Celbiologie en celstructuur: Inleiding tot de celtheorie en biologische membranen (Les 2–4, Biologie, 10–11 klas)

Les 2‑4. Biologie 10‑11 klas
Lezing 1. Celtheorie
De cel is een elementair membraansysteem dat in staat is tot zelfregulatie, zelfbehoud en zelfvermeerdering.
De structuur en functies van de cel, evenals de universaliteit van alle cellulaire vormen, zijn vastgelegd in de celtheorie.

Eerste stelling van de celtheorie:
Alle organismen, met uitzondering van virussen, zijn opgebouwd uit cellen en de producten van hun levensactiviteit. Tot de producten van levensactiviteit behoren: weefselvloeistof, lymfe, bloed, dat wil zeggen de inwendige omgeving van het organisme.

Tweede stelling van de celtheorie:
Alle cellen vertonen een principiële gelijkenis in hun structuur en functies. Bijvoorbeeld, voor alle cellen is het PAK of het oppervlakte-apparaat kenmerkend; voor alle eukaryote cellen zijn inwendige membraansorganellen kenmerkend, zoals het Golgi‑complex, het ER etc.; voor alle cellen zijn matrixprocessen kenmerkend; en voor alle cellen is de anaërobe fase van de energiewissel kenmerkend, uitgedrukt in de afbraak van glucose of glycolyse. De gemeenschappelijkheid van structuren en functies die kenmerkend zijn voor cellen, wijst op hun homologe aard, dat wil zeggen op een gemeenschappelijke oorsprong.

Derde stelling van de celtheorie:
Alle tegenwoordig bestaande cellen zijn ontstaan door deling van reeds bestaande cellen (dit vermoeden werd geopperd door Rudolf Virchow).

Vierde stelling van de celtheorie:
De activiteit van een meercellig organisme is samengesteld uit de activiteiten van de eenheden waaruit het bestaat, dat wil zeggen van cellen, waarbij de relatie tussen cellen in aanmerking moet worden genomen.

Opdrachten.
Leer de stellingen van de celtheorie uit het hoofd.

Lezing 2. Structuur van biomembranen
Biologische membranen bestaan uit eiwit-, lipide- en koolhydraatcomponenten.

De dubbele lipidenlaag vervult de volgende functies:

• Structurele functie – deze functie wordt aangetoond door de werking van fosfolipasen. Bijvoorbeeld: fosfolipase A splitst de staarten af van lipiden; als gevolg lysis van de cel; fosfolipase komt voor in het gif van vele slangen. Fosfolipase C is in staat de koppen van lipiden af te splitsen; daardoor wordt de dubbele laag vernietigd; fosfolipase C zit in het toxine van de cholera‑vibrio.

• Isolerende functie – de dubbele lipidenlaag kan alleen kleine, ongeladen moleculen (alcoholen, H₂O, O₂, CO₂) doorlaten, omdat geladen moleculen vastlopen in de kopzone en hydrofobe in de staartzone. Dus de dubbele lipidenlaag kan een elektrochemische concentratiegradiënt van ionen aan weerszijden van de membraan creëren. Het verschil tussen de gradiënten wordt potentiaal genoemd; daardoor ontstaat op alle cellen de zogenaamde rustpotentiaal, waarbij de buitenzijde van de membraan gedeeltelijk positief geladen is en de binnenzijde gedeeltelijk negatief. De membraan is gepolariseerd, het MPP (membraanpotentiaal) zorgt voor de normale druk in de cel. Bij verstoring daarvan sterft de cel door een ongelijkmatige waterstroom.

• Membrane lipiden reguleren de vloeibaarheid van membranen. Bij niet‑zoogdieren hangt deze parameter af van de verzadiging van de vetzuurradicalen; bij zoogdieren van cholesterol. Bovendien kunnen veel membraaneiwitten alleen functioneren in een bepaald lipidenmilieu. De vloeibaarheid hangt af van veel externe condities, zoals temperatuur, druk: bij toename van druk en afname van temperatuur wordt de membraan steviger; bij afname van druk en stijging van temperatuur neemt de vloeibaarheid toe. Vloeibaarheid beïnvloedt vrijwel alle processen in de cel, omdat daarvan afhankelijk is: transport van stoffen naar de cel, transport van metabolieten uit de cel, instandhouding van MPP en osmotische druk. Verstoring van deze parameter in zenuwcellen kan onomkeerbare gevolgen hebben, omdat impulsgeleiding onmogelijk wordt.
  

  Verandering van de vloeibaarheid van membranen kan medisch worden toegepast. Met name worden lokale en algehele anesthetica gebruikt. Lokale: novocaïne, lidocaïne, anesthesine. Deze zijn grote hydrofobe moleculen die, zoals cholesterol, in de dubbele laag kunnen worden ingebouwd. Deze stoffen verlagen de vloeibaarheid en daardoor verminderen ze de geleiding van zenuwimpulsen, wat pijnstilling veroorzaakt. Algemene anesthetica (chloroethen) verhogen de vloeibaarheid van membranen waardoor de geleiding van zenuwimpulsen eveneens onmogelijk wordt, wat anesthesie veroorzaakt. De werking van algemene anesthetica stopt sneller bij verhoogde druk, wat vaak wordt gebruikt bij het ontwaken uit narcose (baro‑kamer met verhoogde druk).
  
  Inert gassen, zoals helium, bouwen zich relatief gemakkelijk in de membraan in. Duikers op grote diepte ondergaan de werking van hoge druk; daarom wordt het ademhalingsmengsel onder hoge druk geleverd, wat de vloeibaarheid van membranen vermindert. Om decompressieziekte te voorkomen, kan men inert gassen in het ademhalingsmengsel introduceren. Bij scherpe stijging treden inert gassen intens in het bloed en de weefsels, wat leidt tot decompressieziekte, met spier- en gewrichtspijn en stoornissen van het zenuwstelsel. Om decompressieziekte te voorkomen, brengt men duikers in een baro‑kamer met hoge druk en verlaagt men geleidelijk de druk, wat de opstijging uit de diepte simuleert.
  
  Vloeibaarheid van membranen beïnvloedt de werking van membraaneiwitten. Veel enzymen en transporters kunnen alleen functioneren in interactie met specifieke lipiden; bijvoorbeeld de natrium‑kaliumpomp kan enkel functioneren in interactie met cholesterol en in interactie met fosfatidylserine.

Membraaneiwitten.
Eiwitten in de membraan kunnen katalytische, receptorfuncties, merkerfuncties vervullen, kunnen optreden als dragers en actieve transporteurs, kunnen contacten tussen cellen verzekeren, maar hoeven geen structurele functie te vervullen. De positie van eiwitten in de membraan wordt beschreven door drie modellen, gebaseerd op gegevens van elektronenmicroscopie en bevriezing‑splijtingseksperimenten.

1. Model “sandwich”.
   Dit model verklaarde niet de opname in de cel van glucose, aminozuren, ionen. Het kon de receptorfunctie van de membraan niet verklaren, dus werd het volgende model voorgesteld.

2. Lipoproteïnevloer.
   Dit model verklaarde de functies van biologische membranen en membraaneiwitten. Volgens deze theorie moeten eiwitten in de membraan overheersen. Tegenwoordig denkt men dat de mitochondriale membraan zo is opgebouwd, waarbij eiwitten 70 % uitmaken en lipiden 30 %.

3. Vloeibaar-mozaïekmodel.
   Dit werd voorgesteld na toepassing van de bevriezing‑splijtingstechniek, waarmee werd bewezen dat eiwitten in de dubbele lipidenlaag gerangschikt zijn als een mozaïek.
   In het vloeibaar-mozaïekmodel onderscheiden we drie types eiwitten:

• integrale eiwitten: zij dringen door de dubbele lipidenlaag heen

• semi‑integrale eiwitten: zij zijn ingeplant in de dubbele lipidenlaag

• perifere eiwitten: zij kunnen in contact komen met de hydrofiele laag van de koppen van membraanlipiden
  De positie van een eiwit in de dubbele laag hangt af van de aard van zijn domeinen.
  Biologische membranen vertonen een zekere mobiliteit van eiwitten, mogelijk gemaakt door de vloeibaarheid van de membranen. Eiwitten kunnen lateraal bewegen, ze kunnen op- en neerdalen binnen de membraan, maar zij kunnen geen “flip‑flop” overgang maken. Beweging van eiwitten creëert asymmetrie ten aanzien van eiwitmoleculen in de membraan, wat betekent dat op de membraan complexe structuren kunnen ontstaan die op dat moment functioneel zijn en vervolgens kunnen worden afgebroken door eiwitbeweging. Echter, de beweging van eiwitten is deels beperkt door de submembraansysteem van de cel.

Beantwoord de vragen.

1. Hoe kan verandering van de vloeibaarheid van membranen medisch worden gebruikt?

2. Noem de typen eiwitten.

3. Welke functies vervult de dubbele lipidenlaag?

Lezing 3. Structuur van P.A.K.
PAK is een submembraansysteem van de cel, waarin men kan onderscheiden: de buitenmembraan of plasmalemma, de binnenmembraan of glycocalyx, de submembraanse steun‑contractiele verbinding.

PLASMALEMME.
Neemt het centrale deel van de PAK in; opgebouwd volgens het typische vloeibaar‑mozaïekmodel.

GLYCOCALYX.
Bestaat hoofdzakelijk uit een koolhydraatcomponent: polysachariden, oligosachariden, glycoproteïnen, glycolipiden, evenals de buitenste domeinen van integrale, semi‑integrale en perifere eiwitten. Glycocalyx vervult een merkerfunctie, een individualiseringsfunctie, en kan deelnemen aan de vorming van cellulaire contacten; bovendien vormt het, afgeleid van glycocalyx, de celwand bij planten, evenals eiwitten van bindweefsel zoals collageen en elastine. Glycocalyx kan enzymatische functies vervullen; een voorbeeld is hydro­lase ingebed in glycocalyx die betrokken is bij wandgebonden vertering.

SOSA.
SOSA omvat:

• perifere hyaloplasma

• eiwitten van het steun‑contractiele systeem
  De perifere hyaloplasma verschilt van de hoofdinhoud door een specifieke concentratie van enzymcomplexen. Hier bevinden zich eiwitten en enzymen die transport door de membraan bevorderen; hier is ook adenylcyclase gelokaliseerd, dat betrokken is bij receptor‑secondaire boodschapper systemen; hier zijn glycolyse‑enzymen gelokaliseerd. Bovendien bevinden zich in de perifere hyaloplasma secretiegranules die uit de cel kunnen worden afgegeven na ontvangst van een signaal.
  Tot de eiwitten van het steun‑contractiele systeem behoren:

• dunne fibrillen

• microfibrillen

• skeletfibrillen

• microtubuli

Dunne fibrillen.

Microfibrillen.
Microfibrillen bestaan uit actine-eiwit en hebben een diameter van circa 5–7 nm. In de cel kan actine voorkomen in twee vormen: globulair actine (G-actine) en filamentair actine (F-actine). Onder bepaalde omstandigheden kan G-actine polymeriseren en een dubbele spiraal vormen. F-actine is instabiel en zijn structuur wordt gestabiliseerd door een ander eiwit, tropomyosine, dat zich op de α-spiraalstructuur legt en deze stabiliseert. Actinefibrillen kunnen zowel assembleren als desassembleren aan beide uiteinden van de moleculen. Assemblage en desassemblage worden gecontroleerd door zogenaamde capping‑eiwitten. Actinefibrillen kunnen met elkaar verknoopt worden via specifieke eiwitten; het knopen kan plaatsvinden in het midden of aan de uiteinden van actinefibrillen, waarbij een bundel microfibrillen ontstaat, die afhankelijk van het aantal verbindende eiwitten los of dicht kan zijn. Bovendien kunnen anchor‑eiwitten zich hechten aan actinefibrillen om ze te verbinden met membraaneiwitten, wat hun beweeglijkheid deels beperkt. In de cel interageren actinefibrillen met myosine-eiwit. Hierin onderscheidt men éénkopige en tweekopige myosine. Eénkopige komt zelden voor, voornamelijk in cardiomyocyten; tweekopige is kenmerkend voor alle andere cellen. De koppen hebben ATPase-activiteit, wat betekent dat bij afbraak van ATP-koppelingen de koppen hun conformatie kunnen wijzigen. De afbraak van ATP verloopt in meerdere stappen; conformatiewijzigingen van de kop kunnen beweging veroorzaken in het scharniergedeelte. Als de myosinekop aan F-actine gebonden is, veroorzaakt deze beweging de verplaatsing van de myosine-structuur langs actine. De myosinekop bevat een bindingscentrum voor ATP en verschillende centra voor interactie met actinefibrillen. In de ATP-gebonden toestand heeft de myosinekop geen affiniteit voor F-actine. Hydrolyse van ATP leidt tot de vorming van ADP + Pi in het ATPase-centrum. De verandering in conformatie stelt de kop in staat zich te binden aan filamentair actine. Deze binding veroorzaakt vervolgens verdere conformatie­verandering van de kop, waarna ADP en het anorganische fosfaat loskomen. Op dat moment verschuift de myosinekop ten opzichte van zijn staaf, waardoor de kop langs F-actine beweegt.

Pathologieën.
Er zijn chemische stoffen ontdekt die de polymerisatie van microfibrillen kunnen beïnvloeden, bijvoorbeeld metabolieten van sommige schimmels — cytochalasinen — die zich kunnen hechten aan G-actinemoleculen. Dit complex hecht zich aan het uiteinde van een microfibril en verhindert polymerisatie, wat leidt tot destructie van de microfibril. Het gif van de doodspaddenstoel, phalloidine, interageert direct met F-actine en veroorzaakt superstabilisatie. In dat geval verliest F-actine het vermogen tot intracellulaire herstructurering.
Er komen erfelijke pathologieën voor veroorzaakt door defecten in actine-bindende eiwitten; een ervan is Duchenne-spierdystrofie. De oorzaak is een defect in het gen dat zich op de X-chromosoom bevindt; daarom manifesteert deze ziekte zich voornamelijk bij jongens. Het resulteert in spierzwakte; tussen 8 en 13 jaar verliezen ze het vermogen te lopen en sterven aan ademstilstand.

Skeletfibrillen.

Microtubuli.
Dit zijn holle eiwitstructuren met een diameter van 22–25 nm en een wanddikte van circa 6 nm.
Microtubuli bestaan uit tubuline-eiwitten. Gewoonlijk zijn microtubuli geassocieerd met zogenoemde associatieve eiwitten of MAP-eiwitten.
In de cel komen drie types tubuline voor: α, β, γ; ongeveer 99 % betreft α- en β-tubuline. γ-Tubuline komt niet voor in de microtubuli zelf; het bevindt zich in het celcentrum en vormt het MTOC. Men denkt dat γ-tubuline nodig is voor initiatie van microtubulivorming. Tubulinen zijn GTP-bindende eiwitten; in aanwezigheid van GTP en Mg²⁺ worden α- en β-tubuline geactiveerd en kunnen zij samenkomen in stabiele heterodimeren. Vervolgens begint in het MTOC, in aanwezigheid van GTP en Mg²⁺, de assemblage van heterodimeren tot protofibrillen. Er ontstaat een zogenoemd tubulineplaatje dat in lengte onbeperkt kan groeien, maar in breedte maximaal 13 protofibrillen kan bevatten. Daarna worden de randen van het plaatje samengeknepen en vormt zich een holle buis. In een microtubulus onderscheiden we +- en –-uiteinden; aan het +‑uiteinde treedt hoofdzakelijk polymerisatie op, aan het –‑uiteinde vooral depolymerisatie. Dit proces (assemblage/depolymerisatie) wordt gereguleerd door specifieke eiwitten; normaal overheerst assemblage boven ontleding. De assemblage / disassemblage van microtubuli is afhankelijk van de concentratie van verschillende stoffen, bijvoorbeeld Ca²⁺‑ionen. Bij overmaat van calcium activeert depolymerisatie. Momenteel denkt men dat de calciumconcentratie in de cel een hoofdmechanisme is dat de herstructurering van het microtubulaire systeem bepaalt. Onder invloed van alcohol en het plantaardige alkaloïde colchicine worden microtubuli afgebroken.

• kinesines

• dyneïnes

• dynamines
  Kinesines kunnen zich alleen bewegen van het – naar het + uiteinde van een microtubulus, waarmee ze transport verzorgen van het celcentrum naar de PAK (anterogaand transport). In dat geval beweegt de translocator zich langs de microtubulus door conformationele verandering van de kop, en aan de staaf is een niet-membraanblaasje verbonden met een verpakt stof.
  Met dit type transport worden mediatoren in neuronen vervoerd, en pigmenten in pigmentcellen.
  Dyneïnes participeren in de vorming van het tubuline-dyneïne systeem, dat retrograad transport uitvoert. Verder zijn dyneïnes betrokken bij de vorming van locomotorische structuren van cellen: trilharen en flagellen.
  Dynamines hebben GTPase-activiteit en verzorgen retrograad transport. De functies van dynamines zijn nog weinig bestudeerd.
  Een cruciale functie van het tubuline-translocatorsysteem is de vorming van motorelementen in de cel, die bij alle eukaryoten volgens een gemeenschappelijk schema zijn opgebouwd.
  Er zijn erfelijke pathologieën gerelateerd aan afwijkingen in de structuur van tubuline. Deze zijn vrijwel niet compatibel met het leven, maar er bestaan pathologieën van het tubuline-dyneïne systeem die specifiek trilharen en flagellen betreffen. Daardoor raakt de structuur van tril­epitheel van de nasofarynx, de luchtwegen en de middenoorholte verstoord, wat leidt tot chronische bronchitis en otitis. Mannen met syndroom van onbeweeglijke trilharen zijn meestal steriel.
  Alle componenten van SOSA kenmerken zich door structurele eenheid, wat blijkt uit het feit dat filamenteuze eiwitten met elkaar kunnen interageren. Bijvoorbeeld, microfibrillen kunnen bundels vormen die interageren met microtubuli en skeletfibrillen. Alle componenten van SOSA kunnen interageren met integrale eiwitten van de plasmalemma, en plasmalemma is structureel verbonden met glycocalyx; daarom is voor PAK structurele eenheid kenmerkend.

Opdrachten.

1. Wat is SOSA?

2. Bij de vorming van welke structuren is AMS betrokken?

STUUR ANTWOORDEN NAAR HET E‑MAILADRES: