tHEMA
4
StOFFEn In JE LICHAAM Inhoud Intro 1 Voeding en gezondheid 1.1 Lekker én gezond samen 1.2 De actieve voedingsdriehoek 1.3 Te mager is uit de mode 1.4 Gezond en duurzaam samen
2 Cellen, de basiseenheid van leven 2.1 De elektronenmicroscopische bouw van cellen 2.2 De dierlijke en plantaardige cel
3 Voedingsstoffen of nutriënten 3.1 Water 3.2 Mineralen 3.3 Vitaminen 3.4 Sachariden, lipiden, proteïnen
4 Stofwisseling in het lichaam 4.1 Schema van de omzetting van het voedsel in het lichaam 4.2 De celademhaling: energie winnen uit voedsel 4.3 De eiwitsynthese: nieuwe eiwitten opbouwen voor de cel
5 De fotosynthese, bron van organische stof 5.1 Het leven kan niet zonder de zon 5.2 De fotosynthese: glucose maken 5.3 Verband tussen celademhaling en fotosynthese
De kern van de zaak Leerstof verwerken Omgaan met informatie
•
DEEL 2
S t O F F E n I n D E C E L E n M E tA B O L I S M E
•
• INTRO • ’s Ochtends wat noten en dadels en een fruitsmoothie. Een bord vol sla en ongekookt, onverwarmd voedsel. Dat is wat de Amsterdamse jongen tom W. en zijn moeder al jarenlang eten: rauw. Zijn moeder is ervan overtuigd dat een ‘raw food’-dieet van enkel rauwe groenten, fruit, zaden en noten het allerbeste dieet is voor de menselijke gezondheid. De documentaires die over tom en zijn moeder gemaakt werden toen tom 11 en 15 was, zorgden voor heel wat ophef. Dokters stelden toen vast dat tom volgens de gebruikelijke normen ernstig ondervoed was en te klein voor zijn leeftijd. Er laaide een felle discussie op in nederland. Zijn moeder werd onder andere beschuldigd van kinderverwaarlozing. Ondertussen is tom bijna volwassen en heeft hij een normale lengte voor zijn leeftijd. (Naar: documentaires Rauw en Rauwer)
Fig. 4.1 Sla van 3 soorten appel en kool
Raadpleeg ook het onlinemateriaal dat hierover ter beschikking is. Wetenschappers hebben al uitvoerig onderzocht hoe onze voeding ons lichaam beïnvloedt. Voor de grondstoffen die ons lichaam nodig heeft om te leven, zijn wij immers volledig op onze voeding aangewezen. In dit thema bekijken we: • welke stoffen ons lichaam nodig heeft en waarom; • in welk voedsel die stoffen voorkomen; • hoe onze lichaamscellen de voedingstoffen verwerken; • hoe dat verband houdt met onze gezondheid. Om die vragen goed te kunnen beantwoorden, is een basiskennis over cellen noodzakelijk.
1
Voeding en gezondheid
1.1
Lekker én gezond samen Vroeger aten de mensen in hoofdzaak om te overleven. Hoewel er ook vandaag nog landen zijn waar voedsel een zaak van leven of dood is, hebben wij tegenwoordig een andere relatie met voedsel. Er is een echte eetcultuur en eten moet ook aantrekkelijk en lekker zijn. Maar lekker én gezond samen, dat moet lukken. We beschikken immers over meer dan genoeg wetenschappelijke kennis die ons vertelt welke en hoeveel voedingsstoffen ons lichaam nodig heeft voor een goede ontwikkeling en gezondheid. En toch kampen veel mensen – ook kinderen en jongeren – met overgewicht en obesitas, hongeren jonge meisjes met anorexie zich uit, is ondervoeding nog overal aanwezig. Ook diabetes (suikerziekte), kanker, hart- en vaatziekten … worden aan onze voedingsgewoonten gelinkt.
Fig. 4.2 België behoort bij de landen die het slechtste dieet hebben.
Een ongezond eetpatroon vormt vandaag de grootste bedreiging voor onze gezondheid. We eten te veel en/of we eten verkeerd. 58
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
1.2 De actieve voedingsdriehoek Gelukkig groeit het besef over de ernst van het probleem. Er is een kentering. Veel mensen zijn bereid om hun ongezonde voedingspatroon te doorbreken. Zij kiezen soms voor een vegetarische levenswijze of voor een of ander dieet, zijn ‘flexitariër’ geworden, of proberen nieuwe voedselbronnen uit zoals insecten en zeewier. Om de haverklap worden we bovendien om de oren geslagen met voedingsadviezen van zelfverklaarde experts. Deze overvloed aan informatie kan je in de war brengen als je zelf een gezond eetpatroon wil uitstippelen. Solide advies over hoeveel en welke voedingsstoffen aangewezen zijn voor een goede gezondheid vind je bij de Belgische Hoge Gezondheidsraad (http://www.health.belgium.be). Ook de actieve voedingsdriehoek vormt een prima leidraad.
Fig. 4.3 De zusjes Hemsley (VK), zelfverklaarde voedingsexperts, hebben hun eigen visie over gezonde voeding. Ze zijn tegen granen en suiker, voor veel groenten, vlees, smoothies en échte boter … Ze trekken bouillon van beenderen, maken spaghetti van courgette en brownies van bruine bonen.
De actieve voedingsdriehoek heeft 9 groepen: 8 groepen voedingsmiddelen en onderaan een belangrijke laag voor lichaamsbeweging. Hoe groter de groep, hoe meer je van deze producten moet eten voor een evenwichtige voeding. Het topje van de driehoek staat er los van, omdat het voedingsmiddelen bevat die niet nodig zijn in een gezonde voeding (bv. snacks, snoep en alcohol). De actieve voedingsdriehoek wordt geregeld aangepast aan nieuwe wetenschappelijke bevindingen. De essentie van gezonde voeding zal echter ongewijzigd blijven: eet met mate, kies zoveel mogelijk onbewerkte producten, kijk uit met verzadigde vetten en vermijd toegevoegde suikers en zout. Eet groenten en fruit naar believen!
alcohol Ca, eiwitten, vitamine B
lipiden, essentiële vetzuren, vetoplosbare vitaminen eiwitten, vitaminen, mineralen
suikers, mineralen, vitaminen sachariden, voedingsvezels, vitaminen, mineralen
sachariden, eiwitten, mineralen, vitaminen
Fig. 4.4 De actieve voedingsdriehoek geeft je een idee van wat je dagelijks zou moeten eten om de juiste en voldoende voedingsstoffen in te nemen, en hoeveel je per dag moet bewegen.
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
59
1.3 Te mager is uit de mode Franse wet schrijft minimum-BMI van 18 voor, Parijs bant dunne modellen van de catwalk (Bron: www.demorgen.be, 4 april 2015)
Ben jij te dik of te dun? Raadpleeg het onlinemateriaal over BMI dat hierover ter beschikking is. Je kan je streefgewicht berekenen met de Body Mass Index (BMI). De BMI legt een relatie tussen je lichaamsgewicht en je lichaamslengte. De BMI geeft een eerste indicatie over iemands gezondheid. Je berekent je BMI met de volgende formule: BMI =
lichaamsgewicht in kilogram (lichaamslengte)2 in meter
BMI
gewicht
< 18,5
ondergewicht
18,5-24,9
gezond gewicht
25-29,9
overgewicht
30 en meer
obesitas
40 en meer
morbide obesitas
De gezondheidsrisico’s bij overgewicht en obesitas zijn onder andere hoge bloeddruk, diabetes, hoge cholesterol, kanker, hart- en vaatziekten … Een BMI die lager is dan 17,5 komt voor bij anorexie (magerte door gebrek aan eetlust). Anorexie beschadigt het lichaam en kan tot de dood leiden. Je buik-heupverhouding, de middelomtrek is een betere gezondheidsindicator. Hij geeft een indicatie over de vetverdeling in het lichaam. Een te grote middelomtrek (middelomtrek vanaf 80 centimeter bij vrouwen en 94 centimeter bij mannen, gemeten met een lintmeter) geeft een verhoogd risico op gezondheidsproblemen. De middelomtrek =
omtrek ter hoogte van de navel breedste omtrek op de heupen
De BMI- en middelomtrekwaarden gelden vanaf 18 jaar en zijn niet van toepassing voor kinderen en 65-plussers. Fig. 4.5 Een ‘appelprofiel’ geeft meer gezondheidsrisico’s (het vet zit te veel rond en in de organen), een ‘peerprofiel’ is beter.
1.4 Gezond en duurzaam samen Als je je niet alleen gezond, maar ook op een meer duurzame wijze wil voeden, kan je meedoen aan allerhande initiatieven. Je kan biologische groenten en vlees kopen, eieren van scharrelkippen, producten uit de Wereldwinkel, een veggiedag inlassen … Meer en meer mensen gaan bewust om met hun voedsel. Ze willen eten dat niet alleen vers en gezond is, maar dat ook geproduceerd wordt zonder het milieu te verpesten, zonder pesticiden, en waarbij rekening wordt gehouden met het dierenwelzijn en de ecologische voetafdruk. Onderzoek heeft bovendien aangetoond dat een gezonde voeding ook goed is voor het milieu. Wie eet volgens de aanbevelingen van de actieve voedingsdriehoek, werkt niet alleen aan zijn gezondheid, maar helpt ook mee de CO2-uitstoot, het waterverbruik en het landgebruik te beperken. In onze warenhuizen zijn er ook in de winter volop witte druiven te koop. Ze komen meestal uit India. Je weet dat je je ecologische voetafdruk kan verkleinen door seizoensgebonden en bij ons gekweekte groenten en fruit te kopen. Je weet ook dat die uit Mumbai overgevlogen druiven voor het inkomen zorgen van de plaatselijke bevolking die de druiven kweekt, oogst en verkoopt. Je staat hier voor een duurzaamheidsdilemma. Een moeilijke keuze? Fig. 4.6 Druiven uit Mumbai?
60
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
2 Cellen, de basiseenheid van leven De cel is de basisbouwsteen van alle organismen en het is de kleinste, levende structuur. Je kan een cel ook definiëren als een geordende structuur van organische stoffen. Elk onderdeel van een cel is opgebouwd uit vet, eiwit of suiker of een combinatie ervan. Cellen hebben dus grondstoffen nodig voor hun opbouw en om zich in stand te houden. Wij geven onze cellen deze nodige stoffen via onze voeding.
Fig. 4.7 Een biologe controleert een kweekflesje waarin stamcellen groeien.
2.1 De elektronenmicroscopische bouw van cellen DEMO 1 Bekijk een preparaat van cellen uit het wangslijmvlies onder de lichtmicroscoop.
Met het blote oog zijn cellen (tussen 10 en 100 µm groot) niet te zien. Zelfs met een goede lichtmicroscoop zal je maar een paar onderdelen van de cel waarnemen. Om alle celonderdelen waar te nemen, is er een meer gesofistikeerd toestel nodig, de elektronenmicroscoop. Specialisten werken met dat toestel. Met de elektronenmicroscoop wordt duidelijk dat er in het cytoplasma, naast de kern, nog verschillende andere structuurtjes aanwezig zijn. Dit zijn de celorganellen. Ze meten slechts een paar µm of nm en hebben elk hun eigen wetenschappelijke naam, bijvoorbeeld mitochondrium, ribosoom, Golgi-apparaat ... Je kan ze beschouwen als ‘kleine orgaantjes’ in de cel. Ze voeren elk een specifieke taak uit in de levensprocessen van de cel. In het verdere verloop van deze cursus zullen de bouw en de werking van enkele celorganellen aan bod komen.
celmembraan
kernmembraan centrosoom kern cytoplasma mitochondrium lysosoom endoplasmatisch reticulum (E.R.) ribosomen Golgi-apparaat Fig. 4.8 Tekening van een dierlijke cel, gebaseerd op een foto van die cel door de elektronenmicroscoop, met aanduiding van de basisorganellen
2.2 De dierlijke en plantaardige cel In tegenstelling tot dierlijke cellen hebben plantencellen geen centrosoom en geen lysosomen. Ze beschikken dan wel weer over een organel dat niet in dierlijke cellen voorkomt: de bladgroenkorrel of chloroplast. Daarin vindt de fotosynthese plaats. Los daarvan hebben plantencellen, zoals je vroeger al geleerd hebt, nog een verstevigende celwand en een vacuoleholte (voor de opslag van water met opgeloste stoffen). De organellen die én in dierlijke én in plantencellen voorkomen, functioneren daar op dezelfde manier.
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
61
3 Voedingsstoffen of nutriënten Voedingsstoffen of nutriënten zijn de specifieke bestanddelen in voedingsmiddelen die zorgen voor de opbouw en het in stand houden van het lichaam en voor de energie die het nodig heeft voor de levensactiviteiten. In de tabel staat samengevat welke stoffen de cellen van je lichaam nodig hebben en wat hun belangrijkste functies zijn. Vervolgens bespreken we de bouw van die stoffen, hun functie en hun voorkomen. Heeft je lichaam te veel of te weinig van deze voedingstoffen of gebeurt er een fout in de verwerking van de voedingstoffen in je lichaam, dan heeft dat een effect op je gezondheid. hoofdfunctie nutriënt
komen vooral voor in
leveren energie bouwen het lichaam reguleren het goede groep van de actieve voor de levens- op en houden het in verloop van de voedingsdriehoek activiteiten stand levensprocessen
water
x
x
2 tot en met 7
mineralen
x
x
2 tot en met 7
x
3 tot en met 7
vitaminen sachariden (koolhydraten)
x
lipiden (vetten)
x
x
proteïnen (eiwitten)
x
x
3, 4 en 5 6, 7 en 8 x
6 en 7
Tabel 4.1 Voedingsstoffen en hun belangrijkste functies
3.1 Water Het belang van water voor je lichaam kan niet genoeg worden benadrukt. Zonder eten kan je lang overleven, zonder water overleef je slechts 2 tot 5 dagen. Ons lichaam bestaat voor ongeveer 50-60 % uit water. Bij mannen is het percentage iets hoger dan bij vrouwen. Het meeste water zit binnen in onze cellen. De rest zit tussen de cellen en in het bloed.
man 63 % water
Water (H20) • is een goed oplosmiddel voor vele stoffen (door het polaire karakter); • vervoert stoffen door ons hele lichaam heen (het is een vloeistof); • neemt deel aan chemische reacties in de cellen (bij condensatie- en hydrolysereacties); • helpt onze lichaamstemperatuur op peil te houden (door verdamping).
co ntext
vrouw 52 % water
Fig. 4.9 Verhoudingen van water bij mannen en vrouwen
H o ev e e l mo et je dagelijks drinken?
Per dag verliezen we gemiddeld 2,5 liter vocht. Als je het vocht dat in je eten zit, aanvult met 1 tot 1,5 liter ‘drinken’ (water, thee, melk, soep, sap …), dan is dat verlies ruimschoots aangevuld. Bij hitte, sporten en fysieke inspanningen moet je wel meer drinken. Meer dan 10 % vochtverlies is levensgevaarlijk. Té veel drinken kan ook. Een jongen uit Groningen raakte in coma toen hij bij een studentendoop 6 liter water moest drinken.
Water drinken doe je in de eerste plaats om de vochtbalans van je lichaam op peil te houden. Drinkwater bevat daarnaast kleine hoeveelheden nuttige mineralen voor je lichaam, vooral calcium en magnesium. En leidingwater is even goed als flessenwater!
62
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
3.2 Mineralen Mineralen zijn anorganische stoffen. Ze worden in ons lichaam opgenomen in de vorm van ionen. Voorbeelden zijn natrium-, calcium-, kalium-, fosfor-, magnesium-, chloor- ... ionen. Van bepaalde mineralen hebben we maar een uiterst kleine hoeveelheid nodig: ijzer (voor de rode bloedcellen), jodium (voor de schildklier), fluor, kobalt, zink, selenium, koper … Van koper heb je per dag ongeveer 1,5 mg nodig, van jodium slechts 150 µg. • Sommige mineralen zijn onmisbare bouwstoffen voor het lichaam. Calcium- en fosfor ionen bijvoorbeeld zorgen voor de opbouw en stevigheid van het skelet en de tanden.
Fig. 4.10 Tandpasta met fluoride, geen slechte keuze
• Andere zijn onmisbaar voor het goed functioneren ervan. Na+ en K+ bijvoorbeeld zijn noodzakelijk voor de prikkelgeleiding in de zenuwen. Cu2+ is een onderdeeltje van een enzym; zonder dit koperdeeltje werkt dit enzym niet. Al die mineralen zitten in voldoende mate in voedsel en drinkwater.
3.3 Vitaminen Er zijn dertien verschillende vitaminen bekend: vitamine A, de 8 vitaminen van het B-complex en vitamine C, D, E en K. Vitamine D maakt ons lichaam zelf aan in de huid onder invloed van zonlicht, en bacteriën in de darm leveren ons een deel van de nodige vitamine K. Alle andere vitaminen moeten uit je voeding komen. Vitaminen zijn organische stoffen die je lichaam helpen om goed te functioneren. Bij tekorten ontstaan gebreksziekten, zoals scheurbuik bij een vitamine C-tekort. Bepaalde vitaminen zitten in plantaardig voedsel, andere in dierlijke producten. Als je gezond en gevarieerd eet en voldoende buitenkomt, dan zal je geen vitaminetekort hebben.
co ntext
OH
O O HO HO
OH
Fig. 4.11 Een molecule vitamine C
N a a r b u ite n !
Als jonge mensen wat in de zon lopen, dan gaat de productie van vitamine D in hun huid bijzonder snel. Na amper een kwartiertje blootstelling heb je al meer dan de dagelijks nodige hoeveelheid binnen. Het volstaat om in de lente en de zomer alle dagen een kwartiertje in de volle zon te lopen, zonder bescherming en met voldoende blootstelling: hoofd, hals, korte mouwen, korte broek of rokje. Zo maak je voldoende vitamine aan! Dat is het advies van de WHO (Word Health Organisation).
Fig. 4.12 Naar buiten!
Wil je meer weten over vitaminen, wat ze precies doen in je lichaam, welke voedingsmiddelen rijk zijn aan welke vitaminen, wat er gebeurt bij een vitaminetekort … dan kan je op het internet verschillende sites over vitaminen raadplegen.
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
63
3.4 Sachariden, lipiden, proteïnen Deze stoffen zijn de typisch organische stoffen van organismen, met andere woorden: ze komen enkel bij levende wezens voor! Ze bevatten alle veel C-H-verbindingen en de meeste ervan zijn grote moleculen met een complexe structuur. Aangezien wij ons voeden met planten en dieren, nemen we deze nutriënten het meest op. We bouwen er ons lichaam mee op en halen er onze energie uit.
3.4.1 Sachariden Een andere benaming voor sachariden is koolhydraten. De ‘suikers’ zijn de zoete sachariden, maar niet alle sachariden smaken zoet. Sachariden komen het meeste voor in planten. Het zijn verbindingen van C, H en O. De algemene basisformule is CnH2nOn. Hun naam eindigt meestal op -ose. Ze worden ingedeeld in monoschariden, disachariden en polysachariden.
• • • •
Monosachariden hebben een zoete smaak. Voorbeelden hiervan zijn: glucose (druivensuiker), fructose (vruchtensuiker), ribose, galactose ... Glucose is de belangrijkste suiker voor onze celwerking (zie verder). glucose 6 CH2OH 5
H
H
4
OH
HO
ribose O H
3
H
HOCH2
1
4’
H
H
2
O
5’
OH
fructose
H
OH
3’
OH
5
H
H
OH HO
H 4
2’
β
2
CH2OH
3
Fig. 4.13 Glucose, ribose, fructose
H OH C6H12O6
OH
OH
C6H12O6
1’
H
O
6
HOCH2
C5H10O5
Disachariden smaken ook zoet. Ze zijn verbindingen van twee monosachariden. De belangrijkste zie je in de tabel hieronder. disacharide
bevat de monosachariden
triviale naam
komt voor in
sacharose
glucose en fructose
riet- of bietsuiker
suikerriet, suikerbiet (is de kristalsuiker, het klontje)
lactose
glucose en galactose
melksuiker
melk
maltose
glucose en glucose
moutsuiker
kiemende granen
Tabel 4.2 Belangrijkste disachariden
De twee monosachariden zijn aaneengehecht via een condensatiereactie (zie thema 3). We bekijken als voorbeeld de vormingsreactie van maltose. HOCH2 H HO
H OH H
HOCH2
HOCH2 O H OH
H C OH
H
+ HO
O H OH H
H OH
glucose
glucose
C6H12O6
C6H12O6
H
H
C OH
HO H2O
HOCH2 O
H OH
H
H
OH
H
H
C O
O H OH
H
H
OH
maltose C12H22O11
64
+
H2O
H C OH Fig. 4.14 De vormingsreactie van maltose
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
Polysachariden smaken niet zoet en lossen veel minder goed op in water dan de vorige sachariden. Hun naam eindigt niet altijd op -ose. De bekendste zijn zetmeel, cellulose en glycogeen. Ze zijn lange en zware moleculen die uit honderden tot duizenden glucosemoleculen zijn samengesteld. • Glycogeen komt enkel bij dieren voor, in lever- en spiercellen. • Zetmeel en cellulose komen alleen in planten voor: cellulose als vezels in de celwanden van cellen; zetmeel in de zetmeelkorrels in de plantencellen. Fig. 4.15 Cellen van aardappel met zetmeelkorrels (de blinkende bolletjes) (onder de lichtmicroscoop en ingekleurd)
A B
H
CH2OH O H H OH H
OH H
H O
OH
CH2OH O H H OH H H
H O
OH
CH2OH O H H OH H H
H O
OH
CH2OH O H H OH H H
O
enz.
OH
Fig. 4.16 A Zetmeel, een wit poeder B Molecuulstructuur van zetmeel, een polymer van glucose
Sachariden hebben verschillende functies: • Sachariden zijn de energieleveranciers voor onze cellen. Elke gram glucose levert ons 17 kJ energie! • Een polysacharide zoals glycogeen en zetmeel is dan in feite een glucoseopslagplaats. • Sommige polysachariden hebben een andere functie: cellulose is het materiaal van de celwanden van planten, chitine is een polysacharide in het exoskelet van insecten …
DEMO 2
Zitte n er sac hariden in een banaan?
Werkwijze 1 Plet wat banaan in water. 2 Lees de gebruiksaanwijzing van de teststrookjes voor glucose die in de apotheek te verkrijgen zijn. 3 Gebruik een teststrookje om glucose in banaan op te sporen. Waarneming
In aanwezigheid van glucose verkleurt het teststrookje van roze naar blauw en dat zien we ook in het buisje met banaan gebeuren. Besluit
Een banaan bevat glucose (18,8 g/100 g volgens de voedingsmiddelentabel). 4 Neem een stukje banaan en druppel wat di-joodoplossing op het snijvlak. 5 Druppel ter vergelijking wat di-joodoplossing in een beetje zetmeeloplossing. Waarneming
Een di-joodoplossing (geel) kleurt paars-zwart in contact met zetmeel en dat gebeurt ook in contact met banaan. Besluit
We hebben de aanwezigheid van zetmeel in banaan aangetoond.
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
65
co ntext
D ia b ete s ee n groeiend probleem
Diabetes of suikerziekte is een echte volksziekte geworden: men schat dat in 2030 bijna 8 % van de wereldbevolking ouderdomsdiabetes (diabetes type 2) zal hebben. De spieren zijn minder gevoelig geworden voor insuline en nemen minder glucose op. De glucose uit de voeding blijft dan in het bloed achter en de suiker zal de bloedvaten aantasten. Gevolgen daarvan zijn onder andere ernstige problemen aan het hart, de nieren en de ogen. Hoe verklaart de wetenschap die diabetesepidemie? Er zijn enkele hypothesen, maar een duidelijk antwoord is er nog niet. Het is wel al duidelijk dat de relatie tussen diabetes en obesitas heel sterk is. Met een aangepast dieet, voldoende lichaamsbeweging en insulinepillen, -injecties of een insulinepompje kunnen de meeste diabetici goed worden geholpen. Maar voorkomen is beter dan genezen (en van diabetes genees je niet)! Fig. 4.17 Dokters planten een insulinepompje in bij een diabetespatiënt.
3.4.2 Lipiden Lipiden zijn de vetstoffen die uit planten of dieren komen. Ze zijn vast of vloeibaar (olie). Er zijn veel verschillende soorten vetten en oliën. Zo is bijenwas ook een vetstof. Hier zullen we enkel de belangrijkste lipiden bespreken uit ons eigen lichaam: de triglyceriden, de fosfolipiden en de steroïden.
O HO
verzadigd vetzuur O
HO
• Ze zijn verbindingen van C, H, O. onverzadigd vetzuur • De molecuulstructuur is complex en verschillend naargelang de vetsoort, maar een vaste bouwsteen is het ‘vetzuur’. Fig. 4.18 Verzadigd en onverzadigd vetzuur • Een vetzuur is een koolstofketen met op de kop een zuurgroep (carboxylgroep). Er zijn verzadigde en onverzadigde vetzuren. Deze laatste hebben dubbele C-C-bindingen in hun molecuulstructuur. • Voorbeelden van vetzuren zijn oliezuur, linolzuur (onverzadigd) en palmitinezuur, arachidinezuur … (verzadigd). • Vetten zijn altijd apolair, ze lossen niet op in water. Triglyceriden Triglyceriden zijn de vetten die we kennen van het randje aan ham, het vet in het vlees op ons bord, margarine en boter, en ons eigen lichaamsvet. Het is wit-gelig van kleur. Ook alle plantaardige oliën zijn triglyceriden. De triglyceridemolecule is een verbinding van 1 molecule glycerol en 3 moleculen vetzuur. Deze bouwstenen zijn via condensatiereacties aan elkaar gehecht. Elke triglyceride is anders door een andere combinatie van vetzuren.
Fig. 4.19 Vet aan ham
66
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
H H
C
O OH
HO
O
H
C
H
C
O
O H
C
OH
+
HO
O
=
C
H
C
O
O H
C
OH
HO
H glycerol
C
C
+
3 H2O
O
C
H
C
O
C
H 3 vetzuren
triglyceride
Fig. 4.20 Triglyceridemolecule
Triglyceriden zijn uitstekende energieleveranciers: ze leveren per gram 38 kJ energie, dubbel zoveel als glucose. Ze zijn niet in water oplosbaar en dus worden ze opgeslagen in vetweefsel dat is opgebouwd uit vetcellen. Vetcellen zijn niet meer dan een grote vetdruppel omgeven door een celmembraan. Triglyceriden vormen zo onze reserve-energie. Heb je te veel glucose, dan wordt die omgezet in vet en opgeslagen in vetweefsel. Vetweefsel heeft daarnaast ook een beschermende functie (rond de organen), een waterafstotende op de huid, en een warmte-isolerende. Gezonde en minder gezonde vetten De gezonde vetten zijn de ‘onverzadigde vetten’, ze zijn rijk aan onverzadigde vetzuren en vloeibaar. Voorbeelden daarvan zijn olijfolie, zonnebloemolie, notenolie, sesamolie, sojaolie … Verzadigde vetten zijn meestal harde vetten en zijn eerder ongezond: dierlijk vet, kokosvet, boter maar ook palmolie en andere tropische oliën. Ze bevatten veel verzadigde vetzuren en weinig onverzadigde. In de voedingsindustrie worden er oliën ‘gehard’: van vloeibare olie wordt harder, smeerbaar vet gemaakt (zie thema 2). Onverzadigd vet wordt op die manier verzadigd vet. Dergelijke vetten worden transvetten genoemd. Ze zijn nog ongezonder dan de verzadigde vetten. Onze enzymen kunnen namelijk niet overweg met transvetten en dus stapelen ze zich op in het lichaam.
Fig. 4.21 Een salade met olijfolie
Verzadigde vetten en transvetten verhogen de kans op hart- en vaatziekten. In ons land sterven er meer dan honderd mensen per dag aan een hart- of vaataandoening. Geen vet eten, dat kan niet! Ons lichaam heeft bepaalde vetzuren nodig die het nooit zelf kan aanmaken. We móéten ze uit onze voeding halen. Voorbeelden van dergelijke ‘essentiële vetzuren’ zijn α-linoleenzuur en linolzuur. Vette vis zoals makreel en zalm, noten en schelp- en schaaldieren zijn rijk aan α-linoleenzuur. Zonnebloem-, arachide-, mais-, soja- … olie zijn rijk aan linolzuur. Het zijn bovendien onverzadigde vetzuren, dus goed voor ons hart en onze bloedvaten. Ook zijn voedingsmiddelen die vet bevatten vaak een bron van vitamine A, D, E en K. Die vitaminen zijn namelijk alleen in vet oplosbaar, niet in water.
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
67
co ntext
Pa lmo lie, n ee bedankt
Kijk er de voedingsetiketten maar eens op na: in 60 % van de voedingsproducten zit palmolie. Koekjes, chips, margarine, pizza, snoep … Daar heeft de voedingsindustrie een reden voor, zelfs al is het een minder gezonde olie. Oliepalmen brengen namelijk zoveel olie op dat palmolie goedkoper is dan alle andere oliën. Op plaatsen waar voorheen tropisch regenwoud groeide, zoals in Maleisië en Indonesië, staan nu uitgestrekte palmplantages. Het regenwoud met zijn rijke biodiversiteit gaat meer en meer verloren en het veelvuldige gebruik van pesticiden veroorzaakt gezondheidsproblemen bij de lokale bevolking. Op de verpakking van sommige levensmiddelen staat soms al weleens in grote letters ‘bevat géén palmolie’. Raadpleeg ook het onlinemateriaal dat over palmolie ter beschikking is. Fig. 4.22 De orang-oetan verliest zijn leefgebied.
Fosfolipiden en steroïden H3C
• Fosfolipide is de vetstof waaruit alle membranen van een cel zijn opgebouwd en die alléén in die membranen voorkomt. Cellen zijn in feite dus enkel begrensd door een dun, vettig vliesje. Je kan dit het best vergelijken met het vlies van een stevige zeepbel. Chemisch lijken fosfolipiden op triglyceriden. In een fosfolipide is een van de drie vetzuren vervangen door een fosfaathoudende groep. • Tot de steroïden behoren bekende moleculen zoals cholesterol en de geslachtshormonen testosteron, oestrogeen en progesteron. Cholesterol is samen met de fosfolipiden een bestanddeel van het celmembraan. Het is ook het uitgangsproduct voor de vorming van de geslachtshormonen, van vitamine D en van galzouten.
co ntext
CH3 C
CH3
CH3
CH3
HO Fig. 4.23 Een molecule cholesterol
C h o le stero l in een notendop
Cholesterol heeft dan wel belangrijke functies in het lichaam, het heeft geen goede reputatie. Je hoort mensen soms klagen over hun ‘te hoge cholesterol’. Ons lichaam maakt zelf de nodige cholesterol uit de vetten die we eten, en als er dan via onze voeding nog bijkomt, kan het snel té veel worden. Veel mensen hebben daardoor een te hoog cholesterolgehalte in het bloed en ontwikkelen atherosclerose (slagaderverkalking). Dit betekent dat de slagaders vernauwen doordat de overtollige cholesterol- en andere vetdeeltjes aan hun wanden blijven kleven. Er zet zich eerst een dun laagje vet af, de plaque. De plaque groeit verder aan, het bloedvat vernauwt. In een verdere fase kan het bloedvat volledig geblokkeerd raken. In het hart leidt dat tot een hartinfarct, in de hersenen tot een beroerte.
Fig. 4.24 Doorsnede van een vernauwde kransslagader van het hart met een dikke plaque
Onthoud zeker: cholesterol zit alleen in dierlijk voedsel en niet in plantaardig! Een gezonde voeding kan al veel uitmaken en ervoor zorgen dat je slagaders later niet zullen dichtslibben. Waarom is het gezonder om olijfolie dan boter te gebruiken in de keuken?
Olijfolie bestaat uit triglyceriden met een hoog gehalte aan onverzadigde vetzuren waardoor de kans op atherosclerose kleiner is.
68
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
3.4.3 Proteïnen Het ‘wit van een ei’ heeft 200 jaar geleden zijn naam gegeven aan ‘eiwit’, maar we weten ondertussen dat eiwitten in alle delen van een lichaam voorkomen, duizenden verschillende eiwitten met heel uitlopende functies. Eiwitten zijn complex gebouwde en meestal grote moleculen. • Ze zijn gemaakt van C, H, O, N en S. • Uit deze elementen is hun bouwsteen, het aminozuur, samengesteld. • De aminozuren vormen een lange keten, de polypeptide. • De keten plooit tot een ruimtelijke vorm, de 3D-vorm, die typisch is voor elk eiwit en ook zeer belangrijk voor de goede werking van dit eiwit. In de cellen van planten en dieren zijn 20 verschillende aminozuren aanwezig. Ze hebben dezelfde chemische bouw, met een zuur- en een aminegroep, maar een verschillende restgroep (R). De molecuulstructuur van een aminozuur zie je in Fig. 4.25A.
A aminegroep
restgroep
Voor elk eiwit is de aminozuursequentie (het aantal en de volgorde van de aminozuren) van de polypeptide anders en heel specifiek.
zuurgroep
centraal C-atoom
B
H H H O H O N C C N C C + H OH H OH H H C H aminozuur 1 H aminozuur 2
H H N C H H
O H H O C N C C + H2O OH H C H peptidebinding H
Elk aminozuur heeft ook een eigen naam die met een drieletterafkorting wordt genoteerd, zoals lysine (lys), proline (pro), histidine (his), serine (ser) … Door condensatiereacties worden de aminozuren aan elkaar verbonden (zie Fig. 4.25B). Ze vormen een lange keten, de polypeptide. De polypeptide is de primaire eiwitstructuur.
H H O N C C H O H R
Fig. 4.25 A Chemische structuur van een aminozuur B Door condensatiereactie tussen aminozuren ontstaat een peptidebinding die de aminozuren met elkaar verbindt.
Lys
Ser Asn Phe Asn Thr Gln Ala Thr Phe Glu
Fig. 4.26 Een stukje polypeptide van lysozyme, een antibacterieel eiwit dat in je tranen zit. De aminozuren worden met hun afgekorte naam weergegeven. Lysozyme heeft 129 aminozuren.
Een tripeptide is een korte polypeptide van drie aminozuren. Gegeven: de aminozuren leucine (leu) en valine (val). Maak met deze aminozuren verschillende tripeptiden.
leu-leu-leu, leu-val-val, val-leu-val, val-leu- … (er zijn 23combinaties mogelijk)
De secundaire eiwitstructuur wordt gevormd doordat delen van de polypeptideketen aan elkaar gaan binden via waterstofbruggen. De twee meest voorkomende structuren die zo gevormd worden, zijn de α-helix, waarbij de polypeptideketen een spiraalvorm aanneemt en de β-vouwbladstructuur, waarbij verschillende delen van de keten naast elkaar gaan liggen in een gevouwen bladstructuur. Vervolgens plooit en kronkelt het eiwit zo dat de α-helices en β-vouwbladstructuren samenkomen in een specifieke 3D-vorm, de tertiaire structuur, een ruimtelijke structuur die eruitziet als een klompje of een vezel. Nu is het eiwit af, het kan functioneren.
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
69
Er zijn ook eiwitten met een quaternaire structuur. Die ontstaat doordat enkele polypeptiden samen één complex vormen. Enkel in die vorm kan zo’n eiwit zijn werk doen.
de primaire eiwitstructuur aminozuren betaplaat alfahelix
de secundaire eiwitstructuur
Fig. 4.28 Hemoglobine is een voorbeeld van een bolvormig eiwit. Ze heeft 4 polypeptiden en in elk daarvan zit een ijzerion (Fe2+) verwerkt. Alle rode bloedcellen zitten vol met deze bolvormige eiwitten. Ze binden O2-gas aan zich (via het Fe2+-ion) en vervoeren het door het lichaam. De afbeelding is een computergemaakt model van het eiwit. (De α-helices zijn erin zichtbaar.)
de tertiaire eiwitstructuur
Fig. 4.29 Collageen is een vezelvormig eiwit in het bindweefsel van de huid. Het bestaat uit 3 ineengedraaide polypeptideketens. Als je huid minder collageen aanmaakt, krijg je rimpels. Dat gebeurt bij het ouder worden, maar ook door te veel zonnebank!
de quaternaire eiwitstructuur
Fig. 4.27 Overzicht van de opbouw van een eiwit
Denaturatie is het verschijnsel waarbij een eiwit zijn ruimtelijke vorm verliest. Als bijvoorbeeld de temperatuur toeneemt of de pH verandert, zullen de H-bruggen die de eiwitstructuur vormgeven, loskomen en gaat de eiwitvorm verloren. Een vervormd eiwit is een biologisch inactief eiwit. (Een eenvoudig voorbeeld van denaturatie is een gekookt ei: het vloeibare eiwit is door het koken gestold.) Functies: Eiwitten doen aan opbouw: • keratine is het eiwit van je haar en nagels, collageen van je huid, actine en myosine van je spieren, uit crystalline is je ooglens gemaakt … Eiwitten werken regulerend: • als hormonen: insuline gemaakt door pancreascellen regelt de bloedsuikerspiegel, een tekort aan groeihormoon uit de hypofyse is de oorzaak van dwerggroei • als afweerstoffen: bij infecties, bij ziekte • als enzymen: in alle cellen katalyseren ze de chemische reacties. Zonder de hulp van enzymen zou er in cellen geen enkele reactie doorgaan! Eiwitten kunnen ook: • transporteiwitten zijn, zoals de hemoglobine in rode bloedcellen voor het O2-transport • energie leveren (17 kJ/g), maar dat is minder de bedoeling. Energie haal je vooral uit sachariden en vetten. Eigenlijk kan je geen lichaamsfunctie opnoemen of er is een of ander eiwit bij betrokken.
Fig. 4.30 Een volwassen lichaam bestaat uit 12 tot 15 kilogram eiwitten en tussen 7 en 10 kilogram van die eiwitten zit in de spieren.
Fig. 4.31 Dwerggroei
70
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
Omdat je eiwitten en aminozuren niet als reserve kan opslaan, moeten ze dagelijks in voldoende mate in je voedsel aanwezig zijn. Je zou dagelijks 0,8 gram eiwit per kilogram lichaamsgewicht moeten eten. Zo zit je safe. Dierlijk voedsel is rijker aan eiwit dan plantaardig voedsel. Overtollige aminozuren worden door de cellen afgebroken en de afbraakproducten (zoals ammoniak en ureum) worden via de urine verwijderd. Van de 20 aminozuren kan ons lichaam er 12 zelf aanmaken vanuit andere stoffen, maar de andere 8 moet je via je voeding opnemen. Ze worden de essentiële aminozuren genoemd. Cellen hebben namelijk al de aminozuren nodig voor de opbouw van hun celeiwit. De essentiële aminozuren zitten vooral in dierlijk voedsel: in vlees, vis, melkproducten … Kies je voor een vegetarische leefwijze, dan zal je er extra op moeten letten dat die essentiële aminozuren in je dagelijkse voedsel zitten. Granen en peulvruchten staan dus best geregeld op je menu, maar ook soja. In soja zitten alle essentiële aminozuren. Fig. 4.32 Uit sojabonen worden de vleesvervangers tempé en tofu gemaakt.
co ntext
O n d erv o ed ing
Bij een BMI < 18 spreekt men van ondervoeding. Bij een tekort aan de voornaamste energiebronnen, suikers en vetten, zal het lichaam meer en meer de eigen lichaamseiwitten aanspreken als bron van energie. Eiwitten zijn in de eerste plaats een bouwstof. De spieren, rijk aan spiereiwitten, worden opgeofferd. Het lichaam vermagert zienderogen. De gevangenen van de concentratiekampen, de meisjes met anorexia, de slachtoffers van hongersnood … de beelden van extreme ondervoeding spreken voor zich.
Fig. 4.33 Deze gevangene van het concentratiekamp in Langenstein toont zijn knokige benen aan zijn bevrijder (1945). Deze man woog ooit 95 kilogram.
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
71
4 Stofwisseling in het lichaam Stofwisseling betekent letterlijk ‘wisselen, dus veranderen, van stoffen’. Hiermee wordt bedoeld: alle processen die stoffen ondergaan vanaf het moment dat we ze via de mond innemen tot en met de afgifte van de afvalproducten die na die processen overblijven.
4.1 Schema van de omzetting van het voedsel in het lichaam STAP 1: De vertering • De vertering is het proces waarbij voedsel wordt afgebroken tot de afzonderlijke voedingsstoffen. • Water, mineralen en monosachariden zijn voedingsstoffen. Ze hebben geen vertering nodig en ze kunnen rechtstreeks via de darmwand in het bloed worden opgenomen. Vervolgens worden ze naar alle cellen van het lichaam vervoerd. • Disachariden en polysachariden, triglyceriden en eiwitten zijn grotere moleculen. Ze zullen in de maag en de dunne darm eerst worden verkleind, dit wil zeggen: ontbonden in hun bouwstenen, respectievelijk glucose, vetzuren en glycerol en aminozuren. De enzymen van onze verteringsorganen katalyseren deze afbraakreacties. Het zijn alle hydrolysereacties. (Een hydrolyse is het omgekeerde van een condensatie, zie thema 2.) Daarna stromen ook deze stoffen via het bloed door naar de cellen.
eiwitten polysachariden
vetten STAP 1 de vertering
aminozuren
glucose
vetzuren en glycerol STAP 2 opname in de cel
• Voor sommige voedingsstoffen hebben we geen passend enzym in ons lichaam. Ze komen onverteerd met de uitwerpselen uit het lichaam. De celwanden van planten bestaan uit cellulose, een polysacharidevezel, en soms nog andere stoffen die wij niet kunnen verteren. Toch zijn ook deze voedingsstoffen zeer nuttig, als vezels. Deze vezels stimuleren de darmperistaltiek, zodat het voedsel in de darm voortschuift en er geen constipatie ontstaat.
STAP 3 het celmetabolisme
NH3
CO2
H2O
afvalstoffen
STAP 4 afvalstoffen uit de cel
Fig. 4.34 De omzetting van voedsel in het lichaam
STAP 2: Opname van de nutriënten in de cel De cellen nemen de nutriënten op uit het bloed. De passage van de opgeloste stoffen door het celmembraan heen gebeurt door passief of actief transport. Die manieren van celtransport werden in de tweede graad bestudeerd. Fig. 4.35 Vezelrijk voedsel
72
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
STAP 3: Het celmetabolisme: verwerken van de nutriënten in de cel Wat gebeurt er met de voedingsstoffen eens ze – afgebroken tot glycerol, vetzuren, glucose en aminozuren – in de cellen zijn opgenomen? In de cel worden de nutriënten verbruikt: ze worden onmiddellijk weer ingezet om er nieuwe organische stoffen mee op te bouwen (het anabolisme) of ze worden afgebroken om er energie uit te halen (het katabolisme). Al die processen samen noemt men het metabolisme van de cel. Het katabolisme (of dissimilatie) is het geheel van de reacties in de cel waarbij organische stoffen afgebroken worden om er energie uit te winnen. Een voorbeeld van een katabool proces is de ‘celademhaling’. Het anabolisme (of assimilatie) is het geheel van reacties in de cel waarbij nieuwe organische stoffen samengesteld worden en waarbij energie vereist is, de energie die de katabole reacties hebben opgeleverd. Een voorbeeld van een anabool proces is de ‘eiwitsynthese’.
Fig. 4.36 Etende jongen. Zijn voedsel levert hem energie om met de opgenomen voedingsstoffen aan assimilatie te doen.
STAP 4: Afvalstoffen verwijderen Tijdens het celmetabolisme ontstaan eindproducten die uit het lichaam verwijderd moeten worden. De celademhaling levert CO2 en H2O die we uitblazen. Andere metabolieten worden via de urine afgevoerd.
4.2 De celademhaling: energie winnen uit voedsel inwendig membraan plooien Fig. 4.37 Een mitochondrium (2-5 µm lang), hier doorgesneden zodat je binnenin kan kijken, is een organel met een buitenmembraan en een binnenmembraan met plooien om meer plaats te bieden aan alle enzymen die bij de celademhaling betrokken zijn. Het aantal mitochondriën per cel varieert sterk naargelang de energiebehoefte van de cel.
uitwendig membraan
In specifieke celorganellen, de mitochondriën, worden er organische voedingsstoffen afgebroken. Door die afbraak komt de chemische bindingsenergie uit de moleculen vrij. De afbraakreactie is een oxidatiereactie en daar is O2-gas bij nodig en er wordt CO2-gas gevormd. Op celniveau spreken we dan ook van het proces van de ‘celademhaling’. De celademhaling is een katabool proces.
4.2.1
Glucose, de ideale energiebron voor cellen Glucose is onze beste energiebron. In de mitochondriën levert de oxidatieve afbraak van glucose de cel veel kJ (kilojoule) op. Na de afbraak blijft er van de glucose alleen een beetje water en CO2 over.
mitochondrium
Het afbraakproces verloopt complex, maar we kunnen de reactievergelijking van de glucoseoxidatie toch noteren met enkel de begin- en eindproducten: C6H12O6 + 6 O2
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
6 CO2 + 6 H2O + energie
H2O Fig. 4.38
73
glucose
CO2
energie
O2
De O2 voor de reactie ademen we in, CO2 en H2O ademen we uit. Bij deze exotherme reactie ontstaat ook warmte waarmee we onze lichaamstemperatuur op 37 °C houden. Na glucose is de oxidatie van vetzuren in de mitochondriën onze tweede energiebron. Glucose op overschot slaan we op als glycogeen in de spiercellen en in de lever. We kunnen op elk moment deze energiereserve aanspreken.
4.2.2
De ATP-cyclus Om ervoor te zorgen dat elke cel steeds een energievoorraadje heeft voor haar activiteiten, slaan de mitochondriën de energie van de celademhaling op in een speciale molecule: ATP (adenosinetrifosfaat). Je kan de functie van ATP vergelijken met die van een batterij. Als de cellen voor hun activiteiten energie nodig hebben, verbruiken ze energie uit de batterijen. De lege batterijen worden dan in de mitochondriën weer opgeladen. We noemen dat de ATP-cyclus. 1 Uit de energierijke ATP-molecule komt energie vrij door het afsplitsen van een fosfaatgroep (P). De cel zal deze energie gebruiken voor haar celactiviteiten. De molecule blijft dan energiearmer over, als ADP (adenosinedifosfaat).
P
ATP + H2O
Voorbeelden van celactiviteiten zijn: • celorganellen vernieuwen, de cel laten groeien, nieuwe cellen bijmaken (celdeling) • contractie van spierencellen • enzymen, hormonen … aanmaken • zwembeweging van zaadcellen • met Ca2+ beenstof aanmaken • …
ADP + P + 30 kJ/mol
2 Door het aanhechten van een fosfaatgroep kan het energiearme ADP opnieuw worden omgezet in het energierijke ATP. De energie die daarvoor vereist is, wordt uit de afbraak van voedingsstoffen in de mitochondriën gehaald, dus tijdens de celademhaling. Er is nu weer volop ATP beschikbaar. ADP + P + 30 kJ/mol
A
P
energie
ATP
P
1
2 P P
A
P
ADP P
fosfaat
ribose
A
adenine
Fig. 4.39 Schematische voorstelling van de ATP-cyclus
ATP + H2O
4.2.3 In joule rekenen De glucose-oxidatie in de mitochondriën levert per mol glucose (dat is 180 g) 38 mol ATP, en dat komt overeen met 1140 kJ energie. Gemiddeld verbruikt een volwassen vrouw 8400 kJ per dag en een man 10 400 kJ. Als je tussen 16 en 18 jaar bent, verbruik je nog iets meer en wie intensief fysiek bezig is, verbruikt natuurlijk ook meer. Zelfs als je rust en slaapt, verbruik je energie om je basisfuncties aan de gang te houden: ademen, lichaamstemperatuur, hartslag … Dit is je basaal metabolisme (BMR). Raadpleeg ook het onlinemateriaal over BMR dat ter beschikking is. Bereken je persoonlijke BMR in joule.
74
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
Fietsen (aan 15 km/uur) kost 25,2 kJ per kg lichaamsgewicht en per uur. Kom je met de fiets naar school, dan kan je je jouleverbruik als volgt berekenen: energieverbruik fietsen x je lichaamsgewicht in kg x tijd in uur = totaal energieverbruik in kJ Duurt je fietsrit een halfuur en weeg je 60 kg: 25,2 kJ/ kg . uur x 60 kg x 1/2 uur = 756 kJ verbruikt Bereken: om 1 portie pizza (250 gram) met een energiewaarde van 2134 kJ te verbruiken, zal je
anderhalf uur
moeten fietsen.
Zoals je al weet, zijn de sachariden en de lipiden onze belangrijkste energieleveranciers. In een gezonde voeding is de verdeling als volgt: minstens 55 % van je energie haal je uit sachariden, maximaal 30 % uit vetten en 15 % uit eiwitten.
co ntext
Belgisch kampioene wielrennen Jolien D’Hoore trekt aan de alarmbel
‘Sommige rensters leven op water en sla’ Ik zie sommige meisjes, collega-rensters, zich uithongeren om toch maar de heuvels of bergen te kunnen opvliegen. Hoe minder gewicht je mee naar boven moet nemen, hoe sneller je gaat. Maar na de heuvel zijn ze compleet uitgeteld. De rest van de rit zie je ze niet meer. Hoe kan het ook anders, zonder brandstof en met amper 40 kilo op de fiets? Ze hebben geen enkele vetreserve. Als ik ze uiteindelijk de finish zie bereiken, amper nog recht op de fiets, leef ik met hen mee. ‘Eet een suikerwafel’, roept de ploegleiding hen dan toe. Dankbaar nemen ze de wafel aan. Ze scheuren de verpakking open, zetten het snoepgoed aan hun lippen maar bijten doen ze niet. Eenmaal de leiding verdwenen is, gooien ze de wafel weg. Het lege papiertje houden ze bij. Als bewijs.’ (Bron: Lammens, L., www.nieuwsblad.be, 14 maart 2015) Fig. 4.40 Jolien D’Hoore
Obesitas-gevaar! Raadpleeg ook het onlinemateriaal over het gevaar van obesitas dat ter beschikking is. Als je dagelijks meer joules opneemt dan je verbruikt, zal je al snel verdikken en je BMI zal stijgen. Op een BMI hoger dan 30 kleeft het etiket ‘obesitas’. Obesitas is de medische naam voor ‘te dik zijn’. Bij wie obees is, is het vetgehalte veel hoger dan normaal. Alle overtollige voedingsstoffen worden in vet omgezet en in vetweefsel opgeslagen. Meestal is obesitas het gevolg van veel energierijk voedsel eten gecombineerd met weinig bewegen, dus weinig energie verbruiken. Er kunnen ook andere oorzaken zijn, genetisch of hormonaal. Hoe dan ook, aan obesitas zijn andere gezondheidsproblemen gelinkt zoals een verhoogde kans op suikerziekte of hartproblemen.
Fig. 4.41 Overgewicht
Overgewicht en obesitas zijn de welvaartsziekten van het Westen. Het aantal mensen met overgewicht zal blijven groeien als de overheden geen actie ondernemen, zegt de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO). Het recept ertegen is eenvoudig: voldoende bewegen en een evenwichtige voeding. Dat ook daadwerkelijk doen, daar hebben mensen het moeilijker mee. THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
75
Op de etiketten van levensmiddelen staat verplicht aangegeven hoeveel kJ elke 100 gram van het product oplevert. Je kan dus zelf ongeveer inschatten of je per dag eerder te veel dan te weinig kJ opneemt. Op de verpakking van voedingsmiddelen staat energie ook uitgedrukt in calorie. Dit is geen officiĂŤle eenheid. Wij gebruiken joule. (1 cal = 4,184 J; 1 J = 0,239 cal)
4.2.4
Aeroob en anaeroob De celademhaling is een aeroob proces, er is O2-gas bij nodig. Spieren in felle actie verbruiken heel veel O2 en soms is de O2-aanvoer tijdens de inspanning ontoereikend. De spieren kunnen de celademhaling niet meer uitvoeren. Ze nemen een andere metabolische weg: glucose wordt anaeroob (zonder zuurstofgas) afgebroken en er ontstaat melkzuur. Die omzetting levert echter heel weinig ATP op. Men zal de inspanning moeten stopzetten. Het melkzuur (lactaat) prikkelt de zenuwen van de spieren. Je spieren doen pijn. Rust en goed ademen zorgen voor herstel en het melkzuur zal worden omgezet. Massage kan helpen om het melkzuur sneller uit je spieren af te voeren. Topsporters van de korte afstand zijn erop getraind om zelfs in zuurstofschuld hard te blijven lopen.
Fig. 4.42 Amandelen bevatten 2548 kJ per 100 gram.
Fig. 4.43 Zwitserland, 28 augustus 2014. Kemar Bailey-Cole, Asafa Powell en Tyson Gay in de finale van de 100 meter van de Diamond League meeting in Zurich. Kemar Bailey-Cole (Jam) won deze prestigieuze race (nadat Usain Bolt zich had teruggetrokken).
4.3 De eiwitsynthese: nieuwe eiwitten opbouwen voor de cel Cellen hebben veel eiwitten nodig: al hun enzymen zijn eiwitten, in hun membranen zitten eiwitten verwerkt, spiercellen trekken samen met actine en myosine-eiwitvezels, rode bloedcellen zitten vol hemoglobine, pancreascellen maken insuline â&#x20AC;Ś Elke cel beschikt over miljoenen kleine machientjes die dit anabool proces uitvoeren, de ribosomen. Deze heel kleine organellen (10 nm) maken de gewenste eiwitten volgens een recept dat in het DNA ligt opgeslagen en dat ze vanuit de celkern krijgen doorgestuurd. Op de ribosomen zullen de aminozuren tot een correcte polypeptideketen worden aaneengehecht. Dit opbouwproces verbruikt grote hoeveelheden ATP (meer bepaald 1 ATP-molecule per aangehecht aminozuur). val + pro + lys ... + xATP
val pro lys ...
eiwit
polypeptide
Fig. 4.44 De ribosomen (zwarte bolletjes) maken de eiwitten en storten ze in het ER (endoplasmatisch reticulum), het kanalensysteem in de cel dat de eiwitten afwerkt en intern naar hun bestemming vervoert.
De eiwitsynthese is een fascinerend proces dat verder in dit leerwerkboek staat uitgewerkt.
76
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
5 De fotosynthese, bron van organische stof 5.1 Het leven kan niet zonder de zon Dieren zoals de mens zijn heterotroof, ze voeden zich met andere levende wezens, met planten, dieren, zwammen ... Ze verkrijgen op die manier de nodige organische stoffen om hun lichaam op te bouwen en van energie te voorzien. Hoe komen planten aan hun organische stoffen? Planten zijn autotroof, letterlijk zelf-voedend. Ze zijn aangewezen op het water en de mineralen in de bodem, op CO2 uit de lucht, en op de zon. Ze bouwen met deze anorganische componenten zelf hun organische stoffen op. Het proces heet de fotosynthese. De energie voor die opbouw is zonne-energie (of beter lichtenergie, want onder kunstlicht groeien planten ook). Via de voedselketen stromen de geproduceerde organische stoffen door tot bij ons; wij eten ze op.
Fig. 4.45 Voedselketen
5.2 De fotosynthese: glucose maken Alleen planten, wieren en bepaalde groepen eencelligen kunnen aan fotosynthese doen. Dieren niet en dat komt door het ontbreken van bladgroen in hun cellen. Het bladgroen zit bij planten en wieren in eigen organellen, de chloroplasten of bladgroenkorrels. Bladgroen (of chlorofyl) is een organische molecule die zeer lichtgevoelig is en die de energie van zonlicht efficiënt kan absorberen. De opgenomen energie wordt ook in de plantencel vastgelegd in ATP. De plantencel gebruikt een deel van het ATP om glucose aan te maken, vertrekkende van twee eenvoudige anorganische moleculen die op aarde overal aanwezig zijn: water en CO2.
Fig. 4.46 Om aan fotosynthese te doen, heeft een plant zonlicht nodig.
De fotosynthesereactievergelijking kunnen we als volgt vereenvoudigd voorstellen:
6 CO2 + 6 H2O
lichtenergie en bladgroen
C6H12O6 + 6 O2
Zonder licht valt de fotosynthesereactie onmiddellijk stil. 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); • zelf worden verbruikt tijdens haar celademhaling (zoals bij dieren). Het gevormde O2-gas komt in de lucht vrij en is beschikbaar voor alle levende wezens.
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
77
DEMO 3 Stop enkele takjes van een waterplant in een beker water (met het snijvlak naar boven). Belicht de beker met een sterke lamp. Je ziet de zuurstofgasbelletjes vrijkomen.
5.3
Verband tussen celademhaling en fotosynthese Is het je opgevallen dat de reactievergelijkingen van de celademhaling en de fotosynthese elkaars omgekeerde zijn? Beide processen houden samen het leven op aarde in stand. Door de fotosynthese ontstaan er op aarde, dankzij de energie van de zon, organische stof en O2-gas. Uit deze organische stof en O2 halen organismen de erin opgeslagen energie vrij door de celademhaling. Op hun beurt leveren zij CO2 en water voor de fotosynthese. Het zit mooi in elkaar. Zonder de zon en zonder planten en wieren zou er geen organisch materiaal (ons voedsel) en geen O2-gas zijn, en zouden er ook geen mensen zijn …
FOTOSYNTHESE 6 CO2 + 6 H2O + energie (zonlicht) → C6H12O6 + 6 O2
ADEMHALING (respiratie) C6H12O6 (organische stof) + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energie
Fig. 4.47 Fotosynthese en celademhaling
78
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
• D E K E R N VA N D E Z A A K • • Ons lichaam is opgebouwd uit miljarden microscopische cellen. cel basisbouw
celmembraan, cytoplasma, kern met DNA, organellen
organellen
• mini ‘orgaantjes’ in het cytoplasma van de cel • voeren de levensprocessen uit • voorbeelden: mitochondriën, ribosomen, centrosoom, chloroplast …
• Ons lichaam heeft grondstoffen nodig, die via de voeding uit de omgeving worden gehaald. voedingsstoffen soorten
• anorganisch: water, mineralen • organisch: sachariden, lipiden, proteïnen, vitaminen
functies
• lichaamscellen opbouwen en in stand houden: water, mineralen, proteïnen • energiebron: sachariden, lipiden • hulpstoffen: vitaminen, mineralen, enzymen
• Sachariden, lipiden en proteïnen zijn complexe C-H-verbindingen die het lichaam opbouwen en van energie voorzien. Polysachariden, lipiden en proteïnen zijn uit kleinere organische moleculen samengesteld die door condensatiereacties zijn verbonden. Door hydrolyse kunnen ze opnieuw worden ontbonden. sachariden
• Monosachariden en disachariden kennen we als ‘suikers’. Glucose is de meest voorkomende. De belangrijkste polysachariden zijn zetmeel en glycogeen. Ze zijn in feite glucoseopslagplaatsen. • Sachariden zijn energieleveranciers. Glucose is de belangrijkste dagelijkse energiebron voor cellen (17 kJ/g).
lipiden
• De belangrijkste vetten zijn de triglyceriden, de fosfolipiden en de steroïden. • Triglyceriden zijn de dierlijke vetten (rijk aan verzadigde vetzuren) en de plantaardige oliën (rijk aan onverzadigde vetzuren). Belangrijkste functie: energiereserve (38 kJ/g), opgeslagen als vetweefsel. • Fosfolipiden zijn de vetten van de celmembranen. • Tot de steroïden behoren cholesterol, de geslachtshormonen, vitamine D en de galzouten.
proteïnen
• Zijn samengesteld uit aminozuren die verbonden zijn tot een polypeptide met een specifieke aminozuurvolgorde of primaire eiwitstructuur. De secundaire eiwitstructuur is een helix of plaat, de tertiaire is de typische 3D-vorm van een functioneel eiwit. Sommige eiwitten hebben een quaternaire structuur. Bij denaturatie wordt het eiwit inactief. • Eiwitten vervullen velerlei functies, maar als opbouwstof en als enzym (katalysator) zijn ze onvervangbaar. • Voorbeelden van proteïnen zijn insuline, hemoglobine, keratine …
• De stofwisseling of het metabolisme omhelst alle processen in het lichaam waarbij de voedingsstoffen uit het voedsel gehaald worden, verkleind worden en chemisch veranderd worden, zodat ze hun functie kunnen uitvoeren. Op celniveau noemen we dit het celmetabolisme. In het celmetabolisme onderscheiden we katabolisme en anabolisme.
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
79
katabolisme omschrijving
geheel van celreacties waarbij organische stoffen afgebroken worden en waarbij energie vrijkomt voor de levensactiviteiten
voorbeeld
celademhaling: • Vindt plaats in de mitochondriën. • Voornaamste reactie: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP. • ATP-cyclus: energie opgeslagen in ATP kan door de cel worden aangewend. Opladen van ADP met energie gebeurt in de mitochondriën. anabolisme
omschrijving
geheel van celreacties waarbij organische stoffen opgebouwd worden en waarbij energie vereist is
voorbeeld
eiwitsynthese: • Uitgevoerd door de ribosomen, hoog ATP-verbruik. • Uit de aminozuren van de voeding worden nieuwe eiwitten samengesteld, zoals hemoglobine, insuline, spiereiwitten … fotosynthese: • Vindt plaats in de chloroplasten van planten en wieren. • Reactievergelijking: 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2. lichtenergie en bladgroen • De energie voor de glucosevorming is lichtenergie door bladgroen geabsorbeerd. • Er is op aarde geen andere bron van organische stof en O2 dan de fotosynthese.
• Onze gezondheid wordt sterk beïnvloed door onze voeding. overgewicht en obesitas
Wanneer via de voeding meer energie wordt ingenomen dan verbruikt, worden de voedingsstoffen opgeslagen in vetweefsel wat resulteert in een BMI > 25 (overgewicht) of > 30 (obesitas).
diabetes
Glucose is onze dagelijkse energiebron. De hoeveelheid glucose in het bloed moet dan ook vrij constant worden gehouden. Indien die regeling faalt, lijdt men aan suikerziekte.
hart- en vaataandoeningen
De verzadigde vetten zijn minder gezond dan de onverzadigde. Ze zetten zich af in de slagaders (atherosclerose) en zorgen zo voor hart- en vaataandoeningen.
ondervoeding en anorexie
Het lichaam kan eiwitten niet als reserve opslaan. Er is een minimale dagelijkse inname nodig. Bij een tekort ontstaan ondervoedingssymptomen en anorexie.
gebreksziekten
Zijn typische ziektesymptomen die optreden bij vitaminetekort.
Volgen we de aanbevelingen van de actieve voedingsdriehoek op, dan kunnen we ons op een gezonde en duurzame wijze voeden.
80
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
Leerstof verwerken Over cellen 1 Wat zijn de ‘organellen’ van een cel ?
De verschillende kleine structuurtjes die zich in het cytoplasma van de cel bevinden en daar elk
een specifieke taak uitoefenen. Het zijn de cel‘orgaantjes’. Ze hebben elk een eigen benaming.
2 Rangschik van klein naar groot: molecule / organel / orgaan / organisme / atoom / cel / weefsel. klein
groot
atoom
molecule
organel
cel
weefsel
orgaan
organisme
3 Vul de juiste termen in bij de omschrijvingen. • celorganel voor de fotosynthese
chloroplast
• eenheid waarin de grootte van een cel wordt uitgedrukt
micrometer (µm)
• plaats in de cel waar veel ATP wordt aangemaakt
mitochondrium
• bouwstof van het celmembraan
fosfolipide
• celorganel dat instaat voor de productie van eiwitten
ribosoom
4 Welke menselijke cel bezit volgens jou het grootste aantal mitochondriën? Beargumenteer. zaadcel rode bloedcel beendercel wangslijmvliescel.
Zaadcel: heeft veel energie nodig voor de rotatie van de staart, op weg naar de eicel.
Over voedingsstoffen 5 Koppel elke molecule in de eerste kolom aan de juiste molecule in de tweede kolom. 1
glycerol
A
lipide
2
aminozuur
B
eiwit
3
vetzuur
C
monosacharide
4
galactose
D
disacharide
5
maltose
E
triglyceride
1
2
3
4
5
E
B
A
C
D
6 Juist of fout? Verbeter indien nodig de fout in de zin. Glycogeen is een polypeptide.
fout, een polysacharide
In een eiwit kunnen meer dan 100 verschillende aminozuren zitten.
fout, maximaal 20
In het hemoglobine-eiwit zit Fe verwerkt.
juist
Verzadigde vetten hebben dubbele koolstofbindingen.
fout, enkele
In melk zit suiker.
juist (lactose)
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
81
7 Kruis telkens het juiste antwoord aan. • De formule van glucose is C6H12O6. Door condensatie van 2 glucosemoleculen ontstaat maltose met als formule: C6H20O6 C12H22O11 C12H24O12 C6H10O3. essentieel zijn voor de celademhaling door het • Essentiële aminozuren zijn aminozuren die: lichaam gevormd worden we uit onze voeding moeten halen moeten worden toegevoegd als supplement bij een vegetarisch dieet. • De organische stoffen die als belangrijke energiebron voor organismen dienen zijn: lipiden en sachariden sachariden.
proteïnen en lipiden
sachariden en proteïnen
DNA en
Over het metabolisme 8 Antwoord kort. • Met welk doel maken cellen continu ATP aan? om over een energievoorraad te beschikken • In ATP staat de P voor fosfaat
en de T voor tri
.
• Als de celademhaling anaeroob verloopt, is er vorming van melkzuur
.
• Welk product van de fotosynthese wordt tijdens de celademhaling verbruikt? glucose • Welk gas komt vrij bij fotosynthese en welk bij celademhaling? O2
en CO2
9 Begrippenkennis: vul in de eerste kolom telkens de passende letter in.
F
1
gebeurt in de mitochondriën
A
chloroplast
A
2
plaats van de fotosynthese
B
aeroob
J
3
een zichzelf voedend organisme is
C
glucose
H
4
het vermogen om arbeid te leveren
D
anaeroob
D
5
proces dat geen O2-gas vereist
E
licht
C
6
C6H12O6
F
celademhaling
E
7
waaruit groene planten energie absorberen
G
fotosynthese
I
8
waaruit heterotrofen hun energie halen
H
energie
G
9
hiervoor zijn chloroplasten nodig
I
voedsel
B
10
proces dat O2-gas vereist
J
autotroof
10 Kruis telkens het juiste antwoord aan. • Katabole processen: maken complexe organische stoffen aan uit eenvoudige breken complexe organische stoffen af tot eenvoudige komen alleen voor bij autotrofe organismen komen alleen voor bij heterotrofe organismen niets van dit alles is juist. • De eindproducten van de celademhaling zijn: suiker en CO2 suiker en O2 ADP en O2
ATP en CO2.
• Volgroeide rode bloedcellen bevatten geen kern meer en ook geen mitochondriën. Wat zal hiervan het gevolg zijn voor hun metabolisme? Ze zullen daardoor: een rode kleur hebben minder ATP hebben dan andere cellen veel glucose verbrui ken meer O2 verbruiken dan andere cellen. • De beginproducten van de fotosynthese zijn: glucose en water water en koolstofdioxide gas.
82
CO2 en O2
glucose en zuurstof-
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME
11 De cellen verwerken de voedingsstoffen, maar wat doet het lichaam met de voedingsstoffen die overtollig zijn en die de cellen niet onmiddellijk nodig hebben? voedingsstof
actie
glucose
Opslaan in de vorm van glycogeen in lever en spieren. Kan ook worden omgezet naar vet.
vetzuren en glycerol aminozuren
Opgeslagen als vet in vetweefsel. Kunnen niet worden opgeslagen en worden afgebroken (tot ureum e.a.) en verwijderd via de urine.
12 Zoek in je leerwerkboek naar 3 factoren waarvan de dagelijkse energiebehoefte (hoeveelheid kJ) van een persoon afhankelijk is.
leeftijd, geslacht, activiteit
13 Bereken met hoeveel gram amandelen je je dag kan doorkomen wat betreft je energiebehoefte.
amandelen: 2548 kJ / 100 g
meisje: dagelijkse energiebehoefte: 8400 kJ
8400 kJ x 100 g / 2548 kJ = 330 g amandelen
jongen: dagelijkse energiebehoefte: 10400 kJ
10400 kJ x 100 g / 2548 kJ = 408 g amandelen
Over voeding en gezondheid 14 Schrijf de volgende combinaties van voedingsstoffen bij de juiste groep in de voedingsdriehoek (Fig. 4.4). – sachariden, voedingsvezels, vitaminen, mineralen – eiwitten, vitaminen en mineralen – lipiden, essentiële vetzuren, vetoplosbare vitaminen – Ca, eiwitten, vitamine B – alcohol – suikers, mineralen, vitaminen – sachariden, eiwitten, mineralen, vitaminen 15 In deze tabel gaat het over aandoeningen als gevolg van ongezonde eetgewoonten. Zoek in je leerwerkboek de nodige gegevens om de tabel aan te vullen. naam aandoening
wordt veroorzaakt door
voedingspreventie
geneeskunde
atherosclerose
te hoog cholesterolgehalte in het bloed
minder dierlijke vetten eten
pilletjes tegen hoge cholesterol
diabetes
te hoog glucosegehalte in het bloed dieet door insulineongevoeligheid
insuline-injecties, pompje
overgewicht en obesitas
inname van meer kJ dan verbruikt
meestal niet nodig
minder (energierijk) eten en meer bewegen
16 Denk in groep na over deze oneliner van zelfverklaarde voedingsexperts: ‘Suiker is gif voor je lichaam’. Haal uit je leerwerkboek voor- en tegenargumenten.
Voor: Suiker (glucose) is nodig voor de celademhaling, om ATP te maken en dus over energie te beschikken. Glucose is de meest efficiënte energiebron voor cellen (fructose uit vruchten wordt
ook in glucose omgezet).
Tegen: Te veel glucose kan worden omgezet naar vet en aanleiding geven tot onder andere
overgewicht en obesitas. Een blijvend te hoog glucosegehalte in het bloed geeft diabetes.
THEMA 4: STOFFEN IN JE LICHAAM
83
Omgaan met informatie Gebruik de onlinevoedingsmiddelentabel om op deze vragen een antwoord te vinden. Staaf je antwoorden met cijfergegevens uit de tabel (heb daarbij aandacht voor de eenheden!) en formuleer je conclusie. 1 Melk is een goede bron van Ca-ionen. Is magere melk daarvoor veel minder geschikt dan volle melk?
Volle melk: 120 mg/100 g
Magere melk: 135 mg/100 g
Conclusie: magere melk is in vergelijking met volle melk een heel goede Ca-bron.
2 Aardappelen zijn een bron van vitamine C. Blijft dat zo voor gekookte aardappelen?
Rauwe aardappelen: 16 mg/100 g
Gekookte aardappelen: 8 mg/100 g
Conclusie: bij het koken gaat de helft van de hoeveelheid vitamine C verloren.
3 Waarom heb je zink (Zn) nodig? Is dierlijk of plantaardig voedsel een betere leverancier van zink? Illustreer met een voorbeeld.
Dierlijk voedsel bevat duidelijk meer zink. Voorbeeld: biefstuk: 4,4 mg/100 g; blinde vink: 3,4;
bloemkool: 0,4.
Zink is een onderdeel van meer dan 200 enzymen. Zonder zink werken die enzymen niet.
4 Noten zijn energierijk, ze bevatten veel lipiden. In hedendaagse voedingsadviezen krijgen noten nochtans veel lof. Daar zijn 2 redenen voor. Welke? Bekijk daarvoor de samenstelling van enkele noten, zoals walnoten, pecannoten, hazelnoten â&#x20AC;Ś
Conclusie over vetten:
Noten zijn zeer rijk aan onverzadigde, dus gezonde, vetten en bevatten geen cholesterol.
Conclusie over mineralen:
Ze zijn zeer rijk aan magnesium (en ander mineralen).
5 Zoek nog informatie over de samenstelling van andere voedingsmiddelen naar keuze.
84
DEEL 2: STOFFEN IN DE CEL EN METABOLISME