Stofwisseling in de cel

Organismen hebben in alle levende cellen bouwstoffen en energie nodig. Daarvoor worden stoffen uit de omgeving opgenomen en omgezet in andere stoffen (stofwisseling). Via hun bladeren en wortels nemen planten water, koolstofdioxide en lichtenergie op en zetten deze om in glucose. Dieren eten andere organismen en breken die af tot bouwstoffen en energierijke stoffen. De afvalstoffen die bij de stofwisseling ontstaan, worden afgegeven aan de omgeving.

Snel navigeren door HOOFDSTUK 3 van VWO 5

Paragrafen

1. Chemie in cellen
2. Enzymen
3. Koolstofassimilatie
4. Voortgezette assimilatie
5. Dissimilatie
Begrippen
Oefenen

Leerdoelen


  • Je kunt beschrijven wat stofwisseling, assimilatie en dissimilatie zijn en wat er bij deze reacties met de energie gebeurt.

  • Je kunt de bouw en werking van enzymen beschrijven.

  • Je kunt de invloed van milieufactoren op de enzymactiviteit beschrijven.

  • Je kunt de fotosynthese en de chemosynthese beschrijven.

  • Je kunt de voortgezette assimilatie beschrijven.

  • Je kunt de aerobe en anaerobe dissimilatie van glucose toelichten.

  • Je kunt de dissimilatie van eiwitten en vetten beschrijven.

Paragraaf 1: Chemie in cellen

  • Je kunt beschrijven wat stofwisseling, assimilatie en dissimilatie zijn en wat er bij deze reacties met de energie gebeurt.

Stofwisseling (metabolisme) omvat alle chemische omzettingen in een organisme en speelt een essentiële rol bij de energievoorziening en opbouw van cellen.

Metabolisme en basale stofwisseling

  • Metabolisme bestaat uit assimilatie (opbouw van organische stoffen) en dissimilatie (afbraak van organische stoffen).
  • Basale stofwisseling omvat alle levensprocessen die doorgaan in rust, zoals ademhaling, hartslag en spijsvertering.

Energierijke stoffen en chemische energie

  • Organische stoffen bevatten koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen en zijn energierijk.
  • Anorganische stoffen zoals water en mineralen bevatten minder energie.
  • Chemische energie is opgeslagen in de atoombindingen van energierijke stoffen.

Assimilatie en dissimilatie

  • Assimilatie bouwt kleine moleculen om tot grote organische moleculen, wat energie kost.
  • Dissimilatie breekt grote moleculen af, waardoor energie vrijkomt.
  • Autotrofe organismen kunnen door koolstofassimilatie zelf glucose maken uit koolstofdioxide en water.
  • Heterotrofe organismen verkrijgen energie door dissimilatie van organische stoffen.

Energiedragers en ATP

  • ATP (adenosinetrifosfaat) transporteert chemische energie binnen de cel.
  • ATP wordt gevormd bij fotosynthese en verbranding in chloroplasten en mitochondriën.
  • Fosforylering is het proces waarbij ATP wordt opgebouwd uit ADP en een fosfaatgroep (Pᵢ).

Paragraaf 2: Enzymen

  • Je kunt de bouw en werking van enzymen beschrijven.

  • Je kunt de invloed van milieufactoren op de enzymactiviteit beschrijven.

In cellen worden voortdurend stoffen omgezet. Zonder hulp verlopen deze chemische reacties echter veel te traag om levensprocessen mogelijk te maken. Enzymen zijn eiwitten die als biokatalysatoren fungeren en chemische reacties versnellen zonder zelf te worden verbruikt. Hierdoor kunnen stofwisselingsprocessen efficiënt plaatsvinden.

Werking van enzymen

Elk enzym heeft een specifieke ruimtelijke structuur en bevat een actief centrum waarin alleen een bepaalde substraatmolecuul past. Dit wordt het sleutel-slotprincipe genoemd. Zodra het substraat zich bindt aan het enzym, ontstaat een enzym-substraatcomplex waarin de chemische reactie plaatsvindt. Vervolgens worden de reactieproducten gevormd en laat het enzym los, klaar om opnieuw een reactie te katalyseren. Omdat elk enzym specifiek is voor een bepaald substraat, kunnen cellen hun stofwisseling nauwkeurig regelen.

Factoren die de enzymactiviteit beïnvloeden

De efficiëntie van een enzym hangt af van verschillende factoren:

  • Temperatuur: Bij lage temperaturen werken enzymen langzaam, terwijl een te hoge temperatuur kan leiden tot denaturatie, waarbij de ruimtelijke structuur blijvend verandert.
  • pH (zuurgraad): Elk enzym heeft een optimale pH-waarde waarbij het het best functioneert. Afwijkingen kunnen de vorm van het enzym veranderen en daarmee de werking verminderen.
  • Substraat- en enzymconcentratie: Hoe meer enzymen en substraten aanwezig zijn, hoe sneller de reactie verloopt, tot een maximum is bereikt.
  • Cofactoren: Sommige enzymen hebben hulpstoffen nodig, zoals co-enzymen of mineralen, om goed te kunnen functioneren.

Activeringsenergie en enzymwerking

Voor elke chemische reactie is activeringsenergie nodig om de reactie op gang te brengen. Enzymen verlagen deze drempel, waardoor reacties sneller verlopen zonder dat de cel extra energie hoeft te leveren. Hierdoor blijven stofwisselingsprocessen ook bij lichaamstemperatuur efficiënt verlopen.

Paragraaf 3: Koolstofassimilatie

  • Je kunt de fotosynthese en de chemosynthese beschrijven.

Organismen hebben energie nodig om te overleven en te groeien. Koolstofassimilatie is het proces waarbij autotrofe organismen, zoals planten en cyanobacteriën, koolstofdioxide (CO₂) omzetten in organische stoffen, zoals glucose. Dit proces vormt de basis van de voedselketen, omdat heterotrofe organismen afhankelijk zijn van deze organische stoffen voor hun energievoorziening.

Fotosynthese: energie uit licht

Bij fotosynthese wordt lichtenergie omgezet in chemische energie. Dit proces vindt plaats in de chloroplasten van plantencellen en verloopt in twee fasen:

  • Lichtreacties: Hier wordt lichtenergie gebruikt om water (H₂O) te splitsen in zuurstof (O₂), waterstofionen (H⁺) en energierijke elektronen. De elektronen worden via een elektronentransportketen overgedragen en opgeslagen in ATP en NADPH,H⁺, die de energie leveren voor de volgende stap.
  • Donkerreacties (Calvincyclus): In deze fase wordt koolstofdioxide (CO₂) vastgelegd en omgezet in glucose (C₆H₁₂O₆) met behulp van de energie uit ATP en de waterstofionen uit NADPH,H⁺. Dit proces vindt plaats in het stroma van de chloroplasten en is onafhankelijk van licht.

Bruto- en nettofotosynthese

Tijdens de fotosynthese ontstaat niet alleen glucose, maar ook zuurstof als bijproduct. De bruto-reactie van fotosynthese is:
6CO2+12H2O+lichtenergie→C6H12O6+6O2+6H2O
Omdat een deel van het geproduceerde water opnieuw wordt verbruikt, kan dit worden vereenvoudigd tot de netto-reactie:
6CO2+6H2O+lichtenergie→C6H12O6+6O2

Chemosynthese: energie uit anorganische stoffen

Naast fotosynthese kunnen sommige bacteriën energie verkrijgen uit chemische reacties. Dit proces heet chemosynthese en komt voor bij chemo-autotrofe bacteriën, zoals zwavelbacteriën en nitraatbacteriën. Zij halen energie uit de oxidatie van anorganische stoffen, zoals waterstofsulfide (H₂S) of ammonium (NH₄⁺), om CO₂ om te zetten in organische stoffen. 

Paragraaf 4: Voortgezette assimilatie

  • Je kunt de voortgezette assimilatie beschrijven.

Organismen hebben niet alleen energie nodig, maar ook bouwstoffen om cellen en weefsels te vormen. Voortgezette assimilatie is het proces waarbij glucose wordt omgezet in andere organische stoffen, zoals koolhydraten, vetten, eiwitten en DNA. Dit proces vindt zowel bij autotrofe als heterotrofe organismen plaats en is essentieel voor groei, herstel en energieopslag.

Glucose als basis voor andere stoffen

De bij fotosynthese geproduceerde glucose dient als grondstof voor verschillende organische moleculen:

  • Koolhydraten: Door de koppeling van glucosemoleculen ontstaan disachariden (zoals sacharose) en polysachariden (zoals zetmeel en cellulose). Zetmeel wordt gebruikt als reservestof, terwijl cellulose een belangrijke bouwstof is in de celwand van planten.
  • Vetten: Glucose kan worden omgezet in vetzuren en glycerol, die samen vetten (lipiden) vormen. Vetten zijn een energieopslag en spelen een rol in membraanstructuren.
  • Eiwitten: Voor de synthese van aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, hebben planten naast glucose ook stikstofhoudende ionen nodig, zoals nitraat (NO₃⁻). Dieren en mensen verkrijgen aminozuren uit hun voeding.
  • Nucleïnezuren: Glucose is ook een bouwsteen voor DNA en RNA, die nodig zijn voor genetische informatie en celregulatie.

Energie voor assimilatie

Voortgezette assimilatie is een energie-intensief proces. De benodigde energie wordt geleverd door ATP, dat vrijkomt bij dissimilatie. Dit betekent dat assimilatie en dissimilatie in balans moeten zijn: energie uit afbraakprocessen wordt gebruikt voor de opbouw van nieuwe moleculen. 

Paragraaf 5: Dissimilatie

  • Je kunt de aerobe en anaerobe dissimilatie van glucose toelichten.

  • Je kunt de dissimilatie van eiwitten en vetten beschrijven.

verkregen door dissimilatie, het proces waarbij grote organische moleculen worden afgebroken tot kleinere moleculen. Hierbij komt chemische energie vrij, die wordt omgezet in ATP, de directe energiebron voor cellulaire processen.

Aerobe en anaerobe dissimilatie

Dissimilatie kan op verschillende manieren plaatsvinden, afhankelijk van de beschikbaarheid van zuurstof:

  • Aerobe dissimilatie (verbranding): Bij de afbraak van glucose met zuurstof ontstaat koolstofdioxide (CO₂), water (H₂O) en een grote hoeveelheid ATP. De reactievergelijking is: C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+energie(ATP) Dit proces vindt plaats in de mitochondriën en levert de meeste energie op.
  • Anaerobe dissimilatie (gisting): Wanneer er geen zuurstof beschikbaar is, kan glucose worden afgebroken via gisting. Bij alcoholgisting (bij gisten en sommige bacteriën) ontstaan ethanol en CO₂, terwijl bij melkzuurgisting (bij spiercellen en melkzuurbacteriën) melkzuur wordt gevormd. Dit levert minder ATP op dan aerobe dissimilatie.

Andere energiebronnen: vetten en eiwitten

Naast glucose kunnen ook vetten en eiwitten worden afgebroken voor energie:

  • Vetten worden omgezet in vetzuren en glycerol, die in de citroenzuurcyclus worden gebruikt voor ATP-productie. Dit levert per gram meer energie dan glucose.
  • Eiwitten worden eerst afgebroken tot aminozuren. De overtollige stikstof wordt uitgescheiden als ureum (bij mensen) of ammoniak (bij vissen). De resterende koolstofverbindingen kunnen worden gebruikt als brandstof.

Energieomzetting en warmtevorming

Niet alle energie die vrijkomt bij dissimilatie wordt omgezet in ATP. Een deel gaat verloren als warmte, wat bij warmbloedige dieren helpt bij het handhaven van de lichaamstemperatuur. Dit is een belangrijke eigenschap voor zoogdieren en vogels.