Cytologie: Structuur en functies van de cel

Afbeelding : “Stamcel” door
PublicDomainPictures. Licentie: Publiek Domein

Definitie van een cel

De cel als biologische organisatie-eenheid is het kleinste basiselement van alle organismen. Hij is autonoom en vervult essentiële basisfuncties in metabolisme, groei, beweging, voortplanting en erfelijkheid.

Eukaryotische en Prokaryotische cellen in vergelijking

Eukaryotische cellen zijn 10-100 µm groot en bezitten een kern die het DNA van verschillende chromosomen bevat. Naast exonen (coderend DNA) bestaat het DNA uit vele intronen (niet-coderende genen) die door processen als splicing worden verwijderd door de biosynthese van eiwitten.

Het cytoplasma is sterk gecompartimenteerd en is rijk aan celorganellen. Ribosomen hebben een molecuulmassa van 80S voor 60S en 40S subeenheden (hoeveelheid massa als Svedberg centrifugatieconstante). De ademhalingsketen vindt plaats in de mitochondriën. Voorbeelden van eukaryoten zijn schimmels en dierlijke cellen (van wormencellen tot menselijke cellen).

Een prokaryote cel heeft echter een grootte van slechts 1-10 µm en bevat in plaats van een kern een kernequivalent (nucleoïde). Dit ‘kernachtige’ dicht opeengepakte molecuul bevindt zich in het cytoplasma en omvat het DNA, dat slechts één chromosoom en geen intronen bevat.

Daarnaast kan een plasmide aanwezig zijn (circulair, extrachromosomaal DNA), dat een bijzondere rol speelt bij de ontwikkeling van antibioticaresistente bacteriën. Het cytoplasma is minder gecompartimenteerd en de ademhalingsketen bevindt zich specifiek in het cytoplasmamembraan.

Terwijl mitochondriën, het Golgi-apparaat en het endoplasmatisch reticulum ontbreken, hebben de ribosomen een molecuulmassa van 70S voor 50S- en 30S-subeenheden. Bacteriën zoals Escherichia coli behoren tot de groep van de prokaryoten.

Deze verschillen zijn gangbare examenonderwerpen in de biologie en de biochemie.

Structuur en functie van het celmembraan

Het celmembraan, ook wel plasmalemma genoemd, omgeeft het cytoplasma en dient als begrenzing tussen de intra- en de extracellulaire ruimte. Het is opgebouwd uit een fosfolipide bilaag, waarbij de hydrofiele delen van de fosfolipiden naar de intra- en extracellulaire ruimte zijn gericht. De hydrofobe delen bevinden zich centraal in het membraan.

Afbeelding: Fospolipide Bilaag. Door philschatz, Licentie: CC BY 4.0

De perifere glycocalyx bestaat uit suikerketens (polysacchariden) die covalent gebonden zijn aan membraaneiwitten (glycoproteïnen) en membraanlipiden (glycolipiden). De glycocalyx is individueel en celtypespecifiek, dit betekent bijvoorbeeld dat het de bloedgroepkenmerken van de erytrocyten bepaalt.

Geholpen door zijn vloeibaarheid is het celmembraan tegelijkertijd stabiel en flexibel. Zijn vloeibaarheid kan veranderen naargelang van de temperatuur en de lipidensamenstelling. Het membraan is semi-permeabel (ook wel selectieve permeabiliteit genoemd), wat betekent dat het doorlaatbaar is voor klein-moleculaire stoffen zoals water, die osmotisch kunnen diffunderen. Hoger-moleculaire stoffen zoals eiwitten vereisen specifieke transportsystemen om het celmembraan te kunnen passeren.

De functionaliteit van het celmembraan wordt in belangrijke mate bepaald door de membraaneiwitten, waaronder: ionenkanalen, celadhesiemoleculen, aquaporines, membraanpompen, transporteiwitten en receptoreiwitten.

Image: Celmembraan. Door philschatz, Licentie: CC BY 2.0

Structuur en functie van de celkern

De celkern (nucleus) bevat DNA, verpakt in chromosomen, en kan variëren in grootte en structuur, afhankelijk van de activiteit. Het karyoplasma wordt van het cytoplasma gescheiden door het poreuze kernmembraan, het karyolemma.

Het kernmembraan bestaat uit een buitenste en binnenste kernmembraan en de ruimte daartussen, die de perinucleaire cisterne is. Het buitenste kernmembraan gaat over in het endoplasmatisch reticulum en wordt bezet door ribosomen. Het binnenste kernmembraan bevindt zich binnen de viltachtige kernlamina (lamina nuclearis) die wordt gevormd door een 30-100 nm grote laag van intermediaire filamenten.

Zowat 1000-4000 kernporiën zorgen voor de uitwisseling van stoffen tussen het cytoplasma en het karyoplasma, waarin moleculen < 5 kDa vrij diffunderen en grotere moleculen, zoals die van eiwitten, passeren door middel van receptorbinding.

De kern bevat een kleine bolvormige nucleool (nucleolus), waaruit het ribosomaal RNA afkomstig is. De transcriptie, een voorwaarde voor de translatie, en de replicatie, een voorwaarde voor de mitose, worden eveneens door de kern geregeld.

Afbeelding: De Kern. Door philschatz, Licentie: CC BY 4.0

Functies van het cytoplasma

Het cytoplasma, ook wel cytosol genoemd, wordt begrensd door het celmembraan en vormt de vloeibare matrix van elke cel. Het cytoskelet, celorganellen en celinsluitingen zijn ingebed in het cytoplasma.

In het cytoplasma vinden eiwitbiosynthese, ionenstromen, alsmede blaasjestransport plaats rond het Golgi-apparaat, het endoplasmatisch reticulum, en het celmembraan. Het vormt ongeveer 50% van het volume van de cel en heeft een pH van 7,2.

Classificatie van celorganellen

Celorganellen zijn ingebed in het cytoplasma en worden onderverdeeld in:

• Membraan-beperkte organellen (ruw en glad endoplasmatisch reticulum, Golgi-apparaat, mitochondriën, lysosomen, peroxisomen)
• Niet-membraan-beperkte organellen zoals ribosomen of centriolen

Structuur en functie van afzonderlijke celorganellen

Afbeelding: Prototypische Menselijke Cel. Door philschatz, Licentie: CC BY 4.0

Endoplasmatisch reticulum (ER)

Het endoplasmatisch reticulum verwijst naar een buisvormig membraanstelsel. Het ruwe endoplasmatisch reticulum wordt bezet door ribosomen en vergemakkelijkt de biosynthese van eiwitten in endosomen, transmembraan-eiwitten of secretaire granules. Het gladde endoplasmatisch reticulum wordt niet bezet door ribosomen en heeft de volgende uiteenlopende functies:

• Opslaan en reguleren van calciumionen in het cytoplasma van gestreepte spiercellen (hier sarcoplasmatisch reticulum genoemd)
• Synthese van lipide- en steroïdhormonen
• Detoxificatie van endogene en lichaamsvreemde stoffen binnen de hepatocyten

Afbeelding: Endoplasmatisch Reticulum (ER). Door philschatz, Licentie: CC BY 4.0

Golgi-apparaat

Het Golgi-apparaat bestaat uit dictyosomen (een stapel van 4-10 membraan-ontwikkelde, schijfvormige holten) en heeft een convex cis-gebied en een concaaf trans-gebied die tegenover elkaar liggen. Eiwitten, geproduceerd in het ruw endoplasmatisch reticulum, bereiken het cis-Golgi door middel van transportblaasjes, waarna zij binnen het Golgi-apparaat worden gemodificeerd en verwerkt (fosforylering, sulfering, glycosylering) en gesorteerd naar hun bestemming.

Aan de trans-site vindt de verpakking in secretaire granules of vesikels plaats. Een retrograde transport (trans naar cis) kan worden waargenomen voor enzymen die nodig zijn in het endoplasmatisch reticulum.

Ibeeld: Golgi-apparaat. Door philschatz, Licentie: CC BY 4.0

Mitochondriën

Deze ‘energiecentrales’ van de cel leveren de cellen energie door middel van oxidatieve fosforylering en zijn een veelvoorkomend onderwerp bij examens. Behalve in rijpe erytrocyten worden mitochondriën in alle cellen aangetroffen.

Mitochondriën bezitten 2 membranen en een tussenmembraanruimte ertussen. Het gladde buitenmembraan bevat poreinen, waardoor moleculen < 10 kDa kunnen passeren, terwijl het binnenmembraan sterk is geplooid om het oppervlak te vergroten. Het beperkt de matrixruimte en draagt enzymen van de ademhalingsketen en de ATP-synthese.

Basaal zijn er 2 verschillende types van het binnenmembraan als gevolg van de vouwing:

1. Crista type: in metabolisch actieve cellen zoals cardiomyocyten
2. Tubule type: in steroïde-producerende cellen

Enzymen van β-oxidatie en die van de citroenzuurcyclus bevinden zich in de matrixruimte.

Mitochondriën zijn semi-autonoom omdat zij hun eigen circulair DNA (mtDNA) hebben. Zoals in de endosymbiotische theorie wordt gesteld, zijn mitochondriën fylogenetische prokaryoten die in de loop van symbiose in eukaryoten worden opgenomen.

Deze hypothese wordt verder ondersteund door het feit dat mitochondriën 70S ribosomen bezitten (50S en 30S subeenheden) en door de betrokkenheid van het bacteriële lipide cardiolipine bij de ontwikkeling van het binnenmembraan.

Afbeelding: Mitochondrion. Door philschatz, Licentie: CC BY 4.0

Lysosomen

Een zure pH (4,5-5) alsmede een hoog gehalte aan onder andere zure hydrolasen, proteasen, lipasen, esterase-enzymen, elastasen, collagenasen en zure fosfatasen zijn de kenmerken van lysosomen.

Hun voornaamste kenmerken zijn auto- en heterofagie, alsmede de afbraak van endogene en lichaamsvreemde stoffen. Wanneer een primair lysosoom (nog inactief) samensmelt met de af te breken stoffen, spreekt men van een secundair lysosoom.

Peroxisomen

Afbeelding: Peroxisoom. Door philschatz, Licentie: CC BY 4.0

Peroxisomen bevinden zich voornamelijk in de lever en de nieren en bevatten de enzymen peroxidase en catalase, omdat ze tot doel hebben vetzuren af te breken door middel van oxidatie. Tijdens dit proces ontstaat het bijproduct waterstofperoxide, dat tot celbeschadiging kan leiden. Daarom moet het met behulp van een katalase worden afgebroken tot water en zuurstof.

Ribosomen

Eukaryote 80S ribosomen zijn samengesteld uit 2 subeenheden (60S en 40S) bestaande uit een derde eiwitten en twee derde rRNA. Zij kunnen in het cytosol worden aangetroffen en helpen bij de synthese van cytoplasmatische en nucleaire eiwitten of kunnen membraangebonden zijn in het ruw endoplasmatisch reticulum om de synthese van lysosomale eiwitten mogelijk te maken, alsmede de export van eiwitten of membraaneiwitten mogelijk te maken.

Centriolen

Deze celorganellen hebben een cilindrische vorm en zijn opgebouwd uit microtubuli. Eén paar centriolen staat loodrecht op een ander om het centrosoom te vormen. Het centrosoom is de plaats van vorming van microtubuli en wordt ook MTOC (microtubule organizing center) genoemd.

Celinsluitsels

Celinsluitsels zijn bijproducten van het metabolisme, opgeslagen voedingsstoffen, ophopingen van exogene, of endogene stoffen die vrij in het cytoplasma liggen. Hiertoe behoren glycogeendeeltjes, intracellulaire vetdruppeltjes, gepigmenteerde celstructuren (hemosiderine, lipofuscine, koolstofstof), en virusdeeltjes.

Bij bepaalde ziekten, zoals hemochromatose of glycogeenopslagziekte, zijn celinsluitsels in pathologische mate aanwezig.

Componenten en functies van het cytoskelet

Het cytoskelet bevindt zich in het cytoplasma en is verantwoordelijk voor stabilisatie, intracellulair transport van stoffen, alsmede voor migratie (lat.: migrare=trekken) van de cel. Dit 3-dimensionale netwerk wordt gevormd door microtubuli, intermediaire filamenten en actinefilamenten. Deze componenten zijn onderhevig aan voortdurende assemblage en disassemblage, de zogenaamde polymerisatie en depolymerisatie.

Afbeelding: De 3 componenten van het cytoskelet. Door philschatz, Licentie: CC BY 4.0

Actinefilamenten (F-actine)

Zij zijn de kleinste onderdelen van het cytoskelet met een diameter van 7 nm en worden ook wel microfilamenten genoemd.

F-actine is opgebouwd uit 2 actineketens, spiraalvormig om elkaar gewonden, die ontstaan door de polymerisatie van vele bolvormige actinemonomeren (G-actine). In veel gevallen – maar niet altijd – zijn actïnefilamenten geassocieerd met myosine, het motoreiwit van het actinesysteem. Zij vormen de basis van het schuifmechanisme van de filamenten van de spieren.

Daarenboven hebben actinefilamenten ook stabiliserende functies, aangezien zij de basisstructuur vormen van microvilli of het ankerpunt van desmosomen.

Tussenliggende filamenten

Met een diameter van 10 nm vormen zij de passieve ondersteunende structuur van de cel. De expressie van de intermediaire filamenten varieert naar gelang van het weefseltype, zodat aan de hand daarvan bij voorbeeld de oorsprong van een kwaadaardige tumor kan worden bepaald:

Microtubuli

Met een diameter van 25 nm, zijn ze de grootste componenten van het cytoskelet en komen ze voort uit het centrosoom (zie boven). Zij zijn samengesteld uit α- en β-tubuline-dimeren en lijken op een holle cilinder, waarbij het ene uiteinde negatief en het andere positief geladen is.

Microtubuli bepalen de plaats van celorganellen binnen de cel en vormen een netwerk van directe massaoverdracht. Zij zijn ook de basisstructuren van kinocilia en het spindelapparaat tijdens mitose en meiose.

Structuur en functie van celcontacten

Gebaseerd op de functies van de 3 celtypen, kunnen contacten worden geclassificeerd als:

1. Communicatiecontacten
2. Adhesiecontacten
3. Barrièrecontacten als ondoordringbare verbindingen

Communicatiecontacten

Zij omvatten gap junctions, ook wel nexussen genoemd (belangrijke toetsvragen).

Ze bestaan uit transmembraaneiwitten die connexine worden genoemd. Zes connexines vormen een connexon en 2 connexines vormen dan een nexus. Zij maken elektrische en metabole communicatie tussen 2 aangrenzende cellen mogelijk. Een bijzonder groot aantal gap junctions wordt bijvoorbeeld aangetroffen in de intercalerende schijf van het myocard.

Adhesie-/adhesiecontacten

Zij dienen als mechanische ankers en bestaan uit 3 essentiële componenten: transmembraanproteïnen, plaque-eiwitten, en het cytoskelet. Desmosomen kunnen worden aangetroffen tussen aangrenzende cellen als cel-cel contact. Hemidesmosomen daarentegen verbinden de cel met de extracellulaire matrix, waardoor een cel-matrix contact ontstaat.

De volgende tabel geeft een overzicht van de verschillende soorten adhesiecontacten, aangezien deze relevant zijn voor onderzoek in de histologie en de biochemie.

Barrière/afsluitingscontacten

Ze worden tight junctions genoemd, zonula occludens, en ontstaan door het samensmelten van het buitenmembraan van aangrenzende cellen. De intracellulaire ruimte is dus gordelvormig en omsluit dit gebied, zodat de paracellulaire moleculestroom wordt belemmerd (diffusiebarrière). In dit gebied zijn occludine en claudine belangrijke transmembraaneiwitten.

Junctioneel complex

Dit kleefcomplex dient als selectieve permeabiliteitsbarrière en bestaat, van de apicale naar de basale laag gezien, uit zonula occludens, zonula adhaerens, en macula adhaerens.

Celcommunicatie

Hormonen en transductie

Hormonen zijn chemische boodschappers die informatie van de ene cel naar de andere overbrengen. Deze stoffen worden geproduceerd door endocriene klieren, zoals die van de hypofyse en de schildklier.

Overzicht van belangrijke endocriene organen en hormonen

Endocriene organen produceren hormonen als reactie op signalen uit de externe omgeving, zoals pijn, druk, warmte en licht. Hormonen kunnen ook worden geproduceerd als reactie op signalen uit het lichaam zelf, zoals hongersignalen.

• Als de hormonen eenmaal zijn geproduceerd, worden ze in het bloed afgescheiden, dat ze naar cellen in andere delen van het lichaam transporteert waar ze hun effect uitoefenen.
• De doelcellen voor deze hormonen hebben receptoren die hen in staat stellen op het hormoon te reageren. Deze receptoren bestaan uit eiwitten en bevinden zich meestal in het plasmamembraan dat zich aan de oppervlakte van de cel bevindt, hoewel sommige zich ook binnenin de cel kunnen bevinden.
• Wanneer het hormoon een cel met zijn receptor bereikt, bindt het zich aan de receptor en veroorzaakt het een conformationele verandering. Dit betekent dat de receptor van vorm verandert en zijn vermogen om aan een ander hormoon te binden beperkt.

De conformatieverandering brengt ook een reeks reacties in de cel op gang die bekend staan als transductiecascades. Afhankelijk van het hormoon en de specifieke cel met zijn receptor, kan deze keten van gebeurtenissen het vrijkomen van enzymen inhouden, die samenwerken om reacties te genereren.

Effecten van hormonen op doelcellen

Deze reacties variëren van celdeling, celmotiliteit en celdood. Zij kunnen ook veranderingen inhouden in de ionenkanalen die de beweging van bepaalde moleculen in de cellen mogelijk maken of beperken.

Andere effecten van hormonale signaaltransductie zijn onder meer de opname van glucose uit het bloed (insuline), verhoging van de bloeddruk en de hartslag (adrenaline), en regulering van de menstruatiecyclus (oestrogeen en progesteron).

Signaaltransductie stelt de cel in staat zijn reactie op het hormoon en op de omgeving te controleren. Door de vele stappen worden ook de effecten van het hormoon versterkt.