GENIE Natuurwetenschappen 5 & 6 - Leerpakket 1 - Leerschrift by VAN IN

GENI

5 &6

Natuurwetenschappen LEERPAKKET 1

LEER SCHRIFT

GENIE Natuur- 5 &6 wetenschappen

VA N

LEERPAKKET 1

Via www.ididdit.be heb je toegang tot het onlineleerplatform bij GENIE Natuurwetenschappen 5&6 Leerpakket 1. Activeer je account aan de hand van de onderstaande code en accepteer de gebruiksvoorwaarden. Kies je ervoor om je aan te melden met je Smartschool-account, zorg er dan zeker voor dat je e-mailadres aan dat account gekoppeld is. Zo kunnen we je optimaal ondersteunen.

GENIE

VA N

Natuur- 5 &6 wetenschappen

LET OP: DEZE LICENTIE IS UNIEK, EENMALIG TE ACTIVEREN EN GELDIG VOOR EEN PERIODE VAN 1 SCHOOLJAAR. INDIEN JE DE LICENTIE NIET KUNT ACTIVEREN, NEEM DAN CONTACT OP MET ONZE KLANTENDIENST.

Fotokopieerapparaten zijn algemeen verspreid en vele mensen maken er haast onnadenkend gebruik van voor allerlei doeleinden. Jammer genoeg ontstaan boeken niet met hetzelfde gemak als kopieën. Boeken samenstellen kost veel inzet, tijd en geld. De vergoeding van de auteurs en van iedereen die bij het maken en verhandelen van boeken betrokken is, komt voort uit de verkoop van die boeken. In België beschermt de auteurswet de rechten van deze mensen. Wanneer u van boeken of van gedeelten eruit zonder toestemming kopieën maakt, buiten de uitdrukkelijk bij wet bepaalde uitzonderingen, ontneemt u hen dus een stuk van die vergoeding. Daarom vragen auteurs en uitgevers u beschermde teksten niet zonder schriftelijke toestemming te kopiëren buiten de uitdrukkelijk bij wet bepaalde uitzonderingen. Verdere informatie over kopieerrechten en de wetgeving met betrekking tot reproductie vindt u op www.reprobel.be. Ook voor het digitale lesmateriaal gelden deze voorwaarden. De licentie die toegang verleent tot dat materiaal is persoonlijk. Bij vermoeden van misbruik kan die gedeactiveerd worden. Meer informatie over de gebruiksvoorwaarden leest u op www.ididdit.be. © Uitgeverij VAN IN, Wommelgem, 2023 De uitgever heeft ernaar gestreefd de relevante auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Wie desondanks meent zekere rechten te kunnen doen gelden, wordt verzocht zich tot de uitgever te wenden.

Eerste druk, eerste bijdruk 2023 ISBN 978-94-647-0068-8 D/2023/0078/92 Art. 603701/02 NUR 120

Vormgeving en ontwerp cover: Shtick Tekeningen: Geert Verlinde, Julie Lefevre, Tim Boers (Studio B) Zetwerk: Barbara Vermeersch, D’hondt-Ravijts bvba, Zyncke Vanderplancke

VA N

Credits p. 9 foto Eencellige parasiet Trypanosoma: Eye of science © Science Photo Library, p. 12 foto Aarde: Nasa Goddard Space Flight Center (Nasa-Gsfc) © Science Photo Library, p. 12 foto Weefsel: Power and Syred © Science Photo Library, p. 12 foto Celorganel: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 12 foto Molecule: Power and Syred © Science Photo Library, p. 14 foto Antoni van Leeuwenhoek: Photo Researchers, Science History Images © ImageSelect, p. 14 foto Primitieve microscoop: Durk Gardenier © ImageSelect, p. 14 foto Linnen vezels: Edward Kinsman © Science Photo Library, p. 15 foto Stuifmeelpollen lichtmicroscoop: SDym Photography © Alamy, p. 15 foto Stuifmeelpollen transmissieelektronenmicroscoop: David M. Phillips © Science Photo Library, p. 15 foto Stuifmeelpollen rasterelektronenmicroscoop: Power And Syred © Science Photo Library, p. 17 foto Bacterie E. coli: CNRI © Science Photo Library, p. 17 foto Archaea: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 17 foto Bacteriën menselijke ontlasting: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 18 foto Delende pantoffeldiertjes: Power And Syred © Science Photo Library, p. 18 foto Delende gistcellen: Power And Syred © Science Photo Library, p. 18 foto Amoeben: Panther Media GmbH © Alamy, p. 23 foto Plasmacel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 24 foto Menselijk ribosoom: Simone Alexowski © Science Photo Library, p. 25 foto Golgi-apparaat en nucleus: Dennis Kunkel Microscopy © Science Photo Library, p. 26 foto Christian de Duve: Carlos Munoz-Yague, Eurelios © Science Photo Library, p. 27 foto Mitochondrie: Keith R. Porter © Science Photo Library, p. 28 foto Plantencel: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 28 foto Amyloplasten aardappel: Dr Jeremy Burgess © Science Photo Library, p. 28 foto Cellen Strelizia regina: Gerd Guenther © Science Photo Library, p. 30 foto Amoeba: Wim Van Egmond © Science Photo Library, p. 30 foto Paramecium caudatum: Dr David Patterson © Science Photo Library, p. 31 foto Gladde spiercel: Vira V. Artym, Lcdb / Nidcr / National Institutes Of Health © Science Photo Library, p. 31 foto Salmonella enteritidis: A.B. Dowsett © Science Photo Library, p. 31 foto Longepitheelcel: Alvin Telser © Science Photo Library, p. 32 foto Centriolenpaar: Don W. Fawcett © Science Photo Library, p. 34 foto Stuifmeel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 34 foto Celwand: Science Source © Science Photo Library, p. 35 foto Bamboeplantencellen: Eye Of Science © Science Photo Library, p. 35 foto Cellulosevezels: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 35 foto Gistcellen: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 35 foto Bacteriecellen: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 37 foto E. coli: Dr Kari Lounatmaa © Science Photo Library, p. 37 foto Methanococcoides: Dr M. Rohde Gbf © Science Photo Library, p. 37 foto Plantencel: Dr David Furness, Keele University © Science Photo Library, p. 42 foto Aarde: Nasa Goddard Space Flight Center (Nasa-Gsfc) © Science Photo Library, p. 42 foto Weefsel: Power and Syred © Science Photo Library, p. 42 foto Celorganel: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 42 foto Molecule: Power and Syred © Science Photo Library, p. 50 foto Planten: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 51 foto Hongeroedeem: Media Lens King © Shutterstock, p. 53 foto Omeprazol: Dr P. Marazzi © Science Photo Library, p. 82 video Pmd sorteren © Fost Plus, p. 82 video Pmd in het sorteercentrum © Fost Plus, p. 85 foto Onderbroeken © Sandusky Register, p. 88 foto Cradle to Cradle: T. Schneider © Shutterstock, p. 88 foto Jeans: Jeppe Gustafsson © Shutterstock, p. 88 foto Rana Plaza: Sk Hasan Ali © Shutterstock, p. 89 foto Jeans: Jeppe Gustafsson © Shutterstock, p. 97 3D-beeld Fructose: akasha99 © Sketchfab, p. 101 foto Celwand plant: J.C. Revy Ism © Science Photo Library, p. 102 foto Lactosevrije melk: SophieOst © Shutterstock, p. 128 foto Zwavelbacteriën: Dennis Kunkel Microscopy © Science Photo Library, p. 128 foto Heliobacteriën: Eye Of Science © Science Photo Library, p. 128 foto Nitrificerende bacteriën: Dennis Kunkel Microscopy © Science Photo Library, p. 141 foto Purperen zwavelbacteriën: M.I. Walker © Science Photo Library, p. 154 foto Dwarse doorsnede dunne darm: QA International, Universal Images Group North America LLC © ImageSelect, p. 163 foto’s Organisme, orgaan en cel: Sebastian Kaulitzki © Science Photo Library, p. 163 foto Weefsel: Sciepro © Science Photo Library, p. 168 foto Dendritische cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 168 foto ‘Natural killer’-cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 169 foto Delende kankercel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 172 foto Huid: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 173 foto Luchtpijp: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 173 foto Vaginale flora: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 176 en 178 foto Lymfoïde organen en weefsels: Pikovit © Science Photo Library, p. 179 foto Appendix: Sebastian Kaulitzki © Science Photo Library, p. 180 foto Macrofaag: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 180 foto Neutrofiel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 181 foto Dendritische cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 181 foto ‘Natural killer’-cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 191 foto Menselijke foetus: Steve Allen © Shutterstock, p. 219 foto Paperclips aan hand © Science Photo Library, p. 219 foto’s Elektromagneten: Turtle Rock Scientific / Science Source © Science Photo Library, p. 220 foto Hoefijzermagneet en staafmagneet © Mathieu Marck, p. 222 foto Elektromagneet met paperclips: Giphotostock © Science Photo Library, p. 225 foto’s Kompasnaalden rechte geleider zonder en met stroom: Giphotostock © Science Photo Library, p. 227 video Werking luidspreker: Rhys Lewis, Ahs, Decd, Unisa / Equinox Graphics © Science Photo Library, p. 228 foto IJzervijlsel rond staafmagneet: Dorling Kindersley / UIG © Science Photo Library, p. 230 foto’s IJzervijlsel bij gelijksoortige en ongelijksoortige polen: Cordelia Molloy © Science Photo Library, p. 231 foto IJzervijlsel rond spoel: Andrew Lambert Photography © Science Photo Library, p. 232 video Rechterhandregel bij spoel: Rhys Lewis, Ahs, Decd, Unisa / Equinox Graphics © Science Photo Library, p. 232 foto Rechterhandregel bij spoel: Mikkel Juul Jensen © Science Photo Library, p. 247 video Elektromagneet: Andy Davies © Science Photo Library p. 85 artikel Bodemkwaliteit testen? Begraaf je onderbroek! © 247green.nl, p. 93 artikel Hernieuwbaar textiel op de plank: auteur: Harmen Kamminga – C2W | Mens & Molecule, p. 119 artikel Het verschil tussen snelle en trage suikers © Golazo / Energy Lab

INHOUD MODULE 01: DE CEL

MODULE 02: MACROMOLECULEN

` HOOFDSTUK 1:

De cel als basiseenheid van het leven 11 1

Cellen in relatie tot andere organisatieniveaus

Cellen observeren met de microscoop

Soorten cellen

16 17 18

Subcellulaire structuren bij eukaryoten

4.1

Celkern

Voorstelling organische formules 1.1

Bindingsmogelijkheden van het koolstofatoom

1.2

Notatiemogelijkheden van een organische stof

60 61 62

4.2 Endoplasmatisch reticulum

4.3 Ribosomen

4.4 Golgi-apparaat

4.5 Lysosomen

4.6 Mitochondriën

4.7 Plastiden (o.a. chloroplasten)

Toepassingen en eigenschappen De alkanen: R-H

3.2 De alkenen: R-CH=CH-R

3.1

3.3 De alkynen: R-C C-R

3.4 De alcoholen: R-OH

3.5 De carbonzuren: R-COOH

3.6 De esters: R-COOR’

` HOOFDSTUK 2:

4.9 Cytoskelet

Kunststoffen 1

VA N

4.8 Vacuole

4.10 Centrosoom

4.11 Celmembraan

4.12 Celwand

4.13 Vergelijking tussen een dierlijke cel en een plantencel

Transport doorheen membranen (uitbreiding)

1.1

Diffusie: algemeen principe

1.2

Diffusie doorheen een membraan

1.3

Geleide diffusie door een transporteiwit 46

2.1

Osmose: algemeen principe

48 48

2.2 Drie situaties bij osmose

Actief transport

Passief transport door diffusie

Passief transport door osmose

Organische stofklassen

` HOOFDSTUK 2: 1

De prokaryote cel

3.2 De eukaryote cel

3.1 4

Organische stoffen

Vorming van kunststoffen

1.1

Polymerisatie

1.2

Polycondensatie

Eigenschappen van kunststoffen

2.1

Thermoharders

2.2 Thermoplasten

2.3 Elastomeren

Kunststoffen recycleren en verwerken

3.1

Kunststoffen als grondstoffen- of energiebron

3.2 Recyclage van kunststoffen

3.3 Bioplastics

3.4 Circulaire economie en Cradle to Cradle 87

` HOOFDSTUK 3:

De chemische samenstelling van het leven

De chemische samenstelling van cellen

Organische stoffen in cellen

2.1

Sachariden

2.2 Lipiden

103

2.3 Eiwitten

106

2.4 Nucleïnezuren

114

MODULE 03: VAN CELMETABOLISME TOT ORGANISME

` HOOFDSTUK 1

Autotrofe en heterotrofe organismen 127

Autotrofe en heterotrofe organismen

127

Energiehuishouding in elke cel

129

ATP en ADP

2.2 Aerobe en anaerobe celademhaling

129

138

Fotosynthese: synthese van energierijke koolstofverbindingen

138

Transport van stoffen bij de plant

142

Transportsysteem

143

Immunisatie

190

Actieve immunisatie

190

Passieve immunisatie

191

146

` HOOFDSTUK 1: Elektrostatica

195

Statische elektriciteit 1.1

Aantrekking en afstoting

195

1.2

Elektrische lading

198

1.3

Geleiders en isolatoren

200

VA N

2.2 Mechanisme van watertransport

` HOOFDSTUK 2:

MODULE 05: ELEKTROMAGNETISME

2.1

182

130

` HOOFDSTUK 2

Verkenning van weefsels in plantaardige systemen

174

2.4 De derde verdedigingslijn: specifieke immuniteit

2.1

2.3 De tweede verdedigingslijn: niet-specifieke immuniteit

` HOOFDSTUK 3

Verkenning van weefsels en celtypes in dierlijke systemen

151

Celdifferentiatie en stamcellen

151

Relatie tussen de structuur en functie van celtypes

153

2.1

Voorbeeld structuur epitheelcellen in verschillende stelsels

153

2.2 Voorbeeld structuur cellen van de dunne darm

154

2.3 Voorbeeld structuur zintuigcellen in het oor

155

2.4 Voorbeeld structuur neuronen in functie van het zenuwstelsel

157

2.5 Voorbeeld structuur spiercellen

158

2.6 Voorbeeld structuur zaadcellen en hun functie tijdens de bevruchting

2.7 Voorbeeld structuur rode bloedcellen en hun functie in het ademhalingsstelsel

Geleiders

202

2.2 Isolatoren

203

Elektrische influentie: ladingen verschuiven in voorwerpen zonder contact

205

3.1

Inleiding

205

3.2 Geleiders

206

3.3 Polaire isolatoren

207

3.4 Polariseerbare isolatoren

208

Coulombkracht

209

` HOOFDSTUK 2:

Elektromagnetisme

218

Soorten magneten

218

Magnetische kracht

220

161

Krachtwerking tussen permanente magneten

220

161

2.2 Krachtwerking tussen een magneet en een magnetisch voorwerp

222

2.3 Krachtwerking tussen een magneet en een stroomvoerende geleider

224

Magnetisch veld

228

3.1

` HOOFDSTUK 1:

Werking van het immuunsysteem

169

Het belang van immuniteit

169

De werking van het immuunsysteem

171

2.1

171

2.2 De eerste verdedigingslijn: nietspecifieke immuniteit

202

2.1

MODULE 04: IMMUNITEIT

Algemeen overzicht

Voorwerpen laden

Magnetisch veld rondom een permanente magneet

228

3.2 Magnetisch veld rondom een elektromagneet

231

Elektromagnetische inductie

238

4.1

238

Spanning opwekken met magneten

4.2 Toepassingen

241

172

Î STARTEN MET GENIE Het leerpakket GENIE Natuurwetenschappen 5&6 bestaat uit vijf modules. Hier zie je hoe elke module is opgebouwd:

Je maakt kennis met het onderwerp van de module. In het kader onderaan vind je een aantal vragen die je op het einde van de module

In de verkenfase zul je merken dat je al wat voorkennis hebt

kunt beantwoorden.

In het onderdeel Aan de slag vind je verschillende oefeningen. Je kunt die

VA N

oefeningen op papier of op iDiddit

over het onderwerp dat in de

uitwerken.

module aan bod komt. Dat

schematisch overzicht geeft

je een houvast om de nieuwe

leerstof te koppelen aan zaken die je al onder de knie hebt.

Na de opfrissing van de

voorkennis volgen een aantal hoofdstukken. Doorheen

de hoofdstukken verwerf je de nodige kennis en

vaardigheden om uiteindelijk

een antwoord te geven op

LABO 01

de vragen onderaan de startpagina.

Wat moet je nu kennen? We vatten de kern van elk hoofdstuk voor jou samen in de hoofdstuksynthese. Bekijk ook zeker de bijbehorende kennisclip!

Ga zelf op onderzoek! Doorheen de modules vind je de verwijzing naar de labo’s op iDiddit. Dit icoon geeft aan dat er aanvullend lesmateriaal of een extra opdracht op iDiddit staat. Soms is het handig dat je extra lesinformatie of een videofragment zelf kunt bekijken of beluisteren op je smartphone. Als je dit icoon ziet, open dan de VAN IN Plus-app en scan de pagina.

GENIE Natuurwetenschappen 5&6

STARTEN MET GENIE

Het on onliline nellee eerplatfor rplatform m bij Natuurwetenschappen 5&6 Leerpakket 1 Mijn lesmateriaal Hier vind je alle inhouden uit het boek, maar ook meer, zoals filmpjes, labo’s, extra oefeningen ...

Extra materiaal Bij bepaalde stukken theorie of oefeningen kun je extra materiaal openen. Dat kan een bijkomend videofragment zijn, een extra bron of een leestekst. Kortom, dit is materiaal dat je helpt om de leerstof onder de knie te krijgen.

VA N

Adaptieve oefeningen In dit gedeelte kun je de leerstof inoefenen op jouw niveau. Hier kun je vrij oefenen of de oefeningen maken die de leerkracht voor je heeft klaargezet. Opdrachten Hier vind je de opdrachten die de leerkracht voor jou heeft klaargezet. Evalueren Hier kan de leerkracht toetsen voor jou klaarzetten.

Resultaten Wil je weten hoever je al staat met oefenen, opdrachten en toetsen? Hier vind je een helder overzicht van al je resultaten.

Notities Heb je aantekeningen gemaakt bij een bepaalde inhoud? Via je notities kun je ze makkelijk terug oproepen.

Meer weten? Ga naar www.ididdit.be

GENIE Natuurwetenschappen 5&6

iDiddit

VA N

Î Notities

GENIE Natuurwetenschappen 5&6

NOTITIES

MODULE 01

DE CEL

Cellen worden beschouwd als de fundamentele eenheden van het leven. Omdat ze zo klein zijn, kun je niet meteen hun indrukwekkende structuur zien. Maar als je ze onder de microscoop bekijkt, wordt al snel duidelijk dat ze bijzonder complex en divers zijn. Veel cellen kunnen op zichzelf bestaan. Op de afbeelding hieronder zie je een eencellige parasiet uit het geslacht Trypanosoma naast menselijke rode bloedcellen. Trypanosomen vind je terug in personen die geïnfecteerd zijn met de Afrikaanse slaapziekte. Cellen kunnen ook in verbinding staan met duizenden andere cellen in meercellige organismen. Zo bestaan

VA N

bijvoorbeeld ook de glinsterende buitenste laag van je ogen en de groenten op je bord uit cellen.

` Hoe zijn cellen opgebouwd? ` Wat is het verschil tussen plantenen dierlijke cellen? ` Welke processen treden er op in cellen? ` Hoe kunnen cellen stoffen uitwisselen met hun omgeving? (uitbreiding) We zoeken het uit!

5 µm

VERKEN

JE KUNT AL ... plantencel

dierlijke cel

50 µm

celwand celmembraan

celmembraan

vacuole

cytoplasma met bladgroenkorrels

• uitleggen wat prokaryoten en eukaryoten zijn; • uitleggen wat de tree of life is;

celkern met erfelijk materiaal

cytoplasma zonder bladgroenkorrels

VA N

• bepaalde onderdelen van een plantenen dierlijke cel herkennen. Zit deze leerstof wat ver in je geheugen? Op

vind je oefeningen die je helpen je voorkennis te activeren.

JE LEERT NU ...

dierlijke cel

plantencel

• de plaats van de cel duiden in relatie tot andere organisatieniveaus; • de onderdelen van een cel herkennen en beschrijven; • de bouw van plantenen dierlijke cellen vergelijken; • celorganellen van plantenen dierlijke cellen herkennen; • het verband tussen de bouw en functie van organellen in een cel toelichten.

MODULE 01

verken

HOOFDSTUK 1

Î De cel als basiseenheid van het leven Om te begrijpen hoe een organisme functioneert,

LEERDOELEN

kijken we eerst naar de cel: hoe ze eruitziet, hoe ze

M De cel in verband brengen met andere

werkt en vooral ook hoe ze samenwerkt met andere

organisatieniveaus

cellen. Alle levensprocessen die je de voorbije jaren bestudeerd hebt, zoals voeding, transport,

M De organellen in een cel herkennen en hun bouw

ademhaling en uitscheiding, kun je namelijk

M De functie van de organellen in een cel toelichten M De relatie tussen de structuur en de functie van de organellen toelichten

hoofdstuk zul je focussen op de vorm, de opbouw, de afmetingen en de diversiteit van cellen.

VA N

Cellen in relatie tot andere organisatieniveaus

terugbrengen tot activiteiten op celniveau. In dit

beschrijven

Vanaf de negentiende eeuw konden Matthias Schleiden (1804-1881), Theodor Schwann (1810-1882) en andere wetenschappers aantonen dat organismen opgebouwd zijn uit cellen. Ze legden daarmee de basis voor de celtheorie. Die theorie stelt dat cellen de basiseenheid zijn van structuur en functie in organismen. Bovendien kunnen sommige cellen zichzelf ook delen. Meercellige organismen bezitten een complexe inwendige organisatie, waarin je een aantal niveaus kunt onderscheiden. Enkele voorbeelden:

• Een dierlijk spijsverteringsstelsel is opgebouwd uit organen, die elk op hun beurt bestaan uit verschillende weefseltypes. De maag als orgaan bevat onder andere slijmvliesweefsel, spierweefsel en bindweefsel. Die weefsels kunnen op hun beurt verschillende soorten cellen bevatten. Zo bevat het slijmvliesweefsel, dat dient om de maagwand te beschermen tegen de bijtende werking van maagzuur, onder andere kliercellen en epitheelcellen. • Bij planten is het blad een orgaan. Het bevat verschillende weefsels, waaronder parenchymweefsel (dat opgebouwd is uit parenchymcellen, epidermisweefsel en vaatweefsel).

Afbeelding 1 geeft weer welke plaats weefsels en cellen innemen tussen de verschillende biologische organisatieniveaus. Dat zijn hiërarchische niveaus waarmee je de complexiteit van het leven kunt indelen. Elk organisatieniveau wordt gekenmerkt door een grotere complexiteit dan het onderliggende niveau.

MODULE 01

hoofdstuk 1

ECOSYSTEEM BIOSFEER

VA N

LEVENSGEMEENSCHAP

POPULATIE

ORGANISME

MOLECULE

S Afb. 1 De biologische organisatieniveaus, van de aarde tot een molecule

MODULE 01

hoofdstuk 1

ORGAAN

CELORGANEL

WEEFSEL CEL

Cellen observeren met de microscoop

1 1 micrometer of 1 µm = 1 000 mm, 0,001 mm, 10–3 mm of 10–6 m. 1 μm, 1 nanometer of 1 nm = 1 000 –3 –6 10 μm of 10 mm.

De meeste cellen zijn niet zichtbaar voor het menselijk oog. Onder een lichtmicroscoop kun je ze wel waarnemen. • Bacteriële cellen zijn klein. Ze zijn tussen de 1 en 10 µm lang. • Plantencellen en dierlijke cellen zijn vaak ten minste tien keer groter dan bacteriële cellen. Ze zijn ongeveer 10 tot 200 μm lang. • Virussen zijn echter nog kleiner en kun je enkel met een

elektronenmicroscoop waarnemen.

ELEKTRONENMICROSCOOP

LICHTMICROSCOOP

ATOMEN

MITOCHONDRIËN

MOLECULEN

MENSELIJK OOG

VA N

MEESTE BACTERIËN

EIWITTEN

RIBOSOMEN

MENS

MEESTE PLANTENEN DIERLIJKE CELLEN

VIRUSSEN

VOGELEI

0,1 nm

1 nm

10 nm

100 nm

1 µm

10 µm

100 µm

1 cm

10 cm

100 cm

MODULE 01

10 m

hoofdstuk 1

WEETJE

De ontdekking van cellen Omdat cellen klein zijn, duurde het tot 1665 voordat ze voor het eerst beschreven werden. Dat gebeurde door de Engelsman Robert Hooke (1635-1703). Hij bestudeerde een heel dun laagje kurk onder de microscoop. De structuur die hij zag, omschreef hij als een honingraat. Daarna volgden de ontdekkingen in sneltempo.

(1632-1723) bouwde eenvoudige microscopen, waardoor hij als eerste levende cellen kon waarnemen. De organismen die hij zag, noemde hij animalcules of ‘dierkens’. De primitieve microscoop bevatte een

De Nederlander Antoni van Leeuwenhoek S Afb. 2 Robert Hooke en zijn originele tekening van de celstructuren die hij als eerste ‘cellen’ noemde, naar de naam voor de leefruimte van een monnik.

kleine, bolle glazen lens, die vastgeklemd zat tussen koperen platen. Voor de lens zat een pinnetje waarop van Leeuwenhoek het preparaat kon vastprikken. Wanneer hij de plaat tot vlak bij zijn oog bracht, kon

VA N

hij het preparaat 270x vergroten. Op die manier was hij in staat om gistcellen, rode bloedcellen, heel wat plantencellen, vacuolen en celkernen voor de eerste keer waar te nemen.

Hoewel microscopen onmisbaar zijn om

lensje

de meeste cellen te observeren, bestaan er ook cellen die je met het

voorwerphouder

blote oog kunt waarnemen. Menselijke eicellen hebben een diameter tussen de 0,1 en 0,2 mm. Eicellen van amfibieën kunnen dan weer

S Afb. 3 Antoni van Leeuwenhoek

S Afb. 4 De primitieve microscoop waarmee van Leeuwenhoek vele ontdekkingen deed.

groter dan 1 mm worden. Uitlopers van zenuwcellen en vezelcellen van planten worden soms zelfs

centimeters lang!

S Afb. 5 De bruine kikker (Rana temporaria) legt eitjes die uitwendig bevrucht worden en die beschermd zijn door een gelatineus omhulsel. Het zwarte puntje in elk eitje is de eicel.

Pas na de uitvinding van de elektronenmicroscoop in 1933 en de verfijning van dat toestel werd het mogelijk om meer te weten te komen S Afb. 6 Linnen wordt gemaakt van de vezels uit de stengel van de vlasplant (Linum usitatissimum). De microscopische studie van vezels kan interessant zijn wanneer men een plaats delict onderzoekt. De vezels zijn hier 200x vergroot.

over de submicroscopische structuur van cellen. ‘Submicroscopisch’ betekent dat de deeltjes die je

waarneemt, zo klein zijn dat ze niet meer zichtbaar zijn met een lichtmicroscoop. Celstructuren met een grootte van 1 nm zijn goed te zien met een elektronenmicroscoop.

MODULE 01

hoofdstuk 1

VERDIEPING

De resolutie van optische instrumenten De resolutie van een optisch instrument, ook wel het oplossend of scheidend vermogen genoemd, drukt uit hoe dicht punten bij elkaar kunnen liggen opdat je ze nog net als gescheiden kunt waarnemen. Voor een gezond menselijk oog is die minimale afstand ongeveer 0,2 mm. Voor lichtmicroscopen geldt dat je punten die dichter bij elkaar liggen dan 200 nm (of 0,2 µm), niet meer op een draagglaasje onder de microscoop wordt met een vergroting van 1 000x vergroot tot 0,2 mm. Bij die vergroting kan een oog de twee punten nog net gescheiden van elkaar waarnemen.

gescheiden kunt waarnemen. Een lengte van 200 nm

S Afb. 7 Stuifmeelkorrels bekeken met het blote oog

Een vergroting hoger dan 1 000x levert geen bijkomende details van het onderzochte voorwerp op. Dat komt

doordat zichtbaar licht een golflengte heeft tussen 400 nm (violet) en 750 nm (rood). Deeltjes die kleiner zijn,

VA N

zullen het licht niet absorberen of terugkaatsen.

5 µm

S Afb. 8 Stuifmeelkorrel bekeken met een lichtmicroscoop

5 µm

S Afb. 9 Stuifmeelkorrel bekeken met een transmissieelektronenmicroscoop

S Afb. 10 Stuifmeelkorrel bekeken met een rasterelektronenmicroscoop

Om kleinere voorwerpen te bestuderen, gebruiken wetenschappers elektronenmicroscopen. Die maken gebruik van versnelde elektronen, die zich ook als golven gedragen, maar dan met een veel kleinere golflengte. Daardoor kan men een oplossend vermogen van 0,2 nm bereiken. Dat is 1 000x groter dan bij een lichtmicroscoop. Doordat de microscoop elektronen gebruikt in plaats van licht, zijn er helaas geen kleuren zichtbaar. Er ontstaan beelden in grijstinten, die men via beeldbewerkingstechnieken vaak bijkleurt. De transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) toont beelden van heel dunne coupes van biologisch materiaal. Er gaat een elektronenstraal doorheen, waardoor intracellulaire details zichtbaar worden. Een rasterelektronenmicroscoop (Engels: Scanning Electron Microscope, SEM) bestraalt het oppervlak van een voorwerp met elektronenbundels volgens een raster. Het preparaat wordt op die manier gescand en de teruggekaatste elektronen worden vastgelegd in een beeld. Daardoor ontstaan gedetailleerde afbeeldingen van het oppervlak van bepaalde structuren. Dat kan gaan om de kop van een vlo, maar ook om de microstructuur van bouwmaterialen.

MODULE 01

hoofdstuk 1

Soorten cellen

De diversiteit aan cellen is enorm, maar globaal genomen onderscheidt men twee basistypes: de prokaryote en de eukaryote cel. Je leerde al dat je alle levende organismen kunt indelen in drie grote domeinen: de archaea, de bacteriën en de eukaryoten. Die indeling wordt vooral bepaald door het opbouwende celtype.

slijmzwammen steeltjeszwammen

EUKARYOTEN

varens en paardenstaarten

zakjeszwammen

wolfsklauwen

VA N

SCHIMMELS

naaktzadigen

levermossen

nematoden

bedektzadigen

PLANTEN

neteldieren

geleedpotigen

mossen

DIEREN

groenwieren

sponzen

ringwormen

Homo sapiens

ciliaten

stekelhuidigen

weekdieren

kiezelwieren (diatomeeën)

chordadieren

Euglena

Trypanosoma

groene niet-zwavelbacteriën

thermofiele archaea

spirocheten Chlamydia

halofiele archaea

ARCHAEA methanogene archaea

MODULE 01

hoofdstuk 1

meest primitieve voorloper (oercel)

Escherichia

groene zwavelbacteriën

BACTERIËN

cyanobacteriën

W Afb. 11 De tree of life: alle organismen stammen af van één oercel. Je kunt ze indelen in drie domeinen. Binnen het domein van de eukaryoten onderscheiden we drie rijken: dieren, planten en schimmels. Protisten (staan in het vet), zoals slijmzwammen en groenwieren, zijn ook eukaryoten, maar verschillen onderling te sterk om in één groep te worden samengebracht.

3.1 De prokaryote cel Archaea en bacteriën zijn organismen die uit één enkele prokaryote cel bestaan. Ze zijn klein en eenvoudig van structuur. Aan de buitenkant hebben ze soms eiwitstructuren waarmee ze zich aan hun omgeving kunnen hechten. Vorig jaar keek je al in detail naar hun bouw en zag je dat het erfelijk Het cytoplasma is de celinhoud zonder kern. Het cytoplasma bestaat vooral uit water, met daarin opgeloste mineralen en biomoleculen.

materiaal vrij in het cytoplasma ligt en niet omgeven is door membranen. Verder vind je geen door membranen omsloten celorganellen. Celorganellen zijn grote intracellulaire structuren met specifieke functies. Je bestudeert ze verder in dit hoofdstuk in detail.

Het erfelijk materiaal is niet omgeven door een kernmembraan.

De celwand geeft steun en bescherming. Het celmembraan ligt onder de celwand en is niet zichtbaar.

VA N

De bacteriën hebben een eigen delingssysteem.

1 µm

De haarvormige fimbriae geven aanhechtingsmogelijkheden. Fimbriae zijn de draadvormige eiwitstructuren aan de buitenkant van de bacteriën.

S Afb. 12 EM-beeld van de delende bacterie E. coli (Escherichia coli). Onder gunstige groeiomstandigheden kan het aantal bacteriën zo snel toenemen dat er een infectie ontstaat. Zo kan E. coli bijvoorbeeld urineweginfecties veroorzaken al de fimbriae zich hechten aan de epitheelcellen van de urinewegen.

0,5 µm

2 µm

W Afb. 13 De vormvariatie bij prokaryote cellen is groot. EM-beeld van archaea.

W Afb. 14 Bacteriën gevonden in een staal van menselijke ontlasting. De meeste daarvan behoren tot de normale darmflora en zijn gunstig voor de vertering.

MODULE 01

hoofdstuk 1

3.2 De eukaryote cel Zowel een- als meercellige eukaryote organismen zijn opgebouwd uit eukaryote cellen. Die zijn gemiddeld zo’n tien keer groter en vooral complexer dan prokaryote cellen. Naast een celkern bezitten ze ook nog andere structuren die een specifieke functie hebben: de celorganellen. Die maken bijvoorbeeld energie beschikbaar en maken moleculen aan. Sommige van die organellen zijn omgeven door een fosfolipidenmembraan. Ook bij eukaryote cellen bestaat er dus weer een grote variatie aan vormen en specialisaties. We kunnen een onderscheid maken naargelang de cellen afkomstig zijn van eencellige organismen, planten, schimmels of dieren. Zelfs binnen die groepen bestaan er veel verschillen. Zo is een bloedcel

bijvoorbeeld heel anders opgebouwd dan een spiercel, en een wortelcel

anders dan een bladcel. Dat cellen van elkaar verschillen in vorm, inhoud en functie komt doordat cellen zich specialiseren.

Voorbeelden van eencellige eukaryote cellen zijn pantoffeldiertjes, gisten, vele soorten eencellige algen en amoeben.

VA N

40 µm

MODULE 01

hoofdstuk 1

40 µm S Afb. 15 A Delende pantoffeldiertjes (Paramecium caudatum). Op het eerste gezicht verschillen ze niet sterk van de E. coli-bacterie op afbeelding 12, maar ze zijn veel groter en in het cytoplasma zijn diverse membraanomsloten compartimenten te vinden. Op de achtergrond kun je draadvormige bacteriën (Oscillatoria sp.) waarnemen die duidelijk kleiner zijn. B Delende gistcellen (Saccharomyces sp.), die in de groep van de schimmels thuishoren C Diatomeeën (kiezelwieren) zijn eencellige wieren met een exoskelet uit siliciumdioxide. D Amoeben (Amoebe proteus). Amoeben hebben uitstulpingen, die men ‘pseudopodia’ noemt. Ze dienen voor de voortbeweging en om kleinere organismen te vangen.

Een belangrijke stap in de evolutie is het ontstaan van meercellige organismen, die grotere afmetingen hebben. Die organismen zijn opgebouwd uit cellen die gespecialiseerde taken uitvoeren. Uit één bevruchte eicel ontstaat door opeenvolgende celdelingen een groot aantal dochtercellen. Het proces waarbij uit betrekkelijk eenvoudige cellen nieuwe cellen met heel specifieke functies ontstaan, noem je celdifferentiatie. Cellen met dezelfde functie vormen samen een weefsel.

Cellen zijn de basiseenheid van structuur en functie in organismen. Bovendien kunnen sommige cellen ook delen. De meeste cellen zijn niet zichtbaar voor het menselijk oog: • Bacteriële cellen zijn klein. Ze zijn tussen de 1 en 10 μm lang.

• Plantencellen en dierlijke cellen zijn vaak ten minste tien keer groter dan bacteriële cellen.

De diversiteit aan cellen is enorm, maar globaal genomen onderscheidt

Subcellulaire structuren bij eukaryoten

In eukaryote en prokaryote cellen komen verschillende structuren voor die elk een specifieke functie uitoefenen. Bij eukaryoten zijn er in de cel door membranen omringde structuren die je bij prokaryoten niet terugvindt. Die structuren binnen in de cel kun je vergelijken met de organen in een lichaam. Daarom noem je ze celorganellen. Pas wanneer elk organel correct zijn specifieke rol vervult, kan de cel functioneren als geheel. Plantencellen verschillen fundamenteel van dierlijke cellen. Het belangrijkste verschil tussen plantaardige en dierlijke cellen is hun bouw en de aanwezigheid van bepaalde structuren in de cel. Op p. 20-21 zie je de inwendige structuren die we in detail bekijken.

VA N

men twee basistypes: de prokaryote en de eukaryote cel.

MODULE 01

hoofdstuk 1

VA N

W Afb. 16 De bladeren van een plant, zoals het eikenblad hier, kun je beschouwen als de organen van die plant. Een blad is opgebouwd uit heel wat cellen in weefsels die het resultaat zijn van celdifferentiatie. Cellen kunnen onderling sterk verschillen. Dat zie je wanneer je kijkt naar de dikte van de celwand en naar de aanwezigheid van chloroplasten, die belangrijk zijn voor de fotosynthese.

W Afb. 17 Voorstelling van de algemene structuur van een plantencel

MODULE 01

hoofdstuk 1

IN VA N

W Afb. 18 Voorstelling van de algemene structuur van een dierlijke cel

S Afb. 19 Schattingen van het aantal cellen in een mens lopen op tot boven de honderden miljarden. Mensen bevatten veel verschillende celtypes, waarvan je er hier enkele ziet. Links: epitheelcellen bedekken de weefsels en organen. Midden: zenuwcellen kunnen elektrische signalen doorgeven. Rechts: rode bloedcellen hebben geen kern en bevatten hemoglobine om zuurstofgas te transporteren.

MODULE 01

hoofdstuk 1

4.1 Celkern De celkern of nucleus is de plaats waar het erfelijk materiaal, het DNA (desoxyribonucleïnezuur), wordt opgeslagen in de vorm van chromosomen. DNA bevat alle informatie die nodig is voor de aanmaak van eiwitten in de cellen. De celkern is afgescheiden van het cytoplasma door het kernmembraan. Door de aanwezigheid van poriën in dat membraan is er een uitwisseling mogelijk van moleculen tussen het kernplasma of nucleoplasma en het cytoplasma. Langs die weg vindt er snel en selectief transport van moleculen plaats. Zo zullen alle moleculen die nodig zijn voor de eiwitsynthese, die in het cytoplasma gebeurt, via die poriën de kern verlaten. Anderzijds zullen enzymen die nodig zijn voor de verdubbeling van DNA, via die weg in de kern terechtkomen.

In de kern zitten ook een of meerdere nucleoli of kernlichaampjes. Die

bestaan uit chromatine, RNA en eiwitten. Chromatine is samengesteld uit DNA en eiwitten. Het DNA in een nucleolus bevat de informatie die nodig is voor de aanmaak van ribosomen. Die macromoleculaire eiwitcomplexen zijn

VA N

belangrijk voor de eiwitsynthese.

S Afb. 20 Schematische voorstelling van de celkern met het kernmembraan, de nucleolus, een kernporie en chromatine

MODULE 01

hoofdstuk 1

4.2 Endoplasmatisch reticulum Het endoplasmatisch reticulum (ER) bestaat uit een sterk geplooid membraan, dat buisjes en afgeplatte zakjes vormt. In het ER kun je twee gebieden onderscheiden: het ruw endoplasmatisch reticulum en het glad endoplasmatisch reticulum.

Het ruw endoplasmatisch reticulum

Het ruw endoplasmatisch reticulum (RER) sluit nauw aan bij de kern. Aan de cytoplasmatische kant van het membraan bevinden zich ribosomen, waardoor het onder de elektronenmicroscoop een ruw uiterlijk heeft. De ribosomen op het RER maken eiwitten aan. Die komen via porie-eiwitten

in het ER terecht. De daar aanwezige enzymen zullen helpen om de pas

gevormde eiwitten op te vouwen. Vervolgens worden de eiwitten verpakt in transportblaasjes, die zich afsnoeren van het ER en vervoerd worden naar het Golgi-apparaat voor afwerking. Wanneer de eiwitten afgewerkt zijn,

kunnen ze bijvoorbeeld deel gaan uitmaken van membranen of een functie

VA N

vervullen als enzym, als boodschapper tussen cellen of als structuureiwit.

S Afb. 21 Links en midden: bouw van het RER en SER Rechts: ingekleurd TEM-beeld van een plasmacel. Omdat plasmacellen veel eiwitten aanmaken, is hun RER heel uitgebreid.

MODULE 01

hoofdstuk 1

B SER = Smooth Endoplasmic Reticulum

Het glad endoplasmatisch reticulum

Het glad endoplasmatisch reticulum (SER) bezit geen ribosomen. Functies: • In het membraan van het SER liggen enzymen ingebed die een rol spelen bij de aanmaak van lipiden. Als er nieuw membraanmateriaal nodig is, maken ze bijvoorbeeld cholesterol en fosfolipiden aan. Het ER is op bepaalde plaatsen verbonden met het kernmembraan en maakt ook contact met alle celorganellen en met het celmembraan. Door die contacten kunnen fosfolipiden en cholesterol zich rechtstreeks verplaatsen naar de membranen van andere organellen. • Het SER zorgt ook voor calciumopslag.

• Het speelt een rol bij stofwisselingsprocessen, die per celtype kunnen verschillen. Zo zal in levercellen het SER helpen bij het ontgiften van

medicijnen of alcohol. In cellen van de bijnierschors staat het dan weer in voor de productie van steroïdhormonen, zoals cortisol. endoplasmatisch reticulum

VA N

mitochondrie

Golgi-apparaat

celkern

W Afb. 22 Het ER (groen) slingert door de cel en maakt contact met alle andere organellen en met het celmembraan.

4.3 Ribosomen

Ribosomen komen vrij voor in het cytoplasma of zijn gebonden aan het

membraannetwerk van het RER. Het zijn macromoleculaire eiwitcomplexen, die opgebouwd zijn uit een grote en een kleine subeenheid. Elke subeenheid is op haar beurt opgebouwd uit ribosomaal RNA (rRNA) en eiwitten. De nucleolus staat in voor de aanmaak van rRNA en de opbouw van de kleine en grote subeenheid van de ribosomen. De subeenheden verlaten de kern via de kernporiën en worden geassembleerd in het cytoplasma. De ribosomen staan in voor de eiwitsynthese in een cel. Eiwitten vervullen de sleutelfuncties in een cel. De code om eiwitten aan te maken, zit vervat in ons DNA. Tijdens de eiwitsynthese wordt de informatie uit het DNA omgezet S Afb. 23 Menselijk ribosoom met grote (groen) en kleine (bruin) subeenheid

MODULE 01

hoofdstuk 1

naar een eiwit.

4.4 Golgi-apparaat Het Golgi-apparaat is een geheel van afgeplatte zakjes, cisternen genoemd, die op elkaar gestapeld liggen. Je onderscheidt een ciszijde, die dicht bij het endoplasmatisch reticulum (ER) ligt, en een transzijde, die het verst van het ER ligt. Beide delen van het Golgi-apparaat bevatten verschillende enzymen

in hun cisternen.

S Afb. 25 TEM-beeld van het Golgi-apparaat en de nucleus in een zenuwcel

VA N

S Afb. 24 Schematische voorstelling van een Golgi-apparaat

Na hun synthese door de ribosomen op het RER worden de eiwitten afgewerkt in het Golgi-apparaat. Hoe dat precies in zijn werk gaat, staat nog ter discussie.

Wanneer de eiwitten zijn afgewerkt in het Golgi-apparaat, hebben ze verschillende aanpassingen ondergaan. Verpakt in blaasjes verlaten de eiwitten het Golgi-apparaat en worden ze vervoerd naar de plaats in de cel waar ze nodig zijn. Voor de goede werking van de cel is het belangrijk dat elk eiwit op de juiste plaats in de cel terechtkomt.

vrije ribosomen

transportblaasje

Golgi-apparaat

secretieblaasje met eindproducten

secretie van eindproducten

invoegen van membraanmateriaal

kernporie celkern

celmembraan blaasje voor aanvoer membraanmateriaal

kernmembraan ruw ER

glad ER

S Afb. 26 Schematische voorstelling van het ER, het Golgi-apparaat en de secretieblaasjes als functioneel geheel

MODULE 01

hoofdstuk 1

4.5 Lysosomen Lysosomen zijn blaasjes die worden afgesplitst van het Golgi-apparaat. Het zijn celorganellen die omsloten zijn door een membraan en die typisch zijn voor dierlijke cellen. Lysosomen bevatten afbrekende enzymen en zorgen dus voor de vertering in de cel. De afbrekende enzymen werken het best bij een zure pH. Lysosomen kunnen: • celeigen bestanddelen afbreken tot kleinere componenten. We spreken van autofagie. De vrijgekomen bouwstenen kunnen dan elders in de cel hergebruikt worden voor de synthese van nieuwe moleculen. heterofagie.

WEETJE

• materiaal afkomstig van buiten de cel verteren: we spreken van

De Belgische medicus en biochemicus Christian de Duve was de eerste die

lysosomen beschreef. Hun ontdekking

VA N

werd mede mogelijk gemaakt door de hoge resolutie van de elektronenmicroscoop.

In 1974 kreeg de Duve voor zijn onderzoek de

Nobelprijs voor Geneeskunde.

S Afb. 28 De processen heterofagie en autofagie

MODULE 01

hoofdstuk 1

S Afb. 27 Christian de Duve (1917-2013), Nobelprijswinnaar

4.6 Mitochondriën Een mitochondrie is een rond tot ovaal organel dat omgeven is door een dubbel membraan. Het inwendige membraan bezit een groot oppervlak door de vele instulpingen, die cristae heten. De binnenruimte heet de matrix. De mitochondriën zijn de energiecentrales van de cel. In het binnenste membraan en de matrix bevinden zich enzymen die belangrijk zijn om energie vrij te maken uit voedingsstoffen. Tijdens dat proces slaat de cel energie op in de vorm van een energierijke molecule, ATP (adenosinetrifosfaat). Je leert er later meer over. In cellen die veel energie nodig hebben, bijvoorbeeld spiercellen, komen

soms duizenden mitochondriën voor. In dergelijke cellen bezitten de

mitochondriën ook meer cristae om te kunnen voldoen aan de grote vraag naar energie.

WEETJE

Mitochondriën bevatten cirkelvormige DNA-moleculen, het mitochondriaal DNA (of mtDNA). Bij mensen en

VA N

andere zoogdieren wordt dat mtDNA bijna altijd overgeërfd via de moeder. Dat komt doordat bij

de bevruchting alleen de mitochondriën die in het cytoplasma van de eicel aanwezig zijn, behouden blijven. De mitochondriën in de zaadcel bevinden zich meestal in het middenstuk, en dat blijft tijdens de bevruchting doorgaans samen met de staart buiten de

eicel.

S Afb. 29 Bouw en TEM-beeld van een mitochondrie. Het ingekleurde TEM-beeld toont een mitochondrie (oranje) in de alvleeskliercellen van een vleermuis. Links op de afbeelding zie je RER, bovenaan secretiegranules. Dat zijn secretieblaasjes die een hoge concentratie aan verteringsenzymen bevatten.

MODULE 01

hoofdstuk 1

4.7 Plastiden (o.a. chloroplasten) Alle groene delen van planten bevatten chloroplasten of bladgroenkorrels. Die zijn net zoals mitochondriën omgeven door een dubbele membraan. Het inwendige membraan van de chloroplast noem je het thylakoïdmembraan. Dat vormt lamellen met stapels gesloten platte membraanzakjes. Een stapeltje membraanzakjes vormt een granum. Het binnenste van de chloroplast, waarin de thylakoïden liggen, heet het stroma. In de thylakoïdmembranen liggen lichtabsorberende chlorofylmoleculen gebonden in een eiwitcomplex. Met behulp van lichtenergie vindt in chloroplasten fotosynthese plaats, waarbij de plant CO2 en water gebruikt om

glucose op te bouwen.

buitenmembraan intermembraanruimte binnenmembraan

VA N

DNA

granum

lamellen

stroma

S Afb. 30 Voorstelling van een chloroplast

ribosoom

thylakoïden

zetmeelkorrel

S Afb. 31 Bouw en ingekleurd TEM-beeld van een plantencel. De chloroplasten zijn groen gekleurd. In het centrum van de cel is de vacuole zichtbaar in het geel.

Naast de chloroplasten bestaan er nog andere plastiden. Plastiden zijn een

WEETJE

In het stroma komt

chloroplast-DNA (cpDNA) voor. Dat is, net als bij

groep van gelijkaardige organellen, telkens omgeven door een dubbele membraan, die zich specialiseren in de opslag van bijvoorbeeld zetmeel bij de amyloplasten of kleurstoffen bij de chromoplasten.

de mitochondrie, een

cirkelvormige DNA-molecule waarvan meerdere kopieën kunnen voorkomen. Het bevat de informatie voor een aantal eiwitten die betrokken zijn bij de

fotosynthese. De synthese

W Afb. 32 SEM-beeld van amyloplasten in de aardappel (Solanum tuberosum). In de amyloplasten wordt zetmeel opgestapeld.

van die eiwitten gebeurt door de ribosomen die in de chloroplast aanwezig zijn. W Afb. 33 LM-beeld van de cellen van de Strelizia regina. De oranje chromoplasten geven kleur aan de bloem.

MODULE 01

hoofdstuk 1

4.8 Vacuole Een vacuole is een met vocht gevuld blaasje dat omsloten is door een membraan. Grote vacuoles vind je niet terug in dierlijke cellen. Bij plantaardige cellen zijn ze opvallend aanwezig. In zich ontwikkelende plantencellen ontstaan er meerdere kleine vacuolen door wateropname. Ze versmelten tot één grote centrale vacuole, die 80 tot 90 % van het celvolume kan innemen. De vacuolen zijn omgeven door een membraan, dat je de tonoplast noemt. Het vacuolevocht is een waterige oplossing van onder andere sachariden, ionen, aminozuren en kleurstoffen. Het is doorgaans licht zuur, met een pH van 5-5,5. Het vocht in de vacuole is de watervoorraad van de plantencel.

Een goed met water gevulde vacuole zorgt, samen met de celwand, voor de stevigheid van het plantenlichaam. De kleurstoffen geven kleur aan de nietgroene plantendelen, vruchten en bloemen. Bij sommige planten bevatten de vacuolen stoffen die toxisch of irriterend zijn voor een planteneter.

Op die manier beschermen ze de plant tegen vraat. In de vacuole zijn ook

afbrekende enzymen aanwezig die, net zoals de enzymen in de lysosomen, de verteringstaken in de plantencel op zich nemen en werkzaam zijn bij een zure

W Afb. 34 Buitenste cellaag van een rode ui. In de vacuole zit het rode pigment anthocyaan. De vacuole neemt zo goed als alle beschikbare ruimte in de cel in.

VA N

pH.

S Afb. 35 Schematische voorstelling van een plantencel

S Afb. 36 Ingekleurd TEM-beeld van een plantencel. De vacuole is lichtgroen ingekleurd.

MODULE 01

hoofdstuk 1

WEETJE In eencelligen, zoals Amoeba, komen voedselvacuolen voor. De amoeba sluit met haar schijnvoetjes voedseldeeltjes in, zodat er een vacuole ontstaat waarin het voedsel wordt vervoerd naar de lysosomen voor afbraak. Ook voor het pantoffeldiertje (Paramecium caudatum) spelen vacuolen een belangrijke rol. Het pantoffeldiertje beschikt over meerdere voedselvacuolen en twee kloppende vacuolen. Die laatste zorgen ervoor dat overtollig water dat in het pantoffeldiertje binnenkomt,

terug naar buiten kan worden gepompt.

VA N

W Afb. 37 De Amoeba omsluit met schijnvoetjes een alg.

W Afb. 38 Lichtmicroscopisch beeld van Paramecium caudatum. Je ziet meerdere voedselvacuolen (bruin) en twee kloppende vacuolen (stervormig). De voedselvacuolen verteren voeding (opgenomen bacteriën). De kloppende vacuolen voeren overtollig water af.

4.9 Cytoskelet

Het cytoskelet is een netwerk van eiwitvezels. Bij sommige cellen zorgt het cytoskelet voor het behoud van de celvorm, terwijl het bij andere cellen net vormveranderingen mogelijk maakt. Het houdt celorganellen

op een bepaalde plaats in de cel, maar het maakt ook de verplaatsing van organellen mogelijk.

intermediaire filamenten

RER

microtubulus

mitochondrie

microfilamenten

MODULE 01

hoofdstuk 1

W Afb. 39 Schematische voorstelling van het cytoskelet met de drie soorten eiwitvezels

WEETJE

Het cytoskelet: drie soorten eiwitvezels MICROFILAMENTEN

MICROTUBULI

INTERMEDIAIRE FILAMENTEN

Bouw Dunne, draadvormige structuren

Holle, buisvormige structuren

Structuren die deel uitmaken

die deel uitmaken van het

van het cytoskelet van een

cytoskelet van een cel. Ze

cytoskelet van een cel. Ze zijn

cel. Ze zijn samengesteld uit

zijn samengesteld uit actine-

samengesteld uit het eiwit

verschillende soorten eiwitten.

eiwitten

genaamd tubuline.

Functie Als netwerk zorgen de

Microtubuli vormen een

Intermediaire filamenten

microfilamenten net onder het

soort netwerk waarlangs

hebben uitsluitend een

celmembraan voor stevigheid.

transportblaasjes en

structurele rol. Sommige

Daardoor is de cel in staat om

celorganellen getransporteerd

intermediaire filamenten

bruuske vormveranderingen

worden in de cel.

verbinden individuele cellen

op te vangen. Komen de microfilamenten in bundels

vormen. Een belangrijke groep intermediaire filamenten

VA N

voor, dan spelen ze een rol bij

met elkaar, zodat ze een weefsel

het samentrekken van de cel.

zijn de keratinefilamenten

Een voorbeeld daarvan is het

in epitheelcellen. Het is

samentrekken van spiervezels in

opmerkelijk dat plantencellen

een skeletspier.

geen intermediaire filamenten bevatten. De stevigheid en celhechtingen waarvoor intermediaire filamenten zorgen, worden in planten voorzien door de

celwand.

S Afb. 40 Een embryonale gladde spiercel, waarbij de microfilamenten groen gekleurd zijn. De filamenten zorgen voor de vorm van de cel.

S Afb. 41 Ingekleurd TEM-beeld van Salmonella enteritidis, een bacterie die voedselvergiftiging veroorzaakt. Ze beweegt zich voort met behulp van flagellen of zweepdraden. De belangrijkste bouwstenen van die structuren zijn microtubuli.

S Afb. 42 Longepitheelcel. De keratinefilamenten omringen de kern en waaieren uit naar het celmembraan.

MODULE 01

hoofdstuk 1

4.10

Centrosoom

In alle dierlijke cellen en in bepaalde andere organismen, zoals mossen, komen centriolen voor. Een centriool is een cilinder die bestaat uit korte microtubuli, die gerangschikt zijn in negen sets van drie. Een dierlijke cel bevat twee centriolen, die dicht bij de kern liggen en loodrecht op elkaar staan. Rond het centriolenpaar komen eiwitten voor. Het geheel noem je het centrosoom. Wanneer dierlijke cellen zich delen, verdubbelt het centriolenpaar zich. De centriolenparen komen elk aan één kant van de delende cel te liggen. Rond elk centriool vormt zich uit het cytoskelet een structuur van microtubuli, die

VA N

de chromosomen vasthoudt tijdens de celdeling.

S Afb. 43

MODULE 01

hoofdstuk 1

S Afb. 44 Een centriolenpaar bestaat uit 2 centriolen = 1 centrosoom.

W Afb. 45 Ingekleurd TEM-beeld van een centriolenpaar (paars) en het Golgiapparaat (oranje) in een cel uit het beenmerg van een hamster (Cricetus cricetus)

4.11

Celmembraan

De grens tussen een cel en de omgeving bestaat uit een dunne laag van ongeveer 10 nm dik, het celmembraan of plasmamembraan. Dat membraan omhult het cytoplasma en is opgebouwd uit een dubbele laag fosfolipidemoleculen.

hydrofoob = waterafstotend hydrofiel = waterminnend

Binnen in het celmembraan zijn de hydrofobe vetzuurstaarten van de fosfolipiden naar elkaar gericht, waardoor ze een apolair middenstuk creëren. Op die manier vormt het membraan dus een barrière tussen de binnen- en buitenkant van de cel. De fosfaatgroepen vormen een hydrofiele

kopgroep en zijn naar de waterige omgeving gericht.

VA N

W Afb. 46 Membranen zijn vooral opgebouwd uit fosfolipiden en zorgen voor de begrenzing van de cel (celmembraan). Bij eukaryote cellen begrenzen membranen ook celstructuren binnen in de cel.

Het celmembraan bevat twee soorten eiwitten:

• transmembraaneiwitten, die volledig door het membraan steken; • eiwitten die niet door het membraan steken, de perifere membraaneiwitten.

Aan de binnenzijde van het celmembraan bevindt zich het cytoplasma. Aan de buitenzijde van het celmembraan komt bij planten, schimmels, protisten en veel prokaryoten vaak een stevige celwand voor. Die celwand ontbreekt bij dierlijke cellen.

vezelachtige eiwitten

Bij eukaryoten zitten er ook celorganellen in het cytoplasma.

cytoplasma

filamenten van het cytoskelet

transmembraan- suikereiwit ketens

perifere eiwitten

fosfolipidendubbellaag

S Afb. 47 Weergave van de structuur van een celmembraan.

MODULE 01

hoofdstuk 1

4.12

Celwand

Als je plantencellen bestudeert, vind je een structuur terug die het celmembraan omgeeft: de celwand. Dat is een verstevigende laag aan de buitenzijde van het celmembraan. De celwand geeft vorm, stevigheid en bescherming aan de cel. Tussen de moleculen in de celwand zitten kleine openingen, die ervoor zorgen dat de celwand doorlaatbaar is voor verschillende moleculen.

VA N

Dierlijke cellen hebben nooit een celwand.

S Afb. 48 Stuifmeel, zoals dat van Eucalyptus op de afbeelding, heeft een stevige celwand. Daardoor ontstaan er vormen die kenmerkend zijn voor de plantensoort waarvan het stuifmeel afkomstig is.

S Afb. 49 De celwand van plantencellen is opgebouwd uit verschillende lagen, die elk een andere moleculaire samenstelling hebben.

Een belangrijk bestanddeel in de plantaardige celwand is cellulose. Cellulose bestaat uit lange polymeren van glucosemoleculen. Die polymeren vormen een stevig netwerk. In de celwand zitten vaak ook ronde kanalen die zorgen voor transport en communicatie tussen de cellen. Die kanalen vormen echte verbindingen tussen het cytoplasma van twee cellen en staan bekend als plasmodesmata.

MODULE 01

hoofdstuk 1

plasmodesma

WEETJE

S Afb. 50 Links: SEM-beeld van bamboeplantencellen. In tegenstelling tot dierlijke cellen zijn plantencellen ingesloten in een beschermende stijve celwand. De ronde kanalen in de wanden staan bekend als plasmodesmata. Rechts: SEM-beeld van cellulosevezels in de celwand van een alg, met een diameter van 5 tot 15 nm

Ook in bacterie- en schimmelcellen vind je een celwand terug. • De celwand van een bacteriecel is opgebouwd uit peptidoglycaanmoleculen.

VA N

• De celwand van schimmelcellen bevat vooral chitinemoleculen.

W Afb. 51 Gisten zijn eencellige schimmels. De gistcellen zijn omgeven door een celwand.

W Afb. 52 Bacteriecellen hebben een celwand.

De celwand is een verstevigende laag aan de buitenzijde van het celmembraan. Ze geeft vorm, stevigheid en bescherming aan de cel. • Een belangrijk bestanddeel in de plantaardige celwand is cellulose. • Dierlijke cellen hebben nooit een celwand.

MODULE 01

hoofdstuk 1

VA N

4.13 Vergelijking tussen een dierlijke cel en een plantencel

Het belangrijkste verschil tussen plantaardige en dierlijke cellen ligt in hun bouw en de aanwezigheid van bepaalde organellen. Hier zijn de belangrijkste verschillen:

• Celwand: plantaardige cellen hebben een celwand bestaande uit cellulose, terwijl dierlijke cellen geen celwand hebben.

• Vacuolen: plantaardige cellen hebben meestal één grote centrale vacuole die water en voedingsstoffen opslaat. Dierlijke cellen hebben kleinere vacuolen of helemaal geen vacuolen. • Chloroplasten: plantaardige cellen bevatten chloroplasten, organellen die fotosynthese mogelijk maken en chlorofyl bevatten. Dierlijke cellen hebben geen chloroplasten. • Centriolen: dierlijke cellen hebben vaak een paar centriolen, die betrokken zijn bij celdeling. Plantaardige cellen hebben doorgaans geen centriolen. • Vorm: plantaardige cellen hebben meestal een vaste rechthoekige vorm, terwijl dierlijke cellen variëren in vorm; ze kunnen rond zijn, ovaal of andere vormen hebben. LABO 01

Het is belangrijk op te merken dat deze verschillen algemene kenmerken zijn en dat er variaties kunnen optreden, afhankelijk van het specifieke type planten- of dierlijke cel.

MODULE 01

hoofdstuk 1

AAN DE SLAG

Rangschik van klein naar groot volgens organisatieniveau. long – mens – epitheelcel – slijmvliesweefsel – ademhalingsstelsel

Benoem de cellen op de afbeeldingen als prokaryoot of eukaryoot en verklaar. A

bloeduitstrijkje mens gistcellen prokaryoot

prokaryoot

eukaryoot

algen onder de microscoop

salmonellakolonie

prokaryoot

eukaryoot

VA N

Welke afbeeldingen tonen een prokaryote cel? Vink aan en verklaar op welke kenmerken je je baseert. A

MODULE 01

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

Verbind de naam van het celorganel met de juiste functie. CELORGANEL

FUNCTIE

1 mitochondriën

A Geeft structuur en vorm aan de cel, ondersteunt celbeweging en intracellulaire transportprocessen.

2 Golgi-apparaat

B Bevat het genetisch materiaal (DNA) en reguleert de activiteiten van de cel.

3 ribosomen

C fotosynthese, waarbij lichtenergie wordt omgezet in chemische energie (glucose) in plantencellen

4 endoplasmatisch D producent van energie (ATP) door celademhaling reticulum (ER) E afbraak en recycling van biomoleculen en celcomponenten

6 celkern

F eiwitsynthese (vertaling van mRNA naar eiwitten)

7 chloroplasten

G verwerking, sortering en verpakking van eiwitten voor transport binnen en buiten de cel

5 lysosomen

8 cytoskelet

H opslag van water, voedingsstoffen, afvalstoffen en andere moleculen in de cel

9 vacuole

I productie en opslag van lipiden, betrokken bij eiwitsynthese en transport 2

VA N

De onderstaande organellen zijn van cruciaal belang bij de vorming van functionele eiwitten. Geef de naam van elk organel.

b Geef de rol van het organel in de cel. A

A: naam:

rol:

B: naam: rol:

C: naam: rol:

D: naam: rol:

Duid aan welke structuren een membraan bezitten. vacuole

MODULE 01

lysosoom

ribosoom

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

chloroplast

Vergelijk de prokaryote cel, de plantencel en de dierlijke cel aan de hand van de tabel. EUKARYOTE CEL

PROKARYOTE CEL

PLANTENCEL

DIERLIJKE CEL

Celmembraan aanwezig? Celwand aanwezig? Celkern aanwezig?

Bekijk de twee cellen. a

Benoem de aangeduide onderdelen van de cellen.

b Duid aan of het een planten- of dierlijke cel is.

VA N

plantencel

dierlijke cel

plantencel

dierlijke cel

MODULE 01

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

Welke uitspraak over mitochondriën en chloroplasten is juist? Ze komen beide voor in alle eukaryoten. Ze zijn beide omgeven door een dubbel membraan. Ze maken beide glucose aan. Ze komen beide voor in dierlijke cellen.

Bekijk aandachtig de afbeeldingen. a

Benoem de aangeduide structuren of onderdelen ervan.

b Behoort de structuur tot een plantencel, een dierlijke cel of beide? 1

VA N

plantencel

dierlijke cel

plantencel

dierlijke cel

plantencel

dierlijke cel

plantencel

MODULE 01

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

dierlijke cel

plantencel

dierlijke cel

plantencel 1

dierlijke cel

VA N

plantencel

dierlijke cel

plantencel

dierlijke cel

plantencel

dierlijke cel

Meer oefenen? Ga naar

MODULE 01

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

HOOFDSTUKSYNTHESE 1 CELLEN IN RELATIE TOT ANDERE ORGANISATIENIVEAUS CELTHEORIE

ORGANISATIENIVEAU

• Cellen zijn de basiseenheid van structuur en functie

Hiërarchische niveaus waarmee je de complexiteit

in organismen.

van het leven kunt indelen.

• Sommige cellen kunnen zichzelf delen.

levensgemeenschap

organisme

weefsel

celorganel

VA N

biosfeer

ecosysteem

populatie

orgaan

cel

molecule

2 CELLEN OBSERVEREN MET DE MICROSCOOP

LICHTMICROSCOOP

ELEKTRONENMICROSCOOP

• De meeste cellen zijn niet zichtbaar voor het

• Heeft een oplossend vermogen van 0,2 nm.

menselijk oog. Onder een lichtmicroscoop kun je

Dat is duizend keer groter dan bij een

cellen tot 0,2 μm (= 200 nm) waarnemen.

lichtmicroscoop.

• Werkt met lichtstralen.

• Werkt met elektronenbundels.

SOORTEN CELLEN

ALLE CELLEN ZIJN OFWEL PROKARYOOT, OFWEL EUKARYOOT.

PROKARYOTE CEL

EURKARYOTE CEL

• Komt voor bij archaea en bacteriën.

• Komt voor bij meercellige organismen en

• Heeft geen celkern: het erfelijk materiaal ligt vrij in het cytoplasma.

sommige eencelligen. • Heeft een celkern met erfelijk materiaal. • Heeft organellen die gespecialiseerde functies uitvoeren en die vaak omgeven zijn door een membraan.

Cellen specialiseren zich. Daardoor verschillen ze van elkaar in vorm, inhoud en functie. Dat noem je celdifferentiatie.

MODULE 01

synthese hoofdstuk 1

VIDEO

kennisclip

4 SUBCELLULAIRE STRUCTUREN celkern (P + D)

plaats waar het erfelijk materiaal wordt opgeslagen in de vorm van chromosomen

endoplasmatisch

• het ruw endoplasmatisch reticulum (RER)

reticulum (P + D)

= sluit nauw aan bij de celkern en bevat ribosomen • het glad endoplasmatisch reticulum (SER) = heeft geen ribosomen en speelt een rol bij de aanmaak van lipiden Staan in voor de aanmaak van eiwitten in een cel.

Golgi-apparaat

De aangemaakte eiwitten worden bewerkt en verpakt om ze af te scheiden in of

(P + D)

buiten de cel.

lysosomen (D)

Bevatten afbrekende enzymen waarmee ze celeigen bestanddelen kunnen afbreken

ribosomen (P + D)

(= autofagie) of materiaal van buiten de cel kunnen verteren (= heterofagie). mitochondriën (P + D)

Zijn de energiecentrales van de cel. In het binnenste membraan en de matrix bevinden zich enzymen die belangrijk zijn om energie vrij te maken uit

VA N

voedingsstoffen.

cytoskelet (P + D)

Zorgt voor de vorm van een cel.

centrosoom/

Spelen een belangrijke rol tijdens de celdeling.

centriolen

(soms P + altijd D)

celmembraan (P + D)

Vormt de grens tussen een cel en de omgeving. Dat membraan omhult het cytoplasma en is opgebouwd uit een dubbele laag fosfolipidemoleculen.

celwand (P)

Een verstevigende laag aan de buitenzijde van het celmembraan bij de plantencel. Ze geeft vorm, stevigheid en bescherming aan de cel.

plastiden (P)

• chloroplasten → voeren de fotosynthesereacties uit • amyloplasten → zorgen voor de opslag van zetmeel • chromoplasten → zorgen voor kleur bij de plant

vacuolen (P + D)

• Bevat waterreserve en geeft stevigheid aan de plantencel. • kleine vacuolen aanwezig bij de dierlijke cel

dierlijke cel (D)

plantencel (P)

verschillen

• •

lysosoom centriool

• • •

overeenkomsten

• •

celmembraan celkern

• • • •

celwand vacuole chloroplast

ribosoom RER SER Golgi-apparaat

• •

cytoskelet mitochondrie

MODULE 01

synthese hoofdstuk 1

HOOFDSTUK 2

Î Transport doorheen membranen (uitbreiding) Cellen hebben moleculen nodig om te functioneren. Moleculen zoals

LEERDOELEN M Een beschrijving geven van de processen diffusie en osmose

zuurstofgas, water, glucose en mineralen voorzien de cel bijvoorbeeld van voldoende energie en bouwmaterialen. Tegelijkertijd moeten afvalstoffen de cel verlaten. Het transport van moleculen van en naar de cel hangt af van de situatie en het soort molecule. Zoals je weet, zijn er binnen de eukaryote cel membraancompartimenten aanwezig. Ook daartussen is de uitwisseling van

beschrijven tussen actief en passief transport

moleculen noodzakelijk.

M De verschillen

Kleine ongeladen moleculen kunnen zonder problemen door het membraan. Grotere of geladen moleculen kunnen echter niet door het membraan zonder hulp.

• Je spreekt van passief transport wanneer de verplaatsing door het

VA N

membraan spontaan gebeurt en het de cel geen energie kost.

• Bij actief transport investeert de cel energie om een molecule door een membraan te transporteren

Passief transport door diffusie

1.1

Diffusie: algemeen principe

Wanneer je een parfumflesje opent, kun je de geur ook van een afstand ruiken. Dat komt doordat de moleculen in de lucht beweeglijk zijn en er verspreiding of diffusie zal optreden van de geurmoleculen in de ruimte. Diffusie is de verplaatsing van moleculen in een gas of vloeistof met de

concentratiegradiënt mee: van de plaats waar de concentratie van die deeltjes het hoogst is, naar de plaats met een lagere concentratie. Dat proces blijft doorgaan tot de concentratie aan moleculen overal gelijk is.

blokje kleurstof

water

MODULE 01

hoofdstuk 2

W Afb. 53 Door hun kinetische energie bewegen de moleculen zich willekeurig in de oplossing. Netto resulteert dat erin dat de moleculen zich ‘met de concentratiegradiënt mee’ lijken te bewegen, tot de concentratie overal gelijk is.

1.2

Diffusie doorheen een membraan

Diffusie kan ook optreden tussen vloeistoffen die van elkaar gescheiden zijn door een membraan. Dat gebeurt alleen wanneer de moleculen ongehinderd door het membraan kunnen. Als er een concentratieverschil is aan de twee zijden van het membraan, dan zorgt diffusie ervoor dat de concentratie aan beide zijden gelijk wordt. Dat kost de cel geen energie. Diffusie vindt ook plaats bij ionen. Ionen met dezelfde lading zullen zich

S Afb. 54 Bij diffusie bewegen de opgeloste ongeladen deeltjes (A) en geladen deeltjes (C) door het membraan met de gradiënt mee. De eindsituatie ontstaat wanneer de concentraties of ladingen aan beide zijden gelijk zijn (B en D).

VA N

maximaal verspreiden, tot de nettolading aan beide zijden hetzelfde is.

MODULE 01

hoofdstuk 2

1.3 Geleide diffusie door een transporteiwit Geleide diffusie is een vorm van passief transport waarbij geladen, grotere of polaire moleculen vrij door het membraan kunnen bewegen met behulp van gespecialiseerde transporteiwitten. Voorbeelden zijn water, aminozuren, suikers en ionen. Transporteiwitten vormen daarbij een porie door het membraan. Er bestaan twee groepen transporteiwitten: kanaaleiwitten en carrier-eiwitten. Ze zijn meestal heel selectief. Dat wil zeggen dat ze maar één type molecule of ion doorlaten. Kanaaleiwitten en carrier-eiwitten komen voor in alle membranen in de cel. De moleculen bewegen trouwens nog altijd met de concentratiegradiënt mee.

Daardoor kost het proces de cel geen energie.

Kanaaleiwitten

Kanaaleiwitten vormen kleine, selectieve poriën waardoor bijvoorbeeld

water of ionen zich kunnen verplaatsen. De eiwitten vergemakkelijken de diffusie door de apolaire dubbele fosfolipidenlaag.

Voorbeelden van kanaaleiwitten zijn aquaporines en ionenkanalen:

VA N

• Aquaporines transporteren water. Je vindt ze terug in celmembranen en interne membranen van zowel prokaryoten als eukaryoten.

• Ionenkanalen vereenvoudigen het transport van bijvoorbeeld Na+, K+, Ca2+ of Cl–. Ze kunnen zowel geopend als gesloten worden en zijn heel

selectief voor het ion dat ze transporteren. De geleide diffusie van ionen is bijvoorbeeld essentieel bij de verplaatsing van een zenuwimpuls door een zenuwcel.

kanaaleiwit (aquaporine)

fosfolipidendubbellaag

watermolecule

kanaaleiwit (kalium-ionenkanaal)

extracellulaire kant concentratie- diffusierichting gradiënt hoog

extracellulaire kant concentratie- diffusiegradiënt richting laag

laag

hoog

intracellulaire kant

ionenkanaal gesloten open na activatie K⁺ diffundeert met de gradiënt mee naar buiten

S Afb. 55 Aquaporines en K+-ionenkanalen zijn voorbeelden van kanaaleiwitten die met behulp van geleide diffusie watermoleculen of K+-ionen kunnen verplaatsen doorheen het apolaire fosfolipidenmembraan.

MODULE 01

hoofdstuk 2

intracellulaire kant

Carrier-eiwitten

Carrier-eiwitten gaan een binding aan met een specifieke molecule of een specifiek ion, om ze vervolgens te transporteren. Na de binding verandert het eiwit in de meeste gevallen van vorm, zodat de molecule of het ion kan vrijkomen aan de andere zijde van het membraan. De binding van de getransporteerde molecule of het ion aan het carrier-eiwit is gelijkaardig aan de manier waarop substraten op enzymen binden. Dat gebeurt door de interactie van de moleculen of ionen met restgroepen van aminozuren op een bindingsplaats. Dierlijke cellen hebben selectieve glucosetransporters. Die zorgen voor de opname van glucose in de cel. Bij planten zijn glucosetransporters betrokken

bij het transport van de fotosyntheseproducten.

1. De bindingsplaats is vrij. buiten de cel

glucosemolecule carrier-eiwit

VA N

bindingsplaats voor glucose

4. De glucose komt vrij binnen de cel, waar de concentratie lager is.

cytoplasma

2. Glucose bindt op de bindingsplaats.

concentratiegradiënt diffusierichting

3. Na de binding met glucose zal het carrier-eiwit van vorm veranderen, waardoor de bindingsplaats beschikbaar wordt aan de andere kant van het membraan. S Afb. 56 Een voorbeeld van een carrier-eiwit is de glucosetransporter. Doordat glucose op een specifieke plaats op het transporteiwit bindt, ontstaat er een vormverandering. Zo kan er aan de andere zijde glucose vrijkomen.

MODULE 01

hoofdstuk 2

Passief transport door osmose

2.1

Osmose: algemeen principe

Osmose is de verplaatsing van water door een half doorlaatbaar of semipermeabel membraan. De verplaatsing wordt veroorzaakt door een concentratieverschil van opgeloste moleculen aan beide zijden van het membraan. De opgeloste moleculen zijn daarbij te groot om door het membraan te gaan. Een voorbeeld van zo’n opgeloste molecule is de disacharide sucrose. De

watermoleculen zullen zich in dat geval netto verplaatsen naar de zijde met een hogere concentratie aan sucrose, maar een lagere waterconcentratie. Dat proces gaat door tot er een evenwicht ontstaat tussen de oplossingen aan beide zijden van het membraan. De stijging van het water veroorzaakt een verhoging van de druk, die verhindert dat er zich nog meer water

verplaatst. Bij dat osmotisch evenwicht is de verplaatsing van water in

beide richtingen gelijk. Aangezien osmose in principe de nettobeweging van

VA N

watermoleculen is van een plek met een hoge concentratie aan waterdeeltjes naar een plek met een lagere concentratie, investeert de cel geen energie. Het is dus een vorm van passief transport.

STARTSITUATIE lagere concentratie hogere concentratie aan sucrose aan sucrose

SITUATIE NA EEN TIJDJE gelijke concentraties aan sucrose

sucrosemolecule

H2O

semipermeabel membraan

Watermoleculen diffunderen naar de plaats met relatief minder watermoleculen.

Watermoleculen kunnen door het membraan, sucrosemoleculen (groen) niet.

Aan deze kant zitten relatief meer sucrosemoleculen.

Aan deze kant zitten relatief meer watermoleculen. osmose

S Afb. 57 Opstelling om osmose aan te tonen. Onderaan in een U-vormige buis monteert men een semipermeabel membraan. De watermoleculen, die door het membraan kunnen, blijven netto migreren tot de concentratie aan water aan beide zijden gelijk is. Sucrose is een voorbeeld van een opgeloste molecule die niet door het membraan kan.

Op afbeelding 57 zijn er aan de rechterkant van de buis eerst meer sucrosemoleculen aanwezig dan aan de linkerkant. Osmose zorgt voor een waterverplaatsing, waardoor het volume van de rechterbuis stijgt. Je kunt voorkomen dat er osmose optreedt door een tegendruk uit te oefenen op de vloeistof in de beginsituatie. 48

MODULE 01

hoofdstuk 2

Die tegendruk of osmotische druk is afhankelijk van de concentratie aan opgeloste moleculen. In dit voorbeeld zal de druk hoger worden als de concentratie aan sucrose stijgt. De osmotische waarde is een maat voor de concentratie aan opgeloste moleculen die zorgen voor osmose. Hoe geconcentreerder de oplossing, hoe hoger de osmotische waarde.

tegendruk = osmotische druk

H2O

sucrose molecule

W Afb. 58 De osmotische druk is het drukverschil dat als gevolg van osmose ontstaat tussen twee oplossingen met een verschillende concentratie aan opgeloste moleculen. Op de afbeelding geeft een gewicht die druk weer. Dat gewicht moet je boven op de meer geconcentreerde oplossing plaatsen om de doorvoer van watermoleculen vanuit de minder geconcentreerde oplossing te stoppen.

VA N

semipermeabel membraan

hypertonisch

hypotonisch

isotonisch

W Afb. 59 De osmotische waarde van een oplossing ten opzichte van haar buuroplossing

Vaak vergelijkt men de osmotische waarden van twee oplossingen die van elkaar gescheiden zijn door een semipermeabel membraan. Er zijn dan drie mogelijkheden: 1

De osmotische waarde van een oplossing is kleiner dan die van haar buuroplossing. → Ze is hypotonisch (of hypotoon).

De osmotische waarden van beide oplossingen zijn gelijk. → Ze zijn isotonisch (of isotoon) ten opzichte van elkaar.

De osmotische waarde van een oplossing is groter dan die van haar buuroplossing. → Ze is hypertonisch (of hypertoon).

Het cytoplasma van een cel heeft een eigen osmotische waarde, omdat er moleculen en mineralen in zijn opgelost. De oplossing buiten de cel kan isotonisch zijn, maar ook hypertonisch of hypotonisch. Op die manier kunnen er drie situaties ontstaan. We bespreken die drie situaties voor plantencellen en voor dierlijke cellen. Op afbeelding 60 zie je een overzicht van die situaties. MODULE 01

hoofdstuk 2

IN VA N

S Afb. 60 Links: bij cellen in een hypotone omgeving beweegt het water naar binnen, waardoor de cellen onder druk komen te staan. Midden: als planten een tijdlang geen water krijgen, wordt de omgeving zo droog en hypertonisch dat er water uit de vacuolen van de cellen wordt gezogen. Daardoor gaat de plant er slap uitzien. Rechts: bij cellen in een hypertone omgeving beweegt het water naar buiten, waardoor de cellen krimpen.

2.2 Drie situaties bij osmose A

Osmose bij cellen in een hypotonische omgeving

Cellen die omgeven zijn door een hypotonische omgeving, zullen water

opnemen en een drukopbouw ervaren. Wanneer de druk bij dierlijke cellen (en andere cellen zonder celwand) te sterk toeneemt, kan de cel sterven doordat het membraan breekt. Dat noem je cellyse. Vandaar dat dierlijke cellen het best overleven in een isotonische omgeving. Plantencellen, schimmelcellen en de meeste prokaryoten bevatten een stevige celwand. De celwand zorgt, als er genoeg water is, voor voldoende druk op de cel. Hij zorgt er ook voor dat het celmembraan niet barst. De inhoud van de vacuolen in plantencellen is hypertonisch, waardoor ze veel water opnemen en er drukopbouw is tegen de celwand. Dat noem je de turgordruk. Als de cel haar grootste volume heeft bereikt binnen de celwand, is ze volledig gespannen of turgescent.

MODULE 01

hoofdstuk 2

S Afb. 62 De gezwollen buik bij een ernstig ondervoede persoon noem je ‘hongeroedeem’. Dat wordt veroorzaakt door een ophoping van vocht (oedeem). Door voedselgebrek is er een tekort ontstaan aan eiwitten in het bloed, waardoor het bloed hypotonisch wordt ten opzichte van het weefselvocht. Vervolgens verplaatst water zich vanuit de bloedvaten naar het weefselvocht.

S Afb. 61 De cellen in rijpe kersen zijn rijk aan suikers en zijn hypertonisch ten opzichte van regenwater. Wanneer er regen op valt, kunnen de cellen door osmose veel water opnemen. Daardoor zwellen ze en barst de kers.

Osmose bij cellen in een isotonische omgeving

In een isotonische omgeving zal

er evenveel water in als uit de cel

VA N

stromen, waardoor het celvolume

gelijk blijft. Die situatie ondervinden bijvoorbeeld menselijke cellen in

weefsels, doordat het bloed isotonisch is met de celinhoud. Bij zoogdieren

zorgen onder andere de nieren ervoor

dat het bloed isotonisch is ten opzichte van de weefsels.

S Afb. 63 Wanneer men in een ziekenhuis een infuus toedient aan een patiënt, maakt men vaak gebruikt van een fysiologische zoutoplossing (0,9 % NaCl), omdat die oplossing isotonisch is met het bloed.

Osmose bij cellen in een hypertonische omgeving

Cellen in een hypertonische omgeving verliezen water omdat het uit de cel

gezogen wordt. Het gevolg is dat de cellen krimpen.

S Afb. 64 Met een concentratie van ongeveer 33 % aan zouten heeft het water van de Dode Zee zo’n hoge dichtheid dat je erin kunt blijven drijven. Het hoge zoutgehalte veroorzaakt wel een extreem hypertonische omgeving, waardoor er enkel aangepaste organismen in kunnen blijven leven.

S Afb. 65 Lamsoor (Limonium vulgare) komt onder meer voor aan het Zwin en is een halofyt. Halofyten zijn planten die kunnen overleven in een zout milieu door zelf veel zout op te slaan in hun vacuolen. Daardoor blijven de cellen hypertonisch ten opzichte van het zoute milieu waarin ze groeien.

MODULE 01

hoofdstuk 2

Actief transport

Passief transport is de nettoverplaatsing van moleculen en ionen met de concentratiegradiënt mee. Het is echter ook mogelijk om moleculen en ionen te transporteren tegen de concentratiegradiënt in. Dat wil zeggen: van een plaats met een lagere concentratie naar een plaats met een hogere concentratie. Die verplaatsing gebeurt door actief transport. Bij actief transport moet de cel energie investeren om moleculen of ionen te transporteren. De transporteiwitten die daarvoor noodzakelijk zijn, werken als pompen. Die transporteiwitten verbruiken dus energie, meestal in de vorm van ATP.

Het transport door membranen is beperkt tot kleine moleculen. Als een cel grotere moleculen of grotere aantallen van een molecule wil opnemen, zijn er ook transportmogelijkheden met blaasjes.

VOORBEELD NATRIUM-KALIUMPOMP

Een voorbeeld van een pomp die aanwezig is in het celmembraan van dierlijke cellen, is de natrium-kaliumpomp (of Na+/K+-pomp). De pomp verplaatst Na+-ionen uit de cel en brengt K+-ionen naar binnen.

VA N

Bij de meeste dierlijke cellen is de K+-concentratie binnen de cel, in het cytoplasma, veel hoger dan buiten de cel. Voor Na+ geldt het omgekeerde:

die concentratie is in de cel lager dan erbuiten. Voor beide ionen is er dus een concentratiegradiënt met een tegengestelde richting. Die gradiënten worden verkregen en onderhouden doordat de cel actief beide ionen naar binnen of naar buiten verplaatst.

concentratierichting gradiënt Na⁺-transport Na⁺ K⁺

1. De Na⁺/K⁺-pomp heeft drie bindingsplaatsen voor Na⁺ wanneer ze geopend is naar het cytoplasma. hoog Na⁺, laag K⁺

Na⁺/K⁺-pomp

Na⁺

K⁺

richting K⁺-transport

6. Door de vormverandering verliezen twee K⁺ hun bindingsplaatsen.

Na⁺ Na⁺

laag Na⁺, hoog K⁺

plasmamembraan

Na⁺

2. Drie Na⁺ binden en ATP splitst naar ADP, waardoor de pomp van vorm verandert.

Na⁺ Na⁺

Na⁺

K⁺ K⁺

Na⁺

K⁺

5. Door de afsplitsing van de fosfaatgroep verandert de pomp opnieuw van vorm, waardoor de bindingsplaatsen weer gericht staan naar het cytoplasma.

K⁺

4. Door de vormverandering kunnen twee K⁺ binden.

MODULE 01

hoofdstuk 2

3. Door de vormverandering worden drie Na⁺ gedwongen om hun plaats te verlaten. Er komen twee plaatsen vrij voor de binding van K⁺. W Afb. 66 De Na+/K+-pomp ligt in het celmembraan van dierlijke cellen en brengt drie Na+-ionen tot buiten de cel, terwijl er twee K+-ionen naar binnen worden gepompt. Dat gebeurt in een cyclus, zoals aangegeven.

VOORBEELD PROTONPOMP W Afb. 67 Een ATP-afhankelijke protonpomp is een transmembraaneiwit dat met behulp van actief transport protonen naar buiten kan pompen, waardoor er een omgeving met een lagere pH ontstaat. De pomp komt voor in het celmembraan van plantencellen en dierlijke cellen. Zo zullen bijvoorbeeld speciale cellen in de maagwand het milieu in de maag zuur houden door protonen af te scheiden.

S Afb. 68 Een protonpompremmer is een geneesmiddel dat de werking van de pomp remt. Zo zal de molecule omeprazol ervoor zorgen dat het maagzuur minder zuur wordt. Daardoor verminderen klachten van maagzweren en opstijgend brandend maagzuur (reflux).

De onderstaande afbeelding vat de verschillen tussen passief en actief transport samen.

VA N

Passief transport: de moleculen diffunderen spontaan doorheen

het membraan met de concentratiegradiënt mee. De snelheid van de diffusie wordt voor veel moleculen sterk verhoogd door transporteiwitten. Actief transport: bepaalde transporteiwitten werken als pompen, omdat ze moleculen tegen de richting van de concentratiegradiënt in transporteren. Ze verbruiken daarvoor wel energie, bijvoorbeeld in de vorm van ATP.

passief transport

actief transport

hoge concentratie aan opgeloste stoffen

lage concentratie aan opgeloste stoffen

diffusie Gassen, vetoplosbare en niet-geladen moleculen kunnen door het membraan zonder hulp. S Afb. 69

geleide diffusie Water, aminozuren, suikers en ionen maken gebruik van selectieve kanaaleiwitten of carrier-eiwitten (met een binding van de molecule) om door het membraan te kunnen.

MODULE 01

hoofdstuk 2

AAN DE SLAG

Welke combinatie van begrippen is van toepassing op het proces van geleide diffusie? passief transport, carrier, met de concentratiegradiënt mee passief transport, carrier, tegen de concentratiegradiënt in actief transport, carrier, met de concentratiegradiënt mee actief transport, carrier, tegen de concentratiegradiënt in

Wat zijn aquaporines? transportproteïnen voor actief transport van watermoleculen ionenpompen voor actief transport van watermoleculen transportproteïnen voor passief transport van watermoleculen

ionenkanalen voor actief transport van watermoleculen

Zowel bij diffusie als bij osmose treedt er bij gelijke concentraties een toestand van evenwicht op. Wat wil dat zeggen?

Er treedt geen verplaatsing van moleculen meer op. Alleen de watermoleculen zullen zich verplaatsen.

De verplaatsingen van moleculen hebben geen netto-effect.

VA N

Alleen de moleculen van de opgeloste stoffen zullen zich verplaatsen.

Wat bepaalt de osmotische waarde van een oplossing? de aanwezigheid van een permeabel membraan de concentratie aan opgeloste stoffen

de aanwezigheid van een semipermeabel membraan het concentratieverschil

De concentratie van een neutrale opgeloste stof in een bepaald type bloedcel is veel hoger dan de concentratie van die stof in het omgevende bloedplasma. Toch blijft de stof zich naar binnen in de cel bewegen. Over welk transportmechanisme gaat het hier? Verklaar.

Bekijk de volgende drie cellen. De pijlen tonen de mate waarin water getransporteerd wordt in en uit de cel. a

Welke cel is isotonisch, hypotonisch of hypertonisch ten opzichte van de omgeving?

b Welke cel is turgescent? A

H2O

MODULE 01

H2O

C H22O

H H22O O

H2O H2O

H2O

H H22O O

H2O

vacuole

isotonisch hypotonisch hypertonisch

turgescent

Meer oefenen? Ga naar 54

hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

vacuole

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE TRANSPORT VAN STOFFEN DOORHEEN MEMBRANEN Passief transport

Actief transport

• met de concentratiegradiënt mee

• tegen de concentratiegradiënt in

• cel investeert geen energie

• cel investeert wel energie

• doorheen dubbele fosfolipidenlaag of via speciale transporteiwitten

• via speciale transporteiwitten

in het celmembraan

Drie soorten:

Bij actief transport moet de cel

1 Diffusie

of ionen te transporteren.

Diffusie is de nettoverplaatsing van moleculen in een

energie investeren om moleculen De transporteiwitten die daarvoor

gas of vloeistof met de concentratiegradient mee: van de

noodzakelijk zijn, werken als

plaats waar de concentratie van die deeltjes het hoogst

pompen. Die transporteiwitten

is, naar de plaats met een lagere concentratie. Dat proces

verbruiken dus energie, meestal in

blijft doorgaan tot de concentratie aan moleculen overal

de vorm van ATP.

gelijk is.

Voorbeeld van pomp die aanwezig

Voorbeeld: de geur van parfum

VA N

is in het celmembraan van dierlijke

2 Geleide diffusie

cellen: de natrium-kaliumpomp (of

Geladen, grotere of polaire moleculen bewegen

Na+/K+-pomp). De pomp verplaatst

vrij door het membraan met behulp van

Na+-ionen uit de cel en brengt

gespecialiseerde transporteiwitten.

K+-ionen naar binnen.

Voorbeeld: de geleide diffusie van water via aquaporines 3 Osmose

Osmose is de verplaatsing van water door een half doorlaatbaar of semipermeabel

membraan. De verplaatsing wordt veroorzaakt door een concentratieverschil van opgeloste

moleculen aan beide zijden van het membraan. De opgeloste

moleculen zijn daarbij te groot om door het membraan te gaan. semipermeabel membraan

Er zijn dan drie mogelijkheden: De osmotische waarde

van een oplossing is

kleiner dan die van haar buuroplossing.

→ Ze is hypotonisch (of hypotoon).

hypertonisch

hypotonisch

isotonisch

De osmotische waarden van beide oplossingen zijn gelijk. → Ze zijn isotonisch (of isotoon) ten opzichte van elkaar.

De osmotische waarde van een oplossing is groter dan die van haar buuroplossing. → Ze is hypertonisch (of hypertoon).

Voorbeeld: turgor in plantencellen is het gevolg van waterverplaatsing door osmose

MODULE 01

synthese hoofdstuk 2

VA N

Notities

GENIE Natuurwetenschappen 5&6

NOTITIES

MODULE 02 MACROMOLECULEN Chemie komt vaak negatief in het nieuws, waardoor mensen ervan overtuigd zijn dat alle chemische stoffen gevaarlijk en giftig zijn. Nochtans worden we omringd door heel veel chemische stoffen die helemaal niet gevaarlijk of giftig zijn. Zo bevat onze voeding heel veel chemische moleculen die ongevaarlijk zijn, onder andere biomoleculen, zoals eiwitten en koolhydraten. De moleculen van de kunststof verpakking waarin voeding vaak verpakt zit, scoren daarentegen niet zo goed bij het grote publiek. Toch hebben die moleculen

VA N

meer gemeenschappelijk met biomoleculen dan je denkt.

? ` Hoe ziet de chemische formule van kunststoffen eruit en hoe vorm je ze? ` Hoe ziet de chemische formule van biomoleculen eruit en hoe vorm je ze? ` Wat zijn de overeenkomsten tussen kunststoffen en biomoleculen? We zoeken het uit!

VERKEN

•

stoffen indelen

JE KUNT AL ...

•

chemische reacties

in organische of

de naam en symbolische

interpreteren;

schrijfwijze van

eigenschappen

enkelvoudige en

de naam en formule van

van enkelvoudige

samengestelde stoffen

alkanen vormen.

en samengestelde

interpreteren.

anorganische stoffen; •

•

anorganische stoffen

VA N

verklaren.

JE LEERT NU ...

proces recyclage kunststoffen verwerking tot nieuw product

ophalen plastic

smelten tot grondstoffen en verder sorteren

transport naar sorteercentrum

H H

sorteren per soort: plastic en niet-plastic wordt gefilterd

wassen

•

organische stoffen

•

vermalen

het gesorteerde plastic wordt tot grote balen geperst

eigenschappen van

4 5

CH2OH

O H OH

CH2OH

H3 •

de structuurkenmerken

indelen in de juiste

kunststoffen verklaren op

van (poly)sachariden,

stofklasse;

basis van hun structuur;

proteïnen en lipiden

organische stoffen of

•

stofklassen in verband eigenschappen en

via welke reactietypes kunststoffen gemaakt

brengen met typische

•

de oorsprong en de

nucleïnezuren uitleggen; •

het belang van (poly)sachariden,

bioplastics toelichten;

proteïnen en lipiden

het belang van duurzaam-

toelichten.

gebruiken en recycleren van kunststoffen inzien.

VERKEN

de bouwstenen van

eigenschappen van

heid bij het ontwikkelen,

MODULE 02

uitleggen; •

worden; •

toepassingen ervan.

O C

H 1

HOOFDSTUK 1

Organische stoffen In de 2e graad maakte je al kennis met enkele organische

LEERDOELEN

stoffen. Omdat in elke organische stof het koolstofatoom

M Een stof indelen in de juiste stofklasse

voorkomt, spreken we ook wel van koolstofchemie. In dit

op basis van een gegeven naam of

hoofdstuk herhaal je de basiskennis uit de 2e graad, om

formule

er vervolgens op verder te bouwen om nieuwe stofklassen te leren. We gaan dieper in op een aantal organische

M Toepassingen en eigenschappen van

stofklassen. Van een paar stofklassen behandelen we ook

een aantal organische stoffen geven

Voorstelling organische formules

1.1

Bindingsmogelijkheden van het koolstofatoom

VA N

een aantal concrete stoffen en hun toepassingen.

Organische stoffen bevatten altijd het koolstofatoom. Naast dat koolstofatoom (C) is er bijna altijd ook een waterstofatoom (H) aanwezig, maar soms kunnen er ook andere atomen in de molecule voorkomen, zoals zuurstof (O), zwavel (S) en stikstof (N).

Koolstofverbindingen kunnen van elkaar verschillen op basis van de manier waarop de koolstofatomen aan elkaar gebonden zijn. Koolstof staat in groep IVa en bezit dus 4 valentie-elektronen: het heeft 4 elektronen te weinig om de edelgasconfiguratie te bekomen. Vandaar dat koolstof altijd 4 bindingen wil aangaan. Dat hoeven geen bindingen met 4 buuratomen te zijn. Het koolstofatoom kan ook een dubbele of drievoudige

S Afb. 1 Een ongebonden koolstofatoom bezit 4 valentie-elektronen.

binding aangaan met een buuratoom. ENKELVOUDIGE BINDING

H H H C C H H H

S Afb. 2 Een molecule ethaan

DUBBELE BINDING

H H

DRIEVOUDIGE BINDING

H C C

H C C H

S Afb. 3 Een molecule etheen

S Afb. 4 Een molecule ethyn

Tabel 1 Koolstof kan enkelvoudige, dubbele en drievoudige bindingen aangaan.

Wanneer koolstof alleen enkelvoudige bindingen aangaat, noem je de molecule verzadigd. Koolstof heeft dan het maximale aantal buuratomen dat het kan hebben, namelijk 4. Wanneer er een dubbele of drievoudige binding aanwezig is, spreek je van een onverzadigde verbinding. Koolstof heeft daarin namelijk minder buuratomen dan het maximaal kan hebben (bij een dubbele binding 3 buuratomen en bij een drievoudige binding maar 2). MODULE 02

HOOFDSTUK 1

1.2

Notatiemogelijkheden van een organische stof

Je kunt een organische stof weergeven met behulp van 3 notaties: 1

de brutoformule;

de structuurformule;

de skeletnotatie.

We herhalen kort die 3 voorstellingen. STRUCTUURFORMULE

BRUTOFORMULE

SKELETNOTATIE

weergave:

•

element +

•

volgorde:

•

C-H-andere (alfabetisch) voorbeelden:

atomen

met juiste

uitgezonderd

hoeken

C-H binding

•

functionele groep(en)

voorbeelden: CH2=CH-CH3

C3H8O

propeen

voorbeelden:

VA N

C3H6

koolstofskelet

aantal (index)

binding tussen

SYSTEMATISCHE NAAM

CH3-CH2-CH2-OH

propaan-1-ol

TIP

Wanneer er in een structuurformule een atoomgroep, bijvoorbeeld CH2, vaak voorkomt, dan kun je dat als volgt verkort weergeven: CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

→

CH3-(CH2)5-CH3

WEETJE

Het is belangrijk om in te zien dat bij dezelfde brutoformule vaak verschillende stoffen horen die verschillende chemische en fysische

eigenschappen hebben. Vandaar dat je enkel gebruikmaakt van de structuurformule en de skeletnotatie. Voorbeeld: brutoformule

structuurformule

CH3-CH2OH

ethanol

C2H6O

CH3-O-CH3

methoxymethaan

of dimethylether Je zult verderop in deze module zien dat die stoffen zelfs tot een andere stofklasse behoren.

MODULE 02

HOOFDSTUK 1

Organische stofklassen De verschillende stofklassen staan overzichtelijk weergegeven in tabel 2. Het is de bedoeling dat je een stof kunt indelen op basis van een gegeven naam of formule. STOFKLASSE

ALGEMENE FORMULE

alkaan

R-H

alkaan

CH3-CH2-CH3

propaan

alkeen

R-CH=CH-R’ alkeen

CH2=CH-CH3

propeen

alkyn

R-C C-R’

CH C-CH3

propyn

alkaan

ALGEMENE NAAM

VOORBEELD FORMULE

alkyn

VOORBEELD NAAM

halogeen- R-X

halogeenalkaan CH3-CH2-CH2Cl

1-chloorpropaan

alcohol

R-OH

alkanol

CH3-CHOH-CH3

propaan-2-ol

ether

ROR’ of

alkoxyalkaan

CH3-O-CH2-CH3

methoxyethaan

alkanal

CH3-CH2-CHO

propanal

alkanon

CH3-CO-CH3

propanon

alkaanzuur

CH3-CH2-COOH

propaanzuur

alkylalkanoaat

CH3-COOCH3

methylethanoaat

alkaanamine

CH3-CH2-CH2NH2 propaan-1-amine

R-O-R’ aldehyde

R-CHO of

VA N

R-C-H O

keton

R-CO-R’ of R-C-R' O

carbon-

R-COOH of

zuur

R-C-OH O

ester

R-COOR’ of R-C-OR' O

amine

R-NH2

amide

R-CONH2 of alkaanamide R-C-NH2

CH3-CH2-CONH2

propaanamide

O Tabel 2 Overzicht stofklassen

TIP Het deel ‘alk-’ in de naam noem je de stam. Die verwijst naar het aantal C-atomen. AANTAL C-ATOMEN

STAM

AANTAL C-ATOMEN

STAM

meth-

hex-

eth-

hept-

prop-

oct-

but-

non-

pent-

dec-

MODULE 02

HOOFDSTUK 1

We bespreken de stofklasse van de halogeenalkanen om de opbouw van de tabel te verduidelijken. •

Bij een halogeenalkaan is er minstens 1 H-atoom vervangen door een halogeen (groep VIIa).

•

De algemene formule voor die stofklasse is RX. Daarbij stelt R een C-keten (met H-atomen) voor.

•

De algemene naam voor een stof die tot die stofklasse behoort, is ‘halogeenalkaan’.

VOORBEELD CH3-CH2-CH2Cl

1-chloorpropaan

CH3-CHCl-CH3

2-chloorpropaan

De plaats van chloor verschilt in beide formules. Dat wordt in de naam verduidelijkt door

het cijfer voor ‘chloor’.

De formules van sommige stofklassen lijken heel sterk op elkaar. Let extra goed op bij de formule van de aldehyden en ketonen enerzijds, maar ook bij die van de carbonzuren en esters anderzijds.

VA N

VOORBEELD CH3-CH2-CHO

is een aldehyde, want de formule eindigt op -CHO.

CH3-CO-CH3

is een keton, want er is -CO- aanwezig en niet -CHO.

Het is ook geen ether, want dan had de formule

niet -CO-, maar -O- moeten bevatten, zoals bij

CH3-O-CH3, dat wel een ether is.

Toepassingen en eigenschappen

3.1 De alkanen: R-H

Alkanen zijn de meest eenvoudige organische moleculen en zijn ook weinig

reactief. De meeste alkanen worden gebruikt als brandstof.

TOEPASSING METHAAN Methaan wordt gebruikt om huizen te verwarmen of om te koken. SYSTEMATISCHE NAAM methaan

GEBRUIKSNAAM aardgas of moerasgas

FORMULE

CH4

UITGEBREIDE STRUCTUURFORMULE H | H—C—H | H

Bij het verteringsproces van koeien ontstaat methaan. Het is een broeikasgas en draagt bij aan de opwarming van de aarde. Boeren proberen daarom de methaanproductie te verminderen door het dieet van de koeien aan te passen, ze bepaalde voedingssupplementen te geven of bepaalde runderrassen te kweken die minder methaan produceren. 62

MODULE 02

HOOFDSTUK 1

TOEPASSING METHAAN (VERVOLG) De opwarming van de aarde zorgt zelf ook voor een stijging van de hoeveelheid methaan in de atmosfeer. Door de temperatuurstijging ontdooien bepaalde ijsvlaktes waarin methaan is opgeslagen, waardoor er extra methaan vrijkomt.

S Afb. 6 Bellen methaangas ingevroren in helder ijs

S Afb. 5 Koeien ademen methaan uit. Daar proberen wetenschappers iets aan te doen: van ander voer tot probiotica, maskers en vaccins.

TOEPASSING BENZINE

Een andere toepassing is benzine. Benzine bestaat uit een mengsel van

VA N

alkanen met een gemiddelde ketenlengte van 8 C-atomen. Nadelen: •

Bij de verbranding van benzine ontstaat er het broeikasgas CO2. Dat gas

draagt rechtstreeks bij tot de opwarming van de aarde.

•

Algemeen draagt de verbranding van fossiele brandstoffen bij aan een

geheel van milieuproblemen. Denk maar aan de stikstofproblematiek.

TOEPASSING WHITE SPIRIT

Alkanen zijn apolair en worden daardoor als apolair oplosmiddel gebruikt. Een vetvlek krijg je namelijk niet verwijderd met water, maar wel met een alkaan (of een mengsel ervan), zoals white spirit.

Bekijk de aflevering van GENIE Nieuws over de stikstofproblematiek.

S Afb. 7 De veiligheidspictogrammen voor white spirit

MODULE 02

HOOFDSTUK 1

3.2 De alkenen: R-CH=CH-R Alkenen bezitten een dubbele binding tussen 2 koolstofatomen, waardoor ze dus tot de onverzadigde koolwaterstoffen behoren. Daardoor kunnen alkenen gebruikt worden om kunststoffen mee te maken. In hoofdstuk 2 komen we daarop terug.

TOEPASSING ETHEEN SYSTEMATISCHE NAAM

GEBRUIKSNAAM

FORMULE

UITGEBREIDE STRUCTUURFORMULE H

CH2=CH2

C C

etheen

Etheen is een plantenhormoon dat het rijpingsproces van fruit bevordert.

Wanneer je bijvoorbeeld een tomaat sneller rijp wilt krijgen, steek je die

het best samen met een appel of een

VA N

banaan in een papieren zak.

3.3 De alkynen: R-C C-R

Net zoals alkenen zijn ook alkynen onverzadigd. Alkynen bezitten allemaal een drievoudige binding tussen de koolstofatomen. Ze worden vooral gebruikt als startstof om andere organische stoffen mee te maken.

TOEPASSING ETHYN SYSTEMATISCHE NAAM

GEBRUIKSNAAM

FORMULE

UITGEBREIDE STRUCTUURFORMULE

ethyn

acetyleen

CH CH

H C C H

Ook al heeft ethyn evenveel C-atomen

MODULE 02

HOOFDSTUK 1

als etheen, toch heeft het totaal andere eigenschappen. Het wordt vooral gebruikt om metaal te smelten of te snijden, omdat bij de verbranding ervan heel veel warmte vrijkomt. Dat noem je autogeen lassen.

3.4 De alcoholen: R-OH Wanneer we het in het dagelijks leven hebben over ‘alcohol’, bedoelen we heel specifiek één welbepaalde alcohol, namelijk ethanol. Maar voor een chemicus is een alcohol een molecule die tot de stofklasse van de alcoholen behoort en dus aan de formule ROH beantwoordt.

TOEPASSING METHANOL SYSTEMATISCHE NAAM

GEBRUIKSNAAM

FORMULE

UITGEBREIDE STRUCTUURFORMULE H

methanol

brandalcohol

CH3OH

Zowel methanol als ethanol brandt

gemakkelijk. Methanol wordt vanwege

die eigenschap heel vaak gebruikt. Denk maar aan fonduestellen, waar een pasta

VA N

met methanol de olie verwarmt.

TOEPASSING ETHANOL SYSTEMATISCHE NAAM

ethanol

GEBRUIKSNAAM

drankalcohol

FORMULE

UITGEBREIDE STRUCTUURFORMULE

CH3-CH2OH

H H | | H— C — C —O—H | | H H

De brandbaarheid van ethanol wordt gebruikt wanneer je iets flambeert. Pas goed op dat je tijdens

het flamberen je dampkap niet in brand steekt.

Ethanol is vooral gekend als drankalcohol. Alcoholische dranken kunnen andere concentraties aan ethanol bevatten. In België mag je pas alcoholische dranken kopen, schenken of aanbieden vanaf 16 jaar, en dranken met een alcoholpercentage van minstens 15 % (de zogenoemde ‘sterke drank’) zelfs pas vanaf 18 jaar. In sommige landen bestaat er een leeftijdsgrens van 18 jaar voor alle alcoholische dranken.

MODULE 02

HOOFDSTUK 1

3.5 De carbonzuren: R-COOH De naam van de stofklasse geeft het al aan: wanneer je een oplossing maakt van een carbonzuur in water, zal de pH kleiner zijn dan 7.

TOEPASSING ETHAANZUUR SYSTEMATISCHE NAAM

GEBRUIKSNAAM

azijnzuur

CH3COOH

UITGEBREIDE STRUCTUURFORMULE H | H— C — C | H

ethaanzuur

FORMULE

Huishoudazijn is een mengsel van azijnzuur (ethaanzuur) en water. Het wordt vooral als

smaakmaker gebruikt in vinaigrettes, maar ook

als bewaarmiddel. Verder kun je het ook gebruiken

VA N

om bijvoorbeeld je koffiezet mee te ontkalken.

TOEPASSING METHAANZUUR SYSTEMATISCHE NAAM

GEBRUIKSNAAM

FORMULE

methaanzuur

mierenzuur

HCOOH

UITGEBREIDE STRUCTUURFORMULE O H

Mierenzuur is de gebruiksnaam van methaanzuur. In tegenstelling tot azijnzuur bevat die molecule dus maar 1 C-atoom. Uit de

gebruiksnaam kun je gemakkelijk afleiden dat de stof door mieren

geproduceerd wordt, als verdediging. Ook de irritatie die je krijgt na contact met brandnetels, wordt door mierenzuur veroorzaakt. Ontkalkers voor espressoapparaten zijn vaak gemaakt op basis van mierenzuur. De zure eigenschappen van die stoffen zorgen voor de ontkalkende werking.

MODULE 02

HOOFDSTUK 1

3.6 De esters: R-COOR’ Esters hebben heel vaak een typische geur en smaak.

TOEPASSING SNOEP Esters worden vaak als smaak- en geurmaker toegevoegd aan snoep.

WEETJE Ook de verschillende smaken

die aan een e-sigaret worden toegevoegd, bevatten vaak

esters. Die smaken camoufleren

de bittere smaak van de nicotine. Alhoewel een e-sigaret gezonder

is dan een gewone sigaret, krijg je nog altijd heel veel schadelijke

stoffen binnen, die de luchtwegen kunnen irriteren of zelfs kanker

VA N

kunnen veroorzaken. Daarom verbieden sommige landen vapen voor

jongeren onder de 18 jaar.

MODULE 02

HOOFDSTUK 1

AAN DE SLAG

Verbind de gegeven brutoformule met de juiste structuurformule en skeletnotatie. BRUTOFORMULE A

STRUCTUURFORMULE E

C8H16

SKELETNOTATIE I

CH2=CH-CH2-CH2-CH2-CH3

O B

C6H12

CH3-COOH

OH C5H12

D C2H4O2

G CH3-CH2-CH=CH-(CH2)3-CH3

H CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

h CH3-CH2-O-CH3

b methanal

CH3-CO-CH2-CH2-CH3

ethoxypropaan

HCOOH

d fluormethaan

CH3-CHO

ethaanamine

CH3-CHNH2-CH3

butaan-2-ol

m CH3-CHI-CH3

propylbutanoaat

n HCONH2

butaanzuur

H H | | H—C—C—C | | H H

NH2

Noteer bij elk van deze moleculen de juiste stofklasse. a

VA N

H | O— C —H | H

Verbind elk van deze formules met de juiste naam. 1

methanol

ethaanamide

b CH3-CH2-COOCH3

propanal

butanon

d CH3-OH

ethoxybutaan

CH3-CH2-CHO

methylpropanoaat

CH3-CO-CH2-CH3

MODULE 02

HOOFDSTUK 1 - AAN DE SLAG

CH3-CH2-O-CH2-CH2-CH2-CH3

CH3-CONH2

Welke stofklasse is er waarschijnlijk aanwezig bij deze toepassingen? wc-luchtverfrisser

b wc-ontkalker

wodka

d het gas dat in een bunsenbrander wordt

VA N

verbrand

Meer oefenen? Ga naar

MODULE 02

HOOFDSTUK 1 - AAN DE SLAG

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE De structuur van koolstofverbindingen kan verschillen door: •

het type binding tussen de C-atomen: enkelvoudig – dubbel – drievoudig;

•

de aanwezigheid en schikking van andere atomen, zoals O, N en halogenen.

Organische stoffen worden voorgesteld door 3 notaties:

C6H12O2

Stofklassen en hun eigenschappen

STRUCTUURFORMULE

SKELETNOTATIE

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH of

BRUTOFORMULE

CH3-(CH2)4-COOH

Op basis van specifieke structuuronderdelen in de naam of formule kun je een stof in een welbepaalde stofklasse indelen. Stoffen die tot dezelfde stofklasse behoren, hebben specifieke eigenschappen. ALGEMENE FORMULE

VA N

STOFKLASSE

alkanen

R-H

alkenen

R-CH=CH-R’

alkynen

R-C C-R’

alcoholen

R-OH

carbonzuren

R-COOH

esters

R-COOR’

Notities

MODULE 02

SYNTHESE HOOFDSTUK 1

EIGENSCHAPPEN

•

brandbaar

•

apolair oplosmiddel

•

aanmaak kunststoffen

•

etheen = fruit rijpen

•

aanmaak chemische stoffen

•

ethyn = lassen

•

brandbaar

•

methanol = brandalcohol

•

ethanol = drankalcohol

•

koffiezet ontkalken

•

methaanzuur = mierenzuur

•

ethaanzuur = azijnzuur

aroma

HOOFDSTUK 2

Kunststoffen Kunststoffen zijn ingebed in ons dagelijks

LEERDOELEN M Eigenschappen van kunststoffen verklaren op basis van hun structuur

speelgoed, de verpakking van levensmiddelen, medisch materiaal, isolatiemateriaal en

M Weten via welke reactietypes kunststoffen gemaakt

bepaalde onderdelen voor de auto-industrie. Ondanks hun voordelen vormen kunststoffen

worden toelichten

M Het belang van duurzaamheid bij het ontwikkelen,

gezondheid. Ze zijn hoofdzakelijk gemaakt van fossiele brandstoffen (olie en gas). De winning en verwerking van die stoffen dragen bij tot de klimaatverandering.

VA N

gebruiken en recycleren van kunststoffen inzien

een bedreiging voor het milieu en voor onze

M De oorsprong en de eigenschappen van bioplastics

Vorming van kunststoffen

Als je over kunststoffen leest,

monomeer

duiken heel dikwijls de termen

‘macromoleculen’ en ‘polymeren’ op. •

dimeer

Een macromolecule is een

molecule die bestaat uit

polymeer

meerdere duizenden atomen.

Ze is meestal opgebouwd uit vele aaneengesloten kleine eenheden (monomeren). De meeste macromoleculen zijn ook polymeren.

Polymeer komt uit het Grieks: πολυς (polys) betekent ‘veel’ en μερος (meros) is ‘deel’.

leven. Denk maar aan je kleding, meubelen,

In het volgende hoofdstuk komen de biopolymeren aan bod.

•

Een polymeer is een organische verbinding waarvan de moleculen bestaan uit een opeenvolging van identieke, of soortgelijke, monomeren die chemisch aan elkaar zijn gekoppeld. Je kunt het vergelijken met kralen die aan elkaar geregen worden tot een lange ketting. Verschillende stofklassen die aan bod kwamen in hoofdstuk 1, kunnen dienstdoen als monomeer.

In dit hoofdstuk spreken we vooral over de synthetische polymeren. Dat wil zeggen: polymeren die in een labo of op industriële schaal door een chemisch proces uit kleine moleculen worden geproduceerd. Je spreekt van kunststoffen. Voor de meeste kunststoffen gebruikt men monomeren afkomstig van aardolieproducten om de polymeerketen te vormen.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

WEETJE De vraag naar natuurlijke grondstoffen zoals aardolie, maar ook water, zand en zeldzame metalen stijgt enorm snel. De groeiende wereldbevolking, een koopkrachtigere middenklasse en de

S Afb. 8 Vrijwilligers kuisen olie op na een lek in een tanker op zee.

verstedelijking wegen zwaar door op die voorraden.

Aardolie wordt ook wel het ‘zwarte goud’ genoemd, omdat het een van de belangrijkste handelswaren in de wereld is. Aardolie kan maar op een beperkt aantal plaatsen in de wereld worden gevonden, met

name in het Midden-Oosten, Rusland, de Verenigde Staten en Nigeria.

Iedere dag neemt de wereldvoorraad aardolie af met 85 miljoen vaten. De verwachting is dat er nog voor 2030 een olietekort ontstaat. De vraag naar aardolie blijft stijgen, dus op den duur staat het aanbod niet meer

VA N

in verhouding tot de vraag.

Hoewel er nog altijd nieuwe voorraden aardolie worden ontdekt, is de schade aan het milieu door aardolie niet meer te overzien. Daarom zal er de komende jaren veel worden geïnvesteerd in alternatieven en duurzame energiebronnen.

Je kunt kunststoffen onder andere op deze 2 manieren maken: •

Polymerisatie: het monomeer bevat een dubbele binding, die omgezet wordt in een enkelvoudige binding in het polymeer.

•

Polycondensatie: monomeren worden aan elkaar geschakeld, waarbij een kleine molecule wordt afgesplitst.

1.1 Polymerisatie

Polymerisatie is een reactie waarbij een groot aantal kleine moleculen met een onverzadigde binding aan elkaar worden geschakeld tot polymeren. Bij een polymerisatiereactie wordt een dubbele binding tussen koolstofatomen verbroken. Het monomeer is onverzadigd en het gevormde polymeer zal meer verzadigd zijn: het polymeer bevat meer enkelvoudige bindingen dan het monomeer.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

→

...

VOORBEELD POLYETHEEN (PE) Een voorbeeld van een kunststof die via polymerisatie wordt gevormd, is polyetheen. De grondstof voor dat polymeer is etheen. Je weet dat etheen een plantenhormoon is dat als gas in de natuur voorkomt. Het zorgt er bijvoorbeeld voor dat fruit sneller rijpt. Maar etheen wordt ook op grote schaal in de petrochemische sector geproduceerd om polyetheen te maken. Men gebruikt polyetheen om er bijvoorbeeld boterhamzakjes, folie of

shampooflessen van te maken.

H …+

H H

C C

H H

C C

H H

VA N

H H

C C

H H

…

…— C — C — C — C — C — C — C — C —… H

Afhankelijk van het productieproces ontstaat er polyetheen met een lage (LDPE) of hoge dichtheid (HDPE). Ongeveer driekwart van het gefabriceerde polyetheen is van het LDPE-type. Het overige kwart wordt gebruikt voor HDPE, de harde variant.

S Afb. 9 HDPE is een hogedichtheidpolyetheen dat in aanmerking komt voor tal van industriële toepassingen. HDPE is ook geschikt voor rechtstreeks contact met levensmiddelen.

S Afb. 10 LDPE is een lagedichtheidpolyetheen. Het wordt veelvuldig toegepast in de verpakkings- en voedingsindustrie.

S Afb. 11 De structuur van polyetheen

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

VOORBEELD POLYVINYLCHLORIDE (PVC) Naast polyetheen zijn er nog verschillende andere polymeren die op een gelijkaardige manier gevormd worden. Wanneer je in etheen 1 waterstofatoom vervangt door een chlooratoom kun je polyvinylchloride vormen. Dat ken je waarschijnlijk beter onder de afkorting pvc. H …+

H H C C

Cl H H

H H C C

Cl H H

H C C

Cl H H

. Cl

…— C — C — C — C — C — C — C — C —… CH2

CHCl + CH2

C n nC

Cl H

CHCl

CH2

CHCl

CH2

C CH2 - CHCl

VA N

Cl n

S Afb. 12 De vorming en voorstelling van pvc of polyvinylchloride

Pvc kent toepassingen in onder andere raamkozijnen en dakgoten, maar

ook vinylplaten zijn uit die stof gemaakt.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

CHCl

1.2 Polycondensatie Bij een polycondensatie reageren 2 verschillende monomeren met elkaar, waarbij een klein nevenproduct, meestal water, afgesplitst wordt. Elk van de monomeren bezit minstens 2 functionele groepen: enkel zo kan er een

→

lange keten gevormd worden.

→

VOORBEELD VORMING VAN POLYETHEENTEREFTALAAT (PET) Polyetheentereftalaat zegt je

hoogstwaarschijnlijk niet veel, maar

van een petfles heb je waarschijnlijk wel al

gehoord. Pet is helder en transparant, maar ook licht en stevig. Een groot voordeel van pet ten opzichte van PE is dat pet

ondoorlaatbaar is voor gassen. Dranken met prik zullen daarom altijd in een petfles

VA N

verpakt worden (of in een glazen fles natuurlijk). O

n HO N

OH + n HO C

C OH

O N

O CH2 CH2

+ n H2O n

S Afb. 13 De vorming van polyetheentereftalaat of pet

VOORBEELD VORMING VAN NYLON

Nylon behoort tot de groep van de polyamiden (PA) omdat in het polymeer een amidegroep

aanwezig is. Zeer sterke vezels, zoals visdraad en trekkabels, maar ook kogelwerende vesten, worden zo gemaakt. Het aantal

koolstofatomen van beide monomeren

bepaalt de eigenschappen van het gevormde polymeer. O n HO

O (CH2)4

adipinezuur

O OH + n H2N

1,6-diaminohexaan

S Afb. 14 De vorming van nylon

(CH2)6

NH2

(CH2)4

H (CH2)6

+ n H2O

Nylon-6,6

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

WEETJE

Een waterstofbrug is een heel sterke intermoleculaire kracht (= kracht tussen moleculen) tussen een waterstofatoom dat op F, O of N gebonden is, en F, O of N van een andere molecule.

Kogelwerende vesten worden vaak gemaakt van Kevlar. Bij de vorming van Kevlar wordt er HCl afgesplitst in plaats van water. De extreem sterke eigenschappen van Kevlar kun je verklaren door de waterstofbruggen die optreden tussen de waterstofatomen en de zuurstofatomen. O

O NH2 + n

n H2N

H Cl

– 2 n HCl

N H

S Afb. 15 De vorming van Kevlar

waterstofbrug

VA N

S Afb. 16 Bij Kevlar zijn er veel sterke krachten (waterstofbruggen) aanwezig tussen de polymeerketens.

Je kunt kunststoffen onder andere op deze 2 manieren maken: •

polymerisatie:

Het monomeer bevat een dubbele binding, die omgezet wordt in een enkelvoudige binding in het polymeer.

•

polycondensatie:

Monomeren worden aan elkaar geschakeld, waarbij een kleine

molecule wordt afgesplitst.

Eigenschappen van kunststoffen

Je kunt kunststoffen niet alleen indelen volgens de manier waarop ze gevormd worden, maar ook op basis van hun fysische eigenschappen, bijvoorbeeld hun gedrag bij verhitting, ofwel hun vervormbaarheid. Er zijn 3 groepen: thermoharders, thermoplasten en elastomeren. Het verschil in eigenschappen tussen die groepen van kunststoffen kun je verklaren aan de hand van hun structuur.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

2.1 Thermoharders Zoals de naam al doet vermoeden, zijn thermoharders harde kunststoffen. Je kunt ze niet bekrassen en je kunt er moeilijk een stukje af breken. Thermoharders houden dezelfde vorm als je ze verwarmt. Structuur: De polymeerketens zijn onderling verbonden tot een nauwmazig netwerk met heel sterke crosslinks tussen de verschillende polymeerketens. Thermoharders zijn bestand tegen hoge temperaturen, maar eens de crosslinks verbroken zijn, kunnen ze niet meer

worden hersteld: de stof smelt dus niet, maar verbrandt. Toepassingen: Het spreekt voor

zich dat thermoharders gebruikt worden in voorwerpen die hoge

temperaturen moeten weerstaan, zoals handvaten van pannen.

VA N

S Afb. 17 Bij de keuze van materialen voor het handvat van een braadpan houdt men meestal rekening met factoren zoals hittebestendigheid, isolatieeigenschappen, comfort en gebruiksgemak.

WEETJE

De allereerste kunststof (bakeliet) werd gemaakt door Leo Baekeland, een Amerikaan van Belgische afkomst. Bakeliet is een thermoharder die vroeger vooral gebruikt werd voor stopcontacten en telefoonbehuizingen.

S Afb. 18 Het is belangrijk dat een stopcontact door het gebruik van een elektrisch toestel niet vervormt bij verwarming. Vandaar het gebruik van bakeliet.

S Afb. 19 Een voorbeeld van een toepassing van thermoharders in het verleden is de productie van bakelieten telefoons. Bakeliet was een van de eerste thermohardende kunststoffen die op grote schaal werden gebruikt voor de fabricage van telefoonbehuizingen.

De reactie voor de vorming van bakeliet is een polycondensatiereactie, want bij die reactie wordt water afgesplitst. Je ziet duidelijk de vele crosslinks in het gevormde polymeer: typisch voor een thermoharder. C NH2 n

H + n

NH2

— N — CH2 — N — CH2 — N — C

— N — CH2 — N — CH2 — N — — CH2 — N — C

+ n H2O O

— N — CH2 — N — — CH2 — N —

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

2.2

Thermoplasten Structuur: In tegenstelling tot de thermoharders zijn thermoplasten wel vervormbaar bij verhitting. De polymeerketens worden door zwakke aantrekkingskrachten bij elkaar gehouden. Bij verwarming wordt de kunststof week en vervormbaar. Dat zorgt ervoor dat die kunststoffen goed te modelleren zijn tot allerlei voorwerpen en

materialen (folie, bekertjes ...), maar ook goed recycleerbaar zijn. Bij afkoeling worden ze opnieuw stabiel en bruikbaar. Thermoplasten lossen

Toepassingen:

ook gemakkelijk op in organische oplosmiddelen.

pvc (polyvinylchloride), PE (polyetheen),

pet (polyetheentereftalaat), eigenlijk alle

kunststoffen waarvan de naam met ‘poly’ begint

S Afb. 20 Bij het plaatsen van pvc-buizen maakt men dankbaar gebruik van de vervormbaarheid van thermoplasten.

VA N

2.3 Elastomeren

Structuur: Elastomeren zitten wat betreft structuur, en dus ook eigenschappen, tussen thermoplasten en thermoharders in. Het materiaal is elastisch en vervormbaar. Er zijn namelijk crosslinks (S-bruggen) aanwezig, maar niet zoveel als bij thermoharders. Dat zorgt ervoor dat wanneer je er een kracht op uitoefent, je ze kunt vervormen. Maar eens je die

kracht wegneemt, nemen ze opnieuw hun oorspronkelijke vorm aan.

Toepassingen: een elastiekje, rubber, zolen van sportschoenen …

S Afb. 21 Elastomeren worden vaak gebruikt in de zolen van sportschoenen om demping, flexibiliteit en grip te bieden.

S Afb. 22 Neopreen is een synthetisch rubber dat bekend staat om zijn elastische eigenschappen, isolatie en waterbestendigheid. Het wordt vaak gebruikt in de productie van wetsuits vanwege de unieke eigenschappen die het biedt.

Je kunt kunststoffen indelen op basis van hun gedrag bij verhitting, ofwel hun vervormbaarheid. Er zijn 3 groepen: thermoharders, thermoplasten en elastomeren. Het verschil in eigenschappen tussen die groepen van kunststoffen kun je verklaren aan de hand van hun structuur.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

•

thermoharders: nauwmazig netwerk – niet vervormbaar

•

thermoplast: kluwen van polymeren – vervormbaar

•

elastomeer: grote mazen – elastisch

WEETJE Natuurlijk rubber wordt gewonnen uit latex van de rubberboom. De latex wordt afgetapt en vervolgens met zwavel behandeld (gevulkaniseerd) om voldoende crosslinks te vormen en er dus voor te zorgen dat de latex wel degelijk elastisch is. Afhankelijk van hoeveel crosslinks er zo gemaakt worden, bekom je heel soepel rubber voor een ballon of heel stevig rubber voor een autoband.

zwavel warmte natuurlijk rubber

S Afb. 24 Vulkaniseren van rubber

S Afb. 23 Ongeveer 70 % van al het natuurrubber op de wereld wordt verwerkt tot banden.

gevulkaniseerd rubber

Kunstmatig rubber kan ook afkomstig zijn van andere natuurlijke

bronnen, zoals de paardenbloem. Kunstmatig rubber verwijst naar

rubberachtige materialen die gemaakt zijn van natuurlijke polymeren, zoals natuurrubber of latex, maar die chemisch zijn gemodificeerd of

VA N

verwerkt om bepaalde eigenschappen te verbeteren.

Synthetisch rubber wordt volledig geproduceerd door de mens met behulp van chemische processen. Polymerisatieprocessen resulteren in de vorming van lange ketens van kunstmatige polymeren die rubberachtige eigenschappen hebben.

S Afb. 25 In een autoband zit in de rubbercompound vaak een combinatie van synthetisch rubber en natuurlijk rubber. De verhouding tussen die twee rubbersoorten bepaalt de eigenschappen van een band en kan variëren per bandenmerk en type autoband. Zo bevatten vrachtwagenbanden veel meer natuurlijk rubber dan autobanden.

Het gebruik van kunststoffen staat de laatste jaren enorm onder druk, en dat is bij rubber zeker niet anders. Zowel aan kunstmatig rubber als aan synthetisch rubber zijn voor- en nadelen verbonden. Synthetisch rubber wordt gemaakt van aardolie, en de hoeveelheid aardolie die nog aanwezig is op aarde, is beperkt. Verder komen er ook heel veel micro-plastics in het milieu terecht door bijvoorbeeld slijtage van rubberbanden. In tegenstelling tot natuurlijk rubber is synthetisch rubber niet biologisch afbreekbaar. Het grote nadeel van natuurlijk rubber is dan weer dat er vaak oerwouden voor gekapt worden.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

VERDIEPING

Kunststoffen in de medische wereld De oneindige mogelijkheden van kunststoffen maken medische ontwikkelingen mogelijk die 50 jaar geleden ondenkbaar zouden zijn geweest. Kunststoffen spelen dan ook een belangrijke rol bij de verlenging van het leven, de verbetering van de gezondheid en de vermindering van menselijk lijden. De afgelopen 50 jaar zijn er honderden verschillende kunststofsoorten bedacht met eigenschappen die precies passen bij een bepaalde medische toepassing. Men verwacht zelfs dat er uiteindelijk complete kunststoforganen zullen komen die in het lichaam kunnen worden geïmplanteerd.

1 als nodig is voor een snel herstel van een wond. Die doorlaatbaarheid is precies in te stellen door een bepaald mengsel te maken van verschillende

VA N

kunststofvezels.

Verbandmateriaal dat exact zoveel lucht kan doorlaten

Protheses, variërend van kunstgebitten tot delen van organen. Sommige zijn van levensbelang, zoals hartkleppen. Andere maken het leven veel comfortabeler. Handprotheses bijvoorbeeld werden vroeger gemaakt van metaal, bekleed met een fluwelen handschoen. Tegenwoordig zijn ze van polyurethaan (pur), met een natuurgetrouwe huid

van pvc.

Zacht kunststofschuim (polyurethaan of pur)

is niet alleen licht en zacht, maar ook bestand

tegen ontsmettingsmiddelen en medicamenten. Het materiaal wordt daarom veel gebruikt in de

matrassen van ziekenhuisbedden. Er zijn ook speciale kunststof beddenhoezen die geen uitwerpselen van

de huismijt doorlaten.

4 Plastic buizen en slangen voor infusen, zakken voor infuusvloeistof, katheters, injectiespuiten, dialyseapparatuur, hechtgaren, contactlenzen en onderdelen voor een dotterbehandeling zijn gemaakt van pvc. Pvc heeft eigenschappen die daar ideaal voor zijn. Het is doorzichtig en flexibel, gaat lang mee, kan tegen temperatuursveranderingen en is makkelijk te maken.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

Kunststoffen recycleren en verwerken

3.1 Kunststoffen als grondstoffen- of energiebron Kunststofafval kan gebruikt worden als grondstoffenbron voor (nieuwe) kunststoffen of als energiebron.

KUNSTSTOFAFVAL

recyclage

energierecuperatie

de herwerking van

Aangezien veel kunststoffen

kunststofafval voor het

van aardolie worden gemaakt,

oorspronkelijke gebruik of

levert de verbranding ervan

andere doeleinden

energie op.

alternatieve brandstof

de herwerking van

Kunststoffen zijn

VA N

mechanische recyclage kunststofafval tot

dankzij hun hoge

kunstofproducten langs

energiebehoefte een

fysieke weg

chemische recyclage de herwerking van

alternatief voor fossiele brandstoffen in energieintensieve processen (bv. cementproductie).

kunststofafval tot

basischemicalieën of

vast huisvuil

kunststofmonomeren

De verbranding van

langs chemische weg

kunststofafval samen met andere materialen kan warmte en/of stroom opleveren.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

3.2 Recyclage van kunststoffen In België worden heel veel kunststoffen via de pmd-zak verzameld, om vervolgens verder verwerkt te worden. De P in pmd staat dan ook voor ‘plastic’. Ook al levert de verbranding van kunststoffen energie op, economisch én ecologisch gezien is het beter om kunststoffen te recycleren. Niet alleen heb je dan minder grondstoffen nodig, maar er is ook minder energie nodig om plastics te recycleren dan bij de productie van nieuw plastic. De inhoud van een pmd-zak moet natuurlijk gesorteerd worden. Vaak gooien we ál het plastic in de pmd-zak, omdat we het verschil tussen de soorten plastics niet kennen. Maar op basis van hun vervormbaarheid moeten: de thermoharders verbrand worden. De sterke crosslinks zorgen er

•

namelijk voor dat ze niet gerecycleerd kunnen worden; •

de thermoplasten gemalen, vervolgens gesmolten en ten slotte omgevormd worden tot nieuwe kunststofproducten;

•

de elastomeren vaak niet afzonderlijk verzameld worden om te recycleren: je doet ze dus gewoon bij het restafval. Autobanden zijn daarop een uitzondering. Die kun je naarkunststoffen het containerpark brengen. proces recyclage ophalen plastic

VA N

verwerking tot nieuw product

smelten tot grondstoffen en verder sorteren

transport naar sorteercentrum

sorteren per soort: plastic en niet-plastic wordt gefilterd

wassen

vermalen

het gesorteerde plastic wordt tot grote balen geperst

S Afb. 26 Het recyclageproces van kunststoffen

Meer info over hoe je pmd wordt gesorteerd of over wat er met je pmd gebeurt in het sorteercentrum? Bekijk de video’s.

TIP Tip 1: haal alle resten uit de verpakking.

Tip 2: prop verpakkingen niet in elkaar.

Veel mensen gooien met de

Ook worden verschillende

verpakking een restje van de

plastic verpakkingen in elkaar

inhoud (eten, shampoo, verf ...) weg.

gepropt. Dat scheelt ruimte,

Daardoor moet recycleerbaar plastic

zou je denken, maar zo kan een

toch verbrand worden. Zorg er dus

sorteermachine de plastics niet

voor dat je de flessen of andere

goed scheiden.

verpakkingen goed leegschraapt. 82

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

WEETJE

VA N

Petflessen worden heel vaak gerecycleerd tot fleece. Dat is niet zo milieuvriendelijk als het op het eerste gezicht lijkt.

De petflessen worden verzameld en gewassen.

De vezels worden als ‘draad’ gebruikt om textiel mee te weven.

Die vezels worden op spoelen gewonden.

Vervolgens worden ze versnipperd en gesmolten.

Van pet tot fleece

In een volgende stap worden de plastic korrels (chips) opgewarmd en gaan ze door een extrusiemachine: een matrijs waar de korrels worden door geperst, waardoor het lange, smalle draden (vezels) worden.

De gesmolten resten worden vervolgens als plastic korrels bewaard.

Fleece maken van petflessen lijkt dus de perfecte manier om te recycleren. Maar als je fleece draagt en wast, komen er miljoenen plasticvezels vrij die in het milieu en in de lucht terechtkomen. Zo is meer dan 1/3 van de microplastics in de oceaan afkomstig van synthetische kleding. Het is dus eigenlijk veel beter om petflessen te hergebruiken dan om ze te recycleren tot nieuwe producten. De laatste jaren gaan er meer en meer stemmen op om de productie van fleece aan banden te leggen.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

3.3 Bioplastics Bekijk de video.

De term bioplastic wordt gebruikt voor 2 totaal verschillende soorten plastic: •

plastics die gemaakt zijn van biologisch materiaal;

•

plastics die biologisch afbreekbaar zijn. gemaakt van biologisch materiaal

biobased bioplastics

bv. biobased PE, pet

bv. zetmeelkorrels

niet biologisch afbreekbaar

bioplastics

biologisch afbreekbaar en biobased

biologisch afbreekbaar

traditionele plastics

bv. PLA

VA N

bv. PE, PP, pet

bioplastics

biologisch afbreekbaar

gemaakt van fossiele brandstoffen

A Bioplastics gemaakt van biologisch materiaal

Biobased plastics zijn gemaakt uit een biologische grondstof, bijvoorbeeld planten of bacteriën. Maar de chemische structuur van plastic uit biologisch materiaal is dezelfde als die van plastic uit aardolie. Zo bestaan er bijvoorbeeld biopetflessen gemaakt uit maïs of aardappelen. Omdat biobased petflessen dezelfde chemische structuur hebben als petflessen uit aardolie,

zullen ze niet makkelijker vergaan.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

biodegradeerbaar

B Biologisch afbreekbaar De meeste plastics zijn niet biologisch afbreekbaar of biodegradeerbaar. Biologisch afbreekbaar verwijst naar de eigenschap van een materiaal om door natuurlijke processen afgebroken te worden. Dat kan onder andere door uv-licht, warmte en micro-organismen. Bij dat proces ontstaan er CO2 en water, die vervolgens door fotosynthese in planten kunnen worden

omgezet. Zo bestaat er polymelkzuur (PLA van het Engelse polylactic acid), dat biologisch afbreekbaar is en geproduceerd wordt uit hernieuwbare plantaardige grondstoffen (zoals maïszetmeel of suikerriet). PLA wordt onder andere gebruikt voor drinkbekers en theezakjes. De term ‘biologisch afbreekbaar’ betekent algemeen dat het materiaal na verloop van tijd kan worden afgebroken tot kleinere componenten die in

de natuurlijke omgeving kunnen worden opgenomen zonder schadelijke gevolgen voor het milieu. Dat is bij kunststoffen dus niet het geval.

kauwgom

blikje

petfles

1 jaar

minimaal

oneindig

VA N

bananenschil sigarettenpeuk

minimaal

2-12 jaar 20 jaar

50 jaar

WEETJE

Katoen is een natuurlijk polymeer dat biologisch afbreekbaar is,

alleen duurt het heel lang. Om

na te gaan hoe gezond je grond

is, met andere woorden hoeveel

micro-organismen er in je grond aanwezig zijn, kun je het volgende experiment doen: je begraaft een katoenen onderbroek. Na 2 maanden graaf je die weer op en kijk je wat er nog van overblijft. Hoe minder ervan overblijft, hoe meer micro-organismen er in je grond aanwezig zijn en dus hoe gezonder de grond is.

Biologisch afbreekbaar is niet hetzelfde als composteerbaar. Composteerbare materialen zijn materialen die in een industriële composteerinstallatie worden afgebroken. Om door het bos de bomen te kunnen zien, worden veel stoffen voorzien van een specifiek label om aan te geven of ze biogebaseerd zijn, composteerbaar of biologisch afbreekbaar. Zakjes voor gft-afval zijn biobased, biodegradeerbaar én composteerbaar. Ze worden heel gemakkelijk afgebroken. In de zomer soms zelfs iets te snel: de zakjes beginnen dan te lekken of op te lossen nog voordat ze worden opgehaald.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

C Nieuwe ontwikkelingen Als kunststoffen al afbreken, duurt dat enorm lang en laten ze meestal schadelijke bijproducten achter met heel wat vervuiling tot gevolg. Daarom zijn er de laatste jaren meer en meer kunststoffen ontwikkeld die wél biologisch afbreekbaar zijn. Het gebruik van die bioplastics evolueert voortdurend en er worden altijd maar nieuwe ontwikkelingen en toepassingen ontdekt. Die ontwikkelingen dragen bij aan duurzamere alternatieven voor traditionele plastics.

VOORBEELD MENSTRUATIEPRODUCTEN Stel je voor: een vrouw gebruikt 17 000 maandverbanden in haar leven. Kun je je dat in een grote stapel afval voorstellen? Als je het restafval weegt,

zorgt maandverband in een vrouwenleven voor 90 kg restafval en zorgen tampons voor 60 kg. Gangbare maandverbanden en inlegkruisjes bevatten voor 90 % plastic uit aardolie en zijn daarom niet biologisch afbreekbaar. Als je menstruatieproducten gebruikt die plasticvrij zijn en die gemaakt zijn van natuurlijke, biologisch afbreekbare materialen, zoals biologisch katoen en plantaardige cellulose, dan kun je je maandverbanden en tampons

VA N

composteren.

Biologisch katoen is beter voor het milieu, gelet op bestrijdingsmiddelen- en watergebruik, maar het is slechter qua landgebruik. Een en ander is ook nog afhankelijk van de regio waar het katoen geteeld werd.

Er bestaan ook herbruikbare producten, zoals menstruatiecups en wasbaar maandverband.

Of wegwerpen slechter voor het milieu is dan

hergebruiken, is nog niet voldoende onderzocht.

VOORBEELD BIOLOGISCH AFBREEKBARE VERPAKKINGEN

Biologisch afbreekbare verpakkingen kunnen worden gebruikt om voedselproducten te verpakken, zoals verse producten, snacks, granen of koffie. Die verpakkingen kunnen helpen om de versheid en kwaliteit van

het voedsel te behouden, terwijl ze tegelijkertijd een duurzaam alternatief bieden voor traditionele plastic verpakkingen. Biologisch afbreekbare verpakkingen gebruiken in de voedingsmiddelenindustrie kan de milieu-impact van verpakkingsafval verminderen en een meer circulaire economie bevorderen. Consumenten kunnen zo ook duurzamere keuzes maken als ze voedsel kopen en consumeren.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

WEETJE De ecologische voetafdruk van biobased polyetheen is niet kleiner dan die van gewoon plastic. Om 1 kg polyetheen te maken uit aardolie, is er een uitstoot van 2 kg CO2-equivalenten. Om dezelfde hoeveelheid bioplastic te maken, is er een uitstoot van 3 kg CO2-equivalenten. Dat komt omdat het land dat je

bewerkt om bijvoorbeeld de maïs te kweken waaruit je de polyetheen maakt, en het water dat je gebruikt, je voetafdruk vergroten.

3.4 Circulaire economie en Cradle to Cradle Een circulaire economie is een economisch

systeem waarin grondstoffen, producten en materialen zo efficiënt mogelijk worden

gebruikt en hergebruikt, met als doel afval te minimaliseren, waarde te behouden en de

impact op het milieu te verminderen. In een circulaire economie worden producten

VA N

ontworpen met het oog op hergebruik, reparatie, recycling en regeneratie. Het gaat om materiaalkringlopen sluiten en de levensduur van producten maximaliseren.

VOORBEELD TWEEDEHANDSKLEDING

Door deel te nemen aan kledingruil- of deelinitiatieven, kun je kledingstukken delen met anderen en zelf nieuwe

kledingstukken krijgen, zonder dat er

nieuwe productie nodig is. Zo kun je je kledingkast updaten en nieuwe stijlen

uitproberen zonder extra consumptie of afval.

Daarnaast kun je ook gebruikmaken van onlineplatformen of sociale media

om kleding en accessoires te kopen en te verkopen, zodat die items een tweede leven krijgen. Door te kiezen voor tweedehandskleding, draag je bij aan het verminderen van de vraag naar nieuwe kleding en het verlengen van de levensduur van bestaande kledingstukken. Kleding delen en ruilen stimuleert duurzaam gedrag, bevordert het bewustzijn van de waarde van kleding en helpt om de milieu-impact van de mode-industrie te verminderen. Het is een praktische en leuke manier om deel te nemen aan de circulaire economie en bewustere consumptiekeuzes te maken.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

Cradle to Cradle (C2C) is een specifiek ontwerpconcept dat valt binnen het bredere kader van de circulaire economie. Binnen het C2C-concept worden producten zo ontworpen dat ze volledig veilig en gezond zijn voor mens en milieu. C2C streeft ernaar om materialen en producten te creëren die kunnen worden gescheiden in biologische voedingsstoffen (biologisch afbreekbaar) die veilig kunnen worden teruggegeven aan de natuur, en technische voedingsstoffen die kunnen worden gerecycleerd en opnieuw worden gebruikt in nieuwe producten zonder kwaliteitsverlies.

VOORBEELD DUURZAME MODE Steeds meer merken en ontwerpers creëren kledingstukken die voldoen aan de principes van C2C, waarbij ze de

impact op het milieu minimaliseren en materialen hergebruiken.

Een voorbeeld daarvan is het gebruik van biologisch afbreekbare of

composteerbare stoffen in kleding,

zoals kleding gemaakt van biologisch

S Afb. 27 In 2013 stortte in Bangladesh een fabrieksgebouw in, Rana Plaza genoemd. Bij de instorting kwamen 1 134 mensen om het leven en raakten ongeveer 2 500 mensen gewond. Het gebouw was niet gebouwd om een fabriek te huisvesten, en was dus niet bestand tegen de trillingen van zware machines. Na de ramp trokken arbeiders massaal de straat op om te protesteren tegen de onveilige werkomstandigheden in de textielfabrieken.

VA N

katoen, hennep of bamboe. Die

materialen kunnen na gebruik worden

afgebroken en hebben minder negatieve

gevolgen voor het milieu dan traditionele synthetische stoffen.

Daarnaast zijn er merken die werken aan het sluiten van de materiaalkringloop door gebruikte kleding te recycleren. Ze verzamelen oude kledingstukken en recycleren ze tot nieuwe vezels, die worden gebruikt om nieuwe kleding te maken. Zo verminderen ze afval en verlengen ze de levensduur van materialen.

Een ander aspect van duurzame mode is eerlijke arbeidsomstandigheden en sociale verantwoordelijkheid bevorderen. Merken die zich bezighouden met C2C, zorgen ervoor dat hun kleding op ethische wijze wordt geproduceerd, waarbij arbeiders een eerlijk loon krijgen en in veilige

omstandigheden werken. Door bewust te kiezen voor kledingstukken die zijn gemaakt volgens de principes van C2C, kunnen tieners bijdragen aan een duurzamere modeindustrie en hun steentje bijdragen aan het verminderen van de negatieve impact op het milieu en de samenleving.

We kunnen niet zonder kunststoffen, maar ze zijn vervuilend. Bovendien dreigt er een tekort aan grondstoffen om ze te produceren, en vergt de productie veel energie. Mogelijke oplossingen: •

recycleren, dus ook heel goed sorteren;

•

traditionele kunststoffen vervangen door biobased plastics en/of biologisch afbreekbare kunststoffen;

•

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

vooral inzetten op een circulaire economie en Cradle to Cradle.

WEETJE Wanneer een bedrijf zich groener voordoet dan het daadwerkelijk is, spreek je van greenwashing. Bedrijven zetten hun groene initiatieven extra in de verf, om zo klanten te misleiden. Ze kunnen daarvoor een boete krijgen, maar dat houdt velen niet tegen. Voor de consument is het moeilijk om door de bomen het bos nog te zien, aangezien er de laatste jaren heel veel duurzaamheidslabels zijn bijgekomen. Een aantal tips om niet in de val van greenwashing te trappen: 2

Bepaalde labels zijn

Zoek naar een label van een

bedrijven die aangeven

verouderd en brengen

erkende, onafhankelijke

dat ze 100 % natuurlijk

dus helemaal niets bij aan

partij die gespecialiseerd is

of milieuvriendelijk zijn,

een beter leefmilieu. Zo

in groene certificaten.

zonder uit te leggen op

zijn cfk’s (chloorfluorkool-

welke manier ze dat doen

waterstoffen, Engels: CFC)

of bereiken.

drijfgassen die al meer dan

VA N

Wees kritisch voor

20 jaar verboden zijn.

Bestudeer ook heel goed

Laat je zeker ook niet

Pas ook extra op wanneer

de verpakking. Het product

misleiden door de groene

er gegoocheld wordt met

zelf kan misschien wel

kleur van een verpakking.

getallen. Wanneer er sprake

duurzaam zijn, maar de

Het is niet omdat er groen

is van meer dan 50 % minder

verpakking totaal niet.

in het logo gebruikt wordt,

waterverbruik, moet je je

dat het om een milieu-

afvragen waarmee ze dat

vriendelijk product gaat.

vergelijken.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2

AAN DE SLAG

Zijn de gegeven reacties polymerisatiereacties of polycondensatiereacties? a Cl

– HCl

O n

polymerisatiereactie polycondensatiereactie b

polymerisatiereactie polycondensatiereactie c

HO OH + n

OH HC

O C

VA N

n H 2O

polymerisatiereactie

polycondensatiereactie

H2N

O N H

+ n H2O O

polymerisatiereactie

polycondensatiereactie

Horen de afbeeldingen bij een thermoharder, thermoplast of elastomeer?

MODULE 02

thermoharder

thermoplast

elastomeer

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

De afbeelding geeft het productieproces van een plastic fles weer. a

Die fles is een:

thermoharder

thermoplast

elastomeer

b Verklaar je antwoord.

PRODUCTIELOCATIE 2

PRODUCTIELOCATIE 1

VA N

preform productie

transport

sluiten matrijs

PGA of polyglycolzuur wordt vaak als oplosbare hechtdraad bij operaties gebruikt. Glycolzuur,

strekken

blazen

glycolzuur

loslaten

polyglycolzuur

dat gebruikt wordt om PGA te maken, is afkomstig van suikerriet. a

Via welk reactietype wordt PGA gemaakt?

Verklaar je antwoord aan de hand van de structuur van glycolzuur en PGA.

opwarming

b Verwacht je dat PGA een thermoharder, thermoplast of elastomeer is? Verklaar je antwoord aan de hand van de structuur van PGA.

Is PGA biobased en/of biologisch afbreekbaar? Verklaar je antwoord.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

Melamineformaldehyde (MF) wordt vaak gebruikt om borden en bestek van te maken, omdat het krasvrij is.

N N

n H2N

N N

+ n H NH2

H N

+ n H 2O

N N

O O

NH2

Volgens welk reactietype wordt MF gemaakt?

b Verklaar de beschreven eigenschap van MF op basis van de structuur van MF.

VA N

Om te beslissen of een product duurzaam is, wordt vaak verwezen naar de 3 P’s: People, Planet en Profit. Het product moet goed zijn voor mensen (zowel consumenten als werknemers en producenten), er moet

nagedacht worden over de impact op het milieu en er moet ook winst gemaakt worden.

Leg aan de hand van minstens 1 van de 3 P’s uit waarom het huidige plasticgebruik niet duurzaam is.

MODULE 02

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

b Leg aan de hand van minstens 1 van de 3 P’s uit waarom bioplastic een verbetering zou kunnen zijn.

Beantwoordt de tekst uit dit artikel aan ‘Cradle to Cradle’ of niet? Verklaar.

Hernieuwbaar textiel op de plank

Hoe maak je een industrie die van oudsher al werkt met biopolymeren, nog groener? Dat blijkt geen

VA N

simpele klus. Vooral de celluloseproductie biedt perspectief. ‘Voor de industrie liggen op dit moment twee biopolymeren het meest voor de hand als hernieuwbare vervangers van bijvoorbeeld polyester in textiel. Dat zijn het biodegradeerbare polymelkzuur, PLA, en het stabiele polyetheenfuranoaat, PEF. De textielbranche is niet overtuigd van de eigenschappen van PLA voor een veelzijdige toepassing en vindt PEF voorlopig veel te duur’, vat Gunnar Seide het huidige gebruik van biopolymeren in de textielindustrie samen.

In Enschede ontwikkelen onderzoekers van de groep smart functional materials van Hogeschool Saxion vezels en garen voor de textielindustrie op basis van cellulose uit katoenrestafval. Het Enschedese proces gaat verder dan katoenafval mechanisch recycleren, wat al veel langer gebeurt. ‘Wij hergebruiken het katoen niet, wij halen de cellulose eruit en maken daar nieuwe vezels van.’

Ga voor een kledingketen naar keuze na of ze aan greenwashing doen. Controleer voor die keten de 6 tips op p. 89.

Jeansfabrikanten die een circulaire economie nastreven, zullen eerder opteren voor knopen als broeksluiting dan voor een rits. Leg uit waarom.

Meer oefenen? Ga naar

. MODULE 02

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE VORMING KUNSTSTOFFEN Polymerisatiereactie

...

→

VERBAND EIGENSCHAPPEN – STRUCTUUR

• •

→

THERMOPLAST

ELASTOMEER

VA N

THERMOHARDER

→

Polycondensatiereactie

verbrandt bij verwarmen

•

heel hard

•

wordt week bij verwarmen,

•

kun je vervormen, maar neemt

kun je vervormen en neemt na

oorspronkelijke vorm weer aan

afkoelen nieuwe vorm aan

bij verwijderen van de belasting

lost op in organische oplosmiddelen

GEBRUIK VAN KUNSTSTOFFEN problemen

oplossingen

MODULE 02

SYNTHESE HOOFDSTUK 2

•

vervuilend

•

beperkte hoeveelheid grondstoffen

•

veel energie nodig in productieproces

•

verbranding kunststoffen levert weinig energie op

•

recyclage

•

bioplastics

•

biologisch afbreekbare plastics

•

circulaire economie

•

Cradle to Cradle

HOOFDSTUK 3 HOOFDSTUK 3

Î De chemische samenstelling van het leven Als we naar leven op andere planeten zoeken, zoeken

LEERDOELEN

we in eerste instantie naar water en organische

M De structuur en de functie van de vier belangrijke

moleculen (die altijd het element C bevatten). Water

groepen van biomoleculen toelichten:

is namelijk de belangrijkste molecule in levende

sachariden, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren

organismen. Daarnaast voeren organische moleculen zowat alle taken van het leven uit. Maar wat is het

M Het belang van biomoleculen (sachariden,

verband tussen de structuur en de eigenschappen van

eiwitten en lipiden) toelichten

die moleculen?

VA N

De chemische samenstelling van cellen

In de elementensamenstelling van cellen zie je dat de elementen zuurstof (O), koolstof (C), waterstof (H) en stikstof (N) het grootste deel van alle levende materie uitmaken (in totaal gemiddeld 96 %). Die elementen zijn de hoofdbestanddelen van alle organische moleculen. Andere elementen komen enkel in erg kleine fracties voor, maar ze zijn daarom niet minder belangrijk.

stikstof 3%

calcium fosfor 1% 2%

andere elementen 1%

waterstof 10 % koolstof 18 %

zuurstof 65 %

S Afb. 28 Procentueel voorkomen van een aantal elementen in het lichaam van de mens (uitgedrukt ten opzichte van de totale massa)

MODULE 02

hoofdstuk 3

In levende organismen vind je duizenden verschillende stoffen terug, zowel anorganische als organische. Al die stoffen dragen op de een of andere manier bij tot de opbouw en de werking van het organisme. • Tot de anorganische stoffen behoren water (H2O) en gassen

zoals koolstofdioxide (CO2) en zuurstofgas (O2). Daarnaast zijn er

ook anorganische zuren en zouten, zoals fosforzuur (H3PO4) en

calciumfosfaat (Ca3(PO4)2).

• Bij de organische stoffen bepalen vier groepen het grootste deel van de massa van een organisme: de sachariden (suikers), de lipiden (vetten), de eiwitten (proteïnen) en de nucleïnezuren.

MENS 1,5 % 5 % 0,3 %

0,2 %

13 %

65 %

VA N

15 %

Anorganische stoffen:

water

Organische stoffen:

eiwitten

andere anorganische stoffen

lipiden

nucleïnezuren

sachariden

andere organische stoffen

S Afb. 29 De chemische samenstelling van de mens. Binnen de organische stoffen valt het verschil in het aandeel van sachariden, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren op.

Organische stoffen in cellen

Organische verbindingen bestaan grotendeels uit koolstofatomen (C) en waterstofatomen (H). Andere elementen die relatief vaak voorkomen in

organische stoffen, zijn zuurstof (O) en stikstof (N). Binnen de organische stoffen in de cel komen talloze soorten stoffen voor. Vier grote groepen stoffen spelen daarbij een hoofdrol in zowat alle functies van de cel, van structuuropbouw, stofwisseling en celdeling tot de opslag van erfelijk materiaal en vele andere functies. Die groepen zijn de sachariden, de lipiden, de eiwitten en de nucleïnezuren. Ze vertegenwoordigen ongeveer 30 % van de chemische samenstelling van cellen.

MODULE 02

hoofdstuk 3

2.1

Sachariden

A Monosachariden en disachariden Sachariden of suikers zijn koolstofverbindingen met meerdere hydroxylgroepen (OH-groepen). De meest voorkomende sachariden in de natuur bestaan uit 5 of 6 koolstofatomen. Zulke sachariden komen voor als ketens of als ringstructuren. Sachariden spelen een belangrijke rol in de energiehuishouding van cellen. Een voorbeeld is glucose, een sacharide die 6 C-atomen bevat. glucose H

VIDEO

O 1

H HO H H

2 3 4 5

CH2OH

H OH

VA N

3D-beeld fructose

fructose

3D-beeld glucose

VIDEO

CH2OH C

CH2OH

S Afb. 30 Glucose en fructose hebben 6 koolstofatomen en komen als keten en als ringstructuur voor. Let op: glucose vormt een 6-ring, terwijl fructose een 5-ring vormt.

Sachariden kunnen met elkaar reageren via een condensatiereactie. Wanneer twee monosachariden met elkaar binden, ontstaan er een disacharide en

water. Glucose kan bijvoorbeeld binden met fructose om de disacharide sucrose te vormen. De binding tussen 2 monosachariden wordt een glycosidische binding genoemd.

glucose

fructose CH2OH

CH2OH O

OH OH

CH2OH

OH HO

OH OH

CH2OH

water

sucrose

O HO

OH glucose

CH2OH

H2O

fructose

glycosidische binding S Afb. 31 De vorming van een sucrose (een disacharide) door de glycosidische binding tussen de monosachariden glucose en fructose, met de afsplitsing van een watermolecule

MODULE 02

hoofdstuk 3

MONOSACHARIDEN Glucose (of druivensuiker) dient vooral als energiebron en als bouwsteen van sommige polysachariden. Glucose heeft een typische 6-ring met een O-atoom in. CH2OH O OH OH

S Afb. 32

Fructose (of vruchtensuiker) is

net als glucose een molecule met 6 koolstofatomen, maar heeft

VA N

CH2OH

een andere ringvorming. Fructose

komt vooral voor in vruchten,

CH2OH

bijvoorbeeld vijgen, en dient

als energiebron. Fructose heeft een typische

5-ringstructuur met een O-atoom erin.

S Afb. 33

Zowel glucose, fructose als sucrose behoren tot de snelle suikers. Glucose en fructose zijn vrij kleine moleculen die gemakkelijk in de bloedbaan worden opgenomen. Maar ook sucrose wordt makkelijk afgebroken en aan de bloedbaan afgegeven.

DISACHARIDEN

Sucrose (ook sacharose

of kristalsuiker genoemd)

Sucrose is bekend als tafelsuiker en wordt gewonnen uit suikerbieten of suikerriet.

MODULE 02

hoofdstuk 3

CH2OH

glucose en fructose.

S Afb. 34

CH2OH

is een disacharide van

OH OH

OH HO

HO glucose

CH2OH OH

fructose

Lactose (of melksuiker) is een disacharide die opgebouwd is uit galactose en glucose. Het komt vooral voor in melk en melkproducten, en dient als energiebron. Lactose maakt ongeveer 4-5 % uit van koemelk.

CH2OH

CH2OH O

O O

S Afb. 35

galactose

glucose

Polysachariden

VA N

Wanneer een groot aantal individuele moleculen aan elkaar wordt gebonden, spreek je van polymeren. De individuele moleculen zijn monomeren. Wanneer monosachariden in een keten aan elkaar worden gebonden, spreek je van polysachariden. Polysachariden spelen in de natuur vooral een belangrijke rol als structuurelement en bij de energieopslag. Hieronder bestudeer je een aantal voorbeelden. In tegenstelling tot de mono- en disachariden, die snelle suikers zijn, zijn polysachariden trage suikers. Het zijn ingewikkeldere moleculen die eerst afgebroken moeten worden vooraleer ze in de bloedbaan kunnen terechtkomen.

1 Glycogeen is een glucosepolymeer dat essentieel is voor de energieopslag.

In dieren wordt glycogeen vooral opgeslagen in de lever en de spieren. Glycogeen is ook een energiebron bij schimmels. De biomolecule heeft een vertakte structuur.

CH2OH

O O

CH2OH

O O

MODULE 02

hoofdstuk 3

Levercellen gezien met een lichtmicroscoop. Hun kernen zijn paars gekleurd. S Afb. 36 Glycogeen wordt opgeslagen in de levercellen.

S Afb. 37 Glycogeen

2 Zetmeel is opgebouwd uit twee soorten glucosepolymeren, amylose en amylopectine: • Amylose is een lineaire aaneenschakeling van glucosemoleculen. • Amylopectine heeft, net als glycogeen, een vertakte structuur. De vertakkingen van amylopectine zijn echter minder frequent dan die van glycogeen. Zetmeel is de belangrijkste energiereserve voor planten en groenwieren. Het komt in cellen voor in de vorm van zetmeelkorrels, bijvoorbeeld in aardappelcellen.

CH2OH

CH2OH O

VA N

S Afb. 39 Amylose

uitvergroting van zetmeelkorrels

S Afb. 38 Aardappelcellen bevatten zetmeelkorrels.

W Afb. 40 Amylopectine

3 Chitine is een glucosepolymeer waarbij de glucosemoleculen chemisch

gewijzigd zijn. Het is het hoofdbestanddeel in de celwanden van schimmels. Ook het exoskelet van veel ongewervelde dieren is grotendeels opgebouwd uit chitine. Denk maar aan de harde buitenlaag van bijvoorbeeld insecten en

krabben.

CH2OH

CH2OH O

100

MODULE 02

hoofdstuk 3

O O

NH O

S Afb. 41 Het exoskelet van krabben is opgebouwd uit chitine.

CH2OH O

NH O

4 Cellulose is het belangrijkste bestanddeel in de celwand van planten en wieren. Het bestaat uit lange, onvertakte glucoseketens. Een aantal van die ketens samen vormen een cellulosevezel. Tussen de ketens worden waterstofbruggen gevormd, wat bijdraagt aan de stevigheid. In cellulose zijn de glucosemoleculen op een andere manier aan elkaar gebonden dan bij zetmeel en glycogeen. Daardoor is het voor de mens onverteerbaar.

VA N

De meeste dieren kunnen cellulose niet zelf afbreken.

CH2OH

cellulosevezel

S Afb. 42 De celwand van planten is opgebouwd uit cellulose.

• Sachariden of suikers zijn koolstofverbindingen met meerdere hydroxylgroepen. • Disachariden bestaan uit twee aaneengeschakelde monosachariden. Voorbeelden van disachariden zijn sucrose en lactose. Voorbeelden van monosachariden zijn glucose en fructose. Beide zijn voornamelijk energiebronnen. Glucose, fructose en sucrose zijn snelle suikers. • Polysachariden zijn biomoleculen waarin een groot aantal monosachariden aaneengeschakeld zijn. Het zijn trage suikers en ze spelen in de natuur voornamelijk een rol als energiereserve (bv. glycogeen en zetmeel) of als structuurmolecule (bv. cellulose en chitine).

MODULE 02

hoofdstuk 3

101

VERDIEPING LACTOSETOLERANT

Lactose-intolerantie

LACTOSEINTOLERANT

Lactose-intolerantie is het onvermogen van het lichaam om de disacharide lactose af te breken tot de monosachariden glucose en galactose. Doordat de lactose niet afgebroken wordt in de dunne

lactose

dunne darm

darm, wordt het in de dikke darm gebruikt door

galactose

lactase

bacteriën die gassen en zuren produceren, zoals

water bacteriën die lactose afbreken

glucose

waterstofgas, melkzuur en azijnzuur. De verhoogde lactose-inhoud zorgt er ook voor dat er water wordt opgenomen in de darm, waardoor de darm uitzet en je krampen krijgt. Symptomen van

zuivelproducten hebt gegeten.

De oorzaak van lactose-intolerantie Bij de meeste jonge zoogdieren komt het enzym lactase voor. Dat enzym maakt de lactose in

diarree, opgeblazen gevoel, winderigheid, buikpijn

VA N

moedermelk afbreekbaar. De productie van lactase

dikke darm

gevoel, buikpijn, diarree en winderigheid nadat je

H2 CO2 azijnzuur melkzuur

lactose-intolerantie zijn dan ook een opgeblazen

eindigt nadat het zogen stopt. Dat is ook zo bij de

mens, maar het gebeurt dus niet bij iedereen. Door

S Afb. 43 Schematische voorstelling van lactose-intolerantie

de domesticatie van vee, die zo’n tienduizend jaar geleden begon, bleven mensen melkproducten gebruiken ook nadat de borstvoeding afgelopen was. Door natuurlijke selectie is bij een deel van de menselijke populatie de aanmaak van lactase blijven bestaan. Of je voldoende lactase kunt aanmaken, is dus erfelijk bepaald. Personen die genoeg lactase aanmaken, zijn lactose-tolerant. Lactose-intolerantie is dus eigenlijk de norm bij zoogdieren, maar bij de mens is lactose-tolerantie wijdverspreid. Een aangeboren vorm van lactose-intolerantie bij zuigelingen bestaat, maar het is zeer zeldzaam en een gevolg van een genetische afwijking.

Aandeel van lactose-intolerantie op de totale bevolking

0 % - 20 %

20 % - 40 %

40 % - 60 %

60 % - 80 %

80 % - 100 %

W Afb. 44 De geografische spreiding van lactose-intolerantie. De intolerantie, dus het tekort aan lactase, komt het meest voor in Zuid-Amerika, Afrika en Azië. In Europa, NoordAmerika en Australië is er dus relatief een veel grotere tolerantie voor melkproducten.

Lactosevrije voeding Omdat lactose in heel wat voedingsproducten voorkomt, is een lactosevrij dieet geen gemakkelijke opgave. Er zijn heel wat lactosevrije producten op de markt, zoals sojamelk. Dat is eigenlijk geen melk, maar een plantenextract. Soms maakt men producten lactosevrij door lactase toe te voegen.

102

MODULE 02

hoofdstuk 3

S Afb. 45 Sojamelk, rijstmelk, amandelmelk en kokosmelk zijn lactosevrije alternatieven.

2.2 Lipiden Alle alkanen zijn apolair en lossen dus niet op in water.

Lipiden zijn moleculen die slecht of helemaal niet oplosbaar zijn in water. Ze bestaan voornamelijk uit koolstof- en waterstofatomen. Die atomen hebben een gelijkaardige elektronegativiteit, waardoor er bij een binding geen deelladingen ontstaan. Daardoor zijn lipiden grotendeels apolair. De meeste lipiden bevatten naast koolstof en waterstof nog andere atoomsoorten, zoals zuurstof, en kunnen dan een polair deel hebben. Het polaire deel kan binden met water. De belangrijkste groepen lipiden zijn de triglyceriden, de fosfolipiden en de steroïden.

Triglyceriden

Stuctuur

Een triglyceride wordt gevormd door de reactie tussen glycerol en drie vetzuren:

• Glycerol is een molecule met drie C-atomen en drie hydroxylgroepen (-OH). • Vetzuren zijn lineaire carbonzuren en bevatten dus op het einde een carboxygroep (-COOH).

Elke hydroxylgroep van glycerol reageert met een vetzuur, om op die manier

VA N

een triglyceride te vormen. Dat gebeurt tijdens een condensatiereactie waarbij er watermoleculen worden vrijgesteld. De drie vetzuren van een triglyceride kunnen onderling verschillen. Omdat er veel verschillende vetzuren zijn, bestaan er ook veel verschillende triglyceriden.

OH + HO

glycerol

O + 3 H2O

3 vetzuren

triglyceride

S Afb. 46 Glycerol reageert met drie vetzuren. Er wordt zo een triglyceride gevormd, waarbij er water vrijkomt.

Vetzuren zijn verzadigd wanneer ze alleen enkelvoudige bindingen tussen de koolstofatomen hebben (-C-C-). Zo zijn de drie vetzuren in de structuurformule hierboven verzadigde vetzuren. Een vetzuur is onverzadigd als er een of meerdere dubbele bindingen tussen de C-atomen voorkomen (-C=C-).

MODULE 02

hoofdstuk 3

103

VERZADIGDE VETTEN

glycerol

vetzuurstaarten

ONVERZADIGDE VETTEN

glycerol

vetzuurstaarten

O O O

VA N

onverzadigde binding

S Afb. 47 Lipiden die opgebouwd zijn met verzadigde vetzuren, zijn vast bij kamertemperatuur. Lipiden met onverzadigde bindingen zijn vloeibaar bij kamertemperatuur.

Onverzadigde vetzuren liggen door hun ruimtelijke structuur minder dicht tegen elkaar in triglyceriden dan verzadigde vetzuren. Daardoor zijn lipiden met onverzadigde vetzuren vloeibaar bij kamertemperatuur. Denk maar aan olijfolie. Boter, met vooral verzadigde vetzuren, is vast bij kamertemperatuur. Triglyceriden met onverzadigde vetzuren komen vooral voor in planten, zaden en vruchten, zoals noten, avocado’s en olijven. Een hoge consumptie van verzadigde vetzuren wordt geassocieerd met een verhoogd risico op hart- en vaatziekten, terwijl onverzadigde vetzuren worden beschouwd als een

onderdeel van een gezond dieet. A2

Functies

• Energieopslag: Triglyceriden worden in veel organismen opgeslagen, bijvoorbeeld in vetcellen en zaden, om als energiebron te worden gebruikt. De afbraak van vetzuren levert veel energie op. • Isolatie: Omdat vetten en oliën slecht warmte geleiden, beschermen ze dieren tegen afkoeling. Vaak leggen dieren onderhuidse vetlagen aan, om zo warmteverlies tegen te gaan. • Waterafstoting: Vetten en oliën maken bijvoorbeeld vogelveren of de menselijke huid extra waterafstotend. Ook de waslaag (of cuticula) op het blad van planten is waterafstotend. Waslagen zijn ook opgebouwd uit vetzuren, maar hebben een iets andere structuur dan triglyceriden. • Opname vetoplosbare vitaminen: Vetoplosbare vitaminen zijn belangrijk voor de groei en ontwikkeling. Ze worden het best opgenomen in aanwezigheid van vet. Schrap dus zeker niet alle vetten uit je dieet.

104

MODULE 02

hoofdstuk 3

WEETJE

Omega 3-vetzuren Bij de mens beschermen omega 3-vetzuren onder andere tegen hart- en vaatziekten, verlagen ze het cholesterolniveau in het bloed en spelen ze een rol in de ontwikkeling van de hersenen bij foetussen en jonge kinderen. Zulke vetzuren zijn dus essentieel in een gezond voedingspatroon. Omega 3-vetzuren zijn meervoudig onverzadigde

vetzuren en zitten in bepaalde voedingsmiddelen of in supplementen.

Fosfolipiden

Fosfolipiden zijn, net als triglyceriden, opgebouwd uit glycerol en vetzuren. In dit geval binden maar twee vetzuren aan glycerol. Aan de derde OH-groep wordt een fosfaatgroep (PO43–) gebonden. Aan die fosfaatgroep kunnen dan

VA N

weer andere organische stoffen binden.

Fosfolipiden spelen een belangrijke rol in de opbouw van membranen in de cel. Binnen in het membraan zijn de hydrofobe vetzuurstaarten naar elkaar gericht, waardoor ze een apolair milieu creëren. Op die manier zorgt het membraan dus voor een barrière voor de vrije beweging van stoffen over het membraan. De fosfaatgroepen vormen een hydrofiele kop en zijn naar de waterige omgeving gericht. O

H2N

O–

serine

fosfaat

apolaire vetzuurstaarten

polaire kop

glycerol

dubbellaag

S Afb. 48 Een fosfolipide met een molecule gebonden aan de fosfaatgroep. Fosfolipiden worden schematisch vaak voorgesteld als een polaire bol met twee apolaire vetzuurstaarten.

MODULE 02

hoofdstuk 3

105

Steroïden

Steroïden zijn lipiden die opgebouwd zijn uit vier ringvormige moleculen met daarop functionele groepen. Zulke lipiden bestaan dus niet uit vetzuren, maar ze zijn toch grotendeels apolair.

cholesterol

S Afb. 49 De structuurformule van cholesterol

Een voorbeeld van een steroïde is cholesterol. Dat is een belangrijk onderdeel van dierlijke membranen. Het beïnvloedt onder andere de stabiliteit van membranen in de cel. Andere steroïden in het lichaam die afgeleid zijn van cholesterol, zijn: oestradiol);

• de geslachtshormonen (voorbeelden: progesteron, testosteron en • de bijnierschorshormonen (voorbeelden: cortisol en aldosteron); • vitamine D.

progesteron

testosteron

VA N

oestradiol (het belangrijkste oestrogeen)

vitamine D3

S Afb. 50 De structuurformules van enkele steroïden die afgeleid zijn van cholesterol

• Lipiden zijn moleculen die slecht oplossen in water. • Ze spelen een belangrijke rol als energiebron en in de structuur van membranen.

• Groepen van lipiden zijn de triglyceriden, de fosfolipiden en de

steroïden.

2.3 Eiwitten A

Aminozuren en peptiden

In de natuur zijn er verschillende aminozuren met uiteenlopende functies. De belangrijkste rol van aminozuren is de opbouw van eiwitten. Eiwitten, ook proteïnen genoemd, zijn opgebouwd uit onvertakte polymeren van aminozuren. Het merendeel van de eiwitten is samengesteld uit maar twintig verschillende aminozuren.

106

MODULE 02

hoofdstuk 3

Aminozuren zijn moleculen met een centraal koolstofatoom met vier bindingen: • een aminogroep (-NH2); • een H-atoom;

• een carboxygroep (-COOH); • de restgroep (R): die groep varieert bij de verschillende aminozuren.

H aminogroep

NH2

COOH carboxygroep

R centraal C-atoom

restgroep

S Afb. 51 De algemene structuurformule van een aminozuur

De aminozuren verschillen enkel in de opbouw van de restgroep (groen). De restgroepen hebben uiteenlopende chemische eigenschappen. Die

eigenschappen zijn belangrijk voor de opbouw en de functie van eiwitten.

VA N

Behalve de naam van het aminozuur gebruikt men internationaal ook een drielettercode en een eenlettercode die uniek zijn voor elk aminozuur (zie tabel 3).

ESSENTIËLE AMINOZUREN

NIET-ESSENTIËLE AMINOZUREN

fenylalanine (Phe – F)

alanine (Ala – A)

isoleucine (Ile – I)

arginine (Arg – R)

leucine (Leu – L)

asparagine (Asn – N)

lysine (Lys – K)

asparaginezuur (Asp – D)

methionine (Met – M)

cysteïne (Cys – C)

threonine (Thr – T)

glutamine (Glu – Q)

tryptofaan (Trp – W)

glutaminezuur (Glu – E)

valine (Val – V)

glycine (Gly – G)

histidine (alleen voor zuigelingen) (His – H)

proline (Pro – P) serine (Ser – S) tyrosine (Tyr – Y)

S Tabel 3 Overzicht aminozuren

Essentiële aminozuren zijn aminozuren die het menselijk lichaam niet zelf produceert en die daarom verkregen worden via voeding. Die aminozuren zijn essentieel omdat ze belangrijk zijn voor biologische processen in het lichaam. Voedingsmiddelen zoals vlees, vis, zuivelproducten, eieren en quinoa zijn goede bronnen van essentiële aminozuren. Door een gevarieerd dieet te volgen en verschillende eiwitbronnen te combineren, kun je ervoor zorgen dat je alle essentiële aminozuren binnenkrijgt. Niet-essentiële aminozuren zijn aminozuren die het lichaam zelf produceert.

MODULE 02

hoofdstuk 3

107

Eiwitten ontstaan doordat de aminogroep en de carboxygroep van twee aminozuren een covalente binding vormen met elkaar, de peptidebinding (-C-CO-NH-). Er splitst daarbij een molecule water af. Afhankelijk van het aantal aminozuren dat aan elkaar gebonden is, spreek je van dipeptiden, oligopeptiden (3-20) of polypeptiden (> 20). Grotere eiwitten bestaan uit enkele honderden aminozuren. Merk op dat de R-groep niet betrokken is bij de peptidebinding. aminozuur 1

‘hydro’ = water ‘lyse’ = afbraak

aminozuur 2

NH2

Hydrolyse is dus de afbraak van een molecule onder invloed van water.

COOH

NH2

COOH

NH2

condensatie

hydrolyse

dipeptide

COOH + H2O

peptidebinding

VA N

S Afb. 52 De vorming van een peptidebinding tussen twee aminozuren. Dat is een condensatiereactie waarbij een watermolecule wordt afgesplitst. De splitsing van de peptidebinding is een hydrolysereactie.

De 3D-structuur van eiwitten

De aminozuurketen die het eiwit vormt, neemt een heel precieze ruimtelijke 3D-structuur aan. Die structuur ontstaat vooral door interacties tussen de aminozuren. We beschrijven de structuur van een eiwit op vier niveaus: de primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur. B1

De primaire structuur

Wanneer je een eiwit voorstelt door de specifieke volgorde van de aminozuren weer te geven, noem je dat de primaire structuur van het eiwit. Op afbeelding 53 zie je de primaire structuur van een deel van het eiwit insuline en de ruggengraat (geel) van de polypeptideketen.

COOH

Gly Ile Val Gln Gln Cys Cys Thr Ser Ile Cys Ser Leu Tyr Gln Leu Glu Asn Tyr Cys Asn

NH2

N-terminus Aan de uiteinden van een polypeptideketen komt aan de ene kant een vrije aminogroep (N-terminus van de keten) voor …

C-terminus … en aan de andere kant een vrije carboxygroep (C-terminus van de keten).

R O N

H Ser

R O N

H Ile

R O N

H Cys

R O N

H Ser

R O N

H Leu

R O N

H Tyr

restgroep ruggengraat

peptidebinding S Afb. 53 De volgorde van de aminozuren wordt weergegeven met een drielettercode. De restgroepen zijn niet betrokken bij de peptidebindingen.

108

MODULE 02

hoofdstuk 3

De secundaire structuur

De polypeptideketen vormt een geplooide en gewikkelde 3D-structuur. Door die precieze en compacte 3D-structuur krijgt een eiwit zijn specifieke vorm en functie. Als je de structuur van verschillende eiwitten vergelijkt, valt het op dat er in die structuren plooiingen voorkomen die gelijkaardig zijn. Dat noem je secundaire structuren. Het gaat om: • de α-helix: de polypeptideketen vormt een spiraalstructuur; • de β-plaat: de polypeptideketens liggen in een regelmatig geplooide plaatstructuur. De waterstofbruggen stabiliseren de spiraal- en plaatstructuur. O

C ruggengraat

N C

VA N

R O C N

C O

R H C

C O

N H

C C

R O C N

H N

C O

R H

C O

N H

C C

peptidebinding

W Afb. 54 Schematische voorstelling van de α-helix. De linttekeningen tonen de ruggengraat van het eiwit. In de uitvergroting zie je de atomen, de restgroepen en de waterstofbruggen.

restgroep

peptidebinding H

waterstofbrug

H O

restgroep

R O C N

H N

C O

O C

C O

N H

C C

O C N

H waterstofbrug

R H

N C O

N H

C C

W Afb. 55 Schematische voorstelling van de β-plaat. De pijlen in de β-plaat tonen de oriëntatie van de peptideketen (van de N-terminus naar de C-terminus).

MODULE 02

hoofdstuk 3

109

De tertiaire structuur

De tertiaire structuur van een eiwit wordt gevormd door de verdere 3D-plooiing van de hele aminozuurketen, inclusief de α-helices en/of de β-platen. Interacties tussen de restgroepen van de aminozuren zorgen voor de stabilisatie van die structuur (zie afbeelding 56). Dat kan door een

CH2 O H

waterstofbrug

O C

CH2

disulfidebinding

VA N

CH2

waterstofbrug of door een disulfidebinding.

S Afb. 56 Voorstelling van de interacties tussen restgroepen van aminozuren, die mee de tertiaire structuur van een eiwit bepalen

De quaternaire structuur

Veel eiwitten zijn samengesteld uit meerdere polypeptideketens, die je subeenheden noemt.

Als meerdere subeenheden samen één functioneel eiwit vormen, is dat de quaternaire structuur van het eiwit. De subeenheden associëren met elkaar door interacties tussen de restgroepen, maar zijn niet covalent met elkaar

verbonden. Op afbeelding 57 zie je de quaternaire structuur van hemoglobine.

polypeptideketen

W Afb. 57 De quaternaire structuur van hemoglobine bestaat uit vier subeenheden. Die subeenheden zijn twee aan twee hetzelfde (blauw en groen). Hemoglobine is een eiwit dat zich in de rode bloedcellen bevindt en een belangrijke rol speelt bij het transport van zuurstofgas en koolstofdioxide in je lichaam.

110

MODULE 02

hoofdstuk 3

Ile

N-terminus NH2

Ser

Gly

Thr

Val

Thr

Gln

Cys

C H

O N

C R

N C

O C

COOH C-terminus

C C

H N C O C O C N H C

C C

N C

C H

β-platen

C O R C N O H C C H N C

N H C

H O

N C

Asn

VA N

H C

C R

Glu

Cys

Tyr

Leu

Gln

N C

α-helices

Tyr

aminozuren

Cys

Gln

SECUNDAIRE STRUCTUUR

Ser Leu

Ile

peptidebinding

Cys

PRIMAIRE STRUCTUUR

TERTIAIRE STRUCTUUR

QUATERNAIRE STRUCTUUR

S Afb. 58 Overzicht van de vier niveaus om de structuur van een eiwit te beschrijven

MODULE 02

hoofdstuk 3

111

De functies van eiwitten

Structuur

Heel wat structuren die vorm en stevigheid geven aan cellen en organismen, zijn opgebouwd uit eiwitten. In cellen bevindt zich bijvoorbeeld tubuline, een eiwit dat microtubuli opbouwt. Microtubuli zorgen voor steun in de cel. Andere eiwitten, zoals keratine en collageen, zijn het hoofdbestanddeel van haar, nagels, pezen en veel andere structuren. De vezelachtige structuren van de cocon van de zijderupslarve (Bombyx mori) gebruikt men om zijde te maken. Die vezels zijn ook

S Afb. 59

opgebouwd uit eiwitten.

Transport

Eiwitten zijn op veel manieren betrokken bij

het transport in cellen en weefsels. Het eiwit

hemoglobine transporteert bijvoorbeeld zuurstofgas in het bloed. Andere eiwitten transporteren

VA N

watermoleculen door celmembranen, zoals het eiwit aquaporine op afbeelding 60.

S Afb. 60

Communicatie

Om te functioneren, moeten organismen kunnen communiceren. Eiwitten zijn essentieel bij die

communicatie, bijvoorbeeld om prikkels op te

vangen. Sommige eiwitten, zoals insuline, spelen een rol als hormoon om de werking van weefsels en organen te regelen. Mensen met diabetes, die zelf niet voldoende insuline aanmaken, kunnen

insuline injecteren om zo de insulineconcentratie

in het bloed op peil te houden.

112

MODULE 02

hoofdstuk 3

S Afb. 61

Enzymen

Enzymen zijn eiwitten die als katalysator werken in de cel en reacties versnellen. Enzymen laten een chemische reactie sneller verlopen door ‘stoffen in een bepaalde positie vast te houden’. De 3D-structuur van een enzym is namelijk zo dat er een specifiek deel is, het actief centrum, waarin de moleculen die betrokken zijn in de reactie, kunnen binden. Op die manier zorgen enzymen ervoor dat de kans op een reactie veel groter is. Je kunt het actief centrum voorstellen als een holte in het enzym. De stof die in het actief centrum bindt, noem je het substraat. Wanneer het substraat gebonden is aan een enzym, spreek je van een enzym-substraatcomplex. Het enzym blijft onveranderd in de reactie en kan dus na de reactie hergebruikt worden om andere reacties te katalyseren. De binding tussen

het substraat en het eiwit is zeer specifiek. Enkel de substraatmoleculen

met de juiste ruimtelijke structuur passen in het actief centrum. Je kunt het vergelijken met hoe een sleutel in een slot past. Daarom noem je dat ook wel het sleutel-slotprincipe. substraat

enzym-substraatcomplex

reactieproducten

VA N

enzym

actief centrum

onveranderd enzym

S Afb. 62 De afbraak van een substraatmolecule tot twee reactieproducten via de vorming van een enzym-substraatcomplex

Enzymen zijn vaak genoemd naar het type reactie dat ze katalyseren, of hun naam is afgeleid van hun functie of het substraat waarop ze inwerken, door de toevoeging ‘-ase’. Voorbeelden:

• Lipase: breekt lipiden af.

• Protease: breekt peptiden af. • Lactase: breekt lactose af.

• Polymerase: synthetiseert polymeren. • Hydrolase: zorgt voor hydrolyse.

• Eiwitten zijn polymeren van aminozuren. • De aminozuurketens vormen 3D-structuren. Die zijn noodzakelijk voor de functie van het eiwit. • Eiwitten vervullen heel uiteenlopende functies binnen en buiten de cel. Bijvoorbeeld: –

Ze zorgen voor vorm en stevigheid (structuur).

–

Ze zorgen voor transport.

–

Ze zorgen voor communicatie (als hormoon).

–

Ze fungeren als enzym om een reactie te versnellen (katalysator).

MODULE 02

hoofdstuk 3

113

2.4 Nucleïnezuren Nucleïnezuren zijn polymeren waarin een groot aantal moleculen, nucleotiden, lineair aan elkaar gebonden zijn. Nucleïnezuren (of polynucleotiden) kunnen opgebouwd zijn uit enkele (5-10) tot verschillende miljoenen nucleotiden. De twee belangrijkste nucleïnezuren zijn: • desoxyribonucleïnezuur of DNA (desoxyribonucleic acid); • ribonucleïnezuur of RNA (ribonucleic acid). Nucleotiden bestaan uit drie moleculen die aan elkaar gebonden zijn: • een monosacharide; • een stikstofhoudende basische molecule (N-base);

• een fosfaatgroep (PO43–). N-base

fosfaatgroep

O P

O–

W Afb. 63 De algemene structuur van een nucleotide, met een fosfaatgroep, een monosacharide en een N-base

VA N

O–

CH2

monosacharide

De nucleotiden bij DNA en RNA verschillen op 2 manieren: 1

in hun monosacharide

De monosacharide kan ofwel ribose, ofwel desoxyribose zijn. Het verschil tussen beide bestaat in een hydroxylgroep (-OH) op een van de koolstofatomen:

• In het nucleïnezuur DNA is desoxyribose de monosacharide in de nucleotiden.

• In het nucleïnezuur RNA is ribose de monosacharide in de nucleotiden.

in hun N-base

Er zijn vijf verschillende N-basen: adenine (A), cytosine (C), guanine (G), thymine (T) en uracil (U).

• De N-basen A, C en G komen zowel in DNA als in RNA voor.

• De N-base T komt enkel in DNA voor. • De N-base U komt enkel in RNA voor. monoscharide

fosfaat

N-basen NH2 N

DNA

O–

CH2

O– OH desoxyribose

CH2

O– OH OH ribose

114

MODULE 02

hoofdstuk 3

N O

adenine (A)

cytosine (C)

NH2

O HN

CH3

H2N

guanine (G)

NH2 N

O O–

RNA

NH2

N O

adenine (A)

cytosine (C)

O HN

HN N guanine (G)

thymine (T)

O N

H2N

N uracil (U)

AAN DE SLAG

Zetmeel komt voor in de cellen van aardappels en heeft de onderstaande structuur. CH2OH

CH2OH O

O OH

CH2OH O

O OH

Welke groep biomoleculen herken je:

polysachariden

proteïnen of

lipiden?

b Leg uit waaraan je die groep herkent.

Fructose is een vorm van suiker die 1,7 keer zoeter is dan sacharose (tafelsuiker). Fructose wordt dan ook in de voedingsmiddelenindustrie veel als zoetstof gebruikt. Een natuurlijke bron van fructose is honing: dat bevat ongeveer 40 % fructose. CH2OH

OH HO

VA N

CH2OH

Is fructose een

monosacharide

disacharide of

polysacharide?

b Verklaar.

Hoe weet je dat dit de structuur van fructose is, en niet die van glucose?

Op p. 116 staan enkele suikers opgesomd. a

Zijn het monosachariden, disachariden of polysachariden?

b Hoe zie je dat?

maltose:

glucose:

galactose:

sucrose:

stachyose:

MODULE 02

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

115

1 maltose

3 galactose

glucose CH2OH

O OH OH

monosacharide

disacharide

polysacharide

4 sucrose

5 stachyose CH2OH

O OH

O HO

HO glucose

Komt voor in verschillende groenten, zoals groene bonen en sojabonen. OH

CH2OH

fructose

O OH

CH2

CH2OH

disacharide

polysacharide

CH2OH

VA N

monosacharide

disacharide

monosacharide

CH2OH

CH2

Bekijk de afbeeldingen.

Welke groep biomoleculen herken je: polysachariden, proteïnen of lipiden?

b Verklaar.

polysacharide proteïne lipide

116

MODULE 02

polysacharide

proteïne

lipide

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

Duid de glycosidische bindingen aan op de polysacharide. CH2OH

CH2OH H H OH

H OH

CH2

H OH

CH2

CH2OH O

OH H

H O

CH2OH H

H OH

OH H

H OH

H H

Link de begrippen aan de juiste afbeelding. A a

aminozuur

dipeptide

H2N

N H

H N

VA N

tripeptide

CH3+

polypeptide

CH2 O

N H

CH3

O–

CH2

CH2 O

CH2

N H

O–

CH2

Bekijk de structuren van eiwitten. a

Orden de structuren van minst complex (1) naar meest complex (4).

b Welke afbeelding hoort bij welke eiwitstructuur? 1

MODULE 02

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

117

Bekijk de vetzuren. a

Welke van deze vetzuren zijn verzadigd en welke onverzadigd?

b Hoe zie je dat?

verzadigd B

verzadigd onverzadigd

onverzadigd

Welke drie essentiële onderdelen herken je in dit nucleotide?

Duid aan op de afbeelding en benoem.

118

verzadigd

VA N

onverzadigd

MODULE 02

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

Bekijk de afbeeldingen. a

Welke biomoleculen zie je?

b Welke functie hebben ze? B

Lees het artikel over suikers en beantwoord de vragen. Je mag online ook zoeken naar antwoorden.

Snelle suikers (enkelvoudige koolhydraten) hebben een hoge glycemische index (GI), terwijl trage suikers (complexe koolhydraten) een lage GI hebben. De GI is een maat voor de snelheid waarmee de bloedsuikerspiegel stijgt na inname van koolhydraten via de voeding. Voeding met een hoge GI heeft een korte verteringstijd. Suikers worden sneller en in grotere hoeveelheden afgegeven aan de bloedbaan. Ze veroorzaken een felle stijging van de bloedsuikerspiegel en creëren een energieboost. Voeding met een lage GI heeft een lange verteringstijd. Suikers worden trager en in kleine hoeveelheden afgegeven aan de bloedbaan. Er ontstaat een lichte stijging van de bloedsuikerspiegel. Daardoor gebruik je de energie geleidelijk aan. Koolhydraatproducten met een lage GI-waarde genieten de voorkeur, aangezien ze de bloedsuikerspiegel minder doen stijgen en dankzij de tragere maaglediging voor een langer verzadigingsgevoel zorgen.

VA N

• Hoge GI (≥ 70): glucose, frietjes, aardappelpuree, cornflakes, chips, tafelsuiker (sucrose), wit brood, witte rijst, aardappel ... • Gemiddelde GI (56-69): bruin brood, couscous, rozijnen, bruine rijst … • Lage GI (≤ 55): muesli, witte pasta, volkoren pasta, banaan, volkoren brood, quinoa, zoete aardappel …

Wat is het verschil tussen snelle en trage suikers?

MODULE 02

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

119

b Geef een voorbeeld van snelle suikers.

Geef een voorbeeld van trage suikers.

d Welke suikers kun je het best consumeren en wanneer?

In welke voedingsmiddelen zitten er snelle suikers? In welke trage?

VA N

Juist of fout? Verbeter het onderlijnde indien nodig. a

De basisbouwsteen van eiwitten zijn nucleotiden.

juist

fout

b Door de aanwezigheid van dubbele bindingen zijn verzadigde vetten (zoals in margarine) makkelijk smeerbaar op je boterham.

juist

fout

Fructose, sucrose en glucose zijn voorbeelden van aminozuren.

juist

fout

d Deze afbeelding is een voorstelling van de tertiaire structuur van een eiwit.

120

MODULE 02

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

juist

fout

De aangeduide binding is een glycosidische binding.

OH H

O OH

HO OH H

O H

fout

H OH

De onderstaande toepassing is een typische toepassing voor eiwitten.

juist

fout

juist

VA N

Deze structuur is het nucleïnezuur DNA, dat opgebouwd is uit aminozuren (als bouwstenen).

juist

fout

Meer oefenen? Ga naar

MODULE 02

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

121

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE 1 DE CHEMISCHE SAMENSTELLING VAN CELLEN Organismen bestaan uit anorganische en organische stoffen. Al die stoffen dragen bij tot de opbouw en de werking van het organisme.

ORGANISCHE STOFFEN IN CELLEN

GROEP 1: SACHARIDEN (OF SUIKERS)

= koolstofverbindingen met meerdere hydroxylgroepen

monosachariden bv. glucose

CH2OH

Voorbeelden

Functies

enkelvoudige

• glucose

energiebron

suikers

• fructose

VA N

Opgebouwd uit

twee

• sucrose

monosachariden

• lactose

polysachariden

meerdere

• glycogeen

bv. zetmeel

monosachariden

• zetmeel

disachariden bv. lactose

CH2OH

energiebron

CH2OH

glucose

galactose

122

MODULE 02

energiereserve

die aan elkaar

CH2OH

geschakeld zijn

CH2OH O

O O

SYNTHESE HOOFDSTUK 3

• chitine

OH OH

• cellulose

structuur

VERZADIGDE VETTEN

ONVERZADIGDE VETTEN

GROEP 2: LIPIDEN (OF VETTEN) = koolstofverbindingen met apolaire ketens

glycerol triglyceriden

vetzuurstaarten

O O

Opgebouwd uit

Functies

glycerol glycerol (-OH)vetzuurstaarten en drie vetzuren

• energiereserve

O • verzadigde vetzuren (-C-C-)

• isolatie

• onverzadigde vetzuren (-C=C-) O

• waterafstoting

O O O

een fosfaatgroep

O O

O–

onverzadigde binding

O O

serine

opbouw membranen

glycerol, twee vetzuren en

fosfolipiden H2N

• vetoplosbare vitaminen

fosfaat

glycerol

polaire kop

apolaire vetzuurstaarten

vier ringvormige moleculen met

opbouw membranen

VA N

steroïden

daarop functionele groepen

bv. cholesterol

cholesterol

GROEP 3: EIWITTEN (OF PROTEÏNEN) = polymeren van aminozuren

aminozuren

Opgebouwd uit

Functies

moleculen met een centraal

opbouw eiwitten

koolstofatoom met vier bindingen:

NH2

COOH

aminogroep aminozuur 1

NH2

R restgroep + COOH

NH2

hydrolyse

R1 dipeptide

condensatie

H N

peptidebinding

een H-atoom

• een carboxygroep (-COOH) • een restgroep (R): varieert bij

centraal C-atoom NH C COOH 2

eiwitten

• een aminogroep (-NH2)

carboxygroep • aminozuur 2

de verschillende aminozuren

een aminogroep en een carboxylgroep van twee aminozuren die een peptidebinding vormen

COOH + H2O

• structuur van cellen en organismen (bv. keratine) • transport in cellen en weefsels (bv. hemoglobine) • communicatie binnen een organisme (bv. insuline) • reacties katalyseren (enzymen)

MODULE 02

SYNTHESE HOOFDSTUK 3

123

ENZYMEN = eiwitten die chemische reacties katalyseren Structuur substraat

enzym-substraatcomplex

reactieproducten

enzym

actief centrum

onveranderd enzym

• De moleculen waar enzymen op inwerken, zijn de substraatmoleculen.

• Die substraten binden in het actief centrum en vormen het enzym-substraatcomplex.

• Enkel de substraatmoleculen met de juiste ruimtelijke structuur passen in het actief centrum (sleutel-slotprincipe).

GROEP 4: NUCLEÏNEZUREN

VA N

= polymeren van nucleotiden

nucleotiden

N-base

fosfaatgroep

CH2

monosacharide

Notities

MODULE 02

• een monosacharide (ribose

• energiehuishouding

voor RNA en desoxyribose voor DNA)

(adenine, cytosine, guanine,

O–

124

Functies

• een stikstofhoudende base

O–

Opgebouwd uit

SYNTHESE HOOFDSTUK 3

thymine en uracil)

• een fosfaatgroep

• opbouw van DNA en RNA

MODULE 03

VAN CELMETABOLISME TOT ORGANISME

Bij duursporten, zoals hardlopen of wielrennen, is het essentieel om de energieproductie in je cellen te optimaliseren, zodat je uithoudingsvermogen verbetert en je vermoeidheid vermindert. Je kunt de beschikbare energie verhogen door bijvoorbeeld voorafgaand aan een training of wedstrijd koolhydraten (suikers) te consumeren. Als je na de inspanning eiwitten inneemt, helpt dat bij je herstel en je spieropbouw. In de sportwetenschap past men kennis over de energieproductie in cellen toe om de prestaties van atleten te verbeteren. Door hun energiestofwisseling te optimaliseren, kunnen atleten

VA N

efficiënter energie produceren en hun vermoeidheid vertragen, wat resulteert in betere sportprestaties.

` Hoe wordt energie in cellen geproduceerd? ` Produceren planten op dezelfde manier energie in hun cellen als dieren? ` Hoe wordt die energie uiteindelijk door het organisme gebruikt/verbruikt? We zoeken het uit!

VERKEN

JE KUNT AL ... huidmondje

receptor geleiding

zonlicht

verdampen H2O

CO2

O2-gas

prikkel omgevingstemperatuur

waterdraden

geleiding effector aanzuigen H2O

• het onderscheid toelichten

• toelichten waar de

tussen reacties op een prikkel bij plantaardige en

onderdelen van het

• toelichten welke stoffen

spijsverteringsstelsel

er bij de fotosynthese

herkennen en benoemen;

dierlijke organismen; • het onderscheid maken

nodig zijn als reagentia, en

tussen een plantaardige en een dierlijke cel; • de belangrijkste organellen

• de belangrijkste

fotosynthese gebeurt;

• de belangrijkste

welke reactieproducten er

onderdelen van het

worden gevormd;

ademhalingsstelsel

• de belangrijkste

in plantaardige en dierlijke

onderdelen van een plant

cellen herkennen en

herkennen en benoemen.

VA N

benoemen.

herkennen en benoemen.

JE LEERT NU ...

• de belangrijkste vorm

• het proces van fotosynthese in een

soorten cellen en de vorm

herkennen en benoemen;

plant linken aan de

van de cellen enerzijds, en

celademhaling (de

hun functie in weefsels en

productie en het gebruik

organen anderzijds.

• het principe van

celademhaling uitleggen; • het verschil tussen aerobe en anaerobe ademhaling beschrijven.

van energie); • hoe de nodige stoffen worden getransporteerd en aangemaakt door de verschillende weefsels van plantaardige systemen.

126

• de link leggen tussen de

van energie in een cel

MODULE 03

verken

HOOFDSTUK 1

Î Autotrofe en heterotrofe organismen Heel wat processen in de cel vereisen energie.

LEERDOELEN

Die energie wordt gehaald uit de afbraak van

M De belangrijkste vorm van energie in een cel

energierijke koolstofverbindingen, zoals glucose.

herkennen en benoemen

De bron van glucose kan verschillen: zo zijn er

M Het principe van celademhaling uitleggen

organismen die zelf hun energierijke C-verbindingen

M Het verschil tussen aerobe en anaerobe

opnemen. Vervolgens moet de energie opgeslagen

aanmaken, terwijl andere organismen ze moeten

ademhaling beschrijven

en getransporteerd kunnen worden. Daarvoor

maken cellen gebruik van het ATP-ADP-systeem. Laten we dat even in detail bekijken.

Autotrofe en heterotrofe organismen

VA N

Het begrip ‘celademhaling’ doet denken aan de ademhaling die je zag in de eerste graad: je verbruikt zuurstofgas (O2) en er wordt koolstofdioxide (CO2) geproduceerd. Zonder O2 zouden we immers niet overleven.

De cellen van een organisme halen de energie voor hun levensprocessen uit de afbraak van energierijke C-verbindingen, zoals glucose. Dat vrijmaken van energie noem je de celademhaling. Het is een continu proces dat plaatsvindt in de meeste cellen van het lichaam.

Sommige groepen van organismen maken zelf energierijke C-verbindingen aan uit de anorganische molecule CO2. Je noemt ze autotrofe organismen. • Planten, algen en sommige bacteriën zijn autotroof en doen aan

fotosynthese: ze gebruiken licht als bron van energie voor de synthese van energierijke C-verbindingen.

• Andere bacteriën doen aan chemosynthese: in plaats van lichtenergie gebruiken ze de energie die vrijkomt bij de oxidatie van anorganische

Vorig jaar leerde je dat autotrofe organismen in een ecosysteem de basis vormen van voedselketens, en daarom ook ‘producenten’ worden genoemd.

In een ecosysteem vormen heterotrofen de consumenten en de detrivoren.

verbindingen, voor de synthese van hun energierijke C-verbindingen.

Heterotrofe organismen zijn alle organismen die niet in staat zijn om hun energierijke C-verbindingen aan te maken op basis van CO2. Ze moeten

organische C-verbindingen opnemen uit hun omgeving. Voorbeelden van heterotrofe organismen zijn dieren, fungi (zwammen), heel wat eencellige organismen en de meeste bacteriën. Omdat heterotrofen geen C-verbindingen kunnen aanmaken op basis van CO2, zijn ze volledig afhankelijk van de C-verbindingen die autotrofen

produceren. Ze gebruiken (delen van) andere organismen als voedselbron. De vertering zorgt voor de afbraak van de C-verbindingen tot moleculen die opgenomen en getransporteerd kunnen worden naar alle cellen van het lichaam.

MODULE 03

hoofdstuk 1

127

ALLE ORGANISMEN

AUTOTROOF

HETEROTROOF

koolstofdioxide (CO2)

organische moleculen

FOTOAUTOTROOF

ENERGIEBRON

CHEMOAUTOTROOF oxidatie van anorganische moleculen

cyanobacteriën

zwavelbacteriën

FOTOHETEROTROOF zonlicht

heliobacteriën

VA N

VOORBEELDEN

zonlicht

planten

CHEMOHETEROTROOF oxidatie van organische moleculen

KOOLSTOFBRON

nitrificerende bacteriën

purperbacteriën

meeste schimmels

dieren

S Afb. 1 De indeling van alle organismen in vier groepen

AUTOTROFE ORGANISMEN

lichtenergie

fotosynthese

HETEROTROFE ORGANISMEN

via voeding

synthese van

energierijke Cchemische chemosynthese verbindingen energie

energierijke opnemen

celademhaling energierijke C-verbindingen omzetten in energiearme verbindingen

energieproductie voor de levensprocessen

128

MODULE 03

hoofdstuk 1

vertering tot

C-verbindingen voedingsstoffen

Energiehuishouding in elke cel

2.1

ATP en ADP

Alle cellen (van alle organismen) beschikken over moleculen die heel efficiënt tijdelijk energie kunnen opslaan en transporteren in de cel, omdat de energie op andere plaatsen nodig is dan waar ze wordt vrijgemaakt. Alle autotrofe en heterotrofe organismen maken daarvoor gebruik van de moleculen ATP en ADP. Daarom spreek je van een universeel ATP-ADP-

systeem. Een ATP-molecule is een energierijke verbinding die opgebouwd is uit een aaneenschakeling van de volgende bouwstenen:

• ribose, een monosacharide met vijf C-atomen; • drie fosfaatgroepen;

VA N

• de organische base adenine.

NH2

O–

–

CH2

–

3 fosfaatgroepen

ribose

adenine

W Afb. 2 ATP bevat veel energie.

Wanneer een fosfaatgroep afgesplitst wordt van ATP, ontstaat er ADP (adenosinedifosfaat) en komt er energie vrij. NH2

O P

O–

CH2

O O–

O–

energie

O–

ADP

fosfaat (Pi )

W Afb. 3 ADP bevat minder energie.

De reactievergelijking van de afbraak van ATP kun je vereenvoudigd als volgt P staat voor phosphate (fosfaat). I staat voor inorganic (anorganisch).

schrijven:

ATP → ADP + Pi + energie (± 30

kJ mol

)

MODULE 03

hoofdstuk 1

129

De energie die vrijkomt, kan gebruikt worden voor allerhande celprocessen.

energie

bouw van organellen

S Afb. 4

beweging (arbeid)

transport van moleculen

elektrische energie / licht

synthese van eigen macromoleculen, zoals genetisch materiaal, polysachariden, eiwitten en vetten

ATP kan opnieuw worden aangemaakt wanneer een fosfaatgroep gekoppeld wordt aan ADP. Daarvoor is er energie nodig.

VA N

ADP + Pi + energie (± 30

mol

) → ATP

De energie die gebruikt wordt om ATP aan te maken uit ADP, is afkomstig van reacties die energie vrijstellen (exo-energetische reacties). Door ATP om te zetten naar ADP, komt die energie opnieuw vrij en kan ze benut worden in een reactie die energie nodig heeft (endo-energetische reactie). Daarom zeg je dat ATP een energiedrager is.

ATP

D endo-

exo-

energetische

reactie

biceps

ADP + P

S Afb. 5 Links: stof A wordt omgezet in stof B, waarbij een hoeveelheid energie vrijkomt (= exo-energetische reactie). Die energie wordt gebruikt om ADP + P om te zetten in ATP. Rechts: stof C wordt omgezet in stof D, waarbij een hoeveelheid energie wordt opgenomen (= endo-energetische reactie). Die energie komt van de omzetting van ATP in ADP + P.

2.2 Aerobe en anaerobe celademhaling De cellen van een organisme hebben voortdurend energie nodig. Spieren trekken bijvoorbeeld samen doordat individuele cellen verkorten. De verkorting van spiercellen gebeurt doordat celonderdelen verplaatst worden. Andere voorbeelden van processen die veel energie vereisen, zijn de groei, de vertering, de uitscheiding, de voortplanting en het transport van stoffen. De energie wordt geleverd door de universele energiedrager ATP.

S Afb. 6 Wanneer een spier, zoals de biceps, samentrekt, wordt daarna haar volledige voorraad ATP weer aangevuld.

130

MODULE 03

hoofdstuk 1

Om in de dagelijkse energiebehoefte te voorzien, is de hoeveelheid ATP die het lichaam omzet in ADP, ongeveer gelijk aan het lichaamsgewicht! Gelukkig dragen we niet zo’n massa aan ATP met ons mee, omdat ADP snel weer omgezet of gerecycleerd kan worden tot ATP.

Omdat de hoeveelheid ADP en ATP in een cel beperkt is, moeten cellen in staat zijn om voortdurend ATP aan te maken uit ADP. ATP kan worden aangemaakt tijdens de celademhaling. Men maakt een onderscheid tussen de aerobe celademhaling (in aanwezigheid van zuurstofgas) en de anaerobe celademhaling (in afwezigheid van zuurstofgas).

Aerobe celademhaling

De aerobe celademhaling is het proces waarbij de cellen in organismen zuurstofgas gebruiken om energie te produceren uit voedingsstoffen, zoals glucose. Dat proces vindt plaats in de mitochondriën, de energiecentrales van de cel.

BESCHRIJVING PROCES

REACTIEVERGELIJKING

De celademhaling start met de afbraak van

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi → 2 C3H4O3 + 2 ATP

glucose pyrodruivenzuur

een molecule glucose (C6H12O6) tot twee

moleculen pyrodruivenzuur (een verbinding met drie koolstofatomen).

Dat proces levert voldoende energie om per molecule glucose twee moleculen ATP aan te

VA N

maken (door een molecule fosfaat te binden op ADP).

• Naam proces: glycolyse • Locatie in cel: in het cytoplasma

2 C3H4O3 + 36 ADP + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP

Als er zuurstofgas (O2) aanwezig is, kan

het pyrodruivenzuur in de mitochondriën oxideren tot CO2. In de mitochondriën zijn

verschillende enzymen aanwezig die in een reeks reacties het pyrodruivenzuur afbreken. • Naam proces: aerobe celademhaling, omdat voor die afbraak de aanwezigheid van zuurstofgas essentieel is

• Locatie in cel: in de mitochondriën

De afbraak van de moleculen

glucose zuurstofgas

pyrodruivenzuur tot CO2 in de mitochondriën stelt veel energie vrij. Die energie wordt

gebruikt om fosfaatmoleculen te binden op ADP, zodat er ATP ontstaat. koolstofdioxide waterstof

+ 38 (ADP + P) C6H12O6

6 O2

energie 38 ATP

6 CO2

6 H2O

Wanneer glucose langs de aerobe celademhaling wordt geoxideerd tot CO2,

ontstaan er circa 34 tot 38 moleculen ATP per molecule glucose.

Er bestaat een verband tussen het aantal mitochondriën en de energiebehoefte van cellen. Cellen die een grote energiebehoefte hebben, zoals spiercellen en zaadcellen, bevatten grote aantallen mitochondriën.

MODULE 03

hoofdstuk 1

131

glucose

glycolyse pyrodruivenzuur

W Afb. 7 Tijdens de aerobe celademhaling wordt glucose afgebroken tot pyrodruivenzuur in het cytoplasma. Het pyrodruivenzuur wordt in de mitochondriën afgebroken tot H2O, CO2 en veel ATP.

34-38

Tijdens de aerobe celademhaling ontstaat er koolstofdioxide (CO2). Dat

verlaat de cel door het celmembraan en komt bij zoogdieren terecht in de bloedbaan.

VA N

• Een klein gedeelte (7 %) lost op in het bloedplasma.

• Ongeveer 70 % van het CO2 reageert met water tot koolzuur of

waterstofcarbonaat, dat gedeeltelijk ioniseert in waterstofcarbonaationen en waterstofionen.

CO2 + H2O

Hemoglobine is een eiwit dat zich in de rode bloedcellen bevindt en een belangrijke rol speelt bij het transport van zuurstofgas en koolstofdioxide in je lichaam.

H2CO3

→

←

→

waterstofcarbonaat

←

H+ +

HCO3–

waterstofcarbonaation

• De resterende 23 % CO2 wordt getransporteerd door hemoglobine in de

vorm van carbaminohemoglobine. De reactie tussen CO2 en hemoglobine

is omkeerbaar. Ter hoogte van de longblaasjes verlaat het koolstofdioxide de bloedbaan en komt het gas terecht in de omgevingslucht. CO2 + Hb

weefsels

H+ +

longen

HbCO2

carbaminohemoglobine

Planten kunnen CO2 opnemen en gebruiken tijdens de fotosynthese (zie

verder) voor de productie van suikers (onder andere glucose). 6 CO2 + 6 H2O

fotosynthese →

C6H12O6 + 6 O2

Anaerobe celademhaling

Zonder zuurstofgas kan de afbraak van pyrodruivenzuur in de mitochondriën niet doorgaan. Pyrodruivenzuur wordt dan omgezet in andere stoffen. Je noemt dat de anaerobe celademhaling.

ALCOHOLISCHE GISTING In gistcellen en in sommige plantendelen wordt pyrodruivenzuur in afwezigheid van O2 omgezet in ethanol.

2 C3H4O3 → 2 CO2 + 2 C2H5OH

pyrodruivenzuur 132

MODULE 03

hoofdstuk 1

ethanol

MELKZUURGISTING Andere cellen, zoals melkzuurbacteriën of spiercellen, zetten in afwezigheid van O2 pyrodruivenzuur om in

melkzuur.

2 C3H4O3 → 2 CH3CHOHCOOH

pyrodruivenzuur

melkzuur

Ook in dierlijke weefsels kunnen er bij een tekort aan zuurstofgas tijdelijke anaerobe omstandigheden ontstaan. Zo kan bij een intensieve inspanning de aanvoer van zuurstofgas in de spieren ontoereikend zijn om glucose volledig te oxideren via de aerobe celademhaling. Als gevolg daarvan wordt het pyrodruivenzuur omgevormd tot melkzuur, waardoor de spieren verzuren. Tijdens de anaerobe celademhaling wordt er geen extra ATP aangemaakt. De afbraak van glucose langs die weg levert dus maar twee moleculen ATP per molecule glucose op. anaerobe celademhaling

aerobe celademhaling

glucose + O2

glucose

CO2 + H2O

melkzuur

celmembraan

VA N

celmembraan

mitochondriën

2 ATP

34-38 ATP

S Afb. 8 Aerobe en anaerobe celademhaling bij fysieke inspanning

glucose

C6H12O6

glycolyse

2 pyrodruivenzuur + 2 ATP

ethanol of melkzuur

aerobe celademhaling

anaerobe celademhaling

CO2 + H2O + 36 ATP De energie die vrijkomt bij de afbraak van glucose, wordt opgeslagen in de molecule ATP. De energie kan later op een andere plaats vrijgemaakt worden door ATP te splitsen. ADP + Pi + energie (± 30

kJ ) → ATP mol ← MODULE 03

hoofdstuk 1

133

WEETJE

Verzuring van spieren Spieren die goed getraind zijn, verzuren veel minder snel dan ongetrainde spieren. Het is dus belangrijk om je conditie op te bouwen voor een verbeterde opname van zuurstofgas en om je spieren goed te trainen. Dat verkleint de kans op verzuring, tenzij je een training doet die boven de capaciteit van je spieren ligt. Bij snelle verzuring is het belangrijk om even rust te nemen. Ongetrainde spieren raken snel overbelast en kunnen de afvoer van melkzuur niet meer aan. Daarnaast is het ook belangrijk om niet het uiterste van je lichaam te vergen. Een gezonde hartslag bedraagt tijdens sport hooguit 80 % van je maximale hartslag. Je maximale hartslag bereken je door je eigen leeftijd af te trekken van 220. Dus: 220 – leeftijd = maximale

hartslag. 60 tot 80 % van die uitkomst is een gezonde hartslag tijdens een training. Een te hoge hartslag werkt de verzuring van je spieren in de hand.

Wie volop aan de slag

gaat, loopt ondanks een goede warming-up toch

VA N

het risico op verzuring.

S Afb. 9 Een goede warming-up voorkomt blessures, maar kan ook je spieren voorbereiden op de zwaardere training.

Het herstel van verzuurde spieren gaat vrij snel: als je even rust en op adem komt, neemt de balans in je spieren weer toe. Blijf de spieren wel licht bewegen: door de pompbeweging van de spieren worden afvalstoffen makkelijker afgevoerd uit het bloed.

Alcoholische gisting bij goudvissen Goudvissen hebben het

uitzonderlijke vermogen

om maandenlang te kunnen overleven in water waar

zo weinig zuurstofgas in is opgelost dat andere vissen er vrij snel in zouden sterven. Die vissen sterven doordat ze moeten overschakelen op melkzuurgisting als de hoeveelheid opgelost zuurstofgas te laag is. Dat zorgt voor een daling van de pH-waarde in het bloed. Een te sterke en

S Afb. 10 Goudvissen kunnen overleven in water waarin weinig zuurstofgas is opgelost, omdat ze overschakelen op alcoholische gisting.

langdurige daling is dodelijk. Onderzoekers ontdekten dat goudvissen in milieus met weinig opgelost zuurstofgas overschakelen op alcoholische gisting in plaats van melkzuurgisting. De goudvissen scheiden het ethanol en het koolstofdioxide langs de kieuwen uit.

134

MODULE 03

hoofdstuk 1

AAN DE SLAG

De eerste fase in de oxidatie van glucose is de glycolyse. Wat betekent de term ‘glycolyse’?

Tijdens de aerobe celademhaling en de fotosynthese gaat het telkens om energieomzettingen. Leg uit.

Schrijf de reactievergelijkingen van de aerobe celademhaling en de fotosynthese onder elkaar. (Om de massabalans te laten kloppen, zet je daarbij 6 H2O voor de pijl en 12 H2O achter de pijl.)

VA N

Een ATP-molecule bestaat uit drie belangrijke onderdelen. a

Welke?

O–

b Duid aan op de afbeelding.

O–

NH2 N P

ATP

Het koppelen van een fosfaatgroep aan ADP vergt energie (endergoon).

–

Wat is het verschil tussen aerobe en anaerobe celademhaling?

NH2 N

–

Bij de splitsing van ATP komt energie vrij die andere processen kan aandrijven (exergoon)

CH2

P O

–

O –

ene

O– –

ADP

fosfaat

ADP bevat minder energie.

CH2

O–

Wat is het verschil tussen een ATP- en een ADP-molecule?

Welke reactie zie je hieronder? de glycolyse

de aerobe celademhaling

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi → 2 C3H4O3 + 2 ATP Meer oefenen? Ga naar

. MODULE 03

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

135

HOOFDSTUKSYNTHESE 1

AUTOTROOF VERSUS HETEROTROOF

AUTOTROFE ORGANISMEN fotosynthese

lichtenergie

HETEROTROFE ORGANISMEN via voeding

synthese van

energierijke

energierijke Cchemische chemosynthese verbindingen energie

vertering tot

C-verbindingen voedingsstoffen

opnemen

celademhaling

energierijke C-verbindingen omzetten in energiearme verbindingen

VA N

energieproductie voor de levensprocessen

2 ENERGIEHUISHOUDING IN ELKE CEL universeel ATP-ADP-systeem

O–

ATP

–

O P

–

CH2

–

3 fosfaatgroepen

ribose

adenine

Wanneer een fosfaatgroep afgesplitst wordt van ATP, ontstaat er ADP (adenosinedifosfaat) en komt er energie vrij.

ADP

NH2 N O O–

O O

O–

CH2

MODULE 03

SYNTHESE hoofdstuk 1

O–

OH fosfaat (Pi )

reactievergelijking

136

P O–

ATP

O–

ADP

van de afbraak van

ATP → ← ADP + Pi + energie (± 30

kJ mol

)

energie

VIDEO

kennisclip

ENERGIEHUISHOUDING IN ELKE CEL aerobe en anaerobe celademhaling

Omdat de hoeveelheid ADP en ATP in een cel beperkt is, moeten cellen in staat zijn om voortdurend ATP aan te maken uit ADP. glucose

C6H12O6

glycolyse

2 pyrodruivenzuur + 2 ATP O2

VA N

ethanol of melkzuur

aerobe celademhaling

anaerobe celademhaling

CO2 + H2O + 36 ATP

anaerobe celademhaling

aerobe celademhaling

Zonder zuurstofgas kan de afbraak van

De aerobe celademhaling is het proces waarbij

pyrodruivenzuur in de mitochondriën niet doorgaan.

de cellen in organismen zuurstofgas gebruiken

Pyrodruivenzuur wordt dan omgezet in ethanol of

om energie te produceren uit voedingsstoffen, zoals

melkzuur.

glucose. Dat proces vindt plaats in de mitochondriën,

de energiecentrales van de cel.

MODULE 03

SYNTHESE hoofdstuk 1

137

HOOFDSTUK 2

Î Verkenning van weefsels in plantaardige systemen Wie een tuin heeft of kamerplanten in huis

LEERDOELEN

heeft staan, weet dat planten water nodig

M Het proces van fotosynthese in een plant linken aan de celademhaling (de productie en het gebruik van energie)

fotosynthese. Als je meststoffen toedient, groeien planten vaak beter. Ze kunnen het water en de meststoffen opnemen via hun wortels en zo

getransporteerd en aangemaakt door de

verspreiden over de hele plant. Maar hoe gaan

M Uitleggen hoe de nodige stoffen worden verschillende weefsels van plantaardige systemen

stoffen in een plant van de ene naar de andere plaats? Dat onderzoek je in dit hoofdstuk.

Fotosynthese: synthese van energierijke koolstofverbindingen

VA N

hebben. Water is immers een grondstof van de

Groene planten, wieren, algen en sommige bacteriën

φοτος (photos) is Grieks voor ‘licht’.

kunnen door fotosynthese zelf energierijke C-verbindingen aanmaken met CO2 als koolstofbron.

Die verbindingen vormen de basis voor de opbouw van andere moleculen of worden via de aerobe of anaerobe celademhaling afgebroken om de cel later te voorzien van energie.

Voor de fotosynthese zijn er bepaalde pigmenten nodig die licht opvangen. In planten is bladgroen (of chlorofyl) het belangrijkste pigment voor de fotosynthese. Het is aanwezig in de bladgroenkorrels of chloroplasten. Fotosynthese gebeurt dus enkel in de groene delen van de plant. Bij de meeste planten vormen de bladeren de

belangrijkste organen waar fotosynthese plaatsvindt. Tijdens het fotosyntheseproces wordt er via een

buitenmembraan

intermembraanruimte

hele reeks reacties glucose aangemaakt uit water en

binnenmembraan

koolstofdioxide. De energie die daarvoor nodig is, wordt

DNA

door chlorofyl opgevangen uit het zonlicht.

granum

lamellen

stroma

ribosoom thylakoïden

zetmeelkorrel

S Afb. 11 De fotosynthese gebeurt in de bladgroenkorrels of chloroplasten.

138

MODULE 03

hoofdstuk 2

De fotosynthesereactievergelijking kun je als volgt vereenvoudigd voorstellen:

lichtenergie

koolstofdioxide

water

bladgroen

glucose

zuurstofgas

W Afb. 12 Algemene vergelijking van de fotosynthese. Zonder licht valt de fotosynthesereactie stil.

Het koolstofdioxide (CO2) dat nodig is voor de fotosynthese, komt bij

landplanten vooral uit de lucht. Het dringt de bladeren binnen via de

huidmondjes. Het water is meestal afkomstig uit de bodem en wordt door transportweefsel naar het blad gebracht. Het zuurstofgas dat tijdens de

fotosynthese ontstaat, wordt via de huidmondjes in de bladeren afgegeven aan de omgeving.

afgifte van waterdamp via huidmondje

zonlicht afgifte van zuurstofgas via huidmondje

zonlicht

blad

stengel

VA N

nerf

cel in het blad bladgroenkorrel

bladgroenkorrels

huidmondje

water vervoerd door de nerven

opname van koolstofdioxide via huidmondje

water

glucose zuurstofgas

huidmondje lucht

koolstofdioxide

water

open huidmondjes

plantencel

zuurstofgas

gesloten huidmondjes

F bladgroenkorrels W Afb. 13 De fotosynthese gebeurt in de bladgroenkorrels, die zich in de cellen van het blad bevinden. In het bladoppervlak bevinden zich huidmondjes, waarlangs water en gassen zoals zuurstofgas en koolstofdioxide worden uitgewisseld met de omgeving.

MODULE 03

hoofdstuk 2

139

De gevormde glucose kan door de plant: • worden omgezet in andere organische stoffen voor haar groei; • worden opgeslagen als zetmeel als reservestof (zoals in de knol bij aardappelplanten); • worden verbruikt tijdens haar celademhaling (zoals bij dieren) om aan energie te komen voor alle levensprocessen, zoals transport en beweging.

fotosynthese

chloroplast

stralingsenergie

VA N

celademhaling

mitochondrie

chemische energie (ATP)

S Afb. 14 Planten komen aan de nodige energie voor hun levensprocessen door een deel van de glucose die tijdens de fotosynthese wordt aangemaakt, via de celademhaling weer af te breken.

Stoffen zoals glucose en zetmeel, die opgebouwd worden uit kleinere verbindingen, noem je assimilaten.

De fotosynthese vindt plaats in de chloroplasten, die zich bevinden in de groene delen van de plant. Door fotosynthese maken planten glucose aan

op basis van CO2, H2O en energie die afkomstig is van zonlicht.

WEETJE

Tijdens assimilatie worden er in planten organische stoffen gevormd uit eenvoudige bouwstenen. Om uit die organische stoffen energie te halen, breken de planten de stoffen weer af. Dat is dissimilatie. Dieren halen hun bouwstenen uit voeding, bijvoorbeeld uit de voedingsstof glucose. Als er te veel glucose in het lichaam is, dan kan glucose worden omgezet naar vetten. Die vetten worden bij een glucosetekort in het lichaam gebruikt als energiebron. Bij dieren gebruikt men voor de opbouw van stoffen de term anabolisme, en voor de afbraak de term katabolisme.

140

MODULE 03

hoofdstuk 2

S Afb. 15

VERDIEPING Omdat planten zuurstofgas produceren, noemt

LANDPLANTEN

men wouden weleens de ‘longen van onze planeet’. Met die stelling wordt evenwel genegeerd dat de oceanen bevolkt worden door een immense biomassa aan algen en vele soorten bacteriën die ook aan fotosynthese doen. Hieronder vind je een overzicht van de variatie aan organismen die aan

MEERCELLIGE ALGEN bv. kelp (Macrocystis sp.)

fotosynthese doen.

VA N

EENCELLIGE EUKARYOTEN bv. oogdiertjes (Euglena sp.)

CYANOBACTERIËN

PURPEREN ZWAVELBACTERIËN (Ze produceren zwavel, de witte bolletjes.)

MODULE 03

hoofdstuk 2

141

Transport van stoffen bij de plant

Water is een van de grondstoffen van de fotosynthese, die bij landplanten vooral in de bladeren gebeurt. Het water is voornamelijk afkomstig uit de bodem en moet dus op een bepaalde manier naar de bladeren kunnen worden gebracht. Omgekeerd moet de glucose, een assimilaat van het fotosyntheseproces, naar alle delen van de plant kunnen worden verspreid. Alle cellen van de plant, dus ook die in de wortels, breken glucose via de celademhaling af om te voorzien in hun energiebehoefte. De assimilaten van de fotosynthese worden ook in andere delen van de plant aangewend voor reservestof.

de opbouw van andere moleculen, zoals eiwitten en vetten, of opgeslagen als

Planten moeten dus in staat zijn om stoffen uit de bodem te brengen naar de organen die aan fotosynthese doen, en omgekeerd. In planten gebeurt er dus zowel een opwaarts transport vanuit de wortels naar hoger gelegen delen, zoals de bladeren, als een neerwaarts transport van hoger gelegen delen in

VA N

de richting van de wortels.

blad

water

bladgroenkorrel

cel in het blad

houtvaten

zeefvaten

glucose

huidmondje

zuurstofgas

koolstofdioxidegas

houtvaten (xyleem) zeefvaten (floëem) deelweefsel

opname van water en mineralen

S Afb. 16 In planten is er een transportsysteem aanwezig, dat opwaarts en neerwaarts transport toelaat.

142

MODULE 03

hoofdstuk 2

2.1

Transportsysteem

Als je de stengels van een selderplant in een gekleurde oplossing zet, kun je na een tijd op een dwarse doorsnede gekleurde stippen waarnemen. Het transport van stoffen gebeurt dus niet doorheen de hele stengel, maar langs specifieke cellen. Die cellen vormen het transportsysteem bij planten. (Vergelijk het met het bloedvatenstelsel bij zoogdieren.) We bestuderen de wortel, de stengel en het blad om de ligging en de structuur van dat transportsysteem te onderzoeken. S Afb. 17 Het transportweefsel in een selderplant, zichtbaar gemaakt met kleurstof

De wortel

Als je het preparaat van de dwarsdoorsnede van een wortel bekijkt, kun je verschillende weefsels waarnemen. Centraal in de wortel zie je een cirkel met

daarin grote cellen die het patroon van een ster vormen. Die cirkel bevat de cellen van het transportweefsel.

Er zijn twee soorten transportweefsel:

• xyleem (1) met houtvaten, dat zorgt voor opwaarts transport;

• floëem (2) met zeefvaten, dat zorgt voor neerwaarts transport.

VA N

Het xyleem bevat de grote cellen die het patroon van een ster vormen.

Daarrond bevinden zich groepjes kleinere cellen van het floëem (blauw op afbeelding 18).

Het overgrote deel van de wortel bestaat uit vulweefsel of parenchym (3). Dat zijn ronde cellen waarin reservestoffen, zoals zetmeel, worden opgeslagen. Op het preparaat kun je dat goed zien: het zijn de paarsgekleurde korrels in de cellen. De laag tussen de vaatbundel en de buitenzijde noem je de schors of de cortex. Aan de top van jonge wortels bestaat de buitenzijde uit een deklaag of epidermis (4). De epidermis bestaat uit één laag goed aaneengesloten cellen. De cellen vertonen uitstulpingen, de wortelharen, waarmee water en opgeloste stoffen uit de bodem worden opgenomen.

4 epidermis 3 cortex met parenchym

2 floëem met zeefvaten 1 xyleem met houtvaten

W Afb. 18 Verschillende weefsels in een dwarse doorsnede van een wortel

MODULE 03

hoofdstuk 2

143

De stengel

Op de stengeldoorsnede van de selderplant kon je zien dat het transport door specifiek weefsel gebeurt. Dat weefsel bestaat uit cellen die de transportvaten vormen. De transportvaten liggen gegroepeerd in vaatbundels. Die vaatbundels bevatten elk twee soorten transportvaten: de houtvaten in het xyleem (1) en de zeefvaten in het floëem (2). Het xyleem is gelegen aan de centrale zijde van de vaatbundel en transporteert water en opgeloste stoffen omhoog, naar de bladeren. Het floëem ligt aan de buitenzijde van de vaatbundel en transporteert assimilaten van de bladeren naar lager gelegen gedeelten van de plant (zoals de wortels). Net zoals in de wortel bestaat het grootste gedeelte van de stengel uit

parenchym (3). Ook bij jonge stengels bevindt er zich een deklaag of

epidermis (4) aan de buitenzijde. Ze is bedekt met een laagje was en beschermt de stengel tegen uitdroging en ziekteverwekkers.

Meerjarige planten, zoals struiken en bomen, groeien niet alleen in de

lengte, maar ook in de breedte. In hun stengel bevinden zich cellen die zich voortdurend delen. Die cellen vormen het deelweefsel of meristeem (5). Het meristeem is een laag cellen die ook door de vaatbundels loopt, tussen het

VA N

floëem en het xyleem. Als de cellen van het meristeem in de stengel zich delen, wordt de stengel dikker.

Meristemen komen in meerdere delen van de plant voor. In de top van de stengel en wortel zorgen ze voor lengtegroei. Uit andere meristemen, zoals in de knoppen van de plant, ontstaan nieuwe soorten weefsels en organen, zoals stengels, bladeren of bloemen.

Cellen die uit meristemen ontstaan, kunnen dus zorgen voor lengte- of diktegroei, maar ze kunnen ook aanleiding geven tot nieuwe soorten weefsels.

4 epidermis 3 parenchym

1 xyleem met houtvaten 2 floëem met zeefvaten 5 meristeem

S Afb. 19 Verschillende weefsels in een dwarse doorsnede van een stengel

144

MODULE 03

hoofdstuk 2

Het blad

De vaatbundels in de stengel gaan over in vaatbundels in de bladsteel en de bladeren, waar ze zichtbaar zijn als nerven. Het xyleem (1) bevindt zich in de vaatbundel aan de zijde die overeenkomt met de bovenzijde van het blad, het floëem (2) aan de onderzijde van het blad. Daarnaast bevat het blad dikwijls twee soorten vulweefsels of parenchym: palissadevulweefsel (3) en sponsvulweefsel (4). Het palissadevulweefsel bevindt zich aan de bovenzijde van het blad. De cellen liggen mooi aaneengesloten en bevatten veel bladgroenkorrels. Daarom zijn bladeren aan hun bovenzijde vaak donkerder groen dan aan de onderzijde. De fotosynthese gebeurt vooral in dat weefsel. Het sponsvulweefsel ligt aan

de onderzijde van het blad. Tussen de cellen liggen holten, die in verbinding staan met de buitenwereld. Ook de boven- en onderkant van het blad zijn begrensd door een epidermis (5) met waslaagje.

Tussen de cellen van de epidermis liggen, vooral aan de onderzijde van de bladeren, huidmondjes (6). Die bestaan uit boonvormige sluitcellen. Als de sluitcellen water opnemen, ontstaat er een opening tussen de sluitcellen en staat het huidmondje open. Wanneer de sluitcellen water verliezen, sluit het

VA N

huidmondje. Als de huidmondjes geopend zijn, kunnen er gassen worden uitgewisseld met de omgeving.

cuticula

luchtholte

5 bovenepidermis 3 palissadevulweefsel 4 sponsvulweefsel 1 xyleem 2 floëem 5 onderepidermis sluitcel 6 huidmondje

cuticula

W Afb. 20 Verschillende weefsels in een dwarse doorsnede van een blad

MODULE 03

hoofdstuk 2

145

2.2 Mechanisme van watertransport Water en opgeloste stoffen worden via de houtvaten in het xyleem in de stengel naar hoger gelegen delen in de plant gebracht. Daar worden ze gebruikt tijdens de fotosynthese, maar ze kunnen ook door verdamping verdwijnen langs de huidmondjes in de bladeren. Doordat watermoleculen de neiging hebben om elkaar aan te trekken, zorgt de verdamping van water ter hoogte van de bladeren ervoor dat water zich omhoog door de plant verplaatst en dat de wortels water opzuigen. Het verschijnsel dat water in fijne buisjes tegen de zwaartekracht in stijgt, noem je capillariteit. Dat zorgt

xyleem

opwaarts transport naar de bladeren

ook voor het opwaartse transport van water in een plant.

floëem

fotosyntheseproducten

VA N

water en mineralen

open neerwaarts transport glucose

water en mineralen

S Afb. 21 Watertransport bij de plant

Transportsystemen in de plant zorgen voor een opwaarts en neerwaarts transport van stoffen.

• Het xyleem brengt water en opgeloste stoffen voor de fotosynthese van de wortels naar de bladeren. • Het floëem vervoert de glucose die gemaakt werd tijdens de fotosynthese, naar andere delen van de plant. In de wortel, de stengel en het blad zijn het xyleem en floëem geordend in vaatbundels. • De ruimte tussen de transportvaten wordt opgevuld met parenchym. • De buitenste laag van de stengel en wortel is bedekt met de cuticula. • Huidmondjes in de bladeren laten de uitwisseling van gassen toe. • De belangrijkste mechanismen van het watertransport zijn de verdamping van water ter hoogte van de huidmondjes en de capillariteit.

146

MODULE 03

hoofdstuk 2

AAN DE SLAG

Benoem op de afbeeldingen: bladgroenkorrels – huidmondje – water – zuurstofgas – koolstofdioxide – stralingsenergie

blad cel in het blad

stengel

lucht

VA N

glucose

Wat doet de plant met de gevormde glucose (na de fotosynthese)?

Welk weefsel zorgt voor het transport van stoffen van de wortel tot het blad? parenchym xyleem floëem epidermis

MODULE 03

hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

147

Welke weefsels doorkruist water uit de bodem achtereenvolgens om tot in het xyleem te komen?

Definieer het begrip ‘assimilatie’.

Bestudeer de microscopische doorsnede van het blad.

VA N

Welke stoffen die nodig zijn voor de fotosynthese, worden vanuit de wortel via het transportweefsel vervoerd tot in het blad?

b Welke stoffen die nodig zijn voor de fotosynthese, komen het blad binnen via de huidmondjes?

Welke stoffen die geproduceerd worden tijdens de fotosynthese, verlaten de plant?

d Welke weefsels in het blad herken je op de afbeelding van de bladdoorsnede? Benoem ze. e

Teken met pijltjes de plaats waar de gasuitwisseling plaatsvindt.

Welke mechanismen voor het watertransport komen voor in elke plant?

148

MODULE 03

hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

Bekijk de afbeeldingen.

VA N

Benoem de onderdelen van de plant.

b Afbeelding A is een afbeelding van ... de wortel

de stengel het blad

Afbeelding B is een afbeelding van ... de wortel

de stengel het blad

Meer oefenen? Ga naar

MODULE 03

hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

149

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE FOTOSYNTHESE EN CELADEMHALING

stralingsenergie

chloroplast

De fotosynthese vindt vooral plaats in fotosynthese glucose (C6H12O6)

de bladeren, die daarvoor een aantal aanpassingen vertonen. • De cuticula en de epidermis zijn

water (H2O)

zuurstofgas of dizuurstof (O2)

doorschijnend om licht door te laten. • Het palissadevulweefsel bevat zeer veel

chloroplasten om licht op te vangen.

koolstofdioxide (CO2)

• De huidmondjes voeren CO2 en O2 af en staan in contact met de intercellulaire

celademhaling mitochondrie

chemische energie

ruimten van het sponsvulweefsel.

• De vaatbundels in de bladnerven voeren

VA N

H2O aan en sachariden af.

cuticula

luchtholte

bovenepidermis palissadevulweefsel sponsvulweefsel xyleem floëem onderepidermis sluitcel huidmondje

cuticula

epidermis parenchym xyleem met houtvaten floëem met zeefvaten meristeem

epidermis cortex met parenchym

floëem met zeefvaten xyleem met houtvaten

150

MODULE 03

SYNTHESE hoofdstuk 2

HOOFDSTUK 3

Î Verkenning van weefsels en celtypes in dierlijke systemen Wie een tuin heeft of kamerplanten in huis heeft staan, weet dat

LEERDOELEN M De link leggen tussen de soorten cellen en de vorm van de cellen enerzijds, en hun functie in weefsels en organen anderzijds

planten water nodig hebben. Water is immers een grondstof van de fotosynthese. Als je meststoffen toedient, groeien planten vaak beter. Ze kunnen het water en de meststoffen opnemen via hun wortels en zo verspreiden over de hele plant. Maar hoe gaan stoffen in een plant van de ene naar de andere plaats? Dat onderzoek je in

Celdifferentiatie en stamcellen

dit hoofdstuk.

VA N

De meeste meercellige organismen ontstaan uit een bevruchte eicel, die

dankzij de voortplanting wordt gevormd. Celdelingen alleen volstaan niet om een bevruchte eicel te laten uitgroeien tot een complex meercellig organisme. Meercellige organismen bevatten immers verschillende stelsels, die bestaan uit meerdere organen. Elk orgaan bevat verschillende weefsels, die opgebouwd zijn uit welbepaalde celtypes met elk een specifieke functie. Tijdens de ontwikkeling gebeurt er celdifferentiatie. Dat is een proces waarbij een weinig gespecialiseerde cel zich omvormt tot een meer gespecialiseerde cel. Daardoor krijgt de cel een bepaalde vorm, grootte en functie: ze voert specifieke processen uit.

MACROSCOPISCHE ORGANISATIENIVEAUS waar te nemen met het blote oog of met een loep

STELSEL

ORGAAN

WEEFSEL

CEL

luchtpijp

trilhaarweefsel

trilhaarcel

ORGANISME

MICROSCOPISCH ORGANISATIENIVEAU waar te nemen met een lichtmicroscoop

w ademhalingsstelsel

S Tabel 1 Een organisme bestaat uit verschillende stelsels, die elk opgebouwd zijn uit meerdere organen. Een orgaan bestaat uit verschillende weefsels, die elk uit een groot aantal cellen ontstaan.

MODULE 03

hoofdstuk 3

151

Niet- of onvolledig gedifferentieerde cellen bij dieren noem je stamcellen. Alle zoogdieren ontstaan uit een bevruchte eicel. Dat is een stamcel die nog alle weefseltypes kan vormen. Verder in de ontwikkeling komen stamcellen voor die zich in steeds minder celtypes kunnen differentiëren. Na de geboorte komen er nog enkel stamcellen voor die zich tot een beperkt De functie van de verschillende leukocyten komt aan bod in module 04.

aantal celtypes kunnen differentiëren. Een voorbeeld zijn de stamcellen van het beenmerg. Zij zorgen onder andere voor de aanmaak van de verschillende bloedcellen: • de rode bloedcellen of erythrocyten voor het transport van zuurstofgas; • de bloedplaatjes of thrombocyten voor de bloedstolling;

WEETJE

TOTIPOTENT

bevruchte eicel

totipotente stamcellen

blastocyt

VA N

Totipotente stamcellen kunnen aanleiding geven tot elk ander celtype, inclusief placentaweefsel.

• de witte bloedcellen of leukocyten voor de immuniteit.

embryo

De blastocyt bevat pluripotente stamcellen.

PLURIPOTENT

Pluripotente stamcellen kunnen aanleiding geven tot elk celtype van het embryo, maar niet tot extraembryonaal weefsel zoals de placenta.

MULTIPOTENT

bindweefselstamcellen

bloedstamcellen

zenuwstamcellen

MULTIPOTENT

Multipotente stamcellen kunnen aanleiding geven tot een hele reeks celtypes. Die stamcellen kunnen enkel differentiëren tot cellen van één bepaalde kiemlaag (mesoderm, ectoderm of endoderm).

OLIGOPOTENT

Oligopotente stamcellen kunnen maar tot enkele celtypes differentiëren. ademhalingsstelsel

hart, diverse bloedcellen

S Afb. 22 Stamcellen kunnen worden ingedeeld in verschillende types, naargelang welke andere cellen eruit kunnen ontstaan: totipotente, pluripotente, multipotente en oligopotente stamcellen.

152

MODULE 03

hoofdstuk 3

zenuwweefsel

Relatie tussen de structuur en functie van celtypes

Door celdifferentiatie ontstaan er dus cellen met een structuur waarmee ze een welbepaalde functie optimaal kunnen uitvoeren. We geven hieronder enkele voorbeelden die de relatie tussen de structuur van een cel en haar functie illustreren.

2.1

Voorbeeld structuur epitheelcellen in verschillende stelsels

De huid en de binnenzijde van het ademhalingsstelsel, het voortplantingsstelsel, het uitscheidingsstelsel en het spijsverteringsstelsel zijn bekleed

met epitheelweefsel. Dat weefsel vormt de grens tussen het externe en het interne milieu.

De cellen van het epitheelweefsel zijn onderling sterk met elkaar verbonden door speciale eiwitstructuren. Die sterke onderlinge verankeringen zorgen ervoor dat lichaamsvreemde stoffen of micro-organismen niet of moeilijk

VA N

de cellen van het interne milieu bereiken.

De cellen van epitheelweefsels zijn afgeplat of kubisch van vorm. In de verschillende organen en weefsels komen andere soorten epitheelcellen voor, afhankelijk van de functie die ze moeten uitoefenen.

celkern cel

cel

plaveiselcelepitheel of afgeplat epitheel locatie: in het hart

kubisch epitheel locatie: in de nieren

celkern

SOORTEN EPITHEELCELLEN

cel

trilhaarepitheel locatie: ademhalingsstelsel

cilindrisch epitheel locatie: in de darmen

cel celkern

celkern cel celkern

overgangsepitheel locatie: in de blaas

meerlagig afgeplat verhoornd epitheel locatie: in de huid cel celkern

S Afb. 23 Soorten epitheelcellen en hun functie

MODULE 03

hoofdstuk 3

153

2.2 Voorbeeld structuur cellen van de dunne darm Heterotrofe, meercellige organismen benutten organische stoffen als bron: • van energie; Nieuwe cellen en celonderdelen zijn niet alleen nodig voor groei, maar ook om defecte cellen of celonderdelen te vervangen.

• van bouwstoffen om nieuwe cellen of celonderdelen op te bouwen. Omdat de organische stoffen in het voedsel te groot zijn om doorheen de darmwand tot in het bloed te komen, worden ze in het spijsverteringsstelsel afgebroken tot kleinere eenheden, die de cellen van de dunne darm kunnen opnemen. De kleinere eenheden of nutriënten worden opgenomen langs het deel van de dunne darm dat in contact staat met de voedselbrij. De snelheid waarmee dat gebeurt, hangt af van de grootte van het contactoppervlak van

Bij een volwassen mens is de dunne darm ongeveer 5 à 6 m lang. De totale oppervlakte van de binnenzijde van de dunne darm is 32 m2.

de dunne darm. De binnenkant van de dunne darm is sterk geplooid, waardoor er

darmplooien worden gevormd. De darmplooien vertonen vingervormige uitstulpingen van het celmembraan, de darmvlokken of villi. De

darmvlokken worden begrensd door het darmepitheel met microvilli.

De darmplooien, darmvlokken en microvilli zorgen voor een beduidende

VA N

oppervlaktevergroting, wat heel belangrijk is voor een goede darmfunctie.

darmvlokken of darmvilli

darmplooi

darmholte

darmvlokken of villi laag kringspieren

laag lengtespieren

steunweefsel

154

MODULE 03

hoofdstuk 3

microvilli

S Afb. 24 A Dwarse doorsnede van de dunne darm B Darmvlokken of villi C Darmepitheelcellen met microvilli

darmepitheelcel

2.3 Voorbeeld structuur zintuigcellen in het oor Het oor is een zintuig dat niet alleen geluidsprikkels waarneemt, maar ook de stand en rotatie van het hoofd. De zintuigcellen van het oor bevatten uitstulpingen, die je stereocilia noemt. • Geluidsgolven veroorzaken minuscule bewegingen in de vloeistof van het slakkenhuis, dat in het inwendig oor ligt. • De golven van die vloeistof doen de stereocilia van zintuigcellen op welbepaalde plaatsen buigen. • Die buiging van de uitstulpingen prikkelt de zintuigcellen en vormt de basis van ons gehoor.

Het inwendig oor is het deel van het gehoorzintuig waar de geluidsprikkels opgevangen worden door geluidsreceptoren en omgevormd worden tot zenuwimpulsen.

VA N

1 halfcirkelvormige kanalen

2 voorhof

ovaal venster

evenwichtszenuw

gehoorzenuw

3 slakkenhuis

rond venster

S Afb. 25 Schematische voorstelling van de bouw van het inwendig oor

Het inwendig oor is opgebouwd uit de halfcirkelvormige kanalen (1), het voorhof (2) en het slakkenhuis (3). Alleen in het slakkenhuis worden geluidsprikkels verwerkt. In de halfcirkelvormige kanalen en het voorhof ligt het evenwichtszintuig.

MODULE 03

hoofdstuk 3

155

dakmembraan

1 2

stereocilia haarcel

zenuwimpuls 1 bovenste gang met perilymfe 2 middengang met endolymfe 3 onderste gang met perilymfe

perilymfe

zenuwvezels basaalmembraan

S Afb. 26 Ombuiging van de stereocilia van de haarcellen als gevolg van de verschuiving van het dakmembraan en basaalmembraan ten opzichte van elkaar

stereocilia haarcel

zenuwimpuls

VA N

Blootstelling aan heel hoge geluiden kan de stereocilia van de zintuigcellen doen afbreken, waardoor er gehoorschade optreedt. Dat gaat vaak gepaard met oorsuizen of tinnitus. Als je tinnitus hebt, hoor je continu geluiden die er niet zijn: fluiten, piepen, brommen … Tinnitus kan een zware impact hebben op je levenskwaliteit, want je ervaart nooit meer stilte. Het is daarom belangrijk om in een lawaaierige omgeving gehoorbescherming te dragen, want tinnitus is onomkeerbaar.

Omdat veel jongeren vanaf jonge leeftijd dagelijks meerdere uren naar harde muziek luisteren via een koptelefoon, is gehoorverlies bij jongeren een actueel en groeiend probleem. Ruim twintig procent van de jongeren tussen de vijftien en de dertig jaar zou al blijvende gehoorschade hebben opgelopen.

S Afb. 27 Binnenste haarcellen (IHC’s) en buitenste haarcellen (OHC’s) in het oor voor (A) en na (B) beschadiging

156

MODULE 03

hoofdstuk 3

2.4 Voorbeeld structuur neuronen in functie van het zenuwstelsel In de tweede graad leerde je al dat zenuwcellen of neuronen aan de hand van impulsen de informatie van de zintuigcellen naar het centrale zenuwstelsel brengen. Anderzijds brengen ze informatie van het centrale zenuwstelsel naar de effectoren, zoals spieren en klieren. De bouw van een neuron is erop afgestemd om die taak efficiënt uit te voeren: • Aan de hand van talrijke vertakte uitlopers of dendrieten kunnen zenuwcellen impulsen van talrijke zintuigcellen of zenuwcellen opvangen. • Het axon is een heel lange uitloper (tot 1 m) die informatie over een grote afstand kan vervoeren. • De eindknopjes bevatten blaasjes met neurotransmitters om een impuls

op te wekken in een volgende cel (zenuwcel, spiercel, kliercel).

• Om de snelheid van de prikkelgeleiding op te drijven, zijn neuronen vaak omgeven door een myelineschede, die aangemaakt wordt door specifieke

VA N

cellen (de cellen van Schwann).

neurotransmitters

3D-beeld neuron

VIDEO

dendrieten

axon myelineschede

cellichaam

celkern knoop van Ranvier

eindknopjes

doorsnede in lengte

celkern

axon

W Afb. 28 De delen van een neuron, waarbij: • de dendrieten impulsen van andere cellen opvangen; • het axon zorgt voor de geleiding van de impuls naar de volgende cel; • de eindknopjes zorgen voor de overdracht van de prikkel naar de volgende cel.

MODULE 03

hoofdstuk 3

157

Er zijn verschillende soorten neuronen, afhankelijk van hun functie. 1

Sensorische of afferente neuronen

Deze neuronen ontvangen impulsen van receptoren. Ze brengen de impulsen van een receptor naar het centrale zenuwstelsel. Een sensorisch neuron herken je aan de twee lange uitlopers. De dendriet is verbonden met de receptor. Het axon loopt naar het centrale zenuwstelsel. De dendriet kan wel een meter lang zijn en je hele arm of

been overbruggen. Motorische of efferente neuronen

Deze neuronen geleiden impulsen vanuit het centrale zenuwstelsel naar de effectoren. Ze kunnen spieren of klieren in werking zetten.

VA N

Een motorisch neuron heeft korte dendrieten en een lang axon met myeline. Dat axon kan tot meer dan een meter lang zijn.

Schakelneuronen

Deze neuronen brengen impulsen over binnen het centrale zenuwstelsel. Ze liggen dus in het ruggenmerg of in de hersenen. Schakelneuronen kunnen impulsen ontvangen van sensorische neuronen en ze doorgeven aan motorische neuronen of andere schakelneuronen. Ze hebben talrijke dendrieten en korte axonen, vaak zonder of met maar weinig myeline.

2.5 Voorbeeld structuur spiercellen

158

MODULE 03

hoofdstuk 3

Organismen reageren vaak op een prikkel met bewegingen. Die bewegingen ontstaan doordat er spieren samentrekken en zo skeletdelen ten opzichte van elkaar doen bewegen. Cellen van spierweefsel kunnen samentrekken omdat ze beschikken over eiwitdraden (myosine en actine) die over elkaar kunnen glijden. In de tweede graad leerde je dat je drie soorten spierweefsel kunt onderscheiden: glad spierweefsel, skeletspierweefsel en hartspierweefsel.

skeletspierweefsel

S Afb. 29 Soorten spierweefsel

hartspierweefsel

glad spierweefsel

Glad spierweefsel

Glad spierweefsel bevindt zich in de organen die niet onderhevig zijn aan de

VA N

wil, zoals de spijsverteringsorganen of de wanden van bloedvaten.

• De cellen van dat spierweefsel zijn spoelvormig en hebben een centraal gelegen kern.

• Ze bevatten veel mitochondriën.

• De eiwitdraden zijn niet op een regelmatige manier gerangschikt zoals bij de andere spierweefsels.

Doordat de cellen relatief klein zijn en veel mitochondriën hebben, raken ze niet vermoeid.

Skeletspierweefsel

Spieren die verbonden zijn met botten, bestaan uit skeletspierweefsel. Embryonaal versmelten cellen met elkaar, waardoor er reusachtige spiervezels ontstaan.

• Die spiervezels bevatten meerdere celkernen. • De eiwitdraden vertonen een bijzonder sterke ordening in herhalende eenheden, die je sarcomeren noemt. De sterke ordening veroorzaakt macroscopisch een dwarse streping.

Door de sterke ordening en het grote aantal eiwitdraden kunnen spiervezels sterk verkorten en een grote kracht uitoefenen, die nodig is om skeletdelen ten opzichte van elkaar te bewegen. De spiervezels van skeletspieren trekken pas samen als ze een impuls ontvangen van een motorische zenuw. Omdat de spiervezels zo groot zijn, loopt er een aftakking van een motorisch neuron naar elke spiervezel. In tegenstelling tot de cellen van glad spierweefsel kunnen de cellen van skeletspierweefsel wel vermoeid raken. Binnen een skeletspier kun je een verdere opdeling maken tussen rode en witte spiervezels.

MODULE 03

hoofdstuk 3

159

RODE SPIERVEZELS

WITTE SPIERVEZELS

• Zijn sterk bebloed.

• Zijn minder sterk bebloed.

• Hebben een kleinere diameter.

• Hebben een grotere diameter.

• Hebben een groot aantal mitochondriën.

• Hebben een klein aantal mitochondriën.

• De eiwitdraden zijn van het ‘trage type’, waardoor

• De eiwitdraden zijn van het ‘snelle type’, waardoor

rode spiervezels niet explosief samentrekken en

ze snel en krachtig samentrekken.

minder kracht opwekken.

Door de sterke doorbloeding wordt er snel relatief veel

Doordat witte spiervezels minder doorbloed zijn en

zuurstofgas aangebracht, dat door de kleine diameter

een grotere diameter hebben, raakt de voorraad

van de rode spiervezels gemakkelijk alle delen van de cel bereikt. De mitochondriën kunnen lange tijd ATP maken op basis van de aerobe celademhaling, waardoor rode spiervezels niet snel verzuren en

spiervezel overschakelen op anaerobe celademhaling. Daarbij ontstaat er melkzuur, waardoor de spiervezel vermoeid raakt en er spierkramp kan ontstaan.

VA N

vermoeid raken.

zuurstofgas onvoldoende snel aangevuld en moet de

WEETJE

Hartspierweefsel

Sprinters hebben een groter

Hartspierweefsel is net als skeletspierweefsel dwarsgestreept door

percentage aan witte spiervezels in

de sterke ordening van eiwitdraden. Daardoor kan het hart snel en

hun spieren dan marathonlopers,

krachtig samentrekken. Hartspierweefsel bestaat wel uit individuele

die vooral over rode spiervezels

cellen, die vertakt zijn. De verschillende hartspiercellen zijn door

beschikken. De verhouding tussen

middel van speciale structuren (intercalaire schijven) stevig met

witte en rode spiervezels is erfelijk

elkaar verbonden. Een hartspier mag immers niet scheuren. Langs

bepaald. Hoe hard iemand met

die intercalaire schijven kunnen hartspiercellen impulsen aan elkaar

overwegend rode spiervezels ook

doorgeven, waardoor ze achtereenvolgens contraheren en het hart

traint, hij of zij zal nooit een spurter

als het ware wordt leeg gewrongen. Doordat de hartspiercellen

worden. Omgekeerd zal iemand

impulsen aan elkaar kunnen doorgeven, klopt een hart autonoom en

met overwegend witte spiervezels

hoeft niet elke cel apart een impuls van een zenuwcel te ontvangen.

nooit een kampioen marathonlopen

worden.

hartspiercel

160

MODULE 03

hartspierweefsel

hoofdstuk 3

hart

dierlijk spierweefsel

W Afb. 30 Voorbeeld van een cel als onderdeel van een weefsel. Het spierweefsel maakt deel uit van het hart (orgaan). Dat orgaan is slechts een onderdeel van het gehele stelsel van de olifant.

2.6 Voorbeeld structuur zaadcellen en hun functie tijdens de bevruchting Bij een bevruchting versmelt een zaadcel met een eicel tot een zygote. Zaadcellen moeten dus in staat zijn om zich richting een eicel te bewegen. Het is bovendien een race: een eicel kan maar door één zaadcel bevrucht worden, dus is het belangrijk dat de zaadcellen zo snel mogelijk de eicel bereiken. Een zaadcel bestaat uit: • een kop met een celkern, die omgeven is door een celmembraan (overtollig cytoplasma wordt tijdens de vorming van de zaadcel afgesnoerd);

• een blaasje met enzymen om het eicelmembraan te doorboren; • een zweepstaart die kan roteren;

• een reeks mitochondriën in een kraag rond de basis van de zweepstaart.

VA N

zweepstaart

kraagstuk met mitochondriën

kern

middenstuk

blaasje

kop

S Afb. 31 De bouw van een zaadcel

WEETJE

De zweepstaart zwiept

niet heen en weer, zoals

men vroeger dacht, maar wiebelt in feite maar één

kant op. Je zou denken dat

een spermacel in dat geval op dezelfde plek rondjes

De energie die afkomstig is van de mitochondriën, wordt gebruikt om de zweepstaart te bewegen. Ondanks de zeer gelijkaardige opbouw van de zweepstaart bij alle diersoorten, is de manier waarop de staart beweegt, uniek voor elke soort. Wellicht heeft dat te maken met het vaginale vocht en baarmoedervocht, die ook uniek zijn per soort.

2.7 Voorbeeld structuur rode bloedcellen en hun functie in het ademhalingsstelsel Cellen in zoogdieren gebruiken de aerobe celademhaling om glucose

is niet zo. Sperma heeft

te oxideren en ATP aan te maken. Voor de aerobe celademhaling is de

namelijk een slimme

aanwezigheid van zuurstofgas essentieel:

manier gevonden om toch

• Via het ademhalingsstelsel adem je verse lucht (zuurstofgas) in.

vooruit te komen: rollend.

• De longblaasjes in de longen zijn omgeven door dunne longhaarvaten

blijft draaien, maar dat

Je kunt het vergelijken

met speelse otters die als een kurkentrekker door

waardoor bloed stroomt. • De rode bloedcellen staan in voor de opname van zuurstofgas uit de lucht in de longen en het transport ervan naar de weefsels.

het water bewegen. Op

die manier komen ze toch vooruit.

MODULE 03

hoofdstuk 3

161

De rode bloedcellen zitten vol met hemoglobine, een eiwit dat zuurstofgas kan binden. De rode bloedcellen hebben de vorm van een schijf die in het midden is ingedeukt. Die vorm laat een optimale uitwisseling van gassen toe. De diameter van rode bloedcellen is net iets groter dan die van haarvaten. Wanneer de bloedcellen door haarvaten gaan, worden de cellen dus een beetje samengeduwd. Daardoor vergroot het contact met de wand van het bloedvat, zodat het zuurstofgas sneller wordt uitgewisseld met de omgeving.

zuurstofgas (O₂) koolstofdioxide (CO₂) zuurstofrijk bloed

zuurstofrijk bloed

zuurstofarm bloed

zuurstofgas (O₂) koolstofdioxide (CO₂)

zuurstofarm bloed

longhaarvat

longlucht in longblaasje

longhaarvat

zuurstofgas (O₂)

VA N

koolstofdioxide (CO₂)

zuurstofrijk bloed

Hb + O₂ → HbO₂

transport naar de weefselcellen w

HbO₂ → Hb + O₂

zuurstofarm bloed

162

MODULE 03

hoofdstuk 3

weefselcel

zuurstofgas wordt in de cel verbruikt voor de energieproductie

W Afb. 32 A Een sterk vergroot longblaasje, waarvan de buitenkant omgeven is door een dicht netwerk van longhaarvaten B Schematische tekening van de doorsnede van een longblaasje en een longhaarvat waarop de gasuitwisseling tussen longlucht en bloed is weergegeven

AAN DE SLAG

Waar passen deze begrippen? organisme – cel – orgaan – stelsel – weefsel

VA N

Leg het begrip ‘stamcellen’ uit.

Je hebt drie soorten spiercellen leren kennen: glad spierweefsel, skeletspierweefsel en hartspierweefsel. Hoe is elk van die drie types aangepast aan zijn functie? a

glad spierweefsel:

MODULE 03

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

163

b skeletspierweefsel:

hartspierweefsel:

VA N

Bekijk deze afbeelding.

Welk soort cel zie je?

b Benoem de onderdelen. c

Hoe is die cel aangepast aan haar functie?

Meer oefenen? Ga naar

164

MODULE 03

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE RELATIE TUSSEN DE STRUCTUUR EN FUNCTIE VAN CELTYPES Levensnoodzakelijke

Stelsel zijn opgebouwd uit

Een orgaan bestaat uit

Weefsels zijn

functies in meercellige

organen.

meerdere weefsels,

opgebouwd uit cellen.

organismen worden

die met elkaar

uitgevoerd door

samenwerken.

VA N

verschillende stelsels.

Voorbeeld:

ademhalingsstelsel

luchtpijp

trilhaarweefsel

trilhaarcel

Door celdifferentiatie ontwikkelen er zich gespecialiseerde cellen met een structuur die ze toelaat om een welbepaalde functie optimaal uit te voeren. Enkele voorbeelden:

rode bloedcellen

cellen in spierweefsels

neuronen

zaadcellen

zintuigcellen

epitheelcellen

MODULE 03

SYNTHESE hoofdstuk 3

165

VA N

Notities

166

GENIE Natuurwetenschappen 5&6

NOTITIES

MODULE 04

IMMUNITEIT

Wanneer je ziek bent, produceert je lichaam moleculen die kunnen leiden tot koorts. Koorts vertraagt de groei van ziekteverwekkers en versnelt de deling van witte bloedcellen. Dat geeft je lichaam meer tijd om een oplossing te vinden tegen de indringers. De aanmaak van antilichamen is één mogelijkheid. Als die

VA N

bijvoorbeeld binden op een virusdeeltje, kan dat virusdeeltje je cellen niet meer binnendringen.

` Hoe werkt het immuunsysteem? ` Welke gevolgen heeft een afwijkende werking van het immuunsysteem? We zoeken het uit!

VERKEN

• het begrip ‘microbioom’ toelichten; • uitleggen hoe interacties tussen organismen

• uitleggen dat witte bloedcellen belangrijk zijn voor de immuniteit.

VA N

kunnen leiden tot infecties.

JE KUNT AL ...

JE LEERT NU ...

• uit welke onderdelen het immuunsysteem bestaat en hoe ze (samen)werken;

168

• het belang en de werking van vaccinaties uitleggen;

• het verschil tussen niet-specifieke en

• welke vormen van actieve en passieve

specifieke immuniteit toelichten.

immunisatie er bestaan (uitbreiding).

MODULE 04

verken

HOOFDSTUK 1

Î Werking van het immuunsysteem Een splinter in je vinger, een beet van een daas, het eten van

LEERDOELEN

voedsel dat besmet is met toxines, een infectie door virussen

M De werking van het

of bacteriën ... Het zijn allemaal voorbeelden van situaties die

immuunsysteem beschrijven en het

een reactie van je immuunsysteem uitlokken. Lichaamsvreemde

belang ervan uitleggen

stoffen vormen namelijk vaak een gevaar voor je lichaam en moeten daarom verwijderd worden. Dat geldt ook voor

M Het verschil tussen niet-specifieke

ziekteverwekkers of pathogenen die zich vermenigvuldigen nadat

en specifieke immuniteit toelichten

ze het lichaam zijn binnengedrongen. Het is van essentieel belang

dat je lichaam een onderscheid kan maken tussen lichaamseigen en lichaamsvreemde moleculen en cellen.

Het belang van immuniteit

VA N

Een goed werkend immuunsysteem beschermt het lichaam op allerlei manieren:

• Het probeert het binnendringen van lichaamsvreemde stoffen en organismen zo veel mogelijk te voorkomen.

• Het herkent en bestrijdt ziekteverwekkers of pathogenen. Pathogenen zijn deeltjes van biologische oorsprong of organismen die een infectie kunnen veroorzaken.

• Het herkent en bestrijdt lichaamseigen cellen met een verstoorde functie, zoals kankercellen.

• Het reageert tegen ongewenste stoffen. • Het verwijdert dode cellen.

Een infectie ontstaat wanneer een pathogeen binnendringt in de weefsels en zich vervolgens kan vermeerderen. Er volgt een reactie van de gastheer op de pathogeen of de toxines die het aanmaakt. Als de infectie leidt tot schade, waardoor er symptomen ontstaan, spreek je van een infectieziekte.

S Afb. 1 Ingekleurd SEM-beeld van een delende kankercel

S Afb. 2 Houten splinter in een hand

MODULE 04

hoofdstuk 1

169

Immuniteit kun je opdelen in twee delen: NIET-SPECIFIEKE OF AANGEBOREN

SPECIFIEKE OF VERWORVEN

IMMUNITEIT

Dit deel van het immuunsysteem

Wanneer de niet-specifieke

omvat:

immuniteit onvoldoende is, komt

• de verdedigingsmechanismen

dit type immuniteit in actie.

van het lichaam tegen het

• De cellen en moleculen richten

binnendringen in de weefsels;

zich specifiek tegen één

• de cellen en moleculen die als

bepaalde ziekteverwekker,

eerste reageren bij een infectie. Elk van die cellen en moleculen

lichaamsvreemde stof of kankercel. • Dit type immuniteit zorgt

werking. Ze richten zich tegen

er ook voor dat er een

allerhande ziekteverwekkers,

geheugen ontstaat. Er blijven

lichaamsvreemde stoffen en

geheugencellen achter die

kankercellen.

ervoor zorgen dat er bij een

heeft een niet-specifieke, brede

volgende infectie een snellere

VA N

reactie mogelijk is.

De mechanismen van immuniteit zijn zeer divers. In dit hoofdstuk ligt de focus op het immuunsysteem van zoogdieren bij het bestrijden van een infectie. Je zult zien dat de niet-specifieke en specifieke immuniteit nauw samenwerken om infectieziekten te bestrijden.

Een goed werkend immuunsysteem:

• beschermt het lichaam tegen het binnendringen van lichaamsvreemde stoffen en cellen;

• bestrijdt pathogenen en kankercellen;

• reageert tegen andere ongewenste stoffen; • verwijdert dode cellen.

Er is een samenwerking tussen niet-specifieke en specifieke immuniteit.

• Niet-specifieke immuniteit voorkomt binnendringen en heeft een brede

170

MODULE 04

hoofdstuk 1

werking tegen ongewenste stoffen en cellen. • Specifieke immuniteit heeft één ongewenste stof of organisme als doelwit en zorgt voor geheugen.

De werking van het immuunsysteem

2.1

Algemeen overzicht

ZIEKTEVERWEKKERS

chemische en fysische barrière door opperhuid en slijmvliezen

Die organen proberen te voorkomen dat er ongewenste stoffen en organismen binnendringen. = niet-specifieke immuniteit

= eerste verdedigingslijn

VA N

Als die barrières onvoldoende zijn, treden de cellen en moleculen van de niet-specifieke immuniteit op als tweede verdedigingsmechanisme. Zij hebben een brede werking tegen verschillende indringers. Cellen

Moleculen

In het lichaam komen verschillende types witte bloedcellen (leukocyten) voor die behoren tot de niet-specifieke immuniteit. Op p. 180-181 bespreken we vier types.

De niet-specifieke immuniteit kan ook

moleculen vrijstellen die ervoor zorgen dat pathogenen sterven.

cellen niet-specifieke immuniteit

mestcel

basofiel eosinofiel neutrofiel macrofaag dendritische cel granulocyten fagocyten

‘natural killer’-cel

cellen specifieke immuniteit

B-lymfocyt T-lymfocyt

lymfocyten

= niet-specifieke immuniteit

= tweede verdedigingslijn

Als de verdediging door de niet-specifieke immuniteit faalt, schakelt het lichaam de specifieke afweer in. Een belangrijk systeem voor dat type immuniteit is het lymfatisch systeem. In de lymfeknopen wachten

mestcel

B- en T-lymfocyten op een signaal van infectie. cellen specifieke immuniteit

cellen niet-specifieke immuniteit

basofiel eosinofiel neutrofiel macrofaag dendritische cel granulocyten fagocyten

‘natural killer’-cel

B-lymfocyt T-lymfocyt lymfocyten

= specifieke immuniteit

= derde verdedigingslijn MODULE 04

hoofdstuk 1

171

2.2 De eerste verdedigingslijn: niet-specifieke immuniteit A

De opperhuid

De opperhuid of epidermis vormt een belangrijk onderdeel van de eerste verdedigingslijn. Het is de bovenste laag van de huid en bestaat uit verschillende lagen. Al die lagen ontstaan vanuit één cellaag, de basale laag. De cellen uit die laag zijn de enige cellen in de opperhuid die aan celdeling doen. Vanuit de basale laag bewegen de cellen langzaam naar het huidoppervlak. Uiteindelijk ontstaat een bovenste laag van dode cellen. Die vormen een fysische barrière die ondoordringbaar is voor de meeste

pathogenen.

VA N

opperhuid met basale laag

lederhuid

onderhuids bindweefsel

De pH van de huid van een gezonde mens ligt doorgaans tussen 4,5 en 5,5. Het pH-niveau van de huid kan variëren en is afhankelijk van factoren zoals leeftijd, huidtype, locatie op het lichaam en externe invloeden.

172

MODULE 04

hoofdstuk 1

W Afb. 3 De huid bestaat uit verschillende weefsels in drie lagen, waarvan de opperhuid de bovenste laag is.

W Afb. 4 Ingekleurd SEM-beeld van de huid met een afschilferende dode huidcel

De huid is verder bedekt met een zuurmantel, die werkt als een chemische barrière. De zuurmantel ontstaat door de productie van talg en zweet. De lage pH remt de groei van veel micro-organismen. De micro-organismen die wel groeien op de huid, zijn deel van het microbioom van de huid. Bij een gezonde volwassene blijft de samenstelling ervan stabiel. Bepaalde moleculen die geproduceerd worden door het microbioom van de huid, remmen andere micro-organismen.

De slijmvliezen

De slijmvliezen vormen de eerste verdedigingslijn aan de binnenkant van het lichaam. Daar is de uitwisseling van stoffen met het externe milieu noodzakelijk. Denk maar aan de opname van zuurstofgas in de longen of van voedingsstoffen in de darm. Het bedekken van die delen met dode cellen, zoals bij de huid, is niet mogelijk. Om binnendringende pathogenen en mogelijke infecties zo veel mogelijk tegen te houden, is het lichaam daar bedekt met slijmvliezen. De bovenste cellaag van een slijmvlies bestaat uit trilharen van het epitheel

een aaneengesloten laag epitheelcellen. Het epitheel

bestaat uit verschillende celtypes. • Een van die types produceert

epitheelcel

het slijm dat de vliezen

bedekt. Dat bemoeilijkt het binnendringen van

ziekteverwekkers en vormt dus een fysische barrière.

VA N

In het slijm komen ook

rode bloedcel

stoffen voor zoals zouten, enzymen en afweerstoffen, die ziekteverwekkers chemisch

losmazig bindweefsel

Op plaatsen waar veel uitwisseling van stoffen nodig is, zoals in de dunne darm, is het slijm dun. In de longblaasjes is het zelfs afwezig.

10 µm

S Afb. 5 Ingekleurd SEM-beeld van de luchtpijp, waarin epitheelcellen met trilharen voorkomen

kunnen vernietigen.

• Een ander type epitheelcel van het slijmvlies bevat trilharen. Die komen bijvoorbeeld voor in de luchtwegen, eileiders en baarmoeder. Trilhaarbewegingen voeren het slijm, samen met de cellen en stoffen die erin gevangen zijn, weg. Ook niezen zorgt ervoor dat slijm mechanisch uit het lichaam verwijderd wordt.

De slijmvliezen komen vooral in contact met veel onschadelijke S Afb. 6 Microscopisch beeld van de vaginale flora. De kleine staafjes zijn bacteriën.

stoffen. Maar ze vormen ook een mogelijke toegangsweg voor schadelijke micro-organismen. Hier komt het specifieke microbioom van de slijmvliezen

goed van pas. In het microbioom in de darm en de vagina komen bijvoorbeeld melkzuurbacteriën voor die de pH verlagen, waardoor de groei van andere micro-organismen wordt geremd. Het is belangrijk dat het lichaam de darmen vaginale flora niet aanvalt. Daarvoor moet het immuunsysteem ter hoogte van de slijmvliezen voorzichtiger te werk gaan en zo plaatselijk mogelijk reageren. MODULE 04

hoofdstuk 1

173

2.3 De tweede verdedigingslijn: niet-specifieke immuniteit A

Antigenen in het lichaam

Als de eerste verdediging van de huid en de slijmvliezen faalt, kunnen ziekteverwekkers binnendringen in de weefsels. Het is belangrijk dat de moleculen en cellen van het immuunsysteem de pathogenen zo snel mogelijk herkennen. Die herkenning is niet gericht naar een volledige pathogeen, maar naar de antigenen die bijvoorbeeld op het oppervlak van een pathogeen voorkomen. Een antigeen is, afhankelijk van waar in het lichaam het zich bevindt, makkelijk of moeilijk bereikbaar voor het immuunsysteem:

Het Engelse woord antigen is afgeleid van antibody generator. Antigenen zijn lichaamsvreemde moleculen of delen ervan die een immuunreactie opwekken.

• Makkelijk bereikbaar zijn de antigenen die onder andere voorkomen in het bloed of de lymfe.

• De antigenen die binnen in cellen voorkomen, zijn niet bereikbaar voor het immuunsysteem.

Om het immuunsysteem te informeren over wat er binnen in een cel gebeurt, beschikken cellen over speciale eiwitten die aantonen wat er binnen in de cel

VA N

Lymfe is een heldere, kleurloze vloeistof die door het lymfestelsel van het lichaam circuleert. Vanaf p. 176 gaan we daar dieper op in.

gebeurt.

• Tonen die eiwitten lichaamseigen moleculen, dan laat het immuunsysteem ze met rust.

• Tonen die eiwitten antigenen of hebben de cellen gewoon weinig van die eiwitten, dan gaat het om geïnfecteerde cellen of kankercellen en schiet het immuunsysteem in actie.

De immuunreactie die de antigenen opwekken, gaat meestal gepaard met een ontsteking. Een ontsteking is een complexe reactie van het lichaam op schade. Die schade kan een infectie met pathogenen zijn, maar ook beschadigd weefsel of irriterende stoffen. Het doel is om het beschadigde weefsel zo snel mogelijk op te ruimen.

Ter hoogte van de infectie worden cytokines vrijgesteld. Cytokines zijn een groep van kleine eiwitten die voor communicatie zorgen tijdens een immuunreactie. Het ene celtype scheidt ze uit om een effect te bekomen bij

een ander celtype. In het geval van een ontsteking veroorzaken cytokines een

174

MODULE 04

hoofdstuk 1

verandering in de bloedvaten en activeren ze de aanwezige immuuncellen. De bloedvaten worden meer doorlaatbaar, waardoor het makkelijker is voor de immuuncellen om zich naar de plaats van ontsteking te verplaatsen.

bloedvat

blootstelling aan schadelijke stoffen

infectie door pathogenen

beschadigde cellen

S Afb. 7 De start van een ontstekingsreactie

verhoogde doorlaatbaarheid van bloedvaten

immuuncel

cytokines worden vrijgesteld

rode bloedcel

Een ontsteking uit zich in vijf typische kenmerken.

• Ten eerste is er zwelling, omdat er meer vocht naar de plaats van de ontsteking stroomt.

• Daarnaast is er roodheid, omdat er meer bloed aanwezig is.

• Een ontsteking gaat gepaard met een hoog metabolisme. Dat zorgt voor

VA N

warmte. Net als bij koorts heeft dat het voordeel dat de ziekteverwekkers trager groeien en de immuuncellen zich net sneller delen.

• De vochtopstapeling zorgt voor druk, wat gepaard gaat met pijn. Er komen ook stoffen vrij die de zenuwuiteinden gevoeliger maken voor pijnprikkels.

• Door de zwelling en pijn treedt ook functieverlies op in het getroffen lichaamsdeel.

S Afb. 8 Roodheid en zwelling bij een ontstoken teen

S Afb. 9 Roodheid en zwelling bij een ontstoken oog

MODULE 04

hoofdstuk 1

175

weefselcellen

weefselvocht

Het lymfatisch systeem

Het lymfatisch systeem is een orgaansysteem dat deel uitmaakt van het immuunsysteem en de functies van het bloedvatenstelsel aanvult. Het bestaat uit een groot netwerk van lymfevaten, lymfeknopen en lymfoïde weefsels en organen. Het hele systeem is gevuld met lymfe. Lymfe is een heldere, kleurloze vloeistof die door het lymfestelsel van het lichaam circuleert. De lymfe wordt vervoerd via de lymfevaten. De lymfevaten versmelten en vormen steeds grotere lymfevaten. Uiteindelijk komen ze uit in de bovenste holle ader net voor het hart. Daar wordt de vloeistof in de

slagader

lymfevat

ader

S Afb. 10 Het lymfatisch systeem

lymfevaten, de lymfe, toegevoegd aan het bloed. De lymfevaten verbinden verschillende lymfoïde organen en weefsels in het lichaam:

• Voorbeelden van lymfoïde organen zijn het beenmerg, de thymus, Op p. 177-178 bespreken we vijf lymfoïde organen.

de lymfeknopen, de milt en de amandelen. Die organen bestaan grotendeels uit lymfoïde weefsels.

• Daarnaast komt lymfoïd weefsel ook op andere plaatsen in het lichaam voor, zoals in de luchtwegen en urinewegen, en onder de

VA N

epitheellaag van de slijmvliezen van de darm.

thymus

keelamandelen

beenmerg

lymfeknoop

milt

appendix S Afb. 11 Belangrijke lymfoïde organen en weefsels bij de mens

176

MODULE 04

hoofdstuk 1

lymfoïd weefsel in de darm

Het beenmerg Het beenmerg maakt vanuit stamcellen alle bloedcellen aan. Er zijn drie soorten bloedcellen. Ze hebben allemaal een eigen functie in het lichaam. • Rode bloedcellen (erytrocyten): deze cellen zorgen voor het vervoer van het zuurstofgas naar de cellen. Zonder zuurstofgas kunnen de cellen en organen niet goed werken en word je moe. • Bloedplaatjes (trombocyten): deze cellen zijn belangrijk om het bloed te laten stollen. Ze zorgen ervoor dat het bloeden stopt als je een wondje hebt. • Witte bloedcellen (leukocyten): dit zijn onze afweercellen. Ze zijn erg belangrijk om infecties tegen te gaan en wondjes te genezen. Er zijn

verschillende soorten witte bloedcellen, waaronder lymfocyten.

RODE BLOEDCELLEN

BLOEDPLAATJES

erytrocyten

VA N

BLOEDCELLEN

trombocyten

WITTE BLOEDCELLEN

monocyten

basofielen

lymfocyten

mestcel

eosinofielen

neutrofielen

cellen specifieke immuniteit

cellen niet-specifieke immuniteit

basofiel eosinofiel neutrofiel macrofaag dendritische cel granulocyten fagocyten

S Afb. 13 Witte bloedcellen zijn bloedcellen die uit het beenmerg ontstaan, met een celkern. Ze zijn onder te verdelen in verschillende soorten.

W Afb. 12 Overzicht van de soorten bloedcellen

‘natural killer’-cel

B-lymfocyt T-lymfocyt lymfocyten

De lymfocyten zijn de belangrijkste cellen van het lymfatisch systeem. Het zijn enerzijds de ‘natural killer’-cellen, die behoren tot de nietspecifieke immuniteit, en anderzijds de B- en T-lymfocyten van de specifieke immuniteit (zie afbeelding 13). Na hun aanmaak zijn de lymfocyten nog niet functioneel. B-lymfocyten en ‘natural killer’cellen rijpen in het beenmerg. MODULE 04

hoofdstuk 1

177

thymus

2 De thymus De rijping van de T-lymfocyten gebeurt in de thymus of zwezerik.

keelamand

De thymus is het actiefst tijdens de foetale ontwikkeling en net na de geboorte. Na de puberteit krimpt het orgaan en neemt de activiteit af. Na aanmaak en rijping verplaatsen de T-lymfocyten zich naar andere

thymus

lymfoïde organen, onder andere de lymfeknopen, de amandelen en de milt, om te reageren op tekenen van infectie. 3 De lymfeknopen De lymfeknopen zijn kleine, niervormige orgaantjes die op veel plaatsen

beenme

van het lymfatisch systeem voorkomen en via lymfevaten met elkaar verbonden zijn. Gezwollen lymfeknopen kunnen een teken zijn dat je een

keelamandelen

keelamand

bepaalde ziekte doormaakt.

lymfeknoop

4 De amandelen

beenme

De amandelen zijn een groep van verschillende lymfoïde organen

die voorkomen in de neus-, keel- en mondholte. Vroeger verwijderde men de keelamandelen vaak bij zwelling. Vanwege hun belang voor de

VA N

immuniteit raadt men dat tegenwoordig af.

lymfeknoop beenmerg keelamandelen

milt

5 De milt

De milt heeft een dubbele functie. Enerzijds maakt ze deel uit

van het lymfatisch systeem en bevat ze weefsel waarin veel lymfocyten voorkomen. Anderzijds is de milt een onderdeel van het

milt

bloedvatenstelsel. Ze verwijdert onder andere oude en beschadigde rode bloedcellen en bloedplaatjes uit het bloed.

appendix

milt beenmerg

appendix

lymfoïd weefsel in de darm milt

178

MODULE 04

lymfoïd weefsel in de darm hoofdstuk 1

De milt is ook een opslagplaats voor die bloedcellen. Indien nodig kan de milt extra rode bloedcellen (erythrocyten) en bloedplaatjes (trombocyten) in de bloedbaan brengen.

lymfoïd we in de da

WEETJE De appendix werd vroeger als een overbodig aanhangsel van de blindedarm gezien. Onderzoek toont echter aan dat de appendix lymfoïd weefsel bevat. Dat is weefsel dat voornamelijk is opgebouwd uit lymfocyten en andere immuuncellen. Daarnaast gaat men ervan uit dat de appendix een toevluchtsoord is voor nuttige darmbacteriën. Bij een infectie kunnen die zich terugtrekken in de appendix en daarna de darm

herkoloniseren.

Appendicitis is een ontsteking van

de appendix. Wanneer de ontsteking lang aanhoudt, bestaat er een kans

dat de appendix scheurt, waardoor de inhoud van de appendix terechtkomt

VA N

in de buikholte. Dat leidt tot een

levensgevaarlijke ontsteking van het buikvlies. Om dat te voorkomen, zal men de ontstoken appendix

S Afb. 14 Voorstelling van het ingewandenstelsel van de mens met de appendix (blauwe cirkel)

chirurgisch verwijderen.

De eerste verdediging van het immuunsysteem probeert te voorkomen dat er ziekteverwekkers binnendringen. De buitenkant van het lichaam is bedekt met opperhuid, die aan de binnenkant overgaat in slijmvliezen. De dode bovenste cellagen van de opperhuid en de slijmvliezen vormen een fysische barrière. De zuurmantel van de huid en stoffen in het slijm werken als een chemische barrière. Het microbioom van de huid, darm en vagina remt als biologische barrière ten slotte de groei van andere microorganismen.

Als die barrières onvoldoende zijn, treden de cellen en moleculen van de niet-specifieke immuniteit op als tweede verdediging. Als de infectie daarmee nog niet bestreden is, schakelt het lichaam in de derde lijn de specifieke immuniteit van het lymfatisch systeem in.

MODULE 04

hoofdstuk 1

179

Reacties van cellen van de niet-specifieke immuniteit

Macrofagen

Macrofagen komen in de weefsels voor. Ze zijn als fagocyten belangrijk voor het opruimen van pathogenen,

lysosomen

dode cellen en resten van cellen. • Met receptoren op hun celmembraan herkennen ze moleculen die vaak voorkomen op het oppervlak van pathogenen.

celkern

• Daarnaast herkennen ze ook pathogenen die door het immuunsysteem zijn gemerkt voor opruiming. De macrofaag stulpt daarbij zijn celmembraan in

Het herkennen van een pathogeen leidt tot fagocytose. en vangt de pathogeen in een blaasje. Dat blaasje

mitochondriën

versmelt vervolgens met een lysosoom voor vertering.

Ten slotte plaatsen de macrofagen de antigenen van de pathogeen op het celmembraan. Met de aangeboden antigenen op hun celmembraan informeren ze de

S Afb. 15 Ingekleurd TEM-beeld van een macrofaag

5 µm

VA N

lymfocyten van de specifieke immuniteit. Dat noem je antigeenpresentatie.

• Macrofagen zijn ook belangrijk om de immuunreactie

te regelen. Zolang het nodig is, stellen ze cytokines vrij die een ontsteking opwekken of in gang houden.

mestcel

cellen niet-specifieke immuniteit

basofiel eosinofiel neutrofiel macrofaag granulocyten

Neutrofielen

Neutrofielen patrouilleren in het bloed, wachtend

op een signaal van ontsteking. In ontstoken weefsels

stellen ze cytokines vrij die de ontsteking versterken.

Ze zorgen zo voor een hevige reactie die niet enkel de ziekteverwekkers, maar ook gezonde cellen treft. Het

celkern

is dus erg belangrijk dat het lichaam de neutrofielen enkel activeert als het nodig is. • Enerzijds zijn neutrofielen fagocyten. In tegenstelling tot de macrofagen zullen ze echter enkel cellen fagocyteren die door het immuunsysteem gemerkt zijn voor opruiming.

• Anderzijds zijn het ook granulocyten. Dat zijn cellen die kleine pakketjes (granules) bevatten. Na activatie stellen ze de inhoud ervan vrij. De vrijgekomen moleculen beschadigen de omringende cellen.

180

MODULE 04

hoofdstuk 1

granules 5 µm S Afb. 16 Ingekleurd TEM-beeld van een neutrofiel

fagocyten

Dendritische cellen

Dendritische cellen komen voor in de huid en de slijmvliezen. Ze zijn gespecialiseerd in antigeenpresentatie. Dendritische cellen kunnen, net als macrofagen, antigenen presenteren op

5 µm

VA N

S Afb. 17 Ingekleurd SEM-beeld van een dendritische cel

hun celmembraan.

cellen specifieke immuniteit

‘natural killer’-cel

B-lymfocyt T-lymfocyt

lymfocyten

‘Natural killer’-cellen

‘Natural killer’-cellen bestrijden geïnfecteerde cellen en kankercellen. Zoals je eerder kon lezen, tonen gezonde cellen hun inhoud door stukjes moleculen via eiwitten aan hun buitenkant te presenteren. ‘Natural killer’-cellen reageren

dendritische cel

niet op die gepresenteerde deeltjes, maar wel op het aantal eiwitten. Bij geïnfecteerde cellen of kankercellen kan die productie namelijk uitgeschakeld of verminderd zijn. Dat is een poging om aan het immuunsysteem te ontsnappen. ‘Natural killer’-cellen merken echter het lage aantal eiwitten op. Ze stellen 5 µm

S Afb. 18 Ingekleurd SEM-beeld van een ‘natural killer’-cel

cytokines vrij die zorgen voor beschadiging van het celmembraan en die de celdood starten.

MODULE 04

hoofdstuk 1

181

2.4 De derde verdedigingslijn: specifieke immuniteit Als de verdediging door de niet-specifieke immuniteit faalt, schakelt het lichaam de specifieke immuniteit in. In de lymfeknopen wachten B- en T-lymfocyten op een signaal van infectie. Omdat de B- en T-lymfocyten de cellen van de specifieke immuniteit zijn, herkennen

variabel deel

ze één specifiek antigeen. Ze kunnen enkel reageren met dat specifieke antigeen

constant deel

doordat ze een receptoreiwit op hun celmembraan hebben dat daarmee bindt.

zwavelbrug

T-lymfocyt

VA N

B-lymfocyt

W Afb. 19 Antigeenreceptor op het celmembraan van een B- en een T-lymfocyt. Het constante deel is voor elke receptor hetzelfde. Het variabele deel is verschillend voor elke receptor en kan daardoor veel verschillende antigenen binden.

T- LYMFOCYTEN

Het lichaam maakt drie types T-lymfocyten aan, elk met hun eigen functie. 1

T-helperlymfocyten

Deze lymfocyten hebben een belangrijke regelfunctie in de

immuunrespons.

De gevormde T-helperlymfocyten zijn op twee plaatsen actief: • Een deel blijft achter in de lymfeknopen. Daar zijn ze belangrijk om de cytotoxische T-lymfocyten en de B-lymfocyten te activeren.

• Een ander deel verplaatst zich naar de infectie. Na de infectie blijven een aantal T-helperlymfocyten achter in het weefsel als T-geheugenlymfocyten om een latere infectie te bestrijden.

Ook in de lymfeknopen blijven T-geheugenlymfocyten achter. 2 Cytotoxische T-lymfocyten Cytotoxische T-lymfocyten hebben receptoren gericht tegen de antigenen. Cytotoxische T-lymfocyten zijn nuttig om kankercellen en geïnfecteerde cellen op te ruimen. Aangezien een cytotoxische T-lymfocyt gericht is tegen lichaamseigen cellen, is het erg belangrijk dat hij niet ten onrechte geactiveerd wordt. Na de infectie ontstaan uit de cytotoxische T-lymfocyten ook T-geheugenlymfocyten. 3 Regulatoire T-lymfocyten Ook dit derde type lymfocyten heeft een belangrijke regelfunctie. In tegenstelling tot de T-helperlymfocyten zijn ze enkel betrokken bij het remmen van de immuunreactie. Regulatoire T-lymfocyten onderdrukken immuuncellen die lichaamseigen moleculen herkennen. Daarnaast eindigen ze de immuunreactie en gaan ze een overdreven reactie tegen. 182

MODULE 04

hoofdstuk 1

Antigeenpresentatie op het celmembraan van macrofagen of dendritische cellen zorgt ervoor dat een specifieke T-helperlymfocyt wordt geactiveerd.

activatie cytotoxische T-lymfocyten cytokines

eiwit

T-celreceptor

ziekteverwekker antigeen

Na activatie ondergaan de cytotoxische T-lymfocyten selectie. De gevormde cytotoxische T-lymfocyten migreren naar de infectie. Ze stellen er cytokines vrij.

T-helperlymfocyten

eiwit

cytokines die het celmembraan kapotmaken

geïnfecteerde cel

VA N

celdood

Een deel van de T-helperlymfocyten verplaatsen zich naar de infectie en produceren er cytokines die de reactie van de macrofagen versterken en de celdood van de macrofagen tegenhouden.

antigeenpresentatie

antigeen

De cytokines zorgen ervoor dat het celmembraan van de geïnfecteerde cel beschadigd wordt en dat de celdood start.

dode celdeeltjes

cytotoxische T-lymfocyten

cytokines die aanzetten tot celdood

S Afb. 20 Van antigeenpresentatie tot reactie: de functie van T-helperlymfocyten en cytotoxische T-lymfocyten

B-LYMFOCYTEN

In de lymfoïde organen, zoals de lymfeknopen en de milt, controleren B-lymfocyten de lymfe op

antigeen

B-celreceptor

T-helperlymfocyt

eiwit

tekenen van infectie. Als de lymfe moleculen van een pathogeen aanvoert, kunnen B-lymfocyten

met de juiste receptor erop binden. Dat start de

B-lymfocyt

immuunreactie tegen dat antigeen. Voor de meeste antigenen is activatie door een T-helperlymfocyt nodig om de reactie voort te zetten. Om dat mogelijk te maken, neemt de B-lymfocyt de pathogene molecule op via endocytose. De cel breekt de molecule in verschillende kleinere

De B-lymfocyten met de beste receptorbinding voor het antigeen groeien uit tot plasmacellen. antilichamen

cytokines T-celreceptor Tijdens de immuunreactie ontstaan er ook B-geheugenlymfocyten.

antigenen en presenteert ze via eiwitten op het celmembraan. Als een T-helperlymfocyt een van de gepresenteerde antigenen herkent, ondergaat de B-lymfocyt selectie. Er ontstaan zo: • plasmacellen die antilichamen produceren en ze vrijstellen in bloed en lymfe; • B-geheugenlymfocyten.

Plasmacel produceert antilichamen.

B-geheugenlymfocyt

S Afb. 21 Van antigeenpresentatie tot de productie van antilichamen: de functie van B-lymfocyten en T-helperlymfocyten

MODULE 04

hoofdstuk 1

183

De antilichamen zullen op de plaats van infectie binden met de overeenkomstige antigenen. Dat helpt de immuunreactie op verschillende manieren: • De antilichamen binden aan het oppervlak van bacteriën en virussen, Ontdek hoe een zwangerschapstest en een COVID-19-test werken op .

wat ze onschadelijk maakt. Dat noem je neutralisatie. Een virus heeft bijvoorbeeld altijd eiwitten aan de buitenkant die nodig zijn om de cel binnen te dringen. Als die eiwitten bedekt zijn met een antilichaam, is infectie van een cel onmogelijk. • De binding van antilichamen vergemakkelijkt fagocytose. • Een antilichaam heeft minstens twee bindingsplaatsen voor het antigeen. Daardoor kunnen antilichamen pathogenen aan elkaar klitten. Daarna ruimen de fagocyten de samengeklitte pathogenen op. • Antilichaambinding activeert een verzameling eiwitten die gaatjes kunnen

S Afb. 22 Een COVID-19-zelftest maakt gebruik van antilichamen om virusdeeltjes in het neusslijm op te sporen.

WEETJE

boren in vreemde cellen, waardoor de cellen sterven.

Op basis van hun bouw en functie kun je vijf types antilichamen onderscheiden. Twee ervan, IgM en IgG, zijn het belangrijkst om

VA N

ziekteverwekkers in het bloed en de weefsels te bestrijden.

• IgM is een antilichaamtype dat meestal een pentameer vormt. Daarbij zijn vijf antilichaammoleculen aan elkaar gebonden. IgM komt voornamelijk voor in het bloed en is meestal het eerste antilichaam dat erin aanwezig is bij een infectie. Door de pentameervorm kan IgM pathogenen makkelijk laten samenklitten.

• IgG is een monomeer en het dominante antilichaamtype in bloed en weefsel. Het bindt meestal specifieker aan een antigeen dan IgM. Het is het enige antilichaamtype dat zich via de placenta naar het bloed van het kind kan verplaatsen. IgD

lgA

lgG

lgE

S Afb. 23 De verschillende types antilichamen

184

MODULE 04

hoofdstuk 1

lgM zwavelbrug

Antigeenpresentatie activeert de lymfocyten, de cellen van de specifieke immuniteit. • De reactie start meestal met een T-helperlymfocyt met de juiste receptor. De T-helperlymfocyt activeert vervolgens zowel de cytotoxische T-lymfocyt als de B-lymfocyt. • De cytotoxische T-lymfocyt herkent de antigenen op geïnfecteerde cellen en kankercellen, en schakelt ze uit door beschadiging van het celmembraan en de celdood. • B-lymfocyten die een antigeen herkennen, groeien na activatie van

de T-helperlymfocyt uit tot plasmacellen en starten met de aanmaak van antilichamen. Antilichamen zijn eiwitten die met lichaamsvreemde moleculen kunnen binden.

• Op de plaats van infectie binden de antilichamen op de antigenen.

Dat zorgt voor neutralisatie van de pathogenen, klit de pathogenen aan elkaar, vergemakkelijkt fagocytose en activeert een verzameling

VA N

eiwitten die gaatjes kunnen boren in vreemde cellen.

MODULE 04

hoofdstuk 1

185

AAN DE SLAG

Bespreek twee manieren waarop slijm in de longen ons beschermt tegen ziekte.

Zijn de volgende stellingen juist of fout? Verbeter indien nodig. a

Specifieke immuniteit richt zich tegen één bepaalde ziekteverwekker, lichaamsvreemde stof of kankercel, juist

en zorgt voor de vorming van geheugencellen. fout

b Cytotoxische T-lymfocyten herkennen alleen lichaamscellen die geïnfecteerd zijn. juist

fout

VA N

Tijdens een experiment verwijdert men de thymus bij jonge muizen. Welk gevolg is het meest waarschijnlijk? De jonge muizen ... krijgen last van allergieën;

krijgen geen ontstekingsreacties; zullen nooit kanker ontwikkelen;

zullen minder afstotingsverschijnselen hebben na orgaantransplantatie.

RSV (respiratoir syncytiaalvirus) veroorzaakt vaak ernstige luchtwegaandoeningen bij zuigelingen. Er werd vastgesteld dat baby’s die flesvoeding krijgen, makkelijker last ondervinden van het virus dan baby’s die borstvoeding krijgen. Verklaar.

Wat is een mogelijke manier om immuniteit op te bouwen tegen een bepaalde ziekte? Bepaalde lymfocyten kunnen snel het juiste antilichaam produceren. Antigenen zijn zo veranderd dat binnendringers niet langer je weefselcellen kunnen binnendringen. Antilichamen tegen de ziekteverwekker circuleren constant in het bloed. Fagocyten worden gestimuleerd om snel binnendringers op te eten.

186

MODULE 04

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

Koortsblaasjes (Herpes labialis) zijn een symptoom van een infectie met het herpes-simplexvirus type 1. Het virus dringt ons lichaam binnen via de slijmvliezen en kan zich levenslang verschuilen in zenuwcellen. Het virus kan – door factoren die nog niet helemaal gekend zijn – gereactiveerd worden, met koortsblaasjes als gevolg. Er volgt dan een snelle reactie van het immuunsysteem. Leg uit hoe het komt dat er een snelle reactie van het immuunsysteem plaatsvindt, en welke celtypes daarbij een rol spelen.

Welke termen horen bij welke verdedigingslijn?

EERSTE VERDEDIGINGSLIJN slijmvliezen

DERDE VERDEDIGINGSLIJN

VA N

TWEEDE VERDEDIGINGSLIJN

b lymfeknopen c

leukocyten

d specifieke immuniteit e

huid

macrofaag

niet-specifieke immuniteit

h B-lymfocyt

T-lymfocyt

witte bloedcellen

Benoem een aantal organen van het lymfoïd stelsel.

Meer oefenen? Ga naar

. MODULE 04

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

187

HOOFDSTUKSYNTHESE NIET-SPECIFIEKE IMMUNITEIT

SPECIFIEKE IMMUNITEIT

= aangeboren immuniteit

= verworven immuniteit

• Treedt als eerste op bij een infectie.

• Geactiveerd als de niet-specifieke immuniteit

• Richt zich tegen alle indringers.

onvoldoende is.

• Er wordt geen geheugen gevormd.

• Richt zich tegen één type cel of stof. • Ontwikkelt een geheugen.

Eerstelijnsverdediging

Tweedelijnsverdediging

Derdelijnsverdediging

• De opperhuid en

T- en B-lymfocyten

(lichaamsvreemde

• T-helperlymfocyten:

een fysische en

moleculen op het

chemische barrière.

oppervlak van een

• Het microbioom

Antigenen

slijmvliezen vormen

pathogeen) veroorzaken

− Hebben een regelfunctie.

− Activeren cytotoxische T-lymfocyten en B-lymfocyten.

van de huid, darm

een reactie van cellen.

en vagina remt

De cellen stellen

als biologische

cytokines vrij die

barrière de groei van

de immuunreactie

schadelijke micro-

versterken.

− Beschadigen het celmembraan van

Cellen die hier van

− Vormen T-geheugenlymfocyten.

• Cytotoxische T-lymfocyten:

− Ruimen kankercellen en geïnfecteerde cellen

VA N

op.

organismen.

de geïnfecteerde cel en starten de celdood.

belang zijn:

− Groeien uit tot plasmacellen die antilichamen

• neutrofielen;

aanmaken. De antilichamen binden met de

• dendritische cellen;

antigenen om de immuunreactie te helpen.

• ‘natural killer’-cellen.

Moleculen die hier van belang zijn:

• een verzameling

eiwitten die gaatjes kunnen boren in vreemde cellen;

• cytokines.

188

MODULE 04

• B-lymfocyten:

• macrofagen;

SYNTHESE hoofdstuk 1

− Vormen B-geheugenlymfocyten.

VIDEO

kennisclip

bacterie

fagocytose door macrofaag Een ontsteking zorgt voor de afvoer van moleculen van de bacterie naar de lymfe.

fagocytose door macrofaag

presentatie van antigenen bacterie

+ presentatie van antigenen geïnfecteerde cel

VA N

herkenning van antigenen door receptor

differentiatie tot cytotoxische T-lymfocyten

vorming van geheugenlymfocyten

herkenning van antigenen bacterie

vermeerdering van B-lymfocyten

differentiatie tot plasmacel

plasmacel

productie van antilichamen

antilichaam opruimen van geïnfecteerde cellen

geheugenlymfocyten

met virus geïnfecteerde cel macrofaag

in lymfeknoop

Antilichamen zorgen voor de neutralisatie, het samenklitten en de activatie van een verzameling eiwitten die gaatjes kunnen boren in vreemde cellen.

T-helperlymfocyt cytotoxische T-lymfocyt B-lymfocyt

MODULE 04

SYNTHESE hoofdstuk 1

189

HOOFDSTUK 2

Î Immunisatie Immunisatie is een proces dat de immuunreactie

LEERDOELEN M Het belang en de werking van vaccinaties uitleggen

tegen een antigeen versterkt. Er zijn twee vormen van immunisatie: actieve en passieve immunisatie.

M Uilteggen welke vormen van actieve en passieve immunisatie er bestaan (uitbreiding)

Actieve immunisatie

Actieve immunisatie gebeurt door blootstelling aan antigenen. Dat

stimuleert de specifieke immuniteit en er blijven geheugencellen achter

voor die antigenen. Bij een tweede contact met hetzelfde antigeen zorgen de

VA N

geheugencellen voor een heel snelle reactie en een hogere concentratie aan antilichamen. De reactie is zo efficiënt dat de infectie meestal onopgemerkt blijft.

het vaccinatieschema voor kinderen in Vlaanderen

concentratie antilichamen

antilichamen tegen A

secundaire immuunrespons tegen antigeen A

primaire immuunrespons tegen antigeen A

VIDEO

eerste besmetting met antigeen A

tweede besmetting met antigeen A

56 aantal dagen

S Afb. 24 Concentratie aan antilichamen in het bloed na een eerste reactie (primaire immuunrespons) of tweede reactie (secundaire immuunrespons) tegen een antigeen

Actieve immunisatie kan op natuurlijke wijze gebeuren, bijvoorbeeld bij het doormaken en herstellen van een infectie, of op kunstmatige wijze, door een vaccin toe te dienen.

W Afb. 25 Sommige vaccins beschermen tegen meerdere ziekteverwekkers. In België krijgen baby’s een combinatievaccin dat hen beschermt tegen polio, difterie, tetanus, kinkhoest, hepatitis B en hersenvliesontsteking (door Haemophilus influenzae). Op twaalf maanden vindt de eerste inenting met een vaccin tegen mazelen, bof en rubella plaats.

190

MODULE 04

hoofdstuk 2

• Een infectieziekte zorgt voor natuurlijke actieve immunisatie. Het lichaam doorloopt de immuunreactie zoals hierboven beschreven. De gevormde geheugencellen beschermen het lichaam tegen een nieuwe infectie met hetzelfde antigeen. Bij bepaalde ziekteverwekkers, zoals het griepvirus, veranderen de moleculen op het oppervlak geregeld. Daardoor ontstaan nieuwe antigenen en kun je meermaals dezelfde ziekte doormaken. • Vaccinatie is het injecteren van antigenen om kunstmatige actieve immunisatie te bekomen. Doordat men bijvoorbeeld verzwakte ziekteverwekkers, dode ziekteverwekkers of delen van ziekteverwekkers (antigenen) binnenbrengt, start het lichaam een immuunreactie. Daarbij ontstaan geheugencellen die zorgen voor een snelle immuunreactie bij een tweede contact. Dat is enkel nuttig als de persoon nog niet in contact

gekomen is met antigenen waartegen het vaccin je beschermt.

Passieve immunisatie

Passieve immunisatie is het natuurlijk of kunstmatig binnenbrengen van

VA N

lichaamsvreemde antilichamen.

Bij natuurlijke passieve immunisatie beschermen de antilichamen van een moeder haar kind tegen infectie. Tijdens de zwangerschap gaan antilichamen (type IgG) van de moeder door de placenta en komen zo in het bloed van de foetus terecht. Daardoor is het kind beschermd tegen pathogenen die ook via de placenta het bloed van de foetus binnendringen. Ook via borstvoeding geeft de moeder antilichamen (type IgA) door. Die bezetten het slijm in het maagdarmkanaal en beschermen de baby tegen infectie. Zo heeft de baby de tijd om eigen specifieke immuniteit op te bouwen en antilichamen aan te maken.

S Afb. 26 Menselijke foetus in de baarmoeder. Antilichamen van het type IgG kunnen de placentabarrière overbruggen om de foetus te beschermen.

Bij kunstmatige passieve immunisatie injecteert men bloedserum of -plasma van een menselijke of dierlijke donor. Die donor is vooraf natuurlijk of kunstmatig actief geïmmuniseerd. Het bloed bevat dus antilichamen. Enerzijds voorkomt die techniek dat personen met een verlaagde immuniteit

ziek worden. Een voorbeeld zijn personen die door een immuunziekte zelf te weinig antilichamen aanmaken. De behandeling biedt enkele weken tot enkele maanden bescherming. Anderzijds zet men de techniek ook in bij een acute ontsteking of vergiftiging. Dan versnelt ze de niet-specifieke immuunreactie, wat de kansen op herstel vergroot.

Bij actieve immunisatie komen antigenen het lichaam binnen. Dat start een immuunreactie en er ontstaat een geheugen. De antigenen kunnen via een

S Afb. 27 Een weddellzeehond (Leptonychotes weddellii) voedt haar jong. De moedermelk bevat IgA, dat de nakomeling helpt te beschermen tegen infecties.

natuurlijke weg binnenkomen, bijvoorbeeld bij een infectieziekte, of kunstmatig, zoals bij vaccinatie. Passieve immunisatie brengt antilichamen binnen in het lichaam. Er ontstaat geen geheugen. Ook dat kan op een natuurlijke manier gebeuren, via de zwangerschap en bij borstvoeding, of kunstmatig, door bloedserum of -plasma in te spuiten. MODULE 04

hoofdstuk 2

191

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE IMMUNISATIE = een proces dat een immuunreactie tegen een antigeen versterkt PASSIEVE IMMUNISATIE

ACTIEVE IMMUNISATIE

= natuurlijk of kunstmatig binnenbrengen van

= blootstelling aan antigenen, waardoor

lichaamsvreemde antilichamen, zonder dat er

geheugencellen worden gevormd

een geheugen ontstaat

• natuurlijke actieve immunisatie: een infectieziekte

• natuurlijke passieve immunisatie: doorgeven van

• passieve actieve immunisatie: vaccinatie (injectie

antigenen van de moeder via de placenta of de moedermelk

van antigenen)

• kunstmatige passieve immunisatie: injectie van

VA N

bloedserum of -plasma van een donor

192

MODULE 04

SYNTHESE hoofdstuk 2

MODULE 05 ELEKTROMAGNETISME Elektriciteit is niet weg te denken uit onze maatschappij. Je ziet in het landschap hoogspanningsleidingen die de elektrische energie van de elektriciteitscentrales naar de verbruikers brengen. Ook magneten zijn uit ons dagelijks leven niet weg te denken. Misschien hangen er wel op je koelkast? Maar ken je ook dit toestel? Het

VA N

combineert gewoon de kracht van elektriciteit met de kracht van magneten!

? ` Wat is elektriciteit? ` Welke soorten magneten bestaan er? ` Wat is het verband tussen elektriciteit en magnetisme? We zoeken het uit!

MODULE 05

193

VERKEN

•

voorbeelden geven van elektriciteit in het dagelijkse leven;

•

de bouw van een atoom, geleiders en isolatoren omschrijven.

JE KUNT AL ...

•

voorbeelden geven van magneten in het

•

de werking van een kompas beschrijven;

•

de beweging van elektronen in een geleider

dagelijkse leven;

VA N

en in een atoom beschrijven.

JE LEERT NU ...

H1 •

statische elektriciteit en het begrip

•

‘elektrische lading’ omschrijven;

•

beschrijven hoe voorwerpen op atomaire

magneten en elektromagneten omschrijven; •

schaal elektrisch geladen worden;

• •

kracht ontstaat (Lorentzkracht); •

magnetische veldlijnenpatronen tekenen en

•

omschrijven hoe je spanning induceert met

•

enkele technologische toepassingen van

technische toepassingen van statische elektriciteit toelichten.

aantonen dat op een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld een magnetische

de vier kenmerken van de elektrische kracht bepalen en weergeven;

gelijkenissen en verschillen tussen permanente

interpreteren; magneten; (elektro)magneten geven en verklaren.

194

MODULE 05

VERKEN

HOOFDSTUK 1

Elektrostatica De oude Grieken stelden vast dat versteend boomhars

LEERDOELEN

(amber of barnsteen) kleine stukjes bladeren aantrok

M Statische elektriciteit en het begrip

wanneer ze het opwreven met wol. Ze noemden dat

‘elektrische lading’ omschrijven

‘elektriciteit’ (het Griekse woord elektron betekent

M Beschrijven hoe voorwerpen op atomaire schaal elektrisch geladen worden

wetenschappers een correcte verklaring konden vinden voor dat verschijnsel.

M De vier kenmerken van de elektrische kracht bepalen en weergeven

In dit hoofdstuk bestudeer je hoe statische elektriciteit

M Technische toepassingen van statische

ontstaat en hoe groot de kracht tussen geladen

elektriciteit toelichten

VA N

voorwerpen is. Je maakt kennis met enkele toepassingen.

Statische elektriciteit

1.1

De term ‘statisch’ betekent dat iets onbeweeglijk, blijvend, onveranderlijk … is.

‘amber’). Het duurde tot de achttiende eeuw voordat

Aantrekking en afstoting

In het dagelijks leven ondervind je regelmatig verschijnselen van statische elektriciteit.

S Afb. 1

S Afb. 2

S Afb. 3

Een kous en een wollen

Als je je haren borstelt

Soms voel je

trui die net uit

met een plastic borstel,

een schokje wanneer je

de droogkast komen,

kunnen ze rechtop

een auto aanraakt.

trekken elkaar aan.

staan doordat ze elkaar afstoten.

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

195

OPDRACHT 01

DEMO

Bestudeer de kracht tussen opgewreven voorwerpen. 1

Je brengt een ballon in de buurt van verschillende voorwerpen. a

Voorspel de krachtwerking tussen de ballon en het voorwerp. Vink je voorspelling aan in de tabel.

b Test uit. Vink je waarneming aan in de tabel. VOORWERP DAT IN DE BUURT GEBRACHT WORDT

waarneming

haar

ballon

geen krachtwerking

aantrekking

afstoting

geen krachtwerking

aantrekking

afstoting

voorspelling

papiersnippers

afstoting 2

Je wrijft een ballon op door over je haar te wrijven en je brengt hem in de buurt van verschillende voorwerpen.

Voorspel de krachtwerking tussen de ballon en het voorwerp. Vink je voorspelling aan in de tabel.

VA N

b Test uit. Vink je waarneming aan in de tabel.

VOORWERP DAT IN DE BUURT GEBRACHT WORDT

voorspelling

waarneming

papiersnippers

haar

ballon

geen krachtwerking

aantrekking

afstoting

geen krachtwerking

aantrekking

afstoting

Wat gebeurt er als je twee opgewreven ballonnen in de buurt van elkaar brengt? Test uit.

Voorspelling:

b Waarneming:

Uit experimenten blijkt dat sommige voorwerpen door wrijving met andere materialen aantrekking, afstoting en zelfs schokjes veroorzaken. Je zegt dat die voorwerpen een elektrische lading krijgen. Er zijn twee soorten ladingen, die je ‘positief’ en ‘negatief’ noemt. Je kunt aan een voorwerp niet zien of het geladen is. Door de invloed van het voorwerp op zijn omgeving kun je dat wel afleiden.

196

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

VOORBEELD KRACHTWERKING GELADEN VOORWERPEN 1

Aantrekking van papiersnippers Als je een wollen doek over en weer wrijft op een ballon, wordt die ballon elektrisch geladen. Je ziet het effect van de lading doordat de ballon papiersnippers aantrekt.

ballon

papiersnippers

S Afb. 4 Een opgewreven ballon trekt papiersnippers aan.

Aantrekking en afstoting tussen geladen voorwerpen

VA N

Als je met een ballon over je haar wrijft, is er aantrekking tussen het haar en de ballon.

Als je twee ballonnen door je haar wrijft, stoten de ballonnen elkaar af. Het verschil in effect ontstaat door de twee soorten ladingen.

ballon

haar

S Afb. 5 De opgewreven ballon en het haar hebben ongelijksoortige ladingen: de ballon is negatief en het haar positief geladen. Ze trekken elkaar aan.

S Afb. 6 De opgewreven ballonnen hebben gelijksoortige (negatieve) ladingen. Ze stoten elkaar af.

Statische elektriciteit ontstaat als een voorwerp (elektrisch) geladen wordt. Er bestaan twee soorten (elektrische) ladingen, die je ‘positief’ en ‘negatief’ noemt: •

Gelijksoortige ladingen stoten elkaar af.

•

Ongelijksoortige ladingen trekken elkaar aan.

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

197

WEETJE Wanneer de elektrische lading op een voorwerp groot genoeg is, kan het voorwerp spontaan ontladen. Tijdens die elektrostatische ontlading is er kortstondig een elektrische stroom tussen het geladen voorwerp

Wanneer je je trui uittrekt, hoor je

Bij een onweersbui ontstaat

soms geknetter. In het donker zie

er een lading in de wolken.

je vonkjes.

De ontlading zie je als bliksem.

VA N

Bekijk in de applet hoe de ontlading gebeurt.

en de omgeving.

1.2

Elektrische lading

proton

Alle materie is opgebouwd uit atomen. Een atoom bestaat

uit een kern, die omgeven is

door een elektronenwolk. Die

elektronenwolk bestaat uit een of

neutron

meerdere schillen. De kern van het atoom bevat protonen en neutronen. •

elektron

De protonen (p+) van de kern

hebben een positieve lading.

•

S Afb. 7 Bouw van een atoom

De neutronen (n0) van de kern

hebben geen lading. •

De elektronen (e–) hebben een negatieve lading.

•

De elektronen op de buitenste schil noem je de valentie-elektronen.

Lading is een grootheid met als symbool q. De eenheid is coulomb, met het symbool C. Een lading van 1 C is vrij groot. In de praktijk zijn ladingen veel kleiner. Daarom gebruik je meestal voorvoegsels, zoals in millicoulomb (1 mC = 10–3 C), microcoulomb (1 µC = 10–6 C) en nanocoulomb (1 nC = 10–9 C). GROOTHEID MET SYMBOOL

lading

198

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

SI-EENHEID MET SYMBOOL

coulomb

De lading van een proton is in absolute waarde gelijk aan de lading van een elektron. Het is de kleinste lading die afzonderlijk voorkomt. Dat noem je de eenheidslading e. • •

lading van een proton: qp+ = e = 1,60 ∙ 10–19 C

lading van een elektron: qe– = –e = –1,60 ∙ 10–19 C

Een atoom heeft evenveel elektronen als protonen en is neutraal. Een voorwerp lading geven of kortweg laden betekent dat er elektronen worden toegevoegd of afgevoerd naar een ander voorwerp. De totale lading bij de ladingsuitwisseling verandert niet. Je kunt geen elektronen scheppen of vernietigen. Je kunt ze enkel overdragen. Dat noem je de wet van behoud

van lading.

NEGATIEF GELADEN VOORWERP

POSITIEF GELADEN VOORWERP

Er zijn minder elektronen dan

protonen op het voorwerp. Er is

een overschot aan elektronen.

een tekort aan elektronen.

VA N

Er zijn meer elektronen dan

VOORBEELD NEGATIEVE EN POSITIEVE LADING

Je kunt de nettolading opmeten met een coulombmeter.

nC = nanocoulomb

Een pvc-buis heeft een negatieve lading q = –30 nC. Er zijn 1,9 ∙ 10

(

Een glazen staaf heeft een positieve lading

30 ∙ 10–9 C

)

1,60 ∙ 10–19 C elektronen te veel (= meer dan

q = 16 nC.

(

Er zijn 1,0 ∙ 1011 =

16 ∙ 10–9 C

)

protonen) ten opzichte van

1,60 ∙ 10–19 C elektronen te kort (= minder

de neutrale toestand.

dan protonen) ten opzichte van de neutrale toestand.

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

199

1.3 Geleiders en isolatoren Materialen worden ingedeeld op basis van hun elektrische eigenschappen. In een geleider kan de lading zich verplaatsen.

•

In een isolator blijft de lading op de plaats waar ze werd aangebracht.

S Afb. 9

S Afb. 10

In een elektrische kring

Om elektrocutie te

Een haardroger in

gebruikt men koper in

vermijden, gebruikt

de badkamer kan

de snoeren. Koper is

men kunststoffen

gevaarlijk zijn. Door

een geleider.

in elektrische

onzuiverheden is

toestellen. Kunststof is

kraantjeswater

een isolator.

een geleider.

VA N

S Afb. 8

•

Macroscopisch beschrijft men geleiding met de grootheden weerstand en geleidbaarheid:

lucht

glas

•

Geleiders hebben een lage weerstand en een hoge geleidbaarheid.

•

Isolatoren hebben een hoge weerstand en een lage geleidbaarheid. marmer

staal

grafiet

grote geleidbaarheid

grote weerstand

kleine weerstand

kleine geleidbaarheid

rubber

isolatoren

200

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

pvc

kraantjeswater

koper

geleiders S Afb. 11 Enkele gerangschikte voorbeelden voor draden met identieke afmetingen die zouden bestaan uit de verschillende getoonde stoffen

Op atomair niveau wordt de geleidbaarheid bepaald door de aanwezigheid van vrije geladen deeltjes. In geleiders zijn er vrije elektronen en/of ionen: •

Bij metaalbindingen zijn de valentie-elektronen los. Daardoor ontstaan er positieve roosterionen en elektronen die vrij bewegen tussen de positieve roosterionen.

•

Bij sommige stoffen in een oplossing en bij vloeistoffen kunnen de ionen

vrij bewegen.

positief metaalion

vrije elektronen

S Afb. 12 In een metaal kunnen de valentie-elektronen vrij bewegen.

VA N

In isolatoren zijn er geen vrije geladen deeltjes.

Voorwerpen zijn opgebouwd uit atomen.

Atomen bezitten elementaire ladingen: protonen in de kern en elektronen op de schillen.

ATOMAIR DEELTJE

PLAATS

SYMBOOL

ELEKTRISCHE LADING

proton

kern

e = 1,60 · 10–19 C

neutron

kern

elektron

wolk

–e = –1,60 · 10–19 C

–

De lading q van een voorwerp wordt bepaald door het overschot (negatief

geladen voorwerp) of het tekort aan elektronen (positief geladen voorwerp) ten opzichte van de neutrale toestand.

q = (#p+ – #e–) · e met e = 1,60 · 10–19 C Materialen worden ingedeeld op basis van hun elektrische eigenschappen. •

Bij geleiders zijn er vrije geladen deeltjes (valentie-elektronen bij

•

Bij isolatoren zijn er geen vrije geladen deeltjes.

metalen of ionen in andere geleiders).

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

201

Voorwerpen laden kop

scharnierpunt

2.1

Geleiders

Een elektroscoop is een eenvoudig toestel waarmee je ladingen kunt meten en andere elektrische verschijnselen kunt aantonen. Het bestaat uit

beentjes

een horizontale metalen kop (schijfje of bol), met daaronder een of twee beweeglijke metalen staafjes, die kunnen draaien rond een scharnierpunt (vergelijkbaar met de wijzer van een klok). De metalen staafjes noem je de beentjes van de elektroscoop.

OPDRACHT 02

S Afb. 13 Onderdelen van een elektroscoop

DEMO

Bestudeer de lading van een elektroscoop na contact. 1

Je wrijft een glasstaaf op. Je maakt contact tussen de glasstaaf en de elektroscoop. a

Wat gebeurt er?

VA N

b Welke figuur geeft de correcte situatie weer?

e–

Verklaar je waarneming.

Je wrijft een pvc-staaf op. Je maakt contact tussen de pvc-staaf en de elektroscoop.

Wat gebeurt er?

b Welke figuur geeft de correcte situatie weer?

Verklaar je waarneming.

202

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

e–

Je kunt het laden door contact bekijken via de animatie.

Wanneer je een geladen voorwerp in contact brengt met een geleider, verplaatsen de elektronen zich van of naar de geleider: •

Bij een negatief geladen voorwerp bewegen de elektronen zich naar de neutrale geleider.

•

Bij een positief geladen voorwerp bewegen elektronen zich van de neutrale geleider naar het voorwerp.

De geleider krijgt hetzelfde ladingsteken als het geladen voorwerp. In de geleider verspreiden de extra elektronen zich maximaal door hun onderlinge afstoting. VEILIGHEIDSMAATREGELEN

Als veiligheidsmaatregel zijn elektrische toestellen geaard. Via een geleider is er een verbinding met de aarde. Als door een defect het toestel geladen wordt,

zullen elektronen zich onmiddellijk naar de aarde verplaatsen.

VA N

Een bliksemafleider is een metalen pin die geaard is. Als de ladingen van de bliksem in contact komen, verspreiden ze zich over de pin en stromen ze via

de aarding verder naar de aarde. De pin wordt op het hoogste punt geplaatst zodat de ladingen via die (makkelijke) weg verder bewegen.

De ladingen komen bij aarding op de aarde terecht. De nettolading die de aarde hierdoor krijgt, is echter te verwaarlozen omwille van de grootte van de aarde en de continue aan- en afvoer van elektronen.

Door contact te maken met een geladen voorwerp, kunnen valentieelektronen weg van of naar een neutrale geleider bewegen. De elektronen verspreiden zich over de volledige geleider, die dezelfde

lading krijgt als het geladen voorwerp.

τριβω (tribo) is het Griekse woord voor ‘wrijving’.

2.2 Isolatoren Wanneer je een staaf opwrijft met een doek, worden er valentie-elektronen losgemaakt en vervolgens overgedragen. Daardoor krijgen de staaf en de doek een lading. Naar welke kant de verplaatsing gebeurt, hangt af van de elektronegativiteit (EN) van de materialen. Het materiaal met de grootste EN-waarde trekt de elektronen naar zich toe. Het laden van voorwerpen door wrijving noem je het tribo-elektrisch effect.

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

203

Bij een isolator kunnen de ladingen zich niet verplaatsen, waardoor de aangebrachte lading op de opgewreven plaats blijft zitten. Als dat stuk van de staaf in de buurt komt van neutrale voorwerpen, kun je de aantrekking waarnemen. Op die manier weet je dat de staaf geladen is. VOORBEELD PVC OPWRIJVEN MET WOL Als je een pvc-buis opwrijft met een wollen doek, wordt de buis negatief geladen. Er worden elektronen overgedragen van de wollen doek naar de pvc-buis. De buis wordt op die manier negatief geladen en de doek wordt even sterk positief geladen. Wol en pvc zijn isolatoren: de ladingen blijven op de opgewreven plaats zitten. wol

pvc

e–

VA N

S Afb. 14 Een pvc-staaf wordt (lokaal) negatief als je erover wrijft met een wollen doek.

Je kunt deze toepassingen ook bekijken in de video.

VOORBEELD TECHNOLOGISCHE TOEPASSINGEN

In technologische toepassingen wordt vaak gebruik gemaakt van het tribo-elektrisch effect. Door materialen op te wrijven, worden ze geladen en

ontstaat er een krachtwerking met voorwerpen in de omgeving.

Bij poedercoating wordt het

Vermalen kunststoffen worden

oppervlak positief geladen. Het

elektrostatisch geladen op een

poeder wordt negatief geladen. De

triltafel. Als je vervolgens een

poedercoating wordt aangetrokken

negatieve lading in de buurt

tot het oppervlak en hecht goed.

brengt, worden de deeltjes aangetrokken of afgestoten naargelang het type kunststof. De kunststoffen worden elektrostatisch gescheiden.

Wanneer twee verschillende materialen met elkaar wrijven, kunnen er valentie-elektronen loskomen, die zich verplaatsen naar het materiaal met de grootste elektronegativiteit. •

Het voorwerp dat elektronen opneemt, wordt negatief geladen.

•

Het voorwerp dat elektronen afstaat, wordt positief geladen.

Dat is het tribo-elektrisch effect.

204

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

Elektrische influentie: ladingen verschuiven in voorwerpen zonder contact

3.1 Inleiding OPDRACHT 03

DEMO

Bestudeer de kracht tussen opgewreven voorwerpen en neutrale voorwerpen. 1

Je brengt een opgewreven pvc-staaf in de buurt van verschillende neutrale voorwerpen. a

Voorspel de krachtwerking tussen de staaf en het voorwerp. Vink je voorspelling aan in de tabel.

b Test uit. Vink je waarneming aan in de tabel. VOORWERP DAT IN DE BUURT GEBRACHT WORDT

blikje voorspelling

geen krachtwerking aantrekking afstoting

waarneming

geen krachtwerking

papiersnippers

geen krachtwerking

aantrekking

afstoting

geen krachtwerking

aantrekking

afstoting

VA N

aantrekking

water

afstoting

Je brengt een opgewreven glasstaaf in de buurt van verschillende neutrale voorwerpen.

Voorspel de krachtwerking tussen de staaf en het voorwerp. Vink je voorspelling aan in de tabel.

b Test uit. Vink je waarneming aan in de tabel.

VOORWERP DAT IN DE BUURT GEBRACHT WORDT

voorspelling

waarneming

water

papiersnippers

geen krachtwerking

aantrekking

afstoting

geen krachtwerking

aantrekking

afstoting

Maak de uitspraken correct.

blikje

Het blikje, de waterstraal en de papiersnippers kunnen wel een/geen lading overnemen van de geladen staaf.

b De ladingsverdeling in het blikje, de waterstraal en de papiersnippers kunnen wel/niet beïnvloed worden door de geladen staaf.

In geleiders (zoals het blikje) kunnen elektronen wel/niet vrij bewegen.

d In isolatoren (zoals water en papier) kunnen elektronen wel/niet vrij bewegen.

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

205

De begrippen ‘influentie’ en ‘inductie’ zijn afgeleid van Latijnse werkwoorden: • influere: beïnvloeden; • inducere: opwekken.

Door de lading in de buurt verschuiven de elektronen in het neutrale voorwerp. Dat noem je elektrische influentie of elektrostatische inductie. De manier waarop de ladingen verschuiven, verschilt voor geleiders en isolatoren.

3.2 Geleiders Als je een neutraal metalen voorwerp nadert met een geladen staaf, verschuiven de valentie-elektronen in het metaal. Het neutrale metaal krijgt daardoor een positieve en een negatieve kant. Dat noem je een ladingsverdeling. Er ontstaat een aantrekkende elektrische kracht tussen

de staaf en de geleider (die zelf geen lading krijgt). VOORBEELD AANTREKKING VAN EEN BLIKJE DOOR EEN NEGATIEVE STAAF Je brengt een opgewreven pvc-staaf in de buurt van een blikje (= neutrale geleider). De vrije valentie-elektronen in het blikje worden afgestoten,

waardoor ze verschuiven naar de tegenoverliggende rand van de geleider, die negatief wordt. De kant het dichtst bij de staaf heeft daardoor

een tekort aan elektronen en wordt positief. Deze positieve kant van het

VA N

blikje wordt aangetrokken tot de negatieve staaf.

S Afb. 15 Verplaatsing van elektronen in een blikje door een negatieve staaf in de buurt

206

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

3.3 Polaire isolatoren Een dipool heeft een positieve en een negatieve kant.

Polaire isolatoren bestaan uit polaire moleculen, die permanent een positieve en een negatieve kant hebben (= dipolen). Als je polaire isolatoren nadert met een geladen staaf, ontstaat er een aantrekkende elektrische kracht tussen de ladingen op de staaf en die op de isolator als gevolg van een heroriëntatie van de polaire moleculen. VOORBEELD AANTREKKING VAN WATER DOOR EEN NEGATIEVE STAAF Water bestaat uit polaire H2O-moleculen. De zuurstofmolecule vormt de

negatieve kant, de waterstofmoleculen vormen de positieve kant van de dipool.

δ+

δ–

δ+

H2O

VA N

S Afb. 16 De polaire watermolecule

Een opgewreven pvc-staaf is negatief. Als ze in de buurt komt van een dunne waterstraal, worden de positieve waterstofatomen aangetrokken tot de staaf. De positieve kant van de dipolen oriënteren zich naar de staaf, waardoor de waterstraal als geheel aangetrokken wordt tot de staaf.

S Afb. 17 Een dunne waterstraal buigt af naar een geladen staaf. De watermoleculen (dipolen) oriënteren zich met de tegengestelde lading naar de geladen staaf en worden aangetrokken.

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

207

3.4 Polariseerbare isolatoren ‘Polariseren’ betekent: een tegenstelling doen ontstaan, bijvoorbeeld twee tegengestelde (= ongelijksoortige) ladingen.

Polariseerbare isolatoren bestaan uit apolaire moleculen, die dipolen kunnen worden. Als er geen externe lading in de buurt is, zijn de ladingen binnen elke molecule gelijkmatig verdeeld. Als een externe lading de isolator nadert, verschuiven binnen elke molecule de elektronen door elektrische influentie. Elke molecule krijgt zo een positieve en een negatieve kant en is dus tijdelijk een dipool geworden. Er ontstaat een aantrekkende elektrische kracht tussen de staaf en de isolator. De isolator blijft gepolariseerd totdat je de uitwendige oorzaak (de lading in de buurt) weghaalt.

VA N

VOORBEELD AANTREKKING VAN PAPIER DOOR EEN POSITIEVE STAAF

S Afb. 18 A Een neutrale papiersnipper met apolaire moleculen B Polarisatie en tijdelijke dipoolmoleculen C Schematische voorstelling van een papiersnipper met gepolariseerde moleculen D Schematische voorstelling van een gepolariseerde papiersnipper

In een papiersnipper zijn de ladingen binnen elke molecule gelijkmatig verdeeld. Als je papiersnippers nadert met een positief geladen glazen staaf, verplaatsen de elektronen binnen een molecule zich door elektrische influentie naar de positieve staaf. Aangezien alle dipolen die zo ontstaan in de moleculen van de papiersnipper, op dezelfde manier georiënteerd zijn, lijkt er in de papiersnipper een negatieve kant dicht bij de staaf en een positieve kant aan de andere zijde te ontstaan. Op afbeeldingen stelt men een gepolariseerde papiersnipper vaak voor als een dipool. Aangezien de achterkant van elke molecule verder verwijderd is van de geladen staaf, is de afstotingskracht kleiner dan de aantrekkingskracht.

Daardoor wordt de papiersnipper aangetrokken tot de staaf.

Bij elektrische influentie of elektrostatische inductie verschuiven de ladingen in een neutraal voorwerp door een externe lading in de buurt, zonder dat er contact gemaakt wordt: •

Geleiders: de valentie-elektronen verschuiven.

•

Polaire isolatoren: dipolen herorienteren zich.

•

Polariseerbare isolatoren: dipolen worden gevormd.

Gevolgen: neutrale voorwerpen kunnen worden aangetrokken door externe ladingen en geleiders kunnen worden geladen zonder contact te maken met het geladen voorwerp door aarding.

208

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

Coulombkracht

OPDRACHT 04

DEMO

Bestudeer de invloedsfactoren van de elektrische kracht. 1

Een geladen plastic staaf hangt op aan een touwtje.

Bespreek met je buur de mogelijke invloedsfactoren wanneer je met een tweede geladen staaf een kracht uitoefent op die plastic staaf. Noteer.

Voer de nodige experimenten uit.

Welk ladingsteken heeft de staaf die in de buurt gebracht wordt? Noteer op de staaf en vul de tekst aan.

VA N

Als je een geladen staaf

in de buurt van een andere negatief geladen

in de buurt van een negatief geladen staaf

staaf brengt, is er .

brengt, is er .

Maak de uitspraken correct.

• De grootte van de elektrische kracht neemt toe/af met toenemende ladingsgrootte.

• De grootte van de elektrische kracht neemt toe/af met toenemende afstand.

Als je een geladen staaf

Als geladen voorwerpen in elkaars buurt komen, oefenen ze een kracht uit op elkaar. Die kracht noem je de elektrische kracht of de coulombkracht. Je kunt het effect van die kracht zien doordat er aantrekking of afstoting is. De grootte van de kracht wordt beïnvloed door de grootte van de ladingen en de afstand tussen de ladingen. Tussen twee ladingen q1 en q2 die zich op een afstand r van elkaar bevinden,

werkt een elektrische kracht, oftewel de coulombkracht, met als symbool FC: •

• •

Een lading q1 oefent op een lading q2 een coulombkracht F12 uit.

Een lading q2 oefent op een lading q1 een coulombkracht F21 uit.

F12 en F21 zijn voor elke combinatie van ladingen q1 en q2 even groot en tegengesteld zijn:

F12 = –F21.

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

209

TIP Om de benaming van de vector eenvoudig te houden, laten we het onderschrift C weg als het duidelijk is dat het om de coulombkracht gaat. Men heeft de kenmerken van de coulombkracht FC experimenteel bepaald.

Het aangrijpingspunt is de lading. De richting is de verbindingslijn tussen beide ladingen. De zin is afhankelijk van het ladingsteken. De grootte is afhankelijk van de ladingsgrootte en de onderlinge afstand.

F21

F12

F21

F12

F21

|q1| = 2 · q

F12

|q1| = |q2| = q

•

F21

|q2| = q

F12

F21

F12

|q2| = –1 · q 3

F21

F12

F21

F12

2·r

F21

2·r – 3

F12

FC ~ |q1| FC ~ |q2|

ongelijksoortige ladingen:

aantrekking

•

INVLOED VAN DE ONDERLINGE AFSTAND

F12

VA N

F21

INVLOED VAN DE LADINGSGROOTTE

INVLOED VAN HET LADINGSTEKEN

Boots de verschillende situaties na in de applet.

gelijksoortige

ladingen: afstoting

Fc wordt groter als: • q1 (in absolute

FC ~

Fc wordt groter als r kleiner wordt.

waarde) groter wordt;

•

q2 (in absolute

waarde) groter wordt.

De zin van de coulombkracht FC is aantrekkend voor ongelijksoortige

ladingen en afstotend voor gelijksoortige ladingen.

De grootte van de coulombkracht FC voor twee ladingen q1 en q2 op

210

MODULE 05

HOOFDSTUK 1

een afstand r is gelijk aan:

FC = k ∙

|q1| ∙ |q2|

Daarbij is k = 9,0 ∙ 109

N ∙ m2

voor lucht of in een vacuüm. Dat is een C2 evenredigheidsconstante die men ook wel de constante van Coulomb noemt.

VOORBEELDVRAAGSTUK Een proton en een elektron bevinden zich in een vacuüm op een afstand van 0,10 nm van elkaar. Teken en bereken de coulombkracht op beide ladingen. –

F 12 +

F 21 r

Gegeven:

• • • •

S Afb. 19 Coulombkracht tussen een elektron en een proton

q1 = 1,6 ∙ 10–19 C q2 = –1,6 ∙ 10–19 C r = 0,10 nm FC’ = 0,50 nN

Gevraagd: F12 = ?; F21 = ?

VA N

Oplossing: F12 = –F21 .

Beide krachten hebben een richting volgens de verbindingslijn en een tegengestelde zin.

De krachten zijn aantrekkend, omdat een proton en een elektron een ongelijksoortig ladingsteken hebben.

De grootte kun je berekenen met de wet van Coulomb: |q | ∙ |q | N ∙ m2 1,6 ∙ 10–19 C ∙ 1,6 ∙ 10–19 C FC = k ∙ 1 2 2 = 9,0 ∙ 109 ∙ 2 r C2 (1,0 ∙ 10–10 m) –10 = 2,3 ∙ 10 N TIP

Noteer de tussenstap met de getalwaarden niet als je zeker bent van je (omgezette) formule en de nodige getalwaarden in de SI-eenheid.

Reflectie:

•

Kloppen de richting en de zin? Ja, volgens de verbindingslijn en aantrekkend.

•

Kloppen de eenheid en de grootteorde? Ja, de kracht is heel klein en wordt uitgedrukt in newton.

Een lading q1 oefent op een lading q2 een coulombkracht FC uit met deze kenmerken: •

aangrijpingspunt: de lading;

•

richting: de verbindingslijn tussen de ladingen;

•

zin: aantrekkend (ongelijksoortige ladingen) of afstotend (gelijksoortige ladingen);

•

grootte: FC = k ∙

|q1| ∙ |q2|

, waarbij r de afstand tussen de middelpunten

van beide ladingen is en k = 9,0 ∙ 109

N ∙ m2 C2

(in lucht of in een vacuüm). MODULE 05

HOOFDSTUK 1

211

AAN DE SLAG

Je wrijft glas op met papier. a

Welke lading krijgen het glas en het papier? Verklaar met een tekening (zoals afbeelding 14 op p. 204).

VA N

b Waarom is papier meer geschikt dan wol?

Je brengt een geladen ballon en een geladen rietje in elkaars buurt. Welke stelling is correct?

Verklaar.

Er is aantrekking, want de voorwerpen bestaan uit verschillende materialen. Er is afstoting, want de voorwerpen bestaan uit verschillende materialen. De aantrekking of afstoting wordt ook bepaald door de stof waarmee je de voorwerpen hebt opgewreven.

De aantrekking of afstoting wordt bepaald door de materialen waaruit de voorwerpen gemaakt zijn.

Verklaring:

212

MODULE 05

HOOFDSTUK 1 - AAN DE SLAG

Een metalen bol is positief geladen. Je brengt een tweede identieke, neutrale bol in de buurt zoals weergegeven op de afbeelding. A

Een neutrale bol ligt in de buurt.

EenEen neutrale neutrale bol bol wordt Een neutrale Een neutrale Een bolneutrale bol wordt bol wordt Een neutrale Een neutrale bol wordtbol wordt Een neutrale bol wordt ligt metineen de buurt. lucifer verbonden. ligtmet in de een met buurt. lucifer een spijker verbonden. verbonden. met een met lucifer eenverbonden. spijker verbonden. met een spijker verbonden.

In welke situatie(s) wordt de rechter bol geladen?

b Teken de lading voor de geladen bol.

Vul de uitspraken aan met ‘altijd’, ‘soms’ of ‘nooit’.

Bij wrijvingsexperimenten worden er ladingen gemaakt.

VA N

b Voorwerpen krijgen hun lading tijdens wrijvingsexperimenten door ladingen die zich verplaatsen.

Bij wrijvingsexperimenten wordt een voorwerp positief geladen.

d Bij wrijvingsexperimenten worden protonen uitgewisseld.

Een isolator is polariseerbaar.

Een isolator die polariseerbaar is, wordt aangetrokken door een geladen staaf.

Wat gebeurt er als een opgewreven glazen staaf in de buurt komt van een blikje? Verklaar door de ladingsverdeling te tekenen.

Wat zou er gebeuren als je een geladen staaf in de buurt van een straaltje olie brengt? De straal wordt aangetrokken. De straal wordt afgestoten. Er gebeurt niets. Je kunt geen voorspelling doen, want je kent de lading van de staaf niet. Je kunt geen voorspelling doen, want je weet niet of olie een polaire vloeistof is.

MODULE 05

HOOFDSTUK 1 - AAN DE SLAG

213

Verklaar de onderstaande fenomenen. a

Je kunt stofdoekjes gebruiken om vuil, stof en haar in je huis op te vangen en vast te houden.

b Als je vloeistoffen overpompt, is er explosiegevaar.

Verklaar hoe elektrostatica een rol speelt bij de onderstaande technologische toepassingen. Ga op zoek naar een geschikte video op het internet. a

een printer

b een fotokopieertoestel systemen voor luchtzuivering

VA N

Zijn de volgende uitspraken juist of fout? Verklaar. a

Een geladen bol kan negatief geladen zijn.

juist

fout

juist

fout

juist

fout

juist

fout

b De coulombkracht kan negatief zijn.

De coulombkracht is een veldkracht.

d De coulombkracht werkt niet tussen ladingen die contact maken met elkaar.

214

MODULE 05

HOOFDSTUK 1 - AAN DE SLAG

Je hangt een metalen bolletje op met een isolerend touwtje. Het bolletje wordt aangetrokken door een positief geladen staaf. Wat kun je besluiten over de lading op de bol?

De bol is negatief geladen. De bol is niet geladen. De bol is negatief of niet geladen. De bol is positief of niet geladen.

De bol is positief geladen.

Twee ladingen worden in elkaars buurt gebracht. Bestudeer de onderstaande afbeeldingen. Verbeter de fout. A

F21

F12

VA N

F12

|q1| = 2 · q

F21

F12

F21

F12

|q2| = q

F21

F12

2·r

Welke eenheid heeft de constante van Coulomb?

C N · m2 2

C N · C2 2

MODULE 05

HOOFDSTUK 1 - AAN DE SLAG

215

Twee ladingen bevinden zich in elkaars buurt. Bestudeer de ladingsgrootte en de onderlinge afstand in de tabel.

4,0 · 10–6 C

2,0 · 10–6 C

0,020 m

6,0 · 10 C

–5,0 · 10 C

4,0 cm

–8,0 nC

3,0 µC

17 mm

–9

Voor welke situatie(s) is de kracht aantrekkend? situatie A situatie B situatie C

•

b Bereken in de verschillende situaties de grootte van de coulombkracht. op q1

VA N

•

op q2

Twee metalen bollen met ladingen van 0,080 μC en –0,060 μC bevinden zich op 12 cm van elkaar. a

Teken en bereken de kracht op elke bol.

b Hoe verandert de kracht als de bollen tot op 3 cm van elkaar verschoven worden?

216

Meer oefenen? Ga naar

MODULE 05

HOOFDSTUK 1 - AAN DE SLAG

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE KERNBEGRIPPEN statische elektriciteit

elektrische lading

NOTITIES Voorwerpen kunnen positieve of negatieve lading bezitten die zich niet verplaatst: •

Gelijksoortige ladingen stoten elkaar af.

•

Ongelijksoortige ladingen trekken elkaar aan.

Voorwerpen zijn opgebouwd uit atomen (protonen, neutronen en elektronen). Voorwerpen laden betekent elektronen overdragen. negatief geladen voorwerp: overschot aan elektronen

•

positief geladen voorwerp: tekort aan elektronen

•

Laden door wrijving van twee verschillende materialen (= tribo-elektrisch effect):

voorwerpen laden

•

valentie-elektronen komen los en verplaatsen zich. •

Ladingen verschuiven in een neutraal voorwerp door een geladen voorwerp in de buurt: •

geleiders: elektronen verplaatsen zich;

•

polaire isolatoren: dipolen heroriënteren zich;

•

polariseerbare isolatoren: dipolen worden gevormd.

VA N

elektrische influentie

Laden door contact met geladen voorwerp: valentie-elektronen verplaatsen zich.

coulombkracht

INVLOED VAN HET LADINGSTEKEN q1

F21

F12

F21

F12

INVLOED VAN DE LADINGSGROOTTE

F21

|q1| = 2 · q

F21

F12

F21

F12

|q1| = 2 · q

F21

|q1| = |q2| = q

F21

INVLOED VAN DE ONDERLINGE AFSTAND q1

F12

|q2| = q

F12

|q2| = –1 · q 3

F21

F12

r F21

F12

2·r

F21

2·r – 3

De grootte van de coulombkracht FC voor twee ladingen q1 en q2 op een afstand r is gelijk aan:

FC = k ∙

|q1| ∙ |q2|

Daarbij is k = 9,0 ∙ 109

N ∙ m2

voor lucht of in een vacuüm. Dat is een C2 evenredigheidsconstante die men ook wel de constante van Coulomb noemt.

Notities

MODULE 05

SYNTHESE HOOFDSTUK 1

217

HOOFDSTUK 2

Elektromagnetisme In de klassieke oudheid ontdekte men kristallen die

LEERDOELEN

elkaar aantrekken of afstoten afhankelijk van de richting

M Gelijkenissen en verschillen

waarin je ze in elkaars buurt brengt. Die kristallen

tussen permanente magneten en

noemde men ‘magnetiet’, naar de geografische locatie

elektromagneten omschrijven

met de naam Magnesia (volgens sommige bronnen een

geleider in een magnetisch veld

landstreek in Thessalië, volgens andere dan weer steden in het oude Griekenland en Turkije) waar al meer dan

M Aantonen dat op een stroomvoerende

2 500 jaar lang magnetische brokken ijzererts worden

een magnetische kracht ontstaat

gevonden. Het verschijnsel noemde men ‘magnetisme’

(Lorentzkracht) M Magnetische veldlijnenpatronen tekenen en interpreteren

(λιθος Μαγνης (lithos Magnès), Grieks voor ‘magnetische stenen’). In de 18e eeuw ontdekten wetenschappers dat elektrische stroom magnetisme opwekt en omgekeerd.

M Omschrijven hoe je spanning induceert

In dit hoofdstuk bestudeer je de eigenschappen

VA N

met magneten

Vanaf dan spreekt men over elektromagnetisme.

M Enkele technologische toepassingen van (elektro)magneten geven en verklaren

van magneten en hun velden. Je leert hoe je stoffen magnetisch kunt maken, en hoe magneten gebruikt worden om elektrische spanning op te wekken. Je maakt kennis met technologische toepassingen van magneten.

Soorten magneten

In het dagelijks leven gebruik je regelmatig magneten.

LABO 02

218

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

S Afb. 20

S Afb. 21

S Afb. 22

Met magneten kun je

Een smartphone of

Je kunt deuren

voorwerpen ophangen

smartwatch wordt

vanop een afstand

op de koelkast.

aangetrokken door

openen door

de magneet in

een elektromagneet uit

de oplader.

te zetten.

Uit experimenten blijkt dat sommige voorwerpen ijzer aantrekken. Je zegt dat die voorwerpen magneten zijn. Je kunt aan een voorwerp niet zien of het een magneet is. Door de invloed van het voorwerp op zijn omgeving kun je dat wel afleiden.

S Afb. 23

In deze video zie je een elektromagneet in werking.

S Afb. 24

Elektromagneten werken enkel

de magnetische eigenschap altijd.

als er een elektrische stroom

Het materiaal van de magneet is

loopt. Ze bestaan uit een geleider

behandeld zodat het die eigenschap

die rond een stuk ijzer gewikkeld

vertoont.

is en verbonden is met een

VA N

Permanente magneten hebben

spanningsbron.

In paragraaf 3 leer je hoe je permanente magneten en elektromagneten maakt.

In deze video zie je een elektromagneet als deuropener.

VOORBEELD MAGNEET ALS DEUROPENER

Om een deur vanop een afstand te kunnen openen, bevestigt men op de deur een elektromagneet die de deur dichthoudt als de kring gesloten is. Nadat iemand heeft aangebeld, opent de elektrische kring en wordt de deur ontgrendeld. Vaak laat men tijdens de ontgrendeling een geluid weerklinken.

S Afb. 25 Een elektromagneet die bevestigd is op een deur

Een magneet is een voorwerp dat een invloed (aantrekken/afstoten) uitoefent op sommige voorwerpen in de omgeving. Er zijn twee soorten magneten: •

permanente magneten (kortweg ‘magneten’): het materiaal van de

•

elektromagneten: je kunt de invloed aan- en uitschakelen.

magneet vertoont de invloed continu;

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

219

Magnetische kracht

2.1

Krachtwerking tussen permanente magneten

OPDRACHT 05

DEMO

Bestudeer de kracht tussen twee staafmagneten. Een staafmagneet wordt opgehangen. Je brengt een tweede staafmagneet in de buurt. a

Voorspel de krachtwerking tussen beide staafmagneten. Duid je voorspelling aan.

b Test uit. Duid je waarneming aan. INVLOED VAN DE AFSTAND

voorspelling

De kracht werkt op elke afstand.

Er is altijd aantrekking.

De kracht werkt als de magneten in

Er is altijd afstoting.

elkaars buurt zijn.

De oriëntatie bepaalt aantrekking of

De kracht werkt als er contact is.

afstoting.

De kracht werkt op elke afstand.

geen krachtwerking

De kracht werkt als de magneten in

aantrekking

elkaars buurt zijn.

afstoting

VA N

waarneming

INVLOED VAN DE ORIËNTATIE

De kracht werkt als er contact is.

Net zoals bij de elektrische dipool, zijn er twee ongelijksoortige polen. Om een duidelijk onderscheid te maken tussen de magneetpolen, kleurt men ze vaak. De zuidpool is blauw, groen of wit.

Permanente magneten hebben twee polen: een noordpool N en een zuidpool Z. De naamgeving van de polen is gebaseerd op het gedrag van permanente magneten in de buurt van de aarde. Een draaibaar opgestelde staafmagneet (= kompas) oriënteert zich altijd op dezelfde manier volgens de geografische noordzuidrichting. Bij permanente magneten geldt de volgende afspraak: •

De noordpool N wijst naar het geografische noorden.

•

De zuidpool Z wijst naar het geografische zuiden.

S Afb. 26 De noordpool van permanente magneten wordt meestal aangegeven in het rood. A Een hoefijzermagneet B Een staafmagneet

Permanente magneten oefenen een kracht uit op sommige voorwerpen in hun omgeving zonder contact te maken. De magnetische kracht is een veldkracht. Twee magneten in elkaars buurt oefenen een aantrekkende of afstotende kracht uit op elkaar. Die wordt bepaald door hun onderlinge oriëntatie.

220

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

S Afb. 27

S Afb. 28

Gelijksoortige magneetpolen stoten

Ongelijksoortige magneetpolen

elkaar af.

trekken elkaar aan.

VOORBEELD KOMPAS

middelpunt.

Een kompasnaald is een permanente magneet die vrij kan roteren om haar

In de nabijheid van een pool van een andere magneet

wordt de gelijksoortige pool

VA N

van het kompas afgestoten en de ongelijksoortige aangetrokken.

S Afb. 29 Een kompas draait in de buurt van een permanente magneet.

De kompasnaald draait totdat

de ongelijksoortige polen in elkaars verlengde liggen. De noordpool op het kompas wijst naar de zuidpool van de magneet.

S Afb. 30 Een kompas in de buurt van een permanente magneet

Een kompasnaald oriënteert

Bekijk het aardmagnetisch veld in de applet.

Europa

zich altijd naar hetzelfde punt van de aarde. Het is alsof er een staafmagneet in de aarde

Afrika

zit met een magnetische zuidpool in de buurt van de geografische Noordpool en een magnetische noordpool in de buurt van de geografische

S Afb. 31 De aarde is een permanente magneet.

Zuidpool.

Een permanente magneet heeft een zuidpool en een noordpool. Als je een andere permanente magneet in de buurt brengt, is er aantrekking tussen de ongelijksoortige polen en afstoting tussen de gelijksoortige polen. MODULE 05

HOOFDSTUK 2

221

2.2 Krachtwerking tussen een magneet en een magnetisch voorwerp Ferrum is Latijn voor ‘ijzer’. Ferromagnetische stoffen gedragen zich zoals ijzer in de buurt van een magneet.

Als je een permanente magneet op een kleine afstand van voorwerpen uit ijzer en sommige andere stoffen (zoals nikkel, kobalt en hun legeringen) houdt, worden die voorwerpen aangetrokken. In de buurt van andere materialen is er geen krachtwerking. De stoffen die aangetrokken worden tot een magneet, noem je ferromagnetische stoffen of kortweg ‘magnetische stoffen’.

VA N

In de video zie je de krachtwerking tussen een magneet en voorwerpen.

S Afb. 32 Een permanente magneet trekt ijzervijlsel aan door glas.

Bij aantrekking door een magneet worden voorwerpen uit ferromagnetisch materiaal zelf tijdelijk een magneet. Dat verschijnsel heet magnetische influentie. Magnetische influentie werkt op afstand en door sommige middenstoffen heen. In het voorwerp uit ferromagnetisch materiaal ontstaan ongelijksoortige magneetpolen. Het voorwerp wordt aangetrokken tot de polen. Als je de magneet verwijdert, verliest het voorwerp zijn magnetische eigenschap (bijna) helemaal. De sterkte van de influentie hangt af van de sterkte van de magneet, de afstand tot de magneet en het materiaal. Omdat het materiaal tijdens het proces polen krijgt, noem je dat fenomeen ook magnetische polarisatie.

Influere is Latijn voor ‘beïnvloeden’. De eigenschappen van het ferromagnetisch materiaal worden beïnvloed door de permanente magneet. Dat kun je vergelijken met elektrostatische inductie, waarbij materialen beïnvloed worden door ladingen in de buurt.

S Afb. 33 Een elektromagneet trekt ijzeren paperclips aan door plastic.

S Afb. 34 Paperclips krijgen een N- en een Z-pool als je ze aan een hoefijzermagneet hangt.

222

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

VOORBEELD MAGNETISCHE MUNTSTUKKEN

koper

ijzer

aluminium

zink

tin

nikkel magnetisch

niet-magnetisch

magnetisch

S Afb. 35 De samenstelling van de verschillende muntstukken

Muntstukken bestaan uit verschillende metalen, zodat ze elk hun specifieke kleur hebben.

Bij een muntstuk is het belangrijk dat de geldwaarde van het metaal lager is dan de waarde die het muntstuk aangeeft. Zo bevatten de muntstukken van

VA N

1, 2 en 5 cent voornamelijk ijzer en maar een kleine fractie koper. In de buurt van een magneet worden de muntstukken die een

ferromagnetische stof (ijzer of nikkel) bevatten, aangetrokken. Tijdens die aantrekking worden de munten zelf een magneet met twee polen. Je noemt ze ‘magnetisch’.

Als je een permanente magneet in de buurt brengt van een voorwerp uit ferromagnetisch materiaal, is er (meestal) aantrekking, omdat het voorwerp zelf een magneet wordt.

Het magnetisch worden of magnetiseren van het ferromagnetisch materiaal

noem je magnetische influentie of magnetische polarisatie.

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

223

2.3 Krachtwerking tussen een magneet en een stroomvoerende geleider OPDRACHT 06 DEMO

Bestudeer de kracht tussen een permanente en een staafmagneet. 1

Bestudeer het gedrag van een kompas in de buurt van de stroomvoerende geleider. a

Voorspel de krachtwerking tussen de kompasnaald en de stroomvoerende geleider. Duid je voorspelling aan in de tabel.

b Hoe kun je de eventuele krachtwerking waarnemen?

Test uit. Duid je waarneming aan in de tabel.

INVLOED VAN DE SCHAKELAAR

voorspelling

Er werkt een kracht tussen de kompasnaald en de geleider als de kring gesloten is; als de kring open is; altijd;

De stroomzin heeft geen/wel een invloed

op de oriëntatie van de kompasnaalden in de buurt.

VA N

nooit.

INVLOED VAN DE STROOMZIN

waarneming

Er werkt een kracht tussen de

kompasnaald en de geleider als de kring gesloten is;

De stroomzin heeft geen/wel een invloed op de oriëntatie van de kompasnaalden in de buurt.

als de kring open is; altijd;

nooit.

Bestudeer het gedrag van een stroomvoerende geleider tussen de benen van een hoefijzermagneet.

Voorspel de krachtwerking tussen een stroomvoerende geleider en een hoefijzermagneet.

b Duid je voorspelling aan in de tabel. c

Hoe kun je de eventuele krachtwerking waarnemen?

d Test uit. Duid je waarneming aan in de tabel.

INVLOED VAN DE STROOMZIN

Er werkt een kracht tussen de geleider en

De stroomzin heeft geen/wel een invloed

de hoefijzermagneet

op de beweging van de geleider.

INVLOED VAN DE SCHAKELAAR

voorspelling

als de kring gesloten is; als de kring open is; altijd; nooit.

waarneming

Er werkt een kracht tussen de geleider en de hoefijzermagneet als de kring gesloten is; als de kring open is; altijd; nooit.

224

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

De stroomzin heeft geen/wel een invloed op de beweging van de geleider.

OPDRACHT 06 (VERVOLG) DEMO 3

Maak de uitspraken correct. a

Een kompasnaald is geen magneet/een permanente magneet/een elektromagneet.

b Een stroomvoerende geleider is geen magneet/een permanente magneet/een elektromagneet. c

De geleider moet niet/wel gemaakt zijn uit een ferromagnetische stof opdat er krachtwerking mogelijk zou zijn met een permanente magneet.

d Er is geen/wel krachtwerking mogelijk tussen een elektromagneet en een permanente magneet.

Uit experimenten blijkt dat er een verband bestaat tussen elektriciteit en magnetisme. De tak van de wetenschap die dat verband bestudeert, noem je

elektromagnetisme.

Tussen een permanente magneet en een stroomvoerende geleider is er een krachtwerking.

De bewegende ladingen maken van de geleider een magneet.

Krachtwerking van een stroomvoerende geleider op een permanente magneet

VA N

Als je een permanente magneet (zoals een kompasnaald) in de buurt van een stroomvoerende geleider brengt, ontstaat er een krachtwerking op de permanente magneet. De stroomzin bepaalt de richting en de zin van de kompasnaaldjes (als die gemakkelijk kunnen draaien). VOORBEELD KOMPASNAALDEN IN DE BUURT VAN EEN RECHTE GELEIDER Als er geen stroom door een geleider loopt, richten kompasnaalden in de omgeving van de geleider zich volgens de noord-zuidrichting van de aarde.

S Afb. 36

Als er stroom door de geleider

loopt, richten de kompasnaalden zich loodrecht op de geleider. De zin wordt bepaald door de stroomzin. Als de kompasnaalden in hetzelfde vlak loodrecht op de geleider liggen, vormen ze een cirkel.

S Afb. 37

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

225

Krachtwerking van een permanente magneet op een stroomvoerende geleider

Als je een stroomvoerende geleider in de buurt van een permanente magneet brengt, kan de stroomvoerende geleider een kracht ondervinden doordat de stroomvoerende geleider een magneet wordt. De stroomzin en de oriëntatie van de magnetische polen bepalen de zin van de kracht.

S Afb. 39

VA N

S Afb. 38

VOORBEELD KOPERDRAAD TUSSEN DE POLEN VAN EEN HOEFIJZERMAGNEET

Koper is geen ferromagnetische

Een koperen draad waar

stof. Een koperen draad waar geen

een stroom door vloeit,

stroom door vloeit, ondervindt geen

ondervindt tussen de polen van

invloed van de magneet. Er is geen

een hoefijzermagneet een kracht.

krachtwerking.

De kracht werkt loodrecht op de loodrechte verbindingslijn tussen de polen. De stroomzin bepaalt de zin van de kracht.

video: Oersted

WEETJE

Oersted was een van de eersten die onderzoek deed naar elektromagnetische verschijnselen. Je kunt zijn onderzoek bekijken in de video.

Een magneet en een stroomvoerende geleider oefenen een kracht uit op

226

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

elkaar. De bewegende ladingen maken van de geleider een magneet.

Toepassingen

Als een stroomvoerende geleider (= elektromagneet) zich in een magnetisch veld bevindt dat niet evenwijdig is met de geleider, ondervindt die geleider een magnetische kracht. Dat fenomeen heeft veel toepassingen. VOORBEELD LUIDSPREKER In een luidspreker zit een permanente magneet met een vorm zoals op afbeelding 42. In de kleine luchtspleet tussen de magneetpolen is er een magneetveld. Wanneer er stroom door de spoel loopt, ondervinden de windingen de magnetische kracht. Bij een wisselstroom zal de spoel heen en weer Conus is het Latijnse woord voor ‘kegel’.

bewegen volgens de as van de spoel. De stroomzin bepaalt de zin van de laplacekracht en dus de bewegingszin van de spoel. De spoel zit vast aan de conus, die daardoor gaat meetrillen. Zo wordt de lucht in trilling gebracht en wordt er geluid geproduceerd.

VA N

Je kunt de werking van een luidspreker bekijken in de video.

S Afb. 40 Twee luidsprekers die boven elkaar gemonteerd zijn.

S Afb. 41 Voor- en zijaanzicht van een luidspreker

VOORBEELD GELIJKSTROOMMOTOR

Een gelijkstroommotor zet elektrische energie om in

S Afb. 42 Schematische voorstelling van een luidspreker

F I

kinetische energie door

een kader (dat bestaat uit

Je kunt de werking van de gelijkstroommotor bekijken aan de hand van de applets.

meerdere windingen) te laten

roteren in een magnetisch veld. Gelijkstroommotoren kennen veel toepassingen.

S Afb. 43 Schematische voorstelling van een gelijkstroommotor: een stroomvoerend kader ondervindt een kracht in een magnetisch veld, waardoor er een rotatie ontstaat.

S Afb. 44

S Afb. 45

S Afb. 46

Door een gelijkstroom

De snelheid van

De rijrichting en de

motor beweegt het

een blender wordt

snelheid van een

papier in een printer

geregeld door de

elektrische auto

tijdens het afdrukken.

stroomsterkte die door worden bepaald door

Als de stroomzin wordt

de gelijkstroommotor

de stroom die door

omgekeerd, rolt het

vloeit.

de gelijkstroommotor

papier terug in de printer,

vloeit.

zodat de achterkant kan worden bedrukt. MODULE 05

HOOFDSTUK 2

227

Magnetisch veld

3.1 Magnetisch veld rondom een permanente magneet De magnetische kracht is een veldkracht. Rondom een magneet is er een

LABO 03

gebied waar de invloed van de magneet merkbaar is. Je noemt dat het video: veldlijnenpatroon hoefijzermagneet

magnetisch veld. Zonder magneten of magnetische stoffen in de buurt merk je de invloed van het magnetisch veld niet. Als je kleine ijzerdeeltjes in de buurt brengt, wordt het patroon van het magnetisch veld zichtbaar.

Een staafmagneet heeft twee ongelijksoortige polen. Het veld noem je een magnetisch dipoolveld.

VOORBEELD MAGNETISCH VELD RONDOM EEN STAAFMAGNEET

In de buurt van een staafmagneet

ondervinden sommige voorwerpen

(een andere magneet, ferromagnetisch

VA N

materiaal of bewegende ladingen in een geleider) een magnetische kracht. Zonder die voorwerpen zie je geen uitwerking

S Afb. 47

van het veld.

Met ijzervijlsel kun je de magnetische veldlijnen zichtbaar maken. De korrels lijnen zich op in de buurt van de staafmagneet. Er verschijnt een specifiek patroon van veldlijnen. Kompasnaalden richten zich volgens de veldlijnen.

S Afb. 48

Je kunt het patroon dat verschijnt, verklaren met de magnetische polarisatie van de ijzervijlselkorreltjes. Elk korreltje krijgt onder invloed van de

staafmagneet een zuidpool en een noordpool (= magnetische influentie). •

De noordpool van de korrel wordt aangetrokken tot de zuidpool van de magneet en de zuidpool tot de noordpool.

•

De ongelijksoortige polen van naburige korreltjes trekken elkaar aan.

Op afbeelding 49 zie je het statisch eindresultaat. Uit het veldlijnenpatroon blijkt dat de ijzerkorreltjes een magnetische kracht ondervinden. Dat kan enkel als ze zich in een magnetisch veld bevinden. Er is dus een magnetisch veld aanwezig. Dat magnetisch veld blijft aanwezig als je het ijzervijlsel wegneemt.

228

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

S Afb. 49 IJzerkorreltjes worden magneten in de buurt van een magneet.

Je kunt het magnetisch veld voorstellen met magnetische veldlijnen. Dat lijnenpatroon beschrijft het gedrag van kompasnaalden en ijzervijlsel (of andere ferromagnetische materialen) als je die in het veld plaatst. Ze visualiseren de eigenschappen van de ruimte rondom een magneet. •

Een kleine magneet, zoals een kompasje, neemt in het magneetveld een richting aan die raakt aan de veldlijn.

•

Je kunt de veldlijnen een zin geven. Volgens afspraak is dat in de zin van de noordpool van een kompas: de zin van de magnetische veldlijnen is buiten de magneet altijd weg van de noordpool en naar de zuidpool toe. Magnetische veldlijnen zijn altijd gesloten lijnen, omdat een magneet altijd een dipool is. Dat is een verschil met elektrische veldlijnen: bij een puntlading (= monopool) zijn de veldlijnen niet gesloten.

•

In de magneet lopen de veldlijnen van de zuid- naar de noordpool. Om

•

figuren niet te zwaar te maken, tekent men die meestal niet.

Net zoals bij elektrische velden en gravitatievelden, is de dichtheid van de veldlijnen een maat voor de relatieve sterkte van het veld. Hoe dichter de veldlijnen bij elkaar liggen, hoe sterker het veld is. VOORBEELD VELDLIJNEN BIJ EEN STAAFMAGNEET

In elk punt in de omgeving van een staafmagneet raakt een kompasnaald

VA N

aan de veldlijn die in dat punt wordt gezet. Rondom de staafmagneet is de zin van de veldlijn gelijk aan de zin waarnaar de noordpool van de

kompasnaald wijst. Binnen in de magneet lopen de (gesloten) veldlijnen van de zuidpool naar de noordpool.

S Afb. 50 A Kompasnaalden in de buurt van een staafmagneet B Veldlijnen in de buurt van een staafmagneet C Veldlijnen in de buurt van en in een staafmagneet

In de paarse zone liggen de veldlijnen dichter bij elkaar dan in de gele zone. Het magnetisch veld van de staafmagneet is het sterkst aan de polen en het zwakst ter hoogte van het midden van de staafmagneet.

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

229

Verschillende magneten of configuraties veroorzaken elk een eigen veldlijnenpatroon. In de tabel zie je enkele voorbeeldconfiguraties met hun eigenschappen. PATROON VAN IJZERVIJLSEL

VELDLIJNEN

EIGENSCHAPPEN

Twee gelijksoortige polen stoten elkaar af. Dat is zichtbaar door de veldlijnen, Z

die tussen de twee afstotende polen van

elkaar weg gericht zijn.

Twee ongelijksoortige polen trekken elkaar. Dat is zichtbaar

door de veldlijnen,

VA N

die tussen de twee

aantrekkende polen naar elkaar toe gericht zijn, met een zin van de noordpool naar de zuidpool. De benen van een hoefijzermagneet zijn twee lange, ongelijksoortige polen van een magneet. Tussen de benen ontstaat er een homogeen magnetisch veld loodrecht op de benen, met een zin van de noordpool naar de

zuidpool.

Je kunt het patroon van een magnetisch veld zichtbaar maken door kompasnaalden of ijzervijlsel in de buurt te brengen, die zich volgens het magnetisch veld richten. Je kunt het magnetisch veld voorstellen met veldlijnen. Dat zijn lijnen die de richting en de zin van het magnetisch veld aangeven. Kleine, langwerpige, beweegbare magneetjes raken in elk punt van het veld aan de plaatselijke veldlijn en wijzen met hun noordpool in de zin van de veldlijn. De dichtheid geeft aan waar het veld sterker of zwakker is.

230

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

3.2 Magnetisch veld rondom een elektromagneet A

Magnetisch veld van een spoel

Rondom een stroomvoerende geleider ontstaat er een magnetisch veld. Je noemt zo’n geleider een elektromagneet. In toepassingen wordt vaak een stroomvoerende geleider gebruikt die gewikkeld is rond een ferromagnetisch materiaal. Je noemt dit een spoel. Ook

S Afb. 52

S Afb. 53

In de motortjes van

Spoelen met

Deze industriële

een ventilator worden

verschillende windingen elektromagneet bestaat

spoelen gebruikt om

en middenstoffen

uit veel windingen (van

kracht op te wekken.

worden gebruikt

koperdraad) rond een

als elektronische

weekijzeren kern.

VA N

S Afb. 51

zonder het ferromagnetisch materiaal ontstaat er een magnetisch veld.

component.

Meestal zie je geen uitwerking van het opgewekte veld. Net zoals bij permanente magneten wordt het veldlijnenpatroon zichtbaar als je ijzervijlsel in de buurt brengt.

In een lange spoel lopen de veldlijnen evenwijdig met de lengterichting van de spoel. Het veld in de spoel is in elk punt gelijk. Binnen in de spoel is er een

sterk homogeen magnetisch veld gevormd.

S Afb. 54 Men gebruikt spoelen met veel windingen (enkele honderden) om sterke magnetische velden op te wekken.

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

231

Het veld buiten de spoel is veel zwakker dan dat binnen de spoel en heeft dezelfde vorm als het veld rondom een staafmagneet: het is een dipoolveld. De kant waar de veldlijnen uit de spoel komen, is de noordpool. De kant waar de veldlijnen in de spoel binnenkomen, is de zuidpool.

De rechterhandregel is enkel een hulpmiddel om snel de polen te vinden.

Zonder kompasnaalden vind je de zin van de veldlijnen door met je rechterhand de spoel ‘te grijpen’, zodat je vingers gekromd zijn volgens de stroom. Je gestrekte duim geeft dan de zin van de veldlijnen in de spoel aan. Je duim wijst naar de noordpool. Dat is de tweede rechterhandregel voor de veldlijnen bij een spoel.

Bekijk de rechterhandregel voor de spoel in de video.

VA N

W Afb. 55 Het magnetisch veldlijnenpatroon bij een stroomvoerende spoel

W Afb. 56 De rechterhandregel voor de bepaling van de zin van de veldlijnen bij een spoel

W Afb. 57 Voorstelling van de magnetische veldlijnen bij een spoel

Elektrische stroom (en dus bewegende ladingen) wekt een magneetveld op. Er ontstaat een elektromagneet. Bij een spoel ontstaan een dipoolveld buiten de spoel en een homogeen veld binnen de spoel. De stroomzin bepaalt de zin van de veldlijnen. Je kunt die achterhalen met de rechterhandregel.

232

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

Magnetiseren

Magnetisme ontstaat door de geordende beweging van elektronen. In een niet-magnetisch stuk ijzer is de beweging van de elektronen niet geordend. Het materiaal lijkt dus niet-magnetisch. Als je een niet-magnetisch stuk ijzer in een magnetisch veld brengt (bijvoorbeeld in de buurt van een magneet of in een stroomvoerende spoel), ontstaat er ordening. Het stuk ijzer wordt magnetisch. Dat is de atomaire verklaring voor magnetische influentie. Het proces waarbij een ferromagnetische stof magnetische eigenschappen krijgt, noem je magnetiseren. Magnetiseren heeft verschillende toepassingen. Magnetisch veld aan- en uitschakelen

Het magnetisch veld van een spoel in lucht kan aan- en uitgeschakeld worden door een elektrische kring te sluiten of te openen. Door een geschikte ferromagnetische stof te gebruiken, zal ook binnen dit

materiaal het magnetisme onmiddellijk aan- of uitgeschakeld worden. Ferromagnetische materialen die het magnetisch veld dat opgewekt

wordt door de stroomvoerende geleider onmiddellijk overnemen, noem

VA N

je week ijzer.

Bij een elektromagneet wordt een stuk week ijzer in een stroomvoerende spoel geschoven. Er is geen ordening en dus geen magnetisme.

S Afb. 58

Als je de elektrische kring sluit, ontstaat

ordening (bepaald door de stroomzin).

Het weke ijzer wordt onmiddellijk een magneet met een noorden zuidpool.

S Afb. 59

Als je de kring opent of het ijzer uit de spoel verwijdert, verdwijnt de ordening. Er is geen magnetisme meer.

S Afb. 60

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

233

VOORBEELD RELAIS Elektromagneten worden op verschillende plaatsen in elektrische installaties gebruikt om de veiligheid van de kring te verhogen: bij zekeringen, de aardlekschakelaar en het relais. Bij een magnetisch relais stuurt men met behulp van een ongevaarlijke schakeling (lage stroomsterkte) een grotere (gevaarlijkere) schakeling (grote stroomsterkte) met een verbruiker aan zonder rechtstreeks contact. Als men de kring met de elektromagneet sluit, wordt de ijzeren schakelaar in de kring met de verbruiker na influentie gesloten. Men gebruikt een relais niet alleen voor de veiligheid, maar ook in domotica. Dat zijn systemen waarmee je vanop een afstand

(bijvoorbeeld met je smartphone) toestellen kunt aan- en uitschakelen.

relais

stroomkring die geopend kan worden door de elektromagneet

VA N

GEVAAR

stroomkring met elektromagneet

S Afb. 61 Op een hoogspanningsleiding staat een relais als beveiliging tegen te grote stromen: bij (te) grote stroom door de elektromagneet wordt de schakelaar geopend en de stroom onderbroken.

rolluik

234

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

relais

kan gesloten worden op afstand

S Afb. 62 Een vereenvoudigde voorstelling van een magnetisch relais om apparatuur vanop een afstand aan te schakelen (domotica)

VOORBEELD DEURBEL

animatie: werking deurbel

Als je op een deurbel drukt, sluit de elektrische kring. De elektromagneet in de bel wordt aangezet, waardoor de ijzeren klepel na influentie wordt aangetrokken. Daardoor botst de klepel tegen de gong, maar wordt de kring ook geopend in punt P. De elektromagneet is uitgeschakeld en de klepel veert terug. De kring is opnieuw gesloten en het proces herhaalt zich. schakelaar

elektromagneet

Hier kun je de kring openen.

klepel

gong

VA N

S Afb. 63

Permanente magneten

In sommige ferromagnetische stoffen blijft de ordening ook bestaan nadat de stroomvoerende spoel verwijderd is. Ferromagnetische materialen die het magnetisch veld dat opgewekt wordt door de stroomvoerende geleider blijven behouden, noem je sterk ijzer. Je kan met behulp van een spoel van sterk ijzer dus een permanente magneet maken. Om een permanente magneet te maken, schuif je een stuk sterk ijzer in een stroomvoerende spoel. Er is geen ordening en dus geen magnetisme.

S Afb. 64

Als je de elektrische kring sluit, ontstaat er na enige tijd ordening (bepaald door de stroomzin). Het sterke ijzer wordt een magneet

met een noorden zuidpool.

S Afb. 65

Als je de kring opent of het ijzer uit de spoel verwijdert, blijft de ordening bestaan. Het ijzer is een permanente

magneet geworden. Om de polen duidelijk te maken, kleurt men die soms.

S Afb. 66

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

235

VOORBEELD MAGNETISCHE DATAOPSLAG Op een bankkaart en een harde schijf wordt informatie magnetisch opgeslagen. De afwisseling van noorden zuidpolen zorgt voor een digitaal 0-1-signaal (bits). Een harde schijf bestaat uit een aantal platen, gemaakt van memcor (een combinatie van glas en keramiek), met daarbovenop een dunne, ijzerhoudende laag (sterk ijzer) en een beschermlaag. Je kunt informatie op de schijf schrijven door op een gecontroleerde manier gebiedjes te magnetiseren met een extern magnetisch veld. Met speciale microscopen die het oppervlak aftasten, kun je de vorm en de magnetische eigenschappen visualiseren. Als je de vorm van het oppervlak bestudeert, zie je geen structuur. Als je de magnetische

eigenschappen bestudeert, zie je afwisselend de polen verschijnen. B

VA N

S Afb. 67 Stukje van 10 µm op 10 µm van een harde schijf A Magnetisch beeld van de bits B Topografisch beeld

VOORBEELD PERMALLOY

‘Permalloy’ = permanent + alloy. Alloy is het Engelse woord voor ‘legering’.

Sterk ijzer is altijd een legering. Legeringen die geschikt zijn om permanente magneten mee te maken, noem je permalloy. De eerste permalloy was een legering van 80 % nikkel en 20 % ijzer (uitgevonden in 1914). Materiaalwetenschappers zoeken altijd naar nieuwe

legeringen, om zo steeds sterkere magneten te kunnen maken.

S Afb. 68 Wanneer men rivieren proper maakt, haalt men voorwerpen (met een massa tot 500 kg) boven water met behulp van een sterke neodymiummagneet (een legering Nd2Fe14B van neodymium, ijzer en boor).

VERDIEPING Magnetisme ontstaat door de geordende beweging van elektronen. Op

236

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

vind je terug hoe dat precies werkt.

OPDRACHT 07

DEMO

Bestudeer het (de)magnetiseren van een metalen voorwerp. 1

Maak van een voorwerp een magneet. a

Bouw de opstellingen na en vul de tabel aan. MAGNETEN MAKEN MET EEN SPOEL (= ELEKTROMAGNEET)

MAGNETEN MAKEN MET EEN PERMANENTE MAGNEET

Welke voorwerpen zijn een magneet geworden?

•

Duid de stroomzin aan.

enkele paperclips.

•

Benoem de polen met noord (N) en zuid (Z)

VA N

Benoem de polen met noord (N) en zuid (Z) op

op de spijker en enkele paperclips.

b Breng een paperclip in de buurt van ijzervijlsel.

•

Wat stel je vast?

•

Wat kun je besluiten?

Bestudeer de invloed van externe factoren op de magneet. a

Voorspel de invloed van elke actie op de magnetische eigenschappen van de spijker. Duid je voorspelling aan.

b Hoe kun je de magnetische eigenschappen van de spijker nagaan?

Test uit. Duid je waarneming aan.

VOORSPELLING

WAARNEMING

De spijker wordt gedurende een minuut in een

De spijker is geen/

stroomvoerende spoel gehouden.

wel een magneet.

De spijker wordt gedurende een minuut in een

De spijker is geen/

stroomvoerende spoel gehouden. Nadien wordt de

wel een magneet.

De spijker wordt gedurende een minuut in een

De spijker is geen/

stroomvoerende spoel gehouden. Nadien wordt de

wel een magneet.

spijker gedurende een minuut omgedraaid in de spoel gehouden. wel een magneet.

spijker gedurende een minuut in de vlam van een bunsenbrander gehouden. 3

Maak de uitspraken correct. a

Een ferromagnetische stof wordt een/geen permanente magneet door ze in de buurt van een permanente magneet of elektromagneet te houden.

b De eigenschappen van een permanente magneet kunnen niet/wel vernietigd worden.

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

237

Magnetisme gaat gepaard met een sterke ordening in een materiaal. Demagnetiseren betekent dat die ordening opgeheven wordt. Dat kan op verschillende manieren gebeuren: •

Als je een permanente magneet verhit, kan die minder magnetisch worden of zelfs helemaal gedemagnetiseerd worden. Boven een bepaalde temperatuur, de curietemperatuur, is het niet meer mogelijk om het magnetisch materiaal magnetisch te maken. De stof verliest haar magnetisme. De curietemperatuur is stofafhankelijk: voor ijzer bedraagt ze 767 °C, voor kobalt 1 137 °C en voor nikkel 357 °C.

•

Door hevige mechanische schokken is er geen oriëntering meer mogelijk. Een permanente magneet verliest aan magnetische krachtwerking wanneer ze valt.

•

Als je een tegengesteld magnetisch veld aanlegt, kun je de oriëntering

tenietdoen. Je moet het tegengestelde magnetisch veld op tijd verwijderen om magnetisatie in de tegengestelde zin te voorkomen.

Ferromagnetische stoffen worden gemagnetiseerd door ordening

onder invloed van een extern magnetisch veld. Die magnetisatie kan

tijdelijk (week ijzer) of langdurig (sterk ijzer) zijn. Permanente magneten worden gedemagnetiseerd door hitte, mechanische schokken of een

VA N

tegengesteld magnetisch veld.

Voor technologische toepassingen met magneten wordt op zoek gegaan naar het geschikte ferromagnetische materiaal en geschikte extern magnetisch veld.

Elektromagnetische inductie

4.1 Spanning opwekken met magneten In het dagelijkse leven zijn er tal van voorbeelden (die je misschien niet bewust

LABO 04

herkent) waarbij magneten gebruikt worden om elektriciteit op te wekken.

238

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

S Afb. 69

S Afb. 70

S Afb. 71

Je kunt met een

De magnetische

Magneten worden

dynamo je smartphone

informatie op een harde gebruikt voor

opladen. Door een

schijf wordt uitgelezen.

diefstalpreventie.

magneet te draaien,

De verandering van

Als je onbetaalde

wek je spanning op.

magnetische domeinen

goederen door een

produceert een

scanner beweegt, zorgt

elektrisch signaal

de magneet voor een

(= spanning).

alarmsignaal.

Uit experimenten blijkt dat een verandering van magnetische veldsterkte een spanning opwekt. In een gesloten kring zorgt dat voor een stroom. VOORBEELD SPANNING OPWEKKEN MET EEN STAAFMAGNEET Een gesloten winding is aangesloten op een voltmeter. Als je de winding nadert met een staafmagneet, zie je dat de meter uitwijkt. Er is een spanning opgewekt.

In de video leer je meer over de de eerste experimenten waarmee Faraday ontdekte hoe je spanning opwekt met een magnetisch veld.

magneet beweegt naar de spoel toe (magnetische veldsterkte in spoel neemt toe)

VA N

magneet beweegt naar beneden (magnetische veldsterkte in spoel neemt af)

geen beweging (magnetische veldsterkte in spoel constant)

Uitgebreidere experimenten tonen aan dat niet enkel de verandering van de magnetische veldsterkte, maar ook de oppervlakte van de lus of spoel een invloed heeft op de opgewekte spanning.

Flux komt van het Latijnse fluere, dat ‘vloeien, stromen’ betekent. Flux betekent ‘doorstroom’. Magnetische flux wordt daarom ook soms magnetische stroom genoemd. Het symbool is de Griekse hoofdletter phi.

We definiëren hiervoor een nieuwe grootheid. De magnetische flux Φ is een maat voor het aantal magnetische veldlijnen dat een oppervlak doorkruist. De magnetische flux wordt beïnvloed door de grootte van de magnetische veldsterkte, de grootte van het oppervlak en de onderlinge ligging van de

magnetische veldsterkte en het oppervlak. INVLOED VAN DE GROOTTE VAN DE MAGNETISCHE VELDSTERKTE

INVLOED VAN DE GROOTTE VAN HET OPPERVLAK

INVLOED VAN DE ONDERLINGE LIGGING A α = 0°

A α = 45°

α = 90° A

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

239

Induceren betekent opwekken. Bij elektromagnetische inductie wek je elektrische spanning op met een magneet.

Zodra er een fluxverandering is, ontstaat er een elektrische spanning. Het opwekken van spanning door fluxverandering noem je elektromagnetische inductie. De elektrische spanning noem je de inductiespanning. De stroom die door de spanning opgewekt wordt, is de inductiestroom. Bij een fluxverandering verandert het aantal magnetische veldlijnen door een oppervlak. Je kunt de inductiespanning opwekken door de verschillende factoren van de flux te veranderen. Je kunt: de grootte van de magnetische veldsterkte veranderen;

•

de grootte van het oppervlak veranderen;

•

de hoek tussen de magnetische veldsterkte en het oppervlak veranderen. VOORBEELD FLUXVERANDERING IN EEN LUS

Je kunt alle situaties nabootsen in de applet.

•

FLUXVERANDERING DOOR BEWEGING NAAR DE LUS TOE

•

Als de noordpool zich ver van de lus bevindt, gaan er weinig veldlijnen door het oppervlak. De magnetische flux is klein.

•

Als de noordpool zich naar het oppervlak toe beweegt, gaan

er meer veldlijnen door het

VA N N

oppervlak. De magnetische flux

neemt toe.

FLUXVERANDERING DOOR DE GROOTTE VAN HET OPPERVLAK TE VERANDEREN

•

Als de noordpool zich dichtbij in het verlengde van de lus bevindt, gaan er veel veldlijnen door het oppervlak. De

magnetische flux is groot.

A’

•

Als het oppervlak van de lus

verkleind wordt, gaan er minder

veldlijnen door het oppervlak. De magnetische flux neemt af.

FLUXVERANDERING DOOR DE MAGNEET TE DRAAIEN

•

Als de noordpool zich dichtbij bevindt, gaan er veel veldlijnen door het oppervlak. De

magnetische flux is groot. •

Als de staafmagneet schuin gedraaid wordt, gaan er minder

en in het verlengde van de lus

veldlijnen door het oppervlak. De magnetische flux neemt af.

Het aantal magnetische veldlijnen door een oppervlak beschrijf je met de grootheid magnetische flux. Elektromagnetische inductie is het opwekken van spanning door een fluxverandering. De opgewekte elektrische spanning noem je de inductiespanning. De stroom die door de spanning opgewekt wordt, noem je de inductiestroom. 240

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

4.2 Toepassingen A

Generator

Door een magneet (periodisch) te bewegen ten opzichte van een spoel, wordt een spanningsbron gecreëerd. In technologische toepassingen gebruikt men vaak een draaibeweging om de magneet en de spoel ten opzichte van elkaar te laten bewegen. De combinatie van een spoel en een magneet waarbij mechanische energie van een draaibeweging omgezet wordt in elektrische energie, wordt een generator genoemd. VOORBEELD GENERATOR BIJ ELEKTRICITEITSPRODUCTIE

Om grote spanningen op te wekken, draait een spoel tussen vaste magneten (met tegengestelde polen naar elkaar gericht). Als de spoel draait ten

opzichte van de magneten, verandert de flux door de spoel. De elektriciteit waarvan wij dagelijks gebruik maken, wordt grotendeels door generatoren opgewekt. Uit onze stopcontacten komt dus wisselspanning. Alleen

fotovoltaïsche cellen (zonnepanelen) werken niet volgens dat principe.

Die produceren gelijkspanning. Om zonnepanelen te kunnen aansluiten op het elektriciteitsnet, wordt de gelijkspanning daarom via een omvormer

VA N

omgezet in wisselspanning.

wind

zon

water

geothermisch

biomassa

kernenergie

gas

energiebron

omzetting naar warme

omzetting naar bewegingsenergie

GENERATOR

omzetting naar elektrische energie

S Afb. 72 Verschillende manieren om elektrische energie te produceren

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

241

Je kunt de werking van de dynamo bekijken in de applet.

VOORBEELD DYNAMO Om kleine spanningen op te wekken, monteer je een staafmagneet tussen spoelen. Als de magneet draait ten opzichte van de spoelen, verandert de flux door het oppervlak. Je kunt met spierkracht een magneet laten draaien. Als die magneet tussen spoelen draait, ontstaat er een inductiespanning (tussen de punten 1 en 2 op de afbeelding). Als er een verbruiker (bijvoorbeeld een lamp, een smartphone) aangesloten is, wordt de draaiende magneet als spanningsbron gebruikt. Dat noem je een dynamo. Een ander bekend voorbeeld van een dynamo, is een fietsdynamo.

magneet

spoel

hendel as

N Z 2

S Afb. 73 Bouw van een kring met dynamo als spanningsbron

Sensor

VA N

S Afb. 74 Een smartphone kan je opladen door aan de hendel van de dynamo te draaien.

Een sensor meet een natuurkundige grootheid. Met een sensor neemt een machine de omgeving waar (bijvoorbeeld: temperatuursensor, lichtsensor, bewegingsensor, stroomsensor ...). Het is een kunstmatige uitvoering van een zintuig bij organismen.

Als een magneet voor of in een spoel beweegt, verandert de flux en ontstaat er een spanning. Dat maakt het mogelijk om een beweging om te zetten in een elektrisch signaal. Op die manier heb je een sensor, meer bepaald een bewegingssensor. Uit de spanningsvariatie in de tijd kan informatie over de beweging geregistreerd worden en omgezet in de gewenste toepassing. VOORBEELDEN INDUCTIESPANNING BIJ SENSOREN

S Afb. 75 Bewegingssensor bij een fietscomputertje

S Afb. 76 Pick-upelement (= bewegingssensor) op een elektrische gitaar

Een fietscomputertje is verbonden

Een gitaarelement zet de trilling

met een bewegingssensor. Je

van de snaren om in een elektrisch

bevestigt een magneet op de spaken signaal. en een detectielus op het fietsframe. Het element bestaat uit een Bij iedere doorgang verandert de

magneet die omwonden is met

flux door de detectielus en kan de

fijne koperdraad (enkele duizenden

afstand berekend worden uit de

windingen). Wanneer de snaren

wielomtrek.

trillen, verandert de magnetische flux waardoor een wisselspanning wordt opgewekt. De frequentie is gelijk aan de frequentie van het trillen van de snaren.

242

MODULE 05

HOOFDSTUK 2

AAN DE SLAG

Zijn de volgende uitspraken juist of fout? Verbeter indien nodig. a

Alle metalen worden aangetrokken door een magneet.

juist

fout

juist

fout

juist

fout

b Magneten zijn gemaakt uit ferromagnetisch materiaal.

De noordpool van een kompas wijst naar de magnetische noordpool van de aarde.

d De magnetische kracht is een veldkracht.

Door magnetische influentie worden alle voorwerpen zelf een magneet.

fout

juist

fout

VA N

juist

Bestudeer de afbeelding van een bloempot en een onderzetter. a

Welke uitspraak is correct?

De pot bevat een magneet, de onderzetter niet. De onderzetter bevat een magneet, de pot niet.

Zowel de pot als de onderzetter bevat een magneet.

b Hoe komt het dat de pot kan zweven op een vaste plek?

Maak de uitspraken correct door ze aan te vullen met ‘altijd’, ‘soms’ of ‘nooit’.

Een magneet wordt aangetrokken tot een opgewreven plastic staaf.

b Een magneet wordt afgestoten door een opgewreven plastic staaf.

MODULE 05

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

243

Bestudeer het gedrag van ijzervijlsel en een kompasnaald bij verschillende oriëntaties van twee magneten. 1

VA N

Bij welke kompasoriëntatie hoort het ijzervijlselpatroon uit situatie 1?

b Bepaal voor elke situatie alle mogelijke oriëntaties van de magneetpolen X en Y.

Welke kompasnaalden geven (ongeveer) de juiste richting aan?

N E

244

MODULE 05

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

Bestudeer de afbeeldingen. Teken een klein kompasnaaldje in de aangeduide punten. C C

D S Het bovenaanzicht van een staafmagneet

Bestudeer de magnetische veldlijnenpatronen in de verschillende situaties. 2

VA N

X Y

Rangschik voor elke situatie de sterkte van het magneetveld op de verschillende posities van klein naar groot.

situatie 1:

situatie 2: situaite 3:

b Op welke plaatsen wordt een homogeen veld afgebeeld?

Benoem de magnetische polen (aangeduid met X en Y) in situatie 1 en 2.

S Het bovenaanzicht van een hoefijzermagneet

MODULE 05

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

245

Je schuift drie identieke ringvormige magneten over een staafje. Daarbij kunnen de magneten de drie posities aannemen die weergegeven zijn op de afbeelding. Bepaal de polen van de magneten in de verschillende situaties. De noordpool van de onderste magneet zit onderaan.

Teken enkele veldlijnen in de spoel.

VA N

Duid hun zin aan.

Naast een spoel hang je twee staafmagneten op. Wat gebeurt er als je de schakelaar sluit?

Beide magneten worden aangetrokken door de spoel. Beide magneten worden afgestoten door de spoel. De linkse magneet wordt aangetrokken, de rechtse afgestoten. De linkse magneet wordt afgestoten, de rechtse aangetrokken.

246

MODULE 05

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

Magneten bestaan enkel in vaste vorm. a

Verklaar waarom.

b Hoe kan magneetverf dan toch bestaan?

Een staafmagneet breekt in tweeën.

Welke voorstelling geeft de polen correct weer?

VA N

b Bedenk een experiment om je antwoord te controleren.

Als alternatief voor grijpkranen gebruikt men soms elektromagneten. Bekijk de video.

S Een elektromagneet verplaatst ijzeren platen.

Kun je daarmee alle metalen optillen? Verklaar.

b Hoe werkt een hefmagneet?

MODULE 05

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

247

Teken de weekijzeren kern van de elektromagneet (die aan of uit staat) en het (opgetilde) voorwerp met de magnetische polen.

elektromagneet

ijzeren plaat

Hoe kun je gegevens van een harde schijf wissen?

Bestudeer de werking van een zekering en een aardlekschakelaar.

VA N

Formuleer het doel van zekeringen en van een aardlekschakelaar. (Je leerde dat vorig schooljaar.)

b Beschrijf hoe men daarvoor elektromagneten kan gebruiken. (Raadpleeg eventueel het internet.)

248

MODULE 05

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

Bestudeer de onderstaande afbeeldingen. Rangschik de situaties volgens toenemende flux.

A A

30° A

Bestudeer de afbeelding. Hoe verandert de flux (met de afbeelding als beginsituatie)?

VA N

N Z

De lus en de magneet bewegen niet.

b De lus beweegt omhoog, de magneet staat stil.

d De lus en de magneet bewegen samen omhoog.

De lus verschuift naar rechts, de magneet staat stil.

De lus wordt 90° gedraaid, de magneet staat stil.

De lus wordt 180° gedraaid, de magneet staat stil.

De flux in een homogeen magnetisch veld in een spoel wordt opgemeten. Bestudeer de afbeeldingen.

De lus beweegt niet, de magneet beweegt omhoog.

In welke situatie(s) ontstaat een inductiespanning? A

MODULE 05

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

249

Je kunt een smartphone draadloos opladen. Als je de smartphone op de lader legt, wordt hij aangetrokken. Door welk fenomeen wordt de smartphone opgeladen? Verklaar.

De magneet in de oplader sluit een elektrische kring met de smartphone en de netspanning.

Door een spoel in de oplader vloeit een wisselstroom. Door een spoel in de oplader vloeit een gelijkstroom.

Een magneet beweegt op en neer in een spoel in de oplader.

In de oplader zit een batterij die opgeladen wordt door de netspanning.

VA N

Wat zijn de gelijkenissen en de verschillen tussen een gelijkstroommotor en een generator?

250

Meer oefenen? Ga naar

MODULE 05

HOOFDSTUK 2 - AAN DE SLAG

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE KERNBEGRIPPEN magneten

NOTITIES Een magneet is een voorwerp dat een invloed (aantrekken / afstoten) uitoefent op sommige voorwerpen in de omgeving. Er zijn twee soorten magneten: •

permanente magneten (kortweg ‘magneten’): het materiaal van de magneet vertoont

•

elektromagneten: je kunt de invloed aan- en uitschakelen.

•

Magneten trekken elkaar aan of stoten elkaar af: dat wordt bepaald

de invloed continu;

kracht

door de polen. •

Magneten trekken ferromagnetische stoffen aan: dat heet

VA N

magnetische influentie.

magnetische

•

Een magneet en een stroomvoerende geleider oefenen een kracht uit op elkaar. Toepassing: gelijkstroommotor.

magnetisch veld

Magnetische kracht is een veldkracht: ook zonder contact is de invloed van een magneet merkbaar. Er is een magnetisch veld. •

IJzerdeeltjes en kompasnaaldjes ordenen zich volgens een patroon. Je kunt dat voorstellen met veldlijnpatronen.

•

Ferromagnetische stoffen worden magnetisch door het veld van een spoel (= magnetiseren): -

Elektromagneten: magnetisme van week ijzer kan aan- en afgezet worden. Toepassingen: deuropener, deurbel, relais.

Permanente magneten: magnetisme van sterk ijzer blijft bestaan. Toepassingen: koelkastmagneten, magnetische informatie schrijven.

magnetische

Het aantal magnetische veldlijnen door een oppervlak wordt beschreven

inductie

met de grootheid magnetische flux. Fluxverandering door verandering van: •

de grootte van de magnetische veldsterkte;

•

de grootte van het oppervlak;

•

de hoek tussen de magnetische veldsterkte en het oppervlak.

Elektromagnetische inductie is het opwekken van spanning door een fluxverandering.

Toepassingen: dynamo, generator, bewegingssensoren. MODULE 05

magneet beweegt naar de spoel toe (magnetische veldsterkte in spoel neemt toe)

SYNTHESE HOOFDSTUK 2

magneet b naar bene (magnetis veldsterkt spoel nee

251

TABELLEN ALGEMENE FORMULE

ALGEMENE NAAM

alkaan

R-H

alkaan

alkeen

R-CH=CH-R’

alkeen

alkyn

R-C C-R’

alkyn

halogeenalkaan R-X

halogeenalkaan

alcohol

R-OH

alkanol

ether

ROR’ of R-O-R’

alkoxyalkaan

aldehyde

R-CHO of

alkanal

R-C-H O keton

R-CO-R’ of

alkanon

R-C-R' O carbonzuur

R-COOH of

alkaanzuur

VA N

R-C-OH

STOFKLASSE

ester

R-COOR’ of

alkylalkanoaat

R-C-OR' O

amine

R-NH2

alkaanamine

amide

R-CONH2 of

alkaanamide

R-C-NH2

252

TABELLEN