Cursus Celbiologie 1e Bach. LAW 2024-2025 PDF

CELBIOLOGIE 1e bach. LAW Academiejaar 2024-2025 Docent: Prof. Veerle Janssens 1 1. De chemie van een cel (hoorcollege: 2u) 4 1.1. De chemische samenstelling van cellen: algemeen 1.2. De belangrijkste macromolec...

CELBIOLOGIE 1e bach. LAW Academiejaar 2024-2025 Docent: Prof. Veerle Janssens 1 1. De chemie van een cel (hoorcollege: 2u) 4 1.1. De chemische samenstelling van cellen: algemeen 1.2. De belangrijkste macromoleculen: opbouw en structuur 1.2.1. Eiwitten of proteïnen 1.2.2. Suikers of polysacchariden 1.2.3. Nucleïnezuren (en ATP) 1.2.4. Vetten of lipiden 2. Structuur van een dierlijke cel (hoorcollege: 2u) 26 2.1 De celmembraan 2.2 De kern of de nucleus 2.3 De organellen 2.3.1 Het endoplasmatisch reticulum (ER) 2.3.2 Het Golgi-apparaat (GA) en de endosomen 2.3.3 De lysosomen 2.3.4 De peroxisomen 2.3.5 De mitochondriën 2.4 Het cytoplasma 2.5 Het cytoskelet 3 De kern, DNA-replicatie, celdeling en celdood (hoorcollege: 2u) 42 3.1 De kern: het genetisch centrum van een cel 3.1.1 DNA: structuur, vormen, condensatie 3.1.2 DNA-replicatie 3.2 De celdeling en de kerndeling (mitose) 3.2.1. Inleiding 3.2.2. De celdeling verloopt in fasen 3.2.3. Cycline-afhankelijke kinasen (CDKs): de motoren van de celcyclus 3.2.4. De celcyclus checkpoints: intrinsieke en extrinsieke controlepunten 3.2.5. De meiose 3.3 Celdood: necrose versus apoptose 4 Eiwit expressie, afwerking en sortering (hoorcolleges: 2u+1u) 68 4.1. Het centrale dogma in de moleculaire biologie 4.2. De genexpressie 4.2.1. De transcriptie en mRNA afwerking (‘processing’) 4.2.2. De translatie 4.3. Post-translationele modificaties van eiwitten 80 4.3.1. Gedeeltelijke proteolyse 4.3.2. Zwavelbrugvorming 4.3.3. Glycosylatie 4.3.4. Lipidatie 4.3.5. Ubiquitinatie 4.3.6. Fosforylatie 4.4. Eiwit sortering en transport 4.4.1. Translokatie naar de kern: nucleaire import 4.4.2. Translokatie naar het ER lumen, GA, en secretie 4.4.3. Translokatie naar celmembranen 4.4.4. Actief transport in vesikels langs de microtubuli 5 Transmembranair transport van stoffen (hoorcollege: 1u) 93 5.1. De celmembraan: communicatie tussen de cel en de buitenwereld 5.2. Transport van stoffen door de celmembraan 5.2.1. Passief transport 5.2.1.1 Vrije eenvoudige diffusie 5.2.1.2 Osmose 2  5.2.1.3 Gefaciliteerde diffusie via carriers 5.2.1.3 Diffusie doorheen ionenkanalen 5.2.2. Actief transport: ionenpompen, symporters en uitwisselaars 5.2.3. Transport via exocytose of endocytose 5.3. De rustpotentiaal of membraanpotentiaal van een cel 6 Celsignalering en signaaltransductie (hoorcolleges: 1u+1u+2u+1u) 104 6.1. Inleiding 6.2. Signaaltransductie via receptoren en chemische signalen 6.2.1. G-proteïne-gekoppelde receptoren 6.2.2. Kinase receptoren 6.2.2.1. Receptor tyrosine kinasen (RTK) 6.2.2.2. Cytokine receptoren 6.2.2.3. Toepassing: groeifactor-gemedieerde signalering in kankercellen 6.2.3. Intracellulaire receptoren (of: nucleaire receptoren) 6.3. Signaaltransductie via elektrische signalen 123 6.3.1. Neuronen en synapsen 6.3.2. Neuronale signaaltransductie 6.3.2.1 Inleiding 6.3.2.2 Prikkelbare cellen en de actiepotentiaal 6.3.2.3 Transmissie van actiepotentialen doorheen de neuronale membraan 6.3.2.4 Synaptische transmissie: signaaloverdracht tussen prikkelbare cellen 6.4. Signaaltransductie via mechanische signalen 142 6.4.1. Het oor 6.4.2. De cochlea: het Orgaan van Corti en de haarcellen 6.4.3. Werking van de haarcellen en de stereocilia 6.4.4. Gehoorverlies 7 Celbeweging (hoorcollege: 1,5u) 147 7.1. Ciliaire en flagellaire beweging 7.2. Beweging via podiën 7.2.1. Dynamiek van het actine cytoskelet 7.2.2. De vorming van podiën en microvilli 7.2.3. Migratie in 2D en 3D: planaire celmigratie en invasie 7.3. Contractie 7.3.1. Gestreepte spieren, gladde spieren en de hartspier 7.3.2. De contractiele structuur van een skeletspier 7.3.3. De spiercontractie 7.3.4. Neuronale controle van de spiercontractie 7.3.5. Contractie in de hartspier 7.3.6. Contractie in gladde spieren 8 Integratie van verschillende celbiologische processen, toepassingen (hoorcollege: 1,5u) 165 8.1. Regeling van de bloedsuikerspiegel 8.1.1. Biosynthese en secretie van insuline en glucagon 8.1.2. Insuline en glucagon induceren specifieke signaleringscascades in hun doelwitcellen 8.1.3. Verstoring van de bloedsuiker-homeostase geeft aanleiding tot suikerziekte 8.2. De biologie van een zieke cel: kankercellen 8.2.1. De typische eigenschappen van kankercellen (‘the hallmarks of cancer’) 8.2.2. Hoe verkrijgen kankercellen hun specifieke eigenschappen? 8.2.3. Kankertherapie 8.2.4. Hoofd-/halstumoren 177 3 HOOFDSTUK 1: DE CHEMIE VAN EEN CEL 1.1. De chemische samenstelling van cellen: algemeen 1. Het belang van water (H2O) Water is het meest voorkomende molecule in de cel: 75-80% van de cel bestaat eruit. Maar ook de omgeving buiten de cel (‘extracellulaire ruimte’) bestaat hoofdzakelijk uit water. Water is dus absoluut noodzakelijk om levende wezens in stand te houden. De reden waarom water zo’n unieke plaats inneemt in de biologie, moeten we gaan zoeken bij zijn unieke chemische structuur (FIGUUR 1.1). FIG. 1.1 Alhoewel een watermolecule neutraal (ongeladen) is, krijgt het toch een zgn. polariteit doordat de elektronen van de O-H bindingen niet mooi gelijk verdeeld zitten tussen het O en H atoom: het O atoom is idd meer elektronegatief dan H, waardoor het de elektronen dichter naar zich toetrekt. Dit maakt dat het O atoom in een watermolecule een gedeeltelijk negatieve lading krijgt, en de beide H atomen een gedeeltelijk positieve lading. Door deze ongelijke verdeling van ladingen, wordt het H2O molecule in zijn geheel polair. Het is deze polariteit die voor de unieke eigenschappen van water zorgt, nl. zijn cohesie, zijn temperatuur-stabiliserende capaciteit en zijn mogelijkheid om als oplosmiddel te dienen voor verschillende andere chemische moleculen. De cohesie tussen watermoleculen ontstaan door de vorming van waterstofbruggen (H-bruggen): dit zijn interacties tussen het gedeeltelijk negatief geladen O atoom van één H2O molecule, en het gedeeltelijk positief geladen H atoom van een ander H2O molecule. Hierdoor ontstaat er een precieze 3-dimensionele organisatie (‘cohesie’) die bvb. ook de oorzaak is van de grote oppervlaktespanning van water, zijn hoog kookpunt en zijn hoge 4 ‘specifieke warmte’. Dit laatste is de hoeveelheid warmte die een vloeistof per gram moet opnemen om 1°C in temperatuur te kunnen toenemen. Omdat deze bij water zo hoog is, kan water veel warmte absorberen alvorens zijn temperatuur de hoogte ingaat (in feite wordt de warmte initieel vooral gebruikt om de H-bruggen te breken i.p.v om de H2O moleculen sneller te laten bewegen). In cellen is dit van belang om oververhitting tegen te gaan, bvb. als gevolg van de vrijzetting van energie uit de duizenden biochemische reacties die in de cel plaatsgrijpen. De H-brugvorming tussen H2O moleculen maakt van water ook een excellent oplosmiddel (solvent), vooral voor geladen en polaire moleculen, die daarom als ‘hydrofiel’ bestempeld worden. Anorganische moleculen en de meeste kleinere organische moleculen in cellen zijn hydrofiel, bvb. zouten, suikers, organische zuren en de meeste aminozuren. Hydrofobe moleculen zijn daarentegen slecht oplosbaar in water, en hebben meestal een apolair karakter. Voorbeelden in cellen hiervan zijn de lipiden, die we vooral in membranen terugvinden. Vele biomoleculen hebben echter zowel hydrofiele als hydrofobe delen, waardoor bepaalde delen (de hydrofiele) vooral een affiniteit zullen tonen voor een waterige omgeving, en andere delen (de hydrofobe) niet. Aan de basis van de wateroplosbaarheid van polaire en geladen moleculen ligt het vermogen van water om deze moleculen helemaal te gaan omringen, ook wel hydratatie genoemd (FIGUUR 1.2). FIG. 1.2 De drijvende kracht hierbij is opnieuw de aantrekking tussen positieve en negatieve (deel)ladingen, waarbij een negatief geladen ion zoals bvb. chloride (Cl-) helemaal omringd zal worden door H2O moleculen die daarbij hun positieve deelladingen (de H-atomen) naar het ion zullen richten. Positief geladen ionen zullen daarentegen omringd worden door het negatief deel van de watermoleculen (het O-atoom). Polaire moleculen of grotere biomoleculen die slechts enkele polaire delen bevatten, worden slechts gedeeltelijk omringd door watermoleculen, maar dit is voldoende om deze moleculen te beletten om al te veel met mekaar te gaan interageren, zodat ze toch in oplossing blijven. Apolaire 5 moleculen kunnen geen enkele elektrostatische interactie maken met de H2O moleculen, en zullen daarom eerder met mekaar gaan interageren i.p.v. in het water op te lossen. 2. Het belang van koolstof (C): organische versus anorganische moleculen Het koolstofatoom is het belangrijkste atoom in biologische moleculen (=moleculen die voorkomen in levende wezens). Dit heeft o.a. te maken met de specifieke stabiliteit van koolstofverbindingen en de grote diversiteit van bindingen die het koolstofatoom kan aangaan. Koolstof heeft een valentie van 4, wat wil zeggen dat het 4 vrije elektronen heeft die het met andere atomen kan delen om ‘covalente’ bindingen te vormen (FIGUUR 1.3). In biologische systemen zijn deze atomen meestal waterstof (H, valentie 1), zuurstof (O, valentie 2), stikstof (N, valentie 3), zwavel (S, valentie 2) en koolstof zelf. Hiermee worden enkelvoudige, dubbele of drievoudige bindingen aangegaan, waarbij er respectievelijk 2, 4 of 6 elektronen gedeeld worden tussen twee atomen. Dit leidt allemaal tot de vorming van chemisch zeer stabiele verbindingen (FIGUUR 1.3). FIG. 1.3 6 Analoog kunnen ook de andere atomen (H, O, N, S, maar ook P) op dezelfde manier onderling bindingen aangaan. Op deze wijze worden verschillende ‘functionele groepen’ gevormd die van belang zijn in de organische chemie, zoals de carboxyl groep (of ester, -COOH), de amino groep (of amine, - NH2), de carbonyl groep (of keton, -CO), de aldehyde groep (-CHO), de fosfaat groep (-PO(OH)3), de hydroxyl groep (of alkohol, -OH) en de sulfhydryl groep (of thiol, -SH). Belangrijk om te vermelden is dat de pH (zuurtegraad) in de meeste cellen ongeveer neutraal is, wat impliceert dat sommige van deze groepen een lading zullen krijgen doordat zij in deze omstandigheden reageren als een zuur of een base. Zure groepen, zoals de carboxyl of de fostaatgroep, zullen inderdaad een proton (=H+) afstaan bij neutrale pH, en daardoor negatief geladen worden. Basische groepen, zoals de amino groep, zullen daarentegen een proton (=H+) opnemen bij neutrale pH, en daardoor positief geladen worden (FIGUUR 1.4). Carbonyl, aldehyde, hydroxyl en sulfhydryl groepen blijven ongeladen bij neutrale pH, maar gedragen zich wel als polaire entiteiten, waardoor ze ook beter oplosbaar zijn in een waterige omgeving dan bijvoorbeeld de alkanen of alkenen die enkel uit koolstof en waterstof bestaan en zich gedragen als water onoplosbare, apolaire entiteiten. FIG. 1.4 3. Het belang van selectief permeabele membranen Om als entiteit te kunnen blijven bestaan, moeten cellen een soort van fysische barrière hebben die hun inhoud ‘binnen’ houdt en externe inhouden ‘buiten’ houdt. Een absolute barrière is echter ook niet helemaal aangewezen, want cellen moeten in bepaalde omstandigheden in staat blijven om specifieke intra- en extracellulaire inhouden toch te kunnen uitwisselen, en er moet ook communicatie mogelijk blijven tussen de cel en zijn omgeving, en tussen cellen onderling. In geen geval kan dergelijke barrière oplosbaar zijn in water, want dan zou de cel deze barrière in feite oplossen waardoor ze zou verdwijnen. De membranen die cellen (en ook organellen) omringen, voldoen perfect aan deze 7 criteria: (1) ze bestaan voor het overgrote deel uit wateronoplosbare, apolaire lipiden waardoor ze een hydrofoob karakter krijgen en dus uiterst geschikt worden om dergelijke barrière functie uit te oefenen, en (2) ze bevatten daarenboven allerlei andere macromoleculen, hoofdzakelijk eiwitten, waardoor er communicatie en uitwisseling van moleculen mogelijk blijft met de extracellulaire omgeving. Belangrijk hierbij is dat zowel de communicatie als de uitwisseling van moleculen selectief is, d.w.z. dat enkel welbepaalde moleculen kunnen uitgewisseld worden, en enkel welbepaalde communicatiesignalen zullen kunnen worden opgepikt. 4. Het belang van grote biomoleculen, vaak polymeren van kleinere bouwstenen Heel wat cellulaire structuren blijken opgebouwd uit zgn. macromoleculen, die bestaan uit geordende, meestal lineaire (maar soms ook vertakte) polymeren van kleinere bouwstenen. Voorbeelden hiervan zijn: eiwitten of proteïnen die opgebouwd zijn uit aminozuren; DNA en RNA (nucleïnezuren) die opgebouwd zijn uit nucleotiden; en suikers of polysacchariden die opgebouwd zijn uit monosacchariden. Vetten of lipiden hebben een ietwat verschillende opbouw, maar worden ook vaak als macromoleculen beschouwd omwille van hun grootte. De bouwstenen van de macromoleculen worden door de cel zelf aangemaakt uit vrij simpele anorganische stoffen, zoals fosfaat, nitraat, CO2, O2 e.a. (FIGUUR 1.5). FIG. 1.5 8 Hiervoor, maar ook voor de aaneenkoppeling van de bouwstenen tot macromoleculen (‘polymerisatie’) is energie nodig, die in de cel meestal ter beschikking is onder de vorm van een energierijk molecule, dat adenosine trifosfaat of ATP genoemd wordt (FIGUUR 1.6). FIG. 1.6 5. Het belang van zelf-assemblage in een cel Samen vormen de macromoleculen (eiwitten, lipiden, suikers, nucleïnezuren) zgn. supramoleculaire structuren (bvb. de celmembraan, ribosoom, chromosoom, proteasoom), en deze supramoleculaire structuren zullen op hun beurt samen organellen en andere subcellulaire structuren vormen (bvb. de celkern, de mitochondriën), en uiteindelijk de volledige cel. Belangrijk hierbij is dat het vermogen om deze grotere structuren te vormen inherent is aan de macromoleculen zelf, m.a.w. de informatie nodig om zich op de juiste manier te vouwen en met andere macromoleculen te interageren om deze hogere structuren op te bouwen ligt besloten in de macromoleculen zelf, en gebeurt spontaan, zonder dat daar bijkomende energie of informatie voor nodig is. In een enkel geval, nl. bij de vouwing van eiwitten, zijn er soms helper-eiwitten nodig, de zgn. chaperones, die vooral die interacties zullen verhinderen die tot een verkeerde opvouwing van het eiwit zouden kunnen leiden. De verklaring voor het spontaan ontstaan van de specifieke 3-dimensionele structuur van macromoleculen en hogere supramoleculaire structuren moeten we weer in de chemie gaan zoeken, nl. in de vorming van niet-covalente bindingen 9 en interacties tussen resp. polaire moleculen of polaire gedeelten van moleculen (bvb. H-bruggen, ionische bindingen, Van der Waals interacties) en resp. tussen apolaire moleculen of apolaire gedeelten van moleculen (hydrofobe interacties). Elk van deze interacties brengen welbepaalde delen van het macromolecule dichter bij mekaar, waardoor een specifieke 3-dimensionele structuur ontstaat. Dezelfde principes gelden voor de opbouw van supramoleculaire structuren, waarbij verschillende macromoleculen op deze manier met elkaar kunnen interageren, en ‘structuur’ geven aan de supramoleculaire entiteit. Tot slot, merken we nog op dat uit de manier waarop deze zelf- assemblage in zijn werk gaat, het duidelijk blijkt dat deze hiërarchisch gestructureerd is (=stapsgewijze, en in een specifieke volgorde), wat het voordeel oplevert van relatief ‘simpel’ te zijn, maar ook een snelle kwaliteitscontrole mogelijk maakt op ieder niveau waardoor geen onnodige energie verspild wordt aan bvb. de aanmaak van een defect organel als het defect zich reeds bij de aanmaak van een macromolecule situeert. 1.2. De belangrijkste macromoleculen: opbouw en structuur 1.2.1 Eiwitten of proteïnen Proteïnen zijn zondermeer de belangrijkste en meest abundante macromoleculen in de cel: zij zorgen ervoor dat de cel kan functioneren. Op basis van hun functie worden eiwitten opgedeeld in minstens 9 klassen: enzymen, structuureiwitten, bewegingseiwitten, regeleiwitten, transporteiwitten, hormonen, receptoren, beschermingseiwitten en opslageiwitten. - Enzymen = bio-katalysatoren: versnellen honderden biochemische reacties in de cel - Structuureiwitten: geven steun en structuur aan de cel en haar organellen - Bewegingseiwitten: zijn belangrijk voor de beweging van, en in, cellen - Regeleiwitten: controleren en coördineren noodzakelijke cellulaire functies - Transporteiwitten: zijn verantwoordelijk voor transport van moleculen in, uit en binnen de cel - Hormonen: zorgen voor communicatie tussen cellen die zich ver van mekaar bevinden - Receptoren: mediëren de respons van de cel op chemische moleculen in haar nabijheid - Beschermingseiwittten: bieden bescherming tegen ziekte of infectie - Opslageiwitten: zijn opslagplaatsen of reservoirs voor andere moleculen De meeste eiwitten zijn monofunctioneel (hebben maar één functie), maar sommige kunnen ook bi- of multifunctioneel zijn (combineren twee of meerdere functies). Proteïnen zijn lineaire polymeren van aminozuren. Zoals de naam het zegt, bestaat een aminozuur uit een centraal C atoom waarop steeds een carboxyl groep (zuur) en een amino groep (basisch) zijn 10 gekoppeld, naast een H atoom. De vierde groep die met het C atoom bindt, is variabel, en het is de aard van deze groep die de verschillen tussen aminozuren en de naam van het specifieke aminozuur zal bepalen. Deze groep wordt ook de ‘(variabele) zijketen’ genoemd, of R-groep (FIGUUR 1.7). FIG. 1.7 In de cel worden 20 verschillende aminozuren gebruikt voor de biosynthese van eiwitten, en deze worden zowel met een 3-letter-afkorting als een 1-letter-code aangegeven (FIGUUR 1.8). FIG. 1.8 11 Op basis van de aard van de zijketen worden de aminozuren ingedeeld in ‘geladen’ en ‘ongeladen’, waarbij de ongeladen zijketens verder worden opgedeeld in ‘polaire’ en ‘apolaire’ (FIGUUR 1.9). FIG. 1.9 Het soort, het aantal en de volgorde van de aminozuren zal de aard van het eiwit bepalen (= de ‘primaire’ structuur). En zoals reeds eerder vermeld, zal deze primaire structuur vanzelf resulteren in 12 opvouwing tot een welbepaalde 3-dimensionele structuur (= ‘tertiaire’ structuur). Dit gebeurt meestal echter niet direct, maar via tussenkomst van zgn. ‘secundaire’ structuren, zoals de α–helices en β– sheets, die je zou kunnen beschouwen als een soort substructuur van eiwitten en die vooral door H- bruggen gestabiliseerd worden. Met ‘quaternaire’ structuur van een eiwit bedoelt men een nog hogere structuur, waarbij verschillende eiwitten samen een eiwitcomplex vormen, of ‘multimeer’ (bvb. een enzyme dat is opgebouwd uit verschillende subeenheden) (FIGUUR 1.10). FIG. 1.10 De polymerisatie of lineaire koppeling van aminozuren gebeurt via vorming van een chemische binding tussen de carboxyl groep van het ene aminozuur en de aminogroep van het volgende aminozuur. Hierbij wordt een H2O molecule vrijgezet en een amide binding gevormd, die ook wel ‘peptidebinding’ genoemd wordt (FIGUUR 1.11). De covalente binding van twee aminozuren resulteert zo in de vorming van een ‘dipeptide’. Door analoge, stapsgewijze verdere koppelingen kan vervolgens een ‘tripeptide’ gevormd worden, en na x aantal verdere koppelingen van aminozuren, een ‘polypeptide’. Merk op dat het polypeptide door deze stapsgewijze koppelingen in feite ‘een richting’ krijgt: in het eerste aminozuur zal idd. de aminogroep nog ‘vrij’ (ongekoppeld) zijn; in het laatste aminozuur van de keten zal daarentegen de carboxylgroep nog vrij zijn. Deze uiteinden worden daarom aangegeven als de N- of amino-terminus van het polypeptide, en de C- of carboxy-terminus van het polypeptide. 13  FIG. 1.11 In cellen gebeurt de polymerisatie van aminozuren niet zomaar: er is energie voor nodig, en het is een informatie-gestuurd proces (de genetische informatie!) waarin duidelijk aangegeven wordt waar en wanneer welk aminozuur moet gekoppeld worden, en wanneer het koppelen moet stoppen (zie verder: proteïne translatie). Daarenboven ondergaan vrijwel alle polypeptiden na hun synthese nog verdere modificaties (‘post-translationele modificaties’) alvorens ze zichzelf tot een volledig biologisch actieve structuur kunnen opvouwen (zie verder). 1.2.2 Suikers of polysacchariden Suikers of polysacchariden zijn in een dierlijke cel vooral van belang voor de opslag van energie (‘opslagsuikers’) en om structuur te geven aan bepaalde elementen (‘structuursuikers’). Een voorbeeld van een opslagsuiker is glycogeen (in lever -en spiercellen); een voorbeeld van een structuursuiker is chitine (uitwendig cytoskelet van insekten). Suikers bestaan uit een lineaire of vertakte aaneenschakeling van monosacchariden (=de bouwstenen). Er zijn zeer veel verschillende monosacchariden gekend, waarvan de belangrijkste glucose, fructose, galactose en ribose zijn. Chemisch gezien bestaat een monosaccharide uit een aldehyde of keton groep, en minstens 2 hydroxyl (of alkohol) groepen. Men spreekt van ‘aldose suikers’ (hebben aldehyde groep) en ‘ketose suikers’ (hebben keton groep) (FIGUUR 1.12). 14  FIG. 1.12 De meeste monosacchariden bestaan uit 3 tot 7 C-atomen, en ze worden in het algemeen triose (3 C atomen), tetrose (4 C atomen), pentose (5 C atomen), hexose (6 C atomen) of heptose (7 C atomen) suikers genoemd. Het meest voorkomende monosaccharide in de cel is de hexose suiker, glucose, die een aldose suiker is met 5 hydroxyl groepen. Glucose komt in de cel voor als een lineaire structuur, maar vaker, als een ringvormige structuur die in feite stabieler is (FIGUUR 1.13). De oriëntatie van de OH groep op het 1e C atoom bepaalt of het om een α of een β vorm van de suiker gaat (FIGUUR 1.14). FIG. 1.13 FIG. 1.14 Een verbinding van twee monosacchariden wordt een ‘disaccharide’ genoemd. Hierbij reageert de OH groep van het 1e C atoom (bvb. in de β positie) van het eerste monosaccharide, met de OH groep op bvb. het 4e C atoom van het tweede monosaccharide. Er wordt dan een H2O molecule afgesplitst en een ‘glycosidebinding’ gevormd, in dit geval een β(1-4) glycoside binding (FIGUUR 1.15). Bij de belangrijkste disacchariden horen maltose (= α(1-4) binding tussen α-D-glucose en α-D-glucose), lactose (= β(1-4) binding tussen β-D-galactose en β-D-glucose) en saccharose, vaak ook sucrose genoemd (= α(1-4) binding tussen α-D-glucose en β-D-fructose). The ‘D’ wijst op de stereochemische eigenschappen van de 4 C atomen in glucose die een asymmetrische configuratie hebben (FIGUUR 1.16), en daardoor, zowel in een D- als een L-vorm kunnen voorkomen (‘stereo-isomeren’). Merk op 15 dat de meeste aminozuren (glycine, met R-groep = -H, uitgezonderd) ook een asymmetrisch C atoom hebben; zij komen in de cel echter enkel voor als de L-vorm (FIGUUR 1.16). FIG. 1.15 FIG. 1.16 16 In langere polysacchariden, geven α of β(1-4) glycoside bindingen aanleiding tot lineaire polymeren, maar α of β(1-6) bindingen zullen aanleiding geven tot vertakkingen en vertakte polymeren, zoals bvb. in glycogeen. Glycogeen bestaat hoofdzakelijk uit α-D-glucose bouwstenen, lineair aan mekaar verbonden via α(1-4) glycoside bindingen, met om de 8 à 10 glucoses, een α(1-6) binding, waardoor er regelmatige vertakkingen ontstaan (FIGUUR 1.17). Het opgeslagen glycogeen in de lever is een bron van glucose, en kan aangesproken worden om de hoeveelheid glucose in het bloed (=bloedsuikerspiegel) op peil te houden. Het opgeslagen glycogeen in de spiercellen is vooral een bron van brandstof waarmee ATP (energie) kan gegenereerd worden om de spieren te kunnen laten samentrekken. FIG. 1.17 FIG. 1.17 17 1.2.3 Nucleïnezuren (en ATP) Nucleïnezuren zijn in een cel van het grootste belang voor het stockeren, overbrengen en het tot uiting brengen van genetische informatie. De twee belangrijkste soorten nucleïnezuren zijn DNA (deoxyribonucleïnzuren) en RNA (ribonucleïnezuren). DNA en RNA spelen verschillende functies in de cel (zie verder), en hebben een verschillende chemische structuur. Beide bestaan ze echter uit lineaire polymeren van nucleotiden (=bouwstenen), waarvan de verscheidenheid niet zo groot is als die van de aminozuren of monosacchariden. Voor RNA vormt een D-ribose suiker het basisonderdeel van het nucleotide; voor DNA is dit een deoxy-D-ribose (het verschil doet zich voor op de 2’ positie van de D- ribose) (FIGUUR 1.18). Op dit suikermolecule zit er daarnaast in beide gevallen op de 5’ positie een fosfaat groep gekoppeld (via fosfo-ester binding), en op de 1’ positie een N-rijke organische base, waarvan er 5 soorten bestaan: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T) en uracil (U) (FIGUUR 1.18). In DNA, vindt men enkel A, C, G en T terug; in RNA, enkel A, C, G en U. Adenine en guanine worden ook wel de ‘purine’ basen genoemd; en cytosine, thymine en uracil de ‘pyrimidine’ basen. De verbinding tussen enkel de ribose suiker en een purine of pyrimidine base wordt een ‘nucleoside’ genoemd, of meer specifiek: adenosine, guanosine, cytidine, thymidine en uridine. FIG. 1.18 18 De polymerisatie of koppeling van nucleotiden gebeurt via een chemische binding tussen de vrije OH groep op de 3’ positie van het ribose molecule in een eerste nucleotide, met de fosfaat op de 5’ positie van het ribose molecule in het volgend nucleotide. Hierbij wordt een H2O molecule vrijgezet en een fosfo-di-ester binding gevormd (FIGUUR 1.19). Zo wordt eerst een ‘dinucleotide’ gevormd; door analoge koppeling van een volgend nucleotide, een ‘trinucleotide’; en na koppeling van x aantal nucleotiden, uiteindelijk een ‘polynucleotide’. Merk op dat het polynucleotide door deze stapsgewijze koppelingen, net als een polypeptide, een richting krijgt: in het eerste nucleotide zal idd. de fosfaatgroep op de 5’ positie van de ribose nog ‘vrij’ (ongekoppeld) zijn; in het laatste nucleotide van de keten zal daarentegen de OH-groep op de 3’ positie van de ribose nog vrij zijn. Deze uiteinden worden aangegeven als het 5’ en 3’ uiteinde van het polynucleotide, en bij conventie zal de polynucleotide sequentie ook steeds van 5’ naar 3’ worden genoteerd. FIG.1.19 19 Een fundamentele chemische eigenschap van de purine en pyrimidine basen is dat ze onderling H- bruggen kunnen vormen: 3 H-bruggen tussen C en G, en 2 H-bruggen tussen A en T of tussen A en U (FIGUUR 1.20). FIG. 1.20 Deze specifieke ‘baseparing’ heeft zeer belangrijke implicaties op 3 vlakken: (1) het maakt het mogelijk dat de polymerisatie van nucleotiden een informatie-gestuurd proces is (zie verder: transcriptie en DNA-replicatie), (2) het ligt aan de basis van de manier waarop nucleïnezuren mekaar kunnen ‘herkennen’, en (3) het heeft gevolgen voor de tertiaire en quaternaire structuur die DNA en RNA, na verdere spontane vouwing en onderlinge interacties van de polynucleotide ketens zullen aannemen. In zijn meest gewone vorm, komt DNA idd. voor in de cel als de alom bekende dubbele helix, waarbij twee complementaire polynucleotide ketens zich anti-parallel zullen ordenen via onderlinge purine- pyrimidine baseparing (FIGUUR 1.21). De tertiaire structuur van RNA wordt eveneens bepaald door baseparing, maar deze beperkt zich meestal tot korte complementaire gebieden binnen eenzelfde RNA 20 molecule, en is zeker niet zo uitgebreid als de baseparing tussen 2 volledig complementaire DNA moleculen binnen de dubbele helix. FIG. 1.21 Addendum: ATP (en GTP) Adenosine trifosfaat (ATP) is een energierijke verbinding die voor cellen de belangrijkste manier vormt waarop ze energie stockeren. Het wordt hier kort besproken omdat het een nucleotide-achtige structuur heeft: het bestaat idd uit een ribose suiker met op de 1’ positie een adenosine, en op de 5’ positie, niet één, maar drie aan mekaar veresterde fosfaten (FIGUUR 1.22). De binding die de eerste fosfaat op de ribose koppelt is een laag-energetische binding, maar de bindingen die de tweede en de derde fosfaat groep aan het molecule koppelen zijn zeer energierijk, wat impliceert dat bij hun hydrolyse, heel wat voor de cel nuttige energie kan vrijkomen. Bij afsplitsing van 1 fosfaat wordt ADP 21 gevormd (adenosine difosfaat); bij de afsplitsing van 2 fosfaten wordt AMP gevormd (adenosine monofosfaat). Al deze reacties zijn reversibel (=omkeerbaar): zo kan er uit AMP en een geschikte fosfaatdonor weer ADP gevormd worden, en uit ADP en een geschikte fosfaatdonor weer ATP. Op deze manier wordt energie opgeslagen onder de vorm van ATP. In feite, gelden min of meer dezelfde regels voor guanosine trifosfaat (GTP) dat in de cel ook vaak gehydrolyseerd wordt bij processen waarvoor de energie die hierbij vrijkomt, nuttig gebruikt wordt. FIG. 1.22 1.2.4 Vetten of lipiden In tegenstelling tot de hoger besproken macromoleculen ontstaan lipiden niet uit een polymerisatie van lipide bouwstenen, maar worden ze vooral omwille van hun hoog moleculair gewicht, tot de macromoleculen van de cel gerekend. Ze vormen een zeer heterogene groep, die niet zozeer qua chemische structuur op mekaar gelijkt, maar wel qua één belangrijke chemische eigenschap, nl. hun hydrofoob karakter. We gaan dus weinig geladen of polaire groepen in hun structuur terugvinden, maar wel veel apolaire C-H-rijke gebieden. Hun belangrijkste functies in de cel: (1) het zijn ‘opslagvetten’ en vormen dus een bron van energie voor cellen, (2) ze hebben een structurele functie, nl. in de opbouw van biomembranen, en (3) ze hebben een specifieke biologische functie, bvb. ze werken als signaalmolecule binnen of buiten de cel. De 5 belangrijkste klassen van lipiden zijn: (1) de vetzuren, (2) de triacylglycerolen, (3) de fosfolipiden, (4) de glycolipiden, en (5) de steroïden (FIGUUR 1.23). 22  FIG. 1.23 (1) Vetzuren bestaan uit lange, apolaire alkaan of alkeen ketens (dus uitsluitend C-C of C=C bindingen) met op het eind een zure carboxyl groep (COOH) (FIGUUR 1.23-a), die in de cel bij neutrale pH voorkomt als COO-. Ze bestaan dus uit een hydrofiel en een hydrofoob deel, resp. de polaire ‘kop’ en de apolaire ‘staart’, en ze worden daarom ‘amfipathisch’ genoemd. Het aantal C atomen in een vetzuur is meestal even (dit heeft te maken met de manier van hun biosynthese), en varieert tussen 12 en 20. 23 Vetzuren die enkel bestaan uit C-C bindingen worden ‘verzadigd’ genoemd, en hebben eerder een lineaire structuur. ‘Onverzadigde’ vetzuren bevatten daarentegen één of meerdere dubbele C=C bindingen, en verkrijgen hierdoor ter hoogte van iedere dubbele binding een ‘knik’ in hun structuur (FIGUUR 1.23-a). Vetzuren fungeren hoofdzakelijk als energiebron in cellen. (2) Triacylglycerolen of triglyceriden bestaan uit een glycerol molecule (C3H8O3 = C3 met 3 alkohol- groepen), waaraan 3 vetzuren veresterd zitten (FIGUUR 1.23-b). Deze 3 vetzuren hoeven niet identiek te zijn: ze kunnen verschillen qua lengte en/of qua graad van verzadiging. Triglyceriden die uit verzadigde vetzuurketens bestaan, zijn op kamertemperatuur gewoonlijk vast, en worden ‘vetten’ genoemd; maar in planten bvb. komen veelal triglyceriden voor met onverzadigde vetzuurketens, die op kamertemperatuur vloeibaar zijn, en ‘oliën’ genoemd worden. Triglyceriden fungeren, net als vetzuren, hoofdzakelijk als energiebron in cellen. (3) Fosfolipiden lijken erg op triglyceriden, maar in dit geval is er één vetzuurketen vervangen door een fosfaat groep. Bovendien kan er op deze fosfaatgroep nog een bijkomende, variabele groep zitten, die de R-groep genoemd wordt, naar analogie met de variabele zijketen in een aminozuur (FIGUUR 1.23-c-links). De meest voorkomende R-groepen zijn serine, ethanolamine, choline en inositol (FIGUUR 1.24). Met uitzondering van inositol, bevatten deze R-groepen minstens één aminogroep (NH2), die bij neutrale pH een positieve lading krijgt (NH3+). Dit, samen met de negatief geladen fosfaat groep, geeft aan de fosfolipiden een uitgesproken polair karakter (‘polaire kop’). Het amfipathisch karakter van fosfolipiden ligt aan de basis van hun functie in de opbouw van membranen (zie verder). Fosfatidylinositol (PI) (=fosfolipide met inositol als de R-groep) zal daarenboven ook een belangrijke rol kunnen vervullen als signaalmolecule na bijkomende fosforylatie van de –OH groepen in de inositol ring (‘fosfo-inositiden’, zie verder). FIG. 1.24 24 (4) Glycolipiden zijn al zeer gespecialiseerde membraanlipiden, die bestaan uit een sfingosine (een amine alkohol) waarop via de amine groep een vetzuur gebonden is, en via de alkohol groep een suikergroep bestaande uit 1 tot 6 monosacchariden (FIGUUR 1.23-d). De suikergroep geeft aan deze moleculen opnieuw een hydrofiel karakter, en dus een amfipathisch karakter in zijn totaliteit. Glycolipiden komen enkel in het buitenblad van biomembranen voor (zie verder), en meestal in gespecialiseerde cellen zoals neuronen. Wanneer de suikergroep in de glycolipiden vervangen wordt door een fosfaat, al dan niet met bijkomende R-groep, dan spreekt men van een sfingolipide (FIGUUR 1.23-c-rechts). (5) Steroïden hebben een heel aparte structuur, waarvan de basis gevormd wordt door 4 aaneengeschakelde ringstructuren waaraan verschillende functionele groepen gekoppeld kunnen zitten, en die voorts van mekaar verschillen qua aantal dubbele bindingen (FIGUUR 1.25). Het meest voorkomende steroïde in dierlijke cellen is cholesterol (FIGUUR 1.23-e), en men vindt dit in de meeste biomembranen terug, waar het zorgt voor een meer geordende structuur met densere opeenpakking van lipiden, dankzij niet-covalente interacties tussen cholesterol en andere membraanlipiden. Cholesterol is ook het basismolecule voor de synthese van steroïde hormonen, zoals oestradiol (een oestrogeen), testosteron (een androgeen), cortisol (een glucocorticoid) en aldosteron (een mineralocorticoid) (FIGUUR 1.25). FIG. 1.25 25 HOOFDSTUK 2: STRUCTUUR VAN EEN DIERLIJKE CEL In de natuur vindt men cellen in alle maten, vormen, kleuren en gewichten. Eukaryote cellen onderscheiden zich van prokaryote cellen (bacteriën) door het voorkomen van een celkern die omringd is door een membraan. Dierlijke cellen onderscheiden zich van plantencellen hoofdzakelijk door het afwezig zijn van een celwand, en enkele gespecialiseerde organellen zoals bvb. de chloroplasten (bladgroenkorrels). In deze cursus beperken we ons tot de biologie van eukaryote, dierlijke cellen. Deze cellen zijn qua organisatie typisch gecompartimenteerd, zowel structureel als functioneel (dit gaat samen!), en sommige hebben zich hyper-gespecialiseerd om welbepaalde functies binnen een organisme optimaal te kunnen uitvoeren. Dit laatste proces wordt ‘celdifferentiatie’ genoemd. De meeste dierlijke cellen hebben afmetingen in de grootte-orde van 10- 50 µm, maar sommige gespecialiseerde cellen, zoals bvb. bepaalde neuronen, kunnen verschillende meter lang zijn….Het gecompartimenteerd karakter van de cel komt tot uiting door het voorkomen van verschillende zgn. celorganellen, wat in feite gespecialiseerde onderdelen of sub-structuren van de cel zijn, vaak omringd door een membraan (waardoor het idd. aparte entiteiten worden binnen een cel), en die in de cel specifieke functies vervullen. Hieronder worden de meest typische structuren van een dierlijke cel besproken (FIGUUR 2.1). FIG. 2.1 26 De 5 hoofdonderdelen van een eukaryote, dierlijke cel zijn: (1) de plasma- of celmembraan (definieert de grens van de cel met zijn omgeving, en houdt de inhoud van de cel samen), (2) de celkern of nucleus (bevat het DNA van de cel en stuurt daardoor vrijwel alle activiteiten van de cel), (3) de verschillende organellen (stuk voor stuk omringd door een membraan, en elk met een gespecialiseerde functie), (4) het cytoplasma of cytosol (de vloeistof binnen een cel waarin de kern en de organellen ‘zwemmen’ en die mee zorgt voor het volume van een cel), en (5) het cytoskelet (een eerder rigide netwerk dat de cel stevigheid, vorm en beweeglijkheid geeft). 2.1. De celmembraan De celmembraan is ongeveer 5 nm dik, en is opgebouwd uit een dubbele laag van lipiden (hoofdzakelijk fosfolipiden, maar ook sfingolipiden en cholesterol), waarmee ook eiwitten geassocieerd zijn (FIGUUR 2.2). De dubbele lipidenlaag ontstaat door sterke hydrofobe interacties tussen de vetzuurketens die naar mekaar gericht zijn, waardoor de hydrofiele koppen aan de buitenkant van de dubbele lipidenlaag komen te liggen. Deze laatste maken dus zowel de buitenkant van de celmembraan uit (die contact maakt met de waterige extracellulaire omgeving) als de binnenkant (die contact maakt met het waterige cytosol). FIG. 2.2 27 De celmembraan is asymmetrisch opgebouwd, met een andere verdeling van lipiden in het binnenblad versus het buitenblad (bvb. glycolipiden komen enkel in het buitenblad voor; fosfatidylinositol (PI) en fosfatidylserine (PS) vooral in het binnenblad), maar ook met lokale verschillen in samenstelling (bvb. de zgn. ‘rafts’ en ‘caveolae’ vormen meer rigide, cholesterol-rijke microdomeinen binnen de celmembraan, met gespecialiseerde functies in celsignalering). De celmembraan is geen rigide structuur, maar heeft een zekere vloeibaarheid (= ‘fluïditeit’) die o.a. afhankelijk is van de temperatuur en de samenstelling. Hoe meer verzadigde vetzuurketens, en hoe langer de ketens, hoe meer rigide de membraan zal zijn, omdat de hydrofobe ‘packing’ van de ketens dan veel denser kan zijn. Hoe korter de ketens en hoe onverzadigder (=meer ‘knikken’ in de ketens), hoe groter de fluïditeit. In deze fluïde structuur dobberen ook de membraaneiwitten rond (FIGUUR 2.3). FIG. 2.3 28 Deze membraaneiwitten zijn ook amfipathisch, met zowel hydrofiele als hydrofobe delen, waarbij de hydrofobe delen zich naar de binnenkant van de membraan zullen oriënteren en de hydrofiele delen naar de buiten- of de binnenkant van de cel zullen uitsteken. Net zoals de glycolipiden in het buitenblad van de membraan zullen eiwitten die naar buiten uitsteken vaak suikergroepen dragen (‘geglycosyleerde eiwitten’ of ‘glycoproteïnen’). Deze suikerrijke ruimte aan de buitenkant van de membraan wordt ‘glycocalix’ genoemd. Het specifieke suikerpatroon van de glycocalix vormt een belangrijke biologische merker waardoor cellen mekaar herkennen (bvb. zaad- en eicel; immuuncellen en kankercellen; immuuncellen en endotheelcellen). De eiwitten in de celmembraan kunnen verschillende functies vervullen (FIGUUR 2.4): FIG. 2.4 (1) transmembranaire eiwitten overspannen de ganse membraan (één of meerdere malen; ‘single- pass’ of ‘multipass’), en spelen een rol als receptor (detecteren en binden externe signaalmoleculen) of als transporteiwit (transporteren hoofdzakelijk geladen deeltjes zoals ionen of hydrofiele moleculen doorheen de membraan, bvb. ‘pompen’ of ‘carriers’; of: als transporteiwitten samen gaan klitten, kunnen ze ook ‘kanalen’ vormen die ionen onder bepaalde voorwaarden kunnen doorlaten). De transmembranaire eiwitten behoren tot de klasse van ‘integrale’ membraaneiwitten. (2) monotopische membraaneiwitten zijn eveneens integrale membraaneiwitten, maar ze bevinden zich enkel in het binnenblad, of enkel in het buitenblad. Ook hier gebeurt de membraanverankering via intrinsieke hydrofobe delen van het eiwit, of in sommige gevallen via één of meerdere covalente lipide modificaties van het eiwit (bvb. ‘geprenyleerde’ eiwitten: in het binnenblad; of GPI (glycosyl- phosphatidyl-inositol)-verankerde eiwitten: in het buitenblad). Monotopische eiwitten in het binnenblad vervullen meestal een signaleringsfunctie; monotopische eiwitten in het buitenblad spelen vaak een rol in cel-cel adhesie. 29 (3) ankereiwitten fungeren als bindingsplaats voor cytoskelet eiwitten en verankeren hierbij dus het cytoskelet aan de membraan (=’celcortex’) (4) perifere eiwitten, meestal enzymes, plakken indirect vast aan de membraan via niet-covalente interacties met andere membraaneiwitten, en katalyseren hierbij verschillende membraan-gebonden biochemische reacties. 2.2. De kern of de nucleus De nucleus is de controlekamer van de cel. Hierin bevindt zich de genetische informatie, onder de vorm van DNA, waarin alle informatie is opgeslagen die nodig is om de cel te laten leven, werken, en desnoods, te laten sterven. De kern is afgesloten van de rest van de cel met een dubbele membraan (‘binnenste’ en ‘buitenste’ kernmembraan) die samen de ‘nucleaire envelop’ vormen en waarvan de binnenste membraan rust op een laagje eiwitten, die de ‘nucleaire lamina’ genoemd wordt. De nucleaire envelop is doorstoken met openingen (=nucleaire ‘poriën’), waardoor transport van eiwitten en andere moleculen (bvb. RNA) of supramoleculaire structuren (bvb. ribosomen) tussen de kern en het cytoplasma mogelijk wordt (FIGUUR 2.5). FIG. 2.5 30 In niet-delende cellen, komt het DNA in de nucleus voor onder de vorm van ‘chromatine’, een ongeordende ‘soep’ van DNA geassocieerd met specifieke eiwitten (bvb. de histonen). In delende cellen, gaat dit chromatine aanzienlijk condenseren, en komt het DNA, na replicatie, voor onder de vorm van ‘chromosomen’, die een gelijkmatige verdeling van het DNA toelaten over de twee dochtercellen (zie verder: celdeling). Verder vindt men in de nucleus ook nog de zgn. ‘nucleoli’ terug (enkelvoud: nucleolus). Dierlijke celkernen bevatten meestal één of twee nucleoli, maar het kunnen er ook meerdere zijn. De nucleolus is een bolvormig structuurtje, zonder membraan, dat uit ‘fibrillen’ en ‘granulen’ bestaat (FIGUUR 2.6), en dat belangrijk is voor de aanmaak van de ribosomen. Ribosomen zijn supramoleculaire entiteiten die bestaan uit eiwitten en RNA, en die een belangrijke rol vervullen in de biosynthese van eiwitten (zie verder: translatie) (FIGUUR 2.7). De nucleolaire fibrillen zijn DNA dat overgeschreven wordt in ribosomaal RNA (rRNA); de granulen zijn de rRNA moleculen die verpakt worden met pas gesynthetiseerde en in de kern geïmporteerde ribosomale eiwitten, ter vorming van beide ribosoom subeenheden (FIGUUR 2.7). Deze afgewerkte ribosomale subeenheden worden vervolgens weer uit de kern naar het cytoplasma geëxporteerd, waar ze samen functionele ribosomen zullen vormen die nodig zijn bij de eiwittranslatie. ribosomaal eiwit rRNA FIG. 2.6 FIG. 2.7 Tot slot, bevat de kern ook nog een waterige vloeistof, waarin alle subnucleaire structuren liggen ingebed, het nucleoplasma. 2.3. De organellen 2.3.1 Het Endoplasmatisch Reticulum (ER) Het endoplasmatisch reticulum (ER) is een groot netwerk van membranen dat zich over het hele cytoplasma uitstrekt. Het bestaat uit een ‘lumen’ (de interne ruimte binnen het ER dat omsloten is 31 door membranen) en ‘cisternae’ (enkelvoud: cisterna), buisvormige of zakvormige uitstulpingen van membranen (FIGUUR 2.8). Het ER vormt een continuüm met de buitenste nucleaire membraan, waardoor de ruimte tussen de binnenste en de buitenste kernmembraan in feite een deel wordt van het ER lumen. Het ER kan in twee vormen voorkomen: ‘ruw’ ER (RER) en ‘zacht’ ER (SER) (FIGUUR 2.8). Deze benamingen zijn te danken aan hun uitzicht onder de elektronenmicroscoop: het ruwe uitzicht van het RER is te wijten aan het voorkomen van tal van ribosomen die op de buitenkant van de membraan van het ER zitten (aan de kant van het cytoplasma). De ribosomen in het RER doen actief aan eiwitsynthese, meer specifiek van secretoire eiwitten (eiwitten die finaal geëxporteerd of gesecreteerd worden uit de cel). Het SER speelt geen rol in de eiwitsynthese en bevat dus ook geen ribosomen, waardoor het een zacht uitzicht heeft onder de microscoop. Het SER is betrokken in de synthese van lipiden en steroïden, incl. de steroïde hormonen. Daarnaast speelt het ook een rol in de detoxificatie van cellen (= het verwijderen van voor de cel toxische of belastende producten). FIG. 2.8 32 2.3.2 Het Golgi apparaat (GA) en endosomen Het Golgi apparaat (GA) of Golgi complex ligt in de onmiddellijke nabijheid van het RER, en speelt een belangrijke rol in het afwerken en post-translationeel modificeren van de door het RER aangemaakte secretoire eiwitten, voornamelijk via de covalente aanhechting van suikergroepen aan deze eiwitten (‘glycosylatie’). Daarnaast vervult het ook een rol in de biosynthese van complexe polysacchariden. Structureel bestaat het GA uit afgeplatte, door een membraan omgeven schoteltjes die op mekaar gestapeld lijken: de cisternae (FIGUUR 2.9). Aan de uiteinden van de schoteltjes bevinden zich vaak vesikeltjes (ook omgeven door een membraan) die origineel afgesplitst zijn uit het RER, en die door het GA ontvangen worden via membraanfusie. FIG. 2.9 In deze vesikeltjes zitten de secretoire eiwitten, aangemaakt in het RER, en die nu afgewerkt kunnen worden in het GA. Dit deel van het GA wordt het cis-Golgi netwerk genoemd (CGN) (FIGUUR 2.10). Eens afgewerkt, komen deze eiwitten opnieuw in vesikeltjes terecht die nu uit het GA afgesplitst worden en zich naar de celmembraan begeven. Deze vesikeltjes worden ‘endosomen’ genoemd, en dit deel van het GA: het trans-Golgi netwerk (TGN). FIG. 2.10 33 Na samensmelting met de celmembraan kan de inhoud van het endosoom (nu een ‘secretoir’ vesikeltje genoemd) aan de extracellulaire ruimte afgegeven worden. Dit proces heet ’exocytose’ (FIGUUR 2.11). FIG. 2.11 Het bestaan van deze verschillende transportvesikels die kunnen pendelen tussen verschillende organellen (ER, GA, endosomen, lysosomen) draagt bij tot het functionele continuüm van het zgn. ‘endomembranair systeem’ van de cel (FIGUUR 2.12). FIG. 2.12 34 2.3.3 De lysosomen Lysosomen zijn een Belgische ontdekking: Prof. Christian de Duve en zijn collega’s aan de UCL beschreven ze voor het eerst in 1955, en dit bleek een Nobelprijs waard…. Lysosomen zijn membraan- omgeven vesikels, die behoren tot het endomembranair systeem, en zijn gevuld met hydrolasen - dit zijn enzymen die de afbraak van biomoleculen katalyseren (FIGUUR 2.13). Lysosomen zijn daardoor betrokken in de afbraak van zowel moleculen die als voedsel voor de cel dienen, als van moleculen die de cel niet langer meer nodig heeft. De synthese van deze hydrolasen gebeurt in het RER en het GA, waarbij een mannose-6-fosfaat merker (een specifieke suikergroep) covalent aan deze eiwitten gekoppeld wordt (zie verder: glycosylatie van eiwitten). Door dit adreslabeltje bereiken ze, via vroege en late endosomen, hun finale bestemming in de lysosomen, waar ze aan hun afbraaktaak kunnen beginnen. Storingen in de aanmaak van mannose-6-fosfaat, zijn, in 10% van de gevallen, de genetische oorzaak van stottergedrag (zie later!), hetgeen het belang van deze lysosomale hydrolasen illustreert. FIG. 2.13 De pH binnen de lysosomen is erg laag (pH 4 à 5), waardoor veel eiwitten reeds gedeeltelijk gedenatureerd (=ontvouwen) worden, wat hun enzymatische afbraak faciliteert. De afbraakprodukten die hierbij ontstaan, zijn zo klein dat ze doorheen de lysosomale membraan in het cytosol terechtkomen, waar ze terug gerecycleerd kunnen worden en gebruikt voor de opbouw van nieuwe macromoleculen. De belangrijkste biomoleculen die door lysosomen gedegradeerd worden, komen de cel binnen via fagocytose of andere vormen van endocytose, en zitten dus in vesikeltjes die met het lysosoom versmelten. Maar een tweede belangrijke functie is de degradatie van cellulaire structuren 35 en componenten die ofwel beschadigd zijn, of die de cel niet meer nodig heeft. Dit proces wordt ‘autofagie’ genoemd en de betrokken lysosomen ‘autofagosomen’. Autofagie (letterlijk: ‘zichzelf opeten’) kan pathologische vormen aannemen in stress condities, wanneer de cel, om zich van de nodige energie te kunnen voorzien, zichzelf afbreekt, met celdood voor gevolg. 2.3.4 De peroxisomen Peroxisomen lijken wat op lysosomen, zowel qua grootte als qua ontbreken van een duidelijke interne structuur, en ze zijn eveneens omringd door een enkelvoudige membraan. Ze behoren strictu sensu echter niet tot het endomembranaire systeem van de cel. Peroxisomen komen bijzonder talrijk voor in lever- en niercellen, en ze spelen een belangrijke rol in de bescherming van cellen tegen oxidatieve stress ten gevolge van de produktie van waterstofperoxide (H2O2). H2O2 is toxisch voor cellen, en is een bijprodukt van sommige biochemische reacties, vooral deze waarbij oxidaties gebeuren. H2O2 kan geneutraliseerd worden door het enzyme katalase dat H2O2 omzet in O2 en H2O. De natuur heeft ervoor gezorgd dat zowel deze H2O2 producerende reacties en hun betrokken enzymen (bvb. oxidasen), als het katalase zelf, gecentraliseerd worden in een apart organel: de peroxisomen. Verder zijn peroxisomen ook betrokken bij de detoxificatie van andere schadelijke moleculen (bvb. alkohol in levercellen), en bij de afbraak van lange of vertakte vetzuren (> 12 C atomen) tot kortere ketens. Kortere vetzuurketens (< 12 C atomen) worden dan weer (verder) afgebroken in de mitochondriën. 2.3.5 De mitochondriën Net als de nucleus, zijn de mitochondriën afgeschermd van de rest van de cel door een dubbele membraan, de ‘binnenste’ en de ‘buitenste’ mitochondriale membraan (FIGUUR 2.14). FIG. 2.14 36 De mitochondriën zijn de energiefabriekjes van de cel: hierin worden suikers en andere energierijke moleculen (bvb. de kortere vetzuren) die de cel uit verschillende voedingsstoffen haalt, verbrand, en de energie die daarbij vrijkomt, wordt gestockeerd onder de vorm van ATP. Hiervoor verbruikt de cel zuurstof (=verbranding), vandaar dat dit proces soms ook de ‘ademhaling’ van de cel wordt genoemd. Deze reacties gebeuren in gespecialiseerde structuren van de mitochondriën, de ‘cristae’ (enkelvoud: crista) en de mitochondriale matrix. Cristae zijn in feite uitstulpingen van de binnenste mitochondriale membraan, terwijl de matrix het semi-vloeibare binnenste deel van de mitochondriën omvat. Cellen met een grote nood aan ATP als energiebron (bvb. spiercellen) zullen vaak veel mitochondriën hebben. Bij het inademen, nemen de mitochondria pyruvaat en O2 uit het cytoplasma op (pyruvaat is een afbraakprodukt van suikers, eiwitten en vetten – we gaan hier niet verder in detail in op deze reacties). In de mitochondriale matrix wordt dit pyruvaat vervolgens verder gemetaboliseerd via verschillende biochemische reacties (de zgn. ‘Krebscyclus’ of ‘citroenzuurcyclus’), waarbij opnieuw energie wordt vrijgezet, en die het mitochondrion zal gebruiken om een volgende serie van biochemische reacties te gaan uitvoeren in de cristae = de zgn. ‘elektronentransport keten’. Dankzij deze reacties zal het mitochondrion bij het uitademen per molecule pyruvaat dat het had opgenomen, 17 moleculen ATP aanmaken, en aan het cytoplasma afgeven (FIGUUR 2.15). FIG. 2.15 Mitochondriën bevatten ook een pool van eigen DNA dat o.a. de informatie bevat om de enzymes aan te maken die nodig zijn om aan energieproduktie te kunnen doen. In de mitochondriën wordt dus ook aan eiwitsynthese gedaan. In de forensische context wordt vaak het mitochondriaal i.p.v. het nucleair DNA gebruikt om te karakteriseren (bvb. voor analyse van oude botten, haren, tanden, sperma). 37 Tot slot, spelen de mitochondriën ook nog een belangrijke rol bij het induceren en uitvoeren van celdood, met name van de meest fysiologische en economische manier waarop een cel kan sterven, die ‘apoptose’ genoemd wordt (zie verder: celdood). 2.4. Het cytoplasma Per definitie is het cytoplasma het interne volume of inhoud van de cel, zonder de kern. Het bestaat uit de organellen van de cel en het cytosol, een waterige oplossing van eiwitten, mineralen en suikers, met een constante pH. Het cytosol is een ideaal solvent voor (voedings)stoffen die de cel nodig heeft om zijn werking te kunnen uitvoeren, maar het speelt ook een rol bij de snelle afvoer van afvalstoffen, en de biosynthese van heel wat macromoleculen grijpt erin plaats (bvb. eiwit synthese, en vetzuur synthese). De vloeistof vormt tevens een beschermende omgeving voor het inwendige van de cel, en door een zekere druk uit te oefenen op de celmembraan, bepaalt het ook het volume en, in zekere mate, de vorm van de cel. 2.5. Het cytoskelet Het cytoskelet is een uitgestrekt 3-dimensioneel netwerk dat in het cytosol ligt, en dat aan cellen hun vorm en stevigheid geeft. Het is ook noodzakelijk voor de beweging van cellen (bvb. via cilia of invadopodia), en voor het transport van sommige organellen binnen de cel. In een spiercel, is het cytoskelet verantwoordelijk voor de contractie (zie verder: celbeweging). Ook tijdens de celdeling is het belangrijk, met name voor de vorming van de spoelfiguur (zie verder). Het cytoskelet is opgebouwd uit drie verschillende structuren: (1) de microtubuli, (2) de microfilamenten, en (3) de intermediaire filamenten (FIGUUR 2.16), die onderling met elkaar verbonden zijn. FIG. 2.16 38 (1) De microtubuli zijn de grootste structuren, en zijn opgebouwd uit dimeren van α-tubuline en β- tubuline. Deze polymeriseren eerst tot lineaire ‘protofilamenten’, die vervolgens met 13 langs mekaar gaan liggen en een holle buis vormen (de microtubulus) (FIGUUR 2.17). FIG. 2.17 Net als eiwitten en polynucleotiden heeft deze buis een richting, met een ‘plus einde’ en een ‘min einde’. Aan het plus einde zal de microtubulus vooral groeien (omdat daar de snelheid van polymerisatie meestal groter is dan de snelheid van afbraak); aan het min einde gebeurt de polymerisatie inherent veel trager, en zal er afbraak gebeuren als de snelheid van depolymerisatie de snelheid van polymerisatie overtreft (FIGUUR 2.18). Deze richting bepaalt niet enkel de dynamiek van de microtubuli (=waar ze resp. afgebroken of verder verlengd worden), maar eveneens de richting van het transport van organellen dat langs de microtubuli gebeurt (zie verder: eiwit sortering en transport). FIG. 2.18 39  In de cel gebeurt de vorming van microtubuli op een sterk georganiseerde manier. De MTOC (= microtubuli- organiserend centrum) is de plaats waar de vorming van microtubuli geïnitieerd wordt, en die tevens dient als verankeringspunt. In niet-delende cellen ligt de MTOC meestal vlakbij de kern, en wordt ‘centrosoom’ genoemd (FIGUUR 2.19). In een dierlijke cel is het centrosoom geassocieerd met twee centriolen die op hun beurt omringd zijn door het pericentriolair materiaal, waarin de eigenlijke oorsprong van de microtubuli ligt. De centriolen bestaan uit 9 tripletten van microtubuli die telkens loodrecht tov. mekaar georganiseerd liggen, en het pericentriolair materiaal recruteren (FIGUUR 2.19). Ze vormen ook de basis van cilia en flagellen, speciale uitsteeksels van sommige cellen, die een rol spelen in de voortbeweging (zie verder: celbeweging). FIG. 2.19 2) De microfilamenten zijn dunner dan de microtubuli, en bestaan uit het eiwit actine. G-actine is het oplosbare monomeer (G=globulair); F-actine zijn de gepolymeriseerde G-actines (F=filamenteus) die net als de microtubuli polair zijn (=een richting hebben): het plus einde wordt in deze context ook wel het ‘hakig einde’ (+) genoemd; en het min einde, het ‘puntig einde’ (-). De microfilamenten hebben een helicale structuur doordat de binding van 2 actine moleculen telkens resulteert in een knikje, waardoor een keten van x aantal actine moleculen na een tijdje als het ware opgevouwen wordt tot iets wat op een helix lijkt (FIGUUR 2.20). Microfilamenten spelen vooral een rol in de spiercontractie en de beweging van cellen via podiën (zie verder: celbeweging), maar bepalen ook mee de vorm van cellen. De meeste dierlijke cellen hebben net onder hun celmembraan een laagje van microfilamenten liggen, de ‘celcortex’ genoemd, die de cel ter hoogte van haar oppervlak stevigheid geeft, en beweging en verandering van vorm vergemakkelijkt. 40  FIG. 2.20 (3) De intermediaire filamenten vallen qua grootte tussen de microtubuli en de microfilamenten, en ze bestaan uit verschillende soorten structuureiwitten (bvb. vimentine, lamine, keratine, desmine) die van weefsel tot weefsel verschillen (FIGUUR 2.21). FIG. 2.21 Ze hebben de meest stevige en stabiele structuur van alle filamenten, zijn het slechtst oplosbaar, en komen vaker voor op plaatsen waar de cel mechanische stress ondervindt. Dankzij deze stevige structuur dragen en ondersteunen zij het hele cytoskeletaire netwerk. In tegenstelling tot de microtubuli en de microfilamenten zijn ze dus niet erg dynamisch, maar eerder statisch, en dragen ze niet bij tot enige beweging van de cel. 41 HOOFDSTUK 3: DE KERN, DNA-REPLICATIE, CELDELING en CELDOOD 3.1. De kern: het genetisch centrum van een cel Zonder uitzondering, bevatten cellen een set van ‘instructies’ die hun structuur, functie en regulatie bepalen, en die ook kunnen doorgegeven worden aan hun nakomelingen (hun ‘dochtercellen’). Deze instructies liggen besloten in aparte units, die we de genen van de cel noemen, of samen: het genoom van de cel. Deze genen bestaan uit DNA en coderen voor functionele moleculen, meestal eiwitten, maar soms ook RNA, en ze liggen veilig opgesloten in de kern van de cel. In dit hoofdstuk zullen we bespreken hoe deze informatie doorgegeven wordt tussen verschillende generaties van cellen (=DNA- replicatie, en verder: celdeling). 3.1.1. DNA: structuur, vormen, condensatie Zoals we hiervoor reeds zagen, komt het DNA in onze cellen voor als een dubbele helix, waarbij 2 complementaire DNA polynucleotide ketens antiparallel langs mekaar lopen, en gestabiliseerd worden via H-brugvorming tussen de purines (A, G) in één keten, en de pyrimidines (C, T) in de andere keten. De A nucleotiden vormen hierbij 2 H-bruggen met de T nucleotiden, en de G nucleotiden vormen 3 H-bruggen met de C nucleotiden (FIGUUR 3.1). Dit betekent ook dat (1) het aantal purines in DNA steeds gelijk is aan het aantal pyrimidines, (2) het aantal A = het aantal T, en (3) het aantal C = het aantal G. Dit zijn de zgn. ‘Regels van Chargaff’. De ketens zijn rechtshandig opgewonden, op een manier waarbij beide ketens alternerend dichter bij mekaar komen (= kleine groeve), of verder uit elkaar liggen (= grote groeve) (FIGUUR 3.1). Deze ‘ideale’ structuur wordt ook B-DNA genoemd, maar afhankelijk van de precieze basensamenstelling, kan de vorm hiervan licht afwijken, met lichtelijk grotere of kleinere groeves. Bovendien, komt de dubbele helix ook vaak voor onder een super-opgevouwen vorm (‘supercoiled’), waarbij de dubbele helices zelf nog verder rond mekaar zijn gedraaid, meestal doordat één uiteinde van de dubbele helix ergens aan een bepaalde celstructuur vastzit. Intensieve supercoiling zorgt er o.a. mee voor dat het DNA in zeer compacte vorm kan voorkomen, zoals bvb. in de chromosomen tijdens de celdeling (zie verder). In cellen bestaat er steeds een evenwicht tussen deze supercoiled vorm en de niet-supercoiled of relaxte vorm, en deze omzettingen (in beide richtingen) worden gekatalyseerd door specifieke enzymen, de topoisomerasen. 42  FIG. 3.1 Om al ons DNA (= ‘het genoom’) in één celkern (diameter kern = 5-10 µM) te kunnen proppen is er echter nog een veel grotere mate van condensatie nodig. Een gemiddelde menselijke cel bevat idd. zoveel DNA dat je het >15.000 keer rond de cel kan winden, wat neerkomt op een goede 2 meter DNA! Bovendien komt dit DNA niet geïsoleerd voor in de kern, maar zit het gebonden aan specifieke eiwitten: samen wordt deze supramoleculaire structuur ‘chromatine’ genoemd. De belangrijkste eiwitten in chromatine zijn de Histonen (FIGUUR 3.2): dit zijn relatief kleine proteïnen die veel basische aminozuren bevatten (lysine en arginine) en daardoor sterk positief geladen zijn. Hierdoor vormen ze sterke, ionische bindingen met de negatief geladen fosfaatgroepen in het DNA. Deze bindingen kunnen echter sterk verminderd worden door specifieke modificaties van de Histonen (bvb. acetylatie van lysines) die deze ladingen terug neutraliseren (FIGUUR 3.3). 43  FIG. 3.2 FIG. 3.3 Onder de microscoop ziet het chromatine eruit als een parelketting, waarbij de basisstructuren van het chromatine, de ‘nucleosomen’, de pareltjes vormen en de linker-histonen (Histone H1) en het linker-DNA (50 baseparen), het koordje dat deze pareltjes, op regelmatige afstanden van mekaar, aaneenrijgt (FIGUUR 3.4). De nucleosomen bestaan uit een octamere kernstructuur van 2x4 Histonen (Histone H2A, H2B, H3 en H4) waarrond quasi exact 146 baseparen (bp) DNA zijn gewonden (FIGUUR 3.2). FIG. 3.4 Deze parelkettingen met diameter van ongeveer 10 nm vormen samen nog dikkere structuren die ‘chromatine vezels’ genoemd worden (dikte: 30 nm) (FIGUUR 3.5), en die op hun beurt verder opgerold worden tot ‘looped domains’ van 300 nm (FIGUUR 3.5), en verder tot ‘heterochromatine’ van 700 nm (FIGUUR 3.5), de meest compacte vorm van DNA in een niet-delende cel. Met de term ‘euchromatine’ wordt een iets minder compacte vorm van het chromatine bedoeld die meer lokaal voorkomt, waarin de histonen gemodificeerd zijn en waar actief aan DNA transcriptie gedaan wordt (zie verder). Na DNA-replicatie ontstaat nog een verdere vorm van DNA-condensatie, nl. de chromosomen, die uit twee chromatiden bestaan (de identieke, gedupliceerde eenheden van het chromosoom) (FIGUUR 3.5). 44 FIG. 3.5 45 Het chromatine gedeelte dat de informatie bevat om in één chromosoom gecondenseerd te worden zal hierbij trouwens op discrete plaatsen (‘chromosomale territoria’) binnen het totale chromatine gelokaliseerd zijn (FIGUUR 3.6). Het voorkomen van deze chromosomale territoria binnen de gehele kern kan daarentegen wel variëren. De mens heeft 23 paar chromosomen: 22 paar ‘autologe’ chromosomen (chr 1 t/m chr 22) en 1 paar geslachtschromosomen (X en Y chr) (FIGUUR 3.6). Ieder chromosomenpaar bestaat uit 1 chromosoom afkomstig van je moeder, en 1 afkomstig van je vader. FIG. 3.6 Tot slot, zullen de delen van het chromatine die in het chromosoom de uiteinden (‘de telomeren’) of de links tussen de chromatiden (‘de centromeren’) uitmaken (FIGUUR 3.7), tot het ‘constitutief heterochromatine’ behoren: deze vorm van heterochromatine is voortdurend sterk gecondenseerd en er gebeurt nooit transcriptie. FIG. 3.7 46 3.1.2. DNA-replicatie DNA-replicatie of DNA-synthese gebeurt hoofdzakelijk wanneer de cel besluit om te gaan delen (zie verder: S-fase of ‘Synthese’ fase van de celcyclus). Dit replicatie proces moet foutloos gebeuren (duplicatie) om de genetische integriteit van de cel te bewaren, en geen fouten (=’mutaties’) te incorporeren. Hierbij zal de DNA dubbele helix zich eerst gedeeltelijk ontwinden; beide DNA strengen blijven daarna ongewijzigd, maar zullen elk als templaat gebruikt worden om een tweede, complementaire streng aan te maken = semi-conservatieve replicatie (FIGUUR 3.8). FIG. 3.8 De plaats waar de DNA-replicatie begint, wordt de ‘origin of replication’ (ORI) genoemd, en is meestal een AT-rijk gebied. De plaats waar de eigenlijke DNA-polymerisatie gebeurt, wordt de ‘replicatie vork’ genoemd, en deze Y-vormige structuur verplaatst zich voortdurend langs het DNA templaat (FIGUUR 3.9). FIG. 3.9 In eukaryoot DNA gebeurt dit op verschillende plaatsen tegelijkertijd (>1000) = ‘replicons’ – omdat het anders veel te lang zou duren eer een volledig genoom gedupliceerd kan worden. Finaal zullen verschillende replicons mekaar tegenkomen en gaan fusioneren (FIGUUR 3.10). 47  FIG. 3.10 Het ‘origin recognition complex’ (ORC), bestaande uit verschillende initiator eiwitten, zal eerst binden aan de ORI, en daarna verschillende DNA-helicasen recruteren, die de dubbele helix plaatselijk zullen ontwinden (FIGUUR 3.11). Vooraleer dit proces kan gebeuren in supercoiled DNA zullen topoisomerasen het DNA echter eerst in de relaxte vorm moeten brengen. Daarnaast zorgen ze er ook voor dat plaatselijke spanningen in het DNA ten gevolge van de werking van de DNA helicasen ook weer opgeheven worden (FIGUUR 3.11). De plaatselijke ontwinding van het DNA ter hoogte van de ORI wordt tenslotte verder in stand gehouden door binding van het enkelstrengig DNA bindend eiwit (SSB) aan de ontwonden streng (FIGUUR 3.11). Eens op de juiste plaatsen gevormd, zorgen deze DNA- eiwit complexen of ‘pre-replicatie complexen’ er dus voor dat het DNA ‘klaar’ is om gerepliceerd te worden (=’licensing’). FIG. 3.11 48 In een volgende stap wordt door een primase (een speciaal soort RNA polymerase), ter hoogte van de ORI, vanuit het niets een klein stukje RNA gemaakt, 3-10 bp lang, maar wel complementair aan het te repliceren DNA ter hoogte van de ORI. Dit stukje RNA zal vervolgens als ‘primer’ fungeren voor specifieke DNA polymerasen om bijkomende DNA nucleotiden gaan aan te hechten (FIGUUR 3.12). Deze DNA polymerasen kunnen een nucleotide (DNA) enkel via zijn 5’ uiteinde, aan een 3’ uiteinde van een ander nucleotide (DNA of RNA) aanhechten, waardoor DNA-polymerisatie dus enkel van het 5’ naar het 3’ uiteinde kan gebeuren. FIG. 3.12 Dit heeft echter belangrijke implicaties (FIGUUR 3.13): slechts één van beide nieuwe strengen (de ‘leidende streng’, ‘leading strand’) zal idd. maar continu/doorlopend kunnen aangroeien in de 5’-3’ richting; de andere nieuwe streng (de ‘achterliggende streng’, ‘lagging strand’) zou daarentegen enkel in de 3’-5’ richting continu kunnen aangroeien, wat omwille van de enzymatische eigenschappen van de DNA polymerasen onmogelijk is – daarom zal deze streng gevormd worden uit kleine, discontinue 5’-3’ DNA-fragmentjes (=Okazaki fragmenten, 100-200 bp lang, met een 3-10 bp stukje RNA aan hun 5’ uiteinde), die in de omgekeerde richting aangroeien als de richting waarin de replicatievork zich verplaatst. 49  FIG. 3.13 Na vervanging van het RNA stukje door een stukje DNA (door DNA polymerase I: verlengt het 3’ uiteinde van het aanliggend Okazaki fragment) worden beide fragmenten aan elkaar gezet tot één lange, continue streng door een DNA ligase. Voor deze ‘ligatie’ is ATP vereist (FIGUUR 3.12). Hebben we op deze manier al het DNA nu volledig kunnen repliceren? Niet helemaal… Want wat gebeurt er op het 5’ einde van de groeiende achterliggende streng, en op het 5’ begin van de leidende streng? Dit einde of begin zal de facto (di. omwille van het intrinsieke mechanisme waarop de DNA-replicatie gebeurt) idd niet aangemaakt kunnen worden: er zal steeds een stukje RNA primer overblijven die, na verwijdering, niet kan vervangen worden door een stukje DNA dat aan een 3’ uiteinde van een (niet bestaand) Okazaki of DNA-fragmentje kan aangehecht worden (FIGUUR 3.14) - DNA polymerasen kunnen immers geen DNA maken uit het niets, maar enkel een bestaand stukje DNA verder verlengen in de 5’=>3’ richting. Na verwijdering van de RNA primer zal er daar dus een ‘gat’ overblijven, m.a.w.: de 3’ uiteinden van de originele DNA strengen (=3’ telomeren) zullen niet mee gerepliceerd zijn, en de bijgemaakte strengen zullen korter geworden zijn ter hoogte van hun 5’ uiteinden (FIGUUR 3.14). Als dit niet opgelost zou worden, dan zou dus bij iedere DNA-replicatie cruciale informatie in het DNA verloren geraken, en dit mag natuurlijk niet gebeuren…. 50  FIG. 3.14 Eukaryoten hebben dit probleem opgelost door aan de telomeren bijkomende niet-coderende, sterk repetitieve stukjes DNA aan te hechten, die typisch bestaan uit 100-1500 kopijen van de sequentie 5’-TTAGGG-3’ of 5’-TTGGGG-3’. Deze verlenging gebeurt door een speciaal enzyme, het ‘telomerase’, dat enkel tot expressie komt en actief is in delende cellen, en deze stukjes aanmaakt met complementaire RNA-stukjes als templaat (FIGUUR 3.15). FIG. 3.15 Telomerase is daarom een ‘reverse transcriptase’: het maakt DNA uit RNA (zie ook verder: centrale dogma) , en koppelt deze aan de 3’ uiteinden van DNA (FIGUUR 3.15). Omdat deze extra stukjes DNA 51 geen echte functie hebben, is het dus niet erg dat er bij iedere replicatieronde een beetje van dit DNA verloren gaat. De progressieve verkorting van de telomeren iedere keer dat het DNA van de cel zich repliceert (= ‘replicatieve stress’) is de belangrijkste oorzaak van celveroudering. Celveroudering is een fysiologisch proces waarbij de goede werking van een cel progressief verslechtert met de tijd, en de cel zich in een permanente (=onomkeerbare) staat van rust brengt = ‘senescentie’. Morfologisch gaat senescentie gepaard met een afplatting en een vergroting van het celoppervlak; vergrote lysosomen; een sterk vergrote kern met meer gecondenseerde chromatine regio’s (dus minder toegankelijk en ‘actief’ DNA); vergrote mitochondriën; een gevacuoliseerd cytoplasma; en een sterk toegenomen secretie van eiwitten in het extracellulaire milieu die voor communicatie met andere cellen moeten zorgen (FIGUUR 3.16). FIG. 3.16 In fysiologische omstandigheden, is telomerase vooral actief in delende cellen (bvb. tijdens de embryonale ontwikkeling en daarna enkel in stamcellen en regeneratieve weefsels), dus veel minder of niet in terminaal gedifferentieerde cellen. (Pathologische) reactivatie van telomerase in een terminaal gedifferentieerde cel kan aanleiding geven tot immortalisatie van deze cel (= het tegenovergestelde van senescentie). Dit doet zich typisch voor in een getransformeerde cel (kankercel), waardoor deze oneindig lang kan blijven delen. In tumoren zal dus vaak een verhoogde telomerase activiteit waargenomen worden, en het inhiberen van telomerase werking kan een geschikte therapie zijn om de mortaliteit van tumorcellen te herstellen. 52 Het hele DNA replicatie proces gebeurt niet 100% foutloos: zowat 1/100.000 keer, zal er een verkeerd nucleotide geïncorporeerd worden. Deze foutjes worden echter hersteld door de DNA-polymerasen zelf, die naast hun 5’-3’ polymerase activiteit, ook een 3’ exonuclease activiteit bevatten, waarmee ze aan ‘proofreading’ kunnen doen: ze kunnen dus een (verkeerd ingebouwd) nucleotide aan het 3’ uiteinde van een polynucleotide keten eraf knippen, en daarna via hun polymerase activiteit het juiste nucleotide weer aanhechten (FIGUUR 3.17). Men spreekt dan van ‘mismatch repair’. FIG. 3.17 Daarnaast kunnen er zich in het DNA van de cel ook fouten voordoen (=’mutaties’) die volledig losstaan van het DNA-replicatie proces: deze mutaties kunnen spontaan gebeuren (meestal t.g.v. hydrolyse door water) of geïnduceerd worden door externe, DNA-beschadigende omstandigheden (=’mutagenen’, bvb. UV-bestraling, chemische stoffen waarmee de cel in contact komt). In de overgrote meerderheid van de gevallen zal de cel deze fouten herstellen via zeer specifieke DNA- herstelmechanismen (waar we niet verder zullen op ingaan); in een enkel geval is het mogelijk dat de mutatie behouden blijft (bvb. indien ze een voordeel oplevert voor de cel; cfr. evolutie en natuurlijke selectie!). 53 3.2. De celdeling en de kerndeling (mitose) 3.2.1. Inleiding De celdeling of ‘celcyclus’ ligt aan de basis van elke vorm van leven. Het is een opeenvolging van fysiologische en structurele gebeurtenissen waarbij celgroei, DNA replicatie en DNA segregatie de eigenlijke celdeling voorafgaan. De celcyclus verloopt in fasen, en het is van essentieel belang dat de biochemische processen noodzakelijk voor het verloop van de ene fase volledig uitgevoerd zijn vooraleer de volgende fase aanvangt. Voor deze strikte regulatie van de celdeling zijn verschillende controlepunten (‘checkpoints’) en feedbackmechanismen in de celcyclus ingebouwd, die evolutionair goed geconserveerd zijn. Wanneer er fouten tijdens de celdeling optreden, zal dit een signaal zijn voor één van deze controlemechanismen om deze fout te herstellen en een signaal te genereren dat de celcyclus stopzet. Wanneer het herstel van het defect in de celdeling faalt, bestaat er nog een ultiem reddingsmechanisme waarbij de cel zijn eigen dood programmeert (= ‘apoptose’ – zie verder). Het falen van deze controlemechanismen leidt daarentegen tot ongecontroleerde celdeling, met mogelijks celtransformatie en tumorvorming tot gevolg. 3.2.2. De celdeling verloopt in fasen Niet-delende cellen bevinden zich ‘in rust’: deze rustfase wordt vaak ook de G0 fase genoemd, en deze kan tijdelijk zijn (=quiescentie), of permanent (=senescentie). De meeste cellen in ons lichaam zijn idd. terminaal gedifferentieerd en kunnen hierdoor permanent niet meer delen – tenzij in een pathologische situatie (kanker; getransformeerde cel). Slechts enkele celtypes (bvb. de stamcellen van het bloed of het darmepitheel, de keratinocyten in de huid, de hepatocyten) behouden het vermogen om te delen. De beslissing om te gaan delen of in G0 te blijven, wordt volledig bepaald door externe signalen (groeifactoren of groei-inhiberende factoren, de aan- of afwezigheid van voedsel/nutriënten, stress factoren e.d.) (FIGUUR 3.18). Groeifactoren bvb. zullen idd. specifieke signaleringsmechanismen in gang zetten, die de celcyclus kunnen initiëren (zie verder). Grosso modo wordt de celcyclus onderverdeeld in twee grote fasen: de interfase (IF) en de mitose (M) (FIGUUR 3.18), waarbij de eigenlijke deling plaatsgrijpt tijdens de mitose. De interfase (de tijd tussen twee delingen) is de langste fase (18 tot 24 uur) en bestaat uit een G1, S en G2 fase. De belangrijkste fase is hierbij de S fase (‘Synthese’), waarin het DNA van de cel gedupliceerd wordt (=DNA-replicatie). De G1 en G2 fasen (‘Gap’) zijn voorbereidende fasen, waarin de cel tijd nodig heeft om de nodige eiwitten aan te maken om resp. aan DNA-synthese te kunnen doen (G1) en de mitose te kunnen uitvoeren (G2). De mitose is een korte fase (max. een uurtje) en bestaat uit een fase waarin het DNA verdeeld wordt (=de eigenlijke nucleaire deling) en een fase waarin het cytoplasma en de celorganellen verdeeld worden over de twee dochtercellen (=de cytokinese) (FIGUUR 3.18). 54  FIG. 3.18 De nucleaire deling of MITOSE bestaat uit vijf opeenvolgende fasen: de profase, de prometafase (of late profase), de metafase, de anafase en de telofase (FIGUUR 3.19). De sleutel tot een gelijke verdeling van het gedupliceerde DNA over beide dochtercellen, ligt in de vorming van de chromosomen – een toestand waarbij het DNA maximaal gecondenseerd is en het gedupliceerde DNA zich manifesteert als twee zusterchromatiden die via het centromeer nauw met elkaar verbonden zijn. Tegen het einde van de G2 fase zal de condensatie van het gedupliceerde DNA tot chromosomen een aanvang nemen, en zal volledig zijn in de profase. Ook een ander belangrijk celstructuurtje zal ondertussen in actie gekomen zijn: het centrosoom. Reeds tijdens de S fase zal dit gedupliceerd worden, en tijdens het begin van de profase zullen beide centrosomen zich elk verplaatsen naar een andere kant van de kern. Uit beide centrosomen groeien vervolgens (1) kortere microtubuli uit, eerst in alle mogelijke richtingen in een stervormige conformatie (= ’aster’), en later (2) langere microtubuli (= ‘steundraden’), die naar mekaar toegroeien en hierbij de zgn. spoelfiguur vormen. In de prometafase zal de nucleaire envelop (= kernmembraan + nucleaire lamina) degraderen, zodat de vrijgekomen chromosomen rechtstreeks in contact kunnen komen met de microtubuli van de spoelfiguur, waarvan de polen nu hun definitieve plaats hebben bereikt, ieder aan een andere kant van de kern. 55 56 FIG. 3.19 De chromosomen maken uiteindelijk een echt fysiek contact met sommige van de microtubuli van de spoelfiguur via een eiwitcomplex dat zich reeds op het einde van de S fase rond het centromeer bevindt, maar tijdens de profase en prometafase nog verder aangroeit met bijkomende eiwitten: het kinetochoor. Ieder chromosoom zal uiteindelijk twee tegenover elkaar liggende kinetochoren gevormd hebben, waarvan er één met ieder van beide zusterchromatiden zal binden (FIGUUR 3.20). In de prometafase is slechts één van deze kinetochoren met een microtubulus gelinkt; het andere is nog vrij (FIGUUR 3.20 en 3.21). Deze kinetochoor-microtubuli worden ook ‘trekdraden’ genoemd. FIG. 3.20 Door binding aan de microtubuli kunnen chromosomen zich ogenschijnlijk gaan verplaatsen doordat deze microtubuli voortdurend dynamisch aangroeien (vanuit de polen) en afbreken (t/h/v/h kinetochoor) (FIGUUR 3.21). FIG. 3.21 In de metafase hebben alle chromosomen dergelijke verplaatsingen gemaakt, en nemen ze uiteindelijk allemaal een stabiele plaats in ter hoogte van de metafase-plaat, mooi in het midden van de spoelfiguur tussen beide polen in, waar er een evenwicht is tussen de afstotende kracht van de polen 57 en de trekkracht uitgeoefend door de kinetochoor-microtubuli (FIGUUR 3.19). Op dit moment gaat de mitose ogenschijnlijk ook kort pauseren: de metafase is de langste fase van de mitose (±20 min). In de anafase (de kortste fase van de mitose; slechts enkele minuten) worden de twee zusterchromatiden abrupt van mekaar gescheiden en bewegen ze ieder in de richting van een andere pool waarbij de kinetochoor-microtubuli (trekdraden) steeds korter worden (= anafase A) (FIGUUR 3.22). In anafase B, zullen de polen verder uit mekaar gaan, doordat de polaire microtubuli (steundraden) steeds langer worden (FIGUUR 3.22). FIG. 3.22 Beide fasen kunnen na mekaar of tegelijkertijd gebeuren, en worden mee ondersteund door de werking van kinesines: dit zijn motoreiwitten (verbruiken ATP) die zowel zullen meehelpen aan de verplaatsing van de chromosomen naar de polen, als aan het uiteengaan van de polen (FIGUUR 3.23). Een derde functie van kinesines tijdens de anafase is dat ze de aster-microtubuli met de celcortex zullen verbinden, en daardoor een bijkomende trekkracht leveren voor de uiteenwijkende polen. FIG. 3.23 58 Bij het begin van de telofase zijn de zusterchromosomen bij hun resp. pool aangekomen, en zullen ze terug decondenseren tot chromatine. De nucleoli vormen zich weer, de spoelfiguur desintegreert, en de nucleaire envelop vormt zich terug rond het chromatine (FIGUUR 3.19). De cytokinese kan reeds tijdens de vroege telofase beginnen, of volgt vlak na de telofase. In dierlijke cellen wordt de deling van het cytoplasma de ‘klieving’ of ‘splitsing’ genoemd, en ze begint bij de vorming van de splitsingsgroeve, een cytoplasmatische invaginatie die zich rondom de hele cel voordoet en die afhankelijk is van het werk van een contractiele ring van actine, die zich reeds in de vroege anafase is beginnen vormen (FIGUUR 3.24). Doordat deze ring steeds nauwer aangetrokken wordt (via actine-myosine interacties: zie verder celcontractie), wordt de splitsingsgroeve steeds dieper en wordt de cel uiteindelijk in twee gedeeld wanneer de groeven mekaar tegenkomen. FIG. 3.24 3.2.3. Cycline-afhankelijke kinasen (CDKs): de motoren van de celcyclus Het verloop van de celcyclus is voor een groot deel afhankelijk van de activiteit van cycline- afhankelijke kinasen (CDKs), die de overgangen tussen de verschillende celcyclusfasen dirigeren. Kinasen zijn enzymen die andere eiwitten chemisch gaan modificiëren door er een fosfaatgroep aan te koppelen en daardoor de activiteit van deze eiwitten kunnen wijzigen (zie ook verder bij ‘post- translationele modificaties van eiwitten’). De CDK kinasen zijn voor hun eigen activiteit hoofdzakelijk afhankelijk van de binding van een activator = een cycline. Zoals de naam reeds suggereert, zijn dit eiwitten die tijdens de celcyclus cyclisch aangemaakt en weer afgebroken worden (FIGUUR 3.25). In de celcylcus zijn enkel cycline D, E, A en B van belang; ieder cycline heeft daarenboven een specifieke CDK partner, waarvan vooral CDK4, CDK6, CDK1 en CDK2 een rol spelen in de celcyclus (FIGUUR 3.25). 59  FIG. 3.25 Zo zal een toenemende expressie van cycline D bvb. zorgen voor activatie van CDK4 en CDK6, de overgang mediëren van G0 naar G1, en de overschrijding van het ‘restrictiepunt’ (= ’point-of-no- return’) regelen in G1 (zie verder); de expressie van cycline E piekt ter hoogte van de G1/S transitie en zorgt dan voor maximale activatie van cycline E/CDK2 nodig voor initiatie van de S fase; cycline A expressie neemt sterk toe tijdens de S fase om te pieken rond de S/G2 transitie, en zorgt voor activiteit van cycline A/CDK2 tijdens de S fase; in G2 activeert cycline A eerder CDK1, wat nodig is voor de voorbereiding van de mitose; cycline B expressie piekt ter hoogte van de G2/M transitie en zorgt voor maximale activatie van cycline B/CDK1 aan het begin van de mitose (FIGUUR 3.25). Terwijl de verhoging van de hoeveelheid cycline vooral het gevolg is van een verhoogde eiwitexpressie, is de verlaging van het cycline niveau vooral het gevolg van een verhoogde eiwitafbraak. 3.2.4. De celcyclus ‘checkpoints’: intrinsieke en extrinsieke controlepunten Om de celdeling steeds correct te laten verlopen, hebben dierlijke cellen verschillende controlepunten of checkpoints ingebouwd op essentiële momenten in de celcyclus. Hierbij zal een sensor mogelijke fouten detecteren (beginpunt), en zal een effector uiteindelijk zorgen voor een gepast cellulair antwoord (eindpunt). Een typisch antwoord van de cel bij ‘problemen’ zal zijn dat de celcyclus: (1) ofwel tijdelijk gestopt wordt, zodat de cel de tijd krijgt om te fouten te herstellen. (2) ofwel permanent gestopt wordt, doordat de cel zijn eigen dood initieert (=’geprogrammeerde celdood’ of ‘apoptose’ genoemd). Indien het met deze controles misloopt (bvb. door mutaties in de genen die in de checkpoints betrokken zijn), en de cel, ondanks fouten, toch blijft delen, dan kan dit nefaste gevolgen hebben: er kan dan bvb. genomische instabiliteit ontstaan, en celtransformatie (kanker) (zie verder). 60 Men onderscheidt drie belangrijke controlepunten: (1) het restrictiepunt in G1, (2) De DNA-schade controlepunten in G1, S en G2, en (3) het mitotisch checkpoint in M. (1) Het restrictiepunt of ‘START’ of ‘the point-of-no-return’. Dit is het punt waarop de cel zal beslissen of ze idd. zal delen of niet, en indien ja, dat er ook geen weg meer terug is. De beslissing om te delen of niet, staat volledig onder controle van externe signalen (‘mitogene signalen’ of groeifactoren) die zullen zorgen voor een verhoogde expressie van cycline D, en de activatie van cycline D/CDK4. Dit kinase zal vervolgens zijn substraat, het Retinoblastoma tumor suppressor eiwit of Rb gaan fosforyleren (FIGUUR 3.26). Gefosforyleerd Rb dissocieert dan van zijn bindingspartner, de transcriptiefactor E2F, die daardoor vrijkomt om transcriptie van zijn doelwitgenen in gang te zetten. Hierdoor zullen de eiwitten die nodig zijn voor DNA-replicatie (S-fase) (bvb. DNA polymerasen) aangemaakt worden, evenals cycline E, waardoor ook cycline E/CDK2 actief wordt en Rb eveneens mee kan fosforyleren. Op dat moment zullen externe signalen geen invloed meer kunnen uitoefenen op de celcyclus progressie: zelfs als de groeifactoren wegvallen (en dus ook cycline D/CDK4), zal de toenemende hoeveelheid cycline E en actief cycline E/CDK2 via deze positieve feedback-loop blijven zorgen voor Rb fosforylatie en expressie van de S-fase genen. De celcylcus zet zich op dit punt m.a.w. zowiezo door, onafhankelijk van enige externe controles = ‘point-of-no-return’. FIG. 3.26 (2) De DNA-schadecontrolepunten. Op drie momenten tijdens celdeling zal de cel specifiek checken of alles nog wel in orde is met haar DNA: vlak voor de DNA-replicatie in G1, tijdens de DNA-replicatie in S, en vlak voor het gedupliceerde DNA over de dochtercellen zal verdeeld worden op het einde van G2. DNA 61  beschadigingen of mutaties kunnen het gevolg zijn van intrinsieke fouten (bvb. door de cel zelf gemaakt tijdens de replicatie), maar kunnen ook ontstaan door extrinsieke omstandigheden, bvb. door plotse aanwezigheid van mutagenen of carcinogenen in het extracellulaire milieu (chemische DNA-beschadigers, intensieve UV straling (zonlicht!) of andere ioniserende stralingen). Eén van de centrale spelers in deze DNA-schade checkpoints (in feite: de ‘effector’) is de tumorsuppressor p53, ook wel de ‘bewaker van ons genoom’ genoemd. p53 is een transcriptiefactor, die expressie van groei-inhiberende of pro-apoptotische genen zal stimuleren, en expressie van groei-stimulerende of anti-apoptotische genen zal inhiberen. Hierdoor kan activatie van p53 de celdeling stoppen om gedurende deze tijd DNA-herstel toe te laten, of apoptose induceren als DNA-herstel niet meer mogelijk is. In normale omstandigheden is p53 een erg onstabiel eiwit dat snel afgebroken wordt. Bij DNA-schade wordt p53 echter via verschillende mechanismen (o.a. fosforylering door Checkpoint kinasen) gestabiliseerd waardoor het zijn functie als transcriptiefactor en genoom-bewaker kan gaan uitoefenen. (3) Mitotisch checkpoint of ‘spoelfiguurvormingscontrolepunt’ of ‘spindle assembly checkpoint’ (SAC). Dit checkpoint situeert zich tussen de metafase en de anafase, en zorgt ervoor dat de zusterchromatiden steeds gelijkmatig verdeeld zullen worden over de dochtercellen. In feite zal de cel net zolang in de metafase blijven totdat alle chromosomen zich bipolair hebben aangehecht aan de kinetochoor-microtubuli (trekdraden), en ze dus een tegengestelde trekkracht ondervinden vanuit beide polen. Zolang dit niet het geval is, bvb doordat sommige chromosomen niet gebonden zijn of verkeerd gebonden zijn aan de microtubuli (FIGUUR 3.27), zal het checkpoint ‘aan’ blijven staan, en zal de cel in de metafase geblokkeerd blijven. FIG. 3.27 62 Fouten in het mitotisch checkpoint kunnen leiden tot dochtercellen met een te klein of te groot aantal chromosomen (=’aneuploïdie’), en dit is een typisch kenmerk van bvb. kankercellen, waarin dit controlepunt vaak verstoord is door mutaties. Maar ook sommige genetische ziekten, bvb het syndroom van Down (trisomie 21), worden hierdoor gekenmerkt. 3.2.5. De meiose De meiose is een speciale vorm van cel- of kerndeling waarbij de hoeveelheid DNA van de moedercel doelbewust gehalveerd wordt: dit gebeurt typisch bij de vorming van de voortplantingscellen of ‘gameten’ (=eicellen en zaadcellen). Door een meiotische celdeling wordt het aantal chromosomen dus van ‘diploïd’ (=2n) naar ‘haploïd’ (=n) teruggebracht. De meiose bestaat uit een fase van DNA- replicatie, die dan gevolgd wordt door niet één, maar twee nucleaire delingen: uit één moedercel, ontstaan dus niet twee, maar vier dochtercellen (FIGUUR 3.28). FIG. 3.28 63 Bij de gameetvorming in de man ontstaan zo 4 spermatiden uit één spermatocyt, die ieder verder zullen differentiëren tot 4 afgewerkte zaadcellen (FIGUUR 3.29). In de vrouw gebeurt de meiose asymmetrisch, en ontstaat uit één oöcyt, één grote eicel en drie kleinere poollichaampjes, die na hun vorming volledig degenereren, waardoor enkel de eicel nog overblijft (FIGUUR 3.29). FIG. 3.29 Een tweede belangrijk kenmerk bij dit type celdeling is dat, na replicatie, de homologe chromosomen paren met mekaar gaan vormen (ook ‘bivalenten’ of ‘tetraden’ genoemd), waarbij sommige delen van deze chromosomen via homologe recombinatie (=’crossing over’) uitgewisseld kunnen worden met elkaar (FIGUUR 3.30). Deze plaatsen blijven nadien nog zichtbaar door de vorming van chiasmata (= de plaatsen waar de homologe chromosomen het best aan mekaar blijven hangen, juist omdat daar homologe recombinatie is gebeurd). De vorming van bivalenten of ‘SYNAPSIS’ grijpt plaats tijdens de profase van de eerste meiotische deling (profase I van meiose I) (FIGUUR 3.30). Recombinatie tussen de homologe chromosomen (=moederlijk en vaderlijk chromosoom) gebeurt ‘willekeurig’ en maakt dat het DNA in de dochtercellen quasi volkomen uniek zal zijn: hierdoor wordt de genetische variabiliteit bij de voortplanting enorm verhoogd. FIG. 3.30 64 Tijdens meiose I komen de homologe chromosomen in twee aparte dochtercellen terecht doordat in metafase I de bivalenten (nu enkel nog samengehouden door de chiasmata) zich ter hoogte van de metafase plaat zullen aligneren (FIGUUR 3.31). Merk op dat dit een wezenlijk verschil is met de mitose: in dit geval zullen de homologe chromosomen zich immers onafhankelijk van mekaar gedragen tijdens het verdeelproces (FIGUUR 3.32). FIG. 3.31 65 In anafase I zullen de homologe chromosomen van mekaar gescheiden worden (FIGUUR 3.31). Een speciaal eiwit, shugoshine, zal hierbij specifiek verhinderen dat de zusterchromatiden zouden gescheiden worden. In meiose II volgt dan een gewone mitose, waarbij de zusterchromatiden van ieder chromosoom verder gesegregeerd worden – shugoshine is dan niet meer actief (FIGUUR 3.31). FIG. 3.32 66 3.3. Celdood: apoptose versus necrose Zoals celdeling en celdifferentiatie kan celdood ook een fysiologisch proces zijn. De ‘klassieke’ celdood kan op twee manieren gebeuren: een cel kan zodanig beschadigd zijn door mechanische druk, infectie of toxische agentia dat ze niet meer in staat is te overleven. Deze vorm van celdood noemen we necrose of pathologische celdood. Anderzijds kan een cel signalen ontvangen, waardoor ze zelf beslist om te sterven. Deze ‘cel suïcide’ of ‘zelfmoord’ verloopt volkomen gecontroleerd en wordt daarom geprogrammeerde celdood of apoptose genoemd. Het is de belangrijkste vorm van celdood, omdat het de meest fysiologische manier is waarop een cel aan zijn einde kan komen. Daarnaast zijn er nog heel wat andere vormen van celdood gekend (autofagie, necroptose, pyroptose, ferroptose) waar we niet verder zullen op ingaan. Celdood gaat gepaard met een reeks van morfologische veranderingen, die echter verschillend z