MOR FOLOGIE VAN DE CEL
Thema
1
Functionele morfologie van de cel
Openingsvraag
Waarover gaat dit thema
Als je ingevroren groenten uit de diepvriezer haalt, zijn ze ‘slap’ na het ontdooien. Hoe komt dat?
De cel is de basiseenheid van elk levend wezen. Elk organisme bestaat uit verschillende soorten cellen. In dit thema ontdekken we uit welke onderdelen die cellen opgebouwd zijn en wat de functie is van die celstructuren. We leren ook dat organen opgebouwd zijn uit weefsels, die op hun beurt bestaan uit cellen. Samen vormen ze een functioneel geheel.
Inhoud 1 Van cel tot orgaan 1.1 Cellen, weefsels en organen 1.2 Organen en orgaanstelsels
2 De cel 2.1 Hoe groot is een cel? 2.2 Eencellige en meercellige organismen
3 Dierlijke cellen 3.1 Een dierlijke cel onder de microscoop 3.2 De celorganellen
4 Plantencellen 4.1 Verschil tussen een plantencel en een dierlijke cel 4.2 Plantencellen en fotosynthese
13 13 15
16 16 17
18 18 21
26 26 28
5 Prokaryote en euykaryote cellen 32 Opgaven 32 Samenvatting 37
De oplossing vind je op p. 28.
12
1 1.1
Van cel tot orgaan Cellen, weefsels en organen Wist je dat een mens uit ongeveer 30 000 000 000 000 (30 duizend miljard) cellen bestaat? De mens is dus een meercellig organisme, net zoals alle dieren, planten en schimmels. Deze organismen bestaan bovendien uit verschillende soorten cellen. Cellen (zoals spiercellen, bloedcellen enzovoort) zijn gegroepeerd in weefsels.
Hoelang leven cellen? Sommige cellen zijn slechts een kort leven beschoren: rode bloedcellen bijvoorbeeld leven maar een paar weken. Zenuwcellen (zoals de hersencellen) daarentegen gaan een leven lang mee. Dagelijks sterven er hersencellen, die we dan voorgoed kwijt zijn. Denk daaraan wanneer je bier, wijn of andere alcoholische dranken drinkt! De hoeveelheid alcohol in een glas doodt duizenden hersencellen.
OPDRACHT 1 In de tweede graad leerde je dat spierweefsel opgebouwd is uit lange, prikkelbare cellen die kunnen samentrekken en op die manier beweging mogelijk maken. In de tabel hieronder zijn in de eerste kolom een aantal weefselsoorten afgebeeld. In de laatste kolom staat genoteerd wat hun functie is. – Bekijk van elke weefselsoort een preparaat onder de microscoop en teken met potlood in de tweede kolom een aantal cellen. – Beschrijf in de derde kolom de specifieke vorm van de cellen, rekening houdende met hun functie. weefsel
tekening
beschrijving
functie
dwarsgestreept spierweefsel
lange cellen met dwarse strepen
samentrekken en op die manier beweging mogelijk maken
dekweefsel
opgebouwd uit begrenzende, aaneengesloten cellen
bescherming tegen ziektekiemen, beschadiging en vochtverlies
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
13
vetweefsel
cellen met een grote vacuole, gevuld met vet
opslag van reservebrandstof; geeft steun
botweefsel
kanalen met concentrische kalklagen, waarin de beencellen ingebed zijn
geeft stevigheid en beschermt kwetsbare organen en weefsels
bloed
plasma met daarin rode en lichtgekleurde cellen
transport van voedingsstoffen (in het plasma) en zuurstofgas (rode bloedcellen), afweer (witte bloedcellen)
zenuwweefsel
cellichaam met zeer lange geleiden van elektrische signalen uitlopers (impulsen)
Een orgaan is een geheel van weefsels die samen een bepaalde functie uitoefenen. Voorbeelden – Longen hebben als functie de ademhaling verzorgen. Longen zijn opgebouwd uit bindweefsel, dekweefsel, zenuwweefsel, spierweefsel en bloed. – Belangrijke functies van de nieren zijn excretie en het handhaven van de samenstelling van het bloed. Nieren zijn opgebouwd uit bindweefsel, dekweefsel, zenuwweefsel en bloed.
De cel is de basiseenheid van elk levend wezen. Organismen bestaan ook uit verschillende soorten cellen. Cellen zijn gegroepeerd in weefsels. Een orgaan is een geheel van weefsels die samen een bepaalde functie uitoefenen.
14
1.2
Organen en orgaanstelsels Een orgaanstelsel of orgaansysteem is een geheel van organen die samen een functioneel geheel vormen. Een voorbeeld hiervan is het hart- en vaatstelsel, dat samengesteld is uit het hart en de bloedvaten. Vele organismen, waaronder de mens, zijn opgebouwd uit een aantal orgaanstelsels. Een orgaanstelsel wordt meestal in zijn geheel bestudeerd of onderzocht. Veel specialismen in de geneeskunde zijn toegespitst op ĂŠĂŠn orgaansysteem. De tabel toont de verschillende orgaanstelsels en de naam van het specialisme. orgaanstelsel
specialisme
hart- en vaatstelsel
cardiologie
ademhalingsstelsel
pneumologie
maag- en darmstelsel
gastro-enterologie
urinewegstelsel
urologie
voortplantingsstelsel
gynaecologie/andrologie
motorisch stelsel
orthopedie
zenuwstelsel
neurologie
hormonaal stelsel
endocrinologie
OPDRACHT 2 Als je last hebt van hartritmestoornissen kun je het best terecht bij een cardioloog. Bij welke specialist kun je terecht in de volgende situaties? 1
Je ene been is langer dan je andere en dat bepaalt je manier van lopen.
orthopedist
2
Je hebt al een maand last van zure oprispingen.
gastro-enteroloog
3
Je hebt bloed in je urine.
uroloog
4
Je hebt hevige pijn in de borststreek.
cardioloog
5
Je hebt om de haverklap sinusitis.
pneumoloog
6
Je wilt graag een kind, maar het lukt niet om zwanger te worden.
gynaecoloog/androloog
7
Je maakt ongecontroleerde bewegingen met je vingers en je tenen.
neuroloog
8
Je hebt een aantal symptomen die kunnen wijzen op suikerziekte.
endocrinoloog
Een orgaanstelsel is een geheel van organen die samen een functioneel geheel vormen. Vele organismen, waaronder de mens, zijn opgebouwd uit een aantal orgaanstelsels.
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
15
2
De cel
2.1 Hoe groot is een cel? In de 17e eeuw werd de microscoop uitgevonden. Daardoor slaagde de mens erin om cellen waar te nemen.
OPDRACHT 3 Surf naar het online lesmateriaal en lees de tekst over de microscoop. Illustreer de tekst met tien afbeeldingen die de tekst duidelijker en leesbaarder maken. Bij elke figuur schrijf je een korte tekst die duidelijk maakt wat er op de figuur te zien is en wat het te maken heeft met de tekst. Eventueel neem je gewoon een stukje van de tekst over. De grootte van een cel is zeer variabel.
eicel
zaadcellen
cellen van paprika
walvishaaienei
– 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 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 uit één cel, maar die heeft een diameter van maar liefst 30 cm.
16
OPDRACHT 4 Vul de namen van de cellen in bij de foto’s bij opdracht 3.
De grootte van een cel is zeer variabel.
2.2
eencellige en meercellige organismen Het volgende schema geeft een overzicht van de opbouw van een ingewikkeld organisme zoals de mens.
cellen
de basisbouwstenen
weefsels
opgebouwd uit cellen
organen
vervullen een bepaalde taak, opgebouwd uit weefsels
orgaanstelsel organisme (bv. de mens)
vervult één of meer afzonderlijke taken, opgebouwd uit organen en de verbindingen daartussen
opgebouwd uit een aantal orgaanstelsels
Er bestaan ook eenvoudige organismen die slechts opgebouwd zijn uit een cel. Voorbeelden zijn amoeben, bacteriën, eencellige algen en gisten. Een cel oefent dan alle activiteiten uit om in leven te blijven.
Fig. 1.1
het pantoffeldiertje kan volledig zelfstandig leven en is in staat om zelf voedsel te zoeken, te verteren, te bewegen en te ademen.
er zijn eencellige en meercellige levende wezens. eencellige organismen zijn in staat om zelfstandig te leven. Die ene cel oefent dan alle activiteiten uit om in leven te blijven.
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
17
3
Dierlijke cellen
3.1 Een dierlijke cel onder de microscoop We observeren een dierlijke cel. De cellen die de buitenste laag van de wang in je mondholte vormen, zijn sterk onderhevig aan slijtage en worden regelmatig vervangen. Je kunt dus gemakkelijk cellen van je mondslijmvlies losmaken. Wanneer agenten een verdachte van een misdaad aan een DNA-test onderwerpen, wordt er gevraagd om wat mondslijmvliescellen los te maken. Deze cellen gaan dan naar het lab voor onderzoek. Op de foto (figuur 1.2) zie je cellen van het mondslijmvlies (diameter 40 Îźm = 0,040 mm).
celmembraan
kern
cytoplasma
Fig. 1.2
OPDRACHT 5 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 hieronder een tekening van de cel bij sterke vergroting en duid de celonderdelen aan die je kunt zien.
Besluit De zichtbare onderdelen zijn het celmembraan (aan de buitenzijde), de kern (het donkere deel in het midden) en het cytoplasma (de celvloeistof).
18
We bekijken deze celstructuren van nabij.
Het celmembraan Een cel is omsloten door een celmembraan. Dat is een vliesje opgebouwd uit een dubbele laag van vetmoleculen, waarin zich eiwitten bevinden. Op deze eiwitten zitten vaak ketens van koolhydraten. Opvallend is dat dit membraan bij alle organismen op dezelfde manier opgebouwd is. We spreken van het eenheidsmembraan. koolhydraatketen transporteiwit
fosfolipidenlaag
3 nm Fig. 1.3
Het celmembraan hydrofiele kop
– Sommige eiwitten in het celmembraan zijn transporteiwitten. Zij helpen bij het transport van stoffen doorheen het membraan (zie verder). – De vetten in het membraan zijn vooral fosfolipiden. Ze hebben een gevorkte, waterafstotende (hydrofobe) staart die bestaat uit twee vetzuurketens. De kop is waterminnend (hydrofiel) en bevat een negatief geladen fosfaatgroep. Opmerking Vetzuren zijn carbonzuren met een lange koolstofketen.
2
hydrofobe staart
1
0 Fig. 1.4
Fosfolipiden
HLA en bloedgroepen Op alle cellen in ons lichaam, behalve op de rode bloedcellen, zitten bepaalde antigenen, HLA genoemd (humaan leukocytenantigeen). Ze zijn onder andere belangrijk bij de bepaling of een persoon als donor of als ontvanger kan optreden bij orgaantransplantatie. De HLA-antigenen mogen hiervoor niet te veel verschillen. Ook op rode bloedcellen zitten koolhydraatketens. Die bepalen je bloedgroep en worden A of B genoemd. Als je geen van beide hebt, heb je bloedgroep O. We gaan hier later verder op in.
zeepmoleculen
water
Fig. 1.5
De structuur van een celmembraan is te vergelijken met die van een zeepbel: het is opgebouwd uit een dubbellaag van fosfolipiden, terwijl een zeepbel bestaat uit een dubbellaag van zeepmoleculen met daartussen een flinterdun waterlaagje. Dat geeft aan die zeepbel een bijzondere eigenschap.
Een zeepbel
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
19
OPDRACHT 6 1 2 3 4 5 6 7 8
Doe een lepeltje afwasmiddel in een glas water. Roer goed tot je zeepsop hebt gemaakt. Steek je hand in het zeepsop en maak een bord goed nat met je hand. Doop een rietje in het zeepsop en hou het schuin tegen het bord. Blaas langzaam tot je een grote bel hebt. Raak de zeepbel aan met je vinger. Blaas nog een bel. Maak je vinger nat in het zeepsop en prik opnieuw doorheen de zeepbel. Blaas nog een zeepbel en prik er met een droge naald in. Blaas nog een zeepbel en prik er met een natte naald in.
Waarneming Wat merk je bij stap 5?
De zeepbel barst open. Wat gebeurt er bij stap 6?
De zeepbel blijft intact. Wat zie je bij stap 7?
De zeepbel barst open. Wat zie je bij stap 8?
De zeepbel blijft intact. Verklaring De oppervlaktespanning van het zeepbelvlies kan alleen blijven bestaan als het vlies nergens onderbroken wordt. Door je vinger nat te maken zorg je ervoor dat het vlies over je vinger door gaat. Als je je vinger terugtrekt, sluit het vlies zich weer zonder te breken. Besluit Zeepbellen zijn zelfsluitende structuren. Ook celmembranen zijn zelfsluitende structuren.
Kunstmatige bevruchting Dankzij de aanwezigheid van de dubbele fosfolipidenlaag is het mogelijk om een naald door een celmembraan heen te steken en die daarna weer terug te trekken: het gaatje zal zich vanzelf sluiten. Intracytoplasmatische sperma-injectie of ICSI is een kunstmatige bevruchtingsmethode waarbij een zaadcel rechtstreeks wordt ingebracht in een eicel. Zowel het glasvlies (de heldere zone rond de eicel) als het eicelmembraan wordt daarbij doorboord met een micropipet. Het gaatje in het celmembraan sluit zich daarna vanzelf.
Het cytoplasma Het cytoplasma in alle cellen is een geleiachtige vloeistof die voor het grootste deel bestaat uit water. Daarnaast bevat het cytoplasma eiwitten (proteïnen), suikers (sachariden), vetten (lipiden) en nucleïnezuren. In het water zijn ook mineralen zoals Na+, K+, Ca2+, Mg2+ en Cl– opgelost.
20
De celkern Ongeveer in het midden van de cel vind je de kern of nucleus. Daarin zit het chromatinenetwerk. Wanneer de kern zich deelt, verdicht dit chromatinenetwerk zich tot chromosomen. Elk chromosoom bestaat uit een lange DNA-sliert en eiwitten. Het DNA is de drager van een deel van het erfelijk materiaal. Alle informatie die de cel of het hele organisme nodig heeft om te functioneren, te groeien en zich te reproduceren zit opgeslagen in de chromosomen (zie verder). De kern van plantencellen en dierlijke cellen is omsloten door een kernmembraan dat – net als het celmembraan – opgebouwd is uit een dubbele laag van fosfolipiden.
Een dierlijke cel is omsloten door een celmembraan. Dat is een vliesje opgebouwd uit een dubbele laag van fosfolipiden, waarin zich eiwitten bevinden. Op deze eiwitten zitten vaak ketens van koolhydraten. – Sommige eiwitten in het celmembraan zijn transporteiwitten. – De vetten in het membraan zijn vooral fosfolipiden. Bij alle organismen is het membraan op dezelfde manier opgebouwd. We spreken daarom van een eenheidsmembraan. Een celmembraan is zelfsluitend. Het cytoplasma is een geleiachtige vloeistof die voor het grootste deel bestaat uit water waarin eiwitten, suikers, vetten, nucleïnezuren en mineralen opgelost zijn. De celkern bezit een kernmembraan en bevat de chromosomen.
3.2
De celorganellen Figuur 1.6 is een schematische voorstelling van een dierlijke cel, op basis van foto’s genomen met een elektronenmicroscoop. De elektronenmicroscoop vergroot veel sterker dan de lichtmicroscoop en laat toe nog meer structuren te ontdekken in de cel. celmembraan cytoplasma ribosomen
kernmembraan
centriool
lysosoom celkern met DNA mitochondrium Golgi-apparaat
endoplasmatisch reticulum Fig. 1.6
Schematische voorstelling van een dierlijke cel
In het cytoplasma vind je een aantal structuren met een welbepaalde functie; ze worden celorganellen genoemd. De belangrijkste bekijken we even van nabij. Bij elk organel zie je telkens een elektronenmicroscopische foto (EM) links en een schematische voorstelling rechts. Thema 1: Functionele morfologie van de cel
21
Het mitochondrium – Bouw De mitochondriën (enkelvoud: mitochondrium) zijn staafvormige of bolvormige celorganellen die in grote aantallen kunnen voorkomen. Ze zijn begrensd door twee membranen. Het inwendige membraan vertoont vele uitstulpingen, die zorgen voor een oppervlaktevergroting. Mitochondriën zijn gedeeltelijk zelfstandige celorganellen. Ze bezitten een eigen DNA en ribosomen. DNA
ribosomen uitwendig membraan inwendig membraan
Fig. 1.7
Het mitochondrium
– Functie Mitochondriën zijn de krachtcentrales van de cel. Ze bevatten de enzymen voor de verbranding van voedingsstoffen. Daarbij komt energie vrij die door het organisme aangewend kan worden. De voedingsstoffen in dierlijke cellen zijn rechtstreeks of onrechtstreeks afkomstig van groene planten (zie verder). Cellen die zeer actief zijn, bevatten veel mitochondriën. Dat is bijvoorbeeld het geval voor spiercellen, die moeten kunnen samentrekken en zaadcellen, die actief moeten kunnen bewegen.
Mitochondriën en antibiotica Mitochondriën zijn verwant met bacteriën. Een aantal soorten antibiotica (bv. streptomycine, chlooramfenicol en tetracycline) zijn daarom niet alleen schadelijk voor de bacteriën die ermee worden bestreden, maar ook voor de mitochondriën in onze cellen. Dat is de reden waarom sportprestaties flink achteruitgaan wanneer je al een tijdje die antibiotica inneemt.
Het endoplasmatisch reticulum (ER) – Bouw Het endoplasmatisch reticulum is een netwerk van afgeplatte blaasjes en buisjes, begrensd door een membraan. De membranen van het ER kunnen aan de cytoplasmatische kant bezet zijn met kleine korrels, ribosomen genoemd. ribosoom transportblaasje ER
celkern
Fig. 1.8
22
Het endoplasmatisch reticulum
– Functie De ribosomen op het ER staan in voor de synthese (opbouw) van eiwitten. Binnen de membranen van het ER kunnen eiwitten opgeslagen worden en vandaar verder getransporteerd worden. Het ER is ook betrokken bij de vorming van vetzuren en van de fosfolipiden van het celmembraan.
Het ER aan het werk Het ER in levercellen doet aan ontgifting van bijvoorbeeld drugs, alcohol en medicijnen. Het ER in cellen van de geslachtsklieren zorgt voor de vorming van geslachtshormonen die betrokken zijn bij de voortplanting.
Het Golgi-apparaat Het Golgi-apparaat werd genoemd naar de Italiaanse ontdekker Camillo Golgi (1843-1926). – Bouw Het Golgi-apparaat bestaat uit meerdere stapels van afgeplatte zakjes, begrensd door een membraan. Aan het oppervlak van die zakjes komen kleine secretieblaasjes voor.
secretieblaasjes
Golgicisternen
Fig. 1.9
Het Golgi-apparaat
– Functie In het Golgi-apparaat worden stoffen bewerkt met behulp van enzymen. Vervolgens verpakt het Golgi-apparaat de eindproducten en zorgt het voor de secretie (afscheiding) ervan in of buiten de cel. In kliercellen bijvoorbeeld, die bepaalde stoffen massaal moeten secreteren, komen veel Golgi-apparaten voor.
Het lysosoom – Bouw Het lysosoom is een celorganel dat typisch is voor de dierlijke cel. Het is een blaasje omgeven door een membraan en afgesnoerd door het Golgi-apparaat. Het bevat afbrekende enzymen. lysosoom transportblaasje ER
Golgi-apparaat
celkern
Fig. 1.10 Het lysosoom (rood op de foto)
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
23
–
Functie Lysosomen kunnen zowel celeigen bestanddelen als extracellulair materiaal afbreken. Als ze niet goed werken, kunnen giftige afvalstoffen zich opstapelen. Zo ontstaat de ziekte van Alzheimer door accumulatie van afvalstoffen in de hersenen.
Lysosomen en afweer Lysosomen spelen een belangrijke rol bij het doden van ziektekiemen die ons lichaam binnendringen. Een bepaald type van witte bloedcellen, de macrofagen, kunnen binnengedrongen ziektekiemen namelijk uitschakelen door ze op te slokken en met hun lysosomen af te breken.
Het endoplasmatisch reticulum, het Golgi-apparaat en de lysosomen vormen een functioneel geheel. Eiwitten die gesynthetiseerd worden in het ER worden verpakt en via transportblaasjes vervoerd naar het Golgi-apparaat. Daar versmelten deze blaasjes met een deel van het Golgi-apparaat, waarna de eiwitten verder worden bewerkt. Op die manier kunnen de eindproducten, bijvoorbeeld afbraakenzymen, in een lysosoom terechtkomen.
vrije ribosomen
transportblaasje
celmembraan secretieblaasje met eindproducten secretie van eindproducten
celkern
Golgi-apparaat blaasje voor aanvoer membraanmateriaal
kernporie kernmembraan
ER
Fig. 1.11
Het centrosoom – Bouw Het centrosoom (spoellichaampje) is een structuur die van belang is bij de celdeling. Elk van de twee delen (centriolen) beweegt zich dan langzaam naar een kant van de kern. Uit elk deel ontstaat dan een structuur van draden: de spoelfiguur. – Functie Deze draden zorgen ervoor dat de chromosomen in de cel (die bij de celdeling los in het cytoplasma zitten) in het midden gehouden worden.
Fig. 1.12 Het centrosoom
Op de foto hiernaast zien we spoeldraden vertrekken vanuit de centriolen.
Fig. 1.13
24
invoegen van membraanmateriaal
In het cytoplasma treffen we de volgende celorganellen aan. – Mitochondriën Mitochondriën zijn staafvormige of bolvormige celorganellen die begrensd zijn door twee membranen. Ze bezitten een eigen DNA en ribosomen. Mitochondriën leveren energie door de verbranding van voedingsstoffen. – Endoplasmatisch reticulum Het ER is een netwerk van afgeplatte blaasjes en buisjes, begrensd door een membraan. Vaak zijn die membranen bezet met ribosomen. Het ER staat in voor de synthese van eiwitten. Ze zorgen ook voor de opslag en het transport ervan. Bovendien zorgt het ER voor de vorming van vetzuren en fosfolipiden. – Golgi-apparaat Het Golgi-apparaat bestaat uit meerdere stapels van afgeplatte zakjes en secretieblaasjes. Met behulp van enzymen worden stoffen bewerkt en verpakt. Daarna zorgt het Golgi-apparaat voor de excretie van die stoffen. – Lysosoom Het lysosoom is een blaasje omgeven door een membraan en afgesnoerd door het Golgi-apparaat. Het bevat afbrekende enzymen. Lysosomen kunnen zowel celeigen bestanddelen als extracellulair materiaal afbreken. – Centrosoom Het centrosoom is opgebouwd uit twee centriolen. Het centrosoom zorgt ervoor dat de chromosomen in de cel tijdens de celdeling in het midden gehouden worden.
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
25
4
Plantencellen ribosoom
4.1
Verschil tussen een plantencel en een dierlijke cel
vacuole chloroplast celmembraan celwand
Hiernaast zie je een schematische voorstelling van een plantencel, op basis van foto’s genomen met een elektronenmicroscoop.
endoplasmatisch reticulum
Het valt op dat de meeste dierlijke celorganellen ook voorkomen in een plantencel. Er zijn echter duidelijke verschillen. Een plantencel beschikt namelijk over: – bladgroenkorrels of chloroplasten, – een celwand, – een grote vacuole.
kernmembraan
kernporie
mitochondrium cytoplasma
celkern Golgi-apparaat
Fig. 1.14 Schematische voorstelling van een plantencel
Bladgroenkorrels
OPDRACHT 7 Waterpest is een plantje dat je aantreft in sloten. Omdat de blaadjes ervan slechts uit twee cellagen bestaan, kun 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) en teken naast de foto hieronder enkele cellen in potlood.
celwand
bladgroenkorrel
Waarneming In het preparaat kun je goed de celwand (donkere lijnen tussen de cellen) en de bladgroenkorrels (groene structuren) van waterpestcellen zien. Duid deze twee structuren aan op je tekening. Deze bladgroenkorrels of chloroplasten komen alleen voor bij planten.
26
– Bouw Chloroplasten zijn organellen met een dubbele membraan. Het inwendige membraan vertoont uitstulpingen en stapeltjes van afgeplatte membraanzakjes die als muntstukken tegen elkaar liggen: de grana. Dat zie je op figuur 1.15 B (EM-foto) en op de schematische voorstelling (fig. 1.15 C). In de membranen van deze grana zitten de chlorofylmoleculen (bladgroenmoleculen) vastgeankerd. Chloroplasten zijn celorganellen met een B gedeeltelijke autonomie. Ze bezitten een eigen cirkelvormig DNA en ribosomen.
A
C
inwendig membraan
stroma
granum thylakoïd uitwendig membraan Fig. 1.15 Bladgroenkorrels
– Functie Chloroplasten voeren de fotosynthesereacties uit en zorgen dus voor de synthese van glucose. De chlorofylmoleculen vangen de lichtenergie van de zon op, maar ze kunnen hun functie alleen uitvoeren als ze ingebed liggen in de membranen van de grana.
De celwand
OPDRACHT 8 1 Knijp met je vingers in een stuk vers vlees. 2 Doe hetzelfde met een witte kool. Waarneming Hoe voelt het vlees aan?
Het vlees voelt mals aan. Hoe voelt de kool aan?
De kool is hard. Fig. 1.16
Verklaring De cellen in het vlees hebben aan de buitenzijde alleen een celmembraan. Je zou ze op die manier kunnen vergelijken met een ballon die gevuld is met water. Plantencellen hebben buiten hun celmembraan ook een stevige celwand. Die is vooral opgebouwd uit cellulose. Cellulose bestaat uit vezelige moleculen die in lagen liggen en netwerken vormen, waartussen mazen voorkomen. Daardoor is de celwand doorlaatbaar voor de meeste moleculen. Het is alsof plantencellen opgesloten zijn in een kartonnen doosje. Het is niet toevallig dat karton, net zoals de celwand, grotendeels gemaakt is van cellulose.
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
27
De vacuole Behalve een celwand en plastiden bezitten de meeste plantencellen ook een grote centrale vacuole. – Bouw Een vacuole is een blaasje begrensd door een membraan. De inhoud van de vacuole (het celsap) bevat water, sachariden, ionen, pigmenten (kleurstoffen) enzovoort. – Functie De vacuole in plantencellen bevat een waterreserve. Als de vacuole goed gevuld is, ontstaat een druk tegen de celwand die plantencellen – en dus de plant in haar geheel – stevigheid biedt. De vacuole kan reservestoffen opslaan.
Oplossing openingsvraag De plantencel is dus grotendeels gevuld met water. Als dat bevriest, zet het uit. Hierdoor barst de celwand open. Bij het ontdooien loopt het water, door de scheurtjes in de celwand, uit de vacuolen naar buiten. Hierdoor verdwijnt de spanning uit de plantencel: ze wordt slap.
In een plantencel komen, net zoals in een dierlijke cel, celorganellen voor. Daarnaast kunnen we ook de volgende structuren aantreffen. – chloroplasten en andere plastiden Chloroplasten en andere plastiden zijn organellen met een dubbele membraan. Ze bezitten een eigen DNa en ribosomen. Ze staan in voor het uitvoeren van de fotosynthesereacties. – celwand De celwand is een netwerk van vezelige cellulosemoleculen. Ze verlenen stevigheid aan de cel. – vacuole een grote vacuole is een blaasje, begrensd door een membraan. De inhoud van de vacuole bevat water, sachariden, ionen, pigmenten enzovoort. De vacuole bevat een waterreserve. Door de druk tegen de celwand geeft de vacuole stevigheid. De vacuole kan reservestoffen opslaan.
4.2
Plantencellen en fotosynthese Groene planten zijn in staat om zelf hun eigen energierijke koolstofverbindingen op te bouwen uit eenvoudige anorganische stoffen. Dat doen ze door fotosynthese. Daarom noemen we groene planten autotrofe organismen (Gr. autos = zelf en trophein = voeden). Met deze energierijke verbindingen kunnen dieren zich voeden en op die manier ook in hun energiebehoeften voorzien. We noemen dieren daarom heterotrofe (heteros = verschillend) organismen. Wanneer planten sterven en begraven worden, kunnen de energierijke verbindingen miljoenen jaren later nog opgedolven worden om er energie uit te halen (fossiele brandstoffen). We bekijken aan de hand van een aantal proeven hoe de fotosynthese in zijn werk gaat.
28
Aanmaak van glucose en zetmeel Zetmeel is een complex polymeer van glucose. Het kan worden gevormd door honderden glucosemoleculen aan elkaar te rijgen.
n
glucosemoleculen
zetmeelmolecule
We kunnen zetmeel aantonen met een di-joodoplossing.
Experiment 1 Onderzoeksvraag Wat zien we als we een di-joodoplossing toevoegen aan zetmeel? Veiligheidsvoorschrift Dit experiment wordt door de leerkracht uitgevoerd. 1 We lossen 0,3 g zetmeel op in 10 ml gedemineraliseerd water. 2 We laten 80 ml gedemineraliseerd water koken en voegen het al roerend bij de 10 ml zetmeelsuspensie. 3 Ten slotte lengen we aan tot we 100 ml oplossing hebben. 4 We gieten enkele milliliter van de zetmeeloplossing in een proefbuis en voegen er enkele druppels di-joodoplossing1 aan toe. Waarneming Wat zie je?
De zetmeeloplossing kleurt blauw. Aardappelen zijn knollen van de aardappelplant. Ze dienen voor de opslag van reservevoedsel om de plant in staat te stellen de winter te overbruggen.
OPDRACHT 9 We nemen een schijfje rauwe aardappel en druppelen er een paar druppels di-joodoplossing op. Waarneming Wat zie je?
Het aardappelschijfje kleurt blauw. Besluit Een aardappel bevat zetmeel. We hebben aangetoond dat aardappelen zetmeel bevatten. Dat zetmeel wordt door de aardappelplant opgebouwd uit glucosemoleculen. De glucosemoleculen worden door de plant opgebouwd door de fotosynthese. Bij de fotosynthesereactie reageert koolstofdioxide (CO2) met water (H2O). Er worden glucose (C6H12O6) en zuurstofgas (O2) gevormd. De reactie kunnen we, in een eenvoudige vorm, als volgt noteren: bladgroen 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 licht
1 De di-joodoplossing wordt bereid door 0,2 g I2 op te lossen in 10 ml ethanol (95 %). Die oplossing moet je aanlengen met ethanol (95 %) tot ze een geelbruine kleur heeft (= ongeveer vijfmaal verdunnen).
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
29
Licht en bladgroen De fotosynthesereactie gebeurt alleen in groene planten; er zijn namelijk bladgroenkorrels nodig. We spreken daarom ook wel over ‘bladgroenverrichting’. Dat zowel bladgroenkorrels als licht nodig zijn, valt mooi aan te tonen met enkele proeven.
Experiment 2 Onderzoeksvraag Hoe kunnen we aantonen dat er bladgroen nodig is voor de fotosynthese? Veiligheidsvoorschrift Dit experiment wordt door de leerkracht uitgevoerd. We hebben voor deze proef twee verschillende cultuurvariëteiten van de geranium (Pelargonium) nodig: een met volledig groene, een andere met gepanacheerde bladeren.
1 We koken beide bladeren gedurende een drietal minuten in water om de celwanden te vernietigen. Daarna kunnen we het bladgroen uit de bladeren extraheren. 2 We brengen een warmwaterbad op 80 °C. 3 We doven de vlam en plaatsen een bekertje met 50 ml ethanol in het warmwaterbad. 4 Als de ethanol warm is (60 °C), dompelen we het gekookte blad erin om de chlorofyl (= het bladgroen) uit de bladeren te extraheren. 5 We leggen beide bladeren2 op een apart schaaltje, gevuld met warm water en druppelen er een di-joodoplossing bij. Waarneming Wat zie je?
Door de di-joodoplossing kleurt het zetmeel blauw. Bij welke delen van de plant gebeurt dit?
Alleen de oorspronkelijk groene delen van het blad kleuren blauw. Besluit Dit experiment toont overduidelijk aan dat er bladgroen nodig is voor de bladgroenverrichting. (Let op: het verwijderen van het bladgroen dient alleen om de blauwkleuring zichtbaar te maken.)
2 Bewaar de behandelde bladeren voor latere experimenten in een oplossing van ethanol (70 %).
30
ExPERimEnT 3 Onderzoeksvraag Hoe kunnen we aantonen dat er licht nodig is voor de fotosynthese? Veiligheidsvoorschrift Dit experiment wordt door de leerkracht uitgevoerd. 1 Een volledig groen geraniumblad wordt gedurende een paar dagen gedeeltelijk afgedekt van het licht. Je kunt dat doen door uit een stevig stuk karton een paar letters weg te knippen. 2 Behandel het blad daarna op precies dezelfde manier als in experiment 2 en dompel het ten slotte onder in een dijoodoplossing. Waarneming Wat zie je?
Op de plaats van de letters ontstaat een blauwe kleur. Besluit Met deze proef hebben we bewezen dat licht onontbeerlijk is bij de fotosynthese. Figuur 1.17 toont een schematische voorstelling van het fotosyntheseproces in de cel van een blad. Besef wel dat een cel in verhouding veel kleiner is dan hier op de tekening.
blad
cel in het blad stengel
bladgroenkorrel
zetmeel
huidmondje
water zuurstofgas Fig. 1.17
koolstofdioxidegas
Schematische voorstelling van het fotosyntheseproces
In groene planten heeft er fotosynthese plaats. Bij de fotosynthesereactie reageert koolstofdioxide (CO2) met water (h2O). er wordt glucose (C6h12O6) en zuurstofgas (O2) gevormd. De fotosynthese heeft plaats in de bladgroenkorrels en gebeurt met behulp van zonlicht. In de plant kunnen glucosemoleculen verder aaneengeregen worden tot zetmeelmoleculen.
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
31
5
Prokaryote en eukaryote cellen
U i t breidi n g
Plantencellen en dierlijke cellen zijn eukaryote cellen. Er komt bij andere organismen nog een tweede type van cellen voor: prokaryote cellen. Eukaryote cellen vallen op door hun uitgesproken compartimentering in celorganellen. Die compartimentering biedt verscheidene voordelen. Processen die uit elkaar opvolgende reacties bestaan (bijvoorbeeld fotosynthese) kunnen in een organel gegroepeerd verlopen. Het succes van de eukaryote cel blijkt uit het feit dat alle meercellige organismen de eukaryote celstructuur bezitten. Er zijn ook eencellige organismen met eukaryote cellen, bv. gistcellen.
A
B
Fig. 1.18 A EM-beeld van de darmbacterie Escherichia coli, bezig met celdeling B EM-beeld van een eukaryote cel met celkern, ER en mitochondriĂŤn
Het prokaryote celtype komt voor bij bacteriĂŤn. In prokaryote cellen is er geen compartimentering in celorganellen die door een membraan omsloten worden. Hun DNA is ook niet opgesloten binnen een kernmembraan, maar ligt los in het cytoplasma.
Er komen bij organismen twee types van cellen voor: prokaryote cellen en eukaryote cellen. Eukaryote cellen hebben een compartimentering in celorganellen. Alle meercellige organismen en sommige eencellige organismen hebben de eukaryote celstructuur. In prokaryote cellen is er geen compartimentering in celorganellen die door een membraan omsloten worden; het DNA ligt los in het cytoplasma. Het prokaryote celtype komt voor bij bacteriĂŤn.
Opgaven 1
Vul de eerste en de derde kolom van dit schema aan. weefsel
dwarsgestreept spierweefsel
32
afbeelding
functie
samentrekken en op die manier beweging mogelijk maken
2
dekweefsel
bescherming tegen ziektekiemen, beschadiging en vochtverlies
vetweefsel
opslag van reservebrandstof en steun
botweefsel
stevigheid en bescherming bieden aan kwetsbare organen en weefsels
bloed
transport van voedingsstoffen (in het plasma) en zuurstofgas (rode bloedcellen), afweer (witte bloedcellen)
zenuwweefsel
geleiden van elektrische signalen (impulsen)
Vul het onderstaande schema aan. organisme (bv. de mens)
orgaanstelsel
organen
cellen
en de verbindingen daartussen
vervullen een bepaalde taak zijn opgebouwd uit weefsels
weefsels
vervult ĂŠĂŠn of meer afzonderlijke taken, is opgebouwd uit
organen
is opgebouwd uit een aantal orgaanstelsels
zijn opgebouwd uit cellen zijn de basisbouwstenen
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
33
3
4
Vul de onderstaande tabel in. onderdeel
functie
komt voor in
celwand
stevigheid geven aan de cel
plantencel
celkern
doorgeven van erfelijk materiaal
plantencel en dierlijke cel
endoplasmatisch reticulum
synthese van eiwitten
plantencel en dierlijke cel
vacuole
zorgt voor druk in de cel
plantencel
Golgi-apparaat
secretie van afvalstoffen
plantencel en dierlijke cel
centrosoom
belangrijk bij de celdeling
dierlijke cel
lysosoom
‘vertering’
dierlijke cel
bladgroenkorrel
fotosynthesereactie
plantencel
mitochondrium
krachtcentrale van de cel
plantencel en dierlijke cel
In de volgende afbeelding is een plantencel schematisch getekend. Enkele delen zijn genummerd. 1 2
3 5 4
− Met welk nummer is het cytoplasma aangegeven?
1
34
bladgroenkorrels
− Aan welke delen kun je zien dat deze cel een plantencel is en geen dierlijke cel?
Er is een celwand aanwezig en bladgroenkorrels.
− In welk deel van de cel zitten de chromosomen?
5
celkern (3)
Welk organel is in grote mate aanwezig in een zaadcel? Wat is het nut hiervan?
Mitochondriën. Omdat zaadcellen opzwemmen naar de eicel en dat vergt veel energie. 6
Leg uit waarom een spiercel meer mitochondriën bezit dan bijvoorbeeld een kraakbeencel.
Omdat spiercellen veel meer arbeid moeten verrichten. 7
Welk organel is in grote mate aanwezig in kliercellen? Wat is het nut hiervan?
Het endoplasmatisch reticulum. Het bevat de ribosomen die instaan voor de synthese van eiwitten die in kliercellen massaal geproduceerd worden. 8
Benoem in de tekening de aangeduide onderdelen.
koolhydratenketen transporteiwit fosfolipidenlaag
9
Een rodekool voelt veel harder aan dan een stuk vers vlees. Verklaar!
Een plantencel heeft een stevige celwand die zorgt voor stevigheid.
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
35
10 Plaats bij elke celstructuur de juiste omschrijving. celstructuur
omschrijving
1 celwand
A het geheel van DNA + eiwitten
2 celmembraan
B celorganel waarin chlorofylmoleculen voorkomen
3 ER
C energieleverancier van de cel
4 ribosoom
D celstructuur voornamelijk opgebouwd uit cellulose
5 Golgi-apparaat
E deze celstructuur omsluit het cytoplasma
6 lysosoom
F de moleculen die dubbellagen vormen in membranen
7 centriool
G celstructuur die zorgt voor synthese van proteĂŻnen
8 mitochondrium
H celorganel dat tussenkomt bij de celdeling
9 fosfolipiden
I
10 chromatine
J celorganel dat extra stevigheid biedt aan de plantencel
11 chloroplast
K celstructuur waarin stoffen verwerkt worden ter secretie
12 vacuole
L celstructuur betrokken bij de vorming van fosfolipiden
celorganel met afbrekende enzymen
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
D
E
L
G
K
I
H
C
F
A
B
J
11 Hieronder zie je een typevoorbeeld van een eukaryote en een prokaryote cel. Welke cel is prokaryoot en welke eukaryoot? Motiveer je antwoord.
Links is een prokaryote cel: er is geen compartimentering in celorganellen. Rechts is een eukaryote cel: er is een uitgesproken compartimentering in celorganellen.
36
Samenvatting 1
Van cel tot orgaan
1.1 Cellen, weefsels en organen Cellen zijn gegroepeerd in weefsels. Een orgaan is een geheel van weefsels die samen een bepaalde functie uitoefenen.
1.2 Organen en orgaanstelsels Een orgaanstelsel is een geheel van organen die samen een functioneel geheel vormen. Vele organismen, waaronder de mens, zijn opgebouwd uit een aantal orgaanstelsels.
2
De cel
2.1
Hoe groot is een cel? De grootte van een cel is zeer variabel.
2.2 Eencellige en meercellige organismen Er zijn eencellige en meercellige levende wezens. Eencellige organismen zijn in staat om zelfstandig te leven. Die ene cel oefent dan alle activiteiten uit om in leven te blijven.
3
Dierlijke cellen
3.1 Een dierlijke cel onder de microscoop Een dierlijke cel is omsloten door een celmembraan. Dat is een vliesje opgebouwd uit een dubbele laag van fosfolipiden, waarin zich eiwitten bevinden. Op deze eiwitten zitten vaak ketens van koolhydraten. − Sommige eiwitten in het celmembraan zijn trans porteiwitten. − De vetten in het membraan zijn vooral fosfolipiden. Bij alle organismen is het membraan op dezelfde manier opgebouwd. We spreken daarom van een eenheidsmembraan. Een celmembraan is zelfsluitend. Het cytoplasma is een geleiachtige vloeistof die voor het grootste deel bestaat uit water waarin eiwitten, suikers, vetten, nucleïnezuren en mineralen opgelost zijn. De celkern bezit een kernmembraan en bevat de chromosomen.
celmembraan
ribosomen cytoplasma kernmembraan centriool
celkern met DNA mitochondrium lysosoom
Golgi-apparaat
endoplasmatisch reticulum
3.2 De celorganellen In het cytoplasma treffen we de volgende celorganellen aan. − Mitochondriën Mitochondriën zijn staafvormige of bolvormige celorganellen die begrensd zijn door twee membranen. Ze bezitten een eigen DNA en ribosomen. Mitochondriën leveren energie door de verbranding van voedingsstoffen.
Thema 1: Functionele morfologie van de cel
37
− Endoplasmatisch reticulum Het ER is een netwerk van afgeplatte blaasjes en buisjes, begrensd door een membraan. Vaak zijn die membranen bezet met ribosomen. Het ER staat in voor de synthese van eiwitten. Ze zorgen ook voor de opslag en het transport ervan. Bovendien zorgt het ER voor de vorming van vetzuren en fosfolipiden. − Golgi-apparaat Het Golgi-apparaat bestaat uit meerdere stapels van afgeplatte zakjes en secretieblaasjes. Met behulp van enzymen worden stoffen bewerkt en verpakt. Daarna zorgt het Golgi-apparaat voor de excretie van die stoffen. − Lysosoom Het lysosoom is een blaasje omgeven door een membraan en afgesnoerd door het Golgiapparaat. Het bevat afbrekende enzymen. Lysosomen kunnen zowel celeigen bestanddelen als extracellulair materiaal afbreken. − Centrosoom Het centrosoom is opgebouwd uit twee centriolen. Het centrosoom zorgt ervoor dat de chromosomen in de cel tijdens de celdeling in het midden gehouden worden.
4 Plantencellen 4.1 Verschil tussen een plantencel en een dierlijke cel In een plantencel komen, net zoals in een dierlijke cel, celorganellen voor. Daarnaast kunnen we ook de volgende structuren aantreffen. − Chloroplasten en andere plastiden Chloroplasten en andere plastiden zijn organellen met een dubbele membraan. Ze bezitten een eigen DNA en ribosomen. Ze staan in voor het uitvoeren van de fotosynthesereacties.
ribosoom vacuole chloroplast celmembraan celwand
− Celwand Een celwand is een netwerk van vezelige cellulosemoleculen. Ze verlenen stevigheid aan de cel. − Vacuole Een grote vacuole is een blaasje, begrensd door een membraan. De inhoud van de vacuole bevat water, sachariden, ionen, pigmenten enzovoort. De vacuole bevat een waterreserve. Door de druk tegen de celwand geeft de vacuole stevigheid. De vacuole kan reservestoffen opslaan.
4.2
endoplasmatisch reticulum
kernporie kernmembraan
mitochondrium cytoplasma
celkern Golgi-apparaat
Plantencellen en fotosynthese In groene planten heeft er fotosynthese plaats. Bij de fotosynthesereactie reageert koolstofdioxide (CO2) met water (H2O). Er wordt glucose (C6H12O6) en zuurstofgas (O2) gevormd. De fotosynthese heeft plaats in de bladgroenkorrels en gebeurt met behulp van zonlicht. In de plant kunnen glucosemoleculen verder aaneengeregen worden tot zetmeelmoleculen.
38