Naam: Steven Werbrouck Klas: 501 Nr.: 29
Vak: Biologie Leerkracht: Dhr. Martin Datum: 05 - 10 - 1999
De cel
Steven Werbrouck
Inhoudstabel 1. Inleiding: De geschiedenis van een cel 2. Wat is een cel? 3. Practicum 1: Bouw van cellen 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
Celbegrenzing: Ui Chloroplasten: Waterpest Aminoplasten: Aardappel Centrale vacuole: Rabarbersteel Celkern: Ui - Monddekweefsel
4. Practicum 2: Aantonen van koolstofverbindingen 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
Aantonen van glucose Aantonen van zetmeel Aantonen van cellulose Aantonen van lipiden Aantonen van proteïnen
5. Bouw van de cel 5.1 Grootte 5.2 Membraan 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4
Eiwitten Fosfolipiden Cholesterol Aparte structuren
5.3 Celwand 5.4 Celkern 5.4.1 5.4.2
Grootte en bouw Chromosomen
5.5 Cytoplasma 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.5.6 5.5.7 5.5.8 5.5.9
Cytoplasma Cytoskelet Endoplasmatisch reticulum Golgicomplex Lysosomen Vacuole Mitochondriën Centrosoom Plastiden
6. Vergelijking plantencel - dierencel 7. Extra: microscopen 7.1 Lichtmicroscoop 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4
Wat? Geschiedenis Bouw Vergroting
7.2 Elektronenmicroscoop 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4
Wat? Geschiedenis Bouw Vergroting
1
De cel
Steven Werbrouck
1. Inleiding: De geschiedenis van de cel De Engelse onderzoeker Robert Hooke bestudeerde in 1667 dunne plakjes flessenkurk onder de microscoop. Hij zag dat het materiaal opgebouwd was uit kamertjes, zoals de cellen van een honingraat zijn geschikt. Dit bevestigde zijn celtheorie die hij al eerder in 1665 had geschreven (Micrographiae). Hij noemde de deeltjes cellulae. In de volgende jaren vond men overeenkomstige structuren in ander plantenmateriaal. De cellen waren gevuld met wat werd beschreven als een slijmerige vloeistof. Robert Brown vond hierin een lichaampje, de celkern. Ook bij dierlijk materiaal werden de slijmerige vloeistof en de celkern gevonden. Theodor Schwann kwam tot het inzicht dat alle De flessenkurk die de 17de-eeuwse Engelse onderzoeker Robert Hooke onderzocht, is afkomstig van de dikke buitenste schorslagen van deze kurkeik (Quercus suber). Door een fijne doorsnede kurk onder een microscoop te leggen, kwam hij tot de conclusie dat het kurk ingedeeld was in verschillende kamertjes, die hij 'cellulae' noemde.
organismen uit deze twee eenheden zijn opgebouwd. Deze Duitse bioloog was, samen met M.J. Schleiden, de eerste die stelde dat alle plantaardig en dierlijk leven zich afspeelt in cellen, die tot op zekere hoogte een eigen leven leiden naast hun aanwezigheid in het levend organisme. Schwann introduceerde de begrippen metabolisme en cytoblastema. Dit laatste kennen we nu beter als cytoplasma.
2
De cel
Steven Werbrouck
2. Wat is een cel? Alle levende organismen zijn opgebouwd uit functionele eenheden, cellen. Een cel is de kleinste eenheid die zelfstandig kan groeien en vermenigvuldigen. Levende wezens kunnen uit één cel bestaan, zoals bacteriën en amoeben, of zijn meercellig, zoals planten, insecten, zoogdieren... Meercellige organismen zijn bovendien samengesteld uit verschillende soorten cellen. De cellen zijn dan georganiseerd in weefsels, die op hun beurt weer gegroepeerd zijn tot organen met specifieke functies. Een mens begint zijn biologisch bestaan als één enkele bevruchte eicel en groeit uit tot ongeveer 10.000.000.000.000 (tienduizend miljard) cellen. Elke cel is als een fabriek. Alle chemische gebeurtenissen die een rol spelen bij de groei en de activiteiten van de cel worden bij elkaar gehouden door een membraan. In en doorheen die celmembraan steken moleculen (eiwitten) die de cel vastmaken aan haar omgeving en zorgen voor de communicatie. Verschillende activiteiten in een cel grijpen plaats in aparte ruimtes, vaak door een membraan omgeven. We noemen die ruimtes organellen. Zo gebeurt bijvoorbeeld de energievoorziening van de cel vanuit een organel: de mitochondrie. De vloeistof rond de organellen is het cytoplasma. Het 'brein' van de cel is de celkern. Hier bevinden zich de instructies voor het functioneren van de cel. Het cytoplasma en de organellen bevatten een mengsel van moleculen: nucleïnezuren (DNA, RNA), eiwitten, suikers en vetten. Natuurlijk verschillen cellen onderling van elkaar al naar gelang de functie die ze hebben. Sommige cellen bezitten geen echte kern en zijn eenvoudig van bouw. Deze cellen noemt men prokaryoten. Men treft ze aan bij de bacteriën. Alle overige organismen (eencellige en meercellige) bezitten cellen met een kern en een ingewikkeldere bouw. Deze cellen worden eukaryoten genoemd. Het onderzoek van de prokaryote cellen vormt het gebied van de microbiologie; het onderzoek van de eukaryote cel wordt beoefend in de celbiologie.
Er bestaan vele soorten cellen. Ze verschillen qua vorm en grootte al naar gelang hun functie. Hierboven zie je enkele soorten cellen van zowel eenceligen (pantoffeldiertje, dinoflagellaten, diatomeeën en spirocheten) als meercelligen (lymfocyten, erytrocyten, spiercellen en zenuwcellen).
3
De cel
Steven Werbrouck
3. Practicum 1: Bouw van cellen 3.1 Celbegrenzing: Ui stevige, dikke celwand met een dunne cytoplasmamembraan
3.2 Chloroplasten: Waterpest zonder lugol: korreltjes met lugol: de korreltjes kunnen we duidelijk zien aan hun donkergroene kleur
3.3 Aminoplasten: Aardappel zonder lugol: geen zetmeelkorrels te zien met lugol: de zetmeelkorrels zijn te zien door hun blauwzwarte kleur
3.4 Centrale vacuole: Rabarbersteel geen inkleuring nodig: rood gekleurd door een vliesje: centrale vacuole vult het grootste deel van de cel
3.5 Celkern: Ui - Monddekweefsel met lugol: celkern te zien aan de celwand; celkern niet centraal, maar willekeurig langs de celwand
geen inkleuring: de celkern is centraal te zien in de grillige celvorm
4
De cel
Steven Werbrouck
4.1 Practicum 2: Aantonen van koolstofverbindingen 4.1 Aantonen van glucose Techniek: We maken in een proefbuisje een oplossing van wat glucose in water. Het clinistix-teststrookje toont een donkerblauwe kleur aan. Toepassingen: We testen enkele producten op hun glucosegehalte: eigeel: matig eiwit: weinig gras: heel weinig appel: veel
4.2 Aantonen van zetmeel Techniek: We mengen in een proefbuisje wat oplosbaar zetmeel in water. Daarna voegen we er enkele druppeltjes lugol (KI.I2) aan toe. We merken dat de oplossing blauwzwart kleurt. Toepassingen: Bij het inkleuren van een cel van een aardappel met lugol, merken we enkele blauwzwarte korreltjes, de aminoplasten (zie hoger). Aardappel is dus rijk aan zetmeel.
Bij een nog niet ingekleurde waterpestcel zien we al de bladgroenkorreltjes. Wanneer we de cel inkleuren met lugol worden ze donkerder groen. We zien geen nadrukkelijke blauwzwarte kleur, in waterpest zit er dus maar weinig zetmeel.
4.3 Aantonen van cellulose Techniek: We nemen een stukje asvrij filtreerpapier (dit bestaat voor 100% uit cellulose). We brengen hierop 1 druppel Cl-Zn-I aan. Aan de randen van de aangebrachte druppel zien we een blauwe, donkere verkleuring. Toepassingen: 1. Wanneer we een fijne, horizontale coupe van het vliermergtakje snijden en het inkleuren met Cl-Zn-I, zien we opnieuw een blauwe celwand. De cellen van de vliermerg bevatten dus cellulose. 2. Wanneer we hetzelfde proberen met monddekweefsel, zien we echter geen kleurverandering. Het monddekweefsel is niet opgebouwd uit cellulose.
4.4 Aantonen van lipiden Techniek: Om lipiden aan te tonen, gebruiken we de Sudan-III-test. Dit kleurt donkerrood, wanneer het in contact komt met vetstoffen.
5
De cel
Steven Werbrouck
Toepassing: We nemen een dun vliesje van een Aucubablad en kleuren het in met Sudan-III. We zien kleine, donkerrode puntjes in de cellen. Dit zijn vetdruppeltjes. Hiernaast zie je een tekening van een huidmondje van het blad.
4.5 Aantonen van proteïnen Techniek: We maken een eiwitoplossing en testen het met een albustixteststrookje. We vergelijken met de referentiekleuren op het flesje: >20 Biureettest: Techniek: We voegen bij een eiwitoplossing 1ml 40% NaOH en enkele druppels CuSO4 1%. We merken een paarse kleuring. Toepassing: We passen bovenstaande techniek toe op fijngeplet meel van maïs en zien dezelfde verkleuring. In maïs is er dus eiwit aanwezig. Ninhydrinetest: Techniek: We voegen bij een eiwitoplossing enkele ml ninhydrineoplossing toe en plaatsen het in een kokende warmwaterbak. Na enkele minuten zien we een paarse oplossing. Toepassingen: We doen dezelfde test bij enkele ander producten: maïs: lichtpaars brood: paarsblauw banaan: paarsblauw
6
De cel
Steven Werbrouck
5. Bouw 5.1 Grootte De grootte van cellen is zeer variabel. De grootste cel die we kennen is een ei, maar meestal zijn cellen enkel zichtbaar door een microscoop. Een typische cel is ongeveer 0,1 tot 0,01 millimeter groot. Plantencellen verschillen sterk met dierencellen qua grootte en vorm. Afzonderlijke dierlijke cellen zijn gewoonlijk bolrond of spoelvormig. Sommige dierencellen hebben zelfs geen vaste vorm, maar zijn variabel, zoals de amoeboïde cellen uit het bloed. De kleinste dierlijke cellen zijn ongeveer 4µm in diameter. Plantencellen hebben een bolronde, cilindrische, kubus-, plaat- of vezelvormige structuur. Gemiddelde afmetingen zijn 15 tot 100µm. In de cel vinden we de celkern en tientallen organellen. De celkern is ongeveer 0,01 millimeter groot, de meeste organellen zijn ongeveer tien keer kleiner. Organellen zien we bijgevolg enkel met een elektronenmicroscoop. Zij zijn op hun beurt opgebouwd uit moleculen. Moleculen zijn de kleinste deeltjes van een stof die nog chemische eigenschappen van die stof vertonen. Eiwitten en DNA zijn voorbeelden van reuzenmoleculen. Ze zijn opgebouwd uit kleinere moleculen zoals suikers, basen en aminozuren. Dit is wat de biochemicus bestudeert. De groottes hiervan zijn enkele tientallen nanometers. De grootte van atomen, de bouwstenen van de moleculen, wordt gemeten in tienden van een nanometer. Typische afmetingen zijn hier aangegeven van de mens tot het atoom. Op de verticale lijn zijn afmetingen aangeduid in millimeter. De schaal is logaritmisch: elk lang vermenigvuldigt de afmetingen met 10.
7
De cel
Steven Werbrouck
5.2 Celmembraan Iedere dieren- of plantencel wordt omgeven door een celmembraan. De celmembraan is als een barrière tussen de celinhoud (het intracellulaire) en de omgeving van de cel. Het bestaat uit eiwitten en fosfolipiden. Ook cholesterol vinden we in een celmembraan terug. De eiwitten worden onderverdeeld in twee groepen. De intrinsieke of integrale eiwitten bevinden zich geheel of gedeeltelijk in de fosfolipidedubbellaag. Sommige van deze eiwitten steken zelfs dwars door de dubbellaag heen. In dat geval spreken we van een transmembraaneiwit. De dubbellaag van de fosfolipiden hebben een dikte van 8 tot 10 nanometer. Hun hydrofiele groepen zijn naar buiten gekeerd, terwijl de hydrofobe vetzuurstaarten naar elkaar toe zijn gericht. Deze dubbellaagstructuur is met behulp van de elektronenmicroscoop goed waarneembaar. We zien een witte band met donkere lijnen. De hydrofiele kopjes (wateraantrekkend, dus polair) vormen de donkere lijnen, de hydrofobe staartjes (waterafstotend, dus apolair) de witte band. De cholesterolmoleculen van de celmembraan regelen samen met de fosfolipiden de vloeibaarheid van het membraan. Bij heel sterke vergroting zien we dat de celmembranen van twee naburige cellen altijd van elkaar gescheiden zijn door een tussenruimte. Maar het is niet altijd duidelijk of deze ruimte opgevuld is met materiaal. De tussenruimte is waarschijnlijk het gevolg van kleine elektrische ladingen aan de buitenzijde van het celoppervlak. Door elektrostatische afstoting van gelijknamige ladingen wordt verhinderd dat de cellen elkaar raken, maar door aantrekking van ongelijknamige ladingen (cellulaire adhesie) is er een samenhang tussen de cellen. Die cellulaire adhesie zorgt zo ook voor de samenhang van weefsels. Meestal zijn er echter wel intercellulaire substanties aanwezig.
Celmembranen bestaan uit een dubbele laag van fosfolipiden, hier afgebeeld als de bolletjes met staarten. Cholesterolmoleculen (paars) zorgen voor versteviging van de dubbellaag. 5.2.1 Eiwitten In kwantitatief opzicht zijn eiwitten de belangrijkste componenten van mens en dier. Ze nemen ongeveer de helft van het drooggewicht in. Bij planten is het eiwitgehalte meestal veel kleiner.
8
De cel
Steven Werbrouck
Kwalitatief zijn eiwitten eveneens heel belangrijk. Bepaalde eiwitten hebben een steunfunctie in de bouw van levende organismen. Hun belangrijkste functie is echter die bij de stofwisseling. Eiwitten werken als een katalysator van de chemische reacties die de levensverrichtingen mogelijk maken. Ze stellen een levende cel in staat tot actief en selectief transport van stoffen van buitenaf. Eiwitten kunnen ook een interne transportfunctie hebben. Hemoglobine in de rode bloedcellen zorgen zo bijvoorbeeld voor het transport van zuurstof van de longen naar andere cellen. Eiwitten als antilichamen, ten slotte, vormen een belangrijk verdedigingsmiddel tegen lichaamsvreemde stoffen. Er is dus ook geen enkele levensvorm bekend die helemaal geen eiwitten bevat. We gaan even dieper in op de bouw van een eiwit. Een eiwitketen is samengesteld uit aminozuren. Deze aminozuren zijn met elkaar verbonden onder vorming van peptidebindingen. De ruggengraatstructuur van een eiwitketen is altijd dezelfde: -NH-CH-CO-. De biologische eigenschappen van de eiwitketen worden dan bepaald door hun verschillende zijketens. Ook de volgorde van de verschillende aminozuren in een De primaire structuur van een eiwitketen is een belangrijk gegeven. Dit noemt men eiwit is de aminozuurvolgorde. de primaire structuur van een eiwit. Deze keten van aminozuren wordt gevormd wanneer een carbonylgroep (een koolstofatoom, C, twee zuurstofatomen, O en een waterstofatoom, H) van één aminozuur via een peptidebinding wordt verbonden met de aminogroep (een stikstofatoom, N, en twee waterstofatomen, H) van een ander aminozuur. Bij de vorming van een peptidebinding komt telkens een watermolecule vrij. Een eiwit heeft ook een secundaire, tertiaire en zelfs een quaternaire structuur. De secundaire structuur wordt gevormd wanneer de aminozuren, die in de primaire structuur liggen, water-
9
De cel
Steven Werbrouck
stofverbindingen vormen. De tertiaire structuur is de ruimtelijke opvouwing. Deze opvouwing vloeit voort uit de interacties tussen de zijketens van de aminozuren onderling (sommige stoten elkaar af, andere trekken elkaar aan) en uit de wisselwerking met omringende watermoleculen. Sommige eiwitten zijn nog samengesteld uit diverse sub-eenheden of polyptideketens. In dergelijke gevallen spreken we van een quaternaire structuur. 5.2.2 Fosfolipiden Een fosfolipide, of fosfatide, is een vetachtige stof die een fosfaat bevat. Het is een opgebouwd uit een hydrofiele kop en een hydrofobe staart (zie tekening). Een celmembraan is opgebouwd uit een dubbele laag van fosfolipiden. Net zoals de eiwitten bezitten de fosfolipiden een zekere beweeglijkheid in het vlak van het membraan. Er vindt daarbij echter geen uitwisseling van moleculen tussen beide helften van de dubbellaag plaats. Fosfolipiden spelen ook een rol in de vloeibaarheid van de celmembraan. De aanwezigheid van bijvoorbeeld onverzadigde vetzuurketens in de fosfolipiden verhoogt de vloeibaarheid van het membraan. Vooral de celmembranen van zenuwcellen zijn rijk aan fosfolipiden. 5.2.3 Cholesterol In sommige membranen, zoals die van de cellen van het hersenweefsel en zenuwcellen, vormt cholesterol een belangrijk bestanddeel. Ze hebben, zoals hoger gezegd, een rol in de celmembraanvloeibaarheid. Het verlaagt de beweeglijkheid van de moleculen in de dubbellaag van fosfolipiden. Daarnaast vormt het een tal van hormonen. Cholesterol komt niet voor in plantaardig voedsel, maar uitsluitend in dierlijk vet, vooral in eieren en orgaanvlees (zoals lever en nieren). Wel bevatten plantaardige voedingsmiddelen soms vetachtige bestanddelen die een cholesterolverhogende werking bezitten. Cholesterol komt in vrij grote hoeveelheden voor in het bloed. Het wordt in verschillende vormen door het bloed getransporteerd. Men onderscheidt het HDL (high density lipoproteïne, de "goede" cholesterol) en LDL (low density lipoproteïne, de "slechte" cholesterol). Een hoog gehalte aan LDL, eventueel gecombineerd met een laag gehalte aan HDL is een risicofactor voor het ontstaan van atherosclerose. Atherosclerose is een vorm van arteriosclerose die lipiden, bindweefsel en soms kalk afzet in de binnenwand van grote slagaderen zoals de aorta (zie afbeelding links + uitleg volgende pagina).
10
De cel
Steven Werbrouck
Atherosclerose, of vernauwing van de slagaders door opeenhoping van plaque binnenin de slagader, kan dodelijk zijn en komt veel voor in ontwikkelde landen. De plaque bestaat voornamelijk uit afzettingen van lipiden, maar ook uit bloedplaatjes, afgestorven spiercellen en ander weefsel. Doordat door plaque de bloedstroom door de belangrijkste slagaders belemmerd raakt, komt de gezondheid ernstig in gevaar. Atherosclerose kan leiden tot een hartafwijking of beroerte en de verstoring van de nier- en darmfunctie. Een ander gevolg van plaque is een slechte bloedcirculatie, die het bewegen van de ledematen bemoeilijkt. Er kunnen deeltjes van de plaque afbreken en met het bloed meestromen, waardoor kleinere bloedvaten geblokkeerd raken. De afzettingen worden steeds dikker en nemen in aantal toe naarmate iemand ouder wordt. Dit is vooral een probleem bij mensen met een hoog cholesterolgehalte in hun bloed. 5.2.4 Aparte structuren In de celmembraan van gespecialiseerde cellen kan men aparte structuren vinden. Cellen van het dunne-darmslijmvlies bijvoorbeeld, die vooral als functie het opnemen van voedingsstoffen hebben, vertonen een aantal uitstulpingen van de celmembraan. Dit noemen we microvilli. Daardoor wordt het vrij aan de darmholte gelegen celoppervlak zeer sterk vergroot. Lichtmicroscopisch is deze structuur waarneembaar als borstelzoom. Opperhuidcellen, die onderling een sterke samenhang moeten vertonen, bezitten vaak demosomen. Dit zijn verdikkingen die brugvormige verbindingen vormen met demosomen van andere celmembranen. Bij dierlijke cellen vinden we op de celmembraan een glycocalix terug. Dit zijn vertakte saccharidemoleculen. De glycocalix van een dierlijke cel zorgt ervoor dat cellen onderling elkaar kunnen herkennen. Zo ontstaat er een soort communicatie tussen de cellen.
11
De cel
Steven Werbrouck
5.3 Celwand Enkel plantencellen kunnen een celwand hebben. Het is een structuur buiten de celmembraan die een stevig omhulsel vormt voor de cel en bijgevolg de vorm ervan bepaald. Verschillende cellen zijn door celwanden aan elkaar gehecht. Het geheel van alle celwanden draagt bij tot de stevigheid van de plant. Na deling van een cel ontstaat er een scheiding tussen de twee nieuwe cellen. De eerste wand, of primaire celwand, bestaat uit pectine. Pectine is een geleivormige stof die tot de koolhydraten behoort. Later wordt aan weerszijden van de scheiding van de twee dochtercellen cellulose (C6H10O5)n afgezet. Dit zorgt voor de stevigheid van de celwand. Cellen groeien ofwel in alle richtingen vrij gemakkelijk, ofwel groeien ze vooral in één richting. In beide gevallen groeien de celwanden doordat nieuwe cellulosemoleculen tussen de al aanwezige worden ingeschoven. Diktegroei van de wand van volwassen cellen vindt plaats door afzetting van nieuwe lagen cellulosemoleculen op de oude. Wanneer de cel niet meer groeit, gaat het cytoplasma de primaire celwand verdikken. Het vormt chemische stoffen, zoals lignine (of houtstof), maar ook suberine (of kurkstof). Op bepaalde punten blijft de verdikking achterwege, de celwand blijft daar heel dun. We noemen die plaatsen stippels. Zij maken vloeistofcommunicatie tussen naburige cellen mogelijk. Al naar gelang hun vorm kunnen we drie soorten stippels onderscheiden: gewone stippels, spleetstippels en hofstippels. Gewone stippels komen voor in parenchym. Dit is een plantaardig weefsel die bestaat uit regelmatige, ongespecialiseerde cellen met dunne wanden. Parenchym is het voornaamste bestanddeel van merg en schors van stengels en wortels, van bladgroenhoudend weefsel en van vruchtmoes. Spleetstippels vind je terug in vezels en hofstippels in vaten. De verdikkingen van een celwand zijn dikwijls doorboord door plasmodesmen. Dit zijn plasmatische verbindingen tussen naburige cellen.
Hier zie je een afbeelding van de bouw van een plantencel. Al de structuren samen worden omgeven door een stevige celwand die de cel beschermt en de vorm handhaaft.
12
De cel
Steven Werbrouck
5.4 Celkern 5.4.1 Grootte en bouw De celkern is het grootste en duidelijkste lichaampje in iedere cel. Meestal is de kern bolrond, maar soms is ze ook langgerekt. Bij de meeste organismen vind je per cel één kern. Bij sommige cellen vind je er echter geen (zie hoger: prokaryoten) en bij andere vind je er dan weer meerdere per cel. Bij deze laatste soort spreken we dan van coeloblasten. De grootte van een celkern ligt meestal tussen ca. 5 tot 20 µm. Toch heb je celkernen die groter of kleiner zijn. De kernen bij schimmels zijn zeer klein: tot 0,5 µm. Enkele vertegenwoordigers van de Leliefamilie hebben daarentegen cellen met heel grote kernen: ca. 50 µm. De grootste kernen worden gevonden in de eicellen van enkele palmvarens: tot ca. 600 µm. Een celkern is omgeven door een membraan. In de membraan komen poriën voor. De De meeste cellen hebben een celkern: een aparte membraan houdt de celvloeistof structuur waarin zich chromosomen bevinden die of karyolymfe bij elkaar. In de de genetische blauwdruk vormen van een cel. De kernvloeistof vinden we de kern is gescheiden van het cytoplasma van de cel chromosomen en één of meer door een tweelagig membraan, dat kernmembraan kernlichaampjes of nucleoli. wordt genoemd en bestaat uit kernplasma. De kernEen kernlichaampje bestaat uit poriën, aan de buitenkant van het kernmembraan, een dichte, korrelige materie. zorgen voor de uitwisseling van celmateriaal tussen Het is niet door een membraan het kernplasma en het cytoplasma. gescheiden van de rest van de kern. 5.4.2 Chromosomen Een chromosoom is een draadvormige structuur in de celkern die de erfelijke eigenschappen draagt. Chromosomen worden enkel zichtbaar tijdens de kerndeling. Ze bestaan voornamelijk uit DNA (desoxyribonucleïnezuur) en eiwitten. De mens heeft in zijn cellen 23 chromosomenparen: 22 autosomen Chromosomen bevatten de genetische blauwdruk van een specifiek organisme. Deze 23 paren chromosomen van een mens zijn onderverdeeld in acht verschillende groepen, al naar gelang hun grootte en hun vorm. Van de 46 chromosomen zijn er 23 afkomstig van de moeder en 23 van de vader. (chromosomen die zowel de man als de vrouw hebben) en 1 paar geslachts-chromosomen: een X- en een Y-chromosoom voor de man of twee X-chromosomen voor de vrouw. Bij de chromosomen spreken we van paren, omdat er telkens twee chromosomen dezelfde vorm en lengte hebben. We noemen twee gelijke chromosomen homologe chromosomen.
13
De cel
Steven Werbrouck
Duizenden genen (opslagplaatsen van erfelijke eigenschappen) liggen in de vorm van een lang snoer op het chromosoom. Het chromosoom is een draadvormige structuur van kernzuren en eiwitten. In de chromosomen van de speekselklieren van een fruitvlieg, drosophila, zijn zwartgevlekte horizontale banden zichtbaar, waarvan de betekenis niet geheel duidelijk is. Elk chromosoom heeft een ander bandenpatroon, waaraan het te herkennen is.
Het DNA in de chromosomen is opgebouwd uit vier verschillende soorten bouwstenen: de nucleotiden. Elke nucleotide bestaat uit een stikstofhoudende base, een pentose (groep suikers met 5 koolstofatomen) en een fosfaatgroep. In DNA komen doorgaans slechts de volgende vier basen voor: 1. adenine 2. guanine 3. cytosine 4. thymine Die basen vormen het hart dat binnen de twee spiralen ligt waaruit een DNA-molecule is opgebouwd. Voor een cel zich deelt, maken de twee spiralen, of polynucleotideketens, zich onder de invloed van een bepaald enzym van elkaar los. De gescheiden ketens vormen elk afzonderlijk een matrijs. Uit vrije nucleotiden op die matrijs worden nieuwe complementaire ketens gesynthetiseerd. Dit noemt men replicatie. Het resultaat is dan het ontstaan van twee dubbelspiralen in de DNA-keten. Zo wordt de genetische code doorgegeven aan nieuwe cellen. In tegenstelling tot de prokaryote organismen bepaalt slechts een klein deel van het DNA bij eukaryoten de erfelijke factoren (bij de mens slechts 10 %). Er is nog geen functie voor het niet-coderende DNA bekend. Men schat dat er in totaal 50.000 genen bij de mens zijn, waarvan het merendeel zich in de chromosomen bevindt. Een zeer klein deel licht echter ook in de mitochondriën, en bij een plant ook in de chloroplasten. Nucleïnezuren zijn complexe moleculen die worden geproduceerd door levende cellen en die essentieel zijn voor alle levende organismen. Deze zuren sturen de ontwikkeling van het lichaam vanaf de bevruchting. Zij geven erfelijke informatie door aan de volgende generatie. Dit door de computer gemaakte model toont twee DNA-moleculen, elk bestaande uit twee ketens desoxyribonucleïnezuur (DNA) die spiraalsgewijs om elkaar heen zijn gewikkeld. 14
De cel
Steven Werbrouck
De genetic fingerprint wordt vaak door de politie gebruikt om de verdachte van een misdrijf te identificeren. Het is mogelijk een monster te nemen van een lichaamsvloeistof of weefsel van de verdachte en dit te vergelijken met een monster dat is genomen op de plaats van het misdrijf. Het patroon geeft de erfelijke code van een persoon weer. In het onderstaande voorbeeld komt verdachte S2 overeen met monster E(vs).
Muggen, mammoeten en din nosa saur uri iërs De mogelijkheden om DNA-fragmenten te vermenigvuldigen uit startmateriaal dat niet volledig intact is, inspireerden Michael Crichton tot het schrijven van zijn griezelverhaal Jurassic Parc. Enkel het DNA-fragment dat we willen vermenigvuldigen, moet volledig aanwezig zijn. Het is dus mogelijk DNA te vermenigvuldigen uit bepaalde fossiele resten, zoals insecten ingesloten in amber, mammoeten die in de eeuwige ijsvlaktes ingevroren zijn... Hieruit echter het volledige genoom (= alle genen van de chromosomen samen) van een organisme weer samenstellen, blijft echter wat in Michael Crichtons verhaal is: pure fantasie. Daarvoor zouden we immers miljoenen korte DNA-fragmenten moeten vermenigvuldigen én correct aaneenlijmen. Dit gaat onze mogelijkheden ver te boven. Uit netjes geordende tekstfragmenten in de titel van dit stukje het woord 'dinosauriërs' samenstellen is niet moeilijk. Maar wat als deze woordfragmenten tussen een miljoen andere fragmenten verscholen waren? Dinosauriërs stierven ongeveer 65 miljoen jaar geleden uit. Het is niet zeker dat er uit dinosaurusfossielen na zoveel tijd nog DNA kan worden verkregen. Bij sommige fossielen, waarbij kleine wezens werden ingesloten in amber, is dat wel het geval. Amber ontstaat uit de hars van bepaalde planten. Het heeft de bijzondere eigenschap dat het een organisme perfect kan afsluiten voor water en invloeden van buitenaf. Het is precies water dat in de eerste plaats verantwoordelijk is voor de afbraak van fossiel DNA. Uit insecten die in amber ingesloten waren, zijn al DNA-fragmenten geïsoleerd. Het 'wereldrecord' is de isolatie van DNA uit een langsnuitkever die ongeveer 125 miljoen jaar geleden in de hars sukkelde. Rechtsbovenaan zien we een afbeelding van een dansvlieg van 40 miljoen jaar oud. Er zijn ambers gekend met nog oudere fossiele insecten. Voor de wetenschapper blijft het natuurlijk uniek om fragmenten van de DNA-code van dieren, die lang voor de mensen leefden, te kunnen bestuderen. Glasvezel, polyester en andere kunststoffen zullen wel de voornaamste bouwstenen voor dinosauriërs in diverse pretparken blijven, maar wat dacht u van een prehistorische muggenbeet? (Uit 'het ABC van het DNA', prof. Peter Marynen; fig.: M. Le Ponce, K.B.I.N., Brussel)
15
De cel
Steven Werbrouck
5.5 Cytoplasma 5.5.1
Cytoplasma Het cytoplasma bestaat uit een grondplasma, een waterige oplossing van enzymen en vele ander chemische stoffen. We noemen dit het hyaloplasma. Daarnaast bestaat het cytoplasma uit veel verschillende organellen. Organellen zijn deeltjes van een cel die een of ander functie vervullen. Het cytoplasma vormt samen met de celkern het protoplasma. Deze met een transmissie-elektronenmicroscoop gemaakte opname van een gistcel van Rhodosporidium toyrloides, (midden) toont een aantal organellen. Een donkere, ronde vetachtige substantie bevindt zich onder in de cel, de kern rechts, en een gebogen mitochondrium boven in de
5.5.2 Cytoskelet In het cytoplasma ligt een netwerk van zeer dunne, buisvormige structuren met een doorsnede van ca. 24 nm. We noemen ze microtubuli. Samen met de microfilamenten, dunne eiwitten draden die aan de eiwitten van de plasmamembraan verbonden zijn, vormen ze het cytoskelet. De microtubuli spelen een belangrijke rol bij het tot stand komen en handhaven van de celvorm. Zo kunnen speciale celvorErytrocyten men ontstaan zoals de typische concave vorm van de rode bloedli(rode bloedlichaampjes. Aan microtubuli wordt verder een belangrijke rol toechaampjes) zijn gekend aan het intracellulair transport van organellen. Tijdens de de belangrijkste deling van de celkern zijn ze bijvoorbeeld in de spoelvorm te vintransporteurs van den, waar ze betrokken zijn bij de chromosoombewegingen. Het zuurstof naar de cytoskelet speelt ook een rol bij bewegingen van trilharen en cellen en weefzweepharen. sels van het lichaam. De biconcave vorm van erytrocyten zorgt voor een vergroting van de oppervlakte, zodat de uitwisseling van zuurstof en koolstofdioxide maximaal is. Dankzij het flexibele plasmamembraan kan de erytrocyt zelfs de kleinste haarvaten binnendringen.
16
De cel
Steven Werbrouck
Microtubuli zijn kleine holle buisjes die trilharen, flagellen en andere structuren binnenin een cel ondersteunen. Dit zijn draadachtige voortbewegings- en voedingsorganen die groeien uit de celwand van sommige soorten organismen, bijv. bacteriën (waartoe Proteus mirabilis behoort). De wanden van de buisjes worden gevormd door twee soorten eiwitbolletjes, alfa- en bètatubuline, die samen een dimeer vormen. De dimeren voegen zich samen en winden zich tot een buis van de gewenste lengte. Binnenin iedere trilhaar (kort) of flagel (lang) omringen negen paar microtubuli een tiende, centraal paar. 5.5.3 Endoplasmatisch reticulum Het endoplasmatisch reticulum bestaat uit een netwerk van vertakte buisjes, die door een 'unit membrane' zijn omgeven. Deze buisjes staan in verbinding met de kernmembraan en zijn van belang voor het transport van stoffen binnen de cel. Men onderscheidt twee soorten ER: glad endoplasmatisch reticulum (SER: smooth endoplasmatic reticulum) en ruw endoplasmatisch reticulum (RER: rough endoplasmatic reticulum). Het RER is bedekt met een groot aantal ribosomen, bij het SER ontbreken die. Ribosomen zijn minuscule organellen die bestaan uit ribonucleïnezuur (RNA) en eiwit, en waarop eiwitmoleculen opgebouwd worden. Het zijn de enigste organellen die niet door een membraan zijn omgeven. De eiwitten die in de ribosomen van het RER worden gemaakt, zullen veelal later naar verschillende celorganellen getransporteerd worden, maar kunnen door de cel ook naar buiten gebracht worden in de vorm van een secretieproduct (exocytose). Voordat het eiwit op zijn bestemming komt, moet het eerst voorbij het Golgicomplex. Het grootste gedeelte van de eiwitsynthese binnen de cel vindt plaats op het ruw endoplasmatisch reticulum (ruw ER). Op de buitenste laag van dit membraan, dat uit meerdere lagen is opgebouwd, vindt de eiwitsynthese plaats en daarna worden deze eiwitten buiten de cel afgescheiden. Op de ribosomen (de donkere lichaampjes op het ruw ER) vindt eiwitsynthese plaats. De gevormde eiwitten blijven echter in de cel en spelen een rol bij de stofwisseling. 17
De cel
Steven Werbrouck
5.5.4 Golgicomplex De verdeling van de eiwitten, gevormd in het RER, over hun verschillende eindbestemmingen vindt meestal plaats in het Golgicomplex. Dit is een groepje van door een membraan omgeven kleine holtes waarin de synthese van producten voltooid wordt. We noemen die holtes cisternen. Ze liggen in stapeltjes op elkaar. De stapeltjes noemen we dictyosomen. Ze wijzigen, sorteren en transporteren de producten van het ruwe endoplasmatische reticulum verder. Van het Golgi-apparaatje kunnen zich kleine transportblaasjes afsnoeren en zich verplaatsen naar de buitenmembraan, waarmee zij versmelten. Zo worden door kliercellen bepaalde enzymen en andere klierproducten naar het afvoerkanaal afgescheiden, terwijl bij planten op dezelfde manier bouwstenen voor de celwand op hun plaats belanden. Het Golgi-apparaat bestaat uit een groepje kleine holtes in het cytoplasma van een cel, die zijn omgeven door een membraan. Het Golgi-apparaat zorgt ervoor dat pas gesynthetiseerde eiwitten naar de juiste plaats in de cel worden getransporteerd. 5.5.5 Lysosomen Lysosomen zijn afsnoeringen van het Golgicomplex. Je vindt ze enkel in dierencellen. Ze zijn door een membraan omgeven. Lysosomen zijn rijk aan hydrolasen. Met behulp van deze enzymen kunnen de lysosomen vele stoffen die door de cel worden opgenomen of vanuit de cel zelf afkomstig zijn, afbreken. De afbraakproducten kunnen eventueel opnieuw in de celstofwisseling gebruikt worden. Zo worden de door fagocytose in de cel opgenomen stoffen versmolten met de lysosomen, waardoor hun inhoud verteerd wordt. Dit noemt men heterofagie. De omzetting van celorganellen kan ook door lysosomen uitgevoerd worden. Een versleten mitochondrie bijvoorbeeld kan door een lysosoom verteerd worden. Dit noemt men dan autofagie. Lysosomen vallen samen met enkel ander lichaampjes, zoals fagosomen (afbraak van hoogmoleculair materiaal van buiten de cel), peroxisomen (katalyseert de oxidatie van glycolaat) en glyoxisomen (voor de afbraak van vetten), onder de naam microsomen. 5.5.6 Vacuole De vacuole vult zowat de meeste ruimte van de plantencel. Ze is door één membraan, de tonoplast, van het cytoplasma gescheiden. Ze bevat een waterige oplossing van ionen, suikers, zuren, kleurstoffen... De vacuole van een plantencel vervult zowat de taak van de lysosomen van een dierencel: ze zorgt voor de afbraak van macromoleculen. Ze heeft ook nog ander functies, zoals de opslag van water en reservestoffen. Bij een ééncellige, zoals het pantoffeldiertje, zorgt de voedselvacuole daarvoor. De vacuole is er echter ook het uitscheidingskanaal: ze zorgt voor de waterregeling.
In het pantoffeldiertje bevindt zich een vacuole, die voor de regeling van het waterhuishouden zorgt. 18
De cel
Steven Werbrouck
5.5.7 Mitochondriën De uitwendige vorm van mitochondriën varieert van bolrond tot zeer langwerpig. Een mitochondrie is omgeven door een dubbele membraan. De membranen zijn ongeveer 4 tot 6 nm dik en vormen een tussenruimte van ca. 6 - 9 nm; mitochondriën zijn met een lichtmicroscoop nog net zichtbaar. De buitenste membraan is glad. De binnenmembraan is sterk geplooid, de plooien noemt men cristae. Ze lopen naar het centrum toe en staan ongeveer loodrecht op de wand. Binnen de mitochondrie is er een grondplasma: matrix. Iedere mitochondrie heeft zijn eigen DNA, beschikt over een eigen RNA-synthese en bezit zijn eigen ribosomen. Net zoals de celkern kunnen mitochondriën zich onafhankelijk vermeerderen door middel van deling. Mitochondriën zijn de energiecentrales van de cel. Ze bevatten enzymen die de vorming van energierijk ATP (adenosinetrifosfaat) uit het minder energierijke ADP (adenosinedifosfaat) kunnen versnellen. Dit is een proces van de celademhaling dat men oxidatieve fosforylering noemt. Fosforyleringsprocessen vormen een schakel bij de energieoverdracht in levende wezens. Bij afbraak van voedingsstoffen, zoals koolhydraten en vetten, wordt de daarin aanwezige chemische energie voor een deel omgezet in energierijke fosfaatverbindingen, waarvan ATP de belangrijkste vertegenwoordiger is. Cellen die veel energie verbruiken, zoals spiercellen en kliercellen, bezitten bijgevolg veel mitochondriën.
Mitochondriën zijn worstvormige organellen die men in het hyaloplasma van de cel aantreft. Zij zijn verantwoordelijk voor de productie van energie. Mitochondriën bevatten enzymen die helpen energie uit voedingsstoffen vast te leggen in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP), dat door de cel direct als energiebron gebruikt kan worden.
19
De cel
Steven Werbrouck
5.5.8 Centrosoom Centriolen bestaan uit negen tripletten van microtubuli die met elkaar verbonden zijn tot een holle cilinder. In de meeste gevallen komen deze organellen in paren voor. We noemen één zo'n paar een centrosoom. Centrosomen komen enkel bij dierlijke cellen voor. De lengteassen van de centriolen staan loodrecht op elkaar. Twee centriolen zijn onderling verbonden met elkaar door vezels die uit proteïnen bestaan. Ze spelen een rol bij de vorming van de spoelfiguur tijdens de celdeling. De microtubuli van het cytoskelet zitten aan de centrosoom vast. 5.5.8 Plastiden Plastiden zijn korrelige insluitsels in het cytoplasma van een plantencel, met twee celmembranen. Er zijn verschillende types plastiden: 1. Chloroplasten 2. Leukoplasten 3. Chromoplasten Chloroplasten of bladgroenkorrels zijn groen gekleurd. Ze bevatten chlorofyl. Dit chlorofyl kan licht opvangen, waardoor de fotosynthese kan plaatsvinden. Je vindt de bladgroenkorrels terug in de bladeren en stengels van groene planten. Bij het onderzoeken van bladeren, stengels en andere delen van planten kunnen kleine, groene bolvormige structuren worden waargenomen, die chloroplasten of bladgroenkorrels worden genoemd. Zij zijn hier te zien in de cellen van de wortels van een ui. Chloroplasten zijn essentieel voor de fotosynthese, het proces waarbij door middel van energie uit zonlicht uit water en kooldioxide in aanwezigheid van chlorofylmoleculen zuurstof en suikers worden geproduceerd, die door dieren kunnen worden gebruikt. Zonder dit proces zou er te weinig zuurstof in de atmosfeer zijn voor het dierenleven.
Leukoplasten zijn kleurloos. Sommige leukoplasten bevatten enzymen die suikers kunnen omzetten in zetmeel. We noemen ze de amyloplasten. Elaioplasten zetten suikers om tot olie of vet. Leukoplasten worden vooral gevonden in organen waar reservevoedsel wordt opgeslagen, zoals in bollen, knollen, wortelstokken, vruchten en zaden... Chromoplasten bevatten kleurstoffen en kleuren plantendelen zoals bloemen, vruchten en wortels. De kleurstoffen, carotenoïden, zijn vetachtig en lossen niet op in water. Enkele voorbeelden van carotenoïden zijn caroteen (oranje), lycopeen (rood) en xanthofyl (geel). Plastiden bevatten een eigen DNA waarin de erfelijke eigenschappen gelegen zijn. Soms worden de eigenschappen dus alleen via de eicel aan de volgende generatie doorgegeven. De ver20
De cel
Steven Werbrouck
schillende types plastiden kunnen in elkaar overgaan. Zo kunnen chloroplasten veranderen in chromoplasten, tijdens het rijpen van bijvoorbeeld een tomaat, of kunnen leukoplasten overgaan tot chloroplasten, zoals het groen kleuren van een aardappel in contact met het licht.
21
De cel
Steven Werbrouck
6. Vergelijking plantencel - dierencel PLANTENCEL
DIERENCEL
ca. 15 tot 100 µm bolvormig, cilindrisch, plaatvormig of vezelvormig
ca. 4 µm tot 100 µm meestal bolrond, spoelvormig of grillig
CELBEGRENZING
celwand + celmembraan
enkel celmembraan
CELKERN
geen grote verschillen
VACUOLE
centrale vacuole
ev. kleine vacuolen
PLASTIDEN
aanwezig
niet aanwezig
CENTROSOMEN
niet aanwezig
aanwezig
COMMUNICATIE
stippels aan celwand
glycocalix aan celmembraan
AFBRAAK STOFFEN
centrale vacuole
lysosomen
GROOTTE VORM
22
De cel
Steven Werbrouck
DIERLIJKE CEL
PLANTENCEL Net als dierlijke cellen zijn plantencellen onderverdeeld in met membranen omsloten structuren. Het kernmembraan vormt de scheidingswand tussen het erfelijk materiaal (chromosomen) en het cytoplasma van de cel. Mitochondriën maken uit voedingsstoffen energie vrij die de plant kan gebruiken. In tegenstelling tot dierlijke cellen bevatten plantencellen ook chloroplasten: organellen die in staat zijn suikers te vormen uit kooldioxide, water en zonlicht. Anders dan dierlijke cellen bezit de plantencel een celwand, die cellulose bevat en nogal stug is. Volwassen plantencellen bezitten een enkele vacuole, die met vloeistof is gevuld en vrij groot is.
Een dierlijke cel is van binnen door membranen onderverdeeld in compartimenten. De energieproducerende mitochondriën zijn duidelijk zichtbaar, evenals de gelaagde membranen van het gladde (vet producerende) en ruwe (eiwit producerende) endoplasmatisch reticulum. In het Golgi-apparaat worden eiwitten in blaasjes verpakt om door de membranen heen te worden getransporteerd. Lysosomen bevatten enzymen die sommige moleculen afbreken wanneer ze de cel binnenkomen. Het erfelijk materiaal van de cel (chromosomen) wordt omsloten door het kernmembraan.
23
De cel
Steven Werbrouck
7. Microscopen 7.1 Lichtmicroscoop 7.1.1 Wat Met de term microscoop zonder meer wordt vrijwel altijd de uit een objectief en een oculair samengestelde optische microscoop bedoeld, in tegenstelling tot de elektronenmicroscoop. Met een lichtmicroscoop kan men zeer kleine voorwerpen en structuren sterk vergroot waarnemen door ze onder een lens te verlichten Bij min of meer doorzichtige voorwerpen schijnen de lichtstralen van onderaan door het voorwerp zelf heen. Bij ondoorzichtige voorwerpen (vb. metalen, gesteenten) past men zijdelingse verlichting toe of verlicht men het voorwerp van bovenaan.
Antonie van Leeuwenhoek werd geboren in Delft op 24 oktober 1632 en stierf eveneens in Delft op 26 augustus 1723.
7.1.2 Geschiedenis Antonie van Leeuwenhoek was de eerste die van het principe van de microscoop gebruik maakte, hoewel Antonie van Leeuwenhoek geen wetenschappelijke opleiding had genoten. Zijn microscopen waren bolvormige lensjes met zeer korte brandpuntsafstand. Deze lensjes werden vlak voor het oog gehouden, terwijl het voorwerp zich vlak achter de lens bevond. Van Leeuwenhoek slaagde er met zijn eenvoudige microscoop in een objectief 500 keer te vergroten en zo eencellige diertjes en rode bloedlichaampjes zichtbaar te maken. 7.1.3 Bouw De microscoop bestaat uit twee gescheiden lenzensystemen: één aan de zijde van het voorwerp, het objectief, en één aan de zijde van het oog, het oculair. Ze bevinden zich in een metalen cilinder, de tubus. Om de microscoop in te stellen, wordt ofwel de tubus, ofwel de voorwerpstafel op en neer bewogen. Twee tot zes objectieven met verschillende vergrotingen kunnen door middel van een revolver afwisselend in de optische as worden geplaatst. Het voorwerp wordt gemonteerd op een glazen plaatje (het voorwerpsglas) en met een middenstof afgedekt door een dun glaasje (het dekglaasje). Onder de voorwerpstafel bevindt zich een derde lenzenstelsel, de condensor. Deze maakt van de lichtstralen een sterke bundel, die het voorwerp helder verlicht. Meestal is er ook een diafragma-opening. Dit diafragma heeft een instelbare diameter, zodat slechts dat deel van het voorwerp wordt verlicht dat men wil bekijken.
Met twee bolle lenzen kunnen we al een lichtmicroscoop maken (zie afbeelding op de volgende pagina). Elke lens brengt de lichtstralen samen die er doorheen gaan. De eerste lens, het objectief, bevindt zich aan de zijde van het te bestuderen voorwerp. Het objectief vormt een vergroot en omgekeerd (ondersteboven) beeld. Dit heet een echt beeld, omdat de lichtstralen eigenlijk door de plaats gaan waar het beeld ligt. Dit beeld is te zien door de tweede lens, die simpelweg functioneert als een vergrootglas. Deze lens, het oculair, is zo geplaatst dat de lens geen tweede echt beeld vormt, maar wel de lichtstralen beter verspreidt. Wanneer de stralen dan het oog van de waarnemer bereiken, lijkt het alsof ze van een groot omgekeerd beeld achter het objectief komen. Omdat lichtstralen hier niet werkelijk doorheen gaan, wordt het beeld virtueel genoemd.
24
De cel
Steven Werbrouck
7.1.4 Vergroting Met een lichtmicroscoop kunnen details worden waargenomen die 0,0002 mm van elkaar gescheiden zijn of die een diameter van die lengte hebben. Voor het blote oog bedraagt die waarde slechts 0,2 mm. Het scheidend vermogen van de lichtmicroscoop is dus duizendmaal zo hoog als dat van het oog, waardoor het beeld ook duizendmaal wordt vergroot. Bij voortdurende pogingen om de optische microscoop te verbeteren, bleek dat de resolutie niet alleen wordt beperkt door het aantal lenzen en hun kwaliteit, maar ook -en vooral- door de golflengte van het licht. Wetenschappers constateerden inderdaad dat het scheidend vermogen rechtstreeks van de golflengte afhankelijk is. Hoe korter de golf, hoe beter de resolutie. Doordat het lichtspectrum geen golven korter dan 380 nm bevat, bleek het ten slotte onmogelijk in het object details kleiner dan enkele honderden nanometer te onderscheiden. Voor de lichtmicroscoop was de ultieme grens bereikt.
7.2 Elektronenmicroscoop 7.2.1 Wat Een elektronenmicroscoop is een microscoop waarin gebruik wordt gemaakt van een bundel elektronen. Daardoor zijn er met een elektronenmicroscoop meer details waar te nemen dan met een lichtmicroscoop. De meest gebruikte elektronenmicroscopen zijn transmissie-elektronenmicroscopen en de scanning-elektronenmicroscopen. De transmissie-elektronenmicroscoop heeft een groot scheidend vermogen, maar een kleiner scherptediepte. Bij scanningelektronenmicroscopie worden elektronen weerkaatst op de oppervlakte van een object in
25
De cel
Steven Werbrouck
plaats van er doorheen gestuurd te worden. Deze techniek is daarom bijzonder geschikt voor studie van de oppervlakte van biologische structuren. 7.2.2 Geschiedenis In de jaren twintig ontdekte de Franse natuurkundige Louis de Broglie dat naast het licht ook de elektronen zich als golven gedragen. Alleen was hun golflengte honderdduizend keer zo klein als die van het licht. Ook werd aangetoond dat elektrische en magnetische velden de elektronen kunnen afbuigen en bundelen, net zoals lenzen dat met lichtstralen doen. De grens van de microscopie kon ineens spectaculair worden verlegd. De speurtocht naar het allerkleinste kon beginnen. Ernst Ruska slaagde erin de theoretische ontdekkingen van de Broglie experimenteel aan te tonen en aan de hand van die resultaten de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) te ontwerpen. De in Hongarije geboren Belgische fysicus C. Marton deed in 1934 met een door hem zelf gebouwde elektronenmicroscoop in Brussel de eerste biologische waarnemingen.
Dit is een transmissieelektronenmicroscoop met een scheidend vermogen van 0,3 nm. Het resultaat van de chemische analyse van het preparaat wordt op de monitor weergegeven.
7.2.3 Bouw De transmissie-elektronenmicroscoop lijkt op een lichtmicroscoop. De microscoopkolom bestaat uit een elektronenkanon, een condensorsysteem, een objectief, een vergrotingssysteem en een fluorescentiescherm. De elektronen uit het elektronenkanon komen in het condensorsysteem. Dit bestaat uit één of twee rotatiesymmetrische magnetische lenzen. De condensorlenzen concentreren de elektronenbundel op het preparaat dat zich in de objectieflens bevindt. De meeste elektronen schieten door het preparaat heen. Een gedeelte van de elektronen wordt in het preparaat verstrooid. De verstrooide elektronen worden weggevangen met een objectiefdiafragma. Het beeld dat de objectieflens maakt, wordt door drie, vier of vijf lenzen vergroot en ten slotte geprojecteerd op een fluorescentiescherm. Het beeld kan ook fotografisch of via een tv-systeem worden vastgelegd.
26
De cel
Steven Werbrouck
7.2.4 Vergroting Het scheidend vermogen dat voor de moderne transmissiemicroscopen wordt opgegeven is ca. 0,2 nm. De voorbije jaren werd koortsachtig gewerkt om het scheidend vermogen van de elektronenmicroscoop op te voeren tot 0,1 nm of 1 angström, wat vergrotingen van meer dan één miljoen keer mogelijk maakt. Die magische grens is altijd een droom geweest. Bij 0,1 nm wordt het immers mogelijk individuele atomen waar te nemen en atomaire structuren te analyseren. Die droom werd onlangs verwezenlijkt in het gereputeerde Centrum voor Elektronenmicroscopie van het RUCA (zie kader op vorige pagina).
Vergelijking van een lichtmicroscoop (links) met een transmissie-elektronenmicroscoop (midden) en een scanning-elektronenmicroscoop.
27
De cel
Steven Werbrouck
Bibliografie -
Carneiro J. / Junqueira L.C. - Higher Biologie - Uitgeverij Bunge Casteels V. / Evens M. / Geuns J. / Vandendries H. - Macro/Micro in de Biologie 5 Uitgeverij Plantyn (1994) Delbaere M. / Dubois D. - Biologie 5 - Standaard Educatieve Uitgeverij (1995) Kardon Randy H. / Kessel Richard G. - Cellen, Weefsels, en Organen - Uitgeverij Natuur en Techniek (1983) Larousse Pierre - De Kleine Larousse in kleur - Uitgeverij Heideland-Orbis (1985) Marynen P. / Waelkens Siska - Het ABC van het DNA - Uitgeverij Davidtsfonds (1996) Strengers P.F.W. / van Aken W.G. - Bloed, van magie tot wetenschap - Uitgeverij Natuur en Techniek (1994) Torrance James - Higher Biologie - Uitgever Edward Arnold vanden Eynde Urbain - Eos nr. 12, december 1997 - nv Cascade Encarta 99 Encyclopedie Winkler Prins Editie (1999) Het Spectrum Electronic Publishing (1998)
28
