Isaac-natuurwetenschappen 5 D - De werkende cel

3 MODULE

Spierpijn na sporten, da’s zuur

opdracht vooraf:

Wat zijn jullie sportgewoontes? Hoeveel keer per week sport je en hoelang? Drink je sport- of energiedrank voor, tijdens of na het sporten? ... Heb je wel eens last van spierpijn de dag na het sporten? Hoe komt dat denk je? Heb je trucjes om de pijn te verlichten? ...

Lees nu het artikel.

1Stofwisseling in de cel

1.1Overzicht

Celmetabolisme of stofwisseling in de cel verwijst naar alle chemische reacties die plaatsvinden binnen een cel om energie te produceren en essentiële moleculen te synthetiseren die nodig zijn voor groei, herstel en onderhoud van de cellen.

Deze chemische reacties zijn anabool of katabool.

• anabolisme of opbouwstofwisseling

Omvat de reacties waarbij grotere moleculen worden opgebouwd en die energie kosten.

• katabolisme of afbraakstofwisseling

Omvat reacties waarbij moleculen afgebroken worden en waarbij energie vrijkomt.

De meeste organismen kunnen ingedeeld worden in twee groepen: de autotrofe en de heterotrofe organismen. Er zijn ook organismen die zowel autotroof als heterotroof kunnen functioneren.

Produceren hun eigen voedsel voor energie. Gebruiken fotosynthese of chemosynthese.

consumenten

Eten andere organismen voor proteïnen en energie.

In dit hoofdstuk zullen enkele aspecten van de stofwisseling aan bod komen. Alvast een overzicht:

STOFWISSELING IN DE CEL

biochemische processen

ASSIMILATIE

kost energie grotere moleculen maken met kleinere moleculen

DISSIMILATIE

levert energie grotere moleculen worden afgebroken tot kleinere moleculen

1.2Assimilatie in de cel: fotosynthese

Assimilatie is het proces waarbij autotrofe organismen glucose maken uit anorganisch materiaal (koolstofassimilatie). Uit glucose kunnen vervolgens andere organische stoffen gevormd worden. Dit heet de voortgezette assimilatie.

Fotosynthese is het proces waarbij planten, algen en sommige bacteriën lichtenergie omzetten in chemische energie. Door middel van fotosynthese produceren deze organismen glucose, zuurstof en andere organische verbindingen. Het proces vindt plaats in de chloroplasten van plantencellen, die chlorofyl bevatten: een pigment dat het licht absorbeert en gebruikt om energie op te wekken.

FOTOSYNTHESE CELADEMHALING (AEROOB)

energie: zonlicht

Chlorofylmoleculen in chloroplasten zetten het licht om in chemische energie.

energie (van zonlicht)

Meer weten?

koolstofdioxide (opgenomen uit de lucht)

water (opgenomen via de aarde)

reactievergelijking:

C6H12O6 + 6 O2

zuurstofgas

Wordt vrijgegeven in de atmosfeer en is van vitaal belang voor de ademhaling van dieren en andere organismen.

zuurstof (komt vrij in de lucht)

glucose

Wordt gebruikt door de plant als energie en om andere organische verbindingen te maken, zoals aminozuren, vetten en eiwitten.

glucose (gebruikt door plant)

blad

• cuticula en epidermis

doorschijnend: licht doorlaten

• palissadeparenchym

groot aantal chloroplasten: grootste fotosynthetische activiteit

• sponsparenchym

groot aantal chloroplasten: contact met huidmondjes voor CO2-aanvoer en O2-afvoer

epidermis

palissadeparenchym

sponsparenchym

zuurstof

koolstofdioxide

zonlicht

cuticula

huidmondje

Fotosynthese wordt opgedeeld in twee stappen:

• lichtreacties

afhankelijk van licht

• donkerreacties

onafhankelijk van licht (maar kunnen enkel plaatsvinden na de lichtreacties, dus onrechtstreeks wel afhankelijk van licht)

Wanneer energie vrijkomt bij chemische reacties moet deze opgeslagen worden. De opslag gebeurt in het ATP-ADP-systeem. Een ATP-molecule is een energiedrager.

Wanneer energie nodig is bij een endo-energetische reactie zal ATP deze energie voorzien:

ATP → ADP + P + energie

Omgekeerd zal de vrijgekomen energie bij een exo-energetische reactie opgeslagen worden in de ATP-molecule:

ADP + P + energie → ATP

ATP

(adenosinetrifosfaat)

absorptie van energie

vrijgave van energie

ADP (adenosinedifosfaat)

1.3Dissimilatie in de cel: aerobe celademhaling

Dissimilatie is het proces waarbij macromoleculen afgebroken worden tot kleinere moleculen en waarbij energie vrijkomt onder de vorm van ATP.

Aerobe celademhaling is het proces waarbij eukaryoten (autotroof en heterotroof) gebruikmaken van zuurstofgas voor het afbreken van macromoleculen tot kleinere moleculen en waar energie bij vrijkomt (ATP). Deze aerobe dissimilatie wordt ook wel verbranding of oxidatie genoemd.

netto reactievergelijking:

C6H12O6 + 6 O2 + 38 ADP + 38 P → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

aerobe celademhaling

NADH

glycolyse

NADH krebscyclus

elektronentransportketen

WIST-JE-DAT

Naast aerobe celademhaling bestaat er ook anaerobe fermentatie.

Bij hevige inspanning kan het verbruik van zuurstof in de spieren groter worden dan de ademhaling kan bijhouden. In dat geval wordt glucose omgezet in melkzuur. Het gevormde melkzuur kan later door de lever worden omgezet naar glucose (gluconeogenese).

Zoals we lazen in het artikel aan het begin van deze module levert melkzuur een andere route om energie in de spieren te verkrijgen. Minuscule beschadigingen aan de spier veroorzaken een soort ontstekingsreactie die spierpijn geeft.

aerobe celademhaling anaerobe celademhaling

glucose + O2

CO2+ H2O

mitochondrion

glucose

2Transport in en uit de cel

2.1Overzicht

Cellen produceren heel wat afvalstoffen die uit de cel getransporteerd moeten worden. Daarenboven heeft de cel ook nood aan heel wat essentiële stoffen die zich buiten de cel bevinden en naar binnen getransporteerd moeten worden. Er vindt dus een stofuitwisseling in en uit de cel plaats.

Twee belangrijke aspecten spelen een rol bij de stofuitwisseling:

• Stoffen zullen zich spontaan verplaatsen volgens de concentratiegradiënt. Hierbij bewegen ze van een zone met hoge concentratie naar een zone met lagere concentratie. Bepaalde transportsystemen zijn echter in staat om stoffen tegen de concentratiegradiënt in te transporteren.

• Het celmembraan bestaat uit een fosfolipide dubbellaag. Hierdoor kunnen enkel kleine moleculen (O2, N2 en CO2) en vetoplosbare moleculen zich doorheen het celmembraan verplaatsen. Er bestaan transportsystemen die ook grotere moleculen en ionen in en uit de cel kunnen transporteren.

Onderstaand schema geeft de verschillende transportsystemen weer:

TRANSPORT IN EN UIT DE CEL

ACTIEF TRANSPORT

tegen concentratiegradiënt in kost energie

ENZYMATISCHE POMP

BLAASJESTRANSPORT

ENDOCYTOSE

EXOCYTOSE

PINOCYTOSE

FAGOCYTOSE

PASSIEF TRANSPORT

met concentratiegradiënt mee kost geen energie

DIFFUSIE

GELEIDE DIFFUSIE

OSMOSE

2.2 Actief transport

actief transport

moleculen bewegen van lage naar hoge concentratie kost ATP (energie)

2.2.1Enzymatische pomp

passief transport

moleculen bewegen van hoge naar lage concentratie geen energie nodig

Bij een enzymatische pomp worden de te transporteren deeltjes met behulp van transportenzymen in of uit de cel getransporteerd. Deze transportenzymen bevinden zich in het celmembraan. De stoffen binden aan de ene kant van het celmembraan aan het transportenzym, migreren zo naar de andere kant van het celmembraan en worden daar losgelaten. Het transportenzym doet dit met behulp van energie, afkomstig van ATP.

Enzymatische pompen zijn essentieel voor veel fysiologische processen in het lichaam, zoals spiercontractie, zenuwgeleiding en opname van voedingsstoffen in de darmen.

hoge concentratiegradiënt

extracellulaire vloeistof intracellulaire vloeistof

lage concentratiegradiënt

extracellulaire vloeistof cytoplasma

lage concentratiegradiënt hoge concentratiegradiënt

2.2.2Blaasjestransport

Wanneer deeltjes te groot zijn om getransporteerd te worden met behulp van transporteiwitten in het celmembraan, kan vesiculair transport of blaasjestransport deze deeltjes efficiënt in en uit de cel transporteren. Hierbij worden stoffen binnen cellen getransporteerd in membraangebonden vesikels. Deze kleine blaasjes worden gevormd uit het celmembraan en andere membranen van organellen zoals het endoplasmatisch reticulum en het golgicomplex.

Er zijn twee soorten blaasjestransport:

• endocytose

stoffen worden in de cel opgenomen

• exocytose

stoffen worden uit de cel getransporteerd

endocytose exocytose

2.2.2.1Endocytose

Bij endocytose worden stoffen vanuit de extracellulaire ruimte in de cel opgenomen. Een deel van het celmembraan zal instulpen om zo stoffen volledig in te sluiten. Er ontstaat een endosoom dat in de cel zal versmelten met een lysosoom.

Er kunnen twee belangrijke vormen van endocytose onderscheiden worden:

• fagocytose

Bij fagocytose worden vaste stoffen ingesloten en wordt het endosoom een fagosoom genoemd. Na versmelting met het lysosoom zullen de vaste stoffen verteerd worden door aanwezige enzymen. Tot slot verlaten de restanten de cel door middel van exocytose.

Fagocytose speelt een belangrijke rol bij het immuunsysteem. Witte bloedcellen gaan bacteriën insluiten en verteren.

lysosoom

receptoren

bacterie

oplosbare afvalstoffen

fagolysosomen fagosoom

fagocytose exocytose

In module 8 van het vijfde jaar 'Immuniteit' zul je meer leren over fagocytose bij het immuunsysteem.

• pinocytose

Bij pinocytose zijn de ingesloten stoffen vloeibare stoffen of stoffen die opgelost zijn in de extracellulaire ruimte.

Pinocytose speelt een belangrijke rol bij het reguleren van de waterhuishouding van de cel en het opnemen van essentiële moleculen zoals eiwitten, suikers en aminozuren die nodig zijn voor de stofwisseling in de cel.

fagocytose pinocytose

2.2.2.2Exocytose

Exocytose is een proces waarbij de cellen stoffen of moleculen uit de cel afgeven door middel van een blaasje of vesikel. Dat verplaatst zich naar het celmembraan, waar het vervolgens mee versmelt. Hierdoor wordt de inhoud naar buiten vrijgegeven.

Dit proces is belangrijk voor de cel om te communiceren met de buitenwereld en om afvalstoffen of stoffen die nodig zijn voor de fysiologische functies van het lichaam af te scheiden.

neurale communicatie

Zenuwcellen maken gebruik van exocytose om neurotransmitters vrij te geven die zenuwimpulsen overbrengen naar andere cellen.

Endocriene cellen maken gebruik van exocytose om hormonen vrij te geven die in de bloedbaan worden afgegeven en signalen naar andere delen van het lichaam sturen.

Ook spijsverteringsenzymen worden uitgescheiden uit de cel in de extracellulaire ruimte.

extracellulaire omgeving extracellulaire omgeving

intracellulaire omgeving intracellulaire omgeving

groot partikel klein partikel suiker

vesikel vacuole

plasmamembraan

moleculen bewegen naar hoge concentratie kost ATP (energie)

2.3Passief transport

passief transport

moleculen bewegen van hoge naar lage concentratie geen energie nodig

2.3.1Diffusie

Diffusie is het proces waarbij opgeloste stoffen zich verplaatsen in een vloeistof of gas volgens de concentratiegradiënt: van een gebied met een hogere concentratie naar een gebied met een lagere concentratie. Dit proces treedt op als gevolg van de willekeurige beweging van de deeltjes en vindt plaats tot er een gelijkmatige verdeling van de deeltjes is bereikt.

De diffusiesnelheid wordt beïnvloed door factoren zoals de grootte van de deeltjes, de temperatuur, de lading van de deeltjes, het concentratieverschil en de viscositeit van het medium waarin de deeltjes zich bevinden.

Door middel van diffusie kan de cel de juiste concentraties aan belangrijke moleculen behouden en zich aanpassen aan een veranderende omgeving. Zo bewegen kleine en vetoplosbare moleculen van voedingsstoffen, zuurstof en andere belangrijke deeltjes door het membraan naar binnen in de cel, terwijl afvalstoffen en andere ongewenste deeltjes de cel verlaten.

extracellulaire ruimte

celmembraan

2.3.2Geleide diffusie

Net zoals bij diffusie zullen de moleculen bij geleide diffusie zich verplaatsen van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lagere concentratie. Bij dit proces zal een cel specifieke moleculen door het celmembraan transporteren met behulp van speciale transporteiwitten. Deze eiwitten worden ook wel carriers of transporters genoemd. De transporter bindt aan de molecule en brengt het vervolgens over het celmembraan naar de andere kant van de cel.

Geleide diffusie is selectief en kan enkel bepaalde moleculen doorlaten die aan de specifieke transporter binden. Dit betekent dat de cel zelf controle heeft over welke moleculen getransporteerd worden en in welke richting. Door deze selectiviteit speelt geleide diffusie een belangrijke rol bij de homeostase van de cel. Geleide diffusie is belangrijk voor het transport van essentiële moleculen zoals glucose, aminozuren en ionen in en uit de cel.

Watermoleculen kunnen migreren door de fosfolipide dubbellaag. Wanneer de concentratie aan watermoleculen in de cel te hoog wordt, zullen deze moleculen met behulp van transporters (hier aquaporines genoemd) naar buiten diffunderen.

2.3.3Osmose

Osmose is het proces waarbij watermoleculen door een semipermeabel of halfdoorlatend membraan bewegen van een gebied met een lagere concentratie aan opgeloste stoffen naar een gebied met een hogere concentratie aan opgeloste stoffen.

De fosfolipide dubbellaag laat watermoleculen (hier het oplosmiddel) door, maar niet alle opgeloste stoffen kunnen zich via het celmembraan verplaatsen. Wanneer de concentratie aan opgeloste stoffen binnen de cel hoger is dan buiten de cel, stroomt water van buiten de cel naar binnen om het verschil in concentratie te compenseren. Wanneer de concentratie aan opgeloste stoffen buiten de cel hoger is dan binnen de cel, stroomt water van in de cel naar buiten.

zoet water (oplosmiddel)

watermolecule (oplosmiddel)

semipermeabel membraan lager volume hoger volume

zeewater (oplossing)

osmotische druk na verloop van tijd

zoutmolecule (opgeloste stof)

watermolecule (oplosmiddel)

Net zoals bij diffusie zal osmose streven naar een evenwicht, hier het osmotisch evenwicht genoemd. Osmose is een belangrijk mechanisme voor de regulatie van de waterbalans in de cel, zodat de cel optimaal kan functioneren en niet uitdroogt of barst. De hoeveelheid water die zich zal verplaatsen is afhankelijk van de osmotische waarde of ook wel de hoeveelheid opgeloste stoffen in de oplossing.

Afhankelijke van de osmotische waarde kan een oplossing hypotoon, isotoon of hypertoon zijn.

• hypotoon

De extracellulaire concentratie aan opgeloste stoffen is lager dan de concentratie aan opgeloste stoffen in de cel. Water zal de cel instromen waardoor de cel opzwelt.

• isotoon

De extracellulaire concentratie aan opgeloste stoffen is gelijk aan de concentratie aan opgeloste stoffen in de cel. In deze situatie zal het water zich niet verplaatsen en de cel behoudt zijn oorspronkelijke toestand.

• hypertoon

De extracellulaire concentratie aan opgeloste stoffen is hoger dan de concentratie aan opgeloste stoffen in de cel. Water zal uit de cel stromen waardoor de cel krimpt.

waterbalans van de cel

buiten binnen buiten binnen buiten binnen lagere concentratie water beweegt in de cel cel zet uit en lyseert

gelijke concentratie totale concentratie blijft gelijk cel blijft constant

hogere concentratie water beweegt uit de cel veroorzaakt crenatie

deplasmolyse

WIST-JE-DAT

Bij welke inspanning gebruik je welke (sport)drank?

plasmolyse

Het watertransport in hoge bomen (sommige exemplaren sequoia halen vlotjes 100 m) wordt gedreven door de osmotische zuigkracht in de bladeren. Door de grote fotosynthetische activiteit en verdamping van water in de bladeren hebben de gevormde sachariden een aantrekkend effect. De cohesie tussen de watermoleculen laat toe dat de vloeistofkolom zich naar boven verplaatst.

Turgordruk in plantencellen

De celinhoud van een plantencel is hypotonisch ten opzichte van de omgeving waarin de cel zich bevindt. De concentratie aan opgeloste stoffen is dus hoger in de cel dan in de omgeving. Hierdoor zal water in de cel stromen door middel van osmose. In de cel zal het water opgenomen worden door de vacuole, waardoor deze opzwelt. De gezwollen vacuole drukt de celinhoud tegen de celwand. Deze druk wordt de turgordruk genoemd en zorgt voor de structuur en de stevigheid van de plant.

Omgekeerd zal de celwand een tegendruk, de wanddruk, uitoefenen op de vacuole.

• Wanneer de wanddruk en de turgordruk even groot zijn, heeft de plantencel zijn maximaal volume bereikt. De cel is volledig opgespannen (turgescent).

• Wanneer er onvoldoende water beschikbaar is, zal de turgordruk in de cellen afnemen en zal de plant verwelken.

3Verder oefenen?

De bladeren van een plant zijn verwelkt. Is de turgordruk in deze cellen groot of klein? Verklaar.

Tijdens het sporten ontstaat er een specifieke stof in onze spieren.

Over welke stof gaat het?

Hoe ontstaat deze stof?

Behoren volgende eigenschappen tot actief of passief transport in en uit de cel? Zet een kruisje in de juiste kolom.

met de concentratiegradiënt mee transportproteïnen

met pompen tegen de concentratiegradiënt in carriers

fagosoom ATP aquaporines

Blaasjestransport speelt een belangrijke rol bij de werking van ons immuunsysteem. Over welke vorm van vesiculair transport gaat het hier? Verklaar.

Experimenten

Analyseer volgende experimenten en link ze aan de cursus.

Experiment van Priestley

Wat verwacht je dat er zal gebeuren? En waarom?

Welk proces illustreert of staaft dit?

Leg een regenboog aan M&M snoepjes in een ondiep bord met een grondje water.

Wat verwacht je dat er zal gebeuren? En waarom?

Welk proces illustreert of staaft dit?

Snij een ongekookte aardappel in drie schijfjes van zo’n 2 mm dik. Leg schijfje:

1 in een glas met gewoon koud water,

2 in een glas met gewoon koud water waarin zout opgelost werd,

3 in een glas met gewoon koud water waarin suiker opgelost werd.

Wat verwacht je dat er zal gebeuren? En waarom?

Welk proces illustreert of staaft dit?

Meer informatie en verklaringen kun je hier terugvinden:

STUDIEWIJZER

ik ken het! paginanummer

Ik kan katabole en anabole processen kaderen in het geheel van het celmetabolisme. p. 4

Ik kan de samenhang kaderen tussen de processen die instaan voor stofwisseling in de cel. p. 5

Ik kan de algemene reactievergelijking van de fotosynthese neerschrijven en kort toelichten. p. 6-7

Ik kan het belang van ademhaling en ATP duiden. p. 8-10

Ik kan verklaren, aan de hand van de reactievergelijking, hoe vanuit glucose energie bekomen wordt bij de aerobe celademhaling. p. 9

Ik kan de processen die instaan voor transport in en uit de cel kaderen binnen actief en passief transport. p. 11

Ik kan de belangrijkste membraantransportsystemen toelichten, zoals het principe van een enzymatische pomp, endocytose, exocytose, diffusie, geleide diffusie, osmose ... p. 12-18

Colofon

Auteur Diederik Maebe, Jonie Van de Gucht

Eerste druk 2023

SO 0346/2023

Bestelnummer 65 900 0825 (module 3 van 9)

ISBN 978 90 4864 710 1

KB D/2023/0147/162

NUR 126

Thema YPMP

Verantwoordelijke uitgever die Keure, Kleine Pathoekeweg 3, 8000 Brugge

RPR 0405 108 325 - © die Keure, Brugge

Die Keure wil het milieu beschermen. Daarom kiezen wij bewust voor papier dat het keurmerk van de Forest Stewardship Council® (FSC®) draagt. Dit product is gemaakt van materiaal afkomstig uit goed beheerde, FSC®-gecertificeerde bossen en andere gecontroleerde bronnen.