadje onder de microscoop. De cellen
zitten vol korrels. Deze korrels noemen we bladgroenkorrels of chloroplasten.
Chloroplasten (bladgroenkorrels) zijn plastiden, die voorkomen in het cytoplasma van plantencellen.
In een chloroplast bevinden zich vele membranen waaraan
zich verschillende kleurstofkorrels (pigmenten zoals het
groene chlorofyl) bevinden. Deze pigmenten vangen
lichtenergie op en gebruiken die voor het maken van
glucose uit koolstofdioxide.
Dit proces wordt de fotosynthese genoemd.
Chloroplasten vinden we voornamelijk in de cellen van
bladeren.
Vergelijk de dierlijke (menselijke) en plantaardige cellen naar:
Welke tekening past bij respectievelijk de plantencel en de dierlijke cel?
Benoem de delen.
4.2.2
Stuurgroep NW - VVKSO
5
4.2.2 Belangrijke delen van een cel
Opmerking: synoniemen voor mitochondrie zijn mitochrondrium en mitochrondrion.
1. Het celmembraan
Het celmembraan sluit de celinhoud af van de buitenwereld. Het is de barrière waar alle verkeer van
moleculen in en uit de cel wordt geregeld. De concrete structuur ervan wordt verder besproken.
2. Mitochondriën: de energiecentrales van de cel
Glucose
Mitochondrie
Pyrodruivenzuur
H20
CO2
O2
Mitochondriën zijn ronde tot staafvormige structuren (100
tot 1000 per cel) In de mitochondriën liggen moleculen die
helpen bij de ademhaling van de cel. Brandstoffen worden
er met zuurstof verbrand tot CO2 en water. Hierbij komt
energie vrij die gedeeltelijk wordt opgeslagen (in het
molecule ATP), ge-deeltelijk wordt gebruikt (voor
inspanningen, …) en gedeeltelijk vrijkomt als warmte.
Energie
3. Lysosomen
Deze deeltjes hebben een verschillende bouw naargelang het celtype. Hun functie staat in verband
met de vertering van voedingsstoffen die in de cel binnenkomen. Wanneer het omhullende membraan
beschadigd is zorgen zij voor de afbraak van de cel.
4. Het Golgi-apparaat
Het Golgi-apparaat bestaat uit stapels platte zakjes, die de Golgi-blaasjes
afsnoeren.
Deze blaasjes kunnen allerlei stoffen door de cel vervoeren en dan afgeven aan
de buitenwereld; ze kunnen ook stoffen verteren die de cel niet kan gebruiken.
Stuurgroep NW - VVKSO
6
Opgaven
1 Welk celonderdeel wordt hier voorgesteld? .........................................................................................
Benoem:
1 …………………………………
2
……………………………………..
3 ………………………………………
4 ….……………………………………
2 Waarom hebben spiercellen veel mitochondriën?
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
3 Schrijf de naam van het voorgestelde celorganel in het lege vak vlak onder de afbeeldingen.
Fabrieksonderdeel
Stuurgroep NW - VVKSO
Tekening celonderdeel
Foto celonderdeel
7
4.3
Wat hebben zeepbellen en celmembranen met elkaar gemeen?
Voor je een antwoord op deze vraag kan geven moet je eerst de begrippen polair en apolair goed
begrijpen.
4.3.1 Polaire en apolaire stoffen
1
Water
Wat gebeurt er als je tegengestelde elektrische ladingen (+ en -) in elkaars nabijheid brengt?
Experiment
Wrijf een kunststofstaaf (bv. elektriciteitsbuis (PVC)) over een lap stof en houd deze vlak naast een
fijne straal water uit de kraan. Wat neem je waar
Als je weet dat de kunststofstaaf door wrijving elektrisch geladen wordt, wat besluit je dan over de
waterdeeltjes? Het doet er niet toe of de staaf positief of negatief geladen is.
Duid de atoomsoorten die voorkomen in een watermolecule aan op volgend model.
Stuurgroep NW - VVKSO
8
Zijn de bindingen ionbindingen of atoombindingen?
Zoek de elektronegatieve waarde van de atoomsoorten in de molecule op in het PSE.
Welk atoom oefent de sterkste aantrekking uit op de bindende elektronen?
Een gevolg hiervan is dat er een verschuiving van de bindende elektronen optreedt waardoor in de
molecule ‘elektrische polen’ ontstaan. Duid deze polen aan op de tekening: een positieve pool met
en een negatieve pool met .
Schrap wat niet past (*): De polen vallen wel/niet (*) samen.
Besluit: Water is een dipoolmolecule.
2
Ooit al gehoord van de zegswijze: “Het loopt eraf zoals water van een
eend”?
Wat betekent deze zegswijze?
Eenden en andere watervogels worden inderdaad niet nat als ze
onder water duiken. Hoe komt dit?
Experiment
Doe wat slaolie in water. Wat neem je waar?
Schud of roer krachtig. Laat een paar minuten staan. Wat neem je waar?
Olie is een lipide, waarvan het smeltpunt lager ligt dan de kamertemperatuur. Hoe noemen we een
lipide die vast is bij kamertemperatuur?
Wrijf een kunststofstaaf (bv. elektriciteitsbuis (PVC)) over een lap stof en houd deze vlak naast een
fijne straal olie of pentaan uit de kraan. Wat neem je waar
Als je weet dat de kunststofstaaf door wrijving elektrisch geladen wordt, wat besluit je dan over de olie
of pentaanmoleculen? Het doet er niet toe of de staaf positief of negatief geladen is.
Als je de polariteit van water en de polariteit van olie vergelijkt, en als je dit combineert met de
wetenschap dat olie niet in water oplost, welke wetmatigheid kan je dan hieruit afleiden?
Stuurgroep NW - VVKSO
9
3
Hoe vetvlekken verwijderen uit je kleren?
Experiment
Test of een ontvlekmiddel (bijvoorbeeld pentaan voor vetvlekken) oplost in water.
Waarneming:
Wat is de polariteit van het ontvlekkingsmiddel dan?
Experiment
Test of olie oplost in ontvlekkingsmiddel.
Waarneming:
Welke eigenschap moet een ontvlekkingsmiddel voor vetvlekken hebben?
Welke wetmatigheid kan je hieruit afleiden?
Wat kan je dan afleiden voor polaire stoffen in polaire oplosmiddelen?
Noem een voorbeeld van een polaire stof anders dan water en test experimenteel of die stof
al dan niet oplosbaar is in water.
4
Zepen en waswerking
Zeepmoleculen
Een zeep bestaat uit zouten van vetzuren. Vb. natriumstearaat (C 18H36O2).
CH3
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
COO Na+
CH2
Deze molecule heeft een polaire kop (hydrofiel of wateraantrekkend) en een apolaire staart
(hydrofoob of waterafstotend). Duid deze aan op de figuur hierboven.
Hydrofiel betekent ………………………………………………………
Hydrofoob betekent …………………………………………………….
Stuurgroep NW - VVKSO
10
In het vervolg zullen we dergelijke moleculen als volgt
voorstellen:
of
Model van een zeepmolecule
Waswerking van zeepmoleculen
Vuil is meestal apolair (vetten, …). De zeepmoleculen zullen met hun apolaire staart in het vuil dringen
zodat de polaire koppen van de zeepmoleculen uit het vuildeeltje steken. Deze polaire koppen worden
aangetrokken door de polaire watermoleculen met als resultaat dat de vuildeeltjes mét hun
zeepmoleculen (micellen) blijven zweven in het water en worden weggespoeld.
Experiment
Doe wat slaolie in een reageerbuis en meng met water.
Waarneming:
Doe wat zeepoplossing in de reageerbuis met de olie en schud.
Waarneming:
Detergenten bezitten een gelijkaardige structuur: een polaire kop en een apolaire staart.
5
Fosfolipiden
Vetten kunnen ook omgevormd
worden zodat ze een polair
gedeelte hebben.
Dit
kan
gebeuren door één vetzuur in de
structuur te vervangen door een
fosfaatgroep die veresterd is met
een alcohol zoals bv. Choline.
We
spreken
dan
van
fosfolipiden. Deze moleculen
hebben dus ook een hydrofiel en
een hydrofoob gedeelte.
Fosfolipiden vinden we terug als
bouwstenen van celwanden.
Stuurgroep NW - VVKSO
11
4.3.2 De dubbellaag van het celmembraan
1
Structuur van het celmembraan
Iedere cel wordt begrensd door een dun vlies, het celmembraan. Doorheen het celmembraan kunnen
stoffen in en uit de cel. De structuur van het celmembraan bepaalt welke stoffen binnen en buiten
mogen gaan.
Het membraan is een flinterdun vlies
opgebouwd uit twee lagen fosfolipiden.
Die lagen vormen zich doordat de
fosfolipiden een waterafstotende of
hydrofobe staart en een waterminnende
of hydrofiele kop bezitten. De staarten
draaien weg van het water uit de
omgeving en weg van het water in de cel
en naar elkaar toe. Zo vormen ze een
vlies dat bestaat uit twee lagen met
binnenin de waterafstotende staarten en
de wateraantrekkende kopjes aan de
buitenzijde. Tussen de vetmoleculen
drijven grote eiwitten. Op sommige van die eiwitten zitten aan de buitenkant suikermoleculen die als
het ware de vingerafdruk van de cel maken. Zij vangen ook signalen op, bijvoorbeeld van hormonen.
Tussen deze moleculen zit ook cholesterol: het zorgt voor een goede beweeglijkheid van de
membraanmoleculen.
http://members.home.nl/gijben/1/16.htm
Niet alleen rond de cel, maar ook in de cel en rond de kern zitten membranen. Ze hebben allemaal
diezelfde basisstructuur. In feite vormen al die membranen één doorlopend geheel. In de cel zelf
krijgen ze de wetenschappelijke naam: endoplasmatisch reticulum (E.R.)
2
Transport van stoffen via het celmembraan
De Nobelprijs Chemie 2003 is toegekend aan de Amerikanen Peter Agre en Roderick MacKinnon. Ze
kregen de prijs voor de ontdekking van kanalen voor het transport van water en ionen door
celwanden. Dat is van belang voor uiteenlopende processen als het doorgeven van zenuwsignalen,
de samentrekking van spieren en de werking van de nieren.
Voor meer info zie: http://www.kennislink.nl/web/show?id=102238
Het membraan van de celwand schermt de cel af van de buitenwereld, maar is zeker niet potdicht. Er
zijn allerlei eiwitten in opgenomen die als kanaaltje fungeren voor specifieke ionen of moleculen.
In het membraan zitten enzymen die voor het transport van de stoffen in en uit de cel zorgen. Het zijn
grote moleculen, opgebouwd uit één of meer eiwitten, die door het membraan steken. Ze pompen
Stuurgroep NW - VVKSO
12
ionen, voedingsstoffen,
hormonen en andere
kleine moleculen van
binnen de cel naar
buiten en omgekeerd.
Vetachtige
stoffen
kunnen redelijk goed
door het celmembraan.
Dit komt omdat de
vetmoleculen van het
celmembraan
deze
vetachtige stof aantrekken
en
door
hun
beweeglijkheid die stof
ook gemakkelijk doorgeven. Water komt de
cel binnen via waterporiën
Kleine, in water oplosbare deeltjes glippen zo mee naar binnen. Bepaalde stoffen die de cel nodig
heeft of weg wil, worden actief verplaatst doorheen de eiwittunnels.
De flexibiliteit van het celmembraan kan erg variëren. Zo hebben muizen heel flexibele
celmembranen, olifanten heel rigide en het celmembraan van de mens ligt daar ergens tussenin. Het
muizenmembraan bevat meer lipiden met een geknikte staart. Hierdoor lijkt het membraan meer op
een woelige zee waarin de membraaneiwitten dobberen dan op een vlies. Muizencellen werken
hierdoor in een hogere versnelling en gaan daarom minder lang mee. De bepalende factor blijkt de
hoeveelheid poly-onverzadigde lipiden te zijn.
Celmembraan van een muis
Celmembraan van een olifant
Uit Natuur Wetenschap & Techniek – januari 2004
Welk membraan bestaat uit de grootste hoeveelheid onverzadigde fosfolipiden? Motiveer waarom.
3
Griepvirus en antistoffen
Waarom laten ouderen zich best jaarlijks
inenten met een griepvaccin?
Het griepvaccin bevat virale eiwitten die
voorkomen in het celmembraan van het
griepvirus. Door het inenten worden
antistoffen (of antilichamen) aangemaakt
tegen de virale eiwitten. Wanneer de
gevaccineerde persoon daarna besmet
wordt met het griepvirus dan zullen de
antistoffen het virus vernietigen.
Stuurgroep NW - VVKSO
13
Het griepvirus wijzigt echter voortdurend van gedaante. Vooral het membraaneiwit hemaglutinine
verandert razendsnel van jasje o.a. door veranderingen in aminozuursamenstelling. Door deze
veranderingen herkennen de antistoffen tegen een eerder griepvirus de virusmantel niet meer en kan
een nieuwe infectie optreden.
4.3.3 Wat hebben zeepbellen en celmembranen met elkaar gemeen?
Geef nu een antwoord op de vraag die in de titel wordt gesteld?
Stuurgroep NW - VVKSO
14
4
4.1
DE STRUCTUUR VAN HET LEVEN .............................................................................................. 1
De cel als bouwsteen van levende wezens............................................................................ 1
4.2
Bouw van een cel ..................................................................................................................... 2
4.2.1 Practicum: microscopisch onderzoek van cellen ................................................................... 2
4.2.2 Belangrijke delen van een cel ................................................................................................ 6
4.3
Wat hebben zeepbellen en celmembranen met elkaar gemeen? ........................................ 8
4.3.1 Polaire en apolaire stoffen ..................................................................................................... 8
1
Water ...................................................................................................................................... 8
2
Ooit al gehoord van de zegswijze: “Het loopt eraf zoals water van een eend”? .................... 9
3
Hoe vetvlekken verwijderen uit je kleren? ............................................................................ 10
4
Zepen en waswerking .......................................................................................................... 10
5
Fosfolipiden .......................................................................................................................... 11
4.3.2 De dubbellaag van het celmembraan .................................................................................. 12
1
Structuur van het celmembraan ........................................................................................... 12
2
Transport van stoffen via het celmembraan ......................................................................... 12
3
Griepvirus en antistoffen ...................................................................................................... 13
4.3.3 Wat hebben zeepbellen en celmembranen met elkaar gemeen? ....................................... 14
Stuurgroep NW - VVKSO
15