V O O R T P L A N T I N G
1
Thema DE CEL
Waarover gaat dit thema
Openingsvraag Als je ingevroren groenten opnieuw uit de diepvriezer haalt, zijn ze ‘slap’ na het ontdooien. Hoe komt dat?
De cel is de basiseenheid van elk levend wezen. In dit thema leren we uit welke onderdelen cellen opgebouwd zijn en wat de functie is van die onderdelen. Eiwitten vervullen belangrijke taken in organismen. Zo zijn bepaalde eiwitten belangrijke bouwstenen en zorgen andere ervoor dat processen vlot verlopen. We leren in dit thema hoe eiwitten in de cel aangemaakt worden.
Inhoud 1 De cel als bouwsteen van het leven 1.1 Eencellige en meercellige organismen 1.2 Cellen vormen weefsels 1.3 Hoe groot is een cel? 1.4 Cellen onder de microscoop
2 Dierlijke cellen en plantencellen in detail 2.1 Dierlijke cellen 2.2 Plantencellen
3 De eiwitsynthese in de cel 3.1 Wat zijn eiwitten? 3.2 Bouw van eiwitten 3.3 DNA, RNA en de genetische code 3.3.1 Functie van de genetische code 3.3.2 Waar zit de genetische code? 3.3.3 Hoe functioneert de genetische code? 3.4 Plaats van de eiwitsynthese in de cel 3.5 Eiwitten en genen
Opgaven Samenvatting
De oplossing vind je op p. 19.
12
1
De cel als bouwsteen van het leven
1.1 Eencellige en meercellige organismen Wist je dat een mens uit meer dan 30 000 000 000 000 (dertigduizend miljard) cellen bestaat? De mens is dus een meercellig organisme, net zoals alle dieren en planten. Deze organismen bestaan uit veel verschillende celtypen. Elk celtype heeft een eigen vorm, functie en levensduur. Voorbeelden – De rode bloedcellen, die op ‘schoteltjes’ lijken, leven slechts een paar weken. – De langwerpige zenuwcellen gaan een leven lang mee.
Fig. 1.1 A Zenuwcellen transporteren met hoge snelheid elektrische signalen door het lichaam. B Rode bloedlichaampjes vervoeren zuurstof door het lichaam.
Zowel dieren als planten zijn opgebouwd uit heel veel cellen, maar er bestaan ook eencellige organismen, zoals amoeben, bacteriën, eencellige algen en gisten. Eén cel voert dan alle activiteiten uit om in leven te blijven.
Fig. 1.2
Het pantoffeldiertje kan volledig zelfstandig leven en is in staat om o.m. zelf voedsel te zoeken, te verteren, te bewegen en te ademen.
Elk levend organisme is opgebouwd uit cellen. Er zijn eencellige en meercellige organismen. Eencellige organismen zijn in staat om volledig zelfstandig te leven. Een cel voert dan alle activiteiten uit om in leven te blijven.
1.2
Cellen vormen weefsels Bij hoger ontwikkelde organismen (zoals de mens) is de taakverdeling veel verder gevorderd en zijn de cellen gegroepeerd in weefsels. In die weefsels hebben de cellen zich gespecialiseerd in het uitoefenen van een welbepaalde functie. Voorbeelden – Spierweefsel bestaat uit langwerpige cellen (met daarin eiwitten) die in elkaar kunnen schuiven. Op die manier kunnen de spieren samentrekken. – Zenuwweefsel is opgebouwd uit zenuwcellen die door lange uitlopers met elkaar verbonden zijn en zo de zenuwgeleiding verzorgen.
Thema 1: de cel
13
– De schotelvormige rode bloedcellen van het bloedweefsel bevatten het eiwit hemoglobine en zijn daardoor in staat om zuurstofgas te transporteren via de bloedbanen. A
B
Fig. 1.3
C
A Spierweefsel / B Zenuwweefsel / C Bloedweefsel
Al die cellen zijn specialisten op hun terrein, maar ze hebben daardoor wel de mogelijkheid verloren om zelfstandig te leven.
OPDRACHT 1 Vul een rode ballon met water en bind hem dicht. Neem dan de ballon tussen duim en wijsvinger en knijp. Wat je nu ziet, lijkt heel goed (maar sterk vergroot) op een bepaalde menselijke cel. Welke?
Een rode bloedcel
Meercellige organismen bestaan meestal uit gespecialiseerde cellen die zich gegroepeerd hebben in weefsels. Elk celtype heeft een verschillende vorm en functie.
1.3 Hoe groot is een cel? De grootte van een cel is zeer variabel. – De kleinste dierlijke cellen zijn slechts 4 μm groot en dus niet meer zichtbaar met het blote oog. – Een menselijke eicel is 0,1 mm ‘groot’ en dus nog net zichtbaar, maar zaadcellen zijn helemaal niet meer waar te nemen met het blote oog. – De cellen van een paprika zijn duidelijk zichtbaar. Als je een paprika opensnijdt, zie je aan de binnenkant de kleine langwerpige cellen zitten. – Het wereldrecord celgrootte staat op naam van een walvishaaienei. Een onbevrucht ei van de walvishaai bestaat ook maar uit één cel, maar die heeft een diameter van maar liefst 30 cm.
OPDRACHT 2 Vul de namen in van de cellen op Fig. 1.4.
eicel
14
zaadcellen
cellen van paprika Fig. 1.4
walvishaaienei
Verschillende cellen
De grootte van een cel is zeer variabel.
1.4
Cellen onder de microscoop We bekijken cellen onder de microscoop.
OPDRACHT 3: de dierlijke cel De cellen die de buitenste laag van de wang in de mondholte vormen, zijn sterk onderhevig aan slijtage en worden dus regelmatig vervangen. 1 Strijk met een spatel langs de binnenkant van je wang. 2 Breng de cellen op een draagglas en voeg een druppel eosine (= rode kleurstof) toe. 3 Dek af met een dekglas en bekijk de cellen onder de microscoop. Waarneming Maak naast de foto een tekening van de cel bij sterke vergroting en duid op de foto de zichtbare celonderdelen aan (celmembraan, kern en cytoplasma).
celmembraan
cytoplasma
kern
De cel is omgeven door een celmembraan. De donkere stip is de kern en de vloeibare celinhoud het cytoplasma.
Thema 1: de cel
15
OPDRACHT 4: de plantencel Waterpest is een plantje dat je aantreft in sloten. Omdat de blaadjes ervan slechts uit twee cellagen bestaan, kan je ze gemakkelijk met een microscoop bekijken. 1 Knip een jong blaadje van de plant (aan de top) en leg het op een draagglas. 2 Voeg een druppel water toe en bedek het met een dekglaasje. 3 Bekijk het onder een microscoop op de kleinste vergroting (40 tot 60 keer). Waarneming Teken hieronder enkele cellen in potlood. Duid op de foto de celwand en de bladgroenkorrels aan.
celwand
bladgroenkorrel
De celwand herken je als de donkere lijnen tussen de cellen, de bladgroenkorrels zijn de groene structuren.
OPDRACHT 5 Voel aan een stuk vlees en aan een stuk kool (bv. bloemkool). Waarneming Welk verschil voel je tussen het vlees en de kool?
Het vlees voelt mals aan, de kool hard. Bespreking Bij een dierlijke cel kun je de volgende delen zien met een lichtmicroscoop: het celmembraan (aan de buitenzijde), de kern (in het midden) en het cytoplasma (celvloeistof). Bij plantencellen vind je diezelfde onderdelen terug. Ze hebben daarenboven een celwand, die stevigheid geeft aan de cel, en bladgroenkorrels die dienen voor de fotosynthese.
De dierlijke cel wordt omgeven door een celmembraan. De kern zit in het midden van het cytoplasma (= celvloeistof). De celwand geeft stevigheid aan de plantencel. De bladgroenkorrels dienen voor de fotosynthese.
16
2 2.1
Dierlijke cellen en plantencellen in detail Dierlijke cellen Hieronder zie je een schematische voorstelling van een dierlijke cel, op basis van foto‘s genomen met een elektronenmicroscoop (EM). De elektronenmicroscoop vergroot veel sterker dan de lichtmicroscoop en laat toe nog meer structuren (organellen) te ontdekken in de cel. lysosoom celmembraan endoplasmatisch reticulum
cytoplasma
kernmembraan kernporie centrosoom mitochondrion
kern
Golgi-apparaat
Fig. 1.5
Schematische voorstelling van een dierlijke cel
• Het celmembraan is een vliesje dat de cel omsluit. Het is opgebouwd uit een dubbele laag van vetmoleculen, waarin zich eiwitten bevinden. • Ongeveer in het midden van de cel vind je de kern of nucleus. Daarin zit het erfelijk materiaal. Alle informatie die de cel of het hele organisme nodig heeft om te functioneren, te groeien en te reproduceren, zit opgeslagen in de chromosomen (zie verder). Een kern wordt omsloten door een kernmembraan, waarin poriën zitten.
Poriën in het kernmembraan en het ontstaan van kanker Sommige stoffen die we opnemen, kunnen door de poriën in de celkern binnendringen en het erfelijk materiaal beschadigen, waardoor de cel een kankercel wordt. Dat is onder andere het geval voor alcohol, dioxines, stoffen in sigarettenrook en de zwarte korstjes die ontstaan bij aangebrande voedingswaren (daarin worden immers eiwitverbrandingsproducten gevormd).
Thema 1: de cel
17
Alle celonderdelen drijven in een stroperige vloeistof binnen het celmembraan: het cytoplasma. Daarin vind je een aantal structuren die een specifieke functie uitoefenen binnen de cel. We noemen die structuren de celorganellen. Een belangrijk organel is het mitochondrium (meervoud: mitochondriën). Mitochondriën zijn de energiecentrales van de cel. Ze bestaan uit twee membranen, waarvan de binnenste instulpingen vertoont. Het aantal mitochondriën per cel hangt af van de activiteit van de cel.
Fig. 1.6
Ingekleurd EM-beeld van een mitochondrion
OPDRACHT 6 Een menselijke zaadcel bevat heel veel mitochondriën. Waarom?
Een zaadcel heeft veel energie nodig om zich voort te bewegen in de richting van de eicel om ze te bevruchten. • Lysosomen verwerken afvalstoffen die ontstaan zijn tijdens de stofwisseling in de cel. Als deze celorganellen niet goed werken, kunnen giftige afvalstoffen zich opstapelen. Zo ontstaat de ziekte van Alzheimer door accumulatie van afvalstoffen in de hersenen. De andere celorganellen die met de elektronenmicroscoop zichtbaar zijn: – endoplasmatisch reticulum – ribosomen – Golgi-apparaat – centrosoom
Fig. 1.7
Ingekleurd EM-beeld van een lysosoom (rood) (ø 25-200 nm). Het grote geelgroene organel aan de linkerzijde is de celkern.
In de cel vind je een aantal structuren die een specifieke functie uitoefenen binnen de cel. We noemen die structuren de celorganellen. Mitochondriën zijn de energiecentrales van de cel. Lysosomen verwerken afvalstoffen die ontstaan zijn tijdens de stofwisseling in de cel. 18
2.2
Plantencellen Plantencellen lijken veel op dierlijke cellen, maar ze hebben een aantal extra celstructuren en organellen. ribosoom
– De cel heeft een stevige celwand, opgebouwd uit pectine en cellulose.
vacuole chloroplast
– De meeste plantencellen bezitten een grote centrale vacuole. Dat is een blaasje gevuld met vocht, waarin zich opgeloste suikers en andere stoffen bevinden. Celwand en vacuole geven samen voldoende stevigheid aan de cel. Soms neemt de centrale vacuole 80 tot 90 % in van het totale volume van de volgroeide plantencel. De spanning in een plantencel is te vergelijken met die in een opgeblazen basketbal.
celmembraan celwand endoplasmatisch reticulum
kernporie kernmembraan
mitochondrium
– Typisch voor plantaardige cellen zijn ten slotte de plastiden. Dat zijn afgeronde celorganellen waarvan de bladgroenkorrels of chloroplasten de belangrijkste zijn. Ze zorgen voor de fotosynthese.
cytoplasma
celkern Golgi-apparaat
Fig. 1.8
Schematische weergave van een plantencel
Oplossing openingsvraag De plantencel is dus grotendeels gevuld met water. Als dat bevriest, zet het uit, waardoor de celwand openbarst. Bij het ontdooien loopt het water, door de scheurtjes in de celwand, uit de vacuolen naar buiten. Daardoor verdwijnt de spanning uit de plantencel: ze wordt slap.
OPDRACHT 7 Met wat fantasie kan je een plantencel ook in het groot voorstellen. Gebruik een schoendoos, waarvan het karton de celwand van een plantencel voorstelt. Vul de doos met voorwerpen die de celstructuren en celorganellen die we hierboven opsomden, voorstellen.
Vergeleken met de dierlijke cel heeft de plantencel een aantal extra celstructuren en organellen. Zo zorgen de stevige celwand en de onder spanning staande vacuole voor de stevigheid van de plantencel.
Thema 1: de cel
19
3 3.1
De eiwitsynthese in de cel Wat zijn eiwitten? Het lijkt een wonder dat een meercellig organisme zoals de mens kan ontstaan en groeien uit één bevruchte eicel. In deze bevruchte eicel, maar ook in bijna alle 30 000 miljard cellen die eruit ontstaan, zit de informatie om een volledig lichaam op te bouwen. Hiervoor is de eiwitsynthese van het grootste belang. Eiwitten bepalen namelijk de structuur en de werking van een cel, en dus ook van het lichaam. Eiwitten zijn, zoals vetten en suikers, een essentieel onderdeel van onze voeding. De cellen in ons lichaam zijn voor een belangrijk deel uit eiwitten opgebouwd. Behalve eiwitten die ons lichaam opbouwen, zijn er ook enzymen. Dat zijn eiwitten die ervoor zorgen dat alle reacties in een organisme vlot verlopen.
Experiment 1 Onderzoeksvraag Hebben enzymen een invloed op het verloop van een chemische reactie? Werkwijze 1 Maak een oplossing van waterstofperoxide (H2O2: 3 V%). 2 Giet een deel van de oplossing in een petrischaal en zet die op de retroprojector. 3 Leg een klein stukje appel, aardappel en kool in de oplossing. 4 Herhaal dan de proef, maar laat nu een druppel bloed in de oplossing vallen (bv. door in je vinger te prikken). Waarneming Wat ontstaat er in beide gevallen?
Er ontstaan gasbelletjes. Het gevormde gas is zuurstofgas of dizuurstof. Wat is het verschil tussen de reactie met een stukje voedsel en de reactie met bloed?
De reactie (ontbinden van waterstofperoxide) met bloed verloopt opvallend veel sneller. Verklaring Het waterstofperoxide ontbindt in zuurstofgas en water. Bloed bevat een enzym, katalase genoemd, dat de reactiesnelheid sterk doet toenemen. Er komen duizenden soorten eiwitten voor in ons lichaam. – Vingernagels en haar zijn opgebouwd uit het eiwit keratine. – Het bloed is rood gekleurd door hemoglobine. Hemoglobine transporteert zuurstofgas uit de longen naar de weefsels. – Voor suikerzieken is het hormoon insuline zeker geen onbekende. Het is, net zoals veel hormonen, een eiwit. Fig. 1.9 Diabetici moeten zichzelf voor elke maaltijd insuline toedienen om hun bloedsuikerspiegel op peil te brengen.
20
Al die eiwitten verschillen sterk van elkaar en toch hebben ze opvallende gelijkenissen. Om dat te begrijpen, moeten we dieper ingaan op de bouw van de eiwitten.
Eiwitten zijn, zoals vetten en suikers, een essentieel onderdeel van onze voeding. De cellen in ons lichaam zijn voor een belangrijk deel opgebouwd uit eiwitten. Eiwitten bepalen de structuur en de werking van de cel. Het proces van eiwitsynthese heeft daarin een belangrijke rol.
3.2
Bouw van eiwitten Eiwitten zijn opgebouwd uit aminozuren. Tabel 1.1 geeft een overzicht van de belangrijkste aminozuren met hun naam en de gebruikte standaardafkorting. In de natuur komen slechts 20 verschillende aminozuren voor. Met die bouwstenen kunnen ontelbaar veel eiwitten geproduceerd worden, waarbij telkens het aantal aminozuren en hun onderlinge volgorde verschillen. Die grote variatie aan eiwitten is niet zo verwonderlijk als je bedenkt dat met de 26 letters van het alfabet ook immens veel woorden kunnen worden gevormd. Twee aminozuren (AZ) kunnen zich met elkaar verbinden tot een dipeptide. Door toevoeging van een derde aminozuur ontstaat een tripeptide … en dat gaat zo voort tot een polypeptide gevormd wordt. Wanneer voldoende aminozuren aan elkaar geregen worden, kan uiteindelijk een proteïne of een eiwit ontstaan. Een eiwit kunnen we voorstellen als: AZ1 – AZ2 –… – AZn. Kleine natuurlijke eiwitmoleculen bestaan uit enkele tientallen aan elkaar geregen aminozuren, grotere kunnen zelfs uit 1000 eenheden opgebouwd zijn. De volgorde van de aminozuren legt de primaire structuur van de eiwitten vast. Eiwitketens komen nooit voor als lange, gestrekte draden. Ze zijn altijd opgewonden en hebben dan vaak een spiraalstructuur (of helixvorm). Dat is de secundaire structuur van de eiwitten. De structuur van eiwitten is nog ingewikkelder, maar daar gaan we niet dieper op in.
naam aminozuur
afkorting
alanine
Ala
asparagine
Asn
asparaginezuur
Asp
cysteïne
Cys
glutamine
Gln
glutaminezuur
Glu
glycine
Gly
lysine
Lys
methionine
Met
serine
Ser
Tabel 1.1 Overzicht van de belangrijkste aminozuren
H2N
Phe Leu Ala Val Glu Asn Tyr Val Glu keten B Leu Leu His Val Gly Cys His Leu Glu Ser S Arg Cys H2N Gly S Gly Gly S Asn Cys Phe Ile S Tyr OOC Val Phe Asn Cys Cys Glu Gln Glu Tyr Ala S Leu Thr keten A Ser S Gln Pro Val Lys Tyr Cys Leu Ser Thr COO Fig. 1.10 Insuline
Op Fig. 1.10 zien we het eiwit insuline.
Eiwitten bestaan uit ketens van enkele tientallen tot zelfs duizenden aminozuren, waarbij telkens het aantal aminozuren en hun onderlinge volgorde verschillen. Er zijn twintig verschillende aminozuren.
Thema 1: de cel
21
3.3
DNA, RNA en de genetische code
3.3.1
Functie van de genetische code Wanneer je eet, slok je miljarden aminozuren naar binnen. Die aminozuren moeten uiteindelijk in de juiste volgorde aan elkaar worden geschakeld om de eiwitten te vormen die ons lichaam nodig heeft. Daarvoor beschikken cellen in hun kern over een unieke genetische code. Die code is voor ieder levend organisme gedeeltelijk gelijk en gedeeltelijk verschillend. De verschillen in de genetische code zijn er de oorzaak van dat een aap verschilt van een mens, een boon van een vlieg, een jongen van een meisje en een vader toch ook minstens een beetje van zijn zoon.
CHIMPANSEE
MENS
mens chimpansee
Fig. 1.11 De verschillen in de genetische code zorgen ervoor dat een chimpansee van een mens verschilt.
3.3.2
Waar zit de genetische code? De genetische code zit opgeslagen in de celkern, waar de chromosomen zich bevinden. Zo bevat elke menselijke cel 46 chromosomen. celmembraan
cytoplasma kernmembraan celkern A
G
C
G
C
G
T
T
A
A
C
T
Fig. 1.12 Fig. 1.13 Chromosoom
Chromosomen zijn opgebouwd uit een dubbele DNA-helix, netjes opgewonden rond eiwitbolletjes. DNA bestaat op zijn beurt uit een dubbele keten van nucleotiden. Eén nucleotide bestaat uit: – een suikermolecule (desoxyribose) – een fosfaatgroep – een organische base. De – – – –
22
G C
A T
G C
C G
T A
G C
Fig. 1.14
nucleotiden kunnen vier verschillende basen bevatten: cytosine (C) guanine (G) adenine (A) thymine (T).
base
C
fosfaat
suiker Fig. 1.15 Nucleotide
A T
C G
A T
Die basen in de nucleotide combineren zeer specifiek; thymine combineert met adenine en guanine met cytosine. Dat zie je duidelijk op de figuur hiernaast. De volgorde van de nucleotiden vormt de basis van de genetische code.
T
G
A
C
Fig. 1.16
De opeenvolging in de twee DNA-strengen kan er als volgt uitzien: A
A
T
A
C
T
C
T
G
C
T
G
G
G
A
A
C
T
A
A
T
A
A
T
T
T
A
T
G
A
G
A
C
G
A
C
C
C
T
T
G
A
T
T
A
T
T
A
Fig. 1.17
3.3.3
Hoe functioneert de genetische code? OPDRACHT 8 We kunnen met een bouwdoos van Knexx of een ander merk zelf een DNA-model opbouwen. Op een aantal verbindingsstaafjes tussen de twee ketens plakken we geel en groen plaklint, op de andere blauw en rood (zie figuur hieronder). Zo maken we een willekeurige dubbele keten met zes trapjes.
– Noteer de kleuren van de zes trapjes van één van de ketens van het DNA-model dat je zelf hebt gemaakt, bv. rood-geel-groen-groen-rood-blauw.
We werken een voorbeeld uit: geel – blauw – rood – rood – blauw – blauw
Die kleuren staan voor de basen in de DNA-helix. We kiezen voor elke base een kleur. basen
afkorting
kleur
cytosine
C
groen
guanine
G
geel
adenine
A
rood
thymine
T
blauw
– Vervang nu in je rijtje elke kleurennaam door de corresponderende letter, bv. A-G-C-C-A-T.
GACCAA
Je hebt nu een stukje genetische code genoteerd.
Om, vertrekkende van de genetische code, tot de vorming van een bepaald eiwit te komen, zijn de volgende zaken nodig: – DNA – boodschapper-RNA – ribosomen in het cytoplasma. Het proces begint in de celkern, omdat de chromosomen daarin opgesloten zitten. Ze kunnen niet migreren naar het cytoplasma van de cel.
Thema 1: de cel
23
Stel dat de opeenvolging van nucleotiden in een stukje DNA er als volgt uitziet. A
A
T
A
C
T
C
T
G
C
T
G
G
G
A
A
C
T
A
A
T
A
A
T
T
T
A
T
G
A
G
A
C
G
A
C
C
C
T
T
G
A
T
T
A
T
T
A
Fig. 1.18
Waar de genetische code zal worden omgezet in een eiwit, gaat de dubbele helix ‘openritsen’.
A
T
A
C
T
C
T
G
C
T
G
G
G
A
A
T
A
A
C
A
T
T
A
T
G
A
G
A
C
G
A
C
C
C
T
T
G
A
T
T
T
A
A
T
A
T
T
A
Fig. 1.19
We bekijken nu het stukje DNA dat vrijgekomen is op de onderste keten. T
G
A
T
T
A
T
T
A
Fig. 1.20
Van het stukje DNA wordt een soort negatieve kopie gemaakt in de vorm van zogenaamd boodschapper-RNA. Dit onderdeel van de eiwitsynthese noemen we transcriptie (= overschrijving). Het gaat over een overschrijving van informatie vanuit de celkern naar de organellen in het cytoplasma. RNA is ook een nucleïnezuur dat in een paar facetten verschilt van DNA. – De keten is steeds enkel. – De base thymine is vervangen door uracil (U). – De suikermolecule is ribose. De kopie zal er als volgt uitzien. boodschapper-RNA
A
C
U
A
A
U
A
A
U
T
G
A
T
T
A
T
T
A
A
C
U
A
A
U
A
A
U
DNA Fig. 1.21
OPDRACHT 9 Werk nu verder met de opdracht. Schrijf van jouw stukje genetische code (uit je DNA-model) het corresponderende stukje boodschapper-RNA.
CUGGUU Drie opeenvolgende nucleotiden op het boodschapper-RNA vormen samen één codon. Op zijn beurt vormt dat codon de code voor één specifiek aminozuur. De tabel hieronder geeft een overzicht van de codons met de overeenstemmende aminozuren.
24
AAA
Lys
ACA
AGA
Thr
AUA
Arg
Ile
AAC
Asn
ACC
Thr
AGC
Ser
AUC
Ile
AAG
Lys
ACG
Thr
AGG
Arg
AUG
Met
AAU
Asn
ACU
Thr
AGU
Lys
AUU
Ile
CAA
Gln
CCA
Pro
CGA
Arg
CUA
Leu
CAC
His
CCC
Pro
CGC
Arg
CUC
Leu
CAG
Gln
CCG
Pro
CGG
Arg
CUG
Leu
CAU
His
CCU
Pro
CGU
Arg
CUU
Leu
GAA
Glu
GCA
Ala
GGA
Gly
GUA
Val
GAC
Asp
GCC
Ala
GGC
Gly
GUC
Val
GAG
Glu
GCG
Ala
GGG
Gly
GUG
Val
GAU
Asp
GCU
Ala
GGU
Gly
GUU
Val
UAA
stop
UCA
Ser
UGA
stop
UUA
Leu
UAC
Tyr
UCC
Ser
UGC
Cys
UUC
Phe
UAG
stop
UCG
Ser
UGG
Trp
UUG
Leu
UAU
Tyr
UCU
Ser
UGU
Cys
UUU
Phe
Het boodschapper-RNA verhuist nu met zijn ‘gekopieerde code’ naar het cytoplasma van de cel. Daar wordt het codewoord afgeleverd aan de ribosomen. Deze organellen zorgen er onder andere voor dat de geschikte aminozuren aangevoerd worden uit het cytoplasma. In de ribosomen vindt de eiwitsynthese plaats. T sch bood
gaat naar cytoplasma
G C
G
-RNA apper
T A
C G
G
T
T
C
C
G
A
A
G
A
C
T
A
G
T
C
A
C
C
G
DNA
Fig. 1.22
De aminozuren herkennen hun eigen codon op het boodschapper-RNA. Op die manier komen de aminozuren naast elkaar te zitten en vormen zo een eiwitketen. Dit onderdeel van de eiwitsynthese noemen we de translatie (= vertaling). Als we nu onze reeks van codeletters ontleden in groepjes van drie, kunnen we de correcte aminozuren erbij noteren.
A
A
T
Asn
A
C Thr
T
C
T Leu
G
C
T Leu
G
G
G Gly
A
A
C Thr
T
A
A Asn
T
A
A
T
Asn
Fig. 1.23
OPDRACHT 10 Bepaal nu aan de hand van de tabel hierboven welke twee aminozuren er met jouw code aan elkaar kunnen worden gezet.
Leu – Val Je hebt nu een stukje eiwitketen gevormd met de genetische code in het stukje DNA dat je zelf met Knexx-bouwsteentjes bouwde.
Thema 1: de cel
25
Alle organismen beschikken over een unieke genetische code. Die code is voor ieder levend organisme voor een deel gelijk en voor een deel verschillend. De genetische code zit in de chromosomen, die zich in de celkern van alle cellen bevinden. Chromosomen zijn opgebouwd uit eiwitten met daarin een dubbele DNA-helix. – DNA is opgebouwd uit vier verschillende nucleotiden. In die nucleotiden zitten organische basen, die we afkorten met de letters A (adenine), C (cytosine), G (guanine) en T (thymine). – In die dubbele helix staat A altijd tegenover T, C tegenover G. – De volgorde van de nucleotiden vormt de basis van de genetische code. De genetische code bepaalt de vorming van eiwitten (eiwitsynthese). Dat gebeurt als volgt: – In de kern wordt een kopie gemaakt van een stukje DNA in de vorm van zogenaamd boodschapper-RNA. Dat noemen we de transcriptie. – Het boodschapper-RNA gaat naar de ribosomen in het cytoplasma. – Elk aminozuur bindt zich daar aan een RNA-deeltje, herkent er zo zijn codon (specifieke code die bestaat uit 3 nucleotiden) en plaatst zich hierop. – De aminozuren komen zo naast elkaar en worden met elkaar gebonden tot een eiwitmolecule. Dat noemen we de translatie.
3.4
Plaats van de eiwitsynthese in de cel • Een belangrijk celorganel is het endoplasmatisch reticulum (afgekort: ER, letterlijk vertaald: netwerk in het cytoplasma). Het is een vertakt systeem van dubbele membranen. A
B
ribosoom transportblaasje
kernporie celkern
Fig. 1.24 A Ingekleurd EM-beeld van endoplasmatisch reticulum B Schematische weergave van endoplasmatisch reticulum
26
Op het oppervlak van het ER bevinden zich de ribosomen waarin de eiwitsynthese plaatsvindt. De aangemaakte eiwitten worden in het reticulum getransporteerd.
• In het Golgi-apparaat worden de eiwitten, afkomstig van het ER, bewerkt en opgeslagen. Later worden ze naar andere bestemmingen verplaatst. A
B
Golgiblaasjes
Golgicisternen transportblaasje Fig. 1.25 A Ingekleurd EM-beeld van een Golgi-apparaat B Schematische weergave van het Golgi-apparaat
Het Golgi-apparaat vormt ook de lysosomen.
Nu we de meeste van de onderdelen van de cel besproken hebben, kunnen we vaststellen dat een cel een beetje te vergelijken is met een fabriek. – Er worden grondstoffen geleverd (voedingsstoffen gaan door het celmembraan). – Op de ribosomen worden nieuwe producten aangemaakt (eiwitten) op basis van een recept (het DNA). – Het endoplasmatisch reticulum zorgt voor het transport van de producten, het Golgi-apparaat voor de opslag en de afwerking. – Het mitochondrion kan je als energiebron beschouwen.
3
4
5
6
2
1 Fig. 1.26 De cel kan je vergelijken met een fabriek. Celmembraan (1), celkern (2), ribosomen (3), endoplasmatisch reticulum (4), mitochondrion (5), Golgi-apparaat (6).
De ribosomen bevinden zich op het oppervlak van het endoplasmatisch reticulum (ER). In het Golgi-apparaat worden de eiwitten bewerkt en opgeslagen; later worden ze naar andere bestemmingen verplaatst. Het Golgi-apparaat vormt de lysosomen.
3.5 Eiwitten en genen Een opeenvolging van nucleotiden die samen een stuk erfelijke informatie bevatten om een eiwit aan te maken, noemen we een gen. Zo bestaat er een gen voor de aanmaak van het eiwit hemoglobine, één voor het eiwit insuline enzovoort. Voor sommige eiwitten zijn meerdere genen nodig, en sommige genen coderen voor onderdelen van meerdere eiwitten.
Thema 1: de cel
27
In het menselijke genoom (= alle genen samen) zitten maar liefst 20 000 genen met de code om eiwitten te maken. De code voor die eiwitten bevat samen ongeveer 150 miljoen letters. Toch zitten er in de menselijke chromosomen 3 miljard letters. Dat wil zeggen dat slechts 5 % van de letters gebruikt wordt. De overige 95 % wordt voor andere dingen gebruikt of blijft gewoon ongebruikt. Aangezien alle mensen verschillend zijn, moeten er dus ook verschillen zijn in de genetische code. Dat is inderdaad zo. Toch verschilt het genoom van twee niet-verwante personen slechts in 1 op 500 letters.
OPDRACHT 11 We kunnen het principe van de eiwitsynthese inoefenen met een gezelschapsspel. Het spelbord en de spelregels vind je bij het onlinemateriaal en kan je afprinten.
Een opeenvolging van nucleotiden die samen een stuk erfelijke informatie bevatten om een eiwit aan te maken, noemen we een gen. De 46 chromosomen in een menselijke cel tellen samen 20 000 verschillende genen.
Opgaven 1
Sommige onderzoekers menen dat een slechte werking van de mitochondriën in cellen de oorzaak kan zijn van het chronisch vermoeidheidssyndroom (cvs). Waarom is dat niet zo onlogisch?
De mitochondriën zijn de energiecentrales van de cel. Als de mitochondriën niet goed werken, leveren ze te weinig energie om optimaal te kunnen functioneren. Dat zorgt ervoor dat iemand zich permanent moe voelt.
2
Rangschik van klein naar groot: atoom stikstof – chromosoom – cel – DNA-molecule – molecule water – celkern.
atoom stikstof – molecule water – DNA-molecule – chromosoom – celkern – cel
3
Som de organellen op die niet in een dierlijke cel zitten, maar wel in een plantencel. Geef ook hun functie.
– vacuole: regelt de druk in de plantencel – chloroplasten: spelen een rol bij de fotosynthese 4
Welke organellen zijn heel belangrijk bij de alvleesklier die het eiwit insuline produceert? Verklaar.
Ribosomen, omdat die een belangrijke rol spelen bij de aanmaak van eiwitten.
28
5
Hieronder vind je de opeenvolging van nucleotiden in één van de twee ketens van een stukje DNA-helix. Noteer de opeenvolging van de nucleotiden in de bijpassende DNA-keten. C
T
T
A
C
T
G
G
A
T
T
C
G
C
A
C
T
G
C
T
A
GAATGACCTAAGCGTGACGAT 6
Schrijf een mogelijke opeenvolging van nucleotiden die resulteert in het stukje eiwit Leu-Gly-ThrGly-Ala.
UUA GGA ACG GGG GCU 7
Kan je aan de hand van de tabel op p. 25 noteren welk stukje eiwit gesynthetiseerd kan worden met volgende code in het boodschapper-RNA? UCU UCU GCA CUG GGA ACU GCA
Ser – Ser – Ala – Leu – Gly – Thr – Ala 8
In de tabel op p. 25 kan je zien dat elk aminozuur codons van 3 letters herkent. Verklaar waarom twee codeletters niet voldoende zijn.
De vier basen vormen een ‘alfabet’ met 4 letters. Met twee codeletters kunnen 42 = 16 combinaties gevormd worden. Er zijn echter 20 aminozuren, zodat 16 combinaties niet alle aminozuren een code kunnen toekennen. Er zijn dus combinaties nodig van drie letters. Daarmee kunnen immers 43 = 64 combinaties gevormd worden.
Thema 1: de cel
29
Samenvatting 1
De cel als bouwsteen van het leven
1.1
Eencellige en meercellige organismen Elk levend organisme is opgebouwd uit cellen. Er zijn eencellige en meercellige organismen. Eencellig organismen zijn in staat om volledig zelfstandig te leven. Een cel voert dan alle activiteiten uit om in leven te blijven.
1.2
Cellen vormen weefsels Meercellige organismen bestaan meestal uit gespecialiseerde cellen die zich gegroepeerd hebben in weefsels. Elk celtype heeft een verschillende vorm en functie.
1.3
Hoe groot is een cel? De grootte van een cel is zeer variabel.
1.4
Cellen onder de microscoop De dierlijke cel wordt omgeven door een celmembraan. De kern zit in het midden van het cytoplasma (= celvloeistof). De celwand geeft stevigheid aan de plantencel. De bladgroenkorrels dienen voor de fotosynthese.
2
Dierlijke cellen en plantencellen in detail
2.1
Dierlijke cellen In de cel vind je een aantal structuren die een specifieke functie uitoefenen binnen de cel. We noemen die structuren de celorganellen. MitochondriĂŤn zijn de energiecentrales van de cel. Lysosomen verwerken afvalstoffen die ontstaan zijn tijdens de stofwisseling in de cel.
2.2
Plantencellen Vergeleken met de dierlijke cel heeft de plantencel een aantal extra celstructuren en organellen. Zo zorgen de stevige celwand en de onder spanning staande vacuole voor de stevigheid van de plantencel.
3
De eiwitsynthese in de cel
3.1
Wat zijn eiwitten? Eiwitten zijn, zoals vetten en suikers, een essentieel onderdeel van onze voeding. De cellen in ons lichaam zijn voor een belangrijk deel opgebouwd uit eiwitten.
30
Eiwitten bepalen de structuur en de werking van de cel. Het proces van eiwitsynthese heeft daarin een belangrijke rol.
3.2
Bouw van eiwitten Eiwitten bestaan uit ketens van enkele tientallen tot zelfs duizenden aminozuren, waarbij telkens het aantal aminozuren en hun onderlinge volgorde verschillen. Er zijn twintig verschillende aminozuren.
3.3
DNA, RNA en de genetische code Alle organismen beschikken over een unieke genetische code, die voor een deel gelijk is en voor een deel verschillend. Die genetische code zit in de chromosomen, die zich in de celkern van alle cellen bevinden. Chromosomen zijn opgebouwd uit eiwitten met daarin een dubbele DNA-helix. − DNA is opgebouwd uit vier verschillende nucleotiden. In die nucleotiden zitten organische basen, die afgekort worden met de letters A (adenine), C (cytosine), G (guanine) en T (thymine). − In die dubbele helix staat A altijd tegenover T, C tegenover G. − De volgorde van de nucleotiden vormt de basis van de genetische code. De genetische code bepaalt de vorming van eiwitten (eiwitsynthese). Dat gebeurt als volgt: − In de kern wordt een kopie gemaakt van een stukje DNA in de vorm van zogenaamd boodschapper-RNA. Dat is de transcriptie. − Het boodschapper-RNA gaat naar de ribosomen in het cytoplasma. − Elk aminozuur bindt zich aan een transport-RNA en herkent zo een codewoordje (zogenaamd codon van drie letters) in het boodschapper-RNA en plaatst zich hierop. − De aminozuren komen zo naast elkaar en worden met elkaar gebonden tot een eiwitmolecule. Dat is de translatie.
3.4
Plaats van de eiwitsynthese in de cel De ribosomen bevinden zich op het oppervlak van het endoplasmatisch reticulum (ER). In het Golgi-apparaat worden de eiwitten bewerkt en opgeslagen; later worden ze naar andere bestemmingen verplaatst. Het Golgi-apparaat vormt de lysosomen.
3.5
Eiwitten en genen Een opeenvolging van nucleotiden die samen een stuk erfelijke informatie bevatten om een eiwit aan te maken, noemen we een gen. De 46 chromosomen in een menselijke cel tellen samen 20 000 verschillende genen.
Thema 1: de cel
31