Celbiologie

Cellen zijn de bouwstenen van het leven. In hun kern bevindt zich het DNA, grote moleculen die de biochemische blauwdruk van het leven bevatten. Eén cel is genoeg om alle levensfuncties uit te kunnen oefenen. Er zijn dan ook miljarden eencellige organismen op onze planeet.

Gedurende de evolutie zijn cellen ook samen gaan werken om meercellige organismen te bouwen. Daarbij zijn cellen steeds meer gespecialiseerd geraakt, en zorgen elk voor een taak, een kleine bijdrage aan het functioneren van een plant of een dier. Sommige cellen zijn gespecialiseerd in het waarnemen van de buitenwereld, anderen maken voortbewegen mogelijk, en weer anderen verzorgen de afweer tegen ziekteverwekkers. Dit zijn bijvoorbeeld lymfocyten, zoals de groene bolletjes op de foto die met een electronenmicroscoop gemaakt is. Hier vallen ze een kankercel (oranje) aan.

Celmembraan

De celmembraan is een dubbel laag van vetachtige moleculen die het binnenste van een cel afschermen van de rest van het lichaam. Het is voor de meeste stoffen een ondoordringbare laag. Alleen moleculen die in vet oplosbaar zijn, zoals cortisol, kunnen er doorheen; moleculen die in water oplosbaar zijn kunnen dit niet.

Toch is het voor het functioneren van cellen belangrijk, dat er uitwisseling plaatsvindt van stoffen die in de cel zitten en die zich buiten de cel bevinden. Denk bijvoorbeeld aan neuronen die een actiepotentiaal moeten vuren. Dit kan alleen maar als er natriumionen naar binnen gaan en kaliumionen naar buiten. Daartoe bevinden zich er kleine kanaaltjes in de celmembraan, die de cel al naar gelang de behoefte dicht kan doen of juist open kan zetten.

De celmembraan heeft ook een keur aan receptoren ingebed. Dit zijn de antennes die ervoor zorgen dat een cel “weet” wat er zich in zijn omgeving afspeelt. De receptoren geven informatie door, en zetten de cel aan tot passende actie. Dit kan het vuren van een actiepotentiaal zijn door neuronen, het afgeven van een hormoon door cellen in endocriene klieren, of het samentrekken van een spier.

Cytoplasma

Binnen de cel vinden we het cytoplasma. Dit is een waterige substantie waarbinnen zich de organellen bevinden. Dit zijn kleine structuren die bijvoorbeeld eiwitten maken (endoplasmatisch reticulum en ribosomen), energie leveren (mitochondriën), of transport van moleculen verzorgen (Golgi apparaat, allerlei soorten blaasjes). Het cytoplasma is strak georganiseerd met behulp van structurele eiwitten die de cel vorm geven en het mogelijk maken dat moleculen die samen moeten werken ook daadwerkelijk bij elkaar in de buurt liggen, en niet door het cytoplasma dobberen.

Celkern

Misschien wel het bekendste organel is de celkern. In de celkern bevinden zich de chromosomen, waarop het DNA ligt. Het is het erfelijk materiaal en bevat de bouwinstructies voor eiwitten. Daarnaast zit de celkern vol met speciale eiwitten die de chromosomen laten samen klonteren of juist een meer open structuur geven. Andere eiwitten kunnen direct aan het DNA binden het proces van eiwitproductie aan- of uit te schakelen.

DNA – RNA – eiwit

Het DNA is een dubbele helix, waarbij de erfelijke code vastligt door de volgorde van vier bijzondere moleculen: adenine, cytosine, guanine en thymine. Speciale eiwitten kunnen deze code aflezen, waarbij het DNA als een matrijs dient voor de synthese van een nieuw molecuul, het RNA. Het RNA bevat de meeste code van het DNA, alhoewel thymine vervangen is door uracil. Het RNA wordt met wat knip- en plakwerk door speciale enzymen verkort tot messenger RNA (mRNA), dat zich niet in de kern maar in het cytoplasma bevindt. Daar wordt het in ribosomen gebruikt als matrijs om eiwitten uit aminozuren te produceren. De volgorde van de aminozuren wordt dus bepaald door de volgorde van adenine, cytosine, guanine en thymine in het DNA. Deze volgorde wordt door het RNA verder gecommuniceerd naar de ribosomen voor de eiwitproductie.

Na de synthese vouwen de meeste eiwitten zich nog, waardoor ze een unieke driedimensionale structuur krijgen. Sommige eiwitten vormen complexen met andere eiwitten. Daarna kunnen de eiwitten nog worden veranderd door er chemische groepen aan te hangen, of het wordt geknipt tot kleinere eiwitten. Dit laatste gebeurt bijvoorbeeld bij de aanmaak van ACTH in de hypofyse. De hypofyse maakt een groot molecuul, POMC, dat vervolgens tot kleinere eiwitten, waaronder ACTH, wordt opgeknipt. Weer andere eiwitten kunnen zich heel mooi opvouwen tot prachtige driedimensionale structuren.

Alle eiwitten worden op deze manier gemaakt. Cellen hebben mechanismen die het mogelijk maken dat de eiwitten naar het goede deel van de cel getransporteerd wordt. Sommige eiwitten moeten naar de celkern, andere zijn receptoren die naar de membraan moeten, en weer andere zijn bijvoorbeeld hormonen die in blaasjes worden opgeslagen totdat ze afgegeven moeten worden.

Genexpressie

Het DNA is veel groter dan het deel dat codeert voor eiwitten. Elk stukje DNA, dat voor een eiwit codeert, wordt een gen genoemd. Als een bepaald eiwit gemaakt moet worden, dan wordt het gen daarvoor afgeschreven en RNA aangemaakt. Genexpressie is een term die dit aanduidt. Als de expressie van CRF in de hypothalamus verhoogd wordt, dan betekent dit, dat er meer mRNA voor het CRF eiwit gemaakt wordt. Meestal vertaalt zich dit ook in een verhoogde aanmaak van het betreffende eiwit (in dit voorbeeld dus CRF).

Epigenetica

Genexpressie is een strak gereguleerd proces. In de celkern wordt ervoor gewaakt, dat genen zomaar worden afgeschreven en er willekeurig eiwitten worden gefabriceerd. Als een gen moet worden afgeschreven, dan wordt het betreffende stukje DNA toegankelijk gemaakt, zodat gespecialiseerde eiwitten erbij kunnen om de code te lezen en RNA te maken. Daarnaast kunnen chemische groepen aan het DNA geplakt worden, waardoor het gen niet meer afgelezen kan worden. Deze processen maken deel uit van de epigenetica. Het zijn processen, waarbij niet de volgorde van het DNA bepaalt wat er gebeurt, maar de toegankelijkheid van het DNA.

Epigenetica bepaalt welke genen er in welke cellen worden afgeschreven. Zo maakt een levercel alleen maar eiwitten aan die bij een levercel horen. Andere genen zijn niet toegankelijk,. Vaak kunnen epigenetische mechanismen maar moeilijk of helemaal niet worden tegengewerkt. Een levercel blijft een levercel. Alleen binnen de functie van een cel kunnen epigenetische veranderingen ongedaan worden gemaakt, als de cel meer of minder van een bepaald eiwit nodig heeft. Genexpressie is dan een samenspel tussen epigenetica en het activeren van bepaalde eiwitten waardoor het DNA afgelezen kan worden.