Hoofdstuk 1 H5 – Het Beste Biologie Platform

Stofwisseling in de cel

In alle levende cellen van een organisme zijn bouwstoffen en energie nodig. Hiervoor moeten organismen stoffen opnemen uit hun omgeving en die omzetten in andere stoffen (stofwisseling). Planten zetten water, koolstofdioxide en lichtenergie om in glucose. Glucose is een bouwstof en een energierijke stof. Dieren eten andere organismen en breken die af tot bouwstoffen en energierijke stoffen. De afvalproducten die ontstaan bij de stofwisseling in de cellen worden afgegeven aan de omgeving.

Snel navigeren door HOOFDSTUK 1 van HAVO 5

Paragrafen

1. Chemie in cellen

2. Enzymen

3. Fotosynthese

4. Voortgezette assimilatie

5. Dissimilatie

6. Intensiteit van de stofwisseling

Leerdoelen

Je kunt omschrijven 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 beschrijven.

Je kunt de voortgezette assimilatie beschrijven.

Je kunt de aerobe en anaerobe dissimilatie van glucose beschrijven.

Je kunt de dissimilatie van eiwitten en vetten beschrijven.

Je kunt de voorwaarden voor het fotosyntheseproces in planten benoemen.

Paragraaf 1: Chemie in cellen

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

Cellen zijn continu actief met stofwisseling, waarbij chemische processen zorgen voor de opbouw en afbraak van stoffen. Dit is essentieel voor de energievoorziening en de structuur van de cel. De stofwisseling omvat twee belangrijke processen: assimilatie en dissimilatie.

Organische en anorganische stoffen

Organismen bestaan uit organische en anorganische stoffen. Organische stoffen bevatten altijd koolstofatomen en hebben energierijke C-H-bindingen. Anorganische stoffen, zoals water en zouten, bevatten weinig chemische energie. De organische stof glucose speelt een cruciale rol in de celstofwisseling en dient als brandstof en bouwstof.

Energie in de cel

De energie die nodig is voor celprocessen wordt opgeslagen in de molecule ATP (adenosinetrifosfaat). ATP bestaat uit drie fosfaatgroepen, waarbij de bindingen tussen deze groepen veel chemische energie bevatten. Wanneer de derde fosfaatgroep wordt afgesplitst, ontstaat ADP (adenosinedifosfaat) en komt energie vrij voor stofwisselingsreacties, zoals eiwitsynthese en actief transport.

Assimilatie en dissimilatie

Assimilatie is de opbouw van organische moleculen uit kleinere anorganische moleculen. Dit proces kost energie. Koolstofassimilatie, waarbij glucose wordt gevormd uit koolstofdioxide en water, vindt plaats bij autotrofe organismen zoals planten en cyanobacteriën via fotosynthese. Hieruit ontstaan ook andere koolhydraten, vetten, eiwitten en DNA in een proces dat voortgezette assimilatie heet.
Dissimilatie is de afbraak van grote organische moleculen tot kleinere moleculen. Hierbij komt chemische energie vrij, die wordt gebruikt voor celactiviteiten. Dit proces vindt zowel plaats bij autotrofe als heterotrofe organismen.

Energieomzetting en transport

Bij dissimilatie wordt de in C-H-bindingen opgeslagen energie omgezet in een bruikbare vorm. In bladgroenkorrels (bij fotosynthese) en mitochondriën (bij verbranding) wordt de energie van licht of glucose omgezet in ATP. Dit ATP transporteert energie naar plekken in de cel waar het nodig is.

Paragraaf 2: Enzymen

Je kunt de bouw en werking van enzymen beschrijven.
Je kunt de invloed van milieufactoren op de enzymactiviteit beschrijven.

In cellen vinden voortdurend chemische reacties plaats, waarbij stoffen worden omgezet en energie vrijkomt. Veel van deze reacties verlopen traag of niet vanzelf. Enzymen spelen hierin een cruciale rol. Dit zijn eiwitten die fungeren als biokatalysatoren: ze versnellen stofwisselingsreacties zonder daarbij zelf verbruikt te worden.

Bouw en werking van enzymen

Een enzymmolecuul heeft een unieke ruimtelijke structuur, met veel knikken en lussen. In dit molecuul bevindt zich een actief centrum, een specifieke plek waar het substraatmolecuul precies in past. Het substraat is de stof waarop een enzym inwerkt.

Wanneer een substraatmolecuul aan het actieve centrum bindt, wordt de reactie versneld en ontstaan reactieproducten. Na de reactie laat het reactieproduct los, en het enzym blijft onveranderd achter, klaar voor een nieuwe omzetting. Hierdoor kan een klein aantal enzymmoleculen een grote hoeveelheid substraat omzetten.

Sleutel-slotprincipe en enzymnaamgeving

De werking van enzymen wordt vaak verklaard met het sleutel-slotprincipe: het actieve centrum heeft een vorm die alleen past bij een specifiek substraat. Dit verklaart waarom enzymen zeer substraatspecifiek zijn.

De naam van een enzym is vaak afgeleid van het substraat, met het achtervoegsel -ase. Zo breekt ATP-ase het molecuul ATP af tot ADP en fosfaat.

Factoren die de enzymactiviteit beïnvloeden

De enzymactiviteit, oftewel de mate waarin een enzym een reactie versnelt, hangt af van verschillende milieufactoren, zoals temperatuur en pH.

Temperatuur:
- Onder de minimumtemperatuur is er nauwelijks activiteit, omdat de moleculen te langzaam bewegen.
- Bij stijging van de temperatuur neemt de enzymactiviteit toe, doordat moleculen sneller bewegen en gemakkelijker binden aan het actieve centrum.
- Boven de optimumtemperatuur gaan de moleculen te heftig bewegen, waardoor de ruimtelijke structuur van het enzymmolecuul verandert en het substraat niet meer past.
- Bij een te hoge temperatuur verliezen enzymmoleculen definitief hun werking door denaturatie.
pH (zuurgraad):
- De activiteit van een enzym is afhankelijk van de pH van de omgeving.
- Elk enzym heeft een optimum-pH, waarbij de ruimtelijke structuur intact blijft en de enzymactiviteit het hoogst is.
- Bij een te hoge of te lage pH verandert het actieve centrum, waardoor het enzym tijdelijk of permanent zijn werking verliest.

Omkeerbare en onomkeerbare veranderingen

De invloed van de temperatuur is onomkeerbaar: een gedenatureerd enzym krijgt zijn oorspronkelijke vorm niet terug.
De invloed van de pH is vaak omkeerbaar: als de pH weer in het optimumgebied komt, kan het enzym zijn functie hernemen.

Paragraaf 3: Fotosynthese

Je kunt de fotosynthese beschrijven.

Planten, algen en sommige cyanobacteriën kunnen door middel van fotosynthese de energie uit licht omzetten in chemische energie. Dit proces vindt plaats in bladgroenkorrels en is essentieel voor de koolstofassimilatie, waarbij glucose wordt gevormd.

Het proces van fotosynthese

De fotosynthese kan in een reactievergelijking worden weergegeven:
koolstofdioxide + water + lichtenergie → glucose + zuurstof
Scheikundig genoteerd:
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Bladgroen in de bladgroenkorrels absorbeert lichtenergie.
Deze energie wordt gebruikt om water te splitsen in zuurstof en waterstof.
De vrijgekomen zuurstof wordt afgegeven aan de omgeving.
De waterstof en de chemische energie uit ATP worden samen met koolstofdioxide gebruikt om glucose te vormen.

Licht en absorptie

Zonlicht bestaat uit verschillende golflengten en bevat alle kleuren licht. Bladgroen absorbeert vooral blauw en rood licht, terwijl groen licht grotendeels wordt gereflecteerd, waardoor planten groen lijken. Dit absorptieproces wordt weergegeven in een absorptiespectrum. De fotosynthese-activiteit is het hoogst bij de golflengten waar de absorptie van bladgroen het grootst is.

Factoren die de fotosynthese beïnvloeden

De intensiteit van de fotosynthese wordt bepaald door verschillende factoren:

Lichtintensiteit – Meer licht zorgt voor een hogere snelheid van fotosynthese, tot een bepaald punt.
CO₂-concentratie – Meer koolstofdioxide verhoogt de glucoseproductie, mits andere factoren gunstig zijn.
Temperatuur – Bij lage temperaturen verloopt de fotosynthese traag door een lage enzymactiviteit. Een optimale temperatuur verhoogt de snelheid, maar boven een bepaald punt denatureren enzymen en stopt het proces.
Waterbeschikbaarheid – Water is een noodzakelijke grondstof voor de fotosynthese. Bij watertekort sluiten planten hun huidmondjes, waardoor minder koolstofdioxide wordt opgenomen en de fotosynthese-intensiteit daalt.

Beperkende factor en compensatiepunt

De beperkende factor is de factor die op een bepaald moment de fotosynthese-intensiteit het meest beperkt.
Het compensatiepunt is het moment waarop de zuurstofproductie door fotosynthese gelijk is aan het zuurstofverbruik door verbranding.

Paragraaf 4: Voortgezette assimilatie

Je kunt de voorgezette assimilatie beschrijven.

Naast de vorming van glucose tijdens de koolstofassimilatie, moeten cellen ook andere belangrijke organische stoffen produceren. Dit proces heet voortgezette assimilatie en zorgt voor de opbouw van koolhydraten, vetten, eiwitten en DNA.

Glucose als grondstof en brandstof

Autotrofe organismen gebruiken glucose als grondstof voor de opbouw van grotere organische moleculen. Dit is noodzakelijk voor de vorming van structurele en functionele stoffen in de cel. Naast grondstof dient glucose ook als brandstof: bij de verbranding van glucose wordt ATP gevormd, de belangrijkste energiebron voor voortgezette assimilatie.

Assimilatie van koolhydraten

Monosachariden zijn de eenvoudigste koolhydraten, zoals glucose en fructose.
Twee monosachariden kunnen samen een disacharide vormen, zoals sacharose (tafelsuiker).
Lange ketens van monosachariden vormen polysachariden, zoals zetmeel, glycogeen en cellulose.
Planten slaan zetmeel op als reservestof, terwijl dieren en schimmels glycogeen opslaan in lever en spieren.
Cellulose is een bouwstof die de celwand van planten stevigheid geeft.

Assimilatie van eiwitten

Eiwitten bestaan uit lange ketens van aminozuren.
Er zijn twintig verschillende aminozuren die de primaire structuur van een eiwit bepalen.
De ruimtelijke structuur van een eiwit is essentieel voor de functie en wordt beïnvloed door waterstofbruggen en andere bindingen.
Planten kunnen aminozuren zelf maken uit glucose en stikstofhoudende ionen (zoals nitraationen).
Dieren kunnen alleen aminozuren opbouwen uit andere aminozuren en moeten essentiële aminozuren via de voeding binnenkrijgen.

Assimilatie van vetten

Vetten (lipiden) worden opgebouwd uit glycerol en vetzuren.
Een triglyceride bestaat uit glycerol en drie vetzuren en dient als energiereserve.
Fosfolipiden bestaan uit glycerol, twee vetzuren en een fosfaatgroep, en vormen de celmembranen.
De vetzuurstaarten van fosfolipiden zijn hydrofoob (waterafstotend), terwijl de fosfaatgroep hydrofiel (waterminnend) is.

Opslag van assimilatieproducten

Planten slaan glucose op als zetmeel om de osmotische waarde in de cel laag te houden.
Reservestoffen worden opgeslagen in wortels, knollen, bollen en zaden.
’s Nachts wordt zetmeel vaak omgezet in sacharose, dat via bastvaten naar andere plantendelen wordt vervoerd.

Paragraaf 5: Dissimilatie

Je kunt de aerobe en anaerobe dissimilatie van glucose beschrijven.
Je kunt de dissimilatie van eiwitten en vetten beschrijven.

Geen enkel levend wezen kan zonder energie. Dissimilatie is het proces waarbij organische moleculen worden afgebroken om ATP te vormen, dat cellen gebruiken als energiebron. Dit proces kan zowel met als zonder zuurstof plaatsvinden en speelt een cruciale rol in de stofwisseling van alle organismen.

Aerobe dissimilatie van glucose (verbranding)

De meest efficiënte manier om energie vrij te maken is door aerobe dissimilatie, oftewel verbranding. Dit proces vindt grotendeels plaats in de mitochondriën en verloopt volgens de reactievergelijking:

Scheikundig:

Bij verbranding van glucose wordt chemische energie vrijgemaakt en omgezet in ATP. Dit proces levert veel meer ATP op dan anaerobe dissimilatie, waardoor het de voorkeursmethode is voor energievoorziening als er voldoende zuurstof beschikbaar is.

Anaerobe dissimilatie (gisting)

Wanneer er onvoldoende zuurstof is, kan glucose toch worden afgebroken door middel van gisting. Dit is een vorm van anaerobe dissimilatie die minder ATP oplevert dan verbranding. Er zijn twee belangrijke vormen van gisting:

Alcoholgisting

Bij alcoholgisting wordt glucose omgezet in alcohol (ethanol) en koolstofdioxide. Dit proces komt voor bij gistcellen en wordt gebruikt in de productie van bier, wijn en brood. De vrijgekomen koolstofdioxide zorgt ervoor dat brooddeeg rijst.

Melkzuurgisting

Bij melkzuurgisting wordt glucose omgezet in melkzuur. Dit vindt plaats in spiercellen bij een zuurstoftekort, bijvoorbeeld tijdens een intense sprint. De ophoping van melkzuur kan leiden tot verzuring van spieren, waardoor vermoeidheid optreedt. Naast glucose kunnen ook vetten en eiwitten worden afgebroken om energie te leveren.

Afbraak van vetten

Vetten worden eerst gesplitst in glycerol en vetzuren.
Glycerol kan worden omgezet in een stof die in de glycolyse wordt gebruikt.
Vetzuren worden via bèta-oxidatie afgebroken en leveren een grote hoeveelheid ATP.
Vetten bevatten veel meer energie per gram dan koolhydraten of eiwitten, waardoor ze een efficiënte energieopslag vormen.

Afbraak van eiwitten

Eiwitten worden eerst afgebroken tot aminozuren.
De aminogroep wordt verwijderd en omgezet in ammoniak, dat in zoogdieren wordt omgezet in ureum en uitgescheiden via de nieren.
De overgebleven koolstofketens worden omgezet in glucose, vetzuren of direct gebruikt in de citroenzuurcyclus.

Dissimilatie en biotechnologie

Micro-organismen spelen een belangrijke rol in de biotechnologie, waarbij hun stofwisselingsprocessen worden benut:

Gistcellen worden gebruikt voor alcoholgisting in de productie van bier, wijn en brood.
Melkzuurbacteriën worden gebruikt bij de productie van kaas, yoghurt en zuurkool.
Genetische modificatie wordt toegepast om micro-organismen efficiënter te maken voor de productie van biobrandstof, zoals ethanol.

Paragraaf 6: Intensiteit van de stofwisseling

Je kunt de voorwaarden voor het fotosyntheseproces in planten benoemen.

De stofwisseling in een organisme is een continu proces. Zowel bij planten als dieren is er sprake van energieverbruik, dat wordt bepaald door de snelheid waarmee chemische processen plaatsvinden. De intensiteit van de stofwisseling verwijst naar de snelheid waarmee de stofwisseling verloopt en is afhankelijk van diverse factoren.

Basale stofwisseling

In het lichaam vinden altijd processen plaats zoals de hartslag, ademhaling en peristaltische bewegingen van de darmen. De minimale stofwisseling die nodig is om deze processen op gang te houden, wordt de basale stofwisseling genoemd. De intensiteit van de basale stofwisseling kan worden bepaald door de hoeveelheid zuurstof te meten die in rust wordt verbruikt.

De basale stofwisseling wordt beïnvloed door:

Geslacht – Mannen hebben gemiddeld een hogere stofwisseling dan vrouwen.
Leeftijd – Jonge mensen hebben een hogere stofwisseling dan ouderen.
Lichaamsgewicht – Hoe groter het lichaam, hoe meer energie nodig is.
Activiteitenniveau – Beweging verhoogt de intensiteit van de stofwisseling.

Intensiteit van de fotosynthese

Bij planten wordt de intensiteit van de fotosynthese bepaald door de snelheid waarmee glucose wordt gevormd en zuurstof vrijkomt. Dit wordt meestal uitgedrukt in de hoeveelheid geproduceerde zuurstof per minuut of de hoeveelheid verbruikte koolstofdioxide per minuut.

De intensiteit van de fotosynthese is afhankelijk van:

Lichtintensiteit – Meer licht zorgt voor een hogere fotosynthese-intensiteit, tot een verzadigingspunt.
Kleurenspectrum – Blauw en rood licht worden het meest geabsorbeerd door bladgroenkorrels, wat de fotosynthese stimuleert.
Beschikbare koolstofdioxide – Hoe meer CO₂, hoe sneller de fotosynthese, tot een maximum.
Water – Nodig voor de fotosynthese; bij tekort sluiten huidmondjes en daalt de intensiteit.
Temperatuur – Enzymen werken optimaal bij een bepaalde temperatuur; bij een te hoge temperatuur denatureren ze en stopt de fotosynthese.

Beperkende factor en compensatiepunt

De beperkende factor is de factor die het minst gunstig is en daardoor de snelheid van de fotosynthese bepaalt.
Het compensatiepunt is het moment waarop de zuurstofproductie door fotosynthese gelijk is aan het zuurstofverbruik door verbranding. Dit betekent dat de plant netto geen zuurstof produceert of verbruikt.

Verbranding en milieufactoren

Ook de verbranding in planten wordt beïnvloed door externe factoren zoals:

Temperatuur – Een hogere temperatuur versnelt de verbranding, zolang de enzymen actief blijven.
Zuurstofgehalte – Aerobe dissimilatie vereist voldoende zuurstof om energie efficiënt vrij te maken.

Meestal wordt de invloed van lichtsterkte op de verbranding buiten beschouwing gelaten, omdat deze voornamelijk van belang is voor de fotosynthese.