Transport doorheen membranen
Transport doorheen membranen
Cellen hebben moleculen nodig voor hun werking, zoals , water, glucose en mineralen. Afvalstoffen moeten de cel verlaten. Het transport hangt af van de situatie en het type molecule. Eukaryote cellen hebben membraancompartimenten waartussen uitwisseling nodig is.
Kleine ongeladen moleculen kunnen vrij door het membraan.
Grotere of geladen moleculen hebben hulp nodig.
Passief transport: Spontane verplaatsing zonder energieverbruik door de cel.
Actief transport: De cel gebruikt energie om moleculen te transporteren.
2.1 Passief transport door diffusie
Diffusie: Algemeen principe
Diffusie is de verplaatsing van moleculen in een gas of vloeistof met de concentratiegradiënt mee, van hoge naar lage concentratie.
Gaat door tot de concentratie overal gelijk is.
Diffusie doorheen een membraan
Diffusie kan ook optreden tussen vloeistoffen gescheiden door een membraan, maar alleen als de moleculen vrij door het membraan kunnen.
Concentratieverschil drijft diffusie totdat concentraties gelijk zijn, zonder energieverbruik.
Diffusie vindt ook plaats bij ionen. Ionen met dezelfde lading zullen zich maximaal verspreiden, tot de nettolading aan beide zijden hetzelfde is.
C Geleide diffusie door een transporteiwit
Geleide diffusie is passief transport waarbij geladen, grotere of polaire moleculen vrij door het membraan kunnen bewegen met behulp van gespecialiseerde transporteiwitten (water, aminozuren, suikers, ionen).
C1 Kanaaleiwitten
Kanaaleiwitten vormen selectieve poriën voor water of ionen, wat diffusie door de apolaire fosfolipidedubbellaag vergemakkelijkt.
Aquaporines transporteren water in prokaryoten en eukaryoten.
Ionenkanalen (bv. ) zijn selectief en kunnen openen of sluiten. Geleide diffusie van ionen is essentieel bij zenuwimpulsen.
C2 Carrier-eiwitten
Carrier-eiwitten binden aan specifieke moleculen of ionen en veranderen van vorm om ze te transporteren, vergelijkbaar met substraatbinding aan enzymen. Dierlijke cellen hebben glucosetransporters voor glucoseopname. Bij planten zijn ze betrokken bij het transport van fotosyntheseproducten.
VERDIEPING Hemodialyse
Nieren houden de bloedsamenstelling constant door afvalstoffen te verwijderen. Bij nierfalen is hemodialyse nodig. Tijdens dialyse worden afvalstoffen en overtollig vocht verwijderd. De patiënt ondergaat de behandeling meestal drie keer per week en ze duurt drie tot vier uur.
Tijdens hemodialyse stroomt bloed door een kunstnier met semipermeabele buisjes. Spoelvloeistof passeert langs de buitenzijde en onttrekt afvalstoffen door diffusie. De samenstelling van de spoelvloeistof lijkt op die van bloedplasma, maar zonder de afvalstoffen. 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.
2.2 Passief transport door osmose
A Osmose: algemeen principe
Osmose is de verplaatsing van water door een semipermeabel membraan, veroorzaakt door een concentratieverschil van opgeloste moleculen (zoals sucrose) die te groot zijn om door het membraan te gaan. Water verplaatst zich netto naar de zijde met hogere sucroseconcentratie en lagere waterconcentratie, totdat er evenwicht is bereikt. 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 netto beweging 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.
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.
Men vergelijkt de osmotische waarden van twee oplossingen gescheiden door een semipermeabel membraan.
Hypotonisch: osmotische waarde kleiner dan de buuroplossing.
Isotonisch: osmotische waarden gelijk.
Hypertonisch: osmotische waarde groter dan de buuroplossing.
Het cytoplasma heeft een eigen osmotische waarde.
Isotonische omgeving: evenveel water in als uit de cel, celvolume blijft gelijk. (menselijke cellen in weefsels)
Hypotonische omgeving: Cellen nemen water op en ervaren drukopbouw.
Dierlijke cel: cellyse (barsten).
Plantaardige cel: celwand zorgt voor voldoende druk op de cel. De inhoud van de vacuolen in plantencellen is hypertonisch, waardoor ze veel water opnemen en er drukopbouw is tegen de celwand (turgordruk). De cel is volledig gespannen of turgescent.
Hypertonische omgeving: verliezen water en krimpen.
VERDIEPING Mucoviscidose of cystische fibrose
Mucoviscidose is een erfelijke ziekte door mutaties in het CFTR-transporteiwit (chloorkanaaleiwit), wat leidt tot taaier slijm door verminderd chloortransport en waterverplaatsing. Hierdoor werken trilharen minder goed en is de patiënt gevoeliger voor bacteriële infecties.
2.3 Actief transport
Actief transport verplaatst moleculen en ionen tegen de concentratiegradiënt van lage --> hoge concentratie. De cel moet energie investeren (meestal ATP). Transporteiwitten werken als pompen. Hieronder een afbeelding die de verschillen tussen passief en actief transport samenvat:
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.
VOORBEELD NATRIUM-KALIUMPOMP
Een voorbeeld van een pomp die aanwezig is in het celmembraan van dierlijke cellen, is de natrium-kaliumpomp (of -pomp). De pomp verplaatst -ionen uit de cel en brengt -ionen naar binnen.
Bij de meeste dierlijke cellen is de -concentratie binnen de cel veel hoger dan buiten de cel. Voor geldt het omgekeerde die concentratie is in de cel lager dan erbuiten. Voor beide ionen is er dus een concentratiegradiënt met een tegengestelde richting. Een ATP-molecule levert de energie om twee -ionen in de cel te pompen en tegelijkertijd drie -ionen uit de cel te pompen.
VOORBEELD PROTONPOMP
De protonpomp zorgt ervoor dat de zuurtegraad in de maag hoog blijft.
HOOFDSTUK 4 Subcellulaire structuren bij eukaryoten
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 kemplasma of nucleoplasma en het cytoplasma.
1 De celkern
De celkern, of nucleus, is de plaats waar het DNA wordt opgeslagen. Het DNA bevat informatie voor eiwitsynthese. De kern is gescheiden van het cytoplasma door een kernmembraan met poriën voor molecuuluitwisseling.
De celkern is afgescheiden van het cytoplasma door het kernmembraan, dat uit twee fosfolipidedubbellagen bestaat. Door de aanwezigheid van poriën in dat membraan is er een uitwisseling mogelijk van moleculen tussen het kemplasma 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.
Het DNA zit gewonden rond een complex van eiwitten (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.
3 Celwand
Vaak vergelijkt men de osmotische waarden van twee oplossingen die van elkaar gescheiden zijn door een semipermeabel membraan.
3.1 Bouw van de celwand
Planten-, bacterie-, protisten- en schimmelcellen hebben een celwand buiten het celmembraan.
Planten: cellulose.
Bacteriën: peptidoglycaanmoleculen.
Schimmels: chitinemoleculen.
Dierlijke cellen hebben nooit een celwand.
Planten:
primaire (dunne) en secundaire (dikke) celwand.
Primaire celwand bevat veel cellulose en wordt later aangevuld met een stevige secundaire celwand, waarin houtstof of lignine kan zitten.
Middenlamel verbindt buurcellen met pectine, een polysacharide.
Cellulose bestaat uit lange polymeren van glucosemoleculen die een netwerk vormen
Plasmodesmata: kanalen voor transport en communicatie tussen cellen (verbindingen tussen cytoplasma van twee cellen).
3.2 Functies van de celwand
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.
HOOFDSTUK 4 Subcellulaire structuren bij eukaryoten
1 De celkern
DNA bevindt zich in de celkern, en is omgeven door het kernmembraan. De celkern staat in verbinding met het cytoplasma door middel van poriën. In de kern zitten ook de nucleoli, deze bestaan uit chromatine, RNA en eiwitten
2 Het endoplasmatisch reticulum
Ruw endoplasmatisch reticulum (RER): bevat ribosomen voor eiwitsynthese. Eiwitten worden verpakt in transportblaasjes en naar het Golgi-apparaat getransporteerd.
Glad endoplasmatisch reticulum (SER): geen ribosomen. Het SER zorgt 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 steroidhormonen, zoals cortisol.
3 Ribosomen
Ribosomen: macromoleculaire eiwitcomplexen voor eiwitsynthese, bestaande uit een grote en kleine subeenheid (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.
Transcriptie: RNA-kopie van een gen (mRNA) gemaakt door RNA-polymerase.
Translatie: mRNA wordt vertaald tot een polypeptide met behulp van tRNA's en ribosomen.
4 Proteasomen
Proteasomen: eiwitcomplexen die peptidebindingen hydrolyseren, zoals bij beschadigde of foutief opgevouwen eiwitten. De eiwitten worden afgebroken tot peptiden van enkele aminozuren. Na verdere afbraak kunnen de aminozuren hergebruikt worden bij de synthese van nieuwe eiwitten.
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 Golgi-apparaat.
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 glycoproteinen. Verpakt in blaasjes verlaten de eiwitten het Golgi-apparaat en worden ze vervoerd naar de plaats in de cel waar ze nodig zijn.
Transportblaasjes vervoeren eiwitten tussen RER en Golgi-apparaat. Secretieblaasjes bevatten eiwitten bestemd voor buiten de cel (exocytose).
6 Lysosomen
Lysosomen: blaasjes met afbraakenzymen voor vertering van biomoleculen (autofagie en heterofagie). Fagocytose is een vorm van endocytose waarbij bacteriën die het lichaam binnendringen, worden opgenomen door macrofagen. Het lizosoom heeft een zuur milieu.
Normale cel vs Necrose en Apoptose
Necrose: Afsterven van weefsel na beschadiging door factoren van buitenaf
Apoptose: Genetisch geprogrammeerde celdood
7 Mitochondriën
Mitochondriën: dubbelmembraanstructuren voor energieproductie (ATP) uit voedingsstoffen. Het inwendige membraan bezit een groot oppervlak door de vele instulpingen, die cristae heten.
Bevatten mitochondriaal DNA (mtDNA), dat bijna altijd overgeërfd via de moeder.
8 Chloroplasten
Chloroplasten bevinden zich in de groene delen van planten en die zijn net zoals mitochondrien omgeven door een dubbel membraan. In de thylakoïdmembranen liggen lichtabsorberende chlorofylmoleculen gebonden in een eiwitcomplex.
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.
Endosymbiosetheorie: Mitochondriën en chloroplasten stammen van opgenomen prokaryoten af.
9 De vacuole
Vacuolen: met vocht gevulde blaasjes (grote vacuolen komen niet voor in dierlijke cellen). Ht vacuolevocht 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.
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.
Microfilamenten (actine): stevigheid onder celmembraan, samentrekken van spiervezels, uitlopers van macrofagen.
Microtubuli (tubuline): holle buisjes die transportblaasjes transporteren, celdeling
Intermediaire filamenten (keratine): structurele rol, verbinden cellen in weefsels (geen in plantencellen).
Eiwitten verbinden microtubuli met transportblaasjes om organellen te verplaatsen.
11 Het centrosoom
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 varmt zich uit het cytoskelet een structuur van microtubuli, die de chromosomen vasthoudt tijdens de celdeling.
THEMA 02 CELMETABOLISME Hoe kunnen organismen energie uit voedsel en licht benutten om biomoleculen op te bouwen?
Welke manier wordt energie in de cel overgedragen?
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.
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.
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.
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.
1.4 Metabole routes
Mertabole 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.
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 ENZYMDEFICIENTIE
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.
Product remt enzymactiviteit in de metabole route bij voldoende aanwezigheid (feedbackremming).
2 Energiedragers in de cel
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 :reductie zijn chemische processen waarbij elektronen worden overgedragen van de ene molecule, de reductor (wordt geoxideerd), naar een andere molecule, de oxidator (wordt gereduceerd).
ANABOLE REACTIES Opbouw of biosynthese van nieuwe moleculen Endergone reacties: er is energie nodig XATABOLE REACTIES Afbraak van moleculen tot kleinere moleculen Exergone reacties: er komt energie vrij Er is een wisselwerking tussen anabole en katabole reacties in de cet 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.
2.1 ATP
ATP levert energie voor talrijke processen, zoals de biosynthese van nieuwe moleculen, het transport van
stoffen doorheen membranen en de uitvoering van bewegingen. Het kan niet doorheen membranen diffunderen zonder de hulp van specifieke
transporteiwitten, de ATP-transporters Cellen hebben voortdurend nood aan energie.
ATP levert energie voor bioluminescentie, bijvoorbeeld bij glimwormen (oxidatie van luciferine tot oxyluciferine).
2.2 NAD, NADP en FAD
NAD, NADP en FAD zijn elektronendragers die oxidatie-reductreacties katalyseren. Ze komen 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).
NADP is analoog aan NAD^+O_2$$) ontstaat opnieuw koolstofdioxide, dat autotrofen weer kunnen benutten.
HOOFDSTUK 2 Fotosynthese
Het proces van de fotosynthese speelt zich af in de chloroplast en bestaat uit twee grote deelprocessen:
1 De pigmenten van de fotosynthese
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 carotenoiden, zoals β-caroteen en luteine.
Chlorofyl (a en b) absorbeert vooral blauw en rood licht. Ze absorberen samen licht met een groter golflengtegebied dan elk apart.
Carotenoiden, zoals β-caroteen en luteïne, zijn gele tot roodachtige kleurstoffen die vooral blauw
licht opvangen.
Zuurstofgas producerende algen en bacterien, en landplanten doen aan fotosynthese
2 Het fotosyntheseproces
Het proces van de fotosynthese speelt zich af in de chloroplast en bestaat uit twee grote deelprocessen:
Lichtreacties: Lichtenergie wordt gebruikt om met ADP en NADP de moleculen ATP en NADPH te vormen
Calvincyclus: Koolstofdioxide wordt gebonden en worden ATP en NADPH gebruikt om een glucosemolecule op te bouwen.
2.1 De lichtreacties van de fotosynthese
De lichtreacties van de fotosynthese zijn mogelijk door de activiteit van verschillende eiwitcomplexen en
elektronendragers in het thylakoidmembraan 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
thylakoidmembraan. 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
protonengradient, is de drijvende kracht voor het ATP-synthase complex, dat ATP aanmaakt met
ADP en fosfaat. De elektronen worden ook gebruikt voor de reductie van NADP naar NADPH.
Fotosysteem II en de splitsing van water, protonpomp, fotosysteem I en de vorming van NADPH en Vorming van ATP
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) (ribulose-1,5-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