Deel I: cellen aan de basis van het leven

Biologie gaat over alles dat leeft. Cellen zijn de kleinste levende eenheden. Maar wanneer leeft iets eigenlijk?

Daar gaat deze presentatie over.

© augustus 2002 J.Dirkse, leerstoelgroep Didactiek van de Biologie, Universiteit Utrecht

We beginnen met wat vragen:

Wanneer leeft volgens jou iets? Wat kan een levend wezen(een organisme) wat een levenloos ding niet kan?

Op de volgende pagina’s worden drie voorwaarden besproken die men heeft gesteld om iets ‘leven’ te noemen.

De eerste voorwaarde voor leven:Een organisme moet een binnen- en buitenkant hebben.In de allereenvoudigste vorm is dat één cel. Organismen die uit één cel bestaan moeten een vliesje hebben dat hen scheidt van de omgeving. Zo’n vliesje noemen we de celmembraan.

binnenkant cel toets ‘enter’ om de celmembraan te zien

Alles dat leeft bestaat uit één of meer cellen, en al die cellen hebben een celmembraan.

De tweede voorwaarde voor leven:Een organisme moet kunnen groeien en zich ontwikkelen.

.

Je ziet dat om te groeien, bijvoorbeeld de celmembraangroter moet worden. Er moet van alles gedaan worden in een cel om te kunnen groeien en de cel te laten ontwikkelen.

Er moeten dus stoffen in de cel aanwezig zijn die daar voor kunnen zorgen. Die stoffen heten eiwitten.

Eiwitten zitten in de cel,Ze zijn te klein om met eenmicroscoop te kunnen zien.

De derde voorwaarde voor leven:Een organisme moet zich kunnen voortplanten.

Om zich goed voort te planten moet een organisme zijn nageslacht demogelijkheid geven zich te ontwikkelen en te kunnen groeien. Die mogelijkheid geeft een organisme door zijn nageslacht de aanwijzingen te geven over het maken van de eiwitten die daar voor zorgen. Zo kan het nageslacht zelf die eiwitten maken.Die aanwijzingen zijn verpakt in de vorm van DNA.

Een organisme heeftminimaal één sliertDNA (één chromosoom) nodig.

Met behulp van datDNA worden de juiste eiwitten gemaakt.

Samenvattend, minimale voorwaarden voor leven zijn:

- Het organisme moet een binnenkant en een buitenkant hebben, een afgesloten gebied van de omgeving.

- Het organisme moet kunnen groeien en zich ontwikkelen.

- Het organisme moet zich kunnen voortplanten.

Vraag 1: Ontbreekt er volgens jou nog een voorwaarde om te kunnen leven?

Om al deze voorwaarden te vervullen heeft een organismeenergie en bouwstenen nodig. Bouwstenen haalt hij altijd uit zijn eten,Maar energie kan hij soms ook uit de zon halen. Hieronder staan enkele manieren hoe organismen aan hun energie en bouwstenen komen:

Manier 1: Het organisme kan wachten totdat er ietseetbaars langskomt (iets dat leeft, want alleen dat geeft hem bouwstenen èn energie).

Manier 2: Het organisme kan er naar toe gaan.

Bijvoorbeeld met een zweephaar

Manier 3: Het organisme heeft specialekorrels die zonne-energie kunnen vastleggen.Bouwstenen kunnen dan ook niet-levende stof zijn,zoals water, mineralen en CO2.

korrel

Hoe het organisme ook aan energie komt,allemaal wordt de energie in één bepaaldsoort stof vastgelegd.

In ATP.

Door bijvoorbeeld suiker af te breken (veel organismen doen datmet behulp van zuurstof), kunnen organismen deze stof maken.

+ O2

ADP + Pi + suiker + zuurstof geeft ATP + afval

+ CO2 + H2O+ +

Alle organismen hebben in ieder geval bouwstenen nodig voor (toets 3x ‘enter’):

Eiwitten (voor groei en ontwikkeling)

Vetten (o.a. om celmembraan mee te maken)

Suikers (o.a. om energie in op te slaan)

Deze drie stoffen zijn ook nodig in jouw voeding.

Hoe een organisme aan zijn bouwstenen en energie komt, hangt af van het organisme. Per rijk gaat het anders.

bacterie

Dieren halen de bouwstenen en energie voor hun cellen uit hun eten (heterotroof)

Planten halen de energie voor hun cellen uit het zonlicht en de bouwstenen uit de lucht (CO2) en uit de grond (water,mineralen)(autotroof).

Schimmels halen de bouwstenen en energie voor hun cellen uit absorptie van hun gastheer (heterotroof).

Sommige bacteriën halen de energie voor hun cellen uit het zonlicht en bouwstenen uit hun omgeving, anderen levenvan kleinere bacteriën. (zowel autotroof als heterotroof).

Deel II: cellen aan de basis van het leven

In dit deel gaan we in op hoe de cellen van de organismenwerken. We zien alles in meer detail.

cel

Het organisme moet volgens de eerste voorwaarde een binnenkant en een buitenkant hebben, een afgesloten gebied van de omgeving. Maar hoe krijgt één cel dat voor elkaar?

Laten we dit stukje eens vergroten.

cel

Zo ziet een celmembraan eruit.

Dit is een vetmolecuul meteen waterlievende (hydrofiele) kop en twee vettige staarten. Zo’n vetmolecuul noemen we een ‘lipide’.

De lipidenrichten zich met hun vettige staartennaar elkaar.

Hier is de omgeving

Hier is de binnenkant van de cel

Zo ontstaat er verschil tussen de cel en zijn omgeving.

Dit is de celmembraan(toets ‘enter’)

eiwit

Omgeving

Binnenkant cel

eiwit

suiker

suiker

Transmembraan-eiwitten zorgen voor dat voedingsstoffen in de cel komen.

Zuurstof is zo klein dathet zo wel tussen delipiden past.

O2

O2

Dit eiwit zorgt ervoordat voedingstoffen uit de omgeving in decel komen. Het eiwit vormt een poort voor suiker.

De tweede voorwaarde voor leven is dat een organisme moet kunnen groeien en zich ontwikkelen met behulp van eiwitten.Maar hoe doen eiwitten dat eigenlijk?

Laten we dit stukje eens vergroten

Zo ziet schematisch een eiwit eruit. Dit eiwit is een enzym.

Enzymen zijn eiwitten met een scheikundige werking, ze kunnen chemische reacties versnellen en vertragen.In die reacties wordt altijd iets gemaakt of kapotgemaakt.

Dit enzym kan bijvoorbeeld het blauwe deeltje afbreken

Het blauwe deeltje past precies in dit enzym.Dat moet ook, anders kan het enzym hem niet goed afbreken.

Het enzym splitst het deeltje in twee stukken

En dan is het blauwe deeltje in 2 stukken afgebroken

Andere enzymen kunnen juist het tegenovergestelde,Deze maken juist twee stukjes aan elkaar, zoals dit enzym.

(klik op ‘enter’ om verder te gaan)

(klik op ‘enter’ om verder te gaan)

Dit is typisch voor wat enzymen doen, ze zijn dus geschikt om- moleculen kapot te maken (zoals voedsel).- moleculen te bouwen (zoals voor de celmembraan).

Enzymen hebben vaak moeilijke namen, maar een ding hebben ze allemaal gemeen: hun naam eindigt altijd op ‘–ase’. Dat betekent ‘enzym’.Hier volgen enkele namen van enzymen:DNA-polymerase, RNA-polymerase, Rnase, transferase.

+

Of een enzym nou deeltjes sloopt of juist maakt, in beide gevallenis energie nodig. Op dit moment van de reactie (toets ‘enter’) haalthet enzym zijn energie uit de afbraak van ATP naar ADP en Pi

Vraag 2: Hoe komt een organisme aan ATP?

Naast de enzymen zijn er ook andere eiwitten, dieandere, architectonische, taken hebben in de cellen:

eiwit

Bijvoorbeeld een eiwitpoort in de celmembraan,zodat voedsel de cel in kan komen.

eiwit

Darmcel vanzoogdier

bloed

darminhoud

Via zo’n poort kan verteerd voedsel van de darminhoud naar het bloed bij zoogdieren.

( toets 2x ‘enter’)

In een darmcel zitten wel meer dan 3 eiwitpoorten,maar voor de duidelijkheid worden er hier maar 3 getoond.

Verteerd voedsel

Je ziet dat de darmcellen uitsteeksels hebben om meer uit de darm op te kunnen nemen.

Door speciale eiwitdradenkunnen deze uitsteekselsontstaan. (toets ‘enter’)

Zo’n eiwitdraad heet ‘actine’. (toets ‘enter’)

Darmcel vanzoogdier

bloed

darminhoud

Heel vaak eindigen namen van niet-enzymatische eiwitten op‘-ine’ (vb: actine, tubuline).

Je spieren bestaan ook uit eiwit (daarom zit er in het vlees biefstuk zo veel eiwit).

Ook de weefsels van organismen bestaan mede uit eiwitten die geen enzymen zijn. Eiwitten komen dus ìn je cellen voor, maar ook op een hoger niveau als weefsels.

Bijvoorbeeld, je eigen hoofdhaar bestaat uit eiwitdraden.

Ook je oogkristal bestaat uit (gekristalliseerd) eiwit.

Maar oogkristal en hoofdhaar heeft een eencellig organisme natuurlijk niet.

Samengevat: grofweg kun je eiwitten in 2 groepen indelen:(toets 2x ‘enter’)

1. De enzymen

2. De structuureiwitten

Deze breken voedsel af en maken of slopenbelangrijke moleculen in de cel (de ‘-ases’).

Deze hebben vaak een architectonischefunctie: poort, versteviging et cetera (de ‘-ines’).

Je hebt nu gezien hoe belangrijk eiwitten zijn, misschien vraag je je ook wel af hoe ze in de cel komen.

Gelukkig is het antwoord eenvoudig. Die maakt de cel zèlf.

Hoe maakt de cel dan eiwitten?

?

Laten we daarom het chromosoom (dat uit DNA bestaat) eens vergroten.

De aanwijzingen voor het maken van eiwitten staan in het DNA.

Op het chromosoom liggen genen. Één gen geeft aanwijzingen voor het maken van één soort eiwit. (op een chromosoom liggen wel

tienduizenden genen, maar voor de duidelijkheid worden er maar 2 getoond.)

Gen 1 Gen 2

Schematische weergave van één chromosoom.

Dan wordt het overgeschrevene vertaald naar een eiwit (translatie). Dit vertalen gebeurt door een deeltje genaamd ‘ribosoom’

Globaal gaat eiwit maken als volgt:(toets 4x ‘enter’)

Deze twee processen (transcriptie en translatie) worden

nader besproken in presentatie 3 en 4.

eerst wordt het gen overgeschreven (transcriptie),

Eiwit

Gen 1 Gen 2

ribosoom

Als een organisme zich voortplant, moet zijn nageslacht ook alle aanwijzingen voor het maken vaneiwitten meekrijgen (de genen). Want het nageslacht moetook kunnen groeien en ontwikkelen, en daarvoor moet hij enzymen en andere eiwitten kunnen maken.

Wat gebeurt hier nu eigenlijk?

Hoe de meest eenvoudige cel zich voortplant:

Eerst worden de eiwitten gemaakt die het DNA kunnen verdubbelen. (toets 2x ‘enter’)

Dit noemen we de G1-fase (G van ‘Gap’, EngelsVoor ‘Gat’. G1 betekent dus de eerste G-fase.)

Dan wordt het DNA verdubbeld door de nieuwe eiwitten. (toets ‘enter’)

Dit noemen we de S-fase. (S van Synthese oftewel opbouw)

Hoe een cel precies zijn DNA verdubbelt, is een ingewikkeld proces. Daarom gaan we daarop in bij presentatie 2.

Dan komt er een periode waar weer eiwitten worden gemaakt. (toets 2x ‘enter’)

Deze zijn om de celdeling goed te laten verlopen.Deze periode noemen we G2-fase.

Deze eiwitten worden weer afgebroken.(toets 2x ‘enter’)

Dan volgt de werkelijke celdeling:

De nieuwe eiwitten pakken het chromosoomhelemaal samen. Die worden daardoor zo dik datze onder een lichtmicroscoop zichtbaar worden.(de ‘profase’)

Deze eiwitten verdwijnen even voor de duidelijkheid.(toets ‘enter’)

Het midden van de celnoemen we ook welEquatorvlak.(denk maar aan hetEngelse ‘equator’ dat‘evenaar’ betekent)

Het chromosoom gaat naar het midden van de cel(metafase)

Door deze ‘celevenaar’ ontstaan ook eiwitachtige celpolen.(toets 2x ‘enter’)

(Denk maar aan de aardbol, met evenaar,Noord- en Zuidpool.)

Vanuit beide polen komt een eiwitdraaddie in je boek ‘spoeldraad’ genoemd wordt.(toets 4x ‘enter’)

Beide draden hechten zich vast aaneen chromosoom (die men op dit moment‘chromatide’ noemt).

Nu begint de anafase waar de chromatidenuitelkaar worden getrokken door de spoeldraden.

De spoeldraad bestaat uit een eiwit dat tubuline heet.

Vraag 3: Wat voor soort eiwit is tubuline, een enzym of een structuureiwit? Waarom?

Toets ‘enter’ om verder te gaan.

Toets ‘enter’ om verder te gaan.

Toets ‘enter’ om verder te gaan.

Dit is het begin van de telofase, waar langzaamDe twee nieuwe cellen ontstaan.(‘telo’ is Grieks voor ‘eind’, telofase betekent dus ‘eindfase’)

Hier is de celdeling klaar, er zijn twee nieuwe cellen.

Het chromosoom wordt dooreiwitten weer ‘uitgepakt’, zodathet weer gebruikt kan worden.

Niet alleen eencellige organismen kennen celdeling, onzecellen vermeerderen zich ook zo.

Deze vorm van voortplanting heet ongeslachtelijke voortplanting.Planten en dieren (zoals de mens) planten zich voort met geslachtelijke voortplanting. Maar daar hoor je meer over bij de hoofdstukken ‘sexualiteit en voortplanting’ en ‘erfelijkheid’.

Samenvattend gebeurt er dus dit vlak vòòr de celdeling:

G1-fase G2-faseS-faseDNA wordt verdubbeld,er komt een chromosoom bij.

Samenvattend gebeurt dit tijdens de celdeling (toets 6x ‘enter’) :

Profase: Metafase: (begin) Anafase:

(vervolg) Anafase: Telofase:

Chromosoom wordt zichtbaar Chromosoom ligt op equatorvlak Chromatiden worden uit elkaar getrokken

Chromatiden worden uit elkaar getrokken Nieuwe celmembraan vormt zich. Celdeling is klaar

Samenvattend, minimale voorwaarden voor leven zijn:

- Het organisme moet een binnenkant en een buitenkant hebben, een afgesloten gebied van de omgeving (een celmembraan).

- Het organisme moet zich kunnen voortplanten (door DNA teverdubbelen en cel te delen).

- Het organisme moet kunnen groeien en zich ontwikkelen (met behulp van enzymen en andere eiwitten).

- Voor bovenstaande drie voorwaarden heeft een organisme zowel bouwstenen als energie nodig.

Deel III: cellen aan de basis van het leven

Je hebt nu al gehoord over de minimalevoorwaarden voor leven, maar nog niet waarde vele verschillende organismen vandaankomen.

Daar gaan we het nu over hebben.

We hebben het nu gehad over het allereenvoudigste organisme:

één cel, die dus nodig heeft: een celmembraan (toets ‘enter’),

eiwitten (toets 3x ‘enter’), en een chromosoom (toets 3x ‘enter’).

Dit is hoe wetenschappers denken dat de oudste cel(de ‘oercel’) eruit moet hebben gezien. Maar waar komenalle andere cellen van grotere organismen dan vandaan?

Om eiwitten te makenzijn ribosomen nodig,daarom komen ook zijin het eenvoudigste organisme voor.

Zoals je weet heeft een organisme energie en bouwstenen nodig voor zijn levensvoorwaarden. Deze kan een organisme op verschillende manieren uit zijn omgeving halen:

Manier 1:Het organisme wacht totdat er ietseetbaars langskomt.

Manier 2: Het organisme zoekt voedsel op.

Manier 3: Het organisme heeft korrels voor zonne-energie.

schimmels dieren planten

Waarschijnlijk evolueerden dergelijke cellen tot

(toets 2x ‘enter’)

Waarschijnlijk evolueerden dergelijke cellen tot

(toets 2x ‘enter’)

Waarschijnlijk evolueerden dergelijke cellen tot

(toets 2x ‘enter’)

Maar al dat geëvolueer betekent niet dat de vorm vande ‘oercel’ weg is. Integendeel, bacteriën hebben veelweg van onze voorstelling van de ‘oercel’.

We gaan eens kijken hoe een bacteriecel er van binnenuitziet als je ze onder microscoop legt.

= ?bacterie

Celmembraan.één chromosoom

Ribosomen, die eiwitten maken

Cytoplasma, het vocht van de cel(‘cyto’ betekent ‘cel’, ‘plasma’ betekent ‘vocht’)

Sommige bacteriën hebben een zweephaar, waarmee ze zichvoort kunnen bewegen.

Sommige bacteriën kunnen metspeciale korrels zonlicht in energieomzetten (de cyanobacteriën).

Model van een bacterie: bacterie

Een bacterie lijkt veel op de ‘oercel’.

En bacteriën lijken op de ‘oervormen’ vanschimmels, dieren en planten.

Hier worden eiwitten welweergegeven, maar je kunt ze niet zien onder een microscoop.

Bacteriën vormen het oudste rijk op aarde. De oudste fossielevondsten dateren van 3,6 miljard (!) jaar geleden. De bacterie is altijd eencellig. Er komen wel kolonies bacteriën voor, maar allemaal kunnen ze ook zelfstandig leven.

De voorouders van schimmels, dieren en planten zijndus bacteriën.

Toen gebeurde er iets geks: in de loop van de miljoenen jaren gingen enkele bacteriën samenwerken.

Deze bacterie heeftzich toegelegd ophet afbreken van suiker en het maken van ATP uit ADP en Pi.

Zo hoefde de grote bacterie nooit meer zijn suikers af te brekenen hoefde de kleine bacterie nooit meer voedsel te zoeken.

Slim toch?

Zo zag zo’n cel er dan uit:

Die bacterie noemen we nuhet mitochondrium.

Chromosoom

ribosomen

In een dergelijke cel moeten ook andereveranderingen plaats hebben gevonden:

Het chromosoom ging in een aparte ruimte,de celkern.

Vanuit de celkernontstond een netwerkbinnenin de cel:een EndoplasmatischReticulum (ER).(klik 3x ‘enter’)

Wat betekent Endoplasmatisch Reticulum?‘Endo’ betekent ‘binnen’, ‘plasmatisch’ betekent ‘waterig’, oftewel het cytoplasma (het ‘celvocht’),‘reticulum’ is Latijns voor ‘netwerk.Dus ER betekent: ‘het netwerk binnen het cytoplasma’

(klik op ‘enter’) Sommige ribosomen gingenvastzitten tegen het ER. Dat gebied van het ER noemen we ruw ER.

Het belangrijkste gevolg is dat hierdooreiwitten (gemaakt door de ribosomen) in het ER terecht komen en daar bewerkt kunnen worden zodat ze hun taak beter kunnen uitvoeren.

Er ontstond ook een apparaat dat bewerkteeiwitten vanuit het ER verdeelde over de cel: het Golgi apparaat. (klik 3x ‘enter’)(Deze structuur is vernoemd naar zijn ontdekker, meneer Golgi.)

Ook ontstond er een soortsloperij van de cel, waaralles kapot werd gemaakt:het lysosoom.

Deze cel bestond zo’n 1500 miljoen jaar geleden al.Dit kunnen we geen bacterie meer noemen, want deze celheeft celorganellen. (die worden hier dikgedrukt weergegeven)

Mitochondrium(vroegere bacterie)

Lysosoom

Golgi apparaat

Celkern(met meer chromosomendan één.)

EndoplasmatischReticulum (ER)

Vrije Ribosoom

Ribosoom aan ERcytoplasma

Celmembraan

Cellen van dieren en schimmels zien er zo uit.

Deze ingewikkelde cellen gingen in de loop van de tijdsamenwerken. Dat deden ze niet, zoals eerst, ìn elkaarmaar mèt elkaar. (vereenvoudigde weergave, toets 26x ‘enter’)

Zoals je ziet, ontstonden er door de omgevingverschillen tussen dezelfde cellen. Deze gele zijn darmcellen gespecialiseerd in voedselopname.

Dit is een soortoer-dier,met een mond,

en een anus.

Misschien vraag je jeaf of dit een dier kanzijn: niets is minder waar,500 miljoen jaargeleden ontstonden o.a.sponzen, die hier erg oplijken.

darm

Bacterie die gespecialiseerd is inhet vastleggen van energie uit zonlicht gaat samenwerken. (klik 2x ‘enter’)

Maar hoe ging het dan met planten?

We noemen dit een bladgroenkorrel ofchloroplast.

Er evolueerde nog meer structuren in cellen:

Blaasjes, gevuld met waterDie we ‘vacuoles’ noemen. (klik ‘enter’)

Naarmate de blaasjes meerwater hebben worden de blaasjes groter. Als een blaasje teveel water heeftgaat de cel kapot (klik 6x ‘enter’).

PANG

Om dat te voorkomen ontstond er ook eencelwand (klik ‘enter’).

De celwand bestaat uit hard houtachtigmateriaal, dat heel stevig is en houdtde vacuoles klein.

Wat hebben planten aan vacuoles?

In die vacuoles wordt het water opgeslagen, die de plant nodig heeft voor zijn fotosynthese.

Als een plant veel water in zijn vacuoles heeft opgenomen, drukt dat water tegen de celwand. Die druk wordt ‘turgor’ genoemd. Door turgor worden planten stevig.

Daarom hebben planten water nodig en worden ze anderseen zielig hoopje groen.

Cellen van planten zien er dus zo uit:

Mitochodrium(vroegere bacterie)

Golgi apparaat

Celkern(met meer chromosomendan één.)

EndoplasmatischReticulum (ER)

Vrije Ribosoom

Ribosoom aan ERChloroplast(vroeger bacterie)

Celmembraan

Lysosoom

Vacuole

Celwand

Planten kwamen zo’n 300 miljoen jaar geleden op het land voor.

Als we een cel uit een plant halen, ziet die er schematisch zo uit:

Dus even alles op een rijtje:

4500 miljoen jaar geleden: ontstaan van de Aarde

3600 miljoen jaar geleden: oudste fossiele bacterie

1500 miljoen jaar geleden: oudste eencellige schimmel/diercel

500 miljoen jaar geleden: ontstaan van meercellige organismen

300 miljoen jaar geleden: planten koloniseren het land

50 miljoen jaar geleden: Dinosauriërs sterven uit

2 miljoen jaar geleden: Eerste mensen

Het evolutie-verhaal van net geeft weer hoe wetenschappers nu denken wat er gebeurde, maar dat is verre van zeker! Hierboven staan feiten waaraan nietgetwijfeld hoeft worden.