Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
Robert Hooke zag in 1665 - dankzij de uitvinding van de microscoop - celwanden in kurk. Het duurde echter tot het begin van de twintigste eeuw voordat de cel onderwerp werd van uitgebreid biologisch onderzoek. Tegenwoordig gaat men ervan uit dat alle organismen zijn opgebouwd uit cellen (dit is de celtheorie). Het aantal cellen waaruit een organisme bestaat, hangt onder andere af van het soort organisme. Er zijn organismen die slechts uit een enkele cel bestaan, zoals bacteriën, maar de meeste organismen zijn meercellig. De mens hoort bij de laatstgenoemde groep en bestaat uit vele biljoenen cellen. De cel wordt binnen de biologie als kleinst levende eenheid gezien, omdat deze levenskenmerken vertoont, zoals groei en ontwikkeling, stofwisseling en reproductie. In • • • •
dit hoofdstuk gaat het om de volgende vragen: Hoe zijn cellen in staat om als levende eenheid te functioneren? Hoe zijn de cellen van planten en dieren opgebouwd? Wat is de bouwen functie van de verschillende celorganellen? Hoe kunnen cellen stoffen opnemen, afgeven, veranderen en gebruiken?
2.1. Celonderzoek met de microscoop In de geschiedenis is een direct verband aan te geven tussen de ontwikkeling van lenzen, in het bijzonder de microscoop, en de ontwikkeling van biologische kennis. Microscopen zijn onmisbaar gebleken voor een goede bestudering van celstructuren. Tegenwoordig worden ze veel gebruikt in laboratoria van fabrieken, ziekenhuizen en universiteiten. Dit geldt zowel voor de lichtmicroscoop, die in de zeventiende eeuw is ontwikkeld, als voor de elektronenmicroscoop die halverwege de twintigste eeuw werd geconstrueerd. illustratie uit: http://users.ugent.be/~jvanaver/microscoop.jpg
1 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
Van groot naar klein: het optisch bereik van het ‘blote’oog, van de lichtmicroscoop en de electronenmicroscoop.
2 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
2.1.1. Lichtmicroscoop Met een lichtmicroscoop is het mogelijk om voorwerpen 40 tot 1500 maal vergroot te bekijken. Vergrotingen boven de 1000 maal geven meestal een minder scherp beeld. Onder een lichtmicroscoop worden cellen goed zichtbaar. In erg doorzichtige cellen zijn zelfs bepaalde celonderdelen te zien. Cellen en celstructuren, in grootte variërend van ongeveer 1 micrometer (0,001 mm) tot 1 mm, zijn nog te onderscheiden. Van de celstructuren kunnen de celmembraan, de kern, het celplasma, de vacuole en de plastiden (zoals bladgroenkorrels) worden waargenomen. Een pionier in het gebruik van de lichtmicroscoop was de Nederlander Anthonie van Leeuwenhoek (1632-1723). Hij keek onder andere naar manlijke geslachtscellen van de mens.
Microscoop van Van Leeuwenhoek.
Zo tekende Robert Hooke een stukje kurk met ‘cellen’.
Toen Robert Hooke in 1665 een stukje kurk onder zijn lichtmicroscoop legde, ontdekte hij als eerste de gelijkenis tussen plantaardig weefsel en honningraten, vandaar de naam ‘cellen’. In die tijd kon men overigens nog niet zoveel met de waarnemingen. Enerzijds was de kwaliteit van de microscopen zodanig dat het moeilijk was om duidelijke beelden te verkrijgen en anderzijds begreep men het verband tussen de vorm en de functie van cellen niet. Toen in de negentiende eeuw microscopen met speciale achromatische lenzen gebruikt werden, kreeg men een duidelijker beeld en waren zelfs structuren in de cellen te ontdekken. De onderzoekers uit die tijd was het opgevallen dat dierlijke cellen nooit de honingraatstructuur bezaten die bij plantaardige cellen wel gezien werd. Toch waren er toen al twee ideeën gerijpt om als celleer verkondigd te worden: 1. De celwanden van plantencellen zijn slechts de afscheidingsproducten van de eigenlijke levende cellen. 2. Planten en dieren bestaan uit levende cellen. In 1839 bevestigde de Duitser Schwann definitief dat dierlijke cellen bestonden en ontwikkelde daarmee de celtheorie. Door intensief onderzoek is vooral in de twintigste eeuw veel bekend geworden omtrent de bouw, werking en functie van cellen en met name van de cellorganellen daarin. De elektronenmicroscoop heeft daarbij een belangrijke rol gespeeld.
3 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
Bronnen Robert Hooke: cellen “I Took a good clear piece of Cork, and with a Pen-knife sharpen’d as keen as a Razor, I cut a piece of it off, and thereby left the surface of it exceeding smooth, then examining it very diligently with a Microscope, me thougt I could percieve it to appear a little porous; but I could not so plainly distinguish them, as to be sure that they were very pores, much less what Figure they were of: But judging from the lightness and yielding quality of the Cork, that certainly the texture could not be so curious, but that possibly, if I could use some other diligence I might find it to be discernable with a Microscope, I with the same sharp Pen-knife, cut off from the former smooth surface an exceeding thin piece of it, and placing it on a black object Plate, because it was it self a white body, and casting the light on it with a deep plano-convex Glass, I could exceeding plainly percieve it to be all perforated and porous, much like a Honey-comb, but that the pores of it were not regular; yet it was not unlike a Honey-comb in these particulars. First, in that it had a very little solid substance, in comparision of the empty cavity that was contain’d between, as does more manifestly appear by the Figure A and B of the XI. scheme, for the Interstitia, or walls (as I may so call them) or partitions on those pores were neer as thin in proportion to their pores, as those thin films of Wax in a Honey-comb (which enclose and constitute the sexangular cells) are to theirs. Next, in that these pores, or cells, were not very deep, but consisted of a great many little Boxes, separated out of one continued long pore, by certain Diaphragmes, as is visible by the Figure B, which represent a sight of those pores split the long-ways. Tekst uit de Micrographia 1665 van Hooke. Observ. XVIII. Of the Schematisme ar Texture of Cork, and af the Cells and Pores of some other such srothy Bodies.
2.1.2. Elektronenmicroscoop De elektronenmicroscoop (EM) maakt veel sterkere vergrotingen mogelijk dan de lichtmicroscoop. Electronenmicroscoop
4 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
In de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) wordt een elektronenbundel door een voorwerp heen gestuurd. De bundel passerende elektronen wordt gericht op een fluorescerend scherm zodat er een elektronenschaduw van het oorspronkelijke voorwerp ontstaat. Een nadeel van deze techniek is dat het voorwerp niet levend bekeken kan worden en dat het beeld een zwart-wit weergave is. Het grote voordeel is dat voorwerpen tot meer dan 1.000.000 maal kunnen worden vergroot. Vooral om details van het inwendige van een cel te bekijken wordt een speciaal soort elektronenmicroscoop gebruikt, de scanning elektronenmicroscoop (SEM). Met de SEM zijn vergrotingen van zes miljoen maal verkregen. Bij deze techniek worden uitgezonden elektronen onder vacuiim op een voorwerp gericht. De elektronen die weerkaatst worden, vallen op een elektronensensor. Via versterkers wordt uiteindelijk van dit signaal een beeld gevormd op een monitor. Structuren met een grootte van 1 nanometer (een duizendste micrometer) zijn met een elektronenmicroscoop goed zichtbaar te maken. Celonderdelen als ribosomen, mitochondriën, endoplasmatisch reticulum, lysosomen zijn uitgebreid onderzocht met een EM en SEM. Vergelijking tussen de LM, de TEM en de SEM
2.2. Celstructuren en hun functie In het celplasma komt een groot aantal verschillende celstructuren voor die elk een eigen functie binnen de cel vervullen. In de tekening staan ze aangegeven. De meeste celstructuren zijn omgeven door een membraan die dezelfde opbouw heeft als de kern- en de celmembraan. Alle celstructuren die door zo’n menbraan van de rest van de cel afgescheiden zijn, noem je organellen. In de volgende paragrafen worden de belangrijkste organellen behandeld.
5 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
Dierlijke cel. 1=lysosoom 2=celmembraan 3=mitochondrium 4=endoplasmatisch reticulum (ER) 5=cytoplasma 6=kernmembraan 7=kernporie 8=kern 9=kernlichaampje 10=ribosoom 11=Golgi-systeem.
2.2.1. De celkern De celkern bevat de erfelijk informatie van een organisme in de vorm van genen. Deze genen bestaan uit DNA (desoxyribonucleïnezuur). Met de erfelijke informatie bestuurt de kern de celprocessen die moeten plaatsvinden om het geheel goed te laten functioneren. Er zitten ook genen in andere organellen, zoals in het mitochondrium en de bladgroenkorrel. De kern
6 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
In de kernmembraan bevinden zich openingen, kernporiën genaamd. Door deze kernporiën kunnen stoffen de kern binnendringen en verlaten. Het DNA in combinatie met speciale eiwitten wordt chromatine genoemd. Als de celkern gaat delen, wordt dit chromatine zichtbaar in de vorm van draadvormige structuren: de chromosomen. Met behulp van een microscoop is het aantal chromosomen van zo’n delende cel te tellen. Het aantal chromosomen in een cel is per soort constant. Een mens heeft bijvoorbeeld 46 chromosomen in iedere lichaamscel. Deze 46 chromosomen komen in paren voor, in dit geval dus 23 paren. Alleen in de geslachtscellen komen de chromosomen in enkelvoud voor. Een menselijke geslachtscel bevat dan ook 23 chromosomen. In het hoofdstuk Voortplanting van mensen wordt de rol die chromosomen in een cel spelen, uitgebreid behandeld. Door een microscoop is vaak een donkere vlek in de kern te zien: de nucleolus (kernlichaampje). Hier liggen de genen voor de aanmaak van de ribosomen.
2.2.2. Celmembranen De celmembraan bestaat uit een dubbellaag van vetmoleculen waaraan fosforgroepen zijn gebonden. Dergelijke vetmoleculen met daaraan fosforgoepen worden fosfolipiden genoemd. Deze fosfolipiden zijn met de vetgroepen naar binnen gekeerd en zijn waterafstotend (hydrofoob). De fosforgroepen zijn naar buiten gekeerd en zijn waterminnend (hydrofiel). Door deze opbouw ontstaat een soepele, vervormbare en waterafstotende membraan. De celmembraan scheidt het inwendige van de cel, het celplasma, van zijn waterige omgeving. Tussen de twee fosfolipidelagen liggen eiwitmoleculen op een mozaïekachtige manier opgeslagen. Deze eiwitmoleculen dienen voor het transport van water en voedingsstoffen de cel in, en water en afvalstoffen de cel uit. Andere eiwitmoleculen die of aan de binnenkant van het membraan of aan de buitenkant van het membraan gelegen zijn, fungeren als receptoren voor bepaalde stoffen, zoals hormonen, die signalen naar de cel doorgeven. Op het oppervlak van membranen komen ook koolhydraten voor. Deze koolhydraten zijn aan de eiwitten en de vetten in het membraan gebonden en steken boven het membraanoppervlak uit. Dit complex van moleculen vormt de buitenkant van de cel en heet de glycocalyx. Aan dit kenmerkende membraanoppervlak is de cel herkenbaar voor zijn omgeving. Cellen in een weefselkweek stoppen bijvoorbeeld met delen als ze contact met elkaar maken via de glycocalyx. Dit verschijnsel wordt contactinhibitie genoemd. In kankercellen gebeurt dit niet omdat de glycocalyx van de kankercellen niet meer intact is. Vermoedelijk herkennen ook de cellen van het afweersysteem indringers specifiek aan de glycocalyx. Celmembraan
7 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
In een cel zijn de volgende organellen opgebouwd uit membranen: kernmembraan, mitochondrium, endoplasmatischreticulum, Golgi-systeem, lysosoom, en bij planten ook de plastiden. Zelfs uitsteeksels aan sommige cellen zoals flagellen en ciliën bestaan uit membranen. Membranen scheppen orde in de celprocessen die zich binnen de cel afspelen. In ieder organel gebeurt iets anders! De samenstelling van de vloeistof binnen elk membraan blijft zoveel mogelijk gehandhaafd.
2.2.3. Mitochondriën Mitochondriën
In alle cellen bevinden zich mitochondriën. Mitochondriën zijn de energieleveranciers in een cel. Hoe actiever de cel, des te meer mitochondriën. Mitochondriën vermeerderen zich door deling. Hun aantal kan dan ook per cel variëren. Mitochondriën bezitten een dubbelmembraan. Het binnenste membraan is sterk naar binnen gestulpt. Deze instulpingen heten de cristae. De membranen verdelen het mitochondrium in twee inwendige compartimenten. De ruimte tussen de twee membranen in wordt de intermembraanruimte genoemd. De ruimte binnen het binnenmembraan heet de matrix. Een groot deel van de verbranding van glucose uit je voedsel vindt langs de membranen van de matrix plaats. De nodige enzymen liggen als een soort lopende-band-systeem gegroepeerd op de membraan. Bij de verbranding wordt energie gevormd die is vastgelegd in speciale energiemoleculen: ATP (adenosinetrifosfaat). Hoe meer ATP in de mitochondriën gemaakt wordt, des te actiever een cel kan zijn. Om verbranding aan het binnenmembraan van het mitocondrium mogelijk te maken, is zuurstof en brandstof, in de vorm van glucose, nodig. De enzymen die bij deze verbranding betrokken zijn, liggen in het binnenmembraan van het mitochondrium. Als eindproducten van de verbranding worden behalve energie de stoffen koolstofdioxide (CO2) en water (H2O) gevormd. Mitochondriën bezitten hun eigen DNA, het ribosomaal DNA, dat informatie bevat om onder meer 13 eiwitten te vormen die betrokken zijn bij de verbranding, zoals bijvoorbeeld ATP-synthase dat helpt bij de synthese van ATP.
8 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
2.2.4. Endoplasmatisch reticulum Het endoplasmatisch reticulum (ER; endo = binnen, reticulum = netwerk) is een uitgebreid netwerk van membranen. De membranen van het ER en van de kernmembraan lopen in elkaar over. In een cel komen twee vormen van ER voor, het ruwe ER en het gladde ER. Aan het ruwe ER zitten veel ribosomen vast, aan het gladde ER geen. Het gladde endoplasmatisch reticulum is betrokken bij omzettingsprocessen, zoals de vorming van vetzuren, de omzetting van koolhydraten en de ontgiftiging van bijvoorbeeld drugs, alcohol en medicijnen. Ook wordt een groot deel van de steroïdhormonen, betrokken bij de voortplanting, hier gevormd. De speciale cellen in de voortplantingsorganen van de mens die deze steroïdhormonen produceren, bevatten dan ook een uitgebreid glad ER. In het gladde ER van spiercellen ligt calcium opgeslagen. Calcium is onder andere nodig om spiervezels te kunnen laten samentrekken. Ribosomen op het ER maken eiwitten volgens een code die in het DNA van de kern ligt opgeslagen. Veel van deze eiwitten worden aan het ER omgevormd tot glycoproteïnes. De eiwitten en glycoproteïnes worden langs het membraansysteem van het ER vervoerd en uiteindelijk in blaasjes opgeslagen. Het ruwe ER is ook in staat de eigen membranen te synthetiseren. Endoplasmatisch reticulum
Electronenmicroscopische foto van ruw endoplasmatisch reticulum
9 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
2.2.5. Ribosomen Ribosomen bestaan niet uit membranen, maar uit eiwitmoleculen met daarin verpakt stukjes erfelijk materiaal (in de vorm van RNA). Cellen die veel eiwitten produceren, bevatten veel ribosomen, soms enkele miljoenen per cel. Ribosomen zijn essentieel voor de eiwitsynthese. De geproduceerde eiwitten kunnen voor verschillende doeleinden worden gebruikt, zoals de aanmaak van materiaal (structuureiwitten), het versnellen van omzettingen (enzymen), en het transport van stoffen door celmembranen (transporteiwitten). De ribosomen in een cel zijn voor het overgrote deel met het ruwe ER verbonden, de overige liggen vrij in het celplasma, soms in groepjes als polysomen. Endoplasmatisch reticulum en ribosomen (EM)
2.2.6. Golgi-systeem Golgi-systeem
10 Š 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Het Golgi-systeem (ook wel Golgi-apparaat genoemd) is een membraansysteem en is genoemd naar de Italiaan Camillo Golgi, die aan het einde van de negentiende eeuw deze structuur in cellen ontdekte. Blaasjes, afkomstig uit het ER, worden vaak door het Golgi-systeem opgenomen en verder verwerkt. Het Golgi-systeem bestaat uit op elkaar gestapelde membranen waaruit door afsnoering aan de zijkanten nieuwe blaasjes ontstaan. Sommige blaasjes bevatten enzymen en heten dan lysosomen. Andere blaasjes worden naar de celmembraan getransporteerd en worden secretieblaasjes genoemd. Deze ledigen zich buiten de cel. Het Golgi-systeem kun je zien als een ‘fabriekje’ waar allerlei producten worden aangevoerd om vervolgens na bewerking weer afgevoerd te worden. Eiwitten, suikers en vetten worden in het Golgi-systeem bewerkt tot verbindingen die in de cel op specifieke plaatsen bruikbaar zijn en die door de cel worden uitgescheiden. Kliercellen hebben daarom een goed ontwikkeld Golgi-systeem. Vanwege de grote variatie aan chemische omzettingen is het Golgi-systeem rijk gevuld met veel verschillende enzymen. Voor ieder type omzetting is namelijk een specifiek enzym nodig.
2.2.7. Lysosomen Lysosomen
Lysosomen zijn een soort zakjes, die door membranen van de omgeving afgescheiden zijn. Ze bevatten enzymen die betrokken zijn bij de afbraak van grote moleculen. Voorbeelden van dergelijke moleculen zijn eiwitten, koolhydraten, vetten en nucleïnezuren. Lysosomen zijn vooral belangrijk bij de intracellulaire vertering van voedseldeeltjes die via fagocytose (insluiting van vaste deeltjes) en pinocytose (insluiting van vloeibare deeltjes) de cel zijn binnengekomen. Deze enzymen werken het best in een licht zure omgeving. De membranen zorgen ervoor dat het inwendige van het lysosoom de juiste zuurgraad behoudt. Soms gaan deze lysosomen lekken waardoor de enzymen in het celplasma terechtkomen.
11 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
Het gevolg kan zijn dat de inhoud van de cel afgebroken wordt en de cel zichzelf oplost. In dat geval worden de lysosomen ‘suicide bags’, oftewel zelfmoordzakjes, genoemd. Een aandoening in het zenuwstelsel die veroorzaakt wordt door defecte lysosomen, heet de ziekte van Tay Sachs. Hierbij ontbreekt een vetsplitsend enzym in de lysosomen van zenuwcellen. Een gevolg is dat vet zich in de zenuwcellen ophoopt, waardoor de overdracht van elektrische impulsen geblokkeerd wordt. In sommige situaties is het noodzakelijk dat bepaalde (delen van) weefsels worden afgebroken. Er is dan sprake van gerichte afbraak, apoptose. Hierbij wordt de cel systematisch vernietigd, en worden de onderdelen weer beschikbaar voor hergebruik. Een voorbeeld van apoptose is de afbraak van de staart bij het kikkervisje dat kikker wordt. Een voorbeeld bij de mens is de afbraak van de vliezen die gedurende de foetale ontwikkeling zijn gevormd tussen de lippen, de oogleden, en tussen de vingers en tenen. Ook wordt het staartje bij de mens afgebroken. In al deze gevallen geschiedt dit met behulp van de enzymen uit de lysosomen. Het onbedoeld afsterven van cellen heet necrose. Dit gebeurt omdat bijvoorbeeld de celmembraan lekkage vertoont. Necrose doet zich onder meer voor bij longembolie. Door een bloedpropje in de haarvaten stagneert de bloedtoevoer, en sterft een deel van het longweefsel af.
2.2.8. Celskelet en celspieren De verschillende organellen zweven niet vrij in de vloeistof, zoals een gewoon microscopisch beeld of een schematische tekening suggereert. Door de hele cel is een groot aantal draadvormige structuren te vinden die de rol van skelet en spieren spelen: de microtubuli en de microfilamenten. Microtubuli
12 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
De microtubuli zijn uiterst dunne buisjes die in alle richtingen door de cel verlopen. Ze zorgen dat de vorm van de cel gehandhaafd blijft, maar ze spelen ook een rol bij voor vormveranderingen van de cel en verplaatsing van organellen. Men spreekt wel van ‘celskelet’, maar eigenlijk zijn de microtubuli beter vergelijkbaar met steigers; ze worden voortdurend opgebouwd en weer afgebroken. Op deze manier zijn ze tegelijk star (als een skelet) en flexibel. Bij het uitsteken van schijnvoetjes in witte bloedcellen en amoeben zijn het aangroeiende microtubuli die voor dat uitsteken zorgen. Het zijn ook microtubuli die de spoelfiguur vormen bij de mitose en meiose. De microtubuli regelen ook het vervoer van onderdelen binnen de cel. De microfilamenten zijn nog dunnere ‘draadjes’ die, al dan niet in bundels, door de cel lopen en zorgen voor bewegingen zoals het intrekken van en membraanblaasje bij fagocytose. Ze verzorgen de bewegingen door langs elkaar te schuiven. De filamenten die zorgen voor de contractie in spiervezels zijn ook microfilamenten die aldaar in grote aantallen parallel gerangschikt liggen.
2.2.9. Plastiden Plastiden
Plastiden zijn organellen die alleen bij planten voorkomen. Dieren en schimmels bezitten geen plastiden. Onder een lichtmicroscoop zijn plastiden al bij kleinere vergrotingen (100x) te bekijken. De plastiden worden ingedeeld in twee groepen: de gekleurde plastiden (chromoplasten) en de niet gekleurde plastiden (leukoplasten). De kleurloze leukoplasten dienen om stoffen zoals vet, zetmeel en eiwit op te slaan. De leukoplasten waarin zetmeel is opgeslagen, worden zetmeelkorrels (amyloplasten) genoemd. Deze worden aangetroffen in wortels en ondergrondse stengelverdikkingen zoals aardappels. Ook in zaden komen amyloplasten voor. Tot de chromoplasten behoren de bladgroenkorrels (chloroplasten). Daarnaast kunnen chromoplasten in allerlei kleurvariaties - van geel tot rood - voorkomen. Gekleurde chromoplasten komen vooral voor in rijpe vruchten zoals bananen, tomaten, sinaasappels. De opvallende kleuren maken dieren op deze vruchten opmerkzaam, zodat ze ze eten en de zaden ervan verspreiden.
13 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
Chloroplast
Cellen met chloroplasten komen bij planten vooral voor in de bladeren en in de stengel. In dergelijke cellen is fotosynthese mogelijk. Net als de mitochondriën heeft een chloroplast een dubbelmembraan aan de buitenkant. De binnenmembraan omgeeft een ruimte die opgevuld is met vloeistof, stroma genoemd, en membraanschijfjes die op elkaar gestapeld zijn. In de op elkaar gestapelde schijfjes zit het pigment chlorofyl. Dat is betrokken bij de opvang van licht die nodig is voor fotosynthese. De genoemde plastiden worden gevormd uit zogenaamde proplastiden. Als de plastiden eenmaal gevormd zijn, kunnen ze door uitwendige omstandigheden gemakkelijk in elkaar overgaan. Leukoplasten die aan licht worden blootgesteld,vormen zich om tot chloroplasten. Deze zijn dan in staat om fotosynthese uit te voeren.
2.2.10. Vacuoles Vacuoles
Vacuoles zijn een soort vochtblaasjes die in cellen van zowel planten als dieren voorkomen. Vacuoles kunnen verschillende functies in de cel vervullen. In voedselvacuoles komen voedingsstoffen voor die door fagocytose in de cel zijn opgenomen. Door versmelting met lysosomen kunnen de voedingsstoffen worden afgebroken. Eencellige diertjes hebben vaak contractiele vacuoles die het teveel aan opgenomen water de cel uit pompen.
14 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Volgroeide, gespecialiseerde plantencellen bevatten een grote centrale vacuole die omgeven is door een membraan: de tonoplast. Een jonge plantencel bevat meerdere kleine vacuoles, die uiteindelijk versmelten tot een grote centrale vacuole. Hierin komen afhankelijk van het type cel verschillende verbindingen voor. Voorbeelden hiervan zijn eiwitten, kalium- en natriumionen, kleurstoffen, en bij sommige plantensoorten giftige verbindingen zoals flavonoïden om de plant tegen insecten te beschermen. Bij celstrekking (bij lengtegroei) vult de vacuole zich door middel van osmose met water. Wanneer de vacuole goed gevuld is, ontstaat er een druk op de celwand die ervoor zorgt dat de cel uitrekt. De vakuole vult bijna de hele cel, met als gevolg dat het celplasma als een dun laagje tegen de binnenkant van de celwand wordt aangeduwd. Tussen het celplasma en de celwand bevindt zich de celmembraan.
2.2.11. Toetsvragen bij § 2.1 en 2.2 1999.2-45 De groei van planten wordt gestimuleerd door groeistoffen zoals auxine. Auxine bevordert de celstrekking. In afbeelding 15 (zie bron 1999.2.15) zijn organellen in een plantencel aangegeven. 45 Geef het cijfer van het organel dat onder invloed van auxine zeer sterk in omvang toeneemt. 1997.2-2 2 In welk of in welke van de aangegeven delen 1, 3 en 5 in afbeelding 2(zie bron 1997.2.) wordt ATP omgezet en energie verbruikt? 1994.2 new-7 De foto in afbeelding 3(zie bron 1994.2.3) geeft een gedeelte van een zoogdiercel weer. Vier plaatsen zijn met cijfers aangegeven. 7 Op welke van de aangegeven plaatsen wordt ATP gevormd? A op plaats 1 B op plaats 2 C op plaats 3 D op plaats 4 1994.1new-2 en 16 In afbeelding 1 (zie bron 1994.new.1) is een cel van een draadwier getekend. Een aantal delen is met cijfers aangegeven. 2 In welk of in welke van de aangegeven delen kan ATP worden omgezet? A alleen in deel 1 B alleen in deel 2 C alleen in deel 3 D alleen in de delen 1 en 2 E alleen in de delen 1 en 3 F in de delen 1, 2 en 3
15 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
Hoedje af Plantjes van het geslacht Acetabularia zijn eencellig en leven in warme zeewateren. Zo’n plantje bestaat uit slechts één cel van 3 tot 5 cm lang. In tekening 1 van afbeelding 7 (zie bron 1994.1new.7) is schematisch zo’n plantje afgebeeld. Delen van de cel worden hoed, steel en rhizoïde genoemd. Met een acetabularia wordt een experiment uitgevoerd over het regeneratievermogen (experiment 1). Het blijkt dat een losse rhizoïde kan uitgroeien tot een compleet plantje. Uit alleen de hoed of alleen de steel groeit geen nieuw plantje (zie tekening 2 in afbeelding 7). 16 Waardoor groeit in experiment 1 de rhizoïde wel en de hoed of de steel niet uit tot een compleet plantje? 1992.2new-37 Leerlingen hebben tijdens een practicum microscopie de volgende vier preparaten gemaakt: 1 een preparaat van een lengtedoorsnede van een stukje hout, 2 een preparaat van een dwarsdoorsnede van een blad van een plant, 3 een preparaat van een dwarsdoorsnede van een stukje beenweefsel van een dijbeen, 4 een preparaat van cellen van het mondslijmvlies. Afbeelding 16 (zie bron 1992.2new .16) geeft een deel van één van deze preparaten weer. 37 van welk van de genoemde preparaten is afbeelding 16 gemaakt? A van preparaat 1 B van preparaat 2 C van preparaat 3 D van preparaat 4
2.3. Verschillen tussen plantencellen en cellen van dieren
Een plantaardige cel (links)en een dierlijke
Celwand van plantaardige cellen
cel (rechts)hebben veel overeenkomsten maar ook enkele belangrijke verschillen
Alleen in plantencellen tref je plastiden aan. Daarnaast bevatten uitgegroeide plantencellen een grote centrale vacuole, terwijl bij dierlijke cellen vacuoles in die vorm niet voorkomen. Dierlijke cellen hebben wel kleine vacuoles die onderdeel zijn van het Golgi-systeem. Een ander opvallend verschil is dat plantencellen omgeven zijn door een omhulsel, de celwand. Deze is opgebouwd uit meerdere lagen. De buitenste laag bestaat uit cellulose en geeft de cel enige mate van elasticiteit (de primaire celwand).
16 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
De binnenste laag geeft de celwand extra stevigheid doordat daarin hout- stof en andere stevige verbindingen afgezet worden. Als dit gebeurd is, verdwijnt de elasticiteit van de celwanden en is groei niet meer mogelijk. De cel heeft dan zijn maximale stevigheid verkregen. Tussen de celwanden van aangrenzende cellen ligt een raster van dunne elastische laagjes die bestaan uit pectine. Deze pectine vormt de middenlamel tussen de cellen.
2.3.1. Toetsvragen bij § 2.3 1998.2-31 t/m 33 In tabel 3 (zie bron 1998.2-tabel3) is een overzicht van de indeling van algen weergegeven met een aantal kenmerken van de verschillende afdelingen. Op grond van deze kenmerken bestaat er discussie over de indeling van een aantal afdelingen. De Chlorophyta worden tot het plantenrijk gerekend. 31 Noem twee kenmerken uit tabel 3 op grond waarvan de Chlorophyta tot het plantenrijk worden gerekend. In afbeelding 10 (zie bron 1998.2.10) is schematisch een eencellige weergegeven. Op grond van kenmerken in afbeelding 10 kan deze eencellige worden ingedeeld in een afdeling uit tabel 3. 32 Tot welke afdeling uit tabel 3 behoort deze eencellige? Op grond van welke twee kenmerken deel je deze eencellige in die afdeling in? Deze eencellige wordt door sommigen tot het dierenrijk gerekend. 33 Op grond van welk kenmerk kan deze eencellige in het dierenrijk worden ingedeeld? 1997.1-29 Mitochondriën kunnen niet door de cel waarin ze voorkomen, worden opgebouwd. Ze kunnen uitsluitend ontstaan door deling van reeds aanwezige mitochondriën. In afbeelding 14 (zie bron 1997.1.14) is schematisch weergegeven op welke wijze een mitochondrium zich zou kunnen delen. In een mitochondrium bevindt zich circulair DNA. Het delingsproces dat in afbeelding 14 is weergegeven, wordt vergeleken met de deling van een eencellig diertje (een amoebe), met die van een eencellige alg, met die van een gistcel en met die van een bacterie. In tabel 2 zijn kenmerken van deze organismen opgenomen. 29
Lijkt het delingsproces van mitochondriën het meest op de deling van een amoebe, van een eencellige alg, van een gistcel of van een bacterie? Noem twee kenmerken uit tabel 2 waaruit dat is af te leiden.
1993.1new-16 Plantencellen onder stroom. In experimenten wordt de geleiding van elektrische stroom tussen twee plantencellen met bladgroen (P en Q) bestudeerd. De proefopstellingen zijn schematisch weergegeven in afbeelding 6 (zie bron 1993.1new.6). Twee elektroden staan in verbinding met een spanningsbron. 17 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
In experiment 1 steekt één elektrode in cel P, de andere elektrode rust op de wand van cel Q. In dit experiment wordt geen elektrische stroom tussen de elektroden gemeten. Vervolgens blijft in experiment 2 één elektrode in cel P, de andere elektrode wordt in cel Q gestoken. Nu wordt er wel een elektrische stroom tussen de elektroden gemeten. 16 A B C D
Welke van onderstaande conclusies kan op grond van deze experimenten juist zijn? Celwanden geleiden elektrische stroom tussen P en Q. Chloroplasten geleiden elektrische stroom tussen P en Q. Cytoplasmaverbindingen geleiden elektrische stroom tussen P en Q. De middenlamel geleidt elektrische stroom tussen P en Q.
2.4. Opname en afgifte van stoffen Stoffen kunnen op verschillende manieren de celmembraan passeren. Wanneer de cel daar zelf geen actieve rol bij speelt, spreekt men over passief transport. Voorbeeld hiervan is het transport van water en van gassen zoals zuurstof en koolstofdioxide. Dit passieve transport kost de cel geen energie. Transport van stoffen dat de cel wel energie kost, wordt actief transport genoemd
2.4.1. Passief transport Bij passief transport is de drijvende kracht een verschil in concentratie van de te transporteren deeltjes. Hoe meer deeltjes in een oplossing aanwezig zijn, des te hoger de concentratie is. De concentratie kan uitgedrukt worden in gram per liter. Een voorbeeld van passief transport is diffusie. Bij diffusie verplaatsen deeltjes zich van de plaats waar de concentratie van die deeltjes het hoogst is naar de plaats waar de concentratie het laagst is. Dit gaat door tot overal een gelijke concentratie van deeltjes heerst. Diffusie vindt plaats in vloeistoffen en gassen. Als de te diffunderen stof gescheiden wordt door een wand of membraan die permeabel (doorlaatbaar) is voor die stof, dan wordt ook gesproken van diffusie. Bloedcellen nemen door diffusie zuurstof op als de concentratie vrije zuurstof in de bloedcellen lager is dan in de omgevende ruimte. Osmose is een bijzonder geval van diffusie. Bij osmose is er sprake van watertransport middels diffusie door een semipermeabel membraan. Een dergelijk membraan heeft zeer kleine openingen waardoorheen kleine moleculen zoals water zich kunnen verplaatsen, maar grotere en geladen deeltjes niet. In een cel zijn de celmembraan en de overige membranen semi-permeabel. De opgeloste deeltjes in het celplasma of in de omringende vloeistof van de cel kunnen niet door passief transport de celmembraan passeren. Door een verschil in concentratie tussen het inwendige en uitwendige van de cel wordt water getransporteerd van de plaats waar de concentratie opgeloste deeltjes het laagst is naar de plaats waar die concentratie het hoogst is - dus van de plaats waar de concentratie waterdeeltjes het hoogst is naar de plaats waar de concentratie waterdeeltjes het laagst is. De plaats waar de concentratie opgeloste deeltjes het hoogst is, heeft de hoogste osmotische waarde. Waar de concentratie opgeloste deeltjes het laagst is, heerst de laagste osmotische waarde. De plaats waar de osmotische waarde het hoogste is, is hypertonisch ten opzichte van de omringende oplossing. Omgekeerd is de plaats waar die het laagst is, hypotonisch ten opzichte van de oplossing met de hoogste osmostische waarde. Als de beide oplossingen aan weerzijde van de membraan een gelijke osmotische waarde hebben dan zijn ze isotonisch.
18 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
2.4.2. Diffusie en osmose Diverse omstandigheden hebben invloed op de diffusie- en de osmosesnelheid. Dat zijn onder andere: - het concentratieverschil; - het diffusieoppervlak; - de diffusieafstand; - de temperatuur; - en de aard van het medium. Het verband tussen deze grootheden wordt weergegeven in de formule van Fick: dV/dt = D.F.(C1-C2)/d. Hoe groter het concentratieverschil is, des te sneller is de verplaatsing van deeltjes; naarmate het diffusieoppervlak (D) groter en de diffusieafstand (d) kleiner is, verloopt de diffusie sneller. Bij hogere temperatuur verplaatsen de deeltjes zich sneller. Een dichter medium leidt daarentegen tot een tragere verplaatsing. In tegenstelling tot een dierlijke cel, zal een plantaardige cel die teveel water opneemt, niet direct knappen. Om iedere plantencel zit een celwand die de cel hiertegen beschermt. De inhoud van een plantencel duwt tegen de binnenkant van de celwand. Deze druk heet turgor. Omgekeerd duwt de celwand met evenveel druk tegen de celinhoud. Deze druk wordt de wanddruk genoemd. Als de cel zijn maximale grootte heeft bereikt, dan is de turgor maximaal. Je noemt de cel dan turgescent. In dit geval ligt de cel in een waterige oplossing. Komt een dergelijke cel terecht in een sterk geconcentreerde oplossing, dan zal de cel door osmose water naar buiten afgéven. De celinhoud kan daarbij zelfs loslaten van de celwand. Dit proces heet plasmolyse. Op het moment dat de celinhoud op het punt staat los te laten van de celwand, verkeert de cel in een toestand van grensplasmolyse. Op dat moment is het cytoplasma door waterafgifte sterk geconcentreerd geworden. Wanneer de cel dan in een waterige oplossing wordt gebracht, kan hij veel water opnemen. Immers de tegendruk van de celwand (wanddruk) is afwezig en de osmotische waarde in de cel is hoog. Hierdoor ontstaat een hoge zuigkracht. Cellen van de rode ui
1: turgescente cellen
2: beginnende plasmolyse
3: sterke plasmolyse
Een dierlijke cel die in een waterige oplossing ligt, zal water in het celplasma opnemen. De cel heeft echter geen beschermende celwand, zodat hij bij een te grote wateropname kan knappen. Als een patiënt een infuus nodig heeft, bijvoorbeeld wegens uitdroging, mag men dus nooit water toedienen, maar altijd een oplossing die isotonisch is met bloed.
19 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
2.4.3. Transport via membraanporien Eiwitkanaaltjes ofwel porien
De celmembraan vormt een flexibele maar effectieve barriere tussen binnenkant en buitenkant van de cel. Om transport door de membraan mogelijk te maken, zijn eiwitten in de vorm van holle buisjes (eiwitkanaaltjes ofwel porien) in de membraan opgenomen. Deze kunnen open staan of gesloten zijn. De cel kan op deze manier regelen welke stoffen binnen komen of naar buiten gaan. De aard van de eiwitkanaaltjes bepaalt welke moleculen of ionen de membraan passeren. Zo zijn er specifieke transportkanalen voor kaliumionen. Als de cel in zijn stofwisseling teveel kaliumionen vormt, dan moet de cel deze naar buiten afgeven. De cel zou anders niet goed kunnen functioneren. Er zijn ook eiwitten bekend die gelijkertijd twee ionen in tegengestelde richting de membraan laten passeren. Als één van de deeltjes de cel verlaat, dan gaat het andere deeltje de cel in. Zo wordt het ladingsverschil tussen de buitenkant en de binnenkant van de membraan intact gelaten. Een bekend voorbeeld hiervan is de uitwisseling van HCO3-ionen en CI-ionen (chloorionen) in rode bloedcellen. In de longen verlaat HCO3- de rode bloedcel (om in de vorm van CO2 uitgeademd te worden) en wordt CI- opgenomen. Soms verplaatsen deeltjes zich tegelijkertijd in dezelfde richting door het membraan, zoals glucose en Na+-ionen. Na binding aan het transporteiwit omsluit het eiwit de deeltjes en geeft ze af aan de binnenkant. Om de glucose-concentratie in de cel laag te houden wordt de glucose zoveel mogelijk in het celplasma gebonden aan een ander molecuul. Het transport kan dan blijven doorgaan. In zenuwcellen kunnen zich na een verstoring van de membraan in rust, binnen enkele milliseconden grote hoeveelheden ionen zoals kalium en natrium door de membraan verplaatsen.
2.4.4. Actief transport Je kunt twee vormen van actief transport onderscheiden: - met behulp van een enzymatische pomp; - door middel van blaasjesvorming.
20 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Enzymatische pomp
Bij een enzymatische pomp worden de te transporteren deeltjes, vaak tegen het concentratieverval in, met behulp van een transportenzym in de celmembraan de cel in of uit getransporteerd. Aan de ene kant van het membraan bindt de te passeren stof zich aan het eiwit. Het eiwit beweegt zich via de celmembraan naar de andere kant. Daar aangekomen laat de stof weer los, en kan het transportenzym opnieuw gebruikt worden. In zenuwcellen worden, om de rustsituatie te bereiken, natrium- en kaliumionen uitgewisseld door de natrium/kaliumpomp. Deze vorm van stoffen kost de cel veel energie. Die wordt geleverd door ATP. Blaasjestranport a: fagocytose b: pinocytose c: endocytose met behulp van receptoren
Bij transport met behulp van blaasjes worden stukjes van de celmembraan afgesplitst of juist met elkaar versmolten. In de gevormde blaasjes bevinden zich dan de stoffen die vervoerd worden. Vooral grotere verbindingen kunnen makkelijk op deze manier vervoerd worden. Het proces waarbij deeltjes naar buiten. worden afgegeven, heet exocytose. Het omgekeerde proces, waarbij transport plaats vindt van buiten naar binnen, heet endocytose. Gaat het om de opname van stoffen die in vloeibare vorm verkeren, dan spreekt men van pinocytose. De opname van vaste deeltjes of zelfs van eencellige organismen (witte bloedcellen die een bacterie opnemen) heet fagocytose. 21 Š 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
2.4.5. Toetsvragen bij § 2.4 2001-1-4 In een experiment worden bacteriën van dezelfde soort in twee oplossingen (1 en 2) met een verschillende osmotische waarde gelegd. In afbeelding 4 (zie bron 2001.1.4) is het experiment schematisch weergegeven. Er is aangegeven wat in beide oplossingen met een bacterie gebeurt. De oplossingen bevatten gelijke hoeveelheden lysozymen. Lysozymen zijn enzymen die de wand van een bacterie aantasten. In beide oplossingen komt de bacterie-inhoud vrij. In oplossing 1 barst de celmembraan, in oplossing 2 niet. De bacterie-inhoud is niet isotonisch met één van beide oplossingen. 4 Waardoor barst de celmembraan in oplossing 1 wel en in oplossing 2 niet? A Doordat de osmotische waarde van oplossing 1 hoger is dan die van oplossing 2 en hoger dan die van de bacterie. B Doordat de osmotische waarde van oplossing 1 hoger is dan die van oplossing 2, maar lager dan die van de bacterie. C Doordat de osmotische waarde van oplossing 1 lager is dan die van oplossing 2. maar hoger dan die van de bacterie. D Doordat de osmotische waarde van oplossing 1 lager is dan die van oplossing 2 en lager dan die van de bacterie. 2000-2-37 De wijze van transport van stoffen door een celmembraan heen is afhankelijk van de grootte, de structuur en de polariteit van de moleculen en van de lading van de ionen. Bij het onderzoek van membranen maakt men gebruik van kunstmatige dubbelmembranen. In afbeelding 17 (zie bron 2002.2.17) is de permeabiliteit van een kunstmatige dubbelmembraan voor vier groepen van stoffen weergegeven. De structuurformule van alcohol is weergegeven in afbeelding 18 (zie bron 2002.2.18). 37 Tot welke van deze vier groepen behoort alcohol voor wat betreft de wijze van transport door een membraan? A tot groep 1 B tot groep 2 C tot groep 3 D tot groep 4 2001.2(oud)- 32 en 33 In een proef wordt een vers stukje plantaardig weefsel gewogen en in een suikeroplossing gelegd. Na een uur wordt het weefsel uit de oplossing gehaald, afgedroogd en opnieuw gewogen. Het gewicht is afgenomen. 32 Is de osmotische waarde van het vacuolevocht van de cellen van dit weefsel na de proef lager dan, gelijk aan of hoger dan die vóór de proef? A lager B gelijk C hoger
22 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
In de wanden van de cellen van dit weefsel bevindt zich water met opgeloste stoffen. 33 Zijn bij de opgeloste stoffen suikermoleculen aanwezig die afkomstig zijn uit de omringende oplossing? Zo ja, door welke vorm van transport zijn die suikermoleculen in de celwanden terechtgekomen A Er zijn geen suikermoleculen bij de opgeloste stoffen. B Er zijn suikermoleculen en die zijn actief uit de oplossing opgenomen. C Er zijn suikermoleculen en die zijn door diffusie getransporteerd. D Er zijn suikermoleculen en die zijn door osmose getransporteerd. 1998.2.25 en 26 Afbeelding 8 (zie bron 1998.2.8) geeft een macrofaag weer. Macrofagen zijn witte bloedcellen die door fagocytose bacteriën en dode cellen in het lichaam opruimen. Bij het opruimen van een deeltje vindt een aantal processen plaats. Deze processen zijn in willekeurige volgorde: 1 versmelten van een fagosoom en een lysosoom, 2 vorming van verterende enzymen, 3 vorming van een lysosoom, 4 exocytose (= afgeven buiten de cel) van onverteerde resten, 5 enzymatische vertering van het opgenomen deeltje, 6 transport van verterende enzymen van de plaats van vorming naar de plaats van vorming van het lysosoom. 25 In welk van de in afbeelding 8 benoemde delen vindt proces 2 plaats? En proces 3? Een bacterie is in een fagosoom opgenomen. 26 Geef de juiste volgorde waarin de processen 1 tot en met 6 plaatsvinden te beginnen met proces 2. 1997.2-19 Een leerlinge doet een onderzoek naar osmoseverschijnselen bij plantencellen. Zij gebruikt hiervoor een aantal verse rode bieten. Zij schilt de bieten, holt ze uit en spoelt ze goed af. Met deze uitgeholde bieten doet zij haar onderzoek. Daarbij kan zij gebruikmaken van een weegschaal, een gasbrander, bekerglazen, bakjes, water en suiker. Haar onderzoek duurt vier uur. Uit de resultaten van haar onderzoek concludeert zij dat alleen bij intacte celmembranen osmoseverschijnselen waar te nemen zijn. 19 Geef de hypothese voor het onderzoek. Beschrijf de werkwijze, zoals deze leerlinge die kan hebben gevolgd. Vul de tekeningen van de bieten in de bijlage(zie bron 1997.2-bijlage.19) aan, zodat de beginsituatie van het onderzoek en de situatie na vier uur zijn weergegeven. 1997.1-28 In afbeelding 13 (zie bron 1997.1.13) is schematisch een proces in een mitochondrium getekend. In dit mitochondrium bevinden zich twee ruimten: de ruimte P en de ruimte Q (de matrix). De vloeistoffen in deze ruimten verschillen in samenstelling en pH. In het mitochondrium is de vorming van ATP met behulp van het enzym ATP-synthetase aangegeven. Hierbij gaan H+-ionen van ruimte P naar ruimte Q. Ter handhaving van het pHh-verschil tussen de ruimten P en Q gaan H+-ionen vervolgens weer vanuit ruimte Q naar ruimte R.
23 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
28 A B C
Cellen: bouw en functie
Gaan de H+-ionen vanuit ruimte Q naar ruimte P vooral door actief transport, door diffusie of door osmose? vooral door actief transport; vooral door diffusie; vooral door osmose.
1994.2new-19 en 20 Drie reageerbuizen worden gevuld met oplossingen van keukenzout (NaCl) van verschillende concentraties. Buis 1 bevat een 0,1% NaCl-oplossing, buis 2 bevat een 0,9% NaCl-oplossing en buis 3 bevat een 1,5% NaCl-oplossing. In elk van deze buizen wordt een stukje van hetzelfde verse weefsel ondergedompeld. De stukjes weefsel zijn allemaal even groot en rood van kleur. Voordat ze in de buizen zijn gedaan, zijn ze eerst goed afgespoeld totdat ze geen kleurstof meer afgeven. Na een half uur wordt het experiment beëindigd. De oplossing in buis 1 is licht rood geworden. De oplossing in buis 2 is kleurloos gebleven. 19 Is dit weefsel afkomstig van een dierlijk of van een plantaardig organisme of is dat niet te bepalen? A van een dierlijk organisme; B van een plantaardig organisme; C dat is niet te bepalen. 20 A B C
Hoe ziet de oplossing in buis 3 er uit aan het eind van het experiment? rood; licht rood; kleurloos.
1993.1new-9 In afbeelding 3 (zie bron 1993.1.3) zijn een bacterie, een gistcel en een virus getekend. In zowel de bacterie als in de gistcel zijn twee processen schematisch weergegeven. Een aantal delen en deeltjes is met letters aangegeven. 9 In welk of in welke van de organismen in afbeelding 3 is zeker DNA aanwezig? A alleen in de bacterie; B alleen in de gistcel; C alleen in het virus; D alleen in de bacterie en in de gistcel; E alleen in de bacterie en in het virus; F in de bacterie, in de gistcel en in het virus. 1993.2new-37 Een bepaalde soort platworm leeft in het water van rivierdelta’s. Als gevolg van eb en vloed verandert de osmotische waarde in dit milieu voortdurend. Bij laag water (eb) is het water waarin de worm leeft, minder zout dan bij hoog water (vloed). Deze platworm heeft in het lichaam blazen waarin zich water en opgeloste deeltjes bevinden. Het aantal opgeloste deeltjes in deze blazen is constant. Met behulp van deze blazen wordt de osmotische waarde van de lichaamsvloeistof van de worm binnen zekere grenzen constant gehouden. 24 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
De osmotische waarde van de vloeistof in de blazen en van het omringende milieu worden bepaald bij eb en bij vloed. In alle situaties blijft de worm volledig onder water. 37 Is de osmotische waarde van de vloeistof in de blazen bij eb lager of hoger dan bij vloed? En is het gewicht van de worm bij eb lager of hoger dan bij vloed? A De osmotische waarde van de vloeistof in de blazen is bij eb lager dan bij vloed en het gewicht van de worm is lager. B De osmotische waarde van de vloeistof in de blazen is bij eb lager dan bij vloed en het gewicht van de worm is hoger. C De osmotische waarde van de vloeistof in de blazen is bij eb hoger dan bij vloed en het gewicht van de worm is lager. D De osmotische waarde van de vloeistof in de blazen is bij eb hoger dan bij vloed en het gewicht van de worm is hoger. 1992.2new-38 In plantencellen is de doorlaatbaarheid van het celmembraan niet gelijk aan die van het vacuolemembraan. Een plantencel bevindt zich achtereenvolgens in twee situaties. In situatie 1 bevindt de plantencel zich in het weefsel waarvan de cel deel uitmaakt. In situatie 2 bevindt dezelfde cel zich in een bepaalde oplossing P. De totale omvang van de cel is in de situaties 1 en 2 gelijk, maar in situatie 2 is de vacuole kleiner en het volume van het cytoplasma groter dan in situatie 1 (zie afbeelding 17: zie bron1992.2new.17). Ter verklaring van situatie 2 worden vier beweringen gedaan: 1 situatie 2 is ontstaan doordat zich een opgeloste stof in oplossing P bevindt die zowel door het celmembraan als door het vacuolemembraan heengaat; 2 situatie 2 is ontstaan doordat zich een opgeloste stof in oplossing P bevindt die door het celmembraan, maar niet door het vacuolemembraan heengaat; 3 situatie 2 is ontstaan doordat zich een opgeloste stof in oplossing P bevindt die niet door het celmembraan, maar wel door het vacuolemembraan heengaat; 4 situatie 2 is ontstaan doordat zich een opgeloste stof in oplossing P bevindt die niet door het celmembraan en ook niet door het vacuolemembraan heengaat.3 8 Welke van deze beweringen is juist? A bewering 1 B bewering 2 C bewering 3 D bewering 4
2.5. Weefsels en organen Ieder organisme bestaat uit cellen. Er bestaat een grote variatie in cellen. Het bouwplan van al die cellen komt aardig met elkaar overeen (een kern, celplasma, mitochondriën, ribosomen, enzovoort), maar er zijn ook grote verschillen. Een spiercel ziet er totaal anders uit dan een rode bloedcel. De functie is immers anders. Een spiercel moet kunnen samentrekken en een rode bloedcel moet zuurstof kunnen vervoeren. De cellen die in een organisme bij elkaar liggen, dezelfde vorm hebben en hetzelfde doen, worden aangeduid met de term weefsel.
25 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
In een organisme, zoals de mens, zijn veel weefsels aanwezig. Denk maar aan bindweefsel, kraakbeenweefsel, beenweefsel, zenuwweefsel, enzovoort. Weefsels vormen met elkaar organen. Doorgaans bestaat een orgaan uit meerdere weefsels. In feite is een orgaan een gespecialiseerd onderdeel van het lichaam, dat speciale taken uitvoert. Veelal maakt een orgaan onderdeel uit van een orgaanstelsel, bijvoorbeeld: hartcellen - hartweefsel -hart(orgaan) - bloedvatstelsel
2.6. Bacterien Transmissie-elektronenmicroscoop (TEM)- foto van Baciflus subtilis (diameter 8 um). De cel is net aan het delen.
Bacteriën zijn eencelligen die over de gehele wereld in grote aantallen en in een grote diversiteit aan soorten voorkomen. Een handvol aarde bevat meer bacteriën dan er mensen op aarde zijn. Bacteriën kunnen zich in vele milieus met sterk verschillende abiotische factoren handhaven. Zo zijn er bacteriesoorten die in een zuurstofloos of een sterk zout milieu (20% zout) of zelfs bij zeer hoge temperaturen (ver boven de 100 graden Celsius) kunnen blijven leven. Anderzijds zijn er bacteriesoorten die sterk temperatuurgevoelig zijn. Wanneer de temperatuur enkele graden te hoog of te laag is, raakt de stofwisseling verstoord. Opvallend is dat veel bacteriën in symbiose leven met andere organismen. Ons lichaam zit bomvol met bacteriën. Je hebt ongeveer evenveel bacterien als eigen cellen in je lichaam! Slechts een klein deel van de bacteriesoorten is ziekteverwekkend bij de mens. Bekende voorbeelden van door bacteriën veroorzaakte ziekten zijn: lepra, tuberculose, steenpuisten, gonnorroe en cholera. Scanning elektronenmicroscoop(SEM)-foto van een keten van Bacillus subtilis (diameter 8 um)
In de natuur helpen bacteriesoorten het organisch afval af te breken, zodat de vrijgekomen anorganische stoffen weer kunnen worden opgenomen door de planten. Mitochondriën en chloroplasten zijn oorspronkelijk ontstaan uit bacteriën die in symbiose met andere cellen leefden. Daarom hebben ze nog hun eigen DNA dat typisch bacterieel DNA is. In bacteriën komen deze celorganellen dan ook niet voor (er zijn wel bacterien met fotosynthese). Een opvallend verschil met de planten, schimmels en dieren is dat in bacteriën geen celkernen voorkomen. Een bacterie bevat een ringvormig DNA zonder membraan eromheen. 26 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Omdat een celkern ontbreekt, wordt bij bacteriën ook geen endoplasmatisch reticulum aangetroffen. Het erfelijk materiaal wordt gezien als een ‘voorkern’, vandaar dat bacteriën worden ingedeeld bij de Prokaryoten (pro: voor, karyon: kern). Planten en dieren bezitten een ‘goede’, echte kern en behoren daarom tot de groep van de Eukaryoten (eu: goed). Bij bepaalde bacteriesoorten worden naast het ringvormig chromosoom ook kleine ringetjes erfelijk materiaal aangetroffen. Het aantal ringetjes kan variëren van enkele tot vele honderden. Deze ringetjes worden plasmiden genoemd. Bekend is dat bacteriesoorten onder andere via deze plasmiden een soort immuniteitsstof kunnen maken tegen antibiotica. Sommige bacteriën zijn autotroof: deze bacteriën kunnen met behulp van energie van buitenaf glucose vormen. Deze bacteriën worden afhankelijk van die energie aanvoer foto-autotroof en chemo-autotroof genoemd. De andere bacteriën zijn heterotroof. Een ander verschil tussen bacteriën en plantaardige en dierlijke cellen is het verschijnsel dat bacteriën gevoelig zijn voor antibiotica zoals chloramphenicol en streptomycine. Op die manier kunnen bacteriën bestreden worden, bijvoorbeeld wanneer zij ontstekingen bij de mens veroorzaken
2.6.1. Gram-negatief en gram-positief Met het blote oog zijn losse bacteriën niet zichtbaar. Een bacterie is ongeveer een duizendste millimeter groot. Dit is tien keer zo klein als de meeste eukaryotische cellen. Aan de buitenkant zijn bacteriën bekleed met een celwand die stevigheid verleent. Sommige bacteriesoorten hebben een celwandstructuur die afwijkt van de andere soorten. Door kleuring is dit vast te stellen. Gram-negatieve bacterie (schematisch): door het kapsel is er een extra dikke wand
Na deze kleuring is een onderverdeling te maken in gram-positieve en gram-negatieve bacteriën. De gram-positieve bacteriën hebben een wat dikkere celwand dan de gram-negatieve bacteriën. De meeste bacteriesoorten zijn gram-positief. Bij planten worden deze verschillende typen celwanden niet aangetroffen. Bovendien is de samenstelling van de celwand van planten en bacteriën nogal verschillend. Bij bacteriën bestaat deze vooral uit de stof mureine en bij plantencellen uit cellulose. De celwand geeft zoveel stevigheid aan de bacterie dat, als er te veel water de cel is binnengedrongen, deze niet knapt. Met behulp van het enzym lysozym is de celwand van de bacterie te verwijderen. Lysozym zit onder andere in traanvocht en het vocht dat door het neusslijmvlies wordt gevormd. Veel bacterien die je lichaam binnen willen dringen worden zo onschadelijk gemaakt. Om onder laboratoriumomstandigheden te voorkomen dat een bacterie zonder celwand (een protoplast) knapt, moet deze in een oplossing gelegd worden met een iets hogere concentratie aan stoffen dan de cel zelf heeft. Hierdoor verliest de protoplast door osmose vocht en is het gevaar van knappen geweken. Als de omstandigheden gunstig zijn, kunnen bacteriën zich in een hoog tempo vermeerderen: een celdeling per twintig minuten is haalbaar. 27 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
2.6.2. Inkapseling Een bacteriespore
Zijn de omstandigheden voor een bacterie ongunstig, bijvoorbeeld als gevolg van droogte, dan bestaat de mogelijkheid tot inkapseling ofwel sporevorming. Een ingekapselde bacterie wordt gezien als een vorm van latent leven; de bacterie wordt weer actief als de omstandigheden zich verbeteren. Alleen als de omstandigheden zeer ongunstig worden, kunnen ook deze sporen zich niet meer tot de oorspronkelijke bacterie ontwikkelen. Dit gebeurt onder andere bij steriliseren (blootstelling aan temperatuur van 120 °C). De deling die dient voor het aanmaken van geslachtscellen (meiose) komt bij bacteriën niet voor. Dit heeft te maken met het feit dat het ringvormige chromosoom altijd in enkelvoud in de bacterie voorkomt. Geslachtscellen zoals die bij hogere organismen voorkomen, komen dan ook bij bacteriën niet voor. Wel kunnen kleine stukjes van het DNA soms van de ene bacterie in de andere worden overgedragen. In feite is dit wel een bepaalde vorm van geslachtelijke voortplanting.
2.7. Virussen Tegenwoordig delen biologen de organismen in acht rijken in. Virussen komen hier niet in voor. Ze worden niet als organismen gezien; ze zijn de eenvoudigste vorm van alle biologische systemen. Het kapsel van een virus is opgebouwd uit eiwitten. Er bestaat een wijd scala aan kapselvormen. Virussen die dieren als gastheer gebruiken, kunnen een kapsel hebben dat overeenkomsten bezit met de celmembraan van de gastheer. In een enkel geval bevat het virus de membraan van de kern van de gastheercel. Dit is het geval bij het Herpes-virus. Binnen het kapsel of membraan bevindt zich het virale erfelijk materiaal in de vorm van DNA (dubbelstrengs of enkelstrengs). Bij sommige virussoorten wordt als erfelijk materiaal RNA (dubbelstrengs of enkelstrengs) aangetroffen. De kleinste virussen zijn slechts 50 nanometer. Met een lichtmicroscoop is een dergelijk klein virus niet waar te nemen, maar met moderne elektronenmicroscopen zijn ze goed zichtbaar te maken. De genen in het erfelijk materiaal van het virus zijn vooral betrokken bij zijn vermeerdering. Een virus is voor de vermenigvuldiging altijd afhankelijk van een gastheercel. Sommige virussoorten hebben bacteriën als gastheer, andere weer schimmels, planten of dieren (inclusief de mens). 28 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Zelfs binnen een bepaald organisme kunnen virussen voorkeur hebben voor slechts een bepaald celtype. Na vermeerdering van het virus gaat de gastheercel kapot. De virussen komen vrij en gaan op zoek naar andere gastheercellen om die te infecteren. Een virus maakt voor zijn stofwisseling gebruik van zijn gastheercel. Binnen het virus worden dan ook geen andere celstructuren aangetroffen. Bij een infectie worden de organellen van de gastheercel gebruikt. Doorgaans ontregelt een virale infectie de cellen zodanig dat de gastheer er lichamelijk ongemak van heeft en er ziek van wordt. Virusinfecties zijn niet met antibiotica te bestrijden. In onderzoekscentra wordt veel geëxperimenteerd met specifieke antistoffen om bepaalde virussen uit te schakelen. De laatste jaren staat het onderzoek naar virussen sterk in de belangstelling. Dit heeft te maken met het feit dat enkele ernstige ziekten bij de mens door virussoorten veroorzaakt worden, zoals Aids, hepatitus en ook griep, zowel de menselijke als de vogelgriep.
2.7.1. Toetsvragen bij § 2.6 en 2.7 2000 1-1 en 2 Caulobacter Binnen het rijk van de bacteriën wordt een groep onderscheiden die de prosthecate bacteriën wordt genoemd. Tot deze groep behoren alle bacterienera die één prostheca of meer prosthecae bezitten. Een prostheca is een uitsteeksel van een cel dat cytoplasma bevat en dat omgeven is door de celwand van die cel. In afbeelding 1 (zie bron 2001-1) zijn vier tekeningen van foto’s van elektronenmicroscopische opnamen van bacteriën weergegeven. 1 Welke van deze tekeningen geven een bacterie uit de groep van de prosthecate-bacteriën weer? A alleen 1 en 3; B alleen 1 en 4; C alleen 2 en 4; D alleen 1, 2 en 3; E alleen 2, 3 en 4; F 1, 2, 3 en 4. Afbeelding 2 (zie bron 2000.1-2) is een elektronenmicroscopische foto van een deel van een Caulobacter bacterie. Uit afbeelding 2 is af te leiden hoeveel maal de Caulobacter-bacterie op deze foto is vergroot. 2 Bereken de vergrotingsfactor van deze foto. 2000 2-16 Sinds de beruchte epidemie van Spaanse griep in 1919 komen in Nederland regelmatig griepepidemieën voor, ondanks het feit dat er tegenwoordig griepvaccins zijn ontwikkeld. Dit komt doordat het griepvirus voortdurend verandert. Het oppervlak van het griepvirus bevat haemagglutinine en neuraminidase als belangrijkste eiwitten (zie afbeelding 8: zie bron 2000. 2-8). De structuur van deze eiwitten kan veranderen waardoor nieuwe stammen van het griepvirus ontstaan. Hiertegen moet dan weer een nieuw vaccin worden ontwikkeld. In afbeelding 9 (zie bron 2000.2-9) zijn vier stammen van het griepvirus schematisch in willekeurige volgorde weergegeven.
29 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode
Hoofdstuk 2
Cellen: bouw en functie
Het zijn: - het A/PR8-virus uit de jaren 1933-1946; - het A/FMI-virus uit de periode 1947-1956; - het A/Singapore-virus uit de periode 1957-1967; - het A/Hong Kong-virus uit de periode vanaf 1968. 16
Schrijf de hier genoemde vier virussen onder elkaar op en noteer achter de naam van elk virus het nummer van de tekening in die in afbeelding 9 dit virus weergeeft.
1996.2-19 Gistcellen In afbeelding 12 (zie bron 1996.2.12) zijn schematisch een doorsnede van een gistcel en een doorsnede van een bacterie weergegeven. 19 Noem drie kenmerken die in afbeelding 12 zijn getekend, op grond waarvan gistcellen in een ander rijk worden ingedeeld dan bacteriën. 1993.1new.1-9 In afbeelding 3 (zie bron 1993.1new.3) zijn een bacterie, een gistcel en een virus getekend. In zowel de bacterie als in de gistcel zijn twee processen schematisch weergegeven. Een aantal delen en deeltjes is met letters aangegeven. 9 In welk of in welke van de organismen in afbeelding 3 is zeker DNA aanwezig? A alleen in de bacterie; B alleen in de gistcel; C alleen in het virus; D alleen in de bacterie en in de gistcel; E alleen in de bacterie en in het virus; F in de bacterie, in de gistcel en in het virus.
30 © 2006 – 2007, 10voorBiologie. Deze versie van 10voorBiologie is bestemd voor leerlingen en docenten van ECL Haarlem en ROC Aventus Apeldoorn. Bent u niet van deze scholen? Neem dan contact op via www.10voorBiologie.nl voor informatie over gebruik van deze methode