Biologie bovenbouw · Grades 10–12

1De chemische samenstelling van levende wezens

Laat een boterham te lang op de grill liggen en hij wordt zwart: wat overblijft is vooral koolstof. Weeg een vers schijfje appel, droog het een dag in een warme oven en weeg opnieuw: vijf zesde van de massa is als waterdamp verdwenen. Brood, appel, eik, kwal, jij — elk levend wezen is in de grond opgebouwd uit dezelfde korte lijst chemische ingrediënten, en die lijst is niet de lijst waaruit het gesteente bestaat. Dit hoofdstuk haalt levende materie uit elkaar, ingrediënt voor ingrediënt, en vraagt wat haar zo bijzonder maakt.

1.1 Elementen: dezelfde atomen als het gesteente, in andere verhoudingen

Definitie 1.1 (Chemische samenstelling van levende materie)

De chemische samenstelling van een monster levende materie is de lijst van de chemische elementen die het bevat, met voor elk element het deel van de massa van het monster dat het vertegenwoordigt. Zij wordt gemeten door het monster chemisch uit elkaar te halen — verbranden, wegen wat verdampt en wat achterblijft, de vrijgekomen gassen analyseren — niet door ernaar te kijken.

Propositie 1.2 (Vier elementen vormen 96% van een levend lichaam)

Naar massa bestaat levende materie bijna geheel uit vier elementen: zuurstof (O), koolstof (C), waterstof (H) en stikstof (N). In het menselijk lichaam zijn zij goed voor ongeveer 65%, 18.5%, 9.5% en 3.2% van de massa — samen 96%. Calcium, fosfor, kalium, zwavel, natrium, chloor en magnesium delen het grootste deel van de resterende 4%, en een tiental sporenelementen (ijzer, zink, jood, koper…) zijn ver beneden 0.1% aanwezig en toch onmisbaar. Dezelfde vier elementen overheersen in een bacterie, een tarweplant of een walvis, in vergelijkbare verhoudingen.

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎

Dezelfde elementen, twee heel verschillende recepten: massafracties van de belangrijkste elementen in een menselijk lichaam en in het gesteente van de aardkorst (kleine staven dragen geen label: calcium is 1.5% van een lichaam; koolstof is 0.02% van de korst, waterstof 0.14%, stikstof 0.002%; silicium, aluminium en ijzer zijn in een lichaam slechts sporen). Koolstof, waterstof en stikstof zijn overvloedig in levende materie en zeldzaam in gesteente; silicium, aluminium en ijzer precies andersom.

Voorbeeld 1.3 (Levende materie tegenover gesteente)

De aardkorst bestaat eveneens voor 46% uit zuurstof, maar de volgende elementen zijn silicium (28%), aluminium (8%) en ijzer (5.6%). Koolstof maakt 0.02% van de korst uit en stikstof 0.002%, tegenover 18.5% en 3.2% van een lichaam. Een levend wezen is dus geen monster van zijn omgeving: het concentreert enkele elementen met een factor duizend of meer. Die selectie is het eerste chemische kenmerk van leven.

Opmerking 1.4 (Waar de atomen vandaan komen)

Elk van die atomen is doodgewoon: de koolstof van je spieren was koolstofdioxide uit de lucht voordat een plant haar vastlegde, de stikstof van je eiwitten was stikstof uit de lucht voordat bodembacteriën haar invingen. Het bijzondere aan leven zijn niet de atomen, maar de manier waarop ze worden samengevoegd en de verhoudingen waarin ze worden verzameld.

1.2 Water en minerale zouten

Definitie 1.5 (Minerale stof en organische stof)

De moleculen van een levend wezen vallen in twee groepen. De minerale stof bestaat uit moleculen die ook buiten levende wezens voorkomen: water en de opgeloste minerale zouten (ionen zoals $\mathrm{Na^+}$ , $\mathrm{K^+}$ , $\mathrm{Ca^{2+}}$ , $\mathrm{Cl^-}$ , fosfaat en bicarbonaat). De organische stof bestaat uit moleculen die gebouwd zijn op een skelet van koolstofatomen gebonden aan waterstof, en meestal ook aan zuurstof en stikstof — moleculen die op aarde alleen door levende wezens of uit hun resten worden gemaakt.

Propositie 1.6 (Water is de belangrijkste bouwstof)

Water is het meest voorkomende molecuul van elk levend wezen: ongeveer 60% tot 65% van de massa van een volwassen mens, 75% van een pasgeborene, 85% van een appel, 95% van een kwal, maar slechts 13% van een rustende tarwekorrel. Het watergehalte van een monster wordt gemeten door het te wegen, het bij ongeveer $105\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ te drogen tot de massa niet verder daalt, en het opnieuw te wegen: het massaverlies is het water.

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎

Voorbeeld 1.7 (Een schijfje appel drogen)

Een schijfje verse appel met massa $24.0\,\mathrm{g}$ wordt gedroogd tot de massa zich op $3.6\,\mathrm{g}$ instelt. Verloren water: $24.0 - 3.6 = 20.4\,\mathrm{g}$ , dus $20.4/24.0 = 0.85$ , oftewel 85% van de verse massa. De $3.6\,\mathrm{g}$ die overblijven zijn de droge stof: organische moleculen plus minerale zouten. Verbrand die droge stof en er blijft ongeveer $0.1\,\mathrm{g}$ bleke as — de minerale zouten — over; de rest, het organische deel, is als koolstofdioxide en waterdamp verdwenen.

Een vers schijfje appel en hetzelfde schijfje na het drogen: wat overblijft is de droge stof, een zesde van de oorspronkelijke massa. De rest was water.

Propositie 1.8 (Wat water doet)

Water is de plaats waar de chemie van een cel zich afspeelt: het lost zouten, suikers en de meeste kleine organische moleculen op, zodat die elkaar kunnen ontmoeten en reageren; het vervoert ze van de ene plaats naar de andere (bloedplasma bestaat voor 90% uit water, sap voor nog veel meer); en omdat er veel energie nodig is om het te verwarmen, dempt het de temperatuur van het organisme tegen plotselinge schommelingen. Een verlies van 10% van het lichaamswater is een medisch noodgeval; een rustend zaad, op 13%, heeft zijn chemie eenvoudigweg uitgeschakeld tot het water terugkeert.

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎

Voorbeeld 1.9 (Minerale zouten die je kunt noemen)

Calciumfosfaat verstevigt bot en tanden (calcium is 1.5% van de lichaamsmassa, vrijwel alles in het skelet). Natrium- en chloride-ionen bepalen het zoutgehalte van het bloed, dicht bij $9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ ; kaliumionen zijn geconcentreerd in de cellen; ijzer zit in het hart van hemoglobine; jood is nodig om het hormoon van de schildklier te maken. Een mineraal zout is nooit een energiebron, maar een lichaam dat er één mist, faalt bij een nauwkeurig omschreven taak.

1.3 De organische moleculen: vier families

Definitie 1.10 (Koolhydraten, lipiden, eiwitten, nucleïnezuren)

Organische moleculen behoren tot vier families.

De koolhydraten (suikers) bevatten alleen koolstof, waterstof en zuurstof. De enkelvoudige suikers zijn losse eenheden, zoals glucose $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ ; de samengestelde koolhydraten zijn ketens van honderden of duizenden glucose-eenheden — zetmeel en cellulose bij planten, glycogeen bij dieren.
De lipiden (vetten en oliën) bevatten eveneens alleen C, H en O, maar met veel minder zuurstof, en ze lossen niet op in water. De gewoonste zijn de triglyceriden, elk gemaakt van één glycerolmolecuul verbonden met drie lange vetzuurketens.
De eiwitten zijn ketens van aminozuren: twintig typen aminozuur, alle stikstofhoudend, in een nauwkeurige volgorde geregen tot ketens van vijftig tot enkele duizenden eenheden die zich tot een bepaalde vorm vouwen.
De nucleïnezuren (DNA en RNA) zijn ketens van nucleotiden, die naast C, H, O en N ook fosfor bevatten; zij bewaren en geven de genetische informatie door en zijn het onderwerp van Hoofdstuk 3.

De vier families organische moleculen. Elk groot molecuul is een keten van kleine bouwstenen; welke bouwsteen het is, en hoe de keten is gerangschikt, bepalen wat het molecuul doet.

Voorbeeld 1.11 (Een voedingsetiket lezen)

Op een etiket van volkorenbrood staat, per $100\,\mathrm{g}$ : koolhydraten $41\,\mathrm{g}$ (waarvan suikers $3\,\mathrm{g}$ ), vet $3\,\mathrm{g}$ , eiwit $9\,\mathrm{g}$ , vezels $7\,\mathrm{g}$ , zout $1.1\,\mathrm{g}$ . De rest — ongeveer $39\,\mathrm{g}$ — is water. "Koolhydraten" is hier vooral zetmeel, "suikers" zijn de enkelvoudige, "vezels" is cellulose (een koolhydraat dat wij niet kunnen verteren), "vet" zijn de lipiden, "zout" is een mineraal zout. Een etiket is een chemische analyse, afgerond.

Propositie 1.12 (Waar elke familie voor dient)

De families verdelen het werk van een cel, met overlappingen:

koolhydraten zijn de dagelijkse brandstof (glucose) en de voorraad daarvan op korte termijn (zetmeel, glycogeen), en cellulose is het bouwmateriaal van plantaardige celwanden;
lipiden vormen de compacte energievoorraad op lange termijn ( $38\,\mathrm{kJ}$ per gram, tegen $17\,\mathrm{kJ}$ per gram voor koolhydraten en eiwitten), en membraanlipiden vormen de omhulling van elke cel;
eiwitten zijn de machines: de enzymen die elke reactie uitvoeren, de vezels die spieren doen samentrekken, de transporteurs, de antistoffen, de receptoren;
nucleïnezuren bewaren de instructies om de eiwitten te bouwen.

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎

Samenstelling van een volwassen menselijk lichaam naar massa, in procenten. De cijfers variëren met leeftijd en bouw (een slanke atleet draagt minder lipide, een pasgeborene meer water), maar water overheerst altijd en vrij koolhydraat komt nooit boven ongeveer 1%.

Opmerking 1.13 (Grote moleculen en de vorm van het leven)

De moleculen van gesteente zijn klein en eentonig (een kwartskristal is $\mathrm{SiO_2}$ dat zich eindeloos herhaalt). De kenmerkende moleculen van het leven zijn reusachtig — één eiwit kan tienduizend atomen bevatten, een DNA-molecuul miljarden — en informatief: de volgorde van hun bouwstenen draagt een boodschap. Niets in de minerale wereld lijkt op een molecuul waarvan de volgorde iets betekent.

1.4 De bestanddelen aantonen

Methode 1.14 (Standaardproeven voor de families)

Elke familie heeft een eenvoudige proef die een zichtbaar resultaat geeft.

Water: een strookje blauw kobaltchloridepapier wordt roze; of droog het monster en meet het massaverlies.
Zetmeel: een druppel joodoplossing verkleurt van geelbruin naar blauwzwart.
Enkelvoudige suikers (glucose, fructose…): verwarm met de reagens van Fehling of van Benedict; de blauwe oplossing geeft een baksteenrode neerslag.
Eiwitten: de biureetproef — enkele druppels kopersulfaat in alkalische oplossing worden violet.
Lipiden: het monster laat een doorschijnende vlek op papier achter die niet opdroogt; de rode kleurstof Soedan III kleurt haar.
Minerale zouten: verbrand de droge stof volledig; de as die overblijft is mineraal. Afzonderlijke ionen worden aangetoond door neerslag (zilvernitraat voor chloride, bijvoorbeeld).

Voer altijd een controle uit met zuiver water, en één met een monster waarvan de uitslag positief hoort te zijn, om zeker te weten dat het reagens werkt en dat een kleurverandering betekent wat je denkt.

Voorbeeld 1.15 (Een aardappel onderzoeken)

Een schijfje rauwe aardappel: kobaltchloridepapier wordt roze (water); jood kleurt onmiddellijk blauwzwart (zetmeel, in overvloed); Fehling geeft slechts een vage oranje zweem (weinig vrije suiker); biureet geeft een bleek violet (wat eiwit, ongeveer 2% van de verse massa); geen doorschijnende vlek (vrijwel geen lipide). Drogen laat 22% van de massa over; die verbranden laat 1% as over. De aardappel is een zetmeelvoorraad verpakt in water — precies wat een plant nodig heeft om de winter ondergronds te overleven.

Propositie 1.16 (Eenheid van samenstelling)

Wat het organisme ook is — bacterie, paddenstoel, plant, dier — de proeven vinden telkens dezelfde vier families, gemaakt van dezelfde bouwstenen: dezelfde twintig aminozuren, dezelfde glucose, dezelfde vier nucleotiden. Een levend wezen onderscheidt zich niet doordat het bijzondere atomen of bijzondere bouwstenen bezit, maar door de verhoudingen die het in stand houdt, de zeer grote moleculen die het samenstelt en de informatie die die moleculen dragen. Deze chemische eenheid is een van de sterkste argumenten dat alle levende wezens een gemeenschappelijke oorsprong delen, een argument dat Hoofdstuk 6 zal opnemen.

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎

Brood dat te lang op de grill heeft gelegen. De zwarte rest is vooral koolstof: de organische moleculen van het brood hebben hun waterstof en zuurstof als waterdamp en koolstofdioxide verloren, en laten het koolstofskelet achter.

1.5 Oefeningen

Oefening 1.1 ★

Noem de vier elementen die 96% van de massa van een levend lichaam vormen, met hun globale percentages bij de mens.

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.1.

Zuurstof (ongeveer 65%), koolstof (18.5%), waterstof (9.5%) en stikstof (3.2%): samen 96% van de lichaamsmassa.

Oefening 1.2 ★

Verdeel in minerale stof en organische stof: water, glucose, natriumchloride, een triglyceride, calciumfosfaat, een aminozuur, koolstofdioxide.

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.2.

Mineraal: water, natriumchloride, calciumfosfaat, koolstofdioxide (een koolstofverbinding, maar buiten het leven gemaakt en zonder koolstof–waterstofskelet). Organisch: glucose, de triglyceride, het aminozuur.

Oefening 1.3 ★

Een vers slablad met massa $12.0\,\mathrm{g}$ wordt tot constante massa gedroogd: $0.6\,\mathrm{g}$ . Wat is het watergehalte, in procenten?

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.3.

Verloren water $12.0 - 0.6 = 11.4\,\mathrm{g}$ ; $11.4/12.0 = 0.95$ : het blad bestaat voor 95% uit water.

Oefening 1.4 ★

Welke proef zou je gebruiken om aan te tonen dat een boon (a) zetmeel, (b) eiwit, (c) lipiden bevat? Geef telkens het verwachte resultaat.

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.4.

(a) Joodoplossing op het geplette zaad: blauwzwart. (b) Biureetreagens: violet. (c) Plet het zaad op papier: een doorschijnende vlek die niet opdroogt; Soedan III kleurt haar rood.

Oefening 1.5 ★

Geef de bouwsteen van elke familie: koolhydraten, lipiden, eiwitten, nucleïnezuren.

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.5.

Koolhydraten: enkelvoudige suikers zoals glucose. Lipiden: glycerol en vetzuren. Eiwitten: aminozuren (twintig typen). Nucleïnezuren: nucleotiden (vier typen).

Oefening 1.6 ★★

Met de eerste figuur van het hoofdstuk: met welke factor is koolstof sterker geconcentreerd in een menselijk lichaam dan in de aardkorst? En stikstof? Becommentarieer.

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.6.

Koolstof: $18.5/0.02 \approx 900$ keer sterker geconcentreerd. Stikstof: $3.2/0.002 = 1600$ keer. Levende materie is geen monster van haar omgeving: zij verzamelt enkele zeldzame elementen met factoren van duizend, en dat is een chemisch kenmerk van leven.

Oefening 1.7 ★★

Een volwassene met massa $70\,\mathrm{kg}$ bestaat voor 62% uit water. Bereken de massa water in het lichaam, en vervolgens de massa droge stof. Als eiwitten 17% van de lichaamsmassa vormen, hoeveel eiwit is dat?

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.7.

Water: $0.62 \times 70 = 43.4\,\mathrm{kg}$ . Droge stof: $70 - 43.4 = 26.6\,\mathrm{kg}$ . Eiwit: $0.17 \times 70 = 11.9\,\mathrm{kg}$ .

Oefening 1.8 ★★

Een mueslireep bevat per $100\,\mathrm{g}$ : $60\,\mathrm{g}$ koolhydraten, $12\,\mathrm{g}$ lipiden en $8\,\mathrm{g}$ eiwitten. Bereken met de energiewaarden van Propositie 1.12 de energie die $100\,\mathrm{g}$ van de reep levert, en het deel daarvan dat van de lipiden komt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.8.

Koolhydraten $60 \times 17 = 1020\,\mathrm{kJ}$ ; lipiden $12 \times 38 = 456\,\mathrm{kJ}$ ; eiwitten $8 \times 17 = 136\,\mathrm{kJ}$ ; totaal $1612\,\mathrm{kJ}$ , ongeveer $1600\,\mathrm{kJ}$ . Lipiden leveren $456/1612 \approx 28\%$ van de energie met slechts 12% van de massa.

Oefening 1.9 ★★

Er wordt joodoplossing toegevoegd aan een snee brood, aan een plak kaas en aan een klontje suiker. Voorspel telkens het resultaat en verklaar.

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.9.

Brood: blauwzwart — meel is vooral zetmeel. Kaas: geen kleurverandering buiten de eigen tint van het jood — eiwitten en lipiden, geen zetmeel. Suiker: geen verandering — sacharose is een enkelvoudige suiker, geen zetmeel; jood herkent alleen de lange zetmeelketen.

Oefening 1.10 ★★

Waarom brandt de droge stof van een plant, terwijl de as die zij achterlaat dat niet doet? Tot welke stoffamilie behoort elk van beide?

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.10.

De droge stof is grotendeels organisch: koolstof–waterstofmoleculen die zich met zuurstof verbinden en daarbij energie, koolstofdioxide en water vrijmaken. De as bestaat uit de minerale zouten, die al volledig met zuurstof verbonden zijn; daarin kan niets meer branden.

Oefening 1.11 ★★

Er zijn twee oplossingen gegeven: één van glucose, één van zetmeel. De proef van Fehling is alleen positief voor de eerste, jood alleen voor de tweede. Toch is zetmeel uit glucose opgebouwd. Stel een verklaring voor.

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.11.

Het reagens van Fehling reageert met een vrije chemische groep die losse glucosemoleculen dragen; in zetmeel zijn de glucose-eenheden aan elkaar gekoppeld en zitten die groepen opgesloten in de keten, zodat het reagens niets vindt. Jood daarentegen nestelt zich in de lange opgerolde zetmeelketen, die losse glucosemoleculen niet vormen. Elke proef toont een structuur aan, geen element.

Oefening 1.12 ★★★

Een tarwekorrel bevat 13% water; een tarwekiemplant drie dagen na de kieming 88%. Verklaar de verandering, en wat zij zegt over de rol van water in de chemie van de korrel.

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.12.

De korrel heeft massaal water opgenomen. Bij 13% zijn de voorraden vast en kunnen de enzymen niet werken: de chemie van de korrel staat uit en hij overleeft in rust. Water lost de voorraden op, laat de enzymen werken en voert de producten naar het groeiende kiempje: de chemie komt pas op gang zodra water er volop is.

Oefening 1.13 ★★★

Bloedplasma bevat ongeveer $9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ natriumchloride en ongeveer $1\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ glucose. Een patiënt krijgt $500\,\mathrm{mL}$ van een infuusoplossing. Welke massa’s zout en glucose moet die bevatten om plasma te evenaren? Waarom zou zuiver water gevaarlijk zijn?

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.13.

Zout: $9 \times 0.5 = 4.5\,\mathrm{g}$ ; glucose: $1 \times 0.5 = 0.5\,\mathrm{g}$ . Zuiver water zou het plasma verdunnen; er zou dan water de rode bloedcellen binnendringen, die zouden opzwellen en barsten.

Oefening 1.14 ★★★

Lipiden slaan $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ op, glycogeen $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ; bovendien wordt elke gram glycogeen in het lichaam opgeslagen met ongeveer $3\,\mathrm{g}$ water. Iemand draagt $0.5\,\mathrm{kg}$ glycogeen en $10\,\mathrm{kg}$ lipide. Bereken de energie van elke voorraad, en de massa die een lichaam zou moeten dragen om de energie van de lipidevoorraad als gehydrateerd glycogeen te bevatten. Concludeer waarom dieren vet opslaan.

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.14.

Glycogeen: $500 \times 17 = 8500\,\mathrm{kJ}$ . Lipide: $10000 \times 38 = 3.8 \times 10^{5}\,\mathrm{kJ}$ . Om $3.8 \times 10^{5}\,\mathrm{kJ}$ als glycogeen op te slaan: $380000/17 \approx 22.4\,\mathrm{kg}$ glycogeen, plus drie keer die massa aan water, samen ongeveer $90\,\mathrm{kg}$ — meer dan de persoon zelf. Vet slaat per gedragen kilogram ruwweg negen keer meer energie op, en daarom bewaren dieren die zich moeten verplaatsen hun voorraad als lipide.

Oefening 1.15 ★★★

"Levende wezens zijn gemaakt van dezelfde atomen als gesteente, dus is er chemisch niets bijzonders aan leven." Bespreek deze uitspraak in een korte alinea, met drie nauwkeurige argumenten uit het hoofdstuk.

Oplossing

Oplossing van Oefening 1.15.

De atomen zijn inderdaad doodgewoon, maar (1) de verhoudingen niet: levende materie concentreert koolstof duizendvoudig en stikstof nog veel sterker, tegenover een korst van zuurstof en silicium; (2) de moleculen niet: alleen levende wezens rijgen koolstof aaneen tot reuzenketens — eiwitten, zetmeel, DNA — waarvan de omvang geen minerale tegenhanger kent; (3) die moleculen dragen informatie in de volgorde van hun eenheden, en geen enkel kristal doet dat. Leven is chemisch bijzonder in zijn ordening, niet in zijn atomen.

1.6 Probleem: De koolstof in een mens

Probleem 1.1

Weekendprobleem — van een tarweveld tot een lichaam: een boekhouding van materie, van het water in een korrel tot het aantal kilogram koolstof dat een mens draagt

Een klas volgt materie van een tarweveld tot het lichaam van een van de leerlingen. Gegevens: een tarwekorrel bestaat voor 13% uit water, en zijn droge stof voor ongeveer 70% uit zetmeel, 12% eiwit, 2% lipide, 2% mineraal, de rest cellulose. Broodmeel behoudt ongeveer de samenstelling van het binnenste van de korrel. De leerlinge, Lea, heeft een massa van $60\,\mathrm{kg}$ ; gebruik de samenstelling van een volwassene uit de tweede figuur (water 60%, eiwitten 17%, lipiden 16%, mineralen 6%, koolhydraten 1%). Massafracties van de elementen binnen elke familie: neem koolhydraten als 40% koolstof, lipiden als 77% koolstof, eiwitten als 53% koolstof en 16% stikstof.

Deel I — De korrel.

Een korrel met massa $45\,\mathrm{mg}$ wordt gedroogd. Hoeveel water verliest hij, en wat is zijn droge massa?
Bereken de massa’s zetmeel, eiwit en lipide in de droge stof van één korrel.
Welke proeven uit Methode 1.14 zouden elk van deze drie bestanddelen bevestigen op een geplette korrel?
De korrel wordt gezaaid en begoten; drie dagen later bestaat de kiemplant voor 88% uit water. Verklaar waarom de kieming bij 13% niet kan beginnen.
Eén hectare levert $8\,\mathrm{t}$ korrel op. Hoeveel water wordt daarmee geoogst, en hoeveel droge stof?

Deel II — Het brood.

Een brood wordt gebakken van $500\,\mathrm{g}$ meel, $320\,\mathrm{g}$ water en $10\,\mathrm{g}$ zout; in de oven verliest het $130\,\mathrm{g}$ water. Wat is de massa van het gebakken brood, en het watergehalte in procenten?
Schat, met de droge samenstelling van de korrel voor het meel, de massa’s zetmeel en eiwit in het brood.
Schat, met $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ voor koolhydraten en eiwitten en $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ voor lipiden, de energie-inhoud van het brood.
Lea eet $120\,\mathrm{g}$ van dit brood. Welk deel van een dagelijkse behoefte van ongeveer $10\,000\,\mathrm{kJ}$ dekt dat?
Waarom is het zout in het brood geen energiebron, en waarvoor dient het in het lichaam?

Deel III — Het lichaam: water en families.

Bereken de massa water in het lichaam van Lea.
Bereken de massa’s eiwit, lipide, mineraal en koolhydraat.
Lea verliest tijdens een lange loop $1.2\,\mathrm{kg}$ door zweten. Welk deel van haar lichaamswater is dat? Waarom moet het snel worden aangevuld?
Haar bloed, ongeveer $4.5\,\mathrm{L}$ , bestaat voor 55% uit plasma, en plasma voor 90% uit water. Schat de massa water in haar bloed (neem $1\,\mathrm{kg}$ per liter). Welk deel van haar lichaamswater is dat? Waar zit de rest?
Een pasgeborene bestaat voor 75% uit water. Verklaar in één zin waarom een zuigeling kwetsbaarder is voor uitdroging dan een volwassene.

Deel IV — Het lichaam: elementen.

Bereken met de koolstoffracties van elke familie de massa koolstof in de koolhydraten, lipiden en eiwitten van Lea, en vervolgens de totale massa koolstof.
Welk deel van haar lichaamsmassa is koolstof? Vergelijk met de 18.5% van Propositie 1.2 en becommentarieer de overeenkomst.
Bereken de massa stikstof in haar eiwitten. Waar kwam die stikstof uiteindelijk vandaan?
Water bestaat voor 89% van de massa uit zuurstof. Bereken de massa zuurstof die alleen al haar lichaamswater draagt, en vergelijk met de 65% van Propositie 1.2. Welk molecuul verklaart het grootste deel van de zuurstof in het lichaam?
Geef het resultaat in één zin: hoeveel kilogram koolstof draagt een mens van $60\,\mathrm{kg}$ , en via welke twee biologische processen heeft die koolstof de lucht verlaten en het lichaam bereikt?

Oplossing

Oplossing van Probleem 1.1.

1. Water $0.13 \times 45 = 5.9\,\mathrm{mg}$ ; droge massa $39.2\,\mathrm{mg}$ .

2. Zetmeel $0.70 \times 39.2 \approx 27.4\,\mathrm{mg}$ ; eiwit $0.12 \times 39.2 \approx 4.7\,\mathrm{mg}$ ; lipide $0.02 \times 39.2 \approx 0.8\,\mathrm{mg}$ .

3. Jood (blauwzwart) voor zetmeel; biureet (violet) voor eiwit; een doorschijnende vlek op papier of Soedan III voor lipide.

4. Bij 13% zijn de voorraden vast en de enzymen inactief; water moet de reserves oplossen en de reacties op gang brengen voordat het kiempje kan groeien. De kieming begint met wateropname, en de 88% van de kiemplant is het teken dat haar chemie aanstaat.

5. Water $0.13 \times 8 = 1.04\,\mathrm{t}$ ; droge stof $6.96\,\mathrm{t}$ , ongeveer $7\,\mathrm{t}$ .

6. Massa $500 + 320 + 10 - 130 = 700\,\mathrm{g}$ . Water in het brood: uit het meel $0.13 \times 500 = 65\,\mathrm{g}$ , plus $320\,\mathrm{g}$ , min $130\,\mathrm{g}$ : $255\,\mathrm{g}$ , dus $255/700 \approx 36\%$ .

7. Droge stof van het meel $0.87 \times 500 = 435\,\mathrm{g}$ ; zetmeel $0.70 \times 435 \approx 305\,\mathrm{g}$ ; eiwit $0.12 \times 435 \approx 52\,\mathrm{g}$ (lipide ongeveer $9\,\mathrm{g}$ ).

8. $305 \times 17 + 52 \times 17 + 9 \times 38 \approx 5185 + 884 + 342 \approx 6400\,\mathrm{kJ}$ .

9. $120/700 \approx 0.17$ van het brood: ongeveer $1100\,\mathrm{kJ}$ , dus 11% van $10\,000\,\mathrm{kJ}$ .

10. Zout is mineraal: het is al volledig geoxideerd en heeft geen koolstof–waterstofbindingen die kunnen verbranden. In het lichaam bepalen de ionen ervan het zoutgehalte van het bloed en zijn ze nodig voor zenuw- en spiersignalen.

11. $0.60 \times 60 = 36\,\mathrm{kg}$ water.

12. Eiwit $0.17 \times 60 = 10.2\,\mathrm{kg}$ ; lipide $0.16 \times 60 = 9.6\,\mathrm{kg}$ ; mineralen $3.6\,\mathrm{kg}$ ; koolhydraten $0.6\,\mathrm{kg}$ .

13. $1.2/36 \approx 3.3\%$ van haar water. Het bloedvolume en de temperatuurregeling hangen er allebei van af; een verlies van 10% is gevaarlijk, dus drinken moet het binnen enkele uren herstellen.

14. Plasma $0.55 \times 4.5 \approx 2.5\,\mathrm{L}$ ; water $0.9 \times 2.5 \approx 2.2\,\mathrm{kg}$ , ongeveer 6% van het lichaamswater. De rest zit in de cellen (ongeveer twee derde van al het lichaamswater) en in de vloeistof tussen de cellen.

15. Een zuigeling wisselt elke dag een veel groter deel van zijn water uit (drinken, urine, huid) dan een volwassene, zodat enkele uren verlies zonder aanvoer een gevaarlijk deel van het totaal wegneemt.

16. Koolhydraten $0.40 \times 0.6 = 0.24\,\mathrm{kg}$ ; lipiden $0.77 \times 9.6 \approx 7.4\,\mathrm{kg}$ ; eiwitten $0.53 \times 10.2 \approx 5.4\,\mathrm{kg}$ . Totaal ongeveer $13\,\mathrm{kg}$ koolstof.

17. $13/60 \approx 22\%$ , tegenover 18.5%. De overeenkomst is goed gezien de afgeronde fracties per familie en de spreiding van het lipidegehalte tussen personen; een slanker lichaam geeft een lager getal.

18. $0.16 \times 10.2 \approx 1.6\,\mathrm{kg}$ stikstof. Zij kwam uit de stikstof van de lucht, ingevangen door bodembacteriën, opgenomen door planten en gegeten langs de voedselketen.

19. $0.89 \times 36 \approx 32\,\mathrm{kg}$ zuurstof, dus $32/60 \approx 53\%$ van de lichaamsmassa. Water alleen al verklaart het grootste deel van de 65%; de rest is de zuurstof in de organische moleculen.

20. Een mens van $60\,\mathrm{kg}$ draagt ongeveer $13\,\mathrm{kg}$ koolstof. Die verliet de lucht als koolstofdioxide door de fotosynthese in planten, en kwam het lichaam binnen via voeding en vertering langs de voedselketen.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 479 begrippen in de begrippenlijst