Transcript De cel: basiseenheid van leven

THEMA
1
Deel 1
De cel: basiseenheid van leven
FUNCTIONELE
MORFOLOGIE VAN DE CEL
INHOUD
1 Cellen in relatie met andere
organisatieniveaus
2 Observeren van cellen
2.1 Observeren met het blote oog
2.2 Observeren met de lichtmicroscoop
2.3 Observeren met de elektronenmicroscoop (EM)
3 Submicroscopische studie van
het celoppervlak
3.1 Celwand
3.2 Celmembraan
4 Submicroscopische structuren in cellen
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
Waarover gaat
dit thema?
Zoals je weet, zijn alle organismen opgebouwd uit
cellen. Om te begrijpen hoe een organisme functioneert, moet je weten hoe een cel werkt en hoe de
samenwerking tussen cellen verloopt. Alle levensprocessen, zoals voeding, transport, ademhaling, uitscheiding … kun je immers terugbrengen tot processen die plaatsvinden op het niveau van de cellen. De
cellen bevatten daarvoor een aantal celstructuren.
In dit thema leer je hoe cellen opgebouwd zijn
(morfologie) en wat de functies van de celstructuren zijn.
Celkern
Ribosomen
Endoplasmatisch reticulum (E.R.)
Golgi-apparaat (G.A.)
Lysosoom
Mitochondriën
Cytoskelet
Centriool
Vacuole
Chloroplasten
5 Vergelijking tussen een dierlijke cel
en een plantencel
6 Twee types van cellen
Wetenschap en samenleving:
neurodegeneratieve ziekten
Samenvatting
Leerstof verwerken
Thema 1: functionele morfologie van de cel
9
1
Cellen in relatie met andere
organisatieniveaus
Leven bestuderen, kan je doen door te kijken naar de hele planeet aarde. Het gedeelte van de aarde waar leven
mogelijk is, noemen we de biosfeer. Zoals je weet, is de biosfeer georganiseerd in verschillende ecosystemen waarin populaties van allerlei soorten organismen voorkomen.
Als je focust op meercellige organismen, dan springt hun inwendig gelaagde organisatie in het oog.
Volgend schema maakt duidelijk dat de cel een unieke plaats inneemt tussen de verschillende organisatieniveaus.
supramacroscopische
organisatieniveaus
macroscopische
organisatieniveaus
zijn te onderzoeken
met het blote oog
of met een loep
microscopische
organisatieniveaus
zijn te onderzoeken
met een lichtmicroscoop
submicroscopische
organisatieniveaus
zijn te onderzoeken met
een elektronenmicroscoop
moleculaire
organisatieniveaus
zijn te onderzoeken met
indirecte methodes
(bv. kristallografie)
dier
plant
biosfeer
leven op aarde
leven op aarde
ecosysteem
bv. bos
bv. berm
populatie
bv. vossenpopulatie
bv. paardenbloemenpopulatie
organisme
bv. de vos
bv. de paardenbloem
orgaanstelsel
spijsverteringsstelsel
wortelstelsel
orgaan
dunne darm
hoofdwortel
weefsel
darmepitheel aan
de binnenkant
epidermis aan
de buitenkant
cel
epitheelcel
epidermiscel
celorganel*
celkern
celkern
macromolecule
DNA =
desoxyribonucleïnezuur
DNA
molecule
adenosine
adenosine
atoom
koolstof
koolstof
Tabel 1.1 De cel in verhouding tot andere organisatieniveaus
*Een celorganel is een structuur in een cel met een bepaalde functie.
Een organisme kun je uiteraard niet beschrijven als een som van zijn onderdelen. Het zijn de coördinatie en
de moleculaire communicatie tussen de cellen, de weefsels en de organen die het organisme als geheel laten
functioneren.
E volutie !
Als je de microscopische en submicroscopische organisatieniveaus van dieren en planten vergelijkt, dan zijn de overeenkomsten treffend. Die gelijkenissen verraden de gemeenschappelijke oorsprong van organismen in een heel ver verleden.
Uit eencellige organismen zijn door evolutie meercellige organismen ontstaan.
10
2
Observeren van cellen
2.1 Observeren met het blote oog
Hoewel microscopen onmisbaar zijn om de meeste cellen te observeren, komen er ook enkele cellen voor die je
met het blote oog kunt waarnemen. Tot die speciale gevallen behoren de eicellen van een kikker (ruim 1 mm) en
de eicellen van vogels (verschillende centimeters). Hoewel we ze niet met het blote oog kunnen zien, zijn sommige uitlopers van zenuwcellen tot 80 cm lang.
Fig. 1.1 Eieren van de bruine kikker (Rana temporaria). De bevruchte eicel (zwart stipje)
is omgeven door een beschermend, gelatineus omhulsel.
Fig. 1.2 De eicel van een vogel is de dooier van het ei. Het
eiwit is nog bijkomstig reservemateriaal rond de eicel. Samen
bevatten ze voldoende voedingsstoffen, mineralen en water
om een volledig kuiken te vormen.
2.2 Observeren met de lichtmicroscoop
Plantencellen en dierlijke cellen zijn ongeveer 10 tot 200 micrometer groot (1 micrometer of 1 µm = 0,001
mm = 10-3 mm). Ze liggen, net als de meeste bacteriën (1–10 µm), binnen het optische bereik van de lichtmicroscoop.
Met een lichtmicroscoop kun je celstructuren waarnemen, zoals celwand, celmembraan, cytoplasma, vacuole,
zetmeel- en bladgroenkorrels. We geven je enkele voorbeelden van plantencellen en dierlijke cellen.
plantencellen
dierlijke cellen
Microfoto van
gekleurde cellen in
de epidermis van
een uirok
(lengte ± 200 µm)
Microfoto van
gekleurde cellen
van het
mondslijmvlies
(Ø ± 40 µm)
Microfoto van
cellen in een
blaadje van de
sering
(lengte ± 70 µm)
Microfoto
van gekleurde
menselijke rode
bloedcellen
(Ø ± 7 µm)
met rechts een
witte bloedcel
(Ø ± 10 µm)
Microfoto van
aardappelcellen
met zetmeelkorrels
(lengte ± 200 µm)
Microfoto van een
menselijke eicel
(Ø 0,2 mm)
Tabel 1.2 Microfoto’s van enkele plantaardige en dierlijke cellen
Thema 1: functionele morfologie van de cel
11
2.3 Observeren met de elektronenmicroscoop (EM)
Pas na de uitvinding van de elektronenmicroscoop (1933) en de verfijning ervan (1950) werd het mogelijk om
meer te weten te komen over de submicroscopische structuur van de cel. Submicroscopisch betekent dat de
deeltjes die je waar­neemt zo klein zijn, dat je ze met een lichtmicroscoop niet kunt observeren. Celstructuren met
een grootte van 1 nanometer (1 nm = 0,001 µm = 10-3 µm) zijn met de elektronenmicroscoop goed zichtbaar.
De meeste structuren die men zo ontdekt heeft, staan op de volgende figuren schematisch weergegeven. Zo krijg
je een idee van de relatieve grootte van de verschillende celstructuren.
chloroplast
celmembraan
celwand
R.E.R.
S.E.R.
ribosoom
kernporie
euchromatine
kernmembraan
vacuole
mitochondrion
cytosol
heterochromatine
nucleolus
tonoplast
Golgi-apparaat
R.E.R.
Fig. 1.3
Schematische weergave
van een plantencel
(lengte enkele tientallen µm)
lysosoom
celmembraan
S.E.R.
centriool
cytosol
kernmembraan
kernporie
euchromatine
nucleolus
mitochondrion
heterochromatine
Fig. 1.4
Schematische weergave
van een dierlijke cel
(lengte enkele tientallen µm)
12
Golgi-apparaat
Het oplossend vermogen van optische instrumenten
Het oplossend vermogen, het scheidend vermogen of de resolutie drukt uit hoe dicht punten bij elkaar kunnen liggen,
zodat je ze nog net gescheiden kunt waarnemen. Zo kun je spreken over de resolutie van het oog: dat is de minimale afstand
tussen twee lijnen of punten die je nog gescheiden kunt waar­nemen. Voor een mens met een goed zicht is dat ongeveer
0,2 mm.
Voor lichtmicroscopen geldt dat je twee naast elkaar gelegen punten van elkaar gescheiden kunt zien als de afstand ertussen niet kleiner is dan de halve golflengte van het gebruikte licht. Die afstand is het oplossend vermogen van de lichtmicroscoop.
De golflengte van zichtbaar licht ligt tussen 400 en 700 nm (1 nanometer = 1 nm = 10-6 mm), waardoor het oplossend vermogen zich beperkt tot 200 nm. Punten die dichter bij elkaar liggen, kun je niet meer gescheiden waarnemen.
De afstand van 200 nm wordt met een vergroting van 1000 maal vergroot tot 0,2 mm. Bij die vergroting kun je twee punten
gescheiden van elkaar waarnemen. Een vergroting van 2000 maal levert een grotere vergroting op van wat we al zien, maar
bijkomende details van het onderzochte voorwerp worden daarmee niet zichtbaar.
Elektronenmicroscopen (EM) werken met sterk versnelde elektronen. Daarmee kan een oplossend vermogen van 0,2 nm
bereikt worden; dat is 1000 maal zo groot als bij een lichtmicroscoop. Elektronenmicroscopen leveren altijd beelden in
grijstinten op.
Er zijn twee soorten elektronenmicroscopen:
• De transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) maakt beelden van heel dunne coupes van cellen. Zo kun je alle celonderdelen in door­snede zien.
• De rasterelektronenmicroscoop (REM) laat het oppervlak van structuren zien. Om cellen aan de binnenkant te bekijken,
moet je ze daarom breken.
A1
B1
C1
A2
B2
C2
Fig. 1.5 Pollenkorrel bekeken met de lichtmicroscoop (A1 + A2), met de transmissie-elektronenmicroscoop (B1 + B2) en met
de rasterelektronenmicroscoop (C1 + C2)
Thema 1: functionele morfologie van de cel
13
3
Submicroscopische studie
van het celoppervlak
3.1 Celwand
Een celwand komt niet voor bij dierlijke cellen, wel bij planten, fungi (zwammen) en bacteriën.
Bouw:
Plantencellen hebben boven op hun celmembraan nog een extra versteviging, de celwand. Het voornaamste bestanddeel van die celwand is cellulose. Cellulose bestaat uit vezelige moleculen die in lagen liggen
en netwerken vormen, waartussen mazen voorkomen. Daardoor is de celwand doorlaatbaar voor de meeste
moleculen.
A
B
Fig. 1.6
A Ingekleurd EM-beeld van
cellulosevezels (Ø 5-15 nm) in
een plantencelwand
B Ingekleurd EM-beeld van vulweefselcellen in dwarsdoorsnede; de
buurcellen liggen met hun celwanden tegen elkaar aan; tussen de
cellen zijn er intercellulaire ruimten;
in de cellen zie je zetmeelkorrels.
Bij de meeste fungi is de celwand niet opgebouwd uit cellulose, maar uit chitine.
De celwand van bacteriën bestaat uit nog een andere stof, namelijk mucopeptide. Omdat mucopeptide alleen bij bacteriën voorkomt en niet bij andere organismen, zoals mensen en dieren, is het de ‘achillespees’ van
de bacterie. Stoffen die mucopeptide kunnen aantasten, zijn dan ook specifiek antibacteriële stoffen. Een bekend
voor­beeld is het antibioticum penicilline, een stof die de opbouw van mucopeptide verstoort.
Fig. 1.7 Ingekleurd lichtmicroscopisch beeld van schimmeldraden;
hun cellen hebben een celwand.
Fig. 1.8 Ingekleurd EM-beeld van verschillende soorten bacteriën; hun cellen hebben
een celwand.
Functies:
• De celwand verleent stevigheid aan de cel.
• De celwand fungeert als een beschermende laag tegen afbraak of tegen ongunstige milieuomstandigheden.
14
3.2 Celmembraan
Het cytoplasma bestaat uit een geleiachtige vloeistof, waarin een aantal celstructuren voorkomen. Als we
enkel de geleiachtige vloeistof bedoelen, gebruiken we de term cytosol. Het cytosol bestaat voor het grootste
deel uit water. Daarnaast komen er wisselende hoeveelheden koolstofverbindingen (C-verbindingen) in voor:
proteïnen (= eiwitten), sachariden (= suikers of koolhydraten), lipiden (= vetten) en nucleïnezuren. Ook ionen,
zoals Na+, K+, Ca2+, Mg2+ en Cl-, maken deel uit van het cytosol.
Het cytoplasma van alle cellen is omsloten door het celmembraan, ook plasmalemma genoemd. Het bestaat uit twee lagen die samen een dunne film van ongeveer 10 nm dik vormen.
Bouw:
Het celmembraan is opgebouwd uit een lipidendubbellaag van
fosfolipiden en cholesterol. Tussen die lipiden bevinden zich
proteïnen; we onderscheiden perifere proteïnen die op de dubbellaag
drijven en transmembraanproteïnen die volledig door de dubbellaag
steken. Aan de buitenkant van het celmembraan (de extracellulaire kant)
kunnen op de lipiden en de proteïnen nog sacharidenketens voorkomen, die dan uit het membraanoppervlak steken. Zulke gemodificeerde
lipiden en proteïnen noemen we glycolipiden en glycoproteïnen.
3 nm
hydrofiele
kop
2
1
hydrofobe
staart
De fosfolipidenmoleculen hebben een gevorkte staart die waterafstotend
of hydrofoob is; de kop is waterminnend of hydrofiel.
Omdat het cytoplasma veel water bevat en omdat cellen in organismen
zich in een waterig milieu bevinden, gaan de fosfolipiden dubbellagen
vormen, waarbij de hydrofobe staarten naar elkaar gekeerd liggen.
0
Fig. 1.9 Schematische weergave van
een fosfolipidemolecule
sacharidenketen
extracellulaire kant
transmembraanproteïne
intracellulaire kant
fosfolipide
cholesterol
Fig. 1.10
Schematische moleculaire weergave
van een stukje celmembraan van
een dierlijke cel. Eiwitten drijven als
ijsbergen op de fosfolipidendubbellaag of steken erdoorheen. Tussen
de fosfolipiden zitten cholesterolmoleculen. In celmembranen van
plantencellen komt cholesterol
nauwelijks voor. Sacharidenketens
komen alleen voor op de buitenkant
van het celmembraan.
Hydrofiele en hydrofobe interacties
De interactie van moleculen ten opzichte van water drukken we uit met de begrippen hydrofiel (waterminnend) en hydrofoob (waterafstotend).
Water is een polair oplosmiddel, omdat watermoleculen polaire moleculen zijn.
Een molecule is polair als er door het verschil in elektronegativiteit tussen de atomen van de molecule een asymmetrische
verdeling van de ladingen is. De molecule vertoont dan een positieve en een negatieve pool: het is een dipoolmolecule.
Zo heeft een H2O-molecule twee polen: een negatieve pool op het O-atoom en een positieve pool aan de kant van de Hatomen.
In polaire oplosmiddelen, zoals water, lossen polaire moleculen goed op; ze zijn hydrofiel.
Als er in een molecule een symmetrische verdeling van de ladingen is, noemen we de molecule apolair. Bij gebrek aan polen in apolaire moleculen is er geen interactie mogelijk met
polaire watermoleculen. Apolaire moleculen zijn daarom hydrofoob.
Fig. 1.11 H2O, een dipoolmolecule.
De pijlen duiden de verschuivende
bindingselektronen aan.
Thema 1: functionele morfologie van de cel
15
Eigenschappen van het celmembraan:
1 Membranen zijn flexibel.
De fosfolipidendubbellaag is een rangschikking van moleculen die vrij kunnen bewegen in het vlak van de
dubbellaag. Een membraan kan vrijwel elke vorm aannemen zonder dat het contact tussen de fosfolipiden
verbroken wordt.
De soepelheid van het celmembraan wordt bij dierlijke cellen mee bepaald door de cholesterolmoleculen.
2 Membranen zijn zelfsluitend.
Dankzij de aanwezigheid van de fosfolipidendubbellaag is het mogelijk om een naald door een celmembraan te steken en die daar­na weer terug te trekken: het gaatje zal zich vanzelf sluiten.
Fig. 1.12 Intracytoplasmatische sperma-injectie of ICSI is een manier van medisch geassisteerde bevruchting waarbij één zaadcel rechtstreeks wordt ingebracht
in een eicel. Zowel het glasvlies – een heldere zone rond de eicel – als het eicelmembraan worden doorboord met een micropipet. Het gaatje in het celmembraan
sluit zich vanzelf.
3 Membranen zijn selectief doorlaatbaar.
Membranen laten wegens de fosfolipidendubbellaag bepaalde stoffen door en andere niet; we spreken
daarom van selectieve door­laatbaarheid.
Sommige moleculen, zoals O2, N2 en CO2, kunnen door de fosfolipidendubbellaag; andere slagen daar niet
in. Om die moleculen door te laten, zijn er membraanproteïnen zo ingebouwd binnen de lipidendubbellaag
dat ze aan weerszijden van die laag naar buiten steken: de transmembraanproteïnen. Die membraanproteïnen kunnen poriën of kanalen vormen.
Om een beter inzicht te krijgen in de eigenschappen van het
celmembraan, werken we in het volgend practicum met zeepbellen als model. De eigenschappen van het zeepbelvlies zijn
opvallend gelijkend met die van het celmembraan. Dat heeft te
maken met de aanwezige zeepmoleculen en hun lokalisatie in het
vlies (te vergelijken met de fosfolipiden en hun lokalisatie in het
celmembraan).
3 nm
hydrofiele
kop
2
• Een zeepbel is een vlies van water en zeepmoleculen dat een
bepaald volume lucht omringt. Dat vlies bestaat eigenlijk uit 3
dunne laagjes: een dubbellaag van zeepmoleculen met daartussen een flinterdun laagje water.
1
• Zeepmoleculen vertonen sterke gelijkenissen met fosfolipiden.
Net zoals fosfolipiden bestaan ze uit een polaire, hydrofiele kop en een apolaire, hydrofobe staart. In tegenstelling tot fosfolipiden hebben zeepmoleculen slechts één staart
i.p.v. twee.
0
• Het gevolg van de polariteit en het gedrag van zeepmoleculen
in water zorgen ervoor dat er zich zeepbelvliezen vormen die
je schematisch kunt voorstellen zoals op Fig. 1.14A.
In zeepmoleculen wijzen de hydrofobe staarten van elkaar
weg, terwijl de hydrofiele koppen naar elkaar toe wijzen en
interageren met de watermoleculen van het waterlaagje.
hydrofobe
staart
Fig. 1.13 Schematische
weergave van
een zeepmolecule
zeepmolecule
A
water
B
water
fosfolipide
Fig. 1.14 Schematische weergave van een zeepbelvlies (A).
Merk de verschillen en gelijkenissen op met de
fosfolipidendubbellaag (B) van een celmembraan.
16
Onderzoeksvraag
Welke eigenschappen van het celmembraan kan je waarnemen met een zeepbel als model?
Werkwijze
• Doe een theelepel afwasmiddel in een glas water
en roer goed; je hebt nu zeepsop gemaakt.
• Steek je hand in het zeepsop en maak een bord
goed nat met je hand.
• Doop een rietje in het zeepsop en houd het schuin
tegen het bord; blaas een grote bel.
• Raak met je vinger, die je vooraf met zeepsop
hebt bevochtigd, of met de zijkant van het rietje
zeer voorzichtig de zeepbel aan zonder dat ze
uiteenspat.
• Maak je vinger nat in het zeepsop, prik doorheen
het zeepbelvlies en trek je vinger weer terug.
Herhaal hetzelfde met een naald of een kopspeld.
Fig. 1.15 Zeepbellen
Waarnemingen en verklaring
Bij aanraking zal de zeepbel vervormen maar toch heel blijven, omdat het zeepbelvlies een flexibele structuur
is.
Als je je vinger of een fijne naald uit het doorboorde zeepbelvlies terugtrekt, blijft het vlies intact omdat het
een zelfsluitende structuur is.
Besluit
Een zeepbelvlies en het celmembraan zijn allebei flexibel en zelfsluitend, eigenschappen die te verklaren zijn
door hun structurele gelijkenissen.
Functies van het celmembraan:
We geven hier alleen een opsomming van de functies van het celmembraan. De transport- en receptorfunctie en
de rol van het celmembraan in celcommunicatie komen uitgebreider aan bod in thema 3.
• Het celmembraan omsluit en isoleert de celinhoud.
• Het celmembraan laat selectief stoffen door in twee richtingen, dus zowel in als uit de cel. Dikwijls zijn
het membraanproteïnen met een transportfunctie die daarbij tussenkomen.
• Het celmembraan speelt een rol in het herkennen van stoffen buiten de cel. Sommige membraanproteïnen hebben een receptorfunctie.
Die proteïnen moeten moleculaire signalen uit de omgeving opvangen. Elke receptorproteïne werkt volgens
een sleutel-slotmodel, dat wil zeggen dat op één receptor in principe slechts één stof kan binden. Na binding
wordt de receptor geactiveerd en ontstaat er een intracellulaire respons.
• Het celmembraan speelt een rol in de communicatie met andere cellen.
De sacharidenketens die aan de buitenkant van het celmembraan uitsteken, geven elk celtype een kenmerkende structuur. Zo zorgen ze ervoor dat cellen onderling elkaar kunnen herkennen en ontstaat er een
vorm van communicatie tussen cellen.
Thema 1: functionele morfologie van de cel
17
4
Submicroscopische structuren
in cellen
De submicroscopische celstructuren die we hier beschrijven, zijn een soort miniorgaantjes met een ­bepaalde
functie in een cel. We noemen ze celorganellen.
Sommige celorganellen zijn opgebouwd uit membranen met een structuur die vergelijkbaar is met het celmembraan.
kernmembraan
kernporiën
4.1 Celkern
Bouw:
De celkern of nucleus is duidelijk afgescheiden van het cytoplasma door
een dubbel membraan: het kernmembraan, soms ook kernomhulsel
genoemd. In het kernomhulsel komen kernporiën voor, waarlangs uitwisseling van grote moleculen tussen cytoplasma en kern mogelijk is.
Binnenin de celkern bevindt zich de chromatine, een warrig netwerk
van chromatinevezels. Deze draadvormige structuren zijn hoofdzakelijk
opgebouwd uit DNA (= desoxyribonucleïnezuur) en proteïnen.
chromatine
nucleolus
Fig. 1.16 Celkern of nucleus
A
B
C
proteïne
DNA
DNA-molecule
Fig. 1.17 Moleculaire opbouw
van een chromatinevezel
A Een ruimtelijk model
van een DNA-molecule
B Schematische voorstelling
van een stukje DNA
C DNA gewonden rond proteïnen
DNA is het genetisch materiaal dat de informatie bevat om in cellen proteïnen aan te maken. Een stukje
DNA dat de informatie bevat om één proteïne aan te maken, noemen we een gen.
In de celkern wordt eerst een kopie van een gen gemaakt in de vorm van mRNA of messenger-RNA (RNA
= ribonucleïnezuur). Vervolgens verlaat die kopie de celkern via de kernporiën. Zo komt de informatie terecht in
het cytoplasma, waarin zich de organellen bevinden, die de informatie zullen aflezen en zullen meehelpen aan
de synthese van de proteïne. Het zijn de proteïnen die uiteindelijk de structuur en de werking van de cel bepalen.
Het menselijk lichaam telt meer dan tweehonderd celtypes, waaronder levercellen, zenuwcellen, huidcellen en
spiercellen. In elk celtype zijn andere delen van het DNA actief, d.w.z. dat in elk celtype andere instructies lees­
baar zijn, die vervolgens worden vertaald in celspecifieke proteïnen.
Naast de chromatine zitten er in de celkern één of enkele donkergekleurde structuren: de nucleoli (kernlichaampjes). Een nucleolus is opgebouwd uit DNA, RNA en proteïnen.
18
A
B
R.E.R.
euchromatine
kernporiën
nucleolus
kernmembraan
heterochromatine
Fig. 1.18
A EM-beeld van een celkern
B Schematische weergave van een celkern (Ø 5-10 µm)
Functies:
• De nucleus bevat nagenoeg al het genetisch materiaal in de vorm van DNA.
• De replicatie of de verdubbeling van al het DNA – nodig als de cel zich gaat delen – gebeurt in de
celkern.
• De nucleoli zijn de aanmaakplaatsen van rRNA of ribosomaal RNA, dat nodig is voor de opbouw van ribosomen.
Heterochromatine en euchromatine
De totale lengte van het DNA in een menselijke cel bedraagt ongeveer 2 m. Die hoeveelheid DNA past in een celkern met een diameter van
ongeveer 10 µm. Bij het opvouwen mag het draadvormig DNA niet in de knoop raken. Bovendien moet het DNA bij celdeling exact verdubbeld kunnen worden. Ten slotte moet de erfelijke informatie die op het DNA aanwezig is, feilloos af te lezen zijn. De cel is dus niet alleen
gedwongen om haar DNA goed te beschermen, maar ook om het op een speciale en dynamische manier te verpakken.
Grofweg kun je twee types DNA-opvouwing
in een celkern onderscheiden: heterochromatine en euchromatine. Heterochromatine
is extra compact opgevouwen DNA, terwijl
euchromatine iets minder strak opgerold
is. Omdat er meer proteïne nodig is om DNA
compacter op te rollen, bevat heterochromatine veel meer proteïnen dan euchromatine.
In de elektronenmicroscoop herken je heterochromatine als de donkere gebieden; de
gebieden met euchromatine zijn lichter van
kleur.
Er is een verband tussen opvouwing en activiteit. Heterochromatine is inactief, omdat het
DNA omwille van de vele eiwitten, moeilijk te
bereiken is; euchromatine is wel toegankelijk,
waardoor dat DNA actief is.
Het inactiveren van delen van het DNA leidt
ertoe dat er verschillende soorten van celtypes kunnen ontstaan en dus verschillende
types van weefsels. Zo zullen in een levercel
andere delen van het DNA voorkomen in de
vorm van het inactieve heterochromatine dan
in een spiercel of een hersencel.
A
B
30 nm
DNA-molecule
proteïne
proteïne
DNA
euchromatine
heterochromatine
Fig. 1.19 Moleculaire opbouw van een chromatinevezel
A Schematische voorstelling van euchromatine
B Schematische voorstelling van heterochromatine
Thema 1: functionele morfologie van de cel
19
4.2 Ribosomen
Bouw:
Ribosomen zijn uiterst kleine korrels, die bestaan uit een kleine en een grote subeenheid. Ze zijn opgebouwd
uit rRNA en proteïnen, en dus niet uit membranen. Ribosomen komen los voor in het cytoplasma of gebonden
aan het membraan van het ruw endoplasmatisch reticulum (zie 4.3).
Functie:
Ribosomen lezen de kopie van de informatie (het mRNA) omtrent de bouw van een proteïne af. Dat gebeurt
terwijl die kopie langs de kleine en de grote subeenheid doorschuift.
Ribosomen decoderen dus de genetische informatie van het DNA zodanig dat er proteïnen
worden gesynthetiseerd. Ze zijn dus onontbeerlijk voor de eiwitsynthese.
A
kleine subeenheid
B
G G C U A
5'
A A C U
U U G
A C
G C U
G U
3'
kopie van de
informatie uit
de celkern (mRNA)
grote subeenheid
proteïne in aanmaak
Fig. 1.20
A EM-beeld van ribosomen
vrij in het cytoplasma
(Ø 10-25 nm)
B Schematische weergave
van een ribosoom in
werking
4.3 Endoplasmatisch reticulum (E.R.)
Bouw:
Aansluitend op het kernmembraan volgt het endoplasmatisch reticulum (E.R.). Dat is een netwerk van membranen met het uitzicht van afgeplatte blaasjes en buisjes. Er komt ook E.R. voor dat niet in verbinding staat met
het kernmembraan.
De membranen van het E.R. kunnen aan de cytoplasmatische kant bezet zijn met ribosomen. In dat geval spreken we van R.E.R. (Rough Endoplasmic Reticulum). E.R. zonder ribosomen noemen we S.E.R. (Smooth Endoplasmic Reticulum).
A
B
ribosoom
S.E.R.
transportblaasje
R.E.R.
kernporie
celkern
Fig. 1.21
A Ingekleurd EM-beeld van ruw
endoplasmatisch reticulum (R.E.R.)
B Schematische weergave van R.E.R.
en glad endoplasmatisch reticulum
(S.E.R.) (de gepaarde membranen
hebben een afstand van 20 tot 60 nm)
Functies:
• De ribosomen op het R.E.R. staan in voor de synthese van proteïnen. Binnen de membranen van het
R.E.R. kunnen nog niet afgewerkte proteïnen opgeslagen worden. Vervolgens worden die moleculen
verpakt in transportblaasjes en vervoerd naar organellen die instaan voor de nabewerkingen, zoals het
Golgi-apparaat (zie 4.4).
• Het S.E.R. is betrokken bij de vorming van vetzuren en fosfolipiden.
20
4.4 Golgi-apparaat (G.A.)
Bouw:
Het Golgi-apparaat (genoemd naar de Italiaanse ontdekker Camillo Golgi (1843-1926)) bestaat uit een
stapel van afgeplatte zakjes, de cisternen, begrensd door een membraan. Aan het oppervlak van die zakjes
worden regelmatig Golgiblaasjes afgesnoerd.
B
A
Golgiblaasjes
Golgicisternen
transportblaasje
Fig. 1.22
A Ingekleurd EM-beeld van een Golgi-apparaat
B Schematische weergave van het Golgi-apparaat (1 tot 2 μm lang)
Functie:
In het Golgi-apparaat worden de proteïnen bewerkt die via transportblaasjes vanuit het R.E.R. worden aangevoerd. In elke cistern worden specifieke nabewerkingen op de proteïnen uitgevoerd met behulp van enzymen.
Vervolgens verpakt het G.A. de eindproducten (de afgewerkte proteïnen) in Golgiblaasjes. Als die blaasjes eindproducten bevatten die buiten de cel worden afgegeven, spreken we van secretieblaasjes.
vrije
ribosomen
transportblaasje
celmembraan
secretieblaasje
met eindproducten
secretie van
eindproducten
celkern
invoegen van
membraanmateriaal
Golgi-apparaat
blaasje voor aanvoer
membraanmateriaal
kernporie
kernmembraan ruw E.R. glad E.R.
Fig. 1.23 Schematische weergave van de relatie tussen E.R., Golgi-apparaat en secretieblaasjes
Thema 1: functionele morfologie van de cel
21
4.5 Lysosoom
Lysosomen en celdood
Bouw:
Ook een lysosoom is een Golgiblaasje. Het is een
celorganel dat typisch is voor de dierlijke cel. Een
lysosoom bevat afbrekende enzymen. De zuurgraad in een lysosoom is hoger dan in het cytosol.
De hogere zuurgraad helpt de afbrekende enzymen
hun werk te doen.
Het endoplasmatisch reticulum, het Golgi-apparaat
en het lysosoom vormen een functioneel geheel.
Proteïnen gesynthetiseerd in het E.R. worden verpakt
en via transportblaasjes vervoerd naar het Golgiapparaat. Daar versmelten die blaas­
jes met een
Golgicistern en vinden er verdere bewerkingen van
de proteïnen plaats. Op die manier kunnen de eindproducten als functionele afbraakenzymen in een
lysosoom terechtkomen.
Lysosomen spelen ook een rol bij de apoptose. Apoptose is
een geprogrammeerde of actieve celdood; in elke cel zijn de
mechanismen aanwezig die apoptose mogelijk maken.
Als een cel signalen van zijn omgeving ontvangt die de cel tot
apoptose dwingen, of als de cel zoveel schade heeft opgelopen dat verder bestaan niet mogelijk is, wordt een intracellulair mechanisme geactiveerd. Dat mechanisme leidt uiteindelijk tot de activering van eiwitafbrekende enzymen.
Celdood treedt massaal op bij dieren die tijdens hun leven
een gedaanteverandering ondergaan, zoals insecten of amfibieën. Zo verdwijnen bij insecten de organen van de larve
vrijwel helemaal tijdens het popstadium; daarbij dienen de
afbraakproducten als bouwmateriaal voor de volwassen organen.
Fig. 1.26 Apoptose tijdens de gedaanteverwisseling van een koninginnenpage (Papilio machaon)
Fig. 1.24 Ingekleurd EM-beeld van een lysosoom (rood) (Ø 25-200 nm).
Het grote geelgroene organel aan de linkerzijde is de celkern.
Een ander voorbeeld is de verandering van kikkervisje naar
kikker, waarbij staart en kieuwen volledig worden afgebroken voordat de volwassen vorm ontstaat.
lysosoom
transportblaasje
R.E.R.
S.E.R.
Fig. 1.27 Door apoptose verliest een kikkervisje zijn staart en kieuwen.
Golgi-apparaat
celkern
Fig. 1.25 Schematische weergave van de relatie
tussen E.R., Golgi-apparaat en lysosoom
Functies:
• Lysosomen kunnen celeigen bestanddelen afbreken: we spreken van autofagie.
• De afbraak van extracellulair materiaal door een
lysosoom noemen we heterofagie. Dat type
van afbraak gebeurt door een bepaald type witte
bloedcellen, de macrofagen, die binnengedrongen bacteriën uitschakelen door fagocytose.
22
Apoptose doet zich ook voor bij de menstruatie. De cellen in
het verdikte baarmoederslijmvlies worden afgebroken en
opgeruimd tot op een basislaag. Die basale laag kan dan onder invloed van hormonen weer aangroeien tijdens de volgende menstruatiecyclus.
In de embryonale ontwikkeling van de mens zorgt apoptose
ervoor dat niet-noodzakelijke of ongewenste weefsels
verdwijnen. Een mooi voorbeeld is de vorming van handen
en voeten. In een vroeg stadium zijn die peddelvormig, zonder vingers en tenen. Op een zeker moment groeien kleine
delen van de peddel sneller dan de tussenliggende gebieden:
er ontstaan vingers en tenen. In de tussenliggende gebieden
komt apoptose op grote schaal voor, zodat de weefselgroei
er achterblijft. Als het optreden van apoptose experimenteel
wordt verhinderd, ontstaan er aaneengegroeide vingers. Bij
de mens noemen we die afwijking syndactylie.
4.6 Mitochondriën
Bouw:
Mitochondriën zijn staaf- of bolvormige celorganellen die in grote aantallen kunnen voorkomen. Ze zijn begrensd door twee membranen. Het inwendige membraan vertoont vele instulpingen: de cristae. Die zorgen
voor een oppervlaktevergroting van het membraan.
De inhoud van het mitochondrion noemen we de matrix.
B
A
uitwendig membraan
inwendig
membraan
cristae
matrix
Fig. 1.28
A Ingekleurd EM-beeld van een mitochondrion
B Schematische weergave van een mitochondrion
(1-2 µm lang)
Functie:
Mitochondriën zijn centra van celademhaling, d.w.z. dat ze de enzymen voor de verbranding van voedingsstoffen bevatten. Ze kunnen maar functioneren als er zuurstofgas voorhanden is. Bij de verbranding van
voedingsstoffen komt energie vrij, die wordt vastgelegd in de energierijke verbinding ATP (adenosinetrifosfaat).
ATP is de energievorm die cellen gebruiken voor al hun celactiviteiten. Mitochondriën zijn dus essentieel voor
de productie van energie in de cel.
Er is dan ook een verband tussen het aantal mitochondriën en de activiteit van cellen. Spiercellen die moeten kunnen samentrekken en zaadcellen die actief moeten kunnen bewegen, bevatten grote aantallen mitochondriën.
4.7 Cytoskelet
Bouw:
Het cytoskelet is een complex netwerk van proteïnevezels. De
proteïnevezels hangen vast aan het celmembraan en de celorganellen. In
tegenstelling tot wat de naam doet vermoeden, vormt het cytoskelet een
dynamisch geheel dat in luttele minuten kan worden gereorganiseerd.
We onderscheiden drie types van proteïnevezels:
• Microfilamenten zijn lange dunne draden (Ø 7-9 nm) opgebouwd
uit de proteïne actine. Ze geven vooral structuur aan het celmembraan: bv. de vorming van microvilli in de epitheelcellen van de dunne darm.
• Microtubuli zijn holle buisjes met een variabele lengte (Ø 25 nm).
Ze bestaan uit de proteïne tubuline. Microtubuli zijn ook de basisstructuren van centriolen, trilharen en zweepharen.
• Intermediaire filamenten zijn iets dikker dan microfilamenten
(Ø 10 nm) en zijn opgebouwd uit verschillende proteïnes. Ze geven
o.a. structuur aan haar en nagels.
Fig. 1.29 Ingekleurd EM-beeld van microvilli op het
oppervlak van een darmepitheelcel
Thema 1: functionele morfologie van de cel
23
B
A
intermediaire
filamenten
R.E.R.
microtubulus
mitochondrion
microfilamenten
Fig. 1.30
A Een lichtmicroscopisch beeld van twee bindweefselcellen.
Fluorescerende kleurstoffen hebben de microtubuli geel gekleurd en
de celkern groen.
B Schematische weergave van het cytoskelet
Functies:
• Het cytoskelet speelt een rol in het handhaven van de vorm van een cel.
• Het cytoskelet heeft een invloed op de verplaatsing van celorganellen binnen een cel.
• Het cytoskelet vormt een soort van wegennet in de cel waarlangs transport- en secretieblaasjes kunnen
bewegen met behulp van motorproteïnen.
transportblaasje
motorproteïne
Fig. 1.31
Transport van een
transportblaasje langs een
microtubulus m.b.v. een
speciale motorproteïne
microtubulus
• Het cytoskelet voorkomt chaotische verspreiding van celorganellen.
• Het cytoskelet is van belang bij de beweging van cellen (bv. amoeben) zelf; dit gebeurt door op bepaalde plaatsen het cytoskelet af te breken en het op andere plaatsen op te bouwen.
Fig. 1.32 De typische vorm van een rode bloedcel wordt gehandhaafd
door het cytoskelet.
24
Fig. 1.33 Vervorming van het cytoskelet maakt beweging bij een amoebe
mogelijk.
4.8 Centriool
Bouw:
In alle dierlijke cellen zie je twee staafjes in de buurt van de celkern;
het zijn twee centriolen, die loodrecht op elkaar staan. De staafjes
bestaan uit microtubuli die in een bepaald patroon gerangschikt zijn.
centriolen
A
B1
B2
microtubuli
Fig. 1.34
A EM-beeld van een dwarsdoorgesneden centriool
B1 Schematische weergave van een centriool
(Ø 150 nm, lengte 300-500 nm)
B2 Dwarsdoorsnede van een centriool
genetisch
materiaal in de
vorm van een
chromosoom
Fig. 1.35 Schematische weergave
van een cel in een bepaalde fase
van de celdeling
Functie:
Centriolen spelen een belangrijke rol tijdens de celdeling. Ze zorgen samen met de microtubuli voor een
precieze verdeling van het genetisch materiaal over de dochtercellen.
4.9 Vacuole
Bouw:
Een vacuole is een celorganel dat voornamelijk voorkomt in een plantencel.
Het is een blaasje begrensd door een membraan met een speciale naam: de tonoplast. De inhoud van de
vacuole, het celsap, bevat water, sachariden, ionen en pigmenten (kleurstoffen).
A
B
chloroplast
vacuole
celsap
tonoplast
Fig. 1.36
A Ingekleurd EM-beeld van een vacuole
(bleekgroen)
B Microfoto van de cellen van een rode ui.
De vacuole is gevuld met het rode
pigment anthocyaan en vult nagenoeg
de volledige cel.
Functies:
• De vacuole in plantencellen bevat een waterreserve.
• Als de vacuole goed gevuld is, ontstaat een druk tegen de celwand die plantencellen en dus de plant in haar
geheel stevigheid geeft.
• De vacuole in plantencellen kan reservestoffen opslaan.
• Soms wordt de vacuole beschouwd als een plantaardig lysosoom, omdat er afbrekende enzymen in
voorkomen. Tevens is, net zoals bij het lysosoom, de zuurgraad hoger in de vacuole dan in het cytosol.
Thema 1: functionele morfologie van de cel
25
4.10 Chloroplasten
Bouw:
Chloroplasten of bladgroenkorrels komen voor in alle groene delen van planten en vooral talrijk in bladcellen. Hun dubbele membraan omgeeft het kleurloze stroma. Het inwendige membraan vertoont instulpingen:
de thylakoïden. Plaatselijk zijn er, tussen de thylakoïden, stapeltjes van afgeplatte membraanzakjes die als
muntstukken op elkaar liggen: de grana. In de membranen van de thylakoïden en de grana zitten de chlorofylmoleculen (= bladgroenmoleculen) vastgeankerd.
A
B
Fig. 1.37
A Lichtmicroscopisch beeld van chloroplasten in een cel van een
blaadje waterpest
B Ingekleurd EM-beeld van plantencellen met chloroplasten
A
B
inwendig
membraan
stroma
granum
thylakoïd
Fig. 1.38
A EM-beeld van een chloroplast (lengte 5-10 μm)
B Schematische weergave van een deel van een chloroplast
uitwendig membraan
Functie:
Chloroplasten voeren de fotosynthesereacties uit: de chlorofylmoleculen vangen de lichtenergie op; die
energie wordt gebruikt om suikers op te bouwen uit CO2 en water. Dat syntheseproces gebeurt in het stroma.
26
5
Vergelijking tussen een dierlijke cel
en een plantencel
dierlijke cel
1
2
plantencel
3
12
3
2
1
4
18
18
15
19
12
6
5
7
7
6
20
5
13
10
9
20
13
9
16
14
17
10
11
8
Fig. 1.39 Vergelijking
tussen een dierlijke cel
en een plantencel
8
dierlijke cel
plantencel
verschillen
• lysosoom (11)
• centriool (14)
• celwand (19)
• vacuole (16) met tonoplast (17)
• chloroplast (15)
overeenkomsten
• celmembraan (1)
•
• celkern (6) met
•
− nucleolus (7)
•
− kernporiën (4)
− chromatine (5)
• ribosoom (13)
•
• R.E.R. (3)
•
• S.E.R. (12)
Golgi-apparaat (8)
secretieblaasje (9)
cytoskelet:
− microtubulus (10)
− microfilamenten (20)
mitochondrion (2)
cytosol (18)
Leukoplasten en chromoplasten in plantencellen
Naast chloroplasten komen er in plantencellen ook leukoplasten en chromoplasten
voor. Leukoplasten zijn korrelvormige organellen zonder pigmenten. Ze slaan
vooral zetmeel op waarbij ze zich helemaal vullen met zetmeel en overgaan naar
zetmeelkorrels.
Chromoplasten zijn korrelvormige organellen met rode, oranje of gele pigmenten.
Ze kleuren bloemen en vruchten. In de natuur is dat belangrijk om dieren te lokken
die voor bestuiving of verspreiding van vruchten en zaden moeten zorgen.
Als tomaten rijpen, veranderen de groene chloroplasten in rode chromoplasten.
Fig. 1.40 Chloroplasten gaan over in
chromoplasten bij de rijping van tomaten.
Thema 1: functionele morfologie van de cel
27
6
Twee types van cellen
Er komen bij organismen twee types van cellen voor: prokaryote en eukaryote cellen. De beschrijving van de celstructuren hierboven geldt alleen voor
de eukaryote cel.
In prokaryote cellen is er geen compartimentering in celorganellen
die door een membraan omsloten worden. Hun DNA is ook niet opgesloten
binnen een kernmembraan, maar ligt los in het cytoplasma. Het DNA van
prokaryoten is niet opgerold rond proteïnen (naakt DNA). Een celwand en
celmembraan zijn wel aanwezig. Ribosomen komen voor, maar hebben een
andere structuur dan bij eukaryoten.
Het prokaryote celtype vind je bij bacteriën en archaea.
Fig. 1.41 Ingekleurd EM-beeld van de
darmbacterie Escherichia coli, bezig
met celdeling. In de groene gebieden
bevindt zich het DNA.
Eukaryote cellen vallen op door hun uitgesproken compartimentering in celorganellen. Een cel heeft voordeel
bij die compartimentering. De celtaken kunnen over verschillende organellen verdeeld worden. In elk organel vinden specifieke reacties plaats, die de reacties in andere organellen
niet storen. Het succes van de eukaryote cel blijkt uit het feit
dat alle meercellige organismen de eukaryote celstructuur bezitten. Toch bestaan er ook eencellige organismen
met eukaryote cellen.
Fig. 1.42 Ingekleurd EM-beeld van een eukaryote cel met celkern
(blauw), mitochondriën (rood) en lysosomen (lichtblauw)
E volutie !
Van prokaryote naar eukaryote cellen
Heel wat onderzoekers gaan ervan uit dat prokaryote cellen eerst zijn ontstaan en dat daaruit het eukaryote celtype is
geëvolueerd. De oudste fossielen die men heeft gevonden, lijken erg op de prokaryoten die nu nog leven. Die fossielen zijn
ongeveer 3,5 miljard jaar oud. De eerste fossiele eukaryoten werden gevonden in 1,3 miljard jaar oude gesteenten.
In verband met het ontstaan van eukaryoten uit prokaryoten werd de endosymbiosehypothese geformuleerd. Die stelt
dat mitochondriën en chloroplasten aanvankelijk zelfstandige prokaryoten waren. Door opname in een andere prokaryote
cel zou dan de gecompartimenteerde eukaryote cel ontstaan zijn.
Argumenten voor die endosymbiosehypothese zijn:
• Mitochondriën en chloroplasten hebben een gedeeltelijke genetische autonomie. Dat betekent dat beide celorganellen
een eigen cirkelvormig DNA bezitten. In de matrix van mitochondriën en het stroma van chloroplasten zijn ribosomen
aanwezig van het type dat je aantreft bij de meeste bacteriën. Met hun DNA en ribosomen kunnen mitochondriën en
chloroplasten een deel van hun eigen eiwitsynthese uitvoeren.
• Het DNA van mitochondriën en chloroplasten is ringvormig en naakt (zonder proteïnen), zoals bij de prokaryoten.
• De ribosomen in mitochondriën en chloroplasten zijn van het prokaryote type.
• Het dubbele membraan van mitochondriën en chloroplasten suggereert een opname in een cel.
• De afmetingen van mitochondriën en chloroplasten komen overeen met die van bacteriën (enkele µm).
28
Wetenschap en Neurodegeneratieve
ziekten
samenleving
Het menselijk lichaam is opgebouwd uit 10 000 miljard cellen. Heel wat van die cellen hebben een beperkte
levensduur en sterven af. Ze worden tijdens het leven voortdurend vervangen, omdat er in de weefsels cellen zijn
die door celdeling voor vervanging zorgen.
Zenuwcellen of neuronen zijn cellen die het vermogen om zich te delen, verloren hebben. Ze functioneren op
basis van uitgebreide netwerken (dendrieten en axonen) van onderlinge verbindingen (synapsen). Als neuronen
voortdurend zouden delen, zouden die netwerken hopeloos in de war raken. Uitgevallen neuronen worden niet
vervangen, zodat iedereen op het einde van zijn leven minder neuronen heeft dan bij zijn geboorte.
1
Wat zijn neurodegeneratieve ziekten?
Neurodegeneratieve ziekten zijn aandoeningen van de hersenen of het ruggenmerg, waarbij in de loop van
de jaren zenuwcellen heel geleidelijk aan afsterven. Doordat het celverlies heel langzaam verloopt, zijn
neurodegeneratieve ziekten chronische aandoeningen die gaandeweg erger worden. De aantasting van
het zenuwstelsel leidt tot ernstige lichamelijke en geestelijke invaliditeit.
Het celverlies treedt op in specifieke, welomschreven delen van de hersenen. Het is dus niet zo
dat de hele hersenen aangedaan zijn. Er zijn altijd bepaalde hersengebieden die meer schade oplopen. Afhankelijk van welke gebieden aangetast zijn, treden typische verschijnselen op.
Een ander gemeenschappelijk kenmerk van deze groep aandoeningen is dat er momenteel nog geen oorzakelijke behandeling voor bestaat. De oorzaken van de ziekten zijn nog onvoldoende gekend en volop in
onderzoek. De huidige behandelingen bestaan erin de symptomen te verlichten.
De meest gekende voorbeelden van neurodegeneratieve aandoeningen zijn de ziekte van Parkinson, de
ziekte van Alzheimer en dementie. Daarnaast zijn er nog andere, zoals de ziekte van Pick, die minder
bekend zijn en minder frequent voorkomen. In hun totaliteit treffen die ziekten wel een groot aantal mensen.
2
Neurodegeneratie bij de ziekte van Alzheimer
De ziekte van Alzheimer is de meest voorkomende vorm van dementie. De voornaamste risicofactor is
een hoge leeftijd, wat verklaart waarom het aantal gevallen snel toeneemt in onze vergrijzende samenleving. In
België zijn er naar schatting meer dan 100 000 mensen met de ziekte van Alzheimer. Het is een hersenziekte,
waarbij neuronen in sommige delen van de hersenen ophouden met functioneren en afsterven.
Op microscopisch niveau doen zich in de hersenen een aantal veranderingen voor:
• Tussen de hersenneuronen ontstaan amyloïde plaques, klonters van bèta-amyloïd. Bètaamyloïd is een proteïnefragment
dat uit de veel grotere APP-proteïne
(Amyloïd Precursor Protein ofwel
Amyloïde Voorloper Proteïne) wordt
geknipt. In gezonde hersenen worden die proteïnefragmenten afgebroken en verwijderd. In hersenen
van alzheimerpatiënten stapelen ze
zich op in het extracellulaire milieu
en vormen er stevige, onoplosbare
klonters. Daardoor wordt de communicatie tussen de neuronen verhinderd en sterven ze af.
normaal
ziekte van Alzheimer
neurofibrillaire
tangles
zenuwcel
amyloïde plaques
Fig. 1.43 Vorming van amyloïde plaques tussen en neurofibrillaire tangles in hersencellen
Thema 1: functionele morfologie van de cel
29
• In het cytoplasma van de hersenneuronen
vormen zich neurofibrillaire tangles of knopen. Dat zijn onoplosbare vezels van tauproteïne. Normaal is de tauproteïne een onderdeel van
de microtubuli, dat veel voorkomt in neuronen. Het
heeft als functie een chemische interactie met tubuline aan te gaan, zodat de microtubuli opgebouwd en
gestabiliseerd worden. Bij de ziekte van Alzheimer
verandert de structuur van de tauproteïne en vallen
de microtubuli uit elkaar. De structuur van de zenuwvezels en van de neuronen gaat dan te gronde.
Op macroscopisch niveau doet er zich langzaam aan
een globale inkrimping van de hersenen voor.
De groeven en windingen worden dieper en de hersenkamers worden groter.
3
normaal
ziekte van Alzheimer
winding
winding
groef
groef
taal
taal
geheugen
geheugen
hersenkamer
Fig. 1.44 Frontale doorsnede door de hersenen: de inkrimping is
duidelijk te zien.
Oorzaken van de ziekte van Alzheimer
Onderzoekers hebben ontdekt dat een aantal genen het risico op Alzheimer verhogen. De risicogenen hebben te maken met de gevoeligheid voor de ziekte en zijn vooral van belang bij oudere patiënten. Ook zijn er
genen gekend die de ziekte kunnen veroorzaken. Het onderzoek naar die causale genen is vooral voor jongere
patiënten belangrijk.
Ondertussen realiseren onderzoekers zich dat naast genen ook andere elementen van invloed zijn op het
ontstaan en de ontwikkeling van Alzheimer. Zo spelen elementen van voeding, immuniteit, lipidenhuishouding,
fysieke activiteit en sociale en cognitieve activiteit zeker ook een rol.
4
Behandeling van de ziekte van Alzheimer
Op dit moment moeten alzheimerpatiënten het stellen met medicijnen die het ziekteproces vertragen of de
symptomen van de ziekte verminderen. Er zijn verschillende middelen beschikbaar die erop gericht zijn de
werking van en de communicatie tussen de overgebleven hersencellen te stimuleren. Het ziekteproces houden ze
evenwel niet tegen en bovendien hebben de medicijnen een aantal bijwerkingen. Omdat het ziekteproces bij
iedere patiënt anders verloopt, zijn de medicijnen ook niet bij alle patiënten effectief.
Middelen gericht tegen bèta-amyloïd of tegen tauproteïne zijn in ontwikkeling. Wetenschappers zijn meer bepaald op zoek naar een vaccin tegen de abnormale eiwitopstapeling. Zo’n vaccin zou het immuunsysteem
moeten leren antistoffen te produceren om daarmee het opgehoopte eiwit af te breken (actieve immunotherapie).
Een andere mogelijkheid is antistoffen tegen bèta-amyloïd of tegen tau rechtstreeks toe te dienen (passieve immunotherapie). Beide strategieën zijn al toegepast bij muizen en de resultaten zijn veelbelovend. Ondertussen
wordt er ook getest op kleine groepen van proefpersonen.
Een bruikbaar vaccin zal evenwel nog niet onmiddellijk beschikbaar zijn.
5
Sociale aspecten van de ziekte van Alzheimer
De gevolgen van de ziekte van Alzheimer zijn ingrijpend, op de eerste plaats voor de patiënt zelf. In de
vroege stadia van de ziekte begint het kortetermijngeheugen achteruit te gaan. Dan takelt het vermogen om
routinetaken uit te voeren – zoals zich wassen en aankleden – af. Naarmate er meer hersencellen afsterven,
treden er gedragswijzigingen op, zoals stemmingswisselingen, ronddolen en rusteloosheid. Het vermogen om
iemand te herkennen en om te communiceren verdwijnt bijna volledig. De controle over de darmen en de blaas
gaat verloren. Uiteindelijk moeten de patiënten voortdurend verzorgd en opgepast worden. Dat stadium van
volledige afhankelijkheid kan jaren duren.
Maatschappelijk gezien zal de zorg voor het toenemend aantal mensen met de ziekte van Alzheimer een
uitdaging vormen. De overheid zal de nodige ondersteuning en uitbreiding moeten geven aan de verschillende
vormen van zorg, zoals opvang door de familie, thuishulp en opname in verzorgingstehuizen.
30
Functionele
morfologie van
de cel
1
SAMENVATTING
Cellen in relatie met andere organisatieniveaus
De organisatieniveaus in de biologie zijn: biosfeer
ecosysteem
populatie
orgaanstelsel
orgaan
weefsel
cel
celorganel
macromolecule
molecule
Cellen nemen een bijzondere plaats in als basiseenheden van alle leven.
2
organisme
atoom.
Observeren van cellen
Omdat de afmetingen van de meeste cellen tussen 10 en 200 μm liggen, kunnen we de grotere celonderdelen
met een lichtmicroscoop bekijken. De uitvinding van de elektronenmicroscoop in de 20ste eeuw heeft het
mogelijk gemaakt om de submicroscopische bouw van cellen te bestuderen.
3
Submicroscopische studie van het celoppervlak
Plantencellen, fungi (zwammen) en bacteriën hebben aan hun oppervlak een celwand. Het cytoplasma van
alle cellen is omsloten door het celmembraan.
submicroscopische structuur en functies van het celoppervlak
celwand (variabele dikte)
Celwanden maken cellen steviger en bieden bescherming tegen afbraak en ongunstige milieuomstandigheden.
celmembraan (ca. 10 nm dik)
De fosfolipidendubbellaag zorgt ervoor dat membranen
flexibel en zelfsluitend zijn. De selectieve doorlaatbaarheid van membranen wordt mee mogelijk gemaakt
door de aanwezigheid van transmembraanproteïnen.
sacharidenketen
extracellulaire kant
transmembraanproteïne
fosfolipide
intracellulaire kant
cholesterol
Het celmembraan omsluit en isoleert de celinhoud
en laat stoffen door in twee richtingen. Sommige membraanproteïnen fungeren als receptor voor stoffen die zich
aan de buitenkant van de cel bevinden. De sacharidenketens zorgen voor communicatie tussen cellen.
Thema 1: functionele morfologie van de cel
31
4
Submicroscopische structuren in cellen
Het cytoplasma bestaat uit een geleiachtige vloeistof, het cytosol, waarin een aantal celorganellen voorkomen.
submicroscopische structuur en functies van celorganellen
celkern of nucleus (Ø 5-10 µm)
De celkern bevat het genetisch materiaal (= DNA) met de informatie om proteïnen aan te maken. Het zijn proteïnen die de structuur en
de werking van de cel bepalen.
De nucleoli zijn de aanmaakplaatsen voor RNA-moleculen
die mee de ribosomen opbouwen.
32
ribosomen (Ø 10-25 nm)
Ze decoderen de genetische informatie van het DNA en
synthetiseren met behulp van die informatie proteïnen.
endoplasmatisch reticulum
(E.R.)
(de gepaarde membranen hebben
een afstand van 20 tot 60 nm)
Het R.E.R. is betrokken bij de synthese, de opslag en het transport van proteïnen. Het S.E.R. speelt een rol bij de vorming van
vetzuren en fosfolipiden.
Golgi-apparaat (G.A.)
(1 tot 2 µm lang)
In het Golgi-apparaat worden proteïnen bewerkt en verpakt
om ze af te scheiden in of buiten de cel.
lysosoom (Ø 25-200 nm)
Lysosomen bevatten afbrekende enzymen waarmee ze celeigen bestanddelen kunnen afbreken (= autofagie). Lysosomen kunnen ook
materiaal afbreken dat van buiten de cel komt (= heterofagie).
mitochondriën (1-2 µm lang)
In de mitochondriën zijn de enzymen aanwezig om – m.b.v. zuurstofgas – voedingsstoffen te verbranden zodat er energie uit
vrijkomt. Die energie wordt vastgelegd in ATP (adenosinetrifosfaat).
Dat proces noemen we celademhaling.
cytoskelet (microfilamenten
Ø 7-9 nm, microtubulus Ø 25 nm,
intermediaire filamenten Ø 10 nm)
Het cytoskelet opgebouwd uit microfilamenten, microtubuli en
intermediaire filamenten handhaaft de vorm van een cel
en voorkomt chaotische verspreiding van celorganellen. Het
speelt ook een rol in de verplaatsing van celorganellen en in de
beweging van cellen zelf (bv. amoeben).
intermediaire
filamenten
microtubulus
R.E.R.
mitochondrion
microfilamenten
5
centriool
(Ø 150 nm; 300-500 nm lang)
In alle dierlijke cellen vind je in de buurt van de celkern de centriolen.
Ze bestaan uit microtubuli, die in een bepaald patroon gerangschikt zijn.
Centriolen spelen een belangrijke rol tijdens de celdeling.
vacuole (variabele grootte)
Een goed gevulde vacuole bevat een waterreserve en geeft stevigheid aan de plantencel. In het celsap kunnen er reservestoffen
opgeslagen worden. Een vacuole wordt soms beschouwd als een
plantaardig lysosoom omdat er afbrekende enzymen in voorkomen.
chloroplasten (5-10 µm lang)
Chloroplasten voeren de fotosynthesereacties uit.
Chlorofylmoleculen in de membranen van thylakoïden en grana vangen de lichtenergie op. Die energie wordt gebruikt om in het stroma
suikers op te bouwen uit CO2 en water.
Vergelijking tussen een dierlijke cel en een plantencel
Lysosomen en centriolen zijn celorganellen die alleen in dierlijke cellen voorkomen. Celstructuren typisch voor
plantencellen zijn de celwand en de chloroplasten. Meestal komt er ook een vacuole voor in plantencellen.
6
Twee types van cellen
In prokaryote cellen is er geen compartimentering in celorganellen. Hun DNA ligt los in het cytoplasma. Dit
celtype komt voor bij bacteriën en archaea.
Eukaryote cellen hebben wel een uitgesproken compartimentering in celorganellen. Dit celtype komt voor bij
alle meercellige organismen en sommige eencelligen.
Thema 1: functionele morfologie van de cel
33
Leerstof verwerken
1 Voer bij alle foto’s de volgende opdrachten uit:
a Benoem de aangeduide celstructuur/celstructuren of onderdelen ervan.
b Behoort de celstructuur tot een plantencel, een dierlijke cel of tot beide?
1
2
3
4
A
1
2
B
5
1
C
D
3
2
1
3
1
E
34
1
F
2
1 (paarse korrels)
1
G
I
1
3
H
2
2
2 Rangschik de volgende organellen van groot naar klein: chloroplast, ribosoom, mitochondrion, lysosoom,
celkern, centriool.
3 Er is een verband tussen het aantal mitochondriën en de activiteitsgraad van een cel. Leg uit.
4 Noem 3 structuren die een plantencel stevigheid bezorgen.
5 De cellen van de traanklier scheiden met het traanvocht een enzym (een proteïne) af, dat bacteriën doodt.
a Waar in de cel bevindt zich de informatie voor de synthese van die proteïne?
b Beschrijf de weg vanaf de syntheseplaats tot de plaats waar het enzym vrijkomt uit de kliercel.
6 Colchicine is een stof die de vorming en de groei van microtubuli blokkeert en ze ook afbreekt. Bij cellen
die met colchicine behandeld zijn, ontstaat een chaotische verstrooiing van alle organellen doorheen het
cytoplasma. Hoe zou je dat verklaren?
7 Welk organel speelt een belangrijke rol wanneer een dikkopje zijn staart verliest?
Thema 1: functionele morfologie van de cel
35