Leeswijzer bij Essential Cell Biology van Alberts, Hopkins

Over dit boek

• Het boek geeft een gemakkelijk toegankelijke introductie van de centrale concepten van celbiologie. Het is duidelijk geschreven, leest lekker weg en de illustraties maken het een ideaal leerboek voor een eerste cursus in zowel cel- als moleculaire biologie. Moleculaire details zijn tot een minimum beperkt om de lezer een samenhangend conceptueel kader te bieden voor de basiswetenschap die onder het huidige begrip van alle biologie, inclusief de biomedische wetenschappen, ligt.

Gebruik van het boek:

• Het boek is geschreven voor het academische onderwijs, maar kan uiteraard ook dienen als naslagwerk in de medische wetenschap of in de praktijk.

Historie van dit boek

Gegevens bij de 4e druk:

• Auteurs: Alberts, Bray, Hopkin, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter

• ISBN: 9780815344544

• Jaar van uitgave: 2014

• Aantal pagina's: 864

• Aantal hoofdstukken: 20

• Belangrijkste wijzigingen ten opzichte van de voorgaande drukken: De vierde editie is grondig herzien en behandelt de laatste ontwikkelingen in dit snel bewegende veld, maar behoudt het academische niveau en de lengte van de vorige editie. De vierde druk wordt bovendien ondersteund door het Garland Science Learning System.

  • Nieuw materiaal over regulerende RNA's, epigenetica, geïnduceerde pluripotente stamcellen, celmoord en herprogrammering, het menselijk genoom en onze verrassende erfenis van Neanderthals. Verbeterde discussie en nieuwe cijfers van fotosynthese, metabolisme en DNA-reparatie.

  • Bijgewerkt dekking van veel spannende, nieuwe experimentele technieken, waaronder RNAi, optogenetica, de toepassingen van nieuwe DNA sequencing technologieën en het gebruik van mutante organismen om de gebreken onder de menselijke ziekte te onderzoeken.

  • Medisch relevante onderwerpen zijn onder andere nieuwe secties over het cultiveren van menselijke cellen voor klinisch werk, autisme en iPS-cellen, peroxisomen en ziekte, veranderingen in kankerveranderingen in belangrijke reguliere pathways, alsmede uitgebreide dekking van amyloïde eiwitten en hun rol in de ziekte van Alzheimer en Huntington, genoom sequencing om de zeldzame mutaties te identificeren die ons voorziet in ziekte, en nog veel meer.

Gegevens bij de 3e druk:

• Auteurs: Alberts, Bray, Hopkin, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter

• ISBN: 9780815341291

• Jaar van uitgave: 2009

• Aantal pagina's: 860

• Aantal hoofdstukken: 20

• Belangrijkste wijzigingen ten opzichte van de voorgaande drukken: De derde editie omvat een bundel van celcyclus en celdeling in een enkel hoofdstuk, verbeterde behandeling van thermodynamica en energetica, integratie van multi-media door middel van tekst en een nieuw toegevoegd 'quizzing' deel. Er is een grotere focus op regulering, inclusief nieuw materiaal op chromosoomstructuur en epigenetica, post-transcriptiecontrole (riboswitches, microRNAs en RNAi) en metabolische controles. Extra aandacht voor ziekte en medicijnen, inclusief nieuw materiaal over kwaliteitscontrole bij eiwitproductie, celcellenherkenning, genetische variatie, kankerbehandelingen, en verbeterde dekking van stamcellen en hun potentieel om ziekte te behandelen.

  • Nieuwe behandeling van genoom evolutie en vergelijkende genomica.

  • Nieuwe dekking van moderne recombinant DNA en cel visualisatie technologieën.

  • Nieuwe 'How We Know' secties.

Gegevens bij de 2e druk:

• Auteurs: Alberts, Bray, Hopkin, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter

• Jaar van uitgave: 2005

• Aantal pagina's: 740

Wat zijn en doen cellen? - Chapter 1

Wat is een cel?

Alle levende organismen hebben dezelfde oorsprong. Ze bestaan namelijk uit cellen die delen door middel van transcriptie en translatie, differentiëren en specialiseren. Door mutaties zijn er variaties gekomen in bepaalde typen cellen, dit vormt de basis van evolutie. Cellen variëren enorm van vorm, opbouw en functie. Dit zijn kleine eenheden, gevuld met een geconcentreerde waterige substantie van chemische stoffen, die het vermogen hebben zich te delen door te groeien en zich in tweeën te delen. Er bestaan eencellige organismes en meercellige organismes. Meercellige organismes worden gecoördineerd door (complexe) intrinsieke communicatie systemen.

In dit hoofdstuk zullen de volgende zaken over cellen besproken worden:

• De grote variëteit in cellen
• De chemische instrumenten die alle cellen gemeen hebben
• Hoe cellen door middel van microscopie in zicht gebracht kunnen worden
• De overeenkomsten tussen de verschillende vormen van leven op aarde

Om begrip te hebben van alle variaties in het leven, is het van belang om cellen te bestuderen. De studie van weefsels begon met het observeren met het oog. Pas na de uitvinding van microscopen in de 17e eeuw was de studie van de microbiologie mogelijk. Elektromicroscopen, uitgevonden rond 1930, maakten het mogelijk om de details van cellen te bestuderen. Gebruikte hedendaagse technieken zijn: lichtmicroscopie, fluorescentie microscopie, confocale microscopie, transmissie elektronenmicroscopie en scanning elektronenmicroscopie.

Cellen worden gerangschikt door een extracellulaire matrix. Cellen die een nucleus (celkern) bevatten benoemen we eukaryoot en zonder nucleus prokaryoot. Meeste prokaryoten zijn ééncellig, klein en zijn het meest divers in celtypen. Prokaryoten zijn onderverdeeld in bacteriën en archaea (die onder extra omstandighed en leven).

Eukaryoten zijn groter en kunnen zowel één- als meercellig zijn. In de nucleus zit erfelijke informatie opgeslagen in DNA en RNA. Om de nucleus zit cytoplasma met een cytoskelet, dat alle organellen op zijn plaats houdt. Mitochondriën zorgen voor ademhaling en energie in cellen. Chloroplasten, bestaand uit chlorofyl, in planten maken fotosynthese mogelijk. Mitochondriën en chloroplasten bevatten zelf ook DNA. Andere organellen zijn: endoplasmatisch reticulum, Golgi-apparaat, lysosomen, peroxisomen, verschillende vesikels en ribosomen (eiwitsynthese).

Cellen zijn fundamenteel voor het leven. Waarschijnlijk zijn alle cellen ontstaat uit één vooroudercel. Nog steeds zijn cellen grotendeels opgebouwd uit dezelfde soorten moleculen. Daarnaast is in alle levende dingen de genetische informatie opgeslagen in DNA en wordt dit overgeschreven in RNA. RNA codeert voor een bepaald eiwit en eiwitten reguleren alles in de cel. Elk organisme gebruikt dezelfde 20 aminozuren voor zijn eiwitten. Kortom alle levende cellen hebben dezelfde chemische basis.

De basis van alle cellen is dus vrijwel gelijk, omdat zij hun genetische instructies van dezelfde voorouder hebben gekregen. Door mutaties en natuurlijke selectie is geleidelijk een grote diversiteit aan cellen ontstaan. Dit principe vormt de basis van de evolutietheorie.

Het genoom, al het DNA aanwezig in een organisme, bepaalt hoe een cel moet functioneren en groeien. In een organisme bestaan vele verschillende cellen. Al deze cellen zijn ontstaan uit één bevruchte eicel tijdens de embryonale ontwikkeling. Zij bevatten allen hetzelfde DNA, maar doordat zij andere genetische instructies uiten, hebben zij een verschillende functie. Zij gebruiken bepaalde genen om eiwitten te produceren en andere genen niet. Iedere cel is dus in staat om een bepaalde taak te vervullen door gebruik te maken van het DNA dat deze functie codeert.

Cellen zijn te klein om ze met het blote oog te kunnen zien. Zij konden pas zichtbaar worden gemaakt, toen de lichtmicroscoop was uitgevonden. Tegenwoordig stelt de elektronenmicroscoop ons in staat de kleine details van de cel te zien. Wanneer een klein stukje weefsel onder de microscoop wordt bekeken, zie je dat deze bestaat uit vele cellen. Deze kunnen gering van elkaar gescheiden zijn door een extracellulaire matrix. De extracellulaire matrix is een dicht materiaal dat vaak gemaakt is van eiwitvezels en polysachariden. De interne structuur van cellen is moeilijk te zien, omdat cellen klein, transparant en meestal kleurloos zijn. De interne structuren kunnen zichtbaar worden gemaakt met kleurstoffen of door licht (kleine verschillen in de brekingsindices van interne structuren kunnen zichtbaar worden gemaakt met behulp van speciale technieken).

De prokaryotische cel bevat geen celkern. Het DNA is los in het cytoplasma aanwezig. Prokaryoten zijn vaak bol-, staaf- of spiraalvormig. Hun cellen zijn vaak omgeven door een beschermde laag: de celwand. De cellen bevatten geen duidelijke interne structuren. De meeste prokaryoten zijn eencellige, die vaak samen organiseren.

Eukaryotische cellen bevatten wel een celkern omgeven door het cytoplasma. Deze cellen zijn vaak groter en uitgebreider dan prokaryotische cellen. Er bestaan eencellige eukaryoten, maar ook meercellige. De kern van de eukaryotische cel is omgeven door een kernenvelop en bevat het DNA op de chromosomen. Daarnaast zijn er verschillende organellen in het cytoplasma aanwezig, die elk zijn omgeven door interne membranen. De cellen zelf zijn omgeven door een plasmamembraan.

• Mitochondriën zijn ovaalvormige organellen. Ze zijn opgebouwd uit twee aparte membranen, waarvan het binnenste sterk geplooid is. Mitochondriën hebben hun eigen DNA en planten zich voort door zichzelf in tweeën te delen. Er wordt gedacht dat zij afstammen van bepaalde bacteriën. Hun functie is het voortbrengen van energie voor de cel. Deze energie verkrijgen zij door de oxidatie van voedingsstoffen, en gebruiken zij om ATP te produceren. ATP is de brandstof die de meeste celactiviteiten van energie voorziet. De mitochondriën gebruiken zuurstof en scheiden koolstofdioxide uit. De processen die in de mitochondriën plaatsvinden, worden dus ook wel de cellulaire ademhaling genoemd.

• Chloroplasten zijn groene organellen die voorkomen in cellen van planten en algen. Chloroplasten zijn ook opgebouwd uit twee membranen, waarvan het binnenste membraan op elkaar gestapeld is. Het binnenste membraan bevat het groene pigment chlorofyl. Chloroplasten maken door hun chlorofyl fotosynthese mogelijk. Ook chloroplasten bevatten hun eigen DNA en stammen waarschijnlijk af van een bepaalde bacterie.

• Het endoplasmatisch reticulum (ER) bestaat uit een wirwar van verbonden ruimtes, omsloten door een membraan. Hier worden de meeste bestanddelen voor eigen gebruik van de cel of voor export gemaakt. Aan het ER zijn vaak de ribosomen gebonden, die translatie van RNA mogelijk maken.

• Het Golgi-apparaat bestaat uit stapels van membraanzakjes. Het ontvangt en verandert chemisch de moleculen die gemaakt zijn in het ER. Daarna worden de moleculen uit de cel geëxporteerd of gebracht naar verschillende locaties in de cel.

• Lysosomen zijn kleine, onregelmatig gevormde organellen, die de cellulaire vertering regelen. Zij breken moleculen af voor recycling of uitscheiding.

• Peroxisomen zijn kleine blaasjes, waarin met behulp van waterstofperoxide giftige stoffen onwerkzaam worden gemaakt.

• Bepaalde blaasjes (vesicles), de transportblaasjes, zijn betrokken bij het transport tussen membraan omsloten organellen. Dit transport wordt mogelijk gemaakt doordat de blaasjes zich afscheiden en versmelten met het membraan van de organellen.

Het cytosol is het bestanddeel van het cytoplasma dat zich niet in de organellen bevindt en bevat vele kleine moleculen die samen een op water gebaseerde gel vormen. In het cytosol vinden vele chemische reacties plaats. Het cytosol wordt doorkruist door fijne eiwit filamenten. Dit netwerk van filamenten wordt het cytoskelet genoemd. De dunnen actinefilamenten, de intermediaire filamenten en de microtubuli vormen samen met andere eiwitten die aan ze vastzitten een systeem van touwen en motors. De microtubuli zorgen bij celdeling voor de vorming van een spoelfiguur. Het cytoskelet zorgt voor stevigheid voor de cel, behoud van de vorm van de cel en begeleiding van de bewegingen in de cel.

Wat is het modelorganisme?

Alle cellen zijn ontstaan uit een gezamenlijke voorouder, wiens fundamentele eigenschappen door de evolutie heen bewaard zijn gebleven. De bestudering van één organisme geeft dus informatie over vele andere organismen. Biologen hebben daarom een klein aantal modelorganismen die gemakkelijk te onderzoeken zijn, uitgekozen om te bestuderen. Hieronder zullen een aantal modelorganismen besproken worden.

De moleculaire biologie heeft zich sterk gericht op onderzoek naar Escherichia coli (E. coli). Zijn genetische informatie is opgeslagen in één cirkelvormig dubbelstrengs DNA-molecuul. Veel van onze kennis over DNA en het maken van eiwitten is verworven door de bestudering van E. coli.

Om kennis over de eukaryotische cel te vergaren, is de gist Saccharomyces cerevisiae bestudeerd. S. cerevisiae is een kleine, eencellige schimmel met een stijve celwand. S. cerevisiae plant zich snel voort, maar heeft in zijn DNA toch alle basistaken die iedere eukaryotische cel moet bevatten. Daarom wordt deze cel gebruikt voor genetische analyse. De studie van de S. cerevisiae is van groot belang geweest voor het begrijpen van de vele basismechanismen in de eukaryotische cel, zoals de celcyclus: het kopiëren alle onderdelen van de cel en de verdeling van deze onderdelen in twee dochtercellen.

Arabidopsis thaliana wordt gebruikt als modelplant. Het bestuderen van deze modelplant leert ons meer over de evolutie van alle planten. Bovendien bevat A. thaliana bepaalde genen die vaak voorkomen in gewassen die ons van eten voorzien. Door de bestudering van A. thaliana krijgen we dus ook inzicht in de ontwikkeling en fysiologie van deze gewassen.

De dierenwereld wordt vertegenwoordigd door een vlieg, een worm, een vis, een muis en een mens.

• Een groot deel van de dierlijke soorten is insect. Daarom neemt het fruitvliegje Drosophila melanogaster een centrale plaats in in de bestudering van de dierenwereld. Deze studie heeft het definitieve bewijs geleverd dat genen aanwezig zijn op chromosomen. Daarnaast heeft de bestudering van D. melanogaster het genetische mechanisme van de ontwikkeling van zygote tot volwassen organisme opgehelderd.

• De aaltjesworm Caenorhabditis elegans is tevens een modelorganisme. Het blijkt dat deze worm een geschrikt model is voor het bestuderen van vele processen die ook in ons lichaam gebeuren. Hierdoor zijn we bijvoorbeeld meer te weten gekomen over de apoptose (geprogrammeerde celdood).

• Het zebravisje is de eerste twee weken van zijn leven doorzichtig en wordt daarom gebruikt om te onderzoeken hoe cellen zich gedragen tijdens de ontwikkeling in een levend wezen.

• Zoogdieren zijn de meest complexe dieren. Voor deze groep heeft de muis lange tijd als model gediend. Tegenwoordig kunnen we muizen kweken met een toegebrachte mutatie in een bepaald gen. Op deze manier kunnen we onderzoeken waar bepaalde genen voor dienen en hoe zij functioneren.

• We bestuderen ook mensen zelf als modelorganismen. Door menselijke cellen in vitro (‘in glas’) te bestuderen in plaats van in vivo, kunnen deze cellen op andere manieren worden bestudeerd dan in het lichaam. De mens wordt ook bestudeerd in de kliniek. We zijn door deze onderzoeken veel over de mens te weten gekomen, maar een hoop weten we ook nog niet.

We realiseren ons dat de genen van een bepaald organisme veel raakpunten hebben met de genen van andere organismen. We delen dezelfde evolutionaire oorsprong en lijken ook hetzelfde moleculaire mechanisme te delen. De studie van modelorganismen voorziet ons van de kennis hoe organismen in het algemeen zijn gemaakt en hoe hun cellen functioneren.

Wat zijn overeenkomsten en verschillen tussen cellen?

Cellen kunnen verschillen in:

• Grootte: Lactobacillus paar micrometer: mensenhaar 25x zo groot: kikkerei 1 mm

• Vorm en functie:

  • Zenuwcellen zijn uitgerekte cellen, die signalen op afstand verzenden.

  • Een paramecium is een cel in een druppel water, die omgeven is door allemaal microcilia, die ervoor zorgen dat de cel zich al roterend voort kan bewegen.

  • Een bdellovibrio is een worstvormige bacterie, met een staart. De staart oftewel flagellum dient als een propellor, zodat de bacterie zich voort kan bewegen.

  • Een neutrofiel of macrofaag kruipt door het lichaam, constant veranderend van vorm. Zij fagocyteren (eten) lichaamsvreemde micro-organismes en dode of stervende cellen.

• Celwand: Sommige cellen worden alleen omgeven door een membraan. Cellen kunnen zich echter ook omgeven met slijm, rigide celwanden of met hard, gemineraliseerd materiaal (botten).

• Chemische rekrutering en activiteit:

  • Sommige cellen leven op zuurstof (aëroob), andere gaan er juist dood aan

  • Sommige cellen leven van lucht, zonlicht en water, andere cellen hebben een complexe mix nodig van moleculen, geproduceerd door andere cellen.

  • Sommige cellen produceren specifieke stoffen als hormonen, vet, latex of pigment. Andere zijn elektrische generatoren.

• Specialisatie: Sommige cellen zijn zo gespecialiseerd dat ze niet meer kunnen delen. Specialisatie van cellen is alleen nuttig in meercellige organismes. Cellen worden hierdoor namelijk afhankelijk van de cellen uit hun omgeving.

Cellen hebben ook overeenkomsten:

1. Cellen bevatten over het algemeen dezelfde functionele componenten (organellen)

2. Cellen bestaan uit dezelfde soort moleculen, die deelnemen in dezelfde chemische reacties (zie hoofdstuk 2)

3. Genetische instructies (genen) bevinden zich in het DNA, dat wordt opgeslagen in DNA moleculen:

   • Geschreven in dezelfde chemische codering bestaande uit dezelfde chemische bouwstenen, namelijk vier monomeren, genaamd de nucleotiden

   • Geïnterpreteerd door dezelfde chemische machinerie. In iedere cel wordt het DNA voorgelezen, oftewel getranscribeerd, naar een chemisch gerelateerde set polymeren, genaamd het RNA.

   • Gedupliceerd op dezelfde manier. Het messenger RNA wordt afgelezen en vertaald (translatie) door ribosomen naar een eiwit.

4. Het gedrag van de cel wordt bepaald door eiwitten. Eiwitten kunnen verschillende functies hebben, zoals het bieden van steun, chemische katalysator, moleculaire motor, etc. Eiwitten worden gevormd uit dezelfde 20 verschillende aminozuren. Deze aminozuren worden in verschillende sequenties aan elkaar gekoppeld, waardoor de moleculen verschillende drie-dimensionale vormen en samenstellingen krijgen.

Virussen zijn DNA of RNA pakketjes, meestal omgeven door eiwitten, die zich niet voort kunnen planten. Deze kunnen zich alleen voortplanten door de reproductieve machinerie van een gastheercel te gebruiken. Daarom worden deze strikt genoemd ook niet gerekend tot de levende dingen (organismen).

Er zijn twee vormen van reproductie:

1. Cellen kunnen zich reproduceren door het DNA te verdubbelen en zich daarna in tweeën te delen. Hierdoor ontstaan twee identieke cellen. Dit gaat echter niet altijd perfect en dan ontstaan er mutaties.

2. Seksuele reproductie, waarbij twee cellen van dezelfde soort fuseren en waarbij het DNA van beide cellen wordt gecombineerd. Hierdoor ontstaat genetische variatie, die verder versterkt kan worden door mutaties gedurende dit proces.

Deze mutaties en genetische samensmeltingen kunnen nadelig (eigenschap(pen) gecreëerd die de overleving bemoeilijken), voordelig (eigenschap(pen) gecreëerd die de overleving bevorderen) of neutraal (eigenschap(pen) gecreëerd die de overlevingskans niet beïnvloeden) zijn voor het nageslacht. De ‘survival of the fittest’ zal de eerste soort elimineren, in het voordeel werken van de tweede variant en de derde tolereren. Dit principe vormt de basis van de evolutie (het proces waarin levende wezens zich geleidelijk aanpassen aan hun omgeving). De evolutie gaat ervan uit dat alle organismes ontstaan zijn uit dezelfde voorouder en daarom in de basis zo op elkaar lijken, maar door de aanpassingen alle verschillen zijn ontstaan en ook de verschillende organismes.

Het genoom van de cel, opgeslagen in het DNA, zorgt voor het genetische programma, dat de cel instrueert hoe deze moet functioneren en, in geval van planten en dieren, hoe deze moet uitgroeien tot een complex meercellig organisme. In meercellige organismes bevinden zich een breed scala aan celtypes. Deze gedifferentieerde celtypes komen allen voort uit dezelfde eicel en allen bevatten zij dezelfde DNA kopieën van het betreffende organisme. Hun variëteit wordt bepaald door de verschillen in genexpressie. Dit wil zeggen dat de cellen alleen bepaalde eiwitten produceren, afhankelijk van de informatie die zij hebben gekregen van hun voorloper cellen en aan de hand van informatie uit de omgeving van de cel.

Hoe zien cellen eruit onder de microscoop?

Er bestaan verschillende soorten microscopen:

• Lichtmicroscopie: De lichtmicroscoop kan cellen tot 1000x vergroten en kan details tonen van 0.2 micrometer klein. Men heeft drie dingen nodig:

  • Het licht moet gefocust zijn op het preparaat door lenzen in de condensor

  • Het preparaat moet nauwkeurig bereid worden, zodat het licht erdoor heen kan vallen

  • De juiste lenzen zijn nodig om het beeld van het preparaat op het oog te focussen.

Er kan op verschillende manieren naar de onaangekleurde cel worden gekeken:

• Rechtstreekse optiek

• Fase contrast optiek

• Interferentie-contrast optiek

Op deze manier kunnen drie verschillende beelden worden verkregen met dezelfde microscoop. De twee laatste technieken maken gebruik van het feit dat het licht anders reist, indien de refractie indexen wisselen.

De meeste weefsels zijn niet klein genoeg en niet transparant genoeg om direct bekeken te kunnen worden onder de lichtmicroscoop. Deze worden dan eerst gefixeerd, dan ondersteund door ingebed te worden in vaste wax of resine en worden dan in plakjes gesneden. Deze plakjes kunnen op een glazen plaatje gelegd worden en eventueel kan een kleuring worden toegevoegd.

• Fluorescentie microscopie: In dit geval wordt een fluorescentie kleuring aangebracht, die opgevangen kan worden door de fluorescentie microscoop. Fluorescentie kleuringen absorberen licht van een bepaalde golflengte en zenden deze vervolgens weer uit in een andere, langere golflengte.

Het licht van de microscoop dat wordt opgevangen gaat door twee filters. Filter 1 filtert het licht voordat dit het preparaat bereikt en laat alleen dat licht door dat de specifieke fluorescentie kleuring activeert. Filter 2 blokkeert het licht dat voortkomt uit filter 1 en laat alleen de golflengtes door van de fluorescerende kleuring. De aangekleurde objecten kleuren helder aan in de donkere achtergrond.

Met een fluorescentie microscoop kunnen bepaalde delen van de cel worden aangekleurd, doordat de fluorescentie kleuring aan specifieke cellen bindt. Ook is het mogelijk antistoffen op deze manier aan te kleuren.

• Confocale microscopie: Dit is een gespecialiseerd type fluorescentie microscoop, dat de afbeelding samenstelt door middel van een laser straal. De straal wordt gefocust op één punt met een specifieke diepte in het preparaat. In een kleine opening in de detector wordt alleen fluorescentie van dit specifieke punt opgevangen. Door met de straal het gehele preparaat te scannen kan een scherp beeld gevormd worden van het vlak van aandacht. Dit wordt wel een optische sectie genoemd. Door optische secties te maken van verschillende dieptes in het preparaat kan een driedimensionaal beeld samengesteld worden.

• Transmissie elektronen microscopie (TEM): Voor de transmissie elektronen microscoop (TEM) dien het preparaat in zeer dunne plakjes gesneden te worden en eventueel gekleurd te worden met zware metalen. De TEM werkt hetzelfde als de lichtmicroscoop, alleen is het licht vervangen voor een straal elektronen en de glazen lenzen voor magnetische spoelen. De TEM kan cellen miljoen keer vergroten en details zichtbaar maken tot 2 nm.

• Scannende elektronen microscoop (SEM): Hierbij wordt het preparaat bedekt met een klein laagje/vliesje van zware metalen. Een straal van elektronen scant het preparaat. Van ieder punt op het preparaat wordt met een detector gemeten hoe de elektronen in verschillende richtingen wijken, wanneer zij in aanraking komen met het vlies van zware metalen. Hieruit worden verschillende intensiteiten gemeten door de detector op verschillende plaatsen in het preparaat, die worden geregistreerd op een beeldscherm. Hierdoor ontstaat een scherp driedimensionaal beeld. Details tot 3-20 nm kunnen hiermee worden geregistreerd, afhankelijk van het apparaat dat wordt gebruikt.

Op de microscoop kan worden gezien dat weefsel uit duizenden cellen bestaat. Deze kunnen dicht op elkaar gepakt zijn of omgeven worden door extracellulaire matrix. Extracellulaire matrix is een soort dichte massa bestaande uit eiwitvezels in een polysacharide gel. De cel heeft een specifieke anatomie:

• Membraan (5nm):

  1. Plasma membraan: omgeeft de cel

  2. Interne membraan: omgeeft de organellen van de cel

• Nucleus: De kern van de cel. Deze bevindt zich in het midden van de cel

• Cytoplasma: Het interieur van de cel om de celkern heen. Hierin bevinden zich de organellen (cel orgaantjes). Deze zijn alleen moeilijk te zien met de lichtmicroscoop. Deze kunnen alleen beter bekeken worden met microscopen, die meer detail in beeld kunnen brengen.

Wat zijn prokaryoten?

Er worden twee typen cellen onderscheiden: prokaryoten en eukaryoten. Prokaryoten bevatten geen celkern, terwijl eukaryoten wel een celkern bevatten. Prokaryoten zijn typisch bolvormig, staafvormig of spiraalvormig en zijn klein. Ze hebben vaak een harde, stevig buitenkant, de celwand, die het plasma membraan omgeeft. Het celinterieur bestaat uitsluitend uit cytoplasma en DNA en over het algemeen bevat de prokaryoot geen organellen. De cellen kunnen snel delen: wanneer de condities goed zijn, kan de cel wel binnen 20 minuten delen. Door deze snelle vermenigvuldiging evolueren de prokaryoten snel, waardoor zij bijvoorbeeld nieuw voedsel gebruiken of resistent worden tegen antibiotica.

Prokaryoten zijn een zeer divers en kunnen in allerlei soorten habitat aangetroffen worden en onder allerlei omstandigheden. Er bestaat het vermoeden dat de mitochondriën in eukaryote cellen oorspronkelijk prokaryoten waren, die zich ooit in een eukaryote cel genesteld hebben. De prokaryoten verzorgen een belangrijke rol in de levenscyclus van planten en dieren.

Er worden twee soorten prokaryoten onderscheiden. Dit zijn de bacteriën en de archaea. De bacteriën komen het meest voor en worden bijvoorbeeld gezien in de grond, voedsel of in geval van ziekte. De archaea komen hier ook voor, maar worden ook vooral gezien in omstandigheden die meestal gevaarlijk zijn voor cellen, zoals grote hittes, zure omgeving, etc. Dit kan zowel op aarde (vulkanen, diepe wateren, etc) als in het lichaam zelf zijn (bijv. de maag).

Wat zijn eukaryoten?

Eukaryoten bevatten per definitie een celkern (nucleus). Eukaryoten zijn over het algemeen groter dan prokaryoten. Eukaryoten kunnen zowel eencellig voorkomen, als ook meercellig. Alle complexe meercellige organismes, zoals planten, dieren en schimmels, bestaan uit eukaryote cellen. Naast een celkern hebben eukaryote cellen vaak ook andere celorganellen.

De celorganellen van eukaryote cellen zullen nu besproken worden:

• De celkern (nucleus): De celkern wordt omgeven door twee concentrische membranen, de nucleaire envelop genaamd. De celkern bevat het DNA van de cel. Een prokaryoot bevat dus ook DNA, maar niet omgeven door een nucleaire envelop.

• Mitochondriën: Mitochondriën worden gevonden in alle eukaryote cellen. Het zijn worst- of wormvormige organellen, omgeven door twee losse membranen. Het binnenste membraan is sterk geplooid. Mitochondriën bevatten hun eigen DNA en planten zich voort door zich te delen. Mitochondriën genereren de chemische energie voor de cel. Zij gebruiken de energie uit het voedsel om adenosine trifosfaat (ATP) te produceren, wat de chemische brandstof is voor het overgrote deel van de celactiviteit. Omdat bij dit proces zuurstof wordt gebruikt en CO₂ wordt afgegeven, wordt dit proces ook wel cellulaire respiratie genoemd. Zonder mitochondriën zou zuurstof giftig zijn voor het lichaam. Cellen die anaeroob zijn, bevatten dan ook geen mitochondriën.

• Chloroplasten: Chloroplasten zijn grote, groene organellen, die alleen voorkomen in planten en algen. De chloroplast wordt omgeven door twee membranen. In de cel bevinden zich daarnaast nog stapels membranen, die het groene pigment chlorofyl bevatten.

Chloroplasten zijn de organellen, die ervoor zorgen dat planten energie kunnen genereren uit zonlicht, door middel van fotosynthese. Bij fotosynthese wordt de energie van zonlicht vastgehouden in chlorofyl moleculen. Deze energie wordt gebruikt om energierijke suikermoleculen samen te stellen. Bij dit proces komt zuurstof vrij. De planten kunnen deze opgeslagen energie (de suikermoleculen) aanspreken wanneer zij willen, door deze suikers te oxideren in hun mitochondriën. Chloroplasten generen dus zowel voedingsstoffen als zuurstof.

• Endoplasmatisch Reticulum (ER): Dit is een irregulair netwerk van verbonden ruimtes, die worden omgeven door een membraan. Hier worden de meeste membraancomponenten en export materialen gemaakt.

• Golgi-apparaat: Deze ontvangt en modificeert vaak de moleculen, die in het endoplasmatisch reticulum zijn gemaakt en dirigeert deze naar het exterieur van de cel of verschillende locaties in de cel.

• Lysosomen: Dit zijn kleine, irregulair gevormde organellen, die zorgen voor intracellulaire vertering, waardoor voedingsstoffen vrij komen of ongewilde moleculen worden afgebroken voor recycling of excretie.

• Peroxisomen: kleine, membraan omsloten blaasjes die zorgen voor een beschermde omgeving waarin hydroxyperoxidase (een schadelijke chemische stof die andere stoffen afbreekt) wordt geproduceerd en afgebroken.

• Blaasjes: Er is een continue uitwisseling van materialen tussen het endoplasmatisch reticulum, het Golgi-apparaat, lysosomen en het exterieur van de cel. Dit gebeurt door middel van kleine blaasjes. Om stoffen de cel in te krijgen fuseren blaasjes met endosomen, die zich ontwikkelen tot lysosomen. Dit proces wordt ook wel endocytose genoemd. Wanneer het tegenovergestelde gebeurt, wordt er gesproken van exocytose.

• Cytosol: Het cytosol is het gedeelte van de cel, dat niet ingesloten is in een intracellulair membraan. In de meeste cellen maakt het cytosol het grootste deel van de cel uit. In het cytosol vinden belangrijke chemische processen plaats. Een van de belangrijkste processen van eiwitsynthese (het aflezen van het RNA) vindt plaats in het cytosol, door middel van de ribosomen.

• Cytoskelet: De cel wordt verstevigd door het cytoskelet. Dit bestaat uit drie componenten:

  • Actine filamenten: Het dunste filament. Deze komt vooral voor in spieren, waar het deel uitmaakt van de machinerie die zorgt voor de spiercontractie.

  • Intermediaire filament: verstevigen van de cel

  • Microtubuli: De dikste variant van de drie. Deze spelen ook een rol bij de deling van de cel, waarbij zij de chromosomen uit elkaar trekken, nadat deze verdubbeld zijn.

Het cytoskelet geeft de cel zijn mechanische sterkte, bepaalt zijn vorm en zorgt en richt de beweging van de cel. Daarnaast speelt het cytoskelet een grote rol in verschillende processen van de cel (zoals bijvoorbeeld celdeling).

Alle levende organismen hebben dezelfde oorsprong. Ze bestaan namelijk uit cellen die delen door middel van transcriptie en translatie, differentiëren en specialiseren. Door mutaties zijn er variaties gekomen in bepaalde typen cellen, dit vormt de basis van evolutie. Cellen variëren enorm van vorm, opbouw en functie. Het zijn kleine eenheden, gevuld met een geconcentreerde waterige substantie van chemische stoffen, die het vermogen hebben zich te delen door te groeien en zich in tweeën te delen. Er bestaan eencellige organismes en meercellige organismes. Meercellige organismes worden gecoördineerd door (complexe) intrinsieke communicatie systemen.

In dit hoofdstuk zullen de volgende zaken over cellen besproken worden:

• De grote variëteit in cellen
• De chemische instrumenten die alle cellen gemeen hebben
• Hoe cellen door middel van microscopie in beeld gebracht kunnen worden
• De overeenkomsten tussen de verschillende vormen van leven op aarde

Wat zijn en doen chemische componenten? - Chapter 2

Levende cellen volgen dezelfde natuur- en scheikundige wetten als niet-levende dingen. De chemie van levende cellen heeft echter wel een aantal karakteristieke kenmerken. Allereerst zijn stoffen en reacties grotendeels gebaseerd op koolstofverbindingen, wat bekend staat als organische chemie. Daarnaast vinden deze reacties voornamelijk plaats in een waterige omgeving en in een smal bereik van temperaturen. Bovendien is deze organische chemie zeer complex. Polymeren, een ketting van aaneengeschakelde eenheden, hebben hierbij een centrale rol. De unieke eigenschappen van deze polymeren stellen de cel tot vele processen in staat. Ten slotte is de manier waarop alle reacties gereguleerd worden een zeer streng en precies proces, dat met behulp van verschillende mechanismen wordt uitgevoerd door de cel.

Hoe werken chemische verbindingen?

Stoffen zijn opgebouwd uit verschillende elementen. Dit zijn de stoffen die niet afgebroken of veranderd kunnen worden met behulp van chemische reacties. Atomen zijn de kleinste eenheden van een chemisch element die hun karakteristieke chemische eigenschappen behouden. Atomen bevatten verschillende deeltjes. In de atoomkern zijn positief geladen protonen en neutraal geladen neutronen te vinden. Om de kern draait een wolk van negatieve deeltjes, elektronen. Het aantal protonen in de kern is gelijk aan het aantal elektronen dat rond de kern draait. Dit aantal protonen is bepalend voor het atoomnummer en het element. De elektrische lading van een proton is precies gelijk, maar tegengesteld aan de elektrische lading van een elektron. Omdat een atoom evenveel protonen als elektronen bevat, is het atoom zelf elektrisch neutraal. De neutronen in de kern zijn belangrijk voor de stabiliteit van de kern. Isotopen van een element bevatten hetzelfde aantal protonen, maar een ander aantal neutronen. Isomeren hebben dezelfde molecuulformule, maar een verschillende structuurformule.

Levende organismen zijn opgebouwd uit een beperkt aantal elementen. 96,5% van hun massa bestaat uit koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N) en zuurstof (O).

De eigenschappen van een atoom worden bepaald door de rangschikking van elektronen. Elektronen draaien in specifieke schillen om de atoomkern heen, die elk een bepaald aantal elektronen kunnen bevatten. De elektronen willen zich zo dicht mogelijk bij de (positief geladen) kern bevinden, dus de schillen worden van binnen naar buiten gevuld. Een atoom is het meest stabiel als zijn buitenste elektronenschillen compleet gevuld is met elektronen, en als deze elektronen zich in hun laagste energieniveau bevinden.

Elektronen in incomplete schillen zorgen ervoor dat atomen interacties aan kunnen gaan met andere atomen. Stoffen bestaande uit meerdere atomen worden moleculen genoemd. Hierdoor kunnen twee soorten bindingen ontstaan: ionbindingen, waarbij elektronen worden overgedragen, en covalente bindingen, waarbij atomen een elektron met elkaar delen. Covalente bindingen hebben karakteristieke lengtes en sterktes. Bij reacties die worden versneld door enzymen, worden deze covalente bindingen verbroken.

Soms trekt het ene atoom harder aan het gedeelde elektronenpaar dan het andere atoom. Hierdoor wordt het ene atoom negatiever dan het andere. Dit heet een polaire covalente binding. Als een elektron zich van een atoom naar een andere verplaatst, worden twee ionen gegenereerd, met tegengestelde ladingen. Het aantal elektronen dat een atoom kan opnemen of kan afstaan verschilt per element. Als twee ionen met tegengestelde lading bij elkaar komen, trekken ze elkaar aan en vormen ze een ionbinding. Dit is een vorm van elektrostatische aantrekkingskracht. Stoffen die bij elkaar worden gehouden door ionbindingen, noemen we zouten. Positieve ionen worden kationen genoemd, negatieve ionen worden anionen genoemd.

Bij een covalente binding wordt een paar elektronen gedeeld door twee atomen. Er ontstaat een molecuul. Sommige stoffen kunnen meer dan één covalente binding vormen, waaronder C, O, S, N en P, omdat er meer elektronen in de buitenste schil beschikbaar zijn. Deze bindingen worden met specifieke hoeken ten opzichte van elkaar gevormd, wat de ruimtelijke structuur van een molecuul karakteriseert. Bij een enkele covalente binding kunnen atomen vaak relatief makkelijk ten opzichte van elkaar draaien op de bindingsassen. Een dubbele binding tussen twee atomen is zeer beperkend voor bewegingsvrijheid in een driedimensionaal vlak.

In een watermolecuul worden twee H’s en een O door middel van covalente bindingen met elkaar verbonden. De O trekt echter harder aan elektronen dan de H’s, waardoor een kleine polariteit ontstaat. De O wordt hierdoor licht negatief geladen (δ-), de H’tjes licht positief (δ+). Stoffen met polaire bindingen en ionen worden daarom door watermoleculen aangetrokken. Dit zijn hydrofiele stoffen, die goed oplosbaar zijn in water. Hydrofobe stoffen zijn neutraal geladen en kunnen niet oplossen in water. In water zorgen waterstofbruggen voor een relatief hoog smelt- en kookpunt. De bruggen ontstaan tussen de licht positief geladen H’tjes en de licht negatief geladen O’tjes. Waterstofbruggen kunnen ook in en tussen andere moleculen plaatsvinden. Bepaalde polaire moleculen kunnen in water zuren of basen vormen door een proton (H+) af te staan of op te nemen. De concentratie van protonen bepaalt de pH van een oplossing.

Wat zijn de eigenschappen van moleculen in cellen?

Koolstof kan vier covalente bindingen vormen en is daarom zeer geschikt om grote moleculen mee te vormen. Koolstofverbindingen die in cellen worden gemaakt zijn organische moleculen, met uitzondering van CO en CO2. Alle andere moleculen zijn anorganisch. De belangrijkste groepen van kleine organische moleculen zijn de suikers, aminozuren, vetzuren en nucleotiden.

• Suikers (sachariden) zijn de belangrijkste bron van chemische energie in de cellen, maar worden ook gebruikt als bouwstof. Zij kunnen opgeslagen worden in de vorm van polysachariden. Door een condensatiereactie kunnen monosachariden aan elkaar worden gekoppeld tot polysachariden of oligosachariden. Het omgekeerde proces noem je hydrolyse.

• Vetzuren zijn ook belangrijk bij de energieopslag, maar dienen voornamelijk als bouwstof voor celmembranen. Een vetzuur bestaat uit een lange hydrofobe staart en een hydrofiele kop. Vetzuren noem je verzadigd als er geen dubbele bindingen in het vetzuur voorkomen, vetzuren zijn onverzadigd als er wel dubbele bindingen aanwezig zijn.

• Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten, en worden hierbij als ketting aan elkaar gebonden door peptidebindingen. Vervolgens worden zij in een ruimtelijke structuur in elkaar gevouwen om tot een specifieke functie te dienen.

• Nucleotiden zijn de bouwstenen van de nucleïnezuren DNA en RNA, en coderen voor de erfelijke eigenschappen van het organisme. Er zijn verschillende nucleotide basen. Cytosine (C), thymine (T), adenine (A) en guanine (G) zijn de basen waaruit DNA wordt opgebouwd. Uracil (U) zit op de plaats van thymine in RNA. De baseparen in DNA zijn G-C en A-T, bij RNA zijn dit G-C en A-U. Daarnaast zijn nucleotiden essentieel bij energietransport op de korte termijn. Het ribonucleotide adenosinetrifosfaat, ATP, speelt een rol bij het vervoeren van energie bij honderden reacties in de cel.

Wat zijn macromoleculen?

Macromoleculen zijn polymeren die ontstaan door condensatiereacties tussen monomeren. Voorbeelden van macromoleculen zijn eiwitten, DNA, RNA, lipiden en polysacharide. Enkele covalente bindingen geven de keten een grote flexibiliteit, waardoor veel verschillende conformaties aangenomen kunnen worden. De meeste biologische polymeren zijn echter niet zo flexibel door verscheidene niet-covalente bindingen. Hierdoor zal de polymeer een zekere conformatie aannemen, die de eigenschappen van het polymeer bepaalt. De volgorde van de zogenaamde subunits bepaalt de exacte vorm van het macromolecuul, doordat deze subunits interacties met elkaar aan gaan. Dit gebeurt door middel van niet-covalente bindingen: elektrostatische verbindingen, waterstofbruggen en vanderwaalskrachten.

Hydrofobe interactie, waarbij watermoleculen de hydrofobe delen van een in water opgelost molecuul samenbrengen, kan worden gezien als een vierde niet-covalente bindingssoort. De vanderwaalskrachten ontstaan spontaan tussen moleculen, en zijn groter tussen moleculen met een grotere massa. Niet-covalente bindingen zijn over het algemeen zeer zwak, maar opgeteld kunnen zij een grote aantrekkingskracht tussen (delen van) moleculen creëren. Dit laatste is het geval als twee moleculen precies op elkaar passen.

Levende cellen volgen dezelfde natuur- en scheikundige wetten als niet-levende dingen. De chemie van levende cellen heeft echter wel een aantal karakteristieke kenmerken. Allereerst zijn stoffen en reacties grotendeels gebaseerd op koolstofverbindingen, wat bekend staat als organische chemie. Daarnaast vinden deze reacties voornamelijk plaats in een waterige omgeving en in een smal bereik van temperaturen. Bovendien is deze organische chemie zeer complex. Polymeren, een ketting van aaneengeschakelde eenheden, hebben hierbij een centrale rol. De unieke eigenschappen van deze polymeren stellen de cel tot vele processen in staat. Ten slotte is de manier waarop alle reacties gereguleerd worden een zeer streng en precies proces, dat met behulp van verschillende mechanismen wordt uitgevoerd door de cel.

Wat houden energie, katalyse en biosynthese in? - Chapter 3

Wat houdt katalyse in?

Voordat een enzym een reactie kan katalyseren moet het enzym eerst binden aan zijn substraat. Vervolgens wordt er een product aangemaakt dat bindt aan het enzym. Wanneer dit product losraakt van het enzym kan er een volgend substraat binden. De gekatalyseerde reacties van een substraat dat een bepaald product vormt, verschillen in snelheid. De snelheid kan gemeten worden in een experiment waarbij zuivere enzymen en substraten gemixt worden onder zorgvuldige omstandigheden. Als alle enzymen gebonden zijn door substraat, is de Vmax bereikt.

De substraatconcentratie die nodig is om een enzym efficiënt te laten werken, wordt vaak gemeten met een andere parameter: Km. De Km is de substraatconcentratie waarbij het enzym op de helft van zijn maximale snelheid werkt (0,5 Vmax).

Wanneer een enzym de activeringsenergie voor de reactie Y naar X verlaagt, wordt tegelijkertijd ook de activeringsenergie voor de reactie X naar Y verlaagd met precies dezelfde hoeveelheid. Het bestuderen van de kinetica (bewegingsleer) van een enzym (hoe snel het opereert, hoe het zich gedraagt tegenover het substraat, hoe de activiteit wordt gecontroleerd), zorgt ervoor dat we kunnen voorspellen hoe een individuele katalysator zich zal gedragen en hoe het interactie zal hebben in een netwerk met andere enzymen.

Allereerst moet de Vmax bepaald worden. Dit gebeurt door een meting waarbij wordt gekeken hoe snel het substraat geconsumeerd wordt dus hoe snel het product gevormd wordt. De enzymwerking wordt niet alleen beïnvloed door het substraat, maar kan ook beheerst worden door bijvoorbeeld producten, substraat look-alikes, inhibitors, toxines en andere kleine moleculen die de reactie kunnen verbeteren dan wel verstoren. Het effect van een inhibitor op de enzymactiviteit kan ook gemeten worden. Competitieve inhibitors blokkeren de enzymactiviteit doordat ze aan het enzym gaan binden, op dezelfde bindingsplaats waar het substraat zich bindt. Als er echter genoeg substraat wordt toegevoegd, zullen de enzymen toch met het substraat binden en de Vmax bereiken. Het kan ook dat een inhibitor op een andere plek bindt aan het enzym, waardoor het substraat-enzym langzamer gevormd wordt dan normaal. Dit kan niet omzeild worden door meer substraat toe te voegen.

De energie die afkomstig is van de oxidatie van voedselmoleculen moet tijdelijk opgeslagen worden voordat het gebruikt wordt. Dit gebeurt in de meeste gevallen in geactiveerde ‘carriermoleculen’. Zij brengen de energie naar de plaatsen waar het gebruikt wordt voor biosynthese. De drie belangrijkste carriermoleculen zijn ATP, NADH en NADPH.

De vorming van een geactiveerde carrier is gekoppeld aan een energetisch gunstige reactie. Hiervoor zijn enzymen nodig. (Een illustratief voorbeeld van zo’n koppeling is weergegeven in figuur 3-29, blz. 106.) De meest gebruikte carrier is ATP. ATP wordt gesynthetiseerd in een energetisch ongunstige fosforyleringsreactie, waarbij een fosfaatgroep wordt toegevoegd aan een ADP molecuul. Als het nodig is, splitst ATP weer in ADP en een fosfaat (Pi ), wat een energetisch gunstige hydrolyse is. Het ADP kan weer worden gebruikt voor een fosfolyseringsreactie en zo ontstaat er een celcyclus. Verder is de reactie van ATP hydrolyse gekoppeld aan vele ongunstige andere reacties waardoor andere moleculen gesynthetiseerd worden. Fosfolyseringsreacties zijn voorbeelden van condensatiereacties en komen bij veel belangrijke celprocessen voor. Ze activeren substraten, wisselen chemische energie uit en zijn essentieel bij intracellulaire signaal doorgave. ATP wordt vooral gebruikt om stoffen de cel in en uit te transporteren en het levert ook energie voor de samentrekking van spieren.

De twee belangrijkste elektronen carriers zijn NADHen NADPH. Ze kunnen allebei een ‘energiepakketje’ opnemen bestaande uit twee hoogenergetische elektronen en een proton (H+ ) en dan worden ze NAD+ en NADP+. Het verschil tussen NADH en NADPH is de fosfaatgroep, waardoor ze iets anders van vorm zijn en kunnen binden aan verschillende soorten enzymen. Binnen de cel is de ratio van NAD+ naar NADH hoog, terwijl de ratio van NADP+ naar NADPH laag gehouden wordt. Hierdoor kan NAD+ als oxiderend, en NADPH als reducerend element fungeren. Dit is vereist voor de speciale rollen die ze spelen in respectievelijk katabolisme en anabolisme.

Er zijn ook andere geactiveerde carriers, zoals FADH2. Dit molecuul draagt ook hydrogene en hoogenergetische elektronen. Co-enzym A, in geactiveerde toestand acetyl-CoA wordt bijvoorbeeld gebruikt om twee carbon-units toe te voegen in de biosynthese van de hydrocarbonstaarten van vetzuren. Zie tabel 3-2, blz. 112, voor een aantal geactiveerde carriermoleculen die gebruikt worden in metabolisme.

Het gedeelte waarin energie getransporteerd wordt, is maar een klein onderdeel van een carriermolecuul. De rest bestaat uit een groot organisch deel dat er voor zorgt dat het molecuul herkend kan worden door specifieke enzymen. Vaak bevat dit gedeelte een nucleotide, dit is ook zo bij acetyl-CoA. Dit kan een aanwijzing zijn dat veel carriermoleculen afkomstig zijn van RNA.

Hoe verlagen enzymen barrières die chemische reacties blokkeren?

Elk van de vele honderden chemische reacties die in een cel voorkomen, wordt specifiek door een enzym gekatalyseerd. Grote aantallen verschillende enzymen werken in een bepaalde volgorde om ketens van reacties te vormen, genaamd metabole routes, die elk een bepaalde reeks functies in de cel uitvoeren. Katabolische reacties breken voedselmoleculen af ​​via oxiderende routes en geven energie af. Anabole reacties genereren de vele complexe moleculen die de cel nodig heeft, en ze vereisen een energie-input. In dierlijke cellen worden zowel de bouwstenen als de energie, die nodig is voor de anabole reacties, verkregen door katabolisme.

Enzymen katalyseren reacties door zich aan bepaalde substraatmoleculen te binden, op een manier die de vereiste activeringsenergie verlaagt voor het maken en breken van specifieke covalente bindingen. De snelheid waarmee een enzym een ​​reactie katalyseert, hangt af van hoe snel het zijn substraat vindt en hoe snel het product wordt gevormd en vervolgens gediffundeerd. Deze snelheden variëren sterk van het ene enzym tot het andere. Ze kunnen worden gemeten na het mengen van gezuiverde enzymen en substraten onder een reeks gedefinieerde omstandigheden. Over het algemeen geldt dat hoe sterker de binding van het enzym en substraat is, des te langzamer is de dissociatie. Als een reactie leidt tot het vrijkomen van vrije energie, kan deze energie worden aangewend om werk te doen of chemische reacties te veroorzaken. Chemische reacties verlopen alleen in de 'bergafwaarts' richting die leidt tot verlies van vrije energie. Van dit soort reacties wordt vaak gezegd dat het energetisch gunstig is. Maar zelfs energetisch gunstige reacties vereisen activeringsenergie om ze op gang te helpen!

Zoals hierboven vermeld, wordt de druk op de energiebarrière grotendeels bevorderd door enzymen. Een stof die de energiebarrière kan verlagen, en dus de activeringsenergie van een reactie, wordt een katalysator genoemd. Net als alle andere katalysatoren blijven enzymmoleculen zelf onveranderd na deelname aan een reactie en kunnen ze daarom steeds opnieuw functioneren. Als de concentratie van het substraat progressief toeneemt vanaf een zeer lage waarde, neemt de concentratie van het enzym-substraatcomplex, en dus de snelheid waarmee het product wordt gevormd toe (aanvankelijk op lineaire wijze). Dat in directe verhouding tot de substraatconcentratie. Maar bij een zeer hoge concentratie van substraat bereikt het een maximale waarde, aangeduid met Vmax. Op dit punt zijn de actieve plaatsen van alle enzymmoleculen in het monster volledig bezet met substraat en hangt de snelheid van productvorming alleen af ​​van hoe snel het substraatmolecuul kan worden verwerkt; ook wel het omzetnummer genoemd.

De concentratie van het substraat die nodig is om het enzym efficiënt te laten werken, wordt vaak gemeten met een andere parameter, de constante van de Michaelis (Km). De Km van een enzym is de concentratie van het substraat waarbij het enzym werkt met de helft van zijn maximale snelheid (0,5 Vmax). Een lage waarde van Km gaf aan dat een substraat zeer stevig aan het enzym bindt, en een grote waarde overeenkomt met zwakke binding. Maar enzymen kunnen het evenwichtspunt voor reacties niet veranderen!

Hoe bepaalt een vrije energiewijziging voor een chemische reactie?

Hoewel enzymen reacties versnellen, kunnen ze niet afdwingen dat energetisch ongunstige reacties plaatsvinden. Maar dit kan worden gedaan door middel van enzymen die direct energetisch gunstige reacties met elkaar koppelen. Een koppeling tussen reacties, die energie afgeven en warmte produceren, tot energetisch ongunstige reacties, die deze energie gebruiken. Maar (volgens de tweede wet van de thermodynamica) kan een chemische reactie alleen plaatsvinden als het resulteert in een netto toename van de stoornis in het universum.

Het criterium voor een toename van wanorde kan het gemakkelijkst uitgedrukt worden in termen van vrije energie (G) van een systeem. De vrije energiewijziging voor een reactie, AG, meet de stoornis en deze moet minder dan nul zijn om een ​​reactie te laten plaatsvinden. Energetisch gunstige reacties zijn reacties die de wanorde veroorzaken door de vrije energie van een systeem te verlagen waartoe het behoort; met andere woorden, ze hebben een negatieve ΔG. Omgekeerd creëren energetisch ongunstige reacties, met een positieve ΔG, orde in het universum. Omdat energetisch ongunstige reacties energie vereisen, kunnen ze alleen plaatsvinden als ze gekoppeld zijn aan een tweede reactie met een negatieve ΔG zo groot dat de netto ΔG van het hele proces negatief is.

Door te concluderen, dat het creëren van een reactiepad een energetisch gunstige reactie koppelt aan een energetisch ongunstige reactie, veroorzaken enzymen anderszins onmogelijke chemische transformaties. De vrije energiewijziging voor een chemische reactie, AG, is afhankelijk van de concentratie van de reagerende moleculen, en deze kan worden berekend uit deze concentraties als de evenwichtsconstante (K) van de reactie (van de standaard vrije energiewijziging ΔGº voor de reactanten) is bekend. Omdat de evenwichtsconstante van een reactie direct gerelateerd is aan de standaard vrije energieverandering (ΔGº), wordt deze vaak gebruikt als een maat voor de bindingssterkte tussen moleculen. Deze waarde is zeer nuttig omdat deze de specificiteit van de interacties tussen moleculen aangeeft. Evenwichtsconstanten besturen alle associaties (en dissociaties) die optreden tussen macromoleculen en kleine moleculen in de cel. De evenwichtsconstante wordt groter naarmate de bindingsenergie tussen de twee moleculen toeneemt, en hoe groter de kans dat deze moleculen worden gepaard.

Wat houden geactiveerde dragermoleculen en biosynthese in?

In levende systemen wordt energie-opname bereikt door middel van een paarreacties, waarbij een energetisch gunstige reactie wordt gebruikt om te rijden en een energetisch ongunstige reactie die een geactiveerd dragermolecuul produceert. Koppelingsmechanismen vereisen enzymen en ze zijn fundamenteel voor alle energietransacties in de cel. De belangrijkste geactiveerde dragermoleculen zijn ATP, NADH en NADPH. ATP draagt ​​hoogenergetische fosfaatgroepen, terwijl NADH en NADPH hoogenergetische elektronen dragen.

1) ATP

De belangrijkste van de geactiveerde dragermoleculen in cellen is ATP (adenosine 5'-trifosfaat). ATP wordt gesynthetiseerd in een energetisch ongunstige fosforyleringsreactie waarbij een fosfaatgroep wordt toegevoegd aan ADP (adenosine 5'-difosfaat). Indien vereist, geeft ATP dit energiepakket op in een energetisch gunstige hydrolyse tot ADP en anorganisch fosfaat. De geregenereerde ADP is dan beschikbaar om te worden gebruikt voor een andere ronde van de fosforyleringsreactie die ATP vormt, waardoor een ATP-cyclus in de cel wordt gecreëerd. Daarom kan een energetisch ongunstige biosynthetische reactie worden aangedreven door ATP-hydrolyse. De synthese van een polynucleotide houdt bijvoorbeeld van RNA en DNA.

2) NADH een NADPH

NAD + en NADP + pakken elk een 'energiepakket' op in de vorm van twee hoogenergetische elektronen plus een proton (H +), respectievelijk NADH en NADPH. Net als ATP is NADPH een geactiveerde drager die deelneemt aan veel belangrijke biosynthetische reacties die anders energetisch ongunstig zouden zijn. NADH heeft daarentegen een speciale rol als tussenpersoon in het katabolische systeem van reacties die ATP genereren door de oxidatie van voedselmoleculen. Voedingsmoleculen verschaffen de koolstofskeletten voor de vorming van grotere moleculen. De covalente bindingen van deze grotere moleculen worden typisch geproduceerd in reacties die gekoppeld zijn aan energetisch gunstige bindingsveranderingen in geactiveerde dragermoleculen zoals ATP en NADPH.

Voordat een enzym een reactie kan katalyseren moet het enzym eerst binden aan zijn substraat. Vervolgens wordt er een product aangemaakt dat bindt aan het enzym. Wanneer dit product losraakt van het enzym kan er een volgend substraat binden. De gekatalyseerde reacties van een substraat dat een bepaald product vormt, verschillen in snelheid. De snelheid kan gemeten worden in een experiment waarbij zuivere enzymen en substraten gemixt worden onder zorgvuldige omstandigheden. Als alle enzymen gebonden zijn door substraat, is de Vmax bereikt.

Wat zijn structuren en functies van proteinen? - Chapter 4

Wat is de structuur van eiwitten?

Chemisch gezien hebben eiwitten een ingewikkelde structuur en erg verfijnde functies. Eiwitten zijn opgebouwd uit een lange keten aminozuren. Er zijn 20 verschillende aminozuren. Aminozuren zijn met elkaar verbonden door middel van een covalente peptidebinding. Eiwitten worden daarom ook wel polypeptiden genoemd. Elk type eiwit heeft zijn eigen aminozuurvolgorde, die bepalend is voor de uiteindelijke vorm van het eiwit.

Een polypeptide bestaat uit een keten van aaneengekoppelde aminozuren. De specifieke zijgroepen van de aminozuren steken uit de keten. Deze zijgroepen kunnen hydrofiel of hydrofoob zijn, negatief of positief geladen of bijvoorbeeld chemisch reactief zijn. De zijgroep bepaalt de specifieke eigenschappen van het aminozuur.

Lange peptideketens zijn erg flexibel en kunnen dus op veel manieren vouwen. De gevouwen structuur van een eiwit wordt in stand gehouden door niet-covalente interacties tussen verschillende delen van de peptideketen (waterstofbruggen, elektrostatische krachten en vanderwaalskrachten). Ook hydrofobe interacties spelen een rol. De hydrofobe zijgroepen van aminozuren draaien zo ver mogelijk van de waterige omgeving af en dus het eiwit in. De hydrofiele zijgroepen draaien juist naar de waterige omgeving toe en vormen waterstofbruggen met water of met elkaar. Elk eiwit creëert op deze manier een eigen driedimensionale structuur. De niet-covalente bindingen zijn over het algemeen zwak, maar door de combinatie van vele niet-covalente bindingen kan toch een stabiele structuur ontstaan.

De driedimensionale structuur van een eiwit wordt dus bepaald door zijn aminozuurvolgorde. Als laatste heeft ook de energietoestand van het eiwit invloed op de conformatie van dat eiwit. Een eiwit zal in die vorm gevouwen worden waarbij de vrije energie het laagst is.

Het denatureren van een eiwit betreft het verkeerd opgevouwen zijn van dat eiwit. Renaturatie betekent dat het eiwit spontaan de juiste conformatie terugkrijgt. Als eiwitten zich verkeerd opvouwen, kan dat schadelijk zijn voor weefsels en cellen.

In een cel komen bepaalde eiwitten, moleculaire chaperones, voor. Moleculaire chaperones helpen gedeeltelijk gevouwen eiwitten verder te vouwen tot de meest gunstige driedimensionale structuur. Zij maken het proces efficiënter en betrouwbaarder.

Wanneer de driedimensionale structuur van verschillende eiwitten met elkaar vergeleken wordt, valt het op dat er twee vouwpatronen vaak voorkomen, de α-helix en de β-sheet. Deze vouwpatronen ontstaan door waterstofbruggen tussen de N-H en C=O groepen van de ruggengraat (zijgroepen zijn hierbij niet betrokken). α-helices zijn rechtsdraaiende of linksdraaiende spiraalvormige eiwitketens (zie afbeelding), waarbij waterstofbruggen tussen aminozuren zorgen voor de spiraalvorm.

Elke NH-groep van de peptideketen is verbonden met de C=O-groep van dezelfde keten, maar dan 4 aminozuren verder. Er zijn totaal 3,6 aminozuren per draai.
De zijgroepen van de aminozuren komen aan de buitenkant van de helix te liggen. Soms draaien meerdere helices in elkaar, er ontstaat dan een stevige structuur. Dit wordt een coiled-coil genoemd.

β-sheets zijn vlakken, bestaande uit ketens van aminozuren die bij elkaar worden gehouden door waterstofbruggen (de bruggen vinden dus plaats tussen de naast elkaar gelegen delen van de keten). De hoofdketen is hierbij vrijwel gestrekt en de zijgroepen bevinden zich zowel aan de binnen- als aan de buitenkant. Er bestaan parallelle β sheets en antiparallelle β-sheets. In de afbeelding is (A) antiparallel en (B) parallel.

De primaire structuur van een eiwit is de aminozuurvolgorde. De secundaire structuur zijn de α-helices en β-sheets. De tertiaire structuur is de driedimensionale vorm van een hele polypeptideketen. Hierbij horen zowel α-helices, als β-sheets, als andere gevormde structuren. Wanneer er meerdere polypeptideketens samen een eiwitcomplex vormen, wordt dit de quaternaire structuur genoemd.

Het eiwitdomein omvat een deel van een polypeptideketen die zich in een stabiele en compacte structuur kan vouwen. Zo’n eiwitdomein heeft vaak een bepaalde functie. Zogenaamde intrinsically disordered sequences zijn stukken polypeptide zonder eiwitdomein, die erg flexibel zijn.

In theorie zijn er oneindig veel verschillende polypeptideketens mogelijk, maar deze komen niet allemaal in cellen voor. Een polypeptide keten die n aminozuren lang is, heeft 20n mogelijke aminozuurvolgordes. Toch zal maar een klein deel van de mogelijke polypeptideketens vormen tot een stabiele driedimensionale structuur. De eiwitten die niet functioneel of stabiel waren, zijn door natuurlijke selectie geëlimineerd.

Eiwitfamilies zijn groepen eiwitten die qua aminozuurvolgorde en driedimensionale structuur op elkaar lijken. Kleine verschillen in structuur zorgen er echter voor dat verschillende ‘familieleden’ verschillende functies hebben.

Sommige eiwitten zijn opgebouwd uit meerdere polypeptideketens. Elke polypeptideketen in zo’n eiwit wordt een subunit genoemd. De interactie tussen de subunits vindt plaats door non-covalente bindingen. Ook kunnen verschillende eiwitten aan elkaar gekoppeld worden. Virussen en ribosomen zijn bijvoorbeeld opgebouwd uit één of meerdere soorten eiwitten plus RNA of DNA-moleculen.

Globular proteins zijn eiwitten waarvan de polypeptideketen zich opvouwt, zodat er een compact geheel (soort van bal) ontstaat met een onregelmatig oppervlak. Fibrous proteins zijn eiwitten met een relatief simpele, langwerpige driedimensionale structuur. Deze bevinden zich vaak buiten de cel, waar zij een extracellulaire matrix vormen, die cellen van weefsels aan elkaar helpt te binden. Eiwitten die zich extracellulair bevinden, binden hun polypeptideketens vaak door covalente kruisbindingen aan elkaar. Een zwavelbrug is een voorbeeld van zo’n binding.

Een molecuul dat aan een eiwit gebonden is noemen we een ligand. De binding tussen ligand en eiwit bestaat uit non-covalente bindingen. Om de binding zo sterk mogelijk te maken, moet het contactoppervlak tussen ligand en eiwit zo groot mogelijk zijn. De ligand en het eiwit moeten dus precies op elkaar passen. De plaats waar de ligand en het eiwit binden, wordt de bindingsite genoemd.

Enzymen zijn eiwitten die de chemische reacties die in de cel plaatsvinden katalyseren. Een ligand wordt bij een enzym ook wel substraat genoemd. Deze substraten zetten de enzymen om in een specifiek product. Enzymen versnellen reacties door het verlagen de activeringsenergie. Zij worden hierbij zelf niet verbruikt of veranderd. Elk enzym is specifiek voor een bepaald substraat en een bepaalde reactie, maar ook voor een bepaald product.

Enzymen kunnen op drie manieren reacties mogelijk maken:

• Door de ladingsverdelingen in het substraat te veranderen;

• Door in het substraat bepaalde hoeken te veranderen;

• Door substraten die met elkaar reageren op een specifieke manier bij elkaar te brengen.

Eiwitten als hemoglobine kunnen moleculen die geen eiwit zijn, gebruiken om functioneel te zijn. Deze kleine niet-eiwitmoleculen worden dan een onderdeel van het eiwit. Een antilichaam in het bloed jaagt op antigenen. Door specifieke binding van een antilichaam aan een antigeen kunnen deze schadelijke antigenen onwerkzaam worden gemaakt. De werking van verscheidene medicijnen berust in het blokkeren van enzymen.

Hoe werkt de regulatie van eiwitten?

De expressie van eiwitten kan op verschillende niveaus geregeld worden. Ten eerste kan de cel beheren welk eiwit wordt gesynthetiseerd door te reguleren welke genen tot expressie komen. Ook kan de cel reguleren hoe sterk een eiwit wordt afgebroken. Door deze twee processen kan de cel de concentratie van een bepaald eiwit reguleren. Daarnaast kan de expressie van een eiwit geregeld worden door het eiwit aan of uit te zetten. Het aan- of uitzetten van een eiwit kan op verschillende manieren.

De activiteit van eiwitten wordt vaak geregeld door de binding van andere moleculen. Hiervoor heeft het enzym twee bindingssites: één voor het substraat en één voor het regulerende molecuul. Binding van een regulerend molecuul zorgt voor een vormverandering van het eiwit, waardoor het actief of juist inactief wordt. De meeste enzymen zijn allosterische eiwitten. Een allosterisch eiwit is een eiwit dat twee of meer verschillende vormen aan kan nemen, waardoor de activiteit van het eiwit kan verschillen.

Een van de meest voorkomende vormen van regulatie van eiwitactiviteit door binding van moleculen die geen substraten zijn, is feedback inhibition: een enzym in het begin van een reactieketen wordt geremd door een product aan het eind van de reactieketen (negatieve terugkoppeling). De binding van de inhibitor aan het enzym veroorzaakt een vormverandering van het actieve centrum, waardoor substraatmoleculen niet meer kunnen binden. Het enzym staat ‘uit’. Er kan ook een positieve terugkoppeling plaatsvinden. Hierbij wordt de enzymactiviteit gestimuleerd door een bepaald product uit de reactieketen.

Een andere manier van enzymregulatie vindt plaats door het binden of het afsplitsen van moleculen. Voorbeelden van zulke processen zijn:

1. Reversible protein phosphorylation: door het binden/afsplitsen van een fosfaatgroep aan de zijketen van het eiwit, wordt het eiwit inactief/actief gemaakt, doordat een fosfaatgroep negatief geladen is en koppeling/afsplitsing kan zorgen voor een grote conformatieverandering binnen het eiwit. Door fosforylering kunnen eiwitten zich echter ook aan elkaar binden via zogenaamde docking sites. Dit proces van fosforylering gebeurt door omzetting van ATP in ADP. Kinase koppelt een fosfaatgroep aan het eiwit, fosfatase koppelt een fosforgroep van het eiwit af. Fosforylering is een vorm van covalente modificatie.

2. GTP-bindende eiwitten: door het binden van GTP door deze eiwitten wordt het eiwit ‘aangezet’. Door de hydrolyse van GTP ontstaat GDP (difosfaat) en een losse fosfaatgroep. Als GDP aan deze eiwitten is gekoppeld, staat het eiwit ‘uit’. Door GDP van het eiwit te vervangen door GTP wordt het eiwit weer actief gemaakt.

Motor proteins zijn eiwitten wiens hoofdfunctie het in beweging brengen van andere moleculen is. Een eiwit kan zich voortbewegen door een serie van vormveranderingen te ondergaan. Wanneer deze veranderingen niet gereguleerd worden zal het eiwit willekeurig bewegen. Om het eiwit vooruit te laten bewegen moet er voor gezorgd worden dat het eiwit niet achteruit kan. Dit gebeurt door de vormveranderingen van het eiwit te koppelen aan de hydrolyse van een ATP-molecuul dat aan het eiwit gebonden is. Om achteruit te kunnen bewegen, zal het eiwit nu een fosfaatgroep moeten binden aan ADP op weer ATP te vormen. Gezien de energie die deze handeling kost, is dit erg onwaarschijnlijk. Protein machines bestaan uit een samenstel van meerdere allosterische eiwitten. Zij kunnen complexe cellulaire functies efficiënt uitoefenen als gevolg van gecoördineerde vormveranderingen.

Voor veel eiwitten is hun enige doel om te binden aan een ander molecuul. Voor andere eiwitten is deze binding slechts een eerste stap voor hun uiteindelijke functionering. Dat is het geval bij enzymen, een belangrijke eiwitklasse. Zij voeren bijna alle noodzakelijke chemische transformaties uit in een cel. Enzymen binden aan een of meer liganden (substraten) en zetten ze om in chemisch gemodificeerde producten. Dit doen ze talloze keren met hoge snelheid, terwijl ze zelf niet veranderen. Er zijn verschillende typen enzymen, deze worden geclassificeerd volgens de chemische reactie die ze katalyseren (zie tabel 4-1, blz. 144).

Een enzym waarvan de werking uitgebreid bestudeerd is, is een lysozym. Een lysozym katalyseert een hydrolysereactie. Hierdoor wordt de binding tussen twee suikergroepen verbroken. Om de reactie te laten verlopen, moet de activeringsenergie overschreden worden. Dan komt het enzym in het spel. Net als andere enzymen heeft een lysozym een bindingsplaats, een active site. Als een polysacharide bindt aan de actieve site, wordt de binding tussen suiker-suiker verbroken. Het lysozym doet drie dingen om de activeringsenergie terug te brengen:

• Het zorgt ervoor dat een van de twee suikergroepen van vorm verandert, waardoor de verbinding makkelijker verbroken wordt.

• Het brengt de binding die verbroken moet worden in de buurt van twee aminozuren met zure zijketens, die reageren met de verstoorde suikergroep waardoor de binding breekt.

• Het zorgt ervoor dat een watermolecuul reageert met het C1 koolstofatoom van het substraat, waardoor de hydrolyse gecompleteerd wordt.

Andere enzymen gebruiken gelijkwaardige mechanismes om de activeringsenergie te verlagen en zo reacties te versnellen De meeste medicijnen werken door de activiteit van een bepaald enzym te blokkeren.

Hoe werkt controle over eiwitten?

De katalyserende activiteiten van enzymen worden vaak gereguleerd door andere moleculen. Duizenden enzymen werken vaak gelijktijdig en in het zelfde gebied. Het is een heel complex systeem en daarom zijn er uitgebreide controles vereist om alle reacties op de juiste wijze te reguleren. Het meest gebruikte controlemechanisme treedt op wanneer een ander molecuul dan het substraat aan de bindingsplaats van het enzym bindt. Als een bepaald product zich begint op te stapelen, bindt het product zelf vaak aan het enzym waardoor verdere omzetting van substraat gelimiteerd wordt Dit wordt feedback inhibition genoemd. Dat is een vorm van negatieve regulering. Er is ook positieve regulering, dan wordt de enzymactiviteit juist gestimuleerd door een ander molecuul.

Een enzym heeft minstens twee verschillende bindingsplaatsen: een voor het substraat en een andere voor regulerende moleculen. Deze twee bindingsplaatsen kunnen op een bepaalde manier communiceren, zodat de katalyserende activiteit beïnvloed kan worden door regulerende moleculen. Dit gebeurt doordat de structuur van een enzym verandert, zodat bijvoorbeeld de bindingsplaats voor het substraat minder toegankelijk is. De meeste eiwitten zijn allosterisch. Dat wil zeggen dat ze twee of meer verschillende conformaties aan kunnen nemen.

Eukaryote cellen gebruiken vooral een methode om eiwitactiviteit te reguleren waarbij fosfaatgroepen binden aan de zijgroep van het aminozuur van het eiwit. De fosfaatgroepen dragen twee negatief ladingen, hierdoor kan er een grote conformationele verandering ontstaan. Dit zorgt weer voor een verandering van liganden aan het eiwit oppervlak. Zo verandert de eiwit activiteit; deze wordt geïnactiveerd. Het eiwit kan weer worden geactiveerd door enzymen. Zie Figure 4-40 op pagina 153. Deze omkeerbare eiwitfosforylatie reguleert de activiteit van veel verschillende eiwitten. Deze fosfaatgroep komt van een gehydrolyseerd ATP-molecuul; de reactie kost dus energie.

Chemisch gezien hebben eiwitten een ingewikkelde structuur en erg verfijnde functies. Eiwitten zijn opgebouwd uit een lange keten aminozuren. Er zijn 20 verschillende aminozuren. Aminozuren zijn met elkaar verbonden door middel van een covalente peptidebinding. Eiwitten worden daarom ook wel polypeptiden genoemd. Elk type eiwit heeft zijn eigen aminozuurvolgorde, die bepalend is voor de uiteindelijke vorm van het eiwit.

Een polypeptide bestaat uit een keten van aaneengekoppelde aminozuren. De specifieke zijgroepen van de aminozuren steken uit de keten. Deze zijgroepen kunnen hydrofiel of hydrofoob zijn, negatief of positief geladen of bijvoorbeeld chemisch reactief zijn. De zijgroep bepaalt de specifieke eigenschappen van het aminozuur.

Wat zijn en doen DNA en Chromosomen? - Chapter 5

Wat zijn genen & DNA?

In genen ligt de informatie opgeslagen die iets zegt over de persoonlijke kenmerken van een persoon en een bepaalde groep. Deze informatie wordt miljoenen keren van moeder- naar dochtercel overgegeven, zonder dat er uiteindelijk veel veranderingen zijn ontstaan.

Chromosomen zijn draadachtige structuren die in celkernen zitten. Ze worden zichtbaar tijdens de celdeling. Chromosomen bestaan uit DNA en eiwitten. Het DNA bevat de erfelijke informatie en de eiwitten spelen voornamelijk een rol in de verpakking en regulatie van de DNA-moleculen.

Een deoxyribonucleïnezuur-molecuul (DNA) bevat twee lange polynucleotide ketens. Beide strengen zijn opgebouwd uit 4 soorten nucleotiden. De twee strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen deze nucleotiden. Nucleotiden zijn opgebouwd uit een fosfaatgroep, een suikergroep en een base. Deze suikergroep bestaat uit een ring van 5 koolstofatomen, met daaraan 1 of meerdere fosfaatgroepen en een stikstofbase. De 4 verschillende basen zijn:

• Adenine (A)
• Cytosine (C)
• Guanine (G)
• Thymine (T)

De nucleotiden zitten aan elkaar vast doordat de suiker- en de fosfaatgroep met elkaar binden. Er ontstaat zo een soort “ruggengraat” met om en om steeds suiker en fosfaat. De twee strengen worden bij elkaar gehouden doordat de basen waterstofbruggen vormen. Door de manier waarop de nucleotiden gerangschikt zijn, ontstaat er een chemische polariteit. Dit wordt aangegeven door te verwijzen naar een 3’-kant (waar de hydroxylgroep zit) en een 5’-kant (waar de fosfaatgroep zit).

De twee polynucleotide ketens worden in een dubbele helix bij elkaar gehouden door de vorming van waterstofbruggen tussen de nucleotiden van de strengen. Hierdoor zitten de basen aan de binnenkant van de helix, en de suiker- en fosfaatgroepen aan de buitenkant. De basen binden echter niet willekeurig: A en T zitten altijd aan elkaar en C en G ook. Dit wordt een basenpaar genoemd. De twee basen van elk basenpaar passen goed bij elkaar omdat ze complementair zijn. De twee strengen lopen antiparallel, waardoor ze een tegenovergestelde polariteit hebben. De strengen krullen om elkaar heen en creëren de dubbele helix. Per hele bocht in de helix zitten 10 basenparen. De twee strengen zijn dus complementair. Dit is erg belangrijk voor de replicatie en reparatie van het DNA.

Elke base in het DNA kan gezien worden als een letter, alle letters samen zorgen voor een bepaalde code die voor iedereen anders is. Organismen verschillen van elkaar doordat de DNA-moleculen andere volgorden van nucleotiden hebben en hierdoor dus verschillende boodschappen bevatten. Genen bevatten de instructies voor het produceren van eiwitten. Het DNA bevat de codes voor de eiwitten die geproduceerd moeten worden. Dit wordt gedaan door transcriptie, waarbij RNA wordt gevormd, en translatie, waarbij eiwitten worden gemaakt. De complete informatie van het DNA in een orangisme wordt het genoom genoemd.

Elke menselijke cel bevat ongeveer 2 meter aan DNA, terwijl de celkern maar een diameter heeft van 5-8 µm. In eukaryotische cellen zijn de lange DNA-moleculen verpakt in chromosomen, wat ervoor zorgt dat deze lange strengen in de celkernen passen. Bacteriën dragen hun genen in een rond DNA-molecuul. Dit wordt wel nog steeds een chromosoom genoemd, maar verschilt veel van de chromosomen in eukaryotische cellen.

In iedere cel zitten 2 kopieën van elk chromosoom, met uitzondering van de geslachtscellen en speciale, gedifferentieerde cellen zoals volwassen rode bloedcellen. Van elk paar is 1 chromosoom van de moeder en 1 van de vader. Dit worden homologe chromosomen genoemd. Het enige niet-homologe chromosomenpaar is de X en Y bij een jongen.

DNA-hybridisatie is een techniek die wordt gebruikt voor het vergelijken van chromosomen. Doordat de chromosomen in verschillende kleuren worden ‘geverfd’, kunnen ze worden onderscheiden en verdeeld worden in paren. Een karyotypering is wanneer er de volle set van chromosomen wordt weergegeven.

Een gen is een segment van het DNA dat de instructie bevat voor het aanmaken van een bepaald eiwit. Dit kan ook een instructie zijn voor het aanmaken van een RNA-molecuul als eindproduct. Het DNA van eukaryoten bevat ook grote stukken DNA die geen belangrijke functie lijken te hebben, ook wel junk-DNA. Verschillende soorten organismen hebben enorme verschillen in het DNA. Sommigen hebben veel kortere strengen dan andere soorten, anderen verschillen in hoe het DNA is verdeeld over de chromosomen.

Wat is een celcycklus?

Om een functioneel chromosoom te vormen, moeten de DNA-moleculen een celcyclus doorlopen. De twee fasen die in dit hoofdstuk aan de orde komen, zijn de interfase en de mitose. Tijdens de interfase zijn de chromosomen lange, dunne draden, die niet goed te zien zijn. Tijdens de mitose zijn de chromosomen zeer sterk gecondenseerd (gespiraliseerd). Hierdoor nemen de chromosomen minder ruimte in en gaat de verdeling van de chromosomen over de dochtercellen sneller.

De celkern wordt omgeven door het celmembraan (in het Engels: nuclear envelope), dat gevormd wordt door 2 membranen. Hierin zitten nucleaire poriën die betrokken zijn bij actief transport. Het celmembraan wordt ondersteund door de nucleaire lamina, een netwerk van proteïne filamenten die een dunne laag vormen. In de celkern liggen de chromosomen. Alle chromosomen hebben hierin een eigen ‘ligplaats’, zodat ze niet in elkaar verstrengeld raken.

Er zijn 2 typen eiwitten die binden aan het DNA om eukaryotische chromosomen te vormen. Eén daarvan is een histon. Histonen vormen nucleosomen. Je kunt het vergelijken met een kralenketting. De ketting is het DNA, en de kralen zijn de nucleosomen. Het DNA dat tussen 2 nucleosomen in ligt heet linker-DNA. Een nucleosoom bestaat uit een kern van 8 histonen (een octameer) waar een stuk DNA van 147 basenparen lang omheen gewikkeld zit. Deze ‘ketting’ heet een chromatinedraad en heeft ongeveer 1/3 van de lengte van het DNA. Omdat de histonen positief geladen zijn binden ze goed met de negatief geladen fosfaatgroepen van het DNA. Meestal wordt het DNA nog op andere manieren gecondenseerd. Er zijn verschillende niveaus van condensatie.

Er zijn meerdere manieren waarop eukaryotische cellen de structuur van chromatine snel kunnen aanpassen. Een chromatine-remodelleringscomplex is hier 1 van. Er wordt hierbij gebruik gemaakt van de energie die vrijkomt bij de hydrolyse van ATP. Hiermee kan de positie van het DNA dat om nucleosomen is gewikkeld, worden veranderd. Dit complex kan DNA ook losmaken van de nucleosomen, waardoor het beter bereikbaar wordt voor bepaalde eiwitten. Een andere manier is het veranderen van de chemische structuur van de histonen, door het toevoegen van acetyl-, fosfaat- of methylgroepen.

De sterkst gecondenseerde vorm van chromatine in de interfase heet heterochromatine. Dit is ongeveer 10% van een interfase chromosoom. Het meeste DNA dat geen genen bevat is meestal permanent gecondenseerd tot heterochromatine. Dit gebeurt ook met ongeveer 85% van 1 van de X-chromosomen van een vrouw. Hierdoor is dit dus inactief gemaakt. In elke cel wordt willekeurig 1 van de X-chromosomen hiervoor uitgekozen. DNA dat niet zo sterk gecondenseerd is heet euchromatine. In deze vorm kunnen genen tot expressie komen en kan het DNA gedupliceerd worden.

Wat zijn nucleotiden

De complete erfelijke informatie in het DNA van een organisme noemen we het genoom. Deze informatie wordt gekopieerd en verzonden van cel naar dochtercellen. In de celkern bevinden zich chromosomen, die bestaan uit DNA en eiwitten. De eiwitten fungeren als verpakking en houden de lange DNA-strengen bij elkaar. DNA bestaat uit twee lange polynucleotidekettingen, opgebouwd uit vier soorten nucleotiden. De twee DNA strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen de baseparen A-T en C-G.

Een nucleotide bestaat uit een vijf-C-atomig suikermolecuul, één of meer fosfaatgroepen en een base. De nucleotiden van DNA zijn opgebouwd uit het suiker desoxyribose, één fosfaatgroep en een base: adenine, thymine, cytosine of guanine. De fosfaatgroep en de hydroxylgroep aan het 5e C-atoom van het suikermolecuul vormen door (covalente) peptidebindingen de ruggengraat van de DNA-streng. Er ontstaat een ruggengraat met afwisselend suiker-fosfaat-suiker-fosfaat. Deze manier van binden geeft de DNA-strand een chemische polariteit, doordat het ene eind een hydroxylgroep (3’-eind) bevat en het andere eind een fosfaatgroep (5’-eind). De twee DNA strengen zijn antiparallel, zodat een nucleotide waterstofbruggen kan vormen met zijn tegenhanger (A-T, C-G). Er ontstaat een dubbele helix met alle basen aan de binnenkant en de ruggengraat aan de buitenkant.

De opeenvolging van nucleotiden in een gen bepaalt uiteindelijk de aaneenschakeling van de aminozuren in eiwitten. Het proces waarbij een gen tot uitdrukking komt in de cel heet genexpressie. Dit komt tot stand door transcriptie en translatie.

Wat is de structuur van eukaryotische chromosomen?

In eukaryotische (=met celkern) cellen worden de lange DNA-strengen verpakt in chromosomen. Het DNA wordt door gespecialiseerde eiwitten zo verpakt dat alle eiwitten die zorgen voor replicatie, herstel en genexpressie er nog toegang tot hebben. Het menselijk genoom bevat ongeveer 3,2 miljard nucleotiden die zijn verdeeld over 23 chromosoomparen en 24 soorten chromosomen. Het genoom omvat alle erfelijke informatie op de chromosomen van een organisme. Chromatine staat ook wel bekend als het complex van DNA en eiwitten. Een weergave van alle chromosomen wordt ook wel een karyotype genoemd. Behalve de geslachtscellen en zeer gespecialiseerde cellen, die geen DNA bevatten, bevatten alle menselijke cellen twee kopieën van elk chromosoom: één afkomstig van de vader en één afkomstig van de moeder. Deze chromosoomparen worden homologe chromosomen genoemd. Alleen de geslachtschromosomen zijn niet homoloog bij mannen (een X- en Y-chromosoom).

Een bepaald gen op een chromosoom bepaalt uiteindelijk welk eiwit (of eiwitten die op elkaar lijken) worden gemaakt. Daarnaast reguleren sommigen genen de productie van RNA als eindproduct, in plaats van een eiwit. De mens heeft ongeveer 25000 genen, omdat het zo’n gecompliceerd organisme is. Naast die genen bestaan veel eukaryotische chromosomen uit zogenaamd “junk DNA”. Van dit DNA is het nut (nog) niet bekend.

Om een celdeling succesvol te laten verlopen, moet DNA in staat zijn om gekopieerd en verdeeld te worden, zodat er twee dochtercellen met goed functionerende chromosomen ontstaan. Dit gebeurt in fases in de celcyclus. Tijdens de interfase worden de chromosomen verdubbeld en tijdens de mitose worden ze overgedragen naar twee dochtercelkernen. Het DNA wordt zeer snel gerepliceerd, doordat op verschillende locaties DNA-replicatie kan starten. De replicatie kan starten bij de replication origin, gecodeerd door een bepaalde nucleotidevolgorde. Telomeren worden gecodeerd door een andere herhalende nucleotide volgorde. Zij vormen de twee uiteinden van een chromosoom. Telomeren zorgen ervoor dat de uiteinden van chromosomen goed worden gerepliceerd en dat het DNA niet wordt aangezien als een fout of als een kapot DNA-molecuul. Tijdens de M-fase krijgt het DNA een compacte structuur die het mogelijk maakt het DNA onder de microscoop te bekijken. Het centromeer is het punt waar de twee ontstane armen na verdubbeling nog bij elkaar blijven.

De celkern wordt omgeven door een kernomhulsel (nuclear envelope) dat bestaat uit een dubbel membraan en het nuclear limina (een netwerk van eiwitvezels dat een dunne laag onder het binnenste kernmembraan vormt). Het kernomhulsel bevat poriën die moleculen de cel in en uit transporteren. De chromosomen raken niet in elkaar verstrikt, omdat ze bepaalde regio’s bezetten in de kern en op bepaalde plekken aan het kernomhulsel of aan het nuclear lamina vastzitten. Een nucleolus is de plaats waar de genen die coderen voor ribosomaal-RNA op de chromosomen bij elkaar komen. Hierlangs wordt rRNA gesynthetiseerd en gekoppeld aan eiwitten om ribosomen te vormen. DNA wordt zeer dicht op elkaar gepakt in chromosomen. Tijdens mitose is de lengte van een chromosoom 10.000 keer compacter dan in uitgestrekte vorm. Dit komt door eiwitten die het DNA zeer georganiseerd opwinden en vouwen.

De eiwitten die aan het DNA binden om chromosomen te vormen, worden opgedeeld in twee groepen: histonen en niet-histonische eiwitten. Histonen zijn fundamenteel voor het eerste niveau compactheid van chromatine: de nucleosomen. Het chromatine, bestaande uit histonen en DNA, kan dan worden gezien als een draad met kralen. Een nucleosoom bestaat uit een zogenaamde nucleosome core particle (de kraal), die bestaat uit acht histonen en het dubbelstrengs DNA dat om de histone octamer is gewonden, en uit het linker DNA, dat de core particles met elkaar verbindt. De nucleosomen vormen het eerste niveau van compactheid van chromatine.

Alle vier de histonen zijn kleine eiwitten met een grote hoeveelheid positief geladen aminozuren (lysine en arginine). Deze zorgen voor een stevige binding met de negatief geladen ruggengraat van DNA. De histonen hebben daarnaast een N-staart, die uit de nucleosome core particles steekt. Deze zijn onderhevig aan verschillende covalente chemische veranderingen die de chromatinestructuur regelen. De histonen zijn in de evolutie zeer onveranderd gebleven en daarmee wordt de belangrijke rol ervan voor de chromosoomstructuur aangetoond. De nucleosomen blijven meestal niet in uitgestrekte vorm, maar krijgen een compactere vorm: de chromatinevezel. Hiervoor is een vijfde histone nodig, genaamd H1, die de nucleosomen samenbrengt in een zich regelmatig herhalende rij.

In genen ligt de informatie opgeslagen die iets zegt over de persoonlijke kenmerken van een persoon en een bepaalde groep. Deze informatie wordt miljoenen keren van moeder- naar dochtercel overgegeven, zonder dat er uiteindelijk veel veranderingen zijn ontstaan.

Chromosomen zijn draadachtige structuren die in celkernen zitten. Ze worden zichtbaar tijdens de celdeling. Chromosomen bestaan uit DNA en eiwitten. Het DNA bevat de erfelijke informatie en de eiwitten spelen voornamelijk een rol in de verpakking en regulatie van de DNA-moleculen.

Hoe werken DNA replicaties, reparaties en recombinaties? - Chapter 6

De diversiteit aan levende organismen hangt af van de genetische veranderingen door miljoenen jaren heen. Om te overleven en reproduceren moeten individuen genetisch stabiel zijn. De meeste DNA schade is tijdelijk en wordt gecorrigeerd door een proces genoemd DNA herstel. Wanneer het herstel faalt, zal er een irreversibele mutatie ontstaan in het DNA, die kan leiden tot een verandering van het eiwit. Een mutatie in geslachtscellen zal worden doorgegeven aan elke cel van het multicellulaire organismen en aan de opvolgende generaties. De andere somatische cellen moeten worden beschermd tegen genetische verandering tijdens het leven van de individu.

Hoe werkt DNA replicatie?

De beide strengen van de dubbele helix van het DNA bevatten een nucleotidevolgorde die complementair is aan de nucleotidevolgorde van de andere streng. Als we de ene streng A noemen en de andere streng B, vormt streng A een template streng voor streng B, en andersom. Bij replicatie van streng A ontstaat een nieuwe streng B en bij replicatie van streng B ontstaat een nieuwe streng A. Een streng die gebruikt wordt voor replicatie heet een template, de nieuwe streng die langs de template gevormd wordt, heet een replicate. Doordat het mogelijk is om replicates te maken, is de cel in staat om zijn genen te kopiëren. Het kopiëren wordt uitgevoerd door een aantal proteïnen die samen een replicatiemachine vormen.

Bij DNA-replicatie ontstaan uit één dubbele helix twee dubbele helices, die identiek zijn aan het oorspronkelijke DNA. Elke streng van de dubbele helix dient als een template voor een nieuwe streng. Daardoor bevat elke kopie van het DNA uiteindelijk één streng van het originele DNA, en één replicate. Deze vorm van replicatie heet semi-conservatief.

De dubbele helix is normaal gesproken gesloten. De twee strengen worden bij elkaar gehouden door een groot aantal waterstofbruggen tussen de basen van beide strengen. DNA-replicatie begint met het ontwinden en scheiden van de twee strengen. Door proteïnes worden de waterstofbruggen tussen de twee strengen verbroken en gaan de strengen uit elkaar. De stoffen die dit veroorzaken heten initiator proteins. De plaatsen waar het DNA geopend wordt, heten replication origins. Deze zijn te herkennen aan een bepaalde nucleotidevolgorde. Deze origins trekken de initiator proteins aan en bevinden zich op delen van het DNA dat makkelijker te openen is (meestal bij A-T paren vanwege minder waterstofbruggen).

Op de plaats waar het DNA geopend wordt door een initiator, worden eiwitten aangetrokken die bij het replicatieproces betrokken zijn. Deze groep van eiwitten vormen de replication machine. DNA moleculen die gerepliceerd worden, bevatten Y-vormige knooppunten die we replicatievorken noemen. Bij deze vorken verplaatst de replication machine zich langs het DNA. De machine opent beide strengen en gebruikt elke als een template om een replicate te vormen. Per replication origin worden twee replicatie vorken gevormd en deze bewegen zich in tegenovergestelde richting. Het proces van DNA replicatie heet daarom bidirectional.

Een enzym dat belangrijk is bij de DNA replicatie is DNA-polymerase. Dit enzym katalyseert het toevoegen van een nucleotide aan het 3’-uiteinde van een replicate. Het helpt een binding te vormen tussen het 3’-eind van de replicate en de fosfaatgroep (5’-eind) van de nieuwe nucleotide. Voor de reactie heeft plaatsgevonden bevatten de vrije nucleotiden energie. De vrije nucleotiden zijn trifosfaten. Bij de hydrolyse van een trifosfaat worden twee fosfaatgroepen van de vrije nucleotide afgesplitst.

Hierbij komt energie vrij die de vorming van de binding tussen de vrije nucleotide en de replicate mogelijk maakt. Het DNA polymerase zorgt ervoor dat de energie benut wordt voor de verbinding tussen de nucleotide en de replicate.

De replicatie kan slechts in één richting plaatsvinden, namelijk in de richting van het 5’-uiteinde naar het 3’-uiteinde. De twee strengen van het DNA-molecuul hebben echter een tegenovergestelde richting. Als gevolg hiervan wordt één nieuwe DNA-streng gemaakt langs een template die van 3’ naar 5’ loopt. De andere DNA streng wordt echter gemaakt langs een template die van 5’ naar 3’ loopt. Dit is een probleem, omdat DNA-polymerase alleen een replicate van 5’ naar 3’ kan maken.. Bij de replicatie van deze streng wordt dit probleem opgelost door telkens kleine stukjes te repliceren in de richting van het 5’-uiteinde naar het 3’-uiteinde, en deze korte fragmenten te koppelen. Deze korte fragmenten heten Okazaki-fragmenten. De streng die op deze manier gerepliceerd wordt heet de lagging strand. De streng die in een keer gerepliceerd wordt heet de leading strand.

DNA-polymerase heeft twee bijzondere eigenschappen die ervoor zorgen dat de DNA-replicatie bijna zonder fouten plaats kan vinden. Ten eerste controleert het polymerase of de combinatie van twee nucleotiden juist is (A-T en C-G). Alleen wanneer de combinatie klopt, katalyseert het polymerase de bindingsreactie. Ten tweede kan het polymerase een gemaakte fout herstellen door middel van proofreading. Proofreading vindt tegelijkertijd plaats met de synthese van DNA. Voordat een nieuwe nucleotide aan de groeiende, nieuwe DNA-streng wordt gebonden, wordt er eerst gecontroleerd of de basenparing van de voorafgaande nucleotide klopt. Als dit het geval is, gaat de replicatie verder. Als dit niet het geval is, wordt de foute nucleotide verwijderd en probeert het polymerase het opnieuw.

Polymerase kan zelf geen begin maken aan een nieuwe DNA-streng. Hier is een ander enzym voor nodig, namelijk het primase. Dit enzym synthetiseert echter geen DNA, maar maakt een klein stukje RNA langs de DNA-template. Dit RNA bestaat uit ongeveer tien nucleotiden en dient als primer voor de synthese van DNA. Deze primer is met basen van de template gepaard en bevat een 3’-eind waaraan polymerase nieuwe nucleotide kan koppelen. Primase is een voorbeeld van een RNA-polymerase. RNA-polymerase synthetiseert RNA waarbij het DNA gebruikt wordt als template. Het verschil tussen DNA en RNA is dat DNA desoxyribose bevat en RNA ribose. Daarnaast wordt bij RNA de base uracil gebruikt in plaats van thymine, waardoor de combinatie U-A voorkomt in plaats van T-A. Een laatste verschil tussen RNA en DNA is dat RNA slechts uit een enkele streng bestaat, terwijl DNA dubbelstrengs is.

Bij replicatie van de leading strand is één primer nodig om de replicatie bij de replication origin te starten. Vervolgens kan de replicatie aan een stuk van 5’ naar 3’ door gaan. Bij replicatie van de lagging strand zijn meerdere primers nodig, omdat DNA-polymerase niet continu over de template kan bewegen. Ook zijn er drie andere enzymen nodig om het geheel van korte stukjes gerepliceerd DNA aan elkaar te plakken. Deze enzymen verwijderen de primers, vervangen deze door DNA, en plakken de stukken aan elkaar.

Een nuclease verwijdert het RNA, een DNA polymerase (repair polymerase) vervangt het RNA door DNA, en DNA ligase plakt de uiteinden aan elkaar.

Voor het voortduren van de replicatie is het nodig dat de twee DNA-strengen van de helix uit elkaar gaan in de richting van de replicatie. Hierbij speelt helicase een belangrijke rol. Aan de voorkant van de replication machine ontbindt helicase de twee DNA-strengen.

Hiervoor is helicase van ATP afhankelijk. Aan de gescheiden strengen binden eiwitten, de zogenaamde single strand DNA-binding proteins, die ervoor zorgen dat de DNA-strengen niet weer terugvormen in een dubbele helix. Het eiwit sliding clamp zorgt ervoor dat DNA-polymerase aan de template vast blijft. Zonder dit eiwit heeft polymerase de neiging om van de template af te vallen. De sliding clamp kan echter pas aan een DNA-molecuul binden, als een zogenaamde clamp loader door middel van ATP-hydrolyse dit mogelijk maakt. Verder is het eiwit DNA-topoisomerase van belang bij de replicatie. Doordat een deel van het DNA uit elkaar wordt gehaald bij een replicatievork, komt er spanning op het DNA dat na de replicatievork volgt te staan. DNA-topoisomerase zorgt ervoor dat deze spanning verdwijnt door een inkeping in de ruggengraat van het DNA te maken en dit later weer te herstellen.

Omdat langs de lagging strand een discontinue replicate wordt gevormd, moet er steeds een nieuwe RNA-primer worden gevormd. Dit zorgt echter voor problemen aan het eind van de streng. Aan het eind van het DNA-molecuul is geen plaats om een primer te binden. Hierdoor zou de replicatie langs de lagging strand eerder stoppen. Eukaryoten hebben aan het eind van hun DNA-strengen een specifieke nucleotidevolgorde, die een telomeer wordt genoemd. Deze telomeren trekken het enzym telomerase aan. Dit enzym bevat een stukje RNA, dat wordt gekoppeld aan de lagging strand. Hierdoor is DNA-polymerase is staat om de gehele lagging strand te kopiëren.

Hoe werkt DNA-herstel?

Af en toe worden er fouten gemaakt in het DNA-replicatie- en repairproces. Als gevolg hiervan ontstaan er permanente fouten in het DNA die we mutaties noemen. Er wordt tijdens replicatie ongeveer 1 fout gemaakt per 107 gekopieerde nucleotiden. DNA mismatch repair is een systeem in de cel dat ongeveer 99% van deze fouten herstelt. Er blijft dus ongeveer 1 fout over in het DNA per 109 nucleotiden. DNA mismatch repair repareert altijd de nieuw gevormde DNA-streng die de mismatch zal bevatten. Een complex van mismatch repaireiwitten herkent een mismatch en herstelt deze na de mismatch te hebben verwijderd.

Het mismatch repairproces speelt een belangrijke rol in het voorkomen van kanker. De erfelijke aanleg voor bepaalde kanker wordt veroorzaakt door een defect in de genen die coderen voor de mismatch repaireiwitten. Mensen hebben twee kopieën van dit gen. Wanneer beide defect raken, worden mutaties niet meer hersteld. Dit vergroot de kans op kanker. DNA-schade als gevolg van onvermijdelijke chemische reacties wordt gerepareerd door verschillende enzymen die DNA-schade herkennen en een kleine reeks nucleotiden verwijderen. Het missende deel wordt aangevuld door een repair DNA-polymerase dat de onbeschadigde streng als template streng gebruikt. DNA-ligase vult de laatste scheurtjes in het DNA op.

De meeste herstelmechanismen zijn afhankelijk van het feit dat er twee kopieën van genetische informatie zijn in de dubbelstrengs DNA helix. De basis van herstel bestaat uit drie stappen:

1. Na herkenning van een DNA schade zal een nuclease het deel eruit knippen.
2. Een herstel DNA polymerase zal het gat opvullen door de kopie streng af te lezen.
3. Een DNA ligase zal de fragmenten aan elkaar plakken.

Voorbeelden van chemische reacties die plaatsvinden zijn:

• Depurinering: purinebasen (dit zijn A en G) laten spontaan los van het DNA. De ruggengraat wordt dus niet verbroken.

• Desaminering: een aminogroep laat spontaan los van de base cytosine. Vervolgens ontstaat de base uracil.

• Thyminedimeervorming: er ontstaat een covalente bindingen tussen twee thymine basen als gevolg van UV-straling.

Een gevaarlijk type DNA-beschadiging ontstaat wanneer beide strengen van de dubbele helix breken. Hierdoor blijft er geen template intact die zuiver herstel mogelijk maakt. In lichaamscellen worden deze breuken gerepareerd door een mechanisme dat nonhomologous end-joining wordt genoemd. De uiteinden worden bij elkaar gebracht door een groep enzymen en aan elkaar gemaakt door DNA-ligase. Er gaan gedurende dit proces echter vaak nucleotiden op de plaats van de breuk verloren. Een betere oplossing is homologous recombination. Dit mechanisme kan dubbelstrengse DNA-breuken betrouwbaar repareren. Het komt erop neer dat er informatie wordt uitgewisseld tussen homologe DNA-moleculen. Informatie die voorkomt op het onbeschadigde homologe DNA wordt gebruikt als voorbeeld om de gebroken DNA-strengen te repareren.

1. (B) Een nuclease zorgt ervoor dat de uiteinden bij de breuk enkelstrengs worden door een stukje van de DNA-strengen te verwijderen.

2. (C) Een van de uiteinden dringt met behulp van enzymen in het homologe DNA en vormt baseparen met de complementaire streng.

3. (D) De binnendringende streng wordt verlengd door DNA-polymerase. Hierbij wordt de complementaire homologe streng als template gebruikt. De binnendringende streng wordt verlengd tot na het punt van de breuk.

4. (E) Vervolgens wordt de dubbele breuk door basenparing weer aan elkaar gemaakt. DNA-polymerase vult de missende nucleotiden op de beide strengen aan.

5. (F) DNA-ligase vult scheurtjes op. Het herstel is compleet.

Patiënten met de genetische aandoening xeroderma pigmentosum kunnen thymine dimeren niet repareren. Deze individuen krijgen last van huidlaesies, inclusief huidkanker, wanneer ze worden blootgesteld aan UV-licht.

Depurinatie is het plotseling verdwijnen van de purinebases (A en G). Bij deaminatie verdwijnt er plotseling een aminegroep, waardoor uracil uit cytosine ontstaat.

Metabolische bijproducten veranderen soms baseparen en UV-straling kan er voor zorgen dat 2 pyrimidine (thymine, cytosine of uracil) covalente verbindingen aan gaan.

De originele streng dient altijd als back-up. Deze is makkelijk te onderscheiden van de beschadigde streng, doordat er door mutaties vaak combinaties worden gevormd die normaal niet bestaan. De drie stappen van reparatie: 1) De beschadiging wordt verwijderd door de strengen uit elkaar te trekken met nuclease. Hierdoor blijft een gat over. 2) DNA polymerase bindt aan het 3’-eind en vult het gat. 3) Ligase heelt de helix.

Er zijn veel verschillende eiwitten nodig voor DNA repair. Wanneer één van deze ontbreekt zoals bij xeroderma pigmentosum, worden mutaties door UV-straling bijvoorbeeld niet verholpen, wat resulteert in kanker. Wanneer beide strengen beschadigd zijn is het mechanisme nonhomologous end-joining nodig. Dit brengt de gebroken delen weer bij elkaar, maar niet foutloos, er gaat meestal informatie verloren. Ook bestaat er homologous recombination. Hierbij wordt er een soortgelijke DNA streng gebruikt als mal. Dit werkt hetzelfde als recombinatie bij meiose. De soortgelijke streng kruist met de beschadigde streng, dit punt heet ‘branch point’. Deze beschermingsmechanismen maken evolutie een langzaam proces. Na miljoenen jaren blijft de essentiële inhoud van DNA behouden.

Bij meiose vindt er recombinatie plaats doordat de homologe chromosoom van de vader een cross-over maakt met de chromosoom van de moeder. De plek van de cross-over is willekeurig, er gaan geen nucleotiden verloren. Deze recombinatie vindt ook plaats bij de voortplanting van veel aseksuele organismen.

Nog een vorm van genetische variatie wordt veroorzaakt door mobiele genetische elementen, transposons, of springende genen genoemd. Deze elementen zitten in alle cellen en kunnen bewegen naar een ander deel van het genoom. Ook virussen zijn een mobiele vorm van DNA, ze kunnen vanuit de ene cel, een andere infecteren. Ze kunnen zich echter niet zelfstandig vermenigvuldigen en hebben hier gastheren voor nodig. Er is te weinig plek in hun DNA/RNA voor het coderen van enzymen voor de replicatie.

Wanneer de elementen niet als DNA maar als RNA bewegen, heten ze retrotransposons. Retrovirussen moeten eerst RNA omzetten in DNA om te kunnen repliceren. Reverse transcriptase is een ongebruikelijk DNA polymerase dat RNA als template gebruikt.

Hoe werkt homologe recombinatie?

Het is ook mogelijk dat er inplaats van een enkelstrengs, een dubbelstrengs breuk ontstaat. Dan is er geen kopie meer beschikbaar. Hier zijn speciale herstel-mechanismen voor. Non-homologous end joining zet twee gebroken uiteinden aan elkaar door speciale enzymen. Vaak gaan hierbij nucleotiden verloren. Bij homologe recombinatie gaan er geen nucleotiden verloren.

Bij homologe recombinatie wordt de genetische informatie gebruikt die ligt op een homologe chromosoom. Een deel wordt als template gebruikt voor de herstel van een dubbelstrengs breuk. Homologe recombinatie speelt ook een rol in de uitwisseling van genetische informatie tijdens de meiose van seksuele reproductie. Na de detectie van een dubbbelstrengs breuk zal een nuclease een enkelstrengs uiteinde genereren. Met hulp van gespecialiseerde enzymen kan deze uiteinde een homologe DNA duplex opzoeken en bij het vertakkingspunt kruizen de twee DNA strengen. Een herstel DNA polymerase vormt baseparen met de complementaire streng en vervolgens zal de streng weer terug migreren naar de plek van de breuk. Een DNA ligase lijmt tot slot het nieuwe stuk DNA aan het breukuiteinde.

Homologe recombinatie kan ook gebruikt worden bij andere typen DNA schades. Het kan ook een rol spelen in de meiose van seksuele reproductie, namelijk de formatie van cross-overs. Hierbij wisselen een moeder en een vader chromosoom genetische informatie uit door middel van speciale meiose enzymen.

De diversiteit aan levende organismen hangt af van de genetische veranderingen door miljoenen jaren heen. Om te overleven en reproduceren moeten individuen genetisch stabiel zijn. De meeste DNA schade is tijdelijk en wordt gecorrigeerd door een proces genoemd DNA herstel. Wanneer het herstel faalt, zal er een irreversibele mutatie ontstaan in het DNA, die kan leiden tot een verandering van het eiwit. Een mutatie in geslachtscellen zal worden doorgegeven aan elke cel van het multicellulaire organismen en aan de opvolgende generaties. De andere somatische cellen moeten worden beschermd tegen genetische verandering tijdens het leven van de individu.

Wat is het verband tussen DNA en proteinen, cel en genoom? - Chapter 7

Hoe werkt DNA transcriptie?

De omzetting van de genetische informatie in DNA naar een product dat een bepaald effect heeft op een organisme of cel, wordt genexpressie genoemd. Om de genetische informatie in DNA tot uiting te laten komen, wordt de nucleotidevolgorde van een gen eerst overgeschreven naar RNA. Dit wordt transcriptie genoemd. Transcriptie begint met de ontwinding van de dubbele helix van een stukje DNA, zodat het gen bereikbaar wordt. Eén van de DNA-strengen dient vervolgens als template voor de synthese van RNA. Transcriptie wordt gekatalyseerd door het enzym RNA-polymerase. Dit enzym verbindt de ribonucleotiden tot een suiker-fosfaatruggengraat. RNA-polymerase beweegt langs de template en synthetiseert de RNA keten van het 5’-einde naar 3’-einde. Ribonucleotiden worden toegevoegd door middel van complementaire basenparing aan de template. De RNA-streng blijft niet gebonden aan de DNA-streng. Vlak nadat een ribonucleotide aan de RNA-streng is gekoppeld, laat deze los van de DNA-streng en herstelt de dubbele helix zich. RNA-polymerase herkent bepaalde reeksen van nucleotiden in het DNA-molecuul en weet aan de hand hiervan waar de transcriptie moet beginnen en waar deze moet eindigen.

RNA en DNA verschillen van elkaar op bepaalde punten. RNA is opgebouwd uit ribose, DNA is opgebouwd uit desoxyribose. RNA bevat de base uracil (U) op plaatsen waar DNA de base thymine (T) zou bevatten. RNA-moleculen zijn enkelstrengs, DNA-moleculen zijn dubbelstrengs. Omdat RNA enkelstrengs is, heeft het de mogelijkheid zich op verschillende manieren op te vouwen (in tegenstelling tot DNA). De functie van DNA is vooral het dragen van informatie. RNA heeft echter zowel structurele, informatieve als katalyserende functies.

Cellen maken verschillende soorten RNA. Allereerst wordt er onderscheid gemaakt tussen mRNA en non-mRNA. mRNA draagt de instructies voor het maken van eiwitten, non-mRNA is RNA dat het eindproduct is van bepaalde genen. Er zijn verschillende soorten non-mRNA:

• rRNA, dat een component van ribosomen is;

• tRNA, dat zich tussen mRNA en aminozuren als adaptor gedraagt;

• miRNA, dat een belangrijke regulator van genexpressie is;

• andere soorten non-mRNA, die een rol spelen in onder andere genregulatie, splicing en het onderhoud van telomeren.

Transcriptie begint op plekken in het DNA die promotors genoemd worden, hier bindt RNA-polymerase aan de DNA-streng. Een promotor is een specifieke reeks van nucleotiden die het startpunt voor de RNA-synthese aangeeft. De transcriptie gaat door totdat RNA-polymerase een terminator bereikt. Dit is een specifieke nucleotidevolgorde die het eind van het gen aangeeft. Op dit punt laat RNA-polymerase los van de template.

Bacterieel RNA-polymerase heeft alleen een sigma factor nodig om een promotor te herkennen en transcriptie te laten beginnen. Eukaryotisch RNA-polymerase vereist een aantal transcriptiefactoren. Zonder deze eiwitten kan RNA-polymerase niet aan het DNA binden en kan de transcriptie niet verlopen. Verder hebben eukaryoten drie verschillende soorten RNA-polymerasen, terwijl bacteriën slechts één soort RNA-polymerase hebben. De verschillende genen van een eukaryoot liggen daarnaast veel verder uit elkaar in het DNA dan de genen van bacteriën. Het laatste verschil tussen eukaryoten en bacteriën, is dat eukaryoten bij transcriptie rekening moeten houden met de compacte vormen van de chromatinestructuur. Bacteriën hoeven dit niet. In eukaryotische cellen vindt transcriptie plaats in de kern, maar translatie gebeurt op de ribosomen in het cytoplasma. mRNA moet daarom door de kernenvelop heen getransporteerd worden. Voordat dit gebeurt, ondergaat het RNA verschillende verwerkingsstappen om de stabiliteit van het RNA te verhogen en het RNA herkenbaar te maken. Het verschilt per soort RNA welke verwerkingsprocessen worden toegepast. Wanneer transcriptie plaatsvindt, rijden de enzymen voor RNA verwerking mee op de staart van RNA-polymerase. Twee verwerkingsstappen die worden toegepast bij mRNA zijn capping en polyadenylation. RNA-capping is het veranderen van het 5’-einde van mRNA. Er wordt een bijzondere G-base met methylgroep toegevoegd. Bij polyadenylation wordt eerst een deel van het 3’-eind afgesneden. Vervolgens worden er vele adeninenucleotiden toegevoegd.

Wat houdt 'slicing' in?

In eukaryotisch DNA zijn de meeste genen opgebouwd uit exons en introns. Exons zijn de coderende stukken DNA. Introns zijn stukken DNA die nergens voor coderen. Zowel exons als introns worden gekopieerd tijdens transcriptie. Introns worden verwijderd uit het RNA door middel van splicing, en exons worden bij elkaar gevoegd. Dit proces wordt gekatalyseerd door kleine ribonucleoproteins, snRNPs. De cel weet welke stukken verwijderd moeten worden, omdat introns reeksen van nucleotiden bevatten die functioneren als aanwijzingen. Van alle gesynthetiseerde mRNA is maar een klein deel bruikbaar voor de cel. Pas nadat mRNA capping, polyadenylation en splicing heeft ondergaan, is het functioneel en kan het vertaald worden naar een eiwit. Het bruikbare RNA wordt van het onbruikbare RNA gescheiden doordat het transport van de celkern naar het cytoplasma selectief is: alleen RNA dat ‘af’ is kan passeren.

Het molecuul dat voor de splicing zorgt heet een spliceosome. Deze bestaat uit small nuclear RNAs (snRNAs), dit zijn speciale RNA moleculen. De snRNAs zijn verbonden met speciale eiwitten, en dit complex heet small nuclear ribonucleoprotein particles (snRNPs). De snRNPs vormen de kern van een spliceosome.

Door de splicing kunnen er van één gen vele verschillende eiwitten gemaakt worden, door ze op alternatieve manieren te splicen. Dit proces zou tijdens de evolutie ervoor gezorgd hebben dat er vele nieuwe eiwitten werden gemaakt uit een aantal genen. Na het capping, splicing en polyadenylation is het mRNA klaar om de nucleus uit te gaan.

Hoe werkt de codering van DNA naar eiwit?

Het DNA codeert voor eiwitten, de belangrijkste bouwstenen van de cel, die de structuur en functie van de cel bepalen. Eiwitten verschillen van elkaar doordat de volgorde van de aminozuren waaruit ze zijn opgebouwd altijd anders is. Dit geeft het eiwit een eigen vorm. Omdat er zoveel verschillende combinaties van aminozuurketens zijn, bestaan er ook duizenden verschillende eiwitten.

Als er een bepaald eiwit gemaakt moet worden, wordt eerst het benodigde deel van het DNA overgeschreven op RNA, dit heet transcriptie. Het maken van een eiwit met behulp van informatie van het RNA heet translatie. Ook komt RNA-splicing voor, waarbij stukjes uit het RNA worden geknipt en de sequentie van de aminozuren verandert. De stap van DNA naar RNA naar eiwit heet het centrale dogma, omdat cellen in alle organismes dit doen.

Transcriptie en translatie zijn de manieren waarop de cel zijn genen tot expressie brengt. Een stuk DNA kan vele malen worden getranscribeerd en dus vele stukjes RNA vormen, en een stukje RNA kan meerdere eiwitten maken. Zo kan de cel met maar twee kopieën van het DNA toch in korte tijd veel eiwitten maken. Omdat de snelheid en kwantiteit van het aflezen per stuk DNA verschilt, worden er van sommige eiwitten meer kopieën gemaakt dan van andere. De expressie van elk gen kan door de cel worden aangepast.

De productie van RNA, de transcriptie, is de eerste stap in de genexpressie. RNA verschilt van DNA doordat het ribose in plaats van deoxyribose bevat, het uracil als complementaire base voor adenine heeft in plaats van thymine en het enkelstrengs is en dus geen dubbele helix heeft. Omdat RNA enkelstrengs is, kan het ook op veel manieren gevouwen worden, waardoor het naast de functie om eiwitten te produceren ook structurele en katalytische functies kan hebben.

Transcriptie begint met het openen van de dubbele helix, waarna één van de strengen als template streng dient voor het RNA. Het aangroeien van RNA is vergelijkbaar met DNA-replicatie, een nucleotide die complementair is aan de base in de DNA-streng wordt gezocht en aangehecht. Het transscript is dus complementair aan de template streng. Het RNA vormt geen waterstofbruggen met het DNA en zodra een base goed is aangehecht, maakt het RNA ruimte voor de dubbele helix om weer aaneen te sluiten zodat het DNA niet lang geopend is. RNA is in vergelijking met DNA erg kort, het bevat maximaal slechts enkele duizenden nucleotiden.

De transcriptie wordt geleid door een enzym dat RNA-polymerase heet, dit zorgt voor de di-esterbinding van fosfaat en vormt de 'ruggengraatstructuur' van suikers en fosfaten die het RNA bevat. RNA-polymerase beweegt langzaam over de template streng, waarbij het kleine stukjes van de dubbele helix openbreekt met helicase activiteit en dan de template streng complementeert. Hierbij gebruikt het de energie van de ribonucleaire trifosfaten (ATP, UTP, CTP en GTP). Omdat RNA vrijwel meteen de template streng weer loslaat kan hetzelfde gen in kortere tijd vaak getranscribeerd worden. Transcriptie gaat sowieso erg snel, een gemiddeld RNA-molecuul bestaat uit ongeveer 1500 nucleotiden en wordt in 50 seconden gevormd.

De verschillen tussen RNA-polymerase en DNA-polymerase zijn dat RNA-polymerase ribosenucleotiden aan elkaar hecht in plaats van deoxyribosen, en dat RNA-polymerase zonder primer kan beginnen met de vorming van een streng. Dit laatste heeft ermee te maken dat RNA-polymerase geen controlerende functie heeft zoals DNA-polymerase, dit is ook niet nodig want fouten in het RNA hebben veel minder consequenties dan fouten in het DNA.

In de cel bevinden zich meerdere soorten RNA. Het RNA dat getranscribeerd wordt en dus voor aminozuren codeert, noemen we mRNA (messenger-RNA). Andere soorten RNA hebben een structurele functie of helpen bij de translatie, zoals rRNA (ribosomaal-RNA), dat het grootste deel van de ribosomen vormt en tRNA (transfer-RNA), dat de aminozuren levert waar de ribosomen het eiwit van maken. Er bestaat ook miRNA (micro-RNA) dat helpt bij de genexpressie, en andere RNA-vormen voor bijvoorbeeld RNA-splicing. (zie tabel 7-1 op p.228)

Het beginpunt van de transcriptie is bij bacteriën een bepaalde basenvolgorde in het DNA, de promotor genoemd. Hier wordt de dubbele helix geopend en dient een van de stengen als template streng. Transcriptie gaat door tot het een stopcodon, de terminator, tegenkomt, waarbij RNA-polymerase zowel de template streng als het gevormde RNA loslaat. De herkenning van de promotor wordt gedaan door een deel van het bacteriële polymerase, de sigmafactor, welke na transcriptie van een aantal nucleotiden loslaat. Als de polymerase de template streng loslaat, bindt het weer met zo'n sigmafactor en kan het een volgend deel van het DNA transcriberen. Ondanks dat de promotor de dubbele streng opent en dus twee strengen als template streng zouden kunnen dienen, wordt maar in één richting op één van de strengen getranscribeerd, dit omdat het RNA-polymerase maar op een streng wordt vastgehecht en er alleen in de 5'- naar 3'-richting nieuwe nucleotiden verbonden kunnen worden. De streng waarop getranscribeerd wordt, verschilt per gen.

Transcriptie in eukaryoten lijkt op transcriptie in bacteriën, maar er zijn essentiële verschillen. Ten eerste hebben eukaryoten drie soorten RNA-polymerase in plaats van één. Polymerasen I en III zorgen voor het niet-coderende RNA zoals rRNA en tRNA, RNA polymerase II zorgt voor het mRNA en wordt meestal gewoon RNA-polymerase genoemd. Daarnaast is er voor transcriptie in een eukaryote cel een collectie helpende eiwitten nodig, deze heten de general transcription factors. Ook liggen bij de eukaryoten de coderende delen van het DNA verder uit elkaar en zijn er veel complexere vormen van transcriptie mogelijk. Als laatste is het DNA van eukaryoten veel beter verpakt en moeilijker af te lezen dan bacterieel DNA.

Wat houden General Transcription Factors (GTF) in?

General transcription factors zijn nodig voor de transcriptie. Ze binden aan de promotor, binden de RNA polymerase 2, openen de helix en lanceren de RNA polymerase. De eerste GTF die bindt is TFIID. TFIID bindt aan een TATA box, een volgorde van nucleotiden T-A-T-A- enzovoort. Deze TATA box zit enkele nucleotiden vóór het begin van het gen. Na de binding zorgt de TFIID dat er een grote verandering optreedt in het DNA, en de andere GTFs binden ook. Samen met de andere GTFs bindt RNA polymerase 2 ook. Al deze eiwitten samen heten het transcription initiation complex. De RNA polymerase 2 zit dan nog vast in het transcription initiation complex. RNA polymerase 2 heeft een soort “staart” waar fosfaat groepen aan kunnen binden. GTF TFIIH heeft een protein kinase enzyme, waardoor het de staart kan fosforyleren en de RNA polymerase 2 los kan komen van het transcription initiation complex. Zo kan de RNA polymerase 2 beginnen met de transcriptie.

Als de RNA polymerase 2 weg is laten de GTFs los en kan er weer een nieuw complex opgebouwd worden. Na de transcriptie kan de RNA polymerase 2 alleen een nieuw complex vormen als de fosfaat groepen van de staart af zijn gehaald door fosfatases.

De general transcription factors verzamelen rond de promotor, helpen bij het aanhechten van RNA-polymerase, openen de dubbele helix en zetten RNA-polymerase in werking. Eerst hecht het zogenoemde TFIIB (vanwege zijn vele A's en T's ook wel de TATA box genoemd) aan de promotor (ongeveer 25 nucleotiden voor het beginpunt van de transcriptie), de promotor valt nu meer op. Hier komen de andere factoren en RNA-polymerase II op af en wordt het transcription initiatie proces gevormd. Voor RNA-polymerase met de transcriptie kan beginnen, moet het uit dit proces losraken. Dit gebeurt door fosfaatgroepen aan de staart van polymerase te koppelen met behulp van kinase, een enzym van factor TFIIH. Als de transcriptie in gang is gezet laten de meeste general transcription factors de streng los om elders een andere transcriptie te beginnen. Na de transcriptie laat ook RNA-polymerase los en worden de fosfaatgroepen eraf gehaald door fosfatase en kan het aan een andere transcriptie beginnen.

In bacteriën wordt het mRNA in het cytoplasma gevormd en kan translatie door de ribosomen meteen plaatsvinden. In eukaryoten wordt het mRNA gevormd in de nucleus en wordt deze pas getransporteerd naar het cytoplasma als het mRNA klaar is. De bewerkingen die plaatsvinden om het mRNA klaar te maken voor translatie wordt RNA processing genoemd. Deze bewerkingen vinden tegelijk met de transcriptie plaats. Verschillende RNA-soorten hebben verschillende processen, kenmerkend voor mRNA zijn capping en polyadenylation. Capping houdt in dat aan het 5'-einde een guaninenucleotide met een methylgroep wordt gekoppeld als er ongeveer 25 nucleotiden zijn aangebouwd en bij polyadenylation wordt het RNA-molecuul op een bepaalde plek afgeknipt en wordt aan het 3'-einde een keten van enkele honderden adeninenucleotiden (een poly-A-staart) gehecht. Beide zijn om het mRNA te stabiliseren, te helpen bij het transport naar het cytoplasma en om het mRNA te kenmerken. Daarbij is hieraan te zien of het mRNA compleet is, omdat zowel het begin als het eind worden gemarkeerd.

Alle soorten RNA van eukaryoten bevatten delen die niet coderen, de introns genoemd, en de wel coderende delen, de exonen. Introns zijn meestal langer dan exonen. Bij RNA-splicing worden de introns uit het pre-mRNA verwijderd. In de buurt van elk uiteinde van een intron zit een korte nucleotide sequentie die zich herkenbaar maakt om verwijderd te worden. Nadat introns zijn losgeknipt, vormen ze een soort lus. Small nuclear RNA (snRNA) herkent de grens tussen exon en intron. snRNA wordt verpakt in bepaalde eiwitten en samen vormen ze small nuclear ribonucleoprotein particles (snRNP’s). Spliceosomen bestaan uit snRNP’s, die zorgen voor de splicing. Bij alternatieve splicing kunnen er ook exonen uitgeknipt worden. Door alternatieve splicing, kan mRNA op verschillende manieren in elkaar worden gezet en dus verschillende eiwitten produceren. Alternatieve splicing treedt op bij 60% van alle RNA’s. Daarbij zorgen introns ook voor snellere recombinatie tussen verschillende genen en dus voor de evolutie van eiwitten.

Het hebben van introns heeft ook een nadeel, het genoom is veel langer dan als het alleen exonen zou bevatten. Hierdoor kunnen prokaryoten, die geen introns hebben, veel sneller delen dan eukaryoten. Of introns altijd al bestonden maar door prokaryoten uit het genoom zijn gestoten of dat introns overblijfselen van parasitair genetisch materiaal zijn, is niet duidelijk.

Alleen volledig bewerkt mRNA kan van de nucleus naar het cytoplasma getransporteerd worden. Transport wordt mogelijk gemaakt door het nucleaire porie complex, bestaande uit gaten die macromoleculen de nucleus in en uit laten. Het mRNA wordt gemarkeerd door verschillende eiwitten, zoals het ‘cap-binding complex’ en de ‘poly-A-binding proteins’ en geven aan dat alle stappen zijn doorlopen. Het RNA wat achterblijft wordt afgebroken.

Omdat mRNA meerdere keren kan worden afgelezen, is de levensduur in het cytoplasma erg belangrijk. De levensduur van het mRNA wordt door het mRNA zelf geregeld, meestal in een deel tussen het 3'-eind van het coderende deel en de poly-A-staart. Sommige mRNA’s hebben een levensduur van 10 uur en sommige maar van 30 minuten. Eiwitten waarvan er veel nodig zijn hebben mRNA dat lang leeft, eiwitten waarvan er weinig nodig zijn of waarvan de kwantiteit snel moet kunnen veranderen hebben kort levend mRNA.

Wat is de correspondentie van RNA naar eiwit?

De nucleotiden reeks in mRNA wordt gelezen in setjes van drie nucleotiden. Een setje van drie nucleotiden wordt een codon genoemd. Elk codon correspondeert met een bepaald aminozuur. Welk codon correspondeert met welk aminozuur is vastgelegd in de genetische code. De mogelijke combinaties van de vier verschillende nucleotiden in RNA geven 64 verschillende, mogelijke codons. Sommige codons corresponderen dan met hetzelfde aminozuur.

Translatie van mRNA naar eiwit vindt plaats in het cytoplasma op ribosomen. Translatie vindt plaats aan de hand van adaptormoleculen die codons van het mRNA herkennen. Deze adaptormoleculen zijn kleine RNA-moleculen en worden transfer RNA’s (tRNA’s) genoemd. Dit tRNA is op een speciale manier opgevouwen door basenparing.

Het bevat een reeks van drie nucleotiden, het anticodon genaamd, dat kan binden aan een codon in het mRNA door basevorming. Daarnaast heeft het tRNA aan zijn 3’-einde een bindingsplaats voor een aminozuur. Aminoacyl-tRNA synthetases zijn enzymen die aminozuren linken aan de passende tRNA-moleculen. De binding van het aminozuur aan het tRNA komt tot stand door hydrolyse van ATP. Er ontstaat hierdoor een energierijke binding. De energie van deze binding wordt later gebruikt om het aminozuur aan de peptideketen te koppelen.

Een ribosoom heeft een bindingsplaats voor een mRNA-streng, maar ook bindingsplaatsen voor tRNA-moleculen. Er zijn drie bindingsplaatsen voor tRNA’s: de A-plaats, P-plaats en E-plaats. Op de A-plaats bindt een tRNA-molecuul met het juiste codon op het mRNA. Op dat moment bevindt zich ook een tRNA-molecuul op de P-plaats. Dit tRNA-molecuul houdt de polypeptideketen die gesynthetiseerd wordt, vast. Vervolgens wordt het aminozuur van het tRNA op de A-plaats verbonden met de polypeptideketen die wordt vastgehouden door het tRNA op de P-plaats. Hierna komt het tRNA dat zich op de A-plaats bevindt, op de P-plaats terecht. Tot slot schuift het tRNA door naar de E-plaats, waar het tRNA weer van het geheel loslaat.

Translatie bij eukaryoten begint met een startcodon (AUG) op het mRNA. Het startcodon correspondeert met een speciaal tRNA dat altijd methionine als aminozuur heeft (initiator-tRNA). Dit initiator-tRNA wordt gekoppeld aan de P-plaats op het kleine ribosoomdeel. Eiwitten die translation initiation factors genoemd worden, binden ook aan dit kleine ribosoomdeel. Dit geheel bindt zich aan het 5’-einde van een mRNA-molecuul en gaat op zoek naar een startcodon. Zodra deze gevonden wordt, laten de translation initiation factors los van het geheel. Hierdoor kan het grote ribosoomdeel aan het kleine deel binden. Het ribosoom is nu compleet en de synthese van het eiwit kan beginnen. Het ribosoom schuift over het mRNA en bindt steeds een anticodon van het tRNA met het complementaire codon op het mRNA. De aminozuren worden aaneengekoppeld tot een polypeptideketen. De keten laat los van het ribosoom wanneer een stopcodon bereikt wordt (UAA, UAG of UGA). Er bindt dan een releasefactor aan het stopcodon op het mRNA, waardoor de ribosoomdelen het mRNA en elkaar loslaten en het tRNA de polypeptideketen loslaat.

Een ribozyme is een RNA-molecuul dat een chemische reactie kan katalyseren. Het stap voor stap aan elkaar vastmaken van aminozuren om een polypeptideketen te vormen, wordt gekatalyseerd door een rRNA-molecuul in de ribosomale subunit (het ribosoom is dus een voorbeeld van een ribozyme) van een ribosoom. Een mRNA-streng is meestal gebonden aan meerdere ribosomen tegelijkertijd. Zo’n groep ribosomen wordt ook wel een polyribosoom of polysoom genoemd. De concentratie van een bepaald eiwit is afhankelijk van de aanmaak en afbraak van dit eiwit. De afbraak van eiwitten is dus een manier om de hoeveelheid eiwitten te reguleren. Proteasen zijn enzymen die eiwitten afbreken in kleine peptiden en later in aminozuren. Proteasomen bevatten een centrale cilinder opgebouwd uit proteasen, waarvan de actieve centra naar binnen wijzen. Aan beide einden van de cilinder zit een groot eiwitcomplex dat bestaat uit minstens 10 verschillende eiwitsubunits. Ze kunnen aan eiwitten binden en met behulp van ATP-hydrolyse breken ze eiwitten af. Bepaalde enzymen, ubiquitin genaamd, kunnen eiwitten die afgebroken moeten worden, markeren, zodat proteasomen deze eiwitten kunnen herkennen.

De omzetting van de genetische informatie in DNA naar een product dat een bepaald effect heeft op een organisme of cel, wordt genexpressie genoemd. Om de genetische informatie in DNA tot uiting te laten komen, wordt de nucleotidevolgorde van een gen eerst overgeschreven naar RNA. Dit wordt transcriptie genoemd. Transcriptie begint met de ontwinding van de dubbele helix van een stukje DNA, zodat het gen bereikbaar wordt. Eén van de DNA-strengen dient vervolgens als template voor de synthese van RNA. Transcriptie wordt gekatalyseerd door het enzym RNA-polymerase. Dit enzym verbindt de ribonucleotiden tot een suiker-fosfaatruggengraat. RNA-polymerase beweegt langs de template en synthetiseert de RNA keten van het 5’-einde naar 3’-einde. Ribonucleotiden worden toegevoegd door middel van complementaire basenparing aan de template. De RNA-streng blijft niet gebonden aan de DNA-streng. Vlak nadat een ribonucleotide aan de RNA-streng is gekoppeld, laat deze los van de DNA-streng en herstelt de dubbele helix zich. RNA-polymerase herkent bepaalde reeksen van nucleotiden in het DNA-molecuul en weet aan de hand hiervan waar de transcriptie moet beginnen en waar deze moet eindigen.

Wat houdt genexpressie in? - Chapter 8

Hoe werkt de expressie van genen?

Elke cel in een organisme heeft hetzelfde DNA. Sommige genen komen tot uiting en andere niet. Door genexpressie is celdifferentiatie mogelijk. Elke soort cel gebruikt heeft een bepaalde functie die gebaseerd is op de genen die al dan niet tot expressie komen.

Cellen kunnen veranderen welke genen tot expressie komen, zonder de nucleotidevolgorde van het DNA aan te passen. Verschillen in genexpressie kunnen vergeleken worden door te kijken naar de eiwitten in cellen uit verschillende soorten weefsel. Veel eiwitten komen voor in alle cellen van een organisme, waaronder structurele eiwitten van chromosomen, RNA-polymerasen, DNA-repair-enzymen, ribosomale eiwitten, eiwitten die het cytoskelet vormen en enzymen die bij glycolyse en andere stofwisselingsprocessen betrokken zijn. Daarnaast produceren verschillende celtypes dus specifieke eiwitten, die belangrijk zijn voor de kenmerkende eigenschappen van de cel.

De meeste gespecialiseerde cellen in een meercellig organisme kunnen hun genexpressie aanpassen op basis van signalen van buiten de cel. Verschillende celtypen reageren ieder op een specifieke manier op hetzelfde extracellulaire signaal. Dit komt door bepaalde permanente aanpassingen in de genexpressie, die de cel zijn karakteristieke eigenschappen geven.

Een cel kan de aanmaak van eiwitten op verschillende manieren beïnvloeden:

• Door sturing van de transcriptie van bepaalde genen.

• Door beïnvloeding van splicing en andere processen waarbij het RNA-transcript wordt aangepast.

• Door selectie van mRNA’s die van de celkern naar het cytoplasma worden getransporteerd.

• Door het selectief afbreken van bepaalde mRNA-moleculen.

• Door selectieve translatie van mRNA door ribosomen.

• Door selectieve activering of inactivering van gemaakte eiwitten.

Hoe werkt de regulering van genexpressie?

De controle over transcriptie wordt uitgeoefend op het moment dat het proces wordt geïnitieerd. De promotor regio van een gen bind aan het enzym RNA polymerase en zorgt er zo voor dat het enzym een RNA kopie van het gen maakt. De promotor bezit een transcriptie geïnitieerde kant, waar de RNA synthese begint en een sequentie van ongeveer 50 nucleotiden paren, deze regio zit als het ware stroomopwaarts. Deze regio is nodig voor de herkenning van de promotor door het RNA polymerase, het bindt echter niet direct aan het RNA polymerase. Ook hebben alle genen een regulatoire DNA sequentie die de genen aan of uit switcht. Deze sequentie moet worden herkend door transcriptie regulators. Als een transcriptie regulator aan een regulatoire DNA sequentie bindt, kan de transcriptie controle worden beïnvloed. Mensen hebben duizenden verschillende DNA sequenties voor de regulatoren, het systeem is erg complex, maar ontzettend belangrijk voor de ontwikkeling en functie van het organisme. Eiwitten herkennen een specifieke nucleotide sequentie door middel van de binding van het oppervlakte van het eiwit aan het oppervlakte van de DNA dubbele helix regio. Veel transcriptie regulators binden aan de DNA helix als dimers (zie figuur 8-5 op pagina 267). Hierdoor wordt het oppervlakte dat contact maakt vergroot en zo wordt de sterkte en specificiteit van het eiwit DNA interactie vergroot.

Operons zijn gecoördineerde clusters van genen en worden allemaal getranscribeerd door één promotor. Ze zijn ongeveer even langs als een mRNA molecuul. Als de tryptofaan concentratie laag is, worden operons getranscribeerd; het resulterende mRNA heeft als functie om een volledige set van biosynthetische enzymen te produceren, deze werken samen om tryptofaan te produceren. In de promotor van de operon zit een korte DNA sequentie; de operator. Deze wordt herkend door een transcriptie regulator. Als deze regulator aan de operator bind, blokkeert het de toegang9 tot RNA polymerase van de promotor, zo wordt transcriptie van het operon voorkomen. En hiermee ook de productie van het tryptofaan-producerende enzym. Op deze manier wordt de productie stopgezet als het niet meer nodig is. De transcriptie regulator heet ook wel de tryptofaan repressor, deze represor kan alleen binden aan DNA als het al aan enkele andere moleculen tryptofaan is gebonden. Dit is een extra beveiligingsmechanisme.

Genen kunnen worden afgelezen, maar er zijn ook factoren die voorkomen dat dit gebeurt. Als dit niet zo is, wordt DNA afgelezen: dit begint bij de initiation site, en 50 nucleotides tegengesteld aan de richting waarin het DNA wordt afgelezen. Deze 50 nucleotides zijn noodzakelijk, omdat hier RNA polymerase aan bindt, zodat het DNA afgelezen kan worden. Behalve deze promotors bevat bijna elk gen ‘regulatory DNA sequences’, die het gen aan of uit kunnen zetten. Deze regulatory DNA sequences kunnen in lengte variëren tussen de 10 en 10,000 nucleotiden. De langere bevinden zich voornamelijk in eukaryoten en de kortere in prokaryoten. De kortere hebben het vermogen om te reageren op één signaal wat het gen aan of uit zet. De langere hebben de mogelijkheid om op meerdere signalen te reageren en hieruit de conclusie te trekken of, en hoeveel transcriptie er plaats moet vinden.

Deze DNA sequences werken door middel van gene regulatory proteins, die op hele specifieke manieren op het DNA kunnen gaan zitten, meestal in de major groove van de DNA helix. Het is een zeer specifieke binding van de regulatory proteins aan het DNA. Het individuele contact tussen het eiwit en het DNA is zwak, maar in totaal zorgt deze binding voor de sterkste, meest specifieke binding die bekend is in de biologie. Hoewel elk van deze eiwitten uniek zijn, kunnen de manieren waarop ze zijn opgevouwen wel meer algemeen worden weergegeven.

Meestal zijn er 2 eiwitten die de binding met het DNA aangaan, om zo de sterkte van de binding te vergroten, maar ook de specificiteit, terwijl er niet veel verschillende eiwitten nodig zijn.

Als voorbeeld hoe genregulatie werkt, nemen we de best begrepen genregulatie, namelijk die van de E. coli bacterie. Van deze bacterie weten we dat er 5 genen zijn die coderen voor enzymen die het aminozuur tryptofaan synthetiseren. Deze 5 genen worden tot één lange mRNA streng afgelezen. Als tryptofaan al aanwezig is in de cel, zijn deze enzymen niet meer nodig. Deze 5 genen behoren tot één operon, een set van genen die is overgeschreven in één mRNA streng. Binnen de promotor, die het begin van deze genen aangeeft, zit een klein stukje van 15 nucleotides dat herkend wordt door een gene regulatory protein. Wanneer dit eiwit aan de promotor bindt, kan er geen RNA polymerase aan binden en vindt er geen transcriptie plaats. Als deze gene regulatory protein gaat binden met de operator, kunnen deze genen niet meer afgelezen worden.

Dit eiwit, de gene regulatory protein, heet de tryptofaan repressor, en wordt gereguleerd doordat het alleen aan het DNA kan binden, als er meerdere tryptofaan moleculen aan het eiwit zijn gebonden. Wanneer er in een cel dus minder tryptofaan aanwezig is, laat het los van de tryptofaan repressor, waardoor deze loslaat van het DNA. De repressor is altijd aanwezig doordat hij continu langzaam gesynthetiseerd wordt: dit proces heet continue transcriptie en wordt ook wel constitutive gene expression genoemd. De tegenhanger is een activator. Alleen wanneer een activator, meestal in combinatie met een 2^e molecuul, aan een promotor is gebonden, kan RNA polymerase de promotor herkennen en zo wordt transcriptie tot stand gebracht. Een voorbeeld is als volgt: CAP moet eerst aan AMP binden voordat het op de promotor gaat zitten. CAP reageert op het level cAMP in een bacterie, wat zegt dat er geen glucose genoeg aanwezig is.

Een operator kan ook door zowel een activator en een repressor gereguleerd worden. Het lac operon in een E.coli bacterie heeft een gen voor de vertering en import van lactose, na glucose de beste voedingsbron. CAP zet de genen aan die toestaan dat de cel gebruik maakt van lactose, maar dit heeft alleen zin als er lactose is. De lac repressor zorgt ervoor dat dit operon alleen actief is als er ook lactose aanwezig is. Op deze manier voldoet het operon aan 2 voorwaardes. De eerste is afwezigheid van glucose, de tweede is aanwezigheid van lactose.

Er zijn vier belangrijke verschillen tussen prokaryoten en eukaryoten in hun manieren om DNA transcriptie te controleren:

1. Prokaryoten hebben één RNA polymerase enzym, eukaryoten hebben RNA polymerase I,II en III.
2. Prokaryoten kunnen met enkel RNA polymerase aan DNA transcriptie doen, eukaryoten moeten general transcription factors hebben om het polymerase te ondersteunen.
3. Bij prokaryoten ondersteunen gene regulatory proteins de transcriptie dichtbij het gen wat transcriptie ondergaat, bij eukaryoten kan dit duizenden nucleotiden weg zijn, en heeft zo ontelbaar veel regulatory sequences op het DNA zitten.
4. Bij eukaryoten moet transcriptie plaatsvinden in een verpakte vorm van DNA in nucleosomen en andere verpakte vormen van chromatine structuren, bij prokaryoten is dit niet nodig.

Intra-cellulaire compartimenten en transport

In een cel vinden tegelijkertijd vele verschillende reacties plaats, om deze reacties te controleren heeft de cel twee mechanismen ontwikkeld:

• door verschillende enzymen die een reactie moeten katalyseren in één enkel eiwitcomplex hun werk te laten doen,
• door verschillende metabole processen, en de eiwitten die nodig zijn om die processen uit te voeren, van elkaar te scheiden door ze in te sluiten in verschillende compartimenten omgeven door een membraan.

Hoe is een cel opgebouwd?

In een eukaryote cel zijn er veel verschillende compartimenten omgeven door een membraan, die niet nader gerangschikt lijken te zijn, waar enzymen hun werk kunnen doen zonder last te hebben van reacties in andere compartimenten. Zo’n compartiment noemen we een organel. Elke organel bevat een unieke set van kleine en grote moleculen en heeft een eigen functie.

Celkern (nucleus) is omgeven door de nucleaire envelop, die uit twee membranen bestaat. Het buitenste membraan raakt het endoplasmatisch reticulum (ER) en hier worden nieuwe membranen gesynthetiseerd. Plaatsen op het ER waar ribosomen liggen noemen we ruw endoplasmatisch reticulum. Ribosomen produceren eiwitten.

Het Golgi apparaat ligt dichtbij de celkern, ontvangt eiwitten en vetten van het ER, verandert ze, en verspreidt ze vervolgens door de cel. De cel kan stoffen opnemen door een proces dat endocytose heet: stoffen die zo worden opgenomen moeten eerst door een serie endosomen. Zo worden moleculen geselecteerd, waarna ze naar lysosomen gaan. Lysosomen bevatten digesterende enzymen. Peroxisomen worden omgeven door 1 membraan en ze zijn klein. Mitochondria en chloroplasten produceren ATP door respectievelijk oxidatieve fosforylering en fotosynthese; beiden worden omgeven door een dubbele membraan. Veel organellen zijn verbonden met het cytoskelet van de cel, en kunnen zich hier ook langs bewegen. Hierbij spelen motor-eiwitten een rol. Alle organellen samen maken ongeveer de helft uit van het totale volume van een cel. Door te centrifugeren kun je een bepaald organel scheiden van de rest.

De organellen hebben zich op verschillende manieren ontwikkeld. Men denkt dat de voorlopers van de eerste eukaryote cellen, simpele micro-organismen waren. Een bacterie is klein, en het plasmamembraan raakt aan een groot deel van de inhoud van de cel, om deze reden is het plasmamembraan voldoende om alle vitale functies van de cel te vervullen. Om als cel te kunnen groeien was er meer membraan oppervlakte nodig. De membranen om de organellen zijn, naar men denkt, ontstaan door invaginatie van het plasmamembraan. Alle membranen en hun inhoud behoren tot het endomembraan-systeem. Men denkt dat mitochondria en chloroplasten anders zijn ontstaan, omdat zij over een eigen genoom beschikken en sommige van hun eigen proteïnen kunnen maken. Men vermoedt dat dit eerst zelfstandige bacteriën waren, opgenomen in een primitieve eukaryote cel; dit verklaart ook het dubbele membraan.

Hoe werkt de controlle van genexpressie?

Genexpressie zorgt ervoor dat elke cel kan differentiëren. Door bepaalde genen aan te zetten en anderen uit te zetten kan een cel gespecialiseerde functies uitvoeren. Alle cellen in het lichaam bevatten hetzelfde DNA. De verschillen in cellen ontstaan door verschillen in reeksen van RNA en eiwitmoleculen, deze brengen verschillende genen tot uiting.

Veel van de tot uitdrukking gebrachte genen zijn in alle cellen hetzelfde. Dit zijn genen die coderen voor de overleving van de cel, zoals RNA polymerases, ribosomale eiwitten en eiwitten voor het cytoskelet. De differentiatie in functie en uiterlijk van een cel ontstaat doordat een cel specifieke genen tot uitdrukking brengt die een specifieke functie hebben. Zoals de vorming van hemoglobine in rode bloedcellen.

Gespecialiseerde cellen kunnen hun gen expressie aanpassen aan extracellulaire signalen, zoals hormonen. Verschillende celtypen reageren ook verschillend op hetzelfde extracellulaire signaal, zoals een verhoogde of verlaagde productie van een eiwit, of helemaal geen reactie.

Gen expressie kan gereguleerd worden tijdens alle stappen van DNA naar eiwit.

1. Wanneer en hoe vaak een bepaald gen wordt gekopieerd (transcriptie).
2. Splicing of op een andere manier aanpassen van een RNA.
3. Het wel of niet doorlaten van een mRNA uit de nucleus in het cytosol.
4. Afbraak van mRNA.
5. Bepalen welke mRNAs translatie ondergaan.
6. Het activeren of inactiveren van een eiwit.

Transcriptie schakelaars

Een promoter zit aan het begin van een gen en geeft een bindplaats voor de RNA polymerase. De promoter bestaat uit een initiation site, waar de transcriptie begint, en een volgorde van 50 nucleotiden waar de RNA polymerase aan kan binden. De volgorde is bindplaats voor RNA polymerase – initiation site – gen.

Naast de promoter zitten er ook regulatory DNA sequences die het gen in en uitschakelen. Deze verschillen in lengte van nucleotiden, afhankelijk van hoe complex de taak is.

Een regulatory DNA sequence alleen kan echter geen gen in of uitschakelen. De sequence moet herkend worden door speciale eiwitten, genaamd transcription regulators. Verschillende transcription regulators herkennen verschillende DNA nucleotide volgorden.Als deze een sequence herkennen binden ze aan het DNA. Deze combinatie schakelt het gen in of uit.

De transcription regulators hebben specifieke DNA-binding motifs. Dit zijn bepaalde vormen, de homeodomain, de zinc finger en de leucine zipper. Deze vormen passen in de grote groeve van de DNA helix. Door deze passing kunnen ze verbindingen maken met de base paren, zonder de helix stuk te maken. Als het een juist stuk DNA is, vormt het zo 20 verbindingen, waardoor de binding erg specifiek en sterk is.

Transcriptie schakelaars geven de cel de mogelijkheid om te reageren op veranderingen in de omgeving. Bij de bacterie E. coli is er een gen voor het aminozuur tryptophaan. Dit aminozuur wordt gemaakt zolang er in de omgeving geen tryptophaan aanwezig is. Zodra de bacterie tryptphaan opneemt, wordt de vorming van tryptophaan door de bacterie zelf gestopt. De transcription regulator die de vorming van tryptophaan stopt heet de tryptophaan repressor. Als de bacterie tryptophaan opneemt, kan dit binden aan de tryptophaan repressor. Als er een aantal tryptophaan moleculen zijn gebonden aan de repressor, kan deze aan het DNA binden en de productie stopzetten.

Het tegenovergestelde van een repressor is een activator. Dit is een transcription regulator dat een gen aanzet. Deze werken voornamelijk op promoters die zelf niet goed RNA polymerase kunnen binden. Net als de repressor moet er vaak een tweede molecuul aan de activator binden om het DNA te kunnen binden.

Er zijn ook transcription regulators die zowel als repressor als activator kunnen werken. De functie is dan afhankelijk van de plaats waar de transcription regulator bindt, ten opzichte van de promoter. Genen in de mens worden met veel complexere repressoren en activatoren gereguleerd. Deze werken vaak samen.

In eukaryoten kan een activator binden aan het DNA, duizenden nucleotiden van de promoter vandaan. Als de activator bindt, vormt het DNA een lus, waardoor de promoter en de activator bij elkaar komen. Vaak wordt er een mediator gebruikt, die de twee randen van de lus bij elkaar houden. De activator helpt dan bij het opbouwen van de general transcription factors en het RNA polymerase complex. Een repressor voorkomt dat het complex gevormd kan worden.

DNA is ingepakt in chromosomen en nucleosomen. Hierdoor kunnen de activators, repressors, DNA polymerase enzovoort moeilijk bij het gen komen. Een activator kan histone acetylases aantrekken en zo een acetyl groep aan een histon plakken. Hierdoor verandert de configuratie van het chromatine en komt het DNA vrij te liggen. Een repressor heeft het tegenovergestelde effect van een activator, doordat het histone deacetylases aantrekt.

Moleculaire mechanismen die gespecialiseerde celtypes maken

Cellen zetten genen aan en uit afhankelijk van extracellulaire signalen. De veranderingen in gen expressie moeten onthouden worden voor de volgende generatie cellen, zodat die ook hetzelfde celtype worden.

In eukaryoten kan een regulatory DNA sequence verspreid over een heel lang stuk DNA voorkomen (dotted). In eukaryoten werken meerdere transcription regulators ook samen om een enkel gen tot expressie te brengen. Dit heet combination control. Activators en repressors binden, afhankelijk van verschillende signalen, aan het DNA. Als de juiste combinatie activators en repressors aanwezig is op het DNA kan de transcriptie beginnen. Hierdoor kunnen eukaryoten heel specifiek hun gen expressie reguleren en bij de juiste omstandigheden, op het juiste moment en in de juiste hoeveelheid, het juiste eiwit maken.

Alle organismen moeten ook de expressie van verschillende genen kunnen coördineren. Dit betekent onder andere het in één keer aanzetten van verschillende genen tegelijk, bijvoorbeeld als er celdeling moet plaatsvinden. In eukaryoten moet elk gen individueel aan of uitgezet worden. Hoe kunnen er dus groepen genen tegelijk aan en uitgezet worden?

Om een gen aan te kunnen zetten moet er een combinatie van activators en repressors binden. Maar elk individueel eiwit kan de beslissing maken dat een gen aan moet, doordat het de combinatie afmaakt. Als verschillende genen al bijna klaar zijn en dit ene laatste eiwit bindt eraan, wordt alles aangezet.

Combination control is ook de manier waarop eukaryote cellen differentiëren in een specifiek celtype. Één eiwit kan alle genen aanzetten die specifiek zijn voor dat specifieke celtype. Zo kan bijvoorbeeld een huidepitheelcel omgezet worden in een skeletspier cel door de toevoeging van één transcription regulator, namelijk MyoD. MyoD zet een set van genen aan die specifiek is voor skeletspier cellen. Dat dit kan gebeuren geeft aan dat de verschillen tussen celtypes ontstaan door verschillen in genexpressie.

Als een cel is gedifferentieerd, moeten zijn dochtercellen ook hetzelfde type cel worden. Om dit te kunnen doen moet de verandering in gen expressie onthouden worden en doorgegeven worden aan de dochtercel.

Er zijn drie manieren om dit te kunnen doen:

• Een positieve feedback loop: de belangrijkste transcription regulator activeert de transcriptie van zijn eigen gen.

• Het behouden van een gecondenseerde chromatine structuur.

• DNA methylation: DNA methylation kan alleen op de cytosine base gebeuren, dit zet een gen meestal uit. De gemethyleerde cytosine basen worden doorgegeven aan de dochtercel, doordat een enzym het methylpatroon van een pasgevormde nieuwe DNA streng kopieert.

Deze drie vormen van het doorgeven van de informatie over gen expressie, veranderen de nucleotide volgorde van het DNA niet. Dit heet epigenetic inheritance.

Een transcription regulator kan ook in zijn eentje de vorming van een heel orgaan bepalen, compleet met verschillende celtypen en organisatie. Deze transcription regulator zet een set van genen aan. Sommige van deze genen coderen voor andere transcription regulators, die ook de expressie van andere genen regelen. Zo kunnen verschillende celtypen gemaakt worden.

Controle na de transcriptie

Post-transcriptional controls kunnen gen expressie beïnvloeden, nadat de transcriptie al is begonnen. Een voorbeeld hiervan is alternative splicing (zie hoofdstuk 7), waarbij het eiwit op verschillende manieren kan worden aangepast waardoor het een ander eiwit wordt.

Riboswitches

Een andere vorm van posttranscriptional controls zijn riboswitches. Dit zijn mRNAs die hun eigen gen expressie kunnen reguleren. Op het RNA zitten korte nucleotide volgorden die de structuur veranderen als er een specifiek klein metaboliet aan bindt. De structuurverandering reguleert dan de gen expressie. Bij een riboswitch zijn er geen regulatory eiwitten nodig, dus dit is een erg economische regulatie.

Binding aan ribosomen

De gen expressie kan ook gereguleerd worden door de binding van het mRNA aan het ribosoom te beïnvloeden. In zowel eukaryoten als in bacteriën is er een bepaald deel van het mRNA waar een ribosoom aan bindt. Doordat hier een repressor aan bindt, kan het mRNA niet binden aan het ribosoom. Hierdoor kan ook geen eiwit gemaakt worden.

Wat houdt de noncoding van RNAs in?

Bepaalde genen produceren RNA dat niet codeert voor een eiwit. Deze noncoding RNAs spelen een grote rol in de regulatie van gen expressie. De belangrijkste is micro RNA (miRNA). miRNAs maken base paren met specifieke mRNAs waardoor de stabiliteit en translatie wordt gecontroleerd.

Een miRNA bindt aan speciale eiwitten en vormt samen het RNA-induced silencing complex (RISC). Deze RISC zoekt naar mRNA dat past bij het miRNA. Als een mRNA is gevonden wordt deze gebonden en kapot gemaakt, zodat het niet meer een eiwit kan vormen.

Een enkel miRNA kan vele mRNAs reguleren, zolang deze eenzelfde nucleotide volgorde hebben. In het DNA is het gen dat codeert voor miRNA veel kleiner dan de genen die transcription regulators coderen.

RNA interference

Sommige eiwitten die met een miRNA een complex vormen hebben nog een andere taak. Ze herkennen vreemd RNA, vooral wanneer het uit een dubbele helix bestaat. Dit RNA kan afkomstig zijn van een virus. De eiwitten zorgen dan dat het RNA verdwijnt. Dit proces heet RNA interference (RNAi).

Als er een vreemd stuk RNA aanwezig is, trekt het een nuclease genaamd Dicer aan. Dicer knipt het RNA in kleine fragmenten die small interfering RNAs (siRNAs) worden genoemd. Deze siRNAs worden in een RISC opgenomen. Deze laat een deel van het siRNA verdwijnen en gebruikt een ander deel om complementair RNA te vinden. Zo kan het nog meer vreemd RNA opsporen.

RNAi zou geneeskundig een grote invloed kunnen hebben. Veel ziekten ontstaan doordat de gen expressie verkeerd is. Door siRNAs te maken van RNA dat van een verkeerd gen afkomstig is, kan het gen uitgeschakeld worden.

Wat is de evolutie van genen en genomen? - Chapter 9

De enorme diversiteit van het hedendaagse leven (tallozen verschillende organismes), komt voort uit veranderingen in DNA-sequenties. De eerste cellen op aarden ontstonden circa 3.5 biljoen jaar geleden. DNA veranderingen uit deze eerste cellen hebben tot deze diversiteit geleid.

Hoe wordt genetische variatie gecreëerd?

Genetische veranderingen, die ervoor zorgen dat een organisme in voordeel is ten opzichte van andere soortgenoten, hebben de grootste kans om overgedragen te worden naar de nieuwe generatie. Veranderingen die ongunstig voor een organisme blijken te zijn, worden door natuurlijke selectie geëlimineerd (dat wilt zeggen; zij worden niet doorgegeven naar de volgende generatie).

Genetische variatie (de grondlegging van evolutieveranderingen) komt tot stand door verschillende mechanismes. Deze verschillende mechanismes zijn:

1. Mutaties binnen één gen: een bestaand gen kan gemodificeerd worden door mutaties die één enkel nucleotide veranderen, of die meerdere nucleotiden (in de DNA-sequentie) kunnen verwijderen of dupliceren. Mutaties binnen één gen noemt men puntmutaties. Deze puntmutaties komen meestal voort uit kleine fouten in de DNA-replicatie of de DNA-reparatie.

2. Gen duplicatie: een bestaand gen, een groter segment van het DNA, of zelfs een heel genoom kan gedupliceerd worden, hierdoor ontstaat een reeks nauw verwante genen binnen één cel. Gen duplicatie is één van de belangrijkste mechanismes die bijdraagt aan genetische diversiteit. Wanneer een gen eenmaal is gedupliceerd, is één van de twee gen kopieën beschikbaar om te muteren en/of zich te specialiseren waardoor het gen een andere functie krijgt. Wanneer gen duplicatie zich meerdere malen herhaald, kan dit ervoor zorgen dat één gen verantwoordelijk is in het ontstaan van de diversiteit aan genen binnen één genoom.

3. Gen deletie: individuele genen, of zelfs hele blokken genen kunnen verwijderd worden door breuken in chromosomen of door herstelfouten.

4. Exon shuffelen: de evolutie van nieuwe eiwitten komt hoofdzakelijk voort door de manier waarop de relatief korte, coderende, exonen gescheiden worden van de, niet-coderende, introns in eukaryoten cellen. Het bestaan van introns verhoogt in hoge mate de waarschijnlijkheid dat een verschil in recombinatie in een gen bijdraagt aan een nieuw gen met een andere/nieuwe functie. Dit ontstaat doordat ditmaal twee verschillende exonen (die voor verschillende eiwitten coderen) worden samengevoegd. Dit proces noemt men exon shuffelen.

5. Horizontale (intracellulaire) genetische overdracht: een stuk DNA kan worden overgedragen van een genoom van een cel naar een andere cel. Dit kan zowel binnen één organisme voorkomen, maar ook tussen verschillende soorten organismen. Horizontale genetische overdracht komt vaak voor bij prokaryoten, in mindere maten bij eukaryoten.

Hoe wordt de stamboom van het leven geconstrueerd?

Door nucleotide – of aminozuursequenties van hedendaagse organismes met elkaar te vergelijken en te analyseren, is men in staat om te reconstrueren hoe het genoom zich ontwikkeld heeft in de afgelopen miljarden jaren.

Onderzoek van het menselijke genoom

Het menselijk genoom bestaat uit 3.2 x 10^9 nucleotide paren verdeeld over 22 autosomen (‘normale’ chromosomen) en 2 geslachtschromosomen. Wanneer men spreekt over het menselijke genoom, spreekt men over de volledige nucleotidensequentie van het DNA wat zich in deze 24 chromosomen bevindt.

Menselijke individuen verschillen van elkaar qua genotypen. Gemiddeld gezien is dit verschil 1 nucleotide-paar op 1000. Deze variatie draagt bij aan verschillen in fenotypen en maakt het identificeren van mensen mogelijk aan de hand van DNA-analyses.

Een opmerkelijk kenmerk van het menselijk genoom is het feit dat maar een klein deel (slechts een paar procent) codeert voor eiwitten en voor structureel of katalytisch RNA (ribosomen). Het overige deel, het grootste deel, van ons DNA bestaat uit elementen die door de evolutie heen, momenteel niet meer coderen voor eiwitten en/of RNA. Een ander opmerkelijk kenmerk van het menselijk genoom is de zeer grote gemiddelde grootte van 27.000 nucleotide paren. Van deze 27.000 nucleotide paren, zijn slechts 1300 nucleotiden paren vereist om een eiwit met een gemiddelde grootte te coderen. Het grootste deel van het resterende DNA, bestaat uit lange stukken niet-coderend DNA dat is gelegen tussen de exonen.

Een van de grootste obstakels bij het interpreteren en analyseren van de nucleotide sequenties van het menselijk genoom is het feit dat een groot deel van de sequenties onbelangrijk blijken te zijn. Comparatieve genoom analyses zijn een hulpmiddel die ingezet kunnen worden bij het identificeren van genen die bijdragen aan de regulerende DNA-sequenties die tot expressie komen. Wanneer de locatie en/of de mogelijke functie van een gen in een genoom bekend is, is het makkelijker om de functie van de corresponderende gen in een ander genoom te identificeren en te vergelijken. Zulke vergelijkingen hebben aangetoond dat de genen tussen muizen en mensen veel overeenkomsten met elkaar hebben. Grote gedeelten van het menselijke genoom en het genoom van muizen bevatten dezelfde volgorde genen.

Ondanks het feit dat er inmiddels veel bekend is over het menselijk genoom, blijven er nog steeds veel vragen over het (menselijke) genoom onbeantwoord. Wat als het grootste raadsel gezien wordt, is het feit dat verschillende organismen, die uit dezelfde eiwitten bestaan, toch zo verschillend kunnen zijn. Om deze vraag te kunnen beantwoorden, wordt een nog beter begrip over de regulatie van genen vereist.

De enorme diversiteit van het hedendaagse leven (tallozen verschillende organismes), komt voort uit veranderingen in DNA-sequenties. De eerste cellen op aarden ontstonden circa 3.5 biljoen jaar geleden. DNA veranderingen uit deze eerste cellen hebben tot deze diversiteit geleid.

Hoe worden genen en cellen gemanipuleerd? - Chapter 10

Hoe worden cellen geïsoleerd en gekweekt?

Er kunnen verschillende methoden worden gebruikt, om een bepaald type cel van andere cellen in het lichaam te onderscheiden. Als cellen deel uitmaken van een compact weefsel, en dus dicht op elkaar gelegen zijn, moeten ze eerst van elkaar worden losgemaakt. Om cellen van elkaar los te maken, wordt er veelal gebruikt gemaakt van proteolytische enzymen. Deze proteolytische enzymen kunnen adhesies (de verbindingen) tussen de cellen verbreken. Wanneer deze verbindingen zijn verwijderd, moeten de verschillende soorten cellen in het weefsel van elkaar worden geïsoleerd. Hierbij wordt gebruik gemaakt van fluorescentie. Een fluorescentie-geactiveerde cel kan namelijk makkelijk van andere cellen onderscheiden worden (voornamelijk aan de hand van de kleuring). Geïsoleerde cellen kunnen vervolgens worden gebruikt voor biochemische analyses of voor het kweken van cellen.

Veel dierlijke- en plantencellen overleven en prolifereren alleen in kweken die veel voedingsstoffen en eiwitten (met groeifactoren) bezitten. Experimenten die worden uitgevoerd met gekweekte cellen wordt in vitro genoemd (in vitro betekend in glas). Experimenten met intacte organismes wordt in vivo genoemd (in vivo betekend ‘’in de levenden’’).

De meeste cellen van vertebrale houden op met prolifereren na een x aantal celdelingen. Net zoals bij de menselijke cellen, brengen de meeste vertebrale cellen niet het enzym telomerase tot expressie. Telomerase is een enzym die zorgt dat na elke celdeling, de uiteindes van chromosomen worden vernieuwd, hierdoor is oneindige celdeling mogelijk. Aangezien in menselijke cellen het enzym telomerase niet tot expressie komt, krimpen de chromosomen van deze cellen zich na elke celdeling. Wanneer er een dusdanige hoeveelheid informatie verloren is (die zich bevindt op de chromosomen), stopt de celdeling en/of kunnen deze cellen zich ontwikkelen tot kankercellen.

Een van de meest bijzondere cellen zijn de menselijke embryonale stamcellen. Deze stamcellen zijn namelijk ongedifferentieerd, en kunnen bijdragen aan het bestaan van elk type menselijk weefsel.

Hoe worden DNA moleculen geanalyseerd?

Door recombinant DNA-technologie is het mogelijk om uit duizenden genen die een cel bevat, een enkel gen te selecteren en van dit gen de exacte moleculaire structuur te bepalen. Een belangrijk element van recombinant DNA-technologie is het vermogen om een groot DNA-molecuul in verschillende DNA fragmenten te knippen (met behulp van restrictie nucleases). Restrictie nucleases knipt als het ware de dubbele helix van het DNA kapot, waaruit het DNA uiteenvalt. Het grootste deel van de restrictie nucleases katalyseren de hydrolyse van een fosfaat-diester verbinding in een nucleïnezuur. De restrictie nucleases die worden gebruikt bij recombinant DNA-technologie komen voornamelijk uit bacteriën. Nadat een restrictie nuclease een groot DNA-molecuul heeft gesplitst tot kleinere stukjes DNA-fragmenten, worden deze DNA-fragmenten in de meeste gevallen van elkaar gescheiden. Deze DNA-fragmenten kunnen van elkaar gescheiden worden met behulp van gel-elektroforese. Gel-elektroforese scheidt de DNA-fragmenten op basis van de lengte van deze fragmenten. Wanneer er een elektrische spanning over de gelplaat komt, verplaatsen de DNA-fragmenten zich naar de positieve elektroden van de gelplaat. DNA is namelijk negatief geladen. Hoe groter het DNA-fragment, des te langzamer dit fragment zich verplaatst naar de kant van de elektrode. Na een aantal uur kun je dus de DNA-fragmenten van elkaar scheiden aan de hand van de grootte. Het isoleren van deze DNA-fragmenten van de gelplaat is erg eenvoudig, men kan namelijk gewoon een klein stuk van de gel wegsnijden.

Momenteel zijn er verschillende technieken beschikbaar die snel een nucleotidensequentie van een stuk geïsoleerd DNA-fragment kunnen bepalen. In 1970 was voor het eerst een methode ontwikkeld waarmee de nucleotidensequentie van elk geïsoleerd DNA-fragment eenvoudig en snel kan worden bepaald. Deze technieken hebben het mogelijk gemaakt om volledige nucleotidensequenties van genomen te bepalen. Dit kan zowel bij eencellige organismen (onder andere bacteriën en gisten) als bij meerdere complexe organismen.

Er zijn verschillende mogelijkheden voor het sequensen van DNA. De enzymatische- en de dideoxy-methode zijn de meest gebruikte technieken om het DNA te sequensen. Het proces om de genoomsequentie te lokaliseren en te interpreteren noemt men annotatie. Identificeren van genen is het makkelijkste wanneer de DNA-sequentie afkomstig is uit een eenvoudig genoom. Met een eenvoudig genoom bedoelt men een genoom dat geen/nauwelijks intronen en ander niet-coderend DNA bevat.

Nucleinezuurhybridisatie

DNA is opgebouwd uit twee dubbele strengen DNA, het heeft dus een vorm van een dubbele helix. De twee strengen worden bij elkaar gehouden door zwakke waterstofbruggen. Deze waterstofbruggen kunnen verbroken worden bij een temperatuur van 90 graden Celsius en/of bij extreme pH waarden. Wanneer de twee strengen op deze manier van elkaar worden verbroken (door te verhitten of door het DNA bloot te stellen aan extreme pH-waarden), blijven de covalente bindingen tussen de nucleotiden intact. Wanneer deze processen langzaam worden omgekeerd (dus het DNA weer langzaam aan laten afkoelen en/of door de pH-waarden weer op neutraal brengen), kunnen de twee complementaire DNA strengen weer gemakkelijk een dubbele helix vormen. Deze ‘omgekeerde’ processen worden hybridisatie of renaturatie genoemd. Bij deze processen worden de verbindingen van complementaire waterstofbruggen hersteld.

Nucleinezuurhybridisatie is in staat om elke DNA- of RNA-sequentie in nucleïnezuur-fragmenten op te sporen. Dit is mogelijk, doordat een enkele streng DNA of RNA alleen in staat is om een dubbele helix te vormen met een complementaire nucleotidesequentie. Enkelstrengs DNA dat gelabeld is met fluorescente kleurstoffen, worden bij hybridisatiereacties gebruikt als probes. Nucleinezuurhybridisatie kan gebruikt worden om de exacte locatie van genen in chromosomen vast te stellen. Daarnaast kan het de locatie van RNA in cellen en weefsels vaststellen.

DNA hybridisatie maakt het diagnosticeren van genetische ziekten mogelijk

Wanneer men bij hybridisatie gezocht moet worden naar een bepaalde nucleotidesequentie, is voor deze zoektocht een stukje nucleotidezuur nodig (om mee te zoeken naar de sequentie). Het stukje nucleotidezuur waarmee gezocht wordt, wordt een probe genoemd. Deze DNA-probe is een enkelstrengs DNA-molecuul. Het wordt dus gebruikt om tijdens hybridisatiereacties een nucleinezuurmolecuul te vinden die opgebouwd is uit dezelfde complementaire sequentie. In het verleden konden wetenschappers alleen probes gebruiken die afkomstig waren uit natuurlijke bronnen. Tegenwoordig kan men verschillende sequenties van DNA-strengen maken met behulp van chemische reacties. Deze chemische (niet-enzymatische) reacties worden gemaakt in laboratoria. DNA-probes worden in verschillende situaties gebruikt, maar de belangrijkste functie is tegenwoorden de identificatie van dragers van genetische ziekten. Meer dan 3000 verschillende genetische ziekten die bij mensen voorkomen, worden veroorzaakt door mutaties in enkele genen. Een bekend voorbeeld is sikkelcelanemie. Bij sommige genetische ziekten is het momenteel mogelijk om vroeg tijdens de zwangerschap de ziekte op te sporen. Men identificeert dan foetussen die twee kopieën van het defecte gen hebben (en zo dus een bepaalde genetische ziekte hebben). Een consequentie van deze opsporing kan het vroegtijdig beëindigen van een zwangerschap betekenen. Southern blotting is een van de meest gebruikte laboratoriumprocedure die wordt gebruikt om DNA te hybridiseren.

Dezelfde technieken kunnen ook worden gebruikt om de gevoeligheid van een individu om een bepaalde ziekte te krijgen vast te stellen. De technieken zijn namelijk in stat om individuen te identificeren die abnormale kopieën hebben geërfd van een DNA-mismatch-reparatiegen. Wanneer het mismatch-reparatiegen niet goed werkt, is bijvoorbeeld het risico op het krijgen van bepaalde carcinomen verhoogd.

Hybridisatie en micro-arrays

Een ander belangrijk gebruik van nucleïnezuurhybridisatie is om voor een populatie cellen vast te stellen welke genen precies in het mRNA worden getranscribeerd (‘worden vertaald’) en welke genen niet in het mRNA worden overgenomen (transcriptioneel stil zijn).
DNA micro-arrays hebben ervoor gezorgd dat genen tegenwoordig geanalyseerd kunnen worden door duizenden genen tegelijk te monitoren door naar de RNA-producten van deze genen te kijken. Doordat het mogelijk is om duizenden genen tegelijkertijd te onderzoeken, is men in stat om complexe genexpressiepatronen te identificeren en te bestuderen die ten grondslag liggen aan cellulaire fysiologie (bijvoorbeeld reacties op hormonen).

Hoe wordt DNA gekloond?

Met behulp van DNA-kloneringstechnieken kan een bepaalde DNA-sequentie uit miljoenen andere sequenties worden geselecteerd. Vervolgens kan de geselecteerde DNA-sequentie onbeperkt worden geproduceerd. DNA-ligase is in staat om verschillende vormen van DNA aan elkaar te binden. Dus door DNA-ligase is het mogelijk om DNA-fragmenten die niet in natuur voorkomen, in vitro met elkaar te verbinden. Zo is het mogelijk om nieuw DNA-te creëren.

De eerste stap bij het klonen van DNA is om het DNA dat men wilt kloneren toe te voegen in een stukje van een DNA-molecuul dat in staat is tot replicatie (bijvoorbeeld in een plasmide of een viraal genoom). Dit recombinante DNA-molecuul wordt vervolgens in een snel delende gastheercel gebracht (bijvoorbeeld in een bacterie). Het wordt in een snel delende cel ingebracht, aangezien het DNA dan bij elke celdeling wordt gerepliceerd. Vervolgens worden de bacteriën gelyseerd, en het plasmide-DNA wordt geïsoleerd van de rest van de celinhoud. Zo ontstaan er miljoenen kopieën van het oorspronkelijke DNA-fragment.

Het isoleren van menselijke genen bij het klonen van DNA

Alle gekloneerde fragmenten van chromosomaal DNA die het volledige genoom van een organisme bevatten, wordt een genoombibliotheek genoemd. Deze bibliotheek komt vaak tot stand door de klonen van bacteriën, waarbij elke kloon een uniek DNA fragment bij zich draagt. Complementaire DNA (cDNA) bibliotheken bevatten gekloneerde DNA-kopieën van het totale mRNA van een bepaald celtype of van celweefsel. cDNA wordt gemaakt uit mRNA. cDNA verschilt van genomische DNA-klonen, cDNA bevat namelijk alleen eiwit coderende sequenties. Ze missen dus het DNA wat niet coderend is (bijvoorbeeld intronen en start-DNA/promotors). cDNA zijn dus zeer geschikt wanneer men het gekloneerde gen tot expressie wilt brengen, om bijvoorbeeld een eiwit te maken.

De kettingreactie van polymerase

Het klonen van DNA-bibliotheken was vroeger de enige manier om genen te isoleren. Tegenwoordig gebruikt men vooral PCR. PCR staat voor polymerase chain reaction. PCR maakt een snelle werkwijze voor het kloneren mogelijk. PCR wordt vooral toegepast voor organismen waarvan de volledige genoomsequentie bekend is. PCR gebruikt een DNA-polymerase om een DNA-fragment in meerdere replicatierondes te kopiëren. Bij PCR gebruikt men oligonucleotide-primers. Dit brengt een nadeel met zich mee. Oligonucleotide-primers moeten chemisch worden gesynthetiseerd. Hierdoor is het alleen mogelijk om met PCR DNA te klonen waarvan de begin- en eindsequenties bekend zijn. Vervolgens wordt DNA-polymerase gebruikt om zo veel mogelijk kopieën te maken van de DNA-sequenties.

PCR-techniek is toepasbaar bij verschillende situaties:

• PCR is de voorkeursmethode wanneer relatief korte DNA-fragmenten gekloneerd moeten worden.

• PCR is in staat om infecties, veroorzaakt door pathogenen, in een zeer vroeg stadia op te sporen. Doordat korte sequenties die complementair zijn aan het genoom van het pathogeen worden gebruikt als primers, kan men na vele cycli van amplificatie de aanwezigheid of afwezigheid van deze pathogenen vast gesteld worden. Zo kan men bijvoorbeeld pathogenen in bloedmonsters opsporen.

• PCR wordt gebruikt bij forensisch onderzoek. Doordat PCR extreem sensitief is, is het mogelijk om een nihil klein stukje DNA te linken aan een persoon. Dit komt doordat het genoom van elk mens verschilt in DNA-sequentie van het genoom van een ander.

Hoe werkt het manipuleren van DNA?

Door genetische manipulatie is het mogelijk om zeldzame eiwitten te bestuderen. Bacteriën, gisten en zoogdiercellen kunnen worden gemanipuleerd om een bepaald eiwit (van elk organisme) in grote hoeveelheden te synthetiseren. Hierdoor wordt het mogelijk om eiwitten te bestuderen die anders zeldzaam of moeilijk te isoleren zijn.

Er zijn meer dan 10.000 menselijke genen waarvan de functie onbekend is. Aanwijzingen om achter de functie van een bepaald eiwit te komen, is door te onderzoeken wanneer en waar in de cel (of in het organisme) het eiwit tot expressie wordt gebracht. Het bepalen van het patroon en het moment wanneer het gen tot expressie komt, kan worden bepaald door het regulerende gebied van het gen dat wordt onderzocht te verbinden met een reportergen. Men kan namelijk eenvoudig de activiteit van een reportergen bepalen. Een van de meest populaire reporter-eiwitten die tegenwoordig wordt gebruikt, is groen fluorescerend eiwit (GFP), waarvan het volgen van de bewegingen in de cel mogelijk is.

Kunnen dieren genetisch worden veranderd?

De ultieme test om achter de functie van een gemuteerd gen te komen, is om het gemuteerde gen in het genoom van een organisme in te voegen en te zien welk effect het heeft. Organismen waarin een nieuw gen is geïntroduceerd, of in organismen waarvan het genoom op andere manieren is veranderd met behulp van recombinant DNA-technieken, worden transgene organismen genoemd. Verschillende soorten gen veranderingen kunnen worden gemaakt in genetisch gemanipuleerde organismen:

• Gen-vervanging: het normale gen is volledig vervangen door een mutant kopie van het gen. Dit zal informatie verschaffen over de activiteit van het mutant gen en dus kan het effect van kleine en subtiele mutaties worden bepaald.

• Gen-knockout: het normale gen is volledig gedeactiveerd. Dit wordt gebruikt om informatie te verkrijgen over de mogelijke functie van het normale gen in het hele dier.

• Gen-toevoeging: een mutant gen wordt toegevoegd aan het genoom. Zelfs deze wijziging kan nog steeds bruikbare informatie verschaffen wanneer het geïntroduceerde mutant gen de functie van het normale gen opheft.

Er is een andere manier ontdekt om inactieve genen op te sporen, deze techniek wordt RNA-interferentie (RNAi) genoemd. Deze techniek is gebaseerd op het introduceren van een intro in een cel of organisme van een dubbelstrengs RNA-molecuul waarvan de nucleotidesequentie overeenkomt met die van het gen dat geïnactiveerd moet worden. Het RNA-molecuul hybridiseert met het mRNA dat door het doel gen wordt geproduceerd en stuurt de afbraak ervan aan. Kleine fragmenten van dit afgebroken RNA worden vervolgens door de cel gebruikt om meer dubbelstrengs RNA te produceren, en hierdoor wordt het stukje mRNA gedeactiveerd. Omdat deze korte RNA-fragmenten kunnen worden doorgegeven aan cellen van de nakomelingen, kan RNAi erfelijke veranderingen in genexpressie veroorzaken.

Concluderend, gekloneerde genen kunnen permanent worden ingebracht in het genoom van een cel of een organisme door gebruik te maken van genetische manipulatie. Gekloond DNA kan in vitro worden veranderd om mutant genen te creëren die vervolgens opnieuw in een cel of een organisme kunnen worden ingebracht om de gen functie te bestuderen.

Er kunnen verschillende methoden worden gebruikt, om een bepaald type cel van andere cellen in het lichaam te onderscheiden. Als cellen deel uitmaken van een compact weefsel, en dus dicht op elkaar gelegen zijn, moeten ze eerst van elkaar worden losgemaakt. Om cellen van elkaar los te maken, wordt er veelal gebruikt gemaakt van proteolytische enzymen. Deze proteolytische enzymen kunnen adhesies (de verbindingen) tussen de cellen verbreken. Wanneer deze verbindingen zijn verwijderd, moeten de verschillende soorten cellen in het weefsel van elkaar worden geïsoleerd. Hierbij wordt gebruik gemaakt van fluorescentie. Een fluorescentie-geactiveerde cel kan namelijk makkelijk van andere cellen onderscheiden worden (voornamelijk aan de hand van de kleuring). Geïsoleerde cellen kunnen vervolgens worden gebruikt voor biochemische analyses of voor het kweken van cellen.

Wat is de structuur van een membraan? - Chapter 11

Wat is een plasmamembraan?

Elke levende cel heeft een plasmamembraan dat zijn inhoud scheidt van en beschermt tegen de buitenwereld. Het membraan bestaat voornamelijk uit een dubbele laag lipiden waarin eiwitten liggen ingebed. Om benodigde voedingsstoffen binnen de cel te krijgen en afvalproducten af te voeren, is het membraan doorboord met selectieve kanalen en pompen. Bepaalde eiwitmoleculen zorgen ervoor dat bepaalde stoffen naar binnen of buiten worden getransporteerd. Andere werken als sensoren waarmee de cel informatie verzamelt over zijn omgeving, zodat hij hierop kan reageren. Als een cel groeit of van vorm verandert, doet het membraan dat ook. De cel kan vervormen en van grootte veranderen zonder dat het membraan scheurt.

Eukaryotische cellen bevatten een enorme hoeveelheid interne membranen, die intracellulaire ruimtes insluiten om zo de celorganellen te vormen. Deze interne membranen zijn op dezelfde manier opgebouwd als het celmembraan en werken ook als selectieve barrières tussen de verschillende ruimtes. Kleine verschillen de in samenstelling van de membranen, vooral door verschillende aanwezige eiwitten, zorgen er voor dat ieder organel een eigen werking en structuur krijgt.

Het plasmamembraan en de interne membranen zijn opgebouwd uit lipiden en eiwitten. De lipiden zijn gerangschikt in twee dicht bijeen gelegen lagen, de lipide dubbellaag (bilaag). Deze vorm een barrière voor de meeste in water oplosbare moleculen, maar ook grotendeels voor water zelf. De eiwitten vervullen de andere functies en geven verschillende membranen hun specifieke eigenschappen.

Het plasmamembraan is een membraan dat om de cel heen zit. Membranen zijn nodig om de binnenkant van een cel te beschermen tegen invloeden van buiten de cel. Het plasmamembraan bestaat uit een dubbele laag lipiden en bepaalde eiwitmoleculen, zodat stoffen in en uit de cellen kunnen. Simpele organismen hebben één membraan, eukaryote cellen hebben echter ook een aantal interne membranen, die om bepaalde organellen liggen.

Wat zijn lipiden?

Lipiden bevatten een hydrofiele kop en hydrofobe koolwaterstofstaarten. De meest voorkomende lipiden in membranen zijn fosfolipiden, de meest voorkomende fosfolipiden zijn fosfatidylcholine, deze hebben aan het hoofd fosfaat en choline zitten. Amfipathische moleculen zijn moleculen die zowel hydrofiele als hydrofobe delen bevatten. Hydrofiele moleculen kunnen goed oplossen in water, ze bevatten namelijk geladen atomen of polaire groepen welke goedkunnen binden met watermoleculen, door middel van elektrische verbindingen of waterstofbruggen. Hydrofobe moleculen zijn echter niet oplosbaar in water omdat deze ongeladen en apolair zijn. Dit zorgt ook voor de specifieke structuur van het membraan. De hydrofiele koppen zijn namelijk naar buiten gericht, en de hydrofobe staarten naar binnen. Zo krijg je dus ook een dubbele laag membraan. Als er een scheur ontstaat in het membraan, zal deze snel weer herschikken om zijn structuur te behouden.

Om vrije randen te voorkomen, zijn fosfolipiden ertoe geneigd om een gesloten ruimte te vormen, een ronde vorm dus. De membranen met fosfolipiden zijn erg flexibel. Verder bewegen de fosfolipiden ook in de membranen. De vloeibaarheid en flexibiliteit van het membraan is belangrijk voor de functies van de cel. Hoe een membraan reageert bij een bepaalde temperatuur hangt ook af van de compositie van de fosfolipiden. Twee belangrijke eigenschappen van de staarten van fosfolipiden hangen af van hoe de dubbele laag fosfolipiden reageert. Deze eigenschappen zijn de lengte en het aantal dubbele bindingen die het bevat. Een verkorte lengte zorgt ervoor dat de neiging van de staarten om interactie met elkaar te hebben vergroot waardoor de vloeibaarheid van het membraan toeneemt. De meeste fosfolipiden bestaan bevatten 2 staarten, een met één of meerdere dubbele bindingen tussen aangrenzende koolstofatomen en een andere staart met alleen enkele bindingen. De staart met dubbele bindingen bevat niet het maximaal aantal koolstofatomen, deze is hierdoor onverzadigd. De staart met alleen enkele bindingen wordt dan ook verzadigd genoemd.

De dubbele binding in de staarten zorgt voor een knik in de staart, hierdoor is het moeilijker voor de staarten om dicht naast elkaar te gaan liggen. Bij een hogere temperatuur worden er lipiden gemaakt in de membranen met langere staarten, en met dus minder dubbele bindingen. Bij dieren wordt de vloeibaarheid van het membraan ook beïnvloed door cholesterol. Cholesterolmoleculen zijn kort en stijf, ze vullen de ruimtes tussen fosfolipiden op. Cholesterol zorgt er dus voor dat een membraan stijver wordt. De vloeibaarheid van het membraan is belangrijk voor veel redenen:

• Membraaneiwitten kunnen diffunderen door de dubbele laag membraan.

• Membraanlipiden en eiwitten kunnen diffunderen vanaf de kant waar ze het membraan zijn in gegaan na synthese, naar andere delen van de cel.

• Membranen kunnen met elkaar fuseren en hun moleculen mixen.

• Het zorgt ervoor dat membraanmoleculen gelijk worden verdeeld tussen dochtercellen.

Wat zijn celmembranen?

Celmembranen zijn asymmetrisch. De binnen- en buitenkant zijn erg verschillend. De fosfolipiden zijn net anders. De asymmetrie wordt behouden als een membraan groeit. Nieuwe fosfolipiden worden gemaakt door enzymen die aan het endoplasmatisch reticulum zit dat naar het cytosol wijst. De nieuwe fosfolipiden worden door deze enzymen afgezet in de cytosolkant van de fosfolipiden, de helft gaat door de eerste helft van het membraan heen om uiteindelijk aan de buitenkant van het dubbellaags membraan terecht te komen. Dit wordt gekatalyseerd door het enzym flippase. Deze zijn specifiek want alleen bepaalde fosfolipiden worden geselecteerd waardoor het membraan asymmetrisch blijft.

Nieuwe membraansynthese in eukaryote cellen gebeurt in het endoplasmatisch reticulum. Glycolipiden zijn voornamelijk gelegen in het plasmamembraan, in het non-cytosol gedeelte. Hun suikergroepen zitten dus aan de buitenkant van de cel waar ze een beschermende jas vormen dat om de cellen van dieren heen zit. Het enzym dat de suikergroepen toevoegt bevindt zich in het Golgiapparaat.

De meeste functie van het membraan zitten echter in de membraan eiwitten in plaats van de fosfolipiden. Membraaneiwitten hebben vele functies:

• Transporteren voedingsstoffen, metabolieten, ionen

• Receptoren voor chemische signalen

Een celmembraan is erg dun. De meeste celmembranen worden verstevigd door verschillende eiwitten. De vorm van de cel wordt dan ook bepaald door weefsel van allerlei fibreuze eiwitten, die samen de celcortex heten. De celcortex van menselijke rode bloedcellen is relatief simpel; het bestaat voornamelijk uit het eiwit spectrine. Via intercellulaire eiwitten zit dit vast aan transmembraaneiwitten. Het belang van de celcortex zie je bij mensen met anemie, de rode bloedcellen bij die ziekte zijn minder stabiel waardoor ze sneller afsterven. Omdat de meeste cellen hun cortex niet alleen voor de stevigheid gebruiken, maar ook om van vorm te veranderen en te bewegen, zijn de cortexen vaak erg ingewikkeld.

Omdat een membraan uit een tweedimensionale vloeistof bestaat, kunnen membraaneiwitten vrij over het membraan bewegen. Een test met membraaneiwitten van mensen en muizen blijkt dat membraaneiwitten niet in clusters bij elkaar blijven, maar continu heen en weer gaan over het celoppervlak. Wel zijn er specifieke membraandomeinen waar bepaalde eiwitten vaker of alleen voorkomen. Eiwitten kunnen flexibel of vast in het membraan worden ingebouwd. Daarnaast hebben sommige cellen ook barrières die zorgen dat de membraaneiwitten niet overal heen kunnen bewegen. Een voorbeeld zijn epitheelcellen, hierbij is de apicale zijde anders dan de laterale en basale zijden. Dit komt door de tight junctions die beweging van lateraal naar apicaal en andersom voorkomen.

De meeste membraaneiwitten hebben suikergroepen, oligosachariden, aan de buitenkant. Deze eiwitten noemen we glycoproteïnen. Deze suikers beschermen de cel en nemen bovendien water op, waardoor de cel slijmerig wordt aan de buitenkant. Dit laatste helpt witte bloedcellen tussen andere cellen door te glijden en voorkomt klontering van rode bloedcellen. Daarnaast dienen deze oligosachariden als herkenningspunt voor een bepaald eiwit, lectine genaamd. Dit helpt bij de herkenning tussen cellen, hierdoor herkent een spermacel een eicel bijvoorbeeld. Maar het helpt ook witte bloedcellen herkennen welke cellen geïnfecteerd zijn.

Wat is de opbouw van een lipide bilaag?

De lipide bilaag vormt de basisstructuur van het membraan en vervult de barrièrefunctie. Membraanlipiden hebben twee verschillende kanten: een hydrofiele (=waterminnende) kop en meestal twee hydrofobe (=waterwerende) staarten. Het membraan bestaat hoofdzakelijk uit fosfolipiden, waarbij de kop onder andere door een fosfaatgroep aan de staart(en) gekoppeld wordt. Moleculen met zowel hydrofiele als hydrofobe eigenschappen worden amfipathisch genoemd.

Doordat non-polaire atomen geen goede interacties aan kunnen gaan met watermoleculen, dwingen hydrofobe stoffen de omliggende watermoleculen een kooiachtige structuur te vormen om het hydrofobe molecuul. Deze formatie kost energie, omdat de water moleculen meer geordend worden dan het omringende water. Om de energiekosten te beperken, groeperen de hydrofobe moleculen zich zodat er zo min mogelijk contact is met watermoleculen.

Amfipathische moleculen zoals fosfolipiden hebben duseen hydrofobe en hydrofiele kant. Wanneer deze moleculen in contact komen met water, richten de hydrofiele koppen zich naar het water toe en verenigen de hydrofobe staarten zich van het water af. Op deze manier wordt de bilaag van lipiden gevormd. De buitenkant van de bilaag staat in contact met water en bestaat uit de hydrofiele koppen. De hydrofobe staarten zijn naar binnenen komen hierdoor niet in contact met het omringende water.. De bilaag wordt gevormd omdat deze rangschikking het minste energie kost.

Dezelfde krachten maken de bilaag zelfherstellend. Een scheur in het membraan stelt hydrofobe onderdelen bloot aan het water en kost de cel meer energie. De moleculen in de bilaag rangschikken zichzelf daarom spontaan om de scheur te dichten.

De fosfolipide bilaag heeft geen grenzen, omdat dan hydrofobe delen toch in contact komt met de waterige omgeving. Dit is energetisch niet voordelig. Daarom buigt en versmelt de bilaag, zodat er een gesloten compartiment ontstaat (bijvoorbeeld tot een bol).

De lipide bilaag wordt van twee kanten ingesloten door een waterige omgeving, dus lipiden kunnen niet uit het membraan ontsnappen. Zij kunnen echter wel onderling van plek verwisselen in de bilaag. Door deze grote flexibiliteit kan het membraan goed buigen en blaasjes afstaan. Het membraan wordt door de bewegingsmogelijkheden van de lipiden ook wel een tweedimensionale vloeistof genoemd. De lipiden kunnen daarnaast ook nog om hun eigen as draaien, maar verspringen van de ene naar de andere laag in het membraan gebeurt nauwelijks zonder bepaalde enzymen. Het enzym scramblase kan er echter wel voor zorgen dat willekeurige lipiden zich van de ene naar de andere laag van het membraan verplaatsen. Het enzym flippase doet dit selectief, zoals hieronder nader wordt toegelicht.

Vloeibaarheid

De eerder genoemde vloeibaarheid van een lipide bilaag bij een bepaalde temperatuur is afhankelijk van de samenstelling van fosfolipiden en vooral ook van de hydrofobe koolwaterstofstaarten. Hoe compacter en meer geordend de staarten zijn verpakt, hoe viskeuzer (=stroperiger) en minder vloeibaar de bilaag zal zijn.

Twee eigenschappen van de staarten hebben hier het meeste invloed op: hun lengte en het aantal dubbele bindingen dat zij kunnen vormen. Kortere staarten zullen minder snel interacties met elkaar aangaan, waardoor de vloeibaarheid toeneemt. Iedere dubbele binding in een onverzadigde staart zorgt voor een kleine vouw in de staart, waardoor de staarten verder van elkaar af liggen. Lipide bilagen met veel onverzadigde koolwaterstofstaarten zijn dus vloeibaarder.

In dierlijke cellen is cholesterol verantwoordelijk voor de regulatie van vloeibaarheid in het membraan. Cholesterolmoleculen zijn kort en stevig, en kunnen daardoor de ruimtes tussen fosfolipiden met onverzadigde staarten opvullen. De bilaag wordt hierdoor steviger en minder doorlatend.

De vloeibaarheid van een membraan is om verschillende redenen belangrijk. Allereerst kunnen membraaneiwitten hierdoor snel bewegen binnen het membraan en interacties met elkaar aangaan. Daarnaast kunnen lipiden en eiwitten door middel van diffusiezich in het membraan verplaatsen, om zo andere delen van de cel te bereiken. Ook kunnen membranen met elkaar fuseren. Ten slotte zorgt het ervoor dat membraanmoleculen gelijk verdeeld worden bij de celdeling.

Asymmetrie

De twee kanten van de lipide bilaag bevatten duidelijk verschillende fosfolipiden en glycolipiden. Ook hebben membraaneiwitten een specifieke oriëntatie in de bilaag, welke vaak cruciaal is voor hun functie. Nieuwe fosfolipiden worden door enzymen die gebonden zijn aan de cytosolische kant van het ER-membraan gevormd. Deze eiwitten brengen de nieuwe fosfolipiden dan ookin de cytosolische kant van het membraan. Het membraan moet als geheel groeien, dus de helft van de nieuwe fosfolipiden wordt naar de niet-cytosolische helft van de bilaag getransporteerd. Dit proces wordt gekatalyseerd door het enzym flippase. Flippases doen dit selectief, zodat bepaalde fosfolipiden meer geconcentreerd zijn aan één kant van de membraan. Hierdoor is er een asymmetrische verdeling van lipiden aanwezig in de bilaag van het membraan.

Nieuw membraanonderdelen worden gesynthetiseerd in het endoplasmatisch reticulum. Daarna worden deze onderdelen door een cyclisch proces van “budding” en fusie vanuit het endoplasmatisch reticulum naar de andere membranen van de cel getransporteerd. Er splitsen blaasjes (vesicles) van het ER af, welke vervolgens kunnen worden opgenomen in een membraan. De vorming van dit soort blaasjes (vesicles) waarborgt het behoud vande oriëntatie van de bilaag ten opzichte van het cytosol. Alle celmembranen hebben namelijk een “binnenkant” en een “buitenkant”: de cytosolische kant grenst altijd aan het cytosol en de niet-cytosolische kant grenst aan de buitenkant van de cel of de binnenkant van de organellen.

Glycolipiden zitten voornamelijk in de niet-cytosolische kant van het plasmamembraan. De suikergroepen worden daardoor blootgesteld aan de buitenkant van de cel. Deze suikergroepen wordenin het Golgi-apparaat aan de lipiden gebonden. De enzymen die dit proces bevorderen zijn zo georiënteerd, dat de suikergroepen alleen aan de niet-cytosolische kant van het membraan terecht kunnen komen. Er zijn hier geen flippases aanwezig, dus de glycolipiden zullen in de cytosolische monolaag blijven.

Waaruit besyaam membraaneiwitten?

Dierlijke plasmamembranen bestaan voor ongeveer 50% aan massa uit eiwitten. Lipidemoleculen zijn echter een stuk kleiner dan eiwitten, dus een membraan bestaat uit ongeveer 50 keer meer lipidemoleculen dan eiwitten. Elk soort membraan bevat andere eiwitten, afhankelijk van functie van het membraan.

Membraaneiwitten hebben verschillende functies:

• Ze zorgen voor transport van stoffen door het membraan heen;

• Ze waarborgen verankering van het membraan aan macromoleculen;

• Het zijn receptoren die chemische signalen waarnemen en doorgeven aan de cel;

• Het zijn enzymen die specifieke reacties katalyseren.

• Deze eiwittenkunnen op verschillende manieren ten opzichte van de lipide bilaag liggen:

• Door de bilaag heen gelegen met een deel van hun massa aan beide kanten. Deze transmembraaneiwitten hebben net als de lipide bilaag zowel een hydrofobe als hydrofiele kant, waarbij de hydrofobe delen van het eiwiten aan de binnenkant van het membraan gelegen zijn en de hydrofiele delen aan de binnen- en buitenkant van de cel.

• Compleet aan de cytosolische kant van de cel gelegen, door middel van een amfipathische α-helix. Deze helix nestelt zich hierbij in de cytosolische laag van het celmembraan. Het grootste gedeelte van het eiwit is dan in het cytosol gelegen.

• Compleet buiten de bilaag gelegen. Deze eiwitten zijn slechts verbonden aan de binnen- of buitenkant van de cel door middel van een lipidegroep die aan het eiwit vastzit en die zich in het celmembraan bevindt.

• Indirect verbonden met een kant van het membraan door interacties met andere membraaneiwitten.

Transmembraaneiwitten

De meeste transmembraaneiwitten verplaatsen door het membraan in de vorm van één of meerdere α-helices. Door middel van waterstofbruggen worden polypeptideketensin een spiraalvorm gedraaid. De hydrofobe zijketens worden aan de buitenkant van de helix blootgesteld en vormen hier bindingen met de lipide staarten, terwijl de hydrofiele backbone waterstofbruggen met zichzelf vormt aan de binnenkant. De polypeptideketens die het membraan slechts een enkele keer passeren, zijn meestal receptoreiwitten.Bij het vormen van poriën waardoor water, maar ook wateroplosbare stoffen getransporteerd kunnen worden, moeten verschillende α-helices interacties met elkaar aangaan om de doorgang groot genoeg te maken. Hydrofobe zijgroepen richten zich hierbij naar de fosfolipiden en hydrofiele zijgroepen naar de binnenkant van de porie.

ß-sheets worden soms ook gebruikt voor dit transport. Deze worden tot een cilinder gebogen, wat een ß barrel genoemd wordt. De zijgroepen in de doorgang zijn hydrofiel en de zijgroepen in de fosfolipide laag zijn hydrofoob.

Membraandomeinen

Veel eiwitten kunnen, net als lipiden, vrij bewegen binnen het membraanvlak. Zo kunnen eiwitten zich op een bepaalde plek ophopen en zich aan structuren hechten buiten de cel. Asymmetrische verdeling van eiwitten wordt gewaarborgddoor middel van tight junctions op het membraan, waar de eiwitten zich niet langs kunnen verplaatsen. Hierdoor blijven bepaalde eiwitten aan één kant van de tight junction, waar zij hun functie moeten vervullen.

Een membraan is heel erg dun. Daarom worden de meeste celmembranen versterkt door een netwerk van eiwitten. De vorm van de cel en zijn mechanische eigenschappen worden geregeld door dit netwerk, de cell cortex genaamd. Dit netwerk is gebonden aan de cytosolische kantvan het membraan.

Hoe werkt de binding van koolhydraten?

Net als lipiden, kunnen ook eiwitten suikergroepen binden. Glycolipiden en glycoproteïnen kunnen hierdoor een laag van koolhydraten vormen om het membraan heen. Deze laag wordt ook wel de glycocalyx genoemd en vervult verschillende functies:

• Hij beschermt de cel tegen mechanische en schade;

• Hij vormt een slijmerig oppervlak, doordat de suikergroepen water adsorberen. Hierdoor kunnen beweeglijke cellen zich gemakkelijker door bepaalde doorgangen wringen. Bovendien worden bepaalde cellen ervan weerhouden om aan elkaar te plakken.

Wat is de rol van suikers bij het plasmamembraan?

De suikers die aan het plasmamembraan vast zitten, zijn meestal korte suikerketens, de oligosachariden. Deze zitten tevens aan de eiwitten van het plasmamembraan en deze worden dan glycoproteïnen genoemd. Wanneer er een lange keten aan een plasmamembraan eiwit zit, heetten ze een proteoglycans. Al deze suikers steken naar buiten aan de niet cytosolische kant van het membraan en vormen hier een koolwaterstoflaag. Deze suikers reageren met water om zo een slijmerige laag te vormen die bijvoorbeeld voorkomt dat bloedcellen aan het membraan van de bloedvatwanden blijven plakken, en die witte bloedvaten in staat stelt tussen de cellen door de bloedvatwand te komen en zo in de weefsels te migreren. Ook speelt de koolwaterstoflaag een rol bij de cel-cel herkenning. Eiwitten kunnen elkaar herkennen en zo een binding aangaan, maar sommige eiwitten (lectinen) zijn gespecialiseerd in het herkennen van bepaalde koolwaterstofgroepen en brengen zo een binding tot stand.

Oligosachariden zijn door hun verschillende bindingsvormen enorm divers. De oligosachariden spelen een belangrijke rol in de herkenning van cellen en hun identiteit en functie. Ze spelen een rol bij de herkenning van een eicel door sperma, maar ook bij een ontstekingsreactie. Bij een bacteriële infectie herkennen de bloedvatwandcellen via lectine de oligosachariden van witte bloedcellen (neutrofielen). Ze zorgen voor de aantrekking van meer neutrofielen en stellen ze in staat naar het weefsel te migreren. Doordat het plasmamembraan 2 lagen heeft, zijn de moleculen binnen deze 2 lagen goed in staat zich vrij te bewegen in de ruimte. Binnen het membraan zijn wel gespecialiseerde plekken waar zich bepaalde eiwitten bevinden en het membraan zo lokale functies uitoefent: dit worden membrame domains genoemd.

Elke levende cel heeft een plasmamembraan dat zijn inhoud scheidt van en beschermt tegen de buitenwereld. Het membraan bestaat voornamelijk uit een dubbele laag lipiden waarin eiwitten liggen ingebed. Om benodigde voedingsstoffen binnen de cel te krijgen en afvalproducten af te voeren, is het membraan doorboord met selectieve kanalen en pompen. Bepaalde eiwitmoleculen zorgen ervoor dat bepaalde stoffen naar binnen of buiten worden getransporteerd. Andere werken als sensoren waarmee de cel informatie verzamelt over zijn omgeving, zodat hij hierop kan reageren. Als een cel groeit of van vorm verandert, doet het membraan dat ook. De cel kan vervormen en van grootte veranderen zonder dat het membraan scheurt.

Hoe werkt het membraantransport? - Chapter 12

Membraantransporteiwitten zorgen ervoor dat kleine wateroplosbare moleculen of ionen de hydrofobe lipidelaag kunnen passeren. Er zijn twee soorten transporteiwitten. De eerste soort zijn de transporters. Een transporter verplaatst kleine organische moleculen of anorganische ionen door het membraan door van vorm te veranderen. De tweede soort zijn de kanalen. Zij vormen in het membraan hydrofiele poriën waardoorheenstoffen kunnen diffunderen. De ionenconcentratie binnen een cel verschilt met de concentratie erbuiten. Buiten de cel is de concentratie Na⁺ en Cl^- het hoogst. Binnenin is de concentratie K⁺ het hoogst, en intracellulair bevinden zich bovendien voornamelijk negatief geladen deeltjes. Deze verdeling van ionen wordt in stand gehouden door membraantransport eiwitten en de eigenschappen van de lipide bilaag.

Wat bepaald de doorlaatbaarheid van het membraan?

De doorlaatbaarheid door het membraan hangt voornamelijk af van de grootte van de moleculen en de mate van oplosbaarheid in het membraan (hydrofobe stoffen kunnen gemakkelijk door het membraan diffunderen, hydrofiele stoffen niet).

1. Ionen en geladen moleculen komen nauwelijks door middel van diffusie het membraan door. Het hydrofiele karakter van deze deeltjes weerhoudt hen ervan door het membraan te diffunderen.
2. Ongeladen polaire moleculen kunnen er in zekere mate doorheen. Hiervoor geldt, hoe groter het molecuul, hoe minder makkelijk het het membraan kan passeren. Water, ethanol en glycerol kunnen door het membraan diffunderen, maar grotere moleculen als glucose, aminozuren en nucleotiden kunnen dit niet.
3. Kleine apolaire moleculen (O₂, CO₂) diffunderen gemakkelijk door het membraan heen.

Transporters en ionkanalen zijn beide selectief. Een transporter kan vaak maar binden aan één bepaald soort molecuul. Een kanaal kan ook selectief zijn. Het kan ten eerste open of dicht staan. Ten tweede kunnen selectieve kanaaltjes maar een bepaalde ionsoort of een bepaald molecuul doorlaten. Zij maken onderscheid op basis van molecuulgrootte en elektrische lading. Transporters zijn selectiever dan ionkanalen, want zij hebben een specifieke bindingsplaats waar het molecuul/ion precies in moet passen.

De kanaaltjes zijn opgebouwd uit polypeptideketens die de lipide bilaag meerdere keren doorkruisen (transmembraaneiwitten). Door heen en terug door de bilaag te kruisen vormt het eiwit een doorgang voor kleine hydrofiele moleculen. Op deze manier komen de hydrofiele moleculen niet in contact met de hydrofobe bilaag.

Hoe verschillen passief en actief transport?

De concentratie van bepaalde moleculen/ionen binnen en buiten een cel verschilt. Als moleculen/ionen het membraan passeren van een plek met een hoge concentratie naar een plek met een lage concentratie heet dit passief transport, omdat er geen extra energie voor nodig is. Als het passieve transport plaatsvindt met behulp van een transporter, dan noem je dit facilitated diffusion. Alle kanaaltjes kunnen slechts passief transport mogelijk maken. Als er tegen de concentratiegradiënt in ionen of moleculen worden gepompt, heet dit actief transport, omdat er voor deze vorm van transport energie nodig is. Alleen transporters kunnen actief transport mogelijk maken. Een transporter die actief transport mogelijk maakt, wordt ook wel een pomp genoemd.

Wat is de functie van transporters?

Zowel het plasmamembraan als het membraan van verschillende celorganellen bevat een combinatie van verschillende transporters, waarmee ze heel specifiek de voor hen benodigde moleculen/ionen opnemen.

Passief transport: aangedreven door elektrische krachten en de concentratiegradiënt

Transporters kunnen in drie conformaties voorkomen. De eerste is de conformatie waarbij de actieve bindplaats gericht is naar het cytosol. Als de concentratie van een molecuul/ion binnenin de cel hoger is dan daarbuiten, zal het binden aan de transporter. Vervolgens ondergaat de transporter een vormverandering, waarbij deze in de zogenaamde occluded state terechtkomt, waarbij de bindingsplaatsen van de transporter niet naar zowel de binnenkant als de buitenkant zijn gericht. Tot slot komt hij in de conformatie terecht waarbij de actieve bindplaats naar de buitenkant van de cel gericht is. Het molecuul/ion laat dan weer los.

Voor ongeladen moleculen bepaalt alleen de concentratiegradiënt de richting van het passieve transport. Voor elektrisch geladen moleculen speelt er nog een andere factor mee. Er heerst namelijk tussen de binnen en buitenkant van de cel een verschil in elektrische lading: het membraanpotentiaal. De binnenkant is negatief geladen ten opzichte van de buitenkant. Op geladen moleculen werken dus twee krachten die elkaar kunnen versterken als ze dezelfde richting op werken, of elkaar tegenwerken wanneer ze in tegengestelde richting werken. De nettokracht van de concentratiegradiënt en de membraanpotentiaal heet de elektrochemische gradiënt. De elektrochemische gradiënt kan dus ook nul zijn als de twee krachten elkaar precies opheffen.

Actief transport werkt tegen de elektrochemische gradiënt in

Er zijn drie vormen van actief transport bij een transporter. De eerste (de gekoppelde transporter) koppelt het transport van een molecuul dat tegen de elektrochemische gradiënt in wordt verplaatst, aan een molecuul/ion dat metzijn elektrochemische gradiënt meegaat. De tweede vorm (de zogenaamde ATP-gedreven pomp) maakt energie vrij voor het actieve transport door de hydrolyse van ATP. Dit eiwit is daarom niet alleen een transporter, maar ook een enzym dat ATPase wordt genoemd. De laatste vorm (de zogenaamde licht-gedreven pomp) verkrijgt zijn energie door licht. Deze drie vormen werken vaak samen.

De Na⁺/K⁺-pomp hydrolyseert ATP tot ADP om Na⁺ de cel uit te pompen. Bij het uitpompen van Na⁺ wordt meteen K⁺ de cel ingepompt. Hierdoor wordt de concentratie Na⁺ laag en K⁺ hoog binnen de cel. Na⁺ dat nu aan de buitenkant van de cel zit heeft de neiging om de cel weer binnen te stromen door zijn elektrochemische gradiënt.. De concentratiegradiënt en de elektrische kracht werken in het geval van de natriumionen namelijk in dezelfde richting, namelijk de cel in.De Na⁺-ionen worden terug de cel ingepompt door middel van gekoppelde transporters. Deze koppelen het passieve transport van Na⁺ aanhet actieve transport van andere moleculen. Het terugstromen van Na⁺ levert dus energie om andere moleculen/ionen tegen hun elektrochemische gradiënt in te transporteren.

Bij K⁺ werkt het anders. De concentratiegradiënt wil K⁺ namelijk de cel uit hebben, terwijl de elektrische krachten die op K⁺ werken, hem de cel in wil hebben. Zogenaamde K⁺-lekkanalen in het celmembraan staan wisselend willekeurig open of dicht. Hierdoor kunnen de K⁺-ionen met hun concentratiegradiënt mee de cel uit lekken. Op een gegeven moment wordt de elektrische kracht van de negatieve membraanpotentiaal op de positieve ionen echter zo sterk, dat er een balans ontstaat waarbij de nettoverplaatsing van de kaliumionen bijna nul is.

Na⁺/K⁺-pomp helpt om de osmotische balans in cellen te behouden

De concentratiegradiënt heeft ook een invloed op het in- en uitstromen van water in een cel. Water stroomt namelijk van een plek met een lage concentratie aan moleculen/ionen naar een plek met een hoge concentratie, totdat beide concentraties gelijk zijn of totdat er een tegendruk aanwezig is die de osmose tegengaat. Dit proces heet osmose en het gebeurt via speciale waterkanaaltjes ( de zogenaamde aquaporins). De osmose vindt plaats doordat de concentratie watermoleculen aan de binnenkant van de cel verschilt van de concentratie watermoleculen aan de buitenkant van de cel. De watermoleculen verplaatsen zich vervolgens naar hun concentratiegradiënt.

Door osmose kan een cel opzwellen. Om dit tegen te gaan, hebben verschillende soorten cellen verschillende soorten mechanismen:

Veel dierlijke cellen hebben een gelachtig cytoplasma. Deze cytoplasmasubstantie voorkomt opzwelling van een cel door osmose.

• Plantencellen leverentegendruk aan de opzwellende cel via hun celwand. Deze tegendruk zorgt er dus voor dat de instroom van water wordt beperkt tot een grens. De osmotische druk op de plantaardige cellen zorgt voor de turgordruk, die de cellen stevig houdt.

• Sommige protozoae verwijderen overtollig water door hun vacuoles van tijd tot tijd te legen buiten de cel.L.

Ca²⁺-pompen houden de Ca²⁺-concentratie in het cytosol laag

De regeling van de Ca²⁺-concentratie is belangrijk, omdat dit ion de activatie van sommige eiwitten kan regelen. Daarom wordt Ca²⁺ vaak als signaalstof door het membraan gebruikt. De Ca²⁺-concentratie in het cytosol moet lager zijn dan buiten de cel. De door ATP-gedreven Ca²⁺-pompen in het plasmamembraan en in het endoplasmatisch reticulummembraan pompen het Ca²⁺ uit het cytosol Dit betekent dus ook dat de concentratie Ca²⁺ in het ER hoog is. Omdat de Ca²⁺ -concentratie in het cytosol normaal gesproken laag is, reageert de cel extra gevoelig bij een plotselinge toename van de concentratie. Hierdoor kunnen bepaalde celprocessen worden geactiveerd.

Gekoppelde transporters

Wanneer een bepaald ion/molecuul met de elektrochemische gradiënt meestroomt door een transporter heen, komt er energie vrij. De transporter kan die energie gebruiken om een ander ion of molecuul actief naar de andere kant te pompen. Dit noemen we antiport. Wanneer het andere molecuul/ion naar dezelfde kant wordt gepompt als het molecuul/ion dat met de elektrochemische gradiëntmeekomt, heet dit symport. De transporters die het transport van het ene molecuul aan die van het andere koppelen, noemen we gekoppelde transporters. Als er geen andere moleculen door de transporters worden meegepompt, wordt dit uniport genoemd Deze uniporttransporters zijn dan ook geen gekoppelde transporters.

Hoe gebruiken planten, schimmels en bacteriën de H⁺-gradiënt voor hun actieve transport?

Omdat planten-, schimmel- en bacteriecellen geen Na⁺/K⁺-pomp hebben, gebruiken ze H⁺-pompen. Door middel van ATP-gedreven H⁺-pompen, of door licht gedreven H⁺-pompen in sommige bacteriën die aan fotosynthese doen, wordt aan de buitenkant van de cel een hogere H⁺-concentratie gecreëerd. Bij terugstromen van H⁺ kunnen door symport of antiport ook andere moleculen verplaatst worden.

Wat is de functie van ionkanalen en de membraanpotentiaal?

Kanalen vormen transmembrane hydrofiele poorten die het passieve transport van kleine, in water oplosbare moleculen of watermoleculen zelf mogelijk maken. De meeste poriën zijn selectief voor de moleculen die zij doorlaten. Waterporiën zorgen voor de stroom van water in en uit de cel. Deze maken snelle verplaatsing van water mogelijk, zonder dat er opgeloste stoffen worden meegevoerd. De meeste poriën zijn echter selectief voor een bepaald ion: de ionkanalen.

Een ionkanaal is meer dan een gat in het membraan. Ten eerste zijn deze kanalen erg selectief. Deze selectie berust op de diameter, de vorm en de lading van het ion. Daarnaast zijn ionkanalen niet constant geopend. De ionkanalen wisselen steeds willekeurig tussen de open en gesloten conformatiet. De waarschijnlijkheiden tijd dat een kanaal geopend/gesloten is, kan echter wel worden beïnvloed.

De open of gesloten conformatie van ionkanalen wordt door verschillende stimuli beïnvloed:

• Bij spanningsafhankelijke kanalen wordt de waarschijnlijkheid dat het kanaal geopend of gesloten is, bepaald door de membraanpotentiaal.

• Bij ligandafhankelijke kanalen wordt de waarschijnlijkheid van de geopende of gesloten conformatie geregeld door binding van een molecuul (ligand) aan het kanaal.

• Bij mechanischafhankelijke kanalen wordt de waarschijnlijkheid dat het kanaal open of dicht is geregeld door een mechanische kracht die wordt uitgeoefend op het kanaal.

De membraanpotentiaal is de basis van alle elektrische activiteit in de cel. In principe wordt de potentiaal gehandhaafd door ionkanalen en worden ionkanalen gereguleerd door de membraanpotentiaal. Op die manier ontstaat er een cirkelregeling.

Elke cel heeft een membraanpotentiaal: een elektrisch potentiaalverschil over het plasmamembraan. De elektrische lading wordt hierbij gedragen door ionen, die positief of negatief geladen kunnen zijn. De negatieve ladingen in de cel worden grotendeels gecompenseerd door de aanwezigheid van K⁺ in de cel. Deze hoge concentratie K⁺ in de cel wordt gereguleerd door de Na⁺/K⁺-pomp. Het membraan bevat echter dus de eerder genoemde K⁺-lekkanalen waardoor het ion langs zijn concentratiegradiënt kan weglekken. Intracellulair wordt de lading hierdoor steeds negatiever, waardoor de elektrische kracht de K⁺-ionen steeds harder naar het binnenste van de cel trekt. . Uiteindelijk heffen de concentratiegradiënt en de elektrochemische kracht op de ionen elkaar op, waardoor de elektrochemische gradiënt van de kaliumionen daalt naar 0.

De rustpotentiaal is de membraanpotentiaal waarbij de stroom van positieve en negatieve ionen door het plasmamembraan precies in balans is. Deze rustpotentiaal verschilt in dierlijke cellen tussen de -20 en -200 millivolt. De binnenkant van de cel is hierbij negatief geladen ten opzichte van de buitenkant. De membraanpotentiaal hangt af van de ionconcentraties aan beide kanten van de cel, maar ook van de staat waarin de kanaaltjes zich bevinden. Elke verandering in de doorlaatbaarheid voor bepaalde ionen, kan de membraanpotentiaal veranderen. Hierdoor zijn de ionkanalen erg belangrijk voor het handhaven van de potentiaal, maar ook voor de elektrische signalen die een cel kan voortgeleiden.

Het plasmamembraan werkt als een barrière en regelt wat de cel in- en uitgaat. Het bestaat uit een dubbele laag fosfolipiden, die aan de binnenkant hydrofoob zijn. Dit zorgt ervoor dat in water oplosbare stoffen moeilijk in de cel komen. Kleine apolaire moleculen en ongeladen polaire moleculen zoals CO2 kunnen wel door het membraan, net als in vet oplosbare stoffen. Voor de grotere en geladen moleculen zijn er membraantransporteiwitten (zie figuur 12-2 op pagina 384). Deze zijn er in verschillende vormen: transporters veranderen van vorm en brengen zo moleculen van de ene naar de andere kant en kanalen vormen kleine poriën waar de moleculen continu doorheen stromen. Kanalen vervoeren moleculen dan ook veel sneller dan transporters. De belangrijkste kanalen zijn de ionkanalen.

De ionconcentraties binnen en buiten de cel verschillen sterk van elkaar, zo zit er veel meer K+ binnen de cel en veel meer Na+ en Ca2+ buiten de cel. Zowel de cel als de omgeving zijn elektrisch neutraal, dit komt door Cl- buiten de cel en negatieve intracellulaire ionen (anionen) in de cel. Ionen kunnen niet uit zichzelf door het membraan, ook moleculen met een lading en grotere, polaire moleculen lukt dit niet.

Elk membraantransporteiwit hoort bij een bepaalde groep moleculen: ionen, suikers of aminozuren. Sommige zijn nog specifieker en laten maar één bepaald molecuul of ion door. Membraantransporteiwitten bestaan uit polypeptideketens die het membraan meerdere keren doorkruizen. Zij zorgen ervoor dat moleculen de cel in en uit kunnen zonder de hydrofobe binnenkant van de dubbele laag fosfolipiden direct aan te raken. De meeste kanalen laten alle ionen met de goede grootte en lading door, transporters zijn veel specifieker. De moleculen gaan een voor een met de transporter naar de andere kant van het membraan, de binding is net zo specifiek als bij een enzym, waardoor transport selectief is.

Moleculen gaan spontaan vanuit een omgeving waar ze in een hoge concentratie voorkomen naar een omgeving waar ze in een lage concentratie voorkomen. Omdat deze verplaatsingen geen aandrijving nodig hebben, noemen we ze passief. Voor transport van een lage concentratie naar een hoge concentratie is wel energie nodig, vandaar dat we dit actief transport noemen. Hiervoor zijn speciale transporters nodig die energie aan het transportproces kunnen toevoegen. Omdat deze transporters tegen de concentratiegradiënt in werken, worden ze ook wel pompen genoemd.

Elk celmembraan heeft een specifieke set membraantransporteiwitten. Het plasmamembraan heeft bijvoorbeeld transporters voor voedingsstoffen zoals suikers, aminozuren en nucleotiden, het membraan van een mitochondrion voor pyruvaat en ATP en het membraan van een lysosoom laat vooral H+ binnen.

Passief transport wordt vooral door concentratieverschillen en ladingsverschillen geregeld. Een voorbeeld van zo'n transporter is die voor glucose, afhankelijk van de concentratie zitten de bindende vlakken aan de binnen of de buitenkant van het celmembraan. Dit verklaart ook waarom de lever bij hoge bloedsuikerwaardes glucose opneemt en dit bij een lage waarde weer afgeeft.

Bij elektrisch geladen moleculen zoals kleine organische ionen en anorganische ionen is ook het membraanpotentiaal van belang bij het transport. Meestal is het membraan aan de binnenkant negatief geladen, waardoor er meer positief geladen ionen de cel ingaan. Samen met de concentratiegradiënt noemen we dit de elektrochemische gradiënt. De twee componenten kunnen elkaar versterken of tegenwerken.

Actief transport heeft drie vormen:

1. Gekoppeld transport, waarbij de ene stof met de concentratiegradiënt mee, en de andere tegen de concentratiegradiënt in wordt getransporteerd.
2. ATP-gedreven pompen, waarbij de energie door de hydrolyse van ATP wordt verkregen.
3. Licht-gedreven pompen, komen voornamelijk bij bacteriën voor.

Dierlijke cellen gebruiken ATP om de Na+/K+-pomp aan te drijven. Na+ gaat de cel uit en K+ de cel in. Door het ATP-verbruik is de pomp eigenlijk ook een enzym: een ATP-ase. Gezien beide stoffen vanwege de concentratiegradiënt tegelijk in tegengestelde richting getransporteerd worden, kost het veel energie om de concentratie Na+ in de cel laag te houden en de concentratie K+ in de cel hoog te houden. De elektrochemische gradiënt helpt bij het in stand houden van de Na+-concentratie, maar werkt die van K+ tegen. De pomp werkt als een cyclus. Eerst bindt Na+, dan splitst ATP en met de vrijgekomen energie fosforyleert de pomp zichzelf, waarbij hij Na+ aan de andere kant loslaat en K+ bindt. Hierdoor defosforyleert de pomp, gaat hij weer terug naar de eerste formatie en transporteert hij K+. Dit alles gebeurt binnen 10 milliseconden.

Het plasmamembraan is waterdoorlatend. Water verplaatst zich tot de oplossingen binnen en buiten de cel gelijk zijn (osmose). Als er teveel ionen in de cel zijn, zal er ook steeds meer water de cel binnenkomen en zal de cel door deze osmotische druk opzwellen. De Na+/K+-pomp speelt een grote rol in het voorkomen hiervan door het continu binnenstromende Na+ af te voeren. Planten lossen dit probleem op met een celwand, waardoor de cel tegen grote druk bestand is. Dit heeft voor de plantencel ook andere functies, zoals het regelen van concentraties.

De concentratie van Ca2+ in de cel is weliswaar kleiner dan die van Na+, maar Ca2+ heeft de mogelijkheid te binden aan bepaalde eiwitten en kan daarmee hun functies veranderen. De concentratie moet dus goed geregeld worden, hier zorgen Ca2+-pompen voor. Zij houden de concentratie binnen de cel veel lager dan die buiten de cel, zodat bij een plotselinge instroom van Ca2+ de cel snel reageert en de cel niet reageert als er geen impuls is.

Gekoppelde transporters transporteren één molecuul of ion met de concentratiegradiënt mee. De energie die hierbij vrijkomt gebruiken ze om een ander molecuul of ion tegen de concentratiegradiënt in te transporteren. Als beide dezelfde richting op getransporteerd worden, heet het sympoort. Is dit niet het geval dan spreken we van antipoort. Een transporter die slechts een molecuul vervoerd is niet gekoppeld en heet unipoort. Een voorbeeld van sympoort is glucose/Na+-transport, waardoor darmcellen ook glucose kunnen opnemen op momenten dat er niet suikerrijk gegeten wordt. Deze transporters zitten aan de apicale kant. Aan de basale en laterale kanten van deze cellen zitten unipoorten, die de glucose weer doorgeven. Door de tight junction tussen de cellen kunnen deze transporters niet naar de andere kant van de cel bewegen. Na+/H+-uitwisselers zijn een voorbeeld van antipoort en houden de pH van de cel stabiel.

De makkelijkste manier om een hydrofiel molecuul door het membraan te krijgen is door middel van een hydrofiel kanaal. Sommige kanalen zijn erg lang, zoals de gap junctions tussen cellen en de poriën van mitochondria. Omdat lekkage veel risico met zich meebrengt, zijn de meeste kanalen echter klein en zeer selectief. Aquaporines zijn bijvoorbeeld selectieve kanalen voor enkel watermoleculen. Bij ionkanalen worden er geladen deeltjes vervoerd in een waterige oplossing.

Ionkanalen zijn ionspecifiek, sommige anorganische ionen kunnen erdoorheen en andere niet. Dit is afhankelijk van de diameter en de aminozuren waaruit het kanaal bestaat. De aminozuren zorgen er ook voor dat de ionenstroom niet oneindig is: er is een maximum aantal ionen dat erdoorheen gaat per tijdseenheid. Een ander verschil tussen ionkanalen en simpelere poriën is dat ionkanalen niet continu openstaan. Dit zorgt ervoor dat de concentraties regelbaar zijn. De meeste ionkanalen zijn gated, wat wil zeggen een bepaalde stimulus bepaalt of ze open of dicht zijn.

Omdat ionkanalen niet van vorm veranderen door transport, werken ze veel sneller dan transporters. Echter kunnen deze kanalen niet transporteren tegen het elektrostatische gradiënt in, dus ionkanalen betreffen altijd passief transport. Pompen en andere transporters zorgen voor actief transport, wat weer leidt tot een elektrostatisch balans. Wanneer een ionkanaal opent, stromen er onmiddellijk veel ionen doorheen. Hierdoor verandert het membraanpotentiaal, wat andere kanalen tot actie aanzet en het doorgeven van signalen mogelijk maakt. Het membraanpotentiaal staat aan de basis van alle elektrische activiteit in de cel. Via patch-clamp recording is de elektrische stroom door één ionkanaal te registeren. Ook kan een bepaalde waarde worden ingesteld en vastgehouden, zodat de reactie van het membraan op verschillende elektrische waardes kan worden waargenomen. Uit resultaten is gebleken dat ook bij een constante waarde de kanalen plotseling open of dicht gaan. Waarschijnlijk zorgen warmte en moleculen in de omgeving voor deze schijnbaar willekeurige veranderingen. Als de omstandigheden echter zodanig veranderen, oefenen zij zoveel invloed uit op het kanaal dat de veranderingen wel degelijk geregeld worden.

Er zijn vele soorten kanalen, zij verschillen in selectiviteit en in de stimuli die zorgen dat ze open of dicht gaan. Voltage-gated kanalen worden bijvoorbeeld gereguleerd door het membraanpotentiaal, ligand-gated kanalen door de binding met een bepaald molecuul en stress-gated kanalen worden geopend door een mechanische kracht. Dit laatste is bijvoorbeeld het geval bij auditieve haarcellen, die worden geopend door geluidsgolven. De meeste cellen in het celmembraan zijn voltage-gated. Voltage sensons zijn speciale domeinen die erg gevoelig zijn voor veranderingen in het membraanpotentiaal. Als dit boven of onder een bepaalde waarde komt, zorgen deze domeinen ervoor dat het kanaal open of dicht gaat. Het is niet zo dat het kanaal zeker open of dicht gaat, maar de kans erop is veel groter dan zonder de stimulans van het domein. Het membraanpotentiaal wordt op zichzelf weer geregeld door de ionkanalen, waardoor je een soort cirkel krijgt: de ionkanalen beïnvloeden het membraanpotentiaal en het membraanpotentiaal beïnvloed weer de ionkanalen. Dit is belangrijk voor het doorgeven van elektrische signalen.

De elektriciteit in polaire oplossingen wordt bepaald door ionen. Het transport van ionen door het celmembraan is te registreren als een verschil in elektrische lading (een membraanpotentiaal). In de ruststand van de cel wordt de negatieve lading van organische moleculen in balans gehouden door K+, het meest aanwezige ion in de cel. Deze hoge concentratie wordt voornamelijk veroorzaakt door Na+/K+-pompen. Er zijn ook K+ lekkende kanalen, waardoor K+ makkelijker door het membraan gaat dan andere ionen. Hierdoor lekt wat K+ buiten de cel, waardoor het membraan aan de buitenkant licht positief geladen wordt en aan de binnenkant licht negatief. Dit zorgt ervoor dat er niet meer K+ naar buiten gaat en de K+ concentratie intracellulair hoog blijft. Deze verhouding noemen we het rustmembraanpotentiaal, de verplaatsing van ionen binnen en buiten de cel is in balans. In dierlijke cellen ligt dit rustmembraanpotentiaal tussen de -20 en -200 millivolt. Dit is een negatieve waarde omdat de lading aan de binnenkant negatief is. Met de vergelijking van Nernst is uit te rekenen hoe hoog het membraanpotentiaal is als de concentraties van K+ binnen en buiten de cel bekend zijn. Als andere ionkanalen openen, verandert de stroom van ionen en daarmee het membraanpotentiaal. Omdat het openen en sluiten van kanalen veel sneller gaat dan veranderingen in de ionconcentraties, zijn voornamelijk de kanalen belangrijk bij het in stand houden van het membraanpotentiaal.

Wat is de functie van ionkanalen en het signaliseren in zenuwcellen?

De functie van een zenuwcel of neuron is het ontvangen, geleiden en doorgeven van signalen. Dit is van zintuigen naar het centrale zenuwstelsel en van het centrale zenuwstelsel naar spieren en klieren. In het centrale zenuwstelsel worden de signalen geïnterpreteerd. Een neuron bevat een cellichaam, met daaraan een lange arm, het axon, dat signalen van het cellichaam geleidt en doorgeeft aan targetcellen. Er zijn vaak meerdere dendrieten, deze ontvangen signalen en geleiden ze naar het cellichaam toe en werken dus als een soort antennes. Het axon splitst zich aan het eind vaak in vele takjes, nerve terminals genoemd. Zo kunnen meerdere targetcellen tegelijk bereikt worden. Het signaal wordt altijd doorgegeven door een verandering in het elektrische potentiaal.

Als een neuron gestimuleerd wordt, meestal door een ander neuron, verandert het membraanpotentiaal op dat punt. Bij lange afstanden dooft dit signaal snel uit. Passieve verspreiding is dus niet de oplossing om het signaal door te geven. Neuronen lossen dit probleem op met een actief signaalmechanisme: een golf van lokale stimuli zorgt voor een elektrisch signaal dat snel langs het membraan reist. Deze golf noemen we actiepotentiaal en kan wel 100 meter per seconde afleggen.

Zo'n actiepotentiaal zorgt voor depolarisatie van het membraan, wat wil zeggen dat het membraanpotentiaal plotseling veel minder negatief wordt. Hierdoor gaan spontaan een aantal voltage-gated Na+-kanalen open. Door de instroom van Na+ depolariseert het membraan verder en gaan meer Na+-kanalen open. Binnen een milliseconde is het membraanpotentiaal +40 mV. Nu is de stroom van Na+ in balans en zou de cel op dit punt vast komen te zitten. Doordat de Na+-kanalen snel na het openen zichzelf inactiveren wordt de membraanpotentiaal weer negatief. Dit doen ze door zichzelf af te sluiten met een soort dekseltje. Voltage-gated K+-kanalen helpen met het herstellen van het rustpotentiaal, K+ stroomt hierbij uit de cel. Zij reageren ook op de depolarisatie, maar minder snel dan de Na+-kanalen. Omdat het actiepotentiaal zich naar de buurcellen verspreid, verspreidt het signaal zich over de cel en uiteindelijk naar de nerve terminals. Het signaal kan maar een kant op, omdat de kant waar het vandaan is gekomen tijdelijk inactief is en het signaal niet terug door kan geven. Na+/K+-pompen herstellen de concentraties Na+ en K+.

Tussen de nerve terminal en de target cel zit een synaps. Het signaal gaat vanaf de presynaptische membraan, door de synaptische spleet naar de postsynaptische membraan. Voor de overdracht tussen de cellen wordt een stofje gebruikt, neurotransmitter genaamd. Neurotransmitters zitten in presynaptische vesicles. Als de actiepotentiaal de nerve terminal bereikt, openen Ca2+ kanalen. Omdat de Ca2+ concentratie buiten de cel veel groter in, stroomt er snel veel Ca2+ de cel binnen. Dit zorgt ervoor dat sommige synaptische vesicles fuseren met het plasma membraan en hun inhoud, de neurotransmitters, in de synaps terechtkomt. Hierdoor verandert het elektrische signaal in een chemisch signaal.

Neurotransmitters hechten aan specifieke neurotransmitterreceptoren van het postsynaptische membraan. Dit leidt tot veranderingen in het membraan, waardoor een actiepotentiaal ontstaat. De neurotransmitter wordt snel afgebroken of opnieuw opgenomen, zodat de neurotransmitterreceptoren niet continu openstaan en weer een nieuw signaal kunnen oppikken als er nog een komt. Er zijn meerdere types neurotransmitterreceptoren, zij verschillen in de snelheid waarmee ze het signaal aan de cel doorgeven. Snelle neurotransmitterreceptoren zijn afhankelijk van transmitter-gated ionkanalen.

Membraantransporteiwitten zorgen ervoor dat kleine wateroplosbare moleculen of ionen de hydrofobe lipidelaag kunnen passeren. Er zijn twee soorten transporteiwitten. De eerste soort zijn de transporters. Een transporter verplaatst kleine organische moleculen of anorganische ionen door het membraan door van vorm te veranderen. De tweede soort zijn de kanalen. Zij vormen in het membraan hydrofiele poriën waardoorheenstoffen kunnen diffunderen. De ionenconcentratie binnen een cel verschilt met de concentratie erbuiten. Buiten de cel is de concentratie Na⁺ en Cl^- het hoogst. Binnenin is de concentratie K⁺ het hoogst, en intracellulair bevinden zich bovendien voornamelijk negatief geladen deeltjes. Deze verdeling van ionen wordt in stand gehouden door membraantransport eiwitten en de eigenschappen van de lipide bilaag.

Hoe verkrijgen cellen energie van eten? - Chapter 13

Wat houdt katabolisme in?

Katabolisme omschrijft de verschillende manieren van stofwisseling in een cel. Hierbij worden grote moleculen afgebroken tot kleine moleculen, waarbij energie vrijkomt. Een van de meest belangrijke ‘brandstofmoleculen’ is suiker.

Brandstofmoleculen worden in stapjes afgebroken, elke keer komt een kleine hoeveelheid energie vrij. Als al deze energie in 1x zou worden gevormd, zou de cel dit niet kunnen opvangen. Daarom wordt energie stapsgewijs bewaard in ATP en andere energie dragende moleculen, die weer kunnen worden gebruikt bij andere werkzaamheden in de cel. De energie die vrijkomt wordt dus bewaard in een klein molecuul in plaats van dat het wordt omgezet in warmte.

ATP kan op twee manieren worden gemaakt:

1. De reactie: ADP + Pi wordt ATP in cytosol en mitochondriën (die tot stand komt door de oxidatie van moleculen uit voedsel)
2. Of energie van geactiveerde moleculen wordt in het mitochondrium omgezet

Voordat de cellen de binnengekregen voedingsstoffen kunnen opnemen, moeten eiwitten, lipiden en polysachariden worden afgebroken tot kleinere moleculen door middel van enzymen. Dit wordt katabolisme genoemd. Het is belangrijk hierbij dat het gaat om voedsel dat van buitenaf wordt ingenomen, dus niet de macromoleculen uit onze eigen cellen. De eerste stap van vertering gebeurt buiten de cel in de darmen of in lysosomen, die verteringsenzymen scheiden van het cytosol. Enzymen uit de darmen zullen de grote moleculen afbreken naar kleinere: eiwitten tot aminozuren, polysacchariden tot suikers en vetten tot vetzuren en glycerol. Hierna gaan ze het cytosol van een cel binnen waar oxidatie zal gaan beginnen. Zie figuur 13.2 in Alberts op pagina 432.

Wat houdt glycolyse in?

Glycolyse is de reactie waarbij een glucosemolecuul met 6 koolstofatomen wordt omgezet in twee kleinere pyruvaat moleculen met 3 koolstofatomen. Hierbij worden twee energierijke ATP-moleculen verbruikt en omgezet in ADP om de reactie op gang te laten komen. ADP neemt later een vrijgekomen fosfaat (Pi) weer op. Tijdens de glycolyse vindt ook oxidatie plaats. Elektronen worden van sommige van de koolstofatomen verwijderd van glucose door NAD+, waarbij NADH wordt geproduceerd. In de gehele glycolyse worden er per glucosemolecuul 4 ATP en 2 NADH moleculen geproduceerd. Tijdens dit proces komen er dus netto per glucosemolecuul 2 ATP en 2 NADH moleculen vrij. De glycolyse is in tien stappen te beschrijven, waarbij elk een ander enzym gebruikt wordt. Zie panel 13-1 op pagina 433 en 434.

Na de glycolyse wordt het pyruvaat getransporteerd van het cytosol naar de matrix van het mitochondrium. Hier wordt het pyruvaat snel gedecarboxyleerd door een complex van drie enzymen: het pyruvaat-dehydrogenase-complex. Elk pyruvaat wordt met hulp van CoA-SH en NAD+ omgezet tot CO2, NADH en acetyl-CoA. Veel acetyl-CoA wordt ook gevormd bij de oxidatie van vetten.

Vetzuren

Vetzuren zijn afkomst van vet en zijn ook een vorm van brandstof voor suiker. Vetzuren worden net als de pyruvaatmoleculen in de mitochondria omgezet in acetyl-CoA. Hierbij wordt acetyl-CoA gevormd, molecuul NADH en FADH2. Suikers en vetten zijn de grootste bron van energie voor een organisme die niet aan fotosynthese doet. Wanneer acetyl-CoA wordt gevormd wordt maar weer een klein deel van de energie die mogelijk is omgezet in ATP of NADH, de rest zit nog allemaal in acetyl-CoA.

In eukaryote cellen zijn de mitochondria het centrum voor de energieleverende processen, onafhankelijk van of het in het begin suikers, vetten of aminozuren zijn. In aerobe bacteriën, die geen mitochondria bevatten gebeuren de energieleverende processen in het cytosol.

Hoe werkt de citroenzuurcyclus?

Als derde stap vindt de citroenzuurcyclus plaats onder de voorwaarde van water (zuurstof). De citroenzuurcyclus wordt ook wel de Krebscylcus of de tricarboxylzuurcyclus genoemd. Deze vindt ook plaats in de mitochondriale matrix. Acetyl-CoA wordt hierbij geoxideerd tot CO2 en NADH. De acetyl-groep wordt echter niet gelijk geoxideerd. Eerst vormt acetyl-CoA met oxaloacetaat en H2O, een citraat met zes koolstofatomen. Oxaloacetaat wordt tijdens de laatste stap van de citroenzuurcyclus gevormd, die weer de eerste stap op gang brengt. Tenslotte worden de NAD+-moleculen door een elektronentransportketen gebruikt om het proces voort te drijven. O2 nodig voor oxidatie,wordt in de citroenzuurcyclus zelf geproduceerd uit H2O. De helft van de energie die bij de oxidatie van glucose of vetzuren vrijkomt wordt gebruikt in de reactie Pi + ADP wordt ATP. De andere helft van de energie gaat verloren in warmte. Netto brengt één ronde in de citroenzuurcyclus drie NADH, een FADH2 en een GTP (ATP) energierijke moleculen op. De citroenzuurcyclus is goed weergeven in panel 13.2 op pagina 446 en 447.

Vervolgens begint de oxidatieve fosforylering. NADH en FADH2 geven hun elektronen af aan een elektron-transport keten in de binnenmembraan van het mitochondrium. De elektronen worden gebonden aan O2-moleculen, om water te produceren. Tijdens dit proces wordt er zo veel mogelijk ADP omgezet tot ATP. Oxidatie fosforylering vindt bij aerobe bacteriën plaats in het plasma membraan en bij eukaryote cellen in het mitochondrium.

Bij de gehele oxidatie van één glucosemolecuul tot CO2 en H2O worden er uiteindelijk zo’n 30 – 32 ATP-moleculen geproduceerd. 2 ATP-moleculen uit de glycolyse, 2 ATP uit de citroenzuurcyclus en 26 – 28 ATP uit de oxidatieve fosforylering. Deze processen die hierboven zijn beschreven, zijn er maar een aantal voorbeelden van de vele processen die in een cel plaats kunnen vinden. Een cel moet zelf controleren of metabolieten via een anabole of katabolische route worden ´vervoerd´.

Voor elke van de gevormde stoffen in de gehele cyclus van de cel zijn vele wegen! Controle mechanismen zorgen voor de enzymen die de metabolische processen reguleren en controleren. Het metabolische balans is verbazend stabiel.

Katabolische reacties zijn bouwblokken voor vele andere moleculen die worden gevormd en produceren energie. De stoffen die worden gevormd bij de glycolyse en citroenzuurcyclus kunnen ook voor anabole processen worden gebruikt. Hierin worden ze omgezet in nucleotiden, aminozuren en lipiden.

Het lichaam heeft een constante toevoer van glucose nodig. Als we een tijd geen voedsel binnenkrijgen wordt er gebruikt gemaakt van de gluconeogenese. Dit is het omgekeerde proces van glycolyse, waarbij er glucose wordt gevormd uit kleine moleculen als lactaat, pyruvaat of aminozuren. De gluconeogenese vindt plaats in de lever. Als de glycolyse en gluconeogenese onverstoord tegelijk zouden kunnen optreden, dan zou veel energie voor niets verloren gaan. De oplossing hierop is dat bij de gluconeogenese andere enzymen worden gebruikt, die zorgen voor bypassreacties. Zo’n omzeilingsreactie vindt bijvoorbeeld plaats bij stap 3 in de glycolyse. Een bypassreactie vindt plaats als het fosfofructokinase enzym is uitgeschakeld. Wanneer er een klein energie reserve is wordt fosfofructokinase geactiveerd om de glycolyse weer op gang te wekken.

De balans tussen glycolyse en gluconeogenese moet aldoor worden gereguleerd. Wanneer er te weinig energie is moet glucose worden afgebroken en wanneer er genoeg is moet het worden opgeslagen. Gluconeogenese is een kostbaar proces, dat energie gebruikt d.m.v. hydrolyse van ATP en GTP. Dit kan dus niet te veel plaatsvinden. Er worden echter door het lichaam voedselreserves aangemaakt. Glucose wordt opgeborgen, dit wordt gedaan in de vorm van glycogeen, in de lever en spieren. Wanneer het nodig is wordt deze omgezet in glucose om de glycolyse in gang te zetten. Het balans tussen de glycogeen synthese en afbouw wordt gereguleerd door intracellulaire signalen van hormonen als insuline, adrenaline en glucagon.

Katabolisme omschrijft de verschillende manieren van stofwisseling in een cel. Hierbij worden grote moleculen afgebroken tot kleine moleculen, waarbij energie vrijkomt. Een van de meest belangrijke ‘brandstofmoleculen’ is suiker.

Brandstofmoleculen worden in stapjes afgebroken, elke keer komt een kleine hoeveelheid energie vrij. Als al deze energie in 1x zou worden gevormd, zou de cel dit niet kunnen opvangen. Daarom wordt energie stapsgewijs bewaard in ATP en andere energie dragende moleculen, die weer kunnen worden gebruikt bij andere werkzaamheden in de cel. De energie die vrijkomt wordt dus bewaard in een klein molecuul in plaats van dat het wordt omgezet in warmte.

Hoe wekken mitochondriën en chloroplasten energie op? - Chapter 14

De belangrijkste energie bron van cellen is ATP. In cellen van eukaryoten worden kleine hoeveelheden ATP gemaakt gedurende de glycolyse welke plaatsvindt in het cytosol. Echter, het meeste ATP wordt geproduceerd door membraan-gebaseerde processen in de mitochondriën (doormiddel van oxidatie van suikers of vetzuren wordt energie verwekt). Soortgelijke processen vinden ook plaats in het celmembraan van (veel soorten) bacteriën. De productie van ATP bestaat ui twee stadia, die beide worden uitgevoerd door eiwitcomplexen in het membraan van een cel:

• Fase 1: Elektronen die afkomstig zijn van de oxidatie van voedselmoleculen worden overgebracht langs een transportketen die bestaat uit elektronen. Deze transportketen bevindt zich in het celmembraan. Bij deze elektronen overdracht komt energie vrij. Dit vrijgekomen energie wordt gebruikt om protonen (H+) over het celmembraan te pompen. Hierdoor ontstaat er een elektrisch gradiënt (protongradiënt). Dit gradiënt kan men zien als een soort opgeslagen vorm van energie, die kan worden gebruikt wanneer de ionen terug stromen langs hun elektrochemische gradiënt.

• Fase 2: H+ stroomt terug langs het elektronische gradiënt door een eiwitcomplex (ATP-synthase). ATP-synthase katalyseert de synthese van ATP uit ADP en anorganisch fosfaat (Pi).

Met chemi-osmotische koppelingen worden de koppelingen van elektronentransport, protonpompen en ATP-synthese bedoelt. Chemi-osmotische koppelingen ontwikkelde zich voor het eerst in bacteriën. Het lijkt erop dat aerobe eukaryotische cellen de chemi-osmotische koppelingen van aerobe bacteriën te hebben overgenomen, door aerobe bacteriën zich als het ware ‘op te eten’. Aerobe bacteriën zijn in staat om mitochondriën te vormen en cyanobacteriën kunnen chloroplasten vormen.

Wat houdt oxidatieve fosforylatie in mitochondriën in?

Bijna alle eukaryote cellen bevatten een eigen mitochondrium. Dit mitochondrium bevat zijn eigen DNA en RNA en het bevat een eigen transcriptie- en translatie-systeem. Doordat het mitochondrium deze systemen (inclusief ribosomen) bevat, is het instaat om zijn eigen eiwitten te produceren. Wanneer mitochondriën niet goed werkzaam zijn in een organisme, kan dit ernstige gevolgen hebben. Myoclonic epilepsy and ragged red fiber disease (MERRF) is een congenitale aandoening. Bij MERRF is er sprake van een mutatie in één van de mitochondriale transfer RNA genen. MERRF wordt gekarakteriseerd door een afname van de synthese van de mitochondriale eiwitten die nodig zijn voor elektronentransport en voor de productie van ATP. Doordat spier- en zenuwweefsel de grootste hoeveelheden ATP nodig hebben om goed te functioneren, worden deze weefsels het meest belemmerd door MERRF. Hierdoor hebben patiënten met MERRF klachten van spierzwakte, cardiale problemen, epilepsie en/of dementie.

Mitochondriën worden ingesloten door twee concentrische membranen. Deze twee membranen creëren twee mitochondriale compartimenten: een grote interne ruimte (matrix) en een intermembrane ruimte. De matrix bevat naast honderden enzymen ook meerdere identieke kopieën van het mitochondriale genoom. Het binnenste mitochondriale membraan wordt in meerdere cristae (plooien) gevouwen. Dit zorgt ervoor dat het binnenste mitochondriale membraan een groot oppervlakte heeft. Een elektrochemisch gradiënt (van H+), die de synthese van ATP aanspoort, wordt door dit binnenste membraan tot stand gebracht. Het binnenste membraan bestaat uit eiwitten met drie verschillende soorten functies:

1. Eiwitten die de oxidatiereacties van de elektronen-transportketen uitvoeren
2. Eiwitten die het ATP synthetiseren (dus die ATP produceren)
3. Eiwitten die voor het transport van metabolieten zorgen. Zo zijn metabolieten in staat om de matrix te passeren

Het buitenmembraan van het mitochondriën bevat veel moleculen van het transporteiwit porine. Porine vormt waterige kanalen door de lipide dubbellaag. Als gevolg hiervan, is het buitenmembraan van het mitochondriën permeabel voor alle moleculen die kleiner zijn dan 5000 dalton. Het buitenmembraan bevat niet alleen porines, maar ook andere eiwitten en moleculen. Andere eiwitten in het membraan, zijn bijvoorbeeld enzymen die betrokken zijn bij de mitochondriale vetsynthese (lipidesynthese) of enzymen die lipidesubstraten kunnen omzetten in andere vormen die vervolgens in de matrix van het mitochondriën gemetaboliseerd kunnen worden.

De citroenzuur cyclus

Mitochondriën kunnen zowel pyruvaat als vetzuren gebruiken als brandstof. Pyruvaat is voornamelijk afkomstig van glucose en andere suikers en vetzuren zijn afkomstig van vetten. Pyruvaat en vetzuren worden vrijwel direct bij binnenkomst in het mitochondriën omgezet in acetyl-co-enzym-A. Vervolgens wordt acetyl-co-enzym-A verder gemetaboliseerd door middel van de citroenzuurcyclus; die NAD+ tot NADH omzet en FAD naar FADH2. In het proces van oxidatieve fosforylering worden hoogenergetische elektronen van NADH en FADH2 vervolgens langs de elektronentransportketen (de ademhalingsketen) naar het binnenmembraan geleid. Vervolgens komen zij in het binnenmembraan in aanraking met zuurstof.

De meeste energie die vrijkomt bij de elektronenoverdracht, wordt gebruikt om H+ ionen uit de matrix te pompen. Hierdoor ontstaat er een elektrochemisch protonen (H+) gradiënt. Het pompen van protonen wordt uitgevoerd door drie grote respiratoire enzymcomplexen. Deze respiratoire enzymcomplexen zijn in het membraan gelokaliseerd. Elk complex bevat transmembraaneiwitten die ervoor zorgen dat het hele eiwitcomplex stevig in het binnenste mitochondriale membraan blijft. De drie ademhalingsenzymcomplexen zijn:

• Het NADH dehydrogenase complex
• Het Cytochroom b-c1 complex
• Het Cytochroom oxidase complex

Het elektrochemische proton-gradiënt over het binnenste mitochondriale membraan wordt gebruikt om de ATP-synthese aan te sturen in het proces van oxidatieve fosforylering. Het apparaat dat dit mogelijk maakt, is een groot membraangebonden enzym (het ATP-synthase). Dit enzym creëert een hydrofiele route over het binnenste mitochondriale membraan waardoor protonen langs het elektrochemische gradiënt kunnen stromen. ATP-synthase is een omkeerbaar koppelingsapparaat. Het kan de protonenstroom langs hun elektrochemische gradiënt benutten om ATP te maken en h et kan de energie van ATP-hydrolyse gebruiken om protonen door een membraan te pompen (zoals H + -pompen). Of de ATP-synthese voornamelijk ATP maakt of verbruikt, hangt af van de omvang van de elektrochemische protongradiënt over het membraan waarin het zich bevindt.

De synthese van ATP is niet het enige proces dat wordt aangedreven door de elektrochemische protongradiënt. De elektrochemische gradiënt drijft namelijk ook het actieve transport van metabolieten naar en uit het mitochondriën en het stuurt gekoppelde transportprocessen aan.

Wat houden chloroplasten en fotosynthese in?

In planten wordt de fotosynthese uitgevoerd in een gespecialiseerde intracellulaire organel, de chloroplast. Chloroplasten voeren overdag de fotosynthese uit en produceren daardoor ATP en NADPH, die vervolgens weer worden gebruikt om CO2 om te zetten in suikers. Deze omzetting vindt plaats in de chloroplast. De suikers worden vervolgens gebruikt om ATP te maken en als bassismateriaal voor veel van de andere organische moleculen die de plantencel nodig heeft. Chloroplasten hebben een zeer permeabel buitenmembraan en een veel minder doorlatend binnenmembraan (waarin membraantransporteiwitten zich bevinden) en een smalle intermembrane ruimte ertussen. Samen vormen deze membranen de chloroplast-envelop. Het binnenmembraan omringt een grote ruimte genaamd stroma, die analoog is aan de mitochondriale matrix en veel metabole enzymen bevat. Net als het mitochondrium evolueerde de chloroplast van een ingesloten bacterie en bevat nog steeds zijn eigen genoom en genetisch systeem. Er is echter een belangrijk verschil tussen de organisatie van mitochondriën en die van chloroplasten. Vergeleken met mitochondriën zijn chloroplasten veel groter en hebben ze een extra compartiment. Een chloroplast bevat, naast een binnen- en buitenmembraan, een thylakoid-membraan dat een thylakoid-ruimte omsluit. Het thylakoid-membraan bevat de licht-vangende systemen, de elektron-transportketens en ATP-synthase.

De reacties die optreden tijdens fotosynthese in planten kunnen worden onderverdeeld in twee verschillende categorieën:

1. Fotosynthetische elektronenoverdrachtsreacties (ook wel de 'lichtreacties' worden genoemd). In deze reacties wordt water geoxideerd en zuurstof vrijgemaakt.
2. Koolstofbindingsreacties (ook wel de 'donkere reacties' genoemd): bij deze reacties, die beginnen in het chloroplast-stroma en doorgaan in het cytosol, wordt kooldioxide geassimileerd (gefixeerd) om suikers en diverse andere organische moleculen te produceren.

Tijdens de fotosynthese worden hoogenergetische elektronen gecreëerd wanneer zonlicht wordt geabsorbeerd door chlorofyl. Deze energie wordt gevangen door eiwitcomplexen (de zogenoemde fotosystemen). Deze complexen bevinden zich in de thylakoïd membranen van chloroplasten.

Elektron-transportketens (die onderdeel zijn van de fotosystemen) dragen elektronen over van water naar NADP+ om NADPH te vormen. Tegelijkertijd ontstaat er een elektrochemische protongradiënt over het thylakoïde membraan. Moleculaire zuurstof wordt gegenereerd als een bijproduct bij deze reactie. Net als in mitochondriën wordt de proton-gradiënt over het thylakoïdemembraan gebruikt door een ATP-synthase om ATP te genereren. De ATP en de NADPH die gemaakt zijn tijdens de fotosynthese worden gebruikt in de chloroplast om de koolstof-fixatiecyclus in de chloroplast stroma aan te sturen. Zo wordt koolhydraat geproduceerd uit CO2. Vervolgens worden de koolhydraten geëxporteerd naar het cytosol van de cel, waar het wordt gemetaboliseerd.

Wat is de oorsprong van chloroplasten en mitochondriën?

Men denkt dat zowel mitochondriën als chloroplasten zijn geëvolueerd uit bacteriën die doormiddel van endocytose terecht zijn gekomen in primitieve eukaryotische cellen. Elk behoudt zijn eigen genoom en vermeerdert zich door processen die lijken op een bacteriële celdeling. Omdat mitochondriën en chloroplasten componentproteïnen hebben die worden gecodeerd door twee afzonderlijke genetische systemen, is hun groei en proliferatie gecompliceerd.

Chemi-osmotische koppelingsmechanismen komen in verschillende organismes frequent voor en zij zijn oud qua oorsprong. Moderne micro-organismen die leven in omgevingen die lijken op die die op de vroege aarde aanwezig waren, gebruiken ook chemiosmotische koppeling om ATP te produceren

De belangrijkste energie bron van cellen is ATP. In cellen van eukaryoten worden kleine hoeveelheden ATP gemaakt gedurende de glycolyse welke plaatsvindt in het cytosol. Echter, het meeste ATP wordt geproduceerd door membraan-gebaseerde processen in de mitochondriën (doormiddel van oxidatie van suikers of vetzuren wordt energie verwekt). Soortgelijke processen vinden ook plaats in het celmembraan van (veel soorten) bacteriën.

Hoe werken organisatie en transport in de cel? - Chapter 15

Hoe zijn cellen opbouwd?

Een cel kan geen celorganellen uit het niets maken, vóór de celdeling groeien organellen eerst en daarna splitsen ze. Hiervoor zijn veel nieuwe eiwitten nodig. Ook cellen die niet met de deling bezig zijn, maken continu nieuwe eiwitten. Deze moeten op de goede plaats terecht komen. Sommige organellen, zoals mitochondria, krijgen hun eiwitten direct vanuit het cytosol. Voor andere, zoals het Golgiapparaat en lysosomen, zijn er bewerkingen in het ER (endoplasmatisch reticulum) nodig.

De synthese van bijna alle eiwitten begint bij de ribosomen in het cytosol. Mitochondria maken sommige eiwitten zelf met ribosomen binnen het mitochondrion. In de aminozuurvolgorde kan een sorteersignaal zitten. Eiwitten die dit niet hebben blijven in het cytosol, eiwitten die dit wel hebben gaan naar het organel van bestemming of naar het ER. Het is moeilijk om de eiwitten door de membranen van de organellen heen te krijgen. Hiervoor zijn drie oplossingen:

• Eiwitten gaan de kern in via nucleaire poriën. Dit zijn selectieve, actieve poorten.

• Eiwitten gaan het ER en mitochondria in via eiwittransporters. Meestal moet het eiwit uitvouwen om hier doorheen te kunnen.

• Eiwitten binnen het ER en tussen verschillende membraanomgeven systemen worden vervoerd in blaasjes (vesicles). Deze nemen een lading mee van het ene compartiment in de tussenruimte, het lumen, en vervoeren dit naar een volgend compartiment.

Het signaalsegment dat aangeeft waar het eiwit naartoe moet, wordt meestal verwijderd van het volwassen eiwit. Ze zijn zowel noodzakelijk om de bestemming van het eiwit aan te geven. Als ze kunstmatig worden toegevoegd of verwijderd, wijzigt deze bestemming. Vaak is de volgorde niet zo belangrijk, het gaat om fysieke kenmerken zoals hydrofiel/hydrofoob en de plaatsing van geladen aminozuren.

De kern bevat het nucleaire DNA. Het heeft twee membranen; de binnenste bindt aan de chromosomen en zit vast aan het nucleaire lamina, wat voor de structuur van het kernmembraan zorgt. De buitenste membraan ligt dichtbij de membraan van het ER. Het kernmembraan bevat poriën, waardoor moleculen de kern in (voornamelijk eiwitten) en uit (voornamelijk RNA) kunnen. Zo'n porie bestaat uit veel eiwitten en is met water gevuld, waardoor water oplosbare moleculen de kern in en uit kunnen. Kleine moleculen kunnen er gelijk doorheen, grotere (RNA en eiwitten) moeten een speciaal signaal laten zien. Dit heet het nucleaire lokalisatie signaal, wat meestal uit veel lysine en arginine bestaat. Zij binden aan nucleaire transportreceptoren die met een soort tentakels de moleculen in de kern helpen. Hierna keert de receptor terug naar het cytosol. De energie die nodig is voor het transport wordt verkregen uit GTP-hydrolyse. Het transport gaat erg snel. In tegenstelling tot andere eiwittransporters kunnen eiwitten de kern in zonder eerst uit te vouwen, en ook ribosomale componenten kunnen de kern in.

Ondanks dat mitochondria (en chloroplasten) eigen DNA hebben, worden de meeste eiwitten door het DNA in de kern gecodeerd. Aan hun N-terminus zit een speciaal signaal voor het mitochondrion. Op plekken waar het binnenste en het buitenste membraan van het mitochondrion elkaar raken, komen de eiwitten het organel binnen. Hiervoor moeten ze eerst helemaal uitgevouwen zijn. Bepaalde eiwitten, chaperonne eiwitten genaamd, helpen met het transport en vervolgens het terugvouwen van de eiwitten. Na transport door de membraan wordt de signaalsequentie van het eiwit verwijderd. Als het eiwit een specifieke locatie heeft, zoals het binnenste of het buitenste membraan, is er vaak nog een ander sorteersignaal, wat vaak pas tot uiting komt als het eerste is verwijderd. Voor de groei van mitochondria en chloroplasten zijn ook vetten nodig. De meeste fosfolipiden worden geïmporteerd van het ER. In water oplosbare, vetdragende eiwitten zorgen hierbij voor het transport.

Wat zijn organellen?

Een eukaryotische cel bevat cytosol waarin organellen voorkomen. Het cytosol samen met het cytoplasma in de organellen heet het cytoplasma. De organellen worden allen omringd door een eigen membraan en hebben een eigen intern milieu waar specifieke enzymen opereren. Elk organel heeft een eigen functie binnen de cel. De belangrijkste organellen zijn:

• De kern
• Het endoplasmatisch reticulum (ER)
• Het Golgi-apparaat
• De lysosomen
• De endosomen
• De mitochondriën
• De peroxisomen.

De kern wordt omringd door een dubbel membraan, de kernenvelop. Deze bevat poriën waardoor stoffen de kern in en uit getransporteerd kunnen worden. Het buitenste membraan staat in directe verbinding met het endoplasmatisch reticulum. Er bestaat een ruw en een glad endoplasmatisch reticulum. Het ruwe ER (RER) bevat ribosomen die eiwitten synthetiseren. Het gladde ER (SER) bevat geen ribosomen.

Het Golgi-apparaat ontvangt eiwitten van het ER, modificeert deze en stuurt ze door naar andere bestemmingen in de cel. De lysosomen bevatten enzymen die uitgewerkte organellen, macromoleculen en andere stoffen afbreken. Endosomen controleren de stoffen die de cel binnengekomen zijn door middel van endocytose. Zij sorteren de binnengekomen stoffen en recyclen een deel terug naar het plasmamembraan. Een ander deel vervoeren ze naar de lysosomen voor afbraak.

Peroxisomen bevatten enzymen die gebruikt worden bij verscheidene oxidatieve reacties waarbij lipides afgebroken worden en giftige stoffen onschadelijk gemaakt worden. In mitochondriën vindt oxidatieve fosforylering plaats. Ze bevatten membranen die gespecialiseerd zijn in de productie van ATP. Een mitochondrium bevat eigen DNA en RNA.

Veel van de organellen worden op hun plaats binnen de cel gehouden door een verbinding met het cytoskelet. Het cytoskelet vormt een soort wegenstelsel waarover de organellen zich kunnen verplaatsen en waarlangs de transportblaasjes zich bewegen. Deze bewegingen worden gestuurd door bepaalde motoreiwitten die ATP gebruiken om langs de filamenten te bewegen.

De evolutionaire ontwikkeling van een prokaryotische cel in een eukaryotische cel vond waarschijnlijk als volgt plaats. Een prokaryotische cel bevat geen organellen. Het plasmamembraan volbrengt alle functies die nodig zijn voor een cel om te functioneren. Het dubbele kernmembraan en de membranen van het ER, het Golgi-apparaat, de endosomen en de lysosomen zijn waarschijnlijk gevormd door instulpingen van het plasmamembraan. Het ER, het Golgi-systeem, de peroxisomen, de endosomen en de lysosomen zijn alle onderdeel van het zogenaamde endomembraansysteem.

Mitochondriën en chloroplasten (alleen bij plantaardige cellen) zijn echter waarschijnlijk ontstaan door bacteriën die in de cel zijn opgenomen. De voorheen prokaryotische cel leeft dus in symbiose met deze bacteriën. De membranen van deze organellen zijn anders dan de hierboven genoemde membranen. Mitochondriën en chloroplasten bevatten beide hun eigen DNA en RNA.

Wat zijn de eigenschappen van het ER-membraan?

Eiwitten komen het ER binnen tijdens de translatie. Het ER dient als tussenstation voor eiwitten met als bestemmming het Golgi apparaat, endosomen, lysosomen en het ER zelf. Zodra een eiwit in het ER of ER membraan zit, zal het niet meer direct in het cytosol komen. Via vesikels wordt het van organel naar organel en soms zelfs buiten de cel gebracht. In water oplosbare eiwitten gaan geheel door het membraan van het ER heen en komen dus in het ER. Zij zijn bedoeld voor secretie en hebben dus een functie buiten de cel of in het lumen van een organel. Transmembraaneiwitten blijven in het membraan van het ER steken. Zij komen in het ER-membraan, het membraan van een ander organel of het plasmamembraan. Alle eiwitten die met het ER in aanraking komen, hebben een ER-signaal sequentie. Deze bestaat uit acht of meer hydrofobe aminozuren en helpt bij de translocatie door het ER-membraan.

Om het ER-membraan binnen te gaan, moeten de meeste eiwitten tot een draad gemaakt worden. Hiervoor is het noodzakelijk dat het ribosoom, dat het eiwit synthetiseert, aan het eiwit vastzit als dit contact maakt met het ER. Deze ribosomen noem je membraangebonden en zij vormen het ruw endoplasmatisch reticulum. Je hebt ook vrije ribosomen, deze maken dus de eiwitten die niet met het ER in aanraking komen. Vrije en membraangebonden ribosomen verschillen niet, alleen in het eiwit dat ze synthetiseren. Ook op het ER kan een keten van meerdere ribosomen aan een mRNA molecuul, een polyribosoom, ontstaan.

Om naar het ER te komen, moet eerst een signal-recognition partikel (SRP) uit het cytosol aan de ER-signaalsequentie binden. Een SRP-receptor herkent dit en bindt aan de SRP. De synthese stopt even totdat deze binding geheel tot stand is gekomen. Hierna laat het SRP los en kan die weer gerecycled worden. De synthese gaat verder, waarbij het eiwit als een draad door een translocatiekanaal het ER binnengaat. De signaalsequentie aan de N-terminus helpt hierbij door dit kanaal te openen. Dit blijft aan het kanaal vastzitten, waardoor het eiwit een lus vormt. Na een tijdje wordt de signaalsequentie losgeknipt door signaalpeptidase en vervolgens afgebroken. Als de C-terminus door het membraan passeert, laat het eiwit los en komt het in het ER lumen terecht. Dit gebeurt bij in water oplosbare eiwitten. Bij transmembraan eiwitten blijft het eiwit gebonden aan de membraan.

De manier waarop beide soorten eiwitten in het ER komen is hetzelfde, maar een membraangebonden eiwit heeft een extra sequentie, de stoptransfersequentie. Zodra deze bereikt is, gaat het eiwit uit het kanaal het membraan in en wordt het N-terminus verwijderd. Het heeft nu een N-einde in het lumen en een C-einde in het cytosol. Het deel in het membraan vormt een α-helix. Deze oriëntatie zal niet meer veranderen. In sommige gevallen gaat het eiwit meerdere malen door het membraan heen, dit komt door een zogenoemd starttransfer signaal. Er zijn vaak meerdere signalen die in paren werken, de een start het transport door het membraan en de ander stopt dit weer. Deze sequenties worden niet verwijderd.

De bestemming van de eiwitten in het ER is in eerste instantie het Golgiapparaat. Sommige zullen daar blijven, sommige zullen naar andere organellen worden verplaatst. Dit transport gaat via transport vesikels. Dit transport kan gaan van het ER tot aan het plasma membraan en van het plasmamembraan tot aan de lysosomen. Eiwitten kunnen dus bij alle organellen en zelfs buiten de cel komen. Tijdens het transport ondervinden veel eiwitten nog veranderingen.

De weg door het ER via het Golgiapparaat naar het celoppervlak noemen we de secretory pathway. De weg van de plasmamembranen via endosomen naar lysosomen heet de endocytic pathway. Beide zijn strak georganiseerd. Hiervoor is het belangrijk dat de lysosomen alleen de goede eiwitten meenemen en alleen met het targetmembraan fuseren. Hierdoor behouden de organellen hun eigen eiwit- en vetcompositie. Het is geheel afhankelijk van het herkennen van de juiste eiwitten.

Transport via vesikels komt dus niet alleen binnen de cel voor. Via een proces dat exocytose heet worden nieuw geproduceerde eiwitten en vetten buiten de cel afgezet. Transportvesikels hebben meestal een soort eiwit jasje bij het oppervlak dat in aanraking komt met het cytosol. Dit worden coated vesicles genoemd. De functie is om de cargo moleculen gedurende transport bij elkaar te houden en het houdt het transportvesikel in een bolvorm. De beschermende laag bestaat grotendeels uit clathrine-eiwitten. Zodra cargo moleculen worden herkend door een cargoreceptor kan er exocytose plaatsvinden. Adaptines binden clathrine-eiwitten aan cargoreceptoren en vormen samen een beschermlaag.

Dit exocytose proces gaat via het ER en het Golgiapparaat. Op de transportvesikels zitten Rab eiwitten, die worden herkend door tethering proteines op het oppervlak van de target membraan. Dit mechanisme zorgt ervoor dat transportvesikels alleen fuseren met de juiste membraan en hun cargo moleculen af kunnen geven. Transmembrane eiwitten bevatten SNAREs. Wanneer de tethering proteines de Rab eiwitten herkennen, zorgen SNAREs ervoor dat de vesikel op de goede plaats in het membraan belandt.

Tijdens de tussenstappen van het exocytose proces wordt het eiwit gemodificeerd en gecontroleerd. Een van de voornaamste modificaties is het vormen van zwavelbruggen, hierbij helpt een enzym in het ER. Zwavelbruggen zijn belangrijk voor stabiliteit bij een veranderende pH en kunnen in het reducerende milieu van het cytosol niet gevormd worden. Ook wordt er in het ER geglycolyseerd. De oligosachariden die hier aan het eiwit gekoppeld worden, hebben verschillende functies, zoals het regelen van het transport en het beschermen van het eiwit. Oligosachariden worden in groepen aan het eiwit gekoppeld. Een set van drie aminozuren, waar in elk geval asparagine bij zit, bepaald waar deze groep komt. De meeste zitten aan een NH2-groep en heten daarom N-gelinkt. Dit is de eerste stap van het oligosacharideproces, dat voortduurt in het ER en Golgiapparaat.

Het ER-retentionsignaal zorgt ervoor dat eiwitten die in het ER thuishoren, meteen terugkeren wanneer ze het trans-Golgi netwerk betreden. Alleen goed gevouwen eiwitten kunnen het ER verlaten en naar het Golgiapparaat gaan; chaperonne eiwitten houden de eiwitten vast tot deze goedgekeurd zijn. Als dit niet lukt, wordt het eiwit vernietigd. Dit kwaliteitscontrolesysteem werkt bij sommige ziektes, zoals cystische fibrosis, niet goed.

Als er teveel eiwitten gemaakt moeten worden, kan het ER het niet meer aan en worden er veel meer fouten gemaakt. Deze misvormde eiwitten zijn een signaal voor de cel dat er meer ER aangemaakt moet worden. Dit komt door een bepaalde set receptoren in het membraan van het ER, die de unfolded protein response (UPR) oproepen. Hierdoor is het ER meestal groot genoeg om de secretie van de cel aan te kunnen. Mocht zelfs een vergroting van het ER niet genoeg zijn om misvormde eiwitten te voorkomen, dan zet het UPR de cel aan tot apoptose. Een voorbeeld hiervan is diabetes type II. Door de insulineresistentie moet er meer insuline worden gemaakt dan de cel aankan en sterft de cel. Helaas maakt dit de taak voor de overige cellen alleen maar zwaarder, waardoor die ook afsterven.

Het Golgiapparaat ligt dichtbij de celkern en bestaat uit meerdere zakken of cisternae, die op elkaar gestapeld zijn. Het aantal stapels waaruit het Golgiapparaat bestaat verschilt per celtype. Het begin van het Golgiapparaat, dus waar de vesikels vanuit het ER binnenkomen, heet de cis-kant. Het einde heet de trans-kant, deze ligt richting het plasmamembraan. Aan de buitenkant van het Golgiapparaat zitten veel tubes met vesikels. In water oplosbare eiwitten komen via het cis-Golginetwerk binnen. Via transportvesikels gaan ze door de verschillende cisternae en komen ze bij het trans-Golginetwerk. Vanaf daar gaan ze naar het celoppervlak of naar organellen binnen de cel. Beide netwerken zijn belangrijk: het cis-netwerk stuurt eiwitten die in het ER moeten blijven terug en het transnetwerk kijkt waar de eiwitten naartoe moeten. In het Golgiapparaat worden veel eiwitten verder gemodificeerd.

Om een eiwit de cel te doen verlaten, fuseert een vesikel met het plasmamembraan. Dit heet de constitutieve exocytose pathway en gaat continu door. Het zorgt ervoor dat er nieuwe eiwitten en vetten in het plasmamembraan komen, zodat de cel kan groeien voor de deling. De eiwitten die voor buiten de cel zijn bedoeld, worden ook op deze manier naar buiten gebracht, dit heet secretie. Sommige blijven aan het celoppervlak zitten, andere gaan de intercellulaire matrix in. Omdat secretie niet selectief is, wordt het ook wel een default pathway genoemd. Cellen die gespecialiseerd zijn op secretie hebben nog een andere weg, de gereguleerde exocytose pathway. Deze cellen maken een product erg vaak, wat ze opslaan in secretory vesicles. Deze wachten dichtbij de membraan op een extracellulair signaal dat aangeeft dat secretie moet plaatsvinden. Bepaalde eiwitten binden aan deze producten en zorgen dat ze apart bewaard worden. Een voordeel hieraan is dat de concentratie van een bepaald eiwit veel hoger kan worden dan als het alleen via de default pathway zou gaan. Zo kunnen cellen een voorraad opbouwen en deze paraat hebben voor als het nodig is. Als een vesikel fuseert met het plasmamembraan, wordt het een onderdeel van het plasmamembraan. Dit neemt echter niet in oppervlakte toe, omdat tegelijk ook endocytose plaatsvindt.

Cellen nemen continu vloeistoffen, grote en kleine moleculen op via endocytose. Sommige cellen zijn zelfs gespecialiseerd om grote deeltjes op te nemen, soms zelfs andere cellen. Via een endocytisch vesikel komt het materiaal de cel binnen. Het reist naar een lysosoom, waar het vesikels wordt verteerd en het materiaal vrijkomt in het cytosol. Aan de hand van de grote van de vesikels kunnen we twee soorten endocytose onderscheiden. Fagocytose is voor grote deeltjes en pinocytose voor kleine deeltjes en vloeistoffen.

Wat houdt fagocytose in?

Fagocytose is het opnemen van een andere cel. Bij bacteriën dient dit proces als opname van voedingsstoffen, die vervolgens verteerd kunnen worden in lysosomen. Dieren moeten voeding eerst goed verteren en afbreken met enzymen voordat het opgenomen kan worden. Fagocytose is dan ook minder belangrijk om voedingsstoffen op te nemen; het is vooral van belang bij de afweer. Macrofagen zoeken naar cellen waar een bepaalde signaalstof aan gebonden zit. Als het zo'n cel heeft gevonden, spreid hij een soort armen om de cel heen. Deze fuseren aan de uiteinden en vormen zo een fagosoom. De bacterie wordt opgenomen en de fagosoom fuseert met een lysosoom om de bacterie te verteren. Sommige bacteriën zijn echter resistent en gebruiken de macrofaag om verder te delen. Niet alleen in het afweersysteem zijn macrofagen nuttig: ze ruimen ook dode cellen op.

Wat houdt pinocytose in?

Pinocytose is het binnenhalen van kleine moleculen en vloeistoffen. Hierbij worden het eigen plasmamembraan en vloeistoffen ook deels verteerd. De snelheid waarmee cellen dit doen verschilt. De grote van de cel verandert niet omdat door exocytose ook weer plasmamembraan wordt toegevoegd. Pinocytose wordt gedaan door specifieke vesikels. Pinocytose is willekeurig, maar er bestaat ook receptor-mediated endocytose, die specifieke moleculen uit de extracellulaire vloeistof haalt. Dit is een ook een stuk effectiever qua verteerde vloeistof en maakt het mogelijk veel kleine moleculen de cel in te brengen zonder dat er een vloeistof tekort ontstaat. Cholesterol wordt op deze manier binnengehaald, eerst bindt het aan low-density lipoproteines (LDL's). Dit bindt aan receptoren, het complex wordt de cel ingehaald waar de LDL eraf valt. De LDL wordt verteerd in een lysosoom door hydrolytische enzymen en het cholesterol komt in het cytosol terecht. Een mutatie kan leiden tot deficiëntie in het opnemen van LDL, waardoor cholesterolwaarden te hoog worden. Dit kan leiden tot atherosclerosis. Receptor-mediated endocytose is ook essentieel bij het opnemen van mineralen en vitamines. Het wordt ook gebruikt door virussen om de cel binnen te komen.

Wat zijn endosomen?

Endosomen zijn de organellen waar het extracellulaire materiaal wordt opgenomen. Er zijn vroege endosomen, deze zitten in de buurt van het plasmamembraan, en late endosomen, deze liggen bij de kern. De binnenkant van endosomen wordt zuur gehouden door een ATP-gedreven H+-pomp, die een grote hoeveelheid H+ ionen vanuit het cytosol in de endosoom pompt. Net als het trans-Golginetwerk sorteert de endosoom het materiaal op bestemming. Het zure milieu helpt hierbij omdat de receptoren van de lading los worden gemaakt. Sommige receptoren gaan terug naar hun oude plek, andere worden vernietigd en weer andere hechten aan een andere plek op het plasmamembraan. Hierbij brengen ze hun lading van de ene extracellulaire ruimte naar de andere. Dit laatste heet transcytose. Als de lading aan de receptor blijft zitten, volgen deze samen de weg van de receptor. De meeste ladingen die hun receptor kwijt raken, worden in de lysosomen verteerd.

Wat zijn lysosomen?

Lysosomen bevatten vele hydrolytische (verterende) enzymen, deze hebben een laag optimum pH waardoor de lysosomen een zuur milieu bevatten. Ook bevat een lysosoom ATP-gedreven H+-pompen, die het milieu zuur maken. Omdat het cytosol een andere pH heeft, kunnen deze enzymen de cel geen schade doen als ze toevallig in het cytosol terecht komen. Het membraan van een lysosoom is specifiek en zorgt ervoor dat de eindproducten van de vertering het cytosol in kunnen. Enzymen voor de lysosomen gaan via het ER en het Golgisysteem, waar ze vaak geglycolyseerd worden. Aan de trans-kant van het Golgisysteem worden ze gesorteerd. Er zijn meerdere manieren waarop voedingsstoffen bij een lysosoom komen. Naast fagocytose en pinocytose kunnen cellen ook aan autofagie doen, hierbij verteren ze delen van zichzelf. Dit proces begint met de vorming van een autofagosoom, de manier hoe dit gebeurd is onbekend.

Wat is een exocytose?

De meeste eiwitten die het ER binnenkomen worden daar aangepast. Er worden disulfide bindingen gevormd en er vindt glycosylering plaats. In het ER wordt bij glycosylering een oligosacharide, die uit veertien suikers bestaat, direct gebonden aan de aminogroep (NH₂) van een asparaginezijketen in het eiwit. Dit vindt bijna direct plaats nadat de polypeptideketen het ER binnen is gekomen. Een oligosacharide zit oorspronkelijk vast aan dolichol. Dit is een lipide die zich in het membraan van het ER bevindt. De reactie waarbij de oligosacharide van dolichol naar het eiwit wordt overgeplaatst, wordt gekatalyseerd door het enzym oligosaccharyl transferase. Deze glycosylering is slecht het begin van en serie modificaties, het oligosacharideproces. Dit proces begint in het ER en wordt in het Golgi-systeem vervolgd.

Sommige eiwitten die in het ER worden gesynthetiseerd blijven daar. Ze bevatten een C-terminale sequentie die een ER retention signal genoemd wordt. Dit signaal sequentie wordt door een membraangebonden receptoreiwit herkend dat zich in het ER en in het Golgi-systeem bevindt. Wanneer een receptoreiwit in het Golgi-systeem een dergelijk eiwit herkent, wordt dit eiwit naar het ER terug getransporteerd. De meeste eiwitten hebben echter andere bestemmingen dan het ER. Bij het verlaten van het ER vindt een strenge keuring plaats. De eiwitten moeten perfect zijn om het ER te kunnen verlaten. Eiwitten die bij de keuring een belangrijke rol spelen zijn chaperone eiwitten. Deze houden eiwitten die verkeerd gevouwen zijn vast totdat ze goed gevouwen zijn. Wanneer ze niet goed kunnen vouwen worden deze eiwitten naar het cytosol getransporteerd, waar ze worden afgebroken.

Wanneer het controlesysteem overbelast wordt, neemt het aantal misvormde eiwitten in het ER toe. Als er genoeg misvormde eiwitten aanwezig zijn, activeert dit het zogenaamde UPR-programma (Unfolded Protein Responseprogramma). Dit programma spoort de cel aan om meer ER te produceren. Het UPR-programma stelt hiermee de cel in staat om de grootte van het ER aan te passen aan de behoefte. Wanneer de cel echter zelfs met het vergrote ER de belasting niet aankan, beveelt het UPR-programma de cel waarin het ER zich bevindt om apoptose (geprogrammeerde celdood) te ondergaan.

Het Golgi-systeem bestaat uit een aantal lagen (cisternae) die door membranen omgeven zijn. Het Golgi-systeem heeft twee kanten. De ingang heet de cis-kant, de uitgang heet de trans-kant. De cis-kant wijst naar het ER, de trans-kant wijst naar het plasmamembraan. Oplosbare eiwitten en membranen komen vanaf het ER het Golgi-systeem aan de cis-kant binnen via transportblaasjes. De eiwitten verplaatsen zich door het Golgi-systeem door middel van transportblaasjes. Deze scheiden zich af van de ene laag en fuseren met de volgende laag. De eiwitten verlaten het Golgi-systeem aan de trans-kant. Zowel de cis- als de trans-kant van het systeem zijn belangrijk voor het sorteren van eiwitten. De eiwitten kunnen zich door het Golgi-systeem van de cis-kant verplaatsen naar de trans-kant, of teruggestuurd worden naar het ER wanneer ze een ER-retentiesignaal bevatten.

Een deel van de eiwitten wordt via transportblaasjes naar het plasmamembraan vervoerd. In elke cel is een constante stroom van transportblaasjes van het Golgi-systeem naar het plasmamembraan (de constitutive exocytose pathway). Deze kunnen eiwitten en lipiden bevatten, die de cel de mogelijkheid bieden te groeien voor de celdeling, of de cel de mogelijkheid bieden oude eiwitten en vetten te vervangen. Het kunnen ook eiwitten betreffen die via het plasmamembraan uitgescheiden moeten worden. Dit heet secretie. Eiwitten die geen signaalsequentie behalve de ER-importsequentie bevatten, worden via transportblaasjes naar het plasmamembraan vervoerd.

Hiernaast is er ook een regulated exocytose pathway, die alleen plaatsvindt in cellen die zijn gespecialiseerd in secretie. De producten van deze cellen worden verzameld in secretory vesicles. De vesicles verzamelen zich vlakbij de plasmamembraan en wachten op een extracellulair signaal om met het plasmamembraan te fuseren.

Wat is een endocytose?

Er worden twee soorten endocytose onderscheiden. Pinocytose is het opnemen van vloeistof en kleine moleculen via kleine vesicles. Fagocytose is het opnemen van grotere deeltjes via grote vesicles. Grotere deeltjes worden voornamelijk opgenomen door gespecialiseerde fagocytische cellen. Een dergelijk transportblaasje heet (afhankelijk van de naam van het proces) een pinosoom of een fagosoom. Een fagosoom versmelt bij binnenkomst in de cel meteen met een lysosoom, een pinosoom wordt via een endosoom naar een lysosoom vervoerd.

Fagocytische cellen beschermen ons tegen infecties door binnendringende organismes op te nemen en ruimen dode en beschadigde cellen op. Pinocytose speelt vooral een rol bij de endocytose waarbij clathrine betrokken is (zie ‘Transport via transportblaasjes’). Deze endocytose heet receptor-mediated endocytosis.

Een belangrijk voorbeeld hiervan is de mogelijkheid van een dierlijke cel om cholesterol op te nemen. Cholesterol is onoplosbaar en wordt in de bloedbaan getransporteerd, waarbij het gebonden is aan deeltjes van low-density lipoproteins (LDL). LDL bindt aan receptoren aan de buitenkant van membranen. De receptor-LDL-complexen worden via receptor-mediated endocytosis de cel binnengehaald en naar een endosoom getransporteerd. Hier laat het LDL los van de receptor. De receptor wordt gerecycled en het LDL wordt getransporteerd naar een lysosoom. Het cholesterol laat hier het LDL los en wordt aan het cytosol afgegeven. Hier kan het worden gebruikt voor de synthese van nieuwe membranen. Het LDL wordt afgebroken.

Er zijn twee soorten endosomen die kunnen worden onderscheiden: het vroege endosoom, dat zich vlak onder het plasmamembraan bevindt, en het late endosoom, dat zich dichter bij de kern bevindt. Een endosoom heeft eenzelfde soort functie bij de endocytose als de trans-kant van het Golgi-systeem heeft bij de exocytose. Ze keuren de stoffen die de cel via endocytose ingaan. Een endosoom heeft een zuur milieu vanbinnen. Hierdoor laten veel stoffen die via receptor-mediated endocytosis de cel binnen zijn gekomen in het endosoom de receptor waaraan ze gebonden zijn los, maar niet altijd. De meeste receptoren keren terug naar hetzelfde gedeelte van het plasmamembraan als waar ze vandaan kwamen. Sommige worden naar lysosomen getransporteerd waar ze worden afgebroken. Andere verplaatsen zich naar een ander gedeelte van het plasmamembraan, waarbij ze hun gebonden cargomoleculen van de ene extracellulaire ruimte naar de andere vervoeren. Dit proces heet transcytose. In het algemeen geldt dat cargomoleculen die aan de receptor gebonden blijven, hetzelfde ondergaan als die receptor. Cargo dat wordt losgekoppeld van zijn receptor, is gedoemd tot afbraak in een lysosoom. In late endosomen zijn echter al wat lysosomale enzymen aanwezig, waardoor afbraak reeds hier kan beginnen.

Veel deeltjes en moleculen die de cel binnen zijn gekomen, komen terecht in een lysosoom. Lysosomen zorgen voor de intracellulaire vertering van zowel extracellulair materiaal als van bepaalde celonderdelen, zoals oude organellen. Een lysosoom bevat ongeveer 40 verschillende enzymen die optimaal werken bij een pH van rond de 5. Het membraan van een lysosoom bevat transporteiwitten en een H⁺-pomp. Deze H⁺-pomp zorgt ervoor dat de pH-waarde in het lysosoom hetzelfde blijft. De meeste eiwitten aan de binnenzijde van het membraan zijn geglycosyleerd. De suikers zorgen ervoor dat de eiwitten niet verteerd worden door de lysosomale enzymen. De verteringsenzymen en membraaneiwitten zijn gesynthetiseerd in het ER en door het Golgi-apparaat getransporteerd naar de trans-kant. In het ER en aan de cis-kant van het Golgi-apparaat is een mannose-6-fosfaat aan de eiwitten toegevoegd. Deze wordt in de trans-kant van het Golgi-apparaat door een mannose-6-fosfaatreceptor herkend. De eiwitten worden vervolgens in een transportblaasje via een endosoom naar een lysosoom vervoerd en daar afgegeven.

Stoffen kunnen de lysosomen dus bereiken via fagocytose en pinocytose. Cellen hebben echter nog een derde manier om stoffen af te geven aan de lysosomen. Deze derde manier is de autofagie. Hierbij wordt een deel van de cel zoals een organel omsloten door een dubbel membraan. Het blaasje dat zo ontstaat heet een autofagosoom. Deze fuseert vervolgens met een lysosoom.

Hoe werkt de sortering van eiwitten?

De synthese van bijna alle eiwitten in de cel begint bij de ribosomen die zich in het cytosol bevinden. Waar een eiwit terecht zal komen hangt af van de aminozuurvolgorde van het eiwit. Deze kan een sorting signal, ook wel signaalsequentie, bevatten die aangeeft in welk organel het eiwit terecht moet komen. Eiwitten die geen sorting signal bevatten komen los terecht in het cytosol. Voor de verschillende organellen zijn er verschillende sorting signals.

Een eiwit kan op verschillende manieren door het membraan van een organel getransporteerd worden:

• De kern bevat poriën waardoorheen de eiwitten getransporteerd kunnen worden. De poriën functioneren als selectieve doorgangen, die bepaalde macromoleculen actief transporteren. De eiwitten kunnen gevouwen door het membraan worden vervoerd.

• Het ER, de mitochondriën, de chloroplasten en de peroxisomen bevatten proteïne translocators in het membraan. Het eiwit dat door deze translocators door het membraan wordt vervoerd, moet eerst worden ontvouwen.

• Eiwitten die vanuit het ER worden getransporteerd naar andere celonderdelen, worden vervoerd via transportblaasjes. Deze blaasjes worden gevuld met cargo (eiwitten uit het lumen) en splitsen van het membraan af.

Een eiwit kan een nuclear localization signal bevatten. Dit geeft aan dat een eiwit in de kern terecht moet komen. Via de kernporiën kunnen nieuwe eiwitten de kern in en kunnen RNA en ribosomale onderdelen de kern uit. Bepaalde eiwitten die zich in het cytosol bevinden, de nuclear transport receptoren, binden aan het nuclear localization signal van het kerneiwit. Vervolgens brengt deze receptor het kerneiwit door de porie door interacties aan te gaan met de nuclear pore fibrils. Eenmaal in de kern laat de nuclear transport receptor los van het nieuwe eiwit en verlaat de kern weer. In het cytosol kan de receptor nu een binding aangaan met het nuclear localization signal van een ander eiwit.

Het importeren van eiwitten in de kern kost energie. Deze energie wordt geleverd door middel van GTP-hydrolyse. Bij het importeren van eiwitten in de kern blijft een eiwit gevouwen. Dit is bijzonder, want bij het transport van eiwitten in andere organellen moet het eiwit ontvouwen worden.

Mitochondriën bevatten een binnen- en een buitenmembraan. Eiwitten uit het cytosol die voor een mitochondrium bestemd zijn, bevatten een signaalsequentie aan hun N-terminus. Zij moeten door beide membranen heen getransporteerd worden op een plaats waar deze membranen in contact staan met elkaar. De signaalsequentie wordt door een receptoreiwit op het buitenste membraan van het mitochondrium herkend. Hierna wordt het eiwit ontvouwen en het mitochondrium in getransporteerd. In het mitochondrium wordt de signaalsequentie van het eiwit afgesplitst en neemt het eiwit de specifieke vouwing weer aan. De chaperoneiwitten helpen om een eiwit door de membranen te krijgen, maar helpen het eiwit ook om een goede vouwing aan te nemen. Verder transport binnen het organel wordt gereguleerd via andere signaalsequenties.

Eiwitten die bestemd zijn voor het ER zelf, voor het Golgi-apparaat, de endosomen, lysosomen, peroxisomen, het plasmamembraan en voor uitscheiding buiten de cel komen eerst het ER binnen. Eiwitten kunnen in het ER-lumen (dit is het geval bij oplosbare eiwitten) of ER-membraan (dit is het geval bij membraaneiwitten) terechtkomen. Hierna zullen deze eiwitten door het cytosol worden vervoerd door middel van transportblaasjes.

De eiwitten die naar het ER moeten bevatten een ER-signaalsequentie, die meerdere hydrofobe aminozuren bevat. In het ruwe ER worden eiwitten gesynthetiseerd door ribosomen die aan de cytosolische zijde van het membraan van het ruwe ER vastzitten. Deze ribosomen heten ook wel membrane-bound ribosomen. Er zijn ook vrije ribosomen die los voorkomen in het cytosol. De twee soorten ribosomen zijn qua structuur en functie identiek aan elkaar. Wanneer een ribosoom een eiwit synthetiseert met een ER-signaalsequentie, wordt het ribosoom met het mRNA naar het ruw ER gevoerd. Het ribosoom komt tijdelijk aan het ER vast te zitten. Na de synthese komt deze weer los in het cytosol terecht.

De ribosomen die een ER-signaalsequentie synthetiseren worden door twee eiwitten naar het ER geleid. Het ene eiwit heet het signal-recognition particle (SRP). Dit bevindt zich in het cytosol en bindt zich aan de ER-signaalsequentie wanneer deze door het ribosoom is gemaakt. Het tweede eiwit heet een SRP-receptor. Dit bevindt zich in het membraan van het ER. De binding tussen SRP en de ER-signaalsequentie veroorzaakt een vertraging van de synthese van het eiwit met de signaalsequentie. Nadat SRP een binding is aangegaan met een SRP-receptor, laat het SRP los en gaat de synthese van het eiwit op het normale tempo verder. Zodra het SRP loslaat van het zich vormende eiwit, wordt het eiwit door de SRP-receptor naar een proteïne translocator in het membraan van het ER geleid. Het eiwit wordt het ER-lumen binnengehaald via een kanaal in de proteïne translocator. De signaalsequentie opent het kanaal in de proteïne translocator en blijft aan hieraan gebonden. De rest van de eiwitketen gaat het ER binnen. Na de translocatie wordt de signaalsequentie afgesplitst door een signal peptidase. De signaalsequentie laat los van het kanaaltje en de rest van het eiwit bevindt zich nu in het ER-lumen. Het kanaaltje in de proteïne translocator is nu gesloten en kan pas weer geopend worden door de signaalsequentie van een ander eiwit.

Niet alle eiwitten met een ER-signaalsequentie komen in het ER-lumen terecht. Sommige blijven in het membraan als transmembraaneiwit. Dit eiwit wordt deels op dezelfde manier als een ander eiwit met een ER-signaalsequentie voor het ER-lumen getransporteerd. De signaalsequentie op deze eiwitten opent het kanaal in de proteïne translocator en het eiwit gaat door het membraan naar binnen. De start-transfersequentie zorgt ervoor dat het transport kan beginnen. De verplaatsing wordt bij een transmembraaneiwit gestopt door een stop-transfersequentie die zich verderop in de peptideketen bevindt. Beide sequenties laten los van de proteïne translocator en het kanaaltje ervan gaat weer dicht; de eiwitketen wordt zijwaarts het membraan in geschoven. De start-transfersequentie laat los van de eiwitketen, en de stop-transfersequentie blijft in het membraan.

In sommige transmembraaneiwitten bevindt de start-transfersequentie zich niet aan het begin van de peptideketen, maar meer in het midden. Deze veroorzaakt wederom het opengaan van het kanaaltje van de proteïne translocator. Het eiwit gaat het ER binnen, totdat een stop-transfersequentie het kanaaltje bereikt. Het kanaaltje wordt losgekoppeld van beide sequenties en beide sequenties blijven in het membraan.

Hoe werkt het transport via transportblaasjes (vesiculair)?

Elk compartiment binnen de cel bevat een ruimte, ook wel het lumen genoemd. De extracellulaire ruimte en de ruimtes binnen de compartimenten kunnen met elkaar communiceren door middel van transportblaasjes (vesicles). Het vervoer van eiwitten tussen organellen met behulp van deze transportblaasjes begint bij de synthese van eiwitten in het ER. De eiwitten gaan vervolgens naar het Golgi-systeem en worden daarvan afgescheiden in een blaasje. Dit blaasje kan versmelten met het membraan van een endosoom en vervolgens naar een lysosoom worden vervoerd of versmelten met het plasmamembraan voor exocytose. Daarnaast is er ook een stroom van transportblaasjes vanuit het plasmamembraan (de endocytose), naar endosomen en vervolgens naar lysosomen.

Transportblaasjes die afgescheiden worden van een membraan hebben meestal een eiwitlaag om hun cytosolische membraan. Deze laag wordt ook wel een coat genoemd. Transportblaasjes met een coat heten coated vesicles. Een belangrijk bestanddeel van een bepaalde coat is het eiwit clathrine. Clathrin-coated vesicles splitsen zich af van het Golgi-systeem en worden vervolgens uitgescheiden in de extracellulaire ruimte. Daarnaast komt de clathrinecoat ook voor wanneer een stof in de cel opgenomen wordt door middel van endocytose. Hierbij vormen clathrinemoleculen een blaasje aan de cytosolische kant van het membraan. Wanneer de vorming van het blaasje bijna voltooid is, knijpt het eiwit dynamine het af van de plasmamembraan.

Stoffen die opgenomen moeten worden in de cel bezitten transport signals. Een dergelijke stof heet een cargo. Deze worden herkend door cargoreceptoren die zich aan de buitenzijde van het plasmamembraan bevinden. De stoffen en de receptoren gaan een binding aan. Adaptine bevindt zich in het cytosol van een cel en gaat een binding aan met een cargoreceptor. Clathrine bindt zich aan adaptine, om zo aan het transportblaasje gekoppeld te worden. Hierdoor wordt een transportblaasje gevormd dat cargomoleculen kan vervoeren. Er zijn twee verschillende soorten adaptine: adaptines die een binding aangaan met de cargoreceptoren in het plasmamembraan, en adaptines die een binding aangaan met cargoreceptoren in het Golgi-systeem.

Een andere soort coated vesicles is betrokken bij het transport van moleculen tussen het ER en het Golgi-systeem en tussen de verschillende delen van het Golgi-systeem. Deze worden COP-coated vesicles genoemd (waarbij COP staat voor COat Protein.)

Een transportblaasje wordt met behulp van een motoreiwit verplaatst via het cytoskelet. Wanneer het op de bestemming is aangekomen moet het blaasje het organel herkennen. Het organel moet daarentegen het transportblaasje ook herkennen. Dit herkenningsproces wordt door Rab-eiwitten aan het oppervlak van de vesicle gecoördineerd. De cytosolische zijde van het targetorganel bevat tethering proteins die de Rab-eiwitten van het transportblaasje herkennen. De tethering proteins trekken het blaasje naar het membraan toe. Bij de wederzijdse herkenning spelen bepaalde transmembraaneiwitten een rol. Deze heten SNAREs. De SNAREs die aan het blaasje zitten heten v-SNAREs (vesicle), de SNAREs op het membraan van het organel heten t-SNAREs (target). Deze werken op elkaar in: ze wikkelen zich om elkaar heen en trekken het blaasje en het membraan naar elkaar toe, zodat versmelting kan plaatsvinden.

Wat is de bedoeling van secretiewegen?

De meeste eiwitten die in het ER terecht komen, worden gemodificeerd. Op het moment dat ze het membraan passeren wordt er een lipide gelinkte olisacharide aan de peptideketen gebonden. De eiwitten die een retentiesignaal bevatten blijven maar de meeste verlaten het ER. Het er is heel erg selectief voor kwaliteitsbehoud. Eiwitten die bijvoorbeeld verkeerd gevouwen zijn worden gebonden aan een chaperone eiwit dat voorkomt dat het eiwit het ER kan verlaten. De grootte van het ER past zich aan aan de vraag naar eiwitten. Als er meer ongevouwen eiwitten in het ER zijn, ontstaat er een unfolded protein response. Dit resulteerd in meer Er en meer chaperones.

In het Golgi apparaat zijn twee kanten te onderscheiden, de cis- en de transzijde. Vesikels uit het ER komen aan bij de ciszijde. Deze uiteinden bevatten interconnected tubes waar o.a. eiwit sortering plaatsvindt.

De secretie van eiwitten door exocytose zorgt naast eiwitten ook voor nieuwe vetten voor het membraan. Deze vorm van exocytose is contitutief (niet gereguleerd). Exocytose van grote hoeveelheden door gespecialiseerde cellen wordt beïnvloed door hormonen of neurotransmitters en is dus gereguleerd.

Wat zijn endocytosewegen?

Er zijn hoofdsoorten van endocytose te onderscheiden: fagocytose (celeating) en pinocytose (celdrinking).

Fagocytose zorgt naast het voeden van de cel ook voor het beschermen van de cel tegen infecties. Macrofagen zijn een voorbeeld gespecialiseerde fagocytische cellen. Fagocytose vindt altijd plaats via grote vesikels, ook wel fagosomen.

Pinocytose vindt juist plaats door middel van kleine blaasjes en zorgt voor menging van het cytosol met extracellulaire vloeistof. Door de specificiteit van de eerder besproken receptor mediated endocytosis vindt dit proces efficiënt plaats en neemt de cel minder in volume toe.

De meeste vesikels fuseren na endocytose met een early endosoom zodat de macromoleculen kunnen worden gesorteerd. Dit noem je een late endosoom. Vesikels hierva kunnen of teruggaan naar het membraan waar ze vandaan kwamen (recycling), of versmelten met een lysosoom (degradatie) of ze kunnen met een ander membraan fuseren (trancytose).

De matrix van een lysosoom is zuur doordat het organe actief H⁺ naar binnen pompt. Lysosomen bevatten hydrolytische enzymen die de afbraak van alle intra- en extracellulaire materialen faciliteerd. Via fagosomen en late endosomen komen deze in de lysosomen terecht. Ook geautofagociteerde organellen kunnen door lysosomen worden verteerd.

Een cel kan geen celorganellen uit het niets maken, vóór de celdeling groeien organellen eerst en daarna splitsen ze. Hiervoor zijn veel nieuwe eiwitten nodig. Ook cellen die niet met de deling bezig zijn, maken continu nieuwe eiwitten. Deze moeten op de goede plaats terecht komen. Sommige organellen, zoals mitochondria, krijgen hun eiwitten direct vanuit het cytosol. Voor andere, zoals het Golgiapparaat en lysosomen, zijn er bewerkingen in het ER (endoplasmatisch reticulum) nodig.

Hoe werkt de communicatie op celniveau? - Chapter 16

Individuele cellen in multicellulaire organismen moeten hun omgeving kunnen aanvoelen en daarmee kunnen communiceren. Als een signaal gedurende de weg die het aflegt, wordt omgezet (bijvoorbeeld geluid in radiogolven), wordt dit proces signaaltransductie genoemd. Bij communicatie tussen cellen produceert de ene cel meestal een signaalmolecuul dat wordt gedetecteerd door de andere cel, de targetcel. De meeste cellen kunnen zowel signalen verzenden als ontvangen. Het ontvangen gebeurt via speciale receptoreiwitten.

In multicellulaire organismen is de meest gebruikte manier om te communiceren in het lichaam het uitzenden van een signaal. De signaalmolculen kunnen eiwitten, peptides, aminozuren, nucleotiden, steroiden, vetzuren of zelfs gassen zijn. Dit gebeurt door secretie in de bloedsomloop. De signaalmoleculen heten dan hormonen en de producerende cellen worden endocriene cellen genoemd. Daarnaast is er ook paracriene signalering. Een signaalmolecuul diffundeert dan lokaal door een extracellulaire vloeistof en blijft dan dus in de buurt van de producerende cel. Sommige cellen reageren op de moleculen die ze zelf uitscheiden, dit wordt autocrien genoemd. Een derde vorm van celcommunicatie gaat via neuronen. Zo kunnen signalen over lange afstanden worden doorgegeven. Dit gaat via elektrische signalen, specifiek tussen bepaalde cellen, axonen. De overgang van de ene zenuwcel naar de andere verloopt via een neurotransmitter, een chemisch signaal. Tot slot is er een vorm waarbij cellen direct fysiek contact maken via signaalmoleculen in het plasmamembraan van de ene cel tegen de receptoreiwitten in de andere cel. Dat gebeurt bijvoorbeeld als naburige cellen elkaar stimuleren om te specialiseren.

Een cel kan alleen reageren op een signaal als het daarvoor de juiste receptor heeft. Een receptor is normaal gesproken actief voor maar één signaaltype. Een signaalmolecuul kan het gedrag van een cel op vele manieren veranderen. Vanaf de receptor wordt een signaal de cel ingeleid via intracellulaire signaalmoleculen. Het hangt van deze moleculen af wat een signaal in een cel op gang zet. Een cel kan snel of langzaam reageren op een bepaald signaal. Dat hangt ervan af wat er moet gebeuren wanneer het signaal ontvangen wordt.

Bij extracellulaire signaalmoleculen kan er onderscheid gemaakt worden tussen twee klassen. De eerste en grootste klasse bestaat uit moleculen die te groot of te hydrofiel zijn om door het plasmamembraan van de targetcel heen te gaan. Zij moeten hun boodschap dus via receptoren doorgeven. De tweede klasse bestaat uit moleculen die wel klein of hydrofoob genoeg zijn, deze gaan door het plasmamembraan heen en activeren daar intracellulaire enzymen of binden aan intracellulaire receptoreiwitten. Een belangrijk type signaalmoleculen dat afhankelijk is van intracellulaire receptoren is de steroïde hormonen.

Er zijn ook bepaalde opgeloste gassen die direct het plasmamembraan kunnen passeren. Zo kunnen ze heel snel binnen in de cel de activiteit van specifieke eiwitten reguleren.

Hoe werken signaalsystemen?

Onder signaaltransductie wordt het proces verstaan waarbij een signaal overgebracht wordt. Hierbij kan de aard van het signaal veranderen. Een signaalcel produceert signaalmoleculen die door de doelcel gedetecteerd worden. Doelcellen bezitten receptoren die de signaalmoleculen herkennen en er op een signaalspecifieke manier op reageren.

Signaaltransductie begint wanneer een receptor een extracellulair signaal ontvangt en deze omzet naar een signaal binnen de cel.

Er zijn vier manieren waarop communicatie tussen cellen gerealiseerd wordt.

• Endocrien: hierbij wordt de communicatie geregeld door signaalmoleculen die door het hele lichaam gaan. Deze signaalmoleculen worden in de bloedbaan uitgescheiden en heten hormonen. De cellen die hormonen produceren worden heel toepasselijk endocriene cellen genoemd.

• Paracrien: hierbij verspreiden signaalmoleculen zich in de extracellulaire omgeving, waarbij ze zich niet ver verwijderen van de signaalcel. Deze stoffen heten local mediators. Soms reageren signaalcellen op hun eigen local mediators. Dit verschijnsel heet autocriene signalering.

• Neuronaal: hierbij brengen zenuwcellen (neuronen) signalen over. Deze neuronen kunnen zeer lang zijn. De overdracht van het signaal vindt echter plaats over een kleine afstand. Het uiteinde van een uitloper van een neuron produceert een extracellulair signaalmolecuul, een zogenaamde neurotransmitter. Dit signaalmolecuul bindt zich aan een receptor van de doelcel en activeert deze daarmee.

• Contactafhankelijk: hierbij is de afstand van de overdracht het kleinst. Er worden geen moleculen via secretie uitgescheiden, maar de cellen maken direct contact met elkaar. De signaalmoleculen bevinden zich in het plasmamembraan van de signaalcel en de receptoren bevinden zich in het plasmamembraan van de doelcel.

Er komen vele verschillende signaalmoleculen voor en elke cel moet hier selectief op reageren. Negeren van bepaalde signaalstoffen en reageren op andere leidt tot de gespecialiseerde functies van cellen. Een cel is alleen gevoelig voor signalen waarvoor hij een receptor heeft, en kan zo dus op bepaalde signalen wel, en op bepaalde signalen niet reageren.

Een signaal dat de cel binnenkomt via signaaltransductie, wordt via de receptor overgebracht op intracellulaire signaalmoleculen. Deze intracellulaire signaalmoleculen zetten effectoren aan tot activiteit. De effectoren beïnvloeden het gedrag van de cel. De intracellulaire communicatie en effectoren zijn bij verschillend gespecialiseerde cellen anders. Hierdoor kunnen verschillende type cellen op een andere manier reageren op hetzelfde extracellulaire signaal.

De reactie van een cel op een extracellulair signaal kan snel of langzaam zijn. De reactie is snel als er in de cel eiwitten geactiveerd moeten worden die zich reeds in een niet-actieve vorm in de cel bevinden. Deze moeten slechts geactiveerd worden. De reactie is langzaam als er eiwitten geactiveerd moeten worden die zich niet in de cel bevinden. Deze moeten eerst gesynthetiseerd worden. Hier gaat genexpressie aan vooraf, wat extra tijd kost.

Er zijn twee soorten extracellulaire signaalmoleculen.

1. De ene soort bestaat uit moleculen die te groot of te hydrofiel zijn om door het plasmamembraan van de doelcel te kunnen diffunderen. Deze moleculen geven hun signaal af aan de cel via receptoren in het plasmamembraan.
2. De andere soort bestaat uit moleculen die klein of hydrofiel genoeg zijn om door het plasmamembraan te kunnen diffunderen. Binnen de cel activeren deze moleculen enzymen of binden zich aan intracellulaire receptoren die de genexpressie reguleren.

Een belangrijke groep signaalmoleculen die door het plasmamembraan kunnen diffunderen zijn de steroïden, die tot de hormonen behoren. Een andere belangrijke groep van deze signaalmoleculen zijn de thyroïden (ook hormonen). Steroïden en thyroïden diffunderen door het celmembraan en binden aan intracellulaire receptoren. Deze bevinden zich zowel in het cytosol als in de kern. Zowel de receptoren in het cytosol als de receptoren in de kern worden nucleaire receptoren genoemd, omdat ze de transcriptie kunnen reguleren. De receptoren veranderen van vorm nadat ze een binding zijn aangegaan met het signaalmolecuul. Hierdoor wordt het eiwit geactiveerd en zorgt het ervoor dat bepaalde genen wel of niet tot uiting komen. Elk hormoon bindt aan een ander type receptor en reguleert daarom specifieke genen.

Sommige opgeloste gassen kunnen door het plasmamembraan heen diffunderen en zo direct invloed uitoefenen op de activiteit van intracellulaire eiwitten. Een voorbeeld hiervan is het gas stikstofmonoxide (NO). Dit wordt door de endotheelcellen in de bloedvaten geproduceerd en komt vrij na prikkeling van de endotheelcellen door zenuwuiteinden. In de doelcellen gaat NO een binding aan met het enzym guanylyl cyclase en activeert dit. Dit enzym stimuleert de omzetting van GTP in cyclisch GMP. Cyclisch GMP is een intracellulair signaalmolecuul dat een schakel vormt in de keten van reacties binnen de cel.

Het grootste gedeelte van de signaalmoleculen kan echter niet door het membraan heen diffunderen. Deze moleculen binden aan membraanreceptoren van de targetcel. De receptoren geven na binding het signaal in de cel af door middel van intracellulaire signalen. De uiteindelijke reactie van een cel op een extracellulair signaal heet de respons.

Intracellulaire signaalmoleculen kunnen een of meer van de volgende vier functies hebben:

• Het doorgeven van een signaal binnen de cel.
• Het versterken van een signaal, zodat een klein aantal extracellulaire signalen kan leiden tot een groot intracellulair respons. Dit heet amplificatie.
• Het ontvangen van signalen van meerdere signaalmoleculen en deze integreren.
• Het signaal doorsturen naar verschillende signaalmoleculen of effectoren, waardoor het signaal meerdere effecten heeft.

Veel van de intracellulaire signaalmoleculen hebben de functie van een moleculaire schakelaar. Het ontvangen van een signaalmolecuul laat het wisselen van een inactieve naar actieve vorm. Als deze eiwitten door een signaal geactiveerd zijn, kunnen ze andere eiwitten activeren. Vervolgens blijven ze actief totdat een andere proces de eiwitten weer inactief maakt. De meeste eiwitten worden in- of uitgeschakeld door middel van fosforylering. Aan het eiwit kan een fosfaatgroep gebonden worden door het eiwit kinase. Door het eiwit fosfatase wordt deze fosfaatgroep weer losgekoppeld.

GTP-gebonden eiwitten

Een andere belangrijke groep moleculaire schakelaars zijn de GTP-gebonden eiwitten. Deze wisselen tussen een geactiveerde en niet-geactiveerde staat onder invloed van een binding met ofwel GTP, ofwel GDP. Een actieve staat wordt veroorzaakt door een binding met GTP, een inactieve staat door een binding met GDP. Wanneer deze eiwitten geactiveerd zijn kunnen ze zelf de binding met GTP verbreken door zichzelf te hydrolyseren. Deze eiwitten bezitten dus GTPase-activiteit.

Er zijn twee soorten GTP-bindende eiwitten die meedoen aan intracellulaire signaalpathways. De eerste soort omvat de zogenaamde G-eiwitten, waar verderop meer over te lezen is. De tweede soort omvat de monomerische GTPases. De verwisseling van GDP voor GTP door deze eiwitten wordt geholpen door de zogenaamde guanine nucleotide exchange factors (GEFs), en de GTPase-activating proteins (GAPs) zorgen ervoor dat de hydrolysering van GTP kan plaatsvinden.

Receptoren binden extracellulaire signalen en geven het signaal door in de cel door middel van intracellulaire signaalmoleculen. Er zijn drie soorten receptoren die zich op het celmembraan bevinden:

1. De ionkanaalgekoppelde receptoren;
2. De G-eiwitgekoppelde receptoren;
3. De enzymgekoppelde receptoren.

Wat doen ionkanaalgekoppelde receptoren?

De ionkanaalgekoppelde receptoren laten een stroom van ionen de cel in of uitgaan via het plasmamembraan, waardoor de membraanpotentiaal verandert en er een elektrische stroom ontstaat. Ionkanaalgekoppelde eiwitten zijn verantwoordelijk voor de snelle overdracht van signalen bij synapsen in het zenuwstelsel. Door middel van signaaltransductie veranderen ze een chemisch signaal (via een neurotransmitter) dat de buitenkant van een doelcel bereikt heeft, in een elektrisch signaal. Dit elektrische signaal houdt een verandering in de spanning over het plasmamembraan van de doelcel in. Wanneer de neurotransmitter een binding aangaat met de receptor, verandert de receptor van vorm, waardoor een ionkanaal in het plasmamembraan zich vaker in de geopende, of juist gesloten conformatie bevindt. Dankzij de elektrische lading gaan ionen de cel in of uit waardoor de membraanpotentiaal verandert. Deze verandering kan een impuls veroorzaken of kan het voor andere neurotransmitters moeilijker of makkelijker maken om een impuls te veroorzaken.

Wat doen extracellulaire messengers?

De extracellulaire messengers zijn in te delen in 2 hoofdgroepen:

• de grotere en hydrofiele die niet door het celmembraan heen kunnen diffunderen, dit is de grootste groep;
• de kleine hydrofobe (oftewel lipofiele) die wel door het celmembraan heen kunnen diffunderen.

Van de laatste groep is nitric oxide (NO) de belangrijkste. Dit is met name een paracriene agens. Doordat het namelijk een halfwaarde tijd heeft van 5-10 sec moet het snel reageren. Endotheelcellen in de bloedvatwand laten NO vrij als respons op stimulering door zenuwuiteinden. NO diffundeert naar naburige spiercellen (bijvoorbeeld spiercellen in de bloedvatwand), waar het zorgt voor de relaxatie van de spier. De werking van NO in nitrocglycerine wordt al meer dan 100 jaar gebruikt als medicijn om de hartvaten te laten verwijden bij een hartinfarct. Zenuwcellen gebruiken NO ook om naburige cellen te waarschuwen, bijvoorbeeld bij de erectie van de penis. In een cel bindt NO aan het enzym guanylyl cyclase, wat de formatie van cyclisch GMP van de nucleotide GTP stimuleert. Cyclisch GMP is ook weer een signaal voor een ander molecuul als volgende stap in de signaaltransductie. Viagra grijpt in op de moleculen die de afbraak van cyclisch GMP regelen, vermindert hiermee deze afbraak en verlengt zo de werking van NO. Cyclisch GMP lijkt in zijn structuur en functie veel op cyclisch AMP, wat een grote rol speelt als intracellulair messenger molecule.

Naast NO kunnen ook de steroïde hormonen (cortisol, estradiol, testosteron, thyroxine en andere thyreoide hormonen) door het membraan diffunderen om vervolgens aan de nucleus of intracellulaire receptoren te binden. Hierna gaat het eiwit een vormverandering aan die de activatie of remming van de transcriptie van bepaalde genen regelt. De hormonen binden aan slechts één receptor, en deze receptoren slechts aan bepaalde genen. Steroïde hormonen vervullen een belangrijke functie die te zien is wanneer testosteron niet goed functioneert. Mensen die als man zijn geboren, met een XY chromosoom, maar geen testosteron receptor hebben, zullen zich uiteindelijk als vrouw ontwikkelen doordat testosteron zijn werk niet kan doen.

Tegenover deze hormonen en NO staan de moleculen die met een receptor op het plasmamembraan in reactie gaan. Deze receptoren zijn onder te verdelen in:

• ion-channel coupled receptors
• G-protein-linked receptorsWat doen
• enzyme-linked receptors

De respons van een ion-channel coupled receptor bestaat uit een stroom van ionen de cel in, die zo de elektrische lading van een cel veranderen. Die van een G-protein-linked receptor bestaat uit de vorming van een membraan-gebonden eiwit dat ergens anders op het plasmamembraan weer meerdere reacties teweeg brengt. Enzyme-linked receptors reageren of zelf als enzym, of synthetiseren een enzym waarbij talloze responsen kunnen ontstaan.

Wat doen G-eiwitgekoppelde receptoren?

G-eiwitgekoppelde receptoren binden een groot aantal verschillende signaalmoleculen en hebben vele verschillende functies. Ondank deze verscheidenheid heeft iedere GPCR ongeveer eenzelfde structuur. De receptor bestaat uit een polypeptideketen die zeven keer door de dubbele lipidelaag van het plasmamembraan heen gaat. Wanneer een extracellulair signaalmolecuul aan de receptor bindt, verandert deze van vorm, waardoor deze een G-eiwit dat aan de receptor gekoppeld zit, activeert. Een G-eiwit is gelegen aan de onderkant van het membraan en bestaat uit drie eenheden: een α-, ß-, en een γ-eenheid. In de inactieve staat is aan de α-eenheid een GDP-molecuul gebonden. Wanneer de receptor een G-eiwit activeert, verandert de affiniteit van de α-eenheid voor GDP. GDP wordt losgekoppeld en deze wordt door een GTP-molecuul vervangen. Vervolgens splitst het G-eiwit zich vaak en ontstaat er een α-subeenheid en een ßγ-complex. Deze zijn dan beide geactiveerd en kunnen interactie aangaan met doeleiwitten.

De tijd waarin de eenheden geactiveerd zijn hangt af van de α-subeenheid. Deze kan zichzelf uitschakelen volgens intrinsic GTP-hydrolizing, waardoor de α-eenheid zijn GTP hydrolyseert tot GDP en zo inactief wordt, en de eenheden weer gekoppeld worden. Vervolgens kan het G-eiwit weer geactiveerd worden door een volgend extracellulair signaal. De eiwitten waar het G-eiwit invloed op heeft, zijn ofwel enzymen, ofwel ionkanalen.

De twee enzymen waar G-eiwitten meestal invloed op uitoefenen, zijn adenylyl cyclase en fosfolipase C. Deze enzymen zijn beide verantwoordelijk voor de productie van kleine intracellulaire signaalmoleculen. Adenylyl cyclase is verantwoordelijk voor de productie van cyclisch AMP (cAMP), en fosfolipase C is verantwoordelijk voor de productie van inositol trifosfaat en diacylglycerol. Deze kleine intracellulaire signaalmoleculen worden ook wel second messengers genoemd. First messengers zijn de extracellulaire signaalmoleculen die door receptoren in het plasmamembraan worden herkend.

Adenyl cyclase

De α-eenheid van een geactiveerd G-eiwit activeert in veel gevallen het enzym adenylyl cyclase. Omdat het G-eiwit adenylyl cyclase stimuleert, wordt dit eiwit G_s genoemd. Geactiveerd adenyl cyclase stimuleert de productie van cyclisch AMP. Hierbij wordt ATP dat zich in de cel bevindt omgezet in cyclisch AMP. Cyclisch AMP activeert op zijn beurt weer een kinase (PKA, cyclic AMP dependent protein kinase). Geactiveerd PKA katalyseert de fosforylering van bepaalde intracellulaire eiwitten, waardoor deze eiwitten geactiveerd worden. In de cel is tevens een enzym aanwezig dat cyclisch AMP omzet in normaal AMP. Dit enzym heet cyclisch AMP fosfodiesterase. cAMP wordt enorm snel door dit enzym afgebroken, waardoor de concentratie cAMP afhankelijk van extracellulaire signalen snel kan stijgen of dalen.

Fosfolipase C

Sommige G-eiwitten activeren het membraangebonden eiwit fosfolipase C. Geactiveerd fosfolipase C splitst een lipidemolecuul dat onderdeel is van het plasmamembraan af. Dit molecuul is een inositol fosfolipide, een fosfolipide met een inositolsuikergroep aan de kop gebonden. Door de acties van fosfolipase C kan zo inositol 1,4,5-trifosfaat (IP₃) en diacylglycerol (DAG) ontstaan.

IP₃ verspreidt zich in het cytosol en DAG blijft in het plasmamembraan. IP₃ verplaatst zich naar het ER en gaat daar een binding aan met Ca²⁺-kanalen. Deze worden geopend en Ca²⁺ verlaat via deze kanalen het ER en gaat het cytosol in. Hierdoor stijgt de concentratie vrije calciumionen in het cytosol sterk. Deze stijging is een signaal voor andere eiwitten.

DAG activeert een enzym dat zich van het cytosol naar het plasmamembraan verplaatst, het enzym protein kinase C (PKC). Dit eiwit heeft een binding met Ca²⁺ nodig om actief te worden. In actieve staat kan dit eiwit een aantal intracellulaire eiwitten fosforyleren.

Ca²⁺

De Ca²⁺-concentratie in de cel is bijzonder laag in vergelijking met de Ca²⁺-concentratie in de extracellulaire vloeistof en de vloeistof in het ER. Dit verschil wordt in stand gehouden door pompen die Ca²⁺ actief het cytosol uitpompen. Hierdoor ontstaat er een elektrochemische gradiënt voor Ca²⁺ over het plasmamembraan en ER-membraan. Wanneer een signaal de Ca²⁺-kanalen opent, stroomt Ca²⁺ het cytosol in. Dit veroorzaakt responsen bij bepaalde Ca²⁺-bindende eiwitten in het cytosol.

Een van deze eiwitten is calmoduline. Wanneer Ca²⁺ zich bindt aan calmoduline verandert calmoduline van vorm, waardoor het in staat is om met doeleiwitten in de cel een interactie aan te gaan. Hierdoor wordt de activiteit van deze eiwitten beïnvloed. Een belangrijke groep doeleiwitten zijn de Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinases (CaM-kinases). Deze kinases worden geactiveerd door een binding met calmoduline waaraan Ca²⁺ gebonden is en oefenen invloed uit op andere processen in de cel door bepaalde eiwitten te fosforyleren.

Reactie op fel licht

Een van de snelste reacties in het lichaam die met behulp van GPCRs plaatsvindt, is de reactie van het oog op fel licht. De details van deze reactie zijn bestudeerd bij de fotoreceptorcellen in het oog die verantwoordelijk zijn voor het zien van zwart-witte beelden bij schemerige belichting. Het licht wordt in deze cellen waargenomen door rhodopsine, een G-eiwitgekoppelde lichtreceptor.

Geactiveerd rhodopsine activeert het G-eiwit transducine. De geactiveerde α-eenheid van transducine activeert een aantal intracellulaire reacties die tot gevolg hebben dat een ionkanaal in het plasmamembraan sluit. Hierdoor verandert de spanning over het celmembraan en worden er neurotransmitters afgegeven. Dit heeft tot gevolg dat er impulsen verzonden worden naar de hersenen.

Bij deze intracellulaire reacties vindt amplificatie plaats. Deze vindt alleen plaats bij schemerlicht. Wanneer het oog blootgesteld wordt aan fel licht, past het signaalsysteem zich aan en wordt de amplificatie sterk verminderd. Dit heet adaptatie. Hierbij is sprake van negatieve feedback: een intense reactie in de fotoreceptor (door fel licht) veroorzaakt een intracellulair signaal (een verandering in Ca²⁺-concentratie) waardoor de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de amplificatie van het signaal geremd worden.

Wat doen enzymgekoppelde receptoren?

Enzymgekoppelde receptoren zijn transmembraaneiwitten. In plaats van contact te maken met een G-eiwit gedragen deze receptoren zich als enzym of vormen een complex met een enzym. Ze spelen een grote rol in de regulatie van groeisignalen, differentiatie, ontwikkeling en overleving van de cel. De grootste groep enzymgekoppelde receptoren bestaat uit de RTK’s (receptor tyrosine kinase). Dit zijn receptoren die een cytoplasmatisch deel bevatten dat functioneert als een tyrosine kinase, en dus tyrosines fosforyleert

In het geval van RTK’s bestaat de receptor vaak uit twee delen. Het signaalmolecuul heeft vaak de vorm van een dimeer. Wanneer de twee delen van de receptor zich koppelen aan het signaalmolecuul en zo een dimeer vormen, worden de kinasedomeinen geactiveerd, waardoor de twee delen elkaar fosforyleren. Meestal fosforyleren zij tyrosines. De gefosforyleerde tyrosines dienen als bindingsplaats voor intracellulaire signaaleiwitten. Ook deze signaaleiwitten worden gefosforyleerd en geactiveerd of functioneren als adapter. Adapters koppelen de receptor aan andere signaalmoleculen. De RTK’s activeren met name fosfolipase C en Ras.

Ras

Ras is een GTP-bindend eiwit dat met een lipidestaart aan het plasmamembraan vastzit. Ras behoort tot de monomerische GTPases, in tegenstelling tot de eerder genoemde G-eiwitten. Ras lijkt op de α-eenheid van een G-eiwit en functioneert als een moleculaire schakelaar. Het is actief bij binding met GTP en inactief bij binding met GDP. Wanneer signaalmoleculen contact maken met Ras bindt het met GTP waardoor het geactiveerd wordt. Ras schakelt zichzelf uit door GTP te hydrolyseren naar GDP.

Ras promoot in actieve staat een fosforyleringcascade. Dit houdt in dat serine/ threonine protein kinases elkaar steeds activeren. Dit systeem bevat onder andere de zogenaamde MAP-kinale signaalmodule.Hierbij wordt het uiteindelijke MAP-kinase gefosforyleerd en geactiveerd door MAP-kinase kinase. Het MAP-kinase kinase wordt op zijn beurt weer gefosforyleerd en geactiveerd door MAP-kinase kinase kinase. MAP-kinase zelf fosforyleert verschillende effectoren, waaronder enkele transcriptie regulators. Hierdoor kan celdeling gestimuleerd worden, maar ook de overleving van de cel of de celdifferentiatie kan geregeld worden.

PI 3-kinase

Een van de belangrijkste RTK-processen is die waarbij het enzym phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase) betrokken is. PI 3-kinase fosforyleert inositol phospholipiden in het plasmamembraan. Gefosforyleerde inositol phospholipiden functioneren als bindingsplaats voor intracellulaire signaaleiwitten. Deze signaaleiwitten kunnen elkaar dan activeren. Een voorbeeld van een intracellulair signaaleiwit dat hier kan binden is Akt. Akt zorgt voor de groei en overleving van vele celtypen door signaaleiwitten te fosforyleren en zo inactief te maken. Akt fosforyleert bijvoorbeeld het eiwit Bad en maakt dit inactief. In actieve vorm activeert Bad apoptose. Akt voorkomt dus apoptose van cellen. Ook zorgt het PI-3-kinase-Akt signaalpathway voor celgroei door het serine/threoninekinase Tor indirect te activeren. Tor stimuleert celgroei door de eiwitsynthese te stimuleren en door de eiwitafbraak af te remmen.

Niet alle enzym-gekoppelde receptoren werken via een complex van signaalcascades. Sommige gebruiken een meer directe weg om genexpressie te reguleren. Een van deze receptoren is het receptoreiwit Notch. Notch reguleert onder andere de ontwikkeling van zenuwcellen in het fruitvliegje. De receptor zelf functioneert hier als transcriptieregulator. Notch wordt geactiveerd door het signaalmolecuul Delta dat aan een naburige cel gebonden is. De staart van Notch scheurt door binding van Delta af en transporteert naar de kern, waar het genen activeert.

Wat houdt apoptose in?

Geprogrammeerde celdood

De cellen van een meercellig organisme zijn onderdeel van een zeer georganiseerde structuur. Het aantal cellen in dit organisme wordt strak gereguleerd, niet alleen door de delingssnelheid in de gaten te houden, maar ook door celdood te reguleren. Wanneer cellen niet langer nodig zijn, plegen ze zelfmoord door een intracellulair dood programma te starten. Dit proces heet dan ook geprogrammeerde celdood, hoewel het vaker apoptose wordt genoemd. De hoeveelheid geprogrammeerde celdood die plaatsvindt in volwassen weefsel, en in weefsel in ontwikkeling is verbluffend.

Tijdens de ontwikkeling van het centrale zenuwstelsel bijvoorbeeld, worden meer dan de helft van de zenuwcellen die worden geproduceerd, doodgemaakt vlak nadat ze gevormd zijn.

In een gezond volwassen lichaam worden miljarden cellen in het beenmerg elk uur vermoord. Het lijkt zonde om zoveel cellen dood te laten gaan, met name omdat de meerderheid perfect gezond is als ze hun eigen dood regelen. Welke doelen dient deze massadood dan? In sommige gevallen is het duidelijk. Muizenpoten, en onze eigen handen en voeten, worden gevormd door apoptose tijdens de embryonale ontwikkeling. Ze beginnen als een soort peddelstructuur en de vingers ontstaan alleen als de tussengelegen cellen doodgaan. In andere gevallen sterven cellen wanneer de structuur die ze vormen niet langer nodig is. Wanneer een kikkervisje in een kikker verandert, sterven de cellen in de staart die niet nodig is voor de kikker. In andere gevallen helpt celdood het aantal cellen te reguleren. In al deze gevallen wordt celdood mogelijk gemaakt door apoptose. In volwassen weefsel is de balans tussen celdood en celgroei exact. Als dit niet zo zou zijn, zou het weefsel groeien of krimpen. Wanneer een gedeelte van de lever van een volwassen rat verwijderd wordt bijvoorbeeld, neemt de productie van levercellen toe om het verschil weer goed te maken.

Tegengesteld, wanneer de rat wordt behandeld met de drug phenobarbital, wat leverceldeling stimuleert, groeit het weefsel. Wanneer de phenobarbital behandeling wordt gestopt, neemt de apoptose in de lever toe totdat het orgaan zijn oorspronkelijke grootte weer heeft. Dit gebeurt binnen een week. Op deze manier wordt de lever op een constante grootte gehouden door de regulatie van dood en geboorte.

Cellen die sterven als gevolg van een acuut trauma zwellen en barsten en vloeien hun inhoud over hun omgeving uit: dit proces wordt cel necrose genoemd. Deze uitbarsting triggert potentiële schade brengende ontstekingsreacties. In tegenstelling hiermee sterft een cel die in apoptose gaat netjes, zonder zijn buren te beschadigen. Een cel in het begin van apoptose krimpt. Het cytoskelet valt uiteen, de nucleaire envelop verdwijnt en het DNA breekt op in kleine deeltjes. Het belangrijkste is echter dat het celoppervlak verandert op zo’n manier dat het ogenblikkelijk fagocyten aantrekt, met name macrofagen. Deze cellen fagocyteren de cel in apoptose voor hij de kans krijgt zijn inhoud te laten barsten. Deze snelle verwijdering van doodgaande cellen voorkomt de schade toebrengende gevolgen van cel necrose, en staat ook toe de organische componenten van de apoptotische cel te recyclen door de cel die hem verteert.

Proteases en capsases

Het systeem dat verantwoordelijk is voor dit soort gecontroleerde celdood lijkt hetzelfde te zijn in alle dierlijke cellen. Apoptose wordt uitgevoerd door een familie proteases, enzymen die andere eiwitten stukknippen, die caspases heetten. De caspases worden gemaakt als inactieve voorlopers die procaspases heten, die zelf geactiveerd worden door proteolytic cleavage als respons op signalen die apoptose inleiden. De geactiveerde caspases delen, en activeren hierbij, andere leden van de familie, wat resulteert in een steeds groter wordende cascade van proteases. Ze delen ook andere eiwitten in de cel.

Eén van de caspases deelt de lamina eiwitten, die de nucleaire lamina vormen die onder de nucleaire envelop liggen. Dit zorgt de irreversibele afbraak van de nucleaire lamina. Op deze manier ontmantelt de cel zichzelf snel en schoon, en het lichaam wordt snel meegenomen en opgegeten door een andere cel. De activatie van de procaspase cascade is irreversibel wanneer hij eenmaal is begonnen, hierdoor moet dit wel goed worden gecontroleerd.

Bax en Bak

Elke cel heeft zijn eigen dood in zich liggen, inactief procaspase ligt te wachten in de cel tot het een activatie signaal krijgt. De eiwitten die deze activatie regelen zijn de Bcl-2-family eiwitten, waarbij de 2 belangrijkste Bax en Bak zijn. Deze eiwitten activeren procaspasen indirect, door de synthese van cytochrome c te regelen. Cytochrome c bindt aan bindingseiwitten, die dan een specifiek procaspase activeren. Deze geactiveerde procaspases initiëren de caspase cascades die leiden tot apoptose. Bax en bak eiwitten zijn zelf geactiveerd door andere death-promoting leden van de Bcl-2-family. Andere leden van de Bcl-2-family, inclusief Bcl-2 zelf, handelen om procaspase activiteit te onderdrukken en zo apoptose te onderdrukken. Eén manier om dat te doen is door het vermogen van Bax en Bak om vrij cytcohrome c te laten te onderdrukken. Sommige van de Bcl-2-family promoten apoptose door de activiteit van Bcl-2 en andere doodsonderdrukkende eiwitten te onderdrukken. Het intracellulaire dood programma is ook gereguleerd door signalen van andere cellen, die het death-program kunnen activeren of onderdrukken.

Wat is de structuur van collageen?

Weefsels

Traditioneel gezien zijn er vier grote weefseltypen in dierlijke cellen. Connective, epithelial, nervous en muscular weefsel, maar het grootste verschil zit tussen connective tissue en de rest. In connective tissue is de extracellulaire matrix vol en dit draagt de mechanische bagage, terwijl in ander weefsel de extracellulaire matrix leeg is. Hier liggen cellen dicht tegen elkaar aan en dragen de mechanische bagage zelf. Dierlijk connective tissue is ontzettend divers. Het kan hard en flexibel zijn, zoals de dermis op de huid, hard en bepakt, zoals bot, veerkrachtig en schok absorberend zoals kraakbeen of zacht en doorzichtig, zoals het glasvocht dat de binnenkant van het oog vult. In al deze voorbeelden is de extracellulaire matrix helemaal vol en de cellen die de matrix produceren zijn erin verspreid als rozijnen in een pudding. In al deze weefsels wordt de tensile strength, de kracht om druk en trekkrachten te weerstaan, niet door een polysaccharide als in een plant, maar door een vezelachtige eiwitstructuur, collageen geheten, geleverd. De verschillende type connective tissue danken hun specifieke karakter aan het type collageen wat ze bevatten, aan de hoeveelheid hiervan en, het belangrijkste, aan de andere moleculen die hiermee zijn verweven. Collageen wordt gevonden in alle meercellige organismen en er zijn veel verschillende soorten. Collageen is het hoofdbestanddeel van botten, pezen en huid.

Collageen beslaat 25% van de totale hoeveelheid eiwitten. Het karakteristieke uiterlijk van collageen is zijn lange, stijve driedubbele helix waarin drie collageen polypeptide kettingen zijn gewonden om een andere in een touwachtige superhelix. Deze moleculen zijn verder onder te verdelen in collageen vezels, wat dunne lange kabels zijn die samen kunnen pakken in grotere collageen vezels. Andere collageen moleculen versieren de oppervlakte van collageen vezels en verbinden deze vezels met elkaar en met andere componenten in de extracellulaire matrix. De connective-tissue cellen die de matrix vormen en bewonen bestaan uit verschillende cellen. In huid, pezen en veel andere connective tissues heten ze fibroblasten, in bot heten ze osteoblasten. Ze maken en de collageen en de andere organische componenten van de matrix aan. Bijna al deze moleculen worden intracellulair gesynthetiseerd en dan uitgescheiden op de standaard manier van exocytose. Buiten de cel gaan ze samen tot grote aggregaten.

Wanneer deze samenhang te vroeg gebeurt, worden het enorme aggregaten die de cel die de materialen aanmaakt, zou verstikken. In het geval van collageen ontwijken de cellen dit risico door collageen te secreteren in een voorloper vorm, procollagen geheten. Dit heeft peptide aan beide kanten die voorkomen dat collageen met andere vezels samen kan gaan. Een extracellulair enzym wat collagenase heet, knipt deze terminale domeinen af om samengaan toe te staan nadat de moleculen in de extracellulaire ruimte zijn gekropen. Sommige mensen hebben een genetisch defect in de collagenase, zodat hun collageen vezels niet goed samen kunnen pakken. Hierdoor hebben hun huid en andere vezels een verminderde tensile strength en is heel erg rekbaar. Cellen in weefsels moeten in staat zijn het matrix af te breken, net als het te maken. Dit is essentieel voor weefselgroei, reparatie en vernieuwing. Het is ook belangrijk waar cellen die migreren heen moeten, zoals macrofagen, dat ze door het collageen netwerk heen kunnen. Matrix proteases knippen extracellulaire eiwitten die een rol spelen in veel ziekte processen, van artritis tot de afbraak van kraakbeen in aangetaste gewrichten, tot kanker, waar ze de kanker helpen normale weefsels binnen te dringen.

Fibroblasten

Om hun functie te kunnen uitoefenen, moeten collageenvezels goed gestructureerd zijn. In de huid bijvoorbeeld zijn ze verweven in een patroon met verschillende lagen, met verschillende oriëntatie om tensile strength vanuit meerdere kanten te weerstaan. In pezen, welke spieren aan bot verbinden, zijn ze gelegen in parallelle bundels langs de grootste as waarlangs druk komt.

De connective-tissue cellen sturen deze oriëntatie gedeeltelijk door het collageen in een bepaalde richting de cel uit te laten, en gedeeltelijk door het collageen in een andere vorm te organiseren. Tijdens de ontwikkeling van het weefsel werken fibroblasten aan het collageen dat ze hebben uitgescheiden, erover kruipend en eraan trekkend, om het in lagen te krijgen en het tot kabels te laten vormen. Deze mechanische functie van fibroblasten is gedemonstreerd in een celstructuur. Wanneer fibroblasten samengaan met willekeurig georiënteerd collageen, trekken de fibroblasten aan het weefsel, draaien in collageen vanuit hun omgeving en maken het compacter. Wanneer 2 kleine stukjes embryonaal weefsel wat fibroblasten bevat geplaatst zijn in de uiterste hoek van een collageen substantie, wordt het collageen in een band van lijnen georganiseerd, wat de twee uiterste embryonale gedeeltes verbindt. De fibroblasten migreren uit het embryonale weefsel. Hiertoe beïnvloeden de fibroblasten de belijning van collageen vezels, en de collageen vezels bepalen de verdeling van de fibroblasten. Op deze manier beïnvloeden fibroblasten eenzelfde rol in de organisatie van de extracellulaire matrix van een groot gebied, in het creëren van pezen, en de sterke, bepakte lagen connective tissue wat de meeste organen omwindt.

Wanneer cellen zich op de matrix trekken en erover kruipen, moeten ze in staat zijn om zich hiermee te bevestigen. Cellen bevestigen zich niet goed aan kaal collageen. Een ander extracellulair matrix eiwit, fibronectin, is een verbindingsstuk. Een gedeelte van het molecuul bindt aan collageen en het andere gedeelte aan de cel die erover heen wil. De cel bindt aan specifieke delen in het fibronectine, door een receptor eiwit wat integrin heeft en aan het plasmamembraan vastzit. Wanneer het extracellulaire gedeelte aan fibronectine bindt, bindt het intracellulaire gedeelte aan actine filamenten. Dus, in plaats van uit het membraan te scheuren wanneer er druk is tussen de cel en de matrix, verdeelt het integrin molecuul de stress van matrix naar het cytoskelet. Spiercellen koppelen het contractiele apparaat in een soortelijke manier aan de extracellulaire matrix bij de scheiding tussen spier en pees, en stelt ze zo in staat om grote kracht te leveren, terwijl hij omlijst is door een dunne lipide dubbellaag. Integrine speelt ook een belangrijke rol in cel signalering, verbinding met de extracellulaire matrix activeert intracellulaire signalerings cascades door kinase eiwitten die samengaan met het intracellulaire einde van het integrin molecuul. Op deze manier reguleert het mechanisme dat zorgt voor verbindingen buiten de cel, ook of de cel groeit, deelt, overleeft, differentieert of deelt.

Extracellulaire matrix

Terwijl collageen zorgt dat tensile strength weerstaan kan worden, zorgt een compleet andere groep macromoleculen in de extracellulaire matrix voor de tegengestelde functie. Hieronder valt het weerstaan van samendrukking en het dienen als ruimte opvullers. Dit zijn de proteoglycans, extracelullaire eiwitten gekoppeld aan een speciale klasse van ingewikkelde negatief polaire polysacharides, de glycosaminoglycans (GAGs). Proteoglycans zijn extreem divers van formaat, vorm en chemische lading. Veel GAG’s zijn verbonden aan één eiwit, wat op zijn beurt is gebonden aan één kant aan een andere GAG, om zo een enorm macromolecuul te creëren met een moleculair gewicht van miljoenen. In compact connective weefsel, zoals weefsel en botten, is de proportie van GAGs klein en de matrix bestaat bijna geheel uit collageen. Aan het andere uiterste, het glasvocht in het binnenste van het oog bestaat bijna geheel uit één GAG type samen met water, met een kleine hoeveelheid collageen. In het algemeen zijn GAG’s zeer hydrofiel en neigen ernaar moeilijke conformaties aan te gaan die een groot volume in verhouding tot hun massa aannemen. Ze vormen gels zelfs in kleine concentraties, hun hoeveelheid negatieve krachten trekt een wolk van stoffen aan, zoals Na+ dat osmotisch actief is en zeer grote hoeveelheden water aantrekt om in de matrix gezogen te worden. Dit zorgt voor een zwellende kracht die gebalanceerd wordt door de druk die collageen uitoefent op weefsels die tussen de proteoglycans gewoven zitten. Wanneer de matrix rijk is aan collageen en grote hoeveelheden GAGs gevangen zitten in het netwerk, zijn zowel de zwellende druk en de tegenovergestelde druk enorm. Zo’n matrix is sterk, veerkrachtig en weerbaar tegen samendrukking.

De matrix van kraakbeen wat het kniegewricht omlijnt bijvoorbeeld, heeft dit karakter. Het kan honderden kilogrammen per cm² weerstaan. Proteoglycans voeren veel geavanceerde functies uit naast het voorzien van gehydrateerde ruimte om cellen. Ze kunnen gels van verschillende grootte maken en de dichtheid die zich als een filter gedraagt om de passering van moleculen door een extracelullair medium te regelen. Ze kunnen groeifactoren binden en genoeg eiwitten die dienen als signaal voor cellen. Ze kunnen cel migratie blokkeren, aanmoedigen of leiden door een matrix heen. Op al deze manieren beïnvloedt de matrix component het gedrag van cellen, vaak dezelfde cellen die de matrix maken, een reciproke interactie die belangrijke effecten heeft op differentiatie. Er blijft nog veel over om te leren hoe cellen het tapijt weven van de matrix moleculen en hoe de chemische berichten die ze achterlaten in hun fabriek georganiseerd zijn en handelen.

Welke celtypen zijn er?

Er zijn meer dan 200 verschillende celtypes in het lichaam van een wervelkolom. Het grootste gedeelte van deze zijn georganiseerd in epitheel, ze zijn samengevoegd, zij aan zij, om multicellulaire sheets te vormen. In sommige gevallen is deze sheet meerdere cellagen dik, of stratified., zoals in de epidermis van de huid. In andere gevallen is deze laag slechts één cellaag dik, of simpel, zoals in de darm. De cellen kunnen lang zijn en een kolom bevatten, of een kubus zijn, of plat. Ze kunnen allemaal op elkaar lijken, of een mix van types zijn. Ze kunnen simpelweg handelen als beschermlaag, of kunnen complexe biochemische functies hebben. Ze kunnen gespecialiseerde producten zoals hormonen of melk of tranen maken. Ze kunnen ook voedingsstoffen absorberen zoals in de darmen. Ze kunnen signalen verwerken, zoals de fotoreceptoren in het oog, of de trilhaarcellen in het oor. Via deze en veel andere variaties, kan één standaard stamcel uiteindelijk uitgroeien tot zeer verschillende cellen met bijzondere functies.

De epitheel verdeling is zo gewoon, dat het vaak als normaal wordt beschouwd. Toch is het een verzameling van speciale functies en zijn deze gewoon tot een grote diversiteit van verschillende celtypen. Epitheel bedekt de externe oppervlakte van het lichaam en begrenst alle externe ruimtes, en ze moeten een vroege functie in de evolutie van multicellulaire organismen zijn geweest. Hun belang is duidelijk. Cellen samengevoegd in een epitheliale sheet creëren een grens die dezelfde significantie heeft als het multicellulaire organisme dat een plasmamembraan heeft voor één cel. Het houdt moleculen binnen en andere buiten. Het neemt voedingsstoffen op en exporteert afval. Het bevat receptoren voor signalen voor de omgeving en het beschermt de binnenkant van het organisme van het binnendringen van micro-organismes en het verlies van vloeistof.

Een laag epitheel heeft 2 gezichten: de apical surface is vrij en staat bloot aan lucht of een waterige vloeistof, terwijl de basal surface op ander weefsel rust, vaak connective tissue, waaraan het is verbonden. Ondersteunend aan de basale laag van het epitheel ligt een dunne harde laag extracellulaire matrix, die de basal lamina heet. Deze bestaat uit een speciaal collageen type (IV) en andere moleculen. Ze bevatten een eiwit wat laminine wordt genoemd en dit zorgt voor kanten die geschikt zijn voor adhesie van integrine in het plasmamembraan van epitheelcellen. Ze dienen als een verbinding die hetzelfde is als die van fibronectin in connective tissue. De apicale en basale kanten van een epitheel zijn chemisch verschillend, want ze laten een gepolariseerde interne structuur van de individuele epitheel cellen zien. Elke heeft een boven en een onderkant, welke andere eigenschappen heeft. Deze gepolariseerde structuur is cruciaal voor de epitheel functie.

Absorptive cells en goblet cells

Er zijn twee typen cellen, absorptive cells (opname voedingsstoffen) en globlet cells (slijmproductie) die beide gepolariseerd zijn. De absorptive cells importeren voedsel moleculen door hun basale oppervlakte in het onderliggende weefsel. Om dit te doen hebben ze verschillende membraan transport eiwitten nodig in hun apicale en basale membranen.

De goblet cells (slijmbekercellen) moeten ook gepolariseerd zijn, maar op een andere manier. Het Golgi apparaat, vesikels en het cytoskelet zijn allemaal asymmetrisch georganiseerd om dit te vervullen. Hoewel er veel vragen overblijven hoe deze organisatie wordt verkregen, is het duidelijk dat het afhangt van de scheidingen die epitheel cellen vormen met anderen en waarmee de basale lamina, welke op hun beurt de intracellulaire locatie van eiwitten controleren, de gepolariseerde structuur van het cytoplasma regelen.

Individuele cellen in multicellulaire organismen moeten hun omgeving kunnen aanvoelen en daarmee kunnen communiceren. Als een signaal gedurende de weg die het aflegt, wordt omgezet (bijvoorbeeld geluid in radiogolven), wordt dit proces signaaltransductie genoemd. Bij communicatie tussen cellen produceert de ene cel meestal een signaalmolecuul dat wordt gedetecteerd door de andere cel, de targetcel. De meeste cellen kunnen zowel signalen verzenden als ontvangen. Het ontvangen gebeurt via speciale receptoreiwitten.

Hoe is het cytoskelet opgebouwd? - Chapter 17

Wat is het doel van spiercontractie?

De mogelijkheid van eukaryote cellen om zich aan te passen aan de omgeving, interacties aan te gaan enzovoorts hangt af van het cytoskelet: een ingewikkeld netwerk van eiwit filamenten in het cytoplasma. Ondanks dat bacteriën soms wel een cytoskelet hebben, komt het voornamelijk voor in de grotere en meer complexe eukaryote cellen. Het cytoskelet verandert continue mee met de acties van een cel (celdeling, vormveranderingen, reactie op de omgeving) en is niet alleen het bot, maar ook de spier van de cel. Zonder een cytoskelet zullen wonden niet helen en zullen spieren niet contraheren. Het cytoskelet organiseert de locaties van de organellen en is betrokken bij de segregatie van chromosomen tijdens celdeling. Het cytoskelet is opgebouwd uit drie typen eiwitten: microtubules, intermediaire filamenten en actine filamenten.

Een lange spiervezel is opgebouwd uit grote cellen, opgebouwd uit kleinere cellen. Het cytoplasma bestaat uit myofibrillen, de contractiele elementen van een spier. Een myofibril bestaat weer uit kleinere units, de sarcomeren. Eén sarcomeer bestaat uit dikke myosinefilamenten en dunne actinefilamenten. De actinefilamenten zijn bevestigd aan de Z-disc en zij overlappen de myosinefilamenten. Een contractie ontstaat wanneer de filamenten langs elkaar schuiven door dat een myosine kopje gaat lopen langs een actinefilament, waarbij elke keer een molecuul ATP wordt gehydrolyseerd. Door deze beweging worden bij een spiercontractie de sarcomeren korter, zonder dat de filamenten zelf van lengte veranderen. Elk myosinefilament heeft 300 myosine kopjes, waardoor een myosine kopje wel tot 5 keer per seconde aan actine kan binden. De filamenten kunnen hierdoor zeer snel langs elkaar schuiven waardoor een spier in minder dan een tiende van een seconde volledig kan contraheren.

Wat zijn intermediaire filamenten?

Deze filamenten hebben een grote elasticiteit en zijn er om mechanische stress op een cel te weerstaan. Deze filamenten zijn het sterkst en blijven het langst bestaan van alle filamenten in het cytoskelet. Intermediaire filamenten vormen een groot netwerk in het cytoplasma om de celkern heen. De filamenten zitten vaak vast aan desmosomen op het celmembraan. De filamenten zijn ook te vinden in de celkern, waar ze zorgen voor versterking van de envelop.

Intermediaire filamenten zien er uit als touwen: lange, om elkaar heen gewonden, lijnen welke zorgen voor elasticiteit. De filamenten zijn aanwezig in verschillende cellen waar stress kan optreden, zoals zenuwcellen (axonen), spiercellen en epitheelcellen. Ze zorgen ervoor dat cellen en hun membranen niet kapot gaan als reactie op mechanische stress. De filamenten kunnen worden onderverdeeld in 4 groepen:

• Keratine filamenten (in epitheelcellen)
• Vimentin en vimentin-related filamenten (in bindweefsel, spiercellen en gliacellen)
• Neurofilamenten (in zenuwcellen)
• Nucleaire lamines

De eerste drie typen komen allemaal voor in het cytoplasma, de nucleaire lamines komen voor in de celkern waar ze zorgen voor stevigheid van de kernmembraan. Alle filamenten worden gevormd door polymerisatie van de bijbehorende eiwit subunits. Keratine filamenten zijn heel divers en komen in verschillende vormen voor in verschillende epitheelcellen. De filamenten strekken zich helemaal uit over de cel en zijn aan beide kant gebonden aan desmosomen. Dit zorgt ervoor dat mechanische stress over de cel wordt verdeeld en goed opgevangen kan worden. De functie van keratine filamenten wordt duidelijk bij de ziekte epidermolysis bullosa simplex De meeste intermediaire filamenten worden verder gestabiliseerd door binding van andere eiwitten, zoals plectine. Daarnaast bindt plectine de intermediaire filamenten ook aan de microtubules, actine filamenten en adhesiemoleculen in de desmosomen. Muizen die het gen voor plectine missen, overlijden binnen enkele dagen vanwege de slechte reactie van cellen op mechanische stress.

De intermediaire filamenten die aanwezig zijn in de celkern zijn de lamines. Deze lamines gaan weer uit elkaar bij elke celdeling, waarbij ook de nucleaire envelop wordt afgebroken. Het afbreken en opbreken van de lamines wordt gereguleerd door fosforylatie en defosforylatie van de lamines door proteïne kinases. Fosforylatie zorgt voor het uit elkaar vallen van de tetrameren en defosforylatie voor het opnieuw opbouwen van de lamines. Fouten in de nucleaire lamines worden geassocieerd met de aandoening progeria.

Intermediaire filamenten hebben als belangrijkste functie de versteviging van de cel en het doorstaan van mechanische stress bij het strekken van de cel. Ze vormen een netwerk van rondom de nucleus tot het plasmamembraan en ze zijn de sterkste en stevigste filamenten van het hele cytoskelet. Ze zitten in bijna alle dierlijke cellen en zitten ook in de nucleus, waar ze de nuclear lamina vormen. Een intermediate filament bestaat uit een N-terminal head en een C-terminal tail met daartussen een α-helix vorm, die met 2 filamenten een coiled-coil dimeer aangaat. Twee van deze dimeren vormen een tetrameer en meerdere tetrameren zorgen uiteindelijk voor de stevige touwen (fig. 17-4). Al deze touwen zijn met elkaar verbonden via noncovalente verbindingen.

De α-helix bindingen van individuele filamenten zijn precies even lang en met dezelfde nucleotide volgorde, zodat ze dezelfde diameter en interne structuur hebben. De kop en staart daarentegen zijn per filament wel anders en gaan andere bindingen aan in het cytoplasma. Intermediate filamenten zijn aanwezig in cellen die onder grote mechanische stress staan, zoals lange zenuwcellen en spiercellen. Intermediate filamenten zijn in vier groepen in te delen.

De keratine filamenten zijn in epitheel cellen te vinden, de vimentin en en vinemtin-related filaments in connective-tissue cells, spiercellen en ondersteunende cellen van het neuronale systeem, de neurofilamenten in zenuwcellen en de nuclear lamins in de kern. Alle filamenten worden gevormd door de polymerisatie van hun overeenkomstige eiwit subunits. De meest diverse van deze filamenten zijn de keratines. Ze verspreiden zich door de cel van de ene kant van de cel naar de andere. Ze komen in vrijwel elk epitheel voor en zijn in elk epitheel weer anders. Ze zitten ook in haar, veren en klauwen. Ze komen samen op bepaalde punten op het plasmamembraan, waar ze in de naburige cellen weer verdergaan. Deze punten worden desmosomen genoemd.

Hun belang wordt duidelijk als we naar de zeldzame erfelijke ziekte epidermolysis bullosa simplex kijken, waarin mutaties in de keratine genen tot uiting komen in de formatie van keratine filamenten in de epidermis. Het gevolg hiervan is dat de huid zeer kwetsbaar is voor mechanisch letsel, en lichte druk al cellen doet scheuren, waarbij blaren op de huid ontstaan. Een belangrijk eiwit waar de intermediaire filamenten mee samenwerken, is plectine, wat de filamenten bindt aan de microtubuli, actine en desmosomen. Zonder plectine ontstaat een levensbedreigende ziekte waarbij onder andere epidermolysis, spierdystrofie en neurodegeneratie is te zien. In de kern vormen de filamenten de nucleaire lamina, die een hele andere vorm heeft dan die in een cel. Het zijn minder goed georganiseerde tetrameren, na celdeling vormt het netwerk zich weer helemaal opnieuw.

De afbraak en wederopbouw van de nucleaire lamina gebeurd door de fosforylering en defosforylering van de lamina door protein kinases. Wanneer de lamina gefosforyleerd zijn, is er een vormverandering die de binding verzwakt en uit elkaar doet vallen. Defosforylering aan het einde van de mitose zorgt dat de lamina zich weer vormen.

Wat is de rol van microtubules in eukaryote cellen?

Microtubules hebben een organiserende rol in eukaryote cellen. De microtubules vormen een soort netwerk in de cel, waarlangs vesikels en organellen zich bewegen. Op het moment van mitose gaan de microtubules uit elkaar en vormen dan een mitotische spoel, welke uiteindelijk zorgt voor het uit elkaar gaan van de chromosomen. Naast onstabiele structuren, kunnen microtubules ook stabiele structuren zoals ciliën vormen. De kern van de ciliën bevat dan een dikke bundel van microtubules.

Microtubules worden opgebouwd uit subunits van tubuline dimeren (een alfa en een bèta helix). De tubuline dimeren zitten aan elkaar met non-covalente verbindingen en vormen uiteindelijk een holle buis; de microtubules. De microtubules in hun geheel krijgen een polariteit door aan het ene uiteinde een negatieve alfa helix te hebben en aan het andere uiteinde een positieve bèta helix. De polariteit van de microtubules is heel belangrijk, omdat er anders nooit een richting zou kunnen worden gegeven aan het transport binnen de cel.

Microtubules worden gevormd vanuit een centraal punt in de cel; het centrosoom. Deze bevindt zich vaak vlak naast de celkern en is opgebouwd uit gamma tubulines. De alfa tubulines binden aan deze gamma kant, waardoor de positieve uiteinden van de microtubules de cel in gaan. De aanwezigheid van een centrosoom is belangrijk, omdat de vorming van een nieuwe microtubule anders vermoeilijkt wordt. Op het moment dat er een nieuwe microtubule is ontstaan, kan deze groeien door het toevoegen van nieuwe tubuline dimeren. Echter, uit het niets kunnen er aan de positieve kant ook weer dimeren afvallen, of kan de microtubule in zijn geheel verdwijnen. Dit wordt ook wel dynamische instabiliteit genoemd; veroorzaakt door hydrolyse van een GTP molecuul naar GDP dat gebonden is aan de microtubule. Wanneer het binden van nieuwe tubuline dimeren sneller gaat dan het hydrolyseren van GTP, blijft de microtubule groeien. De relatieve instabiliteit van de microtubules zorgt ervoor dat ze snel kunnen veranderen, wat noodzakelijk is voor de functie ervan.

Het uit elkaar vallen van een microtubule kan worden voorkomen door binding van het positieve eind aan een ander molecuul of een andere celstructuur. Binding hiervan zorgt dus voor een stabiele microtubule. Er bestaat medicatie welke invloed heeft op polymerisatie en depolymerisatie van tubuline. Middelen die binden aan dan wel microtubules, dan wel tubuline, zorgen voor een stop van de celdeling. De mitotische spoel is afhankelijk van de opbouw en afbraak van microtubules en wanneer dit dus niet plaats kan vinden zal er geen celdeling plaatsvinden. Deze medicatie is dus nuttig in het geval van kankercellen, omdat cellen die halverwege de celdeling stagneren uiteindelijk dood gaan.

De instabiliteit is cruciaal voor de werking van de microtubuli: dit wordt aan de hand van het middel colcichine goed duidelijk. Colcichine bindt aan de vrije tubuline, waardoor deze geen polymeren meer kunnen vormen. Dit heeft als gevolg dat bij mitose de chromosomen niet meer verdeeld kunnen worden. Hierdoor wordt zichtbaar dat de mitotic spindle wordt gevormd door een continue toevoeging van tubuline, als dit niet plaats kan vinden vervalt de spindle volledig. Taxol heeft het tegenovergestelde effect: het zorgt dat microtubuli kunnen vormen, maar niet uiteen kunnen vallen en ook dit resulteert dat cellen blijven steken in mitose. Doordat de mitose niet doorgevoerd kan worden, sterft de cel. Hierdoor zijn deze antimitotische middelen goed tegen kanker. Vanuit het centrosoom worden constant microtubuli gemaakt en weer afgebroken. Het is echter ook nodig microtubuli stabiel te houden, om hun transportfuncties te vervullen. Dit gebeurt wanneer het uiteinde van de microtubuli met iets anders, bijvoorbeeld het plasmamembraan, verbonden is.

Cellen zijn in staat om de dynamic instability van hun microtubuli voor sommige doeleinden te veranderen. Wanneer cellen in mitose gaan, worden microtubuli dynamischer en switchen vaker tussen groeien en krimpen dan cytoplamatsche microtubuli normaal gesproken doen. Wanneer een cel gedifferentieerd is, verkrijgen de microtubuli meer stabiliteit doordat krimpen onderdrukt wordt door eiwitten die binden aan de uiteinden.

De meeste dierlijke cellen zijn gedifferentieerd en polarized, wat zeggen wil dat één kant van de cel structureel of functioneel anders is dan de andere kant. Zenuwcellen zijn hier een goed voorbeeld van. Microtubuli passen zich hieraan aan door zich in één richting te binden, waarlangs moleculen zich kunnen bewegen.

Moleculen bewegen langs deze microtubuli met een snelheid van bijvoorbeeld 10cm per dag: ze doen er dan alsnog meer dan een week over om bij de axon terminal van een zenuwcel te komen, maar als het door diffusie zou zijn, zou dit jaren in beslag kunnen nemen. Microtubuli werken samen met eiwitten die ze verbinden met andere delen van het cytoskelet, of ze aan het plasmamembraan binden. Ook zorgen motor proteins, dat membraan gebonden organellen zich langs microtubuli kunnen bewegen. Ze leveren energie hiervoor via ATP moleculen.

De motorproteins binden zich aan een microtubulus via een ATP head en een tail waar zich cargo aan kan binden, zoals vesikels of organellen. Deze motor proteins hebben een bepaalde richting: de kinesins bewegen zich in de plus kan van de microtubuli en de dyneinen richting de min kant van de microtubuli.

Microtubuli spelen ook een belangrijke rol bij de positionering en de handhaving van deze plek bij organellen. Het ER zit bijvoorbeeld aan de buitenrand en het Golgi systeem aan de binnenkant van de cel. Wanneer een cel wordt blootgesteld aan de drug colcichine (waarbij de microtubuli krimpen), bijvoorbeeld, zal het ER langzaam naar het midden van de cel teruggaan en het Golgi systeem zal uiteen vallen in vesikels. Door de microtubuli zitten de organellen op de plek waar ze het best functioneren. Ze komen daar via receptoren die aan motor proteins binden, voor het ER de kinesins en voor het Golgi systeem de dyneins.

De cilia die al eerder genoemd zijn, zijn een soort haren van de cellen, omsloten door plasmamembraan, die vloeistoffen die over de cel komen een beweging geven. In het ademhalingsstelsel zitten deze cilia er om slijm naar boven te krijgen, om zo uitgehoest te worden. Ze bestaan uit meerdere stabiele microtubuli, die uit een basal body groeien. Het basal body is de organisatiecentrum voor de cilia. Flagella zijn staarten van cellen die een propellor-achtige beweging maken en zo de cel voortbewegen. Ze lijken veel op de cilia, maar ze zijn vaak langer. Sperma cellen bevatten een flagellum, die regelmatig beweegt en zo een golfslag creëert die het de cel mogelijk maakt door een vloeistof te bewegen. De microtubuli in cilia verschillen iets in die van het cytoplasma. Ze bestaan uit 9 microtubuli in een rondje, met in het midden nog 2 microtubuli. Deze 11 bindingen zijn sterk met elkaar verbonden door eiwitten. Het belangrijkste eiwit, wat voor de beweging en de buiging zorgt, is het motor protein ciliary dinein. Dit lijkt op cytoplasmatisch dyneine, alleen zit het met het head vast aan de microtubuli en met de staart aan een microtubuli ernaast. Zo zorgt een beweging richting een kant voor een buiging van de microtubuli.

Wat zijn actine filamenten?

Actine filamenten komen voor in alle eukaryoten en zijn belangrijk voor de bewegingen van een cel. Actine filamenten zijn over het algemeen onstabiel, maar door interactie met andere eiwitten kan het een stabiel geheel vormen (zoals bij de motoreenheid in spieren). Actine filamenten gaan een interactie aan met een grote hoeveelheid actine bindingseiwitten, dit voor het uitoefenen van verschillende celfuncties.

Een actine filament is opgebouwd uit een gedraaide keten van actine moleculen, welke – net als microtubules – een polariteit hebben. De filamenten komen in grote getale voor in een cel en vaak in groepen, waardoor er een soort netwerk van actine filamenten wordt gevormd. De filamenten kunnen groeien door toevoeging van een actine molecuul aan het einde, met name aan de positieve kant van het molecuul. Actine monomeren hebben een gebonden APT molecuul, wat gehydrolyseerd wordt na binding aan het filament. Net als bij microtubules maakt dit het filament zwakker en valt het makkelijker uit elkaar. De functie van de actine filamenten kan worden aangetoond door het toevoegen van bepaalde toxines, welke of de polarisatie of de depolarisatie tegengaan. Na het toevoegen van de toxines stoppen de celbewegingen meteen.

Thymosine en profiline binden aan actine monomeren in het cytosol, welke ervoor zorgen dat een monomeer niet kan binden aan een filament. Op deze manier houden deze proteïnes de actine monomeren als “reserve” voor het moment waarop ze echt nodig zijn. Er zijn veel verschillende actine-bindende filamenten, de meesten binden aan actine filamenten en niet aan de monomeren. De proteïnes kunnen ook binden met motorproteïnes, waardoor er een contractiele bundel wordt gevormd (spiercellen).

Actine filamenten bestaan, net als microtubuli, uit stabiele en onstabiele filamenten. Zonder actine zou een cel niet kunnen delen, niet kunnen bewegen en een spiercel zou niet kunnen samentrekken. Actine kan bijvoorbeeld stevige constructies geven aan de microvilii, de borstelzone van het verteringsstelsel. Actine kan een cel doen samentrekken als een soort spier en ze kunnen tijdelijke structuren vormen die de cel laten kruipen. Ook vormen ze de contractile ring bij celdeling, die de 2 cellen uiteindelijk van elkaar scheidt.

Actine filamenten komen nauwelijks geïsoleerd voor in een cel: ze gaan samen om zo sterkere filamenten te vormen. Actine maakt gebruik van ATP in plaats van GTP in microtubuli. Verder werkt het wel hetzelfde. ATP hydrolyseert tot ADP na binding aan het molecuul en vermindert door zwakkere binding de stabiliteit van het filament, waardoor het snel kan krimpen. Net zoals bij microtubuli is het belangrijk dat actine snel op kan bouwen en weer af kan breken. Ook deze binding kan door stoffen worden voorkomen, bijvoorbeeld door een gif wat door een schimmel gemaakt wordt, cytochalasine, wat de polymerisatie van actine voorkomt. Andere stoffen zorgen ervoor dat er geen depolymerisatie kan plaatsvinden, zoals de jasplakinolides, en zorgen al bij een kleine concentratie dat er geen beweging meer te zien is in cellen.

Er zijn veel eiwitten die de eigenschappen van actine beïnvloeden, zoals thymosine en profiline, die aan actine monomeren binden, om te voorkomen dat ze polymeren gaan vormen en houden zo een reserve voorraad actine achter. Actin-bundling proteins binden aan actine filamenten om ze tot parallelle bundels te houden in microvilli.

Actine komt voornamelijk voor in een laag net onder het plasmamembraan; de cel cortex. Hier vormt het samen met bindingseiwitten een netwerk, wat de oppervlakte van de cel ondersteunt en mechanische sterkte geeft. Het herschikken van de actine filamenten in de cortex is de basis voor de vorm en de bewegingen van een cel. De meeste cellen bewegen zich voort door het kruipen over oppervlaktes, veroorzaakt door veranderingen in veel verschillende moleculen. Echter, er zijn drie processen welke essentieel lijken te zijn voor het voortbewegen van de cel:

1. Cel stoot een soort uitsteeksel uit.
2. Dit uitsteeksel bindt aan het oppervlak, waarover de cel zich gaat bewegen.
3. De rest van de cel wordt voortgetrokken door de punten waarop de cel vastzit aan het oppervlak.

De eerste stap, het vooruitduwen van het celoppervlak, wordt gereguleerd door actine polymerisatie. Hier worden lamellipodia uitgescheiden, een compact netwerk van actine filamenten, zo gelegen dat de plus kant richting het plasmamembraan wijst. Veel cellen scheiden ook filopodia uit, zowel in de leading edge als op andere plaatsen in de cel, ook met hun plus kant naar buiten georiënteerd. Deze bestaan uit een bundel van 10-20 actine filamenten. Het zenuwuiteinde van een axon bevat langere filopodia. Het zijn exploratieve, bewegende structuren die heel snel gesynthetiseerd en weer afgebroken worden, die bij het plasmamembraan liggen en dit vooruit duwen, zonder het stuk te trekken. De formatie en groei van actine filamenten aan de leading edge van een cel wordt ondersteund door verscheidene actine bindende eiwitten, die helpen om actine polymeren een het plasmamembraan te binden. Eén categorie van eiwitten, de actin-related proteins ARP’s, zorgen voor de vorming van vertakte actine filamenten. Deze eiwitten vormen een complex dat aan bestaande actine filamenten bindt, waar ze de groei van een nieuw filament regelen, wat in een hoek ten opzichte van het bestaande filament groeit. Dit web groeit aan de voorkant, maar krimpt aan de achterkant en duwt zo de cel vooruit.

Op het moment dat een lamellipodia op de gewenste plek aankomt, binden integrines moleculen in het plasmamembraan) aan moleculen aan het extracellulaire oppervlak. Deze integrines binden intracellulair actines, om de cel door middel van intercellulaire contractie voort te laten bewegen. Dit gebeurt door de interactie van actine met myosine eiwitten. Er zijn verschillende soorten myosine in cellen; myosine I komt voor in alle cellen, terwijl myosine II voornamelijk voorkomt in spiercellen.

Alle actine bindende motor proteins horen tot de myosine familie. Ze binden en hydrolyseren ATP, wat voor de bewegingsenergie van actine filamenten van de min naar de plus kant zorgt. Er zijn verschillende types van myosine in de cel, waarvan myosin-I en myosin-II het meeste voorkomen. Myosin-I wordt in elk celtype gevonden, en is makkelijker in zijn structuur en functie.

Myosin-I moleculen hebben een hoofd en een staart. Het hoofd bindt aan actine filamenten en heeft ATP hydrolyse bewegingsactiviteit die hem in staat stelt langs het filament te bewegen door te binden, los te laten en weer opnieuw te binden. De staart van myosin-I verschilt van type tot type en het bepaalt welke celcomponenten mee worden getrokken met de motor. De staart bindt bijvoorbeeld aan een bepaald membraan omsloten vesikel en trekt het door de cel langs actine sporen, of het bindt het plasmamembraan en beweegt het naar de actine filamenten toe, en duwt zo het membraan in een andere vorm.

We hebben nu verschillende functies van actine besproken. Deze verschillende functies kunnen door extracellulaire reacties tot stand worden gebracht. Voor het actine cytoskelet worden zulke structuur veranderingen getriggerd door de activatie van een verscheidenheid aan receptor eiwitten, gelegen in het plasmamembraan. Al deze signalen convergeren in de cel tot een groep van zeer op elkaar lijkende GTP-bindende eiwitten, die de Rho protein family wordt genoemd.

De eiwitten van dit type gedragen zich als moleculaire processen door een cyclus van actief, GTP-gebonden staat en een inactieve, GDP-gebonden staat. In het geval van het cytoskelet zorgt de activatie van verschillende leden van de Rho familie voor de organisatie van actine filamenten op verschillende manieren. Bijvoorbeeld: de activatie van het GTP gebonden eiwit Cdc42 triggert actine polymerisatie en bundeling om filopodia te vormen, terwijl de activatie van Rac GTP-gebonden eiwitten de formatie van sheetlike lamellipodia stimuleert. Deze complexe structurele veranderingen vinden plaats omdat elk van deze moleculaire switches samenwerken met verscheidene doeleiwitten, zoals de kinase eiwitten en de bindingseiwitten die de actine organisatie en hun bewegingen controleren. Activatie van Cdc42 bijvoorbeeld regelt de actine binding aan het ARP complex. Rac heeft deze functie ook, maar promoot ook de hydrolyse aan de plus kanten van de actine filamenten. Dit zorgt ervoor dat er meerdere mogelijkheden zijn om actine aan het plasmamembraan te binden, wat de vorming van grote lammellipodia stimuleert.

Ondanks dat myosine een centrale rol speelt in de cel, wordt dit molecuul aangestuurd door extracellulaire signalen. Dit zorgt ervoor dat de cel dus verandert, in reactie op de omgeving. Intracellulaire veranderingen wordt getriggerd door receptor eiwitten, welke leiden tot een configuratie van een groep GTP bindende eiwitten: Rho proteïne familie. Elk eiwit uit deze familie heeft weer een ander effect op actine in de cel. Het Rho netwerk verwerkt alle signalen zowel van buiten als van binnen de cel en produceert daarna signalen die ervoor zorgen dat de vorm van het actine skelet verandert.

Wat zijn kernbegrippen omtrent het cytoskelet?

• Het cytoplasma van een eukaryote cel wordt ondersteunt door een cytoskelet, bestaande uit; intermediaire filamenten, actine filamenten en microtubules.

• Intermediaire filamenten zijn stabiel en zorgen voor mechanische sterkte. Sommigen bevinden zich in de kern, anderen door het plasma heen.

• Microtubules zijn holle buizen en opgebouwd uit tubulines. Ze hebben een polariteit, het positieve uiteinde groeit het snelst.

• Microtubules groeien uit vanaf het centrosoom, waar ze vastzitten met hun negatieve uiteinde.

• Microtubules zijn dynamisch; ze worden steeds opgebouwd en weer afgebroken. Dit wordt veroorzaakt door hydrolyse van GTP.

• Microtubules kunnen worden gestabiliseerd door binding van een microtubule-bindend-eiwit.

• Eukaryote ciliën en flagellen bevatten stabiele microtubules.

• Actine filamenten zijn opgebouwd uit actine monomeren en komen voornamelijk voor in netwerken.

• Het opbouwen en afbreken van actine filamenten wordt gereguleerd door de hydrolyse van ATP.

• De vorm van de actine netwerken wordt bepaald door actine-bindende-eiwitten, welke zorgen voor de polymerisatie en depolymerisatie.

• Een netwerk van actine filamenten onder het plasmamembraan vormt de cel cortex en is verantwoordelijk voor de vorm en de bewegingen van de cel.

• Myosine moleculen zijn motor proteïnes welke ATP hydrolyse gebruiken voor de energie om langs actine moleculen te bewegen.

De mogelijkheid van eukaryote cellen om zich aan te passen aan de omgeving, interacties aan te gaan enzovoorts hangt af van het cytoskelet: een ingewikkeld netwerk van eiwit filamenten in het cytoplasma. Ondanks dat bacteriën soms wel een cytoskelet hebben, komt het voornamelijk voor in de grotere en meer complexe eukaryote cellen. Het cytoskelet verandert continue mee met de acties van een cel (celdeling, vormveranderingen, reactie op de omgeving) en is niet alleen het bot, maar ook de spier van de cel. Zonder een cytoskelet zullen wonden niet helen en zullen spieren niet contraheren. Het cytoskelet organiseert de locaties van de organellen en is betrokken bij de segregatie van chromosomen tijdens celdeling. Het cytoskelet is opgebouwd uit drie typen eiwitten: microtubules, intermediaire filamenten en actine filamenten.

Hoe verloopt de celcyclus? - Chapter 18

Wat is de basisfunctie van de celcyclus?

De basisfunctie van de cel cyclus is het nauwkeurig kopiëren van het DNA in de chromosomen en om het DNA te splitsen voor in de twee identieke dochtercellen. De meeste cellen verdubbelen ook de macromoleculen en de organellen. De cel wordt voordat het deelt twee keer zo groot, zodat de dochtercellen hetzelfde formaat zijn.

De twee meest ingrijpende gebeurtenissen in een cel zijn wanneer de kern zich deelt (de mitose) en wanneer de cel zich splitst in twee cellen (de cytokinese). De cytokinese en de mitose samen heten de M-fase van de cel cyclus. De andere fase heet de interfase. De interfase is weer onderverdeeld in de G1-fase, de S-fase en de G2-fase. Het begint bij de G1-fase, dan groeit de cel. Tijdens de S-fase wordt het DNA gerepliceerd en tijdens de G2-fase groeit de cel nog groter. De cel houdt altijd het interne en externe milieu in de gaten, zo zorgt het voor de optimale omstandigheden tijdens de verschillende fases. Als deze omstandigheden niet optimaal zijn, kan de cel besluiten of het doorgaat naar de volgende fase of dat het pauzeert om meer tijd te hebben om te repareren. Om er zeker van te zijn dat de cellen al hun DNA en organellen repliceren, bezitten de eukaryoten een complex netwerk van regulerende eiwitten; het cel cyclus controle systeem.

Wat zijn de vier fasen van de celcyclus?

De celcyclus is de cyclus waarin de cel zich verdubbelt en deelt. Deze celcyclus is opgedeeld in vier verschillende fasen, die hieronder besproken worden. De belangrijkste veranderingen vinden plaats tijdens de M-fase. Deze veranderingen betreffen:

1. Mitose, waarbij de celkern zich in tweeën splitst;
2. Cytokinese, waarbij een cel zich deelt en de inhoud eerlijk verdeeld wordt over de twee nieuwe cellen.

De periode tussen één M-fase en de volgende M-fase wordt de interfase genoemd. Deze bestaat uit drie fasen:

• De s-fase, waarin de cel het DNA in de kern kopieert;
• De G₁-fase, de periode tussen het einde van de M-fase en het begin van de S-fase.
• De G₂-fase, de periode tussen het einde van de S-fase en het begin van de M-fase.

Tijdens de G₁- en G₂-fasen wordt het interne en externe milieu van de cel goed in de gaten gehouden, om te controleren of de cel klaar is om te delen. Op bepaalde punten in de G₁ en G₂ kan de cel ervoor kiezen om door te gaan met de volgende fase of om zichzelf meer tijd te geven om zich hierop voor te bereiden. De cel houdt zich tijdens de interfase bezig met de transcriptie van genen, de synthese van eiwitten en aanmaak van bouwstoffen om de cel te laten groeien. De G₁- en G₂-fasen bieden cellen de tijd die ze nodig hebben om te groeien en alle organellen te dupliceren. Iedere nieuwe cel moet namelijk voldoende organellen en massa hebben om goed te kunnen functioneren. Als de interfase niet lang genoeg zou zijn om extra bouwstoffen aan te maken, zou de cel bij iedere deling krimpen.

De chromosomen in de celkern condenseren zich zodra ze zich klaarmaken om de M-fase in te gaan. De chromosomen worden korter en dikker opgevouwen. Hierdoor raken ze minder snel in de knoop met elkaar, waardoor zij eenvoudiger gescheiden kunnen worden tijdens de mitose.

Hoe werkt het controlesysteem?

Iedere cel bevat een complex netwerk van regulerende eiwitten dat ervoor zorgt dat de celdeling zonder problemen verloopt en dat hierbij alle celorganellen en al het DNA verdubbeld zijn. Dit systeem houdt bij dat een bepaalde stap in de celcyclus is voltooid voordat de volgende fase kan beginnen.

Er zijn drie zogenaamde checkpoints van belang in de celcyclus:

• Het G₁-checkpoint, waar de cel controleert of het extracellulaire milieu geschikt is voor celdeling. Er moeten voldoende voedingstoffen en specifieke signaalstoffen aanwezig zijn. Als het milieu ongunstig is, wordt de G₁-fase verlengd of komt de cel in een speciale rustfase, de G₀-fase. Veel cellen blijven in de G₀-fase tot het organisme sterft.
• Het G₂-checkpoint, dat voorkomt dat de cel aan de mitose kan beginnen voordat het DNA compleet gerepliceerd is en alle mutaties en beschadigingen uit het DNA zijn verwijderd.
• Het checkpoint tijdens mitose, dat verzekert dat de gerepliceerde chromosomen goed aan het spoelfiguur vastzitten, voordat het de chromosomen uit elkaar trekt en verdeelt over de twee dochtercellen.

Vooral de G₁-checkpoint is belangrijk omdat de cel hier kan reageren op signalen uit de omgeving. De cel kan vaker of juist minder vaak gaan delen door beïnvloeding van de checkpoints. Als het controlesysteem niet goed werkt, kan de cel ongeremd gaan delen, mogelijk met kanker tot gevolg. De fasen van de celcyclus, voornamelijk de tijd ervan, variëren tussen verschillende cellen. De basis van de cyclus is echter voor alle eukaryotische cellen gelijk. Zij blijken hetzelfde mechanisme en dezelfde controlesystemen te bevatten.

Bij celdeling zijn er twee mechanismen van belang: één mechanisme vervaardigt de componenten van de groeiende cel. Het andere mechanisme houdt de componenten op de juiste plaats en verdeelt ze over de twee nieuwe cellen.

Het celcyclus controlesysteem zorgt ervoor dat deze mechanismen op de juiste tijd aan- en uitgeschakeld worden door sleuteleiwitten te activeren en te inactiveren. De activering door activatie en inactivatie van sleuteleiwitten gebeurt voornamelijk door fosforylering en defosforylering. Fosforylering gebeurt onder invloed van het eiwit kinase en defosforylering gebeurt onder invloed van het eiwit fosfatase.

Kinasen zijn maar op bepaalde momenten geactiveerd, meestal bij een faseovergang. Daarna worden ze snel weer inactief. Het actief maken van kinase wordt gereguleerd door cyclines. De cyclines zijn zelf niet enzymatisch actief, maar ze moeten gebonden zijn aan de zogenaamde cyclin-dependent protein kinases (Cdk’s) om deze kinases te kunnen laten werken. De concentratie van de cyclines varieert op een cyclische wijze gedurende de celcyclus. Het stijgen en dalen van de cyclineconcentratie speelt een belangrijke rol in het reguleren van de Cdk-activiteit.

Tijdens de celcyclus moeten de cycline-Cdk complexen echter op één abrupt moment geactiveerd kunnen worden, namelijk bij faseovergang. Hiervoor is er een regelmechanisme aanwezig. Wanneer het Cdk- cyclinecomplex ontstaat, wordt deze door kinase gefosforyleerd. Het eiwit is dan inactief. Dit eiwitcomplex kan abrupt actief worden gemaakt door defosforylering van de fosfaatgroep. Hierna is het complex maximaal actief.

Er zijn verschillende cyclines en Cdk’s actief tijdens de celcyclus. Elk geactiveerd type cycline-Cdkcomplex fosforyleert verschillende doeleiwitten in de cel en brengt daardoor verschillende responsen op gang. De concentratie van elk type cyclines stijgt geleidelijk en daalt plotseling. Deze abrupte daling wordt veroorzaakt door gerichte afbraak van cyclines. Specifieke enzymcomplexen voegen ubiquitin-kettingen toe aan cycline. Deze zorgen er vervolgens voor dat de cyclines naar proteasomen worden gebracht, waar ze worden afgebroken.Er blijft dus alleen inactief Cdk over in de cel.

Het celcyclus controlesysteem kan de cyclus stoppen op de verschillende eerder genoemde checkpoints in de cyclus om zeker te weten dat de intra- en extracellulaire omstandigheden gunstig zijn en de volgende stap in de cyclus niet begint voor de vorige afgesloten is. Sommige van deze checkpoints hangen samen met Cdk-inhibitoren die de activiteit van één of meer cycline-Cdk-complexen blokkeren. Het celcyclus controlesysteem kan een cel voorgoed van de celcyclus onttrekken door hem in de eerder genoemde G₀-fase te brengen. De cel kan dan niet meer delen.

Wat houdt mitose in?

Voordat de kerndeling (mitose) begint, moet elke chromosoom zijn verdubbeld, zodat er van elk twee identieke zusterchromosomen zijn. Deze twee worden bij elkaar gehouden door cohesine–eiwitten en het centromeer. Bij mitose worden deze eiwitten gekliefd, zodat de twee zusterchromosomen splitsen en beide in een andere dochtercel terechtkomen.

Chromosomen moeten aan een aantal eisen voldoen voordat de mitose kan beginnen. Iedere chromosoom moet namelijk volledig gerepliceerd zijn en uit twee identieke chromatiden bestaan, bij elkaar gehouden door cohesine-eiwitten. Tijdens de mitose wordt het cohesine kapotgemaakt en worden de chromatiden, die nu ieder een zelfstandig chromosoom zijn, naar verschillende polen van de cel getrokken door het spoelfiguur.

Niet alleen het DNA moet volledig gerepliceerd zijn, maar ook de centrosomen moeten verdubbeld zijn voordat de M-fase kan beginnen. Centrosomen organiseren de microtubuli in dierlijke cellen. Het centrosoom moet verdubbeld worden zodat het spoelfiguur gevormd kan worden en zodat elke dochtercel zijn eigen centrosoom heeft na de celdeling.

Wat houdt de profase in?

Nadat het centrosoom is gedupliceerd, ontstaan hieruit twee asters, die zich in tegengestelde richting verplaatsen. Deze asters vormen de twee polen van de mitosespoel. De vorming van het spoelfiguur begint tijdens de profase. Microtubuli polymeriseren en depolymeriseren zich voortdurend, waardoor filamenten steeds langer en korter worden. Dit staat bekend als dynamische instabiliteit. Aan het begin van de mitose neemt deze dynamische instabiliteit toe, waarbij de microtubuli van een centrosoom de binnenkant van de cel verkennen en interacties aangaan met microtubuli van andere het centrosoom. Deze interacties stabiliseren de microtubuli, waardoor zij de basisstructuur van het spoelfiguur vormen. De twee centrosomen noemen we nu spoelpolen en de op elkaar ingewerkte microtubes noemen we interpolaire microtubules. Verder zijn er astermicrotubuli bevestigd aan het centrosoom, die zich verder aan niets binden, en kinetochoormicrotubuli, die aan de kinetochoren gebonden zijn. De vorming van de spoel wordt aangevoerd door motoreiwitten.

Wat houdt de prometafase in?

De nucleaire envelop wordt afgebroken tot kleinere blaasjes. De microtubuli van het spoelfiguur kunnen zich nu binden aan de chromosomen, met behulp van de eerder genoemde kinetochoren. Deze structuren liggen ten hoogte van het centromeer en bieden de microtubuli een bindingsplek. Elke zusterchromosoom heeft een kinetochoor als bindingsplek en beide wijzen in tegengestelde richting. Hierdoor zullen zij eerder aan microtubuli van verschillende polen koppelen, zodat elke zusterchromosoom naar een andere pool wordt getrokken.

De binding van een kinetochoor aan het centromeer is afhankelijk van de DNA-sequentie van het centromeer. Wanneer deze sequentie ontbreekt, kunnen kinetochoren niet binden en kunnen de twee zusterchromosomen niet goed van elkaar gescheiden worden. Wanneer beide zusterchromosomen aan een andere pool gebonden zijn, worden zij in tegengestelde richting getrokken. De spanning tussen de zusterchromosomen die hierdoor ontstaat, wordt opgevangen door het celcyclus controlesysteem en is een belangrijk controlepunt. Als chromosomen niet goed verbonden zijn aan het spoelfiguur, wordt de celcyclus stopgezet door een stopsignaalvan deze chromosomen.

Wat houdt de metafase in?

De chromosomen zijn verbonden aan het spoelfiguur en stellen zich nu op in het equatorvlak. Er ontstaat een metafaseplaat. De chromosomen worden hier onder spanning gehouden, aangezien beide kanten van het spoelfiguur aan de bindingsplek van de microtubuli trekken.

Wat houdt de anafase in?

De cohesinebinding, die de zusterchromosomen verbindt, wordt verbroken door een protease genaamd separase. Het separase-inhiberende eiwit securine wordt aan het begin van de anafase vernietigd door het anaphase-promoting complex (APC). Hierdoor kan separase zijn werk doen. Zonder actief APC blijven de chromatiden aan elkaar verbonden.

Zodra de cohesinebinding verbroken is, worden de losse chromosomen naar tegengestelde polen getrokken door het spoelfiguur. Dit gebeurt door middel van twee processen:

• Anafase A: de microtubuli die verbonden zijn aan kinetochoren verkorten zich door middel van depolymerisatie en trekken de chromosomen daardoor richting de polen. Deze beweging wordt geregeld door gekoppelde motoreiwitten. Deze gebruiken hydrolyse van ATP om tubuline subunits te verwijderen.

• Anafase B: de spoelpolen zelf bewegen van elkaar af en vergroten daarmee de afstand. Deze beweging wordt geregeld door twee soorten motoreiwitten, die beide op een andere manier werken. Eén soort motoreiwit werkt op de interpolaire microtubulen en zorgt ervoor dat deze langs elkaar heen schuiven. Hierdoor worden de polen van elkaar af geduwd. Het tweede soort motoreiwit levert een trekkracht, waardoor de polen verder uit elkaar gedreven worden.

Wat houdt de telofase in?

Het spoelfiguur breekt af en de kernenvelop herstelt zich. Blaasjes met nucleair membraan verzamelen zich eerst rond losse chromosomen en fuseren vervolgens tot een geheel.

Wat is de functie van de contractile ring?

De contractile ring vormt zich tijdens de anafase om de cytokinese uit te voeren. Het bestaat uit overlappende actine en myosine filamenten, die zich aan eiwitten aan de cytoplasmatische kant van het plasmamembraan binden. Door het glijden van actine tegen myosine filamenten ontstaat een kracht, zoals het in spierweefsel gebeurt. De ring wordt steeds kleiner naarmate de cytokinese vordert en breekt compleet af zodra de cel in tweeën is verdeeld. De vorm van de cel en de extracellulaire aanhechtingskracht worden tijdens celdeling onder andere beïnvloed door de reorganisatie van actine en myosine filamenten.

De basisfunctie van de cel cyclus is het nauwkeurig kopiëren van het DNA in de chromosomen en om het DNA te splitsen voor in de twee identieke dochtercellen. De meeste cellen verdubbelen ook de macromoleculen en de organellen. De cel wordt voordat het deelt twee keer zo groot, zodat de dochtercellen hetzelfde formaat zijn.

De twee meest ingrijpende gebeurtenissen in een cel zijn wanneer de kern zich deelt (de mitose) en wanneer de cel zich splitst in twee cellen (de cytokinese). De cytokinese en de mitose samen heten de M-fase van de cel cyclus. De andere fase heet de interfase. De interfase is weer onderverdeeld in de G1-fase, de S-fase en de G2-fase. Het begint bij de G1-fase, dan groeit de cel. Tijdens de S-fase wordt het DNA gerepliceerd en tijdens de G2-fase groeit de cel nog groter. De cel houdt altijd het interne en externe milieu in de gaten, zo zorgt het voor de optimale omstandigheden tijdens de verschillende fases. Als deze omstandigheden niet optimaal zijn, kan de cel besluiten of het doorgaat naar de volgende fase of dat het pauzeert om meer tijd te hebben om te repareren. Om er zeker van te zijn dat de cellen al hun DNA en organellen repliceren, bezitten de eukaryoten een complex netwerk van regulerende eiwitten; het cel cyclus controle systeem.

Genetica en seksuologie - Wat zijn de moleculaire mechanismes achter erfelijkheid? - Chapter 19

In dit hoofdstuk zullen de moleculaire mechanismes achter erfelijkheid worden besproken. In eerdere hoofdstukken is al besproken hoe genen zijn opgebouwd uit DNA, hoe deze gerangschikt worden in chromosomen en hoe deze gekopiëerd worden (zie ook DNA en Chromosomen & DNA replicaties, reparaties en recombinaties). In dit hoofdstuk zal echter besproken worden hoe de genen worden overgedragen aan de volgende generatie.

In dit hoofdstuk zullen vier onderwerpen besproken worden:

1. De voordelen van seksuele voorplanting
2. Hoe gameten worden gevormd door middel van meiose
3. Hoe Gregor Mendel de wetten van erfelijkheid heeft herleid en het bestaan van de genen heeft voorspeld
4. Genen als een experimenteel werktuig

Wat houdt aseksuele reproductie in?

Aseksuele reproductie is de meest simpele en directe vorm van reproductie en zorgt ervoor dat de nakomelingen vrijwel gelijk zijn aan de ouder. Bij seksuele reproductie vindt uitwisseling van genomen plaats, hierdoor ontstaat een nakomeling die niet hetzelfde is als de ouders of een ander organisme. Bij seksuele reproductie zijn de organismen bijna geheel diploïd. Dit betekent dat elke cel twee exemplaren van elk chromosoom bevat (1 van elke ouder).

Geslachtschromosomen verschillen van de andere chromosomen. Deze chromosomen zorgen ervoor dat iemand een man of een vrouw is. Geslachtscellen worden ook wel gameten genoemd. Deze hebben in tegenstelling tot de andere cellen een haploïd aantal chromosomen. Als twee haploïde cellen worden samengevoegd ontstaat er een diploïde cel, dit is een zygote. Een allel is een bepaalde variant van een gen, de combinatie van allelen zijn in elk individu verschillend. Een kiemlijn is de lijn waarop cellen liggen die zorgen voor de productie van geslachtscellen. De cellen die zorgen voor de productie voor de rest van de cellen worden de somatische cellen genoemd.

Het mixen van de genomen, dus het samenkomen van de 2 haploïde cellen, zorgt ervoor dat er nieuwe combinaties genen ontstaan. De nieuwe combinatie van allelen is een willekeurig proces. Dit zorgt voor evolutie, doordat ouders kinderen krijgen met verschillende gencombinaties. Als er een verandering in het milieu plaatsvindt, is er een grotere kans dat 1 van die nakomelingen het goed overleefd. Er vindt ook selectie plaats, hierdoor zullen de organismen met de ‘beste’ genen overleven en nakomelingen produceren.

Meiose is het proces waarbij het aantal chromosomen wordt gehalveerd. Er ontstaan dan haploïde cellen, bij de mens ook wel geslachtscellen genoemd. Bij meiose begint het dupliceren van de chromosomen net zoals in de gewone deling. Deze tweeling kopieën worden zusterchromatiden genoemd. Ze zitten met een centromeer aan elkaar vast. Hierna verplaatsen de paren zich naar het midden van de cel.

Er ontstaan poollichaampjes met eiwitdraden. Tussen de homologe chromosomen kunnen stukken uitgewisseld worden, dit wordt crossing-over genoemd. Bivalent betekent een paar homologe chromosomen. Tijdens de meiose vindt recombinatie plaats, dit is een proces waarbij er uitwisseling in DNA plaatsvindt (door crossing-over). Wanneer de profase is afgelopen gaan de homologen uit elkaar. Verder is crossing-over belangrijk voor een goede segregatie van de homologen. Tijdens het begin van de anafase worden de twee chromosomen van elkaar afgetrokken. Doordat er bij het chiasma crossing-over heeft plaatsgevonden, zullen de homologen wanneer ze uit elkaar worden gehaald een nieuwe structuur hebben.

Bij de meiose I ontstaan geen haploïde cellen, dat gebeurt tijdens de meiose II. Er ontstaan bij de meiose II weer eiwitdraden en de chromosomen gaan weer in het midden van de cel liggen. Wat er anders is dan bij meiose I, is dat de chromosomen niet weer worden verdubbeld. Er ontstaan uiteindelijk na de meiose II 4 haploïde cellen. (Zie Alberts pag. 660)

Tijdens de meiose worden echter ook fouten gemaakt. Wat veel voorkomt is non-disjunctie, dit zijn 2 homologen die niet van elkaar gaan. Hierdoor kan het zijn dat er van een bepaald chromosoom óf te veel aanwezig is, óf juist te weinig. Vele van deze embryo’s zullen dan ook niet overleven. Aneuploïdie is het groeien van een embryo met een fout aantal chromosomen.

Wat zijn de voordelen van seksuele voortplanting?

De meeste organismen planten zich seksueel voort. Echter, veel organismen kunnen zich ook aseksueel voortplanten. Het bekendste voorbeeld hiervan zijn de bacteriën, die zich door een simpele celdeling kunnen verdubbelen. Een andere manier is het loskoppelen van multicellulaire zijtakken (planten) of door zichzelf door midden te delen (wormen). Bij aseksuele voortplanting zijn de ouders en de nakomelingen genetisch identiek. Seksuele voorplanting heeft echter als voordeel dat de nakomelingen een ander genoom hebben.

Diploïde en haploïde cellen

Seksueel voortplantende organismen zijn diploïd. Dit wil zeggen dat iedere cel in het organisme twee sets chromosomen bevat, één afkomstig van iedere ouder. Dit betekent dat iedere diploïde cel twee kopieën van ieder gen bij zich draagt. Een uitzondering hierop is het mannelijke geslachtschromosoom (Y-chromosoom), waarvan meestal maar één kopie aanwezig is.

De cellen in het diploïde organisme, die verantwoordelijk zijn voor de voortplanting, zijn haploïde cellen. Dit zijn de geslachtscellen: kiemcellen of gameten. Deze cellen bevatten één set chromosomen. Er worden twee typen gameten onderscheiden:

1. De eicel: groot en onbeweeglijk (vrouwen)
2. De spermacel: klein en beweeglijk (mannen)

Deze haploïde cellen ontstaan wanneer een diploïde cel meiose ondergaat. Gedurende de meiose worden de chromosomen van de dubbele set chromosomen zo verdeeld, dat er vier cellen ontstaan met één set chromosomen (haploïde cellen). Wanneer bevruchting plaatsvindt, fuseren twee haploïde cellen tot een diploïde cel. De bevruchte eicel wordt ook wel een zygote genoemd. Door de fusie van de twee gameten ontstaat er het verschil in het genoom. Uit deze bevruchting ontstaat een nieuw organisme dat genetisch verschillend is van beide ouders.

De cellen van bijna alle organismes die zich seksueel voortplanten, bevinden zich gedurende de levenscyclus in een diploïde status. De haploïde cellen bestaan alleen kort, delen niet en zijn zeer gespecialiseerde cellen. In de meeste organismen kan een onderscheid gemaakt worden tussen de kiemcellijnen en de somatische cellen in het lichaam.

Competitieve voorsprong

Seksuele voortplanting kan voordelen geven ten opzichte van aseksuele voortplanting. Bij seksuele voortplanting wordt het genoom iedere generatie veranderd. Indien een organisme meerdere nakomelingen krijgt, zijn deze allen verschillend van elkaar en van hun ouders (met uitzondering van een eeneiige tweeling). Dit kunnen zowel verschillen zijn in hun voordeel als in hun nadeel. Deze nieuwe samenstelling van genen kan de soort helpen bij het overleven in een onvoorspelbare, wisselende omgeving. De kans dat in ieder geval één van de nakomelingen een genenpakket heeft dat hem helpt overleven onder bepaalde omstandigheden is groter.

Daarnaast versnelt seksuele voortplanting het verdwijnen van schadelijke genen uit de populatie. Doordat er alleen gepaard wordt met de sterksten en niet met de zwakkeren, verdwijnen de genen die de overlevingskansen verkleinen, sneller uit de populatie.

Meiose

Wanneer diploïde cellen delen door middel van mitose wordt er een precieze kopie gemaakt van de twee sets chromosomen, waardoor identieke sets chromosomen kunnen worden overgedragen naar iedere dochtercel. In geval van meiose, het proces waarbij de gameten tot stand komen, wordt één ronde van DNA replicatie gevolgd door twee achtereenvolgende celdelingen.

Het is onduidelijk waarom de meiose bestaat uit twee achtereenvolgende celdelingen in plaats van één celdeling, die niet vooraf gegaan wordt door DNA replicatie. De meiose kan ook veel langer duren dan de mitose. De meiose bij de man duurt bijvoorbeeld 24 dagen en in de vrouw kan deze zelfs jaren duren.

Meiose begint in de kiemlijn cellen in de ovaria (eierstokken) of testes. Dit zijn gespecialiseerde diploïde cellen. Elke cel heeft twee sets van chromosomen, één van de vader (paternale homoloog) en één van de moeder (maternale homoloog). Bij aanvang van de meiose worden alle chromosomen gedupliceerd. Net als bij de DNA replicatie gedurende de mitose blijven de chromosomen met elkaar verbonden, als een Siamese tweeling. Wat uniek is bij de meiose is dat elke gedupliceerde paternale homoloog de gedupliceerde maternale homoloog opzoekt en samen gaat liggen. Op deze manier is het zeker dat de uiteindelijke gameten een compleet haploïde set chromosomen ontvangen.

Vervolgens zijn er twee celdelingen, genaamd de meiose I en de meiose II. Na deze twee celdelingen zijn er vier cellen ontstaan, elk met één set chromosomen (n=23). De toewijzing van de homologen is random, waardoor de originele paternale en maternale chromosomen verdeeld zijn in vier genetisch verschillende gameten.

Bij de bevruchting fuseren twee gameten, waardoor een diploïde zygoot ontstaat, die genetisch verschilt van beide ouders. De zygote ontwikkelt zich in een multicellulair organisme door verschillende rondes van celdelingen, gevolgd door cel-specialisatie.

Chromosoom paring

De chromosomen van de twee afzonderlijke sets in een diploïde cel (met uitzondering van de geslachtschromosomen) lijken sterk op elkaar. Hierdoor bevat een diploïde cel veel dubbele genetische informatie. De twee chromosomen van het zelfde soort zijn echter niet genetisch identiek aan elkaar, omdat zij beiden verschillende varianten van dezelfde genen bevatten. Deze alternatieve vormen van genen worden allelen genoemd en verschillen hier en daar in hun nucleotidesamenstelling. Het bekendste verschil is een toevoeging van een enkel basepaar, maar het verschil kan ook komen door een deletie, insertie of duplicatie. Omdat de ouder-genen veel op elkaar lijken, maar niet hetzelfde zijn, worden ze ook wel homologe chromosomen of homologen genoemd.

Voor de celdeling vindt er DNA replicatie plaats. De gedupliceerde chromosomen blijven sterk aan elkaar gebonden en worden zuster chromatiden genoemd. In geval van mitose vormen de chromosomen gedurende de metafase allen (zowel paternale als maternale) een rij in het equatoriaal vlak in een random volgorde. Vervolgens worden alle zuster chromatiden uit elkaar getrokken, waardoor van ieder paternaal en maternaal chromosoom een kopie terecht komt in de zuster cel.

In de meiose gebeurt ongeveer hetzelfde: Gedurende de profase condenseren de gekopiëerde chromosomen. Tijdens de metafase verzamelen ze zich in het equatoriaal vlak en gedurende de anafase worden ze uit elkaar getrokken naar de polen toe. Er zijn echter enkele grote verschillen.

Wanneer de chromosomen in het equatoriaal vlak liggen om naar de polen getrokken te worden, zoeken de vader- en moeder-homologen van elk chromosoom elkaar eerst op. Ze binden en vormen zo een bivalent, bestaande uit vier chromatiden. Deze bivalent blijft bestaan gedurende de hele profase, een fase die meerdere jaren kan duren.

Wanneer de cel gaat delen, trekken de spoeldraden de vader- en moeder-homologen uit elkaar. De twee dochtercellen bevatten dan ofwel de twee chromosomen van de moeder, ofwel de twee chromosomen van de vader. Dit in tegenstelling tot mitose, waarbij elke dochtercel zowel een chromosoom van de moeder als een chromosoom van de vader heeft. De verdeling over de cellen geschiedt compleet ‘at random’.

Crossing-over

Nadat de chromosomen in paren liggen in het equatoriaal vlak gedurende de profase van de meiose I begint genetische recombinatie. Dit gebeurt door middel van crossing-over, waarbij een deel van het chromosoom van de ene set wordt uitgewisseld met een deel van het chromosoom van de andere set, dat codeert voor dezelfde genen. Dat wil zeggen dat DNA wat sterk op elkaar lijkt tussen de twee chromosomen wordt uitgewisseld.

De eiwitten die verantwoordelijk zijn voor de crossing-over maken gebruik van het feit dat de chromosomen dicht naast elkaar gepositioneerd zijn en bij elkaar worden gehouden door het synaptonemale complex. Dit complex plaatst de chromosomen op een dusdanige lijn van elkaar dat recombinatie tussen de non-zuster chromatiden plaatsvindt.

Beide chromatiden kunnen een cross-over maken met één van de twee non-zuster chromatiden. Wanneer cross-over plaatsvindt, ontstaat er een verbinding die overeenkomt met de cross-over tussen de twee non-zusterchromatiden, het chiasme. Aan het eind van de profase worden de homologen bij elkaar gehouden door tenminste één chiasme. Gemiddeld vinden er gedurende de meiose I twee tot drie cross-overs plaats per chromosomenpaar en ontstaan er dus gemiddeld twee tot drie chiasmata.

Crossing-over vormt één van de grootste bronnen van genetische variatie in de seksueel voorplantende organismes. Hierdoor ontstaan individuen met een geheel nieuwe samenstelling van genen. Crossing over heeft echter ook nog een andere belangrijke functie. Voor de anafase wordt reeds door de spoeldraden aan de chromosomen getrokken om deze naar tegenovergestelde polen te trekken. De chiasmata houden in dit stadium de paternale en maternale chromosomen bij elkaar, waardoor de bivalente de kans krijgen zich te positioneren en zich te stabiliseren. Daarnaast worden de armen van de zusterchromatiden aan elkaar vastgeplakt door het eiwit cohesine. Het eiwit cohesine en de chiasmata laten los bij de start van de anafase, waardoor de gedupliceerde homologen naar tegenovergestelde polen getrokken kunnen worden.

Meiose II

Tijdens de meiose II worden spoeldraden gevormd, gaan de chromosomen in een lijn liggen in het equatoriaal vlak, en worden de zuster chromatiden uit elkaar getrokken, waardoor vier haploïde cellen ontstaan.

Oneindige combinatie door meiose

Door meiose ontstaat er een grote genetische variabiliteit. Ten eerste worden de maternale en paternale chromosomen at random verdeeld over de gameten. Deze at random verdeling wordt geheel bepaald door de richting van de kinetochoor (de aanhechtingsplaats voor de spoeldraden) van de bivalent (dit is ook de richting van het chromosoom), die bepaalt naar welke pool het chromosoom getrokken wordt. Deze ligging is compleet at random. Op deze wijze alleen al kunnen 2²³ verschillende gameten gemaakt worden. Door recombinatie/crossing-over kunnen er echter nog veel meer verschillende chromosomen en dus verschillende gameten gemaakt worden. Hierdoor wordt de genetische variëteit zelfs nog groter. Omdat er twee van deze eindeloos verschillende gameten fuseren, zijn de verschillende genetische mogelijkheden bijna eindeloos.

Fouten in meiose

Tijdens de meiose kunnen er dingen fout gaan. Het kan voorkomen dat de homologen niet uit elkaar gaan: nondisjunction. Het gevolg hiervan is dat er één cel ontstaat met geen chromosoom en één cel met meerdere chromosomen. Een cel met een abnormaal aantal chromosomen is aneuploïd. De meeste cellen die zo ontstaan gaan dood, maar enkele kunnen overleven. In het Down Syndroom zijn er drie exemplaren van chromosoom 21 (trisomie). Bij vrouwen komt nondisjunction voor in 10% van de gameten. Bij mannen is dit veel minder, omdat er een kwaliteitscontrole plaatsvindt.

Bevruchting

Er komen ongeveer 200 miljoen spermacellen aan bij de eicel. Elke spermacel probeert vervolgens de eicel binnen te dringen. Dit is lastig, want de eicel heeft een aantal dikke lagen waar de spermacel zich een weg doorheen moet boren. Eerst moet het door een laag van beschermende cellen, en vervolgens door de zona pellucida (de ‘egg coat’). Als de spermacel door deze lagen is, moet het fuseren met het plasmamembraan van de eicel.

Er kan per keer maar één spermacel de eicel penetreren. Wanneer de spermacel gefuseerd is met het plasmamembraan van de eicel, komt er heel veel Ca²⁺ in het cytoplasma van de eicel. Door deze influx worden enzymen gesecreteerd die de zona pellucida verharden, waardoor andere spermacellen er niet doorheen kunnen. Dit proces garandeert dat er maar twee sets chromosomen in de zygote zitten. Een bevruchte cel wordt een zygote wanneer de twee haploïde nuclei (pronuclei) fuseren tot een diploïde nucleus.

Wat zijn de wetten van overerving?

Mendel

Gregor Mendel was een monnik uit Oostenrijk die door het bestuderen van erwten de wetten van de overerving bestudeerde. Hij had de erwt planten gekozen als onderzoeksobject, omdat deze snel kunnen voortplanten en makkelijk op een klein oppervlak gehouden kunnen worden. Iedere bloem van de erwtplant bevat zowel een mannelijk als een vrouwelijk gedeelte. Indien de plant niet gemanipuleerd wordt, zullen deze twee met elkaar een gelijke bloem voortbrengen.

Mendel begon met een voorraad planten die genetisch hetzelfde waren. Indien deze zich voortplantten, kwamen er dezelfde planten uit. Deze planten werden ook wel omschreven als de true breeding planten (zuivere ras planten). Vervolgens deed hij hetzelfde met twee verschillende rassen erwtenplant. Vervolgens keek hij naar de eigenschappen van de nakomelingen (F₁ generatie). Hij ontdekte dat de F₁ generatie altijd de eigenschappen van één van de ouderplanten had. De eigenschappen van de andere ouderplant leken verloren te zijn gegaan. Dit ondersteunde de toen heersende theorieën dat nakomelingen de eigenschappen van één ouder erven.

Maar Mendel ging verder. Hij liet de F₁ generatie planten zichzelf bevruchten. Hieruit volgde dat het grootste deel (75%) van de F₂ generatie dezelfde eigenschappen had als de ouderplant, maar dat er een klein deel (25%) toch de verloren geachte eigenschappen had. Dit haalde de toen heersende theorieën compleet onderuit.

Mendel stelde een aantal regels:

• Erfelijkheid van eigenschappen zit opgeslagen in ‘overervingsfactoren’ (genen)
• Overervingsfactoren zijn discrete deeltjes en kunnen niet mengen
• Er zijn verschillende variaties in overervingsfactoren (allelen) die de variatie in eigenschappen veroorzaken
• Elke nakomeling krijgt twee allelen: een homozygoot heeft twee dezelfde allelen, een heterozygoot heeft twee verschillende allelen
• Het fenotype is afhankelijk van het allel
• Een allel kan dominant of recessief zijn. Wanneer er een dominant allel aanwezig is, zal altijd dit allel in het fenotype tot expressie komen. De andere genetische informatie blijft verstopt.

Wetten van segregatie (scheiding)

Hoe kon het dat als alle cellen twee allelen hebben er maar eentje werd doorgegeven? In Mendel’s Wetten van segregatie staat dat tijdens de vorming van gameten de twee allelen uit elkaar worden gehaald en tijdens de bevruchting weer twee allelen bij elkaar worden gezet. Elke gameet heeft een kans van 50% op het ene dominante allel (A) en 50% kans op het andere recessieve allel (a). Bij zelf-bevruchting kunnen er dan vier combinaties van allelen optreden: AA, Aa, aA en aa. Hierdoor ontstaan er nakomelingen die homozygoot zijn voor het dominante allel (AA, 25%), nakomelingen die homozygoot zijn voor het recessieve allel (aa, 25%) en nakomelingen die heterozygoot zijn (Aa of aA, 50%) en dus het dominante allel uiten in het fenotype. Hieruit is de 3:1 ratio (dominant:recessief) ontstaan. Bij mensen is dit onderzoek moeilijker dan bij planten, omdat er relatief weinig nakomelingen zijn. Zulk onderzoek kan alleen goed verricht worden over meerdere generaties van grote families, of door meerdere families samen te nemen. Genetici tekenen dan de stambomen van het fenotype van deze families uit.

Law of independent assortment

Mendel’s eerste experimenten waren monohybride: er werd gekeken naar één eigenschap. Mendel ging verder met dihybride experimenten: kijken naar twee eigenschappen. Hij gebruikte de kleur van de erwten (geel-groen) en de vorm (rond-geribbeld). Geel en rond zijn dominant, groen en geribbeld zijn recessief. Als deze eigenschappen als een pakketje over zouden erven, zouden er alleen geel-ronde en groen-geribbelde erwten kunnen ontstaan. Als ze niet als pakketjes overerven, dan kunnen er allerlei soorten erwten ontstaan.

Mendel kruiste true-breeding planten die geel-ronde en groen-geribbelde erwten produceerden. In de F₁ generatie waren er alleen maar geel-ronde erwten. Vervolgens mochten de planten zichzelf bevruchten. In de F₂ generatie ontstonden er vier soorten erwten: geel-rond, groen-rond, geel-geribbeld en groen-geribbeld. Dit bewees dat alle genen apart overerven. Hieruit kwam een 9:3:3:1 ratio (geel-rond:geel-geribbeld:groen-rond:groen-geribbeld).

Met de informatie die we nu hebben over meiose en bevruchting, worden de wetten van Mendel ondersteund.

De eigenschappen die Mendel onderzocht, lagen echter allemaal op verschillende chromosomen. Daarom erfden alle genen apart over. Als de genen dichtbij elkaar op hetzelfde chromosoom zouden liggen, zou dit niet het geval zijn. Wanneer de genen echter op hetzelfde chromosoom liggen, maar ver uit elkaar, kan door translocatie het allel op een ander chromosoom terecht komen en kan dit alsnog leiden tot aparte overerving. Als genen dicht bij elkaar liggen op een chromosoom, erven ze vaak ook samen over.

Mutaties

Er zijn twee soorten mutaties: mutaties die verlies van functie geven en mutaties die hyperactiviteit veroorzaken. De mutaties die leiden tot functieverlies zijn vaak recessief, omdat het andere allel nog voldoende werkt om genoeg eiwit te maken. De hyperactieve mutaties zijn vaak dominant: ze maken te veel eiwit of ze zijn actief wanneer dat niet zou moeten.

Ieder mens heeft vele, mogelijk schadelijke, mutaties. De mutaties die een voorsprong geven, blijven behouden, maar de mutaties die schadelijk zijn, gaan verloren door natuurlijke selectie. De meeste mutaties zijn neutraal of schadelijk. Een dominant schadelijke mutatie wordt vaak meteen weggeselecteerd: het gemuteerde individu kan geen nakomelingen produceren en de mutatie gaat verloren. Een recessief schadelijke mutatie wordt eerst doorgegeven en blijft verborgen. Wanneer twee nakomelingen met de mutatie paren kan de mutatie in het fenotype tevoorschijn komen en schadelijk zijn. De gemuteerde individuen gaan dood zonder nakomelingen te krijgen. Zo ontstaat er een balans in de populatie en hebben vele individuen een schadelijk recessief allel, maar zijn ze niet ziek. Dit noemt men ook wel ‘dragerschap’.

Hoe kan genetica kan een experimenteel werktuig zijn?

Het feit dat chromosomen genetische informatie doorgeven, leidde tot de ontdekking van DNA. Ook leerde men dat verschillen in genen leiden tot verschillen tussen mensen. Daarnaast helpt kennis van genetica bij het diagnosticeren en behandelen van sommige ziektes.

Er zijn verschillende manieren om genen te onderzoeken. De klassieke manier bestaat uit het produceren van veel mutante organismen en deze screenen op interessante fenotypes: genetische screening.

Klassieke genetica

De meeste genen zijn ontdekt door organismen te onderzoeken waarbij het gen was gemuteerd. Er is een organisme nodig dat zich snel voortplant en makkelijk genetisch gemanipuleerd kan worden. De mutaties worden opgewekt door mutagens, oftewel stoffen die DNA beschadigen. De vele organismen worden geanalyseerd en die organismen met een interessant fenotype worden geïsoleerd. Naar aanleiding van dit fenotype wordt het genotype van de mutant bepaald. Maar dit proces is onmogelijk op mensen toe te passen.

Genen in mensen zijn bestudeerd door ten eerste te kijken naar andere organismen die gelijke genen hebben. De overeenkomstige genen worden dan bestudeerd door menselijke cellen te onderzoeken. Daarnaast worden ook fenotypes van mensen met een mutatie bestudeerd. Dit alles bij elkaar heeft veel inzicht gegeven in de menselijke genen.

Genetische screening

Genetische screening is het onderzoeken van duizenden organismen om de interessante eruit te pikken. Wanneer een gen onderzocht wil worden dat fundamenteel is voor de celwerking, is een mutatie in dit gen dodelijk. Deze mutanten kunnen dus niet onderzocht worden.

Bij diploïde organismen en recessieve mutaties kan dit probleem opgelost worden door heterozygote organismen te produceren. Wanneer deze met elkaar paren is 25% homozygoot mutant, maar 50% heterozygoot mutant en kunnen ze dus nog steeds gebruikt worden.

Bij haploïde organismen worden temperatuur-afhankelijke mutaties gebruikt. Bij bepaalde temperaturen (permissive temperature range) werkt het DNA nog prima. Echter, buiten deze temperaturen ontstaat het mutante fenotype.

Complementatie test

Verschillende organismen kunnen hetzelfde mutante fenotype hebben, maar dit betekent niet dat ze ook dezelfde mutatie hebben. De verschillende mutaties kunnen liggen in hetzelfde gen of op twee verschillende genen. Als de mutatie recessief is, kan dit uitgezocht worden met een complementatie test. Een organisme die homozygoot is voor de ene mutatie wordt gepaard met een organisme dat homozygoot is voor de andere mutatie. Als de mutaties op hetzelfde gen liggen hebben de nakomelingen het mutante fenotype, omdat ze geen normale kopie van het allel hebben. Als de mutaties op verschillende genen liggen, hebben de nakomelingen een gezond fenotype, omdat ze van beide ouders één gezond gen erven.

Single-nucleotide polymorphisms (SNPs)

Onlangs is het hele menselijke genoom in kaart gebracht. Met deze kaart kunnen verschillen in DNA die verschillen veroorzaken tussen mensen makkelijk onderzocht worden. Op sommige plekken in het genoom zijn er variaties die algemeen voorkomen en niet gevaarlijk zijn. Deze variaties heten polymorfismes en bestaan veelal uit één nucleotide (single-nucleotide polymorphisms: SNPs).

De meeste veel voorkomende ziekten, zoals diabetes, worden bepaald door meerdere genen en omgevingsfactoren. Met behulp van SNPs kunnen deze genen gevonden worden. Het DNA van een groep van gezonde mensen en een groep zieke mensen wordt onderzocht en naast elkaar gelegd. Bepaalde SNPs zijn veelvoorkomend bij zieke mensen, maar niet bij gezonde mensen. Deze SNPs liggen vlak bij allelen die ziekte veroorzaken en werken dus als markers voor de ziekte. Door deze genen te vinden kunnen mensen gewaarschuwd worden voor een verhoogd risico en kunnen de moleculaire processen die door de ziekte veroorzaakt worden onderzocht worden.

Haplotype blocks

SNPs zitten vaak samen in haplotype blocks, die samen overerven. De SNPs per haplotype block zijn bekend. Om de verschillende duizenden SNPs te onderzoeken is het genoeg om één of twee SNPs te onderzoeken die in een bepaald haplotype block zitten. Als deze representatieve SNPs aanwezig zijn in een haplotype block, zijn de andere SNPs ook aanwezig.

Haplotype blocks zijn ontstaan uit de kleine groep voorouders van de mens in Afrika. Bij elke meiose vinden er een aantal cross-overs plaats. Maar omdat het pas 60.000 jaar geleden is dat de mens zich ging verspreiden, is het DNA nog niet zo door elkaar gegooid door de cross-overs dat alle genen door elkaar zitten. Er zijn nog steeds blokken DNA die samen overerven.

Hoe ouder een allel (mutatie) is, hoe kleiner de haplotype block die eromheen zit. Door crossing-over is het aantal SNPs dat hoorde bij dat allel namelijk steeds kleiner geworden. Door terug te rekenen kan men de geschiedenis sinds de Afrikaanse voorouders achterhalen, en door vergelijking tussen verschillende populaties kan de route die onze voorouders hebben gelopen, achterhaald worden.

In dit hoofdstuk zullen de moleculaire mechanismes achter erfelijkheid worden besproken. In eerdere hoofdstukken is al besproken hoe genen zijn opgebouwd uit DNA, hoe deze gerangschikt worden in chromosomen en hoe deze gekopiëerd worden (zie ook DNA en Chromosomen & DNA replicaties, reparaties en recombinaties). In dit hoofdstuk zal echter besproken worden hoe de genen worden overgedragen aan de volgende generatie.

In dit hoofdstuk zullen vier onderwerpen besproken worden:

1. De voordelen van seksuele voorplanting
2. Hoe gameten worden gevormd door middel van meiose
3. Hoe Gregor Mendel de wetten van erfelijkheid heeft herleid en het bestaan van de genen heeft voorspeld
4. Genen als een experimenteel werktuig

Wat zijn celgemeenschappen (weefsels, stamcellen, kanker)? - Chapter 20

Inleiding

Kankercellen prolifereren, infiltreren en metastaseren. Kanker ontstaat wanneer de basale regels van celdeling worden geschonden. Om orde te handhaven binnen lichaamsweefsels moeten cellen zich aan bepaalde gedragsregels houden. Dat wil zeggen dat ze moeten delen wanneer nieuwe cellen van dat betreffende type nodig zijn, en afzien van delen wanneer geen nieuwe cellen nodig zijn; ze moeten lang genoeg leven om hun taken binnen het weefsel te vervullen, en ze moeten sterven wanneer dat nodig is; ze moeten hun gespecialiseerde karakter behouden, en op de juiste plek hun taken uitvoeren; ze moeten niet afdwalen naar andere weefsels en daar gaan delen.

Celgemeenschappen

Cellen zijn de bouwstenen van organismen. De meeste cellen werken goed samen en vormen weefsels. Weefsel bestaat uit cellen en een extracellulaire matrix rondom de cellen die stevigheid biedt. Extra cellulaire matrix bestaat uit vezels en grondsubstantie. Een voorbeeld zijn de celwanden bij planten. Cellen zijn verbonden met cell junctions.

De meercellige organisatie van dieren en planten is onafhankelijk geëvolueerd en de bouw van hun weefsels is op verschillende principes gebaseerd. De belangrijkste functie van epitheel is het bedekken van de externe oppervlakte van het lichaam en inwendige holten. Daarnaast beschermt het epitheel het lichaam tegen binnendringende micro-organismen en uitdroging. Ook vindt er in het epitheel transport plaats van moleculen, voedingsstoffen en afvalstoffen.

Je kunt epitheel op basis van verschillende eigenschappen indelen:

• Op het aantal lagen:

  • Eenlagig epitheel (simple epithelium)

  • Meerlagig epitheel (stratified epithelium)

  • Pseudomeerlagig epitheel

• Op de vorm:

  • Kubisch epitheel (vierkant, cuboidal)

  • Cilindrisch epitheel (langgerekt, columnar)

  • Plaveiselepitheel (plat, squamous)

Een epitheellaag is gepolariseerd en heeft twee vlakken:

• Het apicale oppervlak: deze is blootgesteld aan de lucht of een waterige vloeistof.

• Het basale oppervlak: deze rust op een ander weefsel waaraan het is bevestigd.

Om het basale oppervlakte te ondersteunen ligt hieronder een dunne en harde structuur, de basale lamina, bestaande uit type IV collageen en diverse andere macromoleculen, waaronder een eiwit genaamd laminine. Laminine zorgt voor de ‘plakfunctie’ van de intergrines. De apicale en basale kant van het epitheel zijn chemisch verschillend, waardoor het interne milieu gepolariseerd is.

Verschillende types van cel-cel verbindingen worden gevonden in epitheel:

• Tight junctions hebben een afsluitende functie en voorkomen lekkage tussen cellen. Ze worden gevormd uit claudine- en occludine-eiwitten. Ook spelen ze een belangrijke rol bij het handhaven van de polariteit.

• Adherens junctions maken een hechte verbinding tussen 2 epitheelcellen, en zitten om het transmembraaneiwit cadherine heen. Een cadherinemolecuul in het cytoplasmamembraan van een cel bindt aan een identiek cadherinemolecuul in het cytoplasmamembraan van een buurcel. Cadherine zit intercellulair verbonden aan actinefilamenten.

• Desmosomen maken een hechte verbinding tussen 2 epitheelcellen, en zitten om het transmembraaneiwit cadherine heen. De cadherine wordt intercellulair verbonden aan een cytoplasmatische schijf met daaraan verbonden keratinefilamenten.

• Gap junctions vormen kanalen die passage van kleine moleculen en ionen mogelijk maakt tussen de cellen. Op deze manier kunnen cellen communiceren. De permeabiliteit van de gap junctions kan worden beïnvloed door extracellulaire signalen.

• Hemidesmosomen verbinden de epitheelcellen met het extracellulaire matrix eiwit laminine in de basale lamina.

Veel van de gedifferentieerde cellen die voortdurend moeten worden vervangen zijn zelf niet in staat om te delen. Rode bloedcellen, epidermale cellen, de absorptie- en slijmbekercellen van de darmwand zijn van dit type, ook wel aangeduid als terminaal gedifferentieerde cellen.

Vervanging voor terminaal gedifferentieerde cellen wordt gegenereerd uit een voorraad van prolifererende cellen, die meestal afkomstig zijn van stamcellen. De stamcellen en prolifererende cellen worden vastgehouden in de overeenkomstige weefsels samen met de gedifferentieerde cellen. Wanneer een stamcel deelt kan de dochtercel een stamcel of een terminaal gedifferentieerde cel worden. De delende stamcellen van het epitheel liggen in de onderliggende crypten. De migratie van gemaakte epitheelcellen duurt 3 tot 6 dagen en verplaatst van een crypt richting de top van de villus.

Embryonale stamcellen kan je onbeperkt in kweek zetten en ze kunnen blijven differentiëren tot elk celtype in het lichaam. Er is echter een groot probleem bij het gebruik van embryonale stamcellen voor weefselherstel. Indien de getransplanteerde cellen genetisch verschillen ten opzichte van de cellen van de patiënt, worden zij afgekeurd en vernietigd door het immuunsysteem.

Genetische mutatie

Een genetische mutatie die een cel de mogelijkheid geeft om te overleven en te delen wanneer het niet zou mogen, kan catastrofale gevolgen hebben voor het organisme. Dit gebeurt bij kanker.

Kankercellen worden gekenmerkt door twee erfelijke eigenschappen:

• Ze prolifereren, ongeacht de behoeften/kenmerken van hun weefsel van origine.

• Ze infiltreren en koloniseren andere weefsels.

Cellen die enkel de eerste van deze twee eigenschappen hebben, gaan overmatig prolifereren maar blijven geclusterd op hun plek van origine waar ze een massa of tumor vormen. Men spreekt dan van een benigne tumor. Een chirurgische ingreep kan een dergelijke tumor meestal volledig verwijderen.

Een tumor wordt als maligne aangeduid wanneer het de mogelijkheid heeft om andere weefsels binnen te dringen. In dit geval is er ook echt sprake van kanker. Maligne cellen kunnen de primaire tumor verlaten, in de bloed- en/of lymfecirculatie terechtkomen, en distaal secundaire tumoren (metastasen) vormen.

Epidemiologische gegevens & risicofactoren identificeren

Voorkomen is altijd beter dan genezen, maar bij kanker is dit erg lastig. Omgevingsfactoren spelen een belangrijke rol in het ontstaan van kanker. Veelvoorkomende maligniteiten wisselen van land tot land, en studies binnen migrantengroepen tonen aan dat het risico op kanker bepaald wordt door de plek waar men woont, en niet het land van herkomst.

Welke omgevingsfactoren belangrijk zijn voor het risico op kanker, is vaak lastig te bepalen. In sommige gevallen, echter, is het gelukt om specifieke factoren te identificeren.

Een voorbeeld is de rol van het humaan papillomavirus (HPV), dat seksueel overdraagbaar is, op het ontstaan van baarmoederhalskanker (cervixcarcinoom). Uit epidemiologische gegevens bleek dat cervixcarcinomen veel vaker voorkwamen bij getrouwde vrouwen, waardoor de rol van een seksueel overdraagbare aandoening aanneembaar werd. HPV kan ongecontroleerde proliferatie van de epitheelcellen van de baarmoederhals veroorzaken. Dit wetende, kon men kanker proberen te voorkomen door de infectie te voorkomen. Het is inmiddels gelukt om een vaccin tegen HPV-infectie te ontwikkelen. Dit vaccin biedt bescherming wanneer meisjes gevaccineerd worden als ze jong en nog niet seksueel actief zijn.

De meeste vormen van kanker worden niet door virussen veroorzaakt. Epidemiologisch onderzoek heeft andere risicofactoren kunnen identificeren. Obesitas is een belangrijke risicofactor. Maar de belangrijkste risicofactor voor kanker is roken. De meeste gevallen van longkanker worden door roken veroorzaakt, en roken verhoogt ook de incidentie van vele andere soorten kankers, zoals blaaskanker. Door te stoppen met roken, zouden 30% van de dood als gevolg van kanker, voorkomen kunnen worden. Toch is het zo dat niet alle kankers voorkomen kunnen worden met behulp van leefstijl interventie.

Kanker ontstaat door een accumulatie van mutaties

Kanker is anders dan meeste genetische aandoeningen omdat het veroorzaakt wordt door mutaties in de somatische cellen (in tegenstelling tot de kiemcellen). De meeste kankerverwekkende factoren zijn mutagenen: zij veroorzaken veranderingen in het DNA. Echter, zelfs in een mutageenvrije omgeving zullen DNA-mutaties optreden. Dit komt door de beperkte nauwkeurigheid van de DNA replicatie- en herstelmechanismen. Gemiddeld treedt er één fout op voor elk 10⁹/10¹⁰ gekopieerde nucleotide. Kanker is daarom een ouderdomsziekte, aangezien het heel lang duurt voordat genoeg mutaties geaccumuleerd zijn binnen een cellijn om kanker te veroorzaken.

Naast het feit dat kankercellen veel DNA-mutaties bevatten, is het genetisch materiaal vaak ook instabiel. Dat wil zeggen dat het karyotype vaak abnormale chromosomen laat zien, waarin veel translocaties hebben plaatsgevonden. Dit kan komen door mutaties in de reparatiemechanismen en mutaties in de controlepunt mechanismen.

Mutaties geven kankercellen een voordeel

Mutaties die tot kanker leiden, geven de getroffen cel een voordeel boven de naastgelegen cellen. Door natuurlijke selectie, zullen cellen die sneller prolifereren en beter overleven, de overhand nemen. Wanneer een cel met een mutatie de mogelijkheid krijgt om te overleven en te prolifereren, zullen dochtercellen met dezelfde mutatie en overlevingsvoordeel ontstaan. Een tweede mutatie in deze cellijn kan dan extra overlevingsvoordeel opleveren. Wanneer een derde mutatie invasieve karakteristieken verleent aan de betreffende cellijn, zijn alle factoren bijeen om kanker te veroorzaken.

Kankercellen hebben een aantal gedragskenmerken:

• Ze zijn minder afhankelijk van extracellulaire factoren om te delen, groeien en overleven. Dit wordt veroorzaakt door mutaties in de signaling pathways waarmee cellen op externe invloeden reageren. Een mutatie in het RAS gen kan proliferatie triggeren zonder dat de nodige extracellulaire signalen aanwezig zijn.

• Ze ondergaan minder snel apoptose. Dit wordt vaak veroorzaakt door mutaties in het intracellulaire death program dat apoptose kan triggeren. Ongeveer 50% van alle kankersoorten bevat mutaties in het p53 gen. Het p53 eiwit is onderdeel van een check-point mechanisme waarbij cellen die een mutatie bevatten, niet verder kunnen gaan met delen of apoptose ondergaan. Cellen met instabiele chromosomen zullen normaal gesproken apoptose ondergaan. Wanneer deze cellen een defect p53 gen hebben, worden ze niet geremd en gaan ze door met prolifereren, en zullen er sterk abnormale dochtercellen ontstaan.

• Ze zijn onsterflijk. Normale cellen kunnen maar een beperkt aantal keren delen, omdat bij elke celdeling de telomeren iets korter worden, en deze uiteindelijk te kort zijn om verdere celdeling te ondergaan. Kankercellen hebben een enzym (telomerase) dat het verkorten van de telomeren voorkomt.

• Ze zijn genetisch instabiel, met een verhoogd mutatie tempo.

• Ze zijn invasief, meestal vanwege het ontbreken van specifieke celadhesie moleculen (zoals cadherinen) waarmee cellen normaal gesproken op hun plek worden gehouden.

• Ze kunnen in andere weefsels overleven en prolifereren (metastaseren). Normale cellen kunnen niet buiten hun eigen weefsel overleven.

Verschillende genen zijn belangrijk bij kanker

Proto-oncogen: een mutatie in slechts een van de twee kopieën van het gen is voldoende om problemen te veroorzaken. De mutatie heeft dan een dominant karakter. Het corresponderende gemuteerde gen wordt oncogen genoemd. Tumor-suppressor gen: beide kopieën van het gen moeten gemuteerd zijn om problemen te veroorzaken. De mutatie heeft een recessief karakter, de functie van het gen moet volledig verloren gaan om gevolgen te hebben. Heterozygoten voor TSGgenen zijn slechts één mutatie verwijderd van kanker, en dit treedt daardoor sneller en vaker op.

Colorectale kanker

De meeste gevallen van darmkanker ontstaan bij oudere mensen. Hiervoor kan geen specifieke hereditaire afwijking worden gevonden. In sommige gevallen kan een hereditaire oorzaak echter wel worden gevonden. Patiënten met deze afwijking ontwikkelen op jonge leeftijd honderden of zelfs duizenden poliepen in de dikke darm (colon en rectum). Deze poliepen kunnen op latere leeftijd maligne worden. De poliepen worden veroorzaakt door een mutatie in het APC (Adenomatous Polyposis Coli) gen. Patiënten met de hereditaire vorm van coloncarcinoom hebben één normale en één gemuteerde kopie van het APC gen geërfd. De inactivatie van de normale kopie veroorzaakt op latere leeftijd kanker. Het APC gen is dus een tumor-suppressor gen. Het codeert voor een eiwit dat de Wnt signalling pathway inhibeert en celproliferatie in de crypten van het darmslijmvlies remt.

APC faciliteert de afbraak van beta-catenine en voorkomt dat TCF (transcriptie regulator) geactiveerd wordt in afwezigheid van Wnt. Wanneer APC inactief is wordt beta-catenine niet afgebroken en bindt het aan het TCF-complex, waardoor de Wnt pathway hyperactief wordt. Epitheliale cellen in de darmcrypten gaan hierdoor excessief prolifereren, met poliepvorming als gevolg. Binnen de poliepen kunnen additionele mutaties kanker veroorzaken.

Begrip van celbiologie is vereist om nieuwe behandelingen te ontwikkelen

Tegen de tijd dat een kankergezwel ontdekt wordt bestaat het uit miljoenen cellen en vaak is het ook al gemetastaseerd. Als het gezwel nog niet ver verspreid is kan het chirurgisch makkelijk worden verwijderd. Ook is het mogelijk cellen zo te beschadigen dat het DNA van kankercellen niet hersteld wordt maar dat van gezonde cellen wel. Sommige vormen van mamma- en ovariumcarcinoom hebben een hereditaire oorzaak. De inactivatie van de BRCA1 en BRCA2 genen, die een rol spelen in het herstel van dubbelstrengsbreuken in het DNA, veroorzaakt genetische instabiliteit. Kankercellen kunnen deze instabiliteit omzeilen door alternatieve herstelmechanismen te gebruiken, waardoor ze alsnog kunnen prolifereren. Een geneesmiddel dat die alternatieve mechanismen inhibeert, zou uitkomst kunnen bieden. Door de toegenomen instabiliteit (chromosoom breuken) zouden de kankercellen sterven op het moment dat ze gaan delen. Andere strategieën zijn het beperken van de groei van bloedvaten bij tumoren, het immuunsysteem laten reageren op de tumorcellen en de genproducten van specifieke oncogenen blokkeren.

Kankercellen prolifereren, infiltreren en metastaseren. Kanker ontstaat wanneer de basale regels van celdeling worden geschonden. Om orde te handhaven binnen lichaamsweefsels moeten cellen zich aan bepaalde gedragsregels houden. Dat wil zeggen dat ze moeten delen wanneer nieuwe cellen van dat betreffende type nodig zijn, en afzien van delen wanneer geen nieuwe cellen nodig zijn; ze moeten lang genoeg leven om hun taken binnen het weefsel te vervullen, en ze moeten sterven wanneer dat nodig is; ze moeten hun gespecialiseerde karakter behouden, en op de juiste plek hun taken uitvoeren; ze moeten niet afdwalen naar andere weefsels en daar gaan delen.