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

GENI

5 &6

Natuurwetenschappen LEERPAKKET 1

LEER BOEK

GENIE Natuur- 5 &6 wetenschappen

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

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 978-94-647-0067-1 Art. 603699/02 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

Credits p. 7 foto Eencellige parasiet Trypanosoma: Eye of science © Science Photo Library, p. 10 foto Aarde: Nasa Goddard Space Flight Center (Nasa-Gsfc) © Science Photo Library, p. 10 foto Weefsel: Power and Syred © Science Photo Library, p. 10 foto Celorganel: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 10 foto Molecule: Power and Syred © Science Photo Library, p. 12 foto Antoni van Leeuwenhoek: Photo Researchers, Science History Images © ImageSelect, p. 12 foto Primitieve microscoop: Durk Gardenier © ImageSelect, p. 12 foto Linnen vezels: Edward Kinsman © Science Photo Library, p. 13 foto Stuifmeelpollen lichtmicroscoop: SDym Photography © Alamy, p. 13 foto Stuifmeelpollen transmissieelektronenmicroscoop: David M. Phillips © Science Photo Library, p. 13 foto Stuifmeelpollen rasterelektronenmicroscoop: Power And Syred © Science Photo Library, p. 15 foto Bacterie E. coli: CNRI © Science Photo Library, p. 15 foto Archaea: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 15 foto Bacteriën menselijke ontlasting: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 16 foto Delende pantoffeldiertjes: Power And Syred © Science Photo Library, p. 16 foto Delende gistcellen: Power And Syred © Science Photo Library, p. 16 foto Amoeben: Panther Media GmbH © Alamy, p. 21 foto Dwarsdoorsnede bloedvat: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 22 foto Plasmacel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 23 foto Menselijk ribosoom: Simone Alexowski © Science Photo Library, p. 24 foto Golgiapparaat en nucleus: Dennis Kunkel Microscopy © Science Photo Library, p. 25 foto Christian de Duve: Carlos MunozYague, Eurelios © Science Photo Library, p. 26 foto Mitochondrie: Keith R. Porter © Science Photo Library, p. 27 foto Plantencel: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 27 foto Amyloplasten aardappel: Dr Jeremy Burgess © Science Photo Library, p. 27 foto Cellen Strelizia regina: Gerd Guenther © Science Photo Library, p. 29 foto Amoeba: Wim Van Egmond © Science Photo Library, p. 29 foto Paramecium caudatum: Dr David Patterson © Science Photo Library, p. 30 foto Gladde spiercel: Vira V. Artym, Lcdb / Nidcr / National Institutes Of Health © Science Photo Library, p. 30 foto Salmonella enteritidis: A.B. Dowsett © Science Photo Library, p. 30 foto Longepitheelcel: Alvin Telser © Science Photo Library, p. 31 foto Centriolenpaar: Don W. Fawcett © Science Photo Library, p. 33 foto Stuifmeel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 33 foto Celwand: Science Source © Science Photo Library, p. 33 foto Bamboeplantencellen: Eye Of Science © Science Photo Library, p. 33 foto Cellulosevezels: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 34 foto Gistcellen: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 34 foto Bacteriecellen: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 36 foto E. coli: Dr Kari Lounatmaa © Science Photo Library, p. 36 foto Methanococcoides: Dr M. Rohde Gbf © Science Photo Library, p. 36 foto Plantencel: Dr David Furness, Keele University © Science Photo Library, p. 39 foto Aarde: Nasa Goddard Space Flight Center (Nasa-Gsfc) © Science Photo Library, p. 39 foto Weefsel: Power and Syred © Science Photo Library, p. 39 foto Celorganel: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 39 foto Molecule: Power and Syred © Science Photo Library, p. 47 foto Planten: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 48 foto Hongeroedeem: Media Lens King © Shutterstock, p. 50 foto Omeprazol: Dr P. Marazzi © Science Photo Library, p. 77 video Pmd sorteren © Fost Plus, p. 77 video Pmd in het sorteercentrum © Fost Plus, p. 80 foto Onderbroeken © Sandusky Register, p. 83 foto Cradle to Cradle: T. Schneider © Shutterstock, p. 83 foto Jeans: Jeppe Gustafsson © Shutterstock, p. 83 foto Rana Plaza: Sk Hasan Ali © Shutterstock, p. 84 foto Jeans: Jeppe Gustafsson © Shutterstock, p. 91 3D-beeld Fructose: akasha99 © Sketchfab, p. 94 foto Celwand plant: J.C. Revy Ism © Science Photo Library, p. 95 foto Lactosevrije melk: SophieOst © Shutterstock, p. 118 foto Zwavelbacteriën: Dennis Kunkel Microscopy © Science Photo Library, p. 118 foto Heliobacteriën: Eye Of Science © Science Photo Library, p. 118 foto Nitrificerende bacteriën: Dennis Kunkel Microscopy © Science Photo Library, p. 131 foto Purperen zwavelbacteriën: M.I. Walker © Science Photo Library, p. 142 foto Dwarse doorsnede dunne darm: QA International, Universal Images Group North America LLC © ImageSelect, p. 151 foto’s Organisme, orgaan en cel: Sebastian Kaulitzki © Science Photo Library, p. 151 foto Weefsel: Sciepro © Science Photo Library, p. 154 foto Dendritische cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 154 foto ‘Natural killer’-cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 155 foto Delende kankercel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 158 foto Huid: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 159 foto Luchtpijp: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 159 foto Vaginale flora: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 162 en 164 foto Lymfoïde organen en weefsels: Pikovit © Science Photo Library, p. 165 foto Appendix: Sebastian Kaulitzki © Science Photo Library, p. 166 foto Macrofaag: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 166 foto Neutrofiel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 167 foto Dendritische cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 167 foto ‘Natural killer’-cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 177 foto Menselijke foetus: Steve Allen © Shutterstock, p. 200 foto Paperclips aan hand © Science Photo Library, p. 200 foto’s Elektromagneten: Turtle Rock Scientific / Science Source © Science Photo Library, p. 201 foto Hoefijzermagneet en staafmagneet © Mathieu Marck, p. 203 foto Elektromagneet met paperclips: Giphotostock © Science Photo Library, p. 205 foto’s Kompasnaalden rechte geleider zonder en met stroom: Giphotostock © Science Photo Library, p. 207 video Werking luidspreker: Rhys Lewis, Ahs, Decd, Unisa / Equinox Graphics © Science Photo Library, p. 208 foto IJzervijlsel rond staafmagneet: Dorling Kindersley / UIG © Science Photo Library, p. 210 foto’s IJzervijlsel bij gelijksoortige en ongelijksoortige polen: Cordelia Molloy © Science Photo Library, p. 211 foto IJzervijlsel rond spoel: Andrew Lambert Photography © Science Photo Library, p. 212 video Rechterhandregel bij spoel: Rhys Lewis, Ahs, Decd, Unisa / Equinox Graphics © Science Photo Library, p. 212 foto Rechterhandregel bij spoel: Mikkel Juul Jensen © Science Photo Library, p. 224 video Elektromagneet: Andy Davies © Science Photo Library p. 16 artikel Reuzenbacterie neemt loopje met de biologie © standaard.be – 4/03/2022 – Reproductie van de artikels met toestemming van de uitgever, alle rechten voorbehouden. Elk hergebruik dient het voorwerp uit te maken van een specifieke toestemming van de beheersvennootschap License2Publish: info@license2publish.be, p. 80 artikel Bodemkwaliteit testen? Begraaf je onderbroek! © 247green.nl, p. 87 artikel Hernieuwbaar textiel op de plank: auteur: Harmen Kamminga – C2W | Mens & Molecule, p. 110 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 9 Cellen in relatie tot andere organisatieniveaus

Cellen observeren met de microscoop

Soorten cellen

3.1

De prokaryote cel

3.2 De eukaryote cel

Subcellulaire structuren bij eukaryoten

4.1

Celkern

4.2 Endoplasmatisch reticulum

4.3 Ribosomen

4.4 Golgi-apparaat

4.5 Lysosomen

4.6 Mitochondriën

4.7 Plastiden (o.a. chloroplasten)

Organische stofklassen

Toepassingen en eigenschappen

3.1

De alkanen: R-H

3.2 De alkenen: R-CH=CH-R

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: Kunststoffen

33 35

4.13 Vergelijking tussen een dierlijke cel en een plantencel

` HOOFDSTUK 2:

Transport doorheen membranen (uitbreiding)

Passief transport door diffusie

1.1

Diffusie: algemeen principe

1.2

Diffusie doorheen een membraan

1.3

Geleide diffusie door een transporteiwit 43

Passief transport door osmose

2.1

Osmose: algemeen principe

2.2 Drie situaties bij osmose

Actief transport

Notatiemogelijkheden van een organische stof

4.12 Celwand

1.2

Bindingsmogelijkheden van het koolstofatoom

4.9 Cytoskelet 4.10 Centrosoom

1.1

4.8 Vacuole

4.11 Celmembraan

Voorstelling organische formules

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 82

` HOOFDSTUK 3:

De chemische samenstelling van het leven

De chemische samenstelling van cellen

Organische stoffen in cellen

2.1

Sachariden

2.2 Lipiden

2.3 Eiwitten

2.4 Nucleïnezuren

107

MODULE 03: VAN CELMETABOLISME TOT ORGANISME

` HOOFDSTUK 1

Autotrofe en heterotrofe organismen 117

Autotrofe en heterotrofe organismen

117

Energiehuishouding in elke cel

119

2.1

119

2.2 Aerobe en anaerobe celademhaling

` HOOFDSTUK 2: Immunisatie

176

Actieve immunisatie

176

Passieve immunisatie

177

MODULE 05: ELEKTROMAGNETISME

Verkenning van weefsels in plantaardige systemen

128

Fotosynthese: synthese van energierijke koolstofverbindingen

132

Transport van stoffen bij de plant

132

Transportsysteem

133

` HOOFDSTUK 1: Elektrostatica

181

136 2

Verkenning van weefsels en celtypes in dierlijke systemen

139

Celdifferentiatie en stamcellen

139

Relatie tussen de structuur en functie van celtypes

1.1

Aantrekking en afstoting

181

1.2

Elektrische lading

183

1.3

Geleiders en isolatoren

185

Voorwerpen laden

187

Geleiders

187

2.2 Isolatoren

188

Elektrische influentie: ladingen verschuiven in voorwerpen zonder contact

190

2.1

141

VA 2.1

Statische elektriciteit

2.2 Mechanisme van watertransport

` HOOFDSTUK 3

168

120

` HOOFDSTUK 2

2.1

160

2.4 De derde verdedigingslijn: specifieke immuniteit

ATP en ADP

2.3 De tweede verdedigingslijn: nietspecifieke immuniteit

Voorbeeld structuur epitheelcellen in verschillende stelsels

141

2.2 Voorbeeld structuur cellen van de dunne darm

142

2.3 Voorbeeld structuur zintuigcellen in het oor

143

2.4 Voorbeeld structuur neuronen in functie van het zenuwstelsel

145

2.5 Voorbeeld structuur spiercellen

147

2.6 Voorbeeld structuur zaadcellen en hun functie tijdens de bevruchting

2.7 Voorbeeld structuur rode bloedcellen en hun functie in het ademhalingsstelsel

3.2 Geleiders

190

3.3 Polaire isolatoren

191

3.4 Polariseerbare isolatoren

192

Coulombkracht

193

` HOOFDSTUK 2:

Elektromagnetisme

199

Soorten magneten

199

Magnetische kracht

201

149

2.2 Krachtwerking tussen een magneet en een magnetisch voorwerp

203

2.3 Krachtwerking tussen een magneet en een stroomvoerende geleider

205

Magnetisch veld

208

3.1

` HOOFDSTUK 1:

Werking van het immuunsysteem

155

Het belang van immuniteit

155

De werking van het immuunsysteem

157

2.1

157

2.2 De eerste verdedigingslijn: nietspecifieke immuniteit

190

2.1

MODULE 04: IMMUNITEIT

Algemeen overzicht

Inleiding

3.1

Krachtwerking tussen permanente magneten

Magnetisch veld rondom een permanente magneet

201

208

3.2 Magnetisch veld rondom een elektromagneet

211

Elektromagnetische inductie

217

4.1

Spanning opwekken met magneten

4.2 Toepassingen

217 220

158

VA IN

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

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

cytoplasma zonder bladgroenkorrels

celkern met erfelijk materiaal

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

celkern met erfelijk materiaal

• bepaalde onderdelen van een plantenen dierlijke cel herkennen. vind je oefeningen die je helpen je voorkennis te activeren.

Zit deze leerstof wat ver in je geheugen? Op

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, kijken we eerst naar de cel: hoe ze eruitziet, hoe ze werkt en vooral ook hoe ze samenwerkt met andere cellen. Alle levensprocessen die je de voorbije jaren bestudeerd hebt, zoals voeding, transport, ademhaling en uitscheiding, kun je namelijk terugbrengen tot activiteiten op

LEERDOELEN

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

M De cel in verband brengen met andere organisatieniveaus

M De organellen in een cel herkennen en hun bouw beschrijven M De functie van de organellen in een cel toelichten

M De relatie tussen de structuur en de functie van de organellen toelichten

Cellen in relatie tot andere organisatieniveaus

Vanaf de negentiende eeuw konden Matthias Schleiden (1804-1881), Theodor Schwann (18101882) 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

LEVENSGEMEENSCHAP

ORGANISME

MOLECULE

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

MODULE 01

hoofdstuk 1

POPULATIE

ORGAAN

CELORGANEL

WEEFSEL CEL

Cellen observeren met de microscoop

De meeste cellen zijn niet zichtbaar voor het menselijk oog. Onder een lichtmicroscoop kun je ze

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

wel waarnemen. • Bacteriële cellen zijn klein. Ze zijn tussen de 1 en 10 µm lang.

1 nanometer of 1 nm 1 μm, 10–3 μm of = 1 000 –6 10 mm.

• 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.

LICHTMICROSCOOP

ATOMEN

MITOCHONDRIËN

MOLECULEN

MEESTE BACTERIËN

EIWITTEN RIBOSOMEN

MENSELIJK OOG

ELEKTRONENMICROSCOOP

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

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.

lensje

voorwerphouder

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

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.

onmisbaar zijn om de meeste cellen te observeren, bestaan er ook cellen die je met het blote oog kunt waarnemen. Menselijke eicellen hebben een diameter tussen de 0,1 en 0,2 mm. Eicellen van amfibieën kunnen dan weer groter dan 1 mm worden. Uitlopers van zenuwcellen en vezelcellen van planten worden soms zelfs centimeters lang! Pas na de uitvinding van

S Afb. 3 Antoni van Leeuwenhoek

Hoewel microscopen

de elektronenmicroscoop in 1933 en de verfijning van dat toestel werd het mogelijk om meer te weten te komen over de submicroscopische 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.

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 gescheiden kunt waarnemen. Een lengte van 200 nm 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.

bij elkaar liggen dan 200 nm (of 0,2 µm), niet meer

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,

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.

EUKARYOTEN slijmzwammen

steeltjeszwammen

varens en paardenstaarten

zakjeszwammen

wolfsklauwen

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

meest primitieve voorloper (oercel)

Escherichia

groene zwavelbacteriën

BACTERIËN

cyanobacteriën

S 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.

MODULE 01

hoofdstuk 1

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 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.

Het cytoplasma is de celinhoud zonder kern. Het cytoplasma bestaat vooral uit water, met daarin opgeloste mineralen en biomoleculen.

De celwand geeft steun en bescherming. Het celmembraan ligt onder de celwand en is niet zichtbaar. De bacteriën hebben een eigen delingssysteem.

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

1 µm

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 als de fimbriae zich hechten aan de epitheelcellen van de urinewegen.

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

0,5 µm

2 µm S 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

WEETJE

Reuzenbacteriën Hoewel wetenschappers heel wat weten over bacteriën, doen ze af en toe nog ontdekkingen die een nieuw licht werpen op de bestaande kennis. Thiomargarita magnifica is een nieuwe bacteriesoort die pas zo’n tien jaar geleden werd ontdekt in mangrovegebieden bij de Franse Antillen. Ze is met het blote oog te zien en heeft een interne structuur die op een celkern lijkt. Dat is volledig in strijd met de eigenschappen van andere bekende bacteriën.

S Afb. 15 Exemplaren van de reuzenbacterie Thiomargarita magnifica (de witte draadjes) naast een Amerikaanse munt. De gemiddelde lengte van de bacterie ligt maar liefst tussen 10 en 20 mm.

3.2 De eukaryote cel

Naar: standaard.be

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.

40 µm

40 µm S Afb. 16 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.

MODULE 01

hoofdstuk 1

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. bacteriële cellen.

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

De diversiteit aan cellen is enorm, maar globaal genomen onderscheidt men twee basistypes: de prokaryote en de eukaryote cel.

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. 18-19 zie je de inwendige structuren die we in detail bekijken.

MODULE 01

hoofdstuk 1

W Afb. 17 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. 18 Voorstelling van de algemene structuur van een plantencel

MODULE 01

hoofdstuk 1

W Afb. 19 Voorstelling van de algemene structuur van een dierlijke cel

S Afb. 20 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

zijn belangrijk voor de eiwitsynthese.

de informatie die nodig is voor de aanmaak van ribosomen. Die macromoleculaire eiwitcomplexen

S Afb. 21 Schematische voorstelling van de celkern met het kernmembraan, de nucleolus, een kernporie en chromatine

MODULE 01

hoofdstuk 1

WEETJE Rode bloedcellen of erytrocyten zijn cellen zonder kern. Ze vervoeren zuurstofgas van de longen naar de weefsels, en koolstofdioxide van de weefsels naar de longen, waar het wordt uitgeademd. Nieuwe rode bloedcellen worden aangemaakt in het beenmerg in je borstbeen, je ribben en je bekken, en bij kinderen ook in het merg van de lange beenderen. Op die plaatsen zitten stamcellen, die zich delen en rijpen tot rode bloedcellen. Dat hele proces neemt ongeveer 6 dagen in beslag. Wanneer de cel rijp is, verliest ze haar kern.

Een rode bloedcel leeft ongeveer 120 dagen.

10 µm

S Afb. 22 Ingekleurd SEM-beeld van een dwarsdoorsnede van een bloedvat dat de appendix van bloed voorziet. Het gladde spierweefsel van de wand van het bloedvat is blauw gekleurd. De rode bloedcellen hebben een kenmerkende ingedeukte vorm.

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

RER = Rough Endoplasmic Reticulum

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 vervullen als enzym, als

boodschapper tussen cellen of als structuureiwit.

S Afb. 23 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

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

SER = Smooth Endoplasmic Reticulum

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

endoplasmatisch reticulum

Golgi-apparaat

mitochondrie

bijnierschors staat het dan weer in voor de productie van steroïdhormonen, zoals cortisol.

celkern

W Afb. 24 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 naar een eiwit.

S Afb. 25 Menselijk ribosoom met grote (groen) en kleine (bruin) subeenheid

MODULE 01

hoofdstuk 1

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. 27 TEM-beeld van het Golgi-apparaat en de nucleus in een zenuwcel

S Afb. 26 Schematische voorstelling van een Golgi-apparaat

Na hun synthese door de ribosomen op het RER worden de eiwitten afgewerkt in het Golgiapparaat. 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. 28 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.

WEETJE De Belgische medicus en biochemicus Christian de Duve was de eerste die lysosomen beschreef. Hun ontdekking werd mede mogelijk gemaakt door de hoge resolutie van de elektronenmicroscoop. In 1974 kreeg de Duve voor zijn onderzoek de

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

Nobelprijs voor Geneeskunde.

W Afb. 29 Christian de Duve (1917-2013), Nobelprijswinnaar

S Afb. 30 De processen heterofagie en autofagie

MODULE 01

hoofdstuk 1

4.6 Mitochondriën Een mitochondrie is een rond tot ovaal organel dat omgeven is door een dubbele 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 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. 31 Bouw en TEM-beeld van een mitochondrie. Het ingekleurde TEM-beeld toont een mitochondrie (oranje) in de alvleeskliercellen van een vleermuis. Links op 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

WEETJE

bladgroenkorrels. Die zijn net zoals mitochondriën omgeven door een dubbele membraan.

In het stroma komt chloroplast-

Het inwendige membraan van de chloroplast noem je het

als bij de mitochondrie, een

DNA (cpDNA) voor. Dat is, net cirkelvormige DNA-molecule

thylakoïdmembraan. Dat vormt lamellen met stapels gesloten platte

waarvan meerdere kopieën

membraanzakjes. Een stapeltje membraanzakjes vormt een granum. Het

kunnen voorkomen. Het bevat

binnenste van de chloroplast, waarin de thylakoïden liggen, heet het stroma.

de informatie voor een aantal

In de thylakoïdmembranen liggen lichtabsorberende chlorofylmoleculen

de fotosynthese. De synthese

eiwitten die betrokken zijn bij van die eiwitten gebeurt door de

gebonden in een eiwitcomplex. Met behulp van lichtenergie vindt

ribosomen die in de chloroplast

in chloroplasten fotosynthese plaats, waarbij de plant CO2 en water gebruikt om glucose op te bouwen.

aanwezig zijn.

buitenmembraan intermembraanruimte binnenmembraan

DNA

granum

lamellen

stroma

thylakoïden

ribosoom

zetmeelkorrel

S Afb. 32 Voorstelling van een chloroplast

S Afb. 33 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 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.

W Afb. 34 SEM-beeld van amyloplasten in de aardappel (Solanum tuberosum). In de amyloplasten wordt zetmeel opgestapeld.

W Afb. 35 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 niet-

groene 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 pH.

S Afb. 37 Schematische voorstelling van een plantencel

MODULE 01

hoofdstuk 1

S Afb. 38 Ingekleurd TEM-beeld van een plantencel. De vacuole is lichtgroen ingekleurd.

W Afb. 36 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.

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.

4.9 Cytoskelet

S Afb. 40 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.

S Afb. 39 De Amoeba omsluit met schijnvoetjes een alg.

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

S Afb. 41 Schematische voorstelling van het cytoskelet met de drie soorten eiwitvezels

MODULE 01

hoofdstuk 1

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 zijn

cel. Ze zijn samengesteld uit

samengesteld uit actine-eiwitten

samengesteld uit het eiwit

verschillende soorten 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

met elkaar, zodat ze een weefsel

microfilamenten in bundels

vormen. Een belangrijke groep intermediaire filamenten

het samentrekken van de cel.

zijn de keratinefilamenten

Een voorbeeld daarvan is het

voor, dan spelen ze een rol bij

in epitheelcellen. Het is

samentrekken van spiervezels in

opmerkelijk dat plantencellen

een skeletspier.

geen intermediaire filamenten

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

bevatten.

S Afb. 42 Een embryonale gladde spiercel, waarbij de microfilamenten groen gekleurd zijn. De filamenten zorgen voor de vorm van de cel.

MODULE 01

hoofdstuk 1

S Afb. 43 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. 44 Longepitheelcel. De keratinefilamenten omringen de kern en waaieren uit naar het celmembraan.

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 de chromosomen vasthoudt tijdens de celdeling.

S Afb. 45

S Afb. 46 Een centriolenpaar bestaat uit 2 centriolen = 1 centrosoom.

W Afb. 47 Ingekleurd TEM-beeld van een centriolenpaar (paars) en het Golgi-apparaat (oranje) in een cel uit het beenmerg van een hamster (Cricetus cricetus)

MODULE 01

hoofdstuk 1

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

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.

hydrofiel = waterminnend

Binnen in het celmembraan zijn de hydrofobe vetzuurstaarten van de fosfolipiden naar elkaar

W Afb. 48 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

Bij eukaryoten zitten er ook celorganellen in het cytoplasma.

het celmembraan komt bij planten, schimmels, protisten en veel prokaryoten vaak een stevige

celwand voor. Die celwand ontbreekt bij dierlijke cellen.

S Afb. 49 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.

Dierlijke cellen hebben nooit een celwand.

S Afb. 50 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. 51 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.

plasmodesma

S Afb. 52 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

MODULE 01

hoofdstuk 1

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

• De celwand van schimmelcellen bevat vooral chitinemoleculen.

W Afb. 53 Gisten zijn eencellige schimmels. De gistcellen zijn omgeven door een celwand.

W Afb. 54 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

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.

Het is belangrijk op te merken dat deze verschillen algemene kenmerken zijn en dat er variaties

LABO 01

kunnen optreden, afhankelijk van het specifieke type planten- of dierlijke cel. MODULE 01

hoofdstuk 1

AAN DE SLAG 1

Rangschik van klein naar groot volgens

organisatieniveau.

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

long – mens – epitheelcel – slijmvliesweefsel – ademhalingsstelsel 2

TE CEL

Benoem de cellen op de afbeeldingen als

Cel-

prokaryoot of eukaryoot en verklaar.

membraan

EUKARYOTE CEL

PROKARYO-

PLANTEN-

DIERLIJKE

CEL

aanwezig?

Celwand

aanwezig? Celkern

aanwezig?

Welke uitspraak over mitochondriën en chloroplasten is juist?

gistcellen

bloeduitstrijkje mens

Ze komen beide voor in alle eukaryoten.

b Ze zijn beide omgeven door een dubbel

membraan.

Ze maken beide glucose aan.

d Ze komen beide voor in dierlijke cellen.

De onderstaande organellen zijn van cruciaal belang bij de vorming van functionele eiwitten.

algen onder

salmonellakolonie

de microscoop

Welke afbeeldingen tonen een prokaryote cel? Verklaar op welke kenmerken je je baseert. B

Geef de naam van elk organel.

b Geef de rol van het organel in de cel. 7

Duid aan welke structuren een membraan bezitten. vacuole – lysosoom – ribosoom – chloroplast

MODULE 01

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

Bekijk de twee cellen. a

Benoem de aangeduide onderdelen van

Verbind de naam van het celorganel met de juiste functie.

de cellen.

CELORGANEL

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

1 mitochondriën

FUNCTIE A Geeft structuur en vorm aan de cel, ondersteunt celbeweging en intracellulaire transportprocessen. B Bevat het genetisch

2 Golgi-apparaat

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 reticulum (ER)

plantencel

dierlijke cel

5 lysosomen

6 celkern

(ATP) door celademhaling E afbraak en recycling van biomoleculen en celcomponenten F eiwitsynthese (vertaling van mRNA naar eiwitten)

7 chloroplasten

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

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

plantencel

dierlijke cel

MODULE 01

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

AAN DE SLAG 10

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

Meer oefenen? Ga naar

MODULE 01

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE 1 CELLEN IN RELATIE TOT ANDERE ORGANISATIENIVEAUS CELTHEORIE

ORGANISATIENIVEAU

• Cellen zijn de basiseenheid van structuur en functie in organismen.

Hiërarchische niveaus waarmee je de complexiteit van het leven kunt indelen.

• Sommige cellen kunnen zichzelf delen.

levensgemeenschap

organisme

weefsel

celorganel

ecosysteem

biosfeer

populatie

orgaan

cel

molecule

CELLEN OBSERVEREN MET DE MICROSCOOP

LICHTMICROSCOOP

• De meeste cellen zijn niet zichtbaar voor het

ELEKTRONENMICROSCOOP

• Heeft een oplossend vermogen van 0,2 nm. Dat is

menselijk oog. Onder een lichtmicroscoop kun je cellen tot 0,2 μm (= 200 nm) waarnemen.

duizend keer groter dan bij een lichtmicroscoop.

• Werkt met elektronenbundels.

• Werkt met lichtstralen.

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

HOOFDSTUKSYNTHESE 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

= sluit nauw aan bij de celkern en bevat ribosomen

(P + D)

• 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 buiten

(P + D)

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 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

MODULE 01

SYNTHESE HOOFDSTUK 1

• • • •

celwand vacuole chloroplast

ribosoom RER SER Golgi-apparaat

• •

cytoskelet mitochondrie

HOOFDSTUK 2

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

Zoals je weet, zijn er binnen de eukaryote cel membraancompartimenten aanwezig. Ook daartussen is de

M Een beschrijving geven van de processen diffusie en osmose

M De verschillen beschrijven tussen actief en passief transport

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 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.

1 1.1

Passief transport door diffusie

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.

MODULE 01

hoofdstuk 2

blokje kleurstof

water

S Afb. 55 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 maximaal verspreiden,

tot de nettolading aan beide zijden hetzelfde is.

S Afb. 56 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).

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 carriereiwitten. 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:

• 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 door een zenuwcel.

kanaaleiwit (kalium-ionenkanaal)

extracellulaire kant concentratie- diffusierichting gradiënt hoog

extracellulaire kant concentratie- diffusiegradiënt richting laag

laag

hoog

kanaaleiwit (aquaporine)

geleide diffusie van ionen is bijvoorbeeld essentieel bij de verplaatsing van een zenuwimpuls

intracellulaire kant watermolecule

fosfolipidendubbellaag

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

intracellulaire kant

S Afb. 57 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

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

bindingsplaats voor glucose

cytoplasma

2. Glucose bindt op de bindingsplaats.

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

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. 58 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

concentratiegradiënt diffusierichting

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 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.

sucrosemolecule

semipermeabel membraan

H2O

SITUATIE NA EEN TIJDJE gelijke concentraties aan sucrose

STARTSITUATIE lagere concentratie hogere concentratie aan sucrose aan sucrose

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. 59 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.

MODULE 01

hoofdstuk 2

Op afbeelding 60 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. 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.

semipermeabel membraan

tegendruk = osmotische druk

sucrose molecule H2O

hypertonisch

isotonisch

S Afb. 61 De osmotische waarde van een oplossing ten opzichte van haar buuroplossing

S Afb. 60 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.

hypotonisch

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 62 zie je een overzicht van die situaties.

MODULE 01

hoofdstuk 2

IN N VA

S Afb. 62 Cellen reageren anders wanneer ze zich in een hypotonisch, isotonisch of hypertonisch milieu bevinden. 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

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. 64 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. 63 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 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.

W Afb. 65 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. 66 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.

MODULE 01

hoofdstuk 2

S Afb. 67 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.

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.

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.

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

concentratierichting gradiënt Na⁺-transport Na⁺ K⁺

binnen of naar buiten verplaatst.

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

Na⁺

Na⁺/K⁺-pomp

K⁺

plasmamembraan

richting K⁺-transport

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

Na⁺ Na⁺

laag Na⁺, hoog K⁺

Na⁺

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

Na⁺ Na⁺ Na⁺

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.

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. 68 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.

MODULE 01

hoofdstuk 2

VOORBEELD PROTONPOMP W Afb. 69 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.

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.

S Afb. 70 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.

Passief transport: de moleculen diffunderen spontaan doorheen het membraan heen 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

hoge concentratie aan opgeloste stoffen

lage concentratie aan opgeloste stoffen

S Afb. 71

MODULE 01

hoofdstuk 2

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

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.

actief transport

AAN DE SLAG 1

Welke combinatie van begrippen is van toepassing

De concentratie van een neutrale opgeloste stof

op het proces van geleide diffusie?

in een bepaald type bloedcel is veel hoger dan

passief transport, carrier, met de

de concentratie van die stof in het omgevende

concentratiegradiënt mee

bloedplasma. Toch blijft de stof zich naar binnen in

b passief transport, carrier, tegen de

de cel bewegen. Over welk transportmechanisme

concentratiegradiënt in c

gaat het hier? Verklaar.

actief transport, carrier, met de concentratiegradiënt mee

Bekijk de volgende drie cellen. De pijlen tonen de

mate waarin water getransporteerd wordt in en uit

d actief transport, carrier, tegen de

de cel.

concentratiegradiënt in

Wat zijn aquaporines? a

hypertonisch ten opzichte van de omgeving?

transportproteïnen voor actief transport van watermoleculen

b ionenpompen voor actief transport van

Welke cel is turgescent?

watermoleculen c

Welke cel is isotonisch, hypotonisch of

transportproteïnen voor passief transport van

H2O

watermoleculen

H2O

watermoleculen 3

d ionenkanalen voor actief transport van

Zowel bij diffusie als bij osmose treedt er bij gelijke concentraties een toestand van evenwicht op.

Wat wil dat zeggen? a

Er treedt geen verplaatsing van moleculen meer op.

H2O

b Alleen de watermoleculen zullen zich

vacuo

verplaatsen.

De verplaatsingen van moleculen hebben geen netto-effect.

d Alleen de moleculen van de opgeloste stoffen zullen zich verplaatsen. H2O

Wat bepaalt de osmotische waarde van een

H2O

H2O vacuole

oplossing? de aanwezigheid van een permeabel membraan

b de concentratie aan opgeloste stoffen c

de aanwezigheid van een semipermeabel membraan

d het concentratieverschil

Meer oefenen? Ga naar

MODULE 01

hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

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

ionen te transporteren.

energie investeren om moleculen of De transporteiwitten die daarvoor

Diffusie is de nettoverplaatsing van moleculen in een gas of vloeistof met de concentratiegradient mee: van de plaats waar de concentratie van die deeltjes het hoogst

noodzakelijk zijn, werken als

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

is in het celmembraan van dierlijke cellen: de natrium-kaliumpomp (of

2 Geleide diffusie

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: 1

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

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

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

•

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; •

JE KUNT AL ...

•

anorganische stoffen

JE LEERT NU ...

verklaren.

proces recyclage kunststoffen verwerking tot nieuw product

smelten tot grondstoffen en verder sorteren

wassen

H2 •

eigenschappen en

•

organische stoffen

vermalen

O 1

transport naar sorteercentrum

H HO H H

sorteren per soort: plastic en niet-plastic wordt gefilterd

het gesorteerde plastic wordt tot grote balen geperst

eigenschappen van

2 3 4 5 6

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

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.

ophalen plastic

H 1

HOOFDSTUK 1

Organische stoffen In de 2e graad maakte je al kennis met enkele organische stoffen. Omdat in elke organische stof het koolstofatoom voorkomt, spreken we ook wel van koolstofchemie. In dit hoofdstuk herhaal je de basiskennis uit de 2e graad, om er vervolgens op verder te bouwen om nieuwe stofklassen te leren. We gaan dieper in op een aantal organische stofklassen. Van een paar stofklassen behandelen we ook een aantal concrete stoffen

LEERDOELEN

en hun toepassingen.

M Een stof indelen in de juiste stofklasse op basis van een gegeven naam of formule M Toepassingen en eigenschappen van een aantal organische stoffen geven

Voorstelling organische formules

1.1

Bindingsmogelijkheden van het koolstofatoom

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 binding aangaan

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

met een buuratoom.

ENKELVOUDIGE BINDING

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. BRUTOFORMULE

STRUCTUURFORMULE

SKELETNOTATIE

weergave:

•

koolstofskelet met

•

functionele

element + aantal

atomen •

volgorde:

binding

C-H-andere

juiste hoeken

uitgezonderd C-H

(alfabetisch)

(index) •

binding tussen

voorbeelden:

C3H6

CH2=CH-CH3

C3H8O

CH3-CH2-CH2-OH

groep(en)

voorbeelden:

propeen

butaan-1-ol

voorbeelden:

TIP

SYSTEMATISCHE NAAM

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

C2H6O

CH3-CH2OH CH3-O-CH3 ethanol

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

ALGEMENE NAAM

VOORBEELD NAAM

VOORBEELD FORMULE

alkaan

R-H

alkaan

CH3-CH2-CH3

propaan

alkeen

R-CH=CH-R’

alkeen

CH2=CH-CH3

propeen

alkyn

R-C C-R’

alkyn

CH C-CH3

propyn

halogeenalkaan CH3-CH2-CH2Cl

alcohol

R-OH

alkanol

CH3-CHOH-CH3

propaan-2-ol

ether

ROR’ of R-O-R’

alkoxyalkaan

CH3-O-CH2-CH3

methoxypropaan

aldehyde

R-CHO of

alkanal

CH3-CH2-CHO

propanal

alkanon

CH3-CO-CH3

propanon

R-C-H O keton

R-CO-R’ of O

carbonzuur

R-COOH of R-C-OH O R-COOR’ of

alkaanzuur

CH3-CH2-COOH

propaanzuur

alkylalkanoaat

CH3-COOCH3

methylethanoaat

ester

R-C-R'

1-chloorpropaan

halogeenalkaan R-X

R-C-OR' O

amine

R-NH2

alkaanamine

CH3-CH2-CH2NH2

propaan-1-amine

amide

R-CONH2 of

alkaanamide

CH3-CH2-CONH2

propaanamide

R-C-NH2 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.

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

UITGEBREIDE STRUCTUURFORMULE

CH4

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.

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

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

opgeslagen, waardoor er extra methaan vrijkomt.

S Afb. 6 Bellen methaangas ingevroren in helder ijs

TOEPASSING BENZINE

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

Nadelen: •

een gemiddelde ketenlengte van 8 C-atomen.

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

Bekijk de aflevering van GENIE Nieuws over de stikstofproblematiek.

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.

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

etheen

CH2=CH2

UITGEBREIDE STRUCTUURFORMULE H

H C C

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 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 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.

MODULE 02

Hoofdstuk 1

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

H Zowel methanol als ethanol brandt gemakkelijk.

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

TOEPASSING ETHANOL

GEBRUIKSNAAM

FORMULE

SYSTEMATISCHE NAAM

met methanol de olie verwarmt.

ethanol

drankalcohol

CH3-CH2OH

UITGEBREIDE STRUCTUURFORMULE 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 om bijvoorbeeld je koffiezet mee te

ontkalken.

TOEPASSING METHAANZUUR

GEBRUIKSNAAM

FORMULE

SYSTEMATISCHE NAAM

HCOOH

methaanzuur

mierenzuur

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 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 kunnen veroorzaken. Daarom verbieden sommige landen

vapen voor jongeren onder de 18 jaar.

Ook de verschillende smaken die aan een e-sigaret

MODULE 02

Hoofdstuk 1

AAN DE SLAG 1 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

C5H12

D C2H4O2

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

H CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

2 Noteer bij elk van deze moleculen de juiste stofklasse.

h CH3-CH2-O-CH3

butaanzuur

b methanal

ethoxypropaan

CH3-CO-CH2-CH2-CH3

HCOOH

CH3-CHO

d fluormethaan

ethaanamine

butaan-2-ol

propylbutanoaat

m CH3-CHI-CH3

n HCONH2

NH2

CH3-CHNH2-CH3

H H | | H—C—C—C | | H H

3 Verbind elk van deze formules met de juiste naam.

methanol

ethaanamide

propanal

b CH3-CH2-COOCH3 c

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

butanon

ethoxybutaan

methylpropanoaat

MODULE 02

CH3-CONH2

d CH3-OH

CH3-CH2-CHO

CH3-CO-CH2-CH3

HOOFDSTUK 1 - AAN DE SLAG

O H | O— C —H | H

4 Welke stofklasse is er waarschijnlijk aanwezig bij deze toepassingen?

wc-luchtverfrisser

wodka

b wc-ontkalker

d het gas dat in een bunsenbrander wordt

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: BRUTOFORMULE

STRUCTUURFORMULE

SKELETNOTATIE

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH

C6H12O2

CH3-(CH2)4-COOH

Stofklassen en hun eigenschappen

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

alkanen

R-H

R-CH=CH-R’

alkenen alkynen

R-C C-R’

alcoholen

R-OH

carbonzuren

R-COOH

R-COOR’

esters

MODULE 02

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

STOFKLASSE

SYNTHESE HOOFDSTUK 1

aroma

HOOFDSTUK 2

Kunststoffen Kunststoffen zijn ingebed in ons dagelijks leven. Denk maar aan je kleding, meubelen, speelgoed, de verpakking van levensmiddelen, medisch materiaal, isolatiemateriaal en bepaalde onderdelen voor de auto-industrie. Ondanks hun voordelen vormen kunststoffen een bedreiging voor het milieu en voor onze gezondheid. Ze zijn hoofdzakelijk gemaakt van fossiele brandstoffen (olie en gas). De winning en verwerking

van die stoffen dragen bij tot de klimaatverandering. LEERDOELEN

M Eigenschappen van kunststoffen verklaren op basis van hun structuur M Weten via welke reactietypes kunststoffen gemaakt worden

M De oorsprong en de eigenschappen van bioplastics toelichten

M Het belang van duurzaamheid bij het ontwikkelen, gebruiken en recycleren van kunststoffen inzien

Vorming van kunststoffen

Als je over kunststoffen leest, duiken heel dikwijls

•

de termen ‘macromoleculen’ en ‘polymeren’ op.

monomeer

Een macromolecule is een molecule die

bestaat uit meerdere duizenden atomen.

dimeer

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

polymeer

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

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

In het volgende hoofdstuk komen de biopolymeren aan bod.

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 verstedelijking wegen zwaar door op die voorraden. Aardolie wordt ook wel het ‘zwarte goud’ genoemd, omdat het een van de belangrijkste

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

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 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

H H C C

H H

C C

H H

… H

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 S Afb. 11 De structuur van polyetheen veelvuldig toegepast in de verpakkings- en voedingsindustrie.

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

…+

C C

Cl H

H H

H H C C

C C

RCl H CH2

Cl H H

CH2 - CHCl

CHCl Cl + CH2

…— C — C — C — C — C — C — C — C —… H

CHCl

H n

C H

CH2

CHCl

H C

CHCl

C H

Cl n

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

MODULE 02

Hoofdstuk 2

VOORBEELD POLYVINYLCHLORIDE (VERVOLG) Pvc kent toepassingen in onder andere raamkozijnen en dakgoten, maar ook vinylplaten zijn uit

1.2

die stof gemaakt.

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 verpakt worden (of in een glazen fles natuurlijk).

n HO C

OH + n HO

O C

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

S Afb. 14 De vorming van nylon

MODULE 02

Hoofdstuk 2

O OH + n H2N

(CH2)6

NH2

(CH2)4

H (CH2)6

+ n H2O

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 n H2N

H Cl N H

O S Afb. 15 De vorming van Kevlar

H H

waterstofbrug

O H O

N O

H O

– 2 n HCl

NH2 + 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.

•

MODULE 02

Hoofdstuk 2

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.

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.

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

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.

voor stopcontacten en

telefoonbehuizingen.

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 — CH2 — N — — CH2 — N — 72

MODULE 02

Hoofdstuk 2

+ n H2O O

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 ook gemakkelijk op in organische oplosmiddelen.

Toepassingen: 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.

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. •

thermoharders: nauwmazig netwerk – niet vervormbaar

•

thermoplast: kluwen van polymeren – vervormbaar

•

elastomeer: grote mazen – elastisch MODULE 02

Hoofdstuk 2

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

gevulkaniseerd rubber

S Afb. 24 Vulkaniseren van 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 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 microplastics 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.

Verbandmateriaal dat exact zoveel lucht kan doorlaten 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 kunststofvezels.

2 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

energierecuperatie Aangezien veel kunststoffen van aardolie

voor het oorspronkelijke gebruik

worden gemaakt, levert de verbranding

of andere doeleinden

recyclage de herwerking van kunststofafval

ervan energie op.

alternatieve brandstof

mechanische recyclage de herwerking van kunststofafval tot kunstofproducten langs fysieke weg

Kunststoffen zijn dankzij hun hoge energiebehoefte een alternatief voor fossiele brandstoffen in

energie-intensieve processen

(bv. cementproductie). chemische recyclage

de herwerking van kunststofafval tot basischemicalieën of

kunststofmonomeren langs

chemische weg

MODULE 02

Hoofdstuk 2

vast huisvuil

De verbranding van kunststofafval

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

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

proces recyclage kunststoffen verwerking tot nieuw product

gesorteerd worden. Vaak gooien we ál het

ophalen plastic

plastic in de pmd-zak, omdat we het verschil op basis van hun vervormbaarheid moeten: •

smelten tot grondstoffen en verder sorteren

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

wassen

verzameld worden om te recycleren: je

sorteren per soort: plastic en niet-plastic wordt gefilterd

doet ze dus gewoon bij het restafval. Autobanden zijn daarop een uitzondering. brengen.

het gesorteerde plastic wordt tot grote balen geperst

S Afb. 26 Het recyclageproces van kunststoffen

TIP

vermalen

Die kun je naar het containerpark

Tip 1: haal alle resten uit de verpakking.

•

transport naar sorteercentrum

tussen de soorten plastics niet kennen. Maar

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

Tip 2: prop verpakkingen niet in elkaar.

Veel mensen gooien met de verpakking

Ook worden verschillende plastic

een restje van de inhoud (eten, shampoo,

verpakkingen in elkaar gepropt. Dat scheelt

verf ...) weg. Daardoor moet recycleerbaar

ruimte, zou je denken, maar zo kan een

plastic toch verbrand worden. Zorg er

sorteermachine de plastics niet goed

dus voor dat je de flessen of andere

scheiden.

verpakkingen goed leegschraapt.

MODULE 02

Hoofdstuk 2

WEETJE Vervolgens worden ze versnipperd en gesmolten.

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.

Van pet tot fleece

Die vezels worden op spoelen gewonden.

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

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

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 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

biologisch afbreekbaar en biobased

bioplastics

Bekijk de video.

biologisch afbreekbaar

traditionele plastics

bioplastics

bv. PE, PP, pet

bv. PLA

biologisch afbreekbaar

gemaakt van fossiele brandstoffen

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.

biodegradeerbaar

MODULE 02

Hoofdstuk 2

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

bananenschil

1 jaar

2-12 jaar

kauwgom minimaal

20 jaar

blikje minimaal

50 jaar

petfles

oneindig

WEETJE

sigarettenpeuk minimaal

opgenomen zonder schadelijke gevolgen voor het milieu. Dat is bij kunststoffen dus niet het geval.

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

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 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.

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.

MODULE 02

Hoofdstuk 2

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 ontworpen met het oog op hergebruik, reparatie, recycling en regeneratie. Het gaat om materiaalkringlopen sluiten en

VOORBEELD TWEEDEHANDSKLEDING

de levensduur van producten maximaliseren.

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 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 katoen, hennep of bamboe. Die materialen kunnen na gebruik worden

Steeds meer merken en ontwerpers creëren

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

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.

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 mode-industrie 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;

•

vooral inzetten op een circulaire economie en Cradle to Cradle.

MODULE 02

Hoofdstuk 2

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

Wees kritisch voor

20 jaar verboden zijn.

Bestudeer ook heel goed

Laat je zeker ook niet

de verpakking. Het product

misleiden door de groene

zelf kan misschien wel

kleur van een verpakking.

duurzaam zijn, maar de

Het is niet omdat er groen

verpakking totaal niet.

in het logo gebruikt wordt, dat het om een milieuvriendelijk product gaat.

MODULE 02

Hoofdstuk 2

Pas ook extra op wanneer er gegoocheld wordt met getallen. Wanneer er sprake is van meer dan 50 % minder waterverbruik, moet je je afvragen waarmee ze dat vergelijken.

AAN DE SLAG 1 Zijn de gegeven reacties polymerisatiereacties of polycondensatiereacties?

– HCl

O C

HO OH + n

OH HC

O C

n H 2O

O H2N

H 2N

N H

+ n H2O O

2 Horen de afbeeldingen bij een thermoharder, thermoplast of elastomeer?

MODULE 02

HOOFDSTUK 1 - AAN DE SLAG

AAN DE SLAG 3 De afbeelding geeft het productieproces van een plastic fles weer.

Is die fles een thermoharder, thermoplast of elastomeer? Verklaar je antwoord.

PRODUCTIELOCATIE 1

PRODUCTIELOCATIE 2

transport

opwarming

preform productie

sluiten matrijs

strekken

blazen

loslaten

4 PGA of polyglycolzuur wordt vaak als oplosbare

hechtdraad bij operaties gebruikt. Glycolzuur, dat

glycolzuur

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

polyglycolzuur

Via welk reactietype wordt PGA gemaakt?

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

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.

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

N N

H2N

+ n H NH2

H N

+ n H 2O

N N

O O

NH2

N N

Volgens welk reactietype wordt MF gemaakt?

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

MODULE 02

HOOFDSTUK 1 - AAN DE SLAG

6 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.

b Leg aan de hand van minstens 1 van de 3 P’s uit waarom bioplastic een verbetering zou kunnen zijn. 7 Beantwoordt de tekst uit dit artikel aan ‘Cradle to Cradle’ of niet?

Hernieuwbaar textiel op de plank

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

8 Ga voor een kledingketen naar keuze na of ze aan greenwashing doen.

Controleer voor die keten de 6 tips op p. 84. 9 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 1 - AAN DE SLAG

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE VORMING KUNSTSTOFFEN Polymerisatiereactie

...

→

VERBAND EIGENSCHAPPEN – STRUCTUUR

→

THERMOPLAST

ELASTOMEER

• •

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

Î De chemische samenstelling van het leven Als we naar leven op andere planeten zoeken, zoeken we in eerste instantie naar water en organische moleculen die altijd het element C bevatten. Water is namelijk de belangrijkste molecule in levende organismen. Daarnaast voeren organische moleculen zowat alle taken van het leven uit. Maar wat is

het verband tussen de structuur en de eigenschappen van die moleculen? LEERDOELEN

M De structuur en de functie van de vier belangrijke groepen van biomoleculen toelichten: sachariden, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren

M Het belang van biomoleculen (sachariden, eiwitten en lipiden) toelichten

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 %

W 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.

0,2 %

MENS 1,5 % 5 % 0,3 %

13 %

65 %

15 %

anorganische stoffen:

water

andere anorganische stoffen

organische stoffen:

eiwitten

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.

MODULE 02

hoofdstuk 3

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.

2.1

Sachariden

Monosachariden en disachariden

Ze vertegenwoordigen ongeveer 30 % van de chemische samenstelling van cellen.

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.

O 1

HO H H

2 3

C C C

CH2OH

H OH

4 5

3D-beeld glucose

CH2OH C

CH2OH

4 5

VIDEO

CH2OH

fructose

glucose H

H HO

CH2OH VIDEO

3D-beeld fructose

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

CH2OH

fructose CH2OH

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)

Fructose (of vruchtensuiker) is net als glucose

dient vooral als energiebron

een molecule met 6 koolstofatomen, maar heeft

en als bouwsteen van sommige

een andere ringvorming. Fructose komt vooral

polysachariden. Glucose heeft een

voor in vruchten, bijvoorbeeld vijgen, en dient

typische 6-ring met een O-atoom in.

als energiebron. Fructose heeft een typische 5-ringstructuur met een O-atoom erin.

CH2OH

O HO

CH2OH

OH OH

S Afb. 33

DISACHARIDEN

S Afb. 32

Sucrose (ook sacharose of

Lactose (of melksuiker) is een disacharide die

kristalsuiker genoemd) is een

opgebouwd is uit galactose en glucose. Het komt

disacharide van glucose en fructose.

vooral voor in melk en melkproducten, en dient

Sucrose is bekend als tafelsuiker en

als energiebron. Lactose maakt ongeveer 4-5 % uit

wordt gewonnen uit suikerbieten of

van koemelk.

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.

suikerriet.

CH2OH

HO glucose

CH2OH OH

fructose

CH2OH

CH2OH O

O O

OH OH

S Afb. 34

S Afb. 35

galactose

MODULE 02

hoofdstuk 3

glucose

Polysachariden

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

S Afb. 37 Glycogeen

S Afb. 36 Glycogeen wordt opgeslagen in de levercellen.

CH2OH

Levercellen gezien met een lichtmicroscoop. Hun kernen zijn paars gekleurd.

CH2OH

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

O O

O OH

CH2OH O

O O

OH OH

S Afb. 39 Amylose

uitvergroting van zetmeelkorrels S Afb. 38 Aardappelcellen bevatten zetmeelkorrels.

W Afb. 40 Amylopectine

MODULE 02

hoofdstuk 3

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

O O

NH O

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

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. De meeste dieren kunnen cellulose

niet zelf afbreken.

CH2OH

cellulosevezel

CH2OH O

O O

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

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 moedermelk afbreekbaar. De productie van lactase eindigt nadat het zogen stopt. Dat is ook zo bij de

diarree, opgeblazen gevoel, winderigheid, buikpijn

S Afb. 43 Schematische voorstelling van lactose-intolerantie

mens, maar het gebeurt dus niet bij iedereen. Door

dikke darm

gevoel, buikpijn, diarree en winderigheid nadat je

H2 CO2 azijnzuur melkzuur

lactose-intolerantie zijn dan ook een opgeblazen

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.

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

MODULE 02

hoofdstuk 3

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 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.

O OH

O OH + HO

glycerol

3 vetzuren

+ 3 H2O

O 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

VERZADIGDE VETTEN

glycerol

ONVERZADIGDE VETTEN

glycerol

vetzuurstaarten

O O

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. 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 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.

H2N

O–

aminozuur

fosfaat

apolaire vetzuurstaarten

polaire kop

glycerol

dubbellaag W 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

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.

Een voorbeeld van een steroïde is cholesterol. Dat is

cholesterol

S Afb. 49 De structuurformule van cholesterol

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: • de geslachtshormonen (voorbeelden: progesteron, testosteron en oestradiol); • de bijnierschorshormonen (voorbeelden: cortisol en aldosteron);

• vitamine D.

progesteron

vitamine D3

oestradiol (het belangrijkste oestrogeen)

testosteron

W 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. Aminozuren zijn moleculen met een centraal koolstofatoom met vier bindingen:

H aminogroep

• een aminogroep (-NH2); • een H-atoom;

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

NH2

COOH carboxygroep

R restgroep

centraal C-atoom

S Afb. 51 De algemene structuurformule van een aminozuur

MODULE 02

hoofdstuk 3

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. 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 alanine (Ala – A)

isoleucine (Ile – I)

arginine (Arg – R)

leucine (Leu – L)

asparagine (Asn – N)

lysine (Lys – K)

asparaginezuur (Asp – D)

methionine (Met – M) threonine (Thr – T) tryptofaan (Trp – W) valine (Val – V)

fenylalanine (Phe – F)

histidine (alleen voor zuigelingen) (His – H)

cysteïne (Cys – C)

glutamine (Glu – Q)

glutaminezuur (Glu – E) glycine (Gly – G)

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.

100

MODULE 02

hoofdstuk 3

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

aminozuur 2

H C

COOH

NH2

R2 hydrolyse

NH2

condensatie

COOH + H2O

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

W 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.

peptidebinding

De 3D-structuur van eiwitten

‘hydro’ = water ‘lyse’ = afbraak

R1 dipeptide

COOH

NH2

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. 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.

NH2

COOH

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

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

R O N

H Ser

R O N

H Ile

R O N

H Cys

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

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.

MODULE 02

hoofdstuk 3

101

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 H

ruggengraat

N O

N C

restgroep

waterstofbrug

H O

R O C N

C O

R H C

MODULE 02

C O

102

C C N

hoofdstuk 3

R O C N

H N

C O

R H

N H

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

O C N

H N

C O

N H

O C N

H R

C C N

waterstofbrug

R H

C C N

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).

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

CH2

O C

disulfidebinding

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.

MODULE 02

hoofdstuk 3

103

Ile

N-terminus NH2

Ile

Thr

Val

Thr

Gln

Cys

peptidebinding

H N

H C

C R

H R

N H

C R

N C

C N

O C

COOH C-terminus

C C

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

R R

H N C O C O C N H C

H O

N C C

N C

C H

β-platen

N H C

H O

N C

Asn

O N

Glu

Leu

Cys

Tyr

N C

α-helices

Gln

Tyr

aminozuren

Leu

Cys

Gln

Ser

Gly

SECUNDAIRE STRUCTUUR

Cys

PRIMAIRE STRUCTUUR

TERTIAIRE STRUCTUUR

QUATERNAIRE STRUCTUUR

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

104

MODULE 02

hoofdstuk 3

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 opgebouwd uit eiwitten. Transport

W Afb. 59

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

Communicatie

W Afb. 60

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

W Afb. 61

op peil te houden. 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

enzym

actief centrum

onveranderd enzym

W Afb. 62 De afbraak van een substraatmolecule tot twee reactieproducten via de vorming van een enzymsubstraatcomplex

MODULE 02

hoofdstuk 3

105

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. het eiwit.

• De aminozuurketens vormen 3D-structuren. Die zijn noodzakelijk voor de functie van • 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).

–

106

MODULE 02

hoofdstuk 3

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–

CH2

O–

monosacharide

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

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. 2

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

N O

adenine (A)

cytosine (C)

NH2

O HN

CH3

H2N

CH2

O–

guanine (G)

NH2 N

O O–

HN O

–

OH desoxyribose

RNA

NH2

thymine (T)

O N

N O

adenine (A)

cytosine (C)

O HN

HN N guanine (G)

H2N

uracil (U)

OH OH ribose

MODULE 02

hoofdstuk 3

107

AAN DE SLAG 1

Zetmeel komt voor in de cellen van aardappels en

Bekijk de afbeeldingen. a

heeft de onderstaande structuur. CH2OH

CH2OH O

b Verklaar.

polysachariden, proteïnen of lipiden?

CH2OH O

Welke groep biomoleculen herken je:

b Leg uit waaraan je die groep herkent. 2

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

HO CH2OH OH

polysachariden, proteïnen of lipiden?

Is fructose een monosacharide, disacharide of polysacharide?

b Verklaar. c

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

Hieronder staan enkele suikers opgesomd. a

Zijn het monosachariden, disachariden of polysachariden?

b Hoe zie je dat?

1 maltose

Duid de glycosidische bindingen aan op de polysacharide.

glucose O

CH2OH

O OH

glucose

fructose

O OH OH

O OH

108

MODULE 02

CH2

CH2OH

CH2

H OH

O OH

OH OH

CH2OH OH

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

O H OH

H OH H

CH2

O H

H H

CH2OH

OH H

zoals groene bonen en sojabonen.

H OH

CH2OH

Komt voor in verschillende groenten,

OH HO

5 stachyose

CH2OH

4 sucrose

CH2OH

H OH

OH OH

CH2OH

H OH

CH2 O H OH

H O

H OH

O H H

Link de begrippen aan de juiste afbeelding.

b Hoe zie je dat? 2 H2N

N H

H N

tripeptide

dipeptide

NH2 C3H7NO2S

D d

CH2

CH2 CH2

CH2 O

CH2

CH3

O– C

CH2

CH2 O

CH2

CH3+

polypeptide

N H

O–

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

Welke van deze vetzuren zijn verzadigd en welke onverzadigd?

aminozuur

Bekijk de vetzuren.

MODULE 02

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

109

AAN DE SLAG 9

Welke drie essentiële onderdelen herken je in dit

10 Bekijk de afbeeldingen.

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. • 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 …

nucleotide? Duid aan op de afbeelding en benoem.

11 Lees het artikel over suikers en beantwoord de

Welke biomoleculen zie je?

b Welke functie hebben ze?

Wat is het verschil tussen snelle en trage suikers?

b Geef een voorbeeld van snelle suikers. c

Geef een voorbeeld van trage suikers.

d Welke suikers kun je het best consumeren en wanneer? e

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

110

MODULE 02

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

12 Juist of fout? Verbeter het onderlijnde indien nodig.

De basisbouwsteen van eiwitten zijn

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

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

Fructose, sucrose en glucose zijn voorbeelden van aminozuren. de tertiaire structuur van een eiwit.

De aangeduide binding is een glycosidische binding.

OH H

O OH

HO OH

O H

Meer oefenen? Ga naar

O H

d Deze afbeelding is een voorstelling van

De onderstaande toepassing is een typische toepassing voor eiwitten.

MODULE 02

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

111

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

Opgebouwd uit

Voorbeelden

Functies

enkelvoudige

• glucose

energiebron

suikers

• fructose

O OH

twee

• sucrose

monosachariden

• lactose

polysachariden

meerdere

• glycogeen

bv. zetmeel

monosachariden

• zetmeel

disachariden

bv. lactose

CH2OH

energiebron

CH2OH

glucose

galactose

112

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

Opgebouwd uit

Functies

glycerol glycerol (-OH)vetzuurstaarten en drie vetzuren

• energiereserve

O • verzadigde vetzuren (-C-C-)

• isolatie

• onverzadigde vetzuren (-C=C-) O

O O O

O O

glycerol, twee vetzuren en

fosfolipiden

O–

onverzadigde binding

O O

aminozuur

opbouw membranen

een fosfaatgroep

O O

H2N

• waterafstoting • vetoplosbare vitaminen

fosfaat

glycerol

polaire kop

apolaire vetzuurstaarten

steroïden

opbouw membranen

daarop functionele groepen

bv. cholesterol

vier ringvormige moleculen met

cholesterol

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

aminozuren

Opgebouwd uit

Functies

moleculen met een centraal

opbouw eiwitten

koolstofatoom met vier bindingen:

aminogroep aminozuur 1

NH2

COOH

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

113

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

= polymeren van nucleotiden Functies

• een monosacharide (ribose

• energiehuishouding

Opgebouwd uit

nucleotiden

N-base

voor RNA en desoxyribose

voor DNA)

fosfaatgroep

• een stikstofhoudende base

–

(adenine, cytosine, guanine,

CH2

O–

monosacharide

114

MODULE 02

thymine en uracil)

• een fosfaatgroep

SYNTHESE HOOFDSTUK 3

• 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

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

• het onderscheid toelichten

aanzuigen H2O

• toelichten waar de

tussen reacties op een prikkel bij plantaardige en

• de belangrijkste

fotosynthese gebeurt;

onderdelen van het

• toelichten welke stoffen

spijsverteringsstelsel

dierlijke organismen;

er bij de fotosynthese

• het onderscheid maken

herkennen en benoemen;

nodig zijn als reagentia, en

• de belangrijkste

tussen een plantaardige en

welke reactieproducten er

onderdelen van het

een dierlijke cel;

worden gevormd;

ademhalingsstelsel

in plantaardige en dierlijke cellen herkennen en

herkennen en benoemen.

onderdelen van een plant herkennen en benoemen.

benoemen.

• de belangrijkste

• de belangrijkste organellen

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.

116

• 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. Die energie wordt gehaald uit de afbraak van energierijke koolstofverbindingen, zoals glucose. De bron van glucose kan verschillen: zo zijn er organismen die zelf hun energierijke C-verbindingen aanmaken, terwijl andere organismen ze moeten opnemen. Vervolgens moet de systeem. Laten we dat even in detail bekijken. LEERDOELEN

energie opgeslagen en getransporteerd kunnen worden. Daarvoor maken cellen gebruik van het ATP-ADP-

M De belangrijkste vorm van energie in een cel herkennen en benoemen M Het principe van celademhaling uitleggen

M Het verschil tussen aerobe en anaerobe ademhaling beschrijven

Autotrofe en heterotrofe organismen

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.

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.

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

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

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

In een ecosysteem vormen heterotrofen de consumenten en de detrivoren.

hoofdstuk 1

117

ALLE ORGANISMEN

AUTOTROOF

HETEROTROOF

koolstofdioxide (CO2)

organische moleculen

FOTOAUTOTROOF

cyanobacteriën

zwavelbacteriën

planten

nitrificerende bacteriën

VOORBEELDEN

zonlicht

CHEMOAUTOTROOF oxidatie van anorganische moleculen

FOTOHETEROTROOF zonlicht

CHEMOHETEROTROOF oxidatie van anorganische moleculen

heliobacteriën

meeste schimmels

purperbacteriën

dieren

ENERGIEBRON

KOOLSTOFBRON

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

AUTOTROFE ORGANISMEN

lichtenergie

fotosynthese

synthese van

energierijke Cchemische chemosynthese verbindingen energie

HETEROTROFE ORGANISMEN via voeding energierijke opnemen

celademhaling energierijke C-verbindingen omzetten in energiearme verbindingen

energieproductie voor de levensprocessen

118

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

de moleculen ATP en ADP. Daarom spreek je van een universeel ATP-ADP-systeem.

• ATP is de afkorting van ‘adenosinetrifosfaat’ (P van phosphate).

Een ATP-molecule is een energierijke verbinding die opgebouwd is uit een aaneenschakeling van

• ADP is de afkorting van

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 volgende bouwstenen:

‘adenosinedifosfaat’.

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

• de organische base adenine. NH2 N O–

O–

O O

O–

CH2

O– OH

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–

CH2

O–

energie

O–

fosfaat (Pi )

ADP

W Afb. 3 ADP bevat minder energie.

De reactievergelijking van de afbraak van ATP kun je vereenvoudigd als volgt schrijven:

ATP → ADP + Pi + energie (± 30

kJ mol

P staat voor phosphate (fosfaat).

)

I staat voor inorganic (anorganisch).

MODULE 03

hoofdstuk 1

119

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

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

bouw van organellen

S Afb. 4

energie

beweging (arbeid)

transport van moleculen

elektrische energie / licht

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

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

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

biceps

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.

120

MODULE 03

hoofdstuk 1

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

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.

REACTIEVERGELIJKING

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.

BESCHRIJVING PROCES De celademhaling start met de afbraak van

glucose pyrodruivenzuur

een molecule glucose (C6H12O6) tot twee

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

moleculen pyrodruivenzuur (een verbinding met drie koolstofatomen).

Dat proces levert voldoende energie om per molecule glucose twee moleculen ATP aan te 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 pyrodruivenzuur tot CO2 in de mitochondriën stelt veel

energie vrij. Die energie wordt gebruikt om

glucose zuurstofgas

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

121

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.

• 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. H2CO3

→

←

→

waterstofcarbonaat

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.

←

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.

weefsels

CO2 + Hb

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

Andere cellen, zoals melkzuurbacteriën of

wordt pyrodruivenzuur in afwezigheid van O2

spiercellen, zetten in afwezigheid van O2

omgezet in ethanol. 2 C3H4O3

→

pyrodruivenzuur

122

MODULE 03

MELKZUURGISTING

hoofdstuk 1

2 CO2 + 2 C2H5OH ethanol

pyrodruivenzuur om in melkzuur. 2 C3H4O3

→

pyrodruivenzuur

2 CH3CHOHCOOH 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 celmembraan

melkzuur

celmembraan

mitochondriën

2 ATP

34-38 ATP

W 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

) → ATP mol ←

MODULE 03

hoofdstuk 1

123

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 het risico op verzuring.

Het herstel van verzuurde

spieren gaat vrij snel:

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

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.

124

MODULE 03

hoofdstuk 1

AAN DE SLAG 1

De eerste fase in de oxidatie van glucose is

de glycolyse. Wat betekent de term ‘glycolyse’? 2

Wat is het verschil tussen een ATP- en een ADPmolecule?

Tijdens de aerobe celademhaling en

de fotosynthese gaat het telkens om

Wat is het verschil tussen aerobe en anaerobe celademhaling?

energieomzettingen. Leg uit. 7 3

Schrijf de reactievergelijkingen van de aerobe

Welke reactie zie je hieronder, de glycolyse of de aerobe celademhaling?

celademhaling en de fotosynthese onder elkaar. C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi → 2 C3H4O3 + 2 ATP

(Om de massabalans te laten kloppen, zet je daarbij 6 H2O voor de pijl en 12 H2O achter de pijl.) 4

Een ATP-molecule bestaat uit drie belangrijke

Meer oefenen? Ga naar

onderdelen. a

Welke?

b Duid aan op de afbeelding. NH2 N O–

O–

O O

O–

CH2

O–

ATP

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

Bij de splitsing van ATP komt energie vrij die andere processen kan aandrijven (exergoon). NH2

O P

O–

CH2

O–

energie

O–

ADP

fosfaat

ADP bevat minder energie.

O–

MODULE 03

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

125

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE 1 AUTOTROOF VERSUS HETEROTROOF AUTOTROFE ORGANISMEN lichtenergie

fotosynthese

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

energieproductie voor de levensprocessen

ENERGIEHUISHOUDING IN ELKE CEL

universeel ATP-ADP-systeem

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.

O–

ATP

–

NH2

–

CH2

–

3 fosfaatgroepen

ribose

adenine

Wanneer een fosfaatgroep afgesplitst wordt van ATP, ontstaat er ADP

ADP

(adenosinedifosfaat) en komt er energie vrij. NH2 N O O–

O O

O–

CH2

MODULE 03

SYNTHESE HOOFDSTUK 1

O–

OH fosfaat (Pi )

reactievergelijking

126

P O–

ATP

O–

ADP

van de afbraak van

ATP → ← ADP + Pi + energie (± 30

kJ mol

)

energie

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

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

127

HOOFDSTUK 2

Î Verkenning van weefsels in plantaardige systemen Wie een tuin heeft of kamerplanten in huis heeft staan, weet dat 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 dit hoofdstuk. LEERDOELEN

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

M Uitleggen hoe de nodige stoffen worden getransporteerd en aangemaakt door de verschillende weefsels

van plantaardige systemen

Fotosynthese: synthese van energierijke koolstofverbindingen Groene planten, wieren, algen en sommige bacteriën

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

buitenmembraan

de plant. Bij de meeste planten vormen de bladeren de

intermembraanruimte

belangrijkste organen waar fotosynthese plaatsvindt.

binnenmembraan DNA

Tijdens het fotosyntheseproces wordt er via een hele reeks reacties glucose aangemaakt uit water en

granum

koolstofdioxide. De energie die daarvoor nodig is, wordt door chlorofyl opgevangen uit het zonlicht. lamellen

stroma

ribosoom thylakoïden

zetmeelkorrel

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

128

MODULE 03

hoofdstuk 2

De fotosynthesereactievergelijking kun je als volgt vereenvoudigd voorstellen: φοτος (photos) is Grieks voor ‘licht’.

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

nerf

zonlicht

blad

stengel

cel in het blad bladgroenkorrel

bladgroenkorrels

glucose zuurstofgas

huidmondje water vervoerd door de nerven

opname van koolstofdioxide via huidmondje

water

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

129

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

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.

130

MODULE 03

hoofdstuk 2

S Afb. 15

VERDIEPING LANDPLANTEN

Omdat planten zuurstofgas produceren, noemt 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.

EENCELLIGE EUKARYOTEN bv. oogdiertjes (Euglena sp.)

CYANOBACTERIËN

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

MODULE 03

hoofdstuk 2

131

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 de opbouw van andere moleculen, zoals eiwitten en vetten, of opgeslagen als reservestof. 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 de richting van de wortels.

water

houtvaten

bladgroenkorrel

blad

cel in het blad

zeefvaten

glucose

huidmondje

koolstofdioxidegas

zuurstofgas

MODULE 03

hoofdstuk 2

zeefvaten (floëem) deelweefsel

opname van water en mineralen

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

132

houtvaten (xyleem)

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.

De wortel

Als je het preparaat van de dwarsdoorsnede van een wortel bekijkt, kun je verschillende

S Afb. 17 Het transportweefsel in een selderplant, zichtbaar gemaakt met kleurstof

weefsels waarnemen. Centraal in de wortel zie je een cirkel met daarin grote cellen die

Er zijn twee soorten transportweefsel:

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

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

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

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

4 epidermis 3 cortex met parenchym

2 floëem met zeefvaten 1 xyleem met houtvaten

uit de bodem worden opgenomen.

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

MODULE 03

hoofdstuk 2

133

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 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.

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

134

MODULE 03

hoofdstuk 2

4 epidermis 3 parenchym 1 xyleem met houtvaten 2 floëem met zeefvaten 5 meristeem

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 huidmondje. Als de huidmondjes geopend zijn, kunnen er

gassen worden uitgewisseld met de omgeving.

cuticula

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

cuticula

luchtholte

5 bovenepidermis

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

MODULE 03

hoofdstuk 2

135

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 ook voor het opwaartse transport van water in een plant.

floëem

xyleem

opwaarts transport naar de bladeren

fotosyntheseproducten

glucose

water en mineralen

open neerwaarts transport

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.

136

MODULE 03

hoofdstuk 2

AAN DE SLAG 1

Benoem op de afbeeldingen:

Bestudeer de microscopische doorsnede van het blad.

bladgroenkorrels – huidmondje – water – zuurstofgas – koolstofdioxide – stralingsenergie A

blad cel in het blad

stengel

Welke stoffen die nodig zijn voor de

fotosynthese, worden vanuit de wortel via het

transportweefsel vervoerd tot in het blad?

4 6 glucose

b Welke stoffen die nodig zijn voor de

fotosynthese, komen het blad binnen via de huidmondjes?

lucht

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.

Teken met pijltjes de plaats waar

de gasuitwisseling plaatsvindt.

komen voor in elke plant?

glucose

Welke mechanismen voor het watertransport

Bekijk de afbeeldingen.

Wat doet de plant met de gevormde glucose

(na de fotosynthese)?

Welk weefsel zorgt voor het transport van stoffen

5 4

van de wortel tot het blad? a

parenchym

b xyleem c

7 8

floëem

d epidermis

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

Definieer het begrip ‘assimilatie’.

Benoem de onderdelen van de plant.

b Gaat het om een afbeelding van de wortel, de stengel of het blad?

Meer oefenen? Ga naar

MODULE 03

hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

137

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

zuurstofgas of dizuurstof (O2)

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

water (H2O)

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

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

138

MODULE 03

SYNTHESE HOOFDSTUK 2

HOOFDSTUK 3

Î Verkenning van weefsels en celtypes in dierlijke systemen Het menselijk lichaam bestaat uit zo’n 100 000 miljard verschillende cellen. Een groep cellen die een gelijke functie uitvoeren, vormen een weefsel. Verschillende weefsels die samen een bepaalde taak uitoefenen, vormen een orgaan. Verschillende organen die samen een functie uitoefenen, vormen dan weer een

orgaanstelsel. Alle orgaanstelsels samen in het geheel van het lichaam zijn één groot stelsel. In dit hoofdstuk bekijk je een aantal voorbeelden van hoe cellen in dierlijke systemen zich ontwikkelen om een specifieke functie uit te oefenen. LEERDOELEN

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

organen anderzijds

Celdifferentiatie en stamcellen

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

ORGANISME

STELSEL

ademhalingsstelsel

MICROSCOPISCH ORGANISATIENIVEAU waar te nemen met een lichtmicroscoop

ORGAAN

WEEFSEL

CEL

luchtpijp

trilhaarweefsel

trilhaarcel

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

139

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 aantal celtypes kunnen differentiëren. Een voorbeeld zijn de stamcellen van het beenmerg. Zij zorgen onder

De functie van de verschillende leukocyten komt aan bod in module 04.

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

• de witte bloedcellen of leukocyten voor de immuniteit.

TOTIPOTENT

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

bevruchte eicel

totipotente stamcellen

blastocyt

embryo

PLURIPOTENT

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.

bindweefselstamcellen

MULTIPOTENT 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.

140

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 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

cel

celkern

uitoefenen.

cel

celkern

plaveiselcelepitheel of afgeplat epitheel locatie: in het hart

trilhaarepitheel locatie: ademhalingsstelsel

SOORTEN EPITHEELCELLEN

cel celkern

cel

celkern kubisch epitheel locatie: in de nieren

cilindrisch epitheel locatie: in de darmen

cel celkern cel celkern overgangsepitheel locatie: in de blaas

meerlagig afgeplat verhoornd epitheel locatie: in de huid

W Afb. 23 Soorten epitheelcellen en hun functie

MODULE 03

hoofdstuk 3

141

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

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 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 oppervlaktevergroting, wat heel belangrijk is voor een goede darmfunctie.

darmvlokken of darmvilli

darmplooi darmholte darmvlokken of villi

laag kringspieren laag lengtespieren

steunweefsel

microvilli

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

142

MODULE 03

hoofdstuk 3

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

1 halfcirkelvormige kanalen 2 voorhof

door geluidsreceptoren en omgevormd worden tot zenuwimpulsen.

evenwichtszenuw

gehoorzenuw

3 slakkenhuis

ovaal venster

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

143

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

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

144

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 cellen (de cellen van Schwann).

neurotransmitters

dendrieten

axon myelineschede

cellichaam

celkern knoop van Ranvier

3D-beeld neuron VIDEO

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

145

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

Motorische of efferente neuronen

lang zijn en je hele arm of been overbruggen.

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

Een motorisch neuron heeft korte dendrieten en een lang axon met myeline.

Schakelneuronen

Dat axon kan tot meer dan een meter lang zijn.

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.

146

MODULE 03

hoofdstuk 3

2.5 Voorbeeld structuur spiercellen 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

S Afb. 29 Soorten spierweefsel

Glad spierweefsel

skeletspierweefsel

hartspierweefsel

glad spierweefsel

onderscheiden: glad spierweefsel, skeletspierweefsel en hartspierweefsel.

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

147

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

• De eiwitdraden zijn van het ‘snelle

type’, waardoor rode spiervezels niet

type’, waardoor ze snel en krachtig

explosief samentrekken en minder kracht

samentrekken.

Door de sterke doorbloeding wordt er

opwekken.

Doordat witte spiervezels minder doorbloed

snel relatief veel zuurstofgas aangebracht,

zijn en een grotere diameter hebben, raakt

dat door de kleine diameter van de rode

de voorraad zuurstofgas onvoldoende

spiervezels gemakkelijk alle delen van de

snel aangevuld en moet de spiervezel

cel bereikt. De mitochondriën kunnen lange

overschakelen op anaerobe celademhaling.

tijd ATP maken op basis van de aerobe

Daarbij ontstaat er melkzuur, waardoor de

spiervezel vermoeid raakt en er spierkramp

niet snel verzuren en vermoeid raken.

kan ontstaan.

WEETJE

celademhaling, waardoor rode spiervezels

Sprinters hebben een groter percentage aan witte spiervezels in hun spieren dan

marathonlopers, die vooral over rode spiervezels beschikken. De verhouding tussen witte en rode spiervezels is erfelijk bepaald. Hoe hard iemand met overwegend rode spiervezels ook traint, hij of zij zal nooit een spurter worden. Omgekeerd zal iemand met overwegend witte spiervezels nooit een kampioen marathonlopen worden.

Hartspierweefsel

Hartspierweefsel is net als skeletspierweefsel dwarsgestreept door de sterke ordening van eiwitdraden. Daardoor kan het hart snel en krachtig samentrekken. Hartspierweefsel bestaat wel uit individuele cellen, die vertakt zijn. De verschillende hartspiercellen zijn door middel

van speciale structuren (intercalaire schijven) stevig met elkaar verbonden. Een hartspier mag immers niet scheuren. Langs die intercalaire schijven kunnen hartspiercellen impulsen aan elkaar doorgeven, waardoor ze achtereenvolgens contraheren en het hart als het ware wordt leeg gewrongen. Doordat de hartspiercellen impulsen aan elkaar kunnen doorgeven, klopt een hart autonoom en hoeft niet elke cel apart een impuls van een zenuwcel te ontvangen.

hartspiercel

148

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;

zweepstaart

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

kraagstuk met mitochondriën

kern

middenstuk

kop

S Afb. 31 De bouw van een zaadcel

blaasje

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.

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 blijft draaien, maar dat is niet zo. Sperma heeft namelijk een slimme manier gevonden om toch vooruit te komen: rollend. Je kunt het vergelijken met speelse otters die als een kurkentrekker door het water bewegen. Op die manier komen ze toch vooruit.

2.7 Voorbeeld structuur rode bloedcellen en hun functie in het ademhalingsstelsel Cellen in zoogdieren gebruiken de aerobe celademhaling om glucose te oxideren en ATP aan te maken. Voor de aerobe celademhaling is de aanwezigheid van zuurstofgas essentieel: • Via het ademhalingsstelsel adem je verse lucht (zuurstofgas) in.

• De longblaasjes in de longen zijn omgeven door dunne longhaarvaten 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.

MODULE 03

hoofdstuk 3

149

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)

zuurstofarm bloed

zuurstofrijk bloed

zuurstofgas (O₂) koolstofdioxide (CO₂)

zuurstofarm bloed

zuurstofrijk bloed

longhaarvat

longlucht in longblaasje

longhaarvat

zuurstofgas (O₂)

koolstofdioxide (CO₂)

zuurstofrijk bloed

Hb + O₂ → HbO₂

transport naar de weefselcellen

HbO₂ → Hb + O₂

weefselcel

zuurstofgas wordt in de cel verbruikt voor de energieproductie

zuurstofarm bloed

S 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

150

MODULE 03

hoofdstuk 3

AAN DE SLAG Waar passen deze begrippen? organisme – cel – orgaan – stelsel – weefsel

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? Bekijk deze afbeelding. 3

4 6

Welk soort cel zie je?

b Benoem de onderdelen.

Hoe is die cel aangepast aan haar functie?

Meer oefenen? Ga naar

MODULE 03

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

151

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE RELATIE TUSSEN DE STRUCTUUR EN FUNCTIE VAN CELTYPES Levensnoodzakelijke

Stelsel zijn opgebouwd uit

Een orgaan bestaat uit

Weefsels zijn opgebouwd

functies in meercellige

organen.

meerdere weefsels,

uit cellen.

organismen worden

die met elkaar

uitgevoerd door

samenwerken.

Voorbeeld: ademhalingsstelsel

verschillende stelsels.

Voorbeeld:

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

epitheelcellen

zaadcellen

152

MODULE 03

SYNTHESE HOOFDSTUK 3

zintuigcellen

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

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

JE KUNT AL ...

• uitleggen dat witte bloedcellen belangrijk zijn voor de immuniteit.

kunnen leiden tot infecties.

JE LEERT NU ...

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

154

• 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 voedsel dat besmet is met toxines, een infectie door virussen of bacteriën ... Het zijn allemaal voorbeelden van situaties die een reactie van je immuunsysteem uitlokken. Lichaamsvreemde stoffen vormen namelijk vaak een gevaar voor je lichaam en moeten daarom verwijderd worden. Dat geldt ook voor ziekteverwekkers of pathogenen die zich vermenigvuldigen nadat ze het lichaam zijn binnengedrongen. Het is van essentieel belang dat je lichaam

een onderscheid kan maken tussen lichaamseigen en lichaamsvreemde moleculen en cellen. LEERDOELEN

M De werking van het immuunsysteem beschrijven en het belang ervan uitleggen M Het verschil tussen niet-specifieke en specifieke immuniteit toelichten

Het belang van immuniteit

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.

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

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. 2 Houten splinter in een hand

MODULE 04

hoofdstuk 1

155

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

SPECIFIEKE OF VERWORVEN IMMUNITEIT

Dit deel van het immuunsysteem omvat:

Wanneer de niet-specifieke immuniteit

• de verdedigingsmechanismen van

onvoldoende is, komt dit type immuniteit

het lichaam tegen het binnendringen

in actie.

in de weefsels;

• De cellen en moleculen richten

• de cellen en moleculen die als eerste

zich specifiek tegen één bepaalde

reageren bij een infectie. Elk van die

ziekteverwekker, lichaamsvreemde stof of

cellen en moleculen heeft een niet-

kankercel.

specifieke, brede werking. Ze richten

• Dit type immuniteit zorgt er ook voor dat er een geheugen ontstaat. Er blijven

lichaamsvreemde stoffen en kankercellen.

geheugencellen achter die ervoor zorgen

zich tegen allerhande ziekteverwekkers,

dat er bij een volgende infectie een snellere 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 werking tegen ongewenste stoffen en cellen.

• Specifieke immuniteit heeft één ongewenste stof of organisme als doelwit en zorgt voor

geheugen.

156

MODULE 04

hoofdstuk 1

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

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. Moleculen

Cellen

In het lichaam komen verschillende types witte bloedcellen (leukocyten) voor die behoren tot de niet-specifieke immuniteit. Op p. 166-167 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

157

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.

opperhuid met basale laag

lederhuid

onderhuids bindweefsel

S Afb. 3 De huid bestaat uit verschillende weefsels in drie lagen, waarvan de opperhuid de bovenste laag is.

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 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.

158

MODULE 04

S Afb. 4 Ingekleurd SEM-beeld van de huid met een afschilferende dode huidcel

hoofdstuk 1

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 een aaneengesloten laag epitheelcellen. Het epitheel bestaat uit

trilharen van het epitheel

verschillende celtypes. • Een van die types produceert het bemoeilijkt het binnendringen van

epitheelcel

ziekteverwekkers en vormt dus een fysische barrière. In het slijm komen ook stoffen voor zoals zouten, enzymen en afweerstoffen, die ziekteverwekkers chemisch kunnen

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.

slijm dat de vliezen bedekt. Dat

rode bloedcel

vernietigen. • Een ander type epitheelcel van komen bijvoorbeeld voor in de

het slijmvlies bevat trilharen. Die 10 µm

luchtwegen, eileiders en baarmoeder. Trilhaarbewegingen voeren het slijm, samen met de cellen en stoffen die erin gevangen zijn, weg.

S Afb. 5 Ingekleurd SEM-beeld van de luchtpijp, waarin epitheelcellen met trilharen voorkomen

Ook niezen zorgt ervoor dat

losmazig bindweefsel

slijm mechanisch uit het lichaam verwijderd wordt.

De slijmvliezen komen vooral in contact met veel onschadelijke 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

S Afb. 6 Microscopisch beeld van de vaginale flora. De kleine staafjes zijn bacteriën.

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

159

2.3 De tweede verdedigingslijn: niet-specifieke immuniteit A

Lymfe is een heldere, kleurloze vloeistof die door het lymfestelsel van het lichaam circuleert. Vanaf p. 162 gaan we daar dieper op in.

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: • 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.

Het Engelse woord antigen is afgeleid van antibody generator. Antigenen zijn lichaamsvreemde moleculen of delen ervan die een immuunreactie opwekken.

Antigenen in het lichaam

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 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 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.

infectie door pathogenen

blootstelling aan schadelijke stoffen

beschadigde cellen cytokines worden vrijgesteld S Afb. 7 De start van een ontstekingsreactie

160

MODULE 04

hoofdstuk 1

bloedvat

rode bloedcel

verhoogde doorlaatbaarheid van bloedvaten

immuuncel

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 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. 9 Roodheid en zwelling bij een ontstoken oog

S Afb. 8 Roodheid en zwelling bij een ontstoken teen

MODULE 04

hoofdstuk 1

161

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

weefselcellen

weefselvocht

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 lymfevaten, de lymfe, toegevoegd aan het bloed. De lymfevaten verbinden verschillende lymfoïde organen en weefsels in het lichaam: Op p. 163-164 bespreken we vijf lymfoïde organen.

• Voorbeelden van lymfoïde organen zijn het

beenmerg, de thymus, de lymfeknopen, de milt en de amandelen. Die organen bestaan grotendeels uit lymfoïde weefsels.

• Daarnaast komt lymfoïd weefsel ook op andere

slagader

lymfevat

ader

S Afb. 10 Het lymfatisch systeem

plaatsen in het lichaam voor, zoals in de luchtwegen en urinewegen, en onder de epitheellaag

van de slijmvliezen van de darm.

thymus

keelamandelen

beenmerg

lymfeknoop

appendix S Afb. 11 Belangrijke lymfoïde organen en weefsels bij de mens

162

MODULE 04

hoofdstuk 1

milt

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

BLOEDCELLEN

erytrocyten

trombocyten

WITTE BLOEDCELLEN

monocyten

basofielen

lymfocyten

eosinofielen

neutrofielen

W Afb. 12 Overzicht van de soorten bloedcellen

cellen specifieke immuniteit

cellen niet-specifieke immuniteit

mestcel

basofiel eosinofiel neutrofiel macrofaag dendritische cel granulocyten fagocyten

‘natural killer’-cel

B-lymfocyt T-lymfocyt lymfocyten

W Afb. 13 Witte bloedcellen zijn bloedcellen die uit het beenmerg ontstaan, met een celkern. Ze zijn onder te verdelen in verschillende soorten.

De lymfocyten zijn de belangrijkste cellen van het lymfatisch systeem. Het zijn enerzijds de ‘natural killer’-cellen, die behoren tot de niet-specifieke 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

163

2 De thymus De rijping van de T-lymfocyten gebeurt in de thymus of zwezerik. De thymus is het actiefst tijdens de foetale ontwikkeling en net

thymus

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 lymfoïde organen, onder andere de lymfeknopen, de amandelen en de milt, om te reageren op tekenen van infectie.

thymus

3 De lymfeknopen De lymfeknopen zijn kleine, niervormige orgaantjes die op veel plaatsen van het lymfatisch systeem voorkomen en via lymfevaten met elkaar verbonden zijn. Gezwollen lymfeknopen kunnen een teken zijn dat je een bepaalde ziekte doormaakt. 4 De amandelen

keelamandelen

thymus

lymfeknoop

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

thymus

5 De milt

hun belang voor de immuniteit raadt men dat tegenwoordig af.

De milt heeft een dubbele functie. Enerzijds maakt ze deel uit

lymfeknoop beenmerg keelamandelen

van het lymfatisch systeem en bevat ze weefsel waarin veel lymfocyten voorkomen. Anderzijds is de milt een onderdeel van het bloedvatenstelsel. Ze verwijdert onder andere oude en

lymfeknoop

beschadigde rode bloedcellen en bloedplaatjes uit het bloed. De milt is ook een opslagplaats voor die bloedcellen. Indien nodig kan de milt extra rode bloedcellen (erythrocyten) en bloedplaatjes

appendix

(trombocyten) in de bloedbaan brengen.

milt beenmerg appendix

lymfeknoop

164

appendix

lymfoïd weefsel in de darm milt

appendix

lymfoïd weefsel in de darm

MODULE 04

hoofdstuk 1

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 in de buikholte. Dat leidt tot een levensgevaarlijke ontsteking van het

buikvlies. Om dat te voorkomen, zal

men de ontstoken appendix chirurgisch

verwijderen.

S Afb. 14 Voorstelling van het ingewandenstelsel van de mens met de appendix (blauwe cirkel)

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 micro-organismen. 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

165

Reacties van cellen van de niet-specifieke immuniteit

B1 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

celkern

pathogenen. • Daarnaast herkennen ze ook pathogenen die door het immuunsysteem zijn gemerkt voor opruiming. De macrofaag stulpt daarbij zijn celmembraan in en vangt de pathogeen in een blaasje. Dat blaasje

Het herkennen van een pathogeen leidt tot fagocytose.

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

5 µm

S Afb. 15 Ingekleurd TEM-beeld van een macrofaag

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

cellen niet-specifieke immuniteit

die een ontsteking opwekken of in gang houden.

mestcel

basofiel eosinofiel neutrofiel macrofaag granulocyten

B2 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.

166

MODULE 04

hoofdstuk 1

granules 5 µm S Afb. 16 Ingekleurd TEM-beeld van een neutrofiel

fagocyten

B3 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

S Afb. 17 Ingekleurd SEM-beeld van een dendritische cel

hun celmembraan.

‘natural killer’-cel

B-lymfocyt T-lymfocyt

lymfocyten

B4 ‘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 niet op die gepresenteerde deeltjes, maar

dendritische cel

cellen specifieke immuniteit

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

167

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 ze één specifiek antigeen. Ze kunnen enkel reageren met dat specifieke antigeen doordat ze een receptoreiwit op hun celmembraan hebben dat daarmee bindt.

constant deel zwavelbrug

variabel deel

T- LYMFOCYTEN

T-lymfocyt

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.

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.

168

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 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.

eiwit antigeenpresentatie T-celreceptor

antigeen T-helperlymfocyten

ziekteverwekker

cytokines die het celmembraan kapotmaken

Na activatie ondergaan de cytotoxische T-lymfocyten selectie. De gevormde cytotoxische T-lymfocyten migreren naar de infectie. Ze stellen er cytokines vrij.

eiwit

geïnfecteerde cel

celdood

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

169

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, 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 boren in vreemde cellen, waardoor de cellen sterven.

Ontdek hoe een zwangerschapstest en een COVID-19-test werken op .

W Afb. 22 Een COVID-19-zelftest maakt gebruik van antilichamen om virusdeeltjes in het neusslijm op te sporen.

WEETJE

Op basis van hun bouw en functie kun je vijf types antilichamen onderscheiden. Twee ervan, IgM en IgG, zijn het belangrijkst om 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

zwavelbrug

lgA

lgM

lgG

lgE

W Afb. 23 De verschillende types antilichamen

170

MODULE 04

hoofdstuk 1

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 eiwitten die gaatjes kunnen boren in vreemde

cellen.

MODULE 04

hoofdstuk 1

171

AAN DE SLAG 1

Bespreek twee manieren waarop slijm in de longen

ons beschermt tegen ziekte.

Wat is een mogelijke manier om immuniteit op te bouwen tegen een bepaalde ziekte? a

Zijn de volgende stellingen juist of fout?

antilichaam produceren.

Verbeter indien nodig. a

b Antigenen zijn zo veranderd dat binnendringers

Specifieke immuniteit richt zich tegen één

niet langer je weefselcellen kunnen

bepaalde ziekteverwekker, lichaamsvreemde

binnendringen.

stof of kankercel, en zorgt voor de vorming van

geheugencellen.

Tijdens een experiment verwijdert men de thymus bij jonge muizen. Welk gevolg is het meest waarschijnlijk? De jonge muizen ... krijgen last van allergieën; zullen nooit kanker ontwikkelen;

Koortsblaasjes (Herpes labialis) zijn een symptoom van een infectie met het herpes-simplexvirus

type 1. Het virus dringt ons lichaam binnen via de 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.

RSV (respiratoir syncytiaalvirus) veroorzaakt vaak

Leg uit hoe het komt dat er een snelle reactie van

ernstige luchtwegaandoeningen bij zuigelingen. Er

het immuunsysteem plaatsvindt, en welke celtypes

werd vastgesteld dat baby’s die flesvoeding krijgen,

daarbij een rol spelen.

d zullen minder afstotingsverschijnselen hebben na orgaantransplantatie.

binnendringers op te eten.

slijmvliezen en kan zich levenslang verschuilen in

b krijgen geen ontstekingsreacties; c

d Fagocyten worden gestimuleerd om snel

lichaamscellen die geïnfecteerd zijn.

makkelijker last ondervinden van het virus dan

baby’s die borstvoeding krijgen. Verklaar.

172

Antilichamen tegen de ziekteverwekker circuleren constant in het bloed.

b Cytotoxische T-lymfocyten herkennen alleen

Bepaalde lymfocyten kunnen snel het juiste

MODULE 04

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

Welke termen horen bij welke verdedigingslijn? a

slijmvliezen

Benoem een aantal organen van het lymfoïd stelsel.

b lymfeknopen c

leukocyten

d specifieke immuniteit e

huid

macrofaag

niet-specifieke immuniteit

T-lymfocyt

witte bloedcellen

h B-lymfocyt 4

Meer oefenen? Ga naar

MODULE 04

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

173

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE NIET-SPECIFIEKE IMMUNITEIT

SPECIFIEKE IMMUNITEIT

= aangeboren immuniteit

= verworven immuniteit

• Treedt als eerste op bij een infectie. • Richt zich tegen alle indringers. • Er wordt geen geheugen gevormd.

• Geactiveerd als de niet-specifieke immuniteit onvoldoende is. • Richt zich tegen één type cel of stof. • Ontwikkelt een geheugen.

Tweedelijnsverdediging

Derdelijnsverdediging

• De opperhuid en

Antigenen

T- en B-lymfocyten

slijmvliezen vormen

(lichaamsvreemde

een fysische en

moleculen op het

chemische barrière.

oppervlak van een

• Het microbioom

pathogeen) veroorzaken

van de huid, darm

een reactie van cellen. De

en vagina remt

cellen stellen cytokines

als biologische

vrij die de immuunreactie

barrière de groei van

versterken.

schadelijke micro-

• T-helperlymfocyten:

− Hebben een regelfunctie.

− Activeren cytotoxische T-lymfocyten en B-lymfocyten.

− Vormen T-geheugenlymfocyten.

• Cytotoxische T-lymfocyten:

− Ruimen kankercellen en geïnfecteerde cellen op.

− Beschadigen het celmembraan van

organismen.

Eerstelijnsverdediging

Cellen die hier van belang zijn:

• macrofagen;

• neutrofielen;

de geïnfecteerde cel en starten de celdood.

− Vormen T-geheugenlymfocyten.

• B-lymfocyten:

− Groeien uit tot plasmacellen die antilichamen aanmaken. De antilichamen binden met de

• ‘natural killer’-cellen.

antigenen om de immuunreactie te helpen.

• dendritische cellen;

− Vormen B-geheugenlymfocyten.

Moleculen die hier van belang zijn:

• een verzameling

eiwitten die gaatjes kunnen boren in vreemde cellen;

• cytokines.

174

MODULE 04

SYNTHESE HOOFDSTUK 1

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

herkenning van antigenen door receptor

differentiatie tot cytotoxische T-lymfocyten

plasmacel

productie van antilichamen antilichaam

geheugenlymfocyten

met virus geïnfecteerde cel macrofaag

vermeerdering van B-lymfocyten

differentiatie tot plasmacel

vorming van geheugenlymfocyten

opruimen van geïnfecteerde cellen

herkenning van antigenen bacterie

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

175

HOOFDSTUK 2

Î Immunisatie Immunisatie is een proces dat de immuunreactie tegen een antigeen versterkt. Er zijn twee vormen van immunisatie: actieve en passieve immunisatie. LEERDOELEN

M Het belang en de werking van vaccinaties uitleggen 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 geheugencellen voor een heel snelle reactie en een hogere concentratie aan antilichamen. De reactie is zo efficiënt dat de infectie meestal onopgemerkt blijft.

antilichamen tegen A

concentratie antilichamen

secundaire immuunrespons tegen antigeen A

primaire immuunrespons tegen antigeen A

eerste besmetting met antigeen A

tweede besmetting met antigeen A

56 aantal dagen

W 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

het vaccinatieschema voor kinderen in Vlaanderen

natuurlijke wijze gebeuren, VIDEO

bijvoorbeeld bij het doormaken en herstellen van een infectie, of op kunstmatige wijze, door een vaccin toe te dienen.

176

MODULE 04

hoofdstuk 2

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.

• 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

Passieve immunisatie

het vaccin je beschermt.

Passieve immunisatie is het natuurlijk of kunstmatig binnenbrengen van 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 maag-darmkanaal 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.

S Afb. 27 Een weddellzeehond (Leptonychotes weddellii) voedt haar jong. De moedermelk bevat IgA, dat de nakomeling helpt te beschermen tegen infecties.

Bij actieve immunisatie komen antigenen het lichaam binnen. Dat start een immuunreactie en er ontstaat een geheugen. De antigenen kunnen via een 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

177

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE IMMUNISATIE = een proces dat een immuunreactie tegen een antigeen versterkt ACTIEVE IMMUNISATIE = blootstelling aan antigenen, waardoor geheugencellen worden gevormd

PASSIEVE IMMUNISATIE = natuurlijk of kunstmatig binnenbrengen van lichaamsvreemde antilichamen, zonder dat er een geheugen ontstaat • natuurlijke passieve immunisatie: doorgeven van

• passieve actieve immunisatie: vaccinatie (injectie

antigenen van de moeder via de placenta of de

• natuurlijke actieve immunisatie: een infectieziekte van antigenen)

moedermelk

• kunstmatige passieve immunisatie: injectie van

bloedserum of -plasma van een donor

178

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

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

179

VERKEN

•

voorbeelden geven van elektriciteit in het dagelijkse leven;

•

JE KUNT AL ...

•

voorbeelden geven van magneten in het dagelijkse leven;

de bouw van een atoom, geleiders en isolatoren omschrijven.

•

de werking van een kompas beschrijven;

•

de beweging van elektronen in een geleider

en in een atoom beschrijven.

JE LEERT NU ...

statische elektriciteit en het begrip

•

H2 •

‘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.

180

MODULE 05

VERKEN

HOOFDSTUK 1

Elektrostatica De oude Grieken stelden vast dat versteend boomhars (amber of barnsteen) kleine stukjes bladeren aantrok wanneer ze het opwreven met wol. Ze noemden dat ‘elektriciteit’ (het Griekse woord elektron betekent ‘amber’). Het duurde tot de achttiende eeuw voordat wetenschappers een correcte verklaring konden vinden voor dat verschijnsel.

Je maakt kennis met enkele toepassingen. LEERDOELEN

In dit hoofdstuk bestudeer je hoe statische elektriciteit ontstaat en hoe groot de kracht tussen geladen voorwerpen is.

M Statische elektriciteit en het begrip ‘elektrische lading’ omschrijven

M Beschrijven hoe voorwerpen op atomaire schaal elektrisch geladen worden M De vier kenmerken van de elektrische kracht bepalen en weergeven

M Technische toepassingen van statische elektriciteit toelichten

Statische elektriciteit

1.1

Aantrekking en afstoting

In het dagelijks leven ondervind je regelmatig verschijnselen van statische elektriciteit.

De term ‘statisch’ betekent dat iets onbeweeglijk, blijvend, onveranderlijk … is.

S Afb. 1

S Afb. 2

S Afb. 3

Een kous en een wollen trui

Als je je haren borstelt met

Soms voel je een schokje

een plastic borstel, kunnen

wanneer je een auto aanraakt.

die net uit de droogkast

komen, trekken elkaar aan.

ze rechtop staan doordat ze elkaar afstoten.

DEMO

demovideo: statische elektriciteit

Wat gebeurt er als je opgewreven voorwerpen in de buurt van andere voorwerpen brengt? 1

Je leerkracht brengt ballonnen in de buurt van verschillende voorwerpen (papiersnippers, andere ballonnen, haar, plastic zakjes …).

Wat zal er volgens jou gebeuren? Bespreek met je buur en test samen met je leerkracht uit.

Je leerkracht wrijft de ballonnen op en herhaalt dan het experiment.

Formuleer een antwoord op de onderzoeksvraag. MODULE 05

Hoofdstuk 1

181

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. 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

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:

182

MODULE 05

•

Gelijksoortige ladingen stoten elkaar af.

•

Ongelijksoortige ladingen trekken elkaar aan.

Hoofdstuk 1

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 en de omgeving.

Wanneer je je trui uittrekt, hoor je soms

Bij een onweersbui ontstaat er een lading

geknetter. In het donker zie je vonkjes.

in de wolken. De ontlading zie je als

1.2

Elektrische lading

bliksem.

Bekijk in de applet hoe de ontlading gebeurt.

Alle materie is opgebouwd uit atomen. Een atoom

proton

bestaat uit een kern, die omgeven is door

een elektronenwolk. Die elektronenwolk bestaat uit

een of meerdere schillen. De kern van het atoom bevat protonen en neutronen. •

neutron

De protonen (p+) van de kern hebben een positieve lading.

•

De neutronen (n0) van de kern hebben geen lading.

•

De elektronen (e–) hebben een negatieve lading.

•

De elektronen op de buitenste schil noem je

elektron

S Afb. 7 Bouw van een atoom

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

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. MODULE 05

Hoofdstuk 1

183

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

het voorwerp. Er is een tekort aan

elektronen.

Er zijn meer elektronen dan protonen op

VOORBEELD NEGATIEVE EN POSITIEVE LADING

Je kunt de nettolading opmeten met een coulombmeter.

Een pvc-buis heeft een negatieve lading

nC = nanocoulomb

q = –30 nC.

(

Er zijn 1,9 ∙ 1011 =

MODULE 05

)

(

Er zijn 1,0 ∙ 1011 =

16 ∙ 10–9 C

)

elektronen te 1,60 ∙ 10–19 C kort (= minder dan protonen) ten opzichte

de neutrale toestand.

van de neutrale toestand.

Hoofdstuk 1

–19

elektronen te

q = 16 nC.

1,60 ∙ 10 C veel (= meer dan protonen) ten opzichte van

30 ∙ 10–9 C

Een glazen staaf heeft een positieve lading

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.

•

In een elektrische kring

Om elektrocutie te vermijden,

Een haardroger in de

gebruikt men kunststoffen

badkamer kan gevaarlijk

in elektrische toestellen.

zijn. Door onzuiverheden is

gebruikt men koper in de snoeren. Koper is een geleider.

kraantjeswater een geleider.

Kunststof is een isolator.

Macroscopisch beschrijft men geleiding met de grootheden weerstand en geleidbaarheid: •

Geleiders hebben een lage weerstand en een hoge geleidbaarheid.

•

Isolatoren hebben een hoge weerstand en een lage geleidbaarheid. glas

marmer

lucht

staal

grafiet

kleine geleidbaarheid

grote geleidbaarheid

grote weerstand

kleine weerstand

rubber

isolatoren

pvc

kraantjeswater

koper

geleiders

S Afb. 8 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.

MODULE 05

Hoofdstuk 1

185

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 In een metaal kunnen de valentie-elektronen vrij bewegen.

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. PLAATS

SYMBOOL

ATOMAIR DEELTJE

ELEKTRISCHE LADING

proton

kern

e = 1,60 · 10–19 C

neutron

kern

elektron

wolk

e–

–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 metalen of ionen in andere geleiders).

Bij isolatoren zijn er geen vrije geladen deeltjes.

•

186

MODULE 05

Hoofdstuk 1

Voorwerpen laden

2.1

Geleiders

Een elektroscoop is een eenvoudig toestel waarmee je ladingen kunt meten en andere elektrische verschijnselen kunt aantonen. Het bestaat uit 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. In sommige uitvoeringen wordt de elektroscoop ter bescherming omhuld door glas.

kop

scharnierpunt

beentjes

DEMO

S Afb. 9 Onderdelen van een elektroscoop

Wat gebeurt er als je met een geladen staaf de kop van een elektroscoop aanraakt? Je leerkracht laadt een glazen staaf.

demovideo: elektroscoop laden door contact

Daarna brengt je leerkracht de staaf in contact met de kop van een elektroscoop.

Wat zal er volgens jou gebeuren?

Bespreek met je buur en test samen met je leerkracht uit.

3 4

Je leerkracht herhaalt het experiment met een geladen pvc-staaf. Formuleer een antwoord op de onderzoeksvraag.

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

Je kunt het laden door contact bekijken via de animatie.

het voorwerp.

De geleider krijgt hetzelfde ladingsteken als het geladen voorwerp. In de geleider verspreiden de extra elektronen zich maximaal door hun onderlinge afstoting.

MODULE 05

Hoofdstuk 1

187

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.

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 valentie-elektronen weg van of naar een neutrale geleider bewegen.

De elektronen verspreiden zich over de volledige geleider, die dezelfde lading krijgt als

het geladen voorwerp.

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

τριβω (tribo) is het Griekse woord voor ‘wrijving’.

wrijving noem je het tribo-elektrisch effect.

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.

188

MODULE 05

Hoofdstuk 1

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

e–

S Afb. 10 Een pvc-staaf wordt (lokaal) negatief als je erover wrijft met een wollen doek.

VOORBEELD TECHNOLOGISCHE TOEPASSINGEN

pvc

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.

Je kunt deze toepassingen ook bekijken in de video.

Bij poedercoating wordt het oppervlak positief

Vermalen kunststoffen worden

geladen. Het poeder wordt negatief geladen.

elektrostatisch geladen op een triltafel. Als je

De poedercoating wordt aangetrokken tot het

vervolgens een negatieve lading in de buurt

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.

MODULE 05

Hoofdstuk 1

189

Elektrische influentie: ladingen verschuiven in voorwerpen zonder contact

3.1 Inleiding DEMO

demovideo: ladingen verschuiven zonder contact

Wat gebeurt er als je een geladen staaf in de buurt van een neutraal (= niet geladen) voorwerp brengt? 1

Je leerkracht brengt een opgewreven pvc-staaf in de buurt van een blikje, papiersnippers en een dunne waterstraal.

Wat zal er volgens jou gebeuren?

Daarna herhaalt je leerkracht dat met een opgewreven glazen staaf.

Bespreek met je buur en test samen met je leerkracht uit. 3

Formuleer een antwoord op de onderzoeksvraag.

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.

De begrippen ‘influentie’ en ‘ inductie’ zijn afgeleid van Latijnse werkwoorden: • influere: beïnvloeden; • inducere: opwekken.

3.2 Geleiders

Als je een neutraal metalen voorwerp nadert met een geladen staaf, verschuiven de valentieelektronen 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 blikje

wordt aangetrokken tot de negatieve staaf.

S Afb. 11 Verplaatsing van elektronen in een blikje door een negatieve staaf in de buurt

190

MODULE 05

Hoofdstuk 1

3.3 Polaire isolatoren 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 dipool heeft een positieve en een negatieve kant.

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 δ–

Water bestaat uit polaire H2O-moleculen. De zuurstofmolecule vormt de negatieve kant, de waterstofmoleculen vormen de positieve kant van de dipool. δ+

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

H2O

S Afb. 12 De polaire watermolecule

waterstraal als geheel aangetrokken wordt tot de staaf.

δ+

Een opgewreven pvc-staaf is negatief. Als ze in de buurt

S Afb. 13 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

191

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.

VOORBEELD AANTREKKING VAN PAPIER DOOR EEN POSITIEVE STAAF

S Afb. 14 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.

192

MODULE 05

Hoofdstuk 1

Coulombkracht

DEMO

demovideo: coulombkracht

Welke factoren beïnvloeden de kracht tussen twee geladen voorwerpen? 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. Test samen met je leerkracht uit.

Formuleer een antwoord op de onderzoeksvraag.

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.

VOORBEELD ELEKTRISCHE KRACHT TUSSEN GELADEN STAVEN

S Afb. 15 Als je een negatief geladen staaf in de buurt van een andere negatief geladen staaf brengt, is er afstoting.

S Afb. 16 Als je een positief geladen staaf in de buurt van een negatief geladen staaf brengt, is er aantrekking.

De grootte van de coulombkracht neemt toe met: •

een toenemende lading van beide staven; een afnemende afstand tussen de staven.

•

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

193

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. 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

|q2| = q

F12

F21

F12

F21

|q2| = –1 · q 3

F12

2·r

F21

FC ~

Fc wordt groter als: • q1 (in absolute waarde)

Fc wordt groter als r kleiner

afstoting

F21

FC ~ |q1| FC ~ |q2|

ongelijksoortige ladingen: gelijksoortige ladingen:

F12

2·r – 3

aantrekking •

|q1| = |q2| = q

INVLOED VAN DE ONDERLINGE AFSTAND

Boots de verschillende situaties na in de applet.

wordt.

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 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 evenredigheidsconstante die C2 men ook wel de constante van Coulomb noemt.

194

MODULE 05

Hoofdstuk 1

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. 17 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 = ? Oplossing: F12 = –F21 .

tegengestelde zin.

Beide krachten hebben een richting volgens de verbindingslijn en een 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 ∙ = 2,3 ∙ 10–10 N 2 r C2 (1,0 ∙ 10–10 m) 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

195

AAN DE SLAG Je wrijft glas op met papier.

Welke lading krijgen het glas en het papier?

Vul de uitspraken aan met ‘altijd’, ‘soms’ of ‘nooit’. a

Bij wrijvingsexperimenten worden er ladingen gemaakt.

Verklaar met een tekening (zoals afbeelding 10

b Voorwerpen krijgen hun lading tijdens

op p. 189).

door

wrijvingsexperimenten

b Waarom is papier meer geschikt dan wol?

ladingen die zich verplaatsen. 2

Je brengt een geladen ballon en een geladen rietje

Bij wrijvingsexperimenten wordt een voorwerp positief geladen.

in elkaars buurt. Welke stelling is correct?

d Bij wrijvingsexperimenten

Verklaar.

protonen uitgewisseld.

worden

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.

Er is aantrekking, want de voorwerpen bestaan uit verschillende materialen.

Wat zou er gebeuren als je een geladen staaf

b Er is afstoting, want de voorwerpen bestaan

in de buurt van een straaltje olie brengt?

uit verschillende materialen. c

De aantrekking of afstoting wordt ook bepaald door de stof waarmee je de voorwerpen hebt

opgewreven.

d De aantrekking of afstoting wordt bepaald door de materialen waaruit de voorwerpen gemaakt zijn.

Een metalen bol is positief geladen. Je brengt een tweede identieke, neutrale bol in de buurt zoals weergegeven op de afbeelding. A

a c

Een neutrale bol wordt met een lucifer verbonden.

de lading van de staaf niet. Je kunt geen voorspelling doen, want je weet niet of olie een polaire vloeistof is.

Een neutrale bol wordt met een spijker verbonden.

In welke situatie(s) wordt de rechter bol

Er gebeurt niets.

d Je kunt geen voorspelling doen, want je kent e

Een neutrale bol ligt in de buurt.

De straal wordt aangetrokken.

b De straal wordt afgestoten.

Verklaar de onderstaande fenomenen. a

geladen?

Je kunt stofdoekjes gebruiken om vuil, stof en haar in je huis op te vangen en vast te houden.

b Teken de lading voor de geladen bol.

b Als je vloeistoffen overpompt, is er explosiegevaar. 8

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 c

196

MODULE 05

Hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

systemen voor luchtzuivering

Zijn de volgende uitspraken juist of fout? Verklaar. a

12 Welke eenheid heeft de constante van Coulomb?

Een geladen bol kan negatief geladen zijn.

b De coulombkracht kan negatief zijn. c

De coulombkracht is een veldkracht.

C N · C2

10 Je hangt een metalen bolletje op met een isolerend

13 Twee ladingen bevinden zich in elkaars buurt.

Bestudeer de ladingsgrootte en de onderlinge

de lading op de bol?

C N · m2

die contact maken met elkaar.

positief geladen staaf. Wat kun je besluiten over

d De coulombkracht werkt niet tussen ladingen

touwtje. Het bolletje wordt aangetrokken door een

afstand in de tabel.

De bol is negatief geladen.

b De bol is positief geladen. c

De bol is niet geladen.

VA q2

|q1| = 2 · q

F21

–5,0 · 10–9 C

4,0 cm

–8,0 nC

3,0 µC

17 mm

Voor welke situatie(s) is de kracht aantrekkend?

op q1

op q2

–0,060 μC bevinden zich op 12 cm van elkaar. a

F12

Teken en bereken de kracht op elke bol.

b Hoe verandert de kracht als de bollen tot op

3 cm van elkaar verschoven worden?

Meer oefenen? Ga naar

F21

F12

6,0 · 10–9 C

14 Twee metalen bollen met ladingen van 0,080 μC en

Verbeter de fout.

•

Bestudeer de onderstaande afbeeldingen.

F21

0,020 m

van de coulombkracht.

11 Twee ladingen worden in elkaars buurt gebracht.

2,0 · 10–6 C

•

De bol is positief of niet geladen.

4,0 · 10–6 C

b Bereken in de verschillende situaties de grootte

d De bol is negatief of niet geladen. e

F12

F21

F12

|q2| = q

r F21

F12 2·r

MODULE 05

Hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

197

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. •

coulombkracht

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.

elektrische influentie

Laden door contact met geladen voorwerp: valentie-elektronen verplaatsen zich.

INVLOED VAN DE LADINGSGROOTTE

INVLOED VAN HET LADINGSTEKEN q1

F21

F12

F21

F12

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

198

MODULE 05

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.

SYNTHESE Hoofdstuk 1

HOOFDSTUK 2

Elektromagnetisme In de klassieke oudheid ontdekte men kristallen die elkaar aantrekken of afstoten afhankelijk van de richting waarin je ze in elkaars buurt brengt. Die kristallen noemde men ‘magnetiet’, naar de geografische locatie met de naam Magnesia (volgens sommige bronnen een landstreek in Thessalië, volgens andere dan weer steden in het oude Griekenland en Turkije) waar al meer dan 2 500 jaar lang magnetische brokken ijzererts worden gevonden. Het verschijnsel noemde men ‘magnetisme’ (λιθος Μαγνης (lithos Magnès), Grieks voor ‘magnetische stenen’). Onderzoek wees uit dat magnetiet

een mineraal is dat samengesteld is uit ijzer(II, III)oxide (Fe2O3 of Fe3O4). In de 18e eeuw ontdekten wetenschappers dat elektrische stroom magnetisme opwekt en omgekeerd. Vanaf dan spreekt men over elektromagnetisme.

In dit hoofdstuk bestudeer je de eigenschappen 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. LEERDOELEN

M Gelijkenissen en verschillen tussen permanente magneten en elektromagneten omschrijven M Aantonen dat op een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld een magnetische kracht ontstaat (Lorentzkracht)

M Magnetische veldlijnenpatronen tekenen en interpreteren

M Omschrijven hoe je spanning induceert met magneten

M Enkele technologische toepassingen van (elektro)magneten geven en verklaren

Soorten magneten

In het dagelijks leven gebruik je regelmatig magneten.

LABO 02

S Afb. 18

S Afb. 19

S Afb. 20

Met magneten kun je

Een smartphone of

Je kunt deuren vanop

voorwerpen ophangen

smartwatch wordt

een afstand openen door

op de koelkast.

aangetrokken door

een elektromagneet uit

de magneet in de oplader.

te zetten.

MODULE 05

Hoofdstuk 2

199

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. 21

In deze video zie je een elektromagneet in werking.

S Afb. 22

Permanente magneten hebben de

Elektromagneten werken enkel als er

magnetische eigenschap altijd. Het materiaal

een elektrische stroom loopt. Ze bestaan uit

van de magneet is behandeld zodat het die

een geleider die rond een stuk ijzer gewikkeld

eigenschap vertoont.

is en verbonden is met een spanningsbron.

In paragraaf 3 leer je hoe je permanente magneten en elektromagneten maakt. VOORBEELD MAGNEET ALS DEUROPENER

In deze video zie je een elektromagneet 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. 23 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 magneet vertoont de invloed continu;

•

200

MODULE 05

elektromagneten: je kunt de invloed aan- en uitschakelen.

Hoofdstuk 2

Magnetische kracht

2.1

Krachtwerking tussen permanente magneten

DEMO

Welke factoren beïnvloeden de kracht tussen twee permanente magneten? 1

Je leerkracht hangt een staafmagneet op aan een touwtje.

Bespreek met je buur de mogelijke invloedsfactoren wanneer je met een tweede

demovideo: krachtwerking permanente magneten

Test samen met je leerkracht uit.

Formuleer een antwoord op de onderzoeksvraag.

Permanente magneten hebben twee polen: een noordpool N en een zuidpool Z. De naamgeving van de polen is gebaseerd op

staafmagneet een kracht uitoefent op die opgehangen staafmagneet.

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

noord-zuidrichting. Bij permanente magneten geldt de volgende afspraak: •

De noordpool N wijst naar het geografische

•

De zuidpool Z wijst naar het geografische

S Afb. 24 De noordpool van permanente magneten wordt meestal aangegeven in het rood. Foto © Mathieu Marck A Een hoefijzermagneet B Een staafmagneet

noorden. zuiden.

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 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.

S Afb. 25

S Afb. 26

Gelijksoortige magneetpolen stoten elkaar af.

Ongelijksoortige magneetpolen trekken elkaar aan.

MODULE 05

Hoofdstuk 2

201

VOORBEELD KOMPAS Een kompasnaald is een permanente magneet die vrij kan roteren om haar middelpunt.

N Z

In de nabijheid van een pool van een andere magneet wordt de gelijksoortige pool van het kompas afgestoten en

de ongelijksoortige aangetrokken.

S Afb. 27 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. 28 Een kompas in de buurt van een permanente magneet

Europa

Bekijk het aardmagnetisch veld in de applet.

Afrika

Een kompasnaald oriënteert zich altijd naar hetzelfde punt van de aarde. Het is alsof er een staafmagneet in de aarde zit met een magnetische zuidpool in de buurt van de geografische Noordpool en een magnetische noordpool in de buurt van de geografische Zuidpool.

S Afb. 29 De aarde is een permanente magneet.

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.

202

MODULE 05

Hoofdstuk 2

2.2 Krachtwerking tussen een magneet en een magnetisch voorwerp 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’.

Ferrum is Latijn voor ‘ ijzer’. Ferromagnetische stoffen gedragen zich zoals ijzer in de buurt van een magneet.

In de video zie je de krachtwerking tussen een magneet en voorwerpen.

S Afb. 31 Een elektromagneet trekt ijzeren paperclips aan door plastic.

S Afb. 30 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. 32 Paperclips krijgen een N- en een Z-pool als je ze aan een hoefijzermagneet hangt.

MODULE 05

Hoofdstuk 2

203

VOORBEELD MAGNETISCHE MUNTSTUKKEN

koper

ijzer

aluminium

zink

tin

nikkel

S Afb. 33 De samenstelling van de verschillende muntstukken

niet-magnetisch

magnetisch

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 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.

204

MODULE 05

Hoofdstuk 2

2.3 Krachtwerking tussen een magneet en een stroomvoerende geleider DEMO

Welke invloed is er tussen een permanente magneet en een stroomvoerende geleider? 1

Je leerkracht brengt: a

demovideo: draaibare kompas naald

een draaibare kompasnaald (= permanente magneet) in de buurt van een vaste geleider die aangesloten is aan een spanningsbron;

b een beweegbare geleider (met bron) tussen de benen van een vaste hoefijzermagneet.

demovideo: beweegbare geleider

Wat zal er volgens jou gebeuren?

Je kunt de bron aan- en uitzetten en de stroomzin omwisselen.

Bespreek met je buur en test samen met je leerkracht uit. 3

Formuleer een antwoord op de onderzoeksvraag.

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

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

S Afb. 34

S Afb. 35

Als er geen stroom door een geleider loopt,

Als er stroom door de geleider loopt,

richten kompasnaalden in de omgeving van

richten de kompasnaalden zich loodrecht

de geleider zich volgens de noord-zuidrichting

op de geleider. De zin wordt bepaald door

van de aarde.

de stroomzin. Als de kompasnaalden in hetzelfde vlak loodrecht op de geleider liggen, vormen ze een cirkel.

MODULE 05

Hoofdstuk 2

205

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. 36

VOORBEELD KOPERDRAAD TUSSEN DE POLEN VAN EEN HOEFIJZERMAGNEET

S Afb. 37

Koper is geen ferromagnetische stof.

Een koperen draad waar een stroom

door vloeit, ondervindt tussen de polen

vloeit, ondervindt geen invloed van de

van een hoefijzermagneet een kracht. De

magneet. Er is geen krachtwerking.

kracht werkt loodrecht op de loodrechte

Een koperen draad waar geen stroom door

verbindingslijn tussen de polen. De stroomzin bepaalt de zin van de kracht.

WEETJE

video: Oersted

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 elkaar.

De bewegende ladingen maken van de geleider een magneet.

206

MODULE 05

Hoofdstuk 2

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 40. 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 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.

S Afb. 39 Voor- en zijaanzicht van een luidspreker

Je kunt de werking van een luidspreker bekijken in de video.

S Afb. 40 Schematische voorstelling van een luidspreker

S Afb. 38 Twee luidsprekers die boven elkaar gemonteerd zijn.

VOORBEELD GELIJKSTROOMMOTOR

in kinetische energie door een kader (dat bestaat uit meerdere windingen) te laten roteren in een magnetisch veld.

Je kunt de werking van de gelijkstroommotor bekijken aan de hand van de applets.

Een gelijkstroommotor zet elektrische energie om

Conus is het Latijnse woord voor ‘kegel’.

N F

Afb. 41 Schematische voorstelling van een gelijkstroommotor: een stroomvoerend kader ondervindt een kracht in een magnetisch veld, waardoor er een rotatie ontstaat.

Gelijkstroommotoren kennen veel toepassingen.

S Afb. 42

S Afb. 43

S Afb. 44

Door een gelijkstroommotor

De snelheid van een blender

De rijrichting en de snelheid

beweegt het papier in

wordt geregeld door de

van een elektrische

een printer tijdens het

stroomsterkte die door

auto worden bepaald

afdrukken. Als de stroomzin

de gelijkstroommotor vloeit.

door de stroom die door

wordt omgekeerd, rolt het

de gelijkstroommotor vloeit.

papier terug in de printer, zodat de achterkant kan worden bedrukt.

MODULE 05

Hoofdstuk 2

207

Magnetisch veld

3.1 Magnetisch veld rondom een permanente magneet LABO 03

De magnetische kracht is een veldkracht. Rondom een magneet is er een gebied waar de invloed van de magneet merkbaar is. Je noemt dat het magnetisch veld. Zonder magneten of magnetische

video: veldlijnenpatroon hoefijzermagneet

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 materiaal of bewegende ladingen in een geleider) een magnetische

kracht. Zonder die voorwerpen zie je geen uitwerking van het veld.

S Afb. 45

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. 46

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 ongelijksoortige polen van naburige korreltjes trekken elkaar aan.

de zuidpool tot de noordpool.

Op afbeelding 47 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.

S Afb. 47 IJzerkorreltjes worden magneten in de buurt van een magneet.

208

MODULE 05

Hoofdstuk 2

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 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. 48 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. Verschillende magneten of configuraties veroorzaken elk een eigen veldlijnenpatroon. In de tabel op de volgende pagina zie je enkele voorbeeldconfiguraties met hun eigenschappen.

MODULE 05

Hoofdstuk 2

209

PATROON VAN IJZERVIJLSEL

VELDLIJNEN

EIGENSCHAPPEN

Twee gelijksoortige polen stoten elkaar af. Dat is zichtbaar door de veldlijnen, die tussen de twee Z

afstotende polen van elkaar weg gericht zijn.

Twee ongelijksoortige polen trekken elkaar.

Dat is zichtbaar door de

veldlijnen, 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 N

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.

210

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 zonder het ferromagnetisch materiaal

ontstaat er een magnetisch veld.

S Afb. 49

S Afb. 50

In de motortjes van

Spoelen met verschillende

S Afb. 51

Deze industriële

elektromagneet bestaat

gebruikt om kracht op te

worden gebruikt als

uit veel windingen (van

wekken.

elektronische component.

koperdraad) rond een

een ventilator worden spoelen windingen en middenstoffen

weekijzeren kern.

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.

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.

S Afb. 52 Men gebruikt spoelen met veel windingen (enkele honderden) om sterke magnetische velden op te wekken.

MODULE 05

Hoofdstuk 2

211

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.

S Afb. 53 Het magnetisch veldlijnenpatroon bij een stroomvoerende spoel

S Afb. 55 De rechterhandregel voor de bepaling van de zin van de veldlijnen bij een spoel

S Afb. 54 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.

212

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 je week ijzer.

Bij een elektromagneet

wordt een stuk week ijzer

Als je de elektrische

Als je de kring opent of

kring sluit, ontstaat

het ijzer uit de spoel

S Afb. 57

S Afb. 58

S Afb. 56

in een stroomvoerende spoel geschoven. Er is

geen ordening en dus geen magnetisme.

ordening (bepaald door

verwijdert, verdwijnt

de stroomzin).

de ordening. Er is

Het weke ijzer wordt

geen magnetisme meer.

onmiddellijk een magneet

met een noorden zuidpool.

VOORBEELD DEURBEL

schakelaar

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

elektromagneet

aangetrokken. Daardoor botst de klepel

Hier kun je de kring openen.

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

klepel

gong

het proces herhaalt zich.

S Afb. 59

MODULE 05

Hoofdstuk 2

213

relais

VOORBEELD RELAIS Elektromagneten worden op

stroomkring die geopend kan worden door de elektromagneet

GEVAAR

verschillende plaatsen in elektrische installaties gebruikt om de veiligheid van

stroomkring met elektromagneet

de kring te verhogen: bij zekeringen, de aardlekschakelaar en het relais.

S Afb. 60 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.

Bij een magnetisch relais stuurt men met behulp van een ongevaarlijke schakeling (lage stroomsterkte) een grotere (gevaarlijkere) schakeling (grote stroomsterkte) met een verbruiker aan

rolluik

zonder rechtstreeks contact. Als men de

relais

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

kan gesloten worden op afstand

smartphone) toestellen kunt aan- en

S Afb. 61 Een vereenvoudigde voorstelling van een magnetisch relais om apparatuur vanop een afstand aan te schakelen (domotica)

uitschakelen.

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.

S Afb. 63

S Afb. 64

Om een permanente

Als je de elektrische kring

magneet te maken, schuif

sluit, ontstaat er na enige

Als je de kring opent

je een stuk sterk ijzer in

tijd ordening (bepaald door

een stroomvoerende spoel.

de stroomzin).

Er is geen ordening en dus

Het sterke ijzer wordt een

geen magnetisme.

magneet met een noorden

S Afb. 62

zuidpool.

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.

214

MODULE 05

Hoofdstuk 2

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.

S Afb. 65 Stukje van 10 µm op 10 µm van een harde schijf A Magnetisch beeld van de bits B Topografisch beeld

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. VOORBEELD PERMALLOY

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.

‘Permalloy’ = permanent + alloy. Alloy is het Engelse woord voor ‘legering’.

S Afb. 66 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).

MODULE 05

Hoofdstuk 2

215

VERDIEPING Magnetisme ontstaat door de geordende beweging van elektronen. Op

vind je terug hoe dat precies werkt.

DEMO

Hoe kun je een spijker magnetiseren en demagnetiseren? 1

Ga samen met je leerkracht op zoek naar manieren om eerst van een spijker een magneet te maken en vervolgens de magnetische eigenschappen weer te verwijderen. Formuleer een antwoord op de onderzoeksvraag.

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 atomen trillen dan zo hevig dat er geen oriëntering meer mogelijk is. 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 tegengesteld magnetisch veld.

Voor technologische toepassingen met magneten wordt op zoek gegaan naar het geschikte

ferromagnetische materiaal en geschikte extern magnetisch veld.

216

MODULE 05

Hoofdstuk 2

Elektromagnetische inductie

4.1 Spanning opwekken met magneten In het dagelijkse leven zijn er tal van voorbeelden (die je misschien niet bewust herkent) waarbij

LABO 04

magneten gebruikt worden om elektriciteit op te wekken.

S Afb. 67

S Afb. 68

S Afb. 69

Je kunt met een dynamo je

De magnetische informatie

Magneten worden gebruikt

smartphone opladen. Door

op een harde schijf wordt

voor diefstalpreventie. Als

een magneet te draaien, wek

uitgelezen. De verandering

je onbetaalde goederen

je spanning op.

van magnetische domeinen

door een scanner beweegt,

produceert een elektrisch

zorgt de magneet voor een

signaal (= 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)

magneet beweegt naar beneden (magnetische veldsterkte in spoel neemt af)

geen beweging (magnetische veldsterkte in spoel constant)

MODULE 05

Hoofdstuk 2

217

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. 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°

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.

α = 45°

Induceren betekent opwekken. Bij elektromagnetische inductie wek je elektrische spanning op met een magneet.

α = 90° A

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.

•

218

MODULE 05

Hoofdstuk 2

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.

•

toe beweegt, gaan er meer veldlijnen door

N N

Als de noordpool zich naar het oppervlak het 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

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 en in het verlengde van de lus bevindt, gaan er veel veldlijnen door het oppervlak. De

magnetische flux is groot.

•

Als de staafmagneet schuin gedraaid wordt, gaan er minder 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.

MODULE 05

Hoofdstuk 2

219

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

wind

water

geothermisch

biomassa

zon

een omvormer omgezet in wisselspanning.

GENERATOR

omzetting naar elektrische energie

S Afb. 70 Verschillende manieren om elektrische energie te produceren

220

MODULE 05

Hoofdstuk 2

kernenergie

gas

energiebron

omzetting naar warme omzetting naar bewegingsenergie

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

Je kunt de werking van de dynamo bekijken in de applet.

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. 71 Bouw van een kring met dynamo als spanningsbron

S Afb. 72 Een smartphone kan je opladen door aan de hendel van de dynamo te draaien.

Sensor

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. 74 Pick-upelement (= bewegingssensor) op een elektrische gitaar

Een fietscomputertje is verbonden met een

Een gitaarelement zet de trilling van de

bewegingssensor. Je bevestigt een magneet

snaren om in een elektrisch signaal.

op de spaken en een detectielus op het

Het element bestaat uit een magneet

fietsframe. Bij iedere doorgang verandert de

die omwonden is met fijne koperdraad

flux door de detectielus en kan de afstand

(enkele duizenden windingen). Wanneer de

berekend worden uit de wielomtrek.

snaren trillen, verandert de magnetische

S Afb. 73 Bewegingssensor bij een fietscomputertje

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.

flux waardoor een wisselspanning wordt opgewekt. De frequentie is gelijk aan de frequentie van het trillen van de snaren.

MODULE 05

Hoofdstuk 2

221

AAN DE SLAG Zijn de volgende uitspraken juist of fout?

Bestudeer het gedrag van ijzervijlsel en

Verbeter indien nodig.

een kompasnaald bij verschillende oriëntaties

van twee magneten.

Alle metalen worden aangetrokken door een magneet.

b Magneten zijn gemaakt uit ferromagnetisch

materiaal. c

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. 2

Bestudeer de afbeelding van een bloempot en een onderzetter.

Welke uitspraak is correct? 1

De pot bevat een magneet, de onderzetter niet.

De onderzetter bevat een magneet, de pot niet.

een magneet.

een vaste plek?

Bij welke kompasoriëntatie hoort het ijzervijlselpatroon uit situatie 1?

b Bepaal voor elke situatie alle mogelijke oriëntaties van de magneetpolen X en Y.

Zowel de pot als de onderzetter bevat

b Hoe komt het dat de pot kan zweven op

Welke kompasnaalden geven (ongeveer) de juiste richting aan?

Maak de uitspraken correct door ze aan te vullen

met ‘altijd’, ‘soms’ of ‘nooit’. a

Een magneet wordt aangetrokken tot een opgewreven plastic staaf.

b Een magneet wordt afgestoten

door een opgewreven plastic staaf. Test uit en verklaar.

222

MODULE 05

Hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

E F

Bestudeer de afbeeldingen. a

Teken de afbeeldingen over.

Bestudeer de magnetische veldlijnenpatronen in de verschillende situaties.

b Teken een klein kompasnaaldje in de aangeduide punten. 1

B S Het bovenaanzicht van een staafmagneet

Z A

N D

S Het bovenaanzicht van een hoefijzermagneet

X Y

Rangschik voor elke situatie de sterkte van het magneetveld op de verschillende posities van klein naar groot.

b Op welke plaatsen wordt een homogeen veld afgebeeld? c

Benoem de magnetische polen (aangeduid met X en Y) in situatie 1 en 2.

MODULE 05

Hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

223

AAN DE SLAG 8

Je schuift drie identieke ringvormige magneten

11 Magneten bestaan enkel in vaste vorm.

over een staafje. Daarbij kunnen de magneten

de drie posities aannemen die weergegeven zijn

b Hoe kan magneetverf dan toch bestaan?

Verklaar waarom.

op de afbeelding. Bepaal de polen van de magneten in de

12 Een staafmagneet breekt in tweeën.

verschillende situaties. De noordpool van

de onderste magneet zit onderaan.

b Bedenk een experiment om je antwoord te

Welke voorstelling geeft de polen correct weer? controleren.

13 Als alternatief voor grijpkranen gebruikt men

soms elektromagneten. Bekijk de video.

Teken de afbeelding over.

Duid hun zin aan.

Teken enkele veldlijnen in de spoel.

10 Naast een spoel hang je twee staafmagneten op.

Wat gebeurt er als je de schakelaar sluit?

S Een elektromagneet verplaatst ijzeren platen.

Kun je daarmee alle metalen optillen? Verklaar.

b Hoe werkt een hefmagneet? c

Teken de weekijzeren kern van de elektromagneet (die aan of uit staat) en het (opgetilde) voorwerp met de magnetische polen.

N elektromagneet

Beide magneten worden aangetrokken door de spoel.

b Beide magneten worden afgestoten door de spoel. c

De linkse magneet wordt aangetrokken, de rechtse afgestoten.

d De linkse magneet wordt afgestoten, de rechtse aangetrokken.

224

MODULE 05

Hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

ijzeren plaat

14 Hoe kun je gegevens van een harde schijf wissen?

18 De flux in een homogeen magnetisch veld in

een spoel wordt opgemeten. Bestudeer de afbeeldingen.

15 Bestudeer de werking van een zekering en

een aardlekschakelaar. a

Formuleer het doel van zekeringen en van een aardlekschakelaar. (Je leerde dat vorig schooljaar.)

b Beschrijf hoe men daarvoor elektromagneten internet.) 16 Bestudeer de onderstaande afbeeldingen.

Rangschik de situaties volgens toenemende flux. A

In welke situatie(s) ontstaat een inductiespanning?

kan gebruiken. (Raadpleeg eventueel het

30°

A een smartphone draadloos opladen. 19 Je kunt A

Als je de smartphone op de lader legt, wordt hij A

A A

de smartphone E opgeladen? Verklaar.

17 Bestudeer de afbeelding. Hoe verandert de flux

(met de afbeelding als beginsituatie)?

De magneet in de oplader sluit een elektrische kring met de smartphone en de netspanning.

b Door een spoel in de oplader vloeit een wisselstroom.

30°

aangetrokken. Door welk fenomeen wordt

N Z

De lus en de magneet bewegen niet.

b De lus beweegt omhoog, de magneet staat stil. c

De lus beweegt niet, de magneet beweegt omhoog.

d De lus en de magneet bewegen samen omhoog. e

De lus verschuift naar rechts, de magneet staat

Door een spoel in de oplader vloeit een gelijkstroom.

d Een magneet beweegt op en neer in een spoel in de oplader. e

In de oplader zit een batterij die opgeladen wordt door de netspanning.

22 Wat zijn de gelijkenissen en de verschillen tussen

een gelijkstroommotor en een generator? ` Meer oefenen? Ga naar

stil. f

De lus wordt 90° gedraaid, de magneet staat stil. MODULE 05

Hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

225

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE NOTITIES magneten

KERNBEGRIPPEN 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 de invloed continu;

• •

kracht

Magneten trekken elkaar aan of stoten elkaar af: dat wordt bepaald door de polen.

•

magnetische

elektromagneten: je kunt de invloed aan- en uitschakelen.

Magneten trekken ferromagnetische stoffen aan: dat heet magnetische influentie.

N Z

Een magneet en een stroomvoerende geleider oefenen een kracht uit op elkaar. Toepassing:

•

gelijkstroommotor. magnetisch

Magnetische kracht is een veldkracht: ook zonder contact is de invloed van een magneet

veld

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 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.

magneet beweegt naar de spoel toe (magnetische veldsterkte in spoel neemt toe)

Z 226

MODULE 05

SYNTHESE Hoofdstuk 2

magneet naar ben (magneti veldsterk spoel nee

VA IN