Elke cel van het menselijk lichaam kan dagen tot zelfs jaren (over)leven mits de omstandigheden gunstig zijn. Hoewel cellen van verschillende weefsels aanzienlijk kunnen verschillen zijn er ook vele overeenkomsten tussen verschillende cellen. In dit deel wordt de globale opbouw en functies van een cel beschreven.
Opbouw van een cel
De twee grootste te onderscheiden onderdelen van een cel zijn de celkern (nucleus) en het cytoplasma. Zowel de celkern, het cytoplasma en de organellen van de cel (die later worden beschreven) worden omgeven door een celmembraan, oftewel plasmamembraan.
De verschillende onderdelen van een cel worden gezamenlijk het protoplasma genoemd. Het protoplasma bestaat uit water, elektrolyten, eiwitten, vetten en koolhydraten.
Met uitzondering van vetcellen bestaan cellen voor 70 tot 85% uit water. Water is een belangrijk oplosmiddel van stoffen in de cel. Stoffen en (onder)delen die onoplosbaar zijn, drijven als het ware in het water. Tussen de opgeloste stoffen in de cel vinden constant chemische reacties plaats. Ook vinden er constant chemische reacties plaats tussen onoplosbare stoffen in de cel.
De Kalium-, Magnesium-, Fosfaat-, Sulfaat-, Bicarbonaat-, Natrium-, Chloride- en Calciumionen zijn belangrijk voor het normale functioneren van de cel en komen in wisselende concentraties voor in de cel. Ionen zijn belangrijk voor de vele celreacties die uiteindelijk de homeostase binnen de cel en het totale lichaam handhaven. Zo zorgen Natrium- en Kaliumionen voor een actiepotentiaal over de axon van een zenuwcel.
Na water zijn eiwitten de meest voorkomende stoffen van een cel. Een cel bestaat voor 10 tot 20% uit eiwitten. Deze celeiwitten kunnen verdeeld worden in structurele eiwitten en functionele eiwitten.
Structurele eiwitten komen voornamelijk voor als lange filamenten. Deze filamenten zijn een polymeer van vele eiwitten. Filamenten vormen onder andere microtubuli. Microtubuli vormen een soort skelet van een cel; het cytoskelet. De cellen vormen ook eiwitten die aan de extracellulaire ruimte worden afgegeven en daar structuur geven. Eiwitfibrillen komen bijvoorbeeld zeer veel voor in collagene en elastische vezels. Collagene en elastische vezels vormen het hoofdbestanddeel van bindweefsel.
Functionele eiwitten zijn een geheel andere groep van eiwitten en zijn meestal buis- en bolvormig. Enzymen zijn ook functionele eiwitten. In tegenstelling tot de structurele eiwitten kunnen enzymen zich vrij bewegen door het cytoplasma. Enzymen zijn echter wel vaak te vinden bij en op membranen. Enzymen versnellen celreacties zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Stofwisselingsreacties waarbij bijvoorbeeld energie (ATP) vrij komt, worden versneld door enzymen.
Vetten zijn een verzameling van stoffen die allen gemeen hebben dat ze worden opgelost door vetoplossende middelen en slecht oplossen in water. Vetten die met name in de cel voorkomen zijn fosfolipiden en cholesterol. Fosfolipiden en cholesterol maken tezamen ongeveer 2% van de totale massa van een cel. Omdat fosfolipiden en cholesterol onoplosbaar zijn in water worden deze stoffen gebruikt in de membranen van het celmembraan en de vele organellen en dienen als barrière. Sommige cellen, bijvoorbeeld de vetcellen (adipocyten) bevatten naast fosfolipiden en cholesterol ook veel triglyceriden. Vet in de adipocyten dient met name als brandstof.
Koolhydraten zijn onder andere te vinden als glucose en glycogeen in de cel. Glucose en het polymeer van glucose, glycogeen zijn een belangrijke brandstof voor de cel. Verder komen sommige koolhydraten gebonden aan eiwit en vetten voor in de cel. Een koolhydraat dat gebonden is aan een eiwit wordt een glycoproteïne genoemd. Een koolhydraat gebonden aan vet wordt een glycolipide genoemd. Vaak is de totale hoeveelheid koolhydraten niet meer dan 1% van de totale celmassa. Van spier- en levercellen kan de respectievelijke celmassa wel uit 3 en 6% glycogeen bestaan. Glucose is een belangrijk bestanddeel van de extracellulaire vloeistof en dient ook als brandstof voor de cellen.
Structuur van de cel
De cel is een zak met vloeistof, elektrolyten en enzymen. De cel is een zeer goed georganiseerde levende eenheid. De cel bevat verschillende structuren. Deze structuren voeren een specifieke functie uit en worden organellen genoemd. De celkern is bijvoorbeeld belangrijk in het organiseren van de vele celfuncties.
Membranen van de cel
De meeste organellen zijn omgeven door een membraan. Dit membraan bestaat voornamelijk uit vetten met daarin drijvende eiwitten, glycoproteïnen en glycolipiden. Er zijn verschillende membranen te onderscheiden; de celmembraan die de cel omgeeft, membraan van de celkern (nucleus), membranen van het endoplasmatisch reticulum, mitochondrie, lysosomen en Golgi-apparaat. De vetten in de membraan vormen een afscheiding tussen de intra- en extracellulaire vloeistof en voorkomt het vrijelijk bewegen van vloeistof en opgeloste stoffen. Sommige eiwitten vormen een opening in het celmembraan en maken het transport van sommige stoffen en vloeistof tussen de intra- en extracellulaire ruimte mogelijk. Daarnaast functioneren andere eiwitten op de celmembraan als enzym.
Het celmembraan (of plasmamembraan) omhult de gehele cel. De celmembraan is een plastische, dunne (7,5 tot 10 nanometer (nm) dik) en elastische structuur die bijna geheel uit vetten en eiwitten bestaat. Eiwitten, fosfolipiden, cholesterol, andere vetachtige stoffen en koolhydraten maken respectievelijk 55, 25, 13, 4 en 3 procent uit van het celmembraan.
De dubbele fosfolipidenlaag van het celmembraan voorkomt dat water ongehinderd de cel binnendringt. Elke laag heeft een dikte van maar één molecuul. Deze dubbele fosfolipidenlaag omhult de gehele cel. In de fosfolipidenlaag bevinden zich vele bolvormige (globulaire) eiwitten.
De dubbele fosfolipidenlaag bestaat uit fosfolipidenmoleculen waarvan de hydrofobe staarten naar de binnenkant van de laag zijn gericht. De hydrofiele koppen van de fosfolipidenlaag zijn naar de buitenkant gericht. Omdat staarten hydrofoob zijn, keren zij zichzelf automatisch af van het waterige intra- en extracellulaire milieu en gaan ze een verbinding aan met de tegenoverliggende hydrofobe staarten.
De hydrofiele koppen zijn naar het intra- en extracellulaire milieu gericht.
De vetachtige stoffen in het binnenste van het celmembraan zijn ondoordringbaar (impermeabel) voor wateroplosbare stoffen, zoals glucose, ionen en ureum. Vetoplosbare stoffen, zoals koolstofdioxide, alcohol en zuurstof kunnen echter gemakkelijk door het celmembraan heen.
Cholesterol in het celmembraan is door de steroïdstructuur ook een vetachtige stof. Cholesterol lijkt meer opgelost te zijn in het celmembraan en beïnvloedt de (im)permeabiliteit en plasticiteit van het celmembraan.
Vele van de eiwitten in de celmembraan zijn glycoproteïnen. De eiwitten in het celmembraan zijn te onderscheiden in integrale eiwitten en perifere eiwitten. Integrale eiwitten overspannen de gehele dikte van het celmembraan, terwijl perifere eiwitten zich aan één zijde van het celmembraan bevinden.
Integrale eiwitten functioneren vaak als porie tussen de extra- en intracellulaire ruimte. Via het porie kunnen water en wateroplosbare stoffen passief, dus middels diffusie getransporteerd worden. Sommige poriën zijn selectief voor bepaalde stoffen.
Andere integrale eiwitten functioneren als transportkanaal voor stoffen die anders niet over het celmembraan getransporteerd kunnen worden. Sommige transportkanalen kunnen zelfs stoffen tegen de elektrochemische gradiënt in transporteren; dit wordt actief transport genoemd en kost energie (ATP).
Ook zijn er integrale eiwitten die een enzymatische functie hebben en tenslotte zijn er integrale eiwitten die functioneren als receptor voor wateroplosbare boodschapperstoffen, zoals bijvoorbeeld hormonen die niet de celmembraan kunnen binnendringen. De interactie tussen receptoren en boodschapperstoffen (ligand) zorgt voor structurele veranderingen in de receptor. Door deze verandering wordt de enzymatische activiteit van het intracellulaire deel van het eiwit verhoogd. Ook kunnen de integrale eiwitten, intracellulaire eiwitten die functioneren als second messenger activeren.
Perifere eiwitten bevinden zich aan de intra- of extracellulaire zijde van het celmembraan en functioneren als enzymen, of sluiten, danwel openen de poriën (gevormd door de integrale eiwitten).
Alle koolhydraten van het celmembraan zijn gebonden aan eiwitten en vetten, als glycoproteïnen en glycolipiden. De meeste integrale eiwitten zijn glycoproteïnen en maar een klein gedeelte van de vetten zijn glycolipiden. Vaak is het koolhydraatgedeelte van de glycoproteïnen naar het extracellulaire milieu gericht.
Andere stoffen van het celmembraan die koolhydraten bevatten, worden proteoglycanen genoemd en bevatten een eiwit als kern. Proteoglycanen hebben een zwakke verbinding met het celmembraan, maar omhullen de celmembraan bijna wel geheel. Deze koolhydraatbevattende bedekking van de celmembraan wordt de glycocalyx genoemd.
De koolhydraten van het celmembraan zorgen voor een negatieve elektrische lading, waardoor stoffen met een negatieve elektrische lading worden afgestoten. Verder verbinden de glycocalyx van de verschillende cellen met elkaar, waardoor een ondoordringbare cellaag kan ontstaan. Ook kunnen de koolhydraten van het celmembraan functioneren als receptoren. Tenslotte kunnen de koolhydraten van de celmembraan een immuunfunctie vervullen.
Cytoplasma en organellen
In het cytoplasma zijn kleine stoffen en organellen te vinden. De vloeistof van het cytoplasma wordt cytosol genoemd en bevat met name opgeloste eiwitten, glucose en elektrolyten. Verder zijn in het cytoplasma kleine vetdruppels, glycogeenkorrels, ribosomen en organellen die belangrijk zijn voor het functioneren van de cel te vinden. Deze organellen zijn het endoplasmatisch reticulum, het Golgi-apparaat, mitochondria, lysosomen, peroxisomen en nucleus (celkern).
Endoplasmatisch reticulum
Het endoplasmatisch reticulum (ER) bestaat uit een netwerk van tubuli (buizen) en platte vesiculaire (blaasachtige) structuren. De tubuli en blaasjes staan met elkaar in verbinding. Het ER is omgeven door een membraan die bestaat uit een dubbele fosfolipidenlaag. Deze membraan bevat vele eiwitten. Het membraan van het ER is sterk geplooid, waardoor oppervlaktevergroting ontstaat. Daardoor kan het membraan van het ER vele malen groter zijn dan het celmembraan.
De ruimte in het ER wordt gevuld door de endoplasmatische matrix. De endoplasmatische matrix is een waterige substantie die wat betreft samenstelling verschilt van het cytosol. De endoplasmatische matrix staat in directe verbinding met de celkern.
Via het ER worden stoffen getransporteerd door de cel. Daarnaast bevat het ER vele enzymsystemen, waardoor het ER een belangrijke metabole functie vervult.
Ribosomen staan in nauw contact met het ER en geven het ER onder de lichtmicroscoop een ruw uiterlijk. Om deze reden wordt een ER met veel ribosomen aan de buitenkant van het membraan een ruw ER, of RER genoemd. Ribosomen bestaan uit RNA en eiwitten. Ribosomen maken eiwitten in de cel.
Naast het RER bestaat er ook het glad ER. Glad ER heeft bijna geen ribosomen op de buitenkant van het celmembraan. Het glad ER maakt veelal vetachtige stoffen.
Golgi-apparaat
Het Golgi-apparaat ligt nabij het ER en de nucleus en heeft membranen die een sterke gelijkenis vertonen met de membranen van het glad ER. Het Golgi-apparaat bestaat doorgaans uit vier op elkaar liggende lagen. Vooral cellen, zoals kliercellen die veel producten afgeven aan de extracellulaire ruimte bevatten een uitgebreid Golgi-apparaat.
Het Golgi-apparaat werkt nauw samen met het ER. Zo worden blaasjes afgescheiden van het ER en vloeien later samen met het Golgi-apparaat. Deze blaasjes bevatten producten gemaakt door het ER. De producten in de blaasjes worden na het samenvloeien met het Golgi-apparaat later verder bewerkt door datzelfde Golgi-apparaat. De eindproducten van het Golgi-apparaat worden later weer afgescheiden in blaasjes die lysosomen worden genoemd.
Lysosomen
Lysosomen zijn dus blaasjes met eindproducten die worden afgescheiden door het Golgi-apparaat. De lysosomen voorzien de cel van een verteringssysteem. Dit verteringssysteem heeft drie functies:
- Het breekt beschadigde celdelen af
- Het verteert voedingsstoffen in de cel
- Het valt bacteriën, virussen en andere vreemde stoffen aan en breekt deze af
Het lysosoom is 250 tot 750 nm groot. Het type lysosoom verschilt per celtype. Ook het lysosoom is omgeven door een membraan dat bestaat uit dubbele fosfolipidenlaag. Het lysosoom bevat kleine korrels (granules; van 5 tot 8 nm). Deze granules bevatten tot wel 40 verschillende hydrolasen (verteringsenzymen).
Een hydrolase splitst een organische stof in 2, of meer stoffen door een waterstof, afkomstig van water te binden aan een deel van de stof die afgebroken moet worden en hydroxyl afkomstig van water te binden aan het ander deel van de stof die afgebroken moet worden. Eiwitten, glycogeen en triglyceriden worden respectievelijk gehydrolyseerd in aminozuren, glucosemoleculen en vrije vetzuren en glycerol.
Het membraan van het lysosoom voorkomt dat hydrolasen in contact komen stoffen in het cytoplasma.
Peroxisomen
Peroxisomen lijken sterk op lysosomen. Peroxisomen verschillen op twee manieren van de lysosomen:
- Peroxisomen worden niet afgesplitst van het Golgi-apparaat, maar van het ER en worden gevormd door zichzelf te delen
- Peroxisomen bevatten oxidasen en geen hydrolasen
Oxidasen kunnen zuurstof met waterstof binden tot waterstofperoxide. Waterstofperoxide heeft sterke oxiderende eigenschappen en kan samen met catalase (ook een ander enzym van het peroxisoom met oxiderende eigenschappen) veel stoffen, waaronder alcohol oxideren die anders giftig zouden zijn voor het lichaam.
Uitscheidingsblaasjes
Uitscheiding van stoffen met een bepaalde functie is een belangrijke functie van veel cellen. Bijna alle stoffen worden gevormd door het ER en het Golgi-apparaat. Vervolgens worden deze stoffen uitgescheiden door de cel.
Mitochondria
Mitochondria worden ook wel de energiecentrales van de cel genoemd. De mitochondria produceren de energie die noodzakelijk is om celfuncties uit te voeren. Zonder de mitochondria is de cel niet in staat om zijn functies uit te voeren. Mitochondria komen bijna in alle cellen voor, maar hun aantal en grootte verschilt per cel. Cellen met een grote energiebehoefte bevatten veel grote mitochondria (7 µm groot), terwijl cellen met een kleine energiebehoefte weinig en kleine mitochondria (200-300 nm) bevatten.
De mitochondria bestaan uit twee membranen; een buitenste en een binnenste membraan. Elk membraan bestaat uit twee fosfolipidenlagen. Het binnenste membraan van de mitochondria is sterk geplooid en bevat veel oxidatieve enzymen. De ruimte die wordt omgeven door het binnenste membraan wordt de mitochondriële matrix genoemd en bevat veel enzymen die nodig zijn om glucose en vetzuren af te breken om er vervolgens energie mee te produceren. De enzymen van de mitochondriële matrix en binnenste membraan werken zo samen om glucose en vetten af te breken en te oxideren. Bij deze processen zijn vetzuren en/of glucose, adenosinedifosfaat (ADP), fosfaat (P) en zuurstof nodig en worden koolstofdioxide, water, warmte en het energierijke adenosinetrifosfaat (ATP) gevormd. Het ATP wordt vervolgens door de mitochondria aan het cytoplasma afgegeven. Het ATP wordt gebruikt voor energievragende celprocessen.
De mitochondria bevatten hetzelfde DNA als de nucleus. De mitochondria hebben een delingscapaciteit die onafhankelijk is van de delingscapaciteit van de cel waarin deze voorkomen. Wanneer de energievraag van de cel toeneemt, zullen de mitochondria zich delen, waardoor er meer mitochondria in de cel worden gevormd.
Cytoskelet
Filamenten en tubuli van de cel bestaan uit fibrillen (soort eiwitten). De bouwstenen voor de filamenten worden gevormd door de ribosomen. Vervolgens polymeriseren deze eiwitten tot filamenten. Grote aantallen actinefilamenten komen meestal voor in buitenste delen van het cytoplasma; het ectoplasma. De filamenten vormen in het ectoplasma een elastische structuur die de celmembraan ondersteunen.
Spiercellen bevatten vele actine- en myosinefilamenten die zo zijn gerangschikt dat ze spiercontracties mogelijk maken.
Microtubuli bestaan uit een stijf filament. Het filament bestaat uit gepolymeriseerde tubuline-moleculen. De trilharen (cilia) van cellen bestaan bijvoorbeeld uit microtubuli. Ook het mitotisch spoeltje en centriole bestaan uit microtubuli.
De microtubuli voorzien de cel daarnaast van een stijve structuur; het cytoskelet.
Nucleus
De nucleus stuurt alle functie van de cel aan. De nucleus bevat het erfelijk materiaal (DNA) van de cel. Stukken afgebakend DNA dat bepaalde celfuncties aanstuurt, wordt een gen genoemd. Genen beïnvloeden de kenmerken van alle eiwitten (structurele en enzymen) die de cellen produceert. De genen van de cel sturen ook de celdeling aan. Om celdeling mogelijk te maken, kopiëren alle genen eerst zichzelf in een proces dat mitose.
Membraan van de nucleus
Het membraan van de nucleus wordt ook wel de kernenvelop genoemd. De kernenvelop bestaat uit twee membranen, waarvan elk membraan bestaat uit twee fosfolipidenlagen. Het buitenste membraan vloeit samen met het ER. De gehele kernenvelop bevat vele poriën waardoor de ruimten van de nucleus en ER in direct contact met elkaar staan.
Nucleolus en de vorming van ribosomen
De nucleolus is niet een duidelijk afgegrensd gebied, maar meer een gebied in de nucleus. De nucleolus bestaat uit grote hoeveelheden RNA en eiwitten die ook in ribosomen te vinden zijn. Wanneer de cel veel eiwitten produceert, dan zal dat ook aan de nucleolus te zien zijn; de nucleolus is dan duidelijk vergroot.
De vorming van nucleoli en ribosomen begint in de nucleus. Specifieke geactiveerde delen DNA produceren grote hoeveelheden RNA. Een groot deel van dit RNA wordt direct aan het ER afgegeven en vormt even later met eiwitten ribosomen. Een ander deel van het RNA blijft achter in de nucleus en vormen de nucleoli.
Evolutie van de cel
Hoewel de cel eenvoudig lijkt, is het een complexe levensvorm die honderden miljoenen jaren evolutie nodig heeft gehad. Hoewel een gemiddelde cel met celkern klein lijkt, is deze nog altijd 1000 keer zo groot als een klein virus en heeft een inhoud die een miljard keer zo groot is. De microscopische bouw en functies van een cel met celkern is ook veel complexer, dan die van een virus.
Hoewel er nog discussie is of een virus een levensvorm genoemd mag worden, bestaat hetgeen dat ervoor zorgt dat een virus leeft uit een nucleïnezuur (DNA, of RNA) en een eiwitmantel. Het nucleïnezuur kan zichzelf onder de juiste omstandigheden kopiëren, maar heeft daarvoor wel een gastheercel nodig.
Gedurende de evolutie ontstonden er in het virus andere onderdelen en eiwitten die vervolgens speciale functies uitvoerden. Er werd een membraan rond het virus gevormd en binnen het membraan ontstond een vloeibare matrix die vervolgens enzymen ging bevatten. Deze enzymen katalyseerden specifieke chemische reacties.
Later tijdens de evolutie werden enzymen met vergelijkbare functies omgeven door een membraan en ontstonden vroege vormen van organellen. Nog later werd ook de nucleus gevormd die de functies van de verschillende organellen en de celdeling aanstuurt.
Functionele systemen van de cel
Nu de globale bouw van een dierlijke is beschreven, worden de functies van de dierlijke cel beschreven. We gaan daarbij in endocytose, hoe lysosomen endocytose uitvoeren, de functies van het ER en Golgi-apparaat, de functie van mitochondria en celbewegingen.
Endocytose
Voedingsstoffen en andere stoffen zijn voor de cel noodzakelijk om zijn functies uit te kunnen voeren, te leven en te groeien. De meeste stoffen passeren het celmembraan door diffusie, of via actief transport.
Diffusie is een eenvoudig proces en bestaat uit het bewegen van moleculen met als doel het evenredig verdelen van deze moleculen over een bepaalde ruimte. Vetoplosbare stoffen kunnen door de fosfolipidenlaag van het celmembraan diffunderen. Wateroplosbare stoffen moeten diffunderen met behulp van de integrale eiwitten in de celmembraan.
Actief transport bestaat uit het transporteren van stoffen met behulp van transporteiwitten tegen de elektrochemische gradiënt in. Voor actief transport is ATP nodig. Actief transport wordt mogelijk maakt door de integrale eiwitten.
Met diffusie en actief transport kunnen kleine moleculen over de celmembraan getransporteerd worden. Voor grote stoffen zijn diffusie en actief transport ongeschikt en maakt de cel gebruik van endocytose. Er bestaan twee vormen van endocytose:
- Pinocytose
- Fagocytose
Pinocytose is het insluiten van stoffen, door het vormen van intracellulaire blaasjes om de in te sluiten stof. Bij fagocytose worden grote stoffen zoals hele cellen, beschadigd weefsel en bacteriën ingesloten.
Pinocytose vindt constant plaats in de meeste celmembranen van de meeste cellen. Bij sommige cellen verloopt pinocytose echter sneller. Bij macrofagen (cellen van het immuunsysteem) is per minuut 3 procent van het celmembraan bezig met pinocytose. Pinocytose is vaak de enige manier van de cel om grote moleculen op te nemen. Pinocytose neemt toe wanneer het aanbod van grote stoffen toeneemt. Pinocytose bestaat uit een aantal stappen.
Op het celmembraan komen eiwitreceptoren voor die specifieke eiwitten kunnen binden. Vaak komen de eiwitreceptoren in bepaalde gebieden van het celmembraan veel voor. De eiwitreceptoren zijn intracellulair gehecht aan eiwitfibrillen (clatrhrine genoemd) en andere eiwitten, zoals myosine en actine. Wanneer het eiwit gebonden is aan de eiwitreceptoren vindt er een verandering plaats in het celmembraan. De celmembraan sluit als het ware het eiwit met een kleine hoeveelheid extracellulaire vloeistof volledig in.
Pinocytose is een actief proces en kost de cel dus ATP. Daarnaast zijn calciumionen nodig voor pinocytose.
Fagocytose lijkt sterk op pinocytose. Bij fagocytose worden echter vele grotere stoffen ingesloten, dan bij pinocytose. Gespecialiseerde cellen (fagocyten genoemd), zoals bijvoorbeeld sommige witte bloedcellen en macrofagen zijn in staat tot fagocytose.
De cel start met fagocytose wanneer een stof bindt met de eiwitreceptoren op de fagocyt (de fagocyterende cel). Bacteriën worden bijvoorbeeld door het immuunsysteem gemerkt met antistoffen (eigenlijk ook specifieke eiwitten). De fagocyt herkent deze antistoffen en bindt vervolgens de met antistoffen gemerkte bacteriën (ligand) in een proces dat opsonisatie wordt genoemd. Fagocytose bestaat uit 4 stappen:
- De receptoren binden aan het oppervlak van de liganden
- Het celmembraan omsluit de stof en steeds meer receptoren binden aan liganden
- Actine en andere contractiele fibrillen omringen de omsloten stof volledig. De stof blijft vervolgens in de cel
- De extracellulaire vloeistof die nog in een blaasje in de cel zit wordt door contractie van actine en andere contractiele fibrillen weer naar de extracellulaire ruimte getransporteerd
Lysosomen, pinocytose en fagocytose
Op het moment dat een stof middels pinocytose en/of fagocytose is ingesloten, hechten lysosomen aan de vreemde stof. Lysosomen scheiden vervolgens hydrolasen uit en hydrolyseren de eiwitten, vetten en koolhydraten van de ingesloten stof. Bij deze hydrolyse ontstaan aminozuren, glucose, vetzuren en andere producten. Stoffen die niet gehydrolyseerd kunnen worden, worden middels exocytose weer naar de extracellulaire ruimte getransporteerd.
Lysosomen zijn ook verantwoordelijk voor de afbraak van cellen die zo beschadigd zijn dat ze niet meer gerepareerd kunnen worden. Celschade zorgt er eveneens voor dat lysosomen scheuren. Hierbij komen hydrolasen vrij die vervolgens de eiwitten, koolhydraten en vetten waar de cel uit bestaat, verteren. Bij ernstige celschade wordt de volledige cel afgebroken (autolyse genoemd). De beschadigde cel wordt zo middels autolyse verwijderd. Een nieuwe cel die middels mitose door een naburige cel is ontstaan, neemt de plek in van de verdwenen cel.
Weefsels atrofiëren wanneer ze minder worden gebruikt. Zo nemen spierdikte en botdichtheid af na lange perioden van inactiviteit. Lysosomen zijn verantwoordelijk voor atrofie .
Lysosomen bevatten naast hydrolasen ook bacterociden. Bacterociden breken schadelijke bacteriën af. Lysozyme en lysoferrine zijn twee bekende bacterociden. Lysozymen breken de celmembraan van bacteriën af. Lysoferrine bindt ijzer. IJzer stimuleert bacteriegroei en door ijzer te binden, kunnen bacteriën niet groeien en delen. Verder komt uit de lysosoom een zuur vrij, waardoor de pH daalt en hydrolasen geactiveerd worden. Hydrolasen breken vervolgens de vetten, eiwitten en koolhydraten waar de bacterie uit bestaat af. Ook inactiveren de hydrolasen de metabole machinerie van de bacterie.
Functie van het ER en Golgi-apparaat
De meeste celproducten worden gemaakt door het ER in samenwerking met het Golgi-apparaat. Het ER bepaalt de globale bouw van celproducten en het Golgi-apparaat voert de eindbewerking uit. Het RER is verantwoordelijk voor de productie van alle eiwitten. Hiervoor koppelen de ribosomen op basis van het bouwplan vastgelegd in het RNA aminozuren aan elkaar tot eiwitten.
Het glad ER maakt eveneens fosfolipiden en cholesterol die nodig zijn voor de celmembraan ven ER. Hierdoor neemt de grootte van het ER toe. Ook worden delen van het ER afgesplitst die vervolgens weer samenvloeien met het Golgi-apparaat. Naast het maken eiwitten, fosfolipiden en cholesterol, maakt het ER ook enzymen die nodig zijn voor:
- De glycogenolyse
- Neutraliseren van toxische stoffen
Het Golgi-apparaat heeft een belangrijke taak in de eindbewerking van stoffen die reeds gevormd zijn door het ER. Daarnaast kan het Golgi-apparaat ook koolhydraten maken die het ER niet kan maken, zoals bijvoorbeeld hyaluronzuur en chondroïtinesulfaat. Zowel hyaluronzuur en chondroïtinesulfaat zijn belangrijke bestanddelen van slijm, kraakbeen en botweefsel.
In cellen die veel uitscheidingsproducten produceren (spijsverteringscellen) worden er door het ER en Golgi-apparaat constant uitscheidingsproducten gemaakt. Deze uitscheidingsproducten worden middels blaasjes afgegeven aan het cytoplasma. De met uitscheidingsproducten gevulde blaasjes verplaatsen zich naar de celmembraan, vloeien vervolgens samen met de celmembraan en uiteindelijk worden de uitscheidingsproducten afgegeven aan de extracellulaire ruimte. Het afgeven van uitscheidingsproducten uit het blaasje aan de extracellulaire ruimte wordt exocytose genoemd.
Exocytose wordt gestimuleerd doordat calciumionen vanuit de extracellulaire ruimte instromen. Calciumionen binden vervolgens met het celmembraan van het blaasje gevuld met uitscheidingsproducten en dat is het signaal om vervolgens de uitscheidingsproducten uiteindelijk uit te scheiden in de extracellulaire ruimte, of het cytoplasma.
Het ER samen met het Golgi-apparaat maken ook bouwstoffen voor de celmembraan en membranen van organellen. De bouwstoffen zijn nodig om organellen te laten groeien. Bijvoorbeeld direct na de celdeling zijn organellen nog niet groot. Bouwstoffen zijn nodig om de organellen in grootte te laten toenemen. Verder zorgen bouwstoffen ervoor dat beschadigde organellen gerepareerd kunnen worden.
Functie van de mitochondria
De mitochondria produceren de meeste energie (ATP) die de cel nodig heeft. De mitochondria produceren ATP door vetzuren en glucose af te breken. Alle koolhydraten in onze voeding worden door het spijsverteringsstelsel afgebroken tot de monosachariden glucose, fructose en galactose. De lever zet alle monosachariden om in glucose. Eiwitten worden door het spijsverteringsstelsel afgebroken tot aminozuren en vetten worden afgebroken tot monoglyceriden en vetzuren.
Alleen met glucose, aminozuren, glycerol en vetzuren kan de cel uit de voeten. Aminozuren kunnen door de cel gebruikt worden om nieuwe eiwitten op te bouwen. Aminozuren kunnen ook via ingewikkelde processen worden omgezet in glucose, of acetylCoA. Glucose kan door de cel verbrand worden, anaeroob energie leveren, of in glycogeen, of vet worden omgezet. Vetzuren kunnen samen met glycerol weer tot vet door de cel worden opgebouwd, of worden verbrand.
De verbranding van vetzuren en glucose vindt in de mitochondria plaats. De energie die bij de verbranding vrijkomt, wordt gebruikt om ATP uit ADP en P te vormen. Het gevormde ATP is de universele pasmunt van energie waarmee de cel zijn functies kan uitvoeren.
ATP bestaat uit de stikstofhoudende base adenine, het koolhydraat ribose en drie fosfaatradicalen. De fosfaatradicalen zijn met energierijke verbindingen met elkaar verbonden. Bij het verbreken van één van deze energierijke verbindingen komt 12 kcal vrij. Verder zijn de energierijke verbindingen van ATP erg labiel. Dit betekent dat de verbindingen makkelijk verbroken kunnen worden. Bij het verbreken van één van de energierijke fosfaatverbindingen van ATP komt energie vrij en ontstaan ADP en P. De geproduceerde energie wordt voor uiteenlopende doelen gebruikt, zoals bijvoorbeeld het maken van eiwitten en het opwekken van een zenuwimpuls.
Om nieuwe ATP uit ADP en P te vormen worden creatinefosfaat (CrP), glucose en vetzuren afgebroken. Bij deze afbraak ontstaat energie. Deze energie wordt vervolgens weer gebruikt om ADP en P aan elkaar te koppelen tot ATP.
Wanneer bijvoorbeeld glucose wordt opgenomen door de cel, wordt glucose in de glycolyse afgebroken tot pyruvaat. In de glycolyse komt al een kleine hoeveelheid ATP vrij. Pyruvaat wordt in de mitochondriële matrix omgezet in acetylCoA. AcetylCoA kan vervolgens in de citroenzuurcyclus en het electronentransportsysteem verder worden afgebroken. Bij deze afbraak komt het leeuwendeel van de energie uit glucose vrij om nieuwe ATP te produceren. In de citroenzuurcyclus worden koolstofdioxide en waterstof gevormd. Koolstofdioxide diffundeert uit het mitochondrie en vervolgens uit de cel in het bloed. Uiteindelijk wordt het koolstofdioxide uitgeademd. Waterstof reageert met zuurstof tot water. Bij deze reactie komt energie vrij die wordt gebruikt om ATP te vormen. De processen om uit acetylCoA energie te vormen zijn complex en vinden plaats op de mitochondriële membraan. Het tijdens de citroenzuurcyclus ontstane waterstof, wordt op de mitochondriële membraan omgezet in waterstofionen. Uiteindelijk worden de waterstofionen gekoppeld aan zuurstof. Hierbij komt ontzettend veel energie vrij. De ontstane energie wordt gebruikt door het enzym ATP-synthetase om ADP en P aan elkaar te koppelen tot ATP.
De ATP-vorming in de mitochondria wordt het chemi-osmotische, of oxidatieve fosforylering mechanisme genoemd.
ATP is nodig om energie te leveren voor mechanisch werk (bijvoorbeeld spiercontracties), het transport van stoffen over verschillende membranen (bijvoorbeeld glucose in de cel) en synthese van stoffen (bijvoorbeeld eiwitten, fosfolipiden, cholesterol).
ATP is in de cel altijd aanwezig om snel energie te leveren. Koolhydraten, vetten en soms eiwitten worden afgebroken om energie te leveren om het gebruikte ATP aan te vullen. De afbraak van koolhydraten, vetten en eiwitten verloopt echter traag. Bijna 100% van alle ATP die de cel nodig heeft, wordt geproduceerd door de mitochondria.
Celbewegingen
Spiercellen (skeletspieren, hartspier en gladde spieren) staan bekend om hun celbewegingen. Bij mensen met een gezond lichaamsgewicht maakt de spiermassa tot wel 50% van de totale lichaamsmassa. Er zijn echter ook twee andere belangrijke celbewegingen:
- amoeboïde celbewegingen
- trilhaarbewegingen
Amoeboïde bewegingen
Bij een amoeboïde beweging beweegt de gehele cel naar een andere plaats. Witte bloedcellen hebben bijvoorbeeld de eigenschap om op eigen kracht door weefsels te bewegen. Deze wijze van bewegen worden amoeboïde bewegingen genoemd omdat deze lijkt op de wijze waarop amoebes bewegen.
Een amoeboïde beweging start met de vorming van een pseudopodium. Het pseudopodium wordt langgerekt en hecht zich aan een nieuwe plek. Het pseudopodium werkt als een soort lier en trekt de cel naar de nieuwe plek.
Een amoeboïde beweging komt tot stand door aan de zijde waar het pseudopodium ontstaat nieuw celmembraan te ontwikkelen. In het midden en de achterzijde van de cel wordt juist de celmembraan afgebroken. Het pseudopodium hecht zich aan een nieuwe plaats vast met receptoreiwitten. Het daadwerkelijke bewegen van de cel wordt mogelijk gemaakt doordat het aanwezig actine in de cel polymeriseert tot actinefilamenten. Deze actinefilamenten werken vervolgens met myosinefilamenten samen om tot celbewegingen te komen. Deze bewegingen kosten veel ATP.
Witte bloedcellen zijn typische cellen die amoeboïde bewegingen vertonen. Wanneer witte bloedcellen uit de bloedbaan bewegen en zich als macrofagen nestelen in de weefsels, bewegen ze zich voort middels amoeboïde bewegingen. Verder beweegt de bevruchte eicel zich ook middels amoeboïde bewegingen naar de uterus. Ook fibroblasten die naar beschadigde weefsels bewegen doen dat middels amoeboïde bewegingen.
Chemotaxis is het proces waarbij stoffen in een bepaald gebied zorgen voor amoeboïde bewegingen van cellen naar, of juist van het desbetreffende gebied af. Een stof die chemotaxis veroorzaakt, wordt een chemotaxische stof genoemd. Bij negatieve chemotaxis beweegt de cel zich van het weefsel waar er een hoge concentratie van de chemotaxische stof is af. Bij positieve chemotaxische is het tegenovergestelde het geval.
Trilhaarbewegingen
Aan het celoppervlak kunnen één of meer trilharen (cilia) voorkomen. Deze cilia vertonen zweepachtige bewegingen. De eileiders en luchtwegen zijn de enige weefsels waar cellen met cilia voorkomen. In de luchtwegen zorgen de bewegingen van cilia dat slijm (mucus) met een snelheid van ongeveer 1 centimeter per minuut richting de farynx wordt getransporteerd. Op deze wijze wordt mucus met daarin afval richting de farynx getransporteerd. Vervolgens wordt de mucus doorgeslikt en in de maag ontsmet.
De trilhaarbewegingen van de cellen in de eileiders zorgen ervoor dat de (bevruchte) eicel richting de baarmoeder wordt getransporteerd.
Eén cilium is ongeveer 2 tot 4 µm groot. De cellen van de luchtwegen hebben tot wel 200 cilia. Cilia worden bedekt door het celmembraan. Eén cilium bevat 11 microtubuli; 2 in het midden en 9 aan de zijkanten van het cilium. Het cilium is eigenlijk een uitstulping van het basale lichaam van de cel.
Een cilium beweegt als een zweep met een snelheid van 10 tot 20 bewegingen per seconde. Vloeistof wordt in de richting bewogen waarin het cilium snel beweegt. Deze beweging komt tot stand door het gecoördineerd bewegen van de microtubuli. De tubuli zijn onderling met elkaar verbonden in een structuur die het axoneem wordt genoemd. Het axoneem kan bewegen als er voldoende ATP, Calcium en Magnesium aanwezig is.
De zweepstaart (flagellum) van een spermacel is eigenlijk een ontzettend groot cilium. Toch wordt het flagellum niet tot de cilia gerekend. Dit komt omdat flagella geen zweepachtige bewegingen maken, maar meer een zwembeweging.
Bronnen:
Hall, J.E. (2015). Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. (12th ed.). USA: Saunders Elsevier.
