De cel

De Cel.

Cel : ( Lat. cellula , verkleinwoord van cella = kamer ) de meestal microscopisch kleine structurele eenheid waarvan elk organisme er één of meer bevat.
 

1. GESCHIEDENIS

De 17de-eeuwse Engelse onderzoeker Robert Hooke bestudeerde onder de microscoop dunne plakjes flessenkurk. Het materiaal bleek te zijn opgebouwd uit kamertjes, enigszins vergelijkbaar met de cellen van een honingraat. Hij noemde ze (1667) cellulae. In volgende jaren werden overeenkomstige structuren bij ander plantenmateriaal beschreven. Bij levend materiaal waren de cellen gevuld met wat beschreven werd als een 'slijmerige vloeistof'. In 1831 zag Robert Brown hierin een lichaampje, de celkern. Ook bij dierlijk materiaal werden beide componenten, 'slijmerige vloeistof' en celkern, gevonden. Dit leidde tot het inzicht dat alle organismen uit deze twee eenheden zijn opgebouwd (de celtheorie van Schleiden en Schwann, 1839). Voortgezet onderzoek leerde dat de 'slijmerige vloeistof' de drager is van de levensverschijnselen; zij kreeg de naam protoplasma (Purkinje 1840 voor dieren, von Mohl 1848 voor planten). Tegenwoordig spreekt men van cytoplasma en wordt de term protoplasma gebruikt voor cytoplasma plus kern. Met ectoplasma wordt bedoeld het meest naar buiten gelegen cytoplasma.

Tussen de dag waarop men voor het eerst een levende cel waarnam en het huidige tijdperk van massaal en grootscheepse onderzoek en popularisatie via de media liggen nauwelijks 300 jaar. Iedere mijlpaal langs de weg die de onderzoekers van het eerste uur dieper in het rijk van de cel bracht, draagt de naam van een nieuwe techniek of instrument.

 De wereld van de cel is voor het blote oog onzichtbaar. Zij bleef dan ook volledig onbekend en onontdekt tot halverwege de zeventiende eeuw, toen mensen met een onderzoekende geest, geholpen door vaardige handen, lenzen begonnen te slijpen en deze gebruiken om hun gezichtsvermogen te vergroten. Een van de eerste microscoopbouwers was de Engelsman Robert Hooke – Fysicus , meteoroloog, bioloog, ingenieur, architect – een zeer bijzonder kind van zijn tijd. In 1665 publiceerde hij een schitterende verzameling tekeningen, Micrographia getiteld, waarin hij zijn microscopische waarnemingen beschreef. Daarbij bevond zich ook een tekening van een dun schijfje kurk dat een honingraatstructuur vertoonde, een regelmatig netwerk van ‘microscopisch kleine poriën’ of ‘cellen’.

Een van Hooke’s meest begaafde tijdgenoten was de Nederlander Antonie van Leeuwenhoek, die meer dan tweehonderd microscopen van een speciaal type gemaakt heeft. Zij bestonden eenvoudig uit een klein glazen bolletje, vastgekit in een koperen plaat. Door dit instrument dicht bij zijn oog te houden en door de glazen knikker te kijken naar voorwerpen, vastgeprikt op een naald die hij met behulp van een schroef kon manipuleren, slaagde Van Leeuwenhoek erin om voorwerpen tot 270 maal te vergroten en deed hij zeer opmerkelijke ontdekkingen. Hij kon voor het eerst in bloed, sperma en in het water uit plassen en sloten dagene zien wat hij zelf ‘animalcules’ noemde. Zelfs zag hij bacteriën, die hij zó nauwkeurig tekende, dat specialisten ze vandaag de dag nóg kunnen determineren.

Antonie van Leeuwenhoek

In 1827 slaagde de Italiaanse fysicus Giovanni Battista Amici erin om de belangrijkste optische vertekeningen van lenzen te corrigeren. De beelden werden op slag reusachtig veel scherper; zoveel, dat men slechts enkele jaren later al de algemene theorie kon formuleren dat alle planten en dieren uit één of meer gelijke eenheden, de cellen, zijn opgebouwd.

Giovanni Battista Amici

 Rond 1900 was een aanzienlijk aantal celbestanddelen beschreven en van een naam voorzien.

De onderzoekers raakten echter steeds meer verstrikt in een nieuw probleem, dat onoplosbaar scheen omdat het gevormd werd door de wetten van de natuurkunde zelf. Zelfs met een volmaakt instrument kan men geen details weergeven die kleiner zijn dan ongeveer de halve golflengte van het gebruikte licht, en dat betekent dat het oplossende vermogen van een gewone lichtmicroscoop bij ongeveer 0.25 µm ligt.

 De doorbraak van 1945: De langdurige, ononderbroken inspanning begon aan het eind van de Tweede Wereldoorlog plotseling vruchten af te werpen, toen als gevolg van een merkwaardige samenloop van omstandigheden, een veelheid aan waardevolle nieuwe instrumenten en techniek min of meer tegelijkertijd ter beschikking kwam. De morfologen werden verblijd met de elektronenmicroscoop. Dit instrument, dat in de jaren 30 werd uitgevonden, heeft een oplossend vermogen dat groot genoeg is om het gehele, onbekende celgebied, tot op de nanometer, te doorvorsen.

In verbazingwekkende korte tijd slaagde men erin methoden te ontwikkelen om objecten te prepareren en construeerden ze instrumenten die de objecten in ultradunne plakjes sneden. Men verkreeg steeds betere beelden, zodat al in het begin van de jaren zestig een groot deel van het onbekende gebied morfologisch in kaart gebracht werd.

2. HOOFDTYPEN

Cellen die eenvoudig van bouw zijn en geen echte kern bezitten, worden PROKARYOOT genoemd. Het DNA zit weliswaar geconcentreerd in één gebied in de cel (de nucleoide), maar dat gebied wordt niet door een membraan afgescheiden van de rest van de cel. Men treft ze aan bij de bacteriën (inclusief de cyanobacteriën) en archaea. Het onderzoek van de prokaryote cellen vormt het gebied van de microbiologie.

Alle overige organismen (eencellige en meercellige) bezitten cellen met een kern en een ingewikkelder bouw. Deze cellen worden eukaryoot genoemd. Het onderzoek van de eukaryote cel wordt beoefend in de celbiologie. Ligt in een meercellig organisme een groot aantal gelijkvormige cellen bijeen, dan spreekt men van een weefsel . De studie van het verband tussen de cellen van een meercellig organisme wordt tot de weefselleer of histologie gerekend.

 

3. BOUW  

Prokaryote cellen zijn eenvoudig gebouwd. Zij worden beschreven bij de bacteriën en Cyanobacteriën.

Hierna worden uitsluitend de eukaryote cellen behandeld.
 

3.1 Grootte

De grootte van cellen is zeer variabel; de kleinste dierlijke cellen zijn ongeveer 4 µm in diameter, de grootste – bijv. de dooier van een vogelei – enige centimeters. In geïsoleerde toestand zijn dierlijke cellen gewoonlijk bolrond of spoelvormig; in weefselverband zijn zij plat prismatisch of langgerekt prismatisch of kubisch; door wederzijdse samendrukking worden het veelvlakken. Sommige cellen hebben geen vaste vorm, maar zijn variabel, zoals de amoeboïde cellen uit het bloed.

De cellen van planten lopen in vorm en grootte sterk uiteen. Gemiddelde afmetingen zijn 15 – 100 µm, maar plantenvezels kunnen zeer lang zijn, bijv. van katoen, hennep en vlas tot 50 mm. Bij enkele zeewieren (Valoniaceae) bereiken de cellen een inhoud van 10 ml. Men vindt bij de hogere planten bolronde, cilindrische, kubus -, plaat - of vezelvormige cellen. Ook de eencelligen vertonen een grote vormverscheidenheid.
 

3.2 Membranen

De cellen van eukaryote organismen bevatten verschillende typen membranen. Tezamen worden deze biomembranen genoemd, dit in tegenstelling tot kunstmatige membranen .Eukaryote cellen bestaan steeds uit een door een celmembraan omgeven hoeveelheid cytoplasma, waar een aantal celorganen (organellen) van verschillende vorm, grootte en functie in zijn ingebed. Alle organellen (behalve de ribosomen) zijn omgeven door een membraan: intracellulaire membraan. Bij sommige organellen is dit membraan in feite een dubbele membraan, hetgeen een aanwijzing is dat dit organel vroeger zelfstandig leefde en is opgenomen door de eukaryote cel (zie endosymbiose).
 

3.2.1 Bouw

In beginsel hebben al deze membranen dezelfde bouw. Alle membranen bestaan uit lipiden en eiwitten. De lipiden zijn voornamelijk fosfolipiden, hoewel in sommige membranen ook cholesterol een belangrijk bestanddeel vormt. De fosfolipiden vormen een dubbellaag met een dikte van 8–10 nanometer waarbij hun hydrofiele groepen naar buiten zijn gekeerd terwijl de hydrofobe vetzuurstaarten naar elkaar toe zijn gericht. Deze dubbellaagstructuur is met behulp van de elektronenmicroscoop goed waarneembaar.

De eiwitten die deel uitmaken van het membraan worden onderverdeeld in twee groepen. De intrinsieke of integrale eiwitten bevinden zich geheel of gedeeltelijk in de fosfolipidedubbellaag. Sommige van deze eiwitten steken zelfs dwars door de dubbellaag heen. In dat geval spreekt men van een transmembraaneiwit.

Tot voor kort werden de eiwitten in de membraan beschouwd als een vrij homogene groep; dit is echter maar zeer ten dele het geval. Er komen veel geconjugeerde eiwitten voor, in het bijzonder eiwitten die geassocieerd zijn met koolhydraten (glycoproteïnen) en in mindere mate met lipiden (glycolipiden). Koolhydraatketens spelen een belangrijke rol bij de communicatie tussen verschillende cellen (herkenning, hechting). De laag koolhydraatgroepen speelt een rol bij de totstandkoming van de celmantel (glycocalyx) aan de buitenzijde van de celmembraan.

Zowel de fosfolipidemoleculen als de eiwitten bezitten een zekere beweeglijkheid in het vlak van het membraan (laterale diffusie). Er vindt daarbij echter geen uitwisseling van moleculen tussen de beide helften van de dubbellaag plaats. Ook de oriëntatie van de eiwitmoleculen ten opzichte van beide helften van de dubbellaag blijft hetzelfde. De beide zijden van het membraan zijn dus niet identiek, iets wat direct samenhangt met de biologische functie van biomembranen. De mate van vloeibaarheid is afhankelijk van de samenstelling van het membraan. De aanwezigheid van bijv. onverzadigde vetzuurketens in de fosfolipiden verhoogt deze vloeibaarheid. De aanwezigheid van cholesterol daarentegen verlaagt de beweeglijkheid van de moleculen in de dubbellaag.

Ook bij de sterkste vergroting zijn de celmembranen van twee naburige cellen altijd van elkaar gescheiden door een tussenruimte van ten minste enkele tientallen nm, terwijl niet altijd duidelijk is of deze ruimte opgevuld is met materiaal. Deze afstand berust waarschijnlijk mede op een patroon van kleine elektrische ladingen aan de buitenzijde van het celoppervlak. Waarschijnlijk wordt niet alleen door elektrostatische afstoting van gelijknamige ladingen verhinderd dat de cellen elkaar raken, maar kan ook door aantrekking van ongelijknamige ladingen een zeer specifieke onderlinge attractie tussen cellen (cellulaire adhesie) tot stand komen, die oorzaak is voor de inwendige samenhang van weefsels. Vaak echter is de afstand tussen de cellen veel groter dan enkele tientallen nm en gevuld met intercellulaire substanties. Deze hebben vaak een polysacharide karakter (mucopolysacharide, chitine), terwijl ook eiwitvezels kunnen voorkomen (bijv. collageen) of andere specifieke verbindingen (calciumfosfaat).

In de celmembraan van gespecialiseerde cellen kan men aparte structuren vinden. Cellen van het dunne-darmslijmvlies bijv., die vooral als functie hebben het opnemen van voedingsstoffen uit de darmholte, vertonen een groot aantal uitstulpingen van de celmembraan (microvilli), waardoor het vrij aan de darmholte gelegen celoppervlak zeer sterk vergroot wordt. Lichtmicroscopisch is deze structuur waarneembaar als borstelzoom. Opperhuidcellen (zie huid), die onderling een sterke samenhang moeten vertonen, bezitten vaak desmosomen, verdikkingen die brugvormige verbindingen vormen met dergelijke verdikkingen op andere celmembranen.

De betekenis van de membranen is tweeledig, aan de ene kant die van een scheiding tussen de cel (het organel) en de omgeving, aan de andere kant juist die van een verbinding tussen beide: alle stoffen die de cel of het organel in - of uitgaan moeten de membraan passeren. De membranen zijn selectief permeabel, dwz. zij laten sommige stoffen gemakkelijk, andere moeilijk tot vrijwel niet door.

3.2.2 Functie

Bepaalde in water oplosbare stoffen (bijv. ionen) kunnen de membraan ongehinderd passeren (passief transport). Men neemt aan dat de transmembraaneiwitten, eiwitten die door de hele membraan steken, een passageplaats vormen voor ionen, die uitgewisseld kunnen worden tussen het extracellulaire en het intracellulaire compartiment. Deze eiwitkanalen corresponderen met de membraanporiën waarvan het bestaan reeds door celfysiologen was verondersteld.

Voor een groot aantal stoffen vormt de membraan een barrière, zodat aan weerszijden van het membraan heel verschillende condities heersen, bijv. wat betreft de concentratie van ionen en van producten van het cellulaire metabolisme. Om deze verschillen te kunnen handhaven, beschikken membranen over een groot aantal specifieke transportsystemen, elk bestaande uit één of meer eiwitten, die in staat zijn stoffen tegen een concentratiegradiënt in door het membraan heen te transporteren. Voor dit actieve transport is energie nodig, meestal in de vorm van ATP. Op deze manier kunnen bijv. voedingsstoffen zoals glucose, die in het milieu van de cel vaak in kleine concentratie aanwezig zijn, binnen de cel geconcentreerd worden. Een ander bekend voorbeeld is de handhaving, ongeacht de omstandigheden buiten de cel, van een lage concentratie natriumionen (Na+) en een hoge concentratie kaliumionen (K+) in de cel door de natrium-kalium pomp in het plasmamembraan. Deze pomp speelt ook een essentiële rol in de geleiding van zenuwimpulsen (zie impuls [fysiologie]). Verder is de energieproductie in de eukaryote cel voor een belangrijk deel afhankelijk van het handhaven van een verschil in de concentratie van de waterstofionen (H+) ter weerszijden van de membranen die de mitochondriën omgeven. Ook zijn membranen betrokken bij de regulering van de cellulaire activiteit door hormonen.

De voor opname van stoffen uit het extracellulaire milieu zo belangrijke receptoren (waaraan een specifiek op de receptor passende ligand zich kan binden) zijn veelal ook eiwitten.

Bij de reeds aangeduide transporten, actief dan wel passief, gaat het om stoffen met betrekkelijk kleine moleculen, zoals ionen, enkelvoudige suikers (monosachariden). Grotere moleculen zoals bijv. eiwitten en polysachariden kunnen de celmembraan niet passeren, maar kunnen door vorming en fusie van door membranen omgeven blaasjes naar binnen of naar buiten worden gesluisd. Het proces waarbij materiaal (bijv. een secretieproduct) dat in een blaasje is ingesloten naar buiten wordt gebracht heet exocytose.

Wanneer materiaal wordt opgenomen doordat de celmembraan instulpt en een blaasje vormt, spreekt men van endocytose. Gaat het hierbij om zekere hoeveelheden vloeistof, dan spreekt men van pinocytose; betreft het microscopisch waarneembare deeltjes, bijv. bacteriën, dan spreekt men van fagocytose. De membranen om de organellen brengen mee dat de cel verdeeld is in compartimentjes waarbinnen zich biochemische reacties kunnen voltrekken zonder stoornis door erbuiten aanwezige stoffen. Zo zijn de enzymen die de opbouw van een stof verzorgen in andere compartimenten aanwezig dan de enzymen die de afbraak van dezelfde stof verzorgen. De selectieve permeabiliteit van de membranen is aan het leven gebonden, ze verdwijnt bij afsterven van de cel, wat leidt tot afbraak van de celbestanddelen door de eigen enzymen: autolyse van de celinhoud.
 

3.3 Cytoplasma

Het cytoplasma bevat eiwitten die deels een enzymfunctie hebben; het heeft in actieve cellen een hoog watergehalte (60–95%, in plantaardige weefsels soms tot 98%). In het water zijn ionen en tal van laagmoleculaire organische stoffen opgelost, zoals aminozuren en suikers.

De zijketens van de aminozuren, die de polypeptideketens van de eiwitten opbouwen, zijn zeer verschillend van aard (basisch, zuur, neutraal, wateraantrekkend of -afstotend); zij kunnen gemakkelijk met andere zijketens reacties aangaan en zo bruggen vormen tussen naburige eiwitmoleculen. Sommige bruggen zijn zeer gevoelig voor de temperatuur, andere voor de plaatselijke zuurgraad (pH) of oxidatietoestand (redoxpotentiaal); kleine veranderingen in deze grootheden kunnen de vorming of het verbreken van die bruggen sterk beïnvloeden. Deze als hechtpuntentheorie bekend staande voorstelling verklaart zowel de bovengenoemde eigenschappen van het cytoplasma als de grote veranderingen die op korte termijn in zijn viscositeit kunnen optreden. In het cytoplasma vinden o.a. de afbraak van glucose tot pyrodruivenzuur (glycolyse) en de activering van aminozuren plaats.
 

3.4 Organellen

Het cytoplasma is doortrokken door een netwerk van vertakte buisjes, die door een 'unit membrane' zijn omgeven, het endoplasmatisch reticulum (= endoplasmatisch netwerk, veelal afgekort als ER). Deze buisjes staan in verbinding met de kernmembraan en zijn van belang voor het transport van stoffen binnen de cel. Men onderscheidt glad en ruw ER. Het ruwe is bezet met een groot aantal ribosomen, die bij het gladde ontbreken.

Het ruw ER vervoert de eiwitten die geassembleerd worden op de ribosomen, en bedoeld zijn om door de cel uitgescheiden te worden. De polypeptideketens glijden door de poriën in de wand van het ER en komen terecht in de ruimte omgeven door het membraan (de cisternale ruimte). Vaak wordt in de cisternale ruimte een koolhydraat aan de eiwitten toegevoegd, zodat een glycoproteïne gevormd wordt. Daarna omwikkelt het ER de uit te scheiden stoffen met een membraan, zodat een blaasje (Eng.: vesicle) ontstaat. Deze blaasjes transporteren de glycoproteïnen door het cytoplasma richting celmembraan.

 Naast haar functie in de secretie van produkten, staat het ruw endoplasmatisch reticulum ook in voor de aanmaak van membranen. Deze kunnen aan het bestaande ER vastgehecht blijven, of naar andere delen van de cel bewegen onder de vorm van transportvesicles.

Het gladde ER staat vaak in verbinding met het ruwe ER. Toch betreft het een geheel ander organelcomplex dat in de meeste cellen minder op de voorgrond treedt, maar betrokken kan zijn bij zeer uiteenlopende celfysiologische processen (bijv. de productie van steroïde hormonen in de schors van de bijnier).

De ribosomen zijn zeer kleine lichaampjes die uit ribonucleïnezuur (RNA) en eiwit zijn opgebouwd en verantwoordelijk zijn voor de synthese van de eiwitten (zie eiwitvorming). Behalve buitenop het ER bevinden de ribosomen zich ook in het cytoplasma (waar enige samen een polysoom kunnen vormen), in de mitochondriën en bij planten in de plastiden. Het zijn de enige organellen die niet door een membraan zijn omgeven.

De eiwitten die in de ribosomen van het ruw ER gemaakt worden, zullen veelal later naar verschillende celorganellen getransporteerd worden, maar kunnen door de cel ook naar buiten gebracht worden (transporteiwitten), bijv. in de vorm van een secretieproduct. De verdeling van deze eiwitten over hun verschillende eindbestemmingen vindt meestal plaats in een tussenstation, het Golgi-apparaat, ook wel dictyosoom genoemd. Dit is een groepje van door een membraan omgeven kleine holtes waarin de synthese van stoffen voltooid wordt. Dit betreft met name het modificeren, sorteren en afleveren van producten die door het ruwe ER zijn aangevoerd. Van het Golgi-apparaat kunnen zich kleine transportblaasjes afsnoeren en zich verplaatsen naar de buitenmembraan, waar zij mee versmelten, onder uitscheiding van de inhoud naar de buitenzijde van de cel. Zo worden door kliercellen (pro-)enzymen en andere klierproducten naar het afvoerkanaal afgescheiden, terwijl bij planten op dezelfde manier bouwstenen voor de celwand te bestemder plaatse belanden.

Men heeft vroeger onder de naam microsomen vele kleine lichaampjes samengevat waarvan inmiddels gebleken is dat er enige soorten met verschillende bouw en biochemische functie onderscheiden kunnen worden, zoals lysosomen, die rijk zijn aan hydrolasen (een bepaald type enzymen), die vrij komen bij beschadiging van de cel en dan de afbraak van de eiwitten, nucleïnezuren en andere bestanddelen van de beschadigde cel katalyseren; fagosomen, die ontstaan door opname van hoogmoleculair materiaal van buiten de cel, zelf geen enzymen bezitten, maar door versmelten met lysosomen hydrolyserende enzymen kunnen gaan bevatten (en dan geen fagosomen meer zijn); peroxisomen met een enzymsysteem dat de oxidatie van glycolaat katalyseert; glyoxisomen met een enzymsysteem van belang voor de afbraak van vetten. De laatste bevatten enzymen voor o.a. de glyoxylaatcyclus.

In de mitochondriën wordt de in koolhydraten en vetten aanwezige energie overgebracht via de vorming van ATP ter beschikking gesteld van energievragende reacties in de cel.

Het aantal van de hiervoor genoemde soorten organellen per cel is zeer verschillend en hangt nauw samen met de activiteitstoestand van de cel. Zo vindt men er in de cellen van rustende plantenzaden weinig en neemt hun aantal bij beginnende kieming sterk toe.

De celkern (nucleus of karyon) is het grootste en duidelijkste lichaampje in iedere cel. Meestal is de kern bolrond, soms langgerekt; bij de meeste organismen is er één per cel. De grootte van de celkern ligt veelal tussen ca. 5 en 20 micrometer, zeer kleine kernen worden bij schimmels gevonden (tot 0, 5 µm), grote bij veel vertegenwoordigers van de Leliefamilie (ca. 50 µm), de grootste kernen worden gevonden in de eicellen van enige palmvarens (tot ca. 600 µm).

Als regel is er één kern per cel, maar er zijn ook lagere planten waar de verdeling in cellen niet volledig is en waar dan veel kernen in een cel voorkomen; men spreekt dan van coeloblasten. Dit is bijv. het geval bij het zeewier Caulerpa prolifera, waar elke coeloblast uiterlijk overeenkomst vertoont met een gehele hogere plant, met blad-, stam- en wortelachtige delen.

De rustende kern is omgeven door een membraan (soms dubbel) waar poriën in voorkomen. De membraan omsluit de kernvloeistof (karyolymfe), waar zich de chromosomen en een of meer kernlichaampjes (nucleoli, enkelv. nucleolus) in bevinden. De chromosomen bestaan uit nucleoproteïden, verbindingen van nucleïnezuren (DNA) en eiwitten. In de nucleïnezuurketens is de erfelijke aanleg van het organisme gecodeerd. De kern is vrijwel de enige plaats waar de nucleïnezuren (DNA zowel als RNA) aangemaakt worden. In de rustende kern zijn de chromosomen meestal niet te zien, maar tijdens de kerndeling (zie celdeling) zijn ze in levende toestand onder de fasecontrastmicroscoop goed waar te nemen; ze zijn het meest bestudeerd in gefixeerde en daarna met basische kleurstoffen gekleurde preparaten. Alles wijst erop dat deze chromosomen ook buiten de periode van de kerndeling (de interfase) intact aanwezig zijn, al zijn ze dan onder het lichtmicroscoop niet zichtbaar.

Het aantal chromosomen is normaliter voor ieder soort organisme vast; zie evenwel polyploïd.

3.5 Stevigheid

De cel moet bestand zijn tegen de vele krachten die binnen en buiten de cel plaatsvinden, bijv. die welke veroorzaakt worden door stromingen buiten de cel (bijv. bloed bij vele meercelligen, water bij eencelligen) en door de bewegingen van de organellen in de cel. De cel maakt daartoe gebruik van het principe van tensegrity: de wijze waarop deze krachten worden verdeeld over het celskelet en de celorganellen. Veranderingen in het celskelet - waaraan enzymen zijn vastgehecht - kunnen verantwoordelijk zijn voor het in werking stellen van die enzymen. Mogelijk is de invloed van tensegrity zelfs tot in de celkern aanwezig, waardoor tensegrity kan leiden tot het mechanisch aan- of uitzetten van genen.

De organellen dobberen niet zomaar rond in hetcytoplasma, maar zitten ingebed in een netwerk van vezels, het cytoskelet. Het cytoskelet zorgt voor structurele steun en voor de mobiliteit van cellen. Speciale onderdelen, de motormoleculen, veroorzaken de bewegingen van ciliën en flagellen; ze zorgen er ook voor dat spiercellen kunnen samentrekken. De organellen gebruiken het cytoskelet ook als een soort monorail om zich doorheen de cel te verplaatsen.

Ciliën en flagellen zijn draadvormige structuren aan de buitenzijde van cellen, die instaan voor de beweging. Ze worden aangetroffen bij vele ééncelligen, maar ook bij zaadcellen van dieren, algen en sommige planten. De ciliën op de cellen van organen dienen om vloeistof over het weefsel te laten vloeien. De cellen die de luchtpijp van de mens aflijnen, bijvoorbeeld, verwijderen zo mucus met afvalpartikeltjes uit de longen. Flagellen en ciliën verschillen onderling in lengte, aantallen per cel en bewegingspatroon. Flagellen zijn 10 tot 200 mm lang, vertonen een golfvormige beweging, en komen gewoonlijk alleen of in kleine aantallen per cel voor. Ciliën zijn 2 tot 20 mm lang, bewegen als roeiriemen, en komen in grote aantallen per cel voor. Beide structuren zitten vol microtubuli, één type vezels dat onderdeel uitmaken van het cytoskelet.

Een ander type vezels, microfilamenten of actine filamenten, zorgen voor de samentrekking van spiercellen. Het zijn volle staafjes, opgebouwd uit het eiwit actine. Duizenden van die actine filamentjes liggen parallel aan elkaar in de lengterichting van de spiercel. Tussen elke laag actinemoleculen ligt een laag myosine. De contractie van de spiercel ontstaat doordat de actine en myosinefilamenten over elkaar schuiven.

zenuwcellen

hartcellen

4. DE PLANTENCEL

De plantencel verschilt van dierlijke cellen door het bezit van een buiten de celmembraan gelegen celwand, van plastiden en, in jonge cellen, van een aantal vochtblaasjes, de alveolen, die bij volwassen cellen veelal tot één centrale vacuole zijn verenigd.

5.      De celcyclus

Eén van de meest karakteristieke eigenschappen van levende wezens is dat ze zich voortplanten. De continuïteit van het leven is gebaseerd op het vermogen van cellen om zich te delen in genetisch equivalente dochtercellen. Het proces dat zich afspeelt vanaf haar ontstaan uit een ouderlijke cel tot haar eigen splitsing, noemt men de celcyclus.

Bij ééncellige organismen, zoals Amoeba, komt celdeling neer op de vorming van een gans nieuw organisme. Bij meercelligen, inclusief de mens, zorgen miljoenen celdelingen ervoor dat een individu zich kan ontwikkelen uit één enkele cel, de bevruchte eicel. Zelfs bij volledig volgroeide individuen gaan de celdelingen door, om gedeelten van het organisme te vernieuwen, te herstellen of te vervangen.

Menselijke rode bloedcellen hebben een gemiddelde levensduur van 120 dagen. Ze bevatten geen celkern en kunnen daardoor niet delen. Verouderde rode bloedcellen worden verwijderd en in de milt vernietigd door macrofagen. Om ze te vervangen worden in het beendermerg constant nieuwe rode bloedcellen aangemaakt, door deling van stamcellen (de erythroblasten). Een volwassen mens produceert dagelijks zo’n 200 miljoen rode bloedcellen, het equivalent van ca. 100 ml bloed. Een donatie van 500 ml kan op minder dan een week tijd gecompenseerd worden.

Essentieel bij de celdeling is dat beide dochtercellen de genetische informatie uit de oudercel moet meekrijgen. Het ganse genoom (het geheel aan erfelijke informatie vervat in het DNA) moet dus nauwkeurig gerepliceerd worden en zo verdeeld over de cel dat elke dochter een equivalent deel ontvangt. Dit wordt vereenvoudigd doordat het DNA georganiseerd is in een aantal chromosomen (strengen DNA en bijhorende eiwitten). In voorbereiding van de eigenlijke celdeling, en na de duplicatie van het genoom, gaat het chromatine condenseren. Elke DNA-streng plooit zich vele malen, waardoor de chromosomen zo dik worden dat ze zichtbaar zijn door een lichtmicroscoop.

Elk chromosoom bestaat uit twee dochterchromatiden. De twee chromatiden zijn identieke copies van dezelfde DNA-molecule. Ze zitten aanvankelijk aan elkaar vast, maar zullen tijdens de celdeling uit elkaar getrokken worden, om uiteindelijk elk in een andere dochtercel te belanden. De deling van de kern (mitose) wordt meestal onmiddellijk gevolgd door de deling van het cytoplasma (cytokinese). Mitose en cytokinese geven aanleiding tot de miljarden somatische cellen waaruit ons lichaam bestaat. Gameten (eicellen en zaadcellen) komen echter tot stand via een variant van de celdeling, de meiose. Dit proces speelt zich enkel af in gespecialiseerde organen (de gonaden) en impliceert een halvering van het aantal chromosomen (zie verder).

5.1.           De mitotische celcyclus

Een celcyclus bestaat essentieel uit twee grote fasen : een korte mitotische fase (of M-fase), tijdens dewelke zowel de mitose als de cytokinese plaatsvinden; en een langere interfase, tijdens dewelke de cel groeit en haar chromosomen verdubbelt in voorbereiding van de celdeling. De interfase wordt vaak ingedeeld in een G₁-fase (eerste Gap-fase), gevolgd door een S-fase en tenslotte een G₂-fase. In elk van de drie onderdelen van de interfase groeit de cel door de productie van ewitten en cytoplasmatische organellen, maar enkel in de S-fase worden de chromosomen verdubbeld.

Het mitotische spoellichaampje speelt een belangrijke rol bij de mitose. Het bestaat uit microtubuli en bijhorende eiwitten, en wordt waarschijnlijk aangemaakt met materiaal afkomstig van het cytoskelet. Naarmate de mitose vordert, groeit het spoellichaampje door de incorporatie van steeds meer eenheden van het eiwit tubuline. De ontwikkeling van het spoellichaampje begint in het centrosoom.

Bij dierlijke cellen zitten op deze plek in het cytoplasma twee structuurtjes, de centriolen, maar deze lijken geen onmisbare rol te spelen bij de celdeling. Ze ontbreken bij planten, en wanneer ze bij dierlijke cellen experimenteel weggenomen worden, kan de celdeling toch perfect doorgaan.

Nog tijdens de interfase verdubbelt het centrosoom zich. De twee centrosomen zullen tijdens de eerste fasen van de mitose uit elkaar bewegen en tussen beiden ontstaat het spoellichaampje.

Hoewel de mitose een continu, dynamisch proces is, is het gebruikelijk het onder te verdelen in vijf perioden : de profase, de prometafase, de metafase, de anafase, en de telofase.   

Tijdens de profase condenseert het chromatine zich en worden de afzonderlijke chromosomen zichtbaar. Ze manifesteren zich als twee identieke zusterchromatiden, die aan elkaar vast zitten. De nucleoli verdwijnen. In het cytoplasma begint het spoellichaampje zich te vormen.

Tijdens de prometafase verbrokkelt de kernmembraan. De microtubuli van het spoellichaampje kunnen nu doordringen in de kern en interageren met de chromosomen. Op beide chromatiden van elk chromosoom ontwikkelt zich t.h.v. het centromeer (een insnoering in het chromosoom) een structuur van eiwitten (het kinetochoor). Sommige microtubuli van het spoellichaampje hechten zich hieraan vast. Dit gaat gepaard met schokkerige bewegingen van de chromosomen.

In de metafase bevinden de centrosomen zich aan tegenovergestelde polen van de cel. De chromosomen situeren zich in een denkbeeldig vlak (de metafaseplaat) halverwege. De centromeren van alle chromosomen liggen netjes geallinieerd, met elke zusterchromatide aan een andere kant van de metafaseplaat en via de kinetochoor verbonden aan de tegenovergestelde polen van de cel.

De anafase start met het uiteenwijken van de gepaarde centromeren van elk chromosoom. Uiteindelijk komen de zusterchromatiden volledig los van elkaar, en kunnen ze beschouwd worden als volwaardige, onafhankelijke chromosomen. Naarmate de microtubuli verkorten, bewegen de zusters zich in tegenovergestelde richting. Aan het einde van de anafase bevatten beide uiteinden van de cel een volledige set equivalente chromosomen.

Tijdens de telofase ontstaan rond beide sets chromosomen kernmembranen. Ze worden opgebouwd uit stukken van het ouderlijke kernmembraan, aangevuld met andere cytoplasmatische membranen. De chromosomen verliezen hun geplooide structuur. Op het moment dat deze laatste fase van de mitose voltooid is, is de cytokinese gewoonlijk reeds een eind gevorderd.

Bij dierlijke cellen start de cytokinese met het verschijnen van een groef, die eerst zichtbaar wordt aan de oppervlakte van de cel, ter hoogte van de metafaseplaat. Een ring van actine en myosine moleculen zorgt ervoor dat de ouderlijke cel volledig ingesnoerd wordt, en uiteindelijk aanleiding geeft tot twee dochtercellen. Bij plantencellen is er geen sprake van zo’n groef. Tijdens de telofase bewegen zich hier kleine blaasjes van het Golgi-apparaat naar het midden van de cel, waar ze samensmelten en een celplaat vormen. De blaasjes brengen materiaal aan voor een nieuw stuk celwand, dat zich langzaam vormt en uiteindelijk fusioneert met de ouderlijke celwand.

De mitotische celcyclus bij de eukaryoten is waarschijnlijk geëvolueerd uit het relatief eenvoudige voortplantingsproces van prokaryoten. Bacteriën reproduceren zich door een eenvoudige binaire celdeling.

5.2.           Regulatie van de celcyclus

De timing en de frequentie van de celdeling in de verschillende delen van meercellige organismen is van het grootste belang voor een normale groei, ontwikkeling en instandhouding. De frequentie waarmee cellen delen, is sterk afhankelijk van hun functie.

Menselijke huidcellen, bijvoorbeeld, delen zeer regelmatig, terwijl levercellen slechts delen als het echt nodig is, zoals wanneer er schade moet hersteld worden. Sommige zeer gespecialiseerde menselijke cellen, zoals zenuwcellen en spiercellen, delen bij volwassen mensen helemaal niet meer.

Deze differentiatie in de timing van de celcyclus is het gevolg van een regeling op moleculair niveau. Het doorgronden van dit regulatiesysteem is van het grootste belang, niet alleen om te begrijpen hoe normale celdelingen gebeuren, maar ook om in te zien hoe kankercellen de normale controle omzeilen.

De achtereenvolgende stappen in de celcyclus worden gestuurd door een controlesysteem, bestaande uit een set cyclisch opererende moleculen. Het geheel wordt dikwijls vergeleken met het controlesysteem van een wasmachine; het celcyclus-controlesysteem loopt door aan een eigen tempo, maar is toch afhankelijk van een aantal externe en interne clues.

De stappen van de celcyclus worden getimed door ritmische veranderingen in de activiteit van een bepaald soort enzymen (de cycline-afhankelijke proteïne-kinasen of CdK’s), die andere eiwitten kunnen activeren of deactiveren. Deze enzymen ontlenen hun naam aan het feit dat ze enkel werken wanneer ze gebonden zijn aan cycline, een eiwit waarvan de concentratie cyclisch varieert. De cel zal bijvoorbeeld pas overgaan van de G₂-fase naar de M-fase wanneer er voldoende MPF actief is. MPF (maturation promoting factor, of M-phase promoting factor) ontstaat door de binding van cycline op een CdK. De cycline-concentraties stijgen tijdens de G₁, de S en de G₂-fase en vallen drastisch terug tijdens de mitose. De CdK-concentratie verandert nauwelijks. MPF stimuleert allerlei andere enzymen, onder andere in de kernmembraan (de juiste werking is nog niet helemaal opgehelderd). In een late fase van de mitose breekt het zijn eigen cycline-gedeelte af. Het CdK wordt gerecycleerd.

Voorbeeld van een interne clue is de koppeling van alle chromosomen aan het spoellichaampje. Zolang dit niet gebeurd is, zal de anafase (het uiteenwijken van de zusterchromatiden) niet aangevat worden. Dit voorkomt dat de dochtercellen chromosomen zouden missen of op overschot hebben.

De kinetochoren zenden, zolang ze niet gebonden zijn aan de microtubuli van het spoellichaampje, signalen uit waardoor het anafase-promoting complex (APC) geïnactiveerd wordt. Eenmaal alle kinetochoren vastgehaakt zijn, houdt dit signaal op, en wordt het licht voor het APC op groen gezet.

Ook vele externe chemische en fysische prikkels beïnvloeden de celdeling. Cellen zullen bijvoorbeeld niet delen wanneer onvoldoende voedingsstoffen aanwezig zijn. Om de deling van zoogdiercellen te initiëren zijn specifieke groeifactoren noodzakelijk – dit zijn eiwitten die uitgescheiden worden door andere cellen.

Voorbeeld van zo’n groeifactor is PDGF (platelet-derived growth factor), een eiwit dat aangemaakt wordt door  bloedplaatjes (een soort bloedcellen). PDGF stimuleert de deling van fibroblasten, bindweefselcellen die instaan voor de heling van wonden.

De nood aan groeifactoren verklaart wellicht ook het verschijnsel van de densiteits-afhankelijke inhibitie van celdeling. Cellen in artificiële culturen houden op met delen wanneer één laag cellen de voedingsbodem bedekt. Blijkbaar wordt de hoeveelheid groeifactoren en voedingsstoffen te klein wanneer een zekere populatiedensiteit bereikt wordt.

Kankercellen ontsnappen aan het normale controlemechanisme van de celdeling. Ze delen buitensporig veel en invaderen andere weefsels. In culturen vertonen kankercellen ook geen densiteits-afhankelijke inhibitie. Mogelijk hebben ze geen groeifactoren nodig, of maken ze ze zelf aan. Kankercellen lijken ook ‘onsterfelijk’ : terwijl normale zoogdiercellen in celculturen slechts 20-50 maal delen en vervolgens verouderen en sterven, blijven kankercellen delen en leven. Eén beroemde lijn (de HeLa lijn, naar Henrietta Lacks, de draagster van de tumor waartoe de cellen oorspronkelijk behoorden) bestaat reeds sinds 1951.

Het abnormale gedrag van de kankercellen kan catastrofaal zijn. De problemen kunnen beginnen wanneer één cel verandert in een kankercel (transformatie). Normaal herkent het immuunstelsel  de getransformeerde cel als een indringer en vernietigt ze, maar wanneer de cel hieraan ontsnapt, kan ze zich ontwikkelen tot een tumor, een massa abnormale cellen in een overigens normaal weefsel. Blijft de tumor op de oorspronkelijke plaats, dan spreekt men van een goedaardige tumor, en deze kunnen via een chirurgische ingreep verwijderd worden. Kwaadaardige tumoren invaderen echter andere weefsels, waardoor één of meerdere organen niet meer normaal kunnen functioneren. Cellen van kwaadaardige tumoren wijken vaak niet alleen af vanwege hun abnormale proliferatie-gedrag, maar door het bezit van een ongewoon aantal chromosomen, en een ontregeld metabolisme. Ze functioneren niet meer normaal. Door afwijkende structuren op hun celwand verliezen ze ook het contact met naburige cellen, waardoor ze zich kunnen verspreiden. Ze kunnen doordringen in de bloedbanen en het lymfevatenstelsel, en zo aanleiding geven tot nieuwe tumoren in diverse delen van het lichaam. Deze spreiding van kankercellen buiten de oorspronkelijke tumor noemt men metastasis. De behandeling met hoog-energetische straling en chemotherapie is erop gericht om actief-delende cellen zoveel mogelijk schade te berokkenen.

Wetenschappers beginnen nog maar te begrijpen hoe een normale cel transformeert in een kankercel. De potentiële oorzaken van kanker zijn zeer divers, maar steeds lijkt het controlesysteem van de celcyclus geraakt te worden. Wellicht blijven zovele vragen over kankercellen nog onbeantwoord omdat onze kennis van de werking van de cel nog zeer beperkt is.

5.3.           Meiose en de seksuele levenscycli

Eéncelligen en sommige meercelligen kunnen zich vermenigvuldigen via de mitotische celcyclus.

Bij ééncelligen gebeurt dit door eenvoudige splitsing van de ouderlijke cel in twee dochtercellen; bij sommige meercelligen verlaat een groep cellen het ouderlijke lichaam, en geeft aanleiding tot een nieuw individu. Deze vorm van voortplanting noemt men aseksueel. Het resultaat van aseksuele reproductie is een groep genetisch identieke nakomelingen, een kloon.

Vele organismen kennen nog een andere vorm van voortplanting, de seksuele voortplanting. Deze resulteert in grotere variatie, omdat de nakomelingen een unieke combinatie van de genen van hun ouders erven. In tegenstelling tot een kloon, verschillen de producten van seksuele reproductie genetisch onderling én van hun ouders. Dit type voortplanting vereist een andere celdeling (de meiose), en het samensmelten van twee cellen (de bevruchting).

5.3.1       De seksuele levenscyclus

De meeste organismen bestaan voornamelijk uit diploïde cellen. Wanneer de chromosomen van zulke cellen zichtbaar gemaakt worden met microscopische technieken, blijkt dat er van elk chromosoom een paar bestaat. Men spreekt van homologe chromosomen. Homologe chromosomen hebben eenzelfde lengte, hun centromeer zit op dezelfde positie, en kleuringen zorgen voor een identiek bandenpatroon. Ze dragen ook telkens dezelfde genen; als bijvoorbeeld één van beide homologen een gen draagt dat instaat voor oogkleur, bevindt zich op dezelfde plaats (locus) op het andere homologe chromosoom óók een gen dat instaat voor oogkleur.

Op deze regel vormen de seks-chromosomen een uitzondering. In tegenstelling tot alle andere chromosomen (de autosomen), lijken de homologen van het seks-chromosoom niet altijd perfect op elkaar. Bij de mens, bijvoorbeeld, hebben enkel vrouwen een homoloog stel seks-chromosomen (het sekschromosoom wordt aangeduid met de letter X, en vrouwen hebben dus een XX-genoom). Bij mannen wordt één van beide X-homologen vervangen door een korter chromosoom, het Y-chromosoom (mannen worden dus aangeduid met XY). Dat chromosomen in paren voorkomen, is een rechtstreeks gevolg van de seksuele voortplanting. Eén lid van een homoloog chromosomenpaar is steeds afkomstig van de moeder, het andere van de vader. 

Zaadcellen en eicellen (gameten of voortplantingscellen) hebben maar één set chromosomen. Ze zijn haploïd. Een menselijke zaadcel bevat bijvoorbeeld slechts 22 autosomen en een Y-chromosoom; een eicel 22 autosomen en één X-chromosoom. Bij de bevruchting (fertilisatie, syngamie) worden de maternale en paternale chromosomensets verenigd en ontstaat de eerste diploïde cel (de zygote), waaruit het nieuwe individu door opeenvolgende mitotische delingen zal ontwikkelen. De enige cellen die niet door mitose ontstaan zijn de gameten. Die ontstaan door een aparte vorm van celdeling, die bij de mens enkel plaatsvindt in de testes en de ovaria.

5.3.2       De meiose

De meiose lijkt sterk op de mitose, maar bij de meiose wordt de replicatie gevolgd door twee opeenvolgende celdelingen, meiose I en meiose II genaamd. Dit resulteert in vier dochtercellen, elk met half zoveel chromosomen als de ouderlijke cel.

Zoals de mitotische celdeling, wordt ook de meiose voorafgegaan door een interfase, waarin elk van de chromosomen zich verdubbelt. Zo ontstaan voor elk chromosoom twee identieke zusterchromatiden, die aan elkaar vastgehecht blijven t.h.v. het centromeer.

De meiotische profase I duurt langer en is complexer dan de mitotische. De chromosomen worden compacter. Homologe chromosomen, elk bestaande uit twee zusterchromatiden, ontmoeten elkaar en zijn onder de microscoop zichtbaar als tetraden. Op dit moment wisselen de chromatiden van homologe paren chromosomen segmenten DNA uit, in een proces dat crossing over genoemd wordt. Ondertussen ontwikkelt zich de spoelfiguur en naar het einde van de profase I zit elk chromosoom vast met haar kinetochoor aan de microtubuli.  De chromosomen bewegen vervolgens naar het centrum van de cel.

In de metafase I liggen de chromosomen, nog steeds in homologe paren, in de metafaseplaat. Microtubuli verbinden één lid van een homoloog paar met de ene pool van de cel, en het andere lid met de andere pool.

Tijdens de anafase I worden de homologe chromosomen uit elkaar getrokken. De zusterchromatiden blijven echter aan elkaar vastzitten.

In de telofase I zit aan elke pool van de cel een haploïde set chromosomen, elk nog bestaande uit twee zusterchromatiden. De cytokinese is dan meestal al volop bezig.

De hieropvolgende deling (meiose II) wordt niet voorafgegaan door een verdubbeling van het DNA. In profase II wordt opnieuw een spoellichaampje gevormd, en de chromosomen bewegen richting metafaseplaat. Tijdens metafase II liggen de chromosomen t.h.v. de metafaseplaat, met de zusterchromatiden naar tegengestelde polen gericht. In de anafase II scheiden de zusterchromatiden eindelijk en bewegen naar de respectievelijke polen van de cel. De telofase II omhelst de vorming van nieuwe kernmembranen, en gebeurt simultaan met de cytokinese.

5.3.3       Oorsprong van genetische variatie

Bij dieren die zich seksueel voortplanten, is het gedrag van de chromosomen tijdens de meiose en de bevruchting verantwoordelijk voor de variatie in kenmerken die elke generatie ontstaat. Drie mechanismen dragen bij tot deze genetische variatie.

·         Onafhankelijke segregatie van chromosomen

De oriëntatie van de homologe chromosomen tijdens metafase I is onderling onafhankelijk. De eerste meiotische deling resulteert dus in een willekeurig assortiment van paternale en maternale chromosomen in de dochtercellen.

Voor een organisme met 2 homologe paren chromosomen (2n=4, n=2) bestaan er dus 4 mogelijke combinaties van chromosomen in de gameten. Bij n=3 zijn er 8 combinaties mogelijk. In het algemeen leidt onafhankelijke segregatie tot 2ⁿ mogelijke gameten, waarbij n het aantal chromosomen is in een haploïde cel. Voor de mens betekent dit dat maternale en paternale chromosomen op 2²³ (ongeveer 8 miljoen) manieren kunnen gecombineerd worden in de zaad- en eicellen.

·         Crossing-over

We kunnen echter nog moeilijk spreken van ‘paternale’ en ‘maternale’ chromosomen, omdat tijdens de profase I de homologe chromosomen in sterke mate genen gaan uitwisselen. Dit gebeurt zeer nauwkeurig, zodat enkel equivalente stukken DNA worden uitgewisseld. Het gevolg is dat zelfs één chromosoom in een gameet erfelijke informatie van de vader én de moeder meedraagt.

·         Willekeurige bevruchting

Tenslotte is ook de bevruchting in grote mate een random proces. Een menselijke eicel, zelf één van meer dan 8 miljoen mogelijke combinaties van chromosomen, gaat samen met zaadcel, die één van 8 miljoen andere mogelijke combinaties vertegenwoordigt. Zelfs wanneer we het proces van crossing-over buiten beschouwing laten, kunnen twee ouders meer dan 64 miljard (8 miljoen x 8 miljoen) verschillende diploïde combinaties aanmaken.