Thuis
Contacten

    Hoofdpagina


Functionele morfologie van de cel + organellen en cytoskelet + intermediare filamenten

Dovnload 1.18 Mb.

Functionele morfologie van de cel + organellen en cytoskelet + intermediare filamenten



Pagina1/3
Datum02.09.2018
Grootte1.18 Mb.

Dovnload 1.18 Mb.
  1   2   3
  1. Functionele morfologie van de cel + organellen en cytoskelet + intermediare filamenten

Inleiding


De cel vormt de kleinste functionele een heid waarbinnen biochemische, fysiologische en pathologische processen optreden.
Het is duidelijk dat het begin van het ontstaan van de cel ontstond met het vormen van een afscherming; het plasmamembraan. Dit biomembraan heeft een aantal specifieke, doch cruciale eigenschappen:

Het universele biomembraan bestaat uit een fosfolipiden-dubbellaag, en kan zo specifieke functies verwezenlijken:



    • Het vormt zo, mede door zijn hydrofoob karakter, een uiterst functionele barrière.

    • Het kan via aangehechte membraanproteïnen transport van een zeer uiteenlopende groep moleculen reguleren (en dus ook blokkeren).

    • Het kan een aanhechtingsmedium vormen voor membraanproteïnen, voor (hemi)desmosomen ter celaanhechting resp. matrixaanhechting.

    • Draagt receptoren die gevoelig zijn voor hormonen, neurotransmitters of groeifactoren.

Celorganellen


Om de cel zijn functies te kunnen laten verrichten, heeft het celorganellen nodig. Hiervan zijn sommige omgeven door een dubbel membraan en hebben dus ook een intermembranaire ruimte (kern en mitochondria). Andere organellen zijn slecht omgeven door een enkel membraan (lysosomen; peroxisomen; ER en het Golgi-complex).


Endosomen.
Endosoom
→ Ionen en kleine moleculen gaan cel binnen via transport-eiwitten in celmembraan, maar eiwitten en macromoleculen in het extracell. Milieu worden opgenomen via ENDOCYTOSE. = invaginatie van segment van plasma membraan ovv coated pit (coated met clathrine); pit snoert af , wordt membraan-gebonden vesikel die versmelt met vroeg endosoom dat fungeert als sorteerstation. Van hieruit gaan sommige eiwitten terug naar celmembraan; andere gaan naar laat endosoom waar verdere sortering gebeurt. Tenslotte levert het late endosoom inhoud af aan lysosoom tbv afbraak.
Lysosomen.
Lysosoom → afbraak van schadelijke of overtollige componenten in zuur milieu via zure hydrolasen.

Het interne milieu wordt verzuurd door speciale membraanpompen die H+- pompen. Een elektrische gradiënt wordt voorkomen door cotransport van Cl--ionen. Wanneer het milieu sterk wordt verzuurd ondergaan de zure hydrolasen een conformatieverandering en worden zo geactiveerd (nucleasen; proteasen of fosfatasen).

Ziekte van Tay-Sachs; door een defect lysosomaal enzym (hexosaminidase A) kunnen de gangliosiden niet worden afgebroken in het lysosoom. Hierdoor worden deze gangliosiden geaccumuleerd in de zenuwcellen wat leidt tot malfunctie. Deze malfunctie uit zich in schrikachtig gedrag, vertraagde verstandelijke & motorische ontwikkeling, te lage spierspanning en uiteindelijk blindheid en dementie. Kinderen overlijden meestal voor hun derde levensjaar.

Peroxisomen
Peroxisoom → een celorganel dat toxische moleculen en vetzuren kan degraderen. Het degradeert door gebruik te maken van oxidasen enzymen die zuurstof gebruiken om organische substanties te oxideren waarbij corrosief H2O2 wordt gevormd. Het catalase enzymen degenereren H2O2 tot water en zuurstof. Het komt met name frequent voor in levercellen en in niercellen. Deze enzymen worden in een pas gevormd peroxisoom (ontstaan uit ER membraan) ingebracht vanuit het cytosol via een peroxisomaal membraan proteïne.

Syndroom van Zellweger; een stofwisselingsziekte waarbij er een defect is in een membraanproteïne waardoor eiwitten (enzymen) niet geïmporteerd kunnen worden in de peroxisomen. Hierdoor zullen levercirrose, dementie en gaten in de hersenen optreden. Met name dit laatste leidt tot fouten in de aanleg en ontwikkeling van de hersenen.



Endoplasmatisch Reticulum
Endoplasmatisch reticulum (ER) → Er bestaan 2 varianten; een SER (Smooth endoplasmatisch retculum, geen ribosomen) en een RER (rough endoplasmatisch reticulum, wel ribosomen):

Functies ER:



  • SER: synthese van vetzuren en fosfolipiden:

    • Levercel → detoxificatie van hydrofobe producten tot wateroplosbare producten.

    • Spiercel → afzondering en opslag van Ca2+

    • Bijniercel → steroïdmetabolisme/ hormoonproductie

  • RER: synthese van bepaalde proteïnen:

    • Bevat chaperones en kan zo bepaalde peptiden helpen vouwen

    • Eiwitten bestemd voor secretie; deze blijven in het lumen van het ER voor glycosylatie en vorming van zwavelbruggen

    • Eiwitten voor membranen en organellen; deze blijven op het membraan van ER.

Golgi-complex
Golgi-complex → een reeks afgeplatte cisternen omgeven door vesikels. Dit complex is ingedeeld in verschillende regio’s; het begin vormt het cis-Golgi gevolgd door het midden-Golgi) en trans-Golgi. In het Golgi vindt de enzymatische bewerking van proteïnen plaats. Transport gebeurt dan via transport-vesikels aan transzijde naar celmembraan of naar lysosoom of andere organellen.

De celkern
De nucleaire enveloppen is een dubbelmembraan dat de nucleus scheid van het cytoplasma. Het binnenste membraan begrenst nucleus en de buitenste membraan en de intermembranaire ruimte zijn continu met het ER. Lamine vormt een netwerk over het binnenste membraan, waardoor de nucleus vorm heeft. Transport van ribonucleoproteinen (RNPs) en andere macromoleculen mogelijk doorheen kern-poriën. rRNA wordt in de nucleolus gesynthetiseerd. mRNA en tRNA wordt in de nucleuplasma gesynthetiseerd

Het buitenste membraan is continu met RER. Het binnenste membraan is bedekt met lamine; een intermediair filament voor de stevigheid. Hierbinnen zit DNA, waar het wordt getranscribeerd naar mRNA dat vervolgens de kern kan verlaten via de kernporiën. In het lumen van de nucleus zit zgn. nucleoplasma, wat het DNA bevat in eu- of heterochromatische vorm (het DNA is opgevouwen volgens het solenoïde model; euchromatine: losse strengen DNA die licht gekleurd zijn en waarvan het DNA kan worden afgelezen, transcript; heterochromatine: DNA in kluwen, donkere kleur, niet aleesbaar, geen transcriptie).


Let wel; alle vormen van RNA worden hier aangemaakt, alleen wordt rRNA aangemaakt in de nucleolus en kan mRNA binden aan een proteïne tot vorming van een ribonucleoproteine partikel.
Deze kernporiën verzorgen naast het mRNA-transport ook inwaarts transport van histonen, DNA- en RNA-polymerasen, boodschapperproteïnen en ribosomale proteïnen. En het uitwaarts transport voor RNA. Het transport gebeurt via de kernporiën, dus hoe kleiner het molecule, hoe sneller het transport; hoe groter het molecule, hoe trager het transport. Grotere eiwitten kunnen ook doorheen het membraan mbv een nuclear localisation signal; hierdoor vindt er binding plaats aan fibrillen zodat deze proteïnen actief getransporteerd kunnen worden.

De nucleolus (“kern in kern”)
Het kernlichaampje is verdeeld in 3 gedeelten:

  1. Het Pars Amorfa → het gedeelte van de nucleolus dat in contact staat met de DNA-sequenties die coderen voor rRNA (via RNA-polymerase I). In de tekst staat nog het N.O.R. genoemd; dit staat voor de Nucleolus Organiserende Regio; de plaats waar de nucleolus gevormd wordt; namelijk rond specifieke genetische loci.

  2. Pars fibrosa → deel dat het rRNA en meer dan 80 eiwitten bevat. Dit kan gevisualiseerd worden met zilverkleuring. Het proteïne nucleoline kleurt hierbij aan.

  3. Pars granulosa → in dit deel vindt de assemblage van de ribosomale subunits plaats.

Toepassing: Nucleolus en kanker: hoe groter (zowel aantal als vorm) de nucleolus tov de kern, hoe kwaadaardiger de kanker

Mitochondria
Men denkt dat deze terecht zijn gekomen in de eukaryote cellen volgens de endosymbiosetheorie; dit wordt ondermeer ondersteund door de aanwezigheid van mitochondriaal DNA. Deze organellen kunnen bv. via de citroenzuurcyclus die plaatsvindt in de matrix NADH synthetiseren en vormen zo een uiterst belangrijk intermediair in het energiemetabolisme.

Een mitochondrion heeft een dubbel membraan, waarbij het buitenste membraan zeer permeabel is i.v.m. aanwezigheid van porines. Het binnenste membraan vormt cristae en is bovendien zeer impermeabel. Dit verschil in permeabiliteit ontstaat door de membraanopbouw. Het buitenste membraan bestaat uit ongeveer 50% lipiden en 50% proteïnen, terwijl het binnenste membraan een verhouding van 20/80 heeft. De buitenste membraanporines zijn volledig permeabel voor moleculen kleiner dan 10 kD.


Op deze cristae van het binnenste membraan vindt de oxidatieve fosforylatie plaats voor de ATP-synthese. Alleen bij steroïdsecreterende cellen is het binnenste membraan gevouwen in tubulaire uitstulpingen. In beide gevallen is er plaats voor ATP-synthasen, transportproteïnen voor ADP; Pi en ATP én er zit nog een proteïne in dat de protonen tegen kan houden; het cardiolipine. Het organel bevat zijn eigen DNA, zijn eigen tRNA en zijn eigen ribosomen, die zich in de matrix bevinden.
Het cytoskelet
Het cytoskelet bestaat uit polymeren van eiwit-subunits die op verschillende manieren zijn opgebouwd en ontstaan uit verschillende bouwstenen:

  1. Microfilamenten; bestaande uit actine. Dit zijn subunits van 8 à 9 nm diameter die een gedraaide dubbelstreng van monomerische actine-subunits vormen, heel sterk.

  2. Intermediaire filamenten; subunits met een diameter van 10 nm die een koordstructuur kunnen vormen wat verschilt per celtype (weefselherkenning)

  3. Microtubuli; de subunits zijn α- resp. β-tubuline die dimere subunits vormen en uiteindelijk polymeriseren tot een holle buis. De diameter hiervan is zo’n 24 nm. De dimere subunits vormen eerst protofilamenten, en die polymeriseren tot een microtubulus.

Het cytoskelet is een van de voornaamste organellen in de eukaryote cel; dit om de onderstaande redenen:

  • Het zorgt voor het behoud van de celvorm

  • Het maakt gecoördineerde beweging mogelijk (microfilamenten), zowel integraal als intern via schikking; dit wordt overigens mogelijk gemaakt door zijn dynamsiche structuur → cytomusculatuur

  • Het zorgt voor de verdeling van chromosomen tijdens de celdeling (micro tubuli)

  • Het kan cellen onderling aan elkaar vasthechten en zo weefsels verstevigen (epitheel)

Het cytoskelet is opgebouwd uit 3 verschillende onderdelen; deze zijn ook nog allemaal verschillend gelokaliseerd:

  • Het actine is geassocieerd aan de celjuncties en kan zo de vorm van de cel bepalen. Het komt dus met name voor in de cel-cortex.

  • De intermediaire filamenten (IF) vormen een netwerk door de gehele cel. Dit wordt vastgemaakt aan de lamines die onder het kernmembraan liggen, waardoor verankering aan de celjuncties plaatsvindt.

  • De microtubuli (MT) liggen nabij organellen (en zijn dus uitermate geschikt voor intern transport van bijvoorbeeld proteïnen.)

Hierboven is bovendien duidelijk gemaakt dat het cytoskelet bundels kan vormen → parallel gerangschikte filamenten, of netwerken → kris-kras verlopende filamenten, dit kan echter 2D en 3D voorkomen. 2D met name in de nucleaire- en het plasmamembraan en 3D in het cytosol.

De intermediaire filamenten.


De IF kunnen een netwerk vormen tussen de kernenveloppe en het plasmamembraan (dit speelt waarschijnlijk ook een rol bij de over het algemene centrale ligging van de nucleus). Bovendien kunnen ze krachten goed verdelen en komen dus ook vaak voor bij het plasmamembraan; geïllustreerd met 2 voorbeelden:

  1. Lamine A en -C-netwerk; vormt een nucleaire lamina die vastgehecht is aan de binnenzijde van het kernmembraan via ankers op lamine B.

  2. De concentratie aan plasmamembraan in (hemi)desmosomen.

De structuur van IF is uitermate structureel en kan zo zeer stevige structuren opbouwen, zoals in haar en nagels. Bovendien is het uitermate stabiel, dit in tegenstelling tot MT en MF; de enige methode van extractie is via detergenten. Doordat de onderdelen α-helices kunnen vormen ontstaan er koordachtige filamenten.
De IF vormen een superfamilie; de classificatie vindt plaats volgens weefseldistributie en zeer specifieke; weefselspecifieke expressie → ze vormen zo een mogelijkheid in de diagnostiek van bepaalde tumoren: door te kijken naar de IF kan men achterhalen waar de kanker begonnen is en zo een behandeling starten. Bovendien zijn er nu meer dan 40 pathologieën gekend die veroorzaakt worden door een fout in de IF-coderende genen.

De opbouw van IF begint met de vorming van een dimeer → de bouwsteen van de IF die bestaat uit een centrale α-helix (coiled-coil) die aan beide uiteinden een globulaire C- resp. N-terminus bezit. Als die dimeren dan gevormd zijn, vindt er laterale antiparallele associatie plaats van 2 dimeren; dit vormt dan een tetrameer. Deze tetrameren kunnen dan aan de uiteinden associëren tot vorming van protofilamenten. 4 protofilamenten zullen dan lateraal associëren tot een protofibril. 4 van deze protofibrillen vormen dan via laterale associatie een intermediair filament met een diameter van zo’n 10 nm. Deze structuur is dus niet gepolariseerd; bovendien verklaart deze strikte opbouw meteen zijn mogelijkheid tot het weerstaan van grote krachten. De N- en C-terminus zijn overigens geen toeval; de N-terminus is sterk van belang bij de assemblage, terwijl de C-terminus van belang is voor de cellulaire organisatie.

Zoals al eerder is vermeld, zijn deze uitermate sterke structuren toch zeer dynamisch; dit is mogelijk doordat de subunits (tetrameren) kunnen ‘oplossen’ tot vorming van een cellulaire ‘pool’. Deze subunits kunnen constant associëren resp. dissociëren. Een zeer duidelijk voorbeeld hiervan is de vroege resp. late mitose; bij de vroege mitose vindt er afbraak plaats van de laminefilamenten door fosforylatie via Cdk2 en bij de late mitose zorgen andere fosfatasen voor de herassemblage van de IF.

De superfamilie van de IF is ingedeeld in 5 klassen:



  • Klasse I (zuur) en klasse II (basisch) associëren samen; het zijn keratines. Ze kunnen dus heteropolymeren vormen door associatie van I en II tot vorming van een heterodimeer.
    Hier bestaan ook weer varianten in; namelijk zachte en harde keratines. De harde keratines verkrijgen hun harde structuur door oxidatie van de vele cysteïnes tot vorming van zwavelbruggen. Het spreekt voor zich dat dit vaak voorkomt in nagels en haren. De zachte keratines zijn met name breed gedistribueerd in de epithelen.

    • Ze kunnen associëren met desmosoomjuncties voor de celstevigheid

    • Men denkt dat ze belangrijk zijn bij de organisatie van de organellen in het cytoplasma en dat ze een rol spelen in de signaaltransductie.

    • Elke cel heeft bovendien een karakteristieke combinatie van klasse I en klasse II keratines.

    • Dit alles wordt gecodeerd door zo’n 50 genen.

  • Klasse III; kan homo- of heteropolymeren vormen:

    • Vimentine → vormt met name de bouwsteen in mesenchymale cellen (vb. fibroblasten; endotheel; witte bloedcellen; bepaalde epitheelcellen); het heeft een functie in:

      • Membraansteun

      • Kernorganisatie en organelorganisatie

      • Ligt samen met de MT

    • Desmine → een bouwsteen in spiercellen; hierdoor worden de volgende eigenschappen van spierweefsel mogelijk:

      • Starheid (contractiegeleiding) door hechting van contraherende units aan een membraan, bovendien kan de cel zo zijn vorm behouden gedurende contractie, waardoor contractie überhaupt mogelijk wordt.

      • Het speelt dus een rol in de organisatie van de celorganellen, omdat het ook aanhecht aan de nucleus en de mitochondria.

    • Dan zijn er nog de GFAP’s (Glia Fibrillary Acid Protein), die met name voorkomen in de gliacellen; het zorgt in bijv. astrocyten voor het behoud van de mechanische kracht en vorm. Bovendien speelt het een rol in het functioneren van de bloed-hersenbarrière.

  • Klasse IV; de neurofilamenten:

    • Het kan heterodimeren vormen, met NF-L (light); NF-M (medium) en NF-H (heavy)

    • Het speelt een rol in de groei en het behoud van de diameter in een axon.

  • Klasse V; de lamines

    • Het is de progenitor van alle IF

    • Het biedt steun aan het binnenste kernmembraan

    • Het wordt gecodeerd door 3 genen (1 A en 2 B’s); hiervan komen de B-lamines voor in alle cellen

    • Het speelt in een rol in de organisatie van chromatine en de afstand tussen de kernporiën.

    • Bij de mitose kan het gehyperfosforyleerd worden waardoor het wordt afgebroken, om dan in de telofase opnieuw te worden geassembleerd via herfosforylatie.

Dan zijn er nog proteïnen die associëren met de IF’s om zo bepaalde functies te kunnen vervullen; de IFAP’s (Intermediate Filament Associated Proteins). Deze kunnen zowel onderling als met een (cel)membraan crosslinken zodat er een bundel resp. netwerk gevormd wordt door tussenkomst in:

  • De organisatie van het IF-skelet

  • Integratie van de IF met het MF- en MT-skelet

  • Vasthechting van de IF aan het membraan

Een voorbeeld van een IFAP is plakine (plectrine); dit proteïne kan een IF (vimentine) crosslinken/verbinden met MT en MF. Dit vimentine wordt aan actine gehecht, door het N-terminaal calponine-homologie domein van de plakines. Verder komt deze IFAP in axonen voor om de neurofilamenten te kunnen verbinden aan MT via een armpje van NF-H.

De steun aan membranen wordt geleverd door het netwerk van verschillende IF:



  • De nucleaire lamina; lamine A en C vormen een netwerk; dit is verbonden aan lamine B, dat kan binden aan een lamine-B-receptor (IFAP) die in het kernmembraan zit verankerd.

  • Vimentine kan binden aan ankyrine (dit proteïne kan actine binden) en aan plectrine (zit vast aan een integrine) die verankerd liggen in het celmembraan.

  • Desmine zit via IFAP’s verankerd aan het celmembraan en rond een sarcomeer.

  • Keratine zit verankerd in de hemidesmosomen van het celmembraan.

Gezien de cruciale rol van de IF wat betreft steun en celfunctie, is het op zich logisch dat hier tevens een aantal ernstige pathologieën aan zijn verbonden; een aantal hiervan staan hieronder genoteerd:

  • Musculaire dystrofie → door mutaties in lamine A ontstaan te zwakke spieren. (Te fragiele kernen?)

  • Progeria → door mutatie in lamine A wordt het verouderings proces sterk versneld. De dood treedt meestal in rond het 20e levensjaar.

  • Epidermolysis bullosa simplex → door een mutatie in het K14 keratine gen (hangt vast in celmembraan en zorgt voor vasthechting van cellen) ontstaan er heterodimeren met K4 maar geen protofilamenten. Epidermolyse met blaarvorming; het vormt een groep van zeldzame huidziekten die erfelijk zijn. Er treedt blaarvorming op, evenals het loslaten van de epiderma als reactie op druk of letsel.


  1   2   3

  • Celorganellen
  • De intermediaire filamenten.

  • Dovnload 1.18 Mb.