Beste Student,

www.VETserieus.nl Beste Student, De documenten op VETserieus.nl zijn alleen bedoeld als ondersteuning bij het studeren. De samenvattingen worden nagekeken door studenten tijdens het volgen van de lessen en waar nodig aangepast. Dit project heeft als doel foutloze samenvattingen te bieden die met hun tijd meegaan, ondanks dit streven is er altijd een kans dat er fouten in de documenten staan. Mocht je tijdens het lezen van de samenvatting fouten vinden kun je dat doorgeven via de contactpagina op de site of direct een mail sturen naar [email protected] De student is verantwoordelijk voor zijn of haar leermethode en voor het uiteindelijke resultaat. Allemaal veel succes met de voorbereidingen!!

Hartelijke groet, VETserieus.nl

Samenvatting CW HC 1 Het onderscheid tussen levende en niet levende dingen is dat levende dingen allemaal uit cellen bestaan samen met de belangrijke eigenschap de mogelijkheid zichzelf te reproduceren. In die zin kunnen we dus virussen eigenlijk ook als niet levend beschouwen omdat ze niet de mogelijkheid hebben zichzelf te reproduceren en daar een gastheer voor nodig hebben. Cellen lijken niet allemaal op elkaar, er zijn ten minste 10 miljoen verschillende cellen bekend, die elk van elkaar in grootte, vorm en functie verschillen. Voorbeeld: de melkzuurbacterie (lactobacillus) is een paar micrometer in lengte terwijl een kikkerei 1 millimeter groot is. Voorbeeld: een neuroncel is uitgestrekt en langwerpig over een grote afstand terwijl de paracemium juist de vorm van een onderzeeër met heel veel haartjes heeft. De bacterie Bdellovibrio is juist worstvormig en de flaggelum een schroefvorm. Cellen verschillen ook enorm in chemische behoeften en activiteiten. Sommigen hebben zuurstof nodig, voor anderen is dit juist dodelijk. Ook de behoefte aan grondstoffen nodig voor overleving verschillen, zo kunnen sommigen van slechts water, CO2 en zonlicht leven terwijl anderen complexe moleculen als voeding gebruiken. Cellen zijn ook levend, naast de mogelijkheid tot reproductie, door de mogelijkheid tot groei, energie van de ene vorm in de andere omzetten en kunnen reageren op de omgeving. Ondanks dat cellen een enorme verscheidenheid tonen hebben ze op hetzelfde moment een grote overeenkomst. Alle levende dingen, dus bestaande uit cellen, bevatten DNA. Deze DNA strengen bestaan bij alle cellen uit de 4 zelfde nucleotiden. Alle DNA wordt omgezet in RNA welke dan weer codeert voor eiwitten. Verder bestaan alle eiwitten uit een verzameling van 20 aminozuren. Omdat cellen delen is het dus mogelijk om twee cellen uit 1 te kweken. Uiteindelijk zijn alle cellen op de wereld afkomstig van 1 en dezelfde cel die door mutaties verder gedifferentieerd zijn. Of deze mutaties blijven bestaan en op hun beurt weer worden doorgegeven hangt natuurlijk af van de evolutie, vergoot het de overlevingskansen of verkleind het de overlevingskansen? (of neutraal natuurlijk). De gehele verzameling van DNA in een cel wordt het genoom genoemd. Deze codeert voor de aanmaak van eiwitten en bepaald daardoor de functie van de cel. Binnen meercellige organismen bevat elke cel precies hetzelfde genoom, maar toch hebben de cel andere functies, uiterlijk en vorm. Dit kan zo zijn omdat verschillende cellen verschillende genen tot uiting brengen. Ze zijn dus selectief welke genen ze voor instructie gebruiken. De cues die cellen dan weer gebruiken om te weten welke genen dit zijn komen uit de omgeving en van voorvaderen. De mogelijkheid tot verschillende genen tot expressie brengen geeft aanpassingsmogelijkheden die eencellige organismen niet hebben (specialisatie). In de 17e eeuw is de eerste microscoop ontwikkeld. Deze bood mogelijkheid om cellen zichtbaar te maken en te kunnen bestuderen. Na de start van deze ontwikkeling zijn vele nieuwe technieken gemaakt om cellen en celonderdelen te bestuderen. In 1930 kwam bijvoorbeeld de elektronenmicroscoop naast de lichtmicroscoop. Vanaf het moment dat het mogelijk was om de cellen te bestuderen hebben ze ook namen gekregen. Het woord Cell komt van Hook, die hier de naam aan gegeven heeft (ook al bedoelde hij eigenlijk de celwanden van plantcellen die overbleven waarna de cellen waren overleden). Voor 1838 was het gebruik van de microscoop toch alleen voor zeer rijke mensen weggelegd. De celbiologie van heden te dage is eigenlijk pas ontstaan sinds Schleiden en Schwann twee artikelen schreven waarin cellen als de essentiele bouwstenen van het hele leven worden aangeduidt. Hun werk bracht de

realisatie te weeg dat alle cellen uiteindelijk voortkomen uit deling voorgaande cellen
cel theorie. Acceptatie van dit gegeven leidt tot een heel andere benadering van cel biologie: bestudering van het heden kan niet losstaan van bestudering van het verleden. Dit is precies wat Darwins evolutietheorie (1859) doet. Een stukje weefsel bestaat uit een verzameling van duizenden cellen die of dicht op elkaar gepakt zijn of zich bevinden in een extra cellulaire matrix wat bestaat uit eiwitvezels in een polysaccharidegel. Stuk duim Stukje huid van duim Stukje cellen van de huid Een cel Een organel (mitochondrion) Een stukje binnen een organel Een ribosoom van een organel Een stukje ribosoom Een atoom van ribosoom

20 millimeter 2 millimeter 0,2millimeter 5-20 micrometer 2 micrometer 0,2 micrometer 20 nanometer 2 nanometer 0,2 nanometer

Het is lastig om de interne structuren van een cel te zien, ten eerste omdat deze klein zijn en ten tweede omdat ze transparant van kleur zijn. Een manier om dit op te lossen is door een kleuring te gebruiken, een andere manier is gebruik te maken van de verschillen in brekingsindex. (De brekingsindex is een verhoudingsgetal tussen de snelheden van licht in verschillende media. De brekingsindex kan worden gebruikt om de hoek van breking te berekenen. Omdat de brekingsindex een verhoudingsgetal is heeft het geen eenheid. De brekingsindex in vacuüm is precies 1, in alle andere stoffen is de lichtsnelheid lager dan die in vacuüm en is de brekingsindex dus altijd groter dan 1.). resolutie (oplossend vermogen) wil zeggen die afstand tussen twee punten waarbij ze nog als onafhankelijke punten onderscheiden kunnen worden. De technieken die gebruikt worden om naar cellen te kijken zijn als volgt: 1. licht microscoop: deze kan cellen tot ongeveer 1000x vergoten, en heeft dus een resolutie van 0,2 micrometer (200 nm)(natuurlijke limiet door eigenschappen van lichtgolven). Er zijn 3 benodigheden om cellen te kunnen zien door een lichtmicroscoop. Allereerst moet een fel licht op een preparaat gericht zijn, ten tweede moet het preparaat doorlaatbaar voor licht zijn en ten derde moet er een geschikte set van lenzen zijn. De meeste weefsels zijn niet klein genoeg en niet transparant genoeg om direct onder een microscoop te zien, vandaar dat ze gesneden (ingebed in weefsel, soort gelatine pudding, is noodzakelijk om plakjes te kunnen snijden) en gefixeerd worden (binding van twee moleculen door beiden covalent binden aan een andere stof) en op een glazen op plastic plaatje worden geplaatst. Vaak worden ze ook nog gekleurd. H&E kleuring is hier een voorbeeld van. De positief geladen hematoxyline kleurt basofiele structuren paars/blauw, en bindt dus aan negatief geladen structuren zoals DNa, RNA en Glycoproteinen met veel siaalzuur. De eosine is negatief geladen en kleurt acidofiele structuren roze/rood en bindt aan positief geladen structuren zoals eiwitten in secretiegranula.

a. geavanceerde lichtmicroscopie: Levende cellen kunnen bekeken worden door gebruik te maken van verschillende technieken maar bijvoorbeeld niet door kleuring (dan gaan ze dood). Hier wordt bij de techniek gebruik gemaakt van de verschillende brekingsindexen en de manier waarop licht hierdoor er door heen gaat. Fase contrast maakt gebruik van afgekaatst en niet afgekaatst licht, differentiele interferentie maakt gebruik van twee lichtbundel welke dan met elkaar vergeleken worden. b. fluorescerende microscopie: fluorescerende kleuringen kunnen ook gebruikt worden om bepaalde structuren aan te tonen. Fluorescerende kleuringen absorberen het licht op 1 golflengte en stralen het weer op een langere golflengte uit. De golflengte die wordt afgegeven door een stof is altijd lager dan bij binnenkomst. De energie is dus lager. Sommige van deze kleuringen kunnen specifiek aan 1 soort molecuul binden, zoals een DNA kleuring of kleuring door binding met antilichamen. Het is gelijkend aan de normale lichtmicroscoop behalve dat het licht door een tweetal filters gehaald wordt. De eerste filter laat alleen die kleur door die de fluorescerende kleurstof aantoont, het tweede filter blokkeert dit licht en laat alleen het teruggekaatste licht van het preparaat door. Het kan gebruikt worden voor lokalisatie van structuren, fluorkleuren kunnen direct of indirect aan het molecuul gekoppeld, er kunnen meerdere kleuren tegelijk gebruikt en kan ook op levende cellen. In levende cellen maak je dan gebruik van een van nature fluorescerend eiwit GFP. Hierbij kan door modificatie GFP aan het eiwit van interesse gebonden en dan gaat dit eiwit fluoresceren.

c. confocale microscopie: deze heeft een laser als bron van licht welke op een specifieke locatie wordt gezet. Het fluorescerende molecuul wordt alleen in beeld gebracht als deze zich precies op de locatie van de laser bevindt. De laser kan langs het preparaat scannen om zo een mooi 2d beeld van het preparaat te maken. Wanneer men op verschillende diepten kijkt is zelfs een 3d overzicht te maken. Dit is met

name handig als de structuren boven en onder elkaar bevinden, welke in een 2d optie dan een groene vlek opleveren terwijl dit een mooie vorm geeft met confocale microscopie. (zie plaatje p. 9) 2. elektronen microscopie: zwart/wit, grijstinten. a. transmissie elektronen microscopie: wanneer men gebruik maakt van een elektronen microscoop vindt dit altijd in vaccuum plaats. Het is niet mogelijk met deze vorm van microscopie naar levende cellen te kijken. Het maakt in plaats van een lichtstraal gebruikt van een elektronenstraal. Deze heeft een veel kortere golflengte en biedt daardoor de mogelijkheid voor een hogere resolutie (2 nanometer). Tevens maakt het in plaats van glazen lenzen gebruik van magnetische spoeltjes. het preparaat moet ontzettend dun zijn (veel dunner dan bij licht) en het contrast/kleuring wordt bereikt door toevoeging van elektron dichte zware metalen (elektrontegenhoudend). (2 nm). De elektronen gaan door het preparaat heen. b. scanning elektronen microscopie: hierbij wordt het preparaat met een laagje zwaar metaal omhuld. Het preparaat wordt gescand met een straal van elektronen waarbij met een detector de hoeveelheid teruggekaatste en vastgehouden elektronen scant. Uiteindelijk wordt door een computer een 3d beeld gevormd van de oppervlakte van de structuur. De elektronen gaan dus niet door het weefsel heen. (3-20 nm) prokaryotische cellen: deze cellen bevatten geen nucleus. Een voorbeeld hiervan zijn bacteriën maar ook andere cellen behoren tot deze klasse zoals archaea. Bacteriën hebben gewoonlijk een sferische, staaf of spiraal vorm, en zijn slechts enkele micrometers lang (1). Ze hebben gewoonlijk een celwand welke het plasmamembraan omsluit, maar de celwand is geen lipide bilaag. Het membraan natuurlijk wel. Hierbinnen vinden we het cytoplasma en het circulaire DNA. Ze kunnen ontzettend snel reproduceren, 20 minuten. Omdat ze met grote aantallen zijn, snel groeien en reproduceren op een seksachtige manier (delen van genetisch materiaal) hebben ze een snelle evolutie. De meeste prokaryoten leven als single cell organismen. Ondanks hun uiterlijk zijn ze in chemisch opzicht de meest diverse en inventieve klasse van cellen. Ze kunnen in tal van habitats leven, met en zonder zuurstof, zeer warm of koud, allerlei bronnen als brandstof, fotosynthese etc. Naast bacteriën is er nog een andere klasse binnen de prokaryoten: arachnaea. Deze twee klassen verschillen onderling net zoveel van elkaar als ze elk van de eukaryoten verschillen. De meeste prokaryoten die wij in het dagelijks leven tegen komen zijn de bacteriën, de arachnaea kom je tegen in ander soortige leefomgevingen, waar andere cellen niet kunnen leven (vulkaan, oceaanbodem en koeienmaag). Eukaryotische cellen: deze cellen hebben een nucleus, en zijn over het algemeen groter dan de prokaryoten (5 micrometer). Sommige leven onafhankelijk zoals gist en schimmel cellen maar het meerendeel komen we tegen in meercellige organismen. Het bezit van een nucleus voor cellen gaat automatisch gepaard met het bezit van andere organellen. 1. nucleus: de nucleus is het meest prominent in een cel en wordt omringd door twee membranen, welke de nucleaire envelop vormen, deze is continu met het ER. Hierbinnen vinden we langwerpige moleculen van DNA welke in de lichtmicroscoop als chromosomen zichtbaar zijn tijdens de voorbereiding op celdeling. (kijk goed in HC2 naar de vorming van dubbele membraan en ER). De aanwezigheid van een kern is handig om een rol te spelen bij de differentiatie van de cellen. Hierdoor kan namelijk specifiek bepaald RNA het cytosol in en de rest niet. We rekenen de cel als organel ondanks dat deze door de kern poriën niet geheel omsloten is door een membraan, wat andere organellen wel zijn. a. Nucleolus: dit is het deel van de nucleus dat ribosomaal RNA maakt en ribosomen assembleerd. 2. mitochondria: dit is een zeer belangrijk onderdeel en gezien als het energiecentrum van de cel. Ook deze bevat 2 membranen, waarbij het binnenmembraan in christae wordt opgevouwen. Ze

3. 4. a. b. 5.

6.

7.

8.

9.

10. a. b. c.

bevatten hun eigen DNA en reproduceren door deling. Het wordt gedacht dat ze afkomstig zijn van bacteriën, welke in symbiotische relatie leefde met een eukaryotische cel. Nu echter bevat het mitochondrion nog maar een klein deel van zijn eigen DNA en heeft dus absoluut de cel nodig voor overleving. Omdat het mitochondrion zuurstof gebruikt en CO2 uitstoot wordt het ook wel het ademhalingscentrum op cellulair niveau genoemd. Zonder mitochondria zou zuurstof giftig worden. (fig. 1-19, p. 18). chloroplasten: locatie van fotosynthese in plantcellen. Verder niet op in
diergeneeskunde. endoplasmatisch reticulum: een doolhof van tussen verbonden ruimte met een gevouwen membraan. Hier worden de meeste celcompartementen gemaakt. Ruw ER: zit eruit als langwerpige verzameling pannenkoeken (cisterne). Zorgt voor synthese van membraan en secretie eiwitten. Bevat ribosomen aan de membraanzijde. Glad ER: ziet eruit als een verzameling buisjes. synthese van vetzuren en polypeptiden, CA2+ opslag en detoxificatie. Bevat geen ribosomen aan de membraanzijde. golgi apparaat: is het tussenstation tussen stoffen in het ER gemaakt en andere celorganellen. Het sorteert en modificeert de producten van het ER. Het ziet eruit als een verzameling zakken op elkaar gestapeld. Het bestaat uit 3 regio’s, waaronder een ingang (cis), een middenstuk (mediaal) en een uitgang (trans). Elke regio heeft een aparte set van modificerende eiwitten. Het is gelokaliseerd vlak bij de celnucleus en bij de centrosome. lysosomen: dit zijn smalle onregelmatig gevormde organellen waar binnen digestie van de cel voorkomt. Ze laten voedingsstoffen vrij door afbraak van macromoleculen en breken ongewilde moleculen af voor hergebruik of uitscheiding. Ze zijn omgeven door een enkel membraan, een lumen met een pH van 5. Dit is handig voor versnelde afbraak. De degradatiereacties worden uitegevoerd door acid hydrolases. peroxisomen: zijn smalle, membraan omringde vesicles waarbinnen een reactie kan plaatsvinden om waterstofperoxide afgebroken kan worden. Tevens belangrijk voor de degradatie van vetzuren en andere toxische stoffen met behulp van dezelfde waterstofperoxide. Hebben een enkel membraan en sommige enzymen zien eruit als kleine kristallen. vesicles: zijn kleine membraanomringde blaasjes welke gebruikt kunnen worden voor exocytose (naar buiten) en endocytose (naar binnen). Transport tussen de organellen gebeurt ook met vesicles en deze communicerende organellen maken samen deel uit van het vacuolaire systeem. De mitochondrien en de perixosomen maken door niet te communiceren hier geen deel van uit. cytosol: wanneer alles uit de cel verwijderd wordt inclusief de organellen zouden we achterblijven met het cytosol. Deze bevat een hoop kleine en grote moleculen, zo dicht op elkaar geplakt dat het eerder lijkt op een gel dan een vloeibare oplossing. Het is een plaats voor veel chemische reacties in de cel waaronder de eerste afbraak van voedsel moleculen. In het cytosol vindt eveneens een van de sleutel synthetische processen plaats, het maken van eiwitten door ribosomen (kleine partikelen in het cytosol). cytoskelet: in eukaryotische cellen wordt het cytosol doorkruist door het cytoskelet gemaakt van eiwitfilamenten. actin filamenten: De kleinste filamenten aanwezig in alle eukaryotische cellen maar het meeste in spiercellen waar ze voor samentrekkende krachten zorgen. Microtubules: dit zijn de grootste filamenten en helpen om de chromosomen bij celdeling uit elkaar te trekken en eerlijk onder dochtercellen te verdelen. Intermediaire filamenten: zijn middelmatig van grootte en helpen de cel mechanisch te versterken. De filamenten samen met de eraan gebonden eiwitten zorgen voor een systeem dat mechanische sterkte, vorm en de krachten en begeleiding in beweging voorziet.

Het cytoskelet is continu in beweging, waarbij filamenten worden samengbonden en weer losgemaakt binnen een bestek van minuten. Langs deze wegen en kabels van filamenten bewegen ook de organellen en vesicelen. De hele interne cel is dus in beweging en binnen een paar seconden heeft een organel elke hoek van de cel gezien. Zoals we hebben gezien bestaat de eukaryotische cel uit een groot aantal compartimenten die de bacteriecel niet heeft. Toch stammen ze beiden natuurlijk van een cel af. Hoe de eukaryotische cel ontstaan is is vooralsnog onduidelijk, maar een theorie stelt dat de eukaryotische cel een predator was van bacteriecellen. Dit zou dan een cel moeten zijn geweest met een doorlaatbaarmembraan (eten) een cytoskelet (beweging) en een grote afmeting om zijn voedsel in te passen. Het idee dat er cellen zijn die andere cellen kunnen opeten is voor een deel ontstaan uit de kennis van proteozoanen welke zichzelf met andere cellen voeden. Voorbeeld: didinium is een cel die 10x zo groot is als de gemiddelde cel en zich voedt aan voornamelijk andere proteozoanen. Antilichamen kunnen ook gebruikt worden om stoffen aan te tonen. Een organisme is in staat om voor elke denkbare stof een antilichaam te vormen. Ze worden geproduceerd door B-cellen, een speciale witte bloedcel. Een antigeen wordt door een antilichaam herkend. Wanneer een b cell aan een antigen bindt wordt een groot aantal van de antilichamen tegen die stof geproduceerd. Wanneer je bijvoorbeeld een dier injecteert met een lichaamsvreemde stof gaat deze antilichamen tegen die stof produceren. Deze antilichamen kunnen vervolgens uit het bloed gescheiden worden. 1. antilichamen om moleculen te zuiveren: een mix van moleculen wordt samengevoegd met een bepaald soort antilichaam. Deze antilichamen binden aan speciale moleculen waardoor die moleculen andere eigenschappen krijgt. Kolomchromatografie kan gebruikt worden om de antilichamen met moleculen van de rest te zuiveren. Een wash verwijdert vervolgens weer de antilichamen. 2. monoklonale antilichamen: grote hoeveelheden van hetzelfde antilichaam kunnen gemaakt worden door een b cel die deze produceert te binden aan een tumorcel. Het resultaat is een cel die ontelbaar keer deelt en tegelijk het antilichaam produceert. 3. antilichamen als moleculaire labeling: antilichamen worden aan een fluerescerende kleurstof gebonden en deze binden dan vervolgens aan delen in het weefsel. Deze kunnen microscopisch gedetecteerd worden of met behulp van de biochemische eigenschappen door middel van elektroforese. het bepaald meer de locatie van een stof dan de exacte structuur.

-

H2 Een cel wordt omringd door een plasma membraan. De eigenschappen van het membraan corresponderen met de eigenschappen van de cel, dus het moet een barriere vormen tegelijk met de mogelijkheden tot reproductie, groeien, in en uitscheiden van stoffen. Hierdoor is het membraan ook zo gemaakt dat het niet kan scheuren. Wanneer een cel van vorm of grootte veranderd doet het membraan dit ook. De verdere eigenschappen van het membraan zijn: reguleert transport nutrienten reguleert transport afvalstoffen creert correct chemisch milieu vormt een plek voor chemische reacties die niet in waterige omgeving kunnen detecteert signalen uit extracellulaire gaat interacties aan met andere cellen of ECM vormen een raamwerk voor eiwitcomplexen gaan vermengen van componenten tegen zijn betrokken en controleren selectieve uitwisseling van compartimenten.

Bacteriën hebben slechts 1 membraan, eukaryotische cellen echter hebben ook nog binnenmembramen, die de organellen omsluiten, welke dezelfde eigenschappen als het plasma membraan bevatten. Wel verschillen ze in andere opzichten per organel omdat deze verschillende karakters hebben. Ongeacht hun locatie bestaan alle membranen uit eiwitten en lipiden. De lipiden vormen een lipide bilaag en geeft het membraan de basis structuur en permeabiliteit. De eiwitten zorgen voor de rest van de functies en zorgt voor de verschillen tussen verschillende membranen. Membranen zijn licht microscopisch niet te zien, tenzij deze schuin worden aangesneden en het membraan oppervlak glycoproteinen bevat die gekleurd kunnen worden. De meeste celmembranen worden verterkt door een netwerk van eiwitten die aan het membraan gebonden worden door aan de transmembrane eiwitten te binden. De vorm en mechanische eigenschappen worden door dit netwerk bepaald en heet de cel cortex wat zich aan de cytosollische kant van het membraan bevindt. De cel cortex van rode bloedcellen is het beste begrepen en vrij simpel. Het voornaamste component van deze cortex is spectrine, een eiwit in de vorm van een staaf van 100 nanometer lengte. Intracellulaire bindingseiwitten houden het spectrine op de plaats. Wanneer dit eiwit niet goed werkt krijg je ook abnormaliteiten in structuur van de cellen (anemie) en celdood. Andere cellen gebruiken naast mechanische versterking de celcortex ook om van vorm te veranderen en te bewegen. Naast de lipiden worden ook de eiwitten beschermt door covalent gebonden suikers. De meeste van deze suikers zijn korte oligosacchariden (2 suikers) en gebonden aan een eiwit heten het glycoproteinen (of glycolipiden). Anderen hebben lange suikerketens (polysacchariden) en heten proteoglycanen. Alle suikeronderdelen van de glycoproteinen/lipiden en proteoglycanen bevinden zich aan 1 kant van het membraan aan de niet-cytosollische kant, de suikerlaag. De suikerlaag beschermt de cel van mechanische en chemische schade. Door de absorbatie van water door de suikers krijgt het een beetje een slijmerig oppervlakte. Het helpt hierdoor dat cellen aan elkaar plakken of bijvoorbeeld aan de wanden van bloedvaten. Tevens helpt deze suikerlaag bij de celcelherkenning en adhesie. Net zoals de meeste eiwitten met elkaar binden op bepaalde plaatsen hebben sommige eiwitten (lectinen) de mogelijkheid bepaalde oligosacchariden te herkennen en te binden. Aangezien suikers enorm divers zijn in de manier van binding (niet de standaard peptidebinding zoals bij eiwitten) en de verschillende bestanddelen is er een enorme variatie is glycoproteinen en glycolipiden. Het kan dus gebruikt worden als een herkenbare en individuele bekleding van de cel dat door andere cellen herkend kan worden. Naast deze functie heeft de laag nog een andere functie in ontstekingsreacties. In het begin van een bacteriele infectie dragen de witte bloedcellen bepaalde suikers op hun cel (neutrofielen). Deze worden herkend door lectinen wat er voor zorgt dat ze aan deze eiwitten binden en op die manier de bloedbaan verlaten en de plaats van onsteking opzoeken (fig 11-33, p. 382). Ondanks dat membranen vaak voorgesteld worden als een vloeibare 2d laag waarin de eiwitten en lipiden vrijelijk kunnen bewegen is dit te simpel. Sommige eiwitten zijn namelijk op bepaalde plaatsen nodig en de cel heeft manieren ontwikkeld om deze op de plaats te houden. De gebieden waarin bepaalde eiwitten met een fucntie worden vastgehouden heten de membraan domeinen die zich dus op het mebraan oppervlakte van de cel of organel bevinden. Hoe deze vastzitten kan op een aantal manieren: 1. gebonden aan een vaste structuur buiten de cel (bv. extracellulaire matrix). 2. gebonden aan relatief onbeweeglijke structuren in de cel (cel cortex) 3. gelokaliseerd doordat cellen zelf barrières maken om de beweging van de eiwitten te voorkomen

(bijvoorbeeld dicht op elkaar geplakte cellen). Een mooi voorbeeld hiervan zijn de epitheelcellen in de darmwand. Deze hebben aan de apicale zijde (de kant van het lumen) andere eiwitten nodig dan aan de laterale/ basale zijde. Aan de apicale zijde voor voedingsopname en aan de laterale voor transprot uit de cel naar het bloed. De cellen zitten zo dicht op elkaar geplakt dat er een tight junction wordt gevormd. Speciale eiwitten houden deze junctions goed dicht waardoor de doorgang dicht wordt gehouden (zie fig 11-39, p. 386). The dynamische natuur van membranen is zo centraal voor hun functie dat het nu een werkmodel naam heeft: vloeibaar mozaïek model. Hoe je deze vloeibaarheid meet is op verschillende manieren. De eerste is visueel waarbij je bepaalde moleculen labelt en kijkt hoe snel deze zich van plaats veranderen. Een manier hiervoor is bijvoorbeeld gelabelde antilichamen. Hiermee kun je echter niet de exacte specificiteit van beweging onderzoeken (sommigen bewegen niet zoals hierboven beschreven). FRAP aanval (Fluorescerende recovery after photobleaching) is een manier waarmeeje wel gedetailleerd kunt kijken. Hierbij label je alle eiwitten in een membraan met fluorescerende kleurstof. Daarna bleek je selectief 1 klein stukje membraan. Dan kun je kijken naar hoe snel dit gebleekte stukje door migratie van fluorescerende eiwitten weer gekleurd wordt. Met deze techniek bekijk je een gebied en daarmee honderden eiwitten tegelijk, je kunt niet zien wat een enkel molecuul doet. Als bijvoorbeeld een molecuul niet binnen het gebleekte deel migreert kun je niet weten of dit komt omdat deze binnen een bepaald gebied moet blijven of dat deze echt aan het membraan op een plek vast zit. Om om dit probleem heen te komen hebben onderzoekers methoden voor labeling en volgen van individuele moleculen ontwikkeld. Single partikel tracking (SPT) microscopie is een methode om dit te doen, waarbij met goud gekleurde antilichamen op bepaalde moleculen binden. Onder een videomicroscoop kan deze beweging vervolgens gevolgd worden. Om zonder de restricties van het eigen membraan de beweging van eiwitten te volgen is het mogelijk deze van het membraan te scheiden en in kunstmatige vesikelen te plaatsen. Het zal duidelijk zijn dat de eiwitten in deze omgeving door de verminderde drukte sneller en vrijelijker bewegen, tevens worden veel eiwitten op andere manieren gebonden (cytoskelet, ECM) die in deze vesikelen niet aanwezig zijn. De voornaamste bron van energie voor een cel is ATP welke gegenereerd wordt tijdens de glycolyse in het cytosol en de elektronentransport op het binnenmebraan van het mitochondrion. Elektronen transport wordt ook in de bacterieen gedaan en het is dus ook niet verwonderlijk dat eukaryotische cellen ook deze mogelijkheid bezitten (eerst symbiotische relatie van zo’n aerobe bacterie welke later het mitochondrium vormt. In eukaryotische cellen is dus ook het mitochondrium de locatie van elektronen transport. Zonder mitochondria zouden cellen ook afhankelijk zijn van de minder efficiente glycolyse voor ATP productie. Defecten in de mitochondrien hebben dus zeer ernstige gevolgen. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de ziekte myoclonische epilepsie en ragged red fiber disease, waarbij een van de transfer RNA genen gemuteerd is. Dit leidt tot een verminderde synthese van mitochondriale eiwitten benodigd voor elektrontransport en ATP synthese. Het gevolg is spierzwakte en hartproblemen. Spier en zenuwweefsel hebben de meeste problemen door de grote behoefte aan ATP. Bacteriën hebben geen mitochondria en het plasma membraan voert dan dezelfde functie uit als het binnenmembraan van een mitochondrium.

Mitochondria zijn over het algemeen gelijkend op bacteriën in vorm en grootte. Ze bevatten hun eigen DNA, RNA en een compleet transcriptie en translatiesysteem inclusief ribosomen (eiwitsynthese). Ze zijn ontzettend mobiel en continu van vorm en positie aan het veranderen. In 1 levercel zitten maar liefst 1000-2000 mitochondrien en kunnen hierdoor een lange rij vormen langs de microtubulen van het cytoskelet. In andere cellen zijn ze gebonden op een plaats waar veel directe ATP nodig is. Elke mitochondrium wordt gebonden door twee hoog gespecialiseerde membranen, welke een belangrijke rol spelen in de activiteiten van het organel. Het cytsol is het kale gedeelte van de cel, het cytoplasma is dus cytosol + organellen. Cytosol bevat wel het cytoskelet, de polyribosomen en de metabole enzymen. Het buitenmembraan bevat ontzettend veel van het eiwit porine, welke waterige kanalen vormt in de lipide bilaag. Hierdoor is dit membraan permeabel voor moleculen van 5000 dalton of minder. De intermembraan ruimte is hierdoor qua samenstelling gelijk aan het cytosol met betrekking tot kleine moleculen. Het binnenmembraan daarentegen is ondoorlaatbaar voor ionen en de meeste kleine moleculen, tenzij er transporteiwitten voor zijn. De matrix van het mitochondrium bevat daarom alleen moleculen die specifiek erdoor heen zijn gekomen. De meeste eiwitten die zich in het binnenmembraan bevinden zijn componenten voor de elektronen transport en ATP synthese. Het heeft een groot oppervlak door de invouwingen die christae genoemd worden. Hierdoor is er een groot oppervlak voor ATP productie (ongeveer 1/3 van alle membranen binnen een levercel). De christae varieren eveneens in grootte afhankelijk van de energie behoefte voor een cel (3x zoveel voor hart als lever). HC 3 en 4 Om eiwitten goed te onderzoeken zijn er methoden om ze van de rest van de cel te zuiveren. De eerste stap hierin is natuurlijk de cel kapot te maken en de onderdelen eruit te krijgen. Dit kan met mechanische technieken, homogenisatie, waarvan er 4 bekende zijn. Kapot maken door: hoge frequentiegeluiden; een detergent om gaten in het plasmamembraan te maken; cellen door een te kleine ruimte forceren en een nauw gesloten rotator in een buis met cellen er tussen. Het resulterende homogenaat bevat de moleculen van het cytosol en de organellen, waarbij als het goed is het grootste deel intact is. Dit homogenaat moet vervolgens verder gezuiverd worden om de eiwitten te kunnen onderzoeken. Het meest gebruikt hiervoor is centrifuge waarbij het homogenaat op hoge snelheid wordt rondgedraaid. De grotere en meer dichte moleculen zullen in de bodem van het homogenaat terecht kunnen en de rest daarboven. Differentiële centrifuge is een methode waarbij herhaaldelijk op steeds hogere snelheid gecentrifugeerd wordt waarbij het homogenaat in onderdelen wordt gesplitst. Ook hier vindt scheiding plaats op basis van grootte en dichtheid. Velocity (snelheid) centrifuge is eiegenlijk een soort combinatie met kolomchromatografie. Hierbij wordt het homogenaat op een zoutoplossing gelegd en vervolgens gecentrifugeerd. De verschillende onderdelen van het homogenaat komen door dichtheid en grootte na centrifugatie op andere locaties in het buisje terecht. Deze kun je door af tappen van elkaar scheiden. Equilibrium sedimentatie (density gradient centrifuge) hierbij wordt het homogenaat in een stof geplaats die over de linie van het buisje verschilt in dichtheid. Na centrifuge zullen de verschillende onderdelen van het homogenaat op die locatie zitten waarbij de dichtheid matcht met de eigen dichtheid. Ook hierbij kan weer aan de basis van het buisje afgetapt worden om te scheiden.

Voor een cel om goed te kunnen functioneren moeten de verschillende processen die soms complementair aan elkaar zijn gescheiden worden. Een manier die veel gebruikt wordt hiervoor zijn de enzymen die nodig zijn voor deze reacties in grotere enzym complexen te plaatsen. Een tweede strategie is de verschillende processen in verschillende membraan omsloten compartimenten te laten plaatsvinden, membraan omsloten organellen. De belangrijkste organellen zijn in het kort hierboven al behandeld. Van sommige organellen hebben we er slechts 1 per cel (nucleus, ER en Golgi) en van anderen honderden (lysosomen, peroxisomen, endosomen) en van mitochondrien zelfs 1700 per cel!. Gemiddeld tellen de organellen de helft van het hele volume van de eukaryotische cel. De compartimenten van een cel zijn zeer waarschijnlijk in stadia geëvolueerd. Bacteriën hebben geen organellen en kunnen toch zichzelf van voldoende energie voorzien door hun grote oppervlakte/volume ratio. Eukaryotische cellen hebben een veel kleiner ratio en moesten dus naar een andere oplossing zoeken. Membraan omsloten organellen bieden deze functie door de vergroting in membraanoppervlak en zijn op ten minste twee manieren geëvolueerd. 1. het nucleaire membraan, Golgi, ER, lysosomen en endosomen zijn ontstaan door invaginatie van het plasmamembraan. Het wordt daarom ook wel het endomembraan systeem/vacuolair systeem genoemd. Deze organellen communiceren ook met elkaar. Doordat deze organellen dus oorspronkelijk van buiten de cel naar binnen treden worden ze ook in veel opzichten als extracellulair beschouwd. 2. mitochondria komen van een andere oorsprong. Van hen wordt gedacht van een bacterie af te stammen die in een symbiotische relatie met de eukaryotische cel leeft. Het mitochondrion blijft dus ook door de andere oorsprong buiten het vacuolaire systeem (communicatie). Wat er met peroxisomen is gebeurd weten we niet. Voordat een eukaryotische cel kan delen zullen ook de organellen gedupliceerd moeten worden. Voor de meeste organellen geldt dat ze ontstaan uit voorgaande organellen die groeien en vervolgens delen. De nucleaire envelop, het ER en het Golgi echter splitsen op in kleine vesikelen, welke weer samenkomen als de dochtercellen zijn gevormd. Om vervolgens te kunnen groeien zijn eiwitten (voor zowel het membraan als in het lumen) nodig. Voor sommige organellen worden deze direct via het cytosol geleverd, hier gaat het om de mitochondria, peroxisomen en nucleus. Voor anderen, inclusief het Golgi, lysosomen en endosomen, worden deze indirect via het ER aangeleverd. Voor ribosomen is een ander pad, wat losstaat van het verhaal hieronder, voor de synthese van eiwitten en ribosomale subnits. Daarom behandel ik deze eerst even kort. Eiwit synthese voor ribosomen: stukje RNA codeert voor een ribosomaal eiwit in het cytosol
eiwitten gaan naar de nucleolus waar ze aan elkaar gezet worden
ribosomale subunits terug naar het cytosol. Uitgezonderd enkele mitochondriale eiwitten worden vrijwel alle gesynthetiseerde eiwitten gestart met de synthese op de ribosomen in het cytosol. Tijdens de start van de synthese wordt een aminozuurvolgorde, sorting signal, aangemaakt op het eiwit welke het eiwit dirigeert naar de het organel waar deze nodig is. Eiwitten die dit signaal niet bevatten zullen ook in het cytosol blijven rondzwerven. Er bestaan verschillende signalen voor de verschillende organellen. Sorting signalen bestaan gewoonlijk uit een reeks van 15-60 aminozuren en wordt vaak verwijderd nadat het sorteerproces is afgelopen. Ze zijn noodzakelijk en voldoende om het sorteerproces te laten verlopen. Anders dan de specifieke aminozuurvolgorde is er meer verschil in hydrofobiteit en geladen aminozuren die de uiteindelijke locatie bepalen van een sorting signal en dus de functie uitoefent. Eenmaal bij het organel aangekomen moet het eiwit ook naar binnen worden gehaald. Hoe dit gebeurd is voor elk organel anders, maar kost voor allemaal energie.

1.

nucleus: de eiwitten worden door de nucleaire poriën naar binnen gehaald. Door de porien kan verkeer twee kanten op gaan, nieuw gemaakte eiwitten kunnen erin en RNA en ribosomalen subunits kunnen eruit. mRNA moleculen die niet volledig zijn worden ook niet getransporteerd, wat suggereert dat dit een kwaliteitscontrole punt is voor de mRNA synthese en verwerking. Deze porien functioneren als selectieve poorten die actief macromoleculen naar binnen transporteren mits ze het juist sorting signaal bevatten, maar vrije diffusie geven voor kleinere oplosbare moleculen, waaronder aminozuren. Het signaal dat eiwitten naar de nucleus dirigeert heet het nucleaire lokalisatie signaal, welke over het algemeen 1 of 2 stukjes van positieve aminozuren bevat zoals lysines en arganines. De nieuw gesynthetiseerde eiwitten die naar de nucleus moeten gaan worden over het algemeen in het cytosol al geholpen om de weg te vinden. Dit zijn eiwitten in het cytosol die nucleaire transport receptoren worden genoemd, welke aan het lokalisatie signaal bindt en het eiwit begeleidt naar een porie dmv interactie met porievezels. Het eiwit wordt vervolgens actief getransporteerd met behulp van GTP hydrolyse. In het centrum van de porie zit namelijk een soort van luikje welke hierdoor opengaat. De transport receptor wordt weer naar het cytosol gebracht en het eiwit gebruikt. Het eiwit wordt in zijn volledig gevouwen vorm getransporteerd,

ER, mitochondria en peroxisomen: de eiwitten worden in deze organellen naar binnen gehaald door middel van eiwit translocatoren die in het membraan zitten. Het eiwit kan hier (anders dan bij de porien) niet gevouwen doorheen en zal normaliter als een slang (dus ongevouwen) door het poortje moeten kruipen. Wat betreft de perixosomen is er weinig bekend van het exacte transportmechanisme. a. Mitochondria: de eiwitten die dit organel binnenkomen hebben meestal een signaal sequentie op de N-terminus. De eiwitten worden in 1 keer over zowel het buiten als binnenmembraan getransporteerd, op gespecialiseerde plaatsen waar de twee membranen met elkaar in contact zijn. Elk eiwit moet ontvouwen worden als het getransporteerd wordt en het signaal molecuul wordt na transport eraf geknipt. Chaperone moleculen binnen het organel helpen het eiwit over het membraan te trekken en vervolgens het eiwit weer om in de juiste conformatie op te vouwen. Transport binnen het organel gebeurd ook weer met sorting signals die bijna altijd pas tevoorschijn komen als het eerste signaal is afgeknipt. Als het bijvoorbeeld membraan eiwitten moeten worden zien we hetzelfde systeem als straks bij ER te zien zal zijn. Naast eiwitten hebben mitochondrien ook lipiden voor hun membraan nodig. Deze worden gedacht getransporteerd te worden direct van een membraan naar het andere door zogeheten lipide-dragende moleculen die in water oplosbaar zijn.

2.

b.

Endoplasmatisch reticulum: de eiwitten die bij het ER aankomen bevatten een zogenaamde ER signaal sequentie welke bestaat uit een segment van 8 of meer hydrofobe aminozuren. het ER ontvangt naast eiwitten die bedoeld zijn voor het eigen organel ook eiwitten die naar andere organellen toe moeten (Golgi, lyso, endo en cel oppervlak). Als deze eiwitten eenmaal in het ER binnen zijn zullen zij niet meer vrijelijk in het cytosol terecht komen, maar in vesikelen van organel naar organel getransporteerd worden. Anders dan de eiwitten die de andere organellen binnenkomen worden de eiwitten voor het ER aan het membraan vast gesynthetiseerd, door ribosomen aan het ruwe ER (uiteraard aan de cytosolzijde). Dit zijn membraan-gebonden ribosomen, anders dan de vrij ribosomen die gebruikt worden voor alle andere eiwitten gecodeerd door het nucleaire DNA. Als een vrije ribosoom begint aan de synthese van een eiwit met ER signaal wordt dit deze ribosoom naar het membraan gedirigeerd. De eiwitten die het ER binnenkomen zijn door de synthese aan het membraan nog lineair en nog niet in 3Dconformatie. Hierdoor kost het, anders dan bijvoorbeeld voor de eiwitten in het mitochondrion, minder energie voor transport. Twee typen eiwitten worden vanaf het cytosol naar het ER getransporteerd: - water oplosbare eiwitten die vrijgelaten worden in het ER lumen nadat deze volledig over het membraan is getransporteerd. Deze eiwitten zijn of bedoeld voor secretie of het lumen van een van de

andere organellen. Het ER signaal wordt naar het membraan gedirigeerd met behulp van ten minste twee componenten. 1. signal recognition partikel (SRP): aanwezig in het cytosol en bindt aan het signaal wanneer het aan het ribosoom wordt aangemaakt. Binding zorgt voor een tijdelijke stop in de eiwitsynthese. 2. SRP receptor: bevindt zich op het membraan en herkend de SRP gebonden aan het eiwit waardoor de ribosoom en het eiwit aan het membraan verankerd worden, pas na binding van de SRP aan de receptor gaat de synthese weer verder. De SRP wordt in het cytosol vrijgelaten en de eiwitsynthese gaat verder. 3. translocatie kanaal: het gebonden ribosoom zit op het kanaal naast de SRP receptor, waardoor het eiwit tijdens de synthese het lumen in stroomt. Naast het dirigeren van de eiwitten naar het ER dient het signaal segment ook nog een andere functie, namelijk het openen van het kanaal. Het signaal segment blijft gebonden aan het kanaal terwijl de rest van het eiwit erlangs naar binnen stroomt. Op een gegeven moment knipt signaal peptidase het signaal af aan de luminale zijde van het membraan. Het signaal wordt afgebroken tot aminozuren. Zodra de Cterminus (synthese begint aan de N-terminus, en het signaal in dit verhaal ook aan de N-terminus) binnen is wordt het eiwit losgelaten van het kanaal. - prospectieve (moeten dus nog worden) transmembraan eiwitten die slechts gedeeltelijk over het membraan worden getransporteerd en dus niet in het lumen komen. Deze eiwitten blijven of in het ER membraan of worden getransporteerd naar andere membranen waaronder ook het plasmamembraan. De synthese van deze eiwitten is iet wat gecompliceerder dan de normale synthese van lumen eiwitten. In het simpelste geval is er sprake van 1 transmebraan stuk. In dit geval wordt ook de N-terminus gesynthetiseerd richting het lumen. Bij de synthese van een hydrofoob deel echter zal het transfer process stoppen, stop-transfer segment. Dit omdat het hydrofobe deel in het membraan wil blijven en niet in de waterige omgeving van het lumen wil/kan komen. Het stop transfer segement drijft af in het membraan waar het een alpha-helix vormt en het eiwit in het membraan verankerd. Het signaal segment wordt afgeknipt. De N-terminus is aan de luminale kant en de c-terminus aan de cytosolkant. In sommige eiwitten is het echter niet de N-terminus maar een middenstuk van het eiwit dat als transfer signaal dient, start transfer segment. het stop transfer segment vinden we een stuk verderop. Deze beiden segmenten worden niet afgeknipt omdat deze transmembrane delen vormen die belangrijk zijn voor de functie. Deze eiwitten vormen vaak dus binnen 1 eiwit meerdere transmembrane delen. Het aantal stop en start delen kunnen hoger worden als er meer transmembraan delen in de vorm van alpha helixen nodig zijn. Bekijk hierbij goed de plaatjes op p. 509, 510-511 van Alberts!!!. Er zijn 4 typen membraaneiwitten: Type I: signaal sequentie bevindt zich aan de N-terminaal, het eiwit gaat eenmaal door het membraan heen. N terminus zit dus aan de lumen kant en de C terminus aan de cytosol kant. Het signaal wordt afgeknipt. Type II: start transfer stuk zit in het midden van het eiwit. Hierdoor klapt het eiwit om en komt de C terminus aan de lumen kant en de N terminus aan de cytosol kant. Het start tarnsfer deel wordt het transmembraan deel van het eiwit en dus niet afgeknipt. Type IV (III onbekend): dit is het type waarbij meerdere transmembraandelen mogelijk zijn. De start transfer zit verder in het midden, gevolgd door een stop transfer. Dit zorgt voor twee delen door het membraan, de start en stop in het membraan vast. Er kunnen meerdere transmembraan stukken ontstaan door meerdere start en stop coderingen.

Na synthese worden sommigen eiwitten aan een soort anker gezet die zich al in het membraan bevindt, een GPI anker (glucosylphosphatidylinositol). Dit is een lipide met twee vetzuren en een polaire kopgroep. De overdracht van een eiwit op dit anker vindt plaats met behulp van GPI transferidase.

1. 2.

3. a. 4. 5.

In het ER ondergaan de eiwitten 5 belangrijke posttranslationele modificaties en kwaliteitscontroles: Formatie van disulfidebruggen tussen de cysteïne zijgroepen welke SH-groepen bevatten. Dit dient ervoor om de comformatie stabieler te maken. Toevoegen en modificeren van suikers aan de asparagine groepen. Dit heet dan N (van Asn) – glycosylering. De toevoeging van een suiker gebeurt al terwijl het eiwit nog gesynthetiseerd wordt, aan het membraan. Er wordt dan een reeds bestaande lipide gelinkte oligosaccharide aan het eiwit gekoppeld, welke zich eerder aan een dolichol bifosfaat bevondt. Deze suikers bestaan uit verschillende groepen waaronder Mannose, Glucose en N-acetylglucosaminen. In het RER lumen aangekomen wordt deze N-linked oligosaccharide verder bewerkt. Eventueel kunnen de suikers ook weer verwijderd worden. Vouwing: de glycosylketens die aangebonden zijn worden vervolgens door de chaperone eiwitten gebruikt om de correcte vouwing te bereiken, deze zijn dus hier belangrijk voor. •Kwaliteitscontrole Specifieke proteolytische klieving Assemblage in multimere eiwitcomplexen

vanaf het ER naar het Golgi en daarna eventueel naar een ander compartiment van het endomembrane systeem worden door vesikelen (membraanblaasjes) getransporteerd. Deze blaasjes worden gevuld met een te transporteren stof (cargo) aan de lumen kant van het organel (ER als eerste). De blaasjes gaan via het cytosol naar een ander organel waar ze fuseren met dat membraan. Tijdens dit proces worden ook de membraaneiwitten en lipiden die het blaasje hebben gevormd getransporteerd naar een ander organel, samen dus met opgeloste eiwitten. het transport met deze blaasjes kunnen zowel naar buiten vanaf het golgi naar het plasma membraan via secretieblaasjes of naar de lysosomen. ook vanaf het extracellualaire naar binnen van het plasma membraan is mogelijk: endosomen
lysosomen gaan en kunnen dus een route van communicatie bieden tussen de onderdelen van de cel en er buiten. Er is dus een onderscheidt tussen twee grote paden: 1. secretiepad naar buiten: deze start met de biosynthese van eiwitten aan het ER membraan welke naar binnen in het membraan gaan. Vervolgens gaan deze naar het Golgi apparaat en daarna via secretiegranula naar buiten. 2. binnenwaarts endocytisch pad: dit pad zorgt voor vertering en afbraak van extracellulaire stoffen, en beweegt stoffen vanuit het plasma membraan via endosomen naar de grote afvalbak van de cellen, de lysosomen. Om goed te kunnen functioneren moet elk transportblaasje (vesicle) alleen die eiwitten meenemen die geschikt zijn voor de bestemming en moeten ze alleen met het juiste membraan fuseren. Elk organel moet zijn eigen specifieke eigenschappen kunnen behouden. Alle herkenningsmechanismen van de juiste membranen en eiwitten gebeuren via eiwitten die aan het vesikel membraan vastzitten. Allereerst is het dus belangrijk dat het juiste stukje membraan met de juiste membraaneiwitten in een vesikel terecht komen. Een stukje membraan wordt hierdoor bedekt door coat eiwitten. Deze zorgen er allereerst voor de het stukje membraan zich vormt tot een coated vesikel. Deze coat dient als herkenningspunt voor andere membranen waarmee het vesikel moet fuseren. Tevens dient de coat nog een andere functie, namelijk het zorgen voor het vastpakken van eiwitten voor transport welke selectief 3.

uitgevoerd kan worden. Tot slot zorgt het nog dat het membraan gaat uitstulpen om een blaasje te vormen. Cellen produceren meerdere soorten Coat’s: 1. clathrine coat: deze vesikelen komen van het Golgi apparaat en hebben als bestemming het secretiepad . tevens kunnen zij dienen vanaf het plasmamembraan naar binnen in het endocytische pad. De vorming van deze vesikelen gaat in een bepaalde volgorde. Allereerst bindt clathrine aan een stukje membraan, de coated pit. Het membraan wordt in een blaasje achtige vorm gemaakt. Een klein GTP bindend molecuul dynamine vormt een band rond het blaasje waardoor deze afkneld wordt en vrij van het membraan komt. Andere vesikelen gebruiken vergelijkbare systemen (figuur 15-19). zoals net al gezegd speelt de coat ook een rol in het selecteren van het cargo (te transporteren eiwitten). Clathrine speelt zelf hier niet direct een rol in, hierbij komt een tweede soort coat eiwit in beeld: adaptinen, welke zich tussen de clathrine coat en het membraan bevinden. Ze verankeren dus als het ware ook de clathrine aan het membraan. In de selectie van eiwitten spelen ze de rol dat ze de cargoreceptoren die de cargomoleculen binden vastpakken. Op deze manier wordt dus zowel de receptor als het eiwit in de vesikel meegenomen. De adaptinen die de cargo pakken in het plasmamembraan zijn wezenlijk verschillend van die in het Golgi apparaat, omdat deze verschillende soorten receptoren moeten kunnen binden. 2.

COP-coat: wordt gebruikt door vesikelen die van het ER naar het Golgi gaan (COP II) en die van een onderdeel van het Golgi naar een ander onderdeel van het Golgi gaan (COP I). Wanneer een vesikel eenmaal los is van het membraan moet deze getransporteerd worden naar de juiste locatie. Over het algemeen gebeurt dit met behulp van motoreiwitten, die over het cytoskelet bewegen. Eenmaal bij de juiste locatie aangekomen moet deze het organel herkennen en er ‘aanmeren’. Op het membraan van een vesikel bevinden zich targets die specificeren wat er zich binnen in bevindt en waar het vandaan komt, welke herkend worden door het juiste membraan. Het mechanisme wat zich hier mee bezig houdt wordt ondersteunt door zogenaamde SNARE’s. elke vesikel heeft een V-SNARE die specifiek bindt op een bepaald T-SNARE van het doelmembraan (T=target; V= vesicle). Wanneer het vesikel eenmaal aangemeerd is vindt fusie meestal niet direct plaats, maar wacht een moleculair signaal af. Om te kunnen fuseren moeten de twee membranen niet zozeer dicht bij elkaar zijn, maar echt met een maximale afstand van 1,5 nanometer van elkaar zijn. Om dit te laten gebeueren moet allereerst het water aan de hydrofillische zijde van het membraan verwijderd worden. Dit is echter energetisch infavoriet en daarom ook waarschijnlijk dat deze reacties gekatalyseerd worden. De SNAREeiwitten spelen ook een rol, de T en V draaien bij contact om elkaar heen waardoor de membranen als het ware naar elkaar toe geschroefd worden. Secretiepad: Elk molecuul dat via exocytose (fusie van plasmamembraan met als doel stoffen naar buiten te werken) moet een vaste route volgen om dit te bereiken en wordt meestal chemisch gemodificeerd op de weg naar buiten. Naast de modificatie worden alle stoffen ook gecontroleerd op kwaliteit alvorens in de extracellulaire omgeving los te laten, is dit niet het geval zal het molecuul binnen blijven en in de cel worden afgebroken. Meeste moleculen beginnen de modificatie in het ER door covalente bindingen. Hier worden zwavelbruggen gevormd door oxidatie van cysteine zijketens, om de stabiliteit van het eiwit te vergroten. Deze zwavelbruggen worden door de reducerende omgeving niet in het cytosol gevormd. Verder worden in het ER ook veel eiwitten omgevormd tot glycoproteinen door aanhechting van oligosacchariden, suikergroepen, glycosylatie. Ook dit proces verloopt wel in het ER en niet (zeer weinig) in het cytosol door aanwezigheid van de zogeheten glycosylerende enzymen. De suikergroepen

dienen een aantal verschillende functies: vasthouden binnen het ER totdat het fatsoenlijk gevouwen is, of dienen als transportsignaal om de stof in het juiste vesikel te krijgen. Als ze deel uit maken van het celoppervlak dragen ze bij aan de suikerlaag en kunnen dus helpen in de herkenningen tussen cellen. De oligosacchariden worden niet gevormd door aanhechting van suikertjes 1 voor 1. in plaats daarvan is er al een complete suikergroep van 14 suikers aanwezig die vastgehecht zit aan een speciale lipide, dolichol, in het ER membraan. Deze suikergroep laat vervolgens los en bindt zich in 1 keer aan de NH2 groep van asparagine zodra deze in het lumen verschijnt. Deze stap wordt door 1 enkel enzym gekatalyseerd, oligosacchariden eiwit transferase. Aangezien dit enzym zich aan de lumen kant van het membraan bevindt kan het ook verklaren waarom er geen gesuikerde eiwitten in de cytosol kant van het membraan zitten. Oligosacchariden die op deze manier aan de NH2 keten van asparagine zitten worden N-linked genoemd en zijn bij verre de meest voorkomende binding bij glycoeiwitten. De uiteindelijke glycoproteinen zijn ontzettend divers en de N-bindingen ook. Dit komt door verdere modificatie in zowel het ER als het Golgi. Sommige eiwitten dienen in het ER te blijven en hebben dan hier een ER retention signaal voor welke bestaat uit een sequentie van 4 aminozuren op de C-terminus. De meeste eiwitten echter moeten verder naar andere celonderdelen. Deze gaan via vesikelen eerst naar het Golgi apparaat. Voordat deze eiwitten eruit mogen worden ze sterk geselecteerd en alleen de juist gevouwen eiwitten of de juiste gevormde polymeren en dimeren mogen door. De foute eiwitten worden in het ER aan chaperonen gebonden tot ze wel de juiste configuratie hebben en anders worden ze afgebroken. Soms kan deze kwaliteitscontrole ontzettend fataal zijn voor een mechanisme. Voorbeeld: cystic fibrosis is een ziekte waarbij een mutatie plaatsvindt die ervoor zorgt dat een plasmamebraan net niet goed gevouwen is. Ondanks dat deze mutant best zou kunnen functioneren als chloride kanaal krijgt het de kans niet omdat het in het ER wordt vastgehouden. Dus het ER zorgt door de kwaliteitscontrole ervoor dat een niet desastreuze mutatie toch ontzettend erg wordt. In het golgi apparaat aangekomen komen de eiwitten eerst in het cis netwerk welke vlak bij het ER gelegen is. De eiwitten vervolgen hun weg vervolgens tussen de cisterne via de mediale naar de transzijde met behulp van vesikelen. Uiteindelijk komen de eiwitten buiten het Golgi vrij om naar het celoppervlak te gaan of een ander compartiment. Zowel het Cis als het Trans deel van het Golgi zijn belangrijk bij het sorteren van eiwitten. In het cis wordt bijvoorbeeld al onderscheidt gemaakt tussen eiwitten met een ER retention signal die dus terug moeten naar het ER en andere eiwitten die het Golgi kunnen vervolgen. In het transdeel wordt onderscheidt gemaakt tussen de eiwitten die naar de lysosomen moeten en de eiwitten die naar het cel oppervlakte moeten. Veel van de suikergroepen die in het ER aan de eiwitten gebonden waren ondervinden verdere modificatie in het Golgi apparaat. 1. modificatie N-glycosylering (Asn) 2. O-glycosylering (aan OH groep van ser, thr, of hydroxyser) (de N glycosylering vindt dus alleen plaats in het ER terwijl de O-glycosylering in het Golgi gedaan wordt). 3. proteolytische knip eiwitten 4. sulfatering eiwitten (aanbinden van een fosfaatgroep) Er is een duidelijke correlatie tussen de processen die doorlopen worden (1 t/m 4) en de locatie binnen het Golgi, de stappen altijd van cis naar trans. De suikers worden dus eerst afgehaald in Cis netwerk, Cis cisterne en mefdiale cisterne en aangeplakt in mediale cisterne en trans cisterne.

De antigenen die bloedgroepen bepalen hebben bijvoorbeeld verschillende suikergroepen welke in het golgi zo gemodificeerd zijn. Eiwitten die van het Golgi naar het plasma membraan moeten gaan bevinden zich in het constitutieve exocytose pad. Dit pad werkt continu en zorgt ervoor dat nieuwe lipiden en eiwitten naar het plasmamembraan worden gebracht zodat deze kan groeien. Dit pad brengt ook eiwitten naar het cel oppervlak waar ze uitgescheden kunnen worden, secretie, om in het ECM te gaan, adhesie aan celoppervlak, voeding of dienen als signaal. Het terecht komen in dit pad behoeft geen signaal segment en is dus niet selectief, het wordt daarom ook wel het default pad genoemd. Naast dit pad is er nog een ander pad die ook als doel heeft eiwitten naar buiten te brengen (secretie). Dit pad wordt echter wel gereguleerd een daarom ook wel het gereguleerde exocytose pad genoemd. Dit pad opereert alleen in speciale secretiecellen met als doel natuurlijk om bijvoorbeeld hormonen, enzymen of mucus uit te scheiden. Deze stoffen worden opgeslagen in zogenaamde secretie vesikelen welke dan een tijdje in het cytosol rond blijven drijven. Zodra er een extracellulair signaal wordt gegeven gaan ze met het plasma membraan fuseren. Voorbeeld: afgifte van Insuline door de alvleesklier. De eiwitten die dit doel hebben worden in het trans golgi al gesorteerd en voorzien van speciale oppervlakte eigenschappen. Deze eigenschappen zorgen ervoor dat de eiwitten onder ionische omstandigheden (lage pH en hoge CA2+) zoals die in het trans golgi heersen kunnen samenkomen . deze pakketjes van eiwitten worden dan herkend door een onbekend mechanisme en verpakt in de secretie vesikelen. De eiwitten die dus niet samenklonteren worden niet herkend en gaan automatisch het constitutieve pad in. De samenklontering van de eiwitten heeft naast selectie nog een andere functie, het mogelijk maken van de eiwitten om in veel grotere aantallen in een vesikel te passen omdat ze lekker dicht op elkaar geplakt zitten. Hierdoor kunnen met 1 vesikel grote hoeveelheden stoffen worden vrijgegeven. Wanneer een transport of secretie vesikel fuseert met het membraan wordt het vesikel membraan onderdeel van het plasma membraan. De reden dat het plasma membraan niet steeds groter wordt is omdat de hoeveelheid endo en exocytose redelijk in balans zijn. In polaire cellen (zenuwcellen, epitheelcellen), dus met twee verschillende kanten, worden sommige eiwitten aan de apicale kant (lumen kant van orgaan) uitgescheden terwijl andere eiwitten aan de basolaterale kant (bloedbaan) worden uitgescheden. Apicaal in polaire cellen: altijd door gereguleerde secretie, bijvoorbeeld verteringsenzymen van de alvleesklier. Basolateraal in polaire cellen: constitutief en gereguleerd. Constitutief bijvoorbeeld: albumine en transferine door lever. Gereguleerd: insuline door eilandjes van langerhans; neurotransmitters door zenuwcellen. In niet polaire cellen in de uitscheiding altijd constitutief. Endocytotische paden Vloeistoffen, voedingstoffen, partikelen en zelfs andere cellen kunnen de cel binnenkomen door een proces endocytose. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een endocytotisch vesikel. Na binnenkomst wordt het materiaal uiteindelijk afgegeven aan de lysosomen, waar het verteerd wordt. De gevormde metabolieten worden in het cytosol vrijgelaten. Twee soorten vesikelen worden gevormd op basis van grootte:

1. pinocytose: heeft kleinere vesikelen (150nm) en is gebruikt bij het drinken (vloeistoffen) en moleculen. Pinocytose wordt voornamelijk uitgevoerd door clathrine coated vesikelen welke dan vervolgens snel hun coat verliezen en fuseren met endosomen. Heirbij wordt dus ook een deel extracellulaire vloeistof overgedragen welke zich in het vesikel bevond. Daarom kan deze vorm van transport dus gebruikt worden om vloeistof op te nemen. Pinocytose discrimineert niet en pakt dus simpelweg elk molecuul wat ie kan pakken. In de meeste cellen kan er echter ook een ander mechanisme gebruikt worden om specifieke macromoleculen de cel in de krijgen. Deze macromoleculen binden aan de receptoren aan het cel oppervlak en kunnen dan als receptor macromolecuul complexen de cel in komen. Dit proces heet receptor-mediated endocytose en is een efficiente manier om toch veel van een stof in de cel te krijgen met name als de concentratie in de extracellulaire vloeistof laag is. Voorbeeld: opname van cholesterol wanneer deze nodig is. Cholesterol is zeer onoplosbaar en wordt door het bloed getransporteerd door aan een eiwit te binden. Hierdoor worden partikelen gevormd: Low Density Lipoproteinen, LDL. De LDL kan vervolgens aan de receptoren op het celopppervlak binden en op die via clathrine gecoated endosomen de cel in komen. Omdat ze hierdoor in de endosomen terecht komen waarbinnen de omgeving veel zuurder is dan erbuiten laat het LDL los van de receptor en verder aan de lysosomen overgedragen worden. Door hydrolyse komt uiteindelijk de cholesterol vrij. Sommige mensen hebben een defect gen waardoor er geen gebruik gemaakt kan worden van een LDL receptor. Cholesterol hoopt zich in dit geval op in het bloed, kan niet door de cel gebruikt worden en mensen krijgen last van hartfalen en arterosclerose. Receptor mediated endocytose kan ook gebruikt worden om andere stoffen op te nemen, zoals vitamine B12 en ijzer, welke beiden nodig zijn voor de synthese van hemaglobine. Helaas kan dit proces ook gebruikt worden door slechteriken zoals het HIV virus en griepvirus welke dit systeem gebruiken om de cel binnen te komen. Wanneer je door een elektronenmicroscoop kijkt en een elektrondichte vloeistof als marker gebruikt zie je dat het endosomale compartiment een complexe set van verbonden membraan buisjes en grotere vesikelen. Twee soorten endosomen kunnen op deze visuele wijze worden onderscheiden: 1. vroege endosomen: deze bevinden zich vlak onder het plasma membraan 2. late endosomen: na 5-15 minuten bevinden de stoffen zich hierin vlakbij de nucleus. Deze late endosomen hebben ook al een laag pH net zoals de lysosomen. De vroege endosomen worden langzaamaan de oude endosomen wanneer de blaasje binnen het vroege endosoom samen fuseren of fuseren met een bestaand laat endosoom. Het interieur van de endosomen is zurr, pH = 5-6, en dit wordt bereikt door een ATP afhankelijke pomp die H+ binnen in de cel pompt vanuit het cytosol. De compartementen binnen een endosoom fungeren als de basis voor een sorteerstation voor inwaartse endocytische pad. Dit is dezelfde functie als het trans Golgi netwerk voor het uitwaartse pad heeft. De zure omgeving van het endosoom speelt een cruciale rol in het sorteerproces, omdat hierdoor veel receptoren hun gebonden cargo loslaten. Wate r vervolgens met de receptoren gebeurd nadat ze hebben losgelaten verschilt per receptor. De meeste worden via endosomen naar het plasmamembraan gebracht (zoals LDL), maar sommigen worden doorgegeven aan de lysosomen waar ze worden afgebroken. Tot slot bestaat er nog een mogelijkheid voor de receptoren om via endosomen naar een ander deel van het plasmamembraan te gaan, waardoor de cargo moleculen van één deel van het membraan naar het andere verhuizen, transcytose. het is dus zo dat de cargomoleculen die aan een receptor gebonden zitten het lot van de receptor mede ondergaan, de moleculen die wel loslaten zijn gedoemd in het lysosoom terecht te komen voor afbraak. Een voorbeeld hiervan in het immunoglobuline dat via endosomen van de apicale naar de basolaterale kant wordt gebracht. Een receptor kan op dezelfde wijze aan de andere zijde van de cel terecht komen. Hoe de moleculen precies van een endosoom in een lysosoom komen is onduidelijk, één optie is het veranderen van een endosoom in een lysoom, of via transportblaasjes.

Lysosomen zijn de afvalvaten van de cellen waar veel moleculen worden afgebroken (eiwitten, vetten en polysacchariden). Mannose-6-fosfaat residuen stuurt de eiwitten naar de lysosomen, welke in het CIS Golgi door fosforylering van koolstofatoom 6 erop gezet worden (bekijk hiervoor college sheet). De mannose-6-fosfaat receptor die zich in het blaasje en later in een laat endosoom bevindt wordt via een blaasje naar het TRANS golgi teruggebracht, terwijl het eiwit via fusering in het lysosoom terecht komt. Lysosomen zijn zakjes van hydrolytische enzymen die op gecontroleerde wijze vertering uitvoeren. Er zijn ongeveer 40 verschillende enzymen in een lysosoom maar hebben allemaal een optiaal pH die zeer zuur is (5). Het membraan van het lysosoom zorgt er normaliter voor dat de afbraak enzymen niet in het cytosol terecht komen waar ze ongewilde moleculen of lichaamseigen moleculen kunnen afbreken, maar mocht dit wel gebeuren zorgt het pH optimum ervoor dat ze alsnog niet kunnen werken. Net als alle andere organellen heeft een lysosoom een unieke intracellulaire huishouding en een uniek membraan. Hieronder vallen ook transport eiwitten die de afgebroken macromoleculen naar het cytosol kunnen verplaatsen, en een ATP gedreven protonenpomp. De meeste van de membraan eiwitten zijn erg besuikerd, geglycosyleerd. Dit omdat de suikers ervoor zorgen dat de membraan eiwitten niet door het lysosoom zelf opgegeten worden. De enzymen die werkzaam zijn in het lysosoom worden gemaakt in het ER en via het Golgi naar een lysosoom getransporteerd. In het ER en cis Golgi worden ze gemerkt met een suiker (mannose-6-P) waardoor het trans Golgi zijn bestemming kan herkennen. Afhankelijk van de inhoud kunnen de transportblaasjes op verschillende manieren in het lysosoom terecht komen. Vanuit het extracellulaire gaan kleinere macromoleculen en vloeistof via endosomen (met clathrine bedekt voor specifieke membraaneiwitten en niet met clathrine bedekt voor aspecifieke eiwitten), via phagosomen voor extracellulaire partikelen, en voor afbraak van lichaamseigen stoffen (bijvoorbeeld mitochondria) via autophagosomen, welke fuseren met een lysosoom. Het is onbekend wat de marker is voor destructie van een eigen organel. fagocytose: wordt meer gebruikt voor het eten en haalt grotere partikelen binnen via grotere vesikelen (250nm) die fagosomen worden genoemd. Alle eukaryotische cellen zijn in staat tot pinocytose terwijl facocytose door slecht speciale fagocytische cellen uitgevoerd kan worden. Eveneens zijn er receptoren betrokken bij fagocytose. Ondanks dit is fagocytose belangrijk voor het lichaam anders dan pure voeding. a. Macrofagen worden in het lichaam gebruikt om ons te beschermen tegen binnenvallende micro organismen zoals bacteriën. Deze moeten eerst aan de macrofaag zijn receptor binden aan het oppervlak om facocytose als gevolg te krijgen. Sommige van deze receptoren herkennen antilichamen die op de oppervlakte van het micro organisme gebonden zijn. Wanneer fagocyten deze cellen tegen komen vormen ze een soort deken van plasmamembraan, pseudopods, welke zich dan om het organisme heen vormen en een fagosoom vormen. Deze fagosomen fuseren dan weer met een lysosoom waar het organisme verteerd wordt. Net als bij autofagocytose vindt hier dus ook geen endosoom betrekking en gaan de stoffen direct het lysosoom in. Sommige bacteriën hebben truucjes ontwikkeld om onder dit beschermingsmechanimse uit te komen. Voorbeeld: de bacteriën voor tuberculose (myobacterium tuberculosis) kunnen de fusie tussen een fagosoom en een lysosoom inhiberen. In plaats van vernietigd te worden kan het organisme zich nu binnen de macrofaag vermenigvuldigen. Fagocytische cellen spelen ook een rol bij het opruimen van dode en beschadigde cellen. Voorbeeld eten 10 ^ 11 rode bloedcellen per dag. 1.

3. Clathrine gemedieerde endocytose dit geldt voor specifieke eiwitten en valt dus onder de receptor gemedieerde endocytose. Relevanten: b. Opname nutriënten: Fe3+ (transferrine), cholesterol (LDL), vit B12 (transcobalamine) c. Opruimen “foute” eiwitten, alpha2-macroglobuline, asialoglycoproteïnen Verwijderen membraaneiwitten hormoon-receptoren d. Recycling secreeteiwitten neurotransmissie e. Transport over endotheel polymeer IgA, IgG f. Virusinfectie influenza (griepvirus) g. Toxines: choleratoxine How we know: tracking protein en vesicles. Een manier om te onderzoeken hoe nu precies de weg is van de transportblaasjes en moleculen die daarin terecht komen is het verwisselen van signaal markers. Hieraan is te zien dat de markers op zich bepalen waar een molecuul heen gaat en niet het molecuul zelf. Er zijn nog 3 andere manieren: 1. Een eiwit dat een signaal draagt kan in een buisje worden gestopt met geïsoleerde organellen. De eiwitten die vaak in vitro door mRNA codering worden gemaakt kunnen gelabeld worden met een radioactieve stof waardoor de weg precies gevolgd kan worden. 2. Mutanten van gistcellen die zwak zijn voor secretie op hoge temperaturen hebben een stuk 25 genen blottgesteld die belangrijk zijn bij de selctie voor exocytose. Als resultaat zullen deze gistcellen die bij hoge temperaturen hun secretiebestemming niet meer uitvoeren ophopen in één van de organellen, wat dan weer te zien is. 3. De polypetiden kunnen ook gelabeled worden een GFP (green fluorescent protein). Het normale functioneren in transport blijft en ze kunnen dus ook op die manier gevolgd worden. McGavin, p. 927-928. Disfunctie in de lysosomale afbraak van producten resulteren in zogenaamde lysosomale opslag ziekten. Het ophopen van het substraat resulteert uiteindelijk is een celdood. Wanneer neuronen of gemyelineerde cellen doodgaan laten ze hun inhoud los in het omringende weefsel. Macrofagen worden vervolgens uit de bloedbaan gehaald om deze stoffen middels fagocytose weer op te ruimen. Deze macrofagen hebben echter hetzelfde genetische defect en laten het substraat weer in hun lysosomen ophopen, waardoor ook zij dood gaan. De rommel die daar mee vrijkomt moet weer worden opgeruimd door andere macrofagen. Lysosomaal opslag ziekte werd oorspronkelijk van gedacht dat deze exclusief ontstaan door mutaties die resulteren in een verminderde lysosomale enzym synthese. Later is echter duidelijk geworden dat ook andere defecten hetzelfde gevolg kunnen hebben. 1. Synthese van inactieve eiwitten die de plaast vervangen van goede eiwitten 2. Defecten in post translationele processen, waardoor enzymen naar verkeerde locaties, anders dan de lysosomen worden gestuurd (extracellulair) 3. Tekort aan een enzym activator of beschermend eiwit (hervouwing en herstel kapotte eiwitten) 4. Tekort aan substraat activator nodig voor de hydrolyse van het substraat 5. Tekort aan transporteiwitten om verteerd materiaal uit het lysosoom te krijgen. Karakteristiek aan lysosomale ziekte is daarom verbreed naar het betrokken zijn van een eiwit dat in welk opzicht dan ook de werking van het lysosoom abnormaal maakt. Het beste wordt het gezien door ophoping van substraat of substraat precursors en soms zelfs door het afwezig zijn van een belangrijk metabool product. Cellen zwellen op en er is sprake van cytoplasmatsche vacuolatie. Een paar uitzondering daar gelaten, is de ziekte op een autosomale recessieve wijze erfelijk.

Homozygoten hebben de ziekten, en heterozygoten functioneren normaal, afgezien van een verminderde enzymactiviteit. De leeftijd van begin en de ernst van de ziekte varieert sterk, omdat bij elke ziekte een ander enzym betrokken is. Wanneer een gemuteerd enzym helemaal niet gesynthetiseerd wordt zijn er ernstige symptomen op vroege leeftijd. Het centrale zenuwstelsel ondervindt leasies afhankelijk van de ziekte. Hersenatrofie komt voor evenals andere celafbraak. Toevoegingen vanuit WC1 Cellen zijn als zodanig geevolueerd. De nucleaire envelop en het ER zijn bijvoorbeeld door invaginatie van het plasmamembraan ontstaan, waardoor het ER continu is met de envelop en de envelop uit twee membranen bestaat. De voordelen van deze verandering zijn: meer membraanoppervlak; meer specialisatie, gescheiden compartimenten; DNA bescherming door envelop; selectieve kernporiën en de mogelijkheid tot gereguleerde secretie. Dit proces wordt compartimering genoemd en de organellen die op deze wijze gevormd zijn vormen samen het endomembraansysteem. Dit zijn: golgi, er, lysosomen, endosomen, kernenvelop (niet kern) en de secretie granula. De organellen zijn afhankelijk van elkaar door de communicatie en de vorming van membraaneiwitten in het ER die worden doorgegeven. Op een foto ziet een peroxisoom er meer grijzig uit met een klein kristalletje en een lysosoom kan er heel verschillend uit zien door de verschillende stoffen die erin zitten. De darmcel bevat veel mitochondria die nodig zijn voor de energie productie voor actief transport en veel ruw ER die nodig zijn om de darmenzymen te maken. Een plasmacel (B-lymfocyt) bevat veel RER voor de productie van antilichamen. Eveneens is er relatief veel heterochromatine t.o.v. andere cellen. Dit is het donkere deel van de kern wat niet-actief DNA bevat. Dit komt omdat een B-lymfocyt slechts één antilichaam hoeft te maken en dus relatief weinig codering nodig heeft van DNA (uiteraard ook andere eiwitten maar minder dan andere cellen). een interstitiële cel uit het mannelijke genitaalstelsel zijn gespecialiseerd in de productie van testosteron. Deze cellen bevatten vetbolletjes en heel veel glad ER. Het gladde ER is verantwoordelijk voor de productie van testosteron, welke onder de lipiden, steroïden, valt. De reden dat er vetdruppeltjes aanwezig zijn is omdat deze cholesterol bevatten. Deze cholesterol wordt gebruikt om testosteron van de maken, en worden dus uit de vetdruppeltjes gehaald. Er is een relatief klein Golgi systeem in deze cel omdat testosteron zelf kan uit diffunderen en dus niet via het Golgi uitgescheden wordt. Tot slot is een epitheelcel van de niertubulus betrokkken bij de resorptie van water en de terugwinning van bruikbare ioen en eiwitten uit de primaire urine. Deze zijn gevuld met veel mitochondriën en lysosomen. de reden hiervoor is dat de mitochondrien de energie leveren voor actief transport van de macromoleculen de cel in en de lysosomen worden gebruikt voor het afbreken van de binnengekomen eiwitten. In de apicale pits tussen de microvilli vindt dus ook Endocytose plaats en voor eiwitten meer specifiek pinocytose.

Practicum 1 toevoegingen De transitionele elementen in een cel zijn die delen van het ruwe ER dat geen ribosomen meer bevat. Dit deel wordt gebruikt om blaasjes te vormen die naar het Golgi getransporteerd worden. Het transgolginetwerk is het deel waar de eiwitten gesorteerd worden voor uitscheiding. Hier worden eveneens de secreetkorrels aan gevormd welke via gereguleerde secretie naar buiten gaan. De endosomen dienen eveneens als een belangrijk sorteerpunt omdat hier wordt bepaald of binnengekomen membraan receptoren worden afgebroken of terug gaan naar het membraan. De grootte van een aantal structuren zijn als volgt: Cellen Celmembranen Celkernen Nucleoli Mitochondriën Ribosomen Eiwitten

5-100 micrometer 5-7 nanometer 5-20 micrometer 1-2 micrometer 0,5 micrometer 20 nanometer 2 nanometer

Een elektronenmicroscoop geeft altijd een zwartwit beeld omdat deze geen lichtbundels (kleur) gebruikt. Het maakt gebruik van elektronen verstrooiing en geeft dus een zwart/wit beeld. Of verstrooid of niet. Waterstof, koolstof en stikstof zijn niet in staat de elektronen te verstrooien en kunnen zichtbaar gemaakt worden door toevoeging van een metaal met grote elektronendichtheid. Je krijgt dan neerslagen van zout en metalen die gezien kunnen worden. De metalen die hiervoor gebruikt worden zijn osmium, uranium of lood. De reden dat sommige dingen niet worden weergegeven met een lichtmicroscoop en wel met een elektronenmicroscoop is dat deze of te lage resolutie hebben of de stoffen te weinig contrast. Een ijkpunt dat gebruikt kan worden in preparaten om de grootte te schatten is de rode bloedcel met een vrijwel constante afmeting (7 micrometer in lange as, 2 micrometer in korte as). Indien deze niet in het preparaat aanwezig is kunnen celkernen (5-8 micrometer) en nucleoli (1-2 micrometer) gebruikt worden. Het probleem hiermee is echter dan de doorsnede welke zo gedaan kan worden dat slechts een deel van de kern in het preparaat zit. Omdat nucleoli kleiner zijn kun je deze beter gebruiken, als deze in het preparaat zitten, zitten ze vaak helemaal doorgesneden erin. Ribosomen (20 nanometer) en plasmamembranen vormen uitiendelijk zonder rode bloedcellen het betrouwbaarste ijkpunt. Hoewel de EM meer detail geeft is de kans dat structuren zich in het preparaat bevinden kleiner dan bij de LM omdat de preparaatdikte veel kleiner is. Tussen twee Golgistacks kunnen zich blaasjes bevinden voor de communicatie tussen de stacks en de vorming van nieuwe CIS golgi cisternen. Zichtbaarheid van stoffen in de lichtmicroscoop betekent dat ze gekleurd moeten zijn of kunnen fluoresceren. Voor de elektronenmicroscoop moet het elektronen vestrooien of absorberen. Om enzymen aan te tonen kun je gebruik maken van het aantonen van het product, enzymhistochemie. Enzymen die op deze manier goed kunnen worden aangetoont zijn alkalische fosfatase en peroxidase.

Antilichamen kunnen ook aan deze enzymen binden. Het voordeel van product aantonen is dat het als een soort versterkter werkt, aangezien één enzym honderden producten kan maken. Een nadeel van deze techniek is echter dat de producten de neiging hebben weg te diffunderen zodat deze niet de exacte locatie van het enzym aantonen. Eveneens zijn twee enzymen die dezelfde reactie katalyseren niet van elkaar te onderscheiden. Een andere methode voor het zichbaar maken van stoffen is immunohistochemie welke antilichamen tegen een stof gebruikt om die stof aan te tonen. Het antilichaam op zich is niet zichtbaar maar wel als deze gebonden is aan een marker van elektronendichtheid (goud) of een fluorescerende marker. De pancreas is een exocriene klier die enzymen afgeeft aan de duodenum. Het heeft een globulaire opbouw (druiventros). Of je naar een alvleesklier van een vastend of pasgevoed dier zit te kijken kun je zien aan de hoeveelheid secretiegranula in het preparaat. Veel is vastend (enzymen niet afgegeven) en weinig is net gevoed. HC5 Het cytoskelet is een netwerk van eiwit filamenten die bijdragen aan de vorm en fucntie van de eukaryotische cel. De filamenten bestrijken het gehele cytoplasma. Het is uitermate belangrijk in dierlijke cellen omdat deze geen celwand hebben en voor hun stevigheid afhankelijk zijn van het cytoskelet. Naast dat het de ‘botten’ van de cel zijn, zijn het ook de ‘spieren’ en kunnen dus voor beweging van de cel zorgen. Ook de intracellulaire omgeving van de cel in constant in beweging en het cytoskelet zorgt voor de machinerie voor deze bewegingen. Tevens bepaald het cytoskelet de positie van de organellen en de communicatie tussen hen. Er bestaan 3 soorten cytoskelet: 1. intermediaire filamenten. Deze bestaan uit subunits van verschillende eiwit vezels. Ze zorgen voor de stevigheid van de cel en hebben dus ook een sterke trekkracht. Hun voornaamste functie is het voorkomen van schade wanneer cellen uitgerekt raken. Hun diameter zit in grootte tussen de andere twee in (10nm) en zijn de sterkste en duurzaamste filamenten van de drie. Zelfs als een cel wordt behandeld met een zoutoplossing op ionische detergenten blijven deze filamenten bestaan, terwijl de anderen dan worden vernietigd. Intermediaire filamenten worden in het cytoplasma van bijna alle dierlijke cellen teruggevonden. Het typische is een vorming van een netwerk door het cytoplasma heen welke de nucleus omvangt en uitstrekt in de periferie. Vaak zijn ze geankerd aan het plasma membraan op cel-cel juncties, zoals desmosomen, waardoor het externe oppervlak van een cel aan een andere cel gekoppeld wordt. Ook binnen in de nucelus worden intermediaire filamenten gevonden: nucleaire lamina, wat zorgt voor kracht en ondersteuning van de nucleaire envelop in alle eukaryotische cellen. een intermediair filament ziet eruit als een touw met lossen draden die om elkaar heen gedraaid zijn, dit geeft de sterke trekkracht van dit filament. De draden die het touw maken bestaan uit een langwerpige vorm met aan de N-terminus een rond kopje en aan de C-terminus een ronde staart. Het middenstuk bestaat uit een lange alpha helix. In een coile-coil formatie kunnen er dimeren gevormd worden waarbij deze helixen om elkaar heen draaien. Een tetrameer wordt vervolgens gevormd door een niet-covalente binding waarbij twee dimeren boven elkaar komen te liggen. De tetrameren binden op hun beurt weer door niet-ccvalente bindingen die zowel parallel als in de lengte gevormd kunnen worden waardoor een touw achtige constructie ontstaat. Alle alpha helixen in het midden van de filamenten zijn precies hetzelfde in lengte en aminozuurvolgorde, waardoor ze goed kunnen samen pakken. De kopjes en staartjes zijn verschillend waardoor ze met meerdere elementen in het cytoplasma kunnen associëren. Intermediaire filamenten zijn vooral veelvoorkomend in cellen die veel mechanische stress moeten doorstaan, bijvoorbeeld bij lange zenuwaxonen, spiercellen en epitheelcellen. De cellen blijven door de filamenten aan elkaar en zullen dus niet onder grote druk van elkaar loscheuren. De intermediaire filamenten die we in het lichaam terug vinden kunnen opgedeeld worden in 4 soorten:

keratine filamenten in cytoplasma van epitheelcellen. Dit is de meest diverse groep van filamenten en worden terug gevonden in verschillende epithelia, waaronder haren, veren en klauwen. Elke keratine filament wordt gevormd uit verschillende keratine subunits en bestrijken de cel van de ene kant geheel naar de andere kant en worden tussen cellen met elkaar verbonden in desmosomen. Hierin zijn de uiteinde van de filamenten opgenomen en associeren ze met nabijgelegen cellen via de kopjes en de staartjes. het belang van deze filamenten wordt geïllustreerd in een zeldzame ziekte: epidermolysis bullosa simplex, waarbij een mutatie zorgt voor incorrecte keratine vorming. Als gevolg is de huid enorm gevoelig waarbij het bij de kleinste druk al blaren vormt. b. vimentine en vimentine gerelateerde filamenten in cytoplasma van bindweefselcel, spiercel en ondersteunende cellen in het zenuwstelsel (neuroglial) c. neurofilamenten in cytoplasma van zenuwcellen d. nucleaire laminen in het nucleaire membraan van alle eukaryotische cellen. Anders dan de cytoplasmatische intermediare filamenten die touwen vormen, vormen deze nucleaire laminen een 2d netwerk, nucleaire lamina. In tegenstelling tot de zeer robuuste en duurzame andere intermediaire filamenten worden deze uit elkaar gehaald en hervormd bij elke celdeling, wanneer de nucleaire envelop openbreekt. De binding tussen de tetrameer verzwakt tijdens deling waardoor de filamenten uit elkaar vallen. Aan het einde van de mitose komen deze weer samen. De filamenten worden nog verder vesterkt door eiwitten die de filamenten cross linken in sterk patroon. Een bijzonder interessant eiwit dat dit doet is plectine. Naast het simpelweg bij elkaar houden van de intermediaire filamenten linkt dit eiwit ook de filamenten aan andere filamenten (actine,microtubulen) en adhesieve structuren in de desmosomen. Mutaties in het gen voor plectine zorgen naast het snel scheuren van de huid ook voor neurodegeneratie en spierdystrofie omdat plectine ook in deze cellen voorkomt. Overlijden binnen een paar dagen is het gevolg van deze mutatie. a.

2.

microtubules (25nm). Deze bestaan uit subunits van tubuline. Elk molecuul van tubuline bestaat uit een dimeer van alpha en beta tubuline door niet-covalente binding aan elkaar gebonden. Deze dimeren klonteren weer samen door niet-covalente bindingen waardoor de muur van een holle buis wordt gevormd. In de lengte bestaat er een opeenstapeling van 13 dimeren, wat een protofilament vormt. Deze protofilamenten hebben allemaal dezelfde polariteit met de alpha einden aan een kant en de beta aan de andere kant en kunnen geordend worden in 1,2 of 3 microtubuli aan elkaar. De microtubule als geheel is dus ook gepolariseerd. De beta zijde heet de pluskant en de alphazijde heet de minkant. Aan beide kanten kan een microtubule groeien maar dit gaat aanzienlijk sneller aan de pluskant dan de minkant. De polariteit van een microtubule is essentieel voor de werking van de tubule. Bijvoorbeeld voor transport is een richting belangrijk, omdat de stoffen anders in evenwicht voorwaarts en achterwaarts gaan en dus niet op opschiet. Ze hebben een enorm belangrijke rol in de organisatie van een cel door de mogelijkheid zeer snel te vormen en af te breken. Ze groeien vanuit een kleine structuur bij het centrum van de cel, een centrosoom of ook wel de microtubuli organisatie centrum (MTOC) genoemd. Deze centrosomen bevatten honderden ringactige structuren, y tubuline, welke als beginpunt, nucleation site, voor de groei van de microtubulen dienen. De alphabeta-tubulinen binden op een specifieke manier aan de ytubuline waardoor altijd de centrosome kant de minkant is en de perifere kant de pluskant. Groei start ook aan de pluskant omdat de min kant aan het centrosoom vast zit. Vanuit daar verlengen ze naar de periferie van de cel waardoor paden kunnen ontstaan waarlangs trasnportblaasjes en organellen kunnen bewegen. De reden dat er y-tubulinen zijn is omdat het veel lastiger is om vanaf het begin een microtubule te vormen van een dimeer dan hem al aan een bestaande structuur te plakken. Dit komt omdat de concentratie vrije dimeren te laag is. Dit wordt weer gedaan om een regulatiepunt te hebben voor waar

en wanneer tubules vormen en niet dus zomaar overal. Een centrosoom bevat ook twee centriolen, waarvan de precieze functie vooralsnog niet bekend is. De tubules groeien even snel als dat ze afbreken, iets wat wordt aangeduidt met dynamische instabiliteit. Dit beeld komt voort uit het vermogen voor de tubulinemoleculen om GTP te binden. Een vrije tubuline molecuul heeft een strak gebonden GTP aan zich, welke gehydrolyseerd wordt tot GDP zodra het molecuul aan de groeiende tubule bindt. De moleculen die GTP gebonden hebben plakken veel beter aan elkaar en de affiniteit verminderd wanneer een GDP gebonden is. Over het algemeen is de binding van een molecuul aan een tubule sneller dan de hydrolyse van GTP waardoor de pluskant van een tubule een GTP cap bevat met moleculen die nog GTP dragen. Groei van de tubule kan voortzetten. Soms gebeurt het echter wel dat een molecuul al zijn GTP hydrolyseerd voordat het volgende molecuul aan de tubule gebonden is. Het resultaat in dat de rest van de moleculen ook afvallen en de tubule gedepolariseerd wordt en zeer snel uit elkaar valt. De instabiliteit van deze tubules zorgt voor de mogelijkheid om snel te hervormen. Dit is noodzakelijk voor het uitoefenen van de functie van de tubule bijvoorbeeld voor het vormen van de mitotische spindle welke de chromosomen in twee paren trekken tijdens de mitose. Er zijn medicijnsoorten die ervoor zorgen dat deze functie onderdrukt wordt: colchine blokkeert de polymerisatie waardoor de gevormde tubule alleen maar afbreekt zonder dat er nieuw wordt gevormd, terwijl taxol juist de opbouw stimuleert maar de afbraak tegengaat. Beiden soorten houden de cel tegen in de mitose, wat dus duidelijk maakt dat voor de functie niet alleen opbouw maar ook afbraak noodzakelijk is. Antimitotische medicijnen als deze kunnen ook gebruikt worden tegen kankercellen om de celdeling tegen te gaan. Wanneer een microtubule gevormd is en het nog niet de bedoeling is dat deze afgebroken wordt kan deze wel beschermd worden door binding aan een andere structuur door de pluszijde. Deze binding kan een redelijke stabiele link geven tussen het centrosoom en zo’n structuur, waardoor een georganiseerde structuur ontstaat die verschillende onderdelen van de cel en elkaar verbindt en zo voor een organisatie binnen de cel zorgt.. Ook eiwitten aan het einde of langs de as van de microtubulen kunnen de instabiliteit verlagen. de meeste cellen in een organisme zijn gepolariseerd, dat wil zeggen de ene zijde is anders dan de andere zijde zoals heel bekend bij een zenuwcel of een secretiecel. De microtubules zorgen voor deze asymmetrie door de organellen in de juiste locatie te plaatsen. Tevens zorgt de polariteit voor de juiste richting van Cargo welke langs de microtubulen naar een bepaalde locatie bewegen. Het is belangrijk te realiseren dat de functie van de tubulen niet alleen van de tubulen afhangen maar ook van de eiwitten die ze stabiliseren, binden en communiceren. Mitochondria en kleine organellen bewegen in kleinde stapjes. Deze bewegingen zijn veel beter georganiseerd dan de thermische beweging en worden saltatory bewegingen genoemd. Microtubulen zijn betrokken bij deze bewegingen, welke gegenereerd worden door motor eiwitten. Deze gebruiken de energie van ATP hydrolyse om de stapjes te kunnen zetten langs de tubule in 1 enkele richting. Tegelijkertijd binden deze eiwitten ook aan andere celcomponenten waardoor deze mee getransporteerd worden. En zijn tientallen verschillende soorten motor eiwitten die ook verschillende soorten cargo kunnen binden. De motoreiwitten die langs de tubulen lopen kunnen worden onderverdeeld in twee groepen: a. kinesine: lopen van de minkant naar de pluskant (periferie) b. dyneine: lopen van de pluskant naar de minkant (centrosoom) Beide stoffen hebben twee ronde ATP-bindende kopjes en een staart. De kopjes interacteren met de tubule terwijl de staart een cargo bindt. In axonen spelen microtubuli een belangrijke rol door de stoffen over microtubuli van de minkant naar de axonterminal te krijgen.

Ook organellen (mito, ER, Golgi, endosoom, lysosoom, secretie blaasje etc.) kunnen over microtubulen lopen. Zowel het ER als het Golgi hangen van de tubulen af voor hun positie en uitlijning. Zodra een cel zich ontwikkeld en het ER groeit dan verbinden kinesinen zich aan de uiteinden van het ER waardoor het ER richting de pluskant getrokken wordt en uitgestrekt als een netje. Dyneinen trekken het Golgi apparaat juist richting de minkant, centrosoom, midden van de cel. Wanneer een stof zoals colchicine, zorgt dat deze functie niet meer uitgedragen kan worden, veranderen de organellen ook dramatsich van positie. Het ER klapt tegen de nucelus aan door de verbinding hiermee, terwijl het Golgi juist in kleine blaasjes oplost. Wanneer colchicine uit het lichaam wordt verwijdert gaan de organellen alsnog op de juiste positie zitten. Microtubuli kunnen ook permanente structuren vormen, cilia en flagella. Cilia zijn haarachtige structuren omgeven door plasmamembraan welke de op het externe oppervlak van veel cellen bevind. Een enkel cilium bestaat uit een kern met stabiele gebundelde microtubulen die uit een basaal lichaam ontstaan in het cytoplasma welke functioneert als een organisatie centrum. (in structuur vergelijkbaar met een centriole). De voornaamste functie is het bewegen van vloeistof over het celoppervlak en om de cel door een vloeistof te kunnen propellen. Flagella zijn een soort staartjes die je bijvoorbeeld achter de spermacellen ziet en als functie hebben om de cel in zijn geheel door een vloeistof te bewegen. De hebben dezelfde structuur als cilia alleen dan enkelvoudig en veel langer. De microtubuli in flagella en cilia zijn iets anders dan de andere microtubuli, doordat ze in een bijzonder patroon zijn samengevoegd. Er zijn 9 microtubuli in een ring samengevoegd, rondom een enkel paar microtubuli. De beweging van een cilium en flagellum wordt bereikt doordat twee microtubuli langs elkaar schuiven maar ook verbonden zijn met het paar in het midden door eiwitten. De kracht van het schuiven wordt door de verbinding in buigen omgezet. Dit stuk is niet in woorden te zetten, kijk naar pagina 591 en 592 voor een plaatje… met name 592 belangrijk. Het belangrijkste eiwit is de ciliare dyneine, welke de buiging veroorzaakt. 3.

actine filamenten (7nm). Deze bestaan uit subunits van actine en worden in alle eukarytische cellen terug gevonden. Ze zijn essentieel voor de beweging van een cel en met name in de oppervlakte structuur. Net als microtubuli zijn ze instabiel maar kunnen wel stabiele structuren vormen, zoals in spiercellen. Verder zijn ze belangrijk bij de vorm, contractie en celdeling van cellen. Actin filamenten worden met elkaar geassocieerd door zogeheten: actine bindende proteïnen, welke de lengte, locatie, organisatie en dynamisch gedrag van de actine filamenten bepalen. Afhankelijk van deze soort binding kunnen actine filamenten stijve en permanente structuren vormen (microvilli en cantractile bundels in spiercellen) of juist tijdelijke structuren zoals de ring tijdens de celdeling en de een kruipende fibroblast. elk filament bestaat uit een gedraaide keten van identieke ronde actine moleculen met een structurele polariteit, dus ook een plus en een min kant. Actine filamenten zijn kleiner en dunner dan de microtubuli maar er zijn er ook veel meer van waardoor ongeveer de totale lengte van actine filamenten 30x zo groot is als die van microtubuli. Ze komen zelden geisoleerd in de cel voor en bijna altijd in gekruist gebonden netwerken door eiwitten zoals fimbrine bij elkaar gehouden. Ook bij deze filamenten kan aanhechting van actine aan beide kanten plaatsvinden, maar gaat het sneller aan de pluskant. Het afbreken gaat aan beide kanten van het filament en het filament is dus ook instabiel. Elk actine molecuul draagt een ATP bij zich welke gehydrolyseerd kan worden tot ADP, kort na de incorporatie van een actine in het filament. Hydrolyse van ATP naar ADP reduceert hier ook de bindingskracht en de stabiliteit van het filament, dit proces heet ook wel treadmilling. De instabiliteit is net zoals bij microtubili zeer belangrijk voor de functie van het filament, welke dus afhangt van een dynamisch evenwicht tussen gebonden filamenten en losse actine monomeren. Veel filamenten bestaan slechts enkele minuten na vorming. Het evenwicht

is dus enorm belangrijk en er moet dus ook een systeem bestaan waardoor vrij actine moleculen niet direct in een filament gaan zitten. Kleine eiwitten, thymosine en profiline, zorgen voor deze functie door in het cytosol aan de actine monomeren te binden. Er zijn vele soorten eiwitten die een rol spelen in de manier van binding tussen actine filamenten. Figuur 17-32, p. 595 geeft hier een overzicht van. Ondanks dat actine filamenten zich in het gehele cytosol kunnen bevinden worden ze het meest vlak aan het plasmamembraan gevonden waar ze onderdeel uitmaken van de celcortex. de actine filamenten zitten dan gebonden aan het plasmamembraan via tropomyosine en eveneens aan andere filamenten. Hier zijn de filamenten door eiwitten in een 2D netwerk gebonden, waardoor de oppervlakte van de cel ondersteund wordt en kracht krijgt. Een simpel voorbeeld is de rode bloedcel welke mede dankzij de actine zijn vorm krijgt. Andere cellen hebben veel dikkere en complexere vormen, waardoor een dicht netwerk zich in het cytoplasma uitstrekt en zo een veel rijkere 3D vorm maakt. De actine die zich in het cytoskelet bevindt zorgt naast de vorm van cellen ook voor de adhesie tussen cellen door de zogenaamde adhesiebelt. Hierbij zit een cadherine molecuul door het plasma membraan aan de actine filamenten gebonden en deze bindt weer door middel van adhesie aan een ander cadherine molecuul. De belt gaat helemaal rondom de cel. Een andere functie is het vormen van microvilli waarbij de actine filamenten in zo’n microvilli zich verticaal op een horizontaal netwerk van actine steunen die zich hieronder bevindt. Veel cellen bewegen eerder door een kruipachtige beweging dan bijvoorbeeld gebruikmaking van cilia of flagella. Witte bloedcellen bijvoorbeeld om uit het bloed in het weefsel te komen of een uitgroei van een axon. Ook bloedplaatjes veranderen van vorm die nodig zijn voor de bloedstolling. De specifieke moleculaire mechanismen van deze kruipvormen zijn moeilijk te onderscheiden maar in brede termen wel in 3 stappen te omschrijven. 1.

de cel duwt een uitsteeksel naar buiten aan de voorkant gedreven door actine polymerisatie (groei). Het uitsteeksel bestaat uit lamellipodia, welke een netwerk van actine filamenten bevat met de pluszijde aan de membraankant. Ook de filopodia die zich aan het oppervlakte bevinden hebben de actine filamenten. In groeiende zenuwcellen zijn nog wel langere filopodia welke de cel helpen om lang uit te strekken en de juiste weg te vinden. Zowel de filopodia als de lamellipodia zijn onderzoekende structuren die uitschieten en terug trekken waardoor ze ongeveer 1 micrometer per seconde kunnen lopen. Beiden worden gegenereerd door snelle lokale groei van actine filamenten, welke het plasmamembraan laten uitstulpen zonder dat het breekt. (bekijk figuren). De formatie en groei van actine filamenten wordt geholpen door eiwitten welke de filamenten aan het membraan nucleeren. Een soort eiwit, actine gerelateerd eiwit, ARP, bevordert de vertakking van de filamenten waardoor nieuwe filamenten kunnen groeien, waardoor een 2D boomstructuur wordt gevormd. Met behulp van andere eiwitten valt dit netwerk aan de achterkant uit elkaar terwijl het aan de voorkant wel groeit waardoor de cel zich voorwaarts kan bewegen. 2. wanneer de lamellipodia en de filopodia op een stuk komen die favoriet is blijven ze plakken. Transmembraan eiwitten in het plasmamembraan, integrinen, helpen vast te kleven aan moleculen op het andere oppervlak (ECM, andere cel). Aan de binnenkant van de cel grijpen deze integrinen de actine filamenten vast waardoor er een soort anker ontstaat. 3. interne contracties zorgen ervoor dat deze ankers gebruikt kunnen worden door de cel om zichzelf aan voort te trekken. Deze voortstuwende krachten zijn ook afhankelijk van de actine maar op een andere manier. Deze gaan door middel van interacties met myosine. Alle actine afhankelijke motoreiwitten behoren tot de myosine groep. Deze eiwitten binden aan ATP en hydrolyseren deze, wat de eiwitten van energie voorziet om langs de actine filamenten te bewegen van de min kant naar de pluskant. Er zijn verschillende soorten myosine in een cel:

1.

myosine-I: deze hebben alleen 1 kopje en een staart. Het kopje interacteert met de actine filamenten terwijl de staart zich bindt aan de componenten die bewogen moeten worden. Wanneer het kopje aan de actine bindt wordt ATP gehydrolyseerd waardoor het eiwit van de actine loslaat en weer bindt op een klein stukje verderop. Binding
ontbinding
binding. 2. myosine- II: betrokken bij spiercontractie, zie later. Actine bindende eiwitten kunnen gereguleerd worden door extracellulaire signalen waardoor de cel kan reageren op de omgeving. Voor het cytoskelet bijvoorbeeld worden deze veranderingen getriggered door een aantal receptoren in het plasmamembraan. Alle signalen zoals deze convergeren zich in de cel samen tot een soort groep van sterk gerelateerde monomerische GTP bindende eiwitten, Rho eiwit familie. Eiwitten van deze soort reageren als een soort schakelaars en kunnen dus of ‘aan’ of ‘uit’ staan. GTP = aan; GDP = uit. Deze eiwitten kunnen voor enorme veranderingen zorgen omdat ze elk in verbinding staan met een aantal target eiwitten die de organisatie van actine beheren. Een van de meest voorkomende gereguleerde veranderingen in actine filamenten is tijdens de spierspanning. Tijdens de spierspanning associeert de actine met myosine in spiervezels. Skeletspieren zorgen voor de vrijwillige bewegingen en glad en hartspierweefsel voor die van onwillekeurige bewegingen. In elke soort beweging is de interactie tussen actine en myosine wel hetzelfde. Spiermyosine behoort tot de myosine-II subgroep en heeft twee ATPase kopjes en 1 staart. Elk molecuul bestaat uit een dimeer waarbij de twee myosine moleculen aan hun staarten bij elkaar gehouden worden. De staarten worden namelijk in een coiled-coil om elkaar heen gedraaid. Deze dimeren kunnen met elkaar via de staarten associeren, waardoor een bipolair myosine filament gevormd wordt, waarbij de kopjes aan de zijkanten naar buiten steken weg van het midden in tegenovergestelde richitng. Hierdoor ontstaat in een myosine filament een pijlachtige structuur in tegenovergestelde richting. 
.. Elk van de pijlkopjes is gebonden aan een actine filament, 1 aan de bovenkant en 1 aan de onderkant. Hierdoor ontstaat beweging wat het meest duidelijk is in spiercontractie maar ook voorkomt in bijvoorbeelde de contractiele ring tijdens de mitose. Eveneens is het mogelijk voor de cellen om via de adhesie riem rondom de cel te zorgen voor invaginatie. Hierbij bevinden zichg myosine II en actine filamenten zich in deze belt die met behulp van een beweging de cel van vorm kunnen laten veranderen, waardoor bijvoorbeeld invaginatie kan plaatsvinden. Bekijk nu de figuren 17-40 en 17-41 in het boek, p.601. Spiercellen bestaan uit langgerekte cellen waarvan het cytoplasma voor het grootste deel uit myofibrilen bestaan, het samentrekkende element in de spiercel (1-2 microm). Een myofibril bestaat weer uit subunits, sarcomeren, welke door een herhalend patroon het gestreepte uiterlijk aan de spiercel geeft. Sarcomeren bestaan uit twee units, actine en myosine-II. De dikke units, de myosine, zijn centraal gepositioneerd in het sarcomeer, terwijl de dunnere actine zich vanuit buiten naar binnen uitstrekt, aan de buitenzijde geankerd in de z-disc. De samenspanning van een spiercel kotm door het gelijktijdige verkorten van alle sarcomeren (van 3 naar 2 micrometer). Dit gebeurd doordat de actine filamenten over de myosine filamenten heen schuievn (figuren p. 602-603). Hierbij wordt dus het sarcomeer wel verkort maar beide units niet. De reden dat de actine over de myosine gaat schuiven komt eigenlijk door de myosine. Door een signaal gaan de myosine kopjes over het actine heen lopen in herhaalde circels van loslaten en vastbinden. Gedurende elke cyclus wordt 1 ATP gehydrolyseerd. Elke contractie kan door de 300 kopjes per filament in zo’n 1/10 van een seconde gebeuren. Nadat een contractie voorbij is verliezen de myosine kopjes geheel het contact met de actine waardoor deze weer terug kan schuiven de spier zich ontspant.

Ca2+ is verantwoordelijk voor het signaal dat een spier laat samentrekken. Door een actiepotentiaal wordt er veel calcium vrijgelaten in het celcytosol, wat normaliter in het sarcoplasmatisch reticulum zit opgeslagen. Deze Ca2+ interacteert met speciale eiwitten die aan het actine zijn gebonden. Twee van deze eiwitten zijn tropomyosine en troponine, die aan elkaar vastzitten. Tropomyosine zorgt er normaliter voor dat de myosine niet aan de actine kan binden. Troponine is gevoelig voor calcium concentraties en gebonden aan het tropomyosine. Afhankelijk van de Ca2+ concentratie zijn ze actief en fungeren dus als een soort schakelaar. Bij hoge concentraties bindt calcium aan troponine en troponine aan tropomyosine welke dan conformeert. Hierdoor schuift tropomysoine iets op en maakt daarmee de toegang voor myosine naar actine vrij. Wanneer het zenuwsignaal stopt wordt ook het Ca2+ weer direct het SPR terug ingepompt. Zodra deze concentraties laag zijn, gaan troponine en tropomyosine terug naar hun plek en worden de myosine kopjes van binding aan de actine tegengehouden door de plaatsing van tropomyosine. De hooggespecialiseerde mechanismen van spiercontractie worden gedacht oorspronkelijk voort te komen uit de minder gecompiceerde systemen die we in niet-spiercellen terug vinden en ook gebruik maken van myosine-II elementen. Ook deze systemen worden door calcium geactiveerd maar op een heel andere manier. Hier zorgt calcium voor de fosforylering van myosine wat ervoor zorgt dat deze aan actine kan binden. Ook in gladde spieren zien we dit mechanisme terug. Samentrekkingen van deze soort duurt langer en is dus langzamer omdat enzymen naar de myosine moeten diffuseren voordat de fosforylering kan plaatsvinden. Echter is het minder gespecialiseerd en kan dus door meerdere verschillende signalen gedreven worden. Toevoegingen WC pc Blauwwieren zijn prokaryoten met interne mebranen. Prokaryoten in het algemeen hebben ook ribosomen. Wanneer een omvang van een cel met een factor 10 toeneemt, neemt het oppervlakte met 10^2 toe en de inhoud met 10^3. De verhouding oppervlakte:inhoud neemt dus met 10^2 / 10^3 = 0,1 toe, hij neemt dus af. Plooiingen en instulpingen kunnen dit probleem verhelpen en de ratio weer doen toenemen. Er zijn 3 manieren om eiwitten tussen organellen te transporteren: 1. blaasjes transport, topologisch verwant transport 2. porie transport (kern), topologisch verwant transport 3. transmembraan transport (kleine eiwitten). Alleen hierbij is een translocator betrokken. eiwitten waarvan de signaalsequentie nog niet is afgeknipt worden precursor eiwitten genoemd. Alle eiwitten worden in het cytosol gesynthetiseerd, alle eenheden die nucelotiden bevatten in de kern (mRNA, tRNa, DNA) en ribosomale subunits. Aangezien alle eiwitten in het cytsol worden gemaakt moeten deze geïmporteerd worden. Alleen de kleine eiwitten worden zowel geexporteerd als geïmporteerd omdat ze vrijelijk door de poriën kunnen. DNA wordt niet getransporteerd en blijfta ltijd in de kern. RNA wordt in de kern gesynthetiseerd en mRNA en TRNA naar buiten getransporteerd. rRNA wordt in de nucleolus getransporteerd en aan ribosomale subunits gezet die naar het cytoplasma gaan.

Een ribosoom begint met aflezen van RNA aan de 5’ zijde. Trasnferlokators zorgen dat het eiwit van het ribosoom in het ER lumen komt na binding op de SRP receptor. College 7 (Albert H5,H19 en H18 (tot p. 625)) H5: Genen worden gedragen op chromosomen, welke zowel DNA als eiwitten bevatten. De DNA componenten bevatten de erfelijke eigenschappen van een cel en de eiwitten zorgen voornamelijk voor het inpakken en controleren van de enorme DNA moleculen. DNA bestaat dan weer uit twee strengen die om elkaar heen gewikkeld zijn. Elk van deze strengen bestaat uit 4 soorten nucleotiden (ACTG). Deze nucleotiden bestaan uit een 5C-suikergroep, een of meer fosfaatgroepen en een stikstof bevattende base. De strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen deze basen en de nucleotiden zitten covalent gebonden door middel van de suikergroepen en fosfaat. Hierdoor ontstaat een ruggenmerg in het molecuul gebonden in afwisselend suiker-fosfaat-suiker-fosfaat. De manier waarop de nucleotiden gebonden zijn geven een polariteit aan een DNA molecuul, waardoor de ene zijde met een fosfaat groep eindigt (5’) en de andere kant met een suikergroep (3’). A bindt altijd aan T en C altijd aan G, waardoor de tussenruimte tussen de twee strengen altijd gelijk is (A en G zijn bredere nucelotiden dan C en T) . De dubbele helix draait per 10 nucleotiden, op energetisch favoriete manier en de losse strengen zijn antiparallel aan elkaar waardoor de ene streng op 3’ eindigt en de andere op 5’. De complete set van informatie in een organisme wordt het genoom genoemd. In eukaryotische cellen wordt al deze informatie in DNA moleculen en vervolgens in chromosomen opgeslagen. Elk chromosoom bevat 1 gigantisch DNA molecuul. Deze chromosomen kunnen met de enorme omvang niet zomaar in een cel passen en worden daarom ingepakt door speciale eiwitten die het DNA vouwen waardoor deze chromatine vormt. Humane cellen (met uitzondering van de sperma en eicel) bevatten twee kopieen van chromosomen, afkomstig van papa en mama. Een paar bestaat uit homologe chromosomen en deze verschillen van de nonhomologe chromosomen bij bijvoorbeeld een man een X en een Y. DNA hybridisatie is een techniek die de chromosomen kan kleuren en op die wijze chromosomen en DNA sequenties binnen de chromosomen zichtbaar kan maken. De gehele set van chromosomen wordt het karyotype genoemd. Chromosomen dragen dus over het algemeen de specifieke genen van een individu. Een gen kan gespecificeerd worden als een bepaalde stuk DNa sequentie welke codeert voor een bepaald eiwit. Sommige genen kunnen ook coderen voor de productie van een RNA molecuul in plaats van eiwit. Een groot deel van de chromosomen bevatten echter ook stukken DNA die niet van directe functie lijken, junk DNA. De waarschijnlijke functie van dit DNA ligt in de evolutie en de juiste activiteit van normaal DNA. Over het algemeen geldt dat hoe complexer een organisme, hoe complexer het genoom, hoewel deze relatie niet altijd juist is. Hoe de DNA verspreid is over de chromosomen kan ook verschillen per dier. Er is geen directe relatie tussen genen aantal, chromosoom aantal en genoomgrootte.

Voor een cel om te kunnen delen is het zo dat de DNA moleculen gerepliceerd kunnen worden en de gerepliceerde kopieen juist uit elkaar getrokken kunnen worden en verdeeld over dochtercellen. Dit gebeurd in twee stappen van de celcyclus: 1. interfase: dupliceren van DNA en chromosomen. De chromosomen worden hierin uitegtrokken tot lange dunne strengen (interfase chromosomen) binnen de nucleus en moeilijk te zien met de lichtmicroscoop. Op deze chromosomen vinden we delen van DNA sequentie die dienen als punt van initiatie voor de replicatie (replicatie oorsprong). Op een eukaryotisch chromosoom vinden we meerdere van deze plekken terug. Een andere DNA sequentie vormt telomeren welke aan elk van de twee uiteinden van het chromosoom worden teruggevonden. Deze telomeren dienen ervoor om te zorgen dat ook de uiteinden van een chromosoom juist gerepliceerd wordt en tevens beschermt het de uiteinden van een streng. (de uiteinden kunnen anders verkeerd geïnterpreteerd worden als kapotte DNA sequentie). Ondanks de uitgerekte strengen zijn ze goed georganiseerd om verstrengeling te voorkomen. Elke streng heeft een eigen locatie binnen de nucleus. Deze organisatie wordt bereikt door binding van de chromosomen aan de nucleaire envelop en de nucleaire laminen. 2. mitose: verdeling onder twee dochtercellen. Tijdens deze fase zijn de strengen volledig compact opgerold waardoor ze niet in de knoop kunnen raken en makkelijk te scheiden zijn. De opvouwing wordt bereikt door hulp van eiwitten die de chromosomen in een steeds hogere organisatie plaatsen. Tijdens deze fase binden de filamenten aan een derde specifieke DNA sequentie, centromeer, waaraan ze uit elkaar getrokken worden. Omdat tijdens het DNA dat ingepakt is in chromosomen toch bereikbaar moet blijven voor eventuele reparaties en natuurlijk replicatie zijn er specifieke eiwitten die deze functies kunnen waarborgen. Er zijn twee typen eiwitten die een belangrijke rol spelen bij het vormen van de chromatine (verzamelnaam voor de DNA + eiwitten) en het inpakken van DNA. 1. histonen: deze zijn aanwezig in enorme aantallen en zorgen voor ongeveer de helft van de massa van chromosomen. Ze zijn verantwoordelijk voor de eerste stap van chromatine inpakken, de nucleosoom. Het eiwit vormt een soort van kraaltje of jojo achtige structuur waar het lange DNA molecuul omheen gewonden wordt, er wordt een nucleosoom core partikel gevormd. De kraaltjes worden aan elkaar gebonden door zogeheten linker DNA. de onderdelen van een zo’n partikel bestaan uit positieve aminozuren welke stevig binden aan de negatief geladen DNA ruggengraat van suiker en fosfaat. Nadat deze kralenketting is gevormd worden de nucelosomen vrijwel altijd verder ingepakt in de 30nmvezel. Ook hierbij is een histoneiwit nodig. Er zijn meerdere modellen over hoe zo’n nucleosoom in een 30nm-vezel wordt ingepakt maar het zigzag model is wel de meest gangbare. Een mozaik van verschillende zigzag conformaties vormen samen de vezel. Deze 30nm-vezels worden weer verder georganiseerd in een chromosoom, waarschijnlijk door het vormen van lussen, welke uiteindelijk na verdere verpakking het daadwerkelijke chromosoom vormen. 2. niet histonen over het algemeen zijn de chromosomen die tot uiting worden gebracht in een cel minder verpakt (euchromatine) dan de chromosomen die niet tot uiting komen (heterochromatine). Dus ook de exacte structuur van een interfase chromosoom kan van celtype tot celtype verschillen afhankelijk van de genen die tot expressie moeten komen. Heterochromatine wordt gewoonlijk meer gelokaliseerd rond het centromeergedeelte en de telomeergebieden van een chromosoom. Ondanks dat de meeste chromosomen een combinatie van heterochromatine en euchromatine bevatten bestaan er een aantal belangrijke uitzonderingen. Vrouwen bevatten twee X chromosomen, maar omdat een dubbele hoeveelheid hieraan dodelijk is moet een van de twee chromosomen niet tot expressie komen. Er is dus een mechanisme ontwikkeld om permanent 1 chromosoom uit te schakelen door

ontzettend dichte inpakking van dit chromosoom tijdens de embryonale ontwikkeling. Vanaf dat punt hebben de dochtercellen van deze cellen ook hetzelfde dichtbepakte X chromosoom. Soms is het echter nodig om wel bij dichtgepakt DNA te kunnen en een manier om de nucleosomen dan wat minder te bepakken is met behulp van zogenaamde chromatine remoddeling complexen. Dit zijn eiwitmachines die de energie van ATP gebruiken om de structuur van nucleosomen aan te passen. Tijdens de mitose is ten minste een deel van deze complexen uitgeschakeld omdat het juist nodig is om de strakke structuur te behouden. Een andere methode om de structuur van de nucleosomen aan te passen is met behulp van een reversibele verandering in de structuur van histonstaarten. Deze N-termini kunnen met behulp van enzymen aangepast worden door middel van covalente bindingen. Hoewel deze vrom van modificattie geen directe invloed lijtk te hebben op de centrosoom structuur heeft deze wel degelijk invloed op de hogere orde organisatie zoals de 30nm-vezel en hoger. Er zijn veel verschillende soorten van modificaties mogelijk aan deze staarten en de combinatie van de bindingen en brekingen van bindingen signaleren aan de cel wat er moet gebeuren. Net zoals bij de chromatine remoddeling complexen worden ook de enzymen die van invloed zijn op de histonstaarten sterk gereguleerd. H18 (tot p. 625): De celcyclus bestaat in grote lijnen uit 4 fasen, de G1, S,G2 en M fase. De meest dramatische gebeurtenissen vinden plaats in de M fase, waarbij eerste de nucleus wordt gesplitst, mitose, en vervolgens de cel in tweeen wordt gedeeld, cytokinese. In een zoogdiercel duurt deze gezamenlijke Mfase ongeveer een uur, wat slechts een fractie is van de duur van de gehele celcyclus. De rest van de celcyclus bestaat uit de zogenaamde inetrfase, welke weer onderverdeel kan worden in verschillende fasen. De S fase (synthese) is het deel waarin de nucleaire DNA wordt gerepliceerd. De G1 fase (gap) is de periode waarin de cel verkeerd tussen de M fase en de S fase, en de G2 ligt tussen de S en de Mfase in. Het doel van deze ‘gaten’ is het onderzoeken van zowel de externe als de interne omgeving van de cel en om zeker te weten dat deze overeenkomen met de doelen van de cel voordat de werkelijke deling of replicatie plaastvind. In deze tussenfasen kan de cel een vertraging laten plaatsvinden en reparaties uitvoeren. Daarnaast zorgen de G1 en G2 fase voor de mogelijkheden voor de cel om te groeien en de cytoplasmatische organellen te dupliceren. Het eerste zichtbare teken dat de cel de Mfase in gaat is het condenseren van de chromosomen, dit markeert dus het einde van de G2 fase en het begin van de Mfase. De condensatie zorgt ervoor dat de chromosomen niet in elkaar verstrikt raken en dus makkelijker uiteen te trekken. De gehele celcyclus is te vergelijken met een wasmachine waarin ook verschillende programma’s in een gefixeerde volgorde worden afgewerkt. De cel zal ook nooit naar de volgende stap vervolgen als de voorgaande fase niet volledig en correct is afgerond. Dit betekent dus ook dat als een fase langer moet duren er met de volgende fase ook later begonnen wordt. Een centraal controle mechanisme controleert de opeenvolging in stappen en er vindt feedback plaats van de resultaten van de fasen op verschillende belangrijke punten in de cyclus, checkpoints. Twee belangrijke punten vinden in de G1 en de G2 fase plaats. Tijdens de G1 fase wordt gecontroleerd of de omgeving favoriet is voor de celdeling en of de DNA die gerepliceerd wordt ook intact is. Wanneer de omgevingscondities niet favoriet zijn voor de celdeling kan de cel vanuit de G1 fase in een zogeheten G0 fase geplaatst worden waarin geen deling plaatsvindt en de cel in een soort ruststand verkeerd. In deze fase kunnen cellen zich langere periodes bevinden. Het controle punt van de G2 fase controleert of de DNA beschadigd is en de replicatie volledig afgerond.

De controlepunten van de celcyclus zijn in het bijzonder belangrijk om signalen van andere cellen te gerbuiken de cyclus te reguleren. Tijdens de celdeling zijn twee onderdelen aan het werk. Een die de nieuwe componenten van de groeiende cel maakt en een die zorgt dat deze componenten op de juiste plaats worden gehouden en zorgt dat deze eerlijk onder de twee dochtercellen verdeeld worden. Niet minder belangrijk is natuurlijk weer het mechanisme dat deze twee systemen aan en uit schakelt. Het cel-cyclus controle systeem komt hierbij om de hoek kijken welke de celcyclus controleerd door het in en uitschakelen van de verschillende hulpsystemen. Zoals eerder gezien is het voornaamste chemische mechanismen om te dienen als schakelaar het fosforylering en defosforyleren van moleculen. Ook het controlesysteem maakt handig gebruik van deze eigenschap. Hierbij komen twee enzymen in het spel, kinases dienen voor het aankoppelen van een fosfaatgroep van ATP naar het eiwit en fosfatasen kunnen deze vervolgens weer afkoppelen van het eiwit. De kinases die dus de fosfaatgroepen aankoppelen zijn gedurende de gehele celcyclus aanwezig in de cel, echter worden deze op hun beurt weer op geordende wijze en bepaalde momenten in en uitgeschakeld. Deze in en uitschakelingen van de kinasen gebeuren ook op cyclische wijze. De enzymen die ervoor zorgen dat de kinasen in en uitgeschakeld worden zijn de zogenaamde cyclinen. Deze hebben zelf geen enzymatische activiteit maar stimuleren de enzymatische activiteit van de kinasen door aanhechting hieraan. De kinasen die in de celcyclus door dit mechanisme worden geactiveerd heten de zogenaamde cycline afhankelijke eiwit kinases oftewel CDK’s. Cycline worden zo genoemd omdat ze anders dan de kinasen, wel op cyclische wijze in bepaalde concentraties aanwezig zijn gedurende de celcyclus. Wanneer de cycline aan een kinase is gebonden noemen we dit een cycline-CDKcomplex en deze beinvloeden dus weer bepaalde gebeurtenissen in de celcyclus. De regulatie van cyclineconcentraties spelen dus een belangrijke rol in de regulatie van de celcyclus. Elke cycline heeft een naam die past bij de stap in de celcyclus welke het reguleert, evenals de CDK. De cycline dat de cel in de Mfase brengt heet bijvoorbeeld M cycline en bindt aan M-CDK. M cycline is een goed voorbeeld om aan te tonen hoe de cyclische functie van cyclinen werkt. Gedurende de interfase bouwt de concentratie cycline zich op tot een bepaald punt. Eenmaal op een hoog genoege concentratie worden M-CDK’s geactiveerd en zal de cel in mitose gaan. Door de sterke verwijdering van de M-cycline tijdens deze fase wordt de activiteit van M-CDK verminderd en komt deze op een gegeven moment uit de M-fase. De plotselinge daling van cycline tijdens deze fase wordt bewerkstelligd door de snelle afbraak ervan door het ubiquitine afhankelijke proteolytische systeem. Wanneer de Mfase tot een einde drijgt te komen binden veel ubiquitine covalent aan de M cycline. Deze zogeheten ubiquitinatie zorgt ervoor dat de M cycline gemarkeerd worden voor afbraak door proteasomen, grote proteolytische machines die in alle eukaryotische cellen wordt terug gevonden. Afbraak van M-cycline inactiveert vervolgens uiteraard de M-CDK’s. Echter dan komen we weer bij de vraag wat nu weer controleert of de ubiquitinen aan de cyclinen binden. In het geval van M-cycline is er een complex, anafase promoting complex (APC), die voor de binding van ubiquitine aan cycline zorgt. De activiteit van dit complex wordt laat in de mitose ingeschakeld door de activiteit van M-CDK. Activatie van M-CDK zorgt er, na een ingebouwde vertraging, voor dat dit complex wordt geactiveerd
ubiquitinatie M cycline
afbraak M-cycline
inactivatie MCDK
exit mitose.

Nu is dat al een heel ingewikkeld systeem maar nog steeds hebben we niet alles gehad. Zoals gezien bouwt cycline zich op cumulatieve wijze op terwijl de bijbehorende CDK plotseling in wordt geschakeld. Uiteraard is hier ook een systeem voor. Voor CDK om actief te kunnen worden is er fosforylatie nodig op een twee locaties van de CDK en defosforylatie op een andere locatie. na binding aan de cycline vindt er op twee locaties fosforylatie plaats, een door een activerend kinase en een door een inhiberend kinase. Zolang de fosfaatgroep van de inhiberende kinase aan het CDK gebonden is kan deze niet actief zijn. Een ander enzym, de activerende fosfatase verwijderd deze fosfaatgroep waardoor de CDK actief kan worden. Wanneer eenmaal 1 CDK en daarmee Cycline-CDK-complex geactiveerd is, kan deze op zijn beurt weer een heleboel andere DCK’s activeren, positieve feedback. Dit leidt uiteindelijk dus tot de explosieve activiteit van een groot aantal complexen. Voor allerlei verschillende controlpunten in de celcyclus zijn er ook verschillende CDK’s met een eigen naam. De naam van de CDK-cycline complexen zijn vaak afgeleid van het punt in de cyclus dat gecontroleerd wordt, bijvoorbeeld G1-S complex voor de overgang van G1 naar S fase. Bij elke cycline wordt de concentratie langzaamaan hoger, net zoals het geval was bij de Mcycline, en afgebroken door ubiquitinen. Aangezien deze concentratie op een bepaald niveau de bijbehorende CDK kan activeren spelen de cycline concentraties een belangrijke rol in de overgang tussen de verschillen cyclus stadia en de duur van deze stadia. S-CDK speelt een belangrijke rol voor de S-fase waarbij het zorgt dat replicatie plaastvindt maar wel slechts eenmaal en niet meerdere keren. Op de oorspronkelijke punten van replicatie, origins of replication, zijn er bepaalde eiwitten te vinden die de initiatie en de afronding van de replicatie controleren. Een van deze complexen wordt het origin recognition complex (ORC) genoemd, welke aan de origins of replication gebonden blijven gedurende de gehele celcyclus waar het als soort landingsbaan fungeert voor andere controlerende eiwitten. Een van deze eiwitten wordt cdc6 genoemd, wat in lage concentraties gedurende de gehele cyclus aanwezig is, maar een enorme stijging in concentratie aan het begin van de G1 fase ondergaat. Wanneer deze cdc6 aan de ORC bindt, promoot dit weer de binding van andere eiwitten waardoor een zogenaamd pre-replicatiecomplex gevormd wordt. Zodra dit complex is opgesteld is het origin of replication klaar om te vuren. De activatie van S-CDK tijdens de late G1 fase maakt de start van de uiteindelijke DNA replicatie. Naast de start van replicatie door S-CDK speelt deze ook een belangrijke rol in voorkoming van meermalen repliceren. Het fosforyleert namelijk de cdc6 waardoor deze en andere eiwitten in het prereplicatie complex loslaten van het ORC en een wteede replicatie wordt tegengegaan. Tevens markeert de fosforylering van cdc6 deze voor afbraak door ubiquitinen. Aan het einde van de mitose is alle CDK activiteit tot 0 teruggebracht. Na inactivatie van ook de M-CDK wordt de cel door allerlei mechanismen uit de mitose getrokken. Tijdens het grootste deel van de G1 fase blijvend e CDK’s geinhibeerd o.a. door binding van CDK inhibitie eiwitten aan de betreffende CDK’s. De inactiviteit van de CDK’s in de G! fase is nodig om een vertraging op gang te brengen waarin de cel kan groeien alvorens de repliceren en te delen. Zodra de G1-cyclinen ver zijn opgebouwd kan de cel ontsnappen aan deze stilstand en kan gaan delen. De activatie van de G1 cyclinen worden meestal getriggerd door extracellulaire signalen die cel proliferatie bevorderen. Voor een groot deel zijn de mechanismen die ten grondslag liggen aan het geheel stopzetten van de celcylus slecht begrepen. Een deel is wel begrepen en dat betreft de zogenaamde CDK inhibitie eiwitten welke we net ook al tegen kwamen. Deze blokkeren dus de activatie van CDK-cycline complexen. Een goed begrepen mechanisme is die werkzaam op de G! fase, cyclus stilzetten in de G1 fase, als gevolg van bijvoorbeeld DNA schade.

DNA schade veroorzaakt de activiteit en verhoogde concentratie van het p53 eiwit. Deze p53 activeert de transcriptie van een gen die codeert voor een CDK inhibitor, p21. dit eiwit bindt aan de G1/S-CDK en S-CDK waardoor voorkomen wordt dat de cel in de S fase verder gaat. De vertraging geeft de cel tijd om te repareren. Tijdens de mitose vinden we een ander belangrijk checkpoint, om te controleren of alle chromosomen juist en geheel aan de mitotic spindle zijn bevestigd. Hiervoor maakt de cel gebruik van een negatief signaal: ongebonden chromosomen zenden een stopsignaal naar het cel cyclus controle systeem. De exacte natuur van dit signaal is onduidelijk, wel weten we dat het de activiteit van APC blokkeert. Wanneer de APC geblokkeert is blijven de chromosomen aan elkaar geplakt en zullen ze dus niet uit elkaar getrokken worden totdat de chromosomen allemaal goed vastzitten aan de spindle. De meest radicale beslissing die een cel kan nemen is geheel uit de cel cyclus te stappen en daarmee te stoppen met delen. Dit is iets anders dan even pauzeren tijdens de cyclus, en heeft dus ook een andere functie dan reparaties uitvoeren. Het is een gouden regel dat cellen in een zoogdier alleen delen wanneer er signalen zijn die vertellen dat ze dat moeten doen. Wanneer deze signalen afwezig zijn zal de cel in de G0 fase terecht komen. De variatie in de cel delingsfrequentie van verschillende cellen in het lichaam (darmepitheel heel vaak, zenuw nooit) hangt dus af van de hoeveelheid tijd die ze in de G0 fase doorbrengen. Wanneer de cel eenmaal voorbij het eerste G1 checkpunt is gekomen en de celcyclus binnen gaat zal deze de cyclus vervolgen. H19 Zodra de chromosomen gerepliceerd zijn in de S fase blijven de twee kopieen strak aan elkaar gebonden als identieke zuster chromatiden. De chromatiden worden bij elkaar gehouden door cohesine, wat eiwitcomplexen zijn. Deze cohesinen zijn terug te vinden over de gehele lengte van de chromatinen en worden pas laat in de mitose doorbroken zodat de chromatiden uit elkaar gehaald kunnen worden. Wanneer de cel in de M fase terecht komt condenseren de chromosomen met behulp van condensinen, wat ook eiwit complexen zijn. De aanhechting van condensinen wordt geactiveerd door de M-CDK’s doro fosforylering van sommige delen van de condensinen. De cohesinen en condensinen zijn structureel gerelateerd en werken samen om de gerepliceerde chromosomen klaar te maken voor mitose. Het verschil tussen beiden is de cohesine beiden paralelle DNa moleculen aan elkaar binden terwijl de condensine slechts op een molecuul te werk gaan. Beiden vormen een ring om het molecuul (zie fig. 19-3). Wanneer de cel wil kunnen delen vinden er twee mechanische veranderingen plaats die uitgevoerd worden door cytoskelet onderdelen en opeenvolgend plaatsvinden. Allereerst moet de nucleus in tweeen gesplitst worden (mitose) en vervolgens moet het cytoplasma verdeeld worden (cytokinese). Beide structuren van het cytoskelet worden na uitvoering van de taak weer snel opgelost. Om twee identieke dochtercellen te kunnen vormen moeten de chromosomen eerlijk over beide cellen verdeeld worden, dit gebeurt door de mitotische spindle. Deze bestaat uit een stel microtubuli en verscheidene eiwitten die met deze interacteren, hieronder bevinden zich ook de microtubule afhankelijke motor eiwitten. Voor de cytokinese is een ander mechanisme aan de gang, genaamd de contractiele ring bestaande uit actine en myosine filamenten. De ring start met aanhechten aan het einde van de mitose, vlak ONDER het plasmamembraan. Zodra de ring samentrekt wordt de membraan naar binnen getrokken en op die manier worden er twee cellen gevormd. De vorming van de mitotische spindle hangt in dierlijke cellen af van de centrosomen, welke dus ook voorafgaand aan de M fase al gedupliceerd zijn. Dus voordat de M fase kan beginnen moeten er twee belangrijke gebeurtenissen hebben plaatsgevonden, het DNA moet volledig gerepliceerd zijn en de centrosomen moeten gedupliceerd zijn.

Alleen als de centrosomen gedupliceerd zijn kan elke dochtercel een eigen centrosoom ontvangen en de mitotische spindle geïnitieerd worden. Zodra de centrosomen tijdens de interfase gedupliceerd zijn blijven ze nog even samen hangen en scheiden op het moment van de M fase. Beide centrosomen maken dan een radiale array (weet geen goede vertaling) van microtubulen die een aster genoemd wordt. De twee asters bewegen naar tegengestelde kanten van de nucleus waardoor ze de twee polen van de mitotische spindle vormen. Zodra de nucleaire envelop wordt afgebroken grijpt deze spindel de chromosomen, zodanig dat ze later in de mitose gescheiden kunnen worden. De initiatie van de centrosoom duplicatie wordt geïnitieerd door dezelfde CDK’s die DNA replicatie initiëren, waardoor dus ook deze duplicatie in de S fase van start gaat. Het proces van centrosoom duplicatie en separatie wordt ook wel centrosoom cyclus genoemd.

1. 2. 3.

4.

5.

6.

Ondanks dat de M-fase in een vloeiende beweging wordt doorlopen wordt het traditioneel onderverdeeld in 6 stadia. In de eerste 5 stadia vindt mitose plaats, en in het laatste stadium cytokinese. De eerste 5 stadia lopen ook in strikte opeenvolgende volgorde. Het 6e stadium, de cytokinese, begint eigenlijk al in de 4 stap en doorloopt de 5e stap eveneens. profase: de gerepliceerde chromosomen condenseren. Buiten de nucleus wordt de mitotische spindel opgesteld. prometafase: deze begint plotseling door de afbraak van de nucleaire envelop. De chromosomen binden nu via kinetochoren aan de spindle en ondergaan actieve bewegingen. metafase: de chromosomen liggen netjes opgesteld in het midden van de spindle, dus exact tussen de twee polen in. De twee kinetochoren die aan een paar chromosomen vastzit binden beiden aan een tegenovergestelde pool. anafase: de gepaarde chromosomen worden uit elkaar getrokken en langzaam naar de spindle pool getrokken. De kinetochoren microtubuli worden korter en tevens bewegen de beiden polen verder uit elkaar, waardoor ze beiden bijdragen aan de verdere uiteentrekking van de chromosomen. telofase: de twee sets van chromosomen komen aan bij hun pool van de spindle. Een nieuwe nucleaire envelop wordt om elke set heen gevormd, waardoor twee nuclei worden gevormd en het einde van de mitose wordt gemarkeerd. cytokinese: door de vorming van de contractiele ring wordt de cel en het cytoplasma in tweeen gedeeld. Ook als een cel niet aan het delen is en tijdens de inetrfase bevat de cel een array van microtubuli die instabiel is. Door deze instabilitiet is de mogelijkheid van de cel om tijdens de mitose deze array te hervormen om de spindle te maken. De eerste microtubuli die uit een centrosoom komen na duplicatie in de S fase polymeriseren en depolymeriseren 20x sneller dan de microtubuli in een normale cel. Daarnaast spuiten er een veel groter aantal aan microtubuli uit cel en ze zijn gemiddeld veel korter. Deze verschillen tussen de tubuli in de interfase en de mitose worden gestimuleerd door veranderingen in de activiteit van verschillende microtubule geassocieerde eiwitten (MAP’s). gedurende de inetrfase binden veel van deze eiwitten aan de microtubulen waardoor ze gestabiliseerd worden. Bij de start van de mitose fosforyleerd M-CDK een deel van deze MAP’s waardoor hun vermogen om de tubuli te stabiliseren wordt verminderd. De aanwezigheid van eiwitten genaamd catastrophinen zorgen voor verdere instabiliteit van de tubuli.

Aan het begin van de profase beginnen de chromosomen uit elkaar te gaan, deels gedreven door centrosoom geassocieerde motor eiwitten die de energie van ATP hiervoor kunnen gebruiken. De snel groeiende en krimpende tubuli spuien in alle richtingen vanuit de twee centrosomen, zodat ze het interieur van de cel aan het ontdekken zijn. Gedurende de profase interacteren de microtubuli van een centrosoom ook met die van de andere, waardoor ze weer gestabiliseerd worden. Dit vormt uiteindelijk de mitotische spindle. De twee centrosomen die aan de tubuli vastzitten worden nu spindle polen genoemd en de interacteren tubuli de interpolaire microtubuli. Zoals eerder gezien heten de tubuli die heir niet onder vallen de aster tubuli. Tijdens de prometafase wordt de nucleaire envelop gebroken. De microtubuli grijpen nu snel de toegankelijke chromosomen en binden aan de chromosomen met behulp van kinetochoren, welke zich gedurende late profase aan de chromosomen gehecht hebben. Kort voor de prometafase vormen deze kinetochoren een complex op elk centromeer van een chromosoom, waardoor elke chromosoom van een paar dus een eigen complex bevat welke in tegengestelde riching op het chromosoom wijzen. De aanhechting van het kinetochore hangt dus ook af van de DNA sequentie welke het centromeer aangeeft, en bij afwezigheid van deze sequentie is het dus ook niet mogelijk de kinetochoren aan te hechten en de chromosomen fatsoenlijk te scheiden. Zodra de nucelaire envelop is gebroken kunnen de random rondschietende microtubuli aan de kinetochoren binden en zo de chromosomen vastgrijpen. Zodra dit is gebeurd wordt de tubulus een kinetochore microtubule genoemd. Omdat de kinetochoren op zuster chromatiden in tegengestelde richting zitten is het waarschijnlijk dat ze beiden aan tegengestelde polen binden. Het aantal tubuli dat aan een kinetochore vast zit verschilt tussen soorten, bij mensen is dit ongeveer 20-40. De gebonden chromosomen beginnen nu een beetje rond te bewegen en komen uit eindelijk tijdens de metafase de metafase plaat waarbij de chromosomen in het midden precies tussen de polen in, in een rijtje gaan liggen. Het precieze mechanisme hierachter is niet bekend, wel weten we dat de continue groei en krimping van de tubuli en eraan geassocieerde motor eiwitten een rol spelen. De chromosomen die zich in deze plaat bevinden bewegen continu op een neer waardoor ze hun positie aanpassen en dit indiceert dat het touwtrekken tussen de microtubuli van verschillende polen nog steeds aan de gang is. De anafase begint abrupt door het loslaten van de cohesinen welke eerder de zuster chromatiden bij elkaar hielden. Dit geeft de mogelijkheid van het chromosoom langzaam aan naar de kant van zijn gebonden pool te bewegen. De abrupte loslating van cohesine wordt veroorzaakt door een stof die we eerder tegen kwamen, anafase promotend complex (APC). Zodra dit proteolytisch complex wordt geactiveerd, knipt het een inhibitie eiwit. Hierdoor wordt een tweede proteolytisch enzym losgelaten welke de cohesine doorknipt. Zodra ze los zijn bewegen de chromosomen op gelijke snelheid (1 micrometer/sec) naar beide polen toe. Dit gebeurt op deze manier door twee mechanismen: - anafase A waarbij de microtubulen korter worden door depolymerisatie. De drijfkracht van deze bewegingen ontstaan voornamelijk door de actie van motoreiwitten die op de kinetochore werken. Het verlies van tubuline subunits wordt voornamelijk tot stand gebracht door catastrofinen welke zowel aan het kinetochore als de tubule gebonden zijn en de hydrolyse van ATP gebruiken om de subunits te kunnen verwijderen. - anafase B waarbij de polen zelf uit elkaar bewegen. Dit komt doordat de interpolaire microtubuli over elkaar heen bewegen en verlengen waardoor ze de polen wegduwen. De drijfkrachten achter dit proces worden geleverd door twee soorten motoreiwitten, leden van de kinesine en dyneine families. De dyneinen bewegen naar de negatieve zijde, dus de kant van de pool, en verzorgen dus de duwkracht tussen de interpolaire tubuli. De kinesinen zorgen voor de trekkracht aan de aster tubuli welke aan het cytoskelet in de periferie gebonden worden (fig. 19-17).

Tijdens de telofase wordt de nucleaire envelop gevormd om elke set van chromosomen heen en vormt dus twee dochter nuclei. De blaasjes van nucleair membraan gaan eerst om de chromosomen heen clusteren en fuseren vervolgens om een envelop te vormen. Gedurende dit proces worden de porien en de laminen terug gevormd om een complete nucleus te maken. Zodra de envelop weer gevormd is pompen de porien eiwitten naar binenn, wordt de nucleus groter en de chromosomen decondenseren weer naar de interfase staat. Het proces van mitose zorgt er dus voor dat elke dochtercel een goede set van chromosomen krijgt maar deze dochtercellen moeten ook een eerlijke verdeling van cytoplasma en organellen krijgen. Sommigen organellen kunnen niet zomaar ontstaat uit hun componenten (mitochondria) en kunnen alleen ontstaan door groei en delen van deze mitochondria. Aangezien er meerdere mitochondria aanwezig zijn en deze simpelweg verdubbelen tijdens de cyclus en verdeeld over de dochters. Het ER zit gebonden aan de nucleaire envelop en valt uiteen in fragmenten zodra de envelop dit ook doet. Ook het Golgi valt waarschijnlijk in fragmenten uiteen hoewel het soms lijkt alsof deze in het ER gaat zitten en pas weer tevoorschijn komt in de telofase. Sommige organelfragmenten worden aan de microtubuli motor eiwitten gebonden waardoor ze mee kunnen reizen richting de dochter cellen, andere componenten worden at random verdeeld en dus door de dochters geerfd. Cytokinese is uiteindelijk het laatste proces waarbij het cytoplasma verdeeld wordt. Het begint meestal al tijdens de anafase maar is niet afgerond tot na de vorming van twee dochter nuclei. Zowel de locatie van de contractiele ring als de timing wordt bepaald door de mitotische spindel. het eerste zichtbare teken van cytokinese is het rimpelen en groeven maken van het plasmamebraan wat tijdens de anafase gebeurd. Het instulpen van het membraan gebeurd op een vlak dat loodrecht loopt op de lange as van de mitotische spindle. Deze positie zorgt er voor dat de scheiding in dochtercellen gebeurd tussen de groepen van chromosomen. Wanneer de mitotische spindle bewust verplaatst wordt dan verwijnt de instulping en begint deze weer op de nieuwe locatie, wat aangeeft dat de mitotische spindel de locatie induceert. Wanneer de spindel centraal in de cel is gelokaliseerd zullen de geproduceerde dochter cellen evenredig in grootte zijn. Echter, tijdens sommige momenten in de embryonale ontwikkeling zijn er momenten dat de dochtercellen niet even groot zijn als gevolg van een niet-centraal gelegen spindel. In veel gevallen ontvangen de dochter cellen dan ook verschillende moleculen en worden het verschillen celtypen. De contractiele ring bestaat voornamelijk uit actine en myosine filamenten. Tijdens de anafase bindt deze aan de membraaneiwitten aan cytoplasmatische zijde van de cel. De timing voor deze aanhechting en het mechanisme dat hierachter schuilt is vooralsnog onduidelijk. De contractiele ring is ontzettend sterk (in staat een glasvezel te buigen), en deze kracht voor veroorzaakt door schuivende actine over de myosine filamenten dus hetzelfde wat in spiersamenspanning gebeurt. Anders dan de mechanismen gevonden in spieren is de contractiele ring een tijdelijke structuur die tijdens de cytokinese opgezet wordt en daarna ook volledig verdwijnt. Celdeling gaat vaak gepaard met vormveranderingen in de cel en een vermindering in de adherentie van de cel. De veranderingen komen voort uit de reorganisatie van actine en myosine filamenten in de celcortex naast het opstellen van de contractiele ring. Een verschil in deze cytoskelet elementen zorgt voor verminderde aanhechting tussen cellen of de basaal membraan en een eventuele vormverandering. Zodra de celdeling afgerond is wordt de oorspronkelijke vorm en aanhechting weer gewaarbord. De reden voor het tijdelijk loslaten en weer aanhechten ligt waarschijnlijk in het feit dat dit de mogelijkheid

biedt om de nieuwe contacten te verenigen en voor beide dochtercellen een accommodatie in het weefsel te vinden. HC8 (Albert H21, tot p. 725; McGavin p. 260;342-345; 744-746) Wanneer een eicel begint met delen produceert deze duizenden klonen van de oorspronkelijke cellen, die allemaal hetzelfde genoom bevatten maar in verschillende manieren gespecialiseerd zijn. Elke cel bevat dus dezelfde genen maar brengt er verschillende tot uiting. Dezelfde mechanismen die gebruikt worden om een organisme te bouwen, blijven doorzetten zelfs in een volwassen lichaam. Ondanks dat het weefsel in onze lichaam op veel plaatsen verschillend is voldoet het aan een aantal basis eisen. het weefsel bestaat uit een groot aantal verschillende cellen die in een netwerk toch goed functioneren. Dit kan zo zijn door 3 basisprincipes: 1. cel communicatie; signalen van andere cellen zorgen ervoor dat nieuwe cellen geproduceerd worden en kunnen overleven en alleen op die momenten dat dit wenselijk is. 2. selectieve cel-cel adhesie: verschillende cadherine en andere adhesie moleculen zorgen ervoor dat de verschillende cellen in een weefsel niet in een chaotische mix belanden. 3. cel geheugen: gespecialiseerde patronen van gen expressie worden ‘onthouden’ zodat de cellen en hun dochtercellen dezelfde specialisatie blijven behouden. Cellen verschillen enorm in de mate en snelheid waarin ze delen en ons leven hangt af van de vernieuwingsprocessen van deze cellen. Veel van de gedifferentieerde cellen die continu vervangen moeten worden kunnen zelf niet delen. Oppervlakte epitheel, rode bloedcellen en de absortieve en slijmbekercellen zijn allemaal van dit type. Zulke cellen worden: terminaal gedifferentieerd genoemd. Vervangen van dit type cellen hangt volledig af van delende precursor cellen welke op hun beurt vaak weer van stamcellen afkomstig zijn. De precursorcellen delen snel, de stamcellen delen echter heel langzaam. De stamcellen en precursor cellen hebben gewoonlijk hun locatie in het corresponderende weefsel van de gedifferentieerde cellen. Stamcellen zijn niet gedifferentieerd en kunnen ongelimiteerd delen, elke dochter kan of een nieuwe stamcel vormen of een pad op gaan richting differentiatie via precursor cellen. De functie van de stamcellen en precursor cellen is dus niet het uitvoeren van de taak die bij de gedifferentieerde cellen hoort, maar het produceren van deze cellen. Stamcellen zijn aanwezig in kleine aantallen en hebben meestal een ongedifferentieerd uiterlijk wat het lastig maakt deze cellen te identificeren. Ondanks dat ze niet terminaal gedifferentieerd zijn, zijn volwassen stamcellen toch in zekere zin gedifferentieerd. Ze hebben onder normale omstandigheden een bepaalde genexpressie wat ervoor zorgt dat hun dochter cellen tot een bepaald celtype kunnen differentiëren. Het patroon van vervangen verschilt per weefseltype. In de dunne darm bijvoorbeeld, liggen de stamcellen in de bodem van de crypten terwijl de slijmbekercellen en absortieve cellen juist in de enkele epitheellaag van de villi zijn terug te vinden. De nieuw gegenereerde slijmbeker en absortieve cellen uit de stamcellen worden via een glijdende beweging naar boven richting de villi gebracht. Helemaal bij de top van de villi aangekomen sterven de cellen weer af en worden uitgescheden in het lumen van de darm. Een heel ander voorbeeld wordt in de huid aangetroffen. De huid is een epitheel dat bestaat uit veel lagen, met de stam en precursor cellen in de basale laag, aan de basale lamina. De gedifferentieerde cellen bewegen opwaarts richting de buitenzijde, loodrecht op de epitheellaag. De bovenste laag cellen sterven vervolgens af en worden op zelfde wijze weer vervangen. Vaak kan een bepaald type stamcel een aantal verschillende dochtercellen maken, bijvoorbeeld de bovengenoemde stamcellen in de darm (slijmbeker, absortieve) de vorming van bloedcellen, hemopoiese, worden allemaal gemaakt van een stamcel, hemotopoeitische stamcel, die aan alle bloedcellen vorm kunnen geven (wit, rood).

Door het vermogen ongelimiteerd te delen kunnen stamcellen zorgen voor vernieuwing van weefsel evenals reparatie van weefsel. Volwassen stamcellen kunnen hier functie in dienen maar een nog veelbelovendere soort stamcel is de embryonale stamcel welke in wezen nog vorm kan geven aan ELKE denkbare cel. Deze soort cel geeft dus ook de mogelijkheid om elk denkbaar weefsel te vormen en te repareren, door ongelimiteerde deling en differentiatie. Dit doel wordt nu verder uitgezocht voor zogeheten therapeutische doeleinden bij onder andere diabetes type I, spierdystrofie, Parkinsons en hartaanvallen. Het grootste probleem echter met deze vorm van therapie is het genetische verschil tussen de gebruikte stamcellen en de cellen van de patient. Het immuunsysteem zal mogelijk deze cellen alsnog vernietigen. Therapeutisch klonen kan dit probleem omzeilen. Therapeutisch klonen wordt gebruikt om weefsels te maken en niet zozeer een heel organisme. Wanneer dit wel gebeurt spreek je van reproductief klonen. Het mechanisme waarop klonen te werk gaat is het nemen van een onbevruchte eicel en de haploide kern hiervan uit te halen. In deze eicel plaatst men een nieuwe diploide kern, nucleaire transplantatie, waardoor een eicel met de genetsiche informatie van de donorcel ontstaat. In het beste geval kan deze in een baarmoeder geplaatst worden en een organisme ontstaan. Een heel andere techniek is het gebruik van nucleaire transplantatie om embryonale stamcellen te produceren. In dit geval wordt de ontstane blastocyst niet in een baarmoeder geplaatst en ontstaat er dus geen organisme. Er worden in een kweek echter stoffen toegevoegd die het mogelijk maken een weefsel te creeren, therapeutisch klonen. Omdat de cellen die op deze wijze gemaakt worden genetisch identiek zijn aan de cellen van de patient wordt het afweermechanisme omzeilt of liever gezegd niet uitgelokt.

1.

2.

3. 4.

5.

6.

McGavin: Er zijn 6 soorten epitheelcel die in het darmkanaal terug te vinden zijn. Enterocyten: lange en columnaire cellen met luminale microvilli. Ze zorgen voor de digestieve en absortieve enzymen. De volwassen cellen zelf kunnen niet delen maar hebben wel een feedback mechanisme voor de delen van crypt cellen. Ze bewegen vanuit de crypt van het darm naar boven waar ze op de top van de villi uitkomen en afsterven. Ongediffernetieerde crypt epitheelcellen: deze hebben geen of weinig verterende functies en zijn de voorlopers van de alle andere epitheelceltypen. Wel bevatten ze de brond van uitscheidingsproducten wat als receptor van IgA en immunoglobuline dient. Bovendien zijn ze de bron voor het uitscheiden van chloride ionen in het lumen. De snelheid van migratie naar boven richting de villi hangt af van een aantal factoren in het darmflora. Slijmbekercellen: deze hebben een functie in slijmuitscheiding en terug te vinden in zowel de crypte als de villus regio. Caudaal in het darmkanaal vergroten de aantallen van slijmbeker cellen. Paneth cellen: deze liggen vlak bij de Crypt basis en hebben zowel een uitscheidende als een fagocyterende functie. Ze produceren toxische stoffen tegen bacterieën en beschermt zo de crypte tegen infectie. Paneth cellen bestaan uit een cellulaire massa vergelijkbaar met die van pancreascellen en spelen mogelijk een rol in de eliminatie van zware metalen. Enterochromafinne/ neuroendocrine/enteroendocrine cellen: deze kun je voornamelijk in de crypten terug vinden en produceren een groot aantal stoffen welke ze in het weefsel uitscheiden en dus NIET het lumen. Daarom zijn ze ook absoluut endocrien. Soms kunnen deze cellen neoplasten vormen. M-cellen: deze worden zo genoemd omdat ze een gevouwen (microfolded) membraanstrcutuur hebben en dienen een belangrijke functie in de opname van antigenen van het darmlumen het het transport van deze antigenen naar het GALT. (gut associated lymfatic tissue). Eveneens spelen ze een belangrijke rol door als portaal te dienen voor sommige bacterieën en virussen.

De mesenchymcellen in de darmen liggen in de lamina propria. De aantallen vergroten bij blootstelling aan antigenen maar er is altijd een kleine populatie van deze cellen aanwezig. Ondanks dat een normaal lichaam miljoenen antigenen via het lichaam opneemt, is het toch zo gemaakt dat er niet op allemaal gereageerd wordt. 1. Neutrofielen: deze leven slechts kort in het weefsel en bloed en worden meestal via de poep uitgescheden. 2. Eosinefilen: wanneer deze aanwezig zijn in de lamina indiceren ze over het algemeen een overgevoeligheidsreactie voor voedsel of parasieten. 3. globule leukocyten: de normale functie weten we niet maar soms vormen ze neoplasten. Defensiemechanismen in de ingewanden zijn divers. 1. Secretie van slijm voorkomt aanhechting van organismen aan de mucosa. 2. Normaal maagzuur doodt veel bacteriën, maar helaas niet alles (maagzweer). 3. Niet pathogene binden competief op aanhechtingsplaatsen van de enterocyten en zijn competitief voor voedinsstoffen. Eveneens produceren ze inhiberende groeifactoren die toxisch zijn voor andere bacterieën, bacteriocrinen. 4. inwendige peristaltie zorgt voor voorkomen van bacteriegroei. Diarree is bijvoorbeeld het gevolg van overbewegingen in de darm om van toxinen en bacterieën af te komen. 5. De snelle vervanging van epitheelcellen zorgt voor afsterving van de organismen door het afsterven van de hostcel. 6. Galzuren inhiberen de groei van veel organismen. 7. Kuppfer cellen van de lever fagocyteren bacterieën. 8. IgA (geproduceerd door cryptcellen) en IgM voorkomen aanhechting van pathogenen aan het darmepitheel. 9. Lactoferrine en peroxidase van de pancreas en lysosyme van de paneth cellen inhiberen bacteriegroei. College 9 en 10 (Alberts H21, de rest, McGavin: p. 253-274;p.278-298) Kanker ontstaat wanneer de sociale regels van cellen doorbroken worden. Dat wil zeggen ze reageren niet of niet voldoende op signalen die hun gedrag op gecontroleerde wijze regelen. Natuurlijk is het in een groot organisme niet zo;n ramp wanneer slechts een cel zich niet goed gedraagt, maar wanneer een zo’n cel een genetische verandering ondergaat en dochtercellen produceren met hetzelfde defect heb je wel een probleem. Deze mutatie moet meer specifiek er voor kunnen zorgen dat een cel overleefd en deelt wanneer dit niet zou moeten en dochtercellen produceert die zich op dezelfde wijze gedragen. Naast de eigenschap dat de cellen delen ongeacht de omgevingssignalen die vertellen dit niet te doen en dat ze weefsel binnenvallen (invasief) waar ze niet horen te zijn. Cellen die wel de eerste eigenschap hebben maar niet de tweede worden benigne (goedaardig) genoemd, cellen die beide eigenschappen hebben vormen maligne (kwaadaardig) tumoren. Wanneer een cel ander weefsel binnenvalt wordt dit ook wel metastaseren genoemd waarbij dus een metastase gevormd wordt. De oorzaken van kanker kunnen veelzijdig zijn, maar de omgeving van cellen speelt een belangrijke rol in het ontstaan. De omgeving kan een virus inhouden, zoals het papilloma virus in baarmoederhals kanker, maar in het grootste deel van de kankersoorten is dit niet het geval. Overgewicht, roken, en heel veel andere factoren spelen een grotere rol. Door al deze oorzaken is het moeilijk, zo niet onmogelijk, om kanker in zijn geheel te voorkomen. Vandaar dat de basis van het onderzoek ook met name in het genezen ligt.

Kanker is fundamenteel een genetische ziekte, het ontstaat als gevolg van pathologische veranderingen in de informatie die door het DNA gedragen wordt. Het verschilt van andere genetische aandoeningen in het feit dat het hier voornamelijk somatische mutaties betreft, die ontstaan in individuele cellen van een volwassen lichaam. Andere genetische defecten bevatten vaak germline mutaties, die in alle cellen via de germline stamcellen in het lichaam terug te vinden zijn. De meeste van de oorzaken van kanker bestaan uit stoffen die mutageen zijn: ze veroorzaken mutaties door de DNA sequentie te veranderen. Maar zelfs zonder mutagenen zullen mutaties ontstaan als gevolg van limitaties aan DNA herstel en replicatie. Deze spontane mutaties worden geschat op 1 per 10^-6 mutaties per celdeling en er zijn ongeveer 10^16 celdelingen in een leven, dus de vraag is eigenlijk reëel waarom krijgen we niet vaker kanker? De uitleg hierbij ligt in het feit dat een enkele mutatie niet genoeg is om kanker te ontwikkelen en zeker moeten er meer dan 2 of 3 mutaties zijn. Deze mutaties volgen elkaar op cumulatieve wijze op en dit proces duurt meestal jaren, daarom krijgen oudere mensen meer kanker. Naast het feit dat kankercellen over het algemeen heel veel mutaties bevatten zijn ze ook nog eens genetisch instabiel. Dit resulteert eveneens van mutaties die: interfereren met accurate replicatie van het genoom; de efficiente van DNA reparatie verminderen of het voorkomen van breken en verplaatsen van chromosomen verhogen. Dit zorgt voor een grotere mutatierate in cellen, wat weer de ontwikkeling van kanker faciliteert.

1.

2.

3. 4. 5. 6.

De mutaties die voor kanker zorgen doen de cel geen schade aan. In tegenstelling zorgen ze juist voor een competitief voordeel, ten opzichte van de normale cellen. Hierdoor kunnen deze kanker cellen snel groeien en delen, ongeacht het effect dat dit op de normale buurcellen heeft. Om succesvol kanker te ontwikkelen moeten cellen aan een aantal eisen voldoen: verminderd vermogen om op signalen van andere cellen te reageren die deling, overleving en groei verzorgen. Een mutatie in het ras gen bijvoorbeeld kan een intracellualair signaal geven voor deling zelfs als het extracellulaire signaal aanwezig is. ze zijn minder bereid zichzelf te doden door middel van appoptose. Een mutatie in het p53 zorgt er bijvoorbeeld voor dat cellen niet meer het checkpoint hebben om te stoppen met delen en zelfs in apoptose te gaan bij DNA schade. kankercellen kunnen vaak oneindig delen. Dit doen ze vaak door her activatie van het telomerase enzym welke de telomeerlengte op peil houdt. cellen zijn genetsich instabiel en hebben dus een verhoogde mutatierate. cellen zijn abnormaal invasief onder andere door het afwezig zijn van bepaalde adhesie moleculen zoals cadherinen. kankercellen kunnen blijven delen en overleven in vreemd weefsel, ondanks dat normale cellen zouden sterven bij misplaatsing. Het mechanisme hierachter is onbekend, maar zeker wel een mutatie.

Er is heel veel moeite gedaan om de genen te onderscheiden die gemuteerd zijn bij kanker. In sommige gevallen is de mutatie zodanig dat het genproduct hyperactief wordt, dus een dominant effect en het gemuteerde gen wordt oncogeen genoemd. Hier is dus slechts een enkel gen kopie nodig om voor problemen te zorgen. De normale variant van dit gen wordt proto-oncogeen genoemd. Voor andere kankersoorten ligt het gevaar in mutaties die voor defecten in genen zorgen. Vaak zijn deze mutaties recessief en zijn dus beide genen defect nodig om problemen te veroorzaken. Deze soorten heten de tumor-suppressor genen. Sommige inidviduen hebben een zo’n suppressor gen geerfd, hoewel dit nog niet direct voor problemen zorgt omdat ze beiden defect moeten zijn. Wel is omdat het aantal benodigde mutaties voor kanker minder is het risico op kanker groter. Zowel van de oncogenen als de tumor suppressors kennen we veel soorten. Ras is een typisch oncogeen, p53 een typisch tumor suppressor. Een illustratie over hoe het verlies van een goed gen kan leiden tot kanker is in darmkanker. In een kleine groep van gevallen is dit het gevolg van een defect in het DNA reparatie gen. In een ander geval van erfelijke darmkanker is er echter een andere mutatie aanwezig wat leidt tot een heel ander fenotype. De start van de ziekte kenmerkt zich door aanwezigheid van duizenden polipen in de darmen als gevolg van een defect in het gen adenomateuze polyposis coli gen (APC). Getroffen individuen hebben een goed en een defect gen, waarvan de defecte kopie zodanig functioneert dat deze de goede kopie onderdrukt. Ook individuen zonder deze erfelijke omstandigheden kunnen darmkanker ontwikkelen door verlies van beide kopieen APC middels onafhankelijke somatische mutaties. Dit maakt allemaal duidelijk dat APC een belangrijke rol speelt bij de ontwikkeling, maar hoe? Het blijkt dat APC codeert voor een inhiberend enzym dat normaal een cel-cel signaleringspad activeert, het zogenaamde WNT-pad. Hierdoor vindt ongecontroleerde cel proliferatie plaats en verdere mutaties kunnen decellen invasief maken.

-

Omdat kankercellen gemuteerd zijn en snel evolueren is behandeling lastig. Omdat de mutaties allemaal random zijn is tevens elke soort van kanker weer iets anders. Tot slot worden de tumoren niet eerder gedetecteerd dan 1cm of groter en bestaan deze al uit miljoenen cellen die vaak ook al gemetastaseerd zijn. Operatie blijkt vooralsnog de beste optie en als dit niet werkt dan zijn er nog een paar mogelijkheden die op de intrinsieke eigenschappen van kanker inspelen. ontbreken van p53 maakt de kankercellen gevoelig voor DNA schade. Juist om deze reden kunnen cellen gedood worden met straling en chemo die deze schade toebrengen. Blokkeren van de formatie van nieuwe bloedcellen zodat de tumor zonder voedingsstoffen komt te zitten. Gebruik van toxificerende antigenen die specifiek aan de kankercellen binden. Producten van de oncogenen aanvallen waardoor het effect wordt gestopt. Aanvallen de enzymen die de producten maken met bijvoorbeelde inhibitoren McGavin: Een neoplasie is een nieuwe groei van cellen die afkomstig zijn van normaal weefsel die een genetsiche modificatie hebben ondergaan waardoor ze ongevoelig worden voor groeifactoren en buiten hun normale anatomische grenzen treden. Het kan goedaardig of kwaadaardig zijn. Een tumor is officieel gewoon een zwelling en kan zowel naar kwaadaardig als goedaardig refereren. Kanker is een vorm van neoplasie die kwaadaardig is.

1. 2.

3. 4.

Met het in het achterhoofd houden dat kanker een stapsgewijs proces is kunnen we potentiële preneoplastische veranderingen onderscheiden: Hyperplasie: vergoting in aantal cellen Metaplasie: transformatie van een gedifferentieerde cel in een ander celyype. Vaak gezien in epitheelweefsel, bijvoorbeeld een tekort aan vitamine A dat leidt tot een squameuze metaplasie in epitheel van ademhalings en verteringsstelsel. Dysplasie: abnormaal patroon van weefselgroei, meestal een ongeorganiseerde bende . Hypertrofy: vergoting van celgrootte en niet aantal. Over het algemeen zijn al deze preneoplastische veranderingen reversibel en kunnen zelfs reacties op omstandigheden zijn die een functie dienen. Wel is het zo dat preneoplastische veranderingen een hoger risico op neoplasie indiceren. Dysplasie en metaplasie kunnen zelfs gebruikt worden in de terminologie van verandering naar een neoplasie, hyperplasie en hypertrofy worden echter nooit gebruikt in de beschrijving van neoplasie. De naam van een tumor reflecteert het celtype vanwaar de tumor is ontstaan. Het actervoegsel wordt toegevoegd aan de naam van de cel van origine. Tumoren van mesenchymale origine worden –oma’s genoemd indien goedaardig en sarcoma;s indien kwaadaardig. Tumoren in bloedcellen worden echter leukemieën genoemd. Tumoren in het epitheel (van zowel ectodermale, endodermale als mesodermale oorsprong) die goedaardig zijn worden –adenoma’s genoemd, kwaadaardigen worden –carcinomas genoemd. de term carcinoma kan verder gedifferntieerd worden aan de hand van het orgaan van origine. Een voorvoegsel van adeno- refereert naar een klier. Scirrhous refereert naar type tumoren die de productie van overvloedig collageen stimuleren en carcinoma in situ in de preinvasieve variant van een carcinoma. Sommige tumoren kunnen niet aan de hand van hun uiterlijk beoordeeld worden op de herkomst, ze worden ongedifferentieerde neoplasten genoemd. gemixte tumoren bevatten meerdere cellen van verschillende weefseltypen. Van deze tumoren wordt gedacht dat ze afstammen van een pluri- of totipotente cel. Bij totipotente cellen noemen we het een teratoom of een teracarcinoom. Hamartomas zijn ongeorganiseerde maar normale weefsels op de juiste anatomische locatie. Dit betreft bijvoorbeeld een abnormale proliferatie van bloedvaten . het is waarschijnlijk het resultaat van verkeerde of afwezige differentiatie en geen echte neoplasie en het gedrag is ook geheel goedaardig. Choristomas zijn juist normaal weefsel op een vreemde plek.

Het belangrijkste onderscheid tussen goed en kwaadaardig is dat goedaardige tumoren niet invasief zijn, kwaadaardigen wel. Eveneens metasteren (uitzaaien) goedaardige tumoren niet en kwaadaardige wel. Uiteindelijk kunnen ze beiden dodelijk zijn maar kwaadaardig is gevaarlijker. Als een tumor alleen invasief is en niet metasteert is het toch een kwaadaardige tumor. Het invasieve karakter van een kwaadaardige tumor ligt in de verhoogde motiliteit, verhoogde productie van proteasen, en veranderde adhesiekrachten. 1. Beide bestaan uit sterk prolifererende cellen maar alleen kwaadaardigen kunnen ongelimiteerd delen en zijn onafhankelijk van groeifactoren. Ze kunnen apoptose omzeilen evenals het toxische autoimmuun respons. 2. Kwaadaardige tumoren stimuleren angiogenese, formatie van nieuwe bloedvaten voor voorzieningen. Het is belangrijk dat sommige, niet alle, goedaardige tumoren naar kwaadaardig kunnen uitgroeien en zich dus op een continuüm van deze eigenschappen bevinden.

Differentiatie: Kwaardaardige tumoren zijn minder goed gedifferentieerd dan goedaardigen en dit gaat vaak gepaard met functieverlies en aggresief gedrag. Anaplasie is een term die refereert naar slecht gedifferentieerde cellen. Pleiomorfie refereert naar het aanwezig zijn van verschillende grootte en vorm van cellen. Ook de nucleus kan in vorm, grootte en zelfs aantal verschillen. Anaplastische nuclei zijn vaak hyperchromatisch, donker gekleurd, door een vergroting van DNA inhoud en bevatten vaak prominente nucleoli. Delingsfiguren zijn in alle soorten tumorcellen aanwezig maar duidelijker in kwaadaardige tumoren. Neoplastische cellen hebben vaak een verlies aan karakteristiek cytoplasma en nucelaire eigenschappen. Vele tumorcellen hebben een duidelijk basofylisch karakter als resultaat van de aanwezigheid van veel ribosomen nodig voor celdeling. Normale organisatie van weefsel is verloren. Er is een verlies van gedifferentieerde functie naast het verlies van gediffernetieerde morfologie. Sommige aspecten van normale functie kunnen blijven maar is de meerderheid wordt dit behoudt van functie niet meer normaal gereguleerd. Goedaardige tumoren zijn expansief en verdrukken dus het omliggende weefsel, kwaadaardigen zijn invasief en metastaseren vaak. Veel neoplastische cellen delen sommige eigenschappen met embryonale stamcellen. Sommige cellen ondergaan dedifferentiatie wanneer ze zich tot tumor ontwikkelen. Dit leidt tot de aanwezigheid van meer primitieve karakteristieken. Aan de andere kant kunnen tumoren ook ontstaan uit een kleine populatie stamcellen in het volwassen weefsel. Leukemieën zijn hier een goed voorbeeld van. Proliferatie: Het toenemen van aantal cellen kan voortkomen uit het toenemen van deling of het afnemen van celdood. Een overvloed van stimulatoren of een defect in inhibitoren voor celgroei kunnen leiden tot een oevrmatige celdeling en in het geval van kanker oneindige celdeling. Weefselgroei kan ontstaan uit het verkorten van de cyclus maar veel vaker uit het opnieuw gaan delen van niet-delende cellen. Beide manieren hebben mechanismen nodig die de blokkades overkomen. Differentiatie van cellen heeft eveneens invloed op het prolivererende potentiaal van cellen. Zoals eerder gesteld zijn aanwezige delingsfiguren een indicatie voor kwaadaardigheid. Tumorcellen zijn vaak onsterfelijk en zorgen dus voor een toename in celaantal.veel neoplastische cellen bereiken dit door het herkrijgen van de mogelijkheid tot het vormen van telomerase. veel tumorcellen reageren niet meer op intrinsieke en extrensieke signalen voor celcylcus arrest en hebben geen functionele p53. Een instabiliteit van het genoom is een belangrijk kenmerk van kanker. Hierdoor ontstaan er meer mutaties en het ontstaan van verschillende chromosoom verdelingen: aneuploidie: deel van de normale kopie, polyploidie: teveel van de normale kopie. Als regel is de aanwezigheid van aneuploidie een teken voor de kwaadaardigheid van een tumor. Tumorevolutie: Neoplasie ontstaat als gevolg van meerdere genetische veranderingen cummulatief over een langere tijd. Er kan een model opgesteld worden over de ontwikkeling van een kwaadaardige tumor (meer specifiek een carcinoom) over de tijd. 1. Initiatie: dit bevat de introductie van een onveranderlijke verandering in een gen. Dit kan gebeuren door mutagenen maar ook door gewone mutatie. Deze mutatie is niet voldonede. Tevens moet dit leiden tot een misparing tijdens de DNA replicatie waardoor ook de andere DNA streng veranderd is. Deze moet dan gedeeld worden. Eén ronde van deling is dus noodzakelijk voor fixatie van de genetische verandering. Geinitieerde cellen kunnen er gewoon normaal uit zien en kunnen voor jaren onopgemerkt in het weefsel zitten.

2. Promotie: dit refereert naar de uitgroei van geinitieerde cellen in respons op stimuli. Meeste van deze stimuli drijven de proliferatie aan en worden promotoren genoemd. Deze zijn niet mutageen maar stimuleren de deling na mutatie waarbij de gemuteerde cellen een voordeel hebben boven de normale cellen. Omdat deze promotoren niet mutageen zijn, zijn de effecten vaak ook reversibel . Aan het einde van deze fase ontstaat een goedaardige tumor. 3. Progressie: dit stadium veranderd een goedaardige tumor in een kwaadaardige, en moet dus een irreversibele verandering teweeg brengen. Het is een slecht begrepen proces wat genetische en epigenetische verandeirngen teweeg brengen die selecteert voor meer kwaadaardige klonen van de tumor. Onderdeel hiervan is karyotypische instabiliteit en tumorcel heterogeniteit. Deze heterogenitiet ontstaat vanuit de instabiliteit en refereert naar een progressieve opstapeling van erfelijke veranderingen in tumorcellen. Hierdoor ontstaan tumor subklonen van verschillende cellen waarbij degenen met voordelen blijven voortbestaan (proliferatie, angiogenese, adhesieve eigenschappen, mobiliteit, onafhankelijkheid van signalen etc.) Tumorverspreiding; Metastase is een zeer belangrijke eigenschap voor kwaadaardige tumoren en bestaat uit dat delen van de tumor op een andere locatie plaatsnemen. Kankercellen kunnen metastaseren via: 1. transcoelomisch: via het weefsel, lichaamsholten en oppervlakten. 2. Lymfevaten:de meeste carcinomen verspreiden zich op deze manier en sommige sarcomen kiezen ook deze route. De lymfeklieren die het dichtste bij de tumor liggen worden als eerste binnengevallen en hierin vormen zich de grootste tumorkolonies. 3. Bloedvaten: omdat lymfevaten aan het bloedvatenstelsel gebonden zit is deze onderscheiding iets kunstmatig. Echter, sarcomas gebruiken deze route van spreiding vaker dan carcinomas, en meestal gaat dit via de vene in plaats van de atreriën omdat de bloedvatwanden van slagaderen dikker zijn. Tumorcellen die de aderen binnen komen komen uiteindelijk ook in de longen terecht en van daar uit kunnen ze verder metastaseren. De eerste tekenen zijn dus in de longen.

1.

2.

3.

4.

Metastase is een complex proces en er liggen meerdere mechanismen aan ten grondslag. Het vereist veranderingen in cel-cel adhesie, cel-matrix adhesie, mobiliteit en invasiviteit. Van de vele tumorcellen die in de circulatie komen kunnen slechts een beperkt aantal een werkelijke metastase vormen en aangezien invasiviteit een voorloper is van metastase delen ze beiden een aantal belangrijke eigenschappen: Adhesie: intracellulaire adhesie structuren zoals desmosomen en adherentie juncties moeten worden ontmanteld. In tumorcellen van epitheel origine gebeurd dit door verlies van cadherine functie. Tevens moet er een contact worden gemaakt met ECM componenten via integrine receptoren. Bij tumorcellen vind je deze in verhoogde aantallen over het gehele celoppervlak. Invasie: in goedaardige tumoren blijft het basement membraan vaak in tact maar bij kwaadaardige tumoren penetreren de tumorcellen het weefsel. Tumorcellen maken actief het ECM en basement membraan kapot door verhoogde activiteit van proteasen. Deze verhoogde activiteit bereiken ze door proteasen zelf te maken of goede cellen het voor ze te laten doen. Migratie: de migratie van tumorcellen lijkt gemedieerd door veranderingen in het cytoskelet en cellulaire adhesie structuren. Het wordt eveneens gestimuleerd door autocriene groeifactoren en knipproducten van het ECM zoals collageenfragmenten. Tumor emboli: Eenmaal bij een bloedvat of lymfevat binnengekomen vormen de tumorcellen emboli door met elkaar te associeren. Dit doen ze om te voorkomen dat ze worden aangevallen door lymfocyten en bloedplaatjes. Gek genoeg, wanneer in een emboli beschermen bloedplaatjes de tumorcellen zelfs. De locatie waar de tumorcellen uit de bloedbaan of lymfebaan gaan wordt bepaald door het patroon van doorstroming van deze vaten door de oorspronkelijke tumor en de mogelijkheid van de tumorcellen op

die locatie te interacteren met adhesiemoleculen op het oppervlak van endoheelcellen. Tot slot moet de omgeving ook genoeg bieden voor extra celgroei. Een grote variëteit aan genetische veranderingen dragen bij aan de mogelijkheden tot metastase van een tumorcel en is waarschijnlijk een optelsom van alle mutaties. Een enkele genetesiche verandering is onwaarschijnlijk tot een metasterende tumor te leiden. Wel zjin er een paar genen geïdentificeerd die een belangrijke rol spelen. Tumor Stroma: Een tumor bestaat uit tumorcellen (de eigenlijke tumor)en niet neoplastische ondersteunende structuren, stroma. Het stroma bevat de bloedvaten die de tumor voorzien van voedingsstoffen, fibroblasten en een aantal ontstekings- en immuuncellen. In epitheeltumoren wordt het extracellulaire onderdeel door andere niet neoplastische mesenchymcellen geproduceerd, terwijl de meeste mesenchymale tumoren dit zelf kunnen. Tumorcellen interacteren met hun stroma op complexe wijze waarbij ze een groot aantal signaal moleculen gebruiken. Een belangrijke functie hiervan is onder andere het op touw zetten van angiogenese wat noodzakelijk is voor tumor overleving. Dit doen ze door bepaalde factoren te produceren die dit als gevolg hebben. De gevormde bloedvaten voor tumoren zijn over het algemeen meer verwijd, kronkeliger en meer permeabel dan normale vaten. Dit maakt het uiteraard weer makkelijker voor uitzaaiingen. Eveneens dienen de bloedvaten de functie tot het vormen van meer collageen voor het stroma en het produceren van groeifactoren door de bloedvaten. Lymfangiogenese deelt ongeveer dezelfde eigenschappen als die voor bloedvaten. Ook deze blijken noodzakelijk voor metastase van solide tumoren in de bijgelegen lymfeklieren. Onstekingscellen worden door de tumor aangetrokken door chemokinen en cytokinen die door de tumorcellen zelf worden vrijgelaten of door cellen die de tumor binnendringen. De ontstekingsreactie beschermt echter niet tegen de tumor. Sterker nog, veel chronische ontstekings condities verhogen het risico op kanker in de aangetroffen organen. Systemische effecten op de gasheer: Expansieve tumoren kunnen het omliggende weefsel verdrukken wat uiteindelijk in atrofie en necrose kan vormen. Dit kan met name in de hersenen een groot probleem vormen, welke door de schedel maar beperkt kan uitbreiden. Tumor invasie in holle organen zoals de maag kunnen leiden tot rupturen van het orgaan. Ze kunnen bloedvaten laten scheuren leidend tot directe hemorrhagie maar eveneens kunnen bloedverstopping veroorzaakt worden wat leidt tot infarcten. Als toevoeging op de directe effecten zijn er ook een tal van klinische tekenen die we paraneoplastische symptomen genoemd worden. Deze symptomen worden veroorzaakt door de tumorcell producten in plaats van de tumor of de metastase zelf. Herkenning van deze symptomen is belangrijk voor een aantal symptomen: 1. Ze kunnen vroeg in de tumor ontwikkeling voorkomen en helpen bij de vroege diagnose. 2. Behandeling van de paraneoplastische symptomen kan nodig zijn bij een effectieve behandeling. 3. De ernst van de symptomen reflecteren de tumorlast. Cachexie is de vermindering in lichaamsgewicht als gevolg van vet en spierafbraak. Dit is anders dan gewoon vasten omdat dan vet voornamelijk eerst afgebroken wordt. Eveneens wordt de verandeirng in metabolisme normaal gecompenseerd door het langzamer laten gaan van het metabolisme wat niet bij kankercellen wordt gezien. Tot slot verhelpt het eten van extra calorieën niet de cachexie. Endocrinepathieën is het probleem wat we zien bij endocriene klieren met kanker. Hierin wordt de afgifte (bijvoorbeeld hormoon) niet meer gereguleerd en is er een overmaat van hormoonafgifte. Over

het algemeen is er wel één soort cel in die klier neoplastisch waardoor slechts de afgifte van één hormoon niet goed gaat. Het geproduceerde hormoon kan hetzelfde of anders zijn dan het hormoon van oorsprong. Hypercalcemie (teveel calcium) en hypoglycemie (te veel insuline) zijn het meest geassocieerd met kanker in klieren. Hypertrofische osteopathy kan ontstaan waarbij er verlamming of verminderde gevoeligheid in de skeletspieren kan optreden. Ook kankersoorten die niet inhematopoietisch zijn kunnen problemen in het systeem veroorzaken. Het is waarschijnlijk dat de rondcirkelende cytokinesen hier een rol in spelen. Het zenuwstelsel kan te lijden hebben onder kanker zowel in het perifere gebied als centraal. Myastemia gravis is een onvermogen van een zenuw om te reageren op het punt van zenuw-spierjuncties. Veel neurologische paraneoplastische symptomen worden door het imuunsysteem veroorzaakt. Huidproblemen zien we niet zo veel terug. En er zijn nog een tal van onduidelijke symptomen, zoals maagzuurproducerende tumoren, mestcel tumoren die allerlei biologische mediatoren produceren. Genetica en kanker: Gen conversie is een mechanisme wat ook in gezonde organismen wordt gebruikt. Het duidt op het proces waarbij een gen wortd vervangen door een gen wat er op lijkt maar niet identiek is. Zo kunnen verschillende antilichamen worden gemaakt. Dit zijn wel enkele streng breaks. Dubbele streng breaks leiden over het algemeen tot grote chromosomale abnormaliteiten. De karyotypen van tumorcellen zijn vaak heel erg abnormaal door verschillen in chromosoom aantal en configuratie. Wanneer de genetsiche instabiliteit heel groot is kan elke cel in een tumor een ander karyotype hebben. Het type genetsiche veranderingen in kankercellen kan een enkel chromosoom treffen of juist een heleboel chromosomen. De term monosomy en trisomy worden voor het respectievelijk aanwezig zijn van 1 en 3 chromosomen van een soort gebruikt, terwijl dit er nogmaal natuurlijk slechts 2 horen te zijn. Dit noemen we aneuploiditeit. Translocaties gebeuren wanneer de reactie op DNA schade in de cel verkeerd gereguleerd is en gebeurt vaak bij kanker. naast het aanwezig zijn van een verkeerd chromosomen aantal zijn er natuurlijk ook mutaties bij kanker en het verlies van DNA in een chromosoom (deletions). Vaak gebeuren grotere stukken van deze deletiopns op de delen van een chromosoom die de informatie voopr tumor suppressor genen bevat. Genomische amplificaties kunnen er zelfs voor zorgen dat er meerdere DNA strengen worden gevormd. Naast deze genetsiche mechanismen zijn er ook nog epigenetische mechanismen. Dit zijn de erfelijke eigenschappen van een cel die genexpressie beïnvloeden. Hierdoor kunnen genen juist wel of niet tot expressie worden gebracht en deze eigenschappen worden ook overgedragen op de dochtercellen. Omdat deze epigenetische invloeden met farmacotherapeutica beïnvloed kunnen worden zijn ze aantrekkelijk voor kankertherapiën. Er zijn verschillende mogelijke epigenetische veranderingen. DNA methylatie is het proces waarbij extra methylgroepen aan cytosinen worden gebonden en deze zijn noodzakelijk voor normale gen expressie. Van dit mechanisme kan gebruik gemaakt worden om bepaalde genen wel of niet tot expressie te laten komen en dit is ook wat tumorcellen kunnen gebruiken. Over het algemeen leidt methyylatie van een gen tot het niet expressieve karakter en hypomethylatie leidt dus ook tot meer genexpressie. Deze methylatiepromotoren zijn in elke kankersorot teruggevonden. Imprinten is een proces waarbij alleen het vaderlijke of juist moederlijke allel tot expressie wordt gebracht aan de hand van methylatie. Deze eigenschap wordt soms verloren in kanker waardoor er een dubbele dosis van genproducten kan ontstaan, warabij het met name om groei promoterende factoren gaat. Histon modificatie duidt op het tweede type van expressie regulatie waarbij DNA om histonen worden geownden om chromatine te vormen. Dit leidt uiteindelijk tot het verschil in euchromatine en heterochromoatine wat verschillende neigingen tot gen expressie betreft. In kanker is meer euchromatine dus een ontspannen chromatine configuratie en meer transcriptie van genen.

1. 2. 3. 4.

Kanker etiologie: De mutaties voor kanker kunnen erfelijk (germline) of somatisch zijn. Wanneer de mutaties erfelijk zijn kunnen familiale kanker syndromen ontstaan. Ondanks dat slechts 10% van de kankersoorten op deze manier ontstaan heeft het onderzoek ernaar geleidt tot vaststelling van een aantal belangrijke suppressorgenen die bij spoaradische tumoren eveneens een rol kunnen spelen. Somatische factoren spelen bij de meerderheid van kanker een rol en kunnen zowel intrinsiek als extrensiek zijn. Intrinsieke factoren kunnen bijproducten van normaal metabolisme zijn, zoals radioactieve zuurstofsoorten. DNA is gevoelig voor een hydrolytische aanval. Mutaties komen voor bij heel veel ronden van deling als gevolg van DNA polymerase fouten en chromosomale abnormaliteiten kunnen voorkomen als gevolg van vermindering in telomeer lengte, veranderde telomerase activiteit en verkeerde chromosoomscheiding. Extrensieke factoren zijn voornamelijk mutagenen, factoren die DNA scahde veroorzaken. De soorten mutagenen die kanker veroorzaken worden ook wel carcinogenen genoemd. veel mutagenen zijn ook carcinogenen. Onder carcinogenen verstaan we: chemicaliën, straling en oncogene virussen (papilloma virus voor huidkanker). Er zijn verschillende mechanismen waarop deze carcinogenen DNA schade veroorzaken. Van de chemicaliën veroorzaken sommigen directe DNA scahde, maar de meeste, procarcinogenen, moeten eerst door metabolitische enzymen worden geactiveerd alvorens ze schade veroorzaken, ze werken dus indirect. Ondanks de verschillen onder carcinogenen hebben de meesten een elektrofiliisch component welke covalent aan DNA bindt en op die manier DNA schade veroorzaken. Anders dan chemicaliën zijn alle vormen van radiatie direct carcinogeen. Virussen hebben DNA nodig voor hun eigen replicatie maar ze hebben een aantal belangrijke mechanismen waarop ze kanker veroorzaken. Dominanten oncogenen: de genomen van veel snel transformerende virussen bevatten oncogenen die tumorcel ontwikkeling bevorderen. Insertionele mutagenen: virussen die heen eigen oncogenen bevatten kunnen expressie van oncogenen activeren. Sommige virussen die blijven niet continu in de cellen en kunnen kanker veroorzaken door een tijdelijk bezoek. De mechanismen zijn onbekend. Virussen kunnen ook het imuunsysteem van de gastheer onderdrukken of cel proliferatie stimuleren.

Moleculaire determinanten van kanker: Er zijn veel genen bekend die betrokken zijn bij tumoren. Deze hebben allemaal invloed op de proliferatie, apoptose, cecyclus, DNA herstel en andere fundamentele paden. 1. Tumor supressoren(rem van de celcyclus): Knudson’s twee hit hypothese stelt dat beide allelen gemuteerd moeten zijn om kanker te ontwikkelen, hoewel nu ook duidelijk is dat verlies van een gezond allel het gemuteerde allel vrij baan kan geven. Wanneer men naar verschillende patiënten van kankersoorten kijkt is er een gebied op te stellen dat minimaal verloren moet gaan om die kanker te ontwikkelen. Naast mechanismen om het goede allel kwijt te raken of te muteren kunnen ze natuurlijk ook met de eerder besproken methylering onderdrukt worden. Naast p53 is er een ander belangrijk tumor suppressor gen, retinoblastoma gen. Dit is het zogenaamd Rb producerend gen, welke invloed heeft op de G1-S transmissie in de celcyclus. Een defect leidt dus tot ongereguleerd vervolg in de celcyclus.

Recent is eveneens aangetoont dat voor sommige gene 1 gemuteerd allel voldoende is om tumor groei te veroorzaken, haploinsufficiënt). Dit kan bijvoorbeeld voorkomen als een vermindering naar de helft van het normale genproduct voldoende is om een normale homeastatische balans te verstoren. Tevens kan een gemuteerd allel een eiwit maken die het product van het goede allel inhibeerd. Een laatste mogelijkheid is dat de vermindering in hoeveelheid eiwit zodanig is dat andere metabole paden worden geschaad. 2. Oncogenen(gaspedaal van de celcyclus): oncogenen zijn normale onderdelen van de cel die kunnen muteren en op die manier gevaar opleveren bijvoorbeeld continue activatie van een oncogen waarbij deze ongevoelig wordt voor inhiberende signalen. RAS is een voorbeeld van een oncogen dat in veel tumoren constant geactiveerd is door defecten van GTPase. 3. Defecten in DNA herstel: dit is ook een belangrijke oorzaak van mutaties en genomsiche instabiliteit. Dieren en kanker: Dierlijke modellen van kanker zijn zeer belangrijk en kunnen experimenteel geïnduceerd worden, vooral bij muizen, of gebaseerd op natuurlijk voorkomende kanker, vooral bij honden. Beide methoden hebben nuttige kanten maar ook nadelen. Het lijkt mij niet dat we hier naar gevraagd worden op het tentamen maar ze zijn allemaal heel logisch. Ze hebben allemaal te maken met levensduur van het dier, kosten, vergelijkbaarheid met mensen etc. Voor wie wil, blz. 294-295 van McGavin. Definitieve diagnose van kanker is over het algemeen op basis van histologie. Speciale kleuringstechnieken kunnen hierbij helpen en het type van intermediaire filamenten kunnen bepalen of de cel van epitheel of mesencymale origine is. Ondanks dat alle cellen in een tumor verschillend kunnen zien stammen ze uiteindelijk af van één tumorstamcel. De clonaliteit van de tumor is essentieel voor het vaststellen van de kwaadaardigheid in lymfetumoren vergeleken met hyperplasie. Clonaliteit vaststellen kan helpen in de diagnose. Andersom echter kan dit neit, het aanwezig zijn van een klonale populatie betekent niet direct een kwaadaardige tumor. Cytogene analyse kan handig zijn bij de diagnose. Hierbij wordt gekeken naar de globale gen expressie. Verder onderzoek kan leiden tot toekomstige biomarkers die de diagnose enorm vergemakkelijken. Eveneens kan op deze manier erfelijk genen worden vastgesteld die een rol spelen bij kanker. Tumoren kunnen een cijfer krijgen om een indicatie te geven over de gelijkheid tussen de neoplastsiche cellen en de normale cellen van die soort. Dit zou een indicatie kunnen geven over het gedrag van de cellen. Een andere zinvolle parameter is bijvoorbeeld het tumor stadium. Alle schema’s om een waarde toe te kennen aan de tumoren gebruiken uiteindelijk wel de mate van differentiatie van tumorcellen, de delingssnelheid, de mate van necrose, locatie van invasiviteit en algehele cellulariteit. Het meest gebruikte systeem is het TNM systeem, welke gebaseerd is op de grootte van de tumor (T;0-4), de mate van lymfeklier betrokkenheid (N; 0-3) en de mate van metastase (M; 0-2). Tot slot kunnen de randen van de uitgesneden tumoren onder de microscoop gelegd worden om te onderzoeken of de tumor volledig is weggehaald. Dit kan een snellere procedure op gang brengen voor een eventuele extra behandeling. College 11 en 12 (McGavin H3 p. 101-117; H4 p. 153-157) de 5 symptomen van acute ontsteking zijn rubor (rood), tumor (zwelling), dolor (pijn) , calor (warmte) en functieverlies. Acute ontsteking is de uitgelokte reactie op een stimulus die in alle bloedvatbevattend weefsel kan treffen. Het heeft een korte duur (paar uren tot dagen) en de prinicpele karakteristieken zijn microvasculaire exsudatie van vloeistof, elektrolyten en plasma eiwitten, alsmede de emigratie van leukocyten (neutrofielen) gevolgd door snel hersteld en heling.

1. 2.

3. 4.

5.

6.

7.

Aan een ontstekingsreactie zijn zowel voor als nadelen te vinden. De voordelen zijn: het verdunnen of inactiveren van biologische en chemische toxinen; het doden van microben en neoplastische cellen; het voorzien van wondgenezings factoren; het afbreken van lichaamsvreemd materiaal; het voorkomen van bewegingen in spieren en gewrichten welke tijd bieden voor herstel en heling. Nadelen zijn echter: pijn, langere ontsteking schaadt het eigen lichaam; [...] Een acute ontstekingsreactie is gewoonlijk in te delen in 3 fasen (vloeibare, cellulaire en reparatieve fase). Hier zal ik later nog op terug komen. Een algemeen overzicht van de onsteking is als volgt: Chemische mediatoren zorgen voor verwijdingen in slagaderen en haarvaten, wat de roodheid en warmte in het getroffen weefsel verklaard. Een reactie hierop zien we als een actieve hyperemie. Dat wil zeggen dat er een verhoogde bloedstroom is naar het getroffen weefse door de verwijde vatenl. (officieel is er eerst een zere kortstondige blokkade van bloedstroom om overtollig bloedverlies te voorkomen). Actieve hyperemie wordt snel opgevolgd door veranderingen in juncties tussen de endotheelcellen van de vaten waardoor deze verder openen. Plasma eiwitten en plasma zelf kunnen lekken naar het extracellulaire wat voor zwelling en pijn kan zorgen. Uiterraard lekt eerst het plasma en pas na verdere verwijding ook de eiwitten. Het lekken van deze stoffen gebeurd met name in de postcapillaire aderen.Wanneer er zo’n grote schade is dat hele endotheelcellen beschadigd zijn kunnen bloedingen ontstaan (hemorrhage). Wanneer de schade beperkt is verzamelen zich in eerste instantie in het extracellulaire weefsel alleen water en elektrolyten, welke hier een transudaat vormen. Dit is een vloeistof vrij van grotere eiwitten en cellulaire componenten. Wanneer met de tijd neutrofielen en grotere eiwitten de kans krijgen om in het extracellulaire terecht te komen spreken we over een exsudaat. In dit exsudaat zien we een belangrijke component, fibrine, welke ontstaat wanneer het fibrinogeen polymeriseerd in extravasculair weefsel. In plaats van de indringer te verdunnen, zoals plasma doet, zorgt het voor het isoleren van de stimulus en het beperken van de bewegingsvrijheid. Dit netwerk wat dan ontsaat dient ook als een duidelijk target punt voor leukocyten (neutrofielen) voor migratie. Fibrine ook de chemotactische eigenschappen voorzorgen en de vorming van bloedpropjes. tot slot dient fibrine als het framework voor de eerste stadia van wondheling. Neutrofielen zijn de eerste leukocyten die het exsudaat binnen dringen. Ze kunnen pathogenen vermoorden en vreemd materiaal afbreken met behulp van zowel fagocytose als het uitscheiden van de inhoudt van granulen in het weefsel. Dit laatste mechanisme kan veel schade toebrengen aan het weefsel en kan dus de beschadiging van het weefsel vergroten en gevaarlijk zijn bij te lang durende onstekingsreacties. Vreemde lichamen en pathogenen scheiden zogeheten chemoattractanten uit in het exsudaat. De concentratie is het hoogte vlak bij de indringer en neemt af naar mate de afstand groter wordt. Dit leidt tot een chemotactisch gradiënt dat een pad creeërt voor de leukocyten hun weg te vinden en met name neutrofielen. Deze neutrofielen komen terecht bij de indirnger door beweging, aanhechting, migratie door de juncties en migratie in het exsudaat. Hoe dit precies werkt kom ik later op terug, maar in totaal heet het de leukocyte adhesie cascade. De reparerende fase van de ontstekingsreactie begint vroeg en wordt pas afgemaakt nadat de door stimulus veroorzaakte beschadiging is opgeslost. Tijdens deze fase worden necrotische cellen en weefsels vervangen door differentiatie en regeneratie van epitheel en mesenchymale stamcellen; de locatie op te vullen met bindweefsel (littekenvorming) en het oppervlakte te bekleden met een nieuwe epitheellaag. (reepithalisatie).

• • • •

Stimuli die een directe ontstekingsreactie als gevolg kunnen hebben zijn er in verscheidene vormen en maten. Heel breed zijn ze onder te verdelen in endogene en exogene stimuli. Endogene stimuli zijn die stimuli die van binnen uit het lichaam komen en een autoreactieve ontsteking als gevolg hebben. Hier kunnen we onder vestaan: nieuw ontwikkelde antigenen van degenaratief, dysplastisch of neoplastiscch weefsel en overgevoleigheidsreacties. Exogene stimuli komen uit de omgeving van een organisme en kunnen microben zijn (virussen, bacterieën, protozoa, metazoa); vreemde lichamen (plantenresten, splinters); mechanische stimuli (trauma, hamer); fysieke stimuli (straling, hitte, bevriezing)chemische stimuli (gifstoffen) en voedingsstimuli (ischeamie en vitamine deficiciëntie). Kortom, een hele hoop! De reactie op zowel endogene als exogene stimuli begint met een aangeboren immuunreactie die nietspecifiek is voor een bepaald soort stimulustype. Dit immuunsysteem tegen de indringers bevat de volgende componenten: Fysieke barrières en micro-omgevingen: huid, maagzuur, slijmoppervlakten etc. Moleculaire producten afgegeven door slijmepitheel: eiwitten die schadelijk voor de indringer zijn Voorgevormde en gesynthetiseerde chemische mediatoren van effector cellen (mestcellen, leukocyten en macrofagen) in het bindweefsel van deze barrières. Effector moleculen in het bloed. Om binnen te dringen, het onderliggende weefsel te irriteren en een acute ontstekingsreactie op touw te zetten moeten de stimuli de epitheellagen van de huid en andere oppervlakten binnendringen of kapot maken. Zodra microben deze weefsel binnendringen lokken ze direct weefsel macrofagen tegen en andere leukocyten die hun op willen ruimen of vermoorden. De microben worden herkend door bepaalde membraan-patroon receptoren en in reactie hierop worden door deze cellen chemokinen en cytokinen vrijgelaten, samen met andere cellualaire activiteit, welke allemaal een acute ontstekingsreactie uitlokken. Omdat acute ontsteking een vasocentrische respons is, is het redelijk dat deze door ongeveer elke denkbare stimulus kan worden uitgelokt. In de realiteit is dit waar, maar omdat het ontstekingsmechanisme een aantal belangrijke checkpunten worden schadelijke effecten van overdreven ontstekingsreacties beperkt. De effecten van onstekingsinducerende stimuli worden gereguleerd via een groep moleculen, de ontstekingsmediatoren, zoals mestcellen.

Nu zal ik wat verder in gaan op de specifieke stappen en details van de acute ontstekingsreactie. Exsudatieve fase: Fysiologisch gezien kan een grotere hoeveelheid vloeistof uit de vasculairen treden wanneer er een extreme hydrostatische druk is door verhoogde druk of natrium retentie; er minder plasma eiwitten zijn waardoor de colloïd osmotischedruk verlaagt; of wanneer er sprake is van lymfatische of venale opstopping. Wanneer er geen sprake is van deze voorwaarden en de cellen normaal functioneren dan is het kleine beetje vloeistof wat gewoonlijk ook wordt vrijgelaten door de slagaderen weer teruggehaald in de aderen na het passeren van de haarvaten. Dit terughalen van de vloeistof gebeurd op paracellulaire wijze , dus tussen de cellen door. Tijdens de acute ontstekingsfase is een netto uitwaartse beweging van vloeistof in zowel de slagaderen, haarvaten als de aderen. Het doel van deze reactie is het verdunnen en lokaliseren van de stimulus. En de volgorde van deze reactie is: 1. Verhoogde bloedtoevoer naar plaats van injurie door verwijding van slagaderen en haarvaten. 2. Verhoogde permeabiliteit van haarvaten en aderen voor plasmaeiwitten en leukocyten. Dit wordt geïnduceerd door onstekingsmediatoren. Door de verhoogde permeabiliteit van de vaatwand lekt er meer water waardoor het plasma gehalte van het bloed toe neemt (het bloed wordt dus iets dikker). Hierdoor neemt de stroomsnelheid van het bloed af. Microscopisch is ook een ‘packing’ van rode bloedcellen in deze vaten te zien door de verdikking.

3. Emigratie van leukocyten in het exsudaat. De verminderde stroomsnelheid van het bloed verzorgd de kans vor leukocyten om aan te hechten aan het luminale oppervlak van de vaatwand. Het transport over de endotheellaag kan via transcytose (transcellulair) of via paracellulaire doorgang (tussen de cellen door).

1.

2. 3.

4.

1. 2. 3.

4.

5.

6.

Het lekken van vloeistof kan met behulp van verschillende mechanismen gebeuren. Dit gaat dus niet om de oorzaken zoals boven beschreven maar de manieren waarop. Openen van juncties tussen de epitheelcellen. Dit kan komen door samentrekking van naast elkaar liggende epitheelcellen en door reorganisatie van microtubuli en microfilamenten. Het samentrekken van de epitheelcellen gebeurt in de postcapillaire aderen omdat daar de concentratie van bepaalde receptoren is. Het herorganiseren van het cytoskelet gebeurt ook hier en in mindere maten in de haarvaten. Directe schade dat resulteert in necrose en loslaten van endotheelcellen van het basement membraan waardoor gaten ontstaan. Leukocyte afhankelijke schade dat ook tot necrose en loslaten van endotheelcellen leidt. Enzymen en mediatoren die door de leukocyten worden vrijgelaten tijdens de leukocyte adhesie cascade spelen hier een belangrijke rol in. Dit type vindt vaak plaats in de haarvaten en de aderen na de haarvaten. Verhoogde celtranscytose. Cellulaire fase: De principiele functie van deze fase is het bezorgen van leukocyten in het exsudaat zodat de stimuli kunnen worden gedood, verteerd en opgeruimd. Tijdens de vloeibare fase van de ontstekingsreactie wordt de leukocyte adhesie cascade al op touw gezet en wordt gedreven door cytokinen, chemoattracten en chemokinen. Het bestaat uit een aantal stappen: Marginatie: de leukocyten krijgen de kans aan de epitheelcellen aan te hechten. Wanneer er op deze manier een lijn van leukocyten aan de luminale zijde van het vat ontstaat heet dit pavementing. Tetering: de leukocyten binden nu werkelijk aan het oppervlakte van de epitheelcellen. Dit doen ze door kortstondig te binden en weer los te laten, waardoor de bewegingssnelheid van de leukocyten afneemt. Rollen: door L- & P-selectieve aanhechtingblijven de leukocyten continu in contact met de celwand. Door de druk van bloedstroom beginnen de leukocyten aangehecht over het epitheeloppervlakte te rollen. Het rollen vertraagd dan steeds meer waardoor de endotheelcellen in contact komen met proontstekings cytokinen. Strakke adhesie: door het steeds meer vertragen van de beweging ontstaat er uiteindelijk een stadium waarin de leukocyten vast liggen aan het endotheel. Zowel de neutrofielen en de endotheelcellen zijn nu volledig geactiveerd door cytokinen en andere ontstekingsmediatoren. Transmigratie/emigratie:de leukocyten krijgen nu de kans om werkelijk uit het bloedvat te migreren wanneer een exogene chemoattractant in het exsudaat aanwezig is. Dit doen ze door tussen de cellen op de intercellulaire juncties te gaan, (transendotheel). Migratie: de vrijgekomen leukocyten migreren nu naar de lokatie met het hoogste chemoattractante gradiënt. Zoals bijna bij elk systeem in het lichaam kunnen ook in dit mechanisme dingen kapot gaan. Op een van de bovengenoemde stappen kan er een deficiëntie voorkomen. Hierdoor kunnen de leukocyten niet adequaat naar de plaats van infectie migreren. Er zijn een groot aantal ziekten hierbij te noemen maar ik voel me niet geroepen dit te doen (waarschijnlijk ook niet nodig). Het voorkomen van leukocyte infiltratie kan wel helpen bij de voorkoming van ziekten als gevolg van onterechte ontstekingsreacties.

Ook de Cadherinen die zorgen voor cel-cel adhesie spelen een belangrijke rol bij het ingeboren immuunsysteem en weefsel herstel. Hoe ze dit doen wordt niet verder uitgelegd.

1. a. b. c. d. e. 2. 3. 4.

-

-

Nadat er een acute ontstekingsreactie is vastgesteld zijn er 4 belangrijke uitkomsten hierna mogelijk welke bepaald worden door de ernst van de ontseking en weefselschade, de mogelijkheid van cellen om te regeneren en de biologische eigenschappen van de stimulus: De ontsteking wordt opgelost en normale functie en structuur wordt hersteld. Dit kan gebeuren zolang: De acute ontstekingsreactie in de goede volgorde is doorgenomen Macrofagen en lyfevaten het exsudaat hebben kunnen verwijderen De indringende stimulus verwijderd wordt Het stroma (bindweefsel) van het aangetaste weefsel intact is en ondersteuning kan bieden voor de regeneratie Beschadigde en afgestorven epitheelcellen kunnen worden vervangen door bijgelegen epitheelcellen op een intact basement membraan. Genezing door Fibrose (littekenvorming) Abces vorming: inkapseling van exsudaat en/of stimulus door bindweefsel. Progressie naar chronische ontsteking. chronische ontsteking is een reactie van lange duur (weken, maanden, jaren) waarbij acute ontsteking, weefselbeschadiging en weefselherstel allemaal tegelijkertijd optreden. Het ontstaat wanneer de acute ontsetking faalt in het opruimen van de stimulus; er herhaaldelijke periodes van acute ontsteking optreden of in reactie op unieke biochemische factoren en virussen. Er zijn verschillende mechanismen die ten grondslag liggen aan een acute ontsteking Persistentie: persistente infecties kunnen fagocytose van neutrofielen en macrofagen, of eenmaal in de cellen fusie met de lysosomen weerstaan of voorkomen. Dit soort stimuli veroorzaken over het algemeen geen enorme weefselschade maar hun aanwezigheid zorgt voor een continue ontstekings- en immuunreactie. Weefselschade, granulomateuze ontsteking en fibrose zijn wel logische gevolgen hiervan. Isolatie: sommige microben zijn in staat om zichzelf te isoleren van efefctieve aangeboren immuunreacties. Dit kan bijvoorbeeld door zichzelf te verstoppen in pus. Niet-responsief: sommige lichaamsvreemde stoffen zijn haast onvernietigbaar. Auto-immuniteit en leukocyte defecten: veranderingen in de regulatie van adaptieve immuunreacties tegen eigen gemaakte antigenen kunnen leiden tot auto-immuunziekten. Ongeidentificeerde mechanismen: hierbij weten we niet wat de oorzaak is. Wanneer de chronische ontstekingsreactie verder ontwikkeld wordt dus een acute ontstekingsreactie opgewekt, weefselschade geïnduceerd, proliferatie van fibroblasten en depositie van collageen, angiogenese én initiatie van wondgenezing terug gevonden. Ook aan de chronische ontsteking zijn voor en nadelen te noemen. Wanneer de stimulus niet opgeruimd kan worden door de acute ontsteking kan deze wel afgeschermd worden door collageen producerende fibroblasten. Dit kan een voordeel hebben omdat hiermee de schade aan het weefsel beperkt wordt en overtijd kan dit leiden tot een compleet fucntieherstel van het organisme. Aan de andere kant kan chronische ontsteking ontzettend schadelijk zijn. Het kan het functioneren van omliggend weefsel en cellen beïnvloeden en op die wijze een compleet orgaan schaden. De schade die ontstaat hangt af van de locatie en de betrokkenheid van weefsel. Bij chronische ontsteking bevat de behandeling in de eerste plaats natuurlijk het verwijderende van de uitlokkende stimulus wanneer dit mogelijk is. Hier kan je denken aan een operatie of splinterverwijdering maar natuurlijk ook antibiotica.

De progressie van een acute ontsteking naar een chronisch ontsteking is uiteraard ook in stappen op te delen. De progressie gebeurt in de eerste stap uiteraard wanneer de acute ontstekingsreactie faalt. Naast het niet kunnen verwijderen van de stimulus kun je hier ook denken aan excessieve weefselschade en necrose (extreme brandwonden), een verandering in cellulaire elementen van de neutrofielen naar de lymfocyten, macrofagen en soms enorme reuzecellen, of extreme bindweefselvorming als gevolg van fibrose. Anders dan meteen chronisch ontsteken kan een weefsel ook ‘genezen worden’ door fibrose. Wanneer cellen niet normaal vervangen kunnen worden zullen de ontstane lege ruimten opgevult kunnen worden met fibrovasculair weefsel (granulatie weefsel). Uiteindelijk wordt dit weefsel door bindweefsel vervangen, waarvan dez eerst weinig en daarna veel collageen bevat. Een litteken wordt gevormd. Structureel kan het weefsel behouden worden maar functioneel is afhankelijk van het verlies aan epitheelcellen. Een andere uitkomst is abcesformatie wat gebeurd als de stimulus niet verwijderd kan worden. In dit geval wordt de stimulus wel verdund door pusvorming. Er zijn twee soorten abcessen: 1. Septische abcessen: deze komen voornamelijk voort uit bacterie infecties.deze hebben dus ook antibiotica nodig om afgebroken te worden. 2. Steriele abcessen: komen voornamelijk voort uit niet geheel afgebroken vreemde lichamen of door het falen van geinjecteerde medicijnen om volledig opgenomen te worden. Hebben geen antibiotica nodig maar moeten wel op andere wijze afgebroken worden om systemische gevolgen te voorkomen. De pus die in een abces wordt terug gevonden kan variëren van sereus tot purulent en ook van wit tot groen. De kleur hangt af van het geproduceerde pigment door de bacterieën. College 13 en 14 (alberts H18, vanaf p. 625; McGavin: p. 1 t/m 59; 65-73;140-144;163-165) Zodra cellen niet langer nodig zijn in een lichaam plegen ze zelfmoord door een intracellulair programma te activeren, daardoor heet dit geprogrammeerde celdood of ook apoptose. Waarom dit gebeurd zijn meerdere redenen voor (vormen vingers uit een klomp, verlies staart kikkervisjes en reguleren celaantal). In volwassen cellen balanceren de poliferatie en apoptose van cellen precies. Wanneer een cel door schade doodgaat spreken we van necrose en wordt alle inhoudt in het omringende weefsel vrijgelaten. In apoptose gebeurd dit niet. Een cel in apoptose krimpt en condesneert, het cytoskelet stort in, de nucleaire envelop lost op in kleinere blaasjes en het DNA breekt in fragmenten. Het belangrijkste is dat de celoppervlakte structuur zodanig wordt aangepast dat fagocyterende cellen en met name macrofagen, de cellen komen aanvallen en opeten. Dit gebeurt voordat de inhoud van de cel vrijelijk in het weefsel terecht komt en het weefsel kan beschadigen. Apoptose wordt uitgevoerd door een familie van proteasen, de caspases genoemd. Deze eiwitten worden eerst als inactieve precursors, procaspases, gemaakt en worden dan pas geactiveerd door proteolytisch knippen in reactie op signalen die apoptose induceren. De geactiveerde caspasen kunnen op hun beurt ook knippen en zo andere precursors activeren. Dit resulteert in een steeds groter wordende reactie amplifying proteolytic cascade. Caspases kunnen eveneens andere eiwitten knippen (bijvoorbeeld de laminen in de nucleaire lamina). Op deze wijze wordt de cel zelf snel ontmanteld en het overblijfsel wordt snel gegeten door andere cellen. Activatie van het apoptotische programma gebeurd wordt meestal gedaan op een alles-of-niets wijze. Het proteolytisch cascade is niet alles destructief en opbouwens maar tevens irreversibel. Wanneer een cel eenmaal begint zal deze niet terug kunnen, dus de beslissing tot apoptose is strikt gereguleerd.

Alle dierlijke cellen met een nucleus bevatten een eigen mechanisme die dienen tot zelf destrcutie. In alle nuclei liggen procaspasen te wachten op een signaal om zelfmoord uit te voeren. De caspase activiteit is dus met name gereguleerd. De voornaamste eiwitten die de activatie van procaspases reguleren behoren tot de Bcl-2 familie en zijn intracellulair. Sommigen promoten procaspase activatie, andere onderdrukken deze juist. Twee van de belangrijkste promotende eiwitten zijn bax en bak. Deze activeren beide procaspase indirect door het laten vrijkomen van cytochrome-c uit de mitochondria in het cytosol. Dit cytochrome-c bindt aan een adapter eiwit welke dan een specifiek procaspase activeert. Dit leidt op zijn beurt weer tot het caspase cascade en celdood. Bax en Bak zijn op hun beurt ook weer geactiveert door andere eiwitten, tevens leden van de Bcl-2 familie, welke geproduceerd wordend na beschadigingen aan de cel zoals DNA schade. Andere leden van de Bcl-2 familie, waaronder Bcl-2 zelf, inhiberen juist de celdood. Een manier is het blokkeren van de Bax en Bak eiwitten. Andersom kan dit ook, apoptose promoterende eiwitten kunnen Bcl-2 weer blokkeren. Tot slot wordt de celdood ook gereguleerd door signalen van andere cellen, welke apoptose kunnen inhiberen of juist activeren.

1. 2.

3.

4.

Orgaan en lichaamsgrootte wordt bepaald door 3 fundamentele processen: celdood, celgroei en celdeling. Al deze processen worden door signalen van andere cellen en intrinsieke signalen gereguleerd. De meeste extracellulaire signalen zijn kleine oplosbare eiwitten die door andere cellen worden uitgescheden en kunnen onderverdeeld worden in verschillende klassen, hoewel de meeste signaalmoleculen meerdere functies kunnen vervullen. voedingsstoffen. Deze zijn essentieel voor de cel en moeten dus aanwezig zijn voor de cel mitogenen: stimuleren celdeling, voornamelijk door het blokkeren van de remmings mechanismen die progressie door de celcyclus voorkomen. Een belangrijk voorbeeld van deze remming is het Rb eiwit, welke overvloedig aanwezig is in de nucleus. Het bind aan specifieke gen regulerende eiwitten waardoor de stimulatie van transcriptie van genen nodig voor cel proliferatie voorkomen wordt. Mitogenen zorgen voor het loslaten van Rb en heffen zo de rem op de celproliferatie op. Mitogenen zorgen voor de activatie van de G1/S en S-CDK-complexen welke op hun beurt de Rb fosforyleren. Rb laat vervolgens los van de gen regulerende eiwitten en deze kunnen nu vrijelijk de genen activeren. Een van de eerste mitogenen die op deze manier te werk gaat is platelet derived growth factor, PDGF. Wanneer bloedpropjes in een wond vormen wordt PDGF geactiveerd waardoor cellen kunnen delen en nieuw weefsel gevormd kan worden bij de wond. Ook hepatocyt groei factor werkt op deze wijze. groeifactoren: stimuleren de celgroei door het promoten van eiwitsynthese en het inhiberen van eiwit afbraak. Wanneer cellen zouden delen zonder eerste te groeien worden ze natuurlijk steeds kleiner, dus groei moet plaatsvinden. Dit hangt echter niet af van het cel-cyclus controle systeem omdat ook cellen na het stoppen met delen moeten kunnen groeien (zenuw en spiercellen). Na binding van groeifactoren aan het cellulaire oppervlak wordt een proces op gang gebracht die zorgt voor accumulatie van eiwitten en andere macromoleculen in de cel. Dit gebeurt door de mate van synthese omhoog te schroeven en de afbraak te stoppen. PDGF is naast een mitogen ook een groeifactor (zoals de naam al zegt). overlevingsfactoren: promoten overleving van de cel door voorkoming van apoptose. Binding van overlevingsfactoren zorgt voor suppressie van de apoptose programma’s, vaak door het reguleren van de Bcl-2 eiwitten. er zijn naast bovenstaande factoren ook eiwitten die juist overleving, deling en groei tegen gaan en zo weefselgroei verminderen. Myostatine is een voorbeeld hiervan welke groei en proliferatie van de myoblast in skeletspieren tegen gaat.