Cytologi:

Bild : ”Stem Cell” by
PublicDomainPictures. Licens: Public Domain

Definition av en cell

Cellen som biologisk organisatorisk enhet är det minsta grundelementet i alla organismer. Den är autonom och fyller grundläggande viktiga funktioner i ämnesomsättning, tillväxt, rörelse, fortplantning och ärftlighet.

Eukaryotiska och prokaryotiska celler i jämförelse

Eukaryotiska celler är 10-100 µm stora och besitter en cellkärna som innehåller DNA från flera kromosomer. Förutom exoner (kodande DNA) består DNA:t av många introner (icke-kodande gener) som avlägsnas genom processer som splicing, genom proteinbiosyntesen.

Cytoplasman är starkt uppdelad i fack och är rik på cellorganeller. Ribosomer har en molekylmassa på 80S för 60S- och 40S-underenheterna (mängd massa som Svedbergs centrifugeringskonstant). Andningskedjan äger rum i mitokondrierna. Exempel på eukaryoter är svampar och djurceller (från maskceller till mänskliga celler).

En prokaryotisk cell har dock en storlek på endast 1-10 µm och innehåller en kärneekvivalent (nukleoid) istället för en kärna. Denna ”kärnliknande” tätt packade molekyl ligger i cytoplasman och består av DNA, som endast innehåller en kromosom och inga introner.

Det kan dessutom finnas en plasmid (cirkulärt, extrakromosomalt DNA), som spelar en särskild roll i utvecklingen av antibiotikaresistenta bakterier. Cytoplasman är mindre uppdelad och andningskedjan är specifikt placerad i cytoplasmamembranet.

Medans mitokondrier, Golgiapparaten och det endoplasmatiska retikulumet saknas har ribosomerna en molekylmassa på 70S för 50S- och 30S-underenheterna. Bakterier som Escherichia coli tillhör gruppen prokaryoter.

Dessa skillnader är vanliga examinationsämnen i biologi och biokemi.

Cellmembranets struktur och funktion

Cellmembranet, som även kallas plasmalemma, omger cytoplasman och tjänar som avgränsning mellan det intra- och extracellulära rummet. Det består av ett fosfolipiddubbelskikt, där de hydrofila delarna av fosfolipiderna är riktade mot det intra- och extracellulära utrymmet. De hydrofoba delarna är centralt placerade i membranet.

Bild: Bild: Fospolipidbilager. Av philschatz, Licens: CC BY 4.0

Det perifera glykokalyxet består av sockerkedjor (polysackarider) som är kovalent bundna till membranproteiner (glykoproteiner) och membranlipider (glykolipider). Glykokalyxet är individuellt och celltypsspecifikt, detta innebär till exempel att det bestämmer erytrocyternas blodgruppsegenskaper.

Med hjälp av sin fluiditet är cellmembranet stabilt och flexibelt på samma gång. Dess fluiditet kan förändras beroende på temperatur och lipidsammansättning. Membranet är halvpermeabelt (även kallat selektiv permeabilitet), vilket innebär att det är genomsläppligt för småmolekylära ämnen som vatten, som kan diffundera osmotiskt. Högre molekylära ämnen som proteiner kräver specifika transportsystem för att kunna passera genom cellmembranet.

Cellmembranets funktionalitet bestäms på ett avgörande sätt av dess membranproteiner, som innefattar: jonkanaler, celladhesionmolekyler, akvaporiner, membranpumpar, bärarproteiner och receptorproteiner.

Bild: Cellmembran. Av philschatz, licens: CC BY 2.0

Kärnans struktur och funktion

Cellkärnan (kärnan) innehåller DNA, packat i kromosomer, och kan variera i storlek och struktur beroende på dess aktivitet. Karyoplasman skiljs från cytoplasman av det porösa kärnmembranet, karyolemma.

Kärnmembranet består av ett yttre och inre kärnmembran och utrymmet däremellan, som är den perinukleära cisternen. Det yttre kärnmembranet övergår i det endoplasmatiska retikulumet och upptas av ribosomer. Det inre kärnmembranet ligger inuti den filtliknande kärnlamina (lamina nuclearis) som bildas av ett 30-100 nm stort lager av intermediära filament.

Omkring 1000-4000 kärnporer säkerställer utbytet av ämnen mellan cytoplasma och karyoplasma, där molekyler < 5 kDa diffunderar fritt och större molekyler, t.ex. av proteiner, passerar igenom med hjälp av receptorbindning.

Kärnan innehåller en liten sfärisk nukleol (nukleolus), varifrån det ribosomala RNA:t härrör. Transkriptionen, som är en förutsättning för översättning, och replikationen, som är en förutsättning för mitos, styrs också av kärnan.

Bild: Kärnan. Av philschatz, licens: CC BY 4.0

Cytoplasmens funktioner

Cytoplasman, även kallad cytosol, begränsas av cellmembranet och utgör den flytande matrisen i varje cell. Cytoskelettet, cellorganeller och cellinklusioner är inbäddade i cytoplasman.

I cytoplasman sker proteinbiosyntes, jonströmmar samt vesikeltransport runt Golgi-apparaten, det endoplasmatiska retikulumet och cellmembranet. Den utgör ungefär 50 % av cellens volym och har ett pH på 7,2.

Klassificering av cellorganeller

Cellorganeller är inbäddade i cytoplasman och delas in i:

• Membranbegränsade organeller (grovt och slätt endoplasmatiskt retikulum, Golgiapparat, mitokondrier, lysosomer, peroxisomer)
• Inte-membranbegränsade organeller som ribosomer eller centrioler

Struktur och funktion hos enskilda cellorganeller

Bild: Prototypisk mänsklig cell. By philschatz, License: CC BY 4.0

Endoplasmatiskt retikulum (ER)

Det endoplasmatiska retikulumet är ett rörformigt membransystem. Det grova endoplasmatiska retikulumet upptas av ribosomer och underlättar proteinbiosyntesen av endosomer, transmembranproteiner eller sekretoriska granuler. Det släta endoplasmatiska retikulumet är inte upptaget av ribosomer och har följande olika funktioner:

• Serverar och reglerar kalciumjoner i cytoplasman av strimmiga muskelceller (här kallat sarkoplasmatiskt retikulum)
• Syntes av lipid- och steroidhormoner
• Detoxifiering av endogena och främmande ämnen inom hepatocyterna

Bild: Endoplasmatiskt retikulum (ER). By philschatz, License: CC BY 4.0

Golgiapparaten

Golgiapparaten består av diktyosomer (en stapel av 4-10 membranutvecklade, skivformade håligheter) och har en konvex cis-region och en konkav trans-region som är vända mot varandra. Proteiner som produceras i det grova endoplasmatiska retikulumet, når cis-Golgi med hjälp av transportvesiklar, varefter de sedan modifieras och bearbetas (fosforylering, sulfatering, glykosylering) inom Golgiapparaten och sorteras med avseende på sin destination.

I trans-området sker paketeringen i sekretoriska granuler eller vesiklar. En retrograd transport (trans till cis) kan påvisas för enzymer som krävs i det endoplasmatiska retikulumet.

Bild: Golgi Apparatus. By philschatz, License: CC BY 4.0

Mitokondrier

Dessa ”kraftverk” i cellen levererar energi till cellerna genom oxidativ fosforylering och är ett vanligt ämne i tentamen. Förutom i mogna erytrocyter finns mitokondrier i alla celler.

Mitokondrier har två membran samt ett intermembranutrymme däremellan. Det släta yttre membranet innehåller poriner, genom vilka molekyler < 10 kDa kan passera, medan det inre membranet är veckat i stor utsträckning för att öka ytan. Det begränsar matrisutrymmet och bär enzymer från andningskedjan och ATP-syntesen.

I grund och botten finns det 2 olika typer av det inre membranet på grund av veckningen:

1. Crista-typ: i metaboliskt aktiva celler som kardiomyocyter
2. Tubulärtyp: i steroidproducerande celler

Enzymerna för β-oxidation och de för citronsyracykeln är placerade i matrisutrymmet.

Mitokondrier är halvautonoma eftersom de har ett eget cirkulärt DNA (mtDNA). Enligt den endosymbiotiska teorin är mitokondrier fylogenetiska prokaryoter som införlivas i eukaryoter under symbiosen.

Denna hypotes stöds vidare av det faktum att mitokondrier har 70S-ribosomer (50S- och 30S-underenheter) och av att den bakteriella lipiden kardiolipin är inblandad i utvecklingen av det inre membranet.

Bild: Mitokondrion. By philschatz, License: CC BY 4.0

Lysosomer

Ett surt pH (4,5-5) samt ett högt innehåll av bland annat sura hydrolaser, proteaser, lipaser, esterasenzymer, elastaser, kollagenaser och sura fosfataser är kännetecknande för lysosomer.

De har som främsta kännetecken auto- och heterofagi samt nedbrytning av endogena och främmande ämnen. När en primär lysosom (ännu inaktiv) går samman med de ämnen som ska brytas ner kallas den för en sekundär lysosom.

Peroxisomer

Bild: Peroxisom. By philschatz, License: CC BY 4.0

Peroxisomer finns främst i levern och njurarna och innehåller enzymerna peroxidas och katalas, eftersom de tjänar syftet att bryta ner fettsyror genom oxidation. Under denna process produceras biprodukten väteperoxid som kan leda till cellskador. Därför måste den brytas ner till vatten och syre med hjälp av ett katalas.

Ribosomer

Eukaryotiska 80S ribosomer består av 2 underenheter (60S och 40S) som består av en tredjedel proteiner och två tredjedelar rRNA. De kan finnas i cytosolen och bidra till syntesen av cytoplasmatiska och nukleära proteiner eller vara membranbundna i det grova endoplasmatiska retiklet för att möjliggöra syntesen av lysosomala proteiner samt för att möjliggöra export av proteiner eller membranproteiner.

Centrioler

Dessa cellorganeller uppträder i cylindrisk form och består av mikrotubuli. Ett par centrioler är vinkelrätt placerade i förhållande till ett annat par för att bilda centrosomen. Centrosomen är bildningsstället för mikrotubuli och kallas även MTOC (microtubule organizing center).

Cellinklusioner

Cellinklusioner är biprodukter från metabolism, lagrade näringsämnen, ansamlingar av exogena eller endogena substanser som är fria i cytoplasman. Dessa inkluderar glykogenpartiklar, intracellulära fettdroppar, pigmenterade cellstrukturer (hemosiderin, lipofuscin, kolstoft) och viruspartiklar.

Vid vissa sjukdomar, t.ex. hemokromatos eller glykogenlagringssjukdom, förekommer cellinklusioner i patologisk omfattning.

Cytoskelettets komponenter och funktioner

Cytoskelettet är beläget i cytoplasman och ansvarar för stabilisering, intracellulär transport av ämnen samt migration (lat.: migrare=vandring) av cellen. Detta tredimensionella nätverk genereras av mikrotubuli, intermediära filament och aktinfilament. Dessa komponenter är utsatta för konstant sammansättning och upplösning, den så kallade polymeriseringen och depolymeriseringen.

Bild: De tre komponenterna i cytoskelettet. By philschatz, License: CC BY 4.0

Aktinfilament (F-actin)

De är de minsta komponenterna i cytoskelettet med en diameter på 7 nm och kallas även för mikrofilament.

F-actin består av två aktinkedjor, som är spiralformigt lindade runt varandra, och som bildas genom polymerisering av många globulära aktinmonomerer (G-actin). I många fall – men inte alltid – är aktinfilamenten associerade med myosin, aktinsystemets motorprotein. De utgör grunden för musklernas mekanism för filamentglidning.

Därutöver har aktinfilamenten också stabiliserande funktioner, eftersom de utgör grundstrukturen för mikrovilli eller förankringspunkten för desmosomer.

Intermediära filament

Med en diameter på 10 nm bildar de cellens passiva stödstruktur. Intermediärfilamentens uttryck varierar mellan olika vävnadstyper, varför man med hjälp av dem till exempel kan fastställa ursprunget till en malign tumör:

Mikrotubuli

Med en diameter på 25 nm, är de de största komponenterna i cytoskelettet och har sitt ursprung i centrosomen (se ovan). De består av α- och β-tubulindimerer och liknar utseendemässigt en ihålig cylinder, med den ena änden negativt laddad och den andra positivt laddad.

Mikrotubuli bestämmer cellorganellernas placering i cellen och bildar ett nätverk för direkt massöverföring. De är också de grundläggande strukturerna för kinocilia och spindelapparaten under mitos och meios.

Struktur och funktion hos cellkontakter

Baserat på funktionerna hos de tre celltyperna kan kontakterna klassificeras som:

1. Kommunikationskontakter
2. Adhesionskontakter
3. Barriärkontakter som ogenomträngliga förbindelser

Kommunikationskontakter

De innefattar gap junctions, som också kallas nexus (viktiga provfrågor).

De består av transmembranproteiner som kallas connexin. Sex connexiner bildar en connexon och 2 connexoner bildar sedan en nexus. De möjliggör elektrisk och metabolisk kommunikation mellan 2 intilliggande celler. Ett särskilt stort antal gap junctions finns till exempel i den interkalerade skivan i myokardiet.

Adhesion-/adhesionskontakter

De fungerar som mekaniska förankringar och består av 3 viktiga komponenter: transmembranproteiner, plackproteiner och cytoskelettet. Desmosomer kan finnas mellan intilliggande celler vid cellcellskontakt. Hemidesmosomer däremot förbinder cellen med den extracellulära matrisen, vilket skapar en cell-matrixkontakt.

Följande tabell visar en översikt över de olika typerna av adhesionskontakter eftersom de är relevanta för undersökning inom histologi och biokemi.

Barriär-/förslutningskontakter

De kallas tight junctions, zonula occludens, och utvecklas genom sammanfogning av de yttre membranen hos angränsande celler. Det intracellulära utrymmet är således bältesformat och omsluter detta område, så att det paracellulära molekylflödet hindras (diffusionsbarriär). I detta område är occludin och claudin viktiga transmembranproteiner.

Funktionskomplex

Detta adhesiva komplex fungerar som en selektiv permeabilitetsbarriär och när det ses från det apikala till basala skiktet och består av zonula occludens, zonula adhaerens och macula adhaerens.

Cellkommunikation

Hormoner och transduktion

Hormoner är kemiska budbärare som överför information från en cell till en annan. Dessa föreningar produceras av endokrina körtlar som hypofysen och sköldkörteln.

Översikt över viktiga endokrina organ och hormoner

Endokrina organ producerar hormoner som svar på signaler från den yttre miljön, till exempel smärta, tryck, värme och ljus. Hormoner kan också produceras som svar på signaler inifrån kroppen, till exempel signaler om hunger.

• När hormonerna har producerats utsöndras de i blodet som transporterar dem till celler i andra delar av kroppen där de utövar sin effekt.
• Målcellerna för dessa hormoner har receptorer som gör det möjligt för dem att reagera på hormonet. Dessa receptorer består av proteiner och finns vanligtvis i plasmamembranet som finns på cellens yta, även om vissa också kan finnas inuti cellen.
• När hormonet når en cell med sin receptor binder det till receptorn och orsakar en konformationsförändring. Detta innebär att receptorn ändrar sin form och begränsar sin förmåga att binda till ett annat hormon.

Konformationsförändringen utlöser också en rad reaktioner i cellen som kallas transduktionskaskader. Beroende på hormonet och den specifika cellen med dess receptor kan denna kedja av händelser innefatta frisättning av enzymer som arbetar tillsammans för att generera reaktioner.

Hormoners effekter på målceller

Dessa reaktioner sträcker sig från celldelning, cellmotilitet och celldöd. De kan också innebära förändringar i de jonkanaler som tillåter eller begränsar vissa molekylers rörelse in i cellerna.

Andra effekter av hormonernas signaltransduktion inkluderar absorption av glukos från blodet (insulin), ökning av blodtrycket och hjärtfrekvensen (adrenalin) och reglering av menstruationscykeln (östrogen och progesteron).

Signaltransduktion gör det möjligt för cellen att styra sitt svar på hormonet och på miljön. Genom att ha många steg förstärks också hormonets effekter.