GENIE Biologie 5 Leerboek - Inkijkexemplaar

©VANIN

GENIE 5 Biologie ©VANIN

Via www.ididdit.be heb je toegang tot het onlineleerplatform bij GENIE Biologie leerboek 5. Activeer je account aan de hand van de onderstaande code en accepteer de gebruiksvoorwaarden. Kies je ervoor om je aan te melden met je Smartschool-account, zorg er dan zeker voor dat je e-mailadres aan dat account gekoppeld is. Zo kunnen we je optimaal ondersteunen.

GENIE

Biologie

5

Let op: deze licentie is uniek, eenmalig te activeren en geldig voor een periode van 12 maanden na activatie.

©VANIN

Help, de activatiecode hierboven is al gebruikt!

Krijg je bij het activeren van de bovenstaande code de melding dat de activatiecode reeds in gebruik is? Dan ben je wellicht niet de eerste leerling die met dit leerboek aan de slag gaat. Op vanin.be/leerboeklicentie kun je terugvinden welke stappen je kunt ondernemen of hoe je een nieuwe licentie kunt aankopen.

Tip: Normaal gezien mag je niet schrijven in een leerboek. Per uitzondering mag jij na activatie de bovenstaande activatiecode doorstrepen.

Fotokopieerapparaten zijn algemeen verspreid en vele mensen maken er haast onnadenkend gebruik van voor allerlei doeleinden. Jammer genoeg ontstaan boeken niet met hetzelfde gemak als kopieën. Boeken samenstellen kost veel inzet, tijd en geld. De vergoeding van de auteurs en van iedereen die bij het maken en verhandelen van boeken betrokken is, komt voort uit de verkoop van die boeken.

In België beschermt de auteurswet de rechten van deze mensen. Wanneer u van boeken of van gedeelten eruit zonder toestemming kopieën maakt, buiten de uitdrukkelijk bij wet bepaalde uitzonderingen, ontneemt u hen dus een stuk van die vergoeding. Daarom vragen auteurs en uitgevers u beschermde teksten niet zonder schriftelijke toestemming te kopiëren buiten de uitdrukkelijk bij wet bepaalde uitzonderingen. Verdere informatie over kopieerrechten en de wetgeving met betrekking tot reproductie vindt u op www.reprobel.be.

Ook voor het digitale lesmateriaal gelden deze voorwaarden. De licentie die toegang verleent tot dat materiaal is persoonlijk. Bij vermoeden van misbruik kan die gedeactiveerd worden. Meer informatie over de gebruiksvoorwaarden leest u op www.ididdit.be.

© Uitgeverij VAN IN, Wommelgem, 2024

De uitgever heeft ernaar gestreefd de relevante auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Wie desondanks meent zekere rechten te kunnen doen gelden, wordt verzocht zich tot de uitgever te wenden.

Credits

p. 7 foto Eencellige parasiet Trypanosoma: Eye of science © Science Photo Library, p. 11 foto Aarde: Nasa Goddard Space Flight Center (Nasa-Gsfc) © Science Photo Library, p. 11 foto Weefsel: Power and Syred © Science Photo Library, p. 11 foto Celorganel: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 11 foto Molecule: Power and Syred © Science Photo Library, p. 13 foto Antoni van Leeuwenhoek: Photo Researchers, Science History Images © ImageSelect, p. 13 foto Primitieve microscoop: Durk Gardenier © ImageSelect, p. 13 foto Linnen vezels: Edward Kinsman © Science Photo Library, p. 14 foto Stuifmeelpollen lichtmicroscoop: SDym Photography © Alamy, p. 14 foto Stuifmeelpollen transmissie-elektronen-microscoop: David M. Phillips © Science Photo Library, p. 14 foto Stuifmeelpollen rasterelektronenmicroscoop: Power And Syred © Science Photo Library, p. 14 video Cryoelektronenmicroscoop © VRT, p. 16 foto Bacterie E. coli: CNRI © Science Photo Library, p. 16 foto Archaea: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 16 foto Bacteriën menselijke ontlasting: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 17 foto Delende pantoffeldiertjes: Power And Syred © Science Photo Library, p. 17 foto Delende gistcellen: Power And Syred © Science Photo Library, p. 17 foto Amoeben: Panther Media GmbH © Alamy, p. 21 foto E. coli: Dr Kari Lounatmaa © Science Photo Library, p. 21 foto Methanococcoides: Dr M. Rohde, Gbf © Science Photo Library, p. 21 foto Plantencel: Dr David Furness, Keele University © Science Photo Library, p. 22 foto Aarde: Nasa Goddard Space Flight Center (Nasa-Gsfc) © Science Photo Library, p. 22 foto Weefsel: Power and Syred © Science Photo Library, p. 22 foto Celorganel: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 22 foto Molecule: Power and Syred © Science Photo Library, p. 26 foto Helmbasilisksalamander: Bence Mate / Nature Picture Library © Science Photo Library, p. 28 foto Lymfevatenstelsel oksel: D & L Graphics © Science Photo Library, p. 34 foto Celwand plant: J.C. Revy Ism © Science Photo Library, p. 35 foto Lactosevrije melk: SophieOst © Shutterstock, p. 44 foto Tertiaire structuur insuline: Pglazar © Dreamstime.com, p. 47 3D-beeld Hemoglobine: cpeyton © Sketchfab, p. 49 foto 3D-structuur lactase: Laguna Design

Eerste druk 2024 Vormgeving en ontwerp cover: Shtick

ISBN 978-94-647-0700-7

D/2023/0078/88

Art. 606864/01

NUR 120

Tekeningen: Geert Verlinde, Julie Lefevre

Zetwerk: D’hondt-Ravijts bvba

© Science Photo Library, p. 67 foto Insulinereceptor: Juan Gaertner © Science Photo Library, p. 77 foto Planten: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 78 foto Hongeroedeem: Media Lens King © Shutterstock, p. 79 foto Behandeling mucoviscidose: Laurent BSIP © ImageSelect, p. 79 foto CFTR-eiwitten: Gunilla Elam © Science Photo Library, p. 81 foto Omeprazol: Dr P. Marazzi © Science Photo Library, p. 82 foto Stuifmeel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 82 foto Gistcellen: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 82 foto Bacteriecellen: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 83 foto Celwand: Science Source © Science Photo Library, p. 83 foto Bamboeplantencellen: Eye Of Science © Science Photo Library, p. 83 foto Cellulosevezels: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 84 foto Celwand bacterie: Kateryna Kon © Science Photo Library, p. 84 foto Protoplast: Sinclair Stammers © Science Photo Library, p. 89 foto Karyogram woelmuis: Look At Sciences © Science Photo Library, p. 89 foto Menselijk chromosoom: Power And Syred © Science Photo Library, p. 90 foto Dwarsdoorsnede bloedvat: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 91 foto Plasmacel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 93 foto Menselijk ribosoom: Simone Alexowski © Science Photo Library, p. 95 foto Golgi-apparaat en nucleus: Dennis Kunkel Microscopy © Science Photo Library, p. 97 foto Fagocytose: Dennis Kunkel Microscopy © Science Photo Library, p. 97 foto Christian de Duve: Carlos Munoz-Yague, Eurelios © Science Photo Library, p. 98 foto Kaliumtekort aardappelplant: Nigel Cattlin © Science Photo Library, p. 98 foto Monstera deliciosa: Dr. Nick Kurzenko © Science Photo Library, p. 99 foto Hand embryo: Lennart Nilsson, TT © Science Photo Library, p. 99 foto Menselijke leukocyten: Dr Gopal Murti © Science Photo Library, p. 99 foto C. elegans: Sinclair Stammers © Science Photo Library, p. 100 foto Macrofaag: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 101 foto Mitochondrie: Keith R. Porter © Science Photo Library, p. 102 foto Plantencel: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 103 foto Amyloplasten aardappel: Dr Jeremy Burgess © Science Photo Library, p. 103 foto Cellen Strelizia regina: Gerd Guenther © Science Photo Library, p. 105 foto Amoeba: Wim Van Egmond © Science Photo Library, p. 105 foto Paramecium caudatum: Dr David Patterson © Science Photo Library, p. 106 foto Microfilamenten zandraket: Heiti Paves © Science Photo Library, p. 106 foto Gladde spiercel: Vira V. Artym, Lcdb / Nidcr / National Institutes Of Health © Science Photo Library, p. 106 foto Skeletspiervezel: Medimage © Science Photo Library, p. 107 foto Salmonella enteritidis: A.B. Dowsett © Science Photo Library, p. 107 foto Delende menselijke cel: J. De Mey, ISM © Science Photo Library, p. 107 foto Neuronen: Dr Torsten Wittmann © Science Photo Library, p. 108 foto Longepitheelcel: Alvin Telser © Science Photo Library, p. 108 foto Secreterende cel: José Calvo © Science Photo Library, p. 109 foto Centriolenpaar: Don W. Fawcett © Science Photo Library, p. 112 foto Menselijk ribosoom: Simone Alexowski © Science Photo Library, p. 118 foto Eiwit: Pglazar © Dreamstime.com, p. 119 foto Eiwit: Pglazar © Dreamstime.com, p. 128 foto Zwavelbacteriën: Dennis Kunkel Microscopy © Science Photo Library, p. 128 foto Heliobacteriën: Eye Of Science © Science Photo Library, p. 128 foto Nitrificerende bacteriën: Dennis Kunkel Microscopy © Science Photo Library, p. 130 foto Glucose: Photo_Pix © Shutterstock, p. 134 foto Purperen zwavelbacteriën: M.I. Walker © Science Photo Library, p. 140 foto Shaun the Sheep: Sahel Fahmi © Shutterstock, p. 141 foto Bodem oceaan: NOAA Nature Source Science Source © ImageSelect, p. 149 foto Hans Adolf Krebs: Archive PL © ImageSelect, p. 152 foto Eiwit: Pglazar © Dreamstime.com, p. 159 foto Chromosomen: Biophoto Associates © Science Photo Library, p. 164 foto Chromatine: © 2003 Nature Publishing Group Olins, D. E. & Olins, A. L. Chromatin history: our view from the bridge. Nature Reviews Molecular Cell Biology 4, 811 (2003). All rights reserved. View Terms of Use, p. 164 foto Vezel: © 2003 Nature Publishing Group Olins, D. E. & Olins, A. L. Chromatin history: our view from the bridge. Nature Reviews Molecular Cell Biology 4, 811. All rights reserved. View Terms of Use, p. 165 foto Hongerwinter: Beeldbank WO2 – NIOD – Foto Menno Huizinga, p. 166 foto Worteltop ui: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 166 foto Menselijk chromosoom: Power And Syred © Science Photo Library, p. 167 foto Karyogram man: Biophoto Associates Science Source © ImageSelect, p. 169 foto Karyogram vrouw met trisomie-21: Leonard Lessin © Science Photo Library, p. 171 foto Replicatielussen: Fritensky, B. and Brien, N., CC BY-SA 2.5 CA, p. 174 foto Telomeren: Hesed Padilla-Nash and Thomas Ried, National Cancer Institute, National Institutes of Health © Science Photo Library, p. 176 foto DNA-replicatie: Professor Oscar Miller © Science Photo Library, p. 181 foto Marathonlopers: Rudi Von Briel © Shutterstock, p. 182 foto Vroege profase: Ed Reschke © Getty Images, p. 182 foto Late profase: Ed Reschke © Getty Images, p. 182 foto Metafase: Ed Reschke © Getty Images, p. 182 foto Anafase: Ed Reschke © Getty Images, p. 182 foto Telofase: Ed Reschke © Getty Images, p. 184 foto Profase: J. L. Carson, Ph.D. © Science Photo Library, p. 184 foto Metafase: J. L. Carson, Ph.D. © Science Photo Library, p. 185 foto Anafase: J. L. Carson, Ph.D. © Science Photo Library, p. 185 foto Telofase en cytokinese: J. L. Carson, Ph.D. © Science Photo Library, p. 186 foto Saccharomyces cerevisiae: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 199 foto Dwarsgestreept spierweefsel: Eric Grave © Science Photo Library, p. 201 foto Huidmondjes cyclaam: Eye Of Science © Science Photo Library, p. 201 foto Parenchymweefsel: Eye Of Science © Science Photo Library, p. 210 foto Dendritische cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 210 foto ‘Natural killer’-cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 211 foto Delende kankercel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 212 foto Bacterie © Science Photo Library, p. 212 foto Parasitaire worm: Power And Syred © Science Photo Library, p. 212 foto Creutzfeldt-Jakob: Jacopin / BSIP © Science Photo Library, p. 214 foto Huid: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 215 foto Luchtpijp: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 215 foto Vaginale flora: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 216 foto Lymfoïde organen en weefsels: Pikovit © Science Photo Library, p. 218 foto Appendix: Sebastian Kaulitzki © Science Photo Library, p. 222 foto Macrofaag: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 222 foto Neutrofiel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 223 foto Dendritische cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 223 foto ‘Natural killer’-cel: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 231 foto Menselijke foetus: Steve Allen © Shutterstock, p. 243 foto Aidsvirussen: James Cavallini / Science Source © Science Photo Library, p. 250 foto Infectie COVID-19-virus: Kiryl Lis © Shutterstock p. 17 artikel Reuzenbacterie neemt loopje met de biologie © standaard.be – 04/03/2022 – Reproductie van de artikels met toestemming van de uitgever, alle rechten voorbehouden. Elk hergebruik dient het voorwerp uit te maken van een specifieke toestemming van de beheersvennootschap License2Publish: info@license2publish.be, p. 53 artikel Google voorspelt alle eiwitstructuren © demorgen.be – 01/08/2022 – Reproductie van de artikels met toestemming van de uitgever, alle rechten voorbehouden. Elk hergebruik dient het voorwerp uit te maken van een specifieke toestemming van de beheersvennootschap License2Publish: info@license2publish.be

©VANIN

INHOUD

THEMA 01: DE CEL

` HOOFDSTUK 1:

De cel als basiseenheid van het leven 10

1 Cellen in relatie tot andere organisatieniveaus 10

2 Cellen observeren met de microscoop 12

3 Soorten cellen 15

3.1 De prokaryote cel 16

3.2 De eukaryote cel 17

` HOOFDSTUK 2: De chemische samenstelling van het leven 23

1 De chemische samenstelling van cellen 23

2 Anorganische moleculen in cellen 26

2.2 Zuurstofgas 29 2.3 Koolstofdioxide 30

3 Organische moleculen in cellen 31 3.1 Sachariden 31

3.2 Lipiden 36

3.3 Eiwitten 40

3.4 Nucleïnezuren 54

` HOOFDSTUK 3: Membranen en membraantransport 63

1 Membranen van de cel 63

1.1 Bouw van membranen 63

1.2 Functies van membranen 65

2 Transport doorheen membranen 70

2.1 Passief transport door diffusie 70

2.2 Passief transport door osmose 75

2.3 Actief transport 80

3 Celwand 82

3.1 Bouw van de celwand 82

3.2 Functies van de celwand 84 ` HOOFDSTUK 4:

1 De celkern 88

2 Het endoplasmatisch reticulum 91

2.1 Het ruw endoplasmatisch reticulum 91

2.2 Het glad endoplasmatisch reticulum 92

3 Ribosomen 93

3.1 De transcriptie 93

3.2 De translatie 94

4 Proteasomen 94 5 Het Golgi-apparaat

THEMA 02: CELMETABOLISME

©VANIN

Opbouw en afbraak van

THEMA 03: DE CELCYCLUS EN

CELDELINGEN BIJ EUKARYOTEN

` HOOFDSTUK 1:

De structuur en verdubbeling van chromosomen 161

1 DNA in de celkern 161

1.1 DNA als dubbele helix 161

1.2 Chromatine 163

1.3 Chromosomen en chromatiden 166

1.4 Karyogram 167

2 DNA-replicatie 170

2.1 DNA ontwinden 170

2.2 Complementaire strengen aanmaken 171

2.3 RNA-primers vervangen 172

` HOOFDSTUK 2:

De celcyclus bij eukaryoten 178

1 Fasen van de celcyclus bij eukaryoten 178

2 De interfase 180

3 De mitotische celdeling bij dierlijke cellen 181

3.1 Mitose 181

3.2 Cyrtokinese 181

4 De mitotische celdeling bij andere eukaryote cellen 184

5 De meiotische celdeling bij dierlijke cellen 187

5.1 Meiose I en cytokinese 188

5.2 Meisose II en cytokinese 191

6 Controle van de celcyclus 193

6.1 Controlepunten 193

6.2 Ongecontroleerde celdeling 194

7 Celdifferentiatie 198

7.1 Celdifferentiatie bij zoogdieren 198

7.2 Celdifferentiatie bij planten 200

THEMA 04: IMMUNITEIT BIJ ZOOGDIEREN

` HOOFDSTUK 1: Werking van het immuunsysteem 211

©VANIN

1 Het belang van immuniteit 211

2 De organen van het immuunsysteem 214

2.1 De opperhuid 214

2.2 De slijmvliezen 215

2.3 Het lymfatisch systeem

3 De immuunreactie bij infectie

Antigenen in het lichaam

Reacties van de niet-specifieke immuniteit

Reacties van de specifieke immuniteit

4.1 Actieve immunisatie

Passieve immunisatie

` HOOFDSTUK 2: Ongewenste effecten van het immuunsysteem

1 Reacties op vreemd bloed

Bloedgroepantigenen

1.2 Mogelijke problemen bij bloedtransfusies

1.3 Mogelijke problemen bij zwangerschap

2 Onderdrukking van het immuunsysteem door hiv

3 Overreactie van het immuunsysteem

3.1 Allergieën

3.2 Auto-immuunziekten

3.3 Cytokinestorm

4 Reacties op getransplanteerde organen

©VANIN

THEMA 01 DE CEL

Cellen worden beschouwd als de fundamentele eenheden van het leven. Omdat ze zo klein zijn, kun je niet meteen hun indrukwekkende structuur zien. Maar als je ze onder de microscoop bekijkt, wordt al snel duidelijk dat ze bijzonder complex en divers zijn.

Veel cellen kunnen op zichzelf bestaan. Op de afbeelding hieronder zie je een eencellige parasiet uit het geslacht Trypanosoma naast menselijke rode bloedcellen. Trypanosomen vind je terug in personen die geïnfecteerd zijn met de Afrikaanse slaapziekte.

Cellen kunnen ook in verbinding staan met duizenden andere cellen in meercellige organismen. Zo bestaan bijvoorbeeld ook de glinsterende buitenste laag van je ogen en de groenten op je bord uit cellen.

` Hoe zijn cellen opgebouwd?

` Uit welke moleculen zijn cellen en organismen opgebouwd?

` Welke processen treden er op in cellen?

` Hoe kunnen cellen stoffen uitwisselen met hun omgeving?

We zoeken het uit!

VERKEN

JE KUNT AL ...

• uitleggen wat prokaryoten en eukaryoten zijn;

• uitleggen wat we verstaan onder de tree of life;

• de bouw van dierlijke en plantaardige cellen vergelijken;

• de weefsels van een plantencel herkennen.

JE LEERT NU ...

©VANIN

• de plaats van de cel in relatie tot andere organisatieniveaus duiden;

• verschillende types cellen onderscheiden;

• wat celdifferentiatie is.

• de bouw van moleculen en atomen uitleggen.

• hoe cellen chemisch zijn samengesteld;

• de structuur en het belang van biomoleculen beschrijven;

• het belang en de werking van enzymen uitleggen.

H1

H2

JE KUNT AL ...

• de celwand en het celmembraan aanduiden op een afbeelding.

• de bouw van dierlijke en plantaardige cellen vergelijken;

• de onderdelen van een cel herkennen en beschrijven.

©VANIN

JE LEERT NU ...

• het verschil tussen het celmembraan en de celwand uitleggen;

• de structuur en functies van biologische membranen beschrijven;

• de werking van verschillende transportsystemen door het membraan uitleggen;

• het verschil tussen actief en passief transport beschrijven.

• celorganellen van plantaardige en dierlijke cellen herkennen;

• het verband tussen de bouw en functie van organellen in een cel toelichten.

H3

H4

HOOFDSTUK 1

Î De cel als basiseenheid van het leven

©VANIN

Om te begrijpen hoe een organisme functioneert, kijken we eerst naar de cel: hoe ze eruitziet, hoe ze werkt en vooral ook hoe ze samenwerkt met andere cellen. Alle levensprocessen die je de voorbije jaren bestudeerd hebt, zoals voeding, transport, ademhaling en uitscheiding, kun je namelijk terugbrengen tot activiteiten op celniveau. In dit hoofdstuk zul je focussen op de vorm, de opbouw, de afmetingen en de diversiteit van cellen.

LEERDOELEN

M De cel in verband brengen met andere organisatieniveaus

M Verschillende types cellen onderscheiden

1 Cellen in relatie tot andere organisatieniveaus

Vanaf de negentiende eeuw konden Matthias Schleiden (1804-1881), Theodor Schwann (18101882) en andere wetenschappers aantonen dat organismen opgebouwd zijn uit cellen. Ze legden daarmee de basis voor de celtheorie. Die theorie stelt dat cellen de basiseenheid zijn van structuur en functie in organismen. Bovendien kunnen sommige cellen zichzelf ook delen. Meercellige organismen bezitten een complexe inwendige organisatie, waarin je een aantal niveaus kunt onderscheiden.

Deze voorbeelden illustreren dat:

• Een dierlijk spijsverteringsstelsel is opgebouwd uit organen, die elk op hun beurt bestaan uit verschillende weefseltypes. De maag als orgaan bevat onder andere slijmvliesweefsel, spierweefsel en bindweefsel. Die weefsels kunnen op hun beurt verschillende soorten cellen bevatten. Zo bevat het slijmvliesweefsel, dat dient om de maagwand te beschermen tegen de bijtende werking van maagzuur, onder andere kliercellen en epitheelcellen.

• Bij planten is het blad een orgaan. Het bevat verschillende weefsels, waaronder parenchymweefsel (dat opgebouwd is uit parenchymcellen, epidermisweefsel en vaatweefsel).

Afbeelding 1 geeft weer welke plaats weefsels en cellen innemen tussen de verschillende biologische organisatieniveaus. Dat zijn hiërarchische niveaus waarmee je de complexiteit van het leven kunt indelen. Elk organisatieniveau wordt gekenmerkt door een grotere complexiteit dan het onderliggende niveau.

BIOSFEER ECOSYSTEEM

LEVENSGEMEENSCHAP

©VANIN

CELORGANEL

De biologische organisatieniveaus, van de aarde tot een molecule

POPULATIE

S Afb. 1

MOLECULE ORGAAN

1 micrometer of 1 µm

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

1 nanometer of 1 nm

= 1 1 000 μm, 10–3 μm of 10–6 mm.

2 Cellen observeren met de microscoop

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

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

• Plantencellen en dierlijke cellen zijn vaak ten minste tien keer groter dan bacteriële cellen. Ze zijn ongeveer 10 tot 200 μm lang.

©VANIN

ELEKTRONENMICROSCOOP

LICHTMICROSCOOP

MITOCHONDRIËN

MOLECULEN

EIWITTEN

RIBOSOMEN

VIRUSSEN

MEESTE BACTERIËN

MEESTE PLANTENEN DIERLIJKE CELLEN

MENSELIJK OOG

MENS

0,1nm1nm10nm100nm1µm10µm100µm1cm10cm100cm1m10m

VOGELEI

De ontdekking van cellen

Omdat cellen klein zijn, duurde het tot 1665 voordat ze voor het eerst beschreven werden. Dat gebeurde door de Engelsman Robert Hooke (1635-1703). Hij bestudeerde een heel dun laagje kurk onder de microscoop. De structuur die hij zag, omschreef hij als een honingraat. Daarna volgden de ontdekkingen in sneltempo.

De Nederlander Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) bouwde eenvoudige microscopen, waardoor hij als eerste levende cellen kon waarnemen. De organismen die hij zag, noemde hij animalcules of ‘dierkens’. De primitieve microscoop bevatte een kleine, bolle glazen lens, die vastgeklemd zat tussen koperen platen. Voor de lens zat een pinnetje waarop van Leeuwenhoek het preparaat kon vastprikken. Wanneer hij de plaat tot vlak bij zijn oog bracht, kon hij het preparaat 270x vergroten. Op die manier was hij in staat om gistcellen, rode bloedcellen, heel wat plantencellen, vacuolen en celkernen voor de eerste keer waar te nemen.

©VANIN

voorwerphouder

Afb. 5 De bruine kikker (Rana temporaria) legt eitjes die uitwendig bevrucht worden en die beschermd zijn door een gelatineus omhulsel. Het zwarte puntje in elk eitje is de eicel.

Afb. 6 Linnen wordt gemaakt van de vezels uit de stengel van de vlasplant (Linum usitatissimum). De microscopische studie van vezels kan interessant zijn wanneer men een plaats delict onderzoekt. De vezels zijn hier 200x vergroot.

Hoewel microscopen onmisbaar zijn om de meeste cellen te observeren, bestaan er ook cellen die je met het blote oog kunt waarnemen. Menselijke eicellen hebben een diameter tussen de 0,1 en 0,2 mm. Eicellen van amfibieën kunnen dan weer groter dan 1 mm worden.

Uitlopers van zenuwcellen en vezelcellen van planten worden soms zelfs centimeters lang!

Pas na de uitvinding van de elektronenmicroscoop in 1933 en de verfijning van dat toestel werd het mogelijk om meer te weten te komen over de submicroscopische structuur van cellen. ‘Submicroscopisch’ betekent dat de deeltjes die je waarneemt, zo klein zijn dat ze niet meer zichtbaar zijn met een lichtmicroscoop. Celstructuren met een grootte van 1 nm zijn goed te zien met een elektronenmicroscoop.

S Afb. 2

Robert Hooke en zijn originele tekening van de celstructuren die hij als eerste ‘cellen’ noemde, naar de naam voor de leefruimte van een monnik

S Afb. 3 Antoni van Leeuwenhoek

lensje

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

S

S

VERDIEPING

De resolutie van optische instrumenten

De resolutie van een optisch instrument, ook wel het oplossend of scheidend vermogen genoemd, drukt uit hoe dicht punten bij elkaar kunnen liggen opdat je ze nog net als gescheiden kunt waarnemen. Voor een gezond menselijk oog is die minimale afstand ongeveer 0,2 mm.

Voor lichtmicroscopen geldt dat je punten die dichter bij elkaar liggen dan 200 nm (of 0,2 µm), niet meer gescheiden kunt waarnemen. Een lengte van 200 nm op een draagglaasje onder de microscoop wordt met een vergroting van 1 000x vergroot tot 0,2 mm.

Bij die vergroting kan een oog de twee punten nog net gescheiden van elkaar waarnemen.

Afb. 7

Stuifmeelkorrels bekeken met het blote oog

Een vergroting hoger dan 1 000x levert geen bijkomende details van het onderzochte voorwerp op. Dat komt doordat zichtbaar licht een golflengte heeft tussen 400 nm (violet) en 750 nm (rood). Deeltjes die kleiner zijn, zullen het licht niet absorberen of terugkaatsen.

S Afb. 8

Stuifmeelkorrel bekeken met een lichtmicroscoop

S Afb. 9

Stuifmeelkorrel bekeken met een transmissieelektronenmicroscoop

S Afb. 10

Stuifmeelkorrel bekeken met een rasterelektronenmicroscoop

Om kleinere voorwerpen te bestuderen, gebruiken wetenschappers elektronenmicroscopen. Die maken gebruik van versnelde elektronen, die zich ook als golven gedragen, maar dan met een veel kleinere golflengte. Daardoor kan men een oplossend vermogen van 0,2 nm bereiken. Dat is 1 000x groter dan bij een lichtmicroscoop. Doordat de microscoop elektronen gebruikt in plaats van licht, zijn er helaas geen kleuren zichtbaar. Er ontstaan beelden in grijstinten, die men via beeldbewerkingstechnieken vaak bijkleurt.

De transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) toont beelden van heel dunne coupes van biologisch materiaal. Er gaat een elektronenstraal doorheen, waardoor intracellulaire details zichtbaar worden.

Een rasterelektronenmicroscoop (Engels: Scanning Electron Microscope, SEM) bestraalt het oppervlak van een voorwerp met elektronenbundels volgens een raster. Het preparaat wordt op die manier gescand en de teruggekaatste elektronen worden vastgelegd in een beeld. Daardoor ontstaan gedetailleerde afbeeldingen van het oppervlak van bepaalde structuren. Dat kan gaan om de kop van een vlo, maar ook om de microstructuur van bouwmaterialen.

S

video: cryoelektronenmicroscoop

3 Soor ten cellen

De diversiteit aan cellen is enorm, maar globaal genomen onderscheidt men twee basistypes: de prokaryote en de eukaryote cel. Je leerde al dat je alle levende organismen kunt indelen in drie grote domeinen: de archaea, de bacteriën en de eukaryoten. Die indeling wordt vooral bepaald door het opbouwende celtype.

©VANIN

zakjeszwammen steeltjeszwammen

SCHIMMELS

nematoden neteldieren

DIEREN

Homo sapiens

EUKARYOTEN

slijmzwammen

wolfsklauwen

S Afb. 11

chordadieren sponzen stekelhuidigen weekdieren ringwormen geleedpotigen

ARCHAEA meest primitieve voorloper (oercel)

levermossen mossen

PLANTEN

ciliaten

varens en paardenstaarten naaktzadigen bedektzadigen groenwieren

Euglena Trypanosoma kiezelwieren (diatomeeën)

groene niet-zwavelbacteriën spirocheten methanogene archaea halofiele archaea thermofiele archaea

Chlamydia

Escherichia groene zwavelbacteriën cyanobacteriën

BACTERIËN

De tree of life: alle organismen stammen af van één oercel. Je kunt ze indelen in drie domeinen. Binnen het domein van de eukaryoten onderscheiden we drie rijken: dieren, planten en schimmels. Protisten (staan in het vet), zoals slijmzwammen en groenwieren, zijn ook eukaryoten, maar verschillen onderling te sterk om in één groep te worden samengebracht.

3.1 De prokaryote cel

Archaea en bacteriën zijn organismen die uit één enkele prokaryote cel bestaan. Ze zijn klein en eenvoudig van structuur. Aan de buitenkant hebben ze soms eiwitstructuren waarmee ze zich aan hun omgeving kunnen hechten. Vorig jaar keek je al in detail naar hun bouw en zag je dat het erfelijk materiaal vrij in het cytoplasma ligt en niet omgeven is door membranen. Verder vind je in de cel biomoleculen, zoals nucleïnezuren en eiwitten, maar geen door membranen omsloten celorganellen. Celorganellen zijn grote intracellulaire structuren met specifieke functies. Je zult ze in detail bestuderen in hoofdstuk 4.

©VANIN

Het erfelijk materiaal is niet omgeven door een kernmembraan

De celwand geeft steun en bescherming. Het celmembraan ligt onder de celwand en is niet zichtbaar.

De bacteriën hebben een eigen delingssysteem.

De haarvormige fimbriae geven aanhechtingsmogelijkheden. Fimbriae zijn de draadvormige eiwitstructuren aan de buitenkant van de bacteriën. 1 µm

S Afb. 12 EM-beeld van de delende bacterie E. coli (Escherichia coli). Onder gunstige groeiomstandigheden kan het aantal bacteriën zo snel toenemen dat er een infectie ontstaat. Zo kan E. coli bijvoorbeeld urineweginfecties veroorzaken als de fimbriae zich hechten aan de epitheelcellen van de urinewegen.

De vormvariatie bij prokaryote cellen is groot. Afb. 13 EM-beeld van archaea Afb. 14 Bacteriën gevonden in een staal van menselijke ontlasting. De meeste daarvan behoren tot de normale darmflora en zijn gunstig voor de vertering. 0,5 µm 2 µm

S

Reuzenbacteriën

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

Naar: standaard.be

3.2 De eukaryote cel

Zowel een- als meercellige eukaryote organismen zijn opgebouwd uit eukaryote cellen. Die zijn gemiddeld zo’n tien keer groter en vooral complexer dan prokaryote cellen. Naast een celkern bezitten ze ook nog andere structuren die een specifieke functie hebben: de celorganellen. Die maken bijvoorbeeld energie beschikbaar en maken moleculen aan. Veel van die organellen zijn omgeven door een fosfolipidenmembraan.

Ook bij eukaryote cellen bestaat er dus weer een grote variatie aan vormen en specialisaties. We kunnen een onderscheid maken naargelang de cellen afkomstig zijn van eencellige organismen, planten, schimmels of dieren. Zelfs binnen die groepen bestaan er veel verschillen. Zo is een bloedcel bijvoorbeeld heel anders opgebouwd dan een spiercel, en een wortelcel anders dan een bladcel. Dat cellen van elkaar verschillen in vorm, inhoud en functie komt doordat cellen zich specialiseren.

Voorbeelden van eencellige eukaryote cellen zijn pantoffeldiertjes, gisten, vele soorten eencellige algen en amoeben.

S Afb. 16

A Delende pantoffeldiertjes (Paramecium caudatum). Op het eerste gezicht verschillen ze niet sterk van de E. coli-bacterie op afbeelding 12, maar ze zijn veel groter en in het cytoplasma zijn diverse membraanomsloten compartimenten te vinden. Op de achtergrond kun je draadvormige bacteriën (Oscillatoria sp.) waarnemen die duidelijk kleiner zijn.

B Delende gistcellen (Saccharomyces sp.), die in de groep van de schimmels thuishoren

C Diatomeeën (kiezelwieren) zijn eencellige wieren met een exoskelet uit siliciumdioxide.

D Amoeben (Amoeba proteus). Amoeben hebben uitstulpingen, die men ‘pseudopodia’ noemt. Ze dienen voor de voortbeweging en om kleinere organismen te vangen.

S Afb. 15

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

©VANIN

W Afb. 17 De bladeren van een plant, zoals het eikenblad hier, kun je beschouwen als de organen van die plant. Een blad is opgebouwd uit heel wat cellen in weefsels die het resultaat zijn van celdifferentiatie. Cellen kunnen onderling sterk verschillen. Dat zie je wanneer je kijkt naar de dikte van de celwand en naar de aanwezigheid van chloroplasten, die belangrijk zijn voor de fotosynthese.

Voorstelling van de algemene structuur van een plantencel

©VANIN

S Afb. 20

Schattingen van het aantal cellen in een mens lopen op tot boven de honderden miljarden. Mensen bevatten veel verschillende celtypes, waarvan je er hier enkele ziet.

Links: epitheelcellen bedekken de weefsels en organen. Midden: zenuwcellen kunnen elektrische signalen doorgeven.

Rechts: rode bloedcellen hebben geen kern en bevatten hemoglobine om zuurstofgas te transporteren.

Voorstelling van de algemene structuur van een dierlijke cel

Een belangrijke stap in de evolutie is het ontstaan van meercellige organismen, die grotere afmetingen hebben. Die organismen zijn opgebouwd uit cellen die gespecialiseerde taken uitvoeren. Uit één bevruchte eicel ontstaat door opeenvolgende celdelingen een groot aantal dochtercellen. Het proces waarbij uit betrekkelijk eenvoudige cellen nieuwe cellen met heel specifieke functies ontstaan, noem je celdifferentiatie. Cellen met dezelfde functie vormen samen een weefsel

Plantencellen verschillen fundamenteel van dierlijke cellen. Op p. 18-19 zie je de inwendige structuren die je in hoofdstuk 4 in detail zult bekijken.

©VANIN

Cellen zijn de basiseenheid van structuur en functie in organismen.

Bovendien kunnen sommige cellen ook delen.

De meeste cellen zijn niet zichtbaar voor het menselijk oog:

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

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

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

Plantencellen verschillen fundamenteel van dierlijke cellen.

LABO 01

1

AAN DE SLAG

Rangschik van klein naar groot volgens organisatieniveau.

long – mens – epitheelcel – slijmvliesweefsel –ademhalingsstelsel

Benoem de cellen op de afbeeldingen als prokaryoot of eukaryoot en verklaar.

Bloeduitstrijkje mens

Gistcellen (Candida albicans)

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

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

PROKARYOTE CEL PLANTENCEL DIERLIJKE CEL

Celmembraan aanwezig? Celwand aanwezig? Celkern aanwezig? Voorbeeld

©VANIN

Meer oefenen? Ga naar .

HOOFDSTUKSYNTHESE

1 CELLEN IN RELATIE TOT ANDERE ORGANISATIENIVEAUS

CELTHEORIE

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

• Sommige cellen kunnen zichzelf delen.

ORGANISATIENIVEAU

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

2 CELLEN OBSERVEREN MET DE MICROSCOOP

LICHTMICROSCOOP

• De meeste cellen zijn niet zichtbaar voor het menselijk oog. Onder een lichtmicroscoop kun je cellen tot 0,2 μm (= 200 nm) waarnemen.

• Werkt met lichtstralen.

ALLE CELLEN

• Komt voor bij archaea en bacteriën.

• Heeft geen celkern: het erfelijk materiaal ligt vrij in het cytoplasma.

• Heeft organellen die gespecialiseerde functies uitvoeren, maar die nooit omgeven zijn door een membraan.

Cellen specialiseren zich. Daardoor verschillen ze van elkaar in vorm, inhoud en functie. Dat noem je celdifferentiatie. levensgemeenschap

ELEKTRONENMICROSCOOP

• Heeft een oplossend vermogen van 0,2 nm. Dat is duizend keer groter dan bij een lichtmicroscoop.

• Werkt met elektronenbundels.

3 SOORTEN CELLEN

• Komt voor bij meercellige organismen en sommige eencelligen.

• Heeft een celkern met erfelijk materiaal.

• Heeft organellen die gespecialiseerde functies uitvoeren en die vaak omgeven zijn door een membraan.

ZIJN OFWEL PROKARYOOT, OFWEL EUKARYOOT.

HOOFDSTUK 2

Î De chemische samenstelling van het leven

Als we naar leven op andere planeten zoeken, zoeken we in eerste instantie naar water en koolstofhoudende moleculen. Water is namelijk de belangrijkste molecule in levende organismen. Daarnaast voeren koolstofhoudende organische moleculen zowat alle taken van het leven uit. Maar welke eigenschappen en structuren bezitten die moleculen?

LEERDOELEN

M Begrijpen dat een cel opgebouwd is uit organische en anorganische moleculen

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

M Het belang en de werking van enzymen verklaren

1 De chemische samenstelling van cellen

In de elementensamenstelling van cellen zie je dat de elementen zuurstof (O), koolstof (C), waterstof (H) en stikstof (N) het grootste deel van alle levende materie uitmaken (in totaal gemiddeld 96 %). Die elementen zijn de hoofdbestanddelen van alle organische moleculen.

stikstof 3 % calcium 2 % fosfor 1 % andere elementen 1 %

koolstof 18 % waterstof 10 %

W Afb. 21

Procentueel voorkomen van een aantal elementen in het lichaam van de mens (uitgedrukt ten opzichte van de totale massa) zuurstof 65 %

Andere elementen komen enkel in erg kleine fracties voor, maar ze zijn daarom niet minder belangrijk. Denk maar aan calcium (2 %), fosfor (1 %), ijzer (0,1 %) en silicium (< 0,1 %).

Calcium (Ca) komt in de natuur voor in steunstructuren, bijvoorbeeld in de beenderen van gewervelde dieren en in de celwand van plantencellen. Daarnaast spelen calciumionen (Ca2+) ook een belangrijke rol als boodschapper bij de geleiding van prikkels in een cel. Een gevarieerde voeding met melkproducten, groenten, noten en peulvruchten zorgt ervoor dat het lichaam voldoende calcium kan opnemen.

©VANIN

IJzer (Fe) is onder andere belangrijk voor de werking van het eiwit hemoglobine. Het speelt zo een rol in de zuurstofbinding en het zuurstofgastransport in het bloed. Rode bloedcellen zijn voor een derde gevuld met hemoglobine. Het ijzeratoom komt in het lichaam vooral voor als Fe2+-ion.

Fosfor (P) komt onder andere voor als element in verschillende biomoleculen. Daarom voegen landbouwers via bemesting vaak extra fosfor toe aan de bodem, om de plantengroei te bevorderen.

Silicium (Si) is essentieel voor de ontwikkeling van alle organismen. In ons lichaam is silicium onder andere nodig voor de aanmaak van het eiwit collageen. Collageen is de bouwsteen van al onze bindweefsels, onder meer van onze botten, spieren en huid. Silicium wordt ook afgezet als siliciumdioxide in het exoskelet van sponzen en diatomeeën.

S Afb. 22

De botstructuur van een menselijk dijbeen

S Afb. 23

De bemesting van een akker

S Afb. 24

Rode bloedcellen

S Afb. 25

Diatomeeën of kiezelwieren met een exoskelet van siliciumdioxide (SiO2)

In levende organismen vind je duizenden verschillende moleculen terug, zowel anorganische als organische. Al die moleculen dragen op de een of andere manier bij tot de opbouw en de werking van het organisme.

• Tot de anorganische moleculen behoren water (H2O) en gassen zoals koolstofdioxide (CO2) en zuurstofgas (O2). Daarnaast zijn er ook anorganische zuren en zouten, zoals fosforzuur (H3PO4) en calciumfosfaat (Ca3(PO4)2).

• Bij de organische moleculen bepalen vier groepen het grootste deel van de massa van een organisme: de sachariden (suikers), de lipiden (vetten), de eiwitten (proteïnen) en de nucleïnezuren

We gebruiken de term biomoleculen voor organische moleculen die voorkomen in organismen en die belangrijk zijn in een of meer biologische processen.

©VANIN

water Anorganische moleculen: eiwitten

Organiche moleculen: lipidennucleïnezurensachariden andere anorganische moleculen

Anorganische moleculen: eiwitten

Organiche moleculen: lipidennucleïnezurensachariden andere anorganische moleculen andere organische

lipidennucleïnezurensachariden andere anorganische moleculen andere organische moleculen

Anorganische moleculen: eiwitten

Organiche moleculen: lipiden nucleïnezuren sachariden andere anorganische moleculen andere organische moleculen

De chemische samenstelling van enkele organismen. Binnen de organische moleculen valt het verschil in het aandeel van sachariden, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren bij mensen, planten en bacteriën op.

S Afb. 26

2 Anorganische moleculen in cellen

In de chemische samenstelling van organismen valt meteen het grote aandeel van water op. Andere anorganische moleculen, waaronder koolstofdioxide (CO2) en zuurstofgas (O2), maken een klein percentage (2-5 %) uit van de totale massa.

2.1 Water

©VANIN

A De chemische eigenschappen van water

Water is een polaire molecule. De elektronen in de bindingen tussen de atomen zuurstof (O) en waterstof (H) bevinden zich niet mooi in het midden tussen beide kernen. Het resultaat is een molecule waarin zuurstof twee negatieve deelladingen krijgt (δ–) en waterstof een positieve (δ+). Omdat tegengestelde deelladingen elkaar aantrekken, is er onderling een sterke interactie tussen de watermoleculen. De bindingen die daarbij ontstaan, noem je waterstofbruggen

covalente binding

S Afb. 27 De structuur van een watermolecule met deelladingen

Afb. 28 De vorming van waterstofbruggen tussen waterstof en zuurstof bij naburige watermoleculen. Door de vele waterstofbruggen heeft water een sterke cohesie en oppervlaktespanning.

S

S Afb. 29

Door de oppervlaktespanning van water kan de waterspin (Argyroneta aquatica) onder het wateroppervlak hangen.

S Afb. 30

De helmbasilisk (Basiliscus basiliscus) kan door de oppervlaktespanning over water lopen.

Water kan splitsen in een waterstofion (H+) en een hydroxide-ion (OH–). De concentratie van alle H+-ionen in een oplossing bepaalt de zuurtegraad of pH. Voor bloed ligt de pH bijvoorbeeld tussen 7,35 en 7,45. In maagsap is de pH veel lager door de H+-ionen van het zoutzuur dat daarin aanwezig is.

©VANIN

B De functies van water

B1 Water als oplosmiddel

De deelladingen van water zorgen ervoor dat water een polair oplosmiddel is. De watermoleculen verbreken ionbindingen en omringen de gevormde ionen. In het geval van keukenzout (NaCl) in water worden de Na+- en Cl–-ionen op die manier opgelost door de watermoleculen.

De watermoleculen kunnen ook waterstofbruggen vormen met andere moleculen die polaire groepen bezitten. De watermoleculen vormen een watermantel rond die moleculen en houden ze zo in de oplossing. Zelfs biomoleculen zoals eiwitten kunnen op die manier in oplossing worden gehouden.

S Afb. 31

De pH-schaal, met voorbeelden van de pH-waarden van een aantal stoffen

S Afb. 32 De Na+- en Cl–-ionen van keukenzout (NaCl) gaan in oplossing door de associatie met watermoleculen.

B2 Water in chemische reacties

Bij chemische reacties in een cel splitsen moleculen of verbinden ze zich met elkaar. Meestal is daar een watermolecule bij betrokken. Zo is de vorming van de sacharide sucrose uit een glucoseen een fructosemolecule een condensatiereactie: er wordt één watermolecule vrijgesteld. Omgekeerd is er voor de hydrolyse van sucrose tot glucose en fructose één watermolecule nodig.

©VANIN

condensatie

hydrolyse

B3 Water als transportmiddel

Water speelt een belangrijke rol bij het transport van moleculen in meercellige organismen. Bij de mens is zowel het bloedvatenstelsel als het lymfevatenstelsel gevuld met vloeibaar weefsel, rijk aan water. Op die manier kunnen ionen en moleculen, opgelost in water of gebonden aan eiwitten, verplaatst worden. Ook in de vaatbundels van planten is water een transportmiddel.

B4 Water in warmteregulatie

Water speelt een rol in de warmteregulatie van organismen. Het heeft namelijk een hoge specifieke warmtecapaciteit. Dat betekent dat water relatief grote hoeveelheden energie opneemt of afgeeft voordat de temperatuur van het organisme wijzigt. Water is dan ook belangrijk om de lichaamstemperatuur binnen bepaalde grenzen te houden.

Bij transpiratie verliest een organisme warmte. Het gebruikt namelijk warmte om watermoleculen te laten verdampen (water verandert van een vloeistof in een gas) en zo de temperatuur op peil te houden.

C6H12O6 C6H12O6

C12H22O11

S Afb. 33

De structuurformules van en de condensatie- en hydrolysereacties tussen glucose, fructose en sucrose

S Afb. 34 Een deel van het lymfevatenstelstel in de oksel

W Afb. 35 Bomen verdampen water.

B5 Water als smeermiddel

Water is het belangrijkste bestanddeel van slijm (ook mucus genoemd). Slijm is een gelachtige substantie die zouten, enzymen met een antimicrobiële werking en verschillende andere eiwitten bevat. Het zorgt bijvoorbeeld voor de bescherming van interne organen, zoals de longen, maar werkt ook als gewrichtssmeer.

2.2 Zuurstofgas

gewrichtssmeer

gewrichtskop

kraakbeenweefsel gewrichtskapsel gewrichtsband

gewrichtspan

©VANIN

Zuurstofgas is een apolaire molecule die beperkt oplost in een waterig milieu. Omdat er in cellen zuurstofgas nodig is, moet het naar alle weefsels worden getransporteerd. In multicellulaire organismen wordt zuurstofgas vaak vervoerd aan gespecialiseerde moleculen, zoals het eiwit hemoglobine.

WEETJE

Een pulsoximeter meet hoeveel hemoglobine in het bloed effectief met zuurstofgas gebonden is. Met andere woorden: de pulsoximeter geeft aan hoeveel zuurstofgas er zich in je bloed bevindt. Bij gezonde mensen is de zuurstofsaturatie of -verzadiging een waarde tussen 95 % en 99 %. Een lagere verzadigingsgraad kan het gevolg zijn van bloedarmoede of een slechte bloeddoorstroming.

Wanneer je je op grote hoogte bevindt (2 500 tot 4 000 meter boven de zeespiegel), is het door de lage luchtdruk moelijker om zuurstofgas op te nemen. Je lichaam past zich dan aan door extra rode bloedcellen aan te maken, om zo meer zuurstofgas te kunnen binden. Dat is de reden waarom een atleet op hoogtestage gaat. Na een hoogtestage blijft het aantal rode bloedcellen nog gedurende ongeveer één maand verhoogd wanneer de atleet terugkeert naar lagere hoogte. De atleet kan dan met een verhoogde zuurstofconcentratie in het bloed zijn prestatie leveren.

S Afb. 36

Gewrichtssmeer in een gewricht

2.3 Koolstofdioxide

Naast zuurstofgas is ook koolstofdioxide essentieel voor organismen. Het gas wordt geproduceerd tijdens de celademhaling in de mitochondriën.

Bij dieren komt er koolstofdioxide van de organen en weefsels in het bloed terecht:

• Een klein deel van die koolstofdioxide bindt aan hemoglobine en wordt zo door het lichaam getransporteerd of blijft opgelost in het bloed.

• Het grootste deel (ongeveer 70 %) wordt omgezet naar koolzuur (H2CO3). Koolzuur ioniseert gedeeltelijk in een waterstofion (H+) en een waterstofcarbonaation (HCO3–). Die reacties spelen een rol in de pH-regulatie van het bloed.

CO2 + H2O

©VANIN

H2CO3

H+ + HCO3

diwaterstofcarbonaat waterstofcarbonaation

Planten gebruiken koolstofdioxide tijdens de fotosynthese.

Organismen bestaan uit anorganische en organische moleculen. Al die moleculen dragen bij tot de opbouw en de werking van het organisme.

Tot de anorganische moleculen behoren onder andere water en gassen zoals koolstofdioxide en zuurstofgas.

3 Organische moleculen in cellen

Organische verbindingen bestaan grotendeels uit koolstofatomen (C) en waterstofatomen (H).

Andere elementen die relatief vaak voorkomen in organische moleculen, zijn zuurstof (O) en stikstof (N).

Binnen de organische moleculen in de cel komen talloze soorten moleculen voor.

Vier grote groepen moleculen spelen daarbij een hoofdrol in zowat alle functies van de cel, van structuuropbouw, stofwisseling en celdeling tot de opslag van erfelijk materiaal en vele andere functies. Die groepen zijn de sachariden, de lipiden, de eiwitten en de nucleïnezuren

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

3.1 Sachariden

A Monosachariden en disachariden

Sachariden of suikers zijn koolstofverbindingen met meerdere hydroxylgroepen (-OH). De meest voorkomende sachariden in de natuur bestaan uit vijf of zes koolstofatomen. Zulke sachariden komen voor als ketens of als ringstructuren. Sachariden spelen een belangrijke rol in de energiehuishouding van cellen. Een voorbeeld is glucose (6 C).

W Afb. 37

Glucose heeft zes koolstofatomen en vormt een ringstructuur.

Sachariden kunnen covalente bindingen vormen met elkaar. Wanneer twee monosachariden met elkaar binden, ontstaat er een disacharide. Glucose kan bijvoorbeeld binden met fructose om de disacharide sucrose te vormen.

LABO 02

3D-beeld glucose

Waarom is suiker zoet? Ontdek het op .

MONOSACHARIDEN

Glucose (of druivensuiker) dient vooral als energiebron en als bouwsteen van sommige polysachariden.

Fructose (of vruchtensuiker) is net als glucose een molecule met 6 koolstofatomen, maar heeft een andere ringvorming. Fructose komt vooral voor in vruchten, bijvoorbeeld vijgen, en dient als energiebron.

©VANIN

DISACHARIDEN

Sucrose (ook sacharose of kristalsuiker genoemd) is een disacharide van glucose en fructose. Sucrose is bekend als tafelsuiker en wordt gewonnen uit suikerbieten of suikerriet.

Lactose (of melksuiker) is een disacharide die opgebouwd is uit galactose en glucose. Het komt vooral voor in melk en melkproducten, en dient als energiebron. Lactose maakt ongeveer 4-5 % uit van koemelk.

S Afb. 38

S Afb. 39

S Afb. 40

S Afb. 41

B Polysachariden

Wanneer een groot aantal individuele moleculen aan elkaar wordt gebonden, spreek je van polymeren. De individuele moleculen zijn monomeren. Wanneer monosachariden in een keten aan elkaar worden gebonden, spreek je van polysachariden. Polysachariden spelen in de natuur vooral een belangrijke rol als structuurelement en bij de energieopslag. Hieronder bestudeer je een aantal voorbeelden.

1 Glycogeen is een glucosepolymeer dat essentieel is voor de energieopslag. In dieren wordt glycogeen vooral opgeslagen in de lever en de spieren. Glycogeen is ook een energiebron bij schimmels. De biomolecule heeft een vertakte structuur.

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

Afb. 42 Glycogeen wordt opgeslagen in de levercellen.

2 Zetmeel is opgebouwd uit twee soorten glucosepolymeren, amylose en amylopectine:

• Amylose is een lineaire aaneenschakeling van glucosemoleculen.

• Amylopectine heeft, net als glycogeen, een vertakte structuur. De vertakkingen van amylopectine zijn echter minder frequent dan die van glycogeen.

Zetmeel is de belangrijkste energiereserve voor planten en groenwieren. Het komt in cellen voor in de vorm van zetmeelkorrels, bijvoorbeeld in aardappelcellen.

uitvergroting van zetmeelkorrels

S Afb. 44 Aardappelcellen bevatten zetmeelkorrels.

S

S Afb. 43 Glycogeen

S Afb. 45 Amylose

S Afb. 46 Amylopectine

3 Chitine is een glucosepolymeer waarbij de glucosemoleculen chemisch gewijzigd zijn. Het is het hoofdbestanddeel in de celwanden van schimmels. Ook het exoskelet van veel ongewervelde dieren is grotendeels opgebouwd uit chitine. Denk maar aan de harde buitenlaag van bijvoorbeeld insecten en krabben.

Het exoskelet van krabben is opgebouwd uit chitine.

4 Cellulose is het belangrijkste bestanddeel in de celwand van planten en wieren. Het bestaat uit lange, onvertakte glucoseketens. Een aantal van die ketens samen vormen een cellulosevezel. Tussen de ketens worden waterstofbruggen gevormd, wat bijdraagt aan de stevigheid. In cellulose zijn de glucosemoleculen op een andere manier aan elkaar gebonden dan bij zetmeel en glycogeen. Daardoor is het voor de mens onverteerbaar. De meeste dieren kunnen cellulose niet zelf afbreken.

©VANIN

• Sachariden of suikers zijn koolstofverbindingen met meerdere hydroxylgroepen. De meest voorkomende sachariden bestaan uit vijf of zes koolstofatomen.

• Disachariden bestaan uit twee aaneengeschakelde monosachariden. Voorbeelden van disachariden zijn sucrose en lactose. Voorbeelden van monosachariden zijn glucose en fructose. Beide zijn voornamelijk energiebronnen.

• Polysachariden zijn biomoleculen waarin een groot aantal monosachariden aaneengeschakeld zijn. Ze spelen in de natuur voornamelijk een rol als energiereserve (bv. glycogeen en zetmeel) of als structuurmolecule (bv. cellulose en chitine).

S Afb. 47

S Afb. 48 De celwand van planten is opgebouwd uit cellulose.

cellulosevezel

microfibrillen

VERDIEPING

Lactose-intolerantie

Lactose-intolerantie is het onvermogen van het lichaam om de disacharide lactose af te breken tot de monosachariden glucose en galactose. Doordat de lactose niet afgebroken wordt in de dunne darm, wordt het in de dikke darm gebruikt door bacteriën die gassen en zuren produceren, zoals waterstofgas, melkzuur en azijnzuur. De verhoogde lactose-inhoud zorgt er ook voor dat er water wordt opgenomen in de darm, waardoor de darm uitzet en je krampen krijgt. Symptomen van lactose-intolerantie zijn dan ook een opgeblazen gevoel, buikpijn, diarree en winderigheid nadat je zuivelproducten hebt gegeten.

De oorzaak van lactose-intolerantie

dunne darm

darm

TOLERANT

INTOLERANT

S Afb. 49

Schematische voorstelling van lactose-intolerantie

diarree, opgeblazen gevoel, winderigheid, buikpijn

Bij de meeste jonge zoogdieren komt het enzym lactase voor. Dat enzym maakt de lactose in moedermelk afbreekbaar. De productie van lactase eindigt nadat het zogen stopt. Dat is ook zo bij de mens, maar het gebeurt dus niet bij iedereen. Door de domesticatie van vee, die zo’n tienduizend jaar geleden begon, bleven mensen melkproducten gebruiken ook nadat de borstvoeding afgelopen was. Door natuurlijke selectie is bij een deel van de menselijke populatie de aanmaak van lactase blijven bestaan. Of je voldoende lactase kunt aanmaken, is dus erfelijk bepaald. Personen die genoeg lactase aanmaken, zijn lactose-tolerant. Lactose-intolerantie is dus eigenlijk de norm bij zoogdieren, maar bij de mens is lactose-tolerantie wijdverspreid. Een aangeboren vorm van lactose-intolerantie bij zuigelingen bestaat, maar het is zeer zeldzaam en een gevolg van een genetische afwijking.

Aandeel van lactose-intolerantie op de totale bevolking

W Afb. 50 De geografische spreiding van lactose-intolerantie. De intolerantie, dus het tekort aan lactase, komt het meest voor in Zuid-Amerika, Afrika en Azië. In Europa, NoordAmerika en Australië is er dus relatief een veel grotere tolerantie voor melkproducten.

©VANIN

Lactosevrije voeding

Omdat lactose in heel wat voedingsproducten voorkomt, is een lactosevrij dieet geen gemakkelijke opgave. Er zijn heel wat lactosevrije producten op de markt, zoals sojamelk. Dat is eigenlijk geen melk, maar een plantenextract. Soms maakt men producten lactosevrij door lactase toe te voegen.

S Afb. 51

Sojamelk, rijstmelk, amandelmelk en kokosmelk zijn lactosevrije alternatieven.

Merk op dat we de carboxygroep (-COOH) voorstellen in de niet-gedissocieerde vorm. Afhankelijk van de pH-waarde van de oplossing kan die groep dissociëren tot het carboxyion (COO–) en een proton (H+). Bij neutrale pH is de groep gedissocieerd.

3.2 Lipiden

Lipiden zijn moleculen die slecht of helemaal niet oplosbaar zijn in water. Ze bestaan voornamelijk uit koolstof- en waterstofatomen. Die atomen hebben een gelijkaardige elektronegativiteit, waardoor er bij een binding geen deelladingen ontstaan. Daardoor zijn lipiden grotendeels apolair. De meeste lipiden bevatten naast koolstof en waterstof nog andere atoomsoorten, zoals zuurstof, en kunnen dan een polair deel hebben. Het polaire deel kan binden met water. De belangrijkste groepen lipiden zijn de triglyceriden, de fosfolipiden en de steroïden

A Triglyceriden

A1 Stuctuur

Een triglyceride wordt gevormd door de reactie tussen glycerol en drie vetzuren:

• Glycerol is een molecule met drie C-atomen en drie hydroxylgroepen (-OH).

• Vetzuren zijn lineaire carbonzuren en bevatten dus op het einde een carboxygroep (-COOH).

Elke hydroxylgroep van glycerol reageert met een vetzuur, om op die manier een triglyceride te vormen. Dat gebeurt tijdens een condensatiereactie waarbij er watermoleculen worden vrijgesteld. De drie vetzuren van een triglyceride kunnen onderling verschillen. Omdat er veel verschillende vetzuren zijn, bestaan er ook veel verschillende triglyceriden.

©VANIN

glycerol 3 vetzuren

S Afb. 52

triglyceride

Glycerol reageert met drie vetzuren. Er wordt zo een triglyceride gevormd, waarbij er water vrijkomt.

Vetzuren zijn verzadigd wanneer ze alleen enkelvoudige bindingen tussen de koolstofatomen hebben (-C-C-). Zo zijn de drie vetzuren in de structuurformule hierboven verzadigde vetzuren. Een vetzuur is onverzadigd als er een of meerdere dubbele bindingen tussen de C-atomen voorkomen (-C=C-).

LABO 03

glycerolvetzuurstaarten

glycerolvetzuurstaarten

©VANIN

onverzadigde binding

W Afb. 53

Lipiden die opgebouwd zijn met verzadigde vetzuren, zijn vast bij kamertemperatuur. Lipiden met onverzadigde bindingen zijn vloeibaar bij kamertemperatuur.

Onverzadigde vetzuren liggen door hun ruimtelijke structuur minder dicht tegen elkaar in triglyceriden dan verzadigde vetzuren. Daardoor zijn lipiden met onverzadigde vetzuren vloeibaar bij kamertemperatuur. Denk maar aan olijfolie. Boter, met vooral verzadigde vetzuren, is vast bij kamertemperatuur. Triglyceriden met onverzadigde vetzuren komen vooral voor in planten, zaden en vruchten, zoals noten, avocado’s en olijven. Een hoge consumptie van verzadigde vetzuren wordt geassocieerd met een verhoogd risico op hart- en vaatziekten, terwijl onverzadigde vetzuren worden beschouwd als een onderdeel van een gezond dieet.

A2 Functies

• Energieopslag: Triglyceriden worden in veel organismen opgeslagen, bijvoorbeeld in vetcellen en zaden, om als energiebron te worden gebruikt. De afbraak van vetzuren levert veel energie op.

• Isolatie: Omdat vetten en oliën slecht warmte geleiden, beschermen ze dieren tegen afkoeling. Vaak leggen dieren onderhuidse vetlagen aan, om zo warmteverlies tegen te gaan.

• Waterafstoting: Vetten en oliën maken bijvoorbeeld vogelveren of de menselijke huid extra waterafstotend. Ook de waslaag (of cuticula) op het blad van planten is waterafstotend. Wassen zijn ook opgebouwd uit vetzuren, maar hebben een iets andere structuur dan triglyceriden.

Omega 3-vetzuren

Bij de mens beschermen omega 3-vetzuren onder andere tegen hart- en vaatziekten, verlagen ze het cholesterolniveau in het bloed en spelen ze een rol in de ontwikkeling van de hersenen bij foetussen en jonge kinderen. Zulke vetzuren zijn dus essentieel in een gezond voedingspatroon. Omega 3-vetzuren zijn meervoudig onverzadigde vetzuren en zitten in bepaalde voedingsmiddelen of in supplementen.

Een van die omega 3-vetzuren is alfalinoleenzuur (ALA). ALA is een essentieel vetzuur. Dat betekent dat je lichaam die molecule niet zelf kan maken. Je moet ze via voeding binnenkrijgen. ALA komt voor in plantaardige oliën, met name in lijnzaadolie. In 100 gram lijnzaadolie zit ongeveer 50 gram ALA. De omega 3-vetzuren komen ook in kleinere hoeveelheden voor in groene bladgroenten en vlees. Andere omega 3-vetzuren komen vrijwel uitsluitend voor in vette vis en staan daarom ook bekend als visvetzuren.

Omega 3-vetzuren worden zo genoemd omdat de eerste onverzadigde binding in die moleculen altijd op het derde koolstofatoom begint na het omega-koolstofatoom. Het omegakoolstofatoom is het koolstofatoom aan het methyleinde van de vetzuurstaart. In de meer systematische naamgeving begint de nummering van de koolstofatomen bij het koolstofatoom van de -COOH-groep (blauwe nummering).

In hoofdstuk 3 leer je meer over de bouw en de rol van fosfolipiden.

B Fosfolipiden

Fosfolipiden zijn, net als triglyceriden, opgebouwd uit glycerol en vetzuren. In dit geval binden maar twee vetzuren aan glycerol. Aan de derde OH-groep wordt een fosfaatgroep (PO43–) gebonden. Aan die fosfaatgroep kunnen dan weer andere organische moleculen binden.

Fosfolipiden spelen een belangrijke rol in de opbouw van membranen in de cel. Binnen in het membraan zijn de hydrofobe vetzuurstaarten naar elkaar gericht, waardoor ze een apolair milieu creëren. Op die manier zorgt het membraan dus voor een barrière voor de vrije beweging van moleculen over het membraan. De fosfaatgroepen vormen een hydrofiele kop en zijn naar de waterige omgeving gericht.

S Afb. 55 Een fosfolipide met een molecule gebonden aan de fosfaatgroep. Fosfolipiden worden schematisch vaak voorgesteld als een polaire bol met twee apolaire vetzuurstaarten.

S Afb. 54 De structuurformule van alfalinoleenzuur

dubbellaag

C Steroïden

Steroïden zijn lipiden die opgebouwd zijn uit vier ringvormige moleculen met daarop functionele groepen. Zulke lipiden bestaan dus niet uit vetzuren, maar ze zijn toch grotendeels apolair.

Een voorbeeld van een steroïde is cholesterol. Dat is een belangrijk onderdeel van dierlijke membranen. Het beïnvloedt onder andere de stabiliteit van membranen in de cel.

Andere steroïden in het lichaam die afgeleid zijn van cholesterol, zijn:

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

• de bijnierschorshormonen (voorbeelden: cortisol en aldosteron);

• vitamine D.

©VANIN

Meer weten over cholesterol? Bekijk het onlinedossier op

57 De structuurformules van enkele steroïden die afgeleid zijn van cholesterol progesteron testosteron oestradiol (het belangrijkste oestrogeen)

WEETJE

Oestradiol

Oestradiol is een geslachtshormoon dat tot de groep van de oestrogenen behoort. Het heeft niet alleen invloed op het voortplantingssysteem, maar ook op onder meer de botstructuur. Het is bij vruchtbare vrouwen het meest voorkomende oestrogeen.

Vitamine D

Vitamine D wordt in onze huid aangemaakt onder invloed van uv-straling die afkomstig is van de zon. De opname van vitamine D via voeding is vrij laag. Enkel vette vis (zalm, makreel, sardines …) bevat voldoende vitamine D om aan de dagelijkse behoefte te voldoen.

• Lipiden zijn moleculen die slecht oplossen in water.

• Ze spelen een belangrijke rol als energiebron en in de structuur van membranen

• Groepen van lipiden zijn de triglyceriden, de fosfolipiden en de steroïden

HO cholesterol

S Afb. 56 De structuurformule van cholesterol

S Afb.

D3

We stellen we de aminogroep voor als -NH2. Die neemt bij een neutrale pH een proton op en vormt dan -NH3+.

A Aminozuren en peptiden

In de natuur zijn er verschillende aminozuren met uiteenlopende functies. De belangrijkste rol van aminozuren is de opbouw van eiwitten. Eiwitten, ook proteïnen genoemd, zijn opgebouwd uit onvertakte polymeren van aminozuren. Het merendeel van de eiwitten is samengesteld uit maar twintig verschillende aminozuren.

Aminozuren zijn moleculen met een centraal koolstofatoom met vier bindingen:

• een aminogroep;

• een H-atoom;

• een carboxygroep;

• de restgroep (R): die groep varieert bij de verschillende aminozuren.

©VANIN

restgroepcentraal C-atoom carboxygroep aminogroep NH2

S Afb. 58 De algemene structuurformule van een aminozuur

De aminozuren verschillen enkel in de opbouw van de restgroep (groen). De restgroepen hebben uiteenlopende chemische eigenschappen. Bij sommige aminozuren zijn de restgroepen uitgesproken apolair (bijvoorbeeld bij alanine en leucine), bij andere polair (bijvoorbeeld bij glutamine en serine). Andere aminozuren hebben ioniseerbare chemische groepen, zoals een carboxygroep (in glutaminezuur en asparaginezuur) of een aminogroep (in lysine). Die eigenschappen zijn belangrijk voor de opbouw en de functie van eiwitten. Behalve de naam van het aminozuur gebruikt men internationaal ook een drielettercode en een eenlettercode die uniek zijn voor elk aminozuur. De afbeelding op p. 41 geeft een overzicht van de twintig aminozuren waaruit de meeste eiwitten zijn opgebouwd.

Eiwitten ontstaan doordat de aminogroep en de carboxygroep van twee aminozuren een covalente binding vormen met elkaar, de peptidebinding (-C-CO-NH-). Er splitst daarbij een molecule water af. Afhankelijk van het aantal aminozuren dat aan elkaar gebonden is, spreek je van dipeptiden, oligopeptiden (3-20) of polypeptiden (> 20). Grotere eiwitten bestaan uit enkele honderden aminozuren.

Merk op dat de R-groep niet betrokken is bij de peptidebinding.

aminozuur 1

©VANIN

condensatie hydrolyse

peptidebinding dipeptide

B De 3D-structuur van eiwitten

W Afb. 59 De vorming van een peptidebinding tussen twee aminozuren. Dat is een condensatiereactie waarbij een watermolecule wordt afgesplitst. De splitsing van de peptidebinding is een hydrolysereactie.

De aminozuurketen die het eiwit vormt, neemt een heel precieze ruimtelijke 3D-structuur aan. Die structuur ontstaat vooral door interacties tussen de aminozuren (zie later in dit hoofdstuk).

We beschrijven de structuur van een eiwit op vier niveaus: de primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur.

B1 De primaire structuur

Eiwitten zijn lange ketens van covalent aan elkaar gebonden aminozuren. De opeenvolging van de C- en N-atomen van de peptidebinding in de polypeptideketen noem je de ruggengraat van het eiwit. Wanneer je een eiwit voorstelt door de specifieke volgorde van de aminozuren in de keten weer te geven, noem je dat de primaire structuur van het eiwit. Op afbeelding 60 zie je de primaire structuur van een deel van het eiwit insuline en de ruggengraat (geel) van de polypeptideketen.

N-terminus

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

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

B2 De secundaire structuur

De polypeptideketen vormt een geplooide en gewikkelde 3D-structuur. Door die precieze en compacte 3D-structuur krijgt een eiwit zijn specifieke vorm en functie. Als je de structuur van verschillende eiwitten vergelijkt, valt het op dat er in die structuren plooiingen voorkomen die gelijkaardig zijn. Dat noem je secundaire structuren. Het gaat om:

• de α-helix: de polypeptideketen vormt een spiraalstructuur;

• de β-plaat: de polypeptideketens liggen in een regelmatig geplooide plaatstructuur

In elk van die structuren is de waterstofbrugvorming tussen de O van -C=O en de H van -NH in de peptidebindingen tussen nabijgelegen aminozuren optimaal. Die waterstofbruggen stabiliseren de structuur.

• In de α-helices draait een deel van de polypeptideketen om een imaginaire as en stabiliseren de waterstofbruggen de structuur.

• Bij de β-platen worden er waterstofbruggen gevormd tussen de O- en H-atomen van de peptidebindingen van langs elkaar liggende delen van de keten.

©VANIN

waterstofbrug

W Afb. 61

Schematische voorstelling van de α-helix. De linttekeningen tonen de ruggengraat van het eiwit. In de uitvergroting zie je de atomen, de restgroepen en de waterstofbruggen.

W Afb. 62

Schematische voorstelling van de β-plaat. De pijlen in de β-plaat tonen de oriëntatie van de peptideketen (van de N-terminus naar de C-terminus).

B3 De tertiaire structuur

De tertiaire structuur van een eiwit wordt gevormd door de verdere 3D-plooiing van de hele aminozuurketen, inclusief de α-helices en/of de β-platen. Interacties tussen de restgroepen van de aminozuren zorgen voor de stabilisatie van die structuur (zie afbeelding 63). Die interacties zijn waterstofbruggen, ionbindingen en interacties tussen apolaire groepen. Op de afbeelding zie je de ruggengraat (groen lint), met daarop een aantal restgroepen. In sommige eiwitten worden er covalente bindingen gevormd tussen de S-atomen van twee cysteïneaminozuren. Dat zijn disulfidebindingen (S-S).

©VANIN

interactie tussen apolaire groepen

disulfidebinding

S Afb. 63

Voorstelling van de interacties tussen restgroepen van aminozuren, die mee de tertiaire structuur van een eiwit bepalen

S Afb. 64

De primaire, secundaire en tertiaire structuur van het eiwit insuline

A De aminozuurvolgorde van de twee aminozuurketens, A (geel) en B (blauw), die insuline opbouwen. Er zijn drie disulfidebindingen (grijs).

B De tertiaire structuur van insuline, met de secundaire structuren zichtbaar in de ruggengraat (helix en platen)

C De tertiaire structuur als ruimtevullend model, waarbij je het volume ziet dat de atomen innemen

Sommige dieren zijn in staat om licht te produceren. Bij de kristalkwal (Aequorea victoria) zijn daarvoor twee eiwitten verantwoordelijk. Een ervan is het groen fluorescent proteïne (GFP). Dat is bijna helemaal opgebouwd uit één β-plaat. Het heeft een tonvormige 3D-structuur. GFP wordt gebruikt in de biotechnologie. Het is een van de meest gebruikte hulpmiddelen om structuren in cellen in beeld te brengen.

©VANIN

B4 De quaternaire structuur

Veel eiwitten zijn samengesteld uit meerdere polypeptideketens, die je subeenheden noemt. Als meerdere subeenheden samen één functioneel eiwit vormen, is dat de quaternaire structuur van het eiwit. De subeenheden associëren met elkaar door interacties tussen de restgroepen, maar zijn niet covalent met elkaar verbonden. Op afbeelding 67 zie je de quaternaire structuur van hemoglobine.

S Afb. 65 Een kristalkwal

S Afb. 66 De structuur van het GFP-eiwit

W Afb. 67

De quaternaire structuur van hemoglobine bestaat uit vier subeenheden. Die subeenheden zijn twee aan twee hetzelfde (blauw en groen).

Elke subeenheid bevat een heemgroep (rood) die zuurstofgas kan binden.

PRIMAIRE STRUCTUUR

SECUNDAIRE STRUCTUUR

©VANIN

TERTIAIRE STRUCTUUR

QUATERNAIRE STRUCTUUR

S Afb. 68

Overzicht van de vier niveaus om de structuur van een eiwit te beschrijven

VERDIEPING

LONGBLAASJES

O2 + HbHbO2

HEMOGLOBINE

Hemoglobine (Hb) is een eiwit dat dient voor het transport van zuurstofgas. Het komt bij dieren voor in de rode bloedcellen. Via het bloedvatenstelsel worden de rode bloedcellen met hemoglobine getransporteerd naar de organen.

ORGANEN

rode bloedcel TRANSPORT NAAR ORGANEN

De structuur van de vier subeenheden toont de vele α-helices, en de heemgroep in elke subeenheid. De heemgroep bevat een ijzeratoom dat de zuurstofgasmolecule kan binden.

Hb + O2

©VANIN

De bloedvaten zijn in contact met de longblaasjes. In de longblaasjes gaat het zuurstofgas door het membraan naar het bloed en tot in de rode bloedcellen.

In de rode bloedcellen bindt het zuurstofgas met Hb tot oxyhemoglobine (oxygenatie). Na transport naar andere weefsels in de bloedvaten wordt daar zuurstofgas afgegeven (deoxygenatie).

HbO2

VIDEO 3D-beeld hemoglobine

C De denaturatie van eiwitten

De 3D-structuur van eiwitten wordt grotendeels bepaald door interacties, zoals waterstofbruggen en ionbindingen in de ruggengraat en tussen de restgroepen van de aminozuren. Bij te hoge temperaturen verbreken die interacties, waardoor het eiwit zijn structuur verliest. Ook bij een lage pH en een hoge zoutconcentratie verbreken die interacties. Het proces waarbij een eiwit zijn 3D-structuur verliest, heet denaturatie. Omdat de functie van biomoleculen nauw samenhangt met de structuur ervan, is een gedenatureerd eiwit niet meer functioneel.

©VANIN

S Afb. 69 De denaturatie van eiwitten. Eieren bestaan voor ongeveer 13 % uit eiwitten. Als je een ei kookt of bakt, denatureren die eiwitten en verandert de structuur: het eiwit en het eigeel veranderen in een vaste substantie.

D De functies van eiwitten

D1 Structuur

Heel wat structuren die vorm en stevigheid geven aan cellen en organismen, zijn opgebouwd uit eiwitten. In cellen bevindt zich bijvoorbeeld tubuline, een eiwit dat microtubuli opbouwt. Microtubuli zorgen voor steun in de cel (zie hoofdstuk 4). Andere eiwitten, zoals keratine en collageen, zijn het hoofdbestanddeel van haar, nagels, pezen en veel andere structuren. De vezelachtige structuren van de cocon van de zijderupslarve (Bombyx mori) gebruikt men om zijde te maken. Die vezels zijn ook opgebouwd uit eiwitten.

©VANIN

D2 Enzymen

Enzymen zijn eiwitten die werken als katalysator en dus chemische reacties versnellen. Een voorbeeld is het enzym lactase, dat lactose afbreekt. Op afbeelding 71 zie je een voorstelling van de 3D-structuur van dat enzym.

D3 Transport

Eiwitten zijn op veel manieren betrokken bij het transport in cellen en weefsels. Het eiwit hemoglobine transporteert bijvoorbeeld zuurstofgas in het bloed. Andere eiwitten transporteren watermoleculen door celmembranen, zoals het eiwit aquaporine op afbeelding 72.

D4 Communicatie

Om te functioneren, moeten organismen kunnen communiceren. Eiwitten zijn essentieel bij die communicatie, bijvoorbeeld om prikkels op te vangen. Sommige eiwitten, zoals insuline, spelen een rol als hormoon om de werking van weefsels en organen te regelen. Mensen met diabetes, die zelf niet voldoende insuline aanmaken, kunnen insuline injecteren om zo de insulineconcentratie in het bloed op peil te houden.

• Eiwitten zijn polymeren van aminozuren

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

• Eiwitten vervullen heel uiteenlopende functies binnen en buiten de cel.

• Enzymen zijn eiwitten die reacties katalyseren.

S Afb. 70

S Afb. 71

W Afb. 72

S Afb. 73

E Enzymen

In elke cel vinden veel chemische reacties plaats. Om een reactie te laten plaatsvinden, is er energie nodig: de activeringsenergie. Moleculen moeten namelijk met voldoende energie tegen elkaar botsen om een binding tot stand te brengen. Ook het verbreken van bindingen in een molecule vereist energie. Als er onvoldoende energie aanwezig is, bijvoorbeeld in de vorm van warmte, verlopen de meeste reacties in cellen erg traag. Te traag om de functies van de cel te onderhouden. Op afbeelding 74 zie je het energieverloop van een chemische reactie en de activeringsenergie.

Enzymen zijn eiwitten die als katalysator werken in de cel en reacties versnellen door de activeringsenergie te verlagen. Merk op dat de activeringsenergie ook verlaagt voor de omgekeerde reactie: van reactieproduct naar substraat. Dat betekent dat een enzym een reactie in twee richtingen katalyseert.

energie

©VANIN

S Afb. 74

substraat

reactieproduct met enzym zonder enzym 1 2

reactieverloop

1 activeringsenergie zonder enzym totale vrijgekomen energie tijdens de reactie

2 activeringsenergie met enzym

Enzymen verlagen de activeringsenergie. De rode lijn stelt het energieverloop van de reactie voor zonder enzym, de blauwe lijn het verloop met enzym.

E1 De werking van enzymen

Enzymen laten een chemische reactie sneller verlopen door ‘moleculen in een bepaalde positie vast te houden’. De 3D-structuur van een enzym is namelijk zo dat er een specifiek deel is, het actief centrum, waarin de moleculen die betrokken zijn in de reactie, kunnen binden. Op die manier zorgen enzymen ervoor dat de kans op een reactie veel groter is. Je kunt het actief centrum voorstellen als een holte in het enzym. De stof die in het actief centrum bindt, noem je het substraat. Wanneer het substraat gebonden is aan een enzym, spreek je van een enzymsubstraatcomplex

De binding van het substraat op het actief centrum verlaagt de activeringsenergie van de reactie, waardoor de reactie sneller verloopt. Het enzym blijft onveranderd in de reactie en kan dus na de reactie hergebruikt worden om andere reacties te katalyseren. De binding tussen het substraat en het eiwit is zeer specifiek. Enkel de substraatmoleculen met de juiste ruimtelijke structuur passen in het actief centrum. Je kunt het vergelijken met hoe een sleutel in een slot past. Daarom noem je dat ook wel het sleutel-slotprincipe

substraat enzym reactieproducten enzym-substraatcomplex

©VANIN

S Afb. 75

actief centrum

onveranderd enzym

De afbraak van een substraatmolecule tot twee reactieproducten via de vorming van een enzym-substraatcomplex

VOORBEELD VAN DE WERKING VAN HET ENZYM SUCRASE

Sucrose bestaat uit een glucose- en een fructosemolecule. Het enzym sucrase kan sucrose splitsen in beide suikers. De moleculen sucrose, glucose en fructose passen optimaal in het actief centrum van sucrase. Andere moleculen passen slecht of niet en worden niet omgezet.

Het enzym sucrase met een leeg actief centrum 1

Het substraat sucrose bindt met het actief centrum van het enzym sucrase.

De reactieproducten glucose en fructose komen vrij.

S Afb. 76

Het enzym sucrase katalyseert de afbraak van sucrose tot glucose en fructose.

De substraatmoleculen worden afgebroken tot reactieproducten.

E2 De activiteit van enzymen wordt gereguleerd

Om de processen in de cel te controleren, wordt de activiteit van enzymen gereguleerd. Dat gebeurt enerzijds door de aanmaak van enzymen te verhogen of te verlagen. Als er meer of minder van een eiwit aanwezig is, zal er meer of minder activiteit zijn.

Daarnaast wordt de activiteit van veel enzymen beïnvloed door inhibitoren. Dat zijn moleculen die een remmende werking hebben op een enzym. Sommige inhibitoren lijken ruimtelijk en chemisch op het substraat en kunnen daardoor ook binden op het actief centrum. Dat verhindert de binding van het eigenlijke substraat. In andere enzymen binden inhibitoren op een andere plaats dan op het actief centrum. Zo beïnvloeden ze de 3D-structuur van het actief centrum en verhinderen ze de binding van het substraat.

B ©VANIN

substraat

substraat inhibitor

actief centrum enzym

• Hydrolase: zorgt voor hydrolyse. Ga naar voor een uitbreiding over factoren die de snelheid van een enzymatische reactie beïnvloeden (online only). Je vindt er ook een dossier over toepassingen van enzymen in het dagelijks leven. actief centrum

B enzym inhibitor actief centrum na inhibitie substraat enzym inhibitor

S Afb. 77

A Remming van de enzymactiviteit door competitie van een inhibitor met het substraat B Remming van de enzymactiviteit doordat een inhibitor de structuur van het actief centrum beïnvloedt

E3 Veel enzymen werken met co-enzymen of cofactoren

De werking van veel enzymen is enkel mogelijk wanneer er op het eiwit ook een andere organische molecule of een ion gebonden is.

• Als het om een organische molecule gaat, spreek je van een co-enzym

Voorbeelden van co-enzymen zijn de moleculen ATP en NADH, die een belangrijke rol spelen in de stofwisseling van de cel (zie thema 02). Bij dieren worden co-enzymen vaak gemaakt uit vitaminen in de voeding.

• In andere enzymen komt er in het actief centrum een ion voor dat de reactie mogelijk maakt. Dat ion noem je een cofactor. Een voorbeeld is Mg2+ in het enzym rubisco, dat koolstofdioxide fixeert in de fotosynthese (zie thema 02).

E4 De naamgeving van enzymen

Enzymen zijn vaak genoemd naar het type reactie dat ze katalyseren, of hun naam is afgeleid van hun functie of het substraat waarop ze inwerken, door de toevoeging ‘-ase’.

Voorbeelden:

• Lipase: breekt lipiden af.

• Protease: breekt peptiden af.

• Lactase: breekt lactose af.

• Polymerase: synthetiseert polymeren.

Sommige enzymen hebben oude namen die minder duidelijk verwijzen naar hun activiteit, zoals pepsine (breekt eiwitten af in de spijsvertering) en lysozyme (breekt peptidoglycaan in de celwand van bacteriën af).

• Enzymen zijn eiwitten die chemische reacties katalyseren.

• De moleculen waar enzymen op inwerken, de substraatmoleculen, binden met het eiwit op het actief centrum en vormen het enzym-substraatcomplex

• De activiteit van enzymen wordt gereguleerd.

©VANIN

Google voorspelt alle eiwitstructuren

Het valt niet mee om met chemische technieken de 3D-structuur van eiwitten te achterhalen. Je kunt eiwitten namelijk niet waarnemen op atomair niveau, zelfs niet met een elektronenmicroscoop. Omdat veel medicijnen inwerken op eiwitten, is kennis van de 3D-structuur heel belangrijk. Als je de structuur van een eiwit kent, kun je immers veel beter begrijpen hoe een molecule erop inwerkt. Zo kunnen wetenschappers nieuwe moleculen ontwerpen met mogelijk een gelijkaardig of zelfs een sterker effect. Hoewel het een moeizaam proces is, zijn wetenschappers erin geslaagd om van veel eiwitten te bepalen hoe ze precies zijn opgevouwen in een 3D-structuur. Het bedrijf Google heeft al die kennis verzameld en met behulp van artificiële intelligentie algoritmen ontwikkeld die de 3D-structuur van eiwitten heel goed kunnen voorspellen, enkel op basis van de sequentie van de aminozuren. Naar: demorgen.be

Enzymen in extreme omstandigheden

van eiwitten

Enzymen zijn eiwitten en bestaan dus uit geplooide aminozuurketens. Ze denatureren daarom bij te hoge temperaturen, nietoptimale pH-waarden of te hoge zoutconcentraties. En toch bestaan er levende cellen en actieve enzymen in zulke extreme omstandigheden. De briljante kleurencirkels in de heetwaterbronnen van Yellowstone krijgen hun kleur door verschillende soorten bacteriën en blauwwieren.

WEETJE

3D-structuur

3.4 Nucleïnezuren

Nucleïnezuren zijn polymeren waarin een groot aantal moleculen, nucleotiden, lineair aan elkaar gebonden zijn. Nucleïnezuren (of polynucleotiden) kunnen opgebouwd zijn uit enkele (5-10) tot verschillende miljoenen nucleotiden.

De twee belangrijkste nucleïnezuren zijn:

• desoxyribonucleïnezuur of DNA (desoxyribonucleic acid);

• ribonucleïnezuur of RNA (ribonucleic acid).

A Nucleotiden

Nucleotiden bestaan uit drie moleculen die aan elkaar gebonden zijn:

• een monosacharide;

• een stikstofhoudende basische molecule (N-base);

• een fosfaatgroep.

De monosacharide kan ofwel ribose, ofwel desoxyribose zijn. Het verschil tussen beide bestaat in een hydroxylgroep (-OH) op een van de koolstofatomen:

©VANIN

O P O O–

N N-base fosfaatgroep monosacharide

S Afb. 78 De algemene structuur van een nucleotide, met een fosfaatgroep, een monosacharide en een N-base

• In het nucleïnezuur DNA is desoxyribose de monosacharide in de nucleotiden.

• In het nucleïnezuur RNA is ribose de monosacharide in de nucleotiden.

Er zijn vijf verschillende N-basen: adenine (A), cytosine (C), guanine (G), thymine (T) en uracil (U).

• De N-basen A, C en G komen zowel in DNA als in RNA voor.

• De N-base T komt enkel in DNA voor.

• De N-base U komt enkel in RNA voor.

B DNA

DNA is een polynucleotide en is dus een polymeer van nucleotidemoleculen. De nucleotiden zijn met elkaar gebonden door een covalente binding tussen de fosfaatgroep van de ene nucleotide en de monosacharide van de volgende nucleotide.

Die afwisseling van sacharide en fosfaatgroepen vormt de ruggengraat van het polymeer. Aan één kant van de keten blijft dus een ongebonden sacharide over en aan de andere kant een vrije fosfaatgroep. Door de nummering van de koolstofatomen in de monosacharide noemt men het einde van de keten met de sacharide het 3’-einde en het fosfaateinde het 5’-einde. Merk op dat de N-basen niet betrokken zijn in die aaneenschakeling.

©VANIN

DNA bestaat uit twee strengen van polynucleotiden, die gewonden zijn tot de bekende DNA-dubbelehelixstructuur.

Kenmerkend voor de dubbele helix is:

• De N-basen zijn naar elkaar gericht en vormen waterstofbruggen die de twee ketens met elkaar verbinden en ze stabiliseren.

• De ketens liggen in een antiparallelle richting.

Dat betekent dat de ruggengraat in beide ketens tegenovergesteld gericht is.

• De ketens zijn complementair

Dat betekent dat tussen de twee ketens telkens dezelfde koppels van nucleotiden voorkomen. Als in de ene keten de nucleotide A voorkomt, komt in de andere keten de nucleotide T voor. En als in de ene keten de nucleotide C voorkomt, komt in de andere keten de nucleotide G voor. Die nucleotideparen zorgen voor optimale waterstofbrugvorming tussen de N-basen en geven stevigheid aan de DNA-molecule.

waterstofbrug

N-base

fosfaatgroep

desoxyribose

S Afb. 80 De basenparing tussen complementaire nucleotideketens (links) en de DNA-dubbelehelixstructuur (rechts)

DNA is de drager van de genetische informatie in cellen. Die informatie ligt vervat in de volgorde waarin de nucleotiden aan elkaar gekoppeld zijn. De volgorde wordt aangegeven met de letters van de N-basen van de nucleotiden (A, C, T, G). Die informatie wordt in het proces van de eiwitsynthese vertaald naar een precieze volgorde van aminozuren en de vorming van een eiwit. Je leert er meer over in hoofdstuk 4.

©VANIN

= adenine (A) = thymine (T) = cytosine (C) = guanine (G)

C RNA

RNA bestaat uit één enkele polynucleotidestreng. De nucleotiden zijn op dezelfde manier aan elkaar gekoppeld als in DNA, met een suiker-fosfaatruggengraat. Er zijn verschillende types RNA, die allemaal nauw betrokken zijn bij de vertaling van de genetische informatie in de eiwitsynthese. Ook in RNA kan er basenparing optreden die de 3D-structuur van de molecule bepaalt.

fosfaatgroep

ruggengraat

S Afb. 81

Voorstelling van de enkelstrengige polynucleotidestructuur van RNA

S Afb. 82

3D-structuur van een van de types van RNA-moleculen: het transfer-RNA

©VANIN

AAN DE SLAG

Welke reeks bestaat volledig uit moleculen die zijn opgebouwd uit een aaneenschakeling van monosachariden?

a glycogeen, zetmeel, myosine b insuline, lactose, zetmeel c actine, cellulose, sucrose d zetmeel, cellulose, chitine

Vervolledig de tabel.

MACROMOLECULE BOUWSTEEN

Fenylalanine Phe - F

OPGEBOUWD UIT DEZE CHEMISCHE ELEMENTEN

C, H, O, N, P aminozuur polysacharide

Bestudeer de onderstaande monomeren en beantwoord de vragen.

Tyrosine Tyr - Y

Tryptofaan Trp - W

a Geef de algemene naam voor deze monomeren.

b Welke verschillende delen zijn kenmerkend voor dat type monomeer? Benoem ze.

c Hoe noem je de binding die ontstaat tussen beide monomeren?

d Hoe heet dat type reactie? Verklaar.

e Hoe noem je het product van die reactie?

Bespreek de functie van de volgende eiwitten voor een organisme.

a aquaporine b lactase c collageen d insuline

Door de vorming van een enzym-substraatcomplex zal …

a het enzym veranderen en het substraat ongewijzigd blijven;

b zowel het enzym als het substraat veranderen;

c het enzym ongewijzigd blijven en het substraat veranderen;

d noch het enzym, noch het substraat veranderen.

Zijn de onderstaande uitspraken juist of fout?

a RNA bevat ribose als suikermolecule, terwijl DNA desoxyribose bevat.

b RNA gebruikt uracil als een stikstofhoudende base in de nucleotiden, terwijl DNA thymine gebruikt.

c RNA is opgewonden tot een dubbele helix.

Welke stelling over triglyceriden is niet waar?

Verklaar.

a Triglyceriden zijn kleine tot middelgrote moleculen die samengesteld zijn uit drie vetzuren en één glycerolmolecule.

b Triglyceriden worden gevormd door de herhaling van kleine moleculaire eenheden, de monomeren.

c De vetzuren van triglyceriden kunnen verzadigd of onverzadigd zijn.

d Triglyceriden dienen als energiereserves in het lichaam.

De grafiek toont het effect van de temperatuur op de relatieve werkingssnelheid van enzym X.

6 5 4 3 2 1 relatieve werkingssnelheid

10 20 30 40 50 60 70 80 temperatuur (°C)

a Verklaar hoe het komt dat de enzymactiviteit drastisch afneemt vanaf een bepaalde temperatuur.

b Kan enzym X werkzaam zijn in een zoogdier?

c Welke wijziging zou de activiteit van enzym X niet beïnvloeden?

1 De toevoeging van koud water wanneer de reactie plaatsvindt bij 50 °C.

2 De toename van de temperatuur van 70 °C tot 80 °C.

3 De verwijdering van het substraat wanneer de reactie plaatsvindt bij 30 °C.

4 De afname van de temperatuur van 40 °C naar 10 °C.

Meer oefenen? Ga naar .

Asparaginezuur

HOOFDSTUKSYNTHESE

1 DE CHEMISCHE SAMENSTELLING VAN CELLEN

Organismen bestaan uit anorganische en organische moleculen. Al die moleculen dragen bij tot de opbouw en de werking van het organisme.

2 ANORGANISCHE MOLECULEN IN CELLEN

Voorbeelden van anorganische moleculen zijn water en gassen zoals koolstofdioxide en zuurstofgas.

3 ORGANISCHE MOLECULEN IN CELLEN

GROEP 1: SACHARIDEN (OF SUIKERS)

= koolstofverbindingen met meerdere hydroxylgroepen

Opgebouwd uit VoorbeeldenFuncties

monosachariden

bv. glucose

enkelvoudige suikers

disachariden

bv. lactose

twee monosachariden

• glucose

• fructose energiebron

polysachariden

bv. zetmeel

meerdere monosachariden die aan elkaar geschakeld zijn

• sucrose

• lactose energiebron

• glycogeen

• zetmeel energiereserve

• chitine

• cellulose structuur

triglyceriden

glycerolvetzuurstaarten

fosfolipiden

steroïden bv. cholesterol

aminozuren

eiwitten +

GROEP 2: LIPIDEN (OF VETTEN) = koolstofverbindingen met apolaire ketens

Opgebouwd uit

Functies

glycerol (-OH) en drie vetzuren

glycerolvetzuurstaarten

• verzadigde vetzuren (-C-C-)

• onverzadigde vetzuren (-C=C-)

• energiereserve

• isolatie

• waterafstoting

©VANIN

glycerol, twee vetzuren en een fosfaatgroep

onverzadigde binding

opbouw membranen

vier ringvormige moleculen met daarop functionele groepen

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

Opgebouwd uit

moleculen met een centraal koolstofatoom met vier bindingen:

• een aminogroep (-NH2)

• een H-atoom

• een carboxygroep (-COOH)

• een restgroep (R): varieert bij de verschillende aminozuren

een aminogroep en een carboxylgroep van twee aminozuren die een peptidebinding vormen

opbouw membranen

Functies

opbouw eiwitten

• structuur van cellen en organismen (bv. keratine)

• transport in cellen en weefsels (bv. hemoglobine)

• communicatie binnen een organisme (bv. insuline)

• reacties katalyseren (enzymen)

Structuur

Werking

ENZYMEN = eiwitten die chemische reacties katalyseren

substraat enzym

actief centrum

reactieproducten enzym-substraatcomplex

©VANIN

onveranderd enzym

• De moleculen waar enzymen op inwerken, zijn de substraatmoleculen

• Die substraten binden in het actief centrum en vormen het enzym-substraatcomplex.

• Enkel de substraatmoleculen met de juiste ruimtelijke structuur passen in het actief centrum (sleutel-slotprincipe).

substraat reactieverloop energie reactieproduct met enzym zonder enzym 1 2

1 activeringsenergie zonder enzym totale vrijgekomen energie tijdens de reactie

2 activeringsenergie met enzym

• Enzymen versnellen de reacties in de cel door de activeringsenergie te verlagen.

• De activiteit van enzymen wordt gereguleerd en beïnvloed door inhibitoren Dat zijn moleculen die een remmende werking hebben op een enzym.

• De werking van veel enzymen is enkel mogelijk wanneer er op het eiwit ook een andere organische molecule (co-enzym) of een ion (cofactor) gebonden is.

nucleotiden

fosfaatgroep monosacharide

antiparallelle polynucleotiden

waterstofbrug

GROEP 4: NUCLEÏNEZUREN = polymeren van nucleotiden

Opgebouwd uit

• een monosacharide (ribose voor RNA en desoxyribose voor DNA)

• een stikstofhoudende base (adenine, cytosine, guanine, thymine en uracil)

• een fosfaatgroep

DNA-helixstructuur

• twee strengen van polynucleotiden, die gewonden zijn tot de dubbelehelixstructuur

• De nucleotiden zijn aan elkaar gekoppeld door een binding tussen de fosfaatgroep van de ene nucleotide en de monosacharide van de volgende nucleotide.

• De twee ketens zijn verbonden door waterstofbruggen.

= adenine (A) = thymine (T) = cytosine (C) = guanine (G)

fosfaatgroep

desoxyribose

• een enkele polynucleotideketen

• De nucleotiden zijn op dezelfde manier aan elkaar gekoppeld als in DNA, met een monosacharidefosfaatruggengraat.

Functies

• energiehuishouding

• opbouw van DNA en RNA

©VANIN

drager van genetische informatie (de volgorde van de nucleotiden vormt de genetische code)

vertaling van genetische informatie in de eiwitsynthese

HOOFDSTUK 3

Î Membranen en membraantransport

Het celmembraan vormt de grens tussen de binnen- en buitenkant van een cel. Het is een flinterdunne laag van moleculen waarlangs al het contact tussen de cel en de buitenwereld verloopt. Het vermogen van een cel om het transport van bepaalde moleculen te regelen, is essentieel voor het leven. Dit hoofdstuk behandelt de bouw van membranen en de manier waarop het transport van stoffen gebeurt. Het celmembraan wordt trouwens vaak verward met de celwand, die veel dikker is en een beschermende en verstevigende rol speelt. In dit hoofdstuk ontdek je het verschil tussen beide.

LEERDOELEN

M Een beschrijving geven van de processen diffusie en osmose

M De verschillen uitleggen tussen actief en passief transport

M De opbouw en f uncties van membranen beschrijven

1 Membranen van de cel

1.1 Bouw van membranen

De grens tussen een cel en de omgeving bestaat uit een dunne laag van ongeveer 10 nm dik, het celmembraan of plasmamembraan. Dat membraan omhult het cytoplasma en is opgebouwd uit een dubbele laag fosfolipidemoleculen

Binnen in het celmembraan zijn de hydrofobe vetzuurstaarten van de fosfolipiden naar elkaar gericht, waardoor ze een apolair middenstuk creëren. De vetzuurstaarten zijn waterafstotend of hydrofoob. Op die manier vormt het membraan dus een barrière tussen de binnen- en buitenkant van de cel. De fosfaatgroepen vormen een hydrofiele kopgroep en zijn naar de waterige omgeving gericht. De kop is waterminnend of hydrofiel.

©VANIN

Er bestaan ook kunstmatige membranen, die gemaakt zijn in een labo of door de industrie. Als we in dit leerboek over ‘membranen’ spreken, dan gaat het om alle mogelijke membranen in biologische systemen, zoals het celmembraan en intracellulaire membranen.

Membranen zijn vooral opgebouwd uit fosfolipiden en zorgen voor de begrenzing van de cel (celmembraan).

Bij eukaryote cellen begrenzen membranen ook celstructuren binnen in de cel.

Bij eukaryoten zitten er ook celorganellen in het cytoplasma. Celorganellen zijn gespecialiseerde onderdelen van de cel met aparte functies, die samenwerken om ervoor te zorgen dat de cel op zichzelf kan leven. Je leert er meer over in hoofdstuk 4.

Het celmembraan bevat twee soorten eiwitten:

• transmembraaneiwitten, die volledig door het membraan steken;

• eiwitten die niet door het membraan steken, de perifere membraaneiwitten

Transmembraaneiwitten en lipiden kunnen aan de buitenzijde van het celmembraan suikerketens bevatten:

• De combinatie van een eiwit en suikerketens is een glycoproteïne

• Een lipide en een suikerketen vormen samen een glycolipide.

Die ketens spelen onder meer een rol in de celherkenning.

©VANIN

Omdat de perifere membraaneiwitten aan de binnen- en buitenzijde verschillend zijn, is het membraan asymmetrisch opgebouwd.

Aan de binnenzijde van het celmembraan bevindt zich het cytoplasma. Dat is de celinhoud zonder kern. Het cytoplasma bestaat vooral uit water, met daarin opgeloste mineralen en biomoleculen.

De vorm en beweeglijkheid van het celmembraan komen tot stand door een netwerk van eiwitten, het cytoskelet. Het cytoskelet is verbonden met het celmembraan. Aan de buitenzijde van het celmembraan komt bij planten, schimmels, protisten en veel prokaryoten vaak een stevige celwand voor. Die celwand ontbreekt bij dierlijke cellen. Wel is er bij zulke cellen een extracellulaire matrix. Dat is een ingewikkeld netwerk tussen de cellen waarin zich heel wat moleculen bevinden. De extracellulaire matrix zorgt voor de verankering en bescherming van cellen in weefsels. Eukaryote cellen hebben naast een celmembraan ook heel wat intracellulaire membraanstructuren.

S Afb. 84

Weergave van de structuur van een celmembraan volgens het vloeibare mozaïekmodel. Dierlijke cellen zitten verankerd in weefsels, doordat bepaalde transmembraaneiwitten verbonden zijn met langgerekte, vezelachtige eiwitten, zoals collageen.

1.2 Functies van membranen

Goed functionerende membranen zijn onmisbaar voor de werking van een cel. We zetten de functies van membranen hier even op een rij.

A Membranen zorgen voor afsluiting

In een membraan kunnen de fosfolipiden vrij bewegen. Daardoor is het membraan heel beweeglijk. De apolaire staarten van de verschillende fosfolipiden zijn echter altijd naar elkaar toe gericht. De schikking van de hydrofiele fosfaatgroepen in het celmembraan zorgt ervoor dat het cytoplasma goed is afgesloten van de vloeistofomgeving buiten de cel.

©VANIN

Het celmembraan is zelfs zo afsluitend dat wanneer je er een naald door steekt en ze daarna terugtrekt, het gaatje zich vanzelf weer sluit.

S Afb. 85

Een menselijke eicel wordt geïnjecteerd met een micronaald die een zaadcel bevat. De linkse structuur dient om de cel vast te houden. Wanneer de naald wordt teruggetrokken, zal het celmembraan zich spontaan weer sluiten. Intracytoplasmatische sperma-injectie stelt mensen met vruchtbaarheidsproblemen in staat om toch kinderen te verwekken.

B Membranen zorgen voor herkenning

Afhankelijk van het celtype ziet de buitenzijde van het celmembraan er anders uit. Die verschillen ontstaan doordat er andere eiwitten, glycolipiden en glycoproteïnen in het membraan voorkomen. De samenstelling van het membraan hangt nauw samen met de functie van de cel. Cellen van dezelfde soort herkennen elkaar doordat ze met elkaar contact maken. Op basis van de verschillen in membraanopbouw herkent het afweersysteem lichaamsvreemde cellen en verwijdert het die uit het lichaam.

©VANIN

S Afb. 86 Deze cellen herkennen elkaar onder andere aan dezelfde soort glycoproteïnen in het celmembraan.

Bij een infectie worden sommige witte bloedcellen aangetrokken tot de plaats van de infectie. Daar maken ze met hun membraaneiwitten contact met de membraaneiwitten van de cellen die in de wand van het bloedvat liggen. Vervolgens kruipen de witte bloedcellen door de bloedvatwand om de infectie te bestrijden.

C Membranen zorgen voor communicatie

Cellen in meercellige organismen kunnen rechtstreeks contact maken en met elkaar communiceren. Een mooi voorbeeld daarvan is de communicatie tussen witte bloedcellen en de cellen van de vaatwand (afbeelding 87). Cellen kunnen echter ook met elkaar communiceren zonder dat ze rechtstreeks met elkaar in contact staan. Voor die communicatie op afstand gebruiken ze signaalmoleculen

Voorbeelden van signaalmoleculen zijn de hormonen die door een bepaalde cel worden afgegeven aan het bloed en zo via de bloedbaan terechtkomen bij doelwitcellen. De doelwitcellen bezitten in hun celmembraan transmembraaneiwitten, die dienstdoen als receptor waarop de signaalmolecule kan binden. Bindt er aan de buitenzijde een signaalmolecule, dan kan er in de cel een reactie volgen.

VOORBEELD INSULINE

Een voorbeeld van een signaalmolecule is insuline. Dat hormoon wordt geproduceerd door pancreascellen en wordt via het bloed naar andere cellen getransporteerd. Insuline past precies op receptoren die op het celmembraan van de levercellen liggen. Nadat het hormoon op de receptor gebonden is, zal de levercel reageren door glucose op te nemen uit het bloed.

Daardoor zal het bloedsuikergehalte, dat na een maaltijd hoog is, opnieuw dalen.

S Afb. 88

Links: een signaalmolecule bindt op de receptor aan de buitenkant van een cel. Op die manier wordt de receptor aan de binnenzijde actief. Rechts: de eiwitstructuur van de insulinereceptor (blauw) in het celmembraan. Links is de signaalmolecule (oranje), in dit geval insuline, vrij. Rechts is er sprake van binding tussen de receptor en de signaalmolecule.

©VANIN

De extracellulaire matrix (ECM) is een ingewikkeld netwerk van specifieke moleculen, zoals eiwitten (bijvoorbeeld collageen) en glycoproteïnen. Het bevindt zich tussen de cellen van dierlijke weefsels.

D Membranen zorgen voor hechting

Aan de buitenzijde van het celmembraan is er bij dierlijke cellen een extracellulaire matrix aanwezig. Die matrix zorgt voor de verankering en bescherming van de cellen in weefsels. De cel is dan verbonden met de omgeving door bepaalde transmembraaneiwitten in het celmembraan, die je celadhesiemoleculen noemt. De celadhesiemoleculen kunnen zich hechten aan langgerekte, vezelachtige eiwitten, zoals collageen. Bij schimmel- en plantencellen daarentegen maakt de celwand de hechting mogelijk. De celwand bespreken we vanaf p. 82.

vezelachtige eiwitten (collageen)

©VANIN

verbindingseiwit celadhesiemolecule

eiwit van het cytoskelet

VERDIEPING

Verbindingen tussen cellen in dierlijke en plantenweefsels kunnen verschillende functies hebben.

Tight junctions zorgen voor nauwe verbindingen tussen cellen, zodat er geen lekkage is van vloeistof door de laag van de epitheelcellen. Tight junctions maken ons waterdicht.

Desmosomen zijn vergelijkbaar met nietjes. Ze hechten bijvoorbeeld spiercellen aan elkaar in een spier.

Gap junctions vormen cytoplasmakanalen van de ene cel naar een aangrenzende cel. Wanneer moleculen er doorheen migreren, ontstaat er communicatie tussen de cellen.

W Afb. 90

Verbindingen tussen cellen in weefsels

S Afb. 89

Dierlijke cellen zijn met behulp van celadhesiemoleculen verbonden met de extracellulaire matrix.

E Membranen zorgen voor de selectieve doorlaatbaarheid van moleculen

Membranen laten bepaalde moleculen door en andere juist niet. Je spreekt daarom van een selectieve doorlaatbaarheid van het membraan

• Kleine apolaire moleculen, zoals O2 en CO2, kunnen door de apolaire laag van het membraan migreren. Dat geldt ook voor kleine ongeladen en vetoplosbare moleculen.

• Veel andere moleculen en ionen kunnen echter niet zonder hulp door het membraan. Ze krijgen daarom de hulp van een transporteiwit om van één zijde van het membraan naar de andere zijde te gaan. Transporteiwitten zijn transmembraaneiwitten die een opening vormen voor een welbepaald ion of een welbepaalde molecule. Op die manier kunnen bijvoorbeeld Mg2+-ionen, glucose en zelfs watermoleculen passeren.

©VANIN

• Macromoleculen, zoals eiwitten, zijn veel te groot om zomaar door het membraan te migreren.

Later in dit hoofdstuk gaan we dieper in op de details van het transport door membranen.

Afb. 91

Veel moleculen en ionen kunnen niet zonder hulp door een membraan passeren door diffusie. Opdat ze toch door een membraan kunnen, zijn er specifieke transporteiwitten nodig. Zo bestaat er bijvoorbeeld voor watertransport een transporteiwit dat aquaporine heet. Voor het glucosetransport is er een glucosetransporter.

S

F Membranen zorgen voor compartimentalisatie

Inwendige membranen zorgen voor het ontstaan van compartimenten, die je in hoofdstuk 4 zult behandelen. De compartimenten vormen celorganellen die gespecialiseerde taken kunnen uitvoeren. Door de samenwerking van celorganellen kan de cel efficiënt functioneren. Die specialisatie heeft de ontwikkeling van al het eukaryote leven mogelijk gemaakt. De vorming van compartimenten zorgt ervoor dat eukaryote cellen groter kunnen worden dan prokaryote cellen.

Het celmembraan vormt de grens tussen de binnen- en buitenkant van een cel. Het membraan omhult het cytoplasma en is opgebouwd uit een dubbele laag fosfolipidemoleculen met eiwitten.

Bij de eukaryote cel zijn er ook inwendige membranen, die opgebouwd zijn uit een dubbele laag fosfolipiden met daarin eiwitten.

Membranen hebben verschillende functies: afsluiting, herkenning, communicatie, hechting, de selectieve doorlaatbaarheid van moleculen en compartimentalisatie.

Opgelet: je mag het celmembraan niet verwarren met de celwand.

De celwand is aanwezig bij onder andere planten- en schimmelcellen.

2 Transport doorheen membranen

Cellen hebben moleculen nodig om te functioneren. Moleculen zoals zuurstofgas, water, glucose en mineralen voorzien de cel bijvoorbeeld van voldoende energie en bouwmaterialen. Tegelijkertijd moeten afvalstoffen de cel verlaten. Het transport van moleculen van en naar de cel hangt af van de situatie en het soort molecule. Zoals je weet, zijn er binnen de eukaryote cel membraancompartimenten aanwezig. Ook daartussen is de uitwisseling van moleculen noodzakelijk.

Kleine ongeladen moleculen kunnen zonder problemen door het membraan. Grotere of geladen moleculen kunnen echter niet door het membraan zonder hulp.

• Je spreekt van passief transport wanneer de verplaatsing door het membraan spontaan gebeurt en het de cel geen energie kost

• Bij actief transport investeert de cel energie om een molecule door een membraan te transporteren.

2.1 Passief transport door diffusie

A Dif fusie: algemeen principe

Wanneer je een parfumflesje opent, kun je de geur ook van een afstand ruiken. Dat komt doordat de moleculen in de lucht beweeglijk zijn en er verspreiding of diffusie zal optreden van de geurmoleculen in de ruimte.

Diffusie is de verplaatsing van moleculen in een gas of vloeistof met de concentratiegradiënt mee: van de plaats waar de concentratie van die deeltjes het hoogst is, naar de plaats met een lagere concentratie. Dat proces blijft doorgaan tot de concentratie aan moleculen overal gelijk is.

blokje kleurstof

©VANIN

S Afb. 92

Door hun kinetische energie bewegen de moleculen zich willekeurig in de oplossing. Netto resulteert dat erin dat de moleculen zich ‘met de concentratiegradiënt mee’ lijken te bewegen, tot de concentratie overal gelijk is.

B Dif fusie doorheen een membraan

Diffusie kan ook optreden tussen vloeistoffen die van elkaar gescheiden zijn door een membraan. Dat gebeurt alleen wanneer de moleculen ongehinderd door het membraan kunnen. Als er een concentratieverschil is aan de twee zijden van het membraan, dan zorgt diffusie ervoor dat de concentratie aan beide zijden gelijk wordt. Dat kost de cel geen energie.

Diffusie vindt ook plaats bij ionen. Ionen met dezelfde lading zullen zich maximaal verspreiden, tot de nettolading aan beide zijden hetzelfde is.

S Afb. 93

Bij diffusie bewegen de opgeloste ongeladen deeltjes (A) en geladen deeltjes (C) door het membraan met de gradiënt mee. De eindsituatie ontstaat wanneer de concentraties of ladingen aan beide zijden gelijk zijn (B en D).

C Geleide diffusie door een transporteiwit

Geleide diffusie is een vorm van passief transport waarbij geladen, grotere of polaire moleculen vrij door het membraan kunnen bewegen met behulp van gespecialiseerde transporteiwitten

Voorbeelden zijn water, aminozuren, suikers en ionen. Transporteiwitten vormen daarbij een porie door het membraan. Er bestaan twee groepen transporteiwitten: kanaaleiwitten en carriereiwitten. Ze zijn meestal heel selectief. Dat wil zeggen dat ze maar één type molecule of ion doorlaten. Kanaaleiwitten en carrier-eiwitten komen voor in alle membranen in de cel.

De moleculen bewegen trouwens nog altijd met de concentratiegradiënt mee. Daardoor kost het proces de cel geen energie.

C1 Kanaaleiwitten

Kanaaleiwitten vormen kleine, selectieve poriën waardoor bijvoorbeeld water of ionen zich kunnen verplaatsen. De eiwitten vergemakkelijken de diffusie door de apolaire dubbele fosfolipidenlaag.

Voorbeelden van kanaaleiwitten zijn aquaporines en ionenkanalen:

• Aquaporines transporteren water. Je vindt ze terug in celmembranen en interne membranen van zowel prokaryoten als eukaryoten.

• Ionenkanalen vereenvoudigen het transport van bijvoorbeeld Na+, K+, Ca2+ of Cl–. Ze kunnen zowel geopend als gesloten worden en zijn heel selectief voor het ion dat ze transporteren. De geleide diffusie van ionen is bijvoorbeeld essentieel bij de verplaatsing van een zenuwimpuls door een zenuwcel.

kanaaleiwit (aquaporine)

kanaaleiwit (kalium-ionenkanaal)

watermolecule

extracellulaire kant

concentratiegradiënt

diffusierichting

hoog laag

intracellulaire kant

Aquaporines en K+-ionenkanalen zijn voorbeelden van kanaaleiwitten die met behulp van geleide diffusie watermoleculen of K -ionen kunnen verplaatsen doorheen het apolaire fosfolipidenmembraan. fosfolipidendubbellaag

K⁺ diffundeert met de gradiënt mee naar buiten

extracellulaire kant

concentratiegradiënt

diffusierichting laag hoog

intracellulaire kant ionenkanaal gesloten open na activatie

©VANIN

S Afb. 94

C2 Carrier-eiwitten

Carrier-eiwitten gaan een binding aan met een specifieke molecule of een specifiek ion, om ze vervolgens te transporteren. Na de binding verandert het eiwit in de meeste gevallen van vorm, zodat de molecule of het ion kan vrijkomen aan de andere zijde van het membraan. De binding van de getransporteerde molecule of het ion aan het carrier-eiwit is gelijkaardig aan de manier waarop substraten op enzymen binden. Dat gebeurt door de interactie van de moleculen of ionen met restgroepen van aminozuren op een bindingsplaats.

Dierlijke cellen hebben selectieve glucosetransporters. Die zorgen voor de opname van glucose in de cel. Bij planten zijn glucosetransporters betrokken bij het transport van de fotosyntheseproducten.

©VANIN

1. De bindingsplaats is vrij.

buiten de cel

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

cytoplasma

glucosemolecule

carrier-eiwit

bindingsplaats voor glucose

2. Glucose bindt op de bindingsplaats.

concentratiegradiënt diffusierichting

3. Na de binding met glucose zal het carrier-eiwit van vorm veranderen, waardoor de bindingsplaats beschikbaar wordt aan de andere kant van het membraan.

S Afb. 95

Een voorbeeld van een carrier-eiwit is de glucosetransporter. Doordat glucose op een specifieke plaats op het transporteiwit bindt, ontstaat er een vormverandering. Zo kan er aan de andere zijde glucose vrijkomen.

VERDIEPING

Hemodialyse

De nieren houden de samenstelling van het bloed constant door ongewenste stoffen, zoals afvalstoffen van de stofwisseling en giftige stoffen uit de voeding, te verwijderen. Wanneer de nieren niet goed werken, is hemodialyse (hemo = bloed) noodzakelijk. Tijdens een dialyse worden afvalstoffen en overtollig vocht uit het lichaam verwijderd. De patiënt ondergaat de behandeling meestal drie keer per week. Ze duurt drie tot vier uur.

©VANIN

spoelvloeistof

gedialyseerd bloed

ongedialyseerd bloed

buisjes

Bij hemodialyse stroomt het bloed door een kunstnier, die aangesloten is op een hemodialysetoestel. Een kunstnier bestaat uit een plastic cilinder waarbinnen zich talloze buisjes bevinden die opgebouwd zijn uit een semipermeabel membraan. Het bloed uit de nierpatiënt is afkomstig van een shunt. Dat is een gedeeltelijke verbinding tussen een ader en een slagader die men bekomt na een operatie. Daardoor is er plaatselijk meer bloeddoorstroming en is de wand beter geschikt voor veelvuldig aanprikken. Het bloed wordt vervolgens door de buisjes geleid, terwijl aan de buitenzijde een spoelvloeistof in tegenovergestelde richting langs de membranen passeert. De spoelvloeistof (= dialysaat) heeft een samenstelling die lijkt op die van bloedplasma, maar zonder de afvalstoffen. Daardoor migreren die afvalstoffen netto van de plek met een hoge concentratie naar die met een lage concentratie.

Dialyse is dus een voorbeeld van diffusie van moleculen vanuit het bloed door een semipermeabel membraan naar een spoelvloeistof. Grotere moleculen, zoals eiwitten en cellen, kunnen niet door het membraan. Door de druk in de capillairen te verhogen, kan men ook overtollig vocht verwijderen.

Meer weten over hemodialyse?

Bekijk de video.

S Afb. 96

Het hemodialysetoestel bestaat uit een aantal pompen die ervoor zorgen dat het bloed vanuit het lichaam door de kunstnier (uiterst links) en weer terug naar het lichaam wordt gebracht.

2.2 Passief transport door osmose

A Osmose: algemeen principe

Osmose is de verplaatsing van water door een half doorlaatbaar of semipermeabel membraan De verplaatsing wordt veroorzaakt door een concentratieverschil van opgeloste moleculen aan beide zijden van het membraan. De opgeloste moleculen zijn daarbij te groot om door het membraan te gaan. Een voorbeeld van zo’n opgeloste molecule is de disacharide sucrose. De watermoleculen zullen zich in dat geval netto verplaatsen naar de zijde met een hogere concentratie aan sucrose, maar een lagere waterconcentratie.

Dat proces gaat door tot er een evenwicht ontstaat tussen de oplossingen aan beide zijden van het membraan. De stijging van het water veroorzaakt een verhoging van de druk, die verhindert dat er zich nog meer water verplaatst. Bij dat osmotisch evenwicht is de verplaatsing van water in beide richtingen gelijk. Aangezien osmose in principe de nettobeweging van watermoleculen is van een plek met een hoge concentratie aan waterdeeltjes naar een plek met een lagere concentratie, investeert de cel geen energie. Het is dus een vorm van passief transport.

STARTSITUATIE

lagere concentratie aan sucrose hogere concentratie aan sucrose

©VANIN

sucrosemolecule

H2O

Watermoleculen kunnen door het membraan, sucrosemoleculen (groen) niet.

Aan deze kant zitten relatief meer watermoleculen.

semipermeabel membraan

SITUATIE NA EEN TIJDJE gelijke concentraties aan sucrose

Watermoleculen diffunderen naar de plaats met relatief minder watermoleculen.

Aan deze kant zitten relatief meer sucrosemoleculen.

S Afb. 97

Opstelling om osmose aan te tonen. Onderaan in een U-vormige buis monteert men een semipermeabel membraan. De watermoleculen, die door het membraan kunnen, blijven netto migreren tot de concentratie aan water aan beide zijden gelijk is. Sucrose is een voorbeeld van een opgeloste molecule die niet door het membraan kan.

LABO 05

LABO 06

osmose

Op afbeelding 98 zijn er aan de rechterkant van de buis eerst meer sucrosemoleculen aanwezig dan aan de linkerkant. Osmose zorgt voor een waterverplaatsing, waardoor het volume van de rechterbuis stijgt. Je kunt voorkomen dat er osmose optreedt door een tegendruk uit te oefenen op de vloeistof in de beginsituatie. Die tegendruk of osmotische druk is afhankelijk van de concentratie aan opgeloste moleculen. In dit voorbeeld zal de druk hoger worden als de concentratie aan sucrose stijgt.

De osmotische waarde is een maat voor de concentratie aan opgeloste moleculen die zorgen voor osmose. Hoe geconcentreerder de oplossing, hoe hoger de osmotische waarde.

©VANIN

tegendruk = osmotische druk

sucrose molecule

H2O

S Afb. 98

De osmotische druk is het drukverschil dat als gevolg van osmose ontstaat tussen twee oplossingen met een verschillende concentratie aan opgeloste moleculen. Op de afbeelding geeft een gewicht die druk weer. Dat gewicht moet je boven op de meer geconcentreerde oplossing plaatsen om de doorvoer van watermoleculen vanuit de minder geconcentreerde oplossing te stoppen.

semipermeabel membraan

hypertonischhypotonisch isotonischisotonisch

S Afb. 99

De osmotische waarde van een oplossing ten opzichte van haar buuroplossing

Vaak vergelijkt men de osmotische waarden van twee oplossingen die van elkaar gescheiden zijn door een semipermeabel membraan. Er zijn dan drie mogelijkheden:

1 De osmotische waarde van een oplossing is kleiner dan die van haar buuroplossing. → Ze is hypotonisch (of hypotoon).

2 De osmotische waarden van beide oplossingen zijn gelijk.

→ Ze zijn isotonisch (of isotoon) ten opzichte van elkaar.

3 De osmotische waarde van een oplossing is groter dan die van haar buuroplossing. → Ze is hypertonisch (of hypertoon).

Het cytoplasma van een cel heeft een eigen osmotische waarde, omdat er moleculen en mineralen in zijn opgelost. De oplossing buiten de cel kan isotonisch zijn, maar ook hypertonisch of hypotonisch. Op die manier kunnen er drie situaties ontstaan. We bespreken die drie situaties voor plantencellen en voor dierlijke cellen. Op afbeelding 100 zie je een overzicht van die situaties.

S Afb. 100

Links: bij cellen in een hypotone omgeving beweegt het water naar binnen, waardoor de cellen onder druk komen te staan. Midden: als planten een tijdlang geen water krijgen, wordt de omgeving zo droog en hypertonisch dat er water uit de vacuolen van de cellen wordt gezogen. Daardoor gaat de plant er slap uitzien.

Rechts: bij cellen in een hypertone omgeving beweegt het water naar buiten, waardoor de cellen krimpen.

B Osmose bij cellen in een hypotonische omgeving

Cellen die omgeven zijn door een hypotonische omgeving, zullen water opnemen en een drukopbouw ervaren. Wanneer de druk bij dierlijke cellen (en andere cellen zonder celwand) te sterk toeneemt, kan de cel sterven doordat het membraan breekt. Dat noem je cellyse Vandaar dat dierlijke cellen het best overleven in een isotonische omgeving.

©VANIN

Plantencellen, schimmelcellen en de meeste prokaryoten bevatten een stevige celwand. De celwand zorgt, als er genoeg water is, voor voldoende druk op de cel. Hij zorgt er ook voor dat het celmembraan niet barst. De inhoud van de vacuolen in plantencellen is hypertonisch, waardoor ze veel water opnemen en er drukopbouw is tegen de celwand. Dat noem je de turgordruk. Als de cel haar grootste volume heeft bereikt binnen de celwand, is ze volledig gespannen of turgescent.

S Afb. 101

De cellen in rijpe kersen zijn rijk aan suikers en zijn hypertonisch ten opzichte van regenwater. Wanneer er regen op valt, kunnen de cellen door osmose veel water opnemen. Daardoor zwellen ze en barst de kers.

S Afb. 102

De gezwollen buik bij een ernstig ondervoede persoon noem je ‘hongeroedeem’. Dat wordt veroorzaakt door een ophoping van vocht (oedeem). Door voedselgebrek is er een tekort ontstaan aan eiwitten in het bloed, waardoor het bloed hypotonisch wordt ten opzichte van het weefselvocht. Vervolgens verplaatst water zich vanuit de bloedvaten naar het weefselvocht.

C Osmose bij cellen in een isotonische omgeving

©VANIN

In een isotonische omgeving zal er evenveel water in als uit de cel stromen, waardoor het celvolume gelijk blijft. Die situatie ondervinden bijvoorbeeld menselijke cellen in weefsels, doordat het bloed isotonisch is met de celinhoud. Bij zoogdieren zorgen onder andere de nieren ervoor dat het bloed isotonisch is ten opzichte van de weefsels.

W Afb. 103

Wanneer men in een ziekenhuis een infuus toedient aan een patiënt, maakt men vaak gebruikt van een fysiologische zoutoplossing (0,9 % NaCl), omdat die oplossing isotonisch is met het bloed.

D Osmose bij cellen in een hypertonische omgeving

Cellen in een hypertonische omgeving verliezen water omdat het uit de cel gezogen wordt.

Het gevolg is dat de cellen krimpen.

S Afb. 104

Met een concentratie van ongeveer 33 % aan zouten heeft het water van de Dode Zee zo’n hoge dichtheid dat je erin kunt blijven drijven. Het hoge zoutgehalte veroorzaakt wel een extreem hypertonische omgeving, waardoor er enkel aangepaste organismen in kunnen blijven leven.

S Afb. 105

Lamsoor (Limonium vulgare) komt onder meer voor aan het Zwin en is een halofyt. Halofyten zijn planten die kunnen overleven in een zout milieu door zelf veel zout op te slaan in hun vacuolen. Daardoor blijven de cellen hypertonisch ten opzichte van het zoute milieu waarin ze groeien.

VERDIEPING

Mucoviscidose of cystische fibrose

Mucoviscidose of cystische fibrose is een erfelijke ziekte waardoor ernstige problemen ontstaan met de longen, het spijsverteringstelsel, de zweetklieren, de geslachtsorganen en de lever. In België zijn er vandaag ongeveer 1 300 mensen met muco gekend. De ziekte start op heel jonge leeftijd en de klachten nemen toe naarmate de patiënt ouder wordt. Ongeveer 1 op de 22 Belgen is drager, maar ontwikkelt geen ziekte. Enkel wanneer het kind van beide ouders het gendefect erft, krijgt het symptomen.

Mucoviscidose is het gevolg van fouten of mutaties in het gen voor het CFTR-transporteiwit (CFTR is de afkorting van Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator). Dat chloorkanaaleiwit bevindt zich onder andere in het celmembraan van slijmproducerende cellen.

Behandeling van mucoviscidose met kinesitherapie door de longen en de neus slijmvrij te maken

Wanneer het transport van chloorionen van binnen naar buiten de cel normaal verloopt, wordt het slijm (of mucus) hypertonisch ten opzichte van de celinhoud. Dat veroorzaakt osmose. Watermoleculen verplaatsen zich door osmose naar het slijm. Daardoor heeft het door de cel afgescheiden slijm de juiste verhouding tussen water en opgeloste stoffen. Bij een defect CFTR-eiwit is er geen chloortransport en daarom ook minder transport van watermoleculen. Er ontstaat een taaier slijm. In dat slijm werken de trilharen van de luchtwegen minder goed. Het taaiere slijm maakt de patiënt ook gevoeliger voor bacteriële infecties.

normaal transport van Cl–-ionen

normaal CFTR-eiwit

dunner slijm

©VANIN

defect CFTR-eiwit

S Afb. 107

geen transport van Cl–-ionen

taai slijm

Defecte CFTR-eiwitten als gevolg van mutaties in het CFTR-gen leiden tot een slecht functionerend transport van chloorionen. Taai slijm hoopt zich dan op buiten de cellen in de longen, de pancreas en andere organen. Dat resulteert in cystische fibrose.

S Afb. 106

Adenosinetrifosfaat (ATP) is een hoogenergetische nucleotidemolecule die verder wordt toegelicht in thema 02.

2.3 Actief transport

Passief transport is de nettoverplaatsing van moleculen en ionen met de concentratiegradiënt mee. Het is echter ook mogelijk om moleculen en ionen te transporteren tegen de concentratiegradiënt in. Dat wil zeggen: van een plaats met een lagere concentratie naar een plaats met een hogere concentratie. Die verplaatsing gebeurt door actief transport Bij actief transport moet de cel energie investeren om moleculen of ionen te transporteren. De transporteiwitten die daarvoor noodzakelijk zijn, werken als pompen. Die transporteiwitten verbruiken dus energie, meestal in de vorm van ATP

©VANIN

VOORBEELD NATRIUM-KALIUMPOMP

Een voorbeeld van een pomp die aanwezig is in het celmembraan van dierlijke cellen, is de natrium-kaliumpomp (of Na+/K+-pomp). De pomp verplaatst Na+-ionen uit de cel en brengt K+-ionen naar binnen.

Bij de meeste dierlijke cellen is de K+-concentratie binnen de cel, in het cytoplasma, veel hoger dan buiten de cel. Voor Na+ geldt het omgekeerde: die concentratie is in de cel lager dan erbuiten. Voor beide ionen is er dus een concentratiegradiënt met een tegengestelde richting. Die gradiënten worden verkregen en onderhouden doordat de cel actief beide ionen naar binnen of naar buiten verplaatst. Eén ATP-molecule levert de energie om twee K+ionen in de cel te pompen en tegelijkertijd drie Na+-ionen uit de cel te pompen.

Voor de werking van cellen is het belangrijk dat de concentratiegradiënten behouden blijven, ook al stromen er heel wat ionen terug via diffusie. Het in stand houden van de concentratiegradiënten is een continu proces dat bijvoorbeeld belangrijk is om zenuwcellen en spiercellen goed te laten functioneren.

concentratiegradiënt

richting

Na⁺-transport

richting K⁺-transport

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

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

hoog Na⁺, laag K⁺

Na⁺/K⁺-pomp plasmamembraan

laag Na⁺, hoog K⁺

5. Door de afsplitsing van de fosfaatgroep verandert de pomp opnieuw van vorm, waardoor de bindingsplaatsen weer gericht staan naar het cytoplasma.

4. Door de vormverandering kunnen twee K⁺ binden.

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

3. Door de vormverandering worden drie Na⁺ gedwongen om hun plaats te verlaten. Er komen twee plaatsen vrij voor de binding van K⁺.

S Afb. 108

De Na+/K+-pomp ligt in het celmembraan van dierlijke cellen en brengt drie Na+-ionen tot buiten de cel, terwijl er twee K+-ionen naar binnen worden gepompt. Dat gebeurt in een cyclus, zoals aangegeven.

W Afb. 109

Een ATP-afhankelijke protonpomp is een transmembraaneiwit dat met behulp van actief transport protonen naar buiten kan pompen, waardoor er een omgeving met een lagere pH ontstaat. De pomp komt voor in het celmembraan van plantencellen en dierlijke cellen. Zo zullen bijvoorbeeld speciale cellen in de maagwand het milieu in de maag zuur houden door protonen af te scheiden.

S Afb. 110

Een protonpompremmer is een geneesmiddel dat de werking van de pomp remt. Zo zal de molecule omeprazol ervoor zorgen dat het maagzuur minder zuur wordt. Daardoor verminderen klachten van maagzweren en opstijgend brandend maagzuur (reflux).

De onderstaande afbeelding vat de verschillen tussen passief en actief transport samen.

Passief transport: de moleculen diffunderen spontaan doorheen het membraan met de concentratiegradiënt mee. De snelheid van de diffusie wordt voor veel moleculen sterk verhoogd door transporteiwitten.

Actief transport: bepaalde transporteiwitten werken als pompen, omdat ze moleculen tegen de richting van de concentratiegradiënt in transporteren. Ze verbruiken daarvoor wel energie, bijvoorbeeld in de vorm van ATP.

passief transport

hoge concentratie aan opgeloste stoffen

©VANIN

lage concentratie aan opgeloste stoffen

diffusie

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

geleide diffusie

Water, aminozuren, suikers en ionen maken gebruik van selectieve kanaaleiwitten of carrier-eiwitten (met een binding van de molecule) om door het membraan te kunnen.

actief transport

Het transport door membranen is beperkt tot kleine moleculen. Als een cel grotere moleculen of grotere aantallen van een molecule wil opnemen, zijn er ook transportmogelijkheden met blaasjes. Die bestudeer je in hoofdstuk 4.

S Afb. 111

3.1 Bouw van de celwand

A Overzicht

Als je planten-, bacterie-, protisten- en schimmelcellen bestudeert, vind je een structuur terug die het celmembraan omgeeft: de celwand. Dat is een verstevigende laag aan de buitenzijde van het celmembraan.

©VANIN

• Een belangrijk bestanddeel in de plantaardige celwand is cellulose

• De celwand van een bacteriecel is opgebouwd uit peptidoglycaanmoleculen.

• De celwand van schimmelcellen bevat vooral chitinemoleculen

• Dierlijke cellen hebben nooit een celwand.

W Afb. 112

Stuifmeel, zoals dat van Eucalyptus op de afbeelding, heeft een stevige celwand. Daardoor ontstaan er vormen die kenmerkend zijn voor de plantensoort waarvan het stuifmeel afkomstig is.

W Afb. 113

Gisten zijn eencellige schimmels. De gistcellen zijn omgeven door een celwand.

Afb. 114

Bacteriecellen hebben een celwand.

W

B De celwand bij plantencellen

Bij een plantencel bestaat de celwand uit een dunne primaire en een dikkere secundaire celwand. Het primaire deel, waarin veel cellulose zit, ontstaat eerst en wordt later aangevuld met een stevige secundaire celwand, waarin houtstof of lignine kan zitten. De middenlamel is de wand die twee buurcellen met elkaar verbindt. Daarin zit onder andere pectine. De polysacharide pectine is een molecule die een belangrijke rol speelt in de hechting van plantencellen.

Afb. 115

De celwand van plantencellen is opgebouwd uit verschillende lagen, die elk een andere moleculaire samenstelling hebben.

Een belangrijk bestanddeel in de plantaardige celwand is cellulose. Cellulose bestaat uit lange polymeren van glucosemoleculen. Die polymeren vormen een stevig netwerk. In de celwand zitten vaak ook ronde kanalen die zorgen voor transport en communicatie tussen de cellen. Die kanalen vormen echte verbindingen tussen het cytoplasma van twee cellen en staan bekend als plasmodesmata

plasmodesma

©VANIN

S Afb. 116

Links: SEM-beeld van bamboeplantencellen. In tegenstelling tot dierlijke cellen zijn plantencellen ingesloten in een beschermende stijve celwand. De ronde kanalen in de wanden staan bekend als plasmodesmata. Rechts: SEM-beeld van cellulosevezels in de celwand van een alg, met een diameter van 5 tot 15 nm

S

Peptidoglycaan is een typische bacteriële substantie die de celwand verstevigt. Het is een polymeer dat bestaat uit polysachariden en aminozuren. Sommige antibiotica kunnen de groei van bacteriën remmen, doordat ze de bouw van de celwand verstoren. Het antibioticum penicilline blokkeert het enzym transpeptidase, dat verantwoordelijk is voor de opbouw van peptidoglycaan in de bacteriële celwand. Zo zorgt penicilline ervoor dat bacteriën minder makkelijk groeien.

3.2 Functies van de celwand

buitenmembraan met polysachariden laag met peptidoglycaan

celmembraan

©VANIN

W Afb. 117 De celwand van een bacterie bestaat uit een laag met peptidoglycaanmoleculen en een buitenmembraan met polysachariden.

De celwand geeft vorm, stevigheid en bescherming aan de cel. Tussen de moleculen in de celwand zitten kleine openingen, die ervoor zorgen dat de celwand doorlaatbaar is voor verschillende moleculen.

Als je de celwand kunstmatig verwijdert, door ze bijvoorbeeld af te breken met een enzym, worden de nog levende cellen enkel omgeven door een celmembraan. De cellen verliezen dan hun vorm en worden bolletjes.

W Afb. 118

Een protoplast is een planten-, bacterie- of schimmelcel die men heeft behandeld om de taaie buitenste celwand te verwijderen. Daardoor ontstaan er bolletjes, waarbij enkel het delicate celmembraan de celinhoud nog samenhoudt. Zonder celwand zijn die cellen bijvoorbeeld gemakkelijker te manipuleren in een labo. De celwand kan later nog teruggroeien. Op de afbeelding zie je plantaardige cellen met chloroplasten (100x vergroot).

De celwand is een verstevigende laag aan de buitenzijde van het celmembraan. Ze geeft vorm, stevigheid en bescherming aan de cel.

• Een belangrijk bestanddeel in de plantaardige celwand is cellulose

• De celwand van een bacteriecel is opgebouwd uit peptidoglycaanmoleculen

• De celwand van schimmelcellen bevat vooral chitinemoleculen.

• Dierlijke cellen hebben nooit een celwand

transmembraaneiwit

WEETJE

AAN DE SLAG

Om bij een patient vocht toe te dienen, gebruikt men een infuus met een fysiologische zoutoplossing (0,9 % NaCl). Nochtans is de samenstelling van die oplossing heel erg verschillend van de samenstelling van plasma en extracellulair vocht. Waarom is die oplossing toch geschikt om vocht toe te dienen?

Je maakt een fruitsalade met stukjes fruit en kristalsuiker. Je plaatst ze enkele uren in de koelkast en merkt dat er vloeistof in de kom staat. Verklaar.

Leg uit waarom actief transport alleen verloopt met gebruik van energie.

Waarom is het dodelijk om op korte tijd heel veel water te drinken?

Bestudeer het watertransport in de onderstaande cellen. Noteer welke cel isotonisch, hypotonisch of hypertonisch is ten opzichte van de omgeving.

Je onderzoekt het verschijnsel osmose en gaat daarbij als volgt te werk.

Van een rauw ei verwijder je de schaal door het ei enkele dagen in azijn te leggen. De eierschaal lost op en het ei is nu alleen omgeven door het celmembraan. Je stelt vast dat het ei groter is geworden en besluit daaruit dat er osmose heeft opgetreden.

Met welk proefje kun je met datzelfde ei aantonen dat osmose een omkeerbaar proces is?

Voorspel wat je zult waarnemen en verklaar.

Welke begrippen zijn van toepassing op het proces van geleide diffusie?

actief transport – passief transport –kanaaleiwitten – tegen de concentratiegradiënt in – met de concentratiegradiënt mee –pompen – carrier-eiwitten

Bespreek hoe de volgende deeltjes door het celmembraan heen kunnen bewegen.

a zuurstofgas

b koolstofdioxide

c natriumion

d glucose

Meer oefenen? Ga naar .

HOOFDSTUKSYNTHESE

CELMEMBRAAN

= lipidendubbellaag tussen een cel en haar omgeving

Bouw

CELWAND

Functies

• afsluiting

• herkenning

• communicatie

• hechting

• selectieve doorlaatbaarheid van moleculen

• compartimentalisatie

©VANIN

Bouw

Plantencel

= verstevigende laag aan de buitenzijde van het celmembraan bij planten, schimmels, protisten en veel prokaryoten

Functies

• Cellulose is een belangrijk bestanddeel van de plantaardige celwand.

• Is opgebouwd uit een dunne primaire en dikkere secundaire celwand.

• In de celwand zitten vaak ook ronde kanalen die zorgen voor transport en communicatie tussen de cellen. Die kanalen vormen echte verbindingen tussen het cytoplasma van twee cellen (= plasmodesmata).

Bacteriecel De celwand is opgebouwd uit peptidoglycaanmoleculen

Schimmelcel De celwand bevat vooral chitinemoleculen

Dierlijke cel

Heeft nooit een celwand.

Geeft vorm, stevigheid en bescherming aan de cel.

TRANSPORT DOORHEEN MEMBRANEN

PASSIEF TRANSPORT

Uitleg • De nettoverplaatsing van moleculen gebeurt spontaan met de concentratiegradiënt mee (van een plaats met een hogere concentratie naar een plaats met een lagere concentratie).

• Het transport kost de cel geen energie.

Voorbeeld • Diff usie is de nettoverplaatsing van moleculen met de concentratiegradiënt mee tot de concentratie aan moleculen overal gelijk is.

• Geleide diffusie is de nettoverplaatsing van moleculen met de concentratiegradiënt mee via gespecialiseerde transporteiwitten (kanaaleiwitten en carrier-eiwitten).

• Osmose is de nettoverplaatsing van water door een semipermeabel membraan, veroorzaakt door een concentratieverschil van opgeloste moleculen aan beide zijden van het membraan.

hoge concentratie aan opgeloste stoffen

ACTIEF TRANSPORT

• De verplaatsing gebeurt tegen de concentratiegradiënt in (van een plaats met een lagere concentratie naar een plaats met een hogere concentratie).

• Het kost de cel energie (bv. in de vorm van ATP).

Transporteiwitten werken als pompen om de moleculen of ionen te transporteren doorheen het membraan (bv. de natrium-kaliumpomp).

passief transport actief transport

©VANIN

lage concentratie aan opgeloste stoffen

diffusie

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

geleide diffusie

Water, aminozuren, suikers en ionen maken gebruik van selectieve kanaaleiwitten of carrier-eiwitten (met een binding van de molecule) om door het membraan te kunnen.

Schema

HOOFDSTUK 4

Î Subcellulaire structuren bij eukaryoten

In eukaryote en prokaryote cellen komen verschillende structuren voor die elk een specifieke functie uitoefenen. Bij eukaryoten zijn er in de cel door membranen omringde structuren die je bij prokaryoten niet terugvindt. Andere structuren bestaan uit macromoleculaire eiwitcomplexen. Die structuren binnen in de cel kun je vergelijken met de organen in een lichaam. Daarom noem je ze celorganellen. Pas wanneer elk organel correct zijn specifieke rol vervult, kan de cel functioneren als geheel. In dit hoofdstuk leer je de verschillende celorganellen en hun belang kennen.

LEERDOELEN

M De organellen in een cel herkennen en hun bouw beschrijven

M De f unctie van de organellen in een cel toelichten

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

1 De celkern

Zowel de eiwitsynthese als de verdubbeling van DNA komt later nog uitgebreid aan bod.

©VANIN

De celkern of nucleus is de plaats waar het erfelijk materiaal, het DNA (desoxyribonucleïnezuur), wordt opgeslagen. DNA bevat alle informatie die nodig is voor de aanmaak van eiwitten in de cellen. De celkern is afgescheiden van het cytoplasma door het kernmembraan, dat uit twee fofolipidedubbellagen bestaat. Door de aanwezigheid van poriën in dat membraan is er een uitwisseling mogelijk van moleculen tussen het kernplasma of nucleoplasma en het cytoplasma. Langs die weg vindt er snel en selectief transport van moleculen plaats. Zo zullen alle moleculen die nodig zijn voor de eiwitsynthese, die in het cytoplasma gebeurt, via die poriën de kern verlaten. Anderzijds zullen enzymen die nodig zijn voor de verdubbeling van DNA, via die weg in de kern terechtkomen.

In de kern zitten ook een of meerdere nucleoli of kernlichaampjes. Die bestaan uit chromatine, RNA en eiwitten. Chromatine is samengesteld uit DNA en eiwitten. Het DNA in een nucleolus bevat de informatie die nodig is voor de aanmaak van ribosomen. Die macromoleculaire eiwitcomplexen zijn belangrijk voor de eiwitsynthese. Je bestudeert ze verderop in dit hoofdstuk.

S Afb. 119

Schematische voorstelling van de celkern met het kernmembraan, de nucleolus, een kernporie en chromatine

W Afb. 120

Ingekleurd TEM-beeld van een nucleus. Je kunt het kernmembraan (geel), de chromatine (groen), het kernplasma (lichtbruin) en de nucleolus (paars) goed onderscheiden.

©VANIN

Het DNA zit gewonden rond een complex van eiwitten. Dat warrige geheel noem je chromatine Vlak voordat een cel zich deelt, wordt het DNA verdubbeld en zal het in een heel compacte vorm worden opgevouwen. De chromosomen komen dan voor als korte, staafvormige structuren met een X-vorm. Beide helften van het chromosoom, de chromatiden, zijn identiek.

S Afb. 121 Karyogram van een mannelijke woelmuis (Myodes glareolus). De twee chromosomen rechts onderaan zijn de geslachtschromosomen.

W Afb. 122

SEM-opname van een menselijk chromosoom. Het bestaat uit twee identieke chromatiden.

chromatide

Tijdens de celdeling is het mogelijk om met een microscoop een foto te maken van de chromosomen en ze te rangschikken volgens grootte. Op die manier bekom je een chromosomenkaart of karyogram. Een karyogram bestaat uit een aantal chromosomenparen, waarbij telkens één chromosoom afkomstig is van de moeder en één van de vader. Het geslachtschromosomenpaar plaats je op het einde.

Prokaryoten hebben geen kern, maar ze bezitten wel erfelijk materiaal. Het DNA is cirkelvormig en bevindt zich in het cytoplasma. Bij bacteriën kun je ook plasmiden terugvinden. Dat zijn kleine, cirkelvormige DNA-moleculen die erfelijke informatie bevatten voor bijvoorbeeld resistentie tegen een antibioticum.

©VANIN

WEETJE

Rode bloedcellen of erytrocyten zijn cellen zonder kern. Ze vervoeren zuurstofgas van de longen naar de weefsels, en koolstofdioxide van de weefsels naar de longen, waar het wordt uitgeademd. Nieuwe rode bloedcellen worden aangemaakt in het beenmerg in je borstbeen, je ribben en je bekken, en bij kinderen ook in het merg van de lange beenderen. Op die plaatsen zitten stamcellen, die zich delen en rijpen tot rode bloedcellen. Dat hele proces neemt ongeveer 6 dagen in beslag. Wanneer de cel rijp is, verliest ze haar kern. Een rode bloedcel leeft ongeveer 120 dagen.

S Afb. 123

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

10 µm

2 Het endoplasmatisch reticulum

Het endoplasmatisch reticulum (ER) bestaat uit een sterk geplooid membraan, dat buisjes en afgeplatte zakjes vormt. In het ER kun je twee gebieden onderscheiden: het ruw endoplasmatisch reticulum en het glad endoplasmatisch reticulum.

2.1 Het ruw endoplasmatisch reticulum

Het ruw endoplasmatisch reticulum (RER) sluit nauw aan bij de kern. Aan de cytoplasmatische kant van het membraan bevinden zich ribosomen, waardoor het onder de elektronenmicroscoop een ruw uiterlijk heeft.

De ribosomen op het RER maken eiwitten aan. Die komen via porie-eiwitten in het ER terecht. De daar aanwezige enzymen zullen helpen om de pas gevormde eiwitten op te vouwen. Dat doen ze door bijvoorbeeld disulfidebruggen te vormen tussen cysteïneaminozuren in de eiwitketen. Vervolgens worden de eiwitten verpakt in transportblaasjes, die zich afsnoeren van het ER en vervoerd worden naar het Golgi-apparaat voor afwerking. Wanneer de eiwitten afgewerkt zijn, kunnen ze bijvoorbeeld deel gaan uitmaken van membranen of een functie vervullen als enzym,

RER = Rough Endoplasmic Reticulum

©VANIN

S Afb. 124

Links en midden: bouw van het RER en SER Rechts: ingekleurd TEM-beeld van een plasmacel. Omdat plasmacellen veel eiwitten aanmaken, is hun RER heel uitgebreid.

SER = Smooth Endoplasmic Reticulum

2.2 Het glad endoplasmatisch reticulum

Het glad endoplasmatisch reticulum (SER) bezit geen ribosomen

Functies:

• In het membraan van het SER liggen enzymen ingebed die een rol spelen bij de aanmaak van lipiden. Als er nieuw membraanmateriaal nodig is, maken ze bijvoorbeeld cholesterol en fosfolipiden aan. Het ER is op bepaalde plaatsen verbonden met het kernmembraan en maakt ook contact met alle celorganellen en met het celmembraan. Door die contacten kunnen fosfolipiden en cholesterol zich rechtstreeks verplaatsen naar de membranen van andere organellen.

• Het SER zorg t ook voor calciumopslag.

• Het speelt een rol bij stofwisselingsprocessen, die per celtype kunnen verschillen. Zo zal in levercellen het SER helpen bij het ontgiften van medicijnen of alcohol. In cellen van de bijnierschors staat het dan weer in voor de productie van steroïdhormonen, zoals cortisol.

endoplasmatisch reticulum

©VANIN

mitochondrie

leukoplast

Golgi-apparaat

nucleus

S Afb. 125 Het ER (groen) slingert door de cel en maakt contact met alle andere organellen en met het celmembraan.

3 Ribosomen

Ribosomen komen vrij voor in het cytoplasma of zijn gebonden aan het membraannetwerk van het RER. Het zijn macromoleculaire eiwitcomplexen, die opgebouwd zijn uit een grote en een kleine subeenheid. Elke subeenheid is op haar beurt opgebouwd uit ribosomaal RNA (rRNA) en eiwitten. De nucleolus staat in voor de aanmaak van rRNA en de opbouw van de kleine en grote subeenheid van de ribosomen. De subeenheden verlaten de kern via de kernporiën en worden geassembleerd in het cytoplasma. De ribosomen staan in voor de eiwitsynthese in een cel. Eiwitten vervullen de sleutelfuncties in een cel. De code om eiwitten aan te maken, zit vervat in ons DNA. Tijdens de eiwitsynthese wordt de informatie uit het DNA omgezet naar een eiwit. Er zijn verschillen tussen prokaryoten en eukaryoten, maar bij alle celtypes komen twee belangrijke processen voor: de transcriptie en de translatie.

3.1 De transcriptie

©VANIN

De transcriptie gebeurt bij de start van de eiwitsynthese. De cel maakt dan een RNA-kopie van een gen. Een gen codeert voor een eiwit en bestaat uit een bepaalde opeenvolging van DNAnucleotiden. Het belangrijkste enzym in de transcriptie is RNA-polymerase. Dat enzym kan de DNA-dubbelstreng openen, beweegt zich over het DNA en maakt een RNA-kopie. Die kopie noem je messenger-RNA (mRNA). Het bevat de code voor de vertaling tot een eiwit, zoals je later zult zien. De basen van drie opeenvolgende nucleotiden vormen daarbij een drielettercode, die overeenkomt met een specifiek aminozuur.

RNA DNA transcriptie

kern cytoplasma translatie

groeiende aminozuurketen

kleine subeenheid grote subeenheid

kopie van de informatie uit de celkern (mRNA)

W Afb. 127

De eiwitsynthese bestaat uit twee processen, transcriptie en translatie. Tijdens de transcriptie maakt de cel een RNA-kopie van een gen. Die kopie, die bestaat uit nucleotiden, wordt tijdens de translatie vertaald naar een eiwit.

S Afb. 126

Menselijk ribosoom met grote (groen) en kleine (bruin) subeenheid

3.2 De translatie

De translatie is het proces waarbij de informatie op het mRNA wordt vertaald tot een polypeptide. Daarbij zijn nog twee andere types RNA betrokken. De vertaalsleutels van het proces zijn de transfer-RNA’s of tRNA’s. Dat zijn korte, opgevouwen RNA-moleculen die aan de ene kant kunnen binden met de drie nucleotiden van het mRNA die de code vormen. Aan de andere kant wordt het aminozuur vastgehecht dat overeenkomt met die code. Het ribosoom houdt het mRNA vast en zorgt ervoor dat twee tRNA’s aan het mRNA kunnen binden. Met behulp van rRNA worden de aminozuren met elkaar verbonden. Zo ontstaat uiteindelijk een eiwit.

Ook in mitochondriën, chloroplasten en prokaryote cellen komen ribosomen voor. Ze zijn iets kleiner dan de ribosomen die in het cytoplasma van eukaryote cellen voorkomen, maar ze vervullen dezelfde functie. De mitochondriën en de chloroplasten bespreken we verderop in dit hoofdstuk.

4

Proteasomen

Proteasomen zijn eiwitcomplexen die de peptidebindingen in een eiwit kunnen hydrolyseren. Ze doen dat bij beschadigde eiwitten of bij eiwitten die foutief zijn opgevouwen, maar ook als er te veel van een bepaald eiwit is. De eiwitten worden afgebroken tot peptiden van enkele aminozuren lang. Na verdere afbraak kunnen de aminozuren hergebruikt worden bij de synthese van nieuwe eiwitten.

Proteasomen zijn aanwezig in sommige bacteriën en in alle eukaryoten en archaea.

Het proteasoom herkent dat signaal voor afbraak, bindt aan het eiwit en breekt het af.

©VANIN

5 Het Golgi-apparaat

Het Golgi-apparaat is een geheel van afgeplatte zakjes, cisternen genoemd, die op elkaar gestapeld liggen. Je onderscheidt een ciszijde, die dicht bij het endoplasmatisch reticulum (ER) ligt, en een transzijde, die het verst van het ER ligt. Beide delen van het Golgi-apparaat bevatten verschillende enzymen in hun cisternen.

Na hun synthese door de ribosomen op het RER worden de eiwitten afgewerkt in het Golgiapparaat. Hoe dat precies in zijn werk gaat, staat nog ter discussie.

Wanneer de eiwitten zijn afgewerkt in het Golgi-apparaat, hebben ze verschillende aanpassingen ondergaan. Er kunnen onder andere suikerketens zijn aangehecht voor de vorming van glycoproteïnen. Verpakt in blaasjes verlaten de eiwitten het Golgi-apparaat en worden ze vervoerd naar de plaats in de cel waar ze nodig zijn.

Voor de goede werking van de cel is het belangrijk dat elk eiwit op de juiste plaats in de cel terechtkomt. De bestemming van een eiwit wordt aangegeven door een signaalpeptide. Dat is een korte aminozuursequentie aan een uiteinde van het eiwit die de rol vervult van adressticker en ervoor zorgt dat het eiwit op die plaats belandt waar het zijn functie zal moeten uitoefenen.

©VANIN

S Afb. 129

Schematische voorstelling van een Golgi-apparaat

S Afb. 130 TEM-beeld van het Golgi-apparaat en de nucleus in een zenuwcel

vrije ribosomen transportblaasje

Golgi-apparaat

secretieblaasje met eindproducten

secretie van eindproducten

©VANIN

celkern

kernporie kernmembraan

S Afb. 131

invoegen van membraanmateriaal

celmembraan

blaasje voor aanvoer membraanmateriaal

ruw ERglad ER

Schematische voorstelling van het ER, het Golgi-apparaat en de secretieblaasjes als functioneel geheel

Secretieblaasjes bevatten eiwitten met een functie buiten de cel. Zij bewegen naar het celmembraan. De secretieblaasjes versmelten met het membraan en geven zo hun inhoud vrij. Dat proces noem je exocytose. Dat gebeurt bijvoorbeeld bij bepaalde cellen van het afweersysteem van het lichaam: ze maken antilichamen aan die geloosd worden in de extracellulaire ruimte om indringers onschadelijk te maken.

Er kunnen ook secretieblaasjes gevormd worden die pas zullen versmelten met het plasmamembraan wanneer ze daarvoor een signaal ontvangen hebben. Dat gebeurt bijvoorbeeld wanneer neurotransmitters zoals adrenaline worden vrijgegeven uit zenuwcellen.

Er worden ook transportblaasjes gevormd die eiwitten vervoeren van het RER naar het Golgiapparaat.

6 Lysosomen

Lysosomen zijn blaasjes die worden afgesplitst van het Golgi-apparaat. Het zijn celorganellen die omsloten zijn door een membraan en die verschillende types afbraakenzymen, zoals proteasen, lipasen en nucleasen, bevatten om biomoleculen af te breken. Lysosomen zorgen dus voor de vertering in de cel. Ze breken bijvoorbeeld oude celonderdelen af. Het ER vormt een membraan rond het af te breken materiaal. Het blaasje dat zo ontstaat, versmelt met een lysosoom. De inhoud ervan wordt enzymatisch afgebroken tot de bouwstenen waaruit het was opgebouwd. Dat proces noem je autofagie. De cel kan de bouwstenen hergebruiken om biomoleculen aan te maken.

©VANIN

De lysosomale enzymen kunnen ook materiaal dat van buiten de cel afkomstig is, verteren. Dat proces noem je heterofagie. De opname van materiaal in de cel gebeurt dan door endocytose, een proces waarbij er eerst een instulping en vervolgens een afsnoering van het celmembraan plaatsvindt. Op die manier wordt er een endosoom gevormd. Wanneer dat blaasje samensmelt met een lysosoom, zullen de lytische enzymen de inhoud ervan afbreken.

Fagocytose is een vorm van endocytose waarbij bacteriën die het lichaam binnendringen, worden opgenomen door macrofagen. Een macrofaag is een type witte bloedcel van het immuunsysteem. De macrofaag zal de bacterie omsluiten met zijn celmembraan en vormt zo een fagosoom. Wanneer het fagosoom samensmelt met een lysosoom, breken de lysosomale enzymen de bacterie af.

De Belgische medicus en biochemicus

Christian de Duve was de eerste die lysosomen beschreef. Hun ontdekking werd mede mogelijk gemaakt door de hoge resolutie van de elektronenmicroscoop. In 1974 kreeg de Duve voor zijn onderzoek de Nobelprijs voor Geneeskunde.

S Afb. 132

Ingekleurd SEM-beeld van een macrofaag in longweefsel die Escherichia coli (groen) fagocyteert

E. coli

WEETJE

W Afb. 133

Christian de Duve (1917-2013), Nobelprijswinnaar

VERDIEPING

Hoe cellen sterven: necrose en apoptose

In een meercellig organisme zijn er continu cellen zich aan het delen en aan het differentiëren tot een bepaald celtype dat een welbepaalde functie zal vervullen. Tegelijkertijd zijn er cellen aan het afsterven als gevolg van necrose of apoptose.

1 Necrose

Necrose is het afsterven van weefsel na een beschadiging door factoren van buitenaf. Bij dat proces komen uit de beschadigde cellen toxische stoffen vrij, die een ontstekingsreactie veroorzaken in de omliggende weefsels.

2 Apoptose

Apoptose is genetisch geprogrammeerde celdood. De apoptose van cellen verloopt doelbewust en is strikt geregeld. In een multicellulair organisme is het namelijk belangrijk dat er een evenwicht is tussen celdeling en celdood, dus tussen het aantal nieuw gevormde cellen en het aantal stervende cellen.

Necrose bij de voet van een persoon met diabetes. Bij suikerziekte kunnen er zenuwen en bloedvaten beschadigd raken, waardoor de patiënt kleine wondjes niet snel opmerkt en de wondjes moeilijk genezen.

S Afb. 136

Bij een moeder die stopt met het zogen van haar baby, zullen de melkproducerende cellen apoptose ondergaan. Er is dan immers geen melkproductie meer nodig. De borstklier keert dan terug naar de toestand van voor de zwangerschap.

S Afb. 135 Kaliumtekort in een aardappelplant (Solanum tuberosum). Het buitenste bladweefsel is dood (bruin). Het gele deel van het blad is niet meer in staat om voldoende chlorofyl aan te maken.

S Afb. 137 Blad van de ‘gatenplant’

©VANIN

Apoptose is een essentieel celbiologisch proces. Er bestaan veel voorbeelden die het belang van apoptose kunnen illustreren. Het proces doet zich bijvoorbeeld voor tijdens de embryogenese en ook bij het borstklierweefsel wanneer een moeder stopt met het zogen van haar baby. Bij dieren die tijdens hun ontwikkeling een metamorfose ondergaan, speelt geprogrammeerde celdood een belangrijke rol. Ook de gaten in de bladeren van de zogenoemde ‘gatenplant’ ontstaan door apoptose.

Wanneer een cel apoptose ondergaat, vinden er bepaalde gebeurtenissen plaats. De cel krimpt, de chromatine in de kern condenseert en de kern wordt vernietigd. Afbraakenzymen breken het DNA in stukken.

S Afb. 134

Monstera deliciosa

S Afb. 138

Een spectaculair voorbeeld van apoptose vind je terug in de levenscyclus van de sergeantvlinder (Athyma nefte). De vlinder legt eitjes, waaruit rupsen groeien. De rups verandert in een pop wanneer ze volgroeid is. In het omhulsel vindt de metamorfose van rups tot vlinder plaats. Daarbij sterven er op een gecontroleerde manier cellen af en worden er nieuwe cellen gevormd. Meer info? Bekijk de video.

©VANIN

normale cel

krimpen

membraanuitstulpingen

er ontstaan blaasjes met celinhoud

fagocytose

S Afb. 139 Hand van een zes weken oud menselijk embryo. Tijdens de ontwikkeling van een embryo bestaan er eerst vliezen tussen de vingers en de tenen. Die verdwijnen door apoptose, zodat er afzonderlijke vingers en tenen ontstaan.

Aan het celoppervlak vormen zich uitstulpingen. Op die plaatsen wordt de verbinding tussen het celmembraan en het cytoskelet verbroken. Er ontstaan blaasjes die omsloten worden door een membraan en die door macrofagen worden opgeruimd. Op die manier wordt verhinderd dat de celinhoud van de stervende cel vrijkomt en schade toebrengt aan de omliggende cellen, iets wat wel gebeurt bij necrose.

Het proces van apoptose kan op twee manieren beginnen. Het startschot voor de apoptose kan van binnen in de cel komen, bijvoorbeeld wanneer het DNA van de cel onherstelbaar beschadigd is. Het signaal voor de celdood kan ook van buiten de cel komen. Bij sommige cellen zal er apoptose optreden wanneer ze worden geïnfecteerd door een virus.

Wetenschappers toonden het bestaan van een genetische basis voor apoptose aan in Caenorhabditis elegans, een rondwormpje van ongeveer 1 mm lang dat in de bodem leeft. Als het organisme volwassen is, is het exact 131 van zijn 1 090 cellen kwijtgeraakt. De plaats van de cellen in de worm en het tijdstip in de levenscyclus waarop ze afsterven, liggen vast. Het kan dus niet anders dan dat die celdood een genetisch gereguleerd proces is. Een groot aantal genen die daarbij een rol spelen, zijn ondertussen geïdentificeerd.

W Afb. 142

Tijdens de geprogrammeerde dood van een cel gebeuren de volgende processen: de cel krimpt, er vormen zich uitstulpingen, er ontstaan blaasjes met celinhoud en er vindt fagocytose plaats.

S Afb. 140

SEM-beeld van menselijke leukocyten (witte bloedcellen). De bovenste cel ondergaat apoptose. Er ontstaan uitstulpingen van het membraan, blebbing genoemd. De onderste cel is een normale witte bloedcel.

Afb. 141

S

LM-beeld van C. elegans

©VANIN

In een lysosoom is het milieu zuur. Dat wil zeggen dat er een lage pH heerst. ATP-afhankelijke protonenpompen (H+-pompen) zorgen voor de aanvoer van protonen tot binnen in het lysosoom. Net zoals alle andere enzymen hebben ook de lysosomale enzymen een pH-optimum. Ze werken enkel bij een lage pH. In het geval dat het membraan van het lysosoom beschadigd zou raken en er enzymen zouden vrijkomen in het neutrale milieu van het cytoplasma, worden de verteringsenzymen geïnactiveerd. Daardoor is het inwendige van de cel beschermd tegen de inwerking van de vrijgekomen enzymen.

WEETJE

Wanneer een van de lysosomale enzymen door een genetisch defect niet wordt aangemaakt door de cel of onvoldoende werkt, zal de verwerking van afvalproducten in de cel verstoord zijn. Je spreekt dan van een lysosomale stapelingsziekte. De afvalproducten stapelen zich op in de lysosomen. Daardoor kunnen cellen en organen beschadigd raken.

S Afb. 143

TEM-beeld van een macrofaag. De kern is felgroen gekleurd, de mitochondriën groen en de lysosomen rood.

S Afb. 144 De processen heterofagie en autofagie

Een mitochondrie is een rond tot ovaal organel dat omgeven is door een dubbel membraan. Het inwendige membraan bezit een groot oppervlak door de vele instulpingen, die cristae heten. De binnenruimte heet de matrix.

De mitochondriën zijn de energiecentrales van de cel. In het binnenste membraan en de matrix bevinden zich enzymen die belangrijk zijn om energie vrij te maken uit voedingsstoffen. Tijdens dat proces slaat de cel energie op in de vorm van een energierijke molecule, ATP (adenosinetrifosfaat). Je leert er meer over in thema 02.

©VANIN

In cellen die veel energie nodig hebben, bijvoorbeeld spiercellen, komen soms duizenden mitochondriën voor. In dergelijke cellen bezitten de mitochondriën ook meer cristae om te kunnen voldoen aan de grote vraag naar energie.

Mitochondriën bevatten cirkelvormige DNA-moleculen, het mitochondriaal DNA (of mtDNA). Bij mensen en andere zoogdieren wordt dat mtDNA bijna altijd overgeërfd via de moeder. Dat komt doordat bij de bevruchting alleen de mitochondriën die in het cytoplasma van de eicel aanwezig zijn, behouden blijven. De mitochondriën in de zaadcel bevinden zich meestal in het middenstuk,

S Afb. 145 Bouw en TEM-beeld van een mitochondrie. Het ingekleurde TEM-beeld toont een mitochondrie (oranje) in de alvleeskliercellen van een vleermuis. Links op afbeelding zie je RER, bovenaan secretiegranules. Dat zijn secretieblaasjes die een hoge concentratie aan verteringsenzymen bevatten.

buitenmembraan intermembraanruimte

DNA binnenmembraan

8 Chloroplasten

Alle groene delen van planten bevatten chloroplasten of bladgroenkorrels. Die zijn net zoals mitochondriën omgeven door een dubbel membraan.

Het inwendige membraan van de chloroplast noem je het thylakoïdmembraan. Dat vormt lamellen met stapels gesloten platte membraanzakjes. Een stapeltje membraanzakjes vormt een granum Het binnenste van de chloroplast, waarin de thylakoïden liggen, heet het stroma.

In de thylakoïdmembranen liggen lichtabsorberende chlorofylmoleculen gebonden in een eiwitcomplex. Met behulp van lichtenergie vindt in chloroplasten fotosynthese plaats, waarbij de plant CO2 en water gebruikt om glucose op te bouwen.

In het stroma komt chloroplast-DNA (cpDNA) voor. Dat is, net als bij de mitochondrie, een cirkelvormige DNA-molecule waarvan meerdere kopieën kunnen voorkomen. Het bevat de informatie voor een aantal eiwitten die betrokken zijn bij de fotosynthese. De synthese van die eiwitten gebeurt door de ribosomen die in de chloroplast aanwezig zijn.

©VANIN

granum

stroma thylakoïden

lamellen

ribosoom

zetmeelkorrel

S Afb. 146 Voorstelling van een chloroplast

S Afb. 147 Bouw en ingekleurd TEM-beeld van een plantencel. De chloroplasten zijn groen gekleurd. In het centrum van de cel is de vacuole zichtbaar in het geel.

Naast de chloroplasten bestaan er nog andere plastiden. Plastiden zijn een groep van gelijkaardige organellen, telkens omgeven door een dubbel membraan, die zich specialiseren in de opslag van bijvoorbeeld zetmeel bij de amyloplasten of kleurstoffen bij de chromoplasten.

VERDIEPING

b. 148

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

©VANIN

W Afb. 149

LM-beeld van de cellen van de Strelizia regina. De oranje chromoplasten geven kleur aan de bloem.

De endosymbiosetheorie verklaart hoe eukaryote cellen tijdens hun evolutie inwendige membranen, mitochondriën en chloroplasten hebben ontwikkeld. Sommige organellen van een eukaryote cel stammen af van vroege prokaryoten, die door endocytose in de cel werden opgenomen. Endosymbiose is het verschijnsel waarbij een organisme, in dit geval een prokaryote cel, symbiotisch binnen een andere cel leeft. De argumenten voor de endosymbiosetheorie zijn bijzonder sterk: net zoals prokaryoten bevatten mitochondriën en chloroplasten cirkelvormig DNA, en ook de eiwitsynthese in mitochondriën lijkt op die bij prokaryoten. Het dubbele membraan rond die organellen wijst er bovendien op dat ze ooit door fagocytose werden opgenomen.

DNA

membraan voorouderlijke prokaryoot

cytoplasma

insnoering celmembraan

mitochondrie

kernmembraan celkern

chloroplast

voorouderlijke eukaryoot aerobe heterotrofe prokaryoot autotrofe prokaryoot

W Afb. 150 De endosymbiosetheorie verklaart hoe planten- en dierlijke cellen ontstaan zijn uit primitieve voorlopercellen, die prokaryotisch waren.

9 De vacuole

Een vacuole is een met vocht gevuld blaasje dat omsloten is door een membraan. Grote vacuoles vind je niet terug in dierlijke cellen. Bij plantaardige cellen zijn ze opvallend aanwezig.

In zich ontwikkelende plantencellen ontstaan er meerdere kleine vacuolen door wateropname. Ze versmelten tot één grote centrale vacuole, die 80 tot 90 % van het celvolume kan innemen. De vacuolen zijn omgeven door een membraan, dat je de tonoplast noemt.

Het vacuolevocht is een waterige oplossing van onder andere sachariden, ionen, aminozuren en kleurstoffen. Het is doorgaans licht zuur, met een pH van 5-5,5. Het vocht in de vacuole is de watervoorraad van de plantencel. Een goed met water gevulde vacuole zorgt, samen met de celwand, voor de stevigheid van het plantenlichaam. De kleurstoffen geven kleur aan de nietgroene plantendelen, vruchten en bloemen. Bij sommige planten bevatten de vacuolen stoffen die toxisch of irriterend zijn voor een planteneter. Op die manier beschermen ze de plant tegen vraat. In de vacuole zijn ook afbrekende enzymen aanwezig die, net zoals de enzymen in de lysosomen, de verteringstaken in de plantencel op zich nemen en werkzaam zijn bij een zure pH.

©VANIN

W Afb. 151

Buitenste cellaag van een rode ui. In de vacuole zit het rode pigment anthocyaan. De vacuole neemt zo goed als alle beschikbare ruimte in de cel in.

S Afb. 152

Schematische voorstelling van een plantencel

S Afb. 153

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

In eencelligen, zoals Amoeba, komen voedselvacuolen voor. De amoeba sluit met haar schijnvoetjes voedseldeeltjes in, zodat er een vacuole ontstaat waarin het voedsel wordt vervoerd naar de lysosomen voor afbraak.

Ook voor het pantoffeldiertje (Paramecium caudatum) spelen vacuolen een belangrijke rol. Het pantoffeldiertje beschikt over meerdere voedselvacuolen en twee kloppende vacuolen Die laatste zorgen ervoor dat overtollig water dat in het pantoffeldiertje binnenkomt, terug naar buiten kan worden gepompt.

©VANIN

Lichtmicroscopisch beeld van Paramecium caudatum. Je ziet meerdere voedselvacuolen (bruin) en twee kloppende vacuolen (stervormig). De voedselvacuolen verteren voeding (opgenomen bacteriën).

De kloppende vacuolen voeren overtollig water af.

S Afb. 154

De Amoeba omsluit met schijnvoetjes een alg.

S Afb. 155

10 Het cytoskelet

Het cytoskelet is een netwerk van eiwitvezels. Bij sommige cellen zorgt het cytoskelet voor het behoud van de celvorm, terwijl het bij andere cellen net vormveranderingen mogelijk maakt. Het houdt celorganellen op een bepaalde plaats in de cel, maar het maakt ook de verplaatsing van organellen mogelijk.

©VANIN

RER

microfilamenten

intermediaire filamenten

microtubulus mitochondrie

Schematische voorstelling van het cytoskelet met de drie soorten eiwitvezels

Je kunt de eiwitvezels indelen in drie groepen: microfilamenten, microtubuli en intermediaire filamenten.

10.1 Microfilamenten

Microfilamenten zijn lange polymeren die opgebouwd zijn uit monomeren van het eiwit actine. Ze hebben een diameter van 5-7 nm en kunnen in het cytoplasma georganiseerd zijn als netwerken of als bundels.

Als netwerk zorgen de microfilamenten net onder het celmembraan voor stevigheid. Daardoor is de cel in staat om bruuske vormveranderingen op te vangen.

Komen de microfilamenten in bundels voor, dan spelen ze een rol bij het samentrekken van de cel. Een voorbeeld daarvan is het samentrekken van spiervezels in een skeletspier. Ook bij membranen die uitstulpingen vertonen, zoals bij de uitlopers van macrofagen, zijn bundels van microfilamenten betrokken. De microfilamenten groeien aan één uiteinde aan, terwijl ze verkorten aan het andere uiteinde. Macrofagen gebruiken uitlopers om zich te verplaatsen.

W Afb. 156

S Afb. 157 Microfilamenten in een bladhaartje van de zandraket (Arabidopsis thaliana)

S Afb. 158 Een embryonale gladde spiercel, waarbij de microfilamenten groen gekleurd zijn. De filamenten zorgen voor de vorm van de cel.

S Afb. 159 Ingekleurd TEM-beeld van een skeletspiervezel. De talrijke mitochondriën zijn geel gekleurd. De kern is bruin. De microfilamenten zijn lichtblauw.

10.2 Microtubuli

Microtubuli zijn fijne, holle buisjes (met een diameter van ongeveer 25 nm) die opgebouwd zijn uit tubuline-eiwitten. De microtubuli groeien en verkorten continu. Aan één zijde worden er tubulineeiwitten aangehecht en groeit het buisje dus aan, terwijl aan de andere zijde het buisje wordt afgebroken. Het cytoskelet is dus een dynamische structuur, die zich zeer snel kan herschikken.

S Afb. 160

Actinefilamenten hebben een helixvorm en zijn opgebouwd uit actinemoleculen.

S Afb. 162

©VANIN

Ingekleurd TEM-beeld van Salmonella enteritidis, een bacterie die voedselvergiftiging veroorzaakt. Ze beweegt zich voort met behulp van flagellen of zweepdraden. De belangrijkste bouwstenen van die structuren zijn microtubuli.

S Afb. 161

Microtubuli zijn polymeren van tubuline-eiwitten.

S Afb. 163

Een delende menselijke cel op het moment dat het erfelijk materiaal (blauw) gescheiden is en in twee gelijke pakketjes bij de dochtercellen terechtkomt. Tussen de twee polen van de delende cel is een netwerk van microtubli (oranje) gevormd. Dat helpt om de chromatiden uit elkaar te trekken. Dat netwerk heet de ‘spoelfiguur’.

S Afb. 164

Deze neuronen zijn in het labo gekweekt uit stamcellen. De microtubuli (wit), de actinefilamenten (oranje) en de kern (blauw) zijn duidelijk zichtbaar. De microtubuli vormen een netwerk waarlangs de eiwitten en organellen die worden aangemaakt in het cellichaam, worden vervoerd.

Microtubuli vormen een soort netwerk waarlangs transportblaasjes en celorganellen getransporteerd worden in de cel. Om dat vervoer mogelijk te maken, beschikt de cel over motoreiwitten. Een deel van de eiwitstructuur bindt met het blaasje of het organel. Een ander deel bindt met de eiwitten van de microtubulus. Doordat de transporteiwitten bewegen, wordt het transportblaasje verplaatst.

transportblaasje

motoreiwit

©VANIN

microtubulus

van een transportblaasje over een microtubulus met behulp van een motoreiwit

10.3 Intermediaire filamenten

De intermediaire filamenten danken hun naam aan het feit dat hun diameter (8-10 nm) tussen die van de microfilamenten en die van de microtubuli ligt. Ze hebben uitsluitend een structurele rol. Sommige intermediaire filamenten verbinden individuele cellen met elkaar, zodat ze een weefsel vormen. Een belangrijke groep intermediaire filamenten zijn de keratinefilamenten in epitheelcellen. Het is opmerkelijk dat plantencellen geen intermediaire filamenten bevatten. De stevigheid en celhechtingen waarvoor intermediaire filamenten zorgen, worden in planten voorzien door de celwand.

166 Longepitheelcel. De keratinefilamenten

de kern en waaieren uit naar het celmembraan.

WEETJE

Afb. 167

Ingekleurd TEM-beeld van een secreterende cel. De cel is door verschillende desmosomen (rood) verbonden met de naburige cellen (blauw). Keratinefilamenten zijn belangrijk om die verbindingen tot stand te laten komen. In de cel zijn ook secretieblaajes (groen) zichtbaar.

S Afb. 168

In deze huidcel zie je bundels van keratinevezels (groen) en een desmosoom (rood). In de cel komen ook organellen voor die melanine bevatten (magenta). Die organellen noem je ‘melanosomen’. Melanine is een pigment dat licht absorbeert.

Microtubuli bouwen zichzelf op. De eiwitten waaruit ze bestaan, worden niet aan elkaar geschakeld door enzymen. Ze combineren daarentegen zelf met elkaar tot een grotere structuur. Materiaalwetenschappers doen onderzoek naar gelijkaardige slimme materialen die zichzelf kunnen assembleren. Een voorbeeld daarvan is zelfhelende coating op het scherm van je smartphone. Die ultieme bescherming behoedt je scherm niet alleen tegen krassen, maar vangt ook de impact van een klap op. En dat alles doordat je een zichzelf herstellende, schokabsorberende folie met nanotechnologie op je telefoon aanbrengt.

S Afb. 165

Vervoer

S Afb.

omringen

S

11 Het centrosoom

In alle dierlijke cellen en in bepaalde andere organismen, zoals mossen, komen centriolen voor. Een centriool is een cilinder die bestaat uit korte microtubuli, die gerangschikt zijn in negen sets van drie. Een dierlijke cel bevat twee centriolen, die dicht bij de kern liggen en loodrecht op elkaar staan. Rond het centriolenpaar komen eiwitten voor. Het geheel noem je het centrosoom

Wanneer dierlijke cellen zich delen, verdubbelt het centriolenpaar zich. De centriolenparen komen elk aan één kant van de delende cel te liggen. Rond elk centriool vormt zich uit het cytoskelet een structuur van microtubuli, die de chromosomen vasthoudt tijdens de celdeling.

©VANIN

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

W Afb. 171

S Afb. 169

S Afb. 170

AAN DE SLAG

Welke uitspraak over mitochondriën en chloroplasten is juist?

a Ze komen beide voor in alle eukaryoten.

b Ze zijn beide omgeven door een dubbel membraan.

c Ze maken beide glucose aan.

d Ze komen beide voor in dierlijke cellen.

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

a Geef de naam van elk organel.

b Geef de rol van het organel in de eiwitsynthese.

Noteer drie structuren die stevigheid geven aan een plantencel.

Duid aan welke structuren een membraan bezitten.

vacuole – lysosoom – ribosoom – chloroplast

Aangezien plantencellen chloroplasten bezitten, hebben ze geen mitochondriën nodig om in hun energiebehoefte te voorzien.

Is die uitspraak juist of fout? Verklaar.

De ziekte van Leber is een ernstige oogaandoening die veroorzaakt wordt door een mutatie in het mitochondriaal DNA. De ziekte kan zowel mannen als vrouwen treffen, maar enkel vrouwen kunnen ze doorgeven aan hun kind. Leg uit.

Macrofagen zijn een type van witte bloedcellen. Ze kunnen bacteriën uit het lichaam elimineren.

Het proces dat ze daarvoor gebruiken, is:

a autofagie

b heterofagie

c fagocytose

d apoptose

Om houtkap te verminderen, probeert men papier te maken uit algen. Welk onderdeel van algen komt in aanmerking om gebruikt te worden bij de productie van papier?

©VANIN

Verklaar.

Leg het verschil uit tussen de volgende gelijkaardige termen.

a nucleus en nucleolus

b chloroplast en chlorofyl

Meer oefenen? Ga naar .

VERGELIJKING TUSSEN EEN DIERLIJKE CEL EN EEN PLANTENCEL

©VANIN

verschillen

overeenkomsten HOOFDSTUKSYNTHESE

dierlijke cel

•lysosoom

•centriool

•celmembraan

•celkern

– nucleolus

– kernporiën

– chromatine

plantencel

•celwand

•vacuole

•chloroplast

•ribosoom

•RER

•SER

•Golgi-apparaat

•secretieblaasje

•cytoskelet

– microtubulus

– microfilamenten

•mitochondrie

1 Celkern of nucleus

kernporie

2 Endoplasmatisch reticulum

3 Ribosomen

Bouw

• Heeft een kernmembraan dat de celkern afscheidt van het cytoplasma.

• Het kernmembraan is een dubbel membraan dat bestaat uit twee fosfolipidedubbellagen. Het bevat poriën voor de uitwisseling van moleculen tussen het kernplasma en het cytoplasma.

• Het kernplasma bevat chromosomen.

©VANIN

4 Proteasomen

• De nucleoli bestaan uit chromatine, RNA en eiwitten.

Functie

Staat in voor de opslag van DNA, het erfelijk materiaal.

Bouw

• ruw endoplasmatisch reticulum (RER):

−Sluit nauw aan bij de celkern.

−Bevat ribosomen op de buitenzijde.

• glad endoplasmatisch reticulum (SER):

−Bevat geen ribosomen.

Functie

• ruw endoplasmatisch reticulum (RER):

−De ribosomen op het RER maken eiwitten aan.

−De eiwitten worden verpakt in transportblaasjes en worden vervoerd naar het Golgi-apparaat.

• glad endoplasmatisch reticulum (SER):

−Speelt een rol bij de aanmaak van lipiden.

−Zorgt voor calciumopslag.

−Speelt een rol bij stofwisselingsprocessen.

Bouw

• Komen vrij voor in het cytoplasma of zijn gebonden aan het membraannetwerk van het RER.

• Zijn opgebouwd uit een grote en kleine subeenheid.

• Elke subeenheid is opgebouwd uit rRNA en eiwitten.

Functie

Staan in voor de eiwitsynthese in een cel.

Bouw

Zijn aanwezig in sommige bacteriën, in alle eukaryoten en in alle archaea.

Functie

Breken beschadigde of foutief opgevouwen eiwitten af.

5 Golgi-apparaat

6 Lysosomen

lysosomen

Bouw

• Is een geheel van afgeplatte zakjes, cisternen, op elkaar gestapeld.

• Heeft twee zijden met verschillende enzymen in hun cisternen: ciszijde (dicht bij het ER); transzijde (het verst van het ER).

Functie

©VANIN

7 Mitochondriën

8 Chloroplasten

• Zorgt voor de afwerking van eiwitten.

• Verpakt de eiwitten in blaasjes waarin ze vervoerd worden naar hun bestemming.

Bouw

• Zijn blaasjes omsloten door een membraan.

• Bevatten afbraakenzymen om biomoleculen af te breken.

Functie

Zorgen voor de vertering in de cel.

• Autofagie is de afbraak van oude celonderdelen tot bouwstenen die de cel kan hergebruiken.

• Heterofagie is de vertering van materiaal afkomstig van buiten de cel.

Bouw

• Zijn omsloten door een dubbel membraan.

• Bevatten een inwendig membraan met vele instulpingen, cristae

• Bevatten DNA-moleculen (mtDNA).

• Bevatten vrije ribosomen.

Functie

Doen dienst als de energiecentrales van de cel: ze slaan energie op in de vorm van een energierijke molecule, ATP.

Bouw

• Bevatten een dubbel membraan.

• In het binnenste van de chloroplast (stroma) liggen de thylakoïden

• In de membranen van de thylakoïden zitten chlorofylmoleculen

Functie

Met behulp van lichtenergie vindt in chloroplasten fotosynthese plaats.

9 Vacuole tonoplast

10 Cytoskelet

11 Centrosoom

Bouw

Is een met vocht gevuld blaasje dat omsloten is door een membraan, de tonoplast

Functie

De functie is afhankelijk van de soort cel:

• Plantencel: bevat de watervoorraad en zorgt samen met de celwand voor stevigheid.

• Eencelligen: speelt een rol in het voedselvervoer naar lysosomen en de waterregeling in een organisme.

©VANIN

Bouw

• Is een netwerk van eiwitvezels.

• Bevat drie groepen eiwitvezels: microfilamenten: bouwsteen actine-eiwitten; microtubuli: bouwsteen tubuline-eiwitten; intermediaire filamenten (niet bij planten!).

Functie

• Behoudt de celvorm en maakt vormveranderingen mogelijk.

• Houdt celorganellen op hun plaats en verplaatst ze.

Bouw

• Is een geheel van een centriolenpaar met eiwitten.

• De centriole is een cilinder die bestaat uit korte microtubuli (negen sets van drie).

• Is niet aanwezig bij plantencellen.

Functie

• Speelt een rol bij de celdeling.

THEMA 02 CELMETABOLISME ©VANIN

Een kameleon verorbert een libel. De libel zal in het spijsverteringsstelsel van de kameleon afgebroken worden tot moleculen, die in het bloed kunnen worden opgenomen. Vanuit het bloed worden die moleculen dan naar de organen en cellen van de kameleon getransporteerd. Daar worden ze gebruikt voor de opbouw van nieuwe moleculen.

` Wat betekenen celmetabolisme, anabolisme en katabolisme?

` Hoe kunnen organismen energie uit voedsel en licht benutten om biomoleculen op te bouwen?

` Hoe kunnen organismen energie winnen uit de afbraak van biomoleculen?

` Op welke manier wordt energie in de cel overgedragen?

We zoeken het uit!

VERKEN

JE KUNT AL ...

• organismen benoemen als autotroof of heterotroof;

• uitleggen wat enzymen zijn;

• de chemische samenstelling van cellen omschrijven;

• de belangrijkste biomoleculen voor de cel opsommen.

JE LEERT NU ...

• de begrippen ‘celmetabolisme’, ‘anabolisme’ en ‘katabolisme’ uitleggen;

• de delen van een plantaardige cel herkennen;

• de weefsels van een plant herkennen en hun functies toelichten;

• uitleggen dat fotosynthese noodzakelijk is voor planten om te overleven.

• welke pigmenten betrokken zijn bij de fotosynthese;

• het verloop van de fotosynthese uitleggen;

• uitleggen dat de vorming van ATP essentieel is om cellen te voorzien van energie.

©VANIN

• de belangrijkste moleculen toelichten die als energiedragers in de cel functioneren;

• het verschil tussen het metabolisme in autotrofe en heterotrofe organismen uitleggen.

• de lichtreacties en de Calvincyclus als deelprocessen van de fotosynthese toelichten;

• uitleggen wat chemosynthese is.

• uitleggen hoe organismen energie winnen uit de afbraak van voeding;

• de processen van de aerobe en anaerobe celademhaling uitleggen.

H1 H2

H3

HOOFDSTUK 1

Î Stof- en energieomzettingen in de cel

©VANIN

In meercellige organismen voeren verschillende stelsels belangrijke functies uit. Voorbeelden zijn het ademhalingsstelsel, het voortplantingsstelsel en het transportstelsel. De complexe functies die de stelsels uitvoeren, zijn het resultaat van de samenwerking tussen de organen waaruit de stelsels zijn opgebouwd. Die organen bestaan uit weefsels, die op hun beurt opgebouwd zijn uit cellen. Cellen zijn in staat om celmateriaal aan te maken en af te breken, te reageren op veranderingen in de omgeving en energie te winnen uit organische en anorganische moleculen, dankzij stof- en energieomzettingen. In dit hoofdstuk bestudeer je die omzettingen in de cel.

LEERDOELEN

M Anabolisme en katabolisme uitleggen

M De belangrijkste moleculen toelichten die als energiedragers in de cel functioneren

M Het verschil tussen het metabolisme in autotrofe en heterotrofe organismen uitleggen

1 Opbouw en afbraak van biomoleculen

Stof- en energieomzettingen in de cel gebeuren met behulp van chemische reacties die je stofwisselingsreacties noemt. Zowat alle reacties in de stofwisseling worden gekatalyseerd door enzymen. Het geheel van alle stofwisselingsreacties in een cel noem je het celmetabolisme

Cellen zijn in staat om moleculen af te breken. Dat is bijvoorbeeld nodig om nieuw celmateriaal aan te maken en energie te winnen uit energierijke moleculen. Binnen het celmetabolisme maak je een onderscheid tussen de opbouw van moleculen enerzijds en de afbraak anderzijds.

Wie je bent en hoe je functioneert, wordt in belangrijke mate bepaald door de enzymen die in je cellen aanwezig zijn. Gedurende de evolutie zijn er duizenden verschillende enzymen ontstaan. Elk soort organisme heeft zijn eigen arsenaal aan enzymen. Zelfs binnen dezelfde soort zijn er verschillen. Zo kunnen westerlingen met mate alcohol consumeren zonder lichamelijke klachten. Heel wat Aziaten daarentegen produceren in hun levercellen een variant van de enzymen alcoholdehydrogenase en aldehydedehydrogenase, waardoor de alcohol minder doeltreffend wordt afgebroken. Zij kunnen daardoor meer last hebben van alcohol. Lactose-intolerantie is, zoals je gezien hebt in thema 01, het gevolg van een verlaagde enzymactiviteit van lactase in de dunne darm.

WEETJE

S Afb. 172

Aziatische personen kunnen door een andere enzymsamenstelling meer last hebben van alcohol.

In een endergone reactie wordt er netto energie toegevoegd. In een exergone reactie komt er netto energie vrij.

1.1 Anabolisme

Het geheel aan reacties die leiden tot de opbouw of biosynthese van nieuwe moleculen, noem je het anabolisme. Zo ontstaan de eiwitten bijvoorbeeld door de aaneenschakeling van aminozuren. Ook de opbouw van glucose uit koolstofdioxide met behulp van energie van zonlicht is anabolisme – je leert daarover verderop in dit thema.

Tijdens het anabolisme worden de moleculen geproduceerd die nodig zijn voor de groei en ontwikkeling van organismen, om nieuwe cellen en celonderdelen te vormen. Anabolisme is ook belangrijk voor herstel, want gedurende het leven van een cel raken structuren beschadigd of uitgewerkt en moeten ze vervangen worden. Anabolisme bestaat vooral uit endergone reacties, waarin er netto energie moet worden toegevoegd.

©VANIN

energiearme moleculen CO2 , NH3 , H2O Krebscyclus monosachariden

S Afb. 173

Overzicht van anabole reacties in de cel. Moleculen worden aangemaakt uit bouwstenen zoals CO2, NH3 en H2O, waarvoor energie nodig is. Acetyl co-enzym A is een molecule die een centrale plaats inneemt in meerdere metabole routes. ‘Krebscyclus’ en ‘gluconeogenese’ zijn de namen van processen die een rol spelen in het anabolisme. Ze worden verderop uitgelegd. De jonge vos op de foto moet nog veel biomoleculen aanmaken om te kunnen groeien.

1.2 Katabolisme

Alle afbraakreacties waarbij moleculen herleid worden tot kleinere moleculen, vormen samen het katabolisme. Polymeren zoals eiwitten, glycogeen of zetmeel worden bijvoorbeeld afgebroken tot hun individuele bouwstenen: aminozuren en monosachariden. Die kunnen dan in het anabolisme worden gebruikt voor de opbouw van nieuwe biomoleculen of verder worden afgebroken tot bijvoorbeeld koolstofdioxide (CO2), water (H2O) en ammoniak (NH3), waarbij energierijke moleculen worden gevormd.

De afbraak start al bij de vertering van voedsel en zorgt voor het ontstaan van moleculen die de darm kan opnemen. Enzymen in ons spijsverteringsstelsel zorgen ervoor dat bijvoorbeeld zetmeel afgebroken wordt tot glucose. Afbraakreacties stellen cellen ook in staat om beschadigde celstructuren af te breken tot moleculen die hergebruikt kunnen worden. Katabolisme is dus ook belangrijk bij de omzetting van celmateriaal.

energierijke moleculen eiwitten lipiden

polysachariden

©VANIN

monosachariden glycerol vetzuren aminozuren

glycolyse

acetyl-CoA energie

Krebscyclus

energiearme moleculen

CO2 , NH3 , H2O

W Afb. 174

Overzicht van katabole reacties in de cel. Moleculen in voedsel worden afgebroken tot moleculen zoals CO2, NH3 en H2O. Daarbij komt energie vrij.

Het katabolisme bestaat meestal uit exergone reacties, wat wil zeggen dat er bij die reacties netto energie vrijkomt. De energie die vrijkomt, wordt tijdelijk opgeslagen in moleculen die je ‘energiedragers’ noemt. Een voorbeeld van zo’n energiedrager is ATP. We bespreken de energiedragers in een volgende paragraaf. Op die manier kan de cel worden voorzien in haar energiebehoefte, want zowat alle processen in de cel vereisen energie: van het verplaatsen van celorganellen tot de productie van biomoleculen.

1.3 Wisselwerking tussen anabolisme en katabolisme

De biosynthese van moleculen in de cel vereist energie. Die energie wordt in het katabolisme gewonnen uit de afbraak van energierijke moleculen en opgeslagen in energiedragers. Ook de bouwstenen die de basis vormen voor de aanmaak van nieuwe moleculen, zijn vaak afbraak- of eindproducten van katabole reacties. Dat betekent dat er dus een wisselwerking is tussen anabole en katabole reacties in de cel.

©VANIN

energierijke moleculen eiwitten, sachariden, lipiden

energiearme moleculen CO2 , NH3 , H2O

S Afb. 175

Anabolisme en katabolisme zijn verbonden door de opslag van energie bij de afbraak van moleculen en het gebruik van energie voor de aanmaak ervan.

1.4

Metabole routes

Fotosynthese is een voorbeeld van anabolisme waarbij sachariden worden aangemaakt uit water en koolstofdioxide. De afbraak van sachariden tot water en koolstofdioxide om energie te produceren, is dan weer een voorbeeld van katabolisme.

Die twee processen zijn het resultaat van meerdere reacties. Een metabole route of reactieketen is een reeks van enzymgekatalyseerde reacties binnen een cel die specifieke moleculen oplevert. Veel van die moleculen spelen een rol in meerdere metabole routes. Daarom vormt het geheel aan reacties in een cel eerder een netwerk dan dat het gescheiden routes zijn.

lipiden

vetzuren

triglyceriden

vetzuur- afbraak

acetyl-CoA

glycerol

glycogeen

dihydroxyaceton-P

polysachariden glycolyse

pentose-fosfaatcyclus

ribose

glucose

vetzuur- synthese

©VANIN

nucleinezuren

NAD + FAD

glucose-6-P

ethanol

fructose-6-P fructose-1,6-bisP glyceraldehyde-3-P 1-3-bifosfoglycerinezuur 3-fosfoglycerinezuur 2-fosfoglycerinezuur fosfoenolpyrodruivenzuur pyrodruivenzuur

melkzuur

CO 2 CO 2 CO 2

citroenzuur

acetyl-CoA

isocitroenzuur

Krebscyclus

oxaalazijnzuur appelzuur fumaarzuur

α -ketoglutaarzuur

barnsteenzuur

barnsteenzuur-CoA

aminozuren

ATP GTP UTP CTP TTP

DNA RNA

eiwitten

aminozuur- synthese en -afbraak

ureum- cyclus

2

arginine

ureum

ribulose-1,5-bisP fosfoglycerinezuur

Calvincyclus glucose- synthese fotosynthese

Bijna alle verschillende individuele reacties van een metabole route worden gekatalyseerd door enzymen. Enzymen spelen daarom een onontbeerlijke rol in het metabolisme. Als enzymen ontbreken of gebrekkig werken, kan dat ingrijpende gevolgen hebben.

VOORBEELD ENZYMDEFICIËNTIE

Fenylketonurie (of PKU, naar het Engelse phenylketonuria) is een genetische aandoening die leidt tot een verstoord metabolisme. Een defect gen zorgt ervoor dat het enzym dat het aminozuur fenylalanine afbreekt, niet correct wordt aangemaakt. Daardoor is er minder afbraak van fenylalanine en ontstaat er een te hoge concentratie aan fenylalanine in het bloed en het ruggenmergvocht. De opname van aminozuren door de hersenen raakt daardoor verstoord.

Een kind met PKU lijkt gezond, maar ontwikkelt ongeveer zes maanden na de geboorte een ernstige achterstand. Door een levenslang eiwitarm dieet om de opname van fenylalanine te beperken, aangevuld met aminozuursupplementen, kan een patiënt met PKU toch een kwaliteitsvol leven leiden.

Het is belangrijk om de ziekte vroeg op te sporen. Bij een pasgeboren baby worden via een hielprik een paar druppels bloed verzameld. Door onderzoek van het bloed kan men de ziekte PKU en andere erfelijke ziektes opsporen.

Fenylalanine

Phe - F

Tyrosine

Tyr - Y

S Afb. 177 Het aminozuur fenylalanine (Phe-F)

S Afb. 178 Hielprik bij een pasgeboren baby

In de cel gebeuren talrijke stof- en energieomzettingen met behulp van chemische reacties die je stofwisselingsreacties noemt. Het geheel van alle stofwisselingsreacties in een cel noem je het celmetabolisme. De stofwisselingsreacties kun je onderverdelen in de anabole en de katabole reacties

ANABOLE REACTIES

Tryptofaan

Trp - W

KATABOLE REACTIES

Opbouw of biosynthese van nieuwe moleculen Afbraak van moleculen tot kleinere moleculen

Endergone reacties: er is energie nodigExergone reacties: er komt energie vrij

Er is een wisselwerking tussen anabole en katabole reacties in de cel: het katabolisme levert energie voor het anabolisme.

Enzymen spelen een belangrijke rol in het celmetabolisme. Ze fungeren als katalysator voor bijna alle stofwisselingsreacties. Een metabole route of reactieketen is een reeks van enzymgekatalyseerde reacties binnen een cel die specifieke moleculen oplevert. Omdat moleculen vaak in meerdere metabole routes voorkomen, vormen de routes een soort netwerk

S Afb. 179

enzym 1

product 1product 2product 3

De voorraad bouwstoffen in de cel of haar omgeving is vaak beperkt. De opbouw van stoffen of structuren waarvan er al voldoende in de cel aanwezig zijn, zou een verspilling van moleculen en energie zijn. De cel moet de aanmaak en afbraak daarom kunnen controleren. Dat kan onder meer doordat anabole en katabole processen geregeld worden door feedbackremming. Wanneer een product van een metabole route voldoende voorradig is, kan de vorming ervan geremd worden door een van de betrokken enzymen te remmen.

enzym 2

©VANIN

enzym 3

feedbackremming

Feedbackremming. De activiteit van enzym 1 wordt geremd door het product dat in een van de latere stappen wordt gevormd.

2 Energiedragers in de cel

Hoewel anabole en katabole reacties in dezelfde cel plaatsvinden, gebeuren ze vaak op een andere locatie in de cel, bijvoorbeeld in verschillende organellen. Cellen moeten daarom in staat zijn om energie die elders beschikbaar is, te transporteren naar plaatsen waar energie nodig is. Zo vereist de synthese van eiwitten in het cytoplasma veel energie. Die is bijvoorbeeld afkomstig van de afbraak van moleculen in de mitochondriën.

Sommige moleculen, zoals adenosinetrifosfaat (ATP) en nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD), zijn energiedragers, omdat ze een hoge energie-inhoud hebben. ATP kan worden gebruikt als energiebron voor verschillende processen in de cel, terwijl NAD betrokken is bij oxidatie- en reductiereacties. Met behulp van die energiedragers kunnen cellen de energie die vrijkomt bij katabole reacties, overdragen naar plaatsen waar energie nodig is voor anabole reacties.

Oxidatie en reductie zijn chemische processen waarbij elektronen worden overgedragen van de ene molecule, de reductor (wordt geoxideerd), naar een andere molecule, de oxidator (wordt gereduceerd).

2.1 ATP

ATP is een universele energiedrager en wordt in de cellen van alle organismen gebruikt. ATP levert energie voor talrijke processen, zoals de biosynthese van nieuwe moleculen, het transport van stoffen doorheen membranen en de uitvoering van bewegingen.

ATP is goed oplosbaar in water. Het kan zich in het cytoplasma gemakkelijk verplaatsen door diffusie. Het kan niet doorheen membranen diffunderen zonder de hulp van specifieke transporteiwitten, de ATP-transporters

Cellen hebben voortdurend nood aan energie. Die komt vrij door de hydrolyse van ATP. Daarbij splitst een fosfaatgroep af en ontstaat ADP of adenosinedifosfaat. Gemiddeld komt daarbij 30,5 kJ/mol vrij. Cellen moeten de voorraad ATP snel weer kunnen aanvullen, omdat de voorraad in een cel zeer beperkt is. Afbraakreacties en concentratieverschillen van protonen (H+) leveren de energie die nodig is om een fosfaatgroep te binden aan ADP en zo opnieuw ATP te vormen.

©VANIN

ATP bevat veel energie.

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

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

ADP bevat minder energie.

S Afb. 180 ATP is een nucleotide, opgebouwd uit een stikstofbase (adenine), een ribosesuiker en drie fosfaatgroepen. Bij de afsplitsing van een fosfaatgroep komt energie vrij die gebruikt kan worden in reacties die energie vereisen.

Waarom ‘zit er energie’ in ATP?

De structuur van de molecule verklaart waarom er bij de hydrolyse van ATP tot ADP zoveel energie vrijkomt. De aaneengeschakelde fosfaatgroepen zijn sterk elektronegatief en de negatieve ladingen stoten elkaar af. De molecule is daardoor weinig stabiel en er is veel energie nodig om de fosfaatgroepen aan elkaar te binden. Die energie komt vrij als er een fosfaatgroep loskomt. Er is dan minder afstoting en de molecule is stabieler.

©VANIN

weer aangevuld.

ATP weer aanvullen gebeurt soms aan een verbazingwekkend tempo. Bijvoorbeeld: een spiercel die samentrekt (korter wordt), recycleert haar volledige voorraad ATP in minder dan een minuut.

ATP levert energie voor licht

In sommige organismen levert ATP ook energie voor een proces waarbij licht wordt geproduceerd. Het verschijnsel waarbij organismen licht uitstralen, noem je bioluminescentie. Een voorbeeld is de grote glimworm (Lampyris noctiluca), een kever die op veel plaatsen in Vlaanderen voorkomt. De vrouwtjes zijn ongevleugeld. Ze proberen een mannetje aan te trekken om te paren door licht te produceren met speciale organen in hun achterlijf.

Dat gebeurt door de oxidatie van een molecule luciferine tot oxyluciferine met behulp van ATP. De reactie wordt gekatalyseerd door het enzym luciferase. In de reactie worden niet één, maar twee fosfaatgroepen van ATP afgesplitst met de vorming van een molecule pyrofosfaat (PPi), zodat een molecule AMP of adenosinemonofosfaat ontstaat.

Afb. 183

Het enzym luciferase katalyseert een reactie waarbij de molecule luciferine wordt omgezet naar oxyluciferine. Die reactie verbruikt zuurstof en één ATP-molecule.

S

biceps

S Afb. 181

Wanneer een spier, zoals de biceps, samentrekt, wordt daarna haar volledige voorraad ATP

S Afb. 182

Vrouwelijke glimwormen leiden mannetjes met een lichtsignaal naar hun schuilplaats.

2.2 NAD, NADP en FAD

Veel afbraakreacties uit het katabolisme zijn exergone oxidatiereacties. Dat wil zeggen dat de moleculen die afgebroken worden, elektronen zullen verliezen en daarbij oxideren. Een andere molecule kan die elektronen opnemen en zal dan reduceren. De gereduceerde molecule kan weer elektronen afstaan aan een andere molecule en oxideert daarbij opnieuw. De moleculen in de cel die bij uitstek een rol spelen in die oxidatie-reductiereacties, noem je elektronendragers. In de cel zijn NAD, NADP en FAD voorbeelden van elektronendragers. De elektronendragers komen vaak gebonden voor op enzymen die oxidatie-reductiereacties katalyseren. Ze worden dan  co-enzymen genoemd. NAD komt in de cel voor als een geoxideerde vorm die een positieve lading draagt (NAD+), en een gereduceerde vorm die een extra waterstof gebonden heeft (NADH).

Als in de cel een oxidatiereactie plaatsvindt, kan het geoxideerde co-enzym NAD+ twee elektronen opnemen en een proton (H+) binden. De gereduceerde vorm van het co-enzym die ontstaat, NADH, bezit een grotere hoeveelheid chemische energie.

(geoxideerde vorm)

©VANIN

Elektronen afkomstig van de oxidatie van organische moleculen of van de fotosynthese reduceren elektronendragers zoals NAD+

(gereduceerde vorm)

S Afb. 184 De elektronendrager NAD is opgebouwd uit twee nucleotiden die aan elkaar gebonden zijn door fosfaatgroepen. De molecule NADP verschilt van NAD door een extra fosfaatgroep die gebonden is aan ribose. Op de afbeelding worden de moleculen uit de braam geoxideerd in lichaamscellen van de muis. De elektronen die daarbij vrijkomen, reduceren NAD tot NADH.

Flavine-adenine-dinucleotide (FAD) is ook een energiedrager en bestaat net zoals NAD uit een nucleotidestructuur. FAD is de geoxideerde vorm en wordt gereduceerd met twee elektronen en twee protonen (H+) tot FADH2

NADP+ is analoog aan NAD+, maar heeft een extra fosfaatgroep in de molecule. Zoals NAD+ wordt gereduceerd tot NADH, wordt NADP+ gereduceerd tot NADPH.

Afbeelding 175 van eerder in dit hoofdstuk kunnen we nu vervolledigen met de energiedragers.

©VANIN

energierijke moleculen eiwitten, sachariden, lipiden

energiearme moleculen

, NH3 , H2O

S Afb. 185 De energierijke moleculen ATP, NADH en FADH2 verbinden katabolisme en anabolisme.

Energierijke moleculen zoals ATP, NADH en FADH2 verbinden het katabolisme en het anabolisme. Je noemt ze energiedragers, omdat ze de energie die vrijkomt bij katabole reacties, kunnen doorgeven aan anabole reacties waar energie nodig is.

• ATP kan worden gebruikt als energiebron voor verschillende processen in de cel.

• NAD, NADP en FAD zijn betrokken bij oxidatie- en reductiereacties in de cel. Je noemt ze elektronendragers, omdat ze elektronen verplaatsen tijdens de reacties.

KOOLSTOFBRON

3 Autotrofe en heterotrofe organismen

Elk levend organisme bestaat uit een of meerdere cellen en moet constant nieuwe moleculen aanmaken om te groeien en structuren te onderhouden. Autotrofe organismen gebruiken koolstofdioxide als koolstofbron. Vanuit die koolstofbron worden dan alle mogelijke biomoleculen aangemaakt die nodig zijn voor de cel. Bij die aanmaak zijn energie en elektronen nodig om moleculen te reduceren. Fotosynthetiserende organismen halen de elektronen voor die reductie uit water, dat zelf zal oxideren tot zuurstofgas en protonen. De energie die ze voor die synthese nodig hebben, halen ze uit zonlicht. Daarom noem je ze fotoautotroof

Diep in de oceanen en op andere plaatsen waar geen licht doordringt, zoals in grotten, bevinden zich ook complexe levensgemeenschappen, waar autotrofe bacteriën de basis vormen van complexe voedselketens. Die bacteriën gebruiken geen licht, maar maken gebruik van elektronen van anorganische verbindingen, zoals ammonium (NH4+), nitriet (NO2–), waterstofsulfide (H2S), zwavel (S), ijzerionen (Fe2+), methaan (CH4) of knalgas (H2). Die organismen noem je daarom chemoautotroof.

Heterotrofe organismen zijn organismen die organische moleculen zoals sachariden of lipiden nodig hebben als koolstofbron. Bij de oxidatie van die moleculen komt energie vrij die voor de cel beschikbaar is. Die organismen noem je chemoheterotroof. Enkele soorten heterotrofe bacteriën kunnen echter ook zonlicht als energiebron gebruiken. Die soorten noem je daarom fotoheterotroof.

ALLE ORGANISMEN

AUTOTROOF koolstofdioxide (CO2) HETEROTROOF

ENERGIEBRON

FOTOAUTOTROOF zonlicht

cyanobacteriën

VOORBEELDEN

CHEMOAUTOTROOF oxidatie van anorganische moleculen

FOTOHETEROTROOF zonlicht

zwavelbacteriën

heliobacteriën meeste schimmels

©VANIN

planten

nitrificerende bacteriën

CHEMOHETEROTROOF oxidatie van organische moleculen

purperbacteriën dieren

S Afb. 186

indeling van alle organismen in vier groepen

De fotosynthese door autotrofe organismen levert organische verbindingen op. Die worden gebruikt als bron van energie en als bouwstof door de heterotrofen. Door de afbraak van organische stoffen met behulp van zuurstofgas (O2) ontstaat opnieuw koolstofdioxide (CO2), dat autotrofen weer kunnen benutten.

autotrofe oranismen

biomoleculen

fotosynthese ademhaling O2

heterotrofe oranismen

ademhaling

S Afb. 187 De relatie tussen autotrofe en heterotrofe organismen

Autotrofe organismen gebruiken koolstofdioxide als koolstofbron.

• Fotoautotrofe organismen gebruiken daarbij licht als energiebron.

• Chemoautotrofe organismen gebruiken daarbij energie uit anorganische moleculen.

Heterotrofe organismen gebruiken organische moleculen als koolstofbron.

• Fotoheterotrofe organismen gebruiken daarbij licht als energiebron.

• Chemoheterotrofe organismen gebruiken daarbij energie uit organische moleculen.

AAN DE SLAG

Wanneer DNA verdubbeld wordt, worden eerst de twee strengen uit elkaar gehaald. Op beide strengen wordt een nieuwe nucleotidestreng opgebouwd. Welke uitspraak over dat proces is juist?

a Het is een anabool proces.

b Het is een katabool proces.

c Het is zowel een anabool als een katabool proces.

Vul de zin aan met het correcte begrip.

Yoghurt wordt gemaakt door melkzuurbacteriën toe te voegen aan melk. Zij zetten lactose om in melkzuur. Melkzuurbacteriën zijn fotoautotroof/ chemoautotroof/fotoheterotroof/chemoheterotroof

In een handboek vind je de onderstaande afbeelding.

a Welk soort reactie zou hier schematisch voorgesteld kunnen zijn? Verklaar.

b Vul aan met de correcte begrippen.

Deze afbeelding illustreert de afbraak/opbouw van sachariden/eiwitten/lipiden.

Zet de volgende begrippen naast de juiste pijl: endergonisch, exergonisch.

Zijn de volgende processen voorbeelden van anabolisme of katabolisme?

fotosynthese eten verteren glucose omzetten naar CO2 en H2O

Geef een voorbeeld van een chemoheterotroof organisme.

Meer oefenen? Ga naar .

HOOFDSTUKSYNTHESE

ENERGIEDRAGERS IN DE CEL

CELMETABOLISME

= het geheel aan stofwisselingsreacties in een cel

Bij de hydrolyse van ATP tot ADP en fosfaat komt er energie vrij. NAD+ en FAD zijn elektronendragers die een rol spelen bij oxidatie-reductiereacties in de cel.

ANABOLISME

• reacties die leiden tot de opbouw of biosynthese van moleculen

• nodig voor de groei en ontwikkeling van organismen

• endergone reacties

©VANIN

energierijke moleculen eiwitten, sachariden, lipiden

KATABOLISME

• afbraakreacties waarbij moleculen worden herleid tot kleinere moleculen

• nodig voor de vertering van voedsel en de omzetting van celmateriaal

• exergone reacties

• de vrijgekomen energie wordt opgeslagen in energiedragers

energiearme moleculen CO2 , NH3 , H2O

ATP, NADH en FADH2 energierijke moleculen

• verbinden het anabolisme met het katabolisme

• de vrijgekomen energie uit katabole reacties wordt door die energiedragers doorgegeven aan anabole reacties die energie vereisen

HOOFDSTUK 2

Î Fotosynthese

Autotrofen maken met behulp van een energiebron en anorganische moleculen zoals koolstofdioxide en water, organische moleculen zoals sachariden. Tijdens de fotosynthese bouwen groene planten, algen en heel wat bacteriesoorten energierijke organische moleculen op met behulp van lichtenergie. Andere organismen gebruiken als energiebron de energie die vrijkomt bij de oxidatie van bepaalde moleculen en ionen. Dat proces heet chemosynthese. De sachariden gemaakt door foto- en chemosynthese leveren het materiaal om andere moleculen langs anabole routes op te bouwen, zoals eiwitten en lipiden.

LEERDOELEN

M De pigmenten betrokken in de fotosynthese toelichten

M Het verloop van het fotosyntheseproces uitleggen

M Uitleggen hoe planten met lichtenergie, koolstofdioxide en water sachariden maken

1 De pigmenten van de fotosynthese

Carotenoïden zijn opvallend aanwezig in wortelen. Ze geven de wortelen hun kenmerkende kleur.

Caroteenverbindingen komen bijvoorbeeld ook voor bij flamingo’s. Zij halen hun pigmenten uit voedsel, zoals garnalen en zoutkreeftjes, die veel carotenen bevatten.

©VANIN

Lichtenergie is noodzakelijk voor de fotosynthese. Het licht wordt opgevangen door pigmenten Dat zijn moleculen die licht kunnen absorberen. In de fotosynthese is chlorofyl het bekendste en meest voorkomende pigment. Andere belangrijke pigmenten in de fotosynthese zijn de carotenoïden, zoals β-caroteen en luteïne. Bij algen en planten bevinden de pigmenten zich gebonden op eiwitten in de chloroplasten.

De chlorofylmolecule is opgebouwd uit een structuur, de porfyrinering, die zelf bestaat uit verschillende ringvormige organische moleculen met daarin een N-atoom. Het centrum bevat een Mg2+-ion. De porfyrinering is de plaats waar het licht wordt opgevangen. Verder is er in chlorofyl een lange hydrofobe koolwaterstofketen gekoppeld aan de ringstructuur, de zogenaamde fytolstaart. Die helpt om de molecule te verankeren in eiwitten die in de chloroplastmembranen zitten. In planten zijn er twee vormen van chlorofyl, chlorofyl a en chlorofyl b, die van elkaar verschillen in één enkele functionele groep. Beide moleculen vangen licht op voor de fotosynthese.

Carotenoïden bestaan grotendeels uit een hydrofobe koolwaterstofketen, met twee ringstructuren.

LABO 07

WEETJE

De rol van de pigmenten bestaat erin licht te absorberen. Een absorptiespectrum geeft weer in welke mate een pigment bepaalde golflengtes absorbeert. Chlorofyl a en b vangen vooral blauw en rood licht op. Groen licht wordt veel minder geabsorbeerd, maar wordt vooral gereflecteerd of doorgelaten. Daarom zien wij plantendelen met veel chlorofyl als groen. Chlorofyl a en b absorberen samen licht met een groter golflengtegebied dan elk apart.

Carotenoïden, zoals β-caroteen en luteïne, zijn gele tot roodachtige kleurstoffen die vooral blauw licht opvangen. Door de combinatie van verschillende pigmenten haalt een autotroof organisme meer energie uit het zonlicht.

©VANIN

b

S Afb. 190

Absorptiespectra van pigmenten van de fotosynthese

chlorofyl a

chloroplast licht doorgelaten licht gereflecteerd licht

S Afb. 191

Absorptie van licht in de chloroplast. De golflengtes die in sterke mate worden geabsorbeerd, zijn de golflengtes die benut worden tijdens de fotosynthese.

Chlorofyl (a en b) en carotenoïden (β-caroteen en luteïne) zijn belangrijke pigmenten in de fotosynthese. Ze absorberen licht en zetten lichtenergie om in chemische energie.

Een absorptiespectrum geeft de golflengtes van het licht weer die een pigment kan absorberen. Door verschillende pigmenten te combineren, haalt een autotroof organisme meer energie uit het zonlicht.

VERDIEPING

Omdat planten zuurstofgas produceren, noemt men wouden weleens de ‘longen van onze planeet’. Met die stelling wordt evenwel genegeerd dat de oceanen bevolkt worden door een immense biomassa aan algen en vele soorten bacteriën die ook aan fotosynthese doen. Hieronder vind je een overzicht van de variatie aan organismen die aan fotosynthese doen.

MEERCELLIGE ALGEN bv. kelp (Macrocystis sp.)

LANDPLANTEN

©VANIN

CYANOBACTERIËN

EENCELLIGE EUKARYOTEN bv. oogdiertjes (Euglena sp.)

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

2 Het fotosyntheseproces

Het proces van de fotosynthese speelt zich af in de chloroplast en bestaat uit twee grote deelprocessen:

• T ijdens de lichtreacties wordt lichtenergie gebruikt om uit ADP en NADP+ de moleculen ATP en NADPH te vormen. Op die manier wordt lichtenergie omgezet in chemische energie die transporteerbaar en bruikbaar is in andere processen.

• In de Calvincyclus wordt koolstofdioxide gebonden en worden ATP en NADPH gebruikt om een glucosemolecule op te bouwen. Voor die reacties is geen licht nodig.

LABO 08

LABO 09

NADP+ is analoog aan NAD+, maar heeft een extra fosfaatgroep op de hydroxylgroep (-OH) op het 2’-koolstofatoom van ribose. Zoals NAD+ wordt gereduceerd tot NADH, wordt NADP+ gereduceerd tot NADPH. licht

S Afb. 192 Het fotosyntheseproces bestaat voornamelijk uit twee deelprocessen die met elkaar verbonden zijn: de lichtreacties en de Calvincyclus.

2.1 De lichtreacties van de fotosynthese

De lichtreacties van de fotosynthese zijn mogelijk door de activiteit van verschillende eiwitcomplexen en elektronendragers in het thylakoïdmembraan van de chloroplast. Die eiwitcomplexen zijn de zogenoemde fotosystemen (fotosysteem I en fotosysteem II), een protonpomp en een ATP-synthase.

In de fotosystemen absorberen chlorofylmoleculen lichtenergie, waardoor elektronen op een hoger energieniveau komen. Die elektronen kunnen worden overgedragen aan andere moleculen. In de oxidatie-reductiereacties die daardoor plaatsvinden, worden protonen verplaatst van de stromakant naar de lumenkant van het thylakoïdmembraan. Dat gebeurt onder meer in de protonpomp. Samen vormen de fotosystemen, de protonpomp en de elektronendragers een elektronentransportketen. In fotosysteem II wordt in dat proces ook water gesplitst tot elektronen, protonen en zuurstofgas. Die reactie is de belangrijkste bron van zuurstofgas op aarde.

Het verschil in de protonenconcentratie tussen lumen (hoog) en stroma (laag), de protonengradiënt, is de drijvende kracht voor het ATP-synthasecomplex, dat ATP aanmaakt met ADP en fosfaat. De elektronen worden ook gebruikt voor de reductie van NADP+ naar NADPH.

S Afb. 193

©VANIN

chloroplast

stromakant

thylakoïdholte of lumen granum

thylakoïdmembraan

S Afb. 194

Overzicht van de eiwitcomplexen, elektronendragers en elektronentransportreacties voor de fotosynthese in het thylakoïdmembraan van de chloroplast

A Fotosysteem II en de splitsing van water

De fotosystemen in het thylakoïdmembraan zijn de complexen die de pigmenten van de fotosynthese bevatten. Ze bestaan uit een lichtcapterend deel en een reactiecentrum

De chlorofylmoleculen in het lichtcapterende deel absorberen fotonen. De energie daarvan kan worden overgedragen naar een chlorofylmolecule in het reactiecentrum. Die chlorofylmolecule kan daardoor elektronen doorgeven aan een elektronendrager. In fotosysteem II wordt water gesplitst in zuurstofgas, protonen en elektronen. Die elektronen worden gebruikt om de elektronen in chlorofyl weer aan te vullen.

B Protonpomp

De elektronendrager die elektronen ontvangen heeft, kan elektronen doorgeven aan de protonpomp. Dat is een eiwitcomplex in het thylakoïdmembraan dat protonen kan verplaatsen of ‘pompen’ van stroma naar lumen met de energie die vrijkomt bij de verplaatsing van elektronen. De protonpomp kan ook weer een elektronendrager reduceren.

C Fotosysteem I en de vorming van NADPH

Fotosysteem I werkt net zoals fotosysteem II: licht brengt elektronen van chlorofyl naar een hoger energieniveau. Daardoor kan een elektron worden doorgegeven aan NADP+, dat gereduceerd wordt tot NADPH met behulp van het enzym NADP-reductase. Het tekort aan elektronen in de chlorofylmoleculen van fotosysteem I kan weer worden aangevuld door elektronendragers in de protonpomp. Op die manier ontstaat een elektronentransportketen

D Vorming van ATP

Het resultaat van de activiteiten van de protonpomp en van fotosysteem I en II is dat er meer protonen zijn in het lumen van de chloroplast. Dat vormt de protonengradiënt ATP-synthase is een eiwit in het thylakoïdmembraan dat de potentiële energie van de protonengradiënt gebruikt voor de synthese van ATP uit ADP en fosfaat.

Netto wordt de energie van zonlicht hier finaal gebruikt om een protonengradiënt op te bouwen, die de energie levert voor de aanmaak van ATP. Daarbij wordt water gesplitst en wordt er zuurstofgas gevormd.

Rubisco is de afkorting voor het enzym ribulose1,5-bisfosfaat carboxylase/ oxygenase.

2.2 De Calvincyclus

De Calvincyclus start met de fixatie van koolstofstofdioxide uit de lucht. Dat gebeurt door een enzym met de naam rubisco. Koolstofdioxide wordt daarbij gebonden op een molecule met vijf koolstofatomen (5C) (ribulose1,5-bisfosfaat). De molecule met zes koolstofatomen (6C) die daarbij ontstaat, splitst in twee moleculen met drie koolstofatomen (3C) (fosfoglycerinezuur). In de volgende stappen worden die moleculen gereduceerd tot glyceraldehyde-3-fosfaat (3C). De energie en de elektronen die daarvoor nodig zijn, komen van de ATP-moleculen die gevormd werden tijdens de lichtreacties. Voor de Calvincyclus zelf is geen licht nodig.

Om één glucosemolecule te maken, zijn zes koolstofatomen nodig. De fixatie van zes CO2-moleculen levert twaalf moleculen glyceraldehyde-3-fosfaat op. Tien van die moleculen worden gebruikt om zes moleculen ribulose-1,5-bisfosfaat te vormen. Omdat die moleculen opnieuw gebruikt kunnen worden om koolstofdioxide te binden, kun je de reactieketen als een cyclus beschouwen. De overige twee moleculen glyceraldehyde-3-fosfaat verlaten de cyclus en worden door de membranen van de chloroplast heen getransporteerd naar het cytoplasma. Ze worden daar gebruikt om glucose of andere koolstofverbindingen op te bouwen.

6 CO2 koolstofdioxide (1C) fixatie van koolstofdioxide door enzym rubisco +

C CH2O O C HOH C HOH P CH2O P C H CH2O COOH OH P

fosfoglycerinezuur (3C)

©VANIN

6 ribulose-1,5-bisfosfaat (5C)

6 ATP 12 ATP 12 NADPH + 12 H+

6 ADP 6 fosfaat + 12 NADP+ 12 fosfaat + 12 fosfaat 12 ADP

10 glyceraldehyde-3-fosfaat (3C)12 glyceraldehyde-3-fosfaat (3C)

afkomstig van lichtreacties C H CHO CH2OP OH

glyceraldehyde-3-fosfaat (3C) 1 glucose (6C) glucose kan verder omgezet worden naar andere biomoleculen

S Afb. 196 De Calvincyclus

De lichtreacties en de Calvincyclus vormen samen een geheel. De chemische energie in ATP en NADPH, die gevormd wordt tijdens de lichtreacties, wordt gebruikt in de Calvincyclus. Daarbij ontstaan ADP, fosfaat en NADP+, die opnieuw inzetbaar zijn in de lichtreacties.

De cellen van autotrofe organismen hebben ook nood aan andere biomoleculen, zoals polysachariden, lipiden en eiwitten. Vanuit de glucosemoleculen die ontstaan zijn tijdens de fotosynthese, kunnen door anabolisme en katabolisme heel wat andere moleculen worden gemaakt. Zo worden polysachariden zoals cellulose en zetmeel opgebouwd door een aaneenschakeling van glucose.

Het fotosyntheseproces bestaat uit de lichtreacties en de reacties van de Calvincyclus

De lichtreacties:

• spelen zich af in het thylakoïdmembraan van de chloroplast;

• zijn mogelijk door vier eiwitcomplexen: twee fotosystemen, de protonpomp en ATP-synthase;

• zorgen voor de splitsing van water in elektronen, protonen en zuurstofgas en de vorming van NADPH;

• bouwen een protonengradiënt op. De energie van de protonengradiënt wordt via ATP-synthase gebruikt voor de opbouw van ATP.

De Calvincyclus:

• start met de fixatie van koolstofdioxide uit de lucht door het enzym rubisco;

• zorg t voor de opbouw van glucose;

• heeft geen licht nodig;

• resulteert in de vorming van ADP en NADP+, die opnieuw kunnen worden ingezet in de lichtreacties

©VANIN

VERDIEPING

Voor de vorming van glucose zijn zowel de lichtreacties als de Calvincyclus nodig.

Tijdens de lichtreacties worden NADPH en ATP gevormd:

2 NADP+ + 2 H2O → 2 NADPH + O2

ADP + fosfaat → ATP + H2O

Voor de Calvincyclus zijn twaalf NADPH-moleculen en achttien ATP-moleculen nodig om één glucosemolecule te kunnen maken. Dus:

12 NADP+ + 12 H2O → 12 NADPH + 6 O2

18 ADP + 18 fosfaat → 18 ATP + 18 H2O

Tijdens de Calvincyclus wordt glucose opgebouwd uit CO2:

6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H2O → C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 fosfaat

Samen met de vergelijking van de lichtreacties vormt dat:

6 CO2 + 6 H2O → 6 O2 + C6H12O6

Fotosynthese bij slakken

Er bestaan enkele dieren die toch aan fotosynthese kunnen doen. Een voorbeeld is de zeeslak (Costasiella kuroshimae). Die slak steelt de chloroplasten uit de algen die ze eet. Daarna houdt ze de chloroplasten in leven in haar eigen lichaam. Dat proces heet kleptoplastie, het stelen van plastiden uit een ander organisme.

C4-planten

Rubisco, het enzym dat in de Calvincyclus koolstofdioxide bindt met ribulose1,5-bisfosfaat, is een ‘slordig’ enzym. Rubisco heeft immers een niet zo hoge substraatspecificiteit, waardoor het soms zuurstofgas gebruikt in plaats van koolstofdioxide. Daardoor worden er dan maar één molecule glyceraldehyde3-fosfaat gevormd (3C) en een molecule met maar twee koolstofatomen (2C). Dat betekent dus een verlies aan productiviteit voor de plant.

©VANIN

Sommige plantenfamilies hebben daarvoor een ‘oplossing’ gevonden. Zij hebben mechanismen ontwikkeld om de koolstofdioxideconcentratie rond rubisco te verhogen, zodat er veel minder vaak zuurstofgas wordt gebonden. In die planten wordt koolstofdioxide gecapteerd door een ander enzym en gebonden aan een 3C-molecule (fosfoenolpyruvaat, PEP) tot een 4C-molecule (oxaalazijnzuur). In een aantal planten, bijvoorbeeld maïs en suikerriet (zogenoemde C4-planten), wordt die molecule getransporteerd naar gespecialiseerde cellen in het blad en daar weer omgezet naar koolstofdioxide en PEP. Daardoor is er in die cellen een hoge concentratie aan koolstofdioxide en dus weinig competitie op rubisco.

Planten die in warme en droge gebieden groeien, zoals veel vetplanten en cactussen, openen enkel ’s nachts de huidmondjes om waterverlies te vermijden. Zij slaan ’s nachts ook oxaalazijnzuur op (in de vacuole). Dat levert overdag koolstofdioxide op, dat dan weer door rubisco gefixeerd wordt.

S Afb. 198 Sommige planten overleven in een zeer droge omgeving dankzij een aangepast metabolisme. Voorbeelden zijn de woestijnplant Welwitschia en cactussen in Amerika.

S Afb. 197

De zeeslak staat bekend om haar snoezige uiterlijk en wordt vaak vergeleken met het animatiefiguurtje Shaun the Sheep.

3 Chemosynthese

Chemoautotrofe organismen, waaronder heel wat bacteriën en archaea, doen aan chemosynthese. Ze maken glucose aan uit koolstofdioxide, maar benutten in plaats van zonneenergie de energie die vrijkomt bij de oxidatie van een anorganische stof. Chemosynthetische bacteriën komen op veel plaatsen in de natuur voor, zowel in de bodem op het land als in de zee. Door hun oxidatie van verbindingen ontstaan ionen die andere organismen vaak op hun beurt weer kunnen opnemen. Daardoor maken ze de kringloop van stoffen mogelijk en vervullen ze een belangrijke rol in de natuur.

©VANIN

VOORBEELD 1 KLEURLOZE ZWAVELBACTERIËN

Kleurloze zwavelbacteriën zijn kleurloos doordat ze niet beschikken over pigmenten. Ze halen energie uit de oxidatie van diwaterstofsulfide (H2S) tot zwavel (S). Andere soorten kunnen zwavel oxideren tot sulfaationen (SO42–), die andere organismen dan weer kunnen opnemen.

W Afb. 199 Op de bodem van de oceaan bevinden zich ecosystemen met aan de basis chemoautrotrofe bacteriën die diwaterstofsulfide kunnen omzetten. Oxidatie van diwaterstofsulfide tot zwavel en sulfaationen: H2S → S → SO42–

VOORBEELD 2 IJZERBACTERIËN

IJzerbacteriën tref je vooral aan in water met veel opgeloste Fe2+-zouten. Aan het oppervlak vormen ze kleurige slierten rondom planten. Het water, de wortels en de stengels van de planten kleuren daarbij roestbruin.

W Afb. 200

Aan het oppervlak van moerassen en sloten zie je soms een kleurige filmlaag van bacteriën die ijzerionen omzetten. Oxidatie van Fe2+ → Fe3+

VOORBEELD 3 KNALGAS EN METHAANBACTERIËN

Bij de afbraak van stikstofvrije organische verbindingen (bv. cellulose) komen vaak knalgas en methaangas vrij. Bacteriën kunnen dat gebruiken om te oxideren.

Chemosynthese is het proces waarbij bacteriën organische verbindingen opbouwen met behulp van chemische energie. Die chemische energie is afkomstig van de oxidatie van anorganische stoffen.

W Afb. 201

Methaanbubbels komen vrij bij vervuild rioolwater. Oxidatie van CH4 → CO2

AAN DE SLAG

De afbeelding toont een chloroplast. Welke moleculen horen bij de nummers?

Hoeveel keer moet de Calvincyclus worden doorlopen voor de productie van één molecule glucose?

a één keer

b twee keer

c drie keer d zes keer

Leg uit waarom het voordelig is voor planten om verschillende soorten pigmenten te hebben.

Men onderzoekt de invloed van de CO2-concentratie op de snelheid van de fotosynthese. Bij een groene waterplant meet men de O2-productie terwijl men de CO2-concentratie in het water aanpast. Alle andere factoren die de fotosynthese zouden kunnen beïnvloeden, worden constant gehouden. Het resultaat van het experiment zie je op de grafiek. Vul het onderstaande besluit aan.

O 2 -afgifte in mL per minuut

CO2-concentratie

Verhoging van de CO2-concentratie verhoogt de snelheid van de fotosynthese doordat … a er meer ATP kan worden gevormd om energie te leveren voor de Calvincyclus; b de lichtreacties sneller verlopen; c de Calvincyclus sneller verloopt; d een groter aantal chlorofylmoleculen licht kan absorberen.

De onderstaande afbeelding stelt fotosysteem II voor.

a Noteer welke zijde de stromazijde is en welke de lumenzijde.

b Wat is de naam van het membraan?

c Hoe wordt het elektronentekort dat ontstaat aan de lumenzijde aangevuld?

d Wat gebeurt er met de elektronen die terechtkomen aan de stromazijde?

Meer oefenen? Ga naar .

1 DE PIGMENTEN VAN DE FOTOSYNTHESE

• pigmenten: chlorofyl a, chlorofyl b, β-caroteen, luteïne

• ligging: in de chloroplasten

• f unctie: licht absorberen

• absorptiespectrum: geeft de golflengtes van het licht weer die een pigment kan absorberen

2 HET FOTOSYNTHESEPROCES

Pigmenten nemen lichtenergie op, die tijdens de lichtreacties kan worden gebruikt om uit ADP en NADP+ de moleculen ATP en NADPH te vormen. De energie in ATP en NADPH drijft de Calvincyclus aan. De Calvincyclus is een cyclus van stofomzettingen om glucose op te bouwen.

LICHTREACTIES

• Verlopen in het thylakoïdmembraan.

• Een watermolecule wordt gesplitst. Daarbij wordt zuurstofgas geproduceerd.

• Er wordt een protonengradiënt opgebouwd.

• De energie van de protonengradiënt wordt door ATP-synthase gebruikt voor de opbouw van ATP.

• NADP+ wordt gereduceerd tot NADPH + H+.

• Verloopt in het stroma.

• Een CO2-molecule wordt gekoppeld aan een 5C-molecule. Daarbij ontstaat een 6C-verbinding.

• Na een aantal omzettingen wordt uiteindelijk glucose gevormd.

Chemosynthese is het proces waarbij bacteriën organische verbindingen opbouwen met behulp van chemische energie. Die chemische energie is afkomstig uit de oxidatie van anorganische stoffen. HOOFDSTUKSYNTHESE

CALVINCYCLUS

3 CHEMOSYNTHESE

HOOFDSTUK 3

Î Celademhaling

Organismen kunnen organische moleculen uit bijvoorbeeld voeding afbreken om zo aan bouwstoffen en energie te komen. Bouwstoffen zijn moleculen die essentieel zijn voor groei en herstel. Je weet al dat er ook energie nodig kan zijn om moleculen van vorm te doen veranderen, zoals eiwitdraden in spiercellen. Verder hebben ook celorganellen energie nodig om hun functie uit te voeren. De vorming van ATP is dus essentieel om cellen voortdurend te voorzien van energie.

LEERDOELEN

M Uitleggen hoe organismen energie winnen uit de afbraak van voeding

M De processen van de aerobe en anaerobe celademhaling uitleggen

1 Celademhaling en fermentaties

Cellen breken tijdens het katabolisme moleculen af tot kleinere moleculen. Die afbraak verloopt via een reeks reacties waarbij energie vrijkomt die gebruikt wordt om ATP te vormen. Zowel autotrofe als heterotrofe organismen kunnen energierijke organische verbindingen afbreken om ATP te vormen.

S Afb. 202 De klaver die de koe eet, is autotroof. Voedingsstoffen zoals glucose kunnen met behulp van zuurstofgas afgebroken worden om daarbij ATP te vormen. Vooral in de mitochondriën zullen grote hoeveelheden energie worden vrijgemaakt.

S Afb. 203

Schimmels zijn heterotroof. Hier gebruikt een schimmel de biomoleculen van een onfortuinlijke mier om zelf aan bouwstoffen en energie te komen. Op een bepaald ogenblik sterft de mier en komt er uit het lichaam een vruchtlichaam van de schimmel tevoorschijn.

©VANIN

Eiwitten, sachariden en lipiden uit de voeding worden in een organisme dus afgebroken om er nieuwe bouwelementen uit te halen of er energie uit te winnen. Bij de volledige afbraak van moleculen komt er vaak heel wat energie vrij. In dit hoofdstuk bekijk je vooral de afbraak van glucose. Glucose ontstaat uit de afbraak van polysachariden, zoals zetmeel en glycogeen.

Organismen zijn in staat om hun voorraad ATP aan te vullen door gebruik te maken van de energie die vrijkomt bij de afbraak van glucose tot twee moleculen pyrodruivenzuur.

Die universele metabole route wordt de glycolyse genoemd. De verdere omzetting van de moleculen pyrodruivenzuur hangt onder meer af van de aan- of afwezigheid van zuurstofgas (O2).

• Als zuurstofgas aanwezig is, kan pyrodruivenzuur in de mitochondriën verder geoxideerd worden tot koolstofdioxide (CO2). Daarbij komt veel energie vrij. Van pyrodruivenzuur wordt eerst een CO2-molecule afgesplitst, waarna een reeks reacties kan plaatsvinden, de citroenzuurcyclus of Krebscyclus genoemd. Elektronendragers zoals NADH kunnen dan net zoals in de fotosynthese via een elektronentransportketen een protonengradiënt opwekken. Die protonengradiënt wordt benut om grote hoeveelheden ATP te vormen. Het geheel van reacties waarbij ATP wordt gevormd tijdens de afbraak van glucose tot CO2 en H2O in aanwezigheid van O2, noem je de aerobe celademhaling.

• Als zuurstofgas afwezig is, wordt pyrodruivenzuur niet omgezet in koolstofdioxide, maar treedt er fermentatie of gisting op. Dat noem je de anaerobe celademhaling

De term pyruvaat wordt vaak als synoniem gebruikt voor pyrodruivenzuur, hoewel pyruvaat eigenlijk de geïoniseerde vorm betreft. Het is een molecule met drie koolstofatomen.

©VANIN

aanwezig

afwezig

cyclus

elektronentransportketen

hoeveelheid

S Afb. 204

Overzicht van de processen glycolyse, Krebscyclus, elektronentransportketen en fermentatie. Tijdens de afbraak van glucose tot pyrodruivenzuur worden er 2 moleculen ATP geproduceerd. In aanwezigheid van zuurstofgas vormen de Krebscyclus en de elektronentransportketen daar nog 34 moleculen ATP bij.

2 De glycolyse

Tijdens de glycolyse splitst een glucosemolecule (6C) in twee moleculen pyrodruivenzuur (3C), waarbij netto twee moleculen ATP worden gewonnen. De verschillende reacties van de glycolyse verlopen in het cytoplasma en worden elk gekatalyseerd door een ander enzym. Het volgende schema geeft een overzicht van het verloop van de glycolyse.

©VANIN

investering van 2 ATP om een geactiveerde 6C-molecule te krijgen

fructose-1,6bisfosfaat

glyceraldehyde3-fosfaat

glyceraldehyde3-fosfaat

splitsing van de 6C-molecule in 2 3C-moleculen

de afbraak van de 2 3C-moleculen levert 2 keer 2 ATP op

pyrodruivenzuurpyrodruivenzuur

S Afb. 205 De glycolyse is een universele metabole route waarmee glucose wordt omgezet in twee moleculen pyrodruivenzuur. Per molecule glucose worden netto twee moleculen ATP en twee moleculen NADH gevormd.

Tijdens de eerste reacties van de glycolyse worden twee moleculen ATP omgezet in twee moleculen ADP om een geactiveerde 6C-molecule (fructose-1,6-bisfosfaat) te verkrijgen. Het is een voorbereiding op het verdere verloop van de glycolyse waarbij energie vrijkomt. De geactiveerde 6C-molecule splitst vervolgens in twee 3C-moleculen. De twee 3C-moleculen kunnen in de cel worden omgezet in twee moleculen pyrodruivenzuur. De energie die bij die omzettingen vrijkomt, is voldoende om vier ATP-moleculen te vormen, waardoor de energievoorraad van de cel wordt aangevuld. Aangezien de activatie van glucose twee ATPmoleculen kost en er verder vier ATP-moleculen vrijkomen, levert de afbraak van één molecule glucose naar twee moleculen pyrodruivenzuur een nettowinst van twee moleculen ATP op.

Tijdens de omzetting van glucose naar moleculen pyrodruivenzuur vindt er een oxidatie plaats. Door de elektronen die daarbij vrijkomen op te vangen, wordt de elektronendrager NAD+ gereduceerd tot NADH

©VANIN

S Afb. 206

+ 2 ADP + 2 NAD+ + 2 fosfaat → 2 C3H4O3 + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP

Samenvattende reactie van de glycolyse

Tijdens de glycolyse breekt glucose in een aantal reacties af tot twee moleculen pyrodruivenzuur. De energie die bij die reacties vrijkomt, wordt gebruikt om ATP en NADH te vormen, waardoor de energievoorraad van de cel wordt aangevuld. De verdere omzetting van die moleculen pyrodruivenzuur hangt onder meer af van de aan- of afwezigheid van zuurstofgas.

IN AANWEZIGHEID VAN ZUURSTOFGASIN AFWEZIGHEID VAN ZUURSTOFGAS

• Pyrodruivenzuur wordt in een reeks reacties (de Krebscyclus) afgebroken tot twee moleculen koolstofdioxide.

• Elektronendragers wekken een protonengradiënt op.

= aerobe celademhaling

• Fermentatie levert melkzuur of ethanol op.

= anaerobe celademhaling

C6H12O6

Co-enzymen zijn moleculen die aanwezig zijn in het actief centrum van een enzym en een reactie kunnen katalyseren.

Co-enzym A wordt niet alleen gebruikt in de decarboxylering van pyruvaat en de Krebscyclus, maar speelt ook een belangrijke rol in de synthese en afbraak van vetzuren.

3 De decarboxylering van pyrodruivenzuur

Transporteiwitten in de membranen van de mitochondriën verplaatsen de gevormde pyrodruivenzuurmoleculen uit het cytoplasma naar de matrix. Enzymen in de matrix decarboxyleren pyrodruivenzuur: dat wil zeggen dat één CO2-molecule wordt afgesplitst. De overgebleven acetylgroep bevat twee koolstofatomen en bindt met de molecule co-enzym A tot acetyl co-enzym A (acetyl-CoA). Tijdens die reactie oxideert pyrodruivenzuur. Daarom noem je de reactie een oxidatieve decarboxylering. In de oxidatie worden elektronen overgedragen aan de molecule NAD+, die daardoor reduceert tot NADH.

©VANIN

binnenmembraan

buitenmembraan matrix

buitenmembraan van mitochondrie

transporteiwit

binnenmembraan

co-enzym A oxidatieve decarboxylering

pyrodruivenzuur (3C)

co-enzym A (2C)

Een andere naam voor de citroenzuurcyclus is de tricarbonzuurcyclus of TCA-cyclus, omdat citroenzuur drie carbonzuurgroepen bevat.

4 De Krebscyclus

+

W Afb. 207

Pyrodruivenzuur wordt in een mitochondrie gedecarboxyleerd. Daarbij ontstaan een molecule koolstofdioxide en een acetylgroep die op co-enzym A is gebonden. De reactievergelijking van de oxidatieve decarboxylering wordt onderaan weergegeven.

In de citroenzuurcyclus of de Krebscyclus worden de twee resterende koolstofatomen van de acetylgroep in acetyl co-enzym A afgesplitst in de vorm van koolstofdioxide. Dat gebeurt door enzymen in een reeks reacties die plaatsvinden in de matrix van de mitochondrie.

De acetylgroep wordt opgenomen in de cyclus doordat ze gebonden wordt op oxaalazijnzuur (4C), een verbinding met vier koolstofatomen. De cyclus is genoemd naar een van de producten die ontstaan: citroenzuur (6C).

Afb. 208

acetyl co-enzym A co-enzym A citroenzuur

oxaalazijnzuur

+ 3 H2O + 3

+ FAD + ADP + fosfaat → CoA +

De Krebscyclus is een metabool proces waarbij heel wat tussenproducten ontstaan. In essentie oxideert een acetylgroep (2C) tot twee moleculen koolstofdioxide. Per acetylgroep die via de cyclus wordt afgebroken, ontstaan drie moleculen NADH, één molecule FADH2 en één molecule ATP.

In de reacties van de Krebscyclus worden twee koolstofatomen afgesplitst in de vorm van koolstofdioxide. Tijdens oxidatiereacties komen elektronen en protonen vrij om drie moleculen NAD+ en één molecule FAD te reduceren tot NADH en FADH2. Ook komt er voldoende energie vrij om één molecule ATP te vormen door een fosfaatgroep te binden op ADP.

Nadat de twee koolstofatomen worden afgesplitst, volgen nog een reeks omzettingen waardoor de molecule oxaalazijnzuur ontstaat, die opnieuw met een acetyl-CoA-molecule kan reageren.

De Krebscyclus is genoemd naar de bioloog Hans Adolf Krebs (19001981). Hij werd geboren in Duitsland en studeerde geneeskunde en chemie. Door zijn Joodse afkomst moest hij onder het naziregime uitwijken naar Groot-Brittannië. Daar kwam hij terecht bij de faculteit biochemie in Cambridge. Hij hield zich vooral bezig met onderzoek van het metabolisme. Nadat Krebs eerder al de ureumcyclus had ontdekt, ontrafelde hij in 1937 de stappen van de citroenzuurcyclus. Nature, een zeer belangrijk wetenschappelijk vakblad, wees de publicatie van zijn artikel echter af. Zijn onderzoek werd wel gepubliceerd in het Nederlandse tijdschrift Enzymologia De ontdekking van de citroenzuurcyclus leverde hem in 1953 de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde op.

S

WEETJE

S Afb. 209 Hans Adolf Krebs

5 De elektronentransportketen en de aanmaak van ATP

De elektronendragers NADH en FADH2 die tijdens de glycolyse, decarboxylering en citroenzuurcyclus ontstonden, bevatten aanzienlijke hoeveelheden chemische energie. Die energie kan worden vrijgesteld als de moleculen opnieuw oxideren tot NAD+ en FAD. Die overdracht van elektronen is de start van verschillende oxidatie- en reductiereacties in een elektronentransportketen, waarbij een aantal moleculen achtereenvolgens elektronen opnemen en afgeven. De elektronen komen uiteindelijk terecht op zuurstofgas, dat wordt gereduceerd tot water

©VANIN

De elektronentransportketen verloopt in het binnenmembraan van de mitochondrie. Net zoals bij de fotosynthese zorgt het transport van elektronen voor de aandrijving van protonpompen. Die pompen transporteren protonen van de matrix naar de tussenmembraanzone, vergelijkbaar met het proces dat zich afspeelt in de chloroplasten. Daardoor wordt de concentratie aan protonen in de intermembraanruimte groter dan in de matrix. Die protonengradiënt vormt de drijvende kracht voor de synthese van ATP. De protonen stromen via diffusie door ATP-synthase terug naar de matrix. De energie van die stroom maakt het mogelijk een fosfaatgroep te binden aan ADP, waardoor ATP ontstaat.

S Afb. 210 Elektronentransportketen en ATP-vorming in een mitochondrie

Rendement van de aerobe afbraak van glucose

Vermits de synthese van 1 mol ATP uitgaande van ADP ongeveer 30 kJ kost, wordt tijdens de oxidatie van 1 mol glucose ongeveer 36 · 30 kJ = 1 080 kJ aan energie vastgelegd in ATP. De volledige oxidatie van 1 mol glucose stelt 2 880 kJ aan energie vrij. Het rendement van de aerobe ademhaling bedraagt dus:

1 080 kJ

2 880 kJ = 0,375 = 37,5 %

Dat betekent dat 63 % van de energie die vervat zit in glucose, niet gebruikt kan worden om arbeid te verrichten en dus verloren gaat als warmte.

C6H12O6 + 6 O2 + 34-36 ADP + 34-36 fosfaat → 6 CO2 + 6 H2O + 34-36 ATP + warmte

Bepaalde diergroepen (vogels en zoogdieren) benutten de vrijgekomen warmte om hun lichaamstemperatuur constant te houden. Doorgaans is die lichaamstemperatuur hoger dan de omgevingstemperatuur. Ook sommige planten maken gebruik van die restwarmte. Zo gebruikt de reuzenaronskelk de warmte om aasgeuren beter te verspreiden, waarmee hij insecten aantrekt die zorgen voor de bestuiving. Het sneeuwklokje kan bloeien als er sneeuw ligt omdat het met zijn warmte de sneeuw laat wegsmelten.

©VANIN

Tijdens de decarboxylering wordt van pyrodruivenzuur een koolstofatoom afgesplitst in de vorm van koolstofdioxide. De twee overgebleven koolstofatomen worden gebonden aan CoA. Zo ontstaat acetyl-CoA.

In de Krebscyclus worden de twee resterende koolstofatomen in acetyl-CoA verder afgesplitst in de vorm van koolstofdioxide. Dat gebeurt door enzymen in een reeks reacties die plaatsvinden in de matrix van de mitochondrie. Met de energie die in de tussenstappen van de cyclus vrijkomt, worden NADH, FADH2 en ATP gevormd.

De elektronen van NADH en FADH2 worden doorgegeven in een elektronentransportketen Door het transport van elektronen wordt een protonengradiënt opgebouwd. De elektronen worden uiteindelijk overgedragen op zuurstofatomen. Samen met protonen ontstaan er dan waterstofmoleculen. Met de energie van die protonengradiënt wordt ATP gesynthetiseerd.

S Afb. 211 Reuzenaronskelk (Amorphophallus titanum)

S Afb. 212 Sneeuwklokje (Galanthus nivalis)

6 Afbraak van andere verbindingen

Zetmeel en glycogeen zijn polysachariden die opgebouwd zijn uit glucose-eenheden. De energie die erin aanwezig is, kan benut worden door ze af te breken tot glucose en verder af te breken in de glycolyse of Krebscyclus. Disachariden zoals maltose, lactose en sacharose worden afgebroken tot monosachariden. Veel monosachariden, zoals fructose en glucose, kunnen rechtstreeks opgenomen worden in de glycolyse. Andere worden eerst omgezet tot glucose.

Tussen maaltijden in, en in periodes van grote inspanningen, vormen lipiden een belangrijke bron van energie. Tijdens de lipidenafbraak worden lipiden afgebroken tot glycerol en vetzuren. Glycerol kan worden omgezet in een molecule die afgebroken kan worden in de glycolyse. De lange vetzuren worden in de mitochondriën afgebroken door herhaaldelijk twee koolstofatomen af te splitsen in de vorm van acetyl co-enzym A in een reeks van reacties. Dat co-enzym wordt vervolgens via de Krebscyclus verder afgebroken. De afbraak van vetzuren is een belangrijk proces omdat het per koolstafatoom een grotere opbrengst aan ATP oplevert dan de aerobe afbraak van glucose.

Eiwitten worden bij de eiwitafbraak eerst afgebroken tot aminozuren. Door de aminozuren via een aantal reacties om te zetten in tussenproducten die bruikbaar zijn in de Krebscyclus, kunnen ze oxideren tot CO2 en kan de energie opgeslagen in de aminozuren benut worden voor de synthese van ATP uit ADP en fosfaat. Aminozuren kunnen ook hergebruikt worden om nieuwe eiwitten mee te maken.

energierijke moleculen eiwitten lipiden

polysachariden

eiwitafbraak

©VANIN

lipidenafbraak

monosachariden glycerol vetzuren aminozuren

glycolyse KATABOLISME

Krebscyclus

energiearme moleculen CO2 ,

W Afb. 213

Overzicht van katabole reacties in de cel. Moleculen in voedsel worden afgebroken tot moleculen zoals CO2, NH3 en H2O. Daarbij komt energie vrij.

Door de afbraak van overtollige aminozuren kan de aminogroep (-NH2) gebruikt worden voor de synthese van andere aminozuren. Een overschot of teveel aan stikstof leidt echter tot de productie van ammoniak (NH3). Omdat ammoniak giftig is, moet het onschadelijk worden gemaakt en verwijderd worden. In contact met water ioniseert ammoniak tot het ammoniumion (NH4+), dat goed oplosbaar is. Bij zoogdieren en heel wat amfibieën wordt ammoniak in de lever omgezet in het niet-giftige ureum, dat ook goed oplosbaar is. Ureum en ammoniak kunnen dankzij hun goede oplosbaarheid in water via urine het lichaam verlaten. Reptielen en vogels zetten het giftige ammoniak om in urinezuur, dat niet in water oplosbaar is. De witte uitwerpselen van reptielen en vogels bestaan voor een aanzienlijk deel uit het witte, onoplosbare urinezuur.

Veel ongewervelden, waterorganismen en vissen produceren ammoniak

Zoogdieren en heel wat amfibieën produceren ureum

Vogels en reptielen produceren urinezuur

©VANIN

Tijdens de lipidenafbraak worden lipiden afgebroken tot glycerol en vetzuren. Glycerol kan opgenomen worden in de glycolyse. Vetzuren worden afgebroken tot acetylgroepen en gebonden aan acetyl co-enzym A. Dat wordt vervolgens in de Krebscyclus verder geoxideerd tot CO2

Tijdens de eiwitafbraak worden eiwitten afgebroken tot aminozuren. Die worden omgezet in andere moleculen, die opgenomen kunnen worden in de Krebscyclus.

S Afb. 214

7 Fermentaties

De melkzuurgisting verloopt in het cytoplasma van onder andere melkzuurbacteriën. De eerste fase is de glycolyse. In een tweede fase wordt pyrodruivenzuur omgezet in melkzuur (dat in een waterige omgeving ioniseert tot lactaat). LABO 10

Ontdek het volledige proces van de melkzuurgisting op .

Fermentatie of gisting is de afbraak van biomoleculen in een anaerobe omgeving. Die omzetting wordt, zoals je eerder zag, ook wel de anaerobe celademhaling genoemd. Voor heel wat microorganismen die geen zuurstofgas verbruiken, zoals bacteriën en gisten, is dat een manier om aan energie te komen. Soms vindt dat proces ook plaats in cellen en weefsels van andere organismen, dieren en planten, bij gebrek aan zuurstofgas.

Bij gebrek aan zuurstofgas kan de NADH die gevormd wordt in de glycolyse, niet opnieuw oxideren tot NAD+ langs de elektronentransportketen. Om de glycolyse toch te laten doorgaan, kunnen de meeste cellen omschakelen naar een andere manier om de geproduceerde NADH te oxideren.

Tijdens fermentaties worden de elektronen van NADH overgedragen op een organische molecule zoals pyrodruivenzuur. Daardoor ontstaat opnieuw NAD+ en kan de glycolyse blijven doorgaan.

7.1

De melkzuurgisting

©VANIN

S Afb. 215 Tijdens de melkzuurgisting worden de elektronen van NADH overgedragen op de organische molecule pyrodruivenzuur. Daaruit ontstaan dan moleculen melkzuur. Door de lage pH denatureren de melkeiwitten en onstaat een vastere structuur (yoghurt).

7.2 De alcoholische gisting

De alcoholische gisting verloopt in het cytoplasma van onder andere gistcellen. De eerste fase is de glycolyse. In een tweede fase wordt pyrodruivenzuur omgezet in ethanol, waarbij koolstofdioxide vrijkomt.

pyrodruivenzuur (3C)

W Afb. 216 Tijdens de alcoholische gisting worden de elektronen van NADH overgedragen op de organische molecule pyrodruivenzuur. Daaruit ontstaan dan moleculen ethanol.

Goudvissen hebben een uitzonderlijk vermogen: ze kunnen maandenlang overleven in water waar zo weinig zuurstofgas in is opgelost dat andere vissen er vrij snel in zouden sterven. Die vissen sterven doordat ze moeten overschakelen op melkzuurgisting als de hoeveelheid opgelost zuurstofgas te laag is. Dat zorgt voor een daling van de pH-waarde van het bloed. Een sterke en langdurige daling is dodelijk. Onderzoekers ontdekten dat goudvissen in milieus met weinig opgelost zuurstofgas overschakelen op alcoholische gisting in plaats van melkzuurgisting. De goudvissen scheiden het ethanol en het koolstofdioxide langs de kieuwen uit.

Ontdek het volledige proces van de alcoholische gisting op

©VANIN

Heel wat micro-organismen leven anaeroob. Ze maken gebruik van fermentatie om ATP te produceren. Melkzuurbacteriën zetten pyrodruivenzuur om in melkzuur. In gistcellen is het eindproduct ethanol. Je spreekt van respectievelijk de melkzuurgisting en de alcoholische gisting.

Fermentatie treedt ook op in andere cellen en weefsels, van bijvoorbeeld planten en dieren, bij zuurstofgasgebrek. Fermentatie wordt ook anaerobe celademhaling genoemd.

S Afb. 217

Goudvissen kunnen overleven in water waarin weinig zuurstofgas is opgelost, omdat ze overschakelen op alcoholische gisting.

WEETJE

AAN DE SLAG

Als bij een plant de snelheid van de fotosynthesereactie en de celademhaling gelijk is, wat zal er dan netto gebeuren?

a De plant zal koolstofdioxide opnemen.

b De plant zal zuurstofgas afgeven.

c De plant zal koolstofdioxide opnemen en zuurstofgas afgeven.

d De plant zal waterdamp afgeven.

Tijdens de celademhaling en de fotosynthese gaat het telkens om een energieomzetting. Verklaar.

Welke stofwisselingsreactie komt wel voor bij planten, maar niet bij planteneters?

a de productie van organische stoffen waarvoor andere organische stoffen uit de omgeving worden opgenomen

b de productie van organische stoffen waarvoor alleen anorganische stoffen uit de omgeving worden opgenomen

c de productie van anorganische stoffen waarvoor organische stoffen uit de omgeving worden opgenomen

d de productie van anorganische stoffen waarvoor alleen anorganische stoffen uit de omgeving worden opgenomen

Waar in een eukaryote cel grijpen de glycolyse, de citroenzuurcyclus en de oxidatie van NADH plaats? Noteer de juiste combinatie.

GLYCOLYSE

A mitochondriën mitochondriën mitochondriën

B cytoplasma chloroplast cytoplasma

C cytoplasma cytoplasma mitochondriën

D cytoplasma mitochondriën mitochondriën

E mitochondriën cytoplasma mitochondriën

Aan brood voegt men meestal (bakkers)gist toe om het na het kneden te laten rijzen. Door welk(e) proces(sen) neemt het deeg in omvang toe? Welke producten worden er gevormd?

a de aerobe verbranding van glucose, waarbij alcohol en CO2 worden gevormd

b de aerobe verbranding van glucose, waarbij water en CO2 worden gevormd

c de anaerobe verbranding van glucose, waarbij alcohol en CO2 worden gevormd

d de anaerobe verbranding van glucose, waarbij water en CO2 worden gevormd

Witte bloedcellen bezitten een kern en mitochondriën. Rode bloedcellen bezitten die onderdelen niet. Welke uitspraak is juist?

a Rode bloedcellen vormen geen ATP.

b Rode bloedcellen vormen minder ATP per mol glucose dan witte bloedcellen.

c Rode bloedcellen vormen geen pyruvaat.

d Rode bloedcellen verbruiken meer zuurstofgas dan witte bloedcellen.

Zijn de volgende stellingen juist of fout?

a De glycolyse is de afbraak van glucose tot pyruvaat.

b Sommige reacties in de glycolyse vereisen energie-input.

©VANIN

c Glucose kan enkel omgezet worden in pyruvaat onder aerobe omstandigheden.

d T ijdens de glycolyse worden de energierijke verbindingen ATP en NADH + H+ gevormd.

Meer oefenen? Ga naar .

HOOFDSTUKSYNTHESE

CELADEMHALING

De celademhaling verloopt via een reeks reacties. De energie die bij die reacties vrijkomt, wordt gebruikt om ATP te vormen, waardoor de energievoorraad van de cel wordt aangevuld. Als er bij de reacties zuurstofgas beschikbaar is, kan glucose volledig worden afgebroken tot koolstofdioxide tijdens de aerobe celademhaling Gebeuren de reacties zonder tussenkomst van zuurstofgas, dan kun je spreken van een anaerobe celademhaling of fermentatie

O2 decarboxylering glycolyse

elektronentransport

pyrodruivenzuur ATP-synthese

©VANIN

fermentaties

De aerobe celademhaling verloopt in verschillende stappen:

• De glycolyse vindt plaats in het cytoplasma. Glucose wordt afgebroken tot pyrodruivenzuur. Daarbij worden ATP en NADH gevormd.

• Bij de ademhaling in aerobe omstandigheden wordt er vervolgens een koolstofatoom afgesplitst in de vorm van koolstofdioxide. De twee overgebleven C-atomen worden gebonden aan CoA. Zo ontstaat er acetyl-CoA

• De Krebscyclus verloopt in de matrix van de mitochondriën. Daarbij worden de twee resterende koolstofatomen in acetyl-CoA verder afgesplitst in de vorm van koolstofdioxide. Met de energie die tijdens de reacties vrijkomt, worden NADH, FADH2 en ATP gevormd.

• De elektronen van NADH en FADH2 worden doorgegeven in een elektronentransportketen, waarbij een protonengradiënt wordt opgebouwd. De elektronen komen uiteindelijk terecht op zuurstofgas, dat wordt gereduceerd tot watermoleculen. Met de energie van die protonengradiënt wordt ATP gesynthetiseerd.

In anaerobe omstandigheden maken cellen enkel ATP via de glycolyse. Dat gebeurt in sommige microorganismen, maar ook cellen in andere organismen, zoals dieren en planten, kunnen in anaerobe omstandigheden terechtkomen. Dan wordt pyrodruivenzuur via fermentatie verwerkt tot bijvoorbeeld melkzuur of ethanol. Je spreekt dan van melkzuurgisting of alcoholische gisting.

Tijdens de aerobe celademhaling komt er zo’n 36 ATP vrij bij een volledige oxidatie van één molecule glucose tot koolstofdioxide. Bij de fermentaties komt er maar 2 ATP vrij.

©VANIN

THEMA 03 DE CELCYCLUS EN CELDELINGEN BIJ EUKARYOTEN

‘Ken je het geslacht al?’ is een vraag die elke aanstaande moeder of vader weleens te horen krijgt. Het genetisch geslacht van een mens wordt bepaald door de geslachtschromosomen. Meestal zijn dat er twee: ofwel twee X-chromosomen, ofwel een X- en een Y-chromosoom. Het Y-chromosoom bevat zo’n 80 miljoen nucleotiden en hun complement. Het is heel wat kleiner dan het X-chromosoom, dat er zo’n 153 miljoen heeft. Maar grootte zegt niet alles. Op het Y-chromosoom ligt namelijk een gen dat bepalend is voor de ontwikkeling van een foetus tot jongen. Als dat gen afwezig is, ontwikkelt de foetus zich tot meisje.

` Hoe wordt ons erfelijk materiaal opgeslagen in de celkern?

` Hoe wordt ons erfelijk materiaal verdubbeld wanneer een cel zich gaat delen?

` Hoe verloopt de celdeling?

We zoeken het uit!

X-chromosoom

Y-chromosoom

VERKEN

JE KUNT AL ...

©VANIN

• uitleggen dat er in DNA vier verschillende soorten nucleotiden voorkomen;

• de bouwstenen van een nucleotide beschrijven.

• het begrip ‘eiwitsynthese’ en de betrokken celorganellen situeren.

JE LEERT NU ...

• hoe DNA is opgeslagen in de celkern;

• hoe chromosomen zijn opgebouwd;

• hoe DNA verdubbeld wordt.

• hoe de celcyclus en de celdeling verlopen;

• hoe de mitose en meiose verlopen;

• wat het belang is van een gecontroleerde celcyclus;

• hoe cellen differentiëren tot bepaalde celtypes met verschillende functies.

H1

H2

HOOFDSTUK 1

Î De structuur en verdubbeling van chromosomen

©VANIN

Nieuwe cellen kunnen alleen ontstaan als bestaande cellen zich delen. De dochtercellen die bij de celdeling ontstaan, krijgen allemaal een kopie van het DNA dat in de oudercel aanwezig is. Dat principe zie je zowel bij prokaryote als bij eukaryote cellen. In dit hoofdstuk ontdek je in detail hoe het DNA van eukaryote cellen eruitziet en hoe het wordt verdubbeld.

LEERDOELEN

M Uitleggen hoe DNA in de celkern is opgeslagen

M Uitleggen hoe chromosomen zijn opgebouwd en wat een karyogram is

M Uitleggen hoe DNA wordt verdubbeld

1 DNA in de celkern

1.1 DNA als dubbele helix

Je weet al dat er in DNA vier verschillende soorten nucleotiden voorkomen, die elk bestaan uit een desoxyribosemolecule, een fosfaatgroep en een stikstofbase. Twee DNA-strengen worden met elkaar verbonden ter hoogte van de stikstofbasen, waartussen waterstofbruggen worden gevormd. Adenine wordt altijd gekoppeld met thymine uit de andere streng door middel van twee waterstofbruggen. Hetzelfde gebeurt met cytosine en guanine, waartussen drie waterstofbruggen aanwezig zijn. Wanneer je dus de nucleotidevolgorde in één streng kent, weet je meteen ook de volgorde in de andere streng. Je zegt dat de strengen complementair zijn met elkaar.

De twee nucleotideketens zijn rond elkaar gedraaid als een dubbele helix. Je weet al dat de C-atomen van de desoxyribose worden genummerd. Aan het uiteinde van een DNA-molecule draagt het 5’-C-atoom in beide strengen een fosfaatgroep. Het 3’-C-atoom draagt een OH-groep. Beide uiteinden van een streng zijn dus verschillend.

Je duidt ze aan met 5’ en 3’. In een DNA-helix zitten de strengen antiparallel: de twee strengen liggen parallel, maar anders georiënteerd.

antiparallelle polynucleotiden DNA-helixstructuur fosfaatgroep

waterstofbrug N-base desoxyribose

S Afb. 218 Tussen twee DNA-strengen zorgen waterstofbruggen voor de verbinding van de stikstofbasen.

LABO

Transcriptiefactoren zijn eiwitten die kunnen binden aan de DNA-molecule in de grote of de kleine groeve. Ze bezitten meerdere zones waarin helixstructuren aanwezig zijn.

In de structuur van een DNA-molecule kun je een grote en een kleine groeve onderscheiden. In die groeven passen moleculen, bijvoorbeeld transcriptiefactoren. Dat zijn eiwitten die een rol spelen bij de transcriptie van DNA tot RNA.

transcriptiefactor

kleine groeve

grote groeve

1 winding = 10 basenparen

2 strengen zijn complementair en antiparallel

S Afb. 219 De structuur van DNA. Per volledige draai of winding van 3,4 nm komen ongeveer tien basenparen voor. De twee nucleotidestrengen winden zich schroefvormig rond een denkbeeldige as.

Op beide strengen van de DNA-dubbelstreng liggen genen. Een gen is een deel van het DNA dat de code voor een eiwit bevat. Niet alle genen op het DNA worden op hetzelfde moment in de levenscyclus van de cel overgeschreven. Wanneer het DNA van een gen wordt overgeschreven in mRNA en dat wordt vertaald in een eiwit, zeg je dat het gen tot expressie komt.

S Afb. 220

De streng die niet wordt overgeschreven, heeft dezelfde basenvolgorde als het mRNA. Daarom noem je die streng de sense-streng of de coderende streng. De niet-coderende streng wordt overgeschreven in mRNA en dient als template voor dat proces. 3D-beeld

Het overschrijven van DNA in mRNA, de transcriptie, gebeurt altijd in de 5’-3’-richting: nucleotiden worden aangehecht aan het 3’-einde van een bestaande keten. De DNA-streng die dient als template voor de aanmaak van mRNA, noem je de antisense-streng of de niet-coderende streng. Omdat die streng wordt afgeschreven, heeft het mRNA dezelfde basenvolgorde als in de coderende streng van het DNA. Als een bestaande nucleotidestreng gebruikt wordt als basis voor de aanmaak van een nieuwe streng, dan noem je die bestaande streng de template of de matrijs. De nieuwe streng kan een RNA-streng zijn die wordt aangemaakt bij de transcriptie van DNA, maar het kan ook een DNA-streng zijn die wordt aangemaakt tijdens het proces van de replicatie. Dat proces komt verderop in dit thema aan bod.

sense-streng of coderende streng antisense-streng of niet-coderende streng Deze streng wordt gebruikt als template voor de transcriptie. transcriptie

1.2 Chromatine

In één menselijke lichaamscel bevinden zich 46 DNA-moleculen of chromosomen die, wanneer je ze achter elkaar zou plaatsen, samen een molecule vormen met een totale lengte van ongeveer twee meter. Alleen in een compact opgerolde vorm past het DNA in de celkern. Die sterke opvouwing is mogelijk door specifieke eiwitten, de histonen. Dat zijn positief geladen eiwitten waarrond het negatief geladen DNA zich wikkelt.

histon nucleosoom

©VANIN

histon-octameer

S Afb. 221

Schematische voorstelling van een nucleosoom

Er bestaan verschillende soorten histonen. Sommige daarvan vormen een structuur die bestaat uit acht histonen, een histon-octameer. Het geheel van het histon-octameer en het DNA dat er twee keer rond gewonden is, noem je een nucleosoom. Waterstofbruggen zorgen ervoor dat het geheel wordt samengehouden, en een extra histon-eiwit stabiliseert het pakketje. Met een lichtmicroscoop zie je iets dat lijkt op een kralenketting. Het complex van DNA en eiwitten in de kern van eukaryote cellen noem je chromatine

Afhankelijk van de compactheid van de chromatine onderscheiden we twee soorten. Euchromatine is minder compact, waardoor het DNA toegankelijker is voor enzymen die het zullen overschrijven in mRNA. Heterochromatine is daarentegen veel compacter. In dat deel bevinden zich meestal inactieve genen. Dat zijn genen die op dat moment niet worden gebruikt voor de aanmaak van eiwitten. In één chromatinedraad zijn tegelijkertijd euchromatine en heterochromatine aanwezig. Op een elektronenmicroscopische afbeelding van een celkern zie je duidelijk het onderscheid tussen beide.

W Afb. 222

Euchromatine en heterochromatine in de celkern van een niet-delende cel

Wanneer de ketting zich verder helixvormig oprolt, ontstaat er een chromatinevezel van 30 nm dik.

Voordat een cel zich deelt, wordt het geheel van DNA en eiwitten maximaal opgevouwen. Je ziet de chromosomen dan onder de lichtmicroscoop als korte, dikke staafjes. Tussen twee celdelingen komen de chromosomen voor als een chromatinenetwerk.

3D-beeld chromatine

De 30 nm dikke vezel vormt lussen van ongeveer 300 nm breed.

De lussen vouwen zich verder op, zodat een vezel met een diameter van 700 nm ontstaat.

©VANIN

Een nucleosoom bestaat uit acht histonen waarrond DNA gewikkeld zit.

De ketting van nucleosomen vouwt zich op tot een 30 nm dikke vezel.

De vezel vouwt zich verder op tot een chromatide van een chromosoom.

EM-beeld van chromatine. In de kralenketting zijn twee nucleosomen aangeduid met pijltjes.

EM-beeld van de 30 nm dikke vezel

VERDIEPING

Wanneer er in een bepaald celtype of op een bepaald tijdstip een gen tot expressie moet komen, bestaat de eerste stap erin het DNA toegankelijk te maken voor de enzymen die zorgen voor de transcriptie. De mate waarin de chromatine gecondenseerd is, wordt bepaald door de aanwezigheid van onder andere methylgroepen en acetylgroepen op de histonstaarten. De histonstaarten zijn de uiteinden van de aminozuurketen waaruit de histonen zijn opgebouwd. Ook op het DNA zelf kunnen methylgroepen worden aangehecht. De aanwezigheid van methylgroepen zorgt ervoor dat het DNA strak rond de histonen gewikkeld zit en minder toegankelijk is voor transcriptiefactoren. Maar wanneer er bijvoorbeeld negatieve acetylgroepen aanwezig zijn op de histonen, zal dat resulteren in een minder sterke aantrekking van het negatief geladen DNA en dus ook in een lossere structuur. Zulke aanpassingen noem je epigenetische modificaties

histonstaart

histonstaart gen

©VANIN

histon

methylgroep

DNA niet toegankelijk voor transcriptiefactoren, het gen is inactief.

acetylgroep

DNA wel toegankelijk voor transcriptiefactoren, het gen is actief.

Modificatie kan plaatsvinden onder invloed van omgevingsfactoren, specifieke moleculen in het milieu, stress, voeding … Op die manier kunnen externe factoren dus de structuur van de chromatine beïnvloeden en zo ook de expressie van genen. De wetenschap die probeert te ontrafelen welke factoren ervoor zorgen dat het DNA of de histonen worden gemodificeerd, en welke gevolgen dat heeft voor de genexpressie, is de epigenetica Het staat vast dat sommige epigenetische modificaties kunnen worden doorgegeven aan de dochtercellen wanneer een cel zich deelt. Wanneer een eicel en een zaadcel versmelten tot een zygote, wordt een deel van de modificaties die aanwezig zijn bij de voortplantingscellen, doorgegeven aan het nageslacht.

Tijdens de ‘hongerwinter’ van 1944-1945 in Nederland kregen mensen maar een vierde van de voeding binnen die ze nodig hadden. Dat was ook zo voor zwangere vrouwen. Nochtans hadden hun kinderen een normaal geboortegewicht. Maar eens die kinderen volwassen werden, hadden ze vaker te kampen met overgewicht, diabetes type 2 en hoge cholesterolwaarden in vergelijking met mensen van wie de moeder tijdens de zwangerschap geen honger had geleden. Onderzoek wees uit dat een gen dat bij de foetus voor groei zorgt, bij die mensen een ander methyleringspatroon draagt. Daardoor is ook het expressiepatroon anders. Die epigenetische modificaties blijven gedurende het hele verdere leven ongewijzigd, met alle nadelige gevolgen van dien.

Een bijenvolk bestaat uit darren of mannelijke bijen en onvruchtbare werksters. Er is één koningin aanwezig. De mannelijke bijen hebben als enige taak om met de koningin te paren. Uit een bevrucht eitje ontwikkelt zich een werkster, uit een onbevrucht eitje een dar. Afhankelijk van de voeding die een vrouwelijk larfje krijgt, zal het uitgroeien tot koningin of tot een gewone werkster. De voeding die ervoor zorgt dat een larve uitgroeit tot koningin, noem je koninginnenbrij. Ze bevat eiwitten die een remmende invloed hebben op enzymen die het DNA methyleren. Daardoor draagt het DNA van de koningin minder methylgroepen dan dat van de werksters. Dat beïnvloedt de genexpressie en daardoor ontwikkelt de koningin zich sneller dan de werksters, is ze groter en heeft ze grotere eierstokken. Ze kan vijf jaar oud worden, terwijl de werksters maar enkele maanden leven.

Mensen staan in lange rijen voor een gaarkeuken in Den Haag tijdens de winter van 1944-1945.

Bijenvolk, met centraal de grotere

W Afb. 224

S Afb. 225

S Afb. 226

koningin

1.3 Chromosomen en chromatiden

Bij een niet-delende cel komt het DNA dus voor als euchromatine of als heterochromatine. De meest compacte vorm van het chromosoom zie je vlak voordat de cel zich gaat delen. Het is immers makkelijker om het DNA over beide dochtercellen te verdelen wanneer het sterk gecondenseerd is, dan wanneer het als een warrig netwerk van chromatinedraden voorkomt.

Chromosomen zijn aan het begin van de celdeling zichtbaar met een lichtmicroscoop als korte staafjes. Ze bestaan uit twee helften, die je zusterchromatiden noemt en die aan elkaar vast zitten met cohesine-eiwitten ter hoogte van het centromeer. De ligging van het centromeer bepaalt in belangrijke mate de vorm van het chromosoom.

Aan de buitenzijde van het centromeer zit een eiwitcomplex waaraan zich tijdens de celdeling microtubuli zullen binden. Die structuur noem je het kinetochoor. De microtubuli zorgen ervoor dat de zusterchromatiden van een chromosoom uit elkaar worden getrokken. Daarom worden ze trekdraden genoemd. Elk van de twee dochtercellen krijgt één chromatide van het oorspronkelijke chromosoom toebedeeld.

metafase chromosoom zusterchromatiden

microtubuli

©VANIN

kinetochoor

centromeer

S Afb. 227

A Lichtmicroscopisch beeld van een worteltop van een ui (Allium cepa). Bij de cellen die zich aan het delen zijn, zijn de chromosomen zichtbaar als korte staafjes. Op het beeld zijn er cellen zichtbaar in verschillende delingsstadia.

B Zusterchromatiden met centromeer en kinetochoor

C Menselijke chromosomen onder de lichtmicroscoop. Ze zien eruit als korte staafjes.

D SEM-opname van een menselijk chromosoom. Het bestaat uit twee identieke zusterchromatiden, die aan elkaar vast zitten ter hoogte van het centromeer. Die X-vorm is typisch voor een chromosoom na de replicatie en de condensatie van het DNA.

centromeer chromatide

delende cellen

A

B

D

C

1.4 Karyogram

Tijdens de celdeling is het mogelijk om een foto te maken van de chromosomen en de afbeeldingen te rangschikken in paren volgens grootte en vorm. Op die manier bekom je een chromosomenkaart of karyogram. Bij organismen die zich geslachtelijk voortplanten, komt er meestal één paar geslachtschromosomen of heterosomen voor dat het geslacht bepaalt. De andere chromosomen noem je lichaamschromosomen of autosomen. Het geslachtschromosomenpaar wordt altijd als laatste geplaatst op het karyogram. Bij de meeste zoogdieren en ook bij de mens worden de geslachtschromosomen aangeduid met X en Y. Bij zoogdieren zijn de geslachtschromosomen voor een vrouwelijk individu XX en voor een mannelijk individu XY. Het X-chromosoom is groter dan het Y-chromosoom en bevat ook meer genen.

©VANIN

Afb. 228

Een karyogram van een man. Rechtsonder staan de twee geslachtschromosomen, X en Y. Bij een vrouw bestaat het geslachtschromosomenpaar uit twee homologe chromosomen. Bij een man is dat niet zo, maar toch beschouwen we de geslachtschromosomen ook als een paar.

Het aantal chromosomen in de lichaamscellen en de grootte ervan zijn verschillend tussen soorten. Een fruitvlieg heeft er bijvoorbeeld 8, een woelmuis 40, aardappelen en tomaten allebei 48 en een huisvlieg 12.

Een menselijke eicel en zaadcel bevatten elk één set van 23 chromosomen. In een bevruchte eicel zitten dus twee chromosomensets, de ene afkomstig van de moeder en de andere afkomstig van de vader. In elke lichaamscel die ontstaat uit die bevruchte eicel, zitten dus 23 chromosomenparen. Elk paar bestaat uit twee homologe chromosomen. ‘Homoloog’ wil zeggen dat de chromosomen een gelijkaardige vorm en grootte hebben, maar ook dat ze genen voor hetzelfde kenmerk dragen. De informatie in die genen is echter niet altijd identiek. Er bestaan verschillende versies van een gen.

Ook de geslachtschromosomen erf je van je ouders. Alle eicellen van je moeder bezitten een X-chromosoom. De zaadcellen van je vader bezitten ofwel een X-chromosoom, ofwel een Y-chromosoom.

W

W Afb. 229

Iedereen – jongen of meisje – erft van zijn moeder een X-chromosoom. Een meisje erft van haar vader een X-chromosoom. Een jongen erft van zijn vader een Y-chromosoom. De vader bepaalt dus het genetisch geslacht van zijn kinderen.

Om aan te duiden dat een cel twee exemplaren van elk chromosoom bezit, gebruik je het begrip diploïd. Het chromosomenaantal in een diploïde cel wordt voorgesteld door 2n.

De letter n duidt het aantal verschillende chromosomen aan. Zo is bij de mens bijvoorbeeld 2n = 46. Voortplantingscellen – zaadcellen en eicellen – bezitten de helft van het aantal chromosomen in een lichaamscel. Die cellen noem je haploïd (n). Twee haploïde voortplantingscellen vormen een diploïde zygote.

44 autosomen = 22 chromosomenparen

©VANIN

2n = 46

S Afb. 230

2 heterosomen

Autosomen en heterosomen in een menselijke cel

2 X-chromosomen = XX =

1 X-chromosoom + 1 Y-chromosoom = XY =

Wilde bananen bezitten veel zaden en weinig vruchtvlees. Ze zijn diploïd en bezitten twee sets van hun 11 chromosomen, dus in totaal 22 chromosomen. De bananen die je in de winkel koopt, bezitten geen zaden en veel vruchtvlees. Ze zijn het resultaat van een lange selectie van planten die vruchten maakten zonder zaden. De cellen zijn triploïd en bezitten drie sets van chromosomen, dus in totaal 33 chromosomen. Triploïde bananen zijn steriel en kunnen dus geen zaden vormen. Nieuwe bananenplanten kun je bekomen door een stek te nemen van een ouderplant.

WEETJE

b. 231 Wilde bananen bevatten zaden.

W Afb. 232 Bananen voor consumptie bevatten geen zaden.

Bij bepaalde aandoeningen komt een afwijkend aantal chromosomen voor. Dat zie je op het karyogram. Zo bestaan er de trisomieën, waarbij er niet twee, maar drie kopieën van een bepaald chromosoom aanwezig zijn. Bij trisomie-21 zijn er bijvoorbeeld drie kopieën van chromosoom 21. Mensen met die trisomie lijden aan het downsyndroom. Kinderen met trisomie-18 of -13 sterven meestal binnen enkele maanden na de geboorte.

Een meisje met trisomie-21 of het downsyndroom. Kenmerkend zijn mentale retardatie, scheefstaande ogen, een rond hoofd met weinig achterhoofd en een brede en korte nek.

Wanneer er een chromosoom ontbreekt bij een embryo, is het normaal niet levensvatbaar. Je spreekt dan van monosomie. Een uitzondering daarop zijn meisjes waarbij er één X-chromosoom ontbreekt. Die aandoening heet het syndroom van Turner. Mensen met het syndroom hebben vaak wat meer medische problemen, maar kunnen verder een normaal leven leiden.

In een menselijke cel bevinden zich 46 rond histonen gebonden DNA-moleculen, de chromosomen. Op die chromosomen liggen genen, DNA-fragmenten die de code voor eiwitten bevatten. Tussen twee celdelingen komt het erfelijk materiaal voor als een warrig netwerk van chromatine. Aan het begin van de celdeling wordt het maximaal opgevouwen. Dan zijn de chromosomen met een lichtmicroscoop zichtbaar als korte staafjes. Op dat moment bestaat een chromosoom uit twee zusterchromatiden, die aan elkaar vast zitten ter hoogte van het centromeer

©VANIN

Tijdens de celdeling is het mogelijk om een foto te maken van de chromosomen en de afbeeldingen te rangschikken in paren volgens grootte en vorm. Op die manier bekom je een chromosomenkaart of karyogram. Het aantal chromosomen in de lichaamscellen en de grootte ervan zijn kenmerkend voor een soort. Bij de mens zijn er 23 chromosomenparen, waarvan 22 paren lichaamschromosomen (autosomen), en 1 paar geslachtschromosomen (heterosomen).

S Afb. 233 Het karyogram van een vrouw met trisomie-21

S Afb. 234

2 DNA-replicatie

Vooraleer een cel zich gaat delen, wordt haar erfelijk materiaal verdubbeld. De dochtercellen die bij de deling ontstaan, moeten immers elk ook een kopie van het DNA van de oudercel krijgen. Het proces waarbij die kopie wordt aangemaakt, noem je de DNA-replicatie.

In het volgende hoofdstuk zul je zien dat elke celdeling wordt voorafgegaan door de verdubbeling van het DNA. In de levenscyclus van een cel is er een welbepaalde fase waarin dat proces plaatsvindt. Die fase noem je de S-fase of de synthesefase.

De DNA-replicatie omvat twee belangrijke stappen: het DNA wordt ontwonden en er wordt een nieuwe complementaire streng gevormd. Daarvoor zijn er heel wat eiwitten en nucleotiden aanwezig.

2.1 DNA ontwinden

Als eerste stap bij de replicatie worden de twee strengen in de dubbele helix uit elkaar gehaald. Dat leidt tot spanningen in de keten. Om die spanningen te verminderen, beschikt de cel over het enzym DNA-topoisomerase. Dat enzym verbreekt en herstelt voortdurend bindingen in het DNA terwijl de twee DNA-strengen uit elkaar gaan.

Daarna verbreekt het enzym helicase de waterstofbruggen tussen de complementaire basen. Dat proces kan zowel aan het begin van een DNA-molecule starten als ergens middenin. Helicase heeft een voorkeur voor plaatsen waar veel AT-basensequenties aanwezig zijn.

Daar zijn er namelijk maar twee waterstofbruggen die verbroken moeten worden, en geen drie, zoals bij GC-basensequenties.

©VANIN

S Afb. 235

Als je de twee strengen in een touw uit elkaar haalt, leidt dat tot spanning, waardoor het touw verder wordt opgewonden. Om ervoor te zorgen dat dat niet gebeurt wanneer de twee nucleotidestrengen in DNA uit elkaar worden gehaald, beschikt de cel over het enzym topoisomerase. De binding ter hoogte van de rode pijl wordt verbroken.

De dubbele helix wordt op meerdere plaatsen tegelijk ontwonden. Je ziet lusvormige structuren, die je replicatielussen noemt. Bij elke replicatielus is er aan elke kant een replicatievork aanwezig. De ongepaarde nucleotiden op elk van de enkelstrengen zijn nu bruikbaar als template voor de aanmaak van twee nieuwe nucleotidestrengen. Om te verhinderen dat het stuk enkelstrengig DNA lussen gaat vormen, binden er speciale eiwitten op, de single strand binding proteins of ssbp’s.

startpunt van de replicatie

nieuw DNA

©VANIN

replicatielus

S Afb. 236

replicatievork

In het DNA wordt de dubbele helix op meerdere plaatsen tegelijk ontwonden. In één DNA-streng zijn er dus meerdere replicatielussen aanwezig. Wanneer die elkaar ontmoeten, is de replicatie volledig.

S Afb. 237

Op het EM-beeld duiden de rode pijltjes verschillende replicatielussen aan.

2.2 Complementaire strengen aanmaken

De enzymen die zorgen voor de aanmaak van een nieuwe nucleotidestreng, noem je DNApolymerasen. In een eukaryote cel zijn er meerdere types polymerasen betrokken bij de DNAreplicatie. DNA-polymerase kan alleen een keten verlengen en daarom heeft het een primer nodig om nieuwe nucleotiden aan vast te hechten. De primer is een kort stukje RNA dat complementair is aan het DNA, en wordt aangemaakt door het enzym primase. De verlenging gebeurt altijd in de 5’-3’-richting van de nieuw gevormde streng. DNA-polymerase hecht telkens een nieuw nucleotide met zijn fosfaatgroep aan de OH-groep van het vorige nucleotide. Binnen een replicatievork is er altijd één streng waarop DNA-polymerase vanaf de primer kan blijven invullen, omdat helicase het DNA in dezelfde richting vrijmaakt als die waarin DNA-polymerase het invult.

Dat is de leidende streng of leading strand. Tegenover de leading strand ligt de lagging strand of achterblijvende streng. De invulrichting (5’-3’) voor DNA-polymerase is hier omgekeerd aan de richting waarin helicase meer DNA opent. Het invullen van de lagging strand gebeurt daarom in stukjes. Wanneer een nieuw stuk DNA is vrijgemaakt, plaatst primase een nieuwe primer en begint DNA-polymerase met invullen. Op de ingevulde lagging strand komen daarom meer primers voor dan op de leading strand.

De stukjes van de lagging strand die elk bestaan uit een RNA-primer en een stukje DNA, noem je Okazaki-fragmenten

synthese van de leading strand richting van de replicatie

©VANIN

DNA-polymerase

startpunt van de replicatie primase

RNAprimer

Topoisomerase verbreekt en herstelt bindingen in het DNA om de spanning in de dubbelstreng te verminderen.

Helicase ontwindt de twee DNA-strengen.

Single strand binding proteins verhinderen dat de enkelstreng lussen vormt of wordt afgebroken.

Primase synthetiseert RNA-primers op basis van de sequentie in de ouderlijke DNA-streng.

DNA-polymerase start met de aanmaak van de leading strand door aanhechting van nucleotiden aan het vrije 3’-einde.

De leading strand wordt op een ononderbroken manier verlengd in de 5'-3'-richting.

2.3 RNA-primers vervangen

De RNA-primers worden verwijderd en vervangen door DNA-nucleotiden. De Okazaki-fragmenten zullen dus worden omgezet in fragmenten die alleen uit DNA bestaan. Die DNA-fragmenten worden ten slotte verbonden door DNA-ligase, dat een binding tot stand brengt tussen een 5’-fosfaatgroep en een 3’-OH-groep van twee achter elkaar liggende fragmenten.

De synthese van een nieuwe keten gebeurt aan weerszijden van het startpunt van de replicatie. Er zijn twee replicatievorken in elke replicatielus. Bij beide replicatievorken worden er een leading strand en een lagging strand gevormd. Wat aan de ene kant van het replicatiestartpunt de leading strand is, is aan de andere kant ervan de lagging strand, en omgekeerd.

W Afb. 238

Synthese van de leading strand

richting van de replicatie

synthese van de lagging strand

DNA-polymerase

RNA-primer

RNA-primer voor de leading strand

Primase maakt een RNA-primer aan voor het eerste Okazakifragment.

©VANIN

DNA-polymerase

DNA-ligase

De primer wordt verlengd aan het 3’-einde door DNA-polymerase.

Wanneer DNA-polymerase de RNA-primer voor de leading strand bereikt, komt hij los van de template.

Een andere soort polymerase vervangt de RNA-nucleotiden van de primer voor de leading strand door DNA-nucleotiden. Ook voor fragment 2 wordt een primer aangehecht die wordt verlengd.

Wanneer fragment 2 is aangemaakt, worden de RNA-nucleotiden van de volgende primer vervangen door de polymerase.

DNA-ligase vormt een binding tussen de verschillende DNA-fragmenten. De lagging strand in dit gebied is nu volledig.

De uit elkaar gehaalde DNA-strengen dienen elk als template voor de aanmaak van een nieuwe nucleotidestreng. Zo worden er dus twee nieuwe dubbelstrengen gevormd, die elk bestaan uit één ouderlijke streng – die dus geconserveerd of bewaard wordt – en één nieuwe streng. Je noemt de DNA-replicatie daarom semiconservatief.

Vooraleer een cel zich gaat delen, wordt haar erfelijk materiaal verdubbeld. De dochtercellen die bij de deling ontstaan, moeten elk een kopie van het DNA van de oudercel krijgen.

De DNA-verdubbeling of replicatie omvat twee belangrijke stappen:

• Op meerdere plaatsen tegelijk wordt de DNA-dubbelstreng uit elkaar gehaald.

• Het enkelstrengige DNA wordt gebruikt om een nieuwe complementaire streng op te bouwen. Je onderscheidt een leading strand, die continu wordt opgebouwd, en een lagging strand, waarbij de nieuwe streng fragmentarisch wordt opgebouwd.

S Afb. 239

Synthese van de lagging strand

VERDIEPING

Het aantal keren dat een cel zich kan delen, is beperkt tot zo’n veertig tot zestig keer. Dat noem je de Hayflicklimiet, naar de wetenschapper die de limiet voor het eerst beschreef. Een mogelijke verklaring kun je vinden in de telomeerlengte van de chromosomen.

De uiteinden van een chromosoom worden telomeren genoemd. De basensequentie van dat stuk DNA bestaat uit herhalingen van de sequentie TTAGGG. Het telomeer kan enkele duizenden nucleotiden lang zijn. Het is een stuk DNA dat niet codeert voor een eiwit en dus geen genen bevat.

Toch is het telomeer wel degelijk belangrijk. We zagen al dat DNApolymerase alleen een bestaande keten kan verlengen aan het 3’-einde. Bij beide strengen van het ouderlijk DNA gebeurt de replicatie doordat er nucleotiden worden vastgehecht aan het 3’-einde van een RNA-primer. Wanneer de RNA-primer verwijderd wordt, is er voor DNA-polymerase geen 3’-einde beschikbaar om nieuwe nucleotiden aan vast te hechten. Op het 3’-einde van elke ouderlijke streng blijft er een stukje DNA over dat niet kan worden gekopieerd. Bij elke deling wordt het chromosoom dus een beetje korter. Omdat echter op elk einde van een chromosoom een telomeer aanwezig is, zal het dat niet-coderende stuk zijn dat bij elke replicatieronde korter wordt. Na zo’n veertig tot zestig delingen zal het telomeer ‘opgebruikt’ zijn. Bij een volgende replicatie van het DNA zal het chromosoom weer een stukje korter worden, maar dit keer raken er coderende sequenties verloren.

replicatie

ouderlijke strengen RNA-primer

©VANIN

S Afb. 240

Bij elke replicatieronde zal van elke streng een stukje niet gekopieerd worden, namelijk de sequentie waar de RNA-primer op de lagging strand zit. Dat is hier te zien als het rode lijntje.

Er bestaan echter cellen waarbij het telomeer niet korter wordt en het aantal delingen niet beperkt is. Dat is zo bij onze voortplantingscellen – eicellen of zaadcellen –, bij stamcellen en bij heel wat kankercellen. Die cellen bezitten een enzym dat verhindert dat het telomeer korter wordt, telomerase. Telomerase voegt na elke DNA-replicatie de specifieke telomeer-basenvolgorde toe aan het uiteinde van het DNA. Het telomeer wordt dus niet korter na een celdeling, waardoor het aantal delingen van de cel niet beperkt is.

Wetenschappers bestuderen het verband tussen veroudering en het korter worden van de telomeren. Het zou kunnen dat korter wordende telomeren een teken zijn van veroudering, net zoals grijze haren.

S Afb. 241

Een lichtmicroscopische opname van menselijke chromosomen. De telomeren (witte stippen) zijn zichtbaar gemaakt met fluorescerende merkers.

S Afb. 242

AAN DE SLAG

Op de afbeelding zie je een replicatievork.

Welke nucleotiden horen op de plaats van W, X en Y?

XW T G A

Een stuk DNA is 1 000 nucleotiden lang.

Een van de strengen bevat 382 guaninenucleotiden.

Waarom kun je met die gegevens niet berekenen wat het aantal guaninenucleotiden is in de andere streng?

Welke omschrijvingen komen overeen met de structuur van euchromatine?

aanwezigheid van nucleosomen –DNA bereikbaar voor decodering –compact opgerolde chromatinevezels –inactieve genen – uitzicht van een kralenketting

Op de afbeelding zie je een schematische voorstelling van een stuk DNA.

Welke vijf fouten bevat die voorstelling? Leg uit.

Wat bedoelt men met ‘een cel is 2n’?

a De cel heeft chromosomen met twee chromatiden.

b De cel heeft twee paar chromosomen.

c De cel heeft twee chromosomen.

d De cel heeft n paren chromosomen.

Bestudeer de onderstaande afbeelding.

a Geef de correcte benaming voor enzym 1 en enzym 2.

b Wat zijn hun functies?

enzym 1 lagging strand

leading strand

enzym 2

Geef het passende begrip bij de volgende omschrijvingen.

a de twee chromatiden van een chromosoom

b de plaats waar twee chromatiden verbonden zijn

c X- en Y-chromosoom

d chromosomen met een gelijkaardige vorm en grootte en met informatie over hetzelfde kenmerk

e chromosomenkaart

Meer oefenen? Ga naar .

HOOFDSTUKSYNTHESE

Topoisomerase verbreekt en herstelt bindingen in het DNA.

Helicase ontwindt de twee DNA-strengen.

Single strand binding proteins verhinderen dat de enkelstreng lussen vormt of wordt afgebroken.

De leading strand wordt op een continue manier aangemaakt.

Primase maakt een RNA-primer aan.

DNA-polymerase verlengt de keten in de 5'-3'-richting.

DNA-polymerase verwijdert de primer en vervangt hem door DNA-nucleotiden.

replicatievork

De lagging strand wordt aangemaakt.

DNA-ligase verbindt de afzonderlijke fragmenten.

replicatielus

richting van de replicatie

HOOFDSTUK 2

Î De celcyclus bij eukaryoten

Het is niet eenvoudig om een correcte schatting te maken van het aantal cellen in het menselijk lichaam. Bij een man met een massa van 70 kg en een lengte van 1,70 m schat men dat er tientallen biljoenen (1012) cellen zijn. Ook het aantal nieuwe cellen dat het lichaam elke dag aanmaakt, kun je nooit exact bepalen. Er wordt aangenomen dat je dagelijks 330 miljard (109) nieuwe cellen aanmaakt. Dat komt neer op ongeveer 3,8 miljoen nieuwe cellen per seconde. In dit hoofdstuk ga je dieper in op de celcyclus. Die verschilt tussen prokaryoten en eukaryoten. Dit hoofdstuk focust op de celcyclus bij eukaryoten.

LEERDOELEN

M Uitleggen hoe de celcyclus en de celdeling verlopen

M Uitleggen wat haploïde en diploïde cellen zijn

M Het verloop van de mitose en meiose uitleggen

M Uitleggen hoe cellen differentiëren tot bepaalde celtypes met verschillende functies

1 Fasen van de celcyclus bij eukaryoten

Een celcyclus bestaat uit een groeifase en een celdeling. Bij een eukaryote cel noem je de groeifase de interfase. Tijdens die fase vervult de cel haar normale functies in een organisme en gebeurt er eiwitsynthese. Daarnaast bereidt de cel in die fase ook de celdeling voor. Er treedt dan DNA-replicatie op, waarbij de hoeveelheid DNA verdubbelt.

Tijdens de celdeling vormen zich nieuwe celkernen (door mitose en meiose) en verdeelt het cytoplasma zich over de dochtercellen. Het verdelen van het cytoplasma door insnoering van de cel noem je cytokinese. Op basis van het doel van de celdeling onderscheidt men twee soorten celdelingen:

• Bij de mitotische deling ontstaan er door mitose en cytokinese twee dochtercellen uit de oorspronkelijke cel. Die dochtercellen zijn normaal gezien genetisch identiek aan de oorspronkelijke cel. Wel kunnen mutaties in het erfelijk materiaal zorgen voor kleine genetische verschillen.

• Bij de meiotische deling ontstaan er vier geslachtscellen of gameten uit de oorspronkelijke cel. Dat gebeurt door twee delingen van de kernen, meiose I en II, telkens gevolgd door cytokinese. De gameten bevatten de helft van het oorspronkelijke DNA uit de kern. Uit een diploïde cel vormen zich zo vier haploïde cellen.

©VANIN

2 diploïde dochtercellen interfaseceldeling mitose en cytokinese CELCYCLUS

4 haploïde gameten n 2n 2n nnn

Een menselijke cel bevat 46 chromosomen. Die chromosomen komen tijdens de celcyclus in verschillende vormen voor:

• T ijdens de interfase komen de chromosomen voor als eu- en heterochromatine.

• Vóór de DNA-replicatie komen de 46 chromosomen voor als 46 chromatinevezels.

• Na de DNA-replicatie bestaan de 46 chromosomen elk uit twee chromatinevezels.

• Aan het begin van de celdeling condenseren die twee chromatinevezels tot de twee zusterchromatiden van elk chromosoom.

Dat maakt de 46 chromosomen zichtbaar onder de microscoop. Door de sterke opvouwing is transcriptie tijdens de celdeling niet mogelijk. Wel maakt de opvouwing het mogelijk om het DNA te verdelen en nieuwe celkernen te vormen.

©VANIN

S Afb. 244

Het voorkomen van chromosomen tijdens de celcyclus: in de interfase vóór de DNA-replicatie als afzonderlijke chromatinedraden, in de interfase na de DNA-replicatie als identieke chromatinedraden die verbonden zijn ter hoogte van het centromeer, en bij de celdeling als twee zusterchromatiden (sterk opgevouwen chromatinedraden) die worden vastgehouden ter hoogte van het centromeer

Een celcyclus bij eukaryoten bestaat uit de cyclische opeenvolging van een interfase en een celdeling

• T ijdens de interfase vervult de cel haar normale functies. De cel bereidt zich voor op de celdeling: er treedt onder andere DNA-replicatie op.

• T ijdens de celdeling vormen zich nieuwe celkernen en verdeelt het cytoplasma zich over de dochtercellen, de cytokinese.

Tijdens de celcyclus komen de chromosomen in verschillende vormen voor.

Er zijn twee soorten celdelingen:

• Bij de mitotische deling ontstaan er twee dochtercellen uit de oorspronkelijke cel. Die dochtercellen zijn genetisch identiek aan de oorspronkelijke cel.

• Bij de meiotische deling ontstaan er vier geslachtscellen of gameten uit de voorspronkelijke cel. De geslachtscellen bevatten de helft van het oorspronkelijke DNA uit de kern.

2 De interfase

Normaal gezien bevindt een cel zich tijdens het grootste deel van haar levenscyclus in de interfase. In die fase voert de cel haar normale functies uit en bereidt ze zich voor op de celdeling. Onder de microscoop zijn er bij cellen in de interfase geen zichtbare veranderingen waar te nemen. Toch kun je de interfase opdelen in drie opeenvolgende stadia: G1, S en G2

S (Synthese) – Tijdens de synthesefase gebeurt er DNA-replicatie. Het DNA wordt verdubbeld. Elk chromosoom bestaat nu uit twee identieke draden, die later de chromatiden zullen vormen. Cohesine-eiwitten verbinden de twee draden ter hoogte van het centromeer. Het kinetochoor maakt de vasthechting van microtubuli mogelijk.

©VANIN

G1 (Gap 1) – In deze fase maakt de cel eiwitten aan die onder andere zorgen voor de groei van de cel en de DNA-replicatie voorbereiden.

G2 (Gap 2) – De cel maakt eiwitten aan voor de verdere celgroei en de voorbereiding van de celdeling. Er is controle van het gerepliceerde DNA op schade. In dierlijke cellen is er een verdubbeling van het centrosoom.

G0 (Gap 0) – Cellen die in de interfase blijven en zich niet verder delen, bevinden zich in de G0-fase. Dat kan omkeerbaar zijn als er na een tijd opnieuw celdeling optreedt. Voorbeelden zijn stamcellen van het spier- of zenuwweefsel en levercellen. Er zijn ook cellen die permanent in de G0-fase blijven. Enerzijds zijn dat cellen die DNA-schade hebben opgelopen. Die cellen vervullen nog wel hun functie, maar delen zich niet meer om de DNA-schade niet verder te verspreiden in het weefsel. Anderzijds zijn er ook cellen die na differentiatie niet meer verder delen. Voorbeelden zijn zenuwcellen en cellen in het botweefsel en skeletspierweefsel.

S Afb. 245 De interfase als deel van de celcyclus

De interfase bestaat uit drie stadia: G1, S en G2.

• G1: in deze fase maakt de cel eiwitten aan die onder andere zorgen voor de groei van de cel en de DNA-replicatie voorbereiden.

• S: tijdens de synthesefase gebeurt er DNA-replicatie.

• G2: in deze fase maakt de cel eiwitten aan voor de verdere celgroei en de voorbereiding van de celdeling. Er is controle en herstel van DNA.

Cellen die zich niet delen, bevinden zich in de G0-fase.

ANAFASE TELOFASE CYTOKINESE

Sommige cellen in het lichaam zijn kernloos en doen dus niet aan celdeling. Een voorbeeld zijn de rode bloedcellen of erythrocyten. Hun aanmaak start wanneer de nieren een laag gehalte aan zuurstofgas opmerken. Als reactie produceren ze het hormoon erythropoëtine (epo). Door epo als doping te gebruiken, kun je zorgen voor een hoger gehalte aan rode bloedcellen. De verbeterde aanvoer van zuustofgas is vooral voor duursporters een oneerlijk voordeel.

3

De mitotische celdeling bij dierlijke cellen

©VANIN

Bij de gewone celdeling vormen zich na de interfase twee diploïde dochtercellen uit de oorspronkelijke diploïde cel. Daarvoor zijn er twee processen nodig.

• Mitose zorgt ervoor dat er twee nieuwe celkernen worden gevormd. Het is een continu proces, maar onder de microscoop zie je duidelijk te onderscheiden fasen. Dat heeft geleid tot een onderverdeling van de mitose in de profase, metafase, anafase en telofase.

• Cytokinese zorgt ervoor dat de cel wordt ingesnoerd, en verdeelt het cytoplasma over de twee dochtercellen.

3.1 Mitose

Tijdens de mitose ontstaat er bij een dierlijke cel een spoelfiguur uit het cytoskelet. Op het einde van de G2-fase zijn er twee centrosomen aanwezig. Die liggen oorspronkelijk naast de kern en bewegen in de vroege profase van elkaar weg, elk naar een andere kant van de cel. Tussenin worden er microtubuli gevormd. Dat zijn de steundraden van de spoelfiguur. De steundraden die vertrekken uit beide centrosomen, maken in het midden van de cel contact met elkaar. Wanneer de centrosomen elk aan één kant van de cel liggen, vormen er zich ook microtubuli tussen elk centrosoom en het celmembraan. Daardoor zie je onder de microscoop rond de twee centrosomen een stervormige structuur van microtubuli. Dat zijn de asterfiguren, die elk aan een kant of pool van de cel liggen.

In de late profase groeien er vanuit de centrosomen microtubuli die zich aanhechten aan een kinetochoor van elke chromatide. Dat zijn de trekdraden, die elk van de chromatiden verbinden met een van beide polen van de cel. Nadat alle trekdraden zijn aangehecht, zullen ze de chromosomen naar het midden trekken. Dat midden noem je het evenaarsvlak, het vlak tussen beide polen in. Het verdere verloop vind je op de volgende pagina.

3.2 Cytokinese

Cytokinese zorgt ervoor dat de cel insnoert en het cytoplasma zich verdeelt over de twee dochtercellen. Om die insnoering mogelijk te maken, vormt de cel in het vlak tussen de twee asterfiguren een ring die kan samentrekken. Die contractiele ring bestaat uit verschillende eiwitstructuren. Het samentrekken van de ring start tijdens de anafase en loopt door tot het einde van de telofase. Na de samentrekking van de ring blijft er een kleine verbinding achter tussen de twee cellen. De cytokinese eindigt wanneer ook die laatste verbinding tussen de dochtercellen wordt afgesnoerd.

LABO 12

Het Griekse woord ἀστηρ (astèr) betekent ‘ster’.

S Afb. 246 Marathonlopers

S Afb. 247

Door samen te trekken zorgt de contractiele ring ervoor dat de cel in twee dochtercellen wordt verdeeld.

VROEGE PROFASE

LATE PROFASE

METAFASE

ANAFASE

TELOFASE

start vorming spoelfiguur condensatie chromosomen

celmembraan centrosoom

nucleus

Het eerste deel van de profase start wanneer er verdere opvouwing van de chromosomen in de kern zichtbaar is. Door de compacte vorm is transcriptie van het DNA niet meer mogelijk. Buiten de kern vormt zich de spoelfiguur, . De cel op de afbeelding bevat 2n = 4 chromosomen. Rood en blauw stellen de homologe

De cel breekt het kernmembraan af. Dat vormt de overgang naar het tweede stadium van de profase. De volledig opgevouwen chromosomen liggen vrij in het cytoplasma. hechten zich eraan vast door te binden op

©VANIN

trekdraad vorming nieuw kernmembraan

Alle chromosomen liggen in het evenaarsvlak. Elk chromosoom bestaat nog altijd uit twee zusterchromatiden, die bij elkaar worden gehouden door cohesine-eiwitten

De cohesine-eiwitten breken af, waardoor de zusterchromatiden van elkaar los komen. De trekdraden verkorten. Door de splitsing ontstaan er twee aparte sets van chromsomen. Die worden elk naar één pool getrokken. Vervolgens schuiven ook de steundraden, die contact maken met elkaar in het midden van de cel, van elkaar weg. Dat duwt de asterfiguren van elkaar weg, waardoor de cel

De spoelfiguur wordt afgebroken tot afzonderlijke tubulineeiwitten en er wordt een nieuw cytoskelet gevormd. Rond elke groep van chromosomen vormt zich een nieuw kernmembraan. Daarbinnen ontvouwen de chromosomen zich, wat transcriptie opnieuw mogelijk maakt. De nucleolus wordt zichtbaar en start met de aanmaak van rRNA om ribosomen te vormen. Nu de nieuwe kernen gevormd zijn,

4 De mitotische celdeling bij andere eukaryote cellen

Onder een microscoop zijn er tijdens de mitose van een plantencel geen asterfiguren zichtbaar. Plantencellen bevatten namelijk geen centrosomen. Er ontwikkelt zich wel een spoelfiguur en de mitose verloopt in dezelfde fasen. Tijdens de profase ontstaan er veel microtubuli rond de celkern. Die vormen steundraden die geleidelijk de vorm zullen aannemen van de spoelfiguur. Nadat het kernmembraan is afgebroken, vormen er zich ook trekdraden. De spoelfiguur is met eiwitdraden verankerd aan het celmembraan.

©VANIN

trekdraad steundraad centromeer

kinetochoor

Mitosefiguren van cellen in de worteltop van een ui (Allium

PROFASE

METAFASE

S Afb. 248

cepa)

chromosomen (2n)

Ook de cytokinese verloopt anders bij plantencellen. Er moet namelijk ook een celwand ontstaan tussen de cellen. Tijdens de telofase wordt in het midden van de cel een zichtbaar. Die vormt vanuit het midden nieuwe celmembranen, nieuwe celwanden en een nieuwe middenlamel tussen de dochtercellen.

©VANIN

chromosomen (2n) celplaat transportblaasje

TELOFASE EN CYTOKINESE

De mitose zoals we die bespraken bij dieren en planten, noemt men ook open mitose, omdat het kernmembraan verdwijnt voordat de chromosomen worden gescheiden. Bij de meeste schimmels komt gesloten mitose voor. Dat proces bevat dezelfde fasen, maar het kernmembraan verdwijnt niet. De verdeling van de twee sets chromosomen gebeurt volledig in de kern. Op het einde van de mitose ontstaan er zo twee dochterkernen. Tijdens de cytokinese komen de twee kernen elk in een dochtercel terecht. De verdeling van het cytoplasma gebeurt hier, net zoals bij een dierlijke cel, via de insnoering van het celmembraan. Gedurende die insnoering vormt er zich tussen de dochtercellen een nieuwe celwand.

©VANIN

S Afb. 249 Celdeling door knopvorming bij de gist Saccharomyces cerevisiae als voorbeeld van gesloten mitose. SPB (spindle polar body) is een structuur bij gisten die vergelijkbaar is met het centrosoom.

WEETJE

Bij prokaryoten, bacteriën en archaea komt er geen mitose of meiose voor. Zij vermeerderen hun cellen op een andere manier, namelijk door een binaire deling. Ook de mitochondriën en chloroplasten in eukaryote cellen vermeerderen zich via die deling. Dat proces start met de replicatie van de cirkelvormige DNAmolecule, het bacteriële chromosoom. Het replicatieproces begint op een vast punt. Vervolgens kopieert de cel het chromosoom in beide richtingen, tot de twee strengen elkaar tegenkomen aan het eindpunt. De replicatie gebeurt centraal in de cel. Terwijl het proces bezig is, wordt de cel langer. De cel trekt de twee gevormde chromosomen elk naar het midden van een nieuwe cel. Na de aanmaak van nieuw membraanmateriaal snoert de cel in. Er ontstaat ook een nieuwe celwand.

S Afb. 250 Ingekleurd SEM-beeld van Saccharomyces cerevisiae met knopvorming

replicatieoorsprong celmembraan

bacterieel chromosoom

celwand

start replicatie en verloop in beide richtingen

cel verlengt, oorsprong naar midden van elke nieuwe cel getrokken

dochtercellen snoeren zich van elkaar af

S Afb. 251 Het verloop van de binaire deling bij bacteriën

Prokaryoten kunnen zich dus enkel ongeslachtelijk voortplanten. Onder ideale omstandigheden duurt de binaire deling bij sommige bacteriën maar twintig minuten. Na tien uur kan één bacterie zo een miljard bacteriële cellen vormen. Tijdens de delingen kunnen er mutaties (veranderingen in het DNA) optreden, waardoor niet alle cellen hetzelfde zijn. Bacteriën kunnen ook genetisch materiaal uitwisselen of zelfs opnemen uit hun omgeving. Op die manier kunnen ze nieuwe eigenschappen ontwikkelen, waardoor ze aangepast zijn om te overleven in nieuwe of veranderende omgevingen.

kern

microtubuli

dochtercel

SPB

kern

microtubuli

dochtercel

SPB

De mitose in een dierlijke cel verloopt in vier fasen:

• Profase: de chromosomen vouwen zich op tot hun zichtbare vorm. Het kernmembraan verdwijnt. Tussen de twee centrosomen vormt zich een spoelfiguur, die bestaat uit steundraden en trekdraden. De trekdraden binden aan de kinetochoren, waardoor elk chromosoom verbonden is met één kant van de cel.

• Metafase: de chromosomen liggen in het evenaarsvlak.

• Anafase: het centromeer van elk chromosoom breekt. De chromatiden worden uit elkaar getrokken, elk naar één kant van de cel. Ze vormen de chromosomen van de zustercellen.

• Telofase: de chromosomen ontvouwen zich. Errond vormt zich een nieuw kernmembraan. De spoelfiguur breekt af en vormt een nieuw cytoskelet.

Na de mitose volgt de cytokinese. Die zorgt ervoor dat de cel insnoert en het cytoplasma zich verdeelt over de twee dochtercellen.

Bij planten ontbreken centrosomen. De spoelfiguur wordt door eiwitdraden verankerd aan het celmembraan. Tijdens de cytokinese ontstaat er ook een celplaat, die de nieuwe celwand vormt.

5 De meiotische celdeling bij dierlijke cellen

Bij eukaroyten komt zowel ongeslachtelijke als geslachtelijke voortplanting voor. Bij ongeslachtelijke voortplanting zorgen mutaties voor de enige vorm van variatie. Dat is zelden voldoende voor organismen om zich aan te passen als de omgeving verandert. Bij geslachtelijke voortplanting is er wel variatie in het nageslacht. Elk ouderorganisme maakt gameten of voortplantingscellen aan met de helft van het genetisch materiaal uit de kern. Na versmelting ontstaat er een nieuw organisme met de oorspronkelijke hoeveelheid genetisch materiaal.

S Afb. 252

Ongeslachtelijke voortplanting bij de bommenwerper (Kalanchoe daigremontiana). Op de bladrand groeien nieuwe plantjes.

S Afb. 253

Paring bij de vink (Fringilla coelebs) kan leiden tot geslachtelijke voortplanting.

Voor de vorming van de gameten gebeurt er na de interfase twee keer een deling van de kern. Die delingen, die meiose I en meiose II worden genoemd, verlopen ook via een profase, metafase, anafase en telofase. Er treedt twee keer cytokinese op. Daardoor ontstaan er vier geslachtscellen uit de oorspronkelijke cel.

5.1 Meiose I en cytokinese

Tijdens de profase I gaat de opvouwing van de chromosomen, die startte in de G2-fase, verder. De individuele chromosomen worden zichtbaar. Net als bij de mitose bestaat elk chromosoom uit twee zusterchromatiden, die bij elkaar worden gehouden door cohesine-eiwitten ter hoogte van het centromeer.

©VANIN

In tegenstelling tot bij de mitose komen de homologe chromosomen in de profase I samen te liggen. Er treedt paring op. Tussen elk chromosomenpaar vormt zich een eiwitcomplex. Dat houdt de homologe chromosomen over de hele lengte bij elkaar. Omdat bij onder andere zoogdieren de geslachtschromosomen verschillend (X en Y) zijn, treedt er daar slechts gedeeltelijke paring op. Er is enkel paring aan de uiteinden van de geslachtschromosomen. De gepaarde homologe chromosomen bestaan uit vier chromatiden. Je noemt ze daarom een tetrade. De chromatiden van hetzelfde chromosoom noem je zusterchromatiden. De chromatiden van de verschillende chromosomen zijn niet-zusterchromatiden.

Binnen een tetrade van chromosomen kan er crossing-over of overkruising optreden. Twee niet-zusterchromatiden maken contact, waardoor er een chiasma (kruisvorm) zichtbaar is. In een chiasma kan het DNA van beide niet-zusterchromatiden breken en worden uitgewisseld. Omdat er zo nieuwe combinaties ontstaan binnen de chromatiden, heet dat proces ook recombinatie. Het zorgt voor variatie in de gameten die na de meiose ontstaan. Door crossing-over kunnen er immers nieuwe combinaties van chromosomen ontstaan. Na de recombinatie breekt het eiwitcomplex tussen de homologe chromosomen af. Ze zijn dan enkel nog verbonden door het chiasma.

W Afb. 254 Het proces van overkruising

A De homologe chromosomen vormen een tetrade, die wordt samengehouden door een eiwitcomplex.

B Het DNA van niet-zusterchromatiden verbindt zich in een chiasma.

C Het eiwitcomplex verdwijnt. De homologe chromosomen hangen aan elkaar door chiasmata.

D De samenstelling van de homologe chromosomen na recombinatie

Het Griekse woord

τετρας (tetras) betekent ‘vier’.

WEETJE

Het belang van overkruising voor variatie tonen we aan met de ijsbeer als voorbeeld. Door natuurlijke selectie is de ijsbeer goed aangepast aan het leven in het Noordpoolgebied. Voordelige variaties zijn onder andere een beter vetmetabolisme, een witte vacht en scherpere kiezen om vlees te verscheuren. Al die eigenschappen kun je terugvoeren naar variaties binnen de genen. Stel je een voorouderbeer voor met op het ene chromosoom de vorm van een gen voor een verbeterd vetmetabolisme (A) en scherpere kiezen (B). Op het andere chromosoom is er een mutatie in het gen voor pigmentaanmaak (c), waardoor er een witte vacht kan ontstaan. Zonder recombinatie van de twee chromosomen kan de ijsbeer de drie voordelige genen nooit samen doorgeven aan het nageslacht.

©VANIN

S Afb. 255

Een ijsbeer (Ursus maritimus)

C

S Afb. 256 Door recombinatie ontstaat er meer variatie in de voortplantingscellen.

Profase I (zie eerder)

De chromosomen en de spoelfiguur worden gevormd. Het kernmembraan verdwijnt. De chromosomen vormen tetraden, waarbij er overkruising mogelijk is.

Net als tijdens de mitose breekt het kernmembraan af en wordt er een spoelfiguur gevormd. Trekdraden hechten zich aan de kinetochoren. Elk van de homologe chromosomen is zo verbonden met één pool van de cel.

Metafase I

De spoelfiguur trekt de homologe chromosomenparen naar het midden van de cel. Welk van de twee homologe chromosomen verbonden is met welke pool, is toeval. Ook daardoor ontstaat er veel variatie tussen de gevormde gameten.

microtubuliniet-zusterchromatiden

centrosoom

Anafase I

De trekdraden verkorten. Dat breekt de chiasmata en trekt de homologe chromosomen uit elkaar, elk naar één pool. Elke pool ontvangt zo een haploïde set chromosomen.

homologe chromosomen

zusterchromatiden niet identiek

Telofase I

Er ontstaat een nieuw kernmembraan rond de twee sets haploïde chromosomen. Elk chromosoom bestaat wel nog altijd uit twee chromatiden, die worden vastgehouden door een centromeer. Door overkruising is er recombinatie opgetreden en zijn de zusterchromatiden niet meer identiek.

Cytokinese

Op het einde van meiose I treedt er meestal ook cytokinese op. Het cytoplasma verdeelt zich over de dochtercellen en de cel wordt ingesnoerd.

S Afb. 257 Meiose I en cytokinese

5.2 Meiose II en cytokinese

Tussen meiose I en meiose II kan er opnieuw een interfase optreden. Als dat het geval is, is ze altijd kort in vergelijking met de gewone interfase. Er is geen S-fase, omdat er geen DNA-replicatie optreedt. Het proces van meiose II is sterk gelijkend op dat van de mitose, alleen is er nu de helft van het oorspronkelijke aantal chromosomen.

Profase II

De chromosomen vouwen zich op. Het kernmembraan breekt af en de spoelfiguur wordt gevormd. De trekdraden binden aan het kinetochoor, waardoor elke chromatide verbonden is met één pool.

©VANIN

Metafase II

Het haploïde aantal chromosomen komt in het midden van de cel te liggen tussen de twee polen.

Anafase II

De eiwitten van het centromeer breken af. Vervolgens verkorten de trekdraden. Daardoor worden de chromatiden van elk chromosoom elk naar één pool getrokken.

Telofase II

Er ontstaat een nieuw kernmembraan rond de haploïde set chromosomen van elke dochtercel.

Cytokinese Het cytoplasma verdeelt zich over de dochtercellen en de cel wordt ingesnoerd.

S Afb. 258 Meiose II en cytokinese

Tijdens de celdeling kan het voorkomen dat de homologe chromosomen (tijdens meiose I) of de zusterchromatiden (tijdens meiose II of de mitose) niet worden gescheiden. Daardoor ontstaat er een cel met een chromosoom te veel en een met een chromosoom te weinig. Cellen met een abnormaal aantal chromosomen noem je aneuploïde cellen. Door de versmelting van een aneuploïde voortplantingscel met een haploïde voortplantingscel kan er een bevruchte eicel ontstaan met een chromosoom te veel of te weinig. Ook na de mitose kunnen er aneuploïde cellen ontstaan. Die aneuploïde cellen zijn de oorzaak voor een trisomie of monosomie. Dat ken je al uit het vorige hoofdstuk.

Het is ook mogelijk dat de trisomie of monosomie niet voorkomt in alle cellen. Als er een fout is tijdens de mitose in de embryonale ontwikkeling, kunnen sommige cellen aneuploïd zijn en andere niet. In dat geval spreek je van een mozaïekvorm. Omdat dat minder ernstige symptomen geeft, kan een trisomie die normaal gezien niet of weinig levensvatbaar is, in mozaïekvorm wel voorkomen.

Enkele belangrijke gelijkenissen (groen) en verschillen (rood) tussen de mitose en meiose bij diploïde organismen:

PROFASE

• De chromosomen vouwen zich op en worden zichtbaar onder de microscoop.

• Het kernmembraan verdwijnt.

• De spoelfiguur vormt zich (steun- en trekdraden).

2n chromosomen worden apart vastgehouden in de spoelfiguur.

De homologe chromosomen vormen paren.

METAFASE De chromosomen liggen in het evenaarsvlak.

2n chromosomen liggen afzonderlijk.

ANAFASE De trekdraden verkorten.

2n chromosomen (die elk bestaan uit één opgevouwen chromatinedraad) worden naar elke pool getrokken.

De homologe chromosomen liggen in paren (n tetraden, 2n chromosomen).

n chromosomen (die elk bestaan uit twee chromatiden) worden naar elke pool getrokken.

n chromosomen worden apart vastgehouden in de spoelfiguur.

n chromosomen liggen afzonderlijk.

n chromosomen (die elk bestaan uit één opgevouwen chromatinedraad) worden naar elke pool getrokken.

TELOFASE

• Er wordt een nieuw kernmembraan gevormd.

• De chromosomen ontvouwen zich.

• De spoelfiguur wordt afgebroken.

Elke kern bevat 2n chromosomen (die elk bestaan uit één chromatinedraad).

Elke kern bevat n chromosomen (die elk bestaan uit twee chromatinedraden).

Elke kern bevat n chromosomen (die elk bestaan uit één chromatinedraad).

S Afb. 259 Een menselijke bevruchte eicel. In het midden staan de vrouwelijke en mannelijke kern op het punt om te versmelten. MITOSE

De meiotische deling bestaat uit twee opeenvolgende kerndelingen, meiose I en meiose II, telkens gevolgd door een cytokinese. Vanuit een diploïde cel ontstaan er zo vier unieke haploïde geslachtscellen (gameten).

Meiose I

• Profase I: de chromosomen vouwen zich op en het kernmembraan verdwijnt. De spoelfiguur vormt zich. De homologe chromosomen liggen samen in een tetrade Daarbinnen is er overkruising mogelijk, waarbij delen van niet-zusterchromatiden worden uitgewisseld.

• Metafase I: de tetraden liggen in het evenaarsvlak.

• Anafase I: de homologe chromosomen worden elk naar één kant van de cel getrokken.

• Telofase I en cytokinese: er ontstaat een nieuw kernmembraan rond het haploïde aantal chromosomen aan elke kant en het celmembraan snoert in. Er ontstaan twee cellen, die elk meiose II starten.

Meiose II

• Profase II: de chromosomen vouwen zich op en het kernmembraan verdwijnt. De spoelfiguur vormt zich.

• Metafase II: het haploïde aantal chromosomen ligt in het evenaarsvlak.

• Anafase II: elke set haploïde chromosomen wordt naar één kant van de cel getrokken.

• Telofase II en cytokinese: er wordt een nieuw kernmembraan gevormd rond elke set haploïde chromosomen en de cel snoert in.

©VANIN

6 Controle van de celcyclus

6.1 Controlepunten

Het is essentieel dat de celcyclus correct verloopt. Ongecontroleerde celdeling kan immers leiden tot ziektes zoals kanker. Daarom gebeuren er op vele momenten van de cyclus controles door specifieke eiwitten. De drie belangrijkste controlepunten vinden plaats:

• tussen de G1- en de S-fase;

• tussen de G2-fase en de mitose;

• tijdens de metafase.

De aanmaak van de nodige moleculen voor de DNA-replicatie in de S-fase zal bijvoorbeeld enkel starten als de cel een bepaalde grootte heeft bereikt en voldoende voedingsstoffen bevat. Bij meercelligen bepalen ook groeifactoren of de celdeling doorgaat of niet. Groeifactoren worden vrijgesteld door bepaalde cellen en binden vervolgens op de celreceptor van een andere cel. Die binding zet de cel aan tot deling. Door groeifactoren te gebruiken, kunnen meercelligen bepalen wanneer en hoe vaak cellen zich delen.

Ook de mitose start enkel na het signaal dat de DNA-replicatie volledig is afgewerkt en dat het DNA is gecontroleerd op schade. Pas dan begint de aanmaak van de eiwitten die nodig zijn om de chromosomen op te vouwen en de spoelfiguur aan te maken.

Tijdens de metafase van de mitose is er een laatste belangrijk controlepunt. Dat zorgt ervoor dat de anafase pas zal starten nadat alle chromosomen via hun kinetochoren verbonden zijn met de spoelfiguur. Als dat niet correct verloopt, hebben de dochtercellen een fout aantal chromosomen. Dat komt vaak voor bij kankercellen, wat aantoont dat er bij die cellen geen normale controle van de celcyclus gebeurt.

G2 controlepunt

Controle van: • celgrootte

DNA-replicatie

Metafase controlepunt

Controle van:

aanhechting trekdraden aan chromosomen

G1 controlepunt

Controle van: • voedingsstoffen • groeifactoren • DNA-schade

Afb. 260

bij de celdeling

6.2 Ongecontroleerde celdeling

Fouten in de controle kunnen leiden tot een verhoogde celdeling. Daaruit ontstaat dan een gezwel of tumor, een cluster van snel delende cellen. Een gezwel is goedaardig als de cellen de omliggende weefsels niet binnendringen. Een goedaardig gezwel is meestal ingekapseld. Het gezwel kan groot worden, maar hoeft daarom nog geen problemen te veroorzaken. Er kunnen wel klachten ontstaan door druk op de omliggende weefsels. Bij een kwaadaardig gezwel of kanker groeien de cellen wel in de omliggende weefsels. Bij kanker is er ook uitzaaiing of metastase mogelijk. De kankercellen komen los en verspreiden zich via het bloed of de lymfe naar andere plaatsen in het lichaam.

DNA-schade

cellen komen los

bloedvaten groeien naar gezwel

gezonde cellen ongecontroleerde celdeling

2 1 4 kankercellen migreren naar andere weefsels en organen 3

kankercellen dringen bloedbaan binnen uitzaaiing

S Afb. 261 Het ontstaan van kankercellen

De aanleiding voor een foute controle van de celdeling ligt meestal in een mutatie van de genen die zorgen voor de aanmaak van de controle-eiwitten. Een mutatie is een verandering in het DNA en kan leiden tot de aanmaak van een abnormaal eiwit. Een mutatie kan enerzijds optreden door externe factoren, zoals chemische stoffen (bv. in sigarettenrook) en straling (bv. uv-straling).

Anderzijds kunnen er ook foutieve controle-eiwitten ontstaan doordat fouten na de DNAreplicatie niet worden hersteld.

W Afb.

Bepaalde humane papillomavirussen veroorzaken wratten. Een wrat is een goedaardig gezwel. Een infectie met andere virussen kan wel kanker veroorzaken.

Omdat DNA-schade zich tijdens het leven opbouwt, stijgt de kans op kanker met de leeftijd Op jonge leeftijd komen er vaker kankers voor in weefsels die zich veel delen. Voorbeelden zijn leukemie (kanker van de witte bloedcellen) en teelbalkanker. Bepaalde virussen kunnen ook het controlemechanisme verstoren en zo kanker veroorzaken.

Er zijn twee belangrijke groepen van genen die betrokken zijn bij kanker: tumorsupressorgenen en oncogenen. Ook virussen kunnen kanker veroorzaken.

A Mutaties in tumorsupressorgenen

©VANIN

Een mutatie kan ervoor zorgen dat een van de eiwitten die ongecontroleerde celdeling onderdrukken, niet wordt aangemaakt.

VOORBEELD EIWIT P53

Het eiwit p53 gaat in de G1-fase na of er voldoende moleculen zijn voor de DNA-replicatie. Tijdens de G2-fase controleert het eiwit het nieuwgevormde DNA op schade. Daarom heeft p53 de bijnaam ‘beschermer van het genoom’. Als de schade beperkt is, vertraagt p53 de celcyclus, zodat er voldoende tijd is voor herstel. Is er veel DNA-schade, dan zet p53 het celdoodprogramma (apoptose) in werking.

Het gen voor p53 (een eiwit met een massa van 53 kilodalton) is in ongeveer 50 % van de kankers beschadigd.

S Afb. 262

Longkanker op een röntgenfoto. Zo’n 5 % van de rokers krijgt longkanker. 85 tot 90 % van de longkankers wordt veroorzaakt door roken.

S Afb. 263

Een melanoom is een vorm van huidkanker. De oorzaak is meestal DNA-schade door uv-straling en erfelijke aanleg.

264

Heel uitzonderlijk kan ook een bacterie kanker veroorzaken.

Helicobacter pylori leidt bijvoorbeeld tot een chronische infectie van de maag. Daaruit kan maagkanker ontstaan. Bij 5 tot 10 % van de kankers is er sprake van genetische aanleg.

B Mutaties in oncogenen

Oncogenen zijn genen die beschadigd zijn. Door de mutatie kunnen ze eiwitten aanmaken die bijvoorbeeld constant actief zijn. Een voorbeeld is een verhoogde aanmaak van groeifactoren.

C Virussen

Virussen zorgen bij infectie voor celschade. Daardoor kunnen bepaalde virussen ook kanker veroorzaken. Voor dat type kanker kan men vaccins ontwikkelen.

VOORBEELD HPV-VACCINATIE

©VANIN

HPV (humaan papillomavirus) is een geslacht van virussen. Een infectie met bepaalde vertegenwoordigers van het virus verhoogt de kans op kanker. Mogelijke kankers zijn baarmoederhalskanker en kanker aan de mond- en keelholte, penis, anus, vagina en schaamlippen. Aangezien een HPV-infectie seksueel overdraagbaar is, vaccineert men meisjes en jongens voordat ze seksueel actief zijn.

Het is essentieel dat de celcyclus correct verloopt. Op verschillende punten is er dan ook controle door speciale eiwitten. Enkele belangrijke voorbeelden zijn:

• tussen de G1- en de S-fase: controle op de celgrootte en de aanwezigheid van voldoende voedingsstoffen;

• tussen de G2-fase en de mitose: controle of de DNA-replicatie is afgewerkt en op DNAschade;

• tijdens de metafase: controle of de chromosomen verbonden zijn met de spoelfiguur.

Kanker is het gevolg van ongecontroleerde celdeling. De kankercellen groeien in de omliggende weefsels en kunnen uitzaaien naar andere plaatsen in het lichaam.

De belangrijkste oorzaak van ongecontroleerde celdeling zijn mutaties in genen die belangrijk zijn voor de celcyclus. Dat kan gebeuren door zowel externe factoren, zoals straling of chemische stoffen, als fouten na de DNA-replicatie die niet worden hersteld. Ook bepaalde virussen, zoals vertegenwoordigers van HPV, kunnen kanker veroorzaken.

S Afb. 265 Een savanneolifant (Loxodonta africana)

Hoe langer een organisme leeft, hoe meer kans er is op fouten in de celdeling. Je zou dus verwachten dat dieren met een langere levensduur vaker kanker ontwikkelen. Dat blijkt echter niet het geval te zijn. Een van de dieren waarbij kanker het minst voorkomt, is de olifant. Ondanks het feit dat olifanten een lichaam opbouwen van wel 6 000 kg, wordt het aantal olifanten dat kanker ontwikkelt, geschat op 3 %. Ter vergelijking: men schat dat ongeveer 40 % van de mensen ergens tijdens het leven kanker krijgt. Een van de verklaringen voor het lage aantal kankers bij olifanten is dat ze tientallen kopieën hebben van het gen voor het eiwit p53. Als er schade optreedt in enkele exemplaren, zijn er nog altijd voldoende over om de DNA-schade te herstellen.

Ook in planten kunnen er gezwellen voorkomen. Daarvoor bestaan er verschillende oorzaken, maar de belangrijkste is infectie. De oorzaak van een zogenoemde kroongal is bijvoorbeeld een bacterie (Rhizobium radiobacter). Ook die gezwellen zijn het gevolg van een verstoorde celdeling. Een belangrijk verschil met dierlijke gezwellen is dat bij planten de cellen van het gezwel zich niet verspreiden in het organisme. Dat betekent dat als één tak, blad of wortel getroffen is, de rest van de plant verder kan groeien. Daardoor leidt een gezwel zelden tot de dood van de plant. WEETJE

©VANIN

S Afb. 266

Kroongal op de stam van een gewone es (Fraxinus excelsior)

S Afb. 267

Links: een gezonde koolzaadplant (Brassica napus)

Rechts: een koolzaadplant die aangetast is door knolvoet. Knolvoet is een van de belangrijkste ziektes bij kolen (witte kool, savooikool, bloemkool, broccoli, spruitjes …). De oorzaak is een infectie met een eencellige eukaryoot (Plasmodiophora brassicae).

7 Celdifferentiatie

Enkel celdeling volstaat niet om een complex meercellig organisme te laten uitgroeien. Er zijn immers verschillende types cellen nodig, elk met een eigen functie. Tijdens de ontwikkeling is er daarom celdifferentiatie. Dat is een proces waarbij een weinig gespecialiseerde cel zich omvormt tot een meer gespecialiseerde cel. Daardoor krijgt de cel een bepaalde vorm en grootte en worden er specifieke metabole processen uitgevoerd. De verschillende celtypes bevatten allemaal dezelfde genetische informatie, maar ze verschillen in welke genen ze gebruiken om eiwitten te vormen. Het verschil in eiwitten en eiwitconcentraties dat zo ontstaat, zorgt voor de verschillende werking van de verschillende celtypes.

De verschillende celtypes groeien uit tot verschillende weefseltypes. Elk weefsel bestaat uit gelijksoortige cellen die samen een welbepaalde functie uitvoeren. Meerdere soorten weefsels vormen een orgaan

7.1 Celdifferentiatie bij zoogdieren

Cellen die zich nog niet gespecialiseerd hebben en zich nog tot verschillende celtypes kunnen differentiëren, noem je stamcellen. Zoogdieren vormen zich uit een bevruchte eicel. Dat is een stamcel die nog alle cel- en weefseltypes kan vormen. Verder in de ontwikkeling komen stamcellen voor die zich in steeds minder celtypes kunnen differentiëren. Uiteindelijk ontstaan er bij dieren door celdifferentiatie vier weefseltypes: epitheel-, bind-, spier-, en zenuwweefsel.

VOORBEELD EPITHEELWEEFSEL

Epitheelweefsels zijn weefsels die het oppervlak van veel organen aflijnen, bijvoorbeeld het plaveiselepitheel in de longen, de binnenkant van de wang en de baarmoederhals. Epitheelweefsel vormt een dunne laag waardoor diffusie kan plaatsvinden. Plaveiselepitheel is opgebouwd uit epitheelcellen

VOORBEELD BINDWEEFSEL

Kraakbeen is een vorm van bindweefsel die flexibele ondersteuning biedt in bijvoorbeeld de knieën en andere gewrichten, het oor en de neus. Door de aanwezigheid van kraakbeen in gewrichten is er minder of geen wrijving tussen de bewegende botten. Het celtype in kraakbeen is de chondrocyt

Chondrocyten in het kraakbeen van een gewricht

S Afb. 268

Uitstrijkje van de baarmoederhals met epitheelcellen

S Afb. 269

VOORBEELD SPIERWEEFSEL

Er zijn verschillende types spierweefsel, waaronder dwarsgestreept spierweefsel. Dat komt voor in de skeletspieren, die bijvoorbeeld functies zoals lopen, praten en talrijke andere bewegingen mogelijk maken. De spiercellen in de skeletspieren zijn nagenoeg volledig gevuld met microfilamenten voor samentrekking en mitochondriën voor de energievoorziening.

VOORBEELD ZENUWWEEFSEL

Zenuwweefsels bestaan grotendeels uit neuronen, cellen die gespecialiseerd zijn in de overdracht van elektrische prikkels. Een voorbeeld zijn de motorische neuronen in de hersenen en het ruggenmerg. Die neuronen stimuleren spieren, maar ook kliercellen.

S Afb. 270 Dwarsgestreept spierweefsel van een skeletspier

©VANIN

S Afb. 271 Motorische zenuwcellen in de hersenen

Na de geboorte komen er alleen nog stamcellen voor die zich tot een beperkt aantal celtypes kunnen differentiëren. Een voorbeeld zijn de stamcellen van het beenmerg. Zij zorgen onder andere voor de aanmaak van de verschillende bloedcellen: de rode bloedcellen of erythrocyten voor zuurstoftransport, de bloedplaatjes of thrombocyten voor bloedstolling, en de witte bloedcellen of leukocyten voor immuniteit. Het bloed en de lymfe zijn beide een vorm van vloeibaar bindweefsel. De functie van de verschillende leukocyten komt in het volgende thema aan bod.

Ontdek meer over stamceltherapie op

lymfoïde voorlopercel myeloïde voorlopercel

mestcel rode bloedcel (erythrocyt) bloedplaatje (trhombocyt) megakaryocyt

basofieleosinofielneutrofielmonocyt macrofaag

stamcel van het beenmerg myeloblast witte bloedcellen (leukocyten)

S Afb. 272 Alle bloedcellen ontstaan in het beenmerg uit stamcellen door celdifferentiatie.

dendritische cel ‘natural killer’-cel B-lymfocyt T-lymfocyt

7.2 Celdifferentiatie bij vaatplanten

Planten groeien op een andere manier dan dieren. Ze zijn vrijwel heel hun leven in staat om nieuwe celtypes en de daaruit opgebouwde weefsels en organen te vormen. Die nieuwe celtypes ontstaan uit meristeemcellen. Dat zijn niet- of onvolledig gedifferentieerde, kleine cellen waarin de vacuole klein is of ontbreekt. Ze bevatten nog niet gedifferentieerde plastiden en een dunne primaire celwand. Meristeemcellen die nog de meeste celtypes kunnen vormen, komen onder andere voor in de eindknop, de zijknop en de worteltop. Vanuit de meristeemcellen van de zijknop groeien bijvoorbeeld een nieuwe stengel en nieuwe bladeren, bloemen en zaden.

©VANIN

bloem eindknop

meristeemcellen in eindknop meristeemcellen in zijknop

Een nieuwe scheut ontspruit vanuit een zijknop aan een knoop.

in een plant

meristeemcellen in worteltop wortelmutsje

Een tweede verschil tussen planten en dieren is dat plantencellen niet enkel groeien door celdeling, maar ook door celstrekking. Dat proces start doordat de celwand, die de cel verbindt met de omringende cellen, losser wordt. Vervolgens neemt de vacuole meer water op, waardoor het celmembraan tegen de losgemaakte celwand duwt en de cel verlengt.

Het plantenhormoon auxine veroorzaakt celstrekking in de stengel. Auxine zet protonpompen in het celmembraan in werking. Dat zorgt voor een stijging van de concentratie aan H+-ionen buiten het celmembraan. De lage pH zet eiwitten aan om de verbindingen binnen de celwand te verbreken. Dat maakt de celwand losser. Door turgordruk neemt de grootte van de cel toe. Door celstrekking groeit een plant naar het licht toe. Komt het licht van de zijkant, dan zal er meer auxine aanwezig zijn in de cellen aan de schaduwkant. Daar komt dus meer celstrekking voor, waardoor de plant naar het licht buigt.

S Afb. 274

Tomatenplantjes groeien naar het zonlicht op een vensterbank.

knoop of nodium

internodium

S Afb. 273 Het voorkomen van meristeemweefsel

zijknop

WEETJE

Net zoals alle andere multicellulaire organismen zijn ook planten opgebouwd uit verschillende celtypes, weefsels en organen.

VOORBEELD EPIDERMISWEEFSEL

Aan de boven- en onderkant van een blad, en ook op de stengel, komt epidermisweefsel voor. Dat weefsel is één cellaag dik en bevat aan de buitenkant een waslaagje. De epidermis beschermt het onderliggende weefsel. Meestal hebben de epidermiscellen geen chloroplasten. Speciale epidermiscellen in het blad, de sluitcellen, zorgen ervoor dat de huidmondjes worden geopend en gesloten.

VOORBEELD PARENCHYMWEEFSEL

In het blad komt tussen het epidermisweefsel vooral parenchymweefsel voor. Parenchymcellen zijn rijk aan chloroplasten en doen aan fotosynthese. Aan de bovenkant van het blad zijn de cellen dicht opeengepakt. Die cellen nemen het meeste zonlicht op. Aan de onderkant van het blad komen er tussen de cellen grote intercellulaire ruimten voor. Dat maakt gasuitwisseling mogelijk.

©VANIN

VOORBEELD TRANSPORTWEEFSEL

De nerven van het blad bestaan vooral uit transportweefsel. Voor de aanvoer van water en mineralen zijn er xyleemcellen (xyleem). Dat zijn dode cellen, waarvan enkel de celwand overblijft. Voor het transport van de producten van de fotosynthese, zoals glucose, zijn er ook gespecialiseerde cellen, de floëemcellen.

S Afb. 275

Huidmondjes in het blad van de cyclaam (Cyclamen)

S Afb. 276

Parenchymweefsel met chloroplasten in het blad van de esdoorn (Acer)

floëem

xyleem

S Afb. 277

Transportweefsel met floëem en xyleem

Omdat meristeemweefsel door celdifferentiatie nog kan uitgroeien tot alle plantenweefsels, laten planten zich vrij makkelijk kunstmatig klonen. Veel plantenkwekers maken daar dan ook gebruik van. Het is vaak sneller en goedkoper dan planten opkweken via zaad. Ook is de kweker zeker dat de plant haar wenselijke eigenschappen behoudt.

Enkele klassieke methoden om planten te klonen:

• Bij stekken plaatst men een afgesneden stuk van de plant in een vochtige bodem. De stek kan uitgroeien tot een nieuwe plant.

• Door te enten kan men de voordelige eigenschappen van twee variëteiten van een plantensoort combineren. De eerste plantensoort kiest men voor het wortelsysteem. Die laat men eerst opgroeien, waarna men de stam doorzaagt. Daarop plaatst men takken van de tweede variëteit, die gekozen wordt voor het bovengrondse deel van de plant. Bij fruitbomen kiest men bijvoorbeeld voor een variëteit die lekker fruit oplevert.

• Door scheuren ontstaan er verschillende kleinere planten, die elk apart verder groeien.

• Bij afleggen buigt men een tak om, zodat een deel onder de grond komt te zitten. Bij het deel dat onder de grond zit, verwijdert men de schors. Daaruit kan een nieuw wortelsysteem groeien. Wanneer er voldoende wortels zijn, knipt men de verbinding met de moederplant door.

Tegenwoordig vermeerdert men planten ook in laboratoria via weefselkweek. Daarbij groeit een celcultuur onder steriele omstandigheden uit tot een nieuwe plant. Voor elke nieuwe plant gaat men op zoek naar de ideale concentratie aan voedingsstoffen en plantenhormonen.

©VANIN

Celdifferentiatie is een proces waarbij een weinig gespecialiseerde cel zich omvormt tot een meer gespecialiseerde cel. Zo ontstaan er verschillende celtypes, die van elkaar verschillen in genexpressie. De verschillende celtypes organiseren zich in weefsels, en verschillende weefsels in organen.

Bij zoogdieren kunnen stamcellen aan celfdifferentiatie doen. Voorbeelden zijn de bevruchte eicel, een stamcel die nog alle celtypes kan vormen, en de stamcellen van het beenmerg, die de verschillende bloedcellen kunnen aanmaken. Door celdifferentiatie vormen zich de vier weefseltypes: epitheel-, bind-, spier- en zenuwweefsel.

Bij vaatplanten ontstaan nieuwe celtypes uit meristeemcellen. Door die cellen blijven planten in staat om altijd nieuwe weefsels en organen te vormen. De groei van die nieuwe plantencellen gebeurt niet enkel door celdeling, maar ook door celstrekking. Uiteindelijk ontstaan er volwassen weefsels, zoals epidermis-, parenchym- en transportweefsel

S Afb. 278 Enten bij een appelboom

S Afb. 279 Weefselkweek

AAN DE SLAG

Op de afbeelding zie je een aantal stadia van de mitose. Ze staan in een verkeerde volgorde. Wat is de juiste volgorde van de stadia?

Welke uitspraak omschrijft correct wat er gebeurt tijdens de metafase van een cel die zich mitotisch deelt?

a Elk chromosoom vormt twee chromatiden.

b De chromatiden bereiken de polen van de spoelfiguur.

c De chromosomen worden korter en dikker.

d De chromosomen liggen in het evenaarsvlak.

Over welke deling en over welke fase bij dierlijke cellen gaat het in de volgende zinnen? Soms zijn er meerdere antwoorden mogelijk.

a Alle n chromosomen liggen afzonderlijk in het evenaarsvlak.

b De zusterchromatiden worden van elkaar gescheiden.

c De asters stoten elkaar af en migreren naar de polen van de cel.

d Er zijn aan elke pool 2n chromosomen.

e Er zijn chiasmata tussen chromatiden te zien.

Op de afbeelding zie je een celkern in de profase van de mitose. Wat is de juiste omschrijving van de chromosomen die in de kern van elke dochtercel aanwezig zijn, onmiddellijk na de mitose?

Aan een celkweek van cellen die zich mitotisch delen, voeg je een stof toe die fluoresceert wanneer ze bindt aan DNA. Je kunt de fluorescentie per cel meten. Dat is een maat voor de hoeveelheid DNA in elke cel. De grafiek toont de DNA-inhoud per cel ten opzichte van het aantal cellen. Welke uitspraak over de cellen is juist?

cellen

a vier chromosomen, die elk bestaan uit vier chromatiden

b acht chromosomen, die elk één DNA-molecule bevatten

c acht chromosomen, die elk bestaan uit vier chromatiden

d zestien chromosomen, die elk één DNAmolecule bevatten

Tijdens welk stadium wordt DNA gerepliceerd bij een cel die zich mitotisch deelt?

1 relatieve hoeveelheid DNA per cel

a De meeste cellen zitten in de G1/G0-fase.

b De meeste cellen zitten in de G2-fase.

c De meeste cellen zijn zich aan het delen.

d De meeste cellen zijn een aantal van hun chromosomen verloren.

Meer oefenen? Ga naar .

HOOFDSTUKSYNTHESE

1 FASEN VAN DE CELCYCLUS BIJ EUKARYOTEN

Een celcyclus bestaat uit een interfase (of groeifase) en een celdeling. We onderscheiden twee soorten celdelingen:

MITOSE

• Mitose (deling van de kern) en cytokinese (deling van het cytoplasma) zorgen voor de vorming van twee diploïde dochtercellen (2n).

• De dochtercellen zijn genetisch identiek aan de oorspronkelijke cel.

MEIOSE

• Meiose I en II en cytokinese zorgen voor de vorming van vier unieke haploïde geslachtscellen of gameten (n).

• De gameten bevatten de helft van het oorspronkelijke DNA uit de kern en zijn genetisch niet-identiek aan elkaar en aan de moedercel.

2 DE INTERFASE

De interfase bestaat uit drie opeenvolgende stadia:

• G1: aanmaak van eiwitten die zorgen voor celgroei en de voorbereiding van de DNA-replicatie;

• S (synthese): DNA-replicatie;

• G2: aanmaak van eiwitten die zorgen voor verdere celgroei en de voorbereiding van de celdeling; controle en herstel van het DNA.

Cellen die zich niet delen, bevinden zich in de G0-fase.

3 DE MITOTISCHE CELDELING BIJ DIERLIJKE CELLEN

De mitose verloopt in vier fasen (zie afbeelding):

• (Vroege en late) profase: de chromosomen vouwen zich op, zodat ze duidelijk zichtbaar zijn.

De spoelfiguur wordt gevormd. Het kernmembraan verdwijnt.

• Metafase: de chromosomen liggen in het evenaarsvlak tussen de twee polen.

• Anafase: de zusterchromatiden komen los. Ze worden naar de celpolen getrokken en vormen volwaardige chromosomen. De cel verlengt.

• Telofase: de spoelfiguur wordt afgebroken. De chromosomen ontvouwen zich en rond de twee groepen vormt zich een nieuw kernmembraan.

De cytokinese volgt onmiddellijk na de mitose.

De cel wordt ingesnoerd en het cytoplasma wordt verdeeld over de twee dochtercellen.

PROFASE

METAFASE

ANAFASE

CYTOKINESE

TELOFASE

4 DE MITOTISCHE CELDELING BIJ ANDERE EUKARYOTE CELLEN

• Bij planten verloopt de mitose volgens dezelfde fasen als bij dierlijke cellen. Planten bevatten geen centrosomen. De spoelfiguur wordt door eiwitdraden verankerd aan het celmembraan. De cytokinese voltrekt zich vanuit het midden van de plantencel, waar tijdens de telofase een dunne celplaat wordt gevormd.

Die zorgt voor de nieuwe celwand.

• Bij schimmels komt een gesloten mitose voor. De verdeling van de twee sets chromosomen gebeurt in de kern. Op het einde van de mitose ontstaan er zo twee dochterkernen. Tijdens de cytokinese komen die elk in een dochtercel terecht.

5 DE MEIOTISCHE CELDELING BIJ DIERLIJKE CELLEN

De meiotische deling bestaat uit twee opeenvolgende kerndelingen, meiose I en meiose II (zie afbeelding), telkens gevolgd door een cytokinese.

I

Profase I

Het kernmembraan verdwijnt en de spoelfiguur vormt zich. De homologe chromosomen vormen tetraden, waarbij overkruising mogelijk is.

Metafase I

De tetraden liggen in het evenaarsvlak.

©VANIN

MEIOSE II 4 HAPLOÏDE CELLEN

Anafase I

De homologe chromosomen worden elk naar één kant van de cel getrokken.

Telofase I en cytokinese Er ontstaat een kernmembraan rond het haploïde aantal chromosomen. Er volgt cytokinese, waarbij twee cellen ontstaan, die elk meoiose II starten.

Profase II

Het kernmembraan verdwijnt en de spoelfiguur vormt zich.

Metafase II

Het haploïde aantal chromosomen ligt in het evenaarsvlak.

Anafase II

Elke set haploïde chromosomen wordt naar één kant van de cel getrokken.

Telofase II en cytokinese Er wordt een nieuw kernmembraan gevormd rond elke set haploïde chromosomen. Door cytokinese wordt het cytoplasma ingesnoerd. Er ontstaan zo vier haploïde cellen.

MEIOSE

6

Het is essentieel dat de celcyclus correct verloopt. Op verschillende punten is er dan ook controle door speciale eiwitten (zie afbeelding).

Fouten in de controle kunnen leiden tot een verhoogde celdeling. Daaruit ontstaat een gezwel, een cluster van snel delende cellen. Wanneer die snel delende cellen kunnen uitzaaien, spreek je van een kwaadaardig gezwel en van kanker.

De belangrijkste oorzaak van ongecontroleerde celdeling zijn mutaties in genen. Dat kan gebeuren door zowel externe factoren, zoals straling of chemische stoffen, als fouten na de DNA-replicatie die niet worden hersteld. Ook bepaalde virussen kunnen kanker veroorzaken.

7 CELDIFFERENTIATIE

G2 controlepunt

Controle van: • celgrootte • DNA-replicatie

©VANIN

Metafase controlepunt

Controle van: • aanhechting trekdraden aan chromosomen

G1 controlepunt

Controle van:

voedingsstoffen

groeifactoren

DNA-schade

Door celdifferentiatie ontstaan er verschillende celtypes, die van elkaar verschillen in genexpressie. De verschillende celtypes organiseren zich in weefsels, en de verschillende weefsels in organen

• Bij zoogdieren kunnen stamcellen aan celfdifferentiatie doen. De stamcellen van het beenmerg kunnen bijvoorbeeld differentiëren in verschillende bloedcellen. Er kunnen vier soorten weefsels worden gevormd: epitheel-, bind-, spier- en zenuwweefsel dendritische cel ‘natural killer’-cel B-lymfocyt T-lymfocyt mestcel rode bloedcel (erythrocyt) bloedplaatje (trhombocyt) megakaryocyt

lymfoïde voorlopercel myeloïde voorlopercel

basofieleosinofielneutrofielmonocyt macrofaag

stamcel van het beenmerg myeloblast witte bloedcellen (leukocyten)

• Bij vaatplanten ontstaan nieuwe celtypes uit meristeemcellen. De groei van nieuwe plantencellen gebeurt niet enkel door celdeling, maar ook door celstrekking. Voorbeelden van plantenweefsels zijn epidermis-, parenchym- en transportweefsel

©VANIN

THEMA 04 IMMUNITEIT BIJ ZOOGDIEREN

Wanneer je ziek bent, produceert je lichaam moleculen die kunnen leiden tot koorts. Je lichaam begint te rillen, wat het gevolg is van spiersamentrekkingen die warmte genereren. De bloedvaten onder je huid vernauwen, waardoor warmte moeilijker kan ontsnappen. Daardoor voelt je huid kouder aan dan de rest van je lichaam, waardoor je het zelfs bij koorts koud kunt hebben. Koorts vertraagt de groei van ziekteverwekkers en versnelt de deling van witte bloedcellen. Dat geeft je lichaam meer tijd om een oplossing te vinden tegen de indringers. De aanmaak van antilichamen is één mogelijkheid. Als die bijvoorbeeld binden op een virusdeeltje, kan dat virusdeeltje je cellen niet meer binnendringen.

` Hoe werkt het immuunsysteem?

` Welke gevolgen heeft een afwijkende werking van het immuunsysteem?

We zoeken het uit!

VERKEN

JE KUNT AL ...

• de bouw en de werking van verschillende micro-organismen toelichten;

• uitleggen hoe interacties tussen organismen kunnen leiden tot infecties.

• uitleggen dat witte bloedcellen belangrijk zijn voor de immuniteit.

©VANIN

JE LEERT NU ...

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

• het verschil tussen niet-specifieke en specifieke immuniteit toelichten;

• welke vormen van actieve en passieve immunisatie er bestaan.

• hoe bloedtransfusies een immuunreactie kunnen uitlokken;

• hoe de werking van het immuunsysteem kan afwijken;

• hoe het immuunsysteem kan worden aangevallen.

H1

HOOFDSTUK 1

Î Werking van het immuunsysteem

Een splinter in je vinger, een beet van een daas, het eten van voedsel dat besmet is met toxines, een infectie door virussen of bacteriën ... Het zijn allemaal voorbeelden van situaties die een reactie van je immuunsysteem uitlokken. Lichaamsvreemde stoffen vormen namelijk vaak een gevaar voor je lichaam en moeten daarom verwijderd worden. Dat geldt ook voor ziekteverwekkers of pathogenen die zich vermenigvuldigen nadat ze het lichaam zijn binnengedrongen. Het is van essentieel belang dat je lichaam een onderscheid kan maken tussen lichaamseigen en lichaamsvreemde moleculen en cellen.

LEERDOELEN

M De werking van het immuunsysteem beschrijven en het belang ervan uitleggen

M Het verschil tussen niet-specifieke en specifieke immuniteit toelichten

M Het verschil tussen actieve en passieve immunisatie uitleggen

M Voorbeelden geven van natuurlijke en kunstmatige immunisatie

1 Het belang van immuniteit

Een goed werkend immuunsysteem beschermt het lichaam op allerlei manieren:

• Het probeert het binnendringen van lichaamsvreemde stoffen en organismen zo veel mogelijk te voorkomen.

• Het herkent en bestrijdt ziekteverwekkers of pathogenen. Dat zijn deeltjes van biologische oorsprong of organismen die een infectie kunnen veroorzaken. Een overzicht van mogelijke pathogenen vind je op afbeelding 282 op de volgende pagina.

• Het herkent en bestrijdt lichaamseigen cellen met een verstoorde functie, zoals kankercellen.

• Het reageert tegen ongewenste stoffen.

• Het verwijdert dode cellen.

©VANIN

Een infectie ontstaat wanneer een pathogeen binnendringt in de weefsels en zich vervolgens kan vermeerderen. Er volgt een reactie van de gastheer op de pathogeen of de toxines die het aanmaakt. Als de infectie leidt tot schade, waardoor er symptomen ontstaan, spreek je van een infectieziekte.

S Afb. 280 Ingekleurd SEM-beeld van een delende kankercel

S Afb. 281 Houten splinter in een hand

eencellige parasiet

©VANIN

S Afb. 282

A Computersimulatie van een coronavirus

B Ingekleurd SEM-beeld van Giardia lamblia, een eencellige parasiet die reizigersdiarree veroorzaakt

C Ingekleurd SEM-beeld van de bacterie Chlamydia trachomatis (groen) in een gekweekte baarmoederhalscel (geel). De bacterie veroorzaakt chlamydia, een vaak voorkomende soa.

D Ingekleurd SEM-beeld van een lintworm (Taenia sp.)

E Lichtmicroscopisch beeld van Candida albicans tussen wangcellen. De schimmel veroorzaakt een infectie in de mond. parasitaire

Er zijn pathogenen die maar enkele moleculen groot zijn en dus nog kleiner zijn dan virussen. Een prion is een abnormaal eiwit met een verkeerde opvouwing. Wanneer prionen in contact komen met normaal opgevouwen eiwitten, kunnen ze die eiwitten omzetten in de abnormale, verkeerd gevouwen prionvorm. Zo ontstaan nieuwe prionen. Prionen zijn de oorzaak van onder andere gekkekoeienziekte bij runderen en de neurologische aandoening Creutzfeldt-Jakob bij de mens.

S Afb. 283 De prionziekte Creutzfeldt-Jakob. Prionen (rechtse kader) zetten normaal opgevouwen eiwitten (links) om. Door opstapeling in de hersenen verdwijnen er zenuwcellen.

WEETJE

Immuniteit kun je opdelen in twee delen.

• De niet-specifieke of aangeboren immuniteit: dit deel van het immuunsysteem omvat enerzijds de verdedigingsmechanismen van het lichaam tegen het binnendringen in de weefsels. Anderzijds behoren tot dit type immuniteit ook de cellen en moleculen die als eerste reageren bij een infectie. Elk van die cellen en moleculen heeft een niet-specifieke, brede werking. Ze richten zich tegen allerhande ziekteverwekkers, lichaamsvreemde stoffen en kankercellen.

• De specifieke of verworven immuniteit: wanneer de niet-specifieke immuniteit onvoldoende is, komt dit type immuniteit in actie. De cellen en moleculen richten zich specifiek tegen één bepaalde ziekteverwekker, lichaamsvreemde stof of kankercel. Dit type immuniteit zorgt er ook voor dat er een geheugen ontstaat. Er blijven geheugencellen achter die ervoor zorgen dat er bij een volgende infectie een snellere reactie mogelijk is.

De mechanismen van immuniteit zijn zeer divers. In dit hoofdstuk ligt de focus op het immuunsysteem van zoogdieren bij het bestrijden van een infectie. Je zult zien dat de nietspecifieke en specifieke immuniteit nauw samenwerken om infectieziekten te bestrijden.

Een goed werkend immuunsysteem:

• beschermt het lichaam tegen het binnendringen van lichaamsvreemde stoffen en cellen;

• bestrijdt pathogenen en kankercellen;

• reageert tegen andere ongewenste stoffen;

• verwijdert dode cellen.

Er is een samenwerking tussen niet-specifieke en specifieke immuniteit.

• Niet-specifieke immuniteit voorkomt binnendringen en heeft een brede werking tegen ongewenste stoffen en cellen.

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

De pH van de huid van een gezonde mens ligt doorgaans tussen 4,5 en 5,5. Het pH-niveau van de huid kan variëren en is afhankelijk van factoren zoals leeftijd, huidtype, locatie op het lichaam en externe invloeden.

2 De organen van het immuunsysteem

De opperhuid en de slijmvliezen vormen de eerste verdedigingslijn van het niet-specifieke immuunsysteem. Die organen proberen te voorkomen dat er ongewenste stoffen en organismen binnendringen. Als die barrières onvoldoende zijn, treden de cellen en moleculen van de nietspecifieke immuniteit op als tweede verdedigingsmechanisme. Zij hebben een brede werking tegen verschillende indringers. Als de infectie daarmee nog niet bestreden is, schakelt het lichaam in de derde lijn de specifieke immuniteit in. Een belangrijk systeem voor dat type immuniteit is het lymfatisch systeem

2.1 De opperhuid

De opperhuid of epidermis is de bovenste laag van de huid en bestaat uit verschillende lagen. Al die lagen ontstaan vanuit één cellaag, de basale laag. De cellen uit die laag zijn de enige cellen in de opperhuid die aan celdeling doen. Vanuit de basale laag bewegen de cellen langzaam naar het huidoppervlak. Uiteindelijk ontstaat een bovenste laag van dode cellen. Die vormen een fysische barrière die ondoordringbaar is voor de meeste pathogenen.

©VANIN

opperhuid

lederhuid onderhuids bindweefsel

De huid is verder bedekt met een zuurmantel, die werkt als een chemische barrière. De zuurmantel ontstaat door de productie van talg en zweet. De lage pH remt de groei van veel micro-organismen. De micro-organismen die wel groeien op de huid, zijn deel van het microbioom van de huid. Bij een gezonde volwassene blijft de samenstelling ervan stabiel. Bepaalde moleculen die geproduceerd worden door het microbioom van de huid, remmen andere micro-organismen.

S Afb. 285 Ingekleurd SEM-beeld van de huid met een afschilferende dode huidcel

S Afb. 284 De huid bestaat uit verschillende weefsels in drie lagen, waarvan de opperhuid de bovenste laag is.

met basale laag

2.2 De slijmvliezen

Aan de binnenkant van het lichaam is de uitwisseling van stoffen met het externe milieu noodzakelijk. Denk maar aan de opname van zuurstofgas in de longen of van voedingsstoffen in de darm. Het bedekken van die delen met dode cellen, zoals bij de huid, is niet mogelijk. Om binnendringende pathogenen en mogelijke infecties zo veel mogelijk tegen te houden, is het lichaam daar bedekt met slijmvliezen.

De bovenste cellaag van een slijmvlies bestaat uit een aaneengesloten laag epitheelcellen. Het epitheel bestaat uit verschillende celtypes.

• Een van die types produceert het slijm dat de vliezen bedekt. Dat bemoeilijkt het binnendringen van ziekteverwekkers en vormt dus een fysische barrière. In het slijm komen stoffen voor zoals zouten, enzymen en afweerstoffen, die ziekteverwekkers chemisch kunnen vernietigen. Op plaatsen waar veel uitwisseling van stoffen nodig is, zoals in de dunne darm, is het slijm dun. In de longblaasjes is het zelfs afwezig.

• Een ander type epitheelcel van het slijmvlies bevat trilharen. Die komen bijvoorbeeld voor in de luchtwegen, eileiders en baarmoeder. Trilhaarbewegingen voeren het slijm, samen met de cellen en stoffen die erin gevangen zijn, weg. Ook niezen zorgt ervoor dat slijm mechanisch uit het lichaam verwijderd wordt.

De slijmvliezen komen vooral in contact met veel onschadelijke stoffen. Maar ze vormen ook een mogelijke toegangsweg voor schadelijke microorganismen. Hier komt het specifieke microbioom van de slijmvliezen goed van pas. In het microbioom in de darm en de vagina komen melkzuurbacteriën voor die de pH verlagen, waardoor de groei van andere microorganismen wordt geremd.

Het is belangrijk dat het lichaam de darm- en vaginale flora niet aanvalt. Daarvoor moet het immuunsysteem ter hoogte van de slijmvliezen voorzichtiger te werk gaan en zo plaatselijk mogelijk reageren.

trilharen van het epitheel

©VANIN

losmazig bindweefsel

rode bloedcel

S Afb. 286

Ingekleurd SEM-beeld van de luchtpijp, waarin epitheelcellen met trilharen voorkomen

epitheelcel

10 µm

S Afb. 287

Microscopisch beeld van de vaginale flora

2.3 Het lymfatisch systeem

Het lymfatisch systeem is een orgaansysteem dat deel uitmaakt van het immuunsysteem en de functies van het bloedvatenstelsel aanvult. Het bestaat uit een groot netwerk van lymfevaten, lymfeknopen en lymfoïde weefsels en organen. Het hele systeem is gevuld met lymfe. Lymfe is een heldere, kleurloze vloeistof die door het lymfestelsel van het lichaam circuleert.

De lymfe heeft een gelijkaardige samenstelling als het bloedplasma en wordt vervoerd via de lymfevaten. Lymfevaten starten als lymfehaarvaten in de weefsels. De lymfevaten versmelten en vormen steeds grotere lymfevaten. Uiteindelijk komen ze uit in de bovenste holle ader net voor het hart. Daar wordt de vloeistof in de lymfevaten, de lymfe, toegevoegd aan het bloed.

De lymfevaten verbinden verschillende lymfoïde organen en weefsels in het lichaam:

• Voorbeelden van lymfoïde organen zijn het beenmerg, de thymus, de lymfeknopen, de milt en de amandelen. Die organen bestaan grotendeels uit lymfoïde weefsels.

• Daarnaast komt lymfoïd weefsel ook op andere plaatsen in het lichaam voor, zoals in de luchtwegen en urinewegen, en onder de epitheellaag van de slijmvliezen van de darm.

©VANIN

thymus

keelamandelen

beenmerg

lymfeknoop

milt

lymfoïd weefsel in de darm appendix

S Afb. 288 Belangrijke lymfoïde organen en weefsels bij de mens

1 Het beenmerg

Het beenmerg maakt vanuit stamcellen alle bloedcellen aan. Daartoe behoren ook de lymfocyten, de belangrijkste cellen van het lymfatisch systeem. Dat zijn enerzijds de ‘natural killer’-cellen, die behoren tot de niet-specifieke immuniteit, en anderzijds de B- en T-lymfocyten van de specifieke immuniteit. Na hun aanmaak zijn de lymfocyten nog niet functioneel. B-lymfocyten en ‘natural killer’-cellen rijpen in het beenmerg.

cellen niet-specifieke immuniteit

cellen specifieke immuniteit

©VANIN

neutrofielmacrofaag

mestcelbasofieleosinofiel granulocyten fagocyten

dendritische cel ‘natural killer’-cel B-lymfocytT-lymfocyt

lymfocyten

S Afb. 289

Witte bloedcellen of leukocyten zijn bloedcellen die uit het beenmerg ontstaan, met een celkern.

Ze zijn onder te verdelen in verschillende soorten.

2 De thymus

De rijping van de T-lymfocyten gebeurt in de thymus of zwezerik. De thymus is het actiefst tijdens de foetale ontwikkeling en net na de geboorte. Na de puberteit krimpt het orgaan en neemt de activiteit af.

Na aanmaak en rijping verplaatsen de T-lymfocyten zich naar andere lymfoïde organen, onder andere de lymfeknopen, de amandelen en de milt, om te reageren op tekenen van infectie.

3 De lymfeknopen

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

4 De amandelen

De amandelen zijn een groep van verschillende lymfoïde organen die voorkomen in de neus-, keel- en mondholte. Vroeger verwijderde men de keelamandelen vaak bij zwelling. Vanwege hun belang voor de immuniteit raadt men dat tegenwoordig af.

5 De milt

De milt heeft een dubbele functie. Enerzijds maakt ze deel uit van het lymfatisch systeem en bevat ze weefsel waarin veel lymfocyten voorkomen. Anderzijds is de milt een onderdeel van het bloedvatenstelsel. Ze verwijdert onder andere oude en beschadigde erythrocyten en trombocyten uit het bloed. De milt is ook een opslagplaats voor die bloedcellen. Indien nodig kan de milt extra erythrocyten en trombocyten in de bloedbaan brengen.

De appendix werd vroeger als een overbodig aanhangsel van de blindedarm gezien. Onderzoek toont echter aan dat de appendix lymfoïd weefsel bevat. Dat is weefsel dat voornamelijk is opgebouwd uit lymfocyten en andere immuuncellen. Daarnaast gaat men ervan uit dat de appendix een toevluchtsoord is voor nuttige darmbacteriën. Bij een infectie kunnen die zich terugtrekken in de appendix en daarna de darm herkoloniseren.

Appendicitis is een ontsteking van de appendix. Wanneer de ontsteking lang aanhoudt, bestaat er een kans dat de appendix scheurt, waardoor de inhoud van de appendix terechtkomt in de buikholte. Dat leidt tot een levensgevaarlijke ontsteking van het buikvlies. Om dat te voorkomen, zal men de ontstoken appendix chirurgisch verwijderen.

©VANIN

De eerste verdediging van het immuunsysteem probeert te voorkomen dat er ziekteverwekkers binnendringen. De buitenkant van het lichaam is bedekt met opperhuid, die aan de binnenkant overgaat in slijmvliezen. De dode bovenste cellagen van de opperhuid en de slijmvliezen vormen een fysische barrière. De zuurmantel van de huid en stoffen in het slijm werken als een chemische barrière. Het microbioom van de huid, darm en vagina remt de groei van andere micro-organismen.

Als die barrières onvoldoende zijn, treden de cellen en moleculen van de niet-specifieke immuniteit op als tweede verdediging. Als de infectie daarmee nog niet bestreden is, schakelt het lichaam in de derde lijn de specifieke immuniteit van het lymfatisch systeem in.

Het lymfatisch systeem bevat veel lymfocyten. Het beenmerg maakt lymfocyten aan en zorgt voor de rijping van de ‘natural killer’-cellen en B-lymfocyten. De T-lymfocyten rijpen in de thymus. Na rijping verplaatsen de cellen zich naar andere lymfoïde organen, zoals de lymfeknopen, de amandelen en de milt

S Afb. 290

Voorstelling van het ingewandenstelsel van de mens met de appendix (blauwe cirkel)

Naast de aanvoer van lymfe naar de lymfoïde organen en weefsels, hebben de lymfevaten nog twee andere belangrijke functies.

• Drainage: er stroomt meer vocht uit een haarvat dan dat hetzelfde haarvat opnieuw opneemt. Daardoor stapelt er zich vocht op in de weefsels. De lymfatische haarvaten nemen dat overtollige vocht op en voeren het af via grotere lymfevaten. Net voor het hart komen de lymfevaten uit in de aders.

• Vervoer van apolaire stoffen: om apolaire stoffen zoals lipiden te vervoeren, verpakt het lichaam ze in een blaasje van fosfolipiden en eiwitten. De lymfatische haarvaten nemen die deeltjes op. Dat gebeurt via ‘kleppen’ tussen de haarvatcellen die moleculen en deeltjes maar in één richting doorlaten.

©VANIN

S Afb. 291

Het verloop van de lymfevaten en de bouw van een lymfeknoop

Het Engelse woord antigen is afgeleid van antibody generator.

3 De immuunreactie bij infectie

3.1 Antigenen in het lichaam

Als de eerste verdediging van de huid en de slijmvliezen faalt, kunnen ziekteverwekkers binnendringen in de weefsels. Het is belangrijk dat de moleculen en cellen van het immuunsysteem de pathogenen zo snel mogelijk herkennen. Die herkenning is niet gericht naar een volledige pathogeen, maar naar de antigenen die bijvoorbeeld op het oppervlak van een pathogeen voorkomen. Antigenen zijn lichaamsvreemde moleculen of delen ervan die een immuunreactie opwekken.

Een antigeen is, afhankelijk van waar in het lichaam het zich bevindt, makkelijk of moeilijk bereikbaar voor het immuunsysteem:

• Makkelijk bereikbaar zijn de antigenen die voorkomen in het bloed, de lymfe of het tussenweefselvocht.

• De antigenen die binnen in cellen voorkomen, zijn niet bereikbaar voor het immuunsysteem.

MHC-I = Major Histocomatibilty

Complex klasse I

M-cellen = microfoldcellen

©VANIN

Om het immuunsysteem te informeren over wat er binnen in een cel gebeurt, beschikken cellen over speciale eiwitten, de MHC-I-eiwitten. Die eiwitten binden met stukken van eiwitten binnen in de cel en plaatsen de stukken op de buitenkant van het celmembraan. Zo toont een cel aan het immuunsysteem wat er binnen in de cel gebeurt.

Tonen de MHC-I-eiwitten lichaamseigen moleculen, dan laat het immuunsysteem ze met rust. Tonen de MHC-I-eiwitten antigenen of hebben de cellen gewoon weinig MHC-I-eiwitten, dan gaat het om geïnfecteerde cellen of kankercellen en schiet het immuunsysteem in actie.

Er zijn ook speciale cellen die aan het immuunsysteem antigenen tonen die voorkomen in het slijm van de slijmvliezen. In het epitheel boven de lymfoïde weefsels van onder andere de darm en de amandelen komen M-cellen voor. Die cellen nemen micro-organismen en deeltjes op en transporteren ze vervolgens naar het tussenweefselvocht. Daar kunnen immuuncellen reageren op de antigenen.

M-cel receptor epitheelcel pathogenen tight junction celkern

tussenweefselvocht slijm slijmvliesepitheel

VERDIEPING dendritische cel

W Afb. 292

In het slijmvliesepitheel geeft een M-cel pathogenen door aan de cellen van de niet-specifieke afweer, namelijk dendritische cellen. De epitheelcellen zitten stevig aan elkaar vast met tight junctions, om binnendringen te verhinderen. De werking van de dendritische cel leer je later.

De immuunreactie die de antigenen opwekken, gaat meestal gepaard met een ontsteking Een ontsteking is een complexe reactie van het lichaam op schade. Die schade kan een infectie met pathogenen zijn, maar ook beschadigd weefsel of irriterende stoffen. Het doel is om het beschadigde weefsel zo snel mogelijk op te ruimen.

Ter hoogte van de infectie worden cytokines vrijgesteld. Cytokines zijn een groep van kleine eiwitten die voor communicatie zorgen tijdens een immuunreactie. Het ene celtype scheidt ze uit om een effect te bekomen bij een ander celtype. In het geval van een ontsteking veroorzaken cytokines een verandering in de bloedvaten en activeren ze de aanwezige immuuncellen. De bloedvaten worden meer doorlaatbaar, waardoor het makkelijker is voor de immuuncellen om zich naar de plaats van ontsteking te verplaatsen.

bloedvat

©VANIN

blootstelling aan schadelijke stoffen infectie door pathogenen

beschadigde cellen

rode bloedcel

verhoogde doorlaatbaarheid van bloedvaten

cytokines worden vrijgesteld

Een ontsteking uit zich in vijf typische kenmerken.

• Ten eerste is er zwelling, omdat er meer vocht naar de plaats van de ontsteking stroomt.

• Daarnaast is er roodheid, omdat er meer bloed aanwezig is.

• Een ontsteking gaat gepaard met een hoog metabolisme. Dat zorgt voor warmte. Net als bij koorts heeft dat het voordeel dat de ziekteverwekkers trager groeien en de immuuncellen zich net sneller delen.

• De vochtopstapeling zorgt voor druk, wat gepaard gaat met pijn. Er komen ook stoffen vrij die de zenuwuiteinden gevoeliger maken voor pijnprikkels.

• Door de zwelling en pijn treedt ook functieverlies op in het getroffen lichaamsdeel.

immuuncel

S Afb. 293 De start van een ontstekingsreactie

S Afb. 294

Roodheid en zwelling bij een ontstoken teen

S Afb. 295 Roodheid en zwelling bij een ontstoken oog

Fagocyten zijn witte bloedcellen die schadelijke deeltjes, bacteriën en dode of stervende cellen opruimen door middel van fagocytose.

Het proces van antigeenpresentatie via MHC-I- en MHC-IIeiwitten vind je op .

3.2 Reacties van de niet-specifieke immuniteit

De tweedelijnsverdediging van de niet-specifieke immuniteit gebeurt zowel door cellen als door moleculen.

A Cellen van de niet-specifieke immuniteit

In het lichaam komen verschillende types witte bloedcellen (leukocyten) voor die behoren tot de niet-specifieke immuniteit. Hieronder bespreken we vier van die types.

A1 Macrofagen

Macrofagen komen in de weefsels voor.

Ze zijn als fagocyten belangrijk voor het opruimen van pathogenen, dode cellen en resten van cellen. Met receptoren op hun celmembraan herkennen ze moleculen die vaak voorkomen op het oppervlak van pathogenen. Daarnaast herkennen ze ook pathogenen die door het immuunsysteem zijn gemerkt voor opruiming. Het herkennen van een pathogeen leidt tot fagocytose. De macrofaag stulpt zijn celmembraan in en vangt de pathogeen in een blaasje. Dat blaasje versmelt vervolgens met een lysosoom voor vertering. Ten slotte plaatsen de macrofagen de antigenen van de pathogeen op het celmembraan. Ze maken daarvoor gebruik van MHC-II-eiwitten. Daarnaast kunnen macrofagen ook moleculen die zich binnen in de cel bevinden, op hun celmembraan plaatsen. Denk aan een virus dat de fagocyt geïnfecteerd heeft. Dat gebeurt via MHC-I-eiwitten Met de aangeboden antigenen op hun celmembraan informeren ze de lymfocyten van de specifieke immuniteit. Dat noem je antigeenpresentatie. Macrofagen zijn ook belangrijk om de immuunreactie te regelen. Zolang het nodig is, stellen ze cytokines vrij die een ontsteking opwekken of in gang houden.

Een voorstelling van de immuunreactie van een neutrofiel vind je op

©VANIN

A2 Neutrofielen

Neutrofielen patrouilleren in het bloed, wachtend op een signaal van ontsteking. In ontstoken weefsels stellen ze cytokines vrij die de ontsteking versterken. Ze zorgen zo voor een hevige reactie die niet enkel de ziekteverwekkers, maar ook gezonde cellen treft. Het is dus erg belangrijk dat het lichaam de neutrofielen enkel activeert als het nodig is. Enerzijds zijn neutrofielen fagocyten. In tegenstelling tot de macrofagen zullen ze echter enkel cellen fagocyteren die door het immuunsysteem gemerkt zijn voor opruiming. Anderzijds zijn het ook granulocyten. Dat zijn cellen die kleine pakketjes (granules) bevatten. Na activatie stellen ze de inhoud ervan vrij. De vrijgekomen moleculen beschadigen de omringende cellen.

celkern

lysosomen

mitochondriën

S Afb. 296 Ingekleurd TEM-beeld van een macrofaag

celkern

granules

S Afb. 297 Ingekleurd TEM-beeld van een neutrofiel 5 µm

cellen niet-specifieke immuniteit

mestcelbasofieleosinofiel

granulocyten

neutrofielmacrofaag

fagocyten

cellen specifieke immuniteit

dendritische cel ‘natural killer’-cel B-lymfocytT-lymfocyt

lymfocyten

A3 Dendritische cellen

Dendritische cellen komen voor in de huid en de slijmvliezen. Ze zijn gespecialiseerd in antigeenpresentatie. Dendritische cellen kunnen, net als macrofagen, antigenen presenteren op hun celmembraan via MHC-I- en -II-eiwitten. Ze migreren naar de lymfeknopen om de antigenen te presenteren aan de lymfocyten.

©VANIN

Ingekleurd SEM-beeld van een ‘natural killer’-cel

A4 ‘Natural killer’-cellen

‘Natural killer’-cellen bestrijden geïnfecteerde cellen en kankercellen. Zoals je eerder kon lezen, tonen gezonde cellen hun inhoud door stukjes moleculen via MHC-I-eiwitten aan hun buitenkant te presenteren. ‘Natural killer’-cellen reageren niet op die gepresenteerde deeltjes, maar wel op de hoeveelheid MHC-Ieiwitten. Bij geïnfecteerde cellen of kankercellen kan de MHC-I-productie namelijk uitgeschakeld of verminderd zijn. Dat is een poging om aan het immuunsysteem te ontsnappen.

‘Natural killer’-cellen merken echter de lage hoeveelheid MHC-I-eiwitten op. Ze stellen cytokines vrij die zorgen voor beschadiging van het celmembraan en die de apoptose van de cel starten.

S Afb.

S Afb. 299

B Moleculen van de niet-specifieke immuniteit

De niet-specifieke immuniteit kan ook moleculen vrijstellen die ervoor zorgen dat pathogenen sterven. Hieronder zie je twee voorbeelden van moleculen die betrokken zijn bij de niet-specifieke immuniteit.

VOORBEELD 1 COMPLEMENTSYSTEEM

Het complementsysteem bestaat uit verschillende kleine eiwitten die voorkomen in het bloedplasma. De reactie van het complementsysteem is complex en kan op meerdere manieren starten.

Een van de mogelijkheden is dat een van de complementeiwitten zelf een pathogeen herkent. Dat zorgt ervoor dat de pathogenen bedekt worden met complementeiwitten. Bij virussen verhinderen die dat ze een cel kunnen binnendringen. Bij bacteriën kunnen de complementeiwitten een membraanaanvalscomplex vormen. Er ontstaan gaten in het celmembraan van de bacterie, waardoor het cytoplasma naar buiten stroomt en de bacterie sterft.

©VANIN

membraanaanvalscomplex gaten in celmembraan

VOORBEELD 2 CRP

Het C-reactief proteïne (CRP) is een eiwit dat de lever aanmaakt als gevolg van een ontsteking. Het eiwit bindt op moleculen die voorkomen op het oppervlak van bepaalde bacteriën en stervende of dode cellen. De binding van CRP activeert het complementsysteem en zet aan tot fagocytose. Omdat de waarden aan CRP hoog zijn bij een ontsteking, is een CRPtest vaak onderdeel van een bloedanalyse.

S Afb. 300

Membraanaanvalscomplex gevormd door complementeiwitten in het membraan van bacteriën

S Afb. 301

CRP-waarden bij een bloedtest. Als de waarde boven 10 mg/L stijgt, is dat een teken van een ontsteking.

3.3 Reacties van de specifieke immuniteit

Als de verdediging door de niet-specifieke immuniteit faalt, schakelt het lichaam de specifieke immuniteit in. In de lymfeknopen wachten B- en T-lymfocyten op een signaal van infectie.

mestcelbasofieleosinofiel

granulocyten

neutrofielmacrofaag

cellen niet-specifieke immuniteit lymfocyten

fagocyten

cellen specifieke immuniteit

©VANIN

dendritische cel ‘natural killer’-cel B-lymfocytT-lymfocyt

A Rijping en selectie van B- en T-lymfocyten

De B- en T-lymfocyten zijn de cellen van de specifieke immuniteit. Dat wil zeggen dat ze één specifiek antigeen herkennen. Ze kunnen enkel reageren met dat specifieke antigeen doordat ze op hun celmembraan een receptoreiwit hebben dat daarmee bindt.

variabel deel

constant deel

zwavelbrug

W Afb. 302

Antigeenreceptor op het celmembraan van een Ben een T-lymfocyt. Het constante deel is voor elke receptor hetzelfde. Het variabele deel is verschillend voor elke receptor en kan daardoor veel verschillende antigenen binden.

VERDIEPING

Het lichaam moet reageren op een veelheid aan antigenen. Er zijn dan ook heel veel lymfocyten nodig, elk met een unieke receptor. De vorming van die B- en T-lymfocyten volgt telkens de volgende stappen:

• In het beenmerg en de thymus doorlopen de B- en T-lymfocyten een rijpingsproces. Door celdeling vormen zich vanuit de oorspronkelijke cellen veel verschillende lymfocyten, elk met een unieke receptor. Als er tijdens de rijping een cel ontstaat met een receptor die met een lichaamseigen molecule bindt, dan zal die cel het signaal krijgen om de apoptose te starten. Na rijping migreren de lymfocyten naar andere weefsels en organen in het lymfatisch systeem. Daar kunnen ze voor het eerst in contact komen met antigenen.

• Een eerste contact met het antigeen activeert de B- en T-lymfocyten die daarop met hun receptor kunnen binden. Een zwakke binding volstaat.

• De geactiveerde lymfocyten ondergaan vervolgens selectie. Ze beginnen zich snel te delen. Tijdens dat delingsproces ontstaan mutante vormen van de cel. Als die het antigeen minder goed kunnen binden of met een lichaamseigen molecule binden, ondergaan ze apoptose. Maar er ontstaan ook cellen die het antigeen nog beter kunnen herkennen. Zo verbeteren de lymfocyten hun binding aan een antigeen.

B Reactie met T-lymfocyten

Het lichaam maakt drie types T-lymfocyten aan, elk met hun eigen functie. Dat deel van de specifieke immuniteit heeft enerzijds een regelfunctie en staat anderzijds in voor het opruimen van geïnfecteerde cellen en kankercellen.

De T-helperlymfocyt heeft een belangrijke regelfunctie in de immuunrespons. Antigeenpresentatie door MHC-II-eiwitten op het celmembraan van macrofagen of dendritische cellen zorgt ervoor dat een specifieke T-helpercel wordt geactiveerd. Als gevolg daarvan start het selectieproces om de antigeenreceptor te verbeteren. De gevormde T-helperlymfocyten zijn op twee plaatsen actief. Een deel blijft achter in de lymfeknopen. Daar zijn ze belangrijk om de cytotoxische T-lymfocyten en de B-lymfocyten te activeren. Een ander deel verplaatst zich naar de infectie. Ze produceren er cytokines die de reactie van de macrofagen versterken en de apoptose van de macrofagen tegenhouden. Na de infectie blijven een aantal T-helperlymfocyten achter in het weefsel als T-geheugenlymfocyten om een latere infectie te bestrijden. Ook in de lymfeknopen blijven T-geheugenlymfocyten achter.

MHC-II-eiwit antigeen

T-celreceptor

S Afb. 303

macrofaag

T-helperlymfocyt

cytokines

Antigeenpresentatie tussen een macrofaag en een T-helpercel. Voor activatie is een driedubbel signaal nodig.

antigenen gepresenteerd op een MHC-II-eiwit

©VANIN

cytokines die aangeven dat er nood is aan een reactie herkenning van de presenterende cel door een bijkomende receptor

Cytotoxische T-lymfocyten hebben receptoren gericht tegen de antigenen die op MHC-I-eiwitten gebonden zijn. Die receptoren komen voor op alle lichaamscellen, macrofagen en dendritische cellen. Cytotoxische T-lymfocyten zijn nuttig om kankercellen en geïnfecteerde cellen op te ruimen. Aangezien een cytotoxische T-lymfocyt gericht is tegen lichaamseigen cellen, is het erg belangrijk dat hij niet ten onrechte geactiveerd wordt.

Na activatie ondergaan de cytotoxische T-lymfocyten selectie. De gevormde cytotoxische T-lymfocyten migreren naar de infectie. Ze stellen er, net als ‘natural killer’-cellen, cytokines vrij die ervoor zorgen dat het celmembraan beschadigd wordt en dat de apoptose van de cel start.

Door de apoptose komen de virusdeeltjes in membraanpakketjes terecht, waarna de fagocyten ze opruimen. Na de infectie ontstaan uit de cytotoxische T-lymfocyten ook T-geheugenlymfocyten

cytokines die aanzetten tot apoptose

virusdeeltje

cytotoxische T-lymfocyt

cytokines die het celmembraan kapotmaken

T-celreceptor

MHC-I-eiwit antigeen

receptor

©VANIN

geïnfecteerde weefselcel

S Afb. 304

Een cytotoxische T-lymfocyt herkent een met virussen geïnfecteerde cel door binding aan het gepresenteerde antigeen. Een bijkomende receptor zorgt ervoor dat de cel enkel reageert als het antigeen op een MHC-I-eiwit gepresenteerd wordt. Cytokines zorgen voor de afbraak van het celmembraan en starten de apoptose.

Ook regulatoire T-cellen hebben een belangrijke regelfunctie. In tegenstelling tot de T-helpercellen zijn ze enkel betrokken bij het remmen van de immuunreactie. Regulatoire T-cellen onderdrukken immuuncellen die lichaamseigen moleculen herkennen. Daarnaast eindigen ze de immuunreactie en gaan ze een overdreven reactie tegen.

C Reactie met B-lymfocyten

In de lymfoïde organen, zoals de lymfeknopen en de milt, controleren B-lymfocyten de lymfe op tekenen van infectie. Als de lymfe moleculen van een pathogeen aanvoert, kunnen B-lymfocyten met de juiste receptor erop binden. Dat start de immuunreactie tegen dat antigeen. Voor de meeste antigenen is activatie door een T-helpercel nodig om de reactie voort te zetten. Om dat mogelijk te maken, neemt de B-lymfocyt de pathogene molecule op via endocytose. De cel breekt de molecule in verschillende kleinere antigenen en presenteert ze via MHC-II-eiwitten op het celmembraan. Als een T-helpercel een van de gepresenteerde antigenen herkent, ondergaat de B-lymfocyt selectie.

De B-lymfocyten met de beste receptorbinding voor het antigeen groeien uit tot plasmacellen. Die cellen starten met de productie van antilichamen, ook wel antistoffen of immunoglobulines genoemd, die ze vrijstellen in het bloed en de lymfe. Antilichamen zijn eiwitten en lijken qua structuur erg op de receptoren op het celmembraan. Een antilichaam is dus net als een antigeenreceptor een Y-vormig eiwit dat bestaat uit twee zware en twee lichte polypeptideketens. Tijdens de immuunreactie ontstaan ook B-geheugenlymfocyten

De antilichamen zullen op de plaats van infectie binden met de overeenkomstige antigenen. Dat helpt de immuunreactie op verschillende manieren:

• De antilichamen binden aan het oppervlak van bacteriën en virussen, wat ze onschadelijk maakt. Dat noem je neutralisatie. Een virus heeft bijvoorbeeld altijd eiwitten aan de buitenkant die nodig zijn om de cel binnen te dringen. Als die eiwitten bedekt zijn met een antilichaam, is infectie van een cel onmogelijk.

• De binding van antilichamen vergemakkelijkt fagocytose

• Een antilichaam heeft minstens twee bindingsplaatsen voor het antigeen. Daardoor kunnen antilichamen pathogenen aan elkaar klitten. Daarna ruimen de fagocyten de samengeklitte pathogenen op.

• Antilichaambinding activeert het complementsysteem.

©VANIN

W Afb. 305 Een COVID-19-zelftest maakt gebruik van antilichamen om virusdeeltjes in het neusslijm op te sporen.

Op basis van hun bouw en functie kun je vijf types antilichamen onderscheiden. Twee ervan, IgM en IgG, zijn het belangrijkst om ziekteverwekkers in het bloed en de weefsels te bestrijden.

• IgM is een antilichaamtype dat meestal een pentameer vormt. Daarbij zijn vijf antilichaammoleculen aan elkaar gebonden. IgM komt voornamelijk voor in het bloed en is meestal het eerste antilichaam dat erin aanwezig is bij een infectie. Door de pentameervorm kan IgM pathogenen makkelijk laten samenklitten.

• IgG is een monomeer en het dominante antilichaamtype in bloed en weefsel. Het bindt meestal specifieker aan een antigeen dan IgM. Het is het enige antilichaamtype dat zich via de placenta naar het bloed van het kind kan verplaatsen.

IgD

lgM

zwavelbrug

lgG

W Afb. 306 De verschillende types antilichamen. Bij IgA maakt een speciaal eiwit (lichtblauw) secretie door de epitheelcellen van de slijmvliezen mogelijk. IgM-antilichamen vormen een complex met een ander eiwit en worden onderling verbonden door zwavelbruggen.

WEETJE

• IgA is vaak een dimeer en talrijk aanwezig in het slijm van de slijmvliezen. Dat type werkt vooral via neutralisatie en samenklitten. Doordat IgA het complementsysteem maar weinig activeert, wordt ontsteking in de slijmvliezen vermeden. IgA komt ook voor in secreties zoals speeksel, tranen en moedermelk. Het IgA in moedermelk beschermt de darm van de pasgeboren baby zolang die nog geen eigen darmflora heeft of zelf IgA aanmaakt.

• IgE is een monomeer dat we vooral kennen door zijn betrokkenheid bij allergische reacties. Het is ook werkzaam tegen parasitaire wormen, maar die komen in veel streken niet vaak meer voor.

• IgD is ook een monomeer. Het helpt om verschillende types leukocyten te activeren De functie van dat antilichaam is nog niet helemaal opgehelderd.

Als de eerste verdediging van het immuunsysteem faalt, dringen ziekteverwekkers de weefsels binnen. Antigenen, lichaamsvreemde moleculen, wekken dan een immuunreactie op. Antigenen van pathogenen die voorkomen in het cytoplasma van een cel, worden door de cel op het celmembraan geplaatst, zodat ze zichtbaar zijn voor het immuunsysteem. De aanwezigheid van antigenen kan een ontsteking veroorzaken.

Antigenen veroorzaken een reactie van cellen van de niet-specifieke immuniteit De cellen stellen daarbij cytokines vrij. Dat zijn kleine eiwitten die als signaalstoffen de immuunreactie versterken.

• Macrofagen doen aan fagocytose en plaatsen antigenen op hun membraan voor antigeenpresentatie.

• Neutrofielen vernietigen cellen door fagocytose en door de inhoud van hun granules vrij te stellen.

• Dendritische cellen zijn gespecialiseerd in antigeenpresentatie.

• ‘Natural killer’-cellen herkennen geïnfecteerde cellen en kankercellen. Ze stellen cytokines vrij die bij die cellen het celmembraan beschadigen en apoptose starten.

• De eiwitten van het complementsysteem kunnen het oppervlak van pathogenen beschadigen en vergemakkelijken fagocytose

Antigeenpresentatie activeert de lymfocyten, de cellen van de specifieke immuniteit

• De reactie start meestal met een T-helperlymfocyt met de juiste receptor. De T-helperlymfocyt activeert vervolgens zowel de cytotoxische T-lymfocyt als de B-lymfocyt.

• De cytotoxische T-lymfocyt herkent de antigenen op geïnfecteerde cellen en kankercellen, en schakelt ze uit door beschadiging van het celmembraan en apoptose.

• B-lymfocyten die een antigeen herkennen, groeien na activatie van de T-helperlymfocyt uit tot plasmacellen en starten met de aanmaak van antilichamen. Antilichamen zijn eiwitten die met lichaamsvreemde moleculen kunnen binden.

• Op de plaats van infectie binden de antilichamen op de antigenen. Dat zorgt voor neutralisatie van de pathogenen, klit de pathogenen aan elkaar, vergemakkelijkt fagocytose en activeert het complementsysteem

Immunisatie is een proces dat de immuunreactie tegen een antigeen versterkt.

Er zijn twee vormen van immunisatie: actieve en passieve immunisatie

4.1 Actieve immunisatie

Actieve immunisatie gebeurt door blootstelling aan antigenen. Dat stimuleert de specifieke immuniteit en er blijven geheugencellen achter voor die antigenen. Bij een tweede contact met hetzelfde antigeen zorgen de geheugencellen voor een heel snelle reactie en een hogere concentratie aan antilichamen. De reactie is zo efficiënt dat de infectie meestal onopgemerkt blijft.

antilichamen tegen A

©VANIN

secundaire immuunrespons tegen antigeen A

primaire immuunrespons tegen antigeen A

0 7 14 21 28

42 49 56

aantal dagen eerste besmetting met antigeen A tweede besmetting met antigeen A

W Afb. 307

Concentratie aan antilichamen in het bloed na een eerste reactie (primaire immuunrespons) of tweede reactie (secundaire immuunrespons) tegen een antigeen

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

• Een infectieziekte zorgt voor natuurlijke actieve immunisatie. Het lichaam doorloopt de immuunreactie zoals hierboven beschreven. De gevormde geheugencellen beschermen het lichaam tegen een nieuwe infectie met hetzelfde antigeen. Bij bepaalde ziekteverwekkers, zoals het griepvirus, veranderen de moleculen op het oppervlak geregeld. Daardoor ontstaan nieuwe antigenen en kun je meermaals dezelfde ziekte doormaken.

• Vaccinatie is het injecteren van antigenen om kunstmatige actieve immunisatie te bekomen. Doordat men bijvoorbeeld verzwakte ziekteverwekkers, dode ziekteverwekkers of delen van ziekteverwekkers (antigenen) binnenbrengt, start het lichaam een immuunreactie. Daarbij ontstaan geheugencellen die zorgen voor een snelle immuunreactie bij een tweede contact. Dat is enkel nuttig als de persoon nog niet in contact gekomen is met antigenen waartegen het vaccin je beschermt.

S Afb. 308 Sommige vaccins beschermen tegen meerdere ziekteverwekkers. In België krijgen baby’s een combinatievaccin dat hen beschermt tegen polio, difterie, tetanus, kinkhoest, hepatitis B en hersenvliesontsteking (door Haemophilus influenzae). Op twaalf maanden vindt de eerste inenting met een vaccin tegen mazelen, bof en rubella plaats.

4.2 Passieve immunisatie

Passieve immunisatie is het natuurlijk of kunstmatig binnenbrengen van lichaamsvreemde antilichamen.

Bij natuurlijke passieve immunisatie beschermen de antilichamen van een moeder haar kind tegen infectie. Tijdens de zwangerschap gaan antilichamen (type IgG) van de moeder door de placenta en komen zo in het bloed van de foetus terecht. Daardoor is het kind beschermd tegen pathogenen die ook via de placenta het bloed van de foetus binnendringen. Ook via borstvoeding geeft de moeder antilichamen (type IgA) door. Die bezetten het slijm in het maag-darmkanaal en beschermen de baby tegen infectie. Zo heeft de baby de tijd om eigen specifieke immuniteit op te bouwen en antilichamen aan te maken.

S Afb. 309

Menselijke foetus in de baarmoeder. Antilichamen van het type IgG kunnen de placentabarrière overbruggen om de foetus te beschermen.

Afb. 310

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

Bij kunstmatige passieve immunisatie injecteert men bloedserum of -plasma van een menselijke of dierlijke donor. Die donor is vooraf natuurlijk of kunstmatig actief geïmmuniseerd. Het bloed bevat dus antilichamen.

Enerzijds voorkomt die techniek dat personen met een verlaagde immuniteit ziek worden. Een voorbeeld zijn personen die door een immuunziekte zelf te weinig antilichamen aanmaken. De behandeling biedt enkele weken tot enkele maanden bescherming. Anderzijds zet men de techniek ook in bij een acute ontsteking of vergiftiging. Dan versnelt ze de niet-specifieke immuunreactie, wat de kansen op herstel vergroot.

©VANIN

Bij actieve immunisatie komen antigenen het lichaam binnen. Dat start een immuunreactie en er ontstaat een geheugen. De antigenen kunnen via een natuurlijke weg binnenkomen, bijvoorbeeld bij een infectieziekte, of kunstmatig, zoals bij vaccinatie

Passieve immunisatie brengt antilichamen binnen in het lichaam. Er ontstaat geen geheugen. Ook dat kan op een natuurlijke manier gebeuren, via de zwangerschap en bij borstvoeding, of kunstmatig, door bloedserum of -plasma in te spuiten.

S

VERDIEPING

Immuniteit bij andere organismen

©VANIN

INSECTEN

Insecten hebben geen specifiek afweersysteem. Ze beschikken over speciale cellen die snel grote hoeveelheden micropeptiden aanmaken. Die hebben een antimicrobiële werking en kunnen op korte tijd vrijwel alle indringers doden. Insecten hebben ook een systeem om de verspreiding van pathogenen te verhinderen. Ze bouwen een laag van het pigment melanine rond de ziekteverwekkers, zodat die ingekapseld raken.

Onderzoek toont ook aan dat blootstelling aan een lage dosis bacteriën ervoor zorgt dat insecten een latere infectie met een dodelijke dosis aan levende bacteriën overleven. Hun immuunsysteem kan dus een pathogeen na een eerste infectie beter herkennen. Dat is een voorbeeld van specificiteit en geheugen, twee eigenschappen van de specifieke immuniteit. Een onderzoek bij de honingbij toonde aan dat dat geheugen kan worden doorgegeven aan de nakomelingen.

HAAIEN

Haaien blijken niet zoveel last te hebben van virale infecties. Dat zouden ze te danken hebben aan het eiwit squalamine. Dat zorgt er bij een infectie voor dat het virus zich moeilijk kan vermeerderen. Daardoor daalt de besmettelijkheid van virussen drastisch. De huidige antivirale medicijnen voor de mens zijn meestal gericht op één specifiek virus, maar virussen muteren snel. Men hoopt dat de stof squalamine op termijn ook bij mensen kan worden ingezet als een breedspectrum antiviraal middel.

©VANIN

LAMA’S EN KAMELEN

De antilichamen bij kameelachtigen (Camelidae) zijn kleiner dan bij andere zoogdieren. Ze bestaan enkel uit de twee lange ketens. De twee korte ketens ontbreken. Nanoantilichamen zijn daarvan afgeleid. Dat zijn in het laboratorium aangemaakte moleculen die enkel bestaan uit het variabele deel van één lange keten. Dat is het deel dat bindt met een antigeen. Omdat ze zo klein zijn, kunnen nanoantilichamen ook worden toegediend met een inhalator of neusspray. Dat is een handige manier van toedienen om luchtweginfecties zoals het coronavirus te bestrijden, omdat het virus dan in de plaats van neus- of longcellen eerst een laag van antilichamen tegenkomt.

AAN DE SLAG

Bespreek twee manieren waarop slijm in de longen ons beschermt tegen ziekte.

Zijn de volgende stellingen juist of fout?

Verbeter indien nodig.

a Specifieke immuniteit richt zich tegen één bepaalde ziekteverwekker, lichaamsvreemde stof of kankercel, en zorgt voor de vorming van geheugencellen.

b Cytotoxische T-lymfocyten herkennen alleen lichaamscellen die geïnfecteerd zijn.

c B-lymfocyten in de lymfoïde organen kunnen antigenen van pathogenen opnemen en die presenteren via MHC-II-eiwitten. Ze ondergaan selectie na herkenning door een T-helperlymfocyt.

Tijdens een experiment verwijdert men de thymus bij jonge muizen. Welk gevolg is het meest waarschijnlijk? De jonge muizen ...

a krijgen last van allergieën;

b krijgen geen ontstekingsreacties;

c zullen nooit kanker ontwikkelen;

d zullen minder afstotingsverschijnselen hebben na orgaantransplantatie.

RSV (respiratoir syncytiaalvirus) veroorzaakt vaak ernstige luchtwegaandoeningen bij zuigelingen. Er werd vastgesteld dat baby’s die flesvoeding krijgen, makkelijker last ondervinden van het virus dan baby’s die borstvoeding krijgen. Verklaar.

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

a Bepaalde lymfocyten kunnen snel het juiste antilichaam produceren.

b Antigenen zijn zo veranderd dat binnendringers niet langer je weefselcellen kunnen binnendringen.

©VANIN

c Antilichamen tegen de ziekteverwekker circuleren constant in het bloed.

d Fagocyten worden gestimuleerd om snel binnendringers op te eten.

Hoe verloopt fagocytose door macrofagen?

a De macrofaag stulpt zijn celmembraan in of uit en vangt de pathogeen in een blaasje.

b De macrofaag scheidt cytokines af die ontsteking opwekken.

c De macrofaag plaatst antigenen op het celmembraan via MHC-I-eiwitten.

d De macrofaag splitst blaasjes af met verteringsenzymen.

Bepaalde antigenen veroorzaken een allergische reactie in de bronchiën (vertakkingen van de luchtpijp) van astmapatiënten. Bij een allergische astma-aanval trekken de spieren in de wand van de bronchiën krampachtig samen. In de slijmlaag van de luchtwegen worden type IgEantilichamen geproduceerd. Die antilichamen sensibiliseren mestcellen in de wand van de bronchiën, die reageren door stoffen vrij te geven die zorgen voor spiercontracties in de wand van de luchtpijpvertakkingen. Is de productie van IgE een voorbeeld van specifieke of niet-specifieke immuniteit?

bronchie

luchtpijp

Tijdens de les biologie doen de leerlingen vier uitspraken in verband met immuniteit. Welk van de uitspraken is correct?

a Alle leukocyten zijn in de mogelijkheid zich te ontwikkelen tot geheugencellen.

b Alleen T-lymfocyten zijn in de mogelijkheid zich te ontwikkelen tot geheugencellen.

c Alleen B-lymfocyten zijn in de mogelijkheid zich te ontwikkelen tot geheugencellen.

d Geheugencellen zorgen voor immunisatie.

Koortsblaasjes (Herpes labialis) zijn een symptoom van een infectie met het herpes-simplexvirus type 1. Het virus dringt ons lichaam binnen via de slijmvliezen en kan zich levenslang verschuilen in zenuwcellen. Het virus kan – door factoren die nog niet helemaal gekend zijn – gereactiveerd worden, met koortsblaasjes als gevolg. Er volgt dan een snelle reactie van het immuunsysteem. Leg uit hoe het komt dat er een snelle reactie van het immuunsysteem plaatsvindt, en welke celtypes daarbij een rol spelen.

In een experiment wordt bij iemand antigeen K ingespoten (tijdstip I). In het lichaam wordt korte tijd later antilichaam k gevormd. Vier weken na tijdstip I wordt dezelfde persoon met een mengsel van antigeen K en antigeen L ingespoten (tijdstip II). Het verloop van de concentratie aan antilichamen k en l in het lichaam van die persoon is schematisch weergegeven.

©VANIN

a Ruim twee weken na de eerste immunisatie daalt de concentratie aan antilichaam k in het bloed van de proefpersoon. Door welke twee oorzaken daalt de concentratie aan antilichaam k dan?

b Leg uit waardoor na de tweede blootstelling er in een kortere tijd een hogere concentratie aan antilichaam k in het bloed van de proefpersoon aanwezig is dan na de eerste immunisatie.

hoeveelheid antilichamen

7 hoog laag antilichaam k antilichaam l

aantal dagen 14 21 28 35 42 49 56

Meer oefenen? Ga naar .

HOOFDSTUKSYNTHESE

NIET-SPECIFIEKE IMMUNITEIT = aangeboren immuniteit

• Treedt als eerste op bij een infectie.

• Richt zich tegen alle indringers.

• Er wordt geen geheugen gevormd.

Eerstelijnsverdediging

• De huid en slijmvliezen vormen een fysische en chemische barrière.

• Het microbioom van de huid, darm en vagina remt de groei van schadelijke micro-organismen.

Tweedelijnsverdediging

Antigenen (lichaamsvreemde moleculen op het oppervlak van een pathogeen) veroorzaken een reactie van cellen. De cellen stellen cytokines vrij die de immuunreactie versterken.

Cellen die hier van belang zijn: macrofagen, neutrofielen, dendritische cellen en ‘natural killer’-cellen

Moleculen die hier van belang zijn: eiwitten van het complementsysteem en cytokines

SPECIFIEKE IMMUNITEIT = verworven immuniteit

• Geactiveerd als de niet-specifieke immuniteit onvoldoende is.

• Richt zich tegen één type cel of stof.

• Ontwikkelt een geheugen.

Derdelijnsverdediging

B- en T-lymfocyten

• T-helperlymfocyten:

−Hebben een regelfunctie.

−Activeren cytotoxische T-lymfocyten en B-lymfocyten.

−Vormen T-geheugenlymfocyten.

• Cytotoxische T-lymfocyten:

−Ruimen kankercellen en geïnfecteerde cellen op.

−Beschadigen het celmembraan van de geïnfecteerde cel en starten de apoptose.

−Vormen T-geheugenlymfocyten.

• B-lymfocyten:

−Groeien uit tot plasmacellen die antilichamen aanmaken. De antilichamen binden met de antigenen om de immuunreactie te helpen.

−Vormen B-geheugenlymfocyten.

©VANIN

IMMUNISATIE

= een proces dat een immuunreactie tegen een antigeen versterkt

ACTIEVE IMMUNISATIE

= blootstelling aan antigenen, waardoor geheugencellen worden gevormd

• natuurlijke actieve immunisatie: een infectieziekte

• kunstmatige actieve immunisatie: vaccinatie (injectie van antigenen)

PASSIEVE IMMUNISATIE

= natuurlijk of kunstmatig binnenbrengen van lichaamsvreemde antilichamen, zonder dat er een geheugen ontstaat

• natuurlijke passieve immunisatie: doorgeven van antigenen van de moeder via de placenta of de moedermelk

• kunstmatige passieve immunisatie: injectie van bloedserum of -plasma van een donor

met virus geïnfecteerde cel

bacterie

fagocytose door macrofaag

macrofaag

opruimen van geïnfecteerde cellen +

presentatie van antigenen geïnfecteerde cel

differentiatie tot cytotoxische T-cellen

cytotoxische T-cellen

vorming van geheugencellen

fagocytose door macrofaag

©VANIN

geheugencellen

macrofaag

presentatie van antigenen bacterie

herkenning van antigenen door receptor

T-helpercellen

Een ontsteking zorgt voor de afvoer van moleculen van de bacterie naar de lymfe.

in lymfeknoop

T-helpercellen

herkenning van antigenen bacterie

vermeerdering van B-lymfocyten

differentiatie tot plasmacel

plasmacel

productie van antilichamen

antilichaam

macrofaag

Antilichamen zorgen voor de neutralisatie, het samenklitten en de activatie van macrofagen en het complementsysteem.

HOOFDSTUK 2

Î Ongewenste effecten van het immuunsysteem

Steeds meer mensen zijn allergisch aan pollen. In dat geval reageert het immuunsysteem op niet-gevaarlijke stoffen, namelijk pollenkorrels van grassen of andere planten, met als gevolg rode, tranende ogen en een loopneus. In dit hoofdstuk leer je hoe ons immuunsysteem soms een afwijkende werking vertoont of zelf aangevallen wordt. Dat gebeurt bijvoorbeeld bij een hiv-infectie. Ook reacties op vreemd bloed kunnen een immuunreactie uitlokken.

LEERDOELEN

M Uitleggen wat een bloedgroep is M Uitleggen hoe hiv het immuunsysteem onderdrukt

M Voorbeelden geven van overreacties van het immuunsysteem

1 Reacties op vreemd bloed

1.1 Bloedgroepantigenen

Bij contact met bloed van een andere persoon kunnen bepaalde moleculen op het membraan van de rode bloedcellen een immuunreactie uitlokken. Een dergelijke reactie kan heel ernstig zijn. Die moleculen noem je bloedgroepantigenen

Op basis van de aan- of afwezigheid van welbepaalde bloedgroepantigenen onderscheidt men verschillende bloedgroepen. Het soort bloedgroepantigenen, en dus de bloedgroep, is erfelijk bepaald. De ABO-bloedgroepen en de resusfactor zijn de bekendste. Ontdek welke bloedcombinaties mogelijk zijn op Op vind je een extra dossier over de samenstelling van bloed.

A ABO-bloedgroepen

De bloedgroepantigenen die de ABO-bloedgroep bepalen, zijn suikermoleculen die gebonden zijn aan de fosfaatgroep van fosfolipiden: het A-antigeen en B-antigeen. Als op het membraan van rode bloedcellen:

• enkel het A-bloedgroepantigeen aanwezig is, is de bloedgroep A;

• enkel het B-bloedgroepantigeen aanwezig is, is de bloedgroep B;

• zowel het A- als B-bloedgroepantigeen aanwezig is, is de bloedgroep AB;

• het A- en B-bloedgroepantigeen beide afwezig zijn, is de bloedgroep O (‘nul’).

De bloedgroep bepaalt ook welke antilichamen aanwezig zijn in het bloedplasma. In het vorige hoofdstuk zag je dat lymfocyten antilichamen maken als ze in contact komen met lichaamsvreemde stoffen of antigenen. De geheugencellen die bij de immuunreactie worden gevormd, zorgen voor een langdurige immuniteit tegen die antigenen. In de organismen waarmee wij in contact komen, komen vaak polysachariden voor die sterk lijken op de bloedgroepantigenen A en B. Daarom komen in het bloedplasma ook zonder voorafgaand bloedcontact antilichamen voor tegen de bloedgroepantigenen die niet voorkomen op het celmembraan van de eigen rode bloedcellen. Zo zal in het bloedplasma van iemand met bloedgroep B het antilichaam anti-A voorkomen. In het bloedplasma van iemand met bloedgroep O komen zowel de antilichamen anti-A als de antilichamen anti-B voor. In het bloed van iemand met bloedgroep AB komen geen anti-A- en anti-B-antilichamen voor. De antilichamen tegen de bloedgroepantigenen A en B behoren vooral tot de klasse IgM en kunnen niet door de placentabarrière.

De onderstaande tabel geeft een volledig overzicht.

bloedgroep Abloedgroep Bbloedgroep ABbloedgroep O

A-antigeen antigenen op de eigen rode bloedcel

©VANIN

antilichamen in het bloedplasma

B-antigeen A-antigeen B-antigeen geen A-antigeen geen B-antigeen

S Tabel 1 De ABO-bloedgroepen en de aanwezigheid van antigenen en antilichamen in het bloedplasma

B De resusfactor of het D-antigeen

In het membraan van de rode bloedcellen bevinden zich nog andere antigenen dan de bloedgroepantigenen A en B. De resusfactor, ook het D-antigeen genoemd, is een membraaneiwit dat de resusbloedgroep bepaalt. Bij resuspositief bloed (Rh+) is het D-antigeen aanwezig en bij resusnegatief bloed (Rh-) afwezig. De aan- of afwezigheid van de resusfactor is net als de bloedgroepantigenen A en B erfelijk.

Voor iemand met een resusnegatieve bloedgroep is de resusfactor een lichaamsvreemde stof.

©VANIN

Bij contact vormen zich antilichamen anti-D. In tegenstelling tot de antigenen A en B komt de resusfactor niet algemeen voor in de natuur. Contact met resuspositief bloed is dus nodig voor de aanmaak van anti-D. Dat kan bijvoorbeeld bij een bloedtransfusie. Op basis van de ABObloedgroepen en de resusbloedgroep onderscheiden we acht verschillende bloedgroepen.

1.2 Mogelijke problemen bij bloedtransfusies

Bij een ongeval of tijdens een operatie kan iemand zoveel bloed verliezen dat een bloedtransfusie noodzakelijk is. Bij een bloedtransfusie krijgt de ontvanger bloed van een donor. Als in het donorbloed andere bloedgroepantigenen aanwezig zijn dan in het bloed van de ontvanger, zeg je dat de bloedgroepen incompatibel zijn. Er ontstaat dan een immuunreactie tegen het donorbloed. De antilichamen van de ontvanger binden op bloedgroepantigenen van het donorbloed. Dat veroorzaakt agglutinatie of het samenklonteren van rode bloedcellen, waarna ze openbarsten (hemolyse).

S Afb. 311 De resusfactor is vernoemd naar de diersoort waarin ze werd ontdekt, namelijk de resusaap (Macaca mulatta).

W Afb. 312 De acht bloedgroepen met hun voorkomen (in procent) in Europa

S Afb. 313 Het weefsel dat het vaakst getransplanteerd wordt, is bloedweefsel. Je spreekt van een bloedtransfusie.

Een incompatibele transfusie kan milde reacties opwekken, zoals koorts en rillingen, maar kan ook levensbedreigend zijn. Het toedienen van enkele milliliters bloed kan daarvoor al volstaan. Incompatibele bloedtransfusies moeten dus absoluut vermeden worden.

In het plasma van het donorbloed kunnen antilichamen aanwezig zijn die op de rode bloedcellen van de ontvanger kunnen binden. Omdat de hoeveelheid antilichamen in het donorbloed beperkt is, veroorzaken ze nauwelijks bloedklontering en zijn ze bij een transfusie verwaarloosbaar

Als de bloedgroep van de donor geen risico op problemen oplevert, zeg je dat de bloedgroep van de donor compatibel is met de bloedgroep van de ontvanger. Een schema van compatibele bloedtransfusies voor de ABO-bloedgroepen zie je in de onderstaande tabel.

©VANIN

bloedgroep van de donor bloedgroep van de acceptor (en antilichamen in het bloedplasma)

(anti-B)

(anti-A)

AB (geen anti-A) (geen anti-B)

O (anti-A) (anti-B)

S Tabel 2

Bij een transfusie moet de bloedgroep van de donor compatibel zijn met die van de ontvanger.

+ = bloedtransfusie compatibel

– = bloedtransfusie incompatibel

Daaruit kun je de volgende conclusies trekken:

• Een transfusie is altijd mogelijk als de donor en de ontvanger tot dezelfde ABO-bloedgroep behoren. In de praktijk streeft men er dus naar dat donor en ontvanger dezelfde bloedgroep hebben, zeker als er grote hoeveelheden bloed moeten worden toegediend.

• Doordat er bloedgroepantigenen ontbreken op de rode bloedcellen van een persoon met bloedgroep O, kan die bloedgroep donor zijn voor alle andere bloedgroepen. Bloedgroep O is daarom de universele donor

• Doordat in het plasma van bloedgroep AB de antilichamen anti-A en anti-B ontbreken, kan bloedgroep AB bloed ontvangen van alle andere bloedgroepen zonder gevaar voor agglutinatie. Daarom noem je bloedgroep AB de universele ontvanger.

Voor elke ABO-bloedgroep bestaat een resuspositieve (Rh+) en resusnegatieve (Rh-) groep. Omdat personen met resusnegatief bloed anti-D kunnen aanmaken, mogen zij geen resuspositief bloed ontvangen. Dat betekent dat:

• een resuspositieve bloedgroep altijd bloed kan ontvangen van zowel de resuspositieve als de resusnegatieve compatibele ABO-bloedgroep;

• een resusnegatieve bloedgroep enkel bloed kan ontvangen van de resusnegatieve compatibele ABO-bloedgroep.

Een bloedtransfusie in de baarmoeder noem je een intra-uteriene bloedtransfusie.

1.3 Mogelijke problemen bij zwangerschap

Bij een zwangerschap wordt de bloedgroep van de moeder altijd gecontroleerd, omdat er problemen kunnen ontstaan als een resusnegatieve moeder zwanger is van een resuspositief kind.

Gedurende de zwangerschap is het bloed van de moeder gescheiden van het bloed van de foetus. Tijdens de bevalling komt de placenta los van de baarmoeder. Op dat ogenblik komt er foetaal bloed in de bloedbaan van de moeder terecht. Het immuunsysteem van de resusnegatieve moeder reageert dan op resuspositief bloed door het antilichaam anti-D aan te maken en de foetale rode bloedcellen af te breken. Tijdens die immuunreactie worden ook B-geheugencellen gevormd. Bij een hernieuwd contact met resuspositief bloed produceren de geheugencellen grote hoeveelheden anti-D-antilichamen. De antilichamen anti-D kunnen door de placenta omdat ze vooral tot de klasse IgG behoren

Bij een eerste zwangerschap van een kind met een resuspositieve bloedgroep is er geen probleem, omdat de immuunreactie bij de resusnegatieve moeder pas optreedt na de geboorte. Bij een volgende zwangerschap van een resuspositief kind ontstaan er problemen omdat antiD-antilichamen van de moeder terechtkomen in het bloed van het kind en daar agglutinatie en hemolyse veroorzaken. Voor een embryo of foetus kan de bloedarmoede zo ernstig zijn dat er een levensbedreigende situatie ontstaat en er een bloedtransfusie nodig is terwijl de baby zich nog in de baarmoeder bevindt.

vader Rh+ 1 Het kind van een Rh+ vader en een Rh- moeder kan de Rh+ bloedgroep hebben.

©VANIN

Afb.

placenta

Wanneer de placenta loskomt tijdens de bevalling, komt het bloed van de moeder in contact met bloed van het kind.

3

Als gevolg van contact met het Rh+ bloed maakt de Rh- moeder anti-D-antilichamen.

4

Als de baby van een volgende zwangerschap een Rh+ bloedgroep heeft, breken de anti-D-antilichamen van de moeder het bloed van de foetus af.

De ongewenste reactie van het immuunsysteem bij een volgende zwangerschap van een resuspositief kind vermijdt men door kunstmatige, passieve immunisatie. Een resusnegatieve moeder die net bevallen is van een resuspositieve baby, krijgt via een infuus anti-D-antilichamen

Die antilichamen binden op de foetale rode bloedcellen, waarna de niet-specifieke immuniteit van de moeder ze herkent en vernietigt. Het specifieke immuunsysteem treedt niet in werking en vormt geen geheugencellen. Het toedienen van antilichamen moet bij elke geboorte van een volgend resuspositief kind herhaald worden, omdat de antilichamen langzaam uit het bloed verdwijnen.

©VANIN

• De bloedgroepantigenen in het membraan van de rode bloedcellen bepalen de bloedgroepen.

• Als de bloedgroepantigenen van de donor dezelfde zijn als die van de ontvanger, is de bloedtransfusie compatibel. Een incompatibele bloedtransfusie tussen ABObloedgroepen kan onmiddellijk een gevaarlijke agglutinatie en hemolyse veroorzaken.

• De resusbloedgroep is belangrijk bij zwangerschap. Een resusnegatieve moeder ontwikkelt antilichamen tegen het bloed van een resuspositief kind, die bloedarmoede veroorzaken bij een resuspositief kind van een volgende zwangerschap.

2 Onderdrukking van het immuunsysteem door hiv

Virussen vallen meestal specifieke cellen en weefsels aan. Hiv richt zich vooral op T-helperlymfocyten. Het onderdrukt na verloop van tijd het immuunsysteem bijna volledig, wat leidt tot de ziekte aids.

Besmetting met hiv treedt op als het virus rechtstreeks of via slijmvliezen in de bloedbaan komt na contact met besmette lichaamsvloeistoffen, zoals bloed, sperma, vaginaal vocht of moedermelk.

Het virus infecteert gewoonlijk eerst dendritische cellen, de antigeenpresenterende cellen van de slijmvliezen. Dendritische cellen migreren via de lymfevaten naar de lymfeknopen en brengen het virus zo tot bij de belangrijkste doelcellen, de T-helperlymfocyten. Tijdens de eerste fase van de ziekte, die we ook de acute fase noemen, lokt de snelle vermenigvuldiging een reactie uit van zowel de niet-specifieke als de specifieke immuniteit. ‘Natural killer’- en plasmacellen doden grote aantallen geïnfecteerde T-helperlymfocyten. Die fase duurt twee tot zes weken en de symptomen doen denken aan griep. Door de aanwezigheid van specifieke antilichamen tegen hiv in het bloed is de ziekte opspoorbaar en wordt de persoon als seropositief gediagnosticeerd.

hiv = Human Immunodeficiency Virus

aids = Acquired Immune Deficiency Syndrome

S Afb. 315 Computermodel van aidsvirussen gebaseerd op diverse foto’s

100 µm

S Afb. 316 TEM-foto van aidsvirussen

Je leert meer over de behandeling van aids op

Na de acute fase volgt meestal een chronische fase. Het virus kan immers op verschillende manieren aan het immuunsysteem ontsnappen.

• Hiv maakt gebruik van de interacties tussen immuuncellen om in andere cellen van het immuunsysteem terecht te komen. Zo kan bijvoorbeeld een macrofaag door endocytose een geïnfecteerde T-cel opnemen en ermee versmelten. De virussen komen dus niet altijd vrij door het openbarsten van cellen. Daardoor kan het immuunsysteem ze moeilijker opsporen en vernietigen.

• Hiv is een retrovirus omdat het RNA als erfelijk materiaal heeft. Enzymen van het virus kopiëren het virale RNA naar viraal DNA en voegen het dan in het erfelijk materiaal van de gastheercel. Het virus is latent (slapend) aanwezig: het virale DNA wordt niet gebruikt voor de vorming van nieuwe virussen, maar komt door replicatie van het DNA en celdeling in alle afstammelingen van de gastheercel terecht. Onder bepaalde omstandigheden ‘ontwaakt’ het virus: het virale DNA ondergaat transcriptie, en na translatie ontstaan duizenden nieuwe virussen.

©VANIN

HIV-1 infectie infectie

aanmaak nieuwe virussen

actief virus

vrijkomen van virussen

inactief virus

W Afb. 317 Hiv kan zich schuilhouden voor het immuunsysteem door na infectie inactief te zijn.

• Hiv muteert zeer snel. Van de miljarden virussen die elke dag worden gemaakt, zijn sommige varianten minder goed in het infecteren van nieuwe cellen, terwijl andere varianten net beter zijn in het infecteren van nieuwe cellen. Het specifieke immuunsysteem en de ‘natural killer’cellen moeten bovendien de nieuwe varianten altijd opnieuw leren bestrijden.

Tijdens de chronische fase neemt het aantal T-helperlymfocyten af. De afname is enerzijds het gevolg van de infectie met hiv. Anderzijds herkent en doodt het immuunsysteem geïnfecteerde cellen. Die chronische fase verloopt met weinig of geen symptomen en kan tot twintig jaar duren. Ondertussen kan de persoon anderen besmetten.

Het verdwijnen van de T-helperlymfocyten verzwakt het specifieke immuunsysteem. T-helperlymfocyten zijn immers betrokken in de activatie van de B-lymfocyten en de cytotoxische T-cellen. Dat is de laatste fase of de aidsfase. Het immuunsysteem kan doorgaans onschuldige infecties niet meer bestrijden. Uiteindelijk is dat fataal.

T-helperlymfocyten per milliliter in bloed

©VANIN

weken tot maanden sinds infectie

infectie jaren sinds infectie hiv

T-helperlymfocyten

S Afb. 318 Het verloop van een hiv-infectie tijdens de acute, chronische en aidsfase

• Hiv onderdrukt het immuunsysteem door de T-helperlymfocyten te infecteren Het hiv-virus kan zich verspreiden in het lichaam omdat het er op verschillende manieren in slaagt om het immuunsysteem te ontlopen.

• T ijdens de aidsfase is het immuunsysteem zodanig afgezwakt dat de patiënt sterft aan onschuldige infecties.

• ongevaarlijke stoffen: bv. allergieën

• het eigen lichaam: bv. autoimmuunziekten

• ziekteverwekkers: bv. cytokinestorm

3 Overreactie van het immuunsysteem

Ons immuunsysteem ruimt de meeste ziekteverwekkers die ons lichaam binnendringen, in een korte tijd op. Verschillende mechanismen zorgen ervoor dat het immuunsysteem daarbij gepast reageert: voldoende krachtig om een ziekteverwekker te elimineren, maar niet te krachtig, om de schade aan het eigen lichaam te beperken. Toch kan het fout lopen. In dat geval reageert het immuunsysteem onnodig op ongevaarlijke stoffen of op het eigen lichaam, of reageert het te hevig op een ziekteverwekker. Bepaalde overreacties van het immuunsysteem kunnen een persoon in minder dan een uur doden.

3.1 Allergieën

Het immuunsysteem reageert soms op bestanddelen van natuurlijke of kunstmatige stoffen die niet gevaarlijk zijn. De stoffen die de reactie uitlokken, noem je allergenen. De onnodige reactie van het immuunsysteem noem je een allergie. Een aanzienlijk deel van de bevolking is allergisch voor een of meerdere stoffen, en cijfers tonen aan dat er de laatste decennia een sterke toename is.

Elke lichaamsvreemde stof is een potentieel allergeen. Enkele voorbeelden zijn:

• het gif van insecten dat vrijkomt na een steek van bijen en wespen of een beet van dazen en muggen;

• bepaalde bestanddelen in voedsel, zoals gluten, melkeiwitten en stoffen in pindanoten en schaaldieren;

• geneesmiddelen, zoals penicilline, aspirine en medicijnen die toegediend worden bij bijvoorbeeld chemotherapie;

• biologische stoffen, zoals uitwerpselen van de huisstofmijt, huidschilfers van huisdieren en pollen;

Een contactallergeen is een stof buiten het lichaam die na contact met de huid een allergische reactie teweegbrengt.

• contactallergenen, zoals latex, metalen, bepaalde huishoudproducten en producten in cosmetica.

S Afb. 319

Allergenen kunnen van heel diverse aard zijn: gaande van het gif van insecten zoals een daas (A), stoffen in schaaldieren (B), penicilline (een antibacteriële stof die geproduceerd wordt door schimmels die behoren tot het geslacht Penicillium) (C), uitwerpselen van de huisstofmijt (D), tot het metaal in ringen of horloges (E).

Bij een allergische reactie zorgt het contact met een allergeen voor de aanmaak van antilichamen van de klasse IgE. Dat gebeurt door B-lymfocyten in het lymfoïd weefsel van de huid, de longen en de darmen. De IgE-antilichamen binden vervolgens op de mestcellen of mastocyten. Dat zijn een type witte bloedcellen die vooral voorkomen in weefsels die contact maken met de buitenwereld, zoals de huid, de slijmvliezen en de longen. Als een allergeen contact maakt met een IgE-antilichaam gebonden aan een mestcel, wordt de mestcel actief en stelt ze de organische molecule histamine vrij.

De eerste blootstelling aan een allergeen zorgt ervoor dat de B-lymfocyten IgE-antilichamen aanmaken.

©VANIN

allergeenB-lymfocyten

S Afb. 320

antilichamen IgE IgE binden aan het membraan van de mestcellen.

Een allergie is een reactie van het immuunsysteem op een onschuldige stof.

Histamine heeft verschillende effecten op het lichaam:

Mestcellen stellen grote hoeveelheden histamines vrij als ze meermaals in contact komen met hetzelfde allergeen.

• Door vaatverwijding ontstaat een verhoogde bloedtoevoer naar het gebied waar histamine werd vrijgemaakt, zodat er roodheid of zwelling optreedt.

• Door een verhoogde doorlaatbaarheid van de bloedvaten stromen er vocht en eiwitten naar het omliggende weefsel.

• Er is een verhoogde afscheiding van slijm en vocht in slijmvliezen, zoals de neus en longen.

• Door een vernauwing van de bronchiën (vertakkingen van de luchtpijp) wordt het moeilijker om te ademen en ontstaat een benauwd gevoel.

• Er ontstaat jeuk of pijn door een stimulatie van bepaalde zenuwuiteinden.

Soms is de allergische reactie buitensporig hevig en worden grote hoeveelheden histamine vrijgesteld over het hele lichaam. Door een sterke verwijding van de bloedvaten ontstaat een zeer lage bloeddruk. Daardoor bereikt onvoldoende bloed bepaalde vitale organen zoals het hart. Door die verminderde bloedtoevoer naar het hart kunnen hartcellen afsterven en ontstaan hartritmestoornissen of kan een hartstilstand optreden. Die levensbedreigende situatie wordt een anafylactische shock genoemd. In een dergelijk geval is een snelle medische ingreep noodzakelijk die bestaat uit het toedienen van adrenaline. Adrenaline doet de bloedvaten vernauwen en het hart krachtiger kloppen, waardoor de bloeddruk opnieuw stijgt. Het zorgt er ook voor dat de bronchiën opnieuw ontspannen, zodat je weer beter kunt ademen.

S Afb. 321

Personen die bijzonder hevig reageren op een allergeen, hebben vaak een EpiPen bij zich. Dat is een voorgevulde injectiespuit met adrenaline (= epinephrine). Een dreigende anafylactische shock kunnen ze afwenden door de EpiPen met kracht op het been te plaatsen.

3.2 Auto-immuunziekten

Het immuunsysteem is voornamelijk gericht op het vernietigen van pathogenen die het lichaam zijn binnengedrongen. Het moet daarom goed het onderscheid kunnen maken tussen lichaamseigen en lichaamsvreemde stoffen. Dat onderscheid wordt aangeleerd als T- en B-lymfocyten hun rijpingsproces doormaken in respectievelijk de thymus en het beenmerg, zoals je in het vorige hoofdstuk hebt gezien. Soms loopt het onderscheid tussen lichaamseigen en lichaamsvreemd fout. Het immuunsysteem beschouwt lichaamseigen moleculen of cellen dan als lichaamsvreemd. Door die lichaamseigen antigenen aan te vallen, keert het immuunsysteem zich tegen het eigen lichaam. Je spreekt van een auto-immuunziekte. De ernst van auto-immuunziekten kan variëren.

De activatie van T- en B-lymfocyten die binden op lichaamseigen antigenen, gebeurt bijvoorbeeld na infectie door een pathogeen dat over antigenen beschikt die lijken op de lichaamseigen antigenen. De geproduceerde antilichamen zullen niet enkel de pathogenen elimineren, maar hechten zich ook aan de lichaamseigen cellen die gelijkaardige antigenen bevatten. Het immuunsysteem valt zo lichaamseigen cellen aan en breekt ze af. Omdat lichaamseigen antigenen overal aanwezig zijn en telkens opnieuw worden aangemaakt, ontstaat een chronische activatie van het immuunsysteem en een chronische ontsteking.

©VANIN

antilichamen antigeen witte bloedcel

S Afb. 322 Een auto-immuunziekte kan ontstaan als het lichaam geïnfecteerd raakt door een ziekteverwekker met antigenen die lijken op lichaamseigen moleculen.

Auto-immuunziekten zijn doorgaans moeilijk te behandelen omdat het bijna onmogelijk is om enkel die B- en T-lymfocyten uit te schakelen die antilichamen tegen de lichaamseigen antigenen produceren. De behandeling van een auto-immuunziekte richt zich in de eerste plaats op het onderdrukken van het immuunsysteem. Dat gebeurt met medicijnen, zoals ontstekingsremmers, om de aanval op het lichaam te verminderen. De keerzijde van het gebruik van dergelijke medicijnen is dat de persoon vatbaarder wordt voor infecties.

VOORBEELD 1 MULTIPLE SCLEROSIS

Bij de ziekte multiple sclerosis (MS) valt het immuunsysteem de myeline rond neuronen in het centrale zenuwstelsel (hersenen en ruggenmerg) aan. De impulsgeleiding in de neuronen raakt ontregeld en er ontstaan problemen met coördinatie en evenwicht, gevoelsstoornissen, gezichtsproblemen, spierzwakte, vermoeidheid … De aard van de afwijkingen hangt af van welk gebied van het centrale zenuwstelsel aangetast wordt.

VOORBEELD 2 ZIEKTE VAN CROHN

De ziekte van Crohn is een chronische ontsteking van het maag-darmstelsel

De exacte oorzaak van de ziekte is niet gekend. Omdat de ziekte enkel voorkomt in welvaartslanden, neemt men aan dat een combinatie van omgevingsfactoren, genetische factoren en een overreactie van het immuunsysteem op de normale darmflora een rol speelt.

aangetaste myeline gezond neuron

normale myeline

©VANIN

VOORBEELD 3 PSORIASIS

Bij de huidziekte psoriasis dringen witte bloedcellen in de huid en veroorzaken er een ontstekingsreactie. De huidcellen vermeerderen zich veel sneller dan normaal en verplaatsen zich naar het oppervlak. Daardoor wordt de huid op bepaalde plaatsen veel dikker en ontstaan rode, schilferige vlekken.

VOORBEELD 4 REUMATOÏDE ARTRITIS

Reumatoïde artritis ontstaat doordat het immuunsysteem delen van de gewrichten aanvalt. Daardoor ontstaat een chronische ontsteking, die schade aan kraakbeen, botten en andere delen van het gewricht veroorzaakt.

neuron bij MS

axon

3.3 Cytokinestorm

In het vorige hoofdstuk leerde je al dat cytokines signaaleiwitten zijn die bij een immuunreactie worden afgegeven om een infectie te bestrijden. Ze activeren witte bloedcellen en veroorzaken bijvoorbeeld koorts. Een gezond immuunsysteem kan de hoeveelheid cytokines reguleren. Als die regeling fout loopt, kan een reactie ontstaan die zichzelf versterkt, waarbij enorme hoeveelheden cytokines worden vrijgegeven. Dat kan leiden tot een ontstekingsreactie die zo hevig is dat organen uitvallen en de patiënt zelfs overlijdt.

©VANIN

WEETJE

Virussen zoals influenzavirussen en coronavirussen die luchtweginfecties veroorzaken, kunnen een cytokinestorm uitlokken. Tijdens de pandemie in 2019 en 2020 bleek 70 % van de overlijdens bij een infectie met COVID-19 gepaard te gaan met een cytokinestorm. Daarnaast kan een cytokinestorm ook een gevolg zijn van een infectie met herpesvirussen of CMV, een stamceltransplantatie of het gebruik van bepaalde medicijnen.

Afb. 323

infectie met het COVID-19-virus wekte bij heel wat patiënten een cytokinestorm op, waardoor een levensbedreigende ontsteking in de longen ontstond.

De behandeling van een cytokinestorm is gericht op het beheersen van de ontstekingsreactie door immunosuppressieve medicijnen zoals ontstekingsremmers en medicijnen die de vrijstelling van cytokines onderdrukken, het ondersteunen van de vitale organen en het aanpakken van de onderliggende oorzaak, zoals het bestrijden van de infectie.

• Een allergie is een reactie van het immuunsysteem op een ongevaarlijke stof. Bij contact met een allergeen wordt IgE geproduceerd, dat mestcellen aanzet tot de vrijstelling van veel histamine. In ernstige gevallen kan een anafylactische shock leiden tot de dood.

• Als het immuunsysteem zich richt tegen bestanddelen van het eigen lichaam, ontstaat een auto-immuunziekte. Voorbeelden van auto-immuunziekten zijn MS of de ziekte van Crohn. Dergelijke auto-immuunziekten zijn moeilijk te behandelen.

• Een cytokinestorm ontstaat als de regulatie van de cytokinevrijstelling fout loopt en steeds grotere hoeveelheden cytokines worden vrijgesteld. Dat veroorzaakt een levensbedreigende ontstekingsreactie.

S

Een

4 Reacties op getransplanteerde organen

Als een orgaan of een deel ervan slecht of niet meer functioneert, kan men het leven van de patiënt redden of draaglijker maken door een transplantatie. Bij een transplantatie wordt een orgaan of een deel van een orgaan vervangen door dat van een donor. Voorbeelden zijn transplantatie van het hart, de longen, de lever, de nieren, beenmerg of huid.

S Afb. 324

Een orgaantransplantatie is soms de laatste mogelijke behandeling als een orgaan niet meer voldoende functioneert en medicatie niet helpt.

Deze foto toont de transplantatie van een hart.

In het membraan van alle cellen bevinden zich MHC-I-eiwitten. Die zijn belangrijk om het onderscheid te maken tussen lichaamseigen en lichaamsvreemd: ze vormen een soort moleculaire vingerafdruk. Omdat de MHC-eiwitten sterk verschillen van persoon tot persoon, zal het immuunsysteem van de ontvanger het donororgaan niet als lichaamseigen herkennen. Dat wekt een immuunreactie op, die je de afstotingsreactie noemt. De geproduceerde antilichamen vallen het getransplanteerde orgaan aan en breken het af. De afstotingsreactie gaat gepaard met afstotingsverschijnselen

De MHC-eiwitten worden bij mensen HLA (Human Leukocyte Antigen) genoemd, omdat ze ontdekt zijn op leukocyten. De HLA-eiwitten hebben een invloed op de lichaamsgeur, omdat bacteriën op de huid ze omzetten tot vluchtige componenten. Onderzoek toonde aan dat individuen met gelijkaardige HLA-eiwitten elkaars lichaamsgeur niet zo aantrekkelijk vinden als de lichaamsgeur van een individu met andere HLA-eiwitten. Partnervorming met iemand met een mix aan HLA-eiwitten en genen resulteert in nakomelingen met een beter afweersysteem.

©VANIN

Binnen de drie tot twaalf maanden na een transplantatie kan een acute afstotingsreactie ontstaan met ontstekingsverschijnselen. Om te vermijden dat er schade aan het orgaan ontstaat, gebruikt men medicijnen die het immuunsysteem onderdrukken, immunosuppressieve medicijnen. Ondanks het gebruik van medicijnen kan het immuunsysteem nog altijd reageren op het getransplanteerde orgaan. Zo ontstaat een chronische afstoting. Een chronische afstoting leidt tot de langzame afname van de werking van het orgaan. Chronische afstoting is moeilijk te behandelen en kan ervoor zorgen dat een nieuwe transplantatie noodzakelijk is.

• Een orgaantransplantatie wordt uitgevoerd om het leven te redden van een patiënt waarvan een orgaan niet meer voldoende functioneert en waarbij medicatie niet helpt.

• Als de MHC-I-eiwitten tussen de donor en patiënt verschillen, kan een afstotingsreactie ontstaan. Om schade aan het getransplanteerde orgaan te vermijden, gebruikt men medicijnen die het immuunsysteem onderdrukken.

S Afb. 325 Geur blijkt een belangrijke rol te spelen in de partnerkeuze. Onbewust vertelt het ons iets over het immuunsysteem van de andere persoon.

WEETJE

AAN DE SLAG

Leg uit waarom iemand met bloedgroep O ook bloed kan geven aan iemand met bloedgroep A. Vermeld in je antwoord de antigenen en antilichamen van donor en ontvanger.

Vervolledig het schema. Duid aan welke bloedgroepen compatibel zijn door het vakje groen te kleuren. Kleur het vakje rood bij nietcompatibele bloedgroepen.

BLOEDGROEP ONTVANGER

A+ A- B+B-AB+AB-O+O-

BLOEDGROEP DONOR

Drie patiënten hebben nood aan een niertransplantatie. Hun partners willen een nier afstaan, maar de bloedgroepen tussen de partners zijn niet compatibel. Elke partner wil een nier afstaan aan de patiënt van een ander koppel, op voorwaarde dat zijn/haar eigen partner geholpen wordt. Welke koppels zijn geschikt om elkaar te helpen aan een niertransplantatie?

PARTNER APARTNER B

Koppel 1 O A

Koppel 2 A B

Koppel 3 AB O

Als je een brandnetel aanraakt, krijg je rode, jeukende bultjes.

a Welke stof, die door de brandharen wordt afgescheiden, veroorzaakt dat verschijnsel?

b Beschrijf hoe de bultjes ontstaan.

Hoe komt het dat bij een patiënt die geïnfecteerd is met hiv, geen plasmacellen worden aangetroffen? Wat is het gevolg daarvan?

Leg uit waarom auto-immuunziekten moeilijk te bestrijden zijn.

Hooikoorts is een allergische reactie op pollen (stuifmeel). Het allergeen wordt gepresenteerd door cel 1 aan cel 2, die een cytokine afgeeft. De cytokine activeert cel 3. De antilichamen die worden geproduceerd, binden op cel 4, die bij nieuw contact met een allergeen grote hoeveelheden histamine vrijstelt. Wat zijn de namen van cel 1, cel 2, cel 3 en cel 4?

allergeen

antilichamen 1 2 3 4

Sommige vormen van bloedarmoede of anemie hebben een erfelijke oorzaak. De patiënten met anemie hebben minder rode bloedcellen in het bloed. Sommige patiënten komen in aanmerking voor stamceltransplantatie. Men kan de volgende zaken onderzoeken:

a de bloedgroep van de patiënt en zijn/haar familieleden;

b de MHC-eiwitten (of HLA) van de patiënt en zijn/haar familieleden.

Als men de meest geschikte donor uit de familieleden wil zoeken, welke onderzoeken moet men dan zeker uitvoeren?

Meer oefenen? Ga naar .

mogelijke problemen bij transfusie (incompatibel: agglutinatie en hemolyse)

mogelijke problemen bij zwangerschap (bij resusnegatieve moeder met resuspositief kind)

ABO-bloedgroepen resusfactor

Virus dat T-helperlymfocyten infecteert, waardoor het immuunsysteem wordt afgezwakt. Zo ontstaat aids.

©VANIN

reacties op bloed

onderdrukking van het immuunsysteem hiv

Afwijkende werking van het immuunsysteem

reactie op niet-gevaarlijke stoffen (allergenen),

bv. pollen reactie op lichaamseigen cellen en stoffen, bv. ziekte van Crohn reactie waarbij grote hoeveelheden cytokines worden vrijgegeven

allergie auto-immuunziekten cytokinestorm

overreactie van het immuunsysteem

mogelijke problemen als de MHC-I-eiwitten verschillen tussen de donor en de ontvanger (afstotingsreactie)

reactie op transplantatie

©VANIN

©VANIN

©VANIN