Stofwisseling van de cel

Een spiercel verbruikt bij inspanning veel glucose en zuurstof. Benoem voor deze cel één stof die naar binnen gaat (invoer) en één stof die naar buiten gaat (uitvoer), leg uit waarom de cel daarom een open systeem is, en beschrijf wat homeostase op celniveau voor deze cel betekent.

1. 01Stap 1 — Bepaal de invoer

   De spiercel verbruikt bij inspanning glucose en zuurstof. Beide moeten dus van buitenaf de cel in: glucose en zuurstof zijn voorbeelden van invoer. Ze komen via het bloed bij de cel en gaan het celmembraan over naar binnen.

2. 02Stap 2 — Bepaal de uitvoer

   Bij het verbruik van glucose en zuurstof ontstaan afvalstoffen, vooral koolstofdioxide en water. Deze verlaten de cel weer: koolstofdioxide is een voorbeeld van uitvoer. Het gaat de cel uit, het bloed in, en wordt uiteindelijk uitgeademd.

3. 03Stap 3 — Waarom een open systeem?

   Omdat er voortdurend stoffen én energie de cel in- en uitgaan, is de cel geen afgesloten geheel maar een open systeem. Een gesloten systeem zou niets uitwisselen en zou snel zonder grondstoffen komen te zitten en stikken in zijn eigen afval.

4. 04Stap 4 — Homeostase op celniveau

   Ondanks die voortdurende uitwisseling houdt de cel haar inwendige milieu constant: de concentraties van bijvoorbeeld water en ionen en de pH blijven binnen nauwe grenzen. Dat constant houden heet homeostase, en het kost energie omdat de cel actief moet bijsturen, bijvoorbeeld met pompen in het membraan.

Resultaat: Resultaat: invoer = glucose en zuurstof, uitvoer = koolstofdioxide (en water). Doordat de spiercel deze stoffen en energie voortdurend uitwisselt met haar omgeving, is ze een open systeem; door tegelijk haar inwendige milieu constant te houden (homeostase) blijven de omstandigheden geschikt voor de stofwisseling — en dat bijsturen kost voortdurend energie.

Je legt een cel in een oplossing met een veel hogere zoutconcentratie dan in de cel. (a) Voorspel met osmose de richting waarin water beweegt en wat er met de cel gebeurt. (b) De cel houdt tegelijk een hogere kaliumconcentratie binnen dan buiten. Leg uit welk transporttype dit vereist en waarom het ATP kost.

1. 01Stap 1 — (a) Vergelijk de waterconcentratie

   Buiten de cel zit veel zout (veel opgeloste deeltjes), dus relatief weinig vrije watermoleculen; binnen de cel is de zoutconcentratie lager, dus is daar relatief meer water. Bij osmose gaat water van de kant met veel water naar de kant met weinig water.

2. 02Stap 2 — (a) Bepaal de richting en het gevolg

   Water beweegt dus van binnen (veel water) naar buiten (weinig water): de cel verliest water en krimpt. Dit is passief transport — osmose, met de gradiënt van water mee — en kost geen ATP.

3. 03Stap 3 — (b) Welk transport voor het kaliumverschil?

   De kaliumconcentratie is binnen hoger dan buiten. Kalium binnenhouden of zelfs opnemen betekent transport tégen de concentratiegradiënt in (van laag buiten naar hoog binnen). Dat kan alleen met actief transport via een pomp-eiwit.

4. 04Stap 4 — (b) Waarom kost dat ATP?

   Tegen de gradiënt in werken is als iets bergop duwen: het gaat niet vanzelf. De energie daarvoor komt uit ATP. Daarom kost het in stand houden van het kaliumverschil voortdurend energie.

Resultaat: Resultaat: (a) water verlaat de cel door osmose en de cel krimpt (passief, geen ATP); (b) het hogere kaliumgehalte binnen wordt gehandhaafd met actief transport tegen de gradiënt in, wat ATP kost. Zo zie je het verschil: met de gradiënt mee is gratis, tegen de gradiënt in kost energie.

Bij een onderzoek meet je de activiteit van een menselijk enzym bij 10, 25, 37 en 50 °C. De activiteit is het hoogst bij 37 °C en bij 50 °C bijna nul. Beschrijf het verband als optimumkromme en verklaar met het sleutel-slotmodel waarom de activiteit van 10 naar 37 °C stijgt en daarna sterk daalt.

1. 01Stap 1 — Beschrijf de stijging tot het optimum

   Van 10 naar 37 °C neemt de temperatuur toe. Daardoor bewegen het enzym en het substraat sneller en botsen ze vaker, zodat er per seconde meer substraat in het actief centrum past en wordt omgezet. De activiteit stijgt dus.

2. 02Stap 2 — Benoem het optimum

   Bij 37 °C is de activiteit het hoogst: dit is de optimumtemperatuur. Dat juist 37 °C het optimum is, past bij een menselijk enzym, want dat is de lichaamstemperatuur.

3. 03Stap 3 — Verklaar de daling na het optimum

   Boven 37 °C wordt het enzym, dat een eiwit is, door de hitte beschadigd: de ruimtelijke vorm verandert, ook die van het actief centrum. Het substraat past dan niet meer als een sleutel in het slot, dus de activiteit daalt sterk. Dit heet denaturatie en is meestal onomkeerbaar.

4. 04Stap 4 — Vat samen als optimumkromme

   Het verband is een optimumkromme: eerst een stijging (snellere en frequentere botsingen), een top bij de optimumtemperatuur, en daarna een scherpe daling (denaturatie). Bij 50 °C is het enzym grotendeels gedenatureerd, dus is de activiteit bijna nul.

Resultaat: Resultaat: de activiteit stijgt tot een top bij 37 °C doordat een hogere temperatuur de botsingen tussen enzym en substraat versnelt, en daalt daarna sterk doordat het enzym denatureert en het substraat niet meer in het actief centrum past. Dit kenmerkende verloop is de optimumkromme.

Bekijk drie processen in een cel: (a) het aan elkaar koppelen van aminozuren tot een eiwit, (b) het afbreken van glucose met zuurstof in het mitochondrion, en (c) de natrium-kaliumpomp die ionen tegen de gradiënt in verplaatst. Geef per proces aan of het assimilatie of dissimilatie is (of geen van beide) en of het ATP kost of oplevert, en beschrijf de rol van ATP.

1. 01Stap 1 — Proces (a): een eiwit opbouwen

   Uit kleine bouwstenen (aminozuren) wordt een groot, lichaamseigen molecuul (een eiwit) gemaakt. Dat is opbouw, dus assimilatie. Opbouw kost energie, dus dit proces verbruikt ATP.

2. 02Stap 2 — Proces (b): glucose afbreken

   Een energierijk molecuul (glucose) wordt met zuurstof afgebroken tot koolstofdioxide en water. Dat is afbraak, dus dissimilatie. Hierbij komt energie vrij die wordt vastgelegd in ATP: dit proces levert ATP.

   $$\text{glucose} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{ATP}$$
3. 03Stap 3 — Proces (c): de natrium-kaliumpomp

   Ionen tegen de concentratiegradiënt in verplaatsen is actief transport. Het is geen op- of afbraak van grote moleculen, dus geen assimilatie of dissimilatie, maar het kost wel ATP — zoals al het actieve transport.

4. 04Stap 4 — De rol van ATP

   ATP is de energiedrager die de processen koppelt: de dissimilatie van glucose (b) maakt ATP aan, en dat ATP levert de energie voor de opbouw (a) en voor het actieve transport (c). Zo betaalt de afbraak voor de opbouw en het transport.

Resultaat: Resultaat: (a) assimilatie, kost ATP; (b) dissimilatie, levert ATP; (c) actief transport, kost ATP. ATP is de schakel: de dissimilatie laadt ATP op, en de assimilatie en het actieve transport ontladen het weer — de afbraak levert zo de energie voor de opbouw en het transport.