Biologie gaat over alles dat leeft. Cellen zijn de kleinste levende 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 celmembraan groter 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 een microscoop 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 de mogelijkheid 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 heeft minimaal één sliert DNA (één chromosoom) nodig. Met behulp van dat DNA 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 organisme energie 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 iets eetbaars langskomt (iets dat leeft, want alleen dat geeft hem bouwstenen èn energie). korrel Manier 2: Het organisme kan er naar toe gaan. Manier 3: Het organisme heeft speciale korrels die zonne-energie kunnen vastleggen. Bouwstenen kunnen dan ook niet-levende stof zijn, zoals water, mineralen en CO2. Bijvoorbeeld met een zweephaar

Hoe het organisme ook aan energie komt, allemaal wordt de energie in één bepaald soort stof vastgelegd. In ATP. Door bijvoorbeeld suiker af te breken (veel organismen doen dat met behulp van zuurstof), kunnen organismen deze stof maken. ADP + Pi + suiker + zuurstof geeft ATP + afval + + + O2 + 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. Planten halen de energie voor hun cellen uit het zonlicht en de bouwstenen uit de lucht (CO2) en uit de grond (water,mineralen) (autotroof). Dieren halen de bouwstenen en energie voor hun cellen uit hun eten (heterotroof) bacterie 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 leven van kleinere bacteriën. (zowel autotroof als heterotroof).

In dit deel gaan we in op hoe de cellen van de organismen Deel II: cellen aan de basis van het leven In dit deel gaan we in op hoe de cellen van de organismen werken. We zien alles in meer detail.

Laten we dit stukje eens vergroten. 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? cel Laten we dit stukje eens vergroten.

Zo ziet een celmembraan eruit. Dit is een vetmolecuul met een waterlievende (hydrofiele) kop en twee vettige staarten. Zo’n vetmolecuul noemen we een ‘lipide’. De lipiden richten zich met hun vettige staarten naar elkaar.

Zo ontstaat er verschil tussen de cel en zijn omgeving. Dit is de celmembraan (toets ‘enter’) Hier is de binnenkant van de cel eiwit Hier is de omgeving

Transmembraan-eiwitten zorgen voor dat voedingsstoffen in de cel komen. Dit eiwit zorgt ervoor dat voedingstoffen uit de omgeving in de cel komen. Het eiwit vormt een poort voor suiker. suiker Binnenkant cel O2 eiwit O2 Zuurstof is zo klein dat het zo wel tussen de lipiden past. suiker Omgeving

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.

Vraag 2: Hoe komt een organisme aan ATP? Of een enzym nou deeltjes sloopt of juist maakt, in beide gevallen is energie nodig. Op dit moment van de reactie (toets ‘enter’) haalt het 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, die andere, architectonische, taken hebben in de cellen: Bijvoorbeeld een eiwitpoort in de celmembraan, zodat voedsel de cel in kan komen. eiwit

Via zo’n poort kan verteerd voedsel van de darminhoud naar het bloed bij zoogdieren. ( toets 2x ‘enter’) Verteerd voedsel darminhoud eiwit Darmcel van zoogdier In een darmcel zitten wel meer dan 3 eiwitpoorten, maar voor de duidelijkheid worden er hier maar 3 getoond. bloed

Door speciale eiwitdraden kunnen deze uitsteeksels Je ziet dat de darmcellen uitsteeksels hebben om meer uit de darm op te kunnen nemen. Door speciale eiwitdraden kunnen deze uitsteeksels ontstaan. (toets ‘enter’) Zo’n eiwitdraad heet ‘actine’. (toets ‘enter’) darminhoud Darmcel van zoogdier Heel vaak eindigen namen van niet-enzymatische eiwitten op ‘-ine’ (vb: actine, tubuline). bloed

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. Je spieren bestaan ook uit eiwit (daarom zit er in het vlees biefstuk zo veel 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 Deze breken voedsel af en maken of slopen belangrijke moleculen in de cel (de ‘-ases’). 2. De structuureiwitten Deze hebben vaak een architectonische functie: 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?

De aanwijzingen voor het maken van eiwitten staan in het DNA. Laten we daarom het chromosoom (dat uit DNA bestaat) eens vergroten.

Schematische weergave van één chromosoom. Gen 1 Gen 2 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.)

Globaal gaat eiwit maken als volgt: (toets 4x ‘enter’) Gen 1 Gen 2 eerst wordt het gen overgeschreven (transcriptie), ribosoom Dan wordt het overgeschrevene vertaald naar een eiwit (translatie). Dit vertalen gebeurt door een deeltje genaamd ‘ribosoom’ Eiwit Deze twee processen (transcriptie en translatie) worden nader besproken in presentatie 3 en 4.

Als een organisme zich voortplant, moet zijn nageslacht ook alle aanwijzingen voor het maken van eiwitten meekrijgen (de genen). Want het nageslacht moet ook 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’, Engels Voor ‘Gat’. G1 betekent dus de eerste G-fase.)

Hoe een cel precies zijn DNA verdubbelt, is een ingewikkeld proces. Daarom gaan we daarop in bij presentatie 2. Dan wordt het DNA verdubbeld door de nieuwe eiwitten. (toets ‘enter’) Dit noemen we de S-fase. (S van Synthese oftewel opbouw)

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

Dan volgt de werkelijke celdeling: De nieuwe eiwitten pakken het chromosoom helemaal samen. Die worden daardoor zo dik dat ze onder een lichtmicroscoop zichtbaar worden. (de ‘profase’)

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

Het chromosoom gaat naar het midden van de cel (metafase) Het midden van de cel noemen we ook wel Equatorvlak. (denk maar aan het Engelse ‘equator’ dat ‘evenaar’ betekent)

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 eiwitdraad die in je boek ‘spoeldraad’ genoemd wordt. (toets 4x ‘enter’) Beide draden hechten zich vast aan een chromosoom (die men op dit moment ‘chromatide’ noemt).

Nu begint de anafase waar de chromatiden uitelkaar 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.

Dit is het begin van de telofase, waar langzaam De twee nieuwe cellen ontstaan. (‘telo’ is Grieks voor ‘eind’, telofase betekent dus ‘eindfase’) Toets ‘enter’ om verder te gaan.

Hier is de celdeling klaar, er zijn twee nieuwe cellen. Het chromosoom wordt door eiwitten weer ‘uitgepakt’, zodat het weer gebruikt kan worden. Niet alleen eencellige organismen kennen celdeling, onze cellen 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: G2-fase G1-fase S-fase DNA wordt verdubbeld, er komt een chromosoom bij.

Samenvattend gebeurt dit tijdens de celdeling (toets 6x ‘enter’) : Profase: Metafase: (begin) Anafase: Chromosoom wordt zichtbaar Chromosoom ligt op equatorvlak Chromatiden worden uit elkaar getrokken (vervolg) Anafase: Telofase: 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 kunnen groeien en zich ontwikkelen (met behulp van enzymen en andere eiwitten). Het organisme moet zich kunnen voortplanten (door DNA te verdubbelen en cel te delen). Voor bovenstaande drie voorwaarden heeft een organisme zowel bouwstenen als energie nodig.

Je hebt nu al gehoord over de minimale Deel III: cellen aan de basis van het leven Je hebt nu al gehoord over de minimale voorwaarden voor leven, maar nog niet waar de vele verschillende organismen vandaan komen. 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’). Om eiwitten te maken zijn ribosomen nodig, daarom komen ook zij in het eenvoudigste organisme voor. Dit is hoe wetenschappers denken dat de oudste cel (de ‘oercel’) eruit moet hebben gezien. Maar waar komen alle andere cellen van grotere organismen dan vandaan?

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 3: Het organisme heeft korrels voor zonne-energie. Manier 1:Het organisme wacht totdat er iets eetbaars langskomt. Manier 2: Het organisme zoekt voedsel op. Waarschijnlijk evolueerden dergelijke cellen tot (toets 2x ‘enter’) Waarschijnlijk evolueerden dergelijke cellen tot (toets 2x ‘enter’) Waarschijnlijk evolueerden dergelijke cellen tot (toets 2x ‘enter’) schimmels dieren planten

Maar al dat geëvolueer betekent niet dat de vorm van de ‘oercel’ weg is. Integendeel, bacteriën hebben veel weg van onze voorstelling van de ‘oercel’. bacterie = ? We gaan eens kijken hoe een bacteriecel er van binnen uitziet als je ze onder microscoop legt.

Model van een bacterie: chromosoom Celmembraan. Cytoplasma, het vocht van de cel (‘cyto’ betekent ‘cel’, ‘plasma’ betekent ‘vocht’) Ribosomen, die eiwitten maken Sommige bacteriën kunnen met speciale korrels zonlicht in energie omzetten (de cyanobacteriën). Sommige bacteriën hebben een zweephaar, waarmee ze zich voort kunnen bewegen.

Een bacterie lijkt veel op de ‘oercel’. Hier worden eiwitten wel weergegeven, maar je kunt ze niet zien onder een microscoop. En bacteriën lijken op de ‘oervormen’ van schimmels, dieren en planten.

De voorouders van schimmels, dieren en planten zijn dus bacteriën. Bacteriën vormen het oudste rijk op aarde. De oudste fossiele vondsten 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.

Toen gebeurde er iets geks: in de loop van de miljoenen jaren gingen enkele bacteriën samenwerken. Deze bacterie heeft zich toegelegd op het afbreken van suiker en het maken van ATP uit ADP en Pi.

Zo hoefde de grote bacterie nooit meer zijn suikers af te breken en hoefde de kleine bacterie nooit meer voedsel te zoeken. Slim toch?

Zo zag zo’n cel er dan uit: Die bacterie noemen we nu het mitochondrium. Chromosoom ribosomen

In een dergelijke cel moeten ook andere veranderingen plaats hebben gevonden: Het chromosoom ging in een aparte ruimte, de celkern.

Vanuit de celkern ontstond een netwerk binnenin de cel: een Endoplasmatisch Reticulum (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’

vastzitten tegen het ER. Dat gebied van het ER noemen we ruw ER. (klik op ‘enter’) Sommige ribosomen gingen vastzitten tegen het ER. Dat gebied van het ER noemen we ruw ER. Het belangrijkste gevolg is dat hierdoor eiwitten (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 bewerkte eiwitten 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 soort sloperij van de cel, waar alles kapot werd gemaakt: het lysosoom.

Deze cel bestond zo’n 1500 miljoen jaar geleden al. Dit kunnen we geen bacterie meer noemen, want deze cel heeft celorganellen. (die worden hier dikgedrukt weergegeven) Golgi apparaat Mitochondrium (vroegere bacterie) Celmembraan Celkern (met meer chromosomen dan één.) Lysosoom Vrije Ribosoom cytoplasma Endoplasmatisch Reticulum (ER) Ribosoom aan ER Cellen van dieren en schimmels zien er zo uit.

Deze ingewikkelde cellen gingen in de loop van de tijd samenwerken. Dat deden ze niet, zoals eerst, ìn elkaar maar mèt elkaar. (vereenvoudigde weergave, toets 26x ‘enter’) Dit is een soort oer-dier, met een mond, en een anus. darm Misschien vraag je je af of dit een dier kan zijn: niets is minder waar, 500 miljoen jaar geleden ontstonden o.a. sponzen, die hier erg op lijken. Zoals je ziet, ontstonden er door de omgeving verschillen tussen dezelfde cellen. Deze gele zijn darmcellen gespecialiseerd in voedselopname.

Maar hoe ging het dan met planten? We noemen dit een bladgroenkorrel of chloroplast. Bacterie die gespecialiseerd is in het vastleggen van energie uit zonlicht gaat samenwerken. (klik 2x ‘enter’)

Er evolueerde nog meer structuren in cellen: Blaasjes, gevuld met water Die we ‘vacuoles’ noemen. (klik ‘enter’) PANG Naarmate de blaasjes meer water hebben worden de blaasjes groter. Als een blaasje teveel water heeft gaat de cel kapot (klik 6x ‘enter’).

Om dat te voorkomen ontstond er ook een celwand (klik ‘enter’). De celwand bestaat uit hard houtachtig materiaal, dat heel stevig is en houdt de 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 anders een zielig hoopje groen.

Cellen van planten zien er dus zo uit: Vacuole Golgi apparaat Celwand Mitochodrium (vroegere bacterie) Celmembraan Celkern (met meer chromosomen dan één.) Lysosoom Vrije Ribosoom Endoplasmatisch Reticulum (ER) Ribosoom aan ER Chloroplast (vroeger bacterie) 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: Hier moet ik nog een scan van maken.

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 niet getwijfeld hoeft worden.