Deze samenvatting is gebaseerd op collegejaar 2016-2017.

Inhoud van deze samenvatting:

• Deze samenvatting (deel 1 en deel 2) is te gebruiken bij alle verplichte hoofdstukken uit de volgende boeken voor het vak Van Cel tot Molecuul:

1. Essential Cell Biology van Alberts et al uit 2014, namelijk onderwerpen uit hoofdstukken
   3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 15, 16, 17, 18, 19.

2. Elements of Medical Genetics van Turnpenny uit 2011, namelijk onderwerpen uit hoofdstukken
   1, 2, 3, 6, 7, 8, 9, 17, 18, 22

3. Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approach van Boron & Boulpaep uit 2008, namelijk hoofdstuk 2

Celbiologie: Energie, katalyse en biosynthese (3)

Katalyse

Voordat een enzym een reactie kan katalyseren moet het enzym eerst binden aan zijn substraat. Vervolgens wordt er een product aangemaakt dat bindt aan het enzym. Wanneer dit product losraakt van het enzym kan er een volgend substraat binden. De gekatalyseerde reacties van een substraat dat een bepaald product vormt, verschillen in snelheid. De snelheid kan gemeten worden in een experiment waarbij zuivere enzymen en substraten gemixt worden onder zorgvuldige omstandigheden. Als alle enzymen gebonden zijn door substraat, is de Vmax bereikt.

De substraatconcentratie die nodig is om een enzym efficiënt te laten werken, wordt vaak gemeten met een andere parameter: Km. De Km is de substraatconcentratie waarbij het enzym op de helft van zijn maximale snelheid werkt (0,5 Vmax).

Wanneer een enzym de activeringsenergie voor de reactie Y naar X verlaagt, wordt tegelijkertijd ook de activeringsenergie voor de reactie X naar Y verlaagd met precies dezelfde hoeveelheid.

Het bestuderen van de kinetica (bewegingsleer) van een enzym (hoe snel het opereert, hoe het zich gedraagt tegenover het substraat, hoe de activiteit wordt gecontroleerd), zorgt ervoor dat we kunnen voorspellen hoe een individuele katalysator zich zal gedragen en hoe het interactie zal hebben in een netwerk met andere enzymen.

Allereerst moet de Vmax bepaald worden. Dit gebeurt door een meting waarbij wordt gekeken hoe snel het substraat geconsumeerd wordt dus hoe snel het product gevormd wordt.

De enzymwerking wordt niet alleen beïnvloed door het substraat, maar kan ook beheerst worden door bijvoorbeeld producten, substraat look-alikes, inhibitors, toxines en andere kleine moleculen die de reactie kunnen verbeteren dan wel verstoren. Het effect van een inhibitor op de enzymactiviteit kan ook gemeten worden. Competitieve inhibitors blokkeren de enzymactiviteit doordat ze aan het enzym gaan binden, op dezelfde bindingsplaats waar het substraat zich bindt. Als er echter genoeg substraat wordt toegevoegd, zullen de enzymen toch met het substraat binden en de Vmax bereiken. Het kan ook dat een inhibitor op een andere plek bindt aan het enzym, waardoor het substraat-enzym langzamer gevormd wordt dan normaal. Dit kan niet omzeild worden door meer substraat toe te voegen.

De energie die afkomstig is van de oxidatie van voedselmoleculen moet tijdelijk opgeslagen worden voordat het gebruikt wordt. Dit gebeurt in de meeste gevallen in geactiveerde ‘carriermoleculen’. Zij brengen de energie naar de plaatsen waar het gebruikt wordt voor biosynthese. De drie belangrijkste carriermoleculen zijn ATP, NADH en NADPH.

De vorming van een geactiveerde carrier is gekoppeld aan een energetisch gunstige reactie. Hiervoor zijn enzymen nodig. (Een illustratief voorbeeld van zo’n koppeling is weergegeven in figuur 3-29, blz. 106.) De meest gebruikte carrier is ATP. ATP wordt gesynthetiseerd in een energetisch ongunstige fosforyleringsreactie, waarbij een fosfaatgroep wordt toegevoegd aan een ADP molecuul. Als het nodig is, splitst ATP weer in ADP en een fosfaat (Pi ), wat een energetisch gunstige hydrolyse is. Het ADP kan weer worden gebruikt voor een fosfolyseringsreactie en zo ontstaat er een celcyclus. Verder is de reactie van ATP hydrolyse gekoppeld aan vele ongunstige andere reacties waardoor andere moleculen gesynthetiseerd worden. Fosfolyseringsreacties zijn voorbeelden van condensatiereacties en komen bij veel belangrijke celprocessen voor. Ze activeren substraten, wisselen chemische energie uit en zijn essentieel bij intracellulaire signaal doorgave. ATP wordt vooral gebruikt om stoffen de cel in en uit te transporteren en het levert ook energie voor de samentrekking van spieren.

De twee belangrijkste elektronen carriers zijn NADHen NADPH. Ze kunnen allebei een ‘energiepakketje’ opnemen bestaande uit twee hoogenergetische elektronen en een proton (H+ ) en dan worden ze NAD+ en NADP+. Het verschil tussen NADH en NADPH is de fosfaatgroep, waardoor ze iets anders van vorm zijn en kunnen binden aan verschillende soorten enzymen.

Binnen de cel is de ratio van NAD+ naar NADH hoog, terwijl de ratio van NADP+ naar NADPH laag gehouden wordt. Hierdoor kan NAD+ als oxiderend, en NADPH als reducerend element fungeren. Dit is vereist voor de speciale rollen die ze spelen in respectievelijk katabolisme en anabolisme.

Er zijn ook andere geactiveerde carriers, zoals FADH2. Dit molecuul draagt ook hydrogene en hoogenergetische elektronen. Co-enzym A, in geactiveerde toestand acetyl-CoA wordt bijvoorbeeld gebruikt om twee carbon-units toe te voegen in de biosynthese van de hydrocarbonstaarten van vetzuren. Zie tabel 3-2, blz. 112, voor een aantal geactiveerde carriermoleculen die gebruikt worden in metabolisme.

Het gedeelte waarin energie getransporteerd wordt, is maar een klein onderdeel van een carriermolecuul. De rest bestaat uit een groot organisch deel dat er voor zorgt dat het molecuul herkend kan worden door specifieke enzymen. Vaak bevat dit gedeelte een nucleotide, dit is ook zo bij acetyl-CoA. Dit kan een aanwijzing zijn dat veel carriermoleculen afkomstig zijn van RNA.

Celbiologie: Proteinstructuren en -functies (4)

Structuur van eiwitten

Chemisch gezien hebben eiwitten een ingewikkelde structuur en erg verfijnde functies. Eiwitten zijn opgebouwd uit een lange keten aminozuren. Er zijn 20 verschillende aminozuren. Aminozuren zijn met elkaar verbonden door middel van een covalente peptidebinding. Eiwitten worden daarom ook wel polypeptiden genoemd. Elk type eiwit heeft zijn eigen aminozuurvolgorde, die bepalend is voor de uiteindelijke vorm van het eiwit.

Een polypeptide bestaat uit een keten van aaneengekoppelde aminozuren. De specifieke zijgroepen van de aminozuren steken uit de keten. Deze zijgroepen kunnen hydrofiel of hydrofoob zijn, negatief of positief geladen of bijvoorbeeld chemisch reactief zijn. De zijgroep bepaalt de specifieke eigenschappen van het aminozuur.

Lange peptideketens zijn erg flexibel en kunnen dus op veel manieren vouwen. De gevouwen structuur van een eiwit wordt in stand gehouden door niet-covalente interacties tussen verschillende delen van de peptideketen (waterstofbruggen, elektrostatische krachten en vanderwaalskrachten). Ook hydrofobe interacties spelen een rol. De hydrofobe zijgroepen van aminozuren draaien zo ver mogelijk van de waterige omgeving af en dus het eiwit in. De hydrofiele zijgroepen draaien juist naar de waterige omgeving toe en vormen waterstofbruggen met water of met elkaar. Elk eiwit creëert op deze manier een eigen driedimensionale structuur. De niet-covalente bindingen zijn over het algemeen zwak, maar door de combinatie van vele niet-covalente bindingen kan toch een stabiele structuur ontstaan.

De driedimensionale structuur van een eiwit wordt dus bepaald door zijn aminozuurvolgorde. Als laatste heeft ook de energietoestand van het eiwit invloed op de conformatie van dat eiwit. Een eiwit zal in die vorm gevouwen worden waarbij de vrije energie het laagst is.

Het denatureren van een eiwit betreft het verkeerd opgevouwen zijn van dat eiwit. Renaturatie betekent dat het eiwit spontaan de juiste conformatie terugkrijgt. Als eiwitten zich verkeerd opvouwen, kan dat schadelijk zijn voor weefsels en cellen.

In een cel komen bepaalde eiwitten, moleculaire chaperones, voor. Moleculaire chaperones helpen gedeeltelijk gevouwen eiwitten verder te vouwen tot de meest gunstige driedimensionale structuur. Zij maken het proces efficiënter en betrouwbaarder.

Wanneer de driedimensionale structuur van verschillende eiwitten met elkaar vergeleken wordt, valt het op dat er twee vouwpatronen vaak voorkomen, de α-helix en de β-sheet. Deze vouwpatronen ontstaan door waterstofbruggen tussen de N-H en C=O groepen van de ruggengraat (zijgroepen zijn hierbij niet betrokken). α-helices zijn rechtsdraaiende of linksdraaiende spiraalvormige eiwitketens (zie afbeelding), waarbij waterstofbruggen tussen aminozuren zorgen voor de spiraalvorm.

Elke NH-groep van de peptideketen is verbonden met de C=O-groep van dezelfde keten, maar dan 4 aminozuren verder. Er zijn totaal 3,6 aminozuren per draai.
De zijgroepen van de aminozuren komen aan de buitenkant van de helix te liggen. Soms draaien meerdere helices in elkaar, er ontstaat dan een stevige structuur. Dit wordt een coiled-coil genoemd.

β-sheets zijn vlakken, bestaande uit ketens van aminozuren die bij elkaar worden gehouden door waterstofbruggen (de bruggen vinden dus plaats tussen de naast elkaar gelegen delen van de keten). De hoofdketen is hierbij vrijwel gestrekt en de zijgroepen bevinden zich zowel aan de binnen- als aan de buitenkant. Er bestaan parallelle β sheets en antiparallelle β-sheets. In de afbeelding is (A) antiparallel en (B) parallel.

De primaire structuur van een eiwit is de aminozuurvolgorde. De secundaire structuur zijn de α-helices en β-sheets. De tertiaire structuur is de driedimensionale vorm van een hele polypeptideketen. Hierbij horen zowel α-helices, als β-sheets, als andere gevormde structuren. Wanneer er meerdere polypeptideketens samen een eiwitcomplex vormen, wordt dit de quaternaire structuur genoemd.

Het eiwitdomein omvat een deel van een polypeptideketen die zich in een stabiele en compacte structuur kan vouwen. Zo’n eiwitdomein heeft vaak een bepaalde functie. Zogenaamde intrinsically disordered sequences zijn stukken polypeptide zonder eiwitdomein, die erg flexibel zijn.

In theorie zijn er oneindig veel verschillende polypeptideketens mogelijk, maar deze komen niet allemaal in cellen voor. Een polypeptide keten die n aminozuren lang is, heeft 20n mogelijke aminozuurvolgordes. Toch zal maar een klein deel van de mogelijke polypeptideketens vormen tot een stabiele driedimensionale structuur. De eiwitten die niet functioneel of stabiel waren, zijn door natuurlijke selectie geëlimineerd.

Eiwitfamilies zijn groepen eiwitten die qua aminozuurvolgorde en driedimensionale structuur op elkaar lijken. Kleine verschillen in structuur zorgen er echter voor dat verschillende ‘familieleden’ verschillende functies hebben.

Sommige eiwitten zijn opgebouwd uit meerdere polypeptideketens. Elke polypeptideketen in zo’n eiwit wordt een subunit genoemd. De interactie tussen de subunits vindt plaats door non-covalente bindingen. Ook kunnen verschillende eiwitten aan elkaar gekoppeld worden. Virussen en ribosomen zijn bijvoorbeeld opgebouwd uit één of meerdere soorten eiwitten plus RNA of DNA-moleculen.

Globular proteins zijn eiwitten waarvan de polypeptideketen zich opvouwt, zodat er een compact geheel (soort van bal) ontstaat met een onregelmatig oppervlak. Fibrous proteins zijn eiwitten met een relatief simpele, langwerpige driedimensionale structuur. Deze bevinden zich vaak buiten de cel, waar zij een extracellulaire matrix vormen, die cellen van weefsels aan elkaar helpt te binden.

Eiwitten die zich extracellulair bevinden, binden hun polypeptideketens vaak door covalente kruisbindingen aan elkaar. Een zwavelbrug is een voorbeeld van zo’n binding.

Een molecuul dat aan een eiwit gebonden is noemen we een ligand. De binding tussen ligand en eiwit bestaat uit non-covalente bindingen. Om de binding zo sterk mogelijk te maken, moet het contactoppervlak tussen ligand en eiwit zo groot mogelijk zijn. De ligand en het eiwit moeten dus precies op elkaar passen. De plaats waar de ligand en het eiwit binden, wordt de bindingsite genoemd.

Enzymen zijn eiwitten die de chemische reacties die in de cel plaatsvinden katalyseren. Een ligand wordt bij een enzym ook wel substraat genoemd. Deze substraten zetten de enzymen om in een specifiek product. Enzymen versnellen reacties door het verlagen de activeringsenergie. Zij worden hierbij zelf niet verbruikt of veranderd. Elk enzym is specifiek voor een bepaald substraat en een bepaalde reactie, maar ook voor een bepaald product.

Enzymen kunnen op drie manieren reacties mogelijk maken:

• Door de ladingsverdelingen in het substraat te veranderen;

• Door in het substraat bepaalde hoeken te veranderen;

• Door substraten die met elkaar reageren op een specifieke manier bij elkaar te brengen.

Eiwitten als hemoglobine kunnen moleculen die geen eiwit zijn, gebruiken om functioneel te zijn. Deze kleine niet-eiwitmoleculen worden dan een onderdeel van het eiwit. Een antilichaam in het bloed jaagt op antigenen. Door specifieke binding van een antilichaam aan een antigeen kunnen deze schadelijke antigenen onwerkzaam worden gemaakt. De werking van verscheidene medicijnen berust in het blokkeren van enzymen.

Regulatie van eiwitten

De expressie van eiwitten kan op verschillende niveaus geregeld worden. Ten eerste kan de cel beheren welk eiwit wordt gesynthetiseerd door te reguleren welke genen tot expressie komen. Ook kan de cel reguleren hoe sterk een eiwit wordt afgebroken. Door deze twee processen kan de cel de concentratie van een bepaald eiwit reguleren.

Daarnaast kan de expressie van een eiwit geregeld worden door het eiwit aan of uit te zetten. Het aan- of uitzetten van een eiwit kan op verschillende manieren.

De activiteit van eiwitten wordt vaak geregeld door de binding van andere moleculen. Hiervoor heeft het enzym twee bindingssites: één voor het substraat en één voor het regulerende molecuul. Binding van een regulerend molecuul zorgt voor een vormverandering van het eiwit, waardoor het actief of juist inactief wordt. De meeste enzymen zijn allosterische eiwitten. Een allosterisch eiwit is een eiwit dat twee of meer verschillende vormen aan kan nemen, waardoor de activiteit van het eiwit kan verschillen.

Een van de meest voorkomende vormen van regulatie van eiwitactiviteit door binding van moleculen die geen substraten zijn, is feedback inhibition: een enzym in het begin van een reactieketen wordt geremd door een product aan het eind van de reactieketen (negatieve terugkoppeling). De binding van de inhibitor aan het enzym veroorzaakt een vormverandering van het actieve centrum, waardoor substraatmoleculen niet meer kunnen binden. Het enzym staat ‘uit’. Er kan ook een positieve terugkoppeling plaatsvinden. Hierbij wordt de enzymactiviteit gestimuleerd door een bepaald product uit de reactieketen.

Een andere manier van enzymregulatie vindt plaats door het binden of het afsplitsen van moleculen. Voorbeelden van zulke processen zijn:

1. Reversible protein phosphorylation: door het binden/afsplitsen van een fosfaatgroep aan de zijketen van het eiwit, wordt het eiwit inactief/actief gemaakt, doordat een fosfaatgroep negatief geladen is en koppeling/afsplitsing kan zorgen voor een grote conformatieverandering binnen het eiwit. Door fosforylering kunnen eiwitten zich echter ook aan elkaar binden via zogenaamde docking sites. Dit proces van fosforylering gebeurt door omzetting van ATP in ADP. Kinase koppelt een fosfaatgroep aan het eiwit, fosfatase koppelt een fosforgroep van het eiwit af. Fosforylering is een vorm van covalente modificatie.

2. GTP-bindende eiwitten: door het binden van GTP door deze eiwitten wordt het eiwit ‘aangezet’. Door de hydrolyse van GTP ontstaat GDP (difosfaat) en een losse fosfaatgroep. Als GDP aan deze eiwitten is gekoppeld, staat het eiwit ‘uit’. Door GDP van het eiwit te vervangen door GTP wordt het eiwit weer actief gemaakt.

Motor proteins zijn eiwitten wiens hoofdfunctie het in beweging brengen van andere moleculen is. Een eiwit kan zich voortbewegen door een serie van vormveranderingen te ondergaan. Wanneer deze veranderingen niet gereguleerd worden zal het eiwit willekeurig bewegen. Om het eiwit vooruit te laten bewegen moet er voor gezorgd worden dat het eiwit niet achteruit kan. Dit gebeurt door de vormveranderingen van het eiwit te koppelen aan de hydrolyse van een ATP-molecuul dat aan het eiwit gebonden is. Om achteruit te kunnen bewegen, zal het eiwit nu een fosfaatgroep moeten binden aan ADP op weer ATP te vormen.

Gezien de energie die deze handeling kost, is dit erg onwaarschijnlijk. Protein machines bestaan uit een samenstel van meerdere allosterische eiwitten. Zij kunnen complexe cellulaire functies efficiënt uitoefenen als gevolg van gecoördineerde vormveranderingen.

Voor veel eiwitten is hun enige doel om te binden aan een ander molecuul. Voor andere eiwitten is deze binding slechts een eerste stap voor hun uiteindelijke functionering. Dat is het geval bij enzymen, een belangrijke eiwitklasse. Zij voeren bijna alle noodzakelijke chemische transformaties uit in een cel. Enzymen binden aan een of meer liganden (substraten) en zetten ze om in chemisch gemodificeerde producten. Dit doen ze talloze keren met hoge snelheid, terwijl ze zelf niet veranderen. Er zijn verschillende typen enzymen, deze worden geclassificeerd volgens de chemische reactie die ze katalyseren (zie tabel 4-1, blz. 144).

Een enzym waarvan de werking uitgebreid bestudeerd is, is een lysozym. Een lysozym katalyseert een hydrolysereactie. Hierdoor wordt de binding tussen twee suikergroepen verbroken. Om de reactie te laten verlopen, moet de activeringsenergie overschreden worden. Dan komt het enzym in het spel. Net als andere enzymen heeft een lysozym een bindingsplaats, een active site. Als een polysacharide bindt aan de actieve site, wordt de binding tussen suiker-suiker verbroken. Het lysozym doet drie dingen om de activeringsenergie terug te brengen:

• Het zorgt ervoor dat een van de twee suikergroepen van vorm verandert, waardoor de verbinding makkelijker verbroken wordt.

• Het brengt de binding die verbroken moet worden in de buurt van twee aminozuren met zure zijketens, die reageren met de verstoorde suikergroep waardoor de binding breekt.

• Het zorgt ervoor dat een watermolecuul reageert met het C1 koolstofatoom van het substraat, waardoor de hydrolyse gecompleteerd wordt.

Andere enzymen gebruiken gelijkwaardige mechanismes om de activeringsenergie te verlagen en zo reacties te versnellen De meeste medicijnen werken door de activiteit van een bepaald enzym te blokkeren.

De katalyserende activiteiten van enzymen worden vaak gereguleerd door andere moleculen. Duizenden enzymen werken vaak gelijktijdig en in het zelfde gebied. Het is een heel complex systeem en daarom zijn er uitgebreide controles vereist om alle reacties op de juiste wijze te reguleren. Het meest gebruikte controlemechanisme treedt op wanneer een ander molecuul dan het substraat aan de bindingsplaats van het enzym bindt. Als een bepaald product zich begint op te stapelen, bindt het product zelf vaak aan het enzym waardoor verdere omzetting van substraat gelimiteerd wordt Dit wordt feedback inhibition genoemd. Dat is een vorm van negatieve regulering. Er is ook positieve regulering, dan wordt de enzymactiviteit juist gestimuleerd door een ander molecuul.

Een enzym heeft minstens twee verschillende bindingsplaatsen: een voor het substraat en een andere voor regulerende moleculen. Deze twee bindingsplaatsen kunnen op een bepaalde manier communiceren, zodat de katalyserende activiteit beïnvloed kan worden door regulerende moleculen. Dit gebeurt doordat de structuur van een enzym verandert, zodat bijvoorbeeld de bindingsplaats voor het substraat minder toegankelijk is. De meeste eiwitten zijn allosterisch. Dat wil zeggen dat ze twee of meer verschillende conformaties aan kunnen nemen.

Eukaryote cellen gebruiken vooral een methode om eiwitactiviteit te reguleren waarbij fosfaatgroepen binden aan de zijgroep van het aminozuur van het eiwit. De fosfaatgroepen dragen twee negatief ladingen, hierdoor kan er een grote conformationele verandering ontstaan. Dit zorgt weer voor een verandering van liganden aan het eiwit oppervlak. Zo verandert de eiwit activiteit; deze wordt geïnactiveerd. Het eiwit kan weer worden geactiveerd door enzymen. Zie Figure 4-40 op pagina 153. Deze omkeerbare eiwitfosforylatie reguleert de activiteit van veel verschillende eiwitten. Deze fosfaatgroep komt van een gehydrolyseerd ATP-molecuul; de reactie kost dus energie.

Celbiologie: DNA en Chromosomen (5)

Genen & DNA

In genen ligt de informatie opgeslagen die iets zegt over de persoonlijke kenmerken van een persoon en een bepaalde groep. Deze informatie wordt miljoenen keren van moeder- naar dochtercel overgegeven, zonder dat er uiteindelijk veel veranderingen zijn ontstaan.

Chromosomen zijn draadachtige structuren die in celkernen zitten. Ze worden zichtbaar tijdens de celdeling. Chromosomen bestaan uit DNA en eiwitten. Het DNA bevat de erfelijke informatie en de eiwitten spelen voornamelijk een rol in de verpakking en regulatie van de DNA-moleculen.

Een deoxyribonucleïnezuur-molecuul (DNA) bevat twee lange polynucleotide ketens. Beide strengen zijn opgebouwd uit 4 soorten nucleotiden. De twee strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen deze nucleotiden. Nucleotiden zijn opgebouwd uit een fosfaatgroep, een suikergroep en een base. Deze suikergroep bestaat uit een ring van 5 koolstofatomen, met daaraan 1 of meerdere fosfaatgroepen en een stikstofbase. De 4 verschillende basen zijn:

• Adenine (A)

• Cytosine (C)

• Guanine (G)

• Thymine (T)

De nucleotiden zitten aan elkaar vast doordat de suiker- en de fosfaatgroep met elkaar binden. Er ontstaat zo een soort “ruggengraat” met om en om steeds suiker en fosfaat. De twee strengen worden bij elkaar gehouden doordat de basen waterstofbruggen vormen. Door de manier waarop de nucleotiden gerangschikt zijn, ontstaat er een chemische polariteit. Dit wordt aangegeven door te verwijzen naar een 3’-kant (waar de hydroxylgroep zit) en een 5’-kant (waar de fosfaatgroep zit).

De twee polynucleotide ketens worden in een dubbele helix bij elkaar gehouden door de vorming van waterstofbruggen tussen de nucleotiden van de strengen. Hierdoor zitten de basen aan de binnenkant van de helix, en de suiker- en fosfaatgroepen aan de buitenkant. De basen binden echter niet willekeurig: A en T zitten altijd aan elkaar en C en G ook. Dit wordt een basenpaar genoemd. De twee basen van elk basenpaar passen goed bij elkaar omdat ze complementair zijn. De twee strengen lopen antiparallel, waardoor ze een tegenovergestelde polariteit hebben. De strengen krullen om elkaar heen en creëren de dubbele helix. Per hele bocht in de helix zitten 10 basenparen. De twee strengen zijn dus complementair. Dit is erg belangrijk voor de replicatie en reparatie van het DNA.

Elke base in het DNA kan gezien worden als een letter, alle letters samen zorgen voor een bepaalde code die voor iedereen anders is. Organismen verschillen van elkaar doordat de DNA-moleculen andere volgorden van nucleotiden hebben en hierdoor dus verschillende boodschappen bevatten. Genen bevatten de instructies voor het produceren van eiwitten. Het DNA bevat de codes voor de eiwitten die geproduceerd moeten worden. Dit wordt gedaan door transcriptie, waarbij RNA wordt gevormd, en translatie, waarbij eiwitten worden gemaakt. De complete informatie van het DNA in een orangisme wordt het genoom genoemd.

Elke menselijke cel bevat ongeveer 2 meter aan DNA, terwijl de celkern maar een diameter heeft van 5-8 µm. In eukaryotische cellen zijn de lange DNA-moleculen verpakt in chromosomen, wat ervoor zorgt dat deze lange strengen in de celkernen passen. Bacteriën dragen hun genen in een rond DNA-molecuul. Dit wordt wel nog steeds een chromosoom genoemd, maar verschilt veel van de chromosomen in eukaryotische cellen.

In iedere cel zitten 2 kopieën van elk chromosoom, met uitzondering van de geslachtscellen en speciale, gedifferentieerde cellen zoals volwassen rode bloedcellen. Van elk paar is 1 chromosoom van de moeder en 1 van de vader. Dit worden homologe chromosomen genoemd. Het enige niet-homologe chromosomenpaar is de X en Y bij een jongen.

DNA-hybridisatie is een techniek die wordt gebruikt voor het vergelijken van chromosomen. Doordat de chromosomen in verschillende kleuren worden ‘geverfd’, kunnen ze worden onderscheiden en verdeeld worden in paren. Een karyotypering is wanneer er de volle set van chromosomen wordt weergegeven.

Een gen is een segment van het DNA dat de instructie bevat voor het aanmaken van een bepaald eiwit. Dit kan ook een instructie zijn voor het aanmaken van een RNA-molecuul als eindproduct. Het DNA van eukaryoten bevat ook grote stukken DNA die geen belangrijke functie lijken te hebben, ook wel junk-DNA. Verschillende soorten organismen hebben enorme verschillen in het DNA. Sommigen hebben veel kortere strengen dan andere soorten, anderen verschillen in hoe het DNA is verdeeld over de chromosomen.

Om een functioneel chromosoom te vormen, moeten de DNA-moleculen een celcyclus doorlopen. De twee fasen die in dit hoofdstuk aan de orde komen, zijn de interfase en de mitose. Tijdens de interfase zijn de chromosomen lange, dunne draden, die niet goed te zien zijn. Tijdens de mitose zijn de chromosomen zeer sterk gecondenseerd (gespiraliseerd). Hierdoor nemen de chromosomen minder ruimte in en gaat de verdeling van de chromosomen over de dochtercellen sneller.

De celkern wordt omgeven door het celmembraan (in het Engels: nuclear envelope), dat gevormd wordt door 2 membranen. Hierin zitten nucleaire poriën die betrokken zijn bij actief transport. Het celmembraan wordt ondersteund door de nucleaire lamina, een netwerk van proteïne filamenten die een dunne laag vormen. In de celkern liggen de chromosomen. Alle chromosomen hebben hierin een eigen ‘ligplaats’, zodat ze niet in elkaar verstrengeld raken.

Er zijn 2 typen eiwitten die binden aan het DNA om eukaryotische chromosomen te vormen. Eén daarvan is een histon. Histonen vormen nucleosomen. Je kunt het vergelijken met een kralenketting. De ketting is het DNA, en de kralen zijn de nucleosomen. Het DNA dat tussen 2 nucleosomen in ligt heet linker-DNA. Een nucleosoom bestaat uit een kern van 8 histonen (een octameer) waar een stuk DNA van 147 basenparen lang omheen gewikkeld zit. Deze ‘ketting’ heet een chromatinedraad en heeft ongeveer 1/3 van de lengte van het DNA. Omdat de histonen positief geladen zijn binden ze goed met de negatief geladen fosfaatgroepen van het DNA. Meestal wordt het DNA nog op andere manieren gecondenseerd. Er zijn verschillende niveaus van condensatie, zie hiervoor figuur 5-25, op bladzijde 187.

Er zijn meerdere manieren waarop eukaryotische cellen de structuur van chromatine snel kunnen aanpassen. Een chromatine-remodelleringscomplex is hier 1 van. Er wordt hierbij gebruik gemaakt van de energie die vrijkomt bij de hydrolyse van ATP. Hiermee kan de positie van het DNA dat om nucleosomen is gewikkeld, worden veranderd. Dit complex kan DNA ook losmaken van de nucleosomen, waardoor het beter bereikbaar wordt voor bepaalde eiwitten. Een andere manier is het veranderen van de chemische structuur van de histonen, door het toevoegen van acetyl-, fosfaat- of methylgroepen.

De sterkst gecondenseerde vorm van chromatine in de interfase heet heterochromatine. Dit is ongeveer 10% van een interfase chromosoom. Het meeste DNA dat geen genen bevat is meestal permanent gecondenseerd tot heterochromatine. Dit gebeurt ook met ongeveer 85% van 1 van de X-chromosomen van een vrouw. Hierdoor is dit dus inactief gemaakt. In elke cel wordt willekeurig 1 van de X-chromosomen hiervoor uitgekozen. DNA dat niet zo sterk gecondenseerd is heet euchromatine. In deze vorm kunnen genen tot expressie komen en kan het DNA gedupliceerd worden.

Nucleotiden

De complete erfelijke informatie in het DNA van een organisme noemen we het genoom. Deze informatie wordt gekopieerd en verzonden van cel naar dochtercellen. In de celkern bevinden zich chromosomen, die bestaan uit DNA en eiwitten. De eiwitten fungeren als verpakking en houden de lange DNA-strengen bij elkaar. DNA bestaat uit twee lange polynucleotidekettingen, opgebouwd uit vier soorten nucleotiden. De twee DNA strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen de baseparen A-T en C-G.

Een nucleotide bestaat uit een vijf-C-atomig suikermolecuul, één of meer fosfaatgroepen en een base. De nucleotiden van DNA zijn opgebouwd uit het suiker desoxyribose, één fosfaatgroep en een base: adenine, thymine, cytosine of guanine. De fosfaatgroep en de hydroxylgroep aan het 5e C-atoom van het suikermolecuul vormen door (covalente) peptidebindingen de ruggengraat van de DNA-streng.

Er ontstaat een ruggengraat met afwisselend suiker-fosfaat-suiker-fosfaat. Deze manier van binden geeft de DNA-strand een chemische polariteit, doordat het ene eind een hydroxylgroep (3’-eind) bevat en het andere eind een fosfaatgroep (5’-eind). De twee DNA strengen zijn antiparallel, zodat een nucleotide waterstofbruggen kan vormen met zijn tegenhanger (A-T, C-G). Er ontstaat een dubbele helix met alle basen aan de binnenkant en de ruggengraat aan de buitenkant.

De opeenvolging van nucleotiden in een gen bepaalt uiteindelijk de aaneenschakeling van de aminozuren in eiwitten. Het proces waarbij een gen tot uitdrukking komt in de cel heet genexpressie. Dit komt tot stand door transcriptie en translatie.

Structuur van eukaryotische chromosomen

In eukaryotische (=met celkern) cellen worden de lange DNA-strengen verpakt in chromosomen. Het DNA wordt door gespecialiseerde eiwitten zo verpakt dat alle eiwitten die zorgen voor replicatie, herstel en genexpressie er nog toegang tot hebben. Het menselijk genoom bevat ongeveer 3,2 miljard nucleotiden die zijn verdeeld over 23 chromosoomparen en 24 soorten chromosomen. Het genoom omvat alle erfelijke informatie op de chromosomen van een organisme. Chromatine staat ook wel bekend als het complex van DNA en eiwitten. Een weergave van alle chromosomen wordt ook wel een karyotype genoemd. Behalve de geslachtscellen en zeer gespecialiseerde cellen, die geen DNA bevatten, bevatten alle menselijke cellen twee kopieën van elk chromosoom: één afkomstig van de vader en één afkomstig van de moeder. Deze chromosoomparen worden homologe chromosomen genoemd. Alleen de geslachtschromosomen zijn niet homoloog bij mannen (een X- en Y-chromosoom).

Een bepaald gen op een chromosoom bepaalt uiteindelijk welk eiwit (of eiwitten die op elkaar lijken) worden gemaakt. Daarnaast reguleren sommigen genen de productie van RNA als eindproduct, in plaats van een eiwit. De mens heeft ongeveer 25000 genen, omdat het zo’n gecompliceerd organisme is. Naast die genen bestaan veel eukaryotische chromosomen uit zogenaamd “junk DNA”. Van dit DNA is het nut (nog) niet bekend.

Om een celdeling succesvol te laten verlopen, moet DNA in staat zijn om gekopieerd en verdeeld te worden, zodat er twee dochtercellen met goed functionerende chromosomen ontstaan. Dit gebeurt in fases in de celcyclus. Tijdens de interfase worden de chromosomen verdubbeld en tijdens de mitose worden ze overgedragen naar twee dochtercelkernen. Het DNA wordt zeer snel gerepliceerd, doordat op verschillende locaties DNA-replicatie kan starten. De replicatie kan starten bij de replication origin, gecodeerd door een bepaalde nucleotidevolgorde. Telomeren worden gecodeerd door een andere herhalende nucleotide volgorde. Zij vormen de twee uiteinden van een chromosoom. Telomeren zorgen ervoor dat de uiteinden van chromosomen goed worden gerepliceerd en dat het DNA niet wordt aangezien als een fout of als een kapot DNA-molecuul. Tijdens de M-fase krijgt het DNA een compacte structuur die het mogelijk maakt het DNA onder de microscoop te bekijken. Het centromeer is het punt waar de twee ontstane armen na verdubbeling nog bij elkaar blijven.

De celkern wordt omgeven door een kernomhulsel (nuclear envelope) dat bestaat uit een dubbel membraan en het nuclear limina (een netwerk van eiwitvezels dat een dunne laag onder het binnenste kernmembraan vormt). Het kernomhulsel bevat poriën die moleculen de cel in en uit transporteren. De chromosomen raken niet in elkaar verstrikt, omdat ze bepaalde regio’s bezetten in de kern en op bepaalde plekken aan het kernomhulsel of aan het nuclear lamina vastzitten. Een nucleolus is de plaats waar de genen die coderen voor ribosomaal-RNA op de chromosomen bij elkaar komen. Hierlangs wordt rRNA gesynthetiseerd en gekoppeld aan eiwitten om ribosomen te vormen. DNA wordt zeer dicht op elkaar gepakt in chromosomen. Tijdens mitose is de lengte van een chromosoom 10.000 keer compacter dan in uitgestrekte vorm. Dit komt door eiwitten die het DNA zeer georganiseerd opwinden en vouwen.

De eiwitten die aan het DNA binden om chromosomen te vormen, worden opgedeeld in twee groepen: histonen en niet-histonische eiwitten. Histonen zijn fundamenteel voor het eerste niveau compactheid van chromatine: de nucleosomen. Het chromatine, bestaande uit histonen en DNA, kan dan worden gezien als een draad met kralen. Een nucleosoom bestaat uit een zogenaamde nucleosome core particle (de kraal), die bestaat uit acht histonen en het dubbelstrengs DNA dat om de histone octamer is gewonden, en uit het linker DNA, dat de core particles met elkaar verbindt. De nucleosomen vormen het eerste niveau van compactheid van chromatine.

Alle vier de histonen zijn kleine eiwitten met een grote hoeveelheid positief geladen aminozuren (lysine en arginine). Deze zorgen voor een stevige binding met de negatief geladen ruggengraat van DNA. De histonen hebben daarnaast een N-staart, die uit de nucleosome core particles steekt. Deze zijn onderhevig aan verschillende covalente chemische veranderingen die de chromatinestructuur regelen. De histonen zijn in de evolutie zeer onveranderd gebleven en daarmee wordt de belangrijke rol ervan voor de chromosoomstructuur aangetoond. De nucleosomen blijven meestal niet in uitgestrekte vorm, maar krijgen een compactere vorm: de chromatinevezel. Hiervoor is een vijfde histone nodig, genaamd H1, die de nucleosomen samenbrengt in een zich regelmatig herhalende rij.

Celbiologie: Evolutie van genen en genomen (9)

Duplicaties

Gen duplicatie is het meest belangrijke mechanisme om nieuwe genen te maken. De twee kopieën van het oude gen kunnen beiden mutaties ontwikkelen, zolang de oorspronkelijke activiteit niet verloren gaat. Gen duplicatie wordt gegeneerd door homologe recombinatie. Dit vindt plaats als twee lange strengen van bijna identiek DNA samen gebracht worden. Als aan de ene streng foute informatie zit, wordt dit gecorrigeerd door de informatie aan de andere streng. Soms vindt deze recombinatie ook plaats bij een paar kortere DNA strengen. Als deze niet goed worden uitgelijnd tijdens de recombinatie, kan er een verkeerde uitwisseling van genetische informatie plaatsvinden; ongelijke crossing-over.

Genomen

Het menselijk genoom bestaat uit 3,2 x 109 basenparen, die verdeeld zijn over 22 autosomen en 2 heterosomen (X en Y chromosomen). Mensen verschillen ongeveer 1 op de 1000 basenparen met elkaar. Met uitzondering van eeneiige tweelingen hebben geen 2 mensen hetzelfde DNA. Opmerkelijk is dat maar een heel klein deel van het menselijke genoom daadwerkelijk codeert voor eiwitten. Het grootste gedeelte van ons DNA bestaat uit niet-coderende, evolutionaire overblijfselen. Het tweede opvallende kenmerk is dat een gen uit gemiddeld 29.000 basenparen bestaat, terwijl er maar 1.300 nodig zouden zijn op basis van de gemiddelde lengte van een eiwit (430 aminozuren). Daarnaast is het ook verrassend dat het menselijke genoom relatief weinig genen bevat. De schatting is dat er ongeveer 25.000 genen zijn en dat scheelt niet veel met de aantallen van veel simpelere multicellulaire dieren. Tot slot wijst de nucleotidesequentie van het menselijke genoom erop dat de informatie zich in een staat van wanorde bevindt. De belangrijke stukjes met informatie zitten verstopt tussen allerlei ‘junk’ delen.

Celbiologie: Manipulating genes and cells (Engels, 10)

Isolating cells and growing them in culture

Several approaches can be used to separate a particular type of cell from the cells that surround it in the body. If the cells are part of a compact tissue, they must first be dissociated from each other. This is often accomplished using proteolytic enzymes and other agent that disrupt the adhesive bonds between cells. Next, the different types of cells in the tissue must be isolated from each other. A fluorescence-activated cell sorter allows the isolation of specific types of cells. The isolated cells can be used for biochemical analysis or for establishing cell cultures.

Many animal and plant cells survive and proliferate in culture provided they have suitable medium containing nutrients and the necessary growth factor proteins. Experiments performed using cultured cells are said to be carried out in vitro (‘in glass’) to contrast them with experiments on intact organisms, which are said to be carried out in vivo (‘in the living’).

Most vertebrate cells cease to proliferate after a finite number of cell divisions. Like most human somatic cells, these cells do not express the enzyme telomerase, whose renew the ends of chromosomes at each cell division. As a result the chromosomes of human somatic cells progressively shrink at each cell division, and cell division stops when critical information is lost from the ends of chromosomes. This feature ensures that somatic cells do not divide indiscriminately and develop into cancerous cells. Cells that can divide indefinitely as the result of a genetic change are said to be immortalized and can be propagated in culture as a cell line. Immortalized cell lines can be regenerated by providing the cells with the gene that encodes the catalytic subunit of telomerase. The cell lines provide a convenient source of homogeneous cells.

Among the most promising cell lines to be developed are the human embryonic stem (ES) cell lines. The critical importance of these cell lines is the fact that the cells are undifferentiated; and given the appropriate treatment, they can give rise to any tissue in the body.

How DNA molecules are analyzed

Recombinant DNA technology has revolutionized the study of the cell, making it possible for researchers to pick any gene at will from the thousands of genes in a cell, and after an amplification step, to determine the exact molecular structure of the gene. A crucial element in this technology is the ability to cut a large DNA molecule into a specific and reproducible set of DNA fragments using restriction nucleases, each of which cuts the DNA double helix only at a particular nucleotide sequence. In general, a nuclease catalyzes the hydrolysis of a phosphodiester bond in a nuclei acid. The restriction nucleases used in DNA technology come mainly from bacteria.

After a large DNA molecule is cleaved into smaller pieces using restriction nuclease, it is often desirable to separate the DNA fragments from one another. This is usually accomplished using gel electrophoresis, which separates the fragments on the basis of their length. When a voltage is applied across the gel slab, the DNA fragments migrate toward the positive electrode (DNA is negatively charged); the larger fragments migrate more slowly and after several hours the DNA fragments become spread out across the gel according to size. Isolating a particular DNA fragment is simple: a small section of the gel can now be cut out. Techniques are now available for rapidly determining the nucleotide sequence of any isolated DNA fragment.

In 1970 researchers developed methods that allows the nucleotide sequence of any purified DNA fragment to be determined simply and quickly. These techniques have made it possible to determine the complete nucleotide sequences of the genomes of dozens of single-celled organisms (including bacteria, archaea, and yeasts), as well as several more complex organisms.

Several schemes for sequencing DNA have been developed, but the enzymatic or dideoxy method is the most commonly used technique. The process of interpreting a genome sequence by locating its genes and assigning functions to them is called annotation. Identifying genes is easiest when the DNA sequence is from a simple genome that lacks introns and other nonessential DNA.

Nucleic acid hybridization

We have seen that the two strands of a double helix DNA are held together by weak hydrogen bonds that can be broken by heating the DNA to around 90°C or by subjecting it to extremes of pH. These treatments release the two strands from each other but do not break the covalent bonds between the nucleotides. If this process is slowly reversed (slowly lowering the temperature to normal body temperature of by bringing the pH back to neutral), the complementary strands will readily re-form double helices. This process is called hybridization or renaturation, and its results from a restoration of the complementary hydrogen bonds.

Nucleic acid hybridization can detect any given DNA or RNA sequence in a mixture of nucleic acid fragments. This technique relies on the fact that a single strand of DNA or RNA will form a double helix only with another nucleic acid strand of the complementary nucleotide sequence. Single-stranded DNAs of known sequences and labeled with fluorescent dyes or radioisotopes are used as probes in hybridization reactions. Nucleic acid hybridization can be used to detect the precise location of genes in chromosomes, or RNAs in cells and tissues.

DNA hybridization facilitates the diagnosis of genetic diseases

To search for a nucleotide sequence by hybridization, a piece of nucleic acid is needed to search with. This DNA probe is a single-stranded DNA molecule that is used in hybridization reactions to detect nucleic acid molecules containing a complementary sequence. In the past, scientists were limited to using probed that could be obtained from natural sources. Today, short DNA strands of any sequence can be made by chemical (nonenzymatic) synthesis in the laboratory. Of the many uses of DNA probes, one of the most important is in identifying carriers of genetic diseases. More than 3000 different human genetic diseases are caused by mutations in single genes, including sickle-cell anemia. For some of these diseases, it is now possible to identify early in a pregnancy fetuses that carry two copies of a defective gene; this information may be the factor in decisions relating to possible termination of the pregnancy. A common laboratory procedure used to visualize the hybridization is called Soutern blotting.

The same techniques can also be used to ascertain an individual’s susceptibility to future diseases. For example, they can identify individuals who have inherited abnormal copies of a DNA mismatch repair gene.

Hybridization and microarrays

Another important use of nucleic acid hybridization is to determine, for a population of cells, exactly which genes are being transcribed into mRNA and which genes are transcriptionally silent. DNA microarrays have revolutioned they way of analyzing genes by allowing the RNA products of thousands of genes to be monitored at the same time. By examining the expression of so many genes simultaneously, it is possible to identify and study the complex gene expression patterns that underlie cellular physiology, like responses to hormones.

DNA cloning

DNA cloning techniques enable a DNA sequence to be selected from millions of other sequences and produced in unlimited amounts in pure form. DNA ligase reseals the nicks in the DNA backbone that arise during DNA replication and DNA repair. So, DNA fragments can be joined together in vitro using DNA ligase to form recombinant DNA molecules not found in nature.

The first step in a typical cloning procedure is to insert the DNA fragments to be cloned into a DNA molecule capable of replication, such as a plasmid or a viral genome. This recombinant DNA molecule is then introduced into a rapidly dividing host cell, usually a bacterium, so that the DNA is replicated at each cell division. The bacteria are then lysed, and the plasmid DNA is purified from the rest of the cell contents. The purified preparation of plasmid DNA will contain millions of copies of the original DNA fragment.

Human genes are isolated by DNA cloning

A collection of cloned fragments of chromosomal DNA representing the complete genome of an organism is known as a genomic library. The library is often maintained as clones of bacteria, each clone carrying a different DNA fragment.

Complementary DNA (cDNA) libraries contain cloned DNA copies of the total mRNA of a particular cell type or tissue. cDNA is synthesized from mRNA and unlike genomic DNA clones, cloned cDNAs contain only protein-coding sequences; they lack introns, gene regulatory sequences and promoters. They are thus most suitable for use when the cloned gene is to be expressed to make a protein.

The polymerase chain reaction

Cloning via DNA libraries was once the only route the gene isolation. However, a method known as the polymerase chain reaction (PCR) provides a quicker alternative for many cloning applications, particularly for those organisms whose complete genome sequence is known. PCR is based on the use of DNA polymerase to copy a DNA template in repeated rounds of replication. But because the oligonucleotide primers have to be chemically synthesized, PCR can be used only to clone DNA whose beginning and end sequences are known. Guided by these primers, DNA polymerase is then used to make many copies of the sequences required.
There are several useful applications of PCR:

1. PCR is now the method of choice for cloning relatively short DNA fragments from a cell.

2. PCR is able to detect infections by pathogens at very early stages. Short sequences complementary to the pathogen’s genome are used as primers, following many cycles of amplification, the presence or absence of even a few copies of an invading genome in a sample of blood can be ascertained. In this way PCR can be used to detect the presence of a viral genome in a sample of blood.

3. PCR is used in forensic science. Its extreme sensitivity makes it possible to work with a very small sample and still obtain a DNA fingerprint of the person from whom it came. The genome of each human differs in DNA sequence from the genome of every other human; the DNA amplified by PCR using a particular primer pair is therefore quite likely to differ in sequence from one individual to another.

DNA engineering

Genetic engineering has far-reaching consequences. Bacteria, yeasts, and mammalian cells can be engineered to synthesize a particular protein from any organism in large quantities, thus making it possible to study proteins that are otherwise rare or difficult to isolate.

There are more than 10.000 human genes whose functions are unknown. Clues to a protein’s function can be obtained by examining when and where its gene is expressed in the cell or in the organism. Determining the pattern and timing of a gene’s expression can be accomplished by joining the regulatory region of the gene under study to a reporter gene, one whose activity can be easily monitored. One of the most popular reporter proteins used today is green fluorescent protein (GFP), whose allows the tracking of its movements inside the cell. In the case of GFP, the protein can be monitored over time in living organisms.

Animals can be genetically altered

The ultimate test of the function of a mutated gene is to insert it into the genome of an organism and see what effect it has. Organisms into which a new gene has been introduced, or those whose genomes have been altered in other ways using recombinant DNA techniques, are known as transgenic organisms. Several types of gene alterations can be made in genetically engineered organisms:

1. Gene replacement: the normal gene is completely replaced by a mutant copy of the gene. This will provide information on the activity of the mutant gene, without interference from the normal gene, and thus the effect of small and subtle mutations can be determined

2. Gene knockout: the normal gene is completely inactivated. This is used to obtain information on the possible function of the normal gene in the whole animal

3. Gene addition: a mutant gene is added to the genome. Even this alteration can still provide useful information when the introduced mutant gene overrides the function of the normal gene

There is another way discovered to inactivate genes, known as RNA interference (RNAi). This technique relies on introducing intro a cell or organism a double stranded RNA molecule whose nucleotide sequence matches that of the gene to be inactivated. The RNA molecule hybridizes with the mRNA produced by the target gene en direct its degradation. Small fragments of this degraded RNA are subsequently used by the cell to produce more double-stranded RNA which directs the continued elimination of the target mRNA. Because these short RNA fragments can be passed on to progency cells, RNAi can cause heritable changes in gene expression.

In concluding, cloned genes can be permanently inserted into the genome of a cell or an organism by the techniques of genetic engineering. Cloned DNA can be altered in vitro to create mutant genes that can then be reinserted into a cell or an organism to study gene function.

Celbiologie: De structuur van een membraan (11)

Plasmamembraan

Elke levende cel heeft een plasmamembraan dat zijn inhoud scheidt van en beschermt tegen de buitenwereld. Het membraan bestaat voornamelijk uit een dubbele laag lipiden waarin eiwitten liggen ingebed. Om benodigde voedingsstoffen binnen de cel te krijgen en afvalproducten af te voeren, is het membraan doorboord met selectieve kanalen en pompen. Bepaalde eiwitmoleculen zorgen ervoor dat bepaalde stoffen naar binnen of buiten worden getransporteerd. Andere werken als sensoren waarmee de cel informatie verzamelt over zijn omgeving, zodat hij hierop kan reageren. Als een cel groeit of van vorm verandert, doet het membraan dat ook. De cel kan vervormen en van grootte veranderen zonder dat het membraan scheurt.

Eukaryotische cellen bevatten een enorme hoeveelheid interne membranen, die intracellulaire ruimtes insluiten om zo de celorganellen te vormen. Deze interne membranen zijn op dezelfde manier opgebouwd als het celmembraan en werken ook als selectieve barrières tussen de verschillende ruimtes. Kleine verschillen de in samenstelling van de membranen, vooral door verschillende aanwezige eiwitten, zorgen er voor dat ieder organel een eigen werking en structuur krijgt.

Het plasmamembraan en de interne membranen zijn opgebouwd uit lipiden en eiwitten. De lipiden zijn gerangschikt in twee dicht bijeen gelegen lagen, de lipide dubbellaag (bilaag). Deze vorm een barrière voor de meeste in water oplosbare moleculen, maar ook grotendeels voor water zelf. De eiwitten vervullen de andere functies en geven verschillende membranen hun specifieke eigenschappen.

Het plasmamembraan is een membraan dat om de cel heen zit. Membranen zijn nodig om de binnenkant van een cel te beschermen tegen invloeden van buiten de cel. Het plasmamembraan bestaat uit een dubbele laag lipiden en bepaalde eiwitmoleculen, zodat stoffen in en uit de cellen kunnen. Simpele organismen hebben één membraan, eukaryote cellen hebben echter ook een aantal interne membranen, die om bepaalde organellen liggen.

Lipiden

Lipiden bevatten een hydrofiele kop en hydrofobe koolwaterstofstaarten. De meest voorkomende lipiden in membranen zijn fosfolipiden, de meest voorkomende fosfolipiden zijn fosfatidylcholine, deze hebben aan het hoofd fosfaat en choline zitten. Amfipathische moleculen zijn moleculen die zowel hydrofiele als hydrofobe delen bevatten. Hydrofiele moleculen kunnen goed oplossen in water, ze bevatten namelijk geladen atomen of polaire groepen welke goedkunnen binden met watermoleculen, door middel van elektrische verbindingen of waterstofbruggen. Hydrofobe moleculen zijn echter niet oplosbaar in water omdat deze ongeladen en apolair zijn. Dit zorgt ook voor de specifieke structuur van het membraan. De hydrofiele koppen zijn namelijk naar buiten gericht, en de hydrofobe staarten naar binnen. Zo krijg je dus ook een dubbele laag membraan. Als er een scheur ontstaat in het membraan, zal deze snel weer herschikken om zijn structuur te behouden.

Om vrije randen te voorkomen, zijn fosfolipiden ertoe geneigd om een gesloten ruimte te vormen, een ronde vorm dus. De membranen met fosfolipiden zijn erg flexibel. Verder bewegen de fosfolipiden ook in de membranen. De vloeibaarheid en flexibiliteit van het membraan is belangrijk voor de functies van de cel. Hoe een membraan reageert bij een bepaalde temperatuur hangt ook af van de compositie van de fosfolipiden. Twee belangrijke eigenschappen van de staarten van fosfolipiden hangen af van hoe de dubbele laag fosfolipiden reageert. Deze eigenschappen zijn de lengte en het aantal dubbele bindingen die het bevat. Een verkorte lengte zorgt ervoor dat de neiging van de staarten om interactie met elkaar te hebben vergroot waardoor de vloeibaarheid van het membraan toeneemt. De meeste fosfolipiden bestaan bevatten 2 staarten, een met één of meerdere dubbele bindingen tussen aangrenzende koolstofatomen en een andere staart met alleen enkele bindingen. De staart met dubbele bindingen bevat niet het maximaal aantal koolstofatomen, deze is hierdoor onverzadigd. De staart met alleen enkele bindingen wordt dan ook verzadigd genoemd.

De dubbele binding in de staarten zorgt voor een knik in de staart, hierdoor is het moeilijker voor de staarten om dicht naast elkaar te gaan liggen. Bij een hogere temperatuur worden er lipiden gemaakt in de membranen met langere staarten, en met dus minder dubbele bindingen.

Bij dieren wordt de vloeibaarheid van het membraan ook beïnvloed door cholesterol. Cholesterolmoleculen zijn kort en stijf, ze vullen de ruimtes tussen fosfolipiden op. Cholesterol zorgt er dus voor dat een membraan stijver wordt. De vloeibaarheid van het membraan is belangrijk voor veel redenen:

• Membraaneiwitten kunnen diffunderen door de dubbele laag membraan.

• Membraanlipiden en eiwitten kunnen diffunderen vanaf de kant waar ze het membraan zijn in gegaan na synthese, naar andere delen van de cel.

• Membranen kunnen met elkaar fuseren en hun moleculen mixen.

• Het zorgt ervoor dat membraanmoleculen gelijk worden verdeeld tussen dochtercellen.

Celmembranen

Celmembranen zijn asymmetrisch. De binnen- en buitenkant zijn erg verschillend. De fosfolipiden zijn net anders. De asymmetrie wordt behouden als een membraan groeit. Nieuwe fosfolipiden worden gemaakt door enzymen die aan het endoplasmatisch reticulum zit dat naar het cytosol wijst. De nieuwe fosfolipiden worden door deze enzymen afgezet in de cytosolkant van de fosfolipiden, de helft gaat door de eerste helft van het membraan heen om uiteindelijk aan de buitenkant van het dubbellaags membraan terecht te komen. Dit wordt gekatalyseerd door het enzym flippase. Deze zijn specifiek want alleen bepaalde fosfolipiden worden geselecteerd waardoor het membraan asymmetrisch blijft.

Nieuwe membraansynthese in eukaryote cellen gebeurt in het endoplasmatisch reticulum. Glycolipiden zijn voornamelijk gelegen in het plasmamembraan, in het non-cytosol gedeelte. Hun suikergroepen zitten dus aan de buitenkant van de cel waar ze een beschermende jas vormen dat om de cellen van dieren heen zit. Het enzym dat de suikergroepen toevoegt bevindt zich in het Golgiapparaat.

De meeste functie van het membraan zitten echter in de membraan eiwitten in plaats van de fosfolipiden. Membraaneiwitten hebben vele functies:

• Transporteren voedingsstoffen, metabolieten, ionen

• Receptoren voor chemische signalen

Een celmembraan is erg dun. De meeste celmembranen worden verstevigd door verschillende eiwitten. De vorm van de cel wordt dan ook bepaald door weefsel van allerlei fibreuze eiwitten, die samen de celcortex heten. De celcortex van menselijke rode bloedcellen is relatief simpel; het bestaat voornamelijk uit het eiwit spectrine. Via intercellulaire eiwitten zit dit vast aan transmembraaneiwitten. Het belang van de celcortex zie je bij mensen met anemie, de rode bloedcellen bij die ziekte zijn minder stabiel waardoor ze sneller afsterven. Omdat de meeste cellen hun cortex niet alleen voor de stevigheid gebruiken, maar ook om van vorm te veranderen en te bewegen, zijn de cortexen vaak erg ingewikkeld.

Omdat een membraan uit een tweedimensionale vloeistof bestaat, kunnen membraaneiwitten vrij over het membraan bewegen. Een test met membraaneiwitten van mensen en muizen blijkt dat membraaneiwitten niet in clusters bij elkaar blijven, maar continu heen en weer gaan over het celoppervlak. Wel zijn er specifieke membraandomeinen waar bepaalde eiwitten vaker of alleen voorkomen. Eiwitten kunnen flexibel of vast in het membraan worden ingebouwd. Daarnaast hebben sommige cellen ook barrières die zorgen dat de membraaneiwitten niet overal heen kunnen bewegen. Een voorbeeld zijn epitheelcellen, hierbij is de apicale zijde anders dan de laterale en basale zijden. Dit komt door de tight junctions die beweging van lateraal naar apicaal en andersom voorkomen.

De meeste membraaneiwitten hebben suikergroepen, oligosachariden, aan de buitenkant. Deze eiwitten noemen we glycoproteïnen. Deze suikers beschermen de cel en nemen bovendien water op, waardoor de cel slijmerig wordt aan de buitenkant. Dit laatste helpt witte bloedcellen tussen andere cellen door te glijden en voorkomt klontering van rode bloedcellen. Daarnaast dienen deze oligosachariden als herkenningspunt voor een bepaald eiwit, lectine genaamd. Dit helpt bij de herkenning tussen cellen, hierdoor herkent een spermacel een eicel bijvoorbeeld. Maar het helpt ook witte bloedcellen herkennen welke cellen geïnfecteerd zijn.

Opbouw van een lipide bilaag

De lipide bilaag vormt de basisstructuur van het membraan en vervult de barrièrefunctie. Membraanlipiden hebben twee verschillende kanten: een hydrofiele (=waterminnende) kop en meestal twee hydrofobe (=waterwerende) staarten. Het membraan bestaat hoofdzakelijk uit fosfolipiden, waarbij de kop onder andere door een fosfaatgroep aan de staart(en) gekoppeld wordt. Moleculen met zowel hydrofiele als hydrofobe eigenschappen worden amfipathisch genoemd.

Doordat non-polaire atomen geen goede interacties aan kunnen gaan met watermoleculen, dwingen hydrofobe stoffen de omliggende watermoleculen een kooiachtige structuur te vormen om het hydrofobe molecuul. Deze formatie kost energie, omdat de water moleculen meer geordend worden dan het omringende water. Om de energiekosten te beperken, groeperen de hydrofobe moleculen zich zodat er zo min mogelijk contact is met watermoleculen.

Amfipathische moleculen zoals fosfolipiden hebben duseen hydrofobe en hydrofiele kant. Wanneer deze moleculen in contact komen met water, richten de hydrofiele koppen zich naar het water toe en verenigen de hydrofobe staarten zich van het water af. Op deze manier wordt de bilaag van lipiden gevormd. De buitenkant van de bilaag staat in contact met water en bestaat uit de hydrofiele koppen. De hydrofobe staarten zijn naar binnenen komen hierdoor niet in contact met het omringende water.. De bilaag wordt gevormd omdat deze rangschikking het minste energie kost.

Dezelfde krachten maken de bilaag zelfherstellend. Een scheur in het membraan stelt hydrofobe onderdelen bloot aan het water en kost de cel meer energie. De moleculen in de bilaag rangschikken zichzelf daarom spontaan om de scheur te dichten.

De fosfolipide bilaag heeft geen grenzen, omdat dan hydrofobe delen toch in contact komt met de waterige omgeving. Dit is energetisch niet voordelig. Daarom buigt en versmelt de bilaag, zodat er een gesloten compartiment ontstaat (bijvoorbeeld tot een bol).

De lipide bilaag wordt van twee kanten ingesloten door een waterige omgeving, dus lipiden kunnen niet uit het membraan ontsnappen. Zij kunnen echter wel onderling van plek verwisselen in de bilaag. Door deze grote flexibiliteit kan het membraan goed buigen en blaasjes afstaan. Het membraan wordt door de bewegingsmogelijkheden van de lipiden ook wel een tweedimensionale vloeistof genoemd. De lipiden kunnen daarnaast ook nog om hun eigen as draaien, maar verspringen van de ene naar de andere laag in het membraan gebeurt nauwelijks zonder bepaalde enzymen. Het enzym scramblase kan er echter wel voor zorgen dat willekeurige lipiden zich van de ene naar de andere laag van het membraan verplaatsen. Het enzym flippase doet dit selectief, zoals hieronder nader wordt toegelicht.

Vloeibaarheid

De eerder genoemde vloeibaarheid van een lipide bilaag bij een bepaalde temperatuur is afhankelijk van de samenstelling van fosfolipiden en vooral ook van de hydrofobe koolwaterstofstaarten. Hoe compacter en meer geordend de staarten zijn verpakt, hoe viskeuzer (=stroperiger) en minder vloeibaar de bilaag zal zijn.

Twee eigenschappen van de staarten hebben hier het meeste invloed op: hun lengte en het aantal dubbele bindingen dat zij kunnen vormen. Kortere staarten zullen minder snel interacties met elkaar aangaan, waardoor de vloeibaarheid toeneemt. Iedere dubbele binding in een onverzadigde staart zorgt voor een kleine vouw in de staart, waardoor de staarten verder van elkaar af liggen. Lipide bilagen met veel onverzadigde koolwaterstofstaarten zijn dus vloeibaarder.

In dierlijke cellen is cholesterol verantwoordelijk voor de regulatie van vloeibaarheid in het membraan. Cholesterolmoleculen zijn kort en stevig, en kunnen daardoor de ruimtes tussen fosfolipiden met onverzadigde staarten opvullen. De bilaag wordt hierdoor steviger en minder doorlatend.

De vloeibaarheid van een membraan is om verschillende redenen belangrijk. Allereerst kunnen membraaneiwitten hierdoor snel bewegen binnen het membraan en interacties met elkaar aangaan. Daarnaast kunnen lipiden en eiwitten door middel van diffusiezich in het membraan verplaatsen, om zo andere delen van de cel te bereiken. Ook kunnen membranen met elkaar fuseren. Ten slotte zorgt het ervoor dat membraanmoleculen gelijk verdeeld worden bij de celdeling.

Asymmetrie

De twee kanten van de lipide bilaag bevatten duidelijk verschillende fosfolipiden en glycolipiden. Ook hebben membraaneiwitten een specifieke oriëntatie in de bilaag, welke vaak cruciaal is voor hun functie. Nieuwe fosfolipiden worden door enzymen die gebonden zijn aan de cytosolische kant van het ER-membraan gevormd. Deze eiwitten brengen de nieuwe fosfolipiden dan ookin de cytosolische kant van het membraan. Het membraan moet als geheel groeien, dus de helft van de nieuwe fosfolipiden wordt naar de niet-cytosolische helft van de bilaag getransporteerd. Dit proces wordt gekatalyseerd door het enzym flippase. Flippases doen dit selectief, zodat bepaalde fosfolipiden meer geconcentreerd zijn aan één kant van de membraan. Hierdoor is er een asymmetrische verdeling van lipiden aanwezig in de bilaag van het membraan.

Nieuw membraanonderdelen worden gesynthetiseerd in het endoplasmatisch reticulum. Daarna worden deze onderdelen door een cyclisch proces van “budding” en fusie vanuit het endoplasmatisch reticulum naar de andere membranen van de cel getransporteerd. Er splitsen blaasjes (vesicles) van het ER af, welke vervolgens kunnen worden opgenomen in een membraan. De vorming van dit soort blaasjes (vesicles) waarborgt het behoud vande oriëntatie van de bilaag ten opzichte van het cytosol. Alle celmembranen hebben namelijk een “binnenkant” en een “buitenkant”: de cytosolische kant grenst altijd aan het cytosol en de niet-cytosolische kant grenst aan de buitenkant van de cel of de binnenkant van de organellen.

Glycolipiden zitten voornamelijk in de niet-cytosolische kant van het plasmamembraan. De suikergroepen worden daardoor blootgesteld aan de buitenkant van de cel. Deze suikergroepen wordenin het Golgi-apparaat aan de lipiden gebonden. De enzymen die dit proces bevorderen zijn zo georiënteerd, dat de suikergroepen alleen aan de niet-cytosolische kant van het membraan terecht kunnen komen. Er zijn hier geen flippases aanwezig, dus de glycolipiden zullen in de cytosolische monolaag blijven.

Membraaneiwitten

Dierlijke plasmamembranen bestaan voor ongeveer 50% aan massa uit eiwitten. Lipidemoleculen zijn echter een stuk kleiner dan eiwitten, dus een membraan bestaat uit ongeveer 50 keer meer lipidemoleculen dan eiwitten. Elk soort membraan bevat andere eiwitten, afhankelijk van functie van het membraan.

Membraaneiwitten hebben verschillende functies:

• Ze zorgen voor transport van stoffen door het membraan heen;

• Ze waarborgen verankering van het membraan aan macromoleculen;

• Het zijn receptoren die chemische signalen waarnemen en doorgeven aan de cel;

• Het zijn enzymen die specifieke reacties katalyseren.

• Deze eiwittenkunnen op verschillende manieren ten opzichte van de lipide bilaag liggen:

• Door de bilaag heen gelegen met een deel van hun massa aan beide kanten. Deze transmembraaneiwitten hebben net als de lipide bilaag zowel een hydrofobe als hydrofiele kant, waarbij de hydrofobe delen van het eiwiten aan de binnenkant van het membraan gelegen zijn en de hydrofiele delen aan de binnen- en buitenkant van de cel.

• Compleet aan de cytosolische kant van de cel gelegen, door middel van een amfipathische α-helix. Deze helix nestelt zich hierbij in de cytosolische laag van het celmembraan. Het grootste gedeelte van het eiwit is dan in het cytosol gelegen.

• Compleet buiten de bilaag gelegen. Deze eiwitten zijn slechts verbonden aan de binnen- of buitenkant van de cel door middel van een lipidegroep die aan het eiwit vastzit en die zich in het celmembraan bevindt.

• Indirect verbonden met een kant van het membraan door interacties met andere membraaneiwitten.

Transmembraaneiwitten

De meeste transmembraaneiwitten verplaatsen door het membraan in de vorm van één of meerdere α-helices. Door middel van waterstofbruggen worden polypeptideketensin een spiraalvorm gedraaid. De hydrofobe zijketens worden aan de buitenkant van de helix blootgesteld en vormen hier bindingen met de lipide staarten, terwijl de hydrofiele backbone waterstofbruggen met zichzelf vormt aan de binnenkant. De polypeptideketens die het membraan slechts een enkele keer passeren, zijn meestal receptoreiwitten.Bij het vormen van poriën waardoor water, maar ook wateroplosbare stoffen getransporteerd kunnen worden, moeten verschillende α-helices interacties met elkaar aangaan om de doorgang groot genoeg te maken. Hydrofobe zijgroepen richten zich hierbij naar de fosfolipiden en hydrofiele zijgroepen naar de binnenkant van de porie.

ß-sheets worden soms ook gebruikt voor dit transport. Deze worden tot een cilinder gebogen, wat een ß barrel genoemd wordt. De zijgroepen in de doorgang zijn hydrofiel en de zijgroepen in de fosfolipide laag zijn hydrofoob.

Membraandomeinen

Veel eiwitten kunnen, net als lipiden, vrij bewegen binnen het membraanvlak. Zo kunnen eiwitten zich op een bepaalde plek ophopen en zich aan structuren hechten buiten de cel. Asymmetrische verdeling van eiwitten wordt gewaarborgddoor middel van tight junctions op het membraan, waar de eiwitten zich niet langs kunnen verplaatsen. Hierdoor blijven bepaalde eiwitten aan één kant van de tight junction, waar zij hun functie moeten vervullen.

Een membraan is heel erg dun. Daarom worden de meeste celmembranen versterkt door een netwerk van eiwitten. De vorm van de cel en zijn mechanische eigenschappen worden geregeld door dit netwerk, de cell cortex genaamd. Dit netwerk is gebonden aan de cytosolische kantvan het membraan.

Binding van koolhydraten

Net als lipiden, kunnen ook eiwitten suikergroepen binden. Glycolipiden en glycoproteïnen kunnen hierdoor een laag van koolhydraten vormen om het membraan heen. Deze laag wordt ook wel de glycocalyx genoemd en vervult verschillende functies:

• Hij beschermt de cel tegen mechanische en schade;

• Hij vormt een slijmerig oppervlak, doordat de suikergroepen water adsorberen. Hierdoor kunnen beweeglijke cellen zich gemakkelijker door bepaalde doorgangen wringen. Bovendien worden bepaalde cellen ervan weerhouden om aan elkaar te plakken.

Celbiologie: Membraantransport (12)

Membraantransporteiwitten zorgen ervoor dat kleine wateroplosbare moleculen of ionen de hydrofobe lipidelaag kunnen passeren. Er zijn twee soorten transporteiwitten. De eerste soort zijn de transporters. Een transporter verplaatst kleine organische moleculen of anorganische ionen door het membraan door van vorm te veranderen. De tweede soort zijn de kanalen. Zij vormen in het membraan hydrofiele poriën waardoorheenstoffen kunnen diffunderen. De ionenconcentratie binnen een cel verschilt met de concentratie erbuiten. Buiten de cel is de concentratie Na+ en Cl- het hoogst. Binnenin is de concentratie K+ het hoogst, en intracellulair bevinden zich bovendien voornamelijk negatief geladen deeltjes. Deze verdeling van ionen wordt in stand gehouden door membraantransport eiwitten en de eigenschappen van de lipide bilaag.

Doorlaatbaarheid van het membraan

De doorlaatbaarheid door het membraan hangt voornamelijk af van de grootte van de moleculen en de mate van oplosbaarheid in het membraan (hydrofobe stoffen kunnen gemakkelijk door het membraan diffunderen, hydrofiele stoffen niet).

1. Ionen en geladen moleculen komen nauwelijks door middel van diffusie het membraan door. Het hydrofiele karakter van deze deeltjes weerhoudt hen ervan door het membraan te diffunderen.

2. Ongeladen polaire moleculen kunnen er in zekere mate doorheen. Hiervoor geldt, hoe groter het molecuul, hoe minder makkelijk het het membraan kan passeren. Water, ethanol en glycerol kunnen door het membraan diffunderen, maar grotere moleculen als glucose, aminozuren en nucleotiden kunnen dit niet.

3. Kleine apolaire moleculen (O₂, CO₂) diffunderen gemakkelijk door het membraan heen.

Transporters en ionkanalen zijn beide selectief. Een transporter kan vaak maar binden aan één bepaald soort molecuul. Een kanaal kan ook selectief zijn. Het kan ten eerste open of dicht staan. Ten tweede kunnen selectieve kanaaltjes maar een bepaalde ionsoort of een bepaald molecuul doorlaten. Zij maken onderscheid op basis van molecuulgrootte en elektrische lading. Transporters zijn selectiever dan ionkanalen, want zij hebben een specifieke bindingsplaats waar het molecuul/ion precies in moet passen.

De kanaaltjes zijn opgebouwd uit polypeptideketens die de lipide bilaag meerdere keren doorkruisen (transmembraaneiwitten). Door heen en terug door de bilaag te kruisen vormt het eiwit een doorgang voor kleine hydrofiele moleculen. Op deze manier komen de hydrofiele moleculen niet in contact met de hydrofobe bilaag.

Passief en actief transport

De concentratie van bepaalde moleculen/ionen binnen en buiten een cel verschilt. Als moleculen/ionen het membraan passeren van een plek met een hoge concentratie naar een plek met een lage concentratie heet dit passief transport, omdat er geen extra energie voor nodig is. Als het passieve transport plaatsvindt met behulp van een transporter, dan noem je dit facilitated diffusion. Alle kanaaltjes kunnen slechts passief transport mogelijk maken. Als er tegen de concentratiegradiënt in ionen of moleculen worden gepompt, heet dit actief transport, omdat er voor deze vorm van transport energie nodig is. Alleen transporters kunnen actief transport mogelijk maken. Een transporter die actief transport mogelijk maakt, wordt ook wel een pomp genoemd.

Functie van transporters

Zowel het plasmamembraan als het membraan van verschillende celorganellen bevat een combinatie van verschillende transporters, waarmee ze heel specifiek de voor hen benodigde moleculen/ionen opnemen.

Passief transport: aangedreven door elektrische krachten en de concentratiegradiënt

Transporters kunnen in drie conformaties voorkomen. De eerste is de conformatie waarbij de actieve bindplaats gericht is naar het cytosol. Als de concentratie van een molecuul/ion binnenin de cel hoger is dan daarbuiten, zal het binden aan de transporter. Vervolgens ondergaat de transporter een vormverandering, waarbij deze in de zogenaamde occluded state terechtkomt, waarbij de bindingsplaatsen van de transporter niet naar zowel de binnenkant als de buitenkant zijn gericht. Tot slot komt hij in de conformatie terecht waarbij de actieve bindplaats naar de buitenkant van de cel gericht is. Het molecuul/ion laat dan weer los.

Voor ongeladen moleculen bepaalt alleen de concentratiegradiënt de richting van het passieve transport. Voor elektrisch geladen moleculen speelt er nog een andere factor mee. Er heerst namelijk tussen de binnen en buitenkant van de cel een verschil in elektrische lading: het membraanpotentiaal. De binnenkant is negatief geladen ten opzichte van de buitenkant. Op geladen moleculen werken dus twee krachten die elkaar kunnen versterken als ze dezelfde richting op werken, of elkaar tegenwerken wanneer ze in tegengestelde richting werken. De nettokracht van de concentratiegradiënt en de membraanpotentiaal heet de elektrochemische gradiënt. De elektrochemische gradiënt kan dus ook nul zijn als de twee krachten elkaar precies opheffen.

Actief transport werkt tegen de elektrochemische gradiënt in

Er zijn drie vormen van actief transport bij een transporter. De eerste (de gekoppelde transporter) koppelt het transport van een molecuul dat tegen de elektrochemische gradiënt in wordt verplaatst, aan een molecuul/ion dat metzijn elektrochemische gradiënt meegaat. De tweede vorm (de zogenaamde ATP-gedreven pomp) maakt energie vrij voor het actieve transport door de hydrolyse van ATP. Dit eiwit is daarom niet alleen een transporter, maar ook een enzym dat ATPase wordt genoemd. De laatste vorm (de zogenaamde licht-gedreven pomp) verkrijgt zijn energie door licht. Deze drie vormen werken vaak samen.

De Na+/K+-pomp hydrolyseert ATP tot ADP om Na+ de cel uit te pompen. Bij het uitpompen van Na+ wordt meteen K+ de cel ingepompt. Hierdoor wordt de concentratie Na+ laag en K+ hoog binnen de cel. Na+ dat nu aan de buitenkant van de cel zit heeft de neiging om de cel weer binnen te stromen door zijn elektrochemische gradiënt.. De concentratiegradiënt en de elektrische kracht werken in het geval van de natriumionen namelijk in dezelfde richting, namelijk de cel in.De Na+-ionen worden terug de cel ingepompt door middel van gekoppelde transporters. Deze koppelen het passieve transport van Na+ aanhet actieve transport van andere moleculen. Het terugstromen van Na+ levert dus energie om andere moleculen/ionen tegen hun elektrochemische gradiënt in te transporteren.

Bij K+ werkt het anders. De concentratiegradiënt wil K+ namelijk de cel uit hebben, terwijl de elektrische krachten die op K+ werken, hem de cel in wil hebben. Zogenaamde K+-lekkanalen in het celmembraan staan wisselend willekeurig open of dicht. Hierdoor kunnen de K+-ionen met hun concentratiegradiënt mee de cel uit lekken. Op een gegeven moment wordt de elektrische kracht van de negatieve membraanpotentiaal op de positieve ionen echter zo sterk, dat er een balans ontstaat waarbij de nettoverplaatsing van de kaliumionen bijna nul is.

Na+/K+-pomp helpt om de osmotische balans in cellen te behouden

De concentratiegradiënt heeft ook een invloed op het in- en uitstromen van water in een cel. Water stroomt namelijk van een plek met een lage concentratie aan moleculen/ionen naar een plek met een hoge concentratie, totdat beide concentraties gelijk zijn of totdat er een tegendruk aanwezig is die de osmose tegengaat. Dit proces heet osmose en het gebeurt via speciale waterkanaaltjes ( de zogenaamde aquaporins). De osmose vindt plaats doordat de concentratie watermoleculen aan de binnenkant van de cel verschilt van de concentratie watermoleculen aan de buitenkant van de cel. De watermoleculen verplaatsen zich vervolgens naar hun concentratiegradiënt.

Door osmose kan een cel opzwellen. Om dit tegen te gaan, hebben verschillende soorten cellen verschillende soorten mechanismen:

Veel dierlijke cellen hebben een gelachtig cytoplasma. Deze cytoplasmasubstantie voorkomt opzwelling van een cel door osmose.

• Plantencellen leverentegendruk aan de opzwellende cel via hun celwand. Deze tegendruk zorgt er dus voor dat de instroom van water wordt beperkt tot een grens. De osmotische druk op de plantaardige cellen zorgt voor de turgordruk, die de cellen stevig houdt.

• Sommige protozoae verwijderen overtollig water door hun vacuoles van tijd tot tijd te legen buiten de cel.L.

Ca2+-pompen houden de Ca2+-concentratie in het cytosol laag

De regeling van de Ca2+-concentratie is belangrijk, omdat dit ion de activatie van sommige eiwitten kan regelen. Daarom wordt Ca2+ vaak als signaalstof door het membraan gebruikt. De Ca2+-concentratie in het cytosol moet lager zijn dan buiten de cel. De door ATP-gedreven Ca2+-pompen in het plasmamembraan en in het endoplasmatisch reticulummembraan pompen het Ca2+ uit het cytosol Dit betekent dus ook dat de concentratie Ca2+ in het ER hoog is. Omdat de Ca2+ -concentratie in het cytosol normaal gesproken laag is, reageert de cel extra gevoelig bij een plotselinge toename van de concentratie. Hierdoor kunnen bepaalde celprocessen worden geactiveerd.

Gekoppelde transporters

Wanneer een bepaald ion/molecuul met de elektrochemische gradiënt meestroomt door een transporter heen, komt er energie vrij. De transporter kan die energie gebruiken om een ander ion of molecuul actief naar de andere kant te pompen. Dit noemen we antiport. Wanneer het andere molecuul/ion naar dezelfde kant wordt gepompt als het molecuul/ion dat met de elektrochemische gradiëntmeekomt, heet dit symport. De transporters die het transport van het ene molecuul aan die van het andere koppelen, noemen we gekoppelde transporters. Als er geen andere moleculen door de transporters worden meegepompt, wordt dit uniport genoemd Deze uniporttransporters zijn dan ook geen gekoppelde transporters.

Planten, schimmels en bacteriën gebruiken de H+-gradiënt voor hun actieve transport

Omdat planten-, schimmel- en bacteriecellen geen Na+/K+-pomp hebben, gebruiken ze H+-pompen. Door middel van ATP-gedreven H+-pompen, of door licht gedreven H+-pompen in sommige bacteriën die aan fotosynthese doen, wordt aan de buitenkant van de cel een hogere H+-concentratie gecreëerd. Bij terugstromen van H+ kunnen door symport of antiport ook andere moleculen verplaatst worden.

Ionkanalen en de membraanpotentiaal

Kanalen vormen transmembrane hydrofiele poorten die het passieve transport van kleine, in water oplosbare moleculen of watermoleculen zelf mogelijk maken. De meeste poriën zijn selectief voor de moleculen die zij doorlaten. Waterporiën zorgen voor de stroom van water in en uit de cel. Deze maken snelle verplaatsing van water mogelijk, zonder dat er opgeloste stoffen worden meegevoerd. De meeste poriën zijn echter selectief voor een bepaald ion: de ionkanalen.

Een ionkanaal is meer dan een gat in het membraan. Ten eerste zijn deze kanalen erg selectief. Deze selectie berust op de diameter, de vorm en de lading van het ion. Daarnaast zijn ionkanalen niet constant geopend. De ionkanalen wisselen steeds willekeurig tussen de open en gesloten conformatiet. De waarschijnlijkheiden tijd dat een kanaal geopend/gesloten is, kan echter wel worden beïnvloed.

De open of gesloten conformatie van ionkanalen wordt door verschillende stimuli beïnvloed:

• Bij spanningsafhankelijke kanalen wordt de waarschijnlijkheid dat het kanaal geopend of gesloten is, bepaald door de membraanpotentiaal.

• Bij ligandafhankelijke kanalen wordt de waarschijnlijkheid van de geopende of gesloten conformatie geregeld door binding van een molecuul (ligand) aan het kanaal.

• Bij mechanischafhankelijke kanalen wordt de waarschijnlijkheid dat het kanaal open of dicht is geregeld door een mechanische kracht die wordt uitgeoefend op het kanaal.

De membraanpotentiaal is de basis van alle elektrische activiteit in de cel. In principe wordt de potentiaal gehandhaafd door ionkanalen en worden ionkanalen gereguleerd door de membraanpotentiaal. Op die manier ontstaat er een cirkelregeling.

Elke cel heeft een membraanpotentiaal: een elektrisch potentiaalverschil over het plasmamembraan. De elektrische lading wordt hierbij gedragen door ionen, die positief of negatief geladen kunnen zijn. De negatieve ladingen in de cel worden grotendeels gecompenseerd door de aanwezigheid van K+ in de cel. Deze hoge concentratie K+ in de cel wordt gereguleerd door de Na+/K+-pomp. Het membraan bevat echter dus de eerder genoemde K+-lekkanalen waardoor het ion langs zijn concentratiegradiënt kan weglekken. Intracellulair wordt de lading hierdoor steeds negatiever, waardoor de elektrische kracht de K+-ionen steeds harder naar het binnenste van de cel trekt. . Uiteindelijk heffen de concentratiegradiënt en de elektrochemische kracht op de ionen elkaar op, waardoor de elektrochemische gradiënt van de kaliumionen daalt naar 0.

De rustpotentiaal is de membraanpotentiaal waarbij de stroom van positieve en negatieve ionen door het plasmamembraan precies in balans is. Deze rustpotentiaal verschilt in dierlijke cellen tussen de -20 en -200 millivolt. De binnenkant van de cel is hierbij negatief geladen ten opzichte van de buitenkant. De membraanpotentiaal hangt af van de ionconcentraties aan beide kanten van de cel, maar ook van de staat waarin de kanaaltjes zich bevinden. Elke verandering in de doorlaatbaarheid voor bepaalde ionen, kan de membraanpotentiaal veranderen. Hierdoor zijn de ionkanalen erg belangrijk voor het handhaven van de potentiaal, maar ook voor de elektrische signalen die een cel kan voortgeleiden.

Het plasmamembraan werkt als een barrière en regelt wat de cel in- en uitgaat. Het bestaat uit een dubbele laag fosfolipiden, die aan de binnenkant hydrofoob zijn. Dit zorgt ervoor dat in water oplosbare stoffen moeilijk in de cel komen. Kleine apolaire moleculen en ongeladen polaire moleculen zoals CO2 kunnen wel door het membraan, net als in vet oplosbare stoffen. Voor de grotere en geladen moleculen zijn er membraantransporteiwitten (zie figuur 12-2 op pagina 384). Deze zijn er in verschillende vormen: transporters veranderen van vorm en brengen zo moleculen van de ene naar de andere kant en kanalen vormen kleine poriën waar de moleculen continu doorheen stromen. Kanalen vervoeren moleculen dan ook veel sneller dan transporters. De belangrijkste kanalen zijn de ionkanalen.

De ionconcentraties binnen en buiten de cel verschillen sterk van elkaar, zo zit er veel meer K+ binnen de cel en veel meer Na+ en Ca2+ buiten de cel. Zowel de cel als de omgeving zijn elektrisch neutraal, dit komt door Cl- buiten de cel en negatieve intracellulaire ionen (anionen) in de cel. Ionen kunnen niet uit zichzelf door het membraan, ook moleculen met een lading en grotere, polaire moleculen lukt dit niet.

Elk membraantransporteiwit hoort bij een bepaalde groep moleculen: ionen, suikers of aminozuren. Sommige zijn nog specifieker en laten maar één bepaald molecuul of ion door. Membraantransporteiwitten bestaan uit polypeptideketens die het membraan meerdere keren doorkruizen. Zij zorgen ervoor dat moleculen de cel in en uit kunnen zonder de hydrofobe binnenkant van de dubbele laag fosfolipiden direct aan te raken. De meeste kanalen laten alle ionen met de goede grootte en lading door, transporters zijn veel specifieker. De moleculen gaan een voor een met de transporter naar de andere kant van het membraan, de binding is net zo specifiek als bij een enzym, waardoor transport selectief is.

Moleculen gaan spontaan vanuit een omgeving waar ze in een hoge concentratie voorkomen naar een omgeving waar ze in een lage concentratie voorkomen. Omdat deze verplaatsingen geen aandrijving nodig hebben, noemen we ze passief. Voor transport van een lage concentratie naar een hoge concentratie is wel energie nodig, vandaar dat we dit actief transport noemen. Hiervoor zijn speciale transporters nodig die energie aan het transportproces kunnen toevoegen. Omdat deze transporters tegen de concentratiegradiënt in werken, worden ze ook wel pompen genoemd.

Elk celmembraan heeft een specifieke set membraantransporteiwitten. Het plasmamembraan heeft bijvoorbeeld transporters voor voedingsstoffen zoals suikers, aminozuren en nucleotiden, het membraan van een mitochondrion voor pyruvaat en ATP en het membraan van een lysosoom laat vooral H+ binnen.

Passief transport wordt vooral door concentratieverschillen en ladingsverschillen geregeld. Een voorbeeld van zo'n transporter is die voor glucose, afhankelijk van de concentratie zitten de bindende vlakken aan de binnen of de buitenkant van het celmembraan. Dit verklaart ook waarom de lever bij hoge bloedsuikerwaardes glucose opneemt en dit bij een lage waarde weer afgeeft.

Bij elektrisch geladen moleculen zoals kleine organische ionen en anorganische ionen is ook het membraanpotentiaal van belang bij het transport. Meestal is het membraan aan de binnenkant negatief geladen, waardoor er meer positief geladen ionen de cel ingaan. Samen met de concentratiegradiënt noemen we dit de elektrochemische gradiënt. De twee componenten kunnen elkaar versterken of tegenwerken.

Actief transport heeft drie vormen:

1. Gekoppeld transport, waarbij de ene stof met de concentratiegradiënt mee, en de andere tegen de concentratiegradiënt in wordt getransporteerd.

2. ATP-gedreven pompen, waarbij de energie door de hydrolyse van ATP wordt verkregen.

3. Licht-gedreven pompen, komen voornamelijk bij bacteriën voor.

Dierlijke cellen gebruiken ATP om de Na+/K+-pomp aan te drijven. Na+ gaat de cel uit en K+ de cel in. Door het ATP-verbruik is de pomp eigenlijk ook een enzym: een ATP-ase. Gezien beide stoffen vanwege de concentratiegradiënt tegelijk in tegengestelde richting getransporteerd worden, kost het veel energie om de concentratie Na+ in de cel laag te houden en de concentratie K+ in de cel  hoog te houden. De elektrochemische gradiënt helpt bij het in stand houden van de Na+-concentratie, maar werkt die van K+  tegen. De pomp werkt als een cyclus. Eerst bindt Na+, dan splitst ATP en met de vrijgekomen energie fosforyleert de pomp zichzelf, waarbij hij Na+ aan de andere kant loslaat en K+ bindt. Hierdoor defosforyleert de pomp, gaat hij weer terug naar de eerste formatie en transporteert hij K+. Dit alles gebeurt binnen 10 milliseconden.

Het plasmamembraan is waterdoorlatend. Water verplaatst zich tot de oplossingen binnen en buiten de cel gelijk zijn (osmose). Als er teveel ionen in de cel zijn, zal er ook steeds meer water de cel binnenkomen en zal de cel door deze osmotische druk opzwellen. De Na+/K+-pomp speelt een grote rol in het voorkomen hiervan door het continu binnenstromende Na+ af te voeren. Planten lossen dit probleem op met een celwand, waardoor de cel tegen grote druk bestand is. Dit heeft voor de plantencel ook andere functies, zoals het regelen van concentraties.

De concentratie van Ca2+ in de cel is weliswaar kleiner dan die van Na+, maar Ca2+ heeft de mogelijkheid te binden aan bepaalde eiwitten en kan daarmee hun functies veranderen. De concentratie moet dus goed geregeld worden, hier zorgen Ca2+-pompen voor. Zij houden de concentratie binnen de cel veel lager dan die buiten de cel, zodat bij een plotselinge instroom van Ca2+  de cel snel reageert en de cel niet reageert als er geen impuls is.

Gekoppelde transporters transporteren één molecuul of ion met de concentratiegradiënt mee. De energie die hierbij vrijkomt gebruiken ze om een ander molecuul of ion tegen de concentratiegradiënt in te transporteren. Als beide dezelfde richting op getransporteerd worden, heet het sympoort. Is dit niet het geval dan spreken we van antipoort. Een transporter die slechts een molecuul vervoerd is niet gekoppeld en heet unipoort. Een voorbeeld van sympoort is glucose/Na+-transport, waardoor darmcellen ook glucose kunnen opnemen op momenten dat er niet suikerrijk gegeten wordt. Deze transporters zitten aan de apicale kant. Aan de basale en laterale kanten van deze cellen zitten unipoorten, die de glucose weer doorgeven. Door de tight junction tussen de cellen kunnen deze transporters niet naar de andere kant van de cel bewegen. Na+/H+-uitwisselers zijn een voorbeeld van antipoort en houden de pH van de cel stabiel.

De makkelijkste manier om een hydrofiel molecuul door het membraan te krijgen is door middel van een hydrofiel kanaal. Sommige kanalen zijn erg lang, zoals de gap junctions tussen cellen en de poriën van mitochondria. Omdat lekkage veel risico met zich meebrengt, zijn de meeste kanalen echter klein en zeer selectief. Aquaporines zijn bijvoorbeeld selectieve kanalen voor enkel watermoleculen. Bij ionkanalen worden er geladen deeltjes vervoerd in een waterige oplossing.

Ionkanalen zijn ionspecifiek, sommige anorganische ionen kunnen erdoorheen en andere niet. Dit is afhankelijk van de diameter en de aminozuren waaruit het kanaal bestaat. De aminozuren zorgen er ook voor dat de ionenstroom niet oneindig is: er is een maximum aantal ionen dat erdoorheen gaat per tijdseenheid. Een ander verschil tussen ionkanalen en simpelere poriën is dat ionkanalen niet continu openstaan. Dit zorgt ervoor dat de concentraties regelbaar zijn. De meeste ionkanalen zijn gated, wat wil zeggen een bepaalde stimulus bepaalt of ze open of dicht zijn.

Omdat ionkanalen niet van vorm veranderen door transport, werken ze veel sneller dan transporters. Echter kunnen deze kanalen niet transporteren tegen het elektrostatische gradiënt in, dus ionkanalen betreffen altijd passief transport. Pompen en andere transporters zorgen voor actief transport, wat weer leidt tot een elektrostatisch balans. Wanneer een ionkanaal opent, stromen er onmiddellijk veel ionen doorheen. Hierdoor verandert het membraanpotentiaal, wat andere kanalen tot actie aanzet en het doorgeven van signalen mogelijk maakt. Het membraanpotentiaal staat aan de basis van alle elektrische activiteit in de cel. Via patch-clamp recording is de elektrische stroom door één ionkanaal te registeren. Ook kan een bepaalde waarde worden ingesteld en vastgehouden, zodat de reactie van het membraan op verschillende elektrische waardes kan worden waargenomen. Uit resultaten is gebleken dat ook bij een constante waarde de kanalen plotseling open of dicht gaan. Waarschijnlijk zorgen warmte en moleculen in de omgeving voor deze schijnbaar willekeurige veranderingen. Als de omstandigheden echter zodanig veranderen, oefenen zij zoveel invloed uit op het kanaal dat de veranderingen wel degelijk geregeld worden.

Er zijn vele soorten kanalen, zij verschillen in selectiviteit en in de stimuli die zorgen dat ze open of dicht gaan. Voltage-gated kanalen worden bijvoorbeeld gereguleerd door het membraanpotentiaal, ligand-gated kanalen door de binding met een bepaald molecuul en stress-gated kanalen worden geopend door een mechanische kracht. Dit laatste is bijvoorbeeld het geval bij auditieve haarcellen, die worden geopend door geluidsgolven. De meeste cellen in het celmembraan zijn voltage-gated. Voltage sensons zijn speciale domeinen die erg gevoelig zijn voor veranderingen in het membraanpotentiaal. Als dit boven of onder een bepaalde waarde komt, zorgen deze domeinen ervoor dat het kanaal open of dicht gaat. Het is niet zo dat het kanaal zeker open of dicht gaat, maar de kans erop is veel groter dan zonder de stimulans van het domein. Het membraanpotentiaal wordt op zichzelf weer geregeld door de ionkanalen, waardoor je een soort cirkel krijgt: de ionkanalen beïnvloeden het membraanpotentiaal en het membraanpotentiaal beïnvloed weer de ionkanalen. Dit is belangrijk voor het doorgeven van elektrische signalen.

De elektriciteit in polaire oplossingen wordt bepaald door ionen. Het transport van ionen door het celmembraan is te registreren als een verschil in elektrische lading (een membraanpotentiaal). In de ruststand van de cel wordt de negatieve lading van organische moleculen in balans gehouden door K+, het meest aanwezige ion in de cel. Deze hoge concentratie wordt voornamelijk veroorzaakt door Na+/K+-pompen. Er zijn ook K+ lekkende kanalen, waardoor K+ makkelijker door het membraan gaat dan andere ionen. Hierdoor lekt wat K+ buiten de cel, waardoor het membraan aan de buitenkant licht positief geladen wordt en aan de binnenkant licht negatief. Dit zorgt ervoor dat er niet meer K+ naar buiten gaat en de K+ concentratie intracellulair hoog blijft. Deze verhouding noemen we het rustmembraanpotentiaal, de verplaatsing van ionen binnen en buiten de cel is in balans. In dierlijke cellen ligt dit rustmembraanpotentiaal tussen de -20 en -200 millivolt. Dit is een negatieve waarde omdat de lading aan de binnenkant negatief is. Met de vergelijking van Nernst is uit te rekenen hoe hoog het membraanpotentiaal is als de concentraties van K+ binnen en buiten de cel bekend zijn. Als andere ionkanalen openen, verandert de stroom van ionen en daarmee het membraanpotentiaal. Omdat het openen en sluiten van kanalen veel sneller gaat dan veranderingen in de ionconcentraties, zijn voornamelijk de kanalen belangrijk bij het in stand houden van het membraanpotentiaal.

De functie van een zenuwcel of neuron is het ontvangen, geleiden en doorgeven van signalen. Dit is van zintuigen naar het centrale zenuwstelsel en van het centrale zenuwstelsel naar spieren en klieren. In het centrale zenuwstelsel worden de signalen geïnterpreteerd. Een neuron bevat een cellichaam, met daaraan een lange arm, het axon, dat signalen van het cellichaam geleidt en doorgeeft aan targetcellen. Er zijn vaak meerdere dendrieten, deze ontvangen signalen en geleiden ze naar het cellichaam toe en werken dus als een soort antennes. Het axon splitst zich aan het eind vaak in vele takjes, nerve terminals genoemd. Zo kunnen meerdere targetcellen tegelijk bereikt worden. Het signaal wordt altijd doorgegeven door een verandering in het elektrische potentiaal.

Als een neuron gestimuleerd wordt, meestal door een ander neuron, verandert het membraanpotentiaal op dat punt. Bij lange afstanden dooft dit signaal snel uit. Passieve verspreiding is dus niet de oplossing om het signaal door te geven. Neuronen lossen dit probleem op met een actief signaalmechanisme: een golf van lokale stimuli zorgt voor een elektrisch signaal dat snel langs het membraan reist. Deze golf noemen we actiepotentiaal en kan wel 100 meter per seconde afleggen.

Zo'n actiepotentiaal zorgt voor depolarisatie van het membraan, wat wil zeggen dat het membraanpotentiaal plotseling veel minder negatief wordt. Hierdoor gaan spontaan een aantal voltage-gated Na+-kanalen open. Door de instroom van Na+ depolariseert het membraan verder en gaan meer Na+-kanalen open. Binnen een milliseconde is het membraanpotentiaal +40 mV. Nu is de stroom van Na+ in balans en zou de cel op dit punt vast komen te zitten. Doordat de Na+-kanalen snel na het openen zichzelf inactiveren wordt de membraanpotentiaal weer negatief. Dit doen ze door zichzelf af te sluiten met een soort dekseltje. Voltage-gated K+-kanalen helpen met het herstellen van het rustpotentiaal, K+ stroomt hierbij uit de cel. Zij reageren ook op de depolarisatie, maar minder snel dan de Na+-kanalen. Omdat het actiepotentiaal zich naar de buurcellen verspreid, verspreidt het signaal zich over de cel en uiteindelijk naar de nerve terminals. Het signaal kan maar een kant op, omdat de kant waar het vandaan is gekomen tijdelijk inactief is en het signaal niet terug door kan geven. Na+/K+-pompen herstellen de concentraties Na+ en K+.

Tussen de nerve terminal en de target cel zit een synaps. Het signaal gaat vanaf de presynaptische membraan, door de synaptische spleet naar de postsynaptische membraan. Voor de overdracht tussen de cellen wordt een stofje gebruikt, neurotransmitter genaamd. Neurotransmitters zitten in presynaptische vesicles. Als de actiepotentiaal de nerve terminal bereikt, openen Ca2+ kanalen. Omdat de Ca2+ concentratie buiten de cel veel groter in, stroomt er snel veel Ca2+ de cel binnen. Dit zorgt ervoor dat sommige synaptische vesicles fuseren met het plasma membraan en hun inhoud, de neurotransmitters, in de synaps terechtkomt. Hierdoor verandert het elektrische signaal in een chemisch signaal.

Neurotransmitters hechten aan specifieke neurotransmitterreceptoren van het postsynaptische membraan. Dit leidt tot veranderingen in het membraan, waardoor een actiepotentiaal ontstaat. De neurotransmitter wordt snel afgebroken of opnieuw opgenomen, zodat de neurotransmitterreceptoren niet continu openstaan en weer een nieuw signaal kunnen oppikken als er nog een komt. Er zijn meerdere types neurotransmitterreceptoren, zij verschillen in de snelheid waarmee ze het signaal aan de cel doorgeven. Snelle neurotransmitterreceptoren zijn afhankelijk van transmitter-gated ionkanalen.

Celbiologie: Cellen en energie van eten (13)

Katabolisme

Katabolisme omschrijft de verschillende manieren van stofwisseling in een cel. Hierbij worden grote moleculen afgebroken tot kleine moleculen, waarbij energie vrijkomt. Een van de meest belangrijke ‘brandstofmoleculen’ is suiker.

Brandstofmoleculen worden in stapjes afgebroken, elke keer komt een kleine hoeveelheid energie vrij. Als al deze energie in 1x zou worden gevormd, zou de cel dit niet kunnen opvangen. Daarom wordt energie stapsgewijs bewaard in ATP en andere energie dragende moleculen, die weer kunnen worden gebruikt bij andere werkzaamheden in de cel. De energie die vrijkomt wordt dus bewaard in een klein molecuul in plaats van dat het wordt omgezet in warmte.

ATP kan op twee manieren worden gemaakt:

1. De reactie: ADP + Pi wordt ATP in cytosol en mitochondriën (die tot stand komt door de oxidatie van moleculen uit voedsel)

2. Of energie van geactiveerde moleculen wordt in het mitochondrium omgezet

Voordat de cellen de binnengekregen voedingsstoffen kunnen opnemen, moeten eiwitten, lipiden en polysachariden worden afgebroken tot kleinere moleculen door middel van enzymen. Dit wordt katabolisme genoemd. Het is belangrijk hierbij dat het gaat om voedsel dat van buitenaf wordt ingenomen, dus niet de macromoleculen uit onze eigen cellen. De eerste stap van vertering gebeurt buiten de cel in de darmen of in lysosomen, die verteringsenzymen scheiden van het cytosol. Enzymen uit de darmen zullen de grote moleculen afbreken naar kleinere: eiwitten tot aminozuren, polysacchariden tot suikers en vetten tot vetzuren en glycerol. Hierna gaan ze het cytosol van een cel binnen waar oxidatie zal gaan beginnen. Zie figuur 13.2 in Alberts op pagina 432.

Glycolyse

Glycolyse is de reactie waarbij een glucosemolecuul met 6 koolstofatomen wordt omgezet in twee kleinere pyruvaat moleculen met 3 koolstofatomen. Hierbij worden twee energierijke ATP-moleculen verbruikt en omgezet in ADP om de reactie op gang te laten komen. ADP neemt later een vrijgekomen fosfaat (Pi) weer op. Tijdens de glycolyse vindt ook oxidatie plaats. Elektronen worden van sommige van de koolstofatomen verwijderd van glucose door NAD+, waarbij NADH wordt geproduceerd. In de gehele glycolyse worden er per glucosemolecuul 4 ATP en 2 NADH moleculen geproduceerd. Tijdens dit proces komen er dus netto per glucosemolecuul 2 ATP en 2 NADH moleculen vrij. De glycolyse is in tien stappen te beschrijven, waarbij elk een ander enzym gebruikt wordt. Zie panel 13-1 op pagina 433 en 434.

Na de glycolyse wordt het pyruvaat getransporteerd van het cytosol naar de matrix van het mitochondrium. Hier wordt het pyruvaat snel gedecarboxyleerd door een complex van drie enzymen: het pyruvaat-dehydrogenase-complex. Elk pyruvaat wordt met hulp van CoA-SH en NAD+ omgezet tot CO2, NADH en acetyl-CoA. Veel acetyl-CoA wordt ook gevormd bij de oxidatie van vetten.

Vetzuren

Vetzuren zijn afkomst van vet en zijn ook een vorm van brandstof voor suiker. Vetzuren worden net als de pyruvaatmoleculen in de mitochondria omgezet in acetyl-CoA. Hierbij wordt acetyl-CoA gevormd, molecuul NADH en FADH2. Suikers en vetten zijn de grootste bron van energie voor een organisme die niet aan fotosynthese doet. Wanneer acetyl-CoA wordt gevormd wordt maar weer een klein deel van de energie die mogelijk is omgezet in ATP of NADH, de rest zit nog allemaal in acetyl-CoA.

In eukaryote cellen zijn de mitochondria het centrum voor de energieleverende processen, onafhankelijk van of het in het begin suikers, vetten of aminozuren zijn. In aerobe bacteriën, die geen mitochondria bevatten gebeuren de energieleverende processen in het cytosol.

Citroenzuurcyclus

Als derde stap vindt de citroenzuurcyclus plaats onder de voorwaarde van water (zuurstof). De citroenzuurcyclus wordt ook wel de Krebscylcus of de tricarboxylzuurcyclus genoemd. Deze vindt ook plaats in de mitochondriale matrix. Acetyl-CoA wordt hierbij geoxideerd tot CO2 en NADH. De acetyl-groep wordt echter niet gelijk geoxideerd. Eerst vormt acetyl-CoA met oxaloacetaat en H2O, een citraat met zes koolstofatomen. Oxaloacetaat wordt tijdens de laatste stap van de citroenzuurcyclus gevormd, die weer de eerste stap op gang brengt. Tenslotte worden de NAD+-moleculen door een elektronentransportketen gebruikt om het proces voort te drijven. O2 nodig voor oxidatie,wordt in de citroenzuurcyclus zelf geproduceerd uit H2O. De helft van de energie die bij de oxidatie van glucose of vetzuren vrijkomt wordt gebruikt in de reactie Pi + ADP wordt ATP. De andere helft van de energie gaat verloren in warmte. Netto brengt één ronde in de citroenzuurcyclus drie NADH, een FADH2 en een GTP (ATP) energierijke moleculen op. De citroenzuurcyclus is goed weergeven in panel 13.2 op pagina 446 en 447.

Vervolgens begint de oxidatieve fosforylering. NADH en FADH2 geven hun elektronen af aan een elektron-transport keten in de binnenmembraan van het mitochondrium. De elektronen worden gebonden aan O2-moleculen, om water te produceren. Tijdens dit proces wordt er zo veel mogelijk ADP omgezet tot ATP. Oxidatie fosforylering vindt bij aerobe bacteriën plaats in het plasma membraan en bij eukaryote cellen in het mitochondrium.

Bij de gehele oxidatie van één glucosemolecuul tot CO2 en H2O worden er uiteindelijk zo’n 30 – 32 ATP-moleculen geproduceerd. 2 ATP-moleculen uit de glycolyse, 2 ATP uit de citroenzuurcyclus en 26 – 28 ATP uit de oxidatieve fosforylering. Deze processen die hierboven zijn beschreven, zijn er maar een aantal voorbeelden van de vele processen die in een cel plaats kunnen vinden. Een cel moet zelf controleren of metabolieten via een anabole of katabolische route worden ´vervoerd´.

Voor elke van de gevormde stoffen in de gehele cyclus van de cel zijn vele wegen! Controle mechanismen zorgen voor de enzymen die de metabolische processen reguleren en controleren. Het metabolische balans is verbazend stabiel.

Katabolische reacties zijn bouwblokken voor vele andere moleculen die worden gevormd en produceren energie. De stoffen die worden gevormd bij de glycolyse en citroenzuurcyclus kunnen ook voor anabole processen worden gebruikt. Hierin worden ze omgezet in nucleotiden, aminozuren en lipiden.

Het lichaam heeft een constante toevoer van glucose nodig. Als we een tijd geen voedsel binnenkrijgen wordt er gebruikt gemaakt van de gluconeogenese. Dit is het omgekeerde proces van glycolyse, waarbij er glucose wordt gevormd uit kleine moleculen als lactaat, pyruvaat of aminozuren. De gluconeogenese vindt plaats in de lever. Als de glycolyse en gluconeogenese onverstoord tegelijk zouden kunnen optreden, dan zou veel energie voor niets verloren gaan. De oplossing hierop is dat bij de gluconeogenese andere enzymen worden gebruikt, die zorgen voor bypassreacties. Zo’n omzeilingsreactie vindt bijvoorbeeld plaats bij stap 3 in de glycolyse. Een bypassreactie vindt plaats als het fosfofructokinase enzym is uitgeschakeld. Wanneer er een klein energie reserve is wordt fosfofructokinase geactiveerd om de glycolyse weer op gang te wekken.

De balans tussen glycolyse en gluconeogenese moet aldoor worden gereguleerd. Wanneer er te weinig energie is moet glucose worden afgebroken en wanneer er genoeg is moet het worden opgeslagen. Gluconeogenese is een kostbaar proces, dat energie gebruikt d.m.v. hydrolyse van ATP en GTP. Dit kan dus niet te veel plaatsvinden. Er worden echter door het lichaam voedselreserves aangemaakt. Glucose wordt opgeborgen, dit wordt gedaan in de vorm van glycogeen, in de lever en spieren. Wanneer het nodig is wordt deze omgezet in glucose om de glycolyse in gang te zetten. Het balans tussen de glycogeen synthese en afbouw wordt gereguleerd door intracellulaire signalen van hormonen als insuline, adrenaline en glucagon.

Celbiologie: Organisatie en transport in de cel (15)

Celopbouw

Een cel kan geen celorganellen uit het niets maken, vóór de celdeling groeien organellen eerst en daarna splitsen ze. Hiervoor zijn veel nieuwe eiwitten nodig. Ook cellen die niet met de deling bezig zijn, maken continu nieuwe eiwitten. Deze moeten op de goede plaats terecht komen. Sommige organellen, zoals mitochondria, krijgen hun eiwitten direct vanuit het cytosol. Voor andere, zoals het Golgiapparaat en lysosomen, zijn er bewerkingen in het ER (endoplasmatisch reticulum) nodig.

De synthese van bijna alle eiwitten begint bij de ribosomen in het cytosol. Mitochondria maken sommige eiwitten zelf met ribosomen binnen het mitochondrion. In de aminozuurvolgorde kan een sorteersignaal zitten. Eiwitten die dit niet hebben blijven in het cytosol, eiwitten die dit wel hebben gaan naar het organel van bestemming of naar het ER. Het is moeilijk om de eiwitten door de membranen van de organellen heen te krijgen. Hiervoor zijn drie oplossingen:

• Eiwitten gaan de kern in via nucleaire poriën. Dit zijn selectieve, actieve poorten.

• Eiwitten gaan het ER en mitochondria in via eiwittransporters. Meestal moet het eiwit uitvouwen om hier doorheen te kunnen.

• Eiwitten binnen het ER en tussen verschillende membraanomgeven systemen worden vervoerd in blaasjes (vesicles). Deze nemen een lading mee van het ene compartiment in de tussenruimte, het lumen, en vervoeren dit naar een volgend compartiment.

Het signaalsegment dat aangeeft waar het eiwit naartoe moet, wordt meestal verwijderd van het volwassen eiwit. Ze zijn zowel noodzakelijk om de bestemming van het eiwit aan te geven. Als ze kunstmatig worden toegevoegd of verwijderd, wijzigt deze bestemming. Vaak is de volgorde niet zo belangrijk, het gaat om fysieke kenmerken zoals hydrofiel/hydrofoob en de plaatsing van geladen aminozuren.

De kern bevat het nucleaire DNA. Het heeft twee membranen; de binnenste bindt aan de chromosomen en zit vast aan het nucleaire lamina, wat voor de structuur van het kernmembraan zorgt. De buitenste membraan ligt dichtbij de membraan van het ER. Het kernmembraan bevat poriën, waardoor moleculen de kern in (voornamelijk eiwitten) en uit (voornamelijk RNA) kunnen. Zo'n porie bestaat uit veel eiwitten en is met water gevuld, waardoor water oplosbare moleculen de kern in en uit kunnen. Kleine moleculen kunnen er gelijk doorheen, grotere (RNA en eiwitten) moeten een speciaal signaal laten zien. Dit heet het nucleaire lokalisatie signaal, wat meestal uit veel lysine en arginine bestaat. Zij binden aan nucleaire transportreceptoren die met een soort tentakels de moleculen in de kern helpen. Hierna keert de receptor terug naar het cytosol. De energie die nodig is voor het transport wordt verkregen uit GTP-hydrolyse. Het transport gaat erg snel. In tegenstelling tot andere eiwittransporters kunnen eiwitten de kern in zonder eerst uit te vouwen, en ook ribosomale componenten kunnen de kern in.

Ondanks dat mitochondria (en chloroplasten) eigen DNA hebben, worden de meeste eiwitten door het DNA in de kern gecodeerd. Aan hun N-terminus zit een speciaal signaal voor het mitochondrion. Op plekken waar het binnenste en het buitenste membraan van het mitochondrion elkaar raken, komen de eiwitten het organel binnen. Hiervoor moeten ze eerst helemaal uitgevouwen zijn. Bepaalde eiwitten, chaperonne eiwitten genaamd, helpen met het transport en vervolgens het terugvouwen van de eiwitten. Na transport door de membraan wordt de signaalsequentie van het eiwit verwijderd. Als het eiwit een specifieke locatie heeft, zoals het binnenste of het buitenste membraan, is er vaak nog een ander sorteersignaal, wat vaak pas tot uiting komt als het eerste is verwijderd. Voor de groei van mitochondria en chloroplasten zijn ook vetten nodig. De meeste fosfolipiden worden geïmporteerd van het ER. In water oplosbare, vetdragende eiwitten zorgen hierbij voor het transport.

Organellen

Een eukaryotische cel bevat cytosol waarin organellen voorkomen. Het cytosol samen met het cytoplasma in de organellen heet het cytoplasma. De organellen worden allen omringd door een eigen membraan en hebben een eigen intern milieu waar specifieke enzymen opereren. Elk organel heeft een eigen functie binnen de cel. De belangrijkste organellen zijn:

• De kern

• Het endoplasmatisch reticulum (ER)

• Het Golgi-apparaat

• De lysosomen

• De endosomen

• De mitochondriën

• De peroxisomen.

De kern wordt omringd door een dubbel membraan, de kernenvelop. Deze bevat poriën waardoor stoffen de kern in en uit getransporteerd kunnen worden. Het buitenste membraan staat in directe verbinding met het endoplasmatisch reticulum. Er bestaat een ruw en een glad endoplasmatisch reticulum. Het ruwe ER (RER) bevat ribosomen die eiwitten synthetiseren. Het gladde ER (SER) bevat geen ribosomen.

Het Golgi-apparaat ontvangt eiwitten van het ER, modificeert deze en stuurt ze door naar andere bestemmingen in de cel. De lysosomen bevatten enzymen die uitgewerkte organellen, macromoleculen en andere stoffen afbreken. Endosomen controleren de stoffen die de cel binnengekomen zijn door middel van endocytose. Zij sorteren de binnengekomen stoffen en recyclen een deel terug naar het plasmamembraan. Een ander deel vervoeren ze naar de lysosomen voor afbraak.

Peroxisomen bevatten enzymen die gebruikt worden bij verscheidene oxidatieve reacties waarbij lipides afgebroken worden en giftige stoffen onschadelijk gemaakt worden. In mitochondriën vindt oxidatieve fosforylering plaats. Ze bevatten membranen die gespecialiseerd zijn in de productie van ATP. Een mitochondrium bevat eigen DNA en RNA.

Veel van de organellen worden op hun plaats binnen de cel gehouden door een verbinding met het cytoskelet. Het cytoskelet vormt een soort wegenstelsel waarover de organellen zich kunnen verplaatsen en waarlangs de transportblaasjes zich bewegen. Deze bewegingen worden gestuurd door bepaalde motoreiwitten die ATP gebruiken om langs de filamenten te bewegen.

De evolutionaire ontwikkeling van een prokaryotische cel in een eukaryotische cel vond waarschijnlijk als volgt plaats. Een prokaryotische cel bevat geen organellen. Het plasmamembraan volbrengt alle functies die nodig zijn voor een cel om te functioneren. Het dubbele kernmembraan en de membranen van het ER, het Golgi-apparaat, de endosomen en de lysosomen zijn waarschijnlijk gevormd door instulpingen van het plasmamembraan. Het ER, het Golgi-systeem, de peroxisomen, de endosomen en de lysosomen zijn alle onderdeel van het zogenaamde endomembraansysteem.

Mitochondriën en chloroplasten (alleen bij plantaardige cellen) zijn echter waarschijnlijk ontstaan door bacteriën die in de cel zijn opgenomen. De voorheen prokaryotische cel leeft dus in symbiose met deze bacteriën. De membranen van deze organellen zijn anders dan de hierboven genoemde membranen. Mitochondriën en chloroplasten bevatten beide hun eigen DNA en RNA.

ER-membraan

Eiwitten komen het ER binnen tijdens de translatie. Het ER dient als tussenstation voor eiwitten met als bestemmming het Golgi apparaat, endosomen, lysosomen en het ER zelf. Zodra een eiwit in het ER of ER membraan zit, zal het niet meer direct in het cytosol komen. Via vesikels wordt het van organel naar organel en soms zelfs buiten de cel gebracht. In water oplosbare eiwitten gaan geheel door het membraan van het ER heen en komen dus in het ER.

Zij zijn bedoeld voor secretie en hebben dus een functie buiten de cel of in het lumen van een organel. Transmembraaneiwitten blijven in het membraan van het ER steken. Zij komen in het ER-membraan, het membraan van een ander organel of het plasmamembraan. Alle eiwitten die met het ER in aanraking komen, hebben een ER-signaal sequentie. Deze bestaat uit acht of meer hydrofobe aminozuren en helpt bij de translocatie door het ER-membraan.

Om het ER-membraan binnen te gaan, moeten de meeste eiwitten tot een draad gemaakt worden. Hiervoor is het noodzakelijk dat het ribosoom, dat het eiwit synthetiseert, aan het eiwit vastzit als dit contact maakt met het ER. Deze ribosomen noem je membraangebonden en zij vormen het ruw endoplasmatisch reticulum. Je hebt ook vrije ribosomen, deze maken dus de eiwitten die niet met het ER in aanraking komen. Vrije en membraangebonden ribosomen verschillen niet, alleen in het eiwit dat ze synthetiseren. Ook op het ER kan een keten van meerdere ribosomen aan een mRNA molecuul, een polyribosoom, ontstaan.

Om naar het ER te komen, moet eerst een signal-recognition partikel (SRP) uit het cytosol aan de ER-signaalsequentie binden. Een SRP-receptor herkent dit en bindt aan de SRP. De synthese stopt even totdat deze binding geheel tot stand is gekomen. Hierna laat het SRP los en kan die weer gerecycled worden. De synthese gaat verder, waarbij het eiwit als een draad door een translocatiekanaal het ER binnengaat. De signaalsequentie aan de N-terminus helpt hierbij door dit kanaal te openen. Dit blijft aan het kanaal vastzitten, waardoor het eiwit een lus vormt. Na een tijdje wordt de signaalsequentie losgeknipt  door signaalpeptidase en vervolgens afgebroken. Als de C-terminus door het membraan passeert, laat het eiwit los en komt het in het ER lumen terecht. Dit gebeurt bij in water oplosbare eiwitten. Bij transmembraan eiwitten blijft het eiwit gebonden aan de membraan.

De manier waarop beide soorten eiwitten in het ER komen is hetzelfde, maar een membraangebonden eiwit heeft een extra sequentie, de stoptransfersequentie. Zodra deze bereikt is, gaat het eiwit uit het kanaal het membraan in en wordt het N-terminus verwijderd. Het heeft nu een N-einde in het lumen en een C-einde in het cytosol. Het deel in het membraan vormt een α-helix. Deze oriëntatie zal niet meer veranderen. In sommige gevallen gaat het eiwit meerdere malen door het membraan heen, dit komt door een zogenoemd starttransfer signaal. Er zijn vaak meerdere signalen die in paren werken, de een start het transport door het membraan en de ander stopt dit weer. Deze sequenties worden niet verwijderd.

De bestemming van de eiwitten in het ER is in eerste instantie het Golgiapparaat. Sommige zullen daar blijven, sommige zullen naar andere organellen worden verplaatst. Dit transport gaat via transport vesikels. Dit transport kan gaan van het ER tot aan het plasma membraan en van het plasmamembraan tot aan de lysosomen. Eiwitten kunnen dus bij alle organellen en zelfs buiten de cel komen. Tijdens het transport ondervinden veel eiwitten nog veranderingen.

De weg door het ER via het Golgiapparaat naar het celoppervlak noemen we de secretory pathway. De weg van de plasmamembranen via endosomen naar lysosomen heet de endocytic pathway. Beide zijn strak georganiseerd. Hiervoor is het belangrijk dat de lysosomen alleen de goede eiwitten meenemen en alleen met het targetmembraan fuseren. Hierdoor behouden de organellen hun eigen eiwit- en vetcompositie. Het is geheel afhankelijk van het herkennen van de juiste eiwitten.

Transport via vesikels komt dus niet alleen binnen de cel voor. Via een proces dat exocytose heet worden nieuw geproduceerde eiwitten en vetten buiten de cel afgezet. Transportvesikels hebben meestal een soort eiwit jasje bij het oppervlak dat in aanraking komt met het cytosol. Dit worden coated vesicles genoemd. De functie is om de cargo moleculen gedurende transport bij elkaar te houden en het houdt het transportvesikel in een bolvorm. De beschermende laag bestaat grotendeels uit clathrine-eiwitten. Zodra cargo moleculen worden herkend door een cargoreceptor kan er exocytose plaatsvinden. Adaptines binden clathrine-eiwitten aan cargoreceptoren en vormen samen een beschermlaag.

Dit exocytose proces gaat via het ER en het Golgiapparaat. Op de transportvesikels zitten Rab eiwitten, die worden herkend door tethering proteines op het oppervlak van de target membraan. Dit mechanisme zorgt ervoor dat transportvesikels alleen fuseren met de juiste membraan en hun cargo moleculen af kunnen geven. Transmembrane eiwitten bevatten SNAREs. Wanneer de tethering proteines de Rab eiwitten herkennen, zorgen SNAREs ervoor dat de vesikel op de goede plaats in het membraan belandt.

Tijdens de tussenstappen van het exocytose proces wordt het eiwit gemodificeerd en gecontroleerd. Een van de voornaamste modificaties is het vormen van zwavelbruggen, hierbij helpt een enzym in het ER. Zwavelbruggen zijn belangrijk voor stabiliteit bij een veranderende pH en kunnen in het reducerende milieu van het cytosol niet gevormd worden. Ook wordt er in het ER geglycolyseerd. De oligosachariden die hier aan het eiwit gekoppeld worden, hebben verschillende functies, zoals het regelen van het transport en het beschermen van het eiwit. Oligosachariden worden in groepen aan het eiwit gekoppeld. Een set van drie aminozuren, waar in elk geval asparagine bij zit, bepaald waar deze groep komt. De meeste zitten aan een NH2-groep en heten daarom N-gelinkt. Dit is de eerste stap van het oligosacharideproces, dat voortduurt in het ER en Golgiapparaat.

Het ER-retentionsignaal zorgt ervoor dat eiwitten die in het ER thuishoren, meteen terugkeren wanneer ze het trans-Golgi netwerk betreden. Alleen goed gevouwen eiwitten kunnen het ER verlaten en naar het Golgiapparaat gaan; chaperonne eiwitten houden de eiwitten vast tot deze goedgekeurd zijn. Als dit niet lukt, wordt het eiwit vernietigd. Dit kwaliteitscontrolesysteem werkt bij sommige ziektes, zoals cystische fibrosis, niet goed.

Als er teveel eiwitten gemaakt moeten worden, kan het ER het niet meer aan en worden er veel meer fouten gemaakt. Deze misvormde eiwitten zijn een signaal voor de cel dat er meer ER aangemaakt moet worden. Dit komt door een bepaalde set receptoren in het membraan van het ER, die de unfolded protein response (UPR) oproepen. Hierdoor is het ER meestal groot genoeg om de secretie van de cel aan te kunnen. Mocht zelfs een vergroting van het ER niet genoeg zijn om misvormde eiwitten te voorkomen, dan zet het UPR de cel aan tot apoptose. Een voorbeeld hiervan is diabetes type II. Door de insulineresistentie moet er meer insuline worden gemaakt dan de cel aankan en sterft de cel. Helaas maakt dit de taak voor de overige cellen alleen maar zwaarder, waardoor die ook afsterven.

Het Golgiapparaat ligt dichtbij de celkern en bestaat uit meerdere zakken of cisternae, die op elkaar gestapeld zijn. Het aantal stapels waaruit het Golgiapparaat bestaat verschilt per celtype. Het begin van het Golgiapparaat, dus waar de vesikels vanuit het ER binnenkomen, heet de cis-kant. Het einde heet de trans-kant, deze ligt richting het plasmamembraan. Aan de buitenkant van het Golgiapparaat zitten veel tubes met vesikels. In water oplosbare eiwitten komen via het cis-Golginetwerk binnen. Via transportvesikels gaan ze door de verschillende cisternae en komen ze bij het trans-Golginetwerk. Vanaf daar gaan ze naar het celoppervlak of naar organellen binnen de cel. Beide netwerken zijn belangrijk: het cis-netwerk stuurt eiwitten die in het ER moeten blijven terug en het transnetwerk kijkt waar de eiwitten naartoe moeten. In het Golgiapparaat worden veel eiwitten verder gemodificeerd.

Om een eiwit de cel te doen verlaten, fuseert een vesikel met het plasmamembraan. Dit heet de constitutieve exocytose pathway en gaat continu door. Het zorgt ervoor dat er nieuwe eiwitten en vetten in het plasmamembraan komen, zodat de cel kan groeien voor de deling. De eiwitten die voor buiten de cel zijn bedoeld, worden ook op deze manier naar buiten gebracht, dit heet secretie. Sommige blijven aan het celoppervlak zitten, andere gaan de intercellulaire matrix in. Omdat secretie niet selectief is, wordt het ook wel een default pathway genoemd. Cellen die gespecialiseerd zijn op secretie hebben nog een andere weg, de gereguleerde exocytose pathway. Deze cellen maken een product erg vaak, wat ze opslaan in secretory vesicles. Deze wachten dichtbij de membraan op een extracellulair signaal dat aangeeft dat secretie moet plaatsvinden. Bepaalde eiwitten binden aan deze producten en zorgen dat ze apart bewaard worden. Een voordeel hieraan is dat de concentratie van een bepaald eiwit veel hoger kan worden dan als het alleen via de default pathway zou gaan. Zo kunnen cellen een voorraad opbouwen en deze paraat hebben voor als het nodig is. Als een vesikel fuseert met het plasmamembraan, wordt het een onderdeel van het plasmamembraan. Dit neemt echter niet in oppervlakte toe, omdat tegelijk ook endocytose plaatsvindt.

Cellen nemen continu vloeistoffen, grote en kleine moleculen op via endocytose. Sommige cellen zijn zelfs gespecialiseerd om grote deeltjes op te nemen, soms zelfs andere cellen. Via een endocytisch vesikel komt het materiaal de cel binnen. Het reist naar een lysosoom, waar het vesikels wordt verteerd en het materiaal vrijkomt in het cytosol. Aan de hand van de grote van de vesikels kunnen we twee soorten endocytose onderscheiden. Fagocytose is voor grote deeltjes en pinocytose voor kleine deeltjes en vloeistoffen.

Fagocytose

Fagocytose is het opnemen van een andere cel. Bij bacteriën dient dit proces als opname van voedingsstoffen, die vervolgens verteerd kunnen worden in lysosomen. Dieren moeten voeding eerst goed verteren en afbreken met enzymen voordat het opgenomen kan worden. Fagocytose is dan ook minder belangrijk om voedingsstoffen op te nemen; het is vooral van belang bij de afweer. Macrofagen zoeken naar cellen waar een bepaalde signaalstof aan gebonden zit. Als het zo'n cel heeft gevonden, spreid hij een soort armen om de cel heen. Deze fuseren aan de uiteinden en vormen zo een fagosoom. De bacterie wordt opgenomen en de fagosoom fuseert met een lysosoom om de bacterie te verteren. Sommige bacteriën zijn echter resistent en gebruiken de macrofaag om verder te delen. Niet alleen in het afweersysteem zijn macrofagen nuttig: ze ruimen ook dode cellen op.

Pinocytose

Pinocytose is het binnenhalen van kleine moleculen en vloeistoffen. Hierbij worden het eigen plasmamembraan en vloeistoffen ook deels verteerd. De snelheid waarmee cellen dit doen verschilt. De grote van de cel verandert niet omdat door exocytose ook weer plasmamembraan wordt toegevoegd. Pinocytose wordt gedaan door specifieke vesikels. Pinocytose is willekeurig, maar er bestaat ook receptor-mediated endocytose, die specifieke moleculen uit de extracellulaire vloeistof haalt. Dit is een ook een stuk effectiever qua verteerde vloeistof en maakt het mogelijk veel kleine moleculen de cel in te brengen zonder dat er een vloeistof tekort ontstaat. Cholesterol wordt op deze manier binnengehaald, eerst bindt het aan low-density lipoproteines (LDL's). Dit bindt aan receptoren, het complex wordt de cel ingehaald waar de LDL eraf valt. De LDL wordt verteerd in een lysosoom door hydrolytische enzymen en het cholesterol komt in het cytosol terecht. Een mutatie kan leiden tot deficiëntie in het opnemen van LDL, waardoor cholesterolwaarden te hoog worden. Dit kan leiden tot atherosclerosis. Receptor-mediated endocytose is ook essentieel bij het opnemen van mineralen en vitamines. Het wordt ook gebruikt door virussen om de cel binnen te komen.

Endosomen

Endosomen zijn de organellen waar het extracellulaire materiaal wordt opgenomen. Er zijn vroege endosomen, deze zitten in de buurt van het plasmamembraan, en late endosomen, deze liggen bij de kern. De binnenkant van endosomen wordt zuur gehouden door een ATP-gedreven H+-pomp, die een grote hoeveelheid H+ ionen vanuit het cytosol in de endosoom pompt. Net als het trans-Golginetwerk sorteert de endosoom het materiaal op bestemming. Het zure milieu helpt hierbij omdat de receptoren van de lading los worden gemaakt. Sommige receptoren gaan terug naar hun oude plek, andere worden vernietigd en weer andere hechten aan een andere plek op het plasmamembraan. Hierbij brengen ze hun lading van de ene extracellulaire ruimte naar de andere. Dit laatste heet transcytose. Als de lading aan de receptor blijft zitten, volgen deze samen de weg van de receptor. De meeste ladingen die hun receptor kwijt raken, worden in de lysosomen verteerd.

Lysosomen

Lysosomen bevatten vele hydrolytische (verterende) enzymen, deze hebben een laag optimum pH waardoor de lysosomen een zuur milieu bevatten. Ook bevat een lysosoom ATP-gedreven H+-pompen, die het milieu zuur maken. Omdat het cytosol een andere pH heeft, kunnen deze enzymen de cel geen schade doen als ze toevallig in het cytosol terecht komen. Het membraan van een lysosoom is specifiek en zorgt ervoor dat de eindproducten van de vertering het cytosol in kunnen. Enzymen voor de lysosomen gaan via het ER en het Golgisysteem, waar ze vaak geglycolyseerd worden. Aan de trans-kant van het Golgisysteem worden ze gesorteerd. Er zijn meerdere manieren waarop voedingsstoffen bij een lysosoom komen. Naast fagocytose en pinocytose kunnen cellen ook aan autofagie doen, hierbij verteren ze delen van zichzelf. Dit proces begint met de vorming van een autofagosoom, de manier hoe dit gebeurd is onbekend.

Exocytose

De meeste eiwitten die het ER binnenkomen worden daar aangepast. Er worden disulfide bindingen gevormd en er vindt glycosylering plaats. In het ER wordt bij glycosylering een oligosacharide, die uit veertien suikers bestaat, direct gebonden aan de aminogroep (NH₂) van een asparaginezijketen in het eiwit. Dit vindt bijna direct plaats nadat de polypeptideketen het ER binnen is gekomen. Een oligosacharide zit oorspronkelijk vast aan dolichol. Dit is een lipide die zich in het membraan van het ER bevindt. De reactie waarbij de oligosacharide van dolichol naar het eiwit wordt overgeplaatst, wordt gekatalyseerd door het enzym oligosaccharyl transferase. Deze glycosylering is slecht het begin van en serie modificaties, het oligosacharideproces. Dit proces begint in het ER en wordt in het Golgi-systeem vervolgd.

Sommige eiwitten die in het ER worden gesynthetiseerd blijven daar. Ze bevatten een C-terminale sequentie die een ER retention signal genoemd wordt. Dit signaal sequentie wordt door een membraangebonden receptoreiwit herkend dat zich in het ER en in het Golgi-systeem bevindt. Wanneer een receptoreiwit in het Golgi-systeem een dergelijk eiwit herkent, wordt dit eiwit naar het ER terug getransporteerd. De meeste eiwitten hebben echter andere bestemmingen dan het ER. Bij het verlaten van het ER vindt een strenge keuring plaats. De eiwitten moeten perfect zijn om het ER te kunnen verlaten. Eiwitten die bij de keuring een belangrijke rol spelen zijn chaperone eiwitten. Deze houden eiwitten die verkeerd gevouwen zijn vast totdat ze goed gevouwen zijn. Wanneer ze niet goed kunnen vouwen worden deze eiwitten naar het cytosol getransporteerd, waar ze worden afgebroken.

Wanneer het controlesysteem overbelast wordt, neemt het aantal misvormde eiwitten in het ER toe. Als er genoeg misvormde eiwitten aanwezig zijn, activeert dit het zogenaamde UPR-programma (Unfolded Protein Responseprogramma). Dit programma spoort de cel aan om meer ER te produceren. Het UPR-programma stelt hiermee de cel in staat om de grootte van het ER aan te passen aan de behoefte. Wanneer de cel echter zelfs met het vergrote ER de belasting niet aankan, beveelt het UPR-programma de cel waarin het ER zich bevindt om apoptose (geprogrammeerde celdood) te ondergaan.

Het Golgi-systeem bestaat uit een aantal lagen (cisternae) die door membranen omgeven zijn. Het Golgi-systeem heeft twee kanten. De ingang heet de cis-kant, de uitgang heet de trans-kant. De cis-kant wijst naar het ER, de trans-kant wijst naar het plasmamembraan. Oplosbare eiwitten en membranen komen vanaf het ER het Golgi-systeem aan de cis-kant binnen via transportblaasjes. De eiwitten verplaatsen zich door het Golgi-systeem door middel van transportblaasjes. Deze scheiden zich af van de ene laag en fuseren met de volgende laag. De eiwitten verlaten het Golgi-systeem aan de trans-kant. Zowel de cis- als de trans-kant van het systeem zijn belangrijk voor het sorteren van eiwitten. De eiwitten kunnen zich door het Golgi-systeem van de cis-kant verplaatsen naar de trans-kant, of teruggestuurd worden naar het ER wanneer ze een ER-retentiesignaal bevatten.

Een deel van de eiwitten wordt via transportblaasjes naar het plasmamembraan vervoerd. In elke cel is een constante stroom van transportblaasjes van het Golgi-systeem naar het plasmamembraan (de constitutive exocytose pathway). Deze kunnen eiwitten en lipiden bevatten, die de cel de mogelijkheid bieden te groeien voor de celdeling, of de cel de mogelijkheid bieden oude eiwitten en vetten te vervangen. Het kunnen ook eiwitten betreffen die via het plasmamembraan uitgescheiden moeten worden. Dit heet secretie. Eiwitten die geen signaalsequentie behalve de ER-importsequentie bevatten, worden via transportblaasjes naar het plasmamembraan vervoerd.

Hiernaast is er ook een regulated exocytose pathway, die alleen plaatsvindt in cellen die zijn gespecialiseerd in secretie. De producten van deze cellen worden verzameld in secretory vesicles. De vesicles verzamelen zich vlakbij de plasmamembraan en wachten op een extracellulair signaal om met het plasmamembraan te fuseren.

Endocytose

Er worden twee soorten endocytose onderscheiden. Pinocytose is het opnemen van vloeistof en kleine moleculen via kleine vesicles. Fagocytose is het opnemen van grotere deeltjes via grote vesicles. Grotere deeltjes worden voornamelijk opgenomen door gespecialiseerde fagocytische cellen. Een dergelijk transportblaasje heet (afhankelijk van de naam van het proces) een pinosoom of een fagosoom. Een fagosoom versmelt bij binnenkomst in de cel meteen met een lysosoom, een pinosoom wordt via een endosoom naar een lysosoom vervoerd.

Fagocytische cellen beschermen ons tegen infecties door binnendringende organismes op te nemen en ruimen dode en beschadigde cellen op. Pinocytose speelt vooral een rol bij de endocytose waarbij clathrine betrokken is (zie ‘Transport via transportblaasjes’). Deze endocytose heet receptor-mediated endocytosis.

Een belangrijk voorbeeld hiervan is de mogelijkheid van een dierlijke cel om cholesterol op te nemen. Cholesterol is onoplosbaar en wordt in de bloedbaan getransporteerd, waarbij het gebonden is aan deeltjes van low-density lipoproteins (LDL). LDL bindt aan receptoren aan de buitenkant van membranen. De receptor-LDL-complexen worden via receptor-mediated endocytosis de cel binnengehaald en naar een endosoom getransporteerd. Hier laat het LDL los van de receptor. De receptor wordt gerecycled en het LDL wordt getransporteerd naar een lysosoom. Het cholesterol laat hier het LDL los en wordt aan het cytosol afgegeven. Hier kan het worden gebruikt voor de synthese van nieuwe membranen. Het LDL wordt afgebroken.

Er zijn twee soorten endosomen die kunnen worden onderscheiden: het vroege endosoom, dat zich vlak onder het plasmamembraan bevindt, en het late endosoom, dat zich dichter bij de kern bevindt. Een endosoom heeft eenzelfde soort functie bij de endocytose als de trans-kant van het Golgi-systeem heeft bij de exocytose. Ze keuren de stoffen die de cel via endocytose ingaan. Een endosoom heeft een zuur milieu vanbinnen. Hierdoor laten veel stoffen die via receptor-mediated endocytosis de cel binnen zijn gekomen in het endosoom de receptor waaraan ze gebonden zijn los, maar niet altijd. De meeste receptoren keren terug naar hetzelfde gedeelte van het plasmamembraan als waar ze vandaan kwamen. Sommige worden naar lysosomen getransporteerd waar ze worden afgebroken. Andere verplaatsen zich naar een ander gedeelte van het plasmamembraan, waarbij ze hun gebonden cargomoleculen van de ene extracellulaire ruimte naar de andere vervoeren. Dit proces heet transcytose. In het algemeen geldt dat cargomoleculen die aan de receptor gebonden blijven, hetzelfde ondergaan als die receptor. Cargo dat wordt losgekoppeld van zijn receptor, is gedoemd tot afbraak in een lysosoom. In late endosomen zijn echter al wat lysosomale enzymen aanwezig, waardoor afbraak reeds hier kan beginnen.

Veel deeltjes en moleculen die de cel binnen zijn gekomen, komen terecht in een lysosoom. Lysosomen zorgen voor de intracellulaire vertering van zowel extracellulair materiaal als van bepaalde celonderdelen, zoals oude organellen. Een lysosoom bevat ongeveer 40 verschillende enzymen die optimaal werken bij een pH van rond de 5. Het membraan van een lysosoom bevat transporteiwitten en een H+-pomp. Deze H+-pomp zorgt ervoor dat de pH-waarde in het lysosoom hetzelfde blijft. De meeste eiwitten aan de binnenzijde van het membraan zijn geglycosyleerd. De suikers zorgen ervoor dat de eiwitten niet verteerd worden door de lysosomale enzymen. De verteringsenzymen en membraaneiwitten zijn gesynthetiseerd in het ER en door het Golgi-apparaat getransporteerd naar de trans-kant. In het ER en aan de cis-kant van het Golgi-apparaat is een mannose-6-fosfaat aan de eiwitten toegevoegd. Deze wordt in de trans-kant van het Golgi-apparaat door een mannose-6-fosfaatreceptor herkend. De eiwitten worden vervolgens in een transportblaasje via een endosoom naar een lysosoom vervoerd en daar afgegeven.

Stoffen kunnen de lysosomen dus bereiken via fagocytose en pinocytose. Cellen hebben echter nog een derde manier om stoffen af te geven aan de lysosomen. Deze derde manier is de autofagie. Hierbij wordt een deel van de cel zoals een organel omsloten door een dubbel membraan. Het blaasje dat zo ontstaat heet een autofagosoom. Deze fuseert vervolgens met een lysosoom.

De sortering van eiwitten

De synthese van bijna alle eiwitten in de cel begint bij de ribosomen die zich in het cytosol bevinden. Waar een eiwit terecht zal komen hangt af van de aminozuurvolgorde van het eiwit. Deze kan een sorting signal, ook wel signaalsequentie, bevatten die aangeeft in welk organel het eiwit terecht moet komen. Eiwitten die geen sorting signal bevatten komen los terecht in het cytosol. Voor de verschillende organellen zijn er verschillende sorting signals.

Een eiwit kan op verschillende manieren door het membraan van een organel getransporteerd worden:

• De kern bevat poriën waardoorheen de eiwitten getransporteerd kunnen worden. De poriën functioneren als selectieve doorgangen, die bepaalde macromoleculen actief transporteren. De eiwitten kunnen gevouwen door het membraan worden vervoerd.

• Het ER, de mitochondriën, de chloroplasten en de peroxisomen bevatten proteïne translocators in het membraan. Het eiwit dat door deze translocators door het membraan wordt vervoerd, moet eerst worden ontvouwen.

• Eiwitten die vanuit het ER worden getransporteerd naar andere celonderdelen, worden vervoerd via transportblaasjes. Deze blaasjes worden gevuld met cargo (eiwitten uit het lumen) en splitsen van het membraan af.

Een eiwit kan een nuclear localization signal bevatten. Dit geeft aan dat een eiwit in de kern terecht moet komen. Via de kernporiën kunnen nieuwe eiwitten de kern in en kunnen RNA en ribosomale onderdelen de kern uit. Bepaalde eiwitten die zich in het cytosol bevinden, de nuclear transport receptoren, binden aan het nuclear localization signal van het kerneiwit. Vervolgens brengt deze receptor het kerneiwit door de porie door interacties aan te gaan met de nuclear pore fibrils. Eenmaal in de kern laat de nuclear transport receptor los van het nieuwe eiwit en verlaat de kern weer. In het cytosol kan de receptor nu een binding aangaan met het nuclear localization signal van een ander eiwit.

Het importeren van eiwitten in de kern kost energie. Deze energie wordt geleverd door middel van GTP-hydrolyse. Bij het importeren van eiwitten in de kern blijft een eiwit gevouwen. Dit is bijzonder, want bij het transport van eiwitten in andere organellen moet het eiwit ontvouwen worden.

Mitochondriën bevatten een binnen- en een buitenmembraan. Eiwitten uit het cytosol die voor een mitochondrium bestemd zijn, bevatten een signaalsequentie aan hun N-terminus. Zij moeten door beide membranen heen getransporteerd worden op een plaats waar deze membranen in contact staan met elkaar. De signaalsequentie wordt door een receptoreiwit op het buitenste membraan van het mitochondrium herkend. Hierna wordt het eiwit ontvouwen en het mitochondrium in getransporteerd. In het mitochondrium wordt de signaalsequentie van het eiwit afgesplitst en neemt het eiwit de specifieke vouwing weer aan. De chaperoneiwitten helpen om een eiwit door de membranen te krijgen, maar helpen het eiwit ook om een goede vouwing aan te nemen. Verder transport binnen het organel wordt gereguleerd via andere signaalsequenties.

Eiwitten die bestemd zijn voor het ER zelf, voor het Golgi-apparaat, de endosomen, lysosomen, peroxisomen, het plasmamembraan en voor uitscheiding buiten de cel komen eerst het ER binnen. Eiwitten kunnen in het ER-lumen (dit is het geval bij oplosbare eiwitten) of ER-membraan (dit is het geval bij membraaneiwitten) terechtkomen. Hierna zullen deze eiwitten door het cytosol worden vervoerd door middel van transportblaasjes.

De eiwitten die naar het ER moeten bevatten een ER-signaalsequentie, die meerdere hydrofobe aminozuren bevat. In het ruwe ER worden eiwitten gesynthetiseerd door ribosomen die aan de cytosolische zijde van het membraan van het ruwe ER vastzitten. Deze ribosomen heten ook wel membrane-bound ribosomen. Er zijn ook vrije ribosomen die los voorkomen in het cytosol. De twee soorten ribosomen zijn qua structuur en functie identiek aan elkaar. Wanneer een ribosoom een eiwit synthetiseert met een ER-signaalsequentie, wordt het ribosoom met het mRNA naar het ruw ER gevoerd. Het ribosoom komt tijdelijk aan het ER vast te zitten. Na de synthese komt deze weer los in het cytosol terecht.

De ribosomen die een ER-signaalsequentie synthetiseren worden door twee eiwitten naar het ER geleid. Het ene eiwit heet het signal-recognition particle (SRP). Dit bevindt zich in het cytosol en bindt zich aan de ER-signaalsequentie wanneer deze door het ribosoom is gemaakt. Het tweede eiwit heet een SRP-receptor. Dit bevindt zich in het membraan van het ER. De binding tussen SRP en de ER-signaalsequentie veroorzaakt een vertraging van de synthese van het eiwit met de signaalsequentie. Nadat SRP een binding is aangegaan met een SRP-receptor, laat het SRP los en gaat de synthese van het eiwit op het normale tempo verder. Zodra het SRP loslaat van het zich vormende eiwit, wordt het eiwit door de SRP-receptor naar een proteïne translocator in het membraan van het ER geleid. Het eiwit wordt het ER-lumen binnengehaald via een kanaal in de proteïne translocator. De signaalsequentie opent het kanaal in de proteïne translocator en blijft aan hieraan gebonden. De rest van de eiwitketen gaat het ER binnen. Na de translocatie wordt de signaalsequentie afgesplitst door een signal peptidase. De signaalsequentie laat los van het kanaaltje en de rest van het eiwit bevindt zich nu in het ER-lumen. Het kanaaltje in de proteïne translocator is nu gesloten en kan pas weer geopend worden door de signaalsequentie van een ander eiwit.

Niet alle eiwitten met een ER-signaalsequentie komen in het ER-lumen terecht. Sommige blijven in het membraan als transmembraaneiwit. Dit eiwit wordt deels op dezelfde manier als een ander eiwit met een ER-signaalsequentie voor het ER-lumen getransporteerd. De signaalsequentie op deze eiwitten opent het kanaal in de proteïne translocator en het eiwit gaat door het membraan naar binnen. De start-transfersequentie zorgt ervoor dat het transport kan beginnen. De verplaatsing wordt bij een transmembraaneiwit gestopt door een stop-transfersequentie die zich verderop in de peptideketen bevindt. Beide sequenties laten los van de proteïne translocator en het kanaaltje ervan gaat weer dicht; de eiwitketen wordt zijwaarts het membraan in geschoven. De start-transfersequentie laat los van de eiwitketen, en de stop-transfersequentie blijft in het membraan.

In sommige transmembraaneiwitten bevindt de start-transfersequentie zich niet aan het begin van de peptideketen, maar meer in het midden. Deze veroorzaakt wederom het opengaan van het kanaaltje van de proteïne translocator. Het eiwit gaat het ER binnen, totdat een stop-transfersequentie het kanaaltje bereikt. Het kanaaltje wordt losgekoppeld van beide sequenties en beide sequenties blijven in het membraan.

Transport via transportblaasjes

Elk compartiment binnen de cel bevat een ruimte, ook wel het lumen genoemd. De extracellulaire ruimte en de ruimtes binnen de compartimenten kunnen met elkaar communiceren door middel van transportblaasjes (vesicles). Het vervoer van eiwitten tussen organellen met behulp van deze transportblaasjes begint bij de synthese van eiwitten in het ER. De eiwitten gaan vervolgens naar het Golgi-systeem en worden daarvan afgescheiden in een blaasje. Dit blaasje kan versmelten met het membraan van een endosoom en vervolgens naar een lysosoom worden vervoerd of versmelten met het plasmamembraan voor exocytose. Daarnaast is er ook een stroom van transportblaasjes vanuit het plasmamembraan (de endocytose), naar endosomen en vervolgens naar lysosomen.

Transportblaasjes die afgescheiden worden van een membraan hebben meestal een eiwitlaag om hun cytosolische membraan. Deze laag wordt ook wel een coat genoemd. Transportblaasjes met een coat heten coated vesicles. Een belangrijk bestanddeel van een bepaalde coat is het eiwit clathrine. Clathrin-coated vesicles splitsen zich af van het Golgi-systeem en worden vervolgens uitgescheiden in de extracellulaire ruimte. Daarnaast komt de clathrinecoat ook voor wanneer een stof in de cel opgenomen wordt door middel van endocytose. Hierbij vormen clathrinemoleculen een blaasje aan de cytosolische kant van het membraan. Wanneer de vorming van het blaasje bijna voltooid is, knijpt het eiwit dynamine het af van de plasmamembraan.

Stoffen die opgenomen moeten worden in de cel bezitten transport signals. Een dergelijke stof heet een cargo. Deze worden herkend door cargoreceptoren die zich aan de buitenzijde van het plasmamembraan bevinden. De stoffen en de receptoren gaan een binding aan. Adaptine bevindt zich in het cytosol van een cel en gaat een binding aan met een cargoreceptor. Clathrine bindt zich aan adaptine, om zo aan het transportblaasje gekoppeld te worden. Hierdoor wordt een transportblaasje gevormd dat cargomoleculen kan vervoeren. Er zijn twee verschillende soorten adaptine: adaptines die een binding aangaan met de cargoreceptoren in het plasmamembraan, en adaptines die een binding aangaan met cargoreceptoren in het Golgi-systeem.

Een andere soort coated vesicles is betrokken bij het transport van moleculen tussen het ER en het Golgi-systeem en tussen de verschillende delen van het Golgi-systeem. Deze worden COP-coated vesicles genoemd (waarbij COP staat voor COat Protein.)

Een transportblaasje wordt met behulp van een motoreiwit verplaatst via het cytoskelet. Wanneer het op de bestemming is aangekomen moet het blaasje het organel herkennen. Het organel moet daarentegen het transportblaasje ook herkennen. Dit herkenningsproces wordt door Rab-eiwitten aan het oppervlak van de vesicle gecoördineerd. De cytosolische zijde van het targetorganel bevat tethering proteins die de Rab-eiwitten van het transportblaasje herkennen. De tethering proteins trekken het blaasje naar het membraan toe. Bij de wederzijdse herkenning spelen bepaalde transmembraaneiwitten een rol. Deze heten SNAREs. De SNAREs die aan het blaasje zitten heten v-SNAREs (vesicle), de SNAREs op het membraan van het organel heten t-SNAREs (target). Deze werken op elkaar in: ze wikkelen zich om elkaar heen en trekken het blaasje en het membraan naar elkaar toe, zodat versmelting kan plaatsvinden.

Celbiologie: Communicatie op celniveau (16)

Individuele cellen in multicellulaire organismen moeten hun omgeving kunnen aanvoelen en daarmee kunnen communiceren. Als een signaal gedurende de weg die het aflegt, wordt omgezet (bijvoorbeeld geluid in radiogolven), wordt dit proces signaaltransductie genoemd. Bij communicatie tussen cellen produceert de ene cel meestal een signaalmolecuul dat wordt gedetecteerd door de andere cel, de targetcel. De meeste cellen kunnen zowel signalen verzenden als ontvangen. Het ontvangen gebeurt via speciale receptoreiwitten.

In multicellulaire organismen is de meest gebruikte manier om te communiceren in het lichaam het uitzenden van een signaal. De signaalmolculen kunnen eiwitten, peptides, aminozuren, nucleotiden, steroiden, vetzuren of zelfs gassen zijn. Dit gebeurt door secretie in de bloedsomloop. De signaalmoleculen heten dan hormonen en de producerende cellen worden endocriene cellen genoemd. Daarnaast is er ook paracriene signalering. Een signaalmolecuul diffundeert dan lokaal door een extracellulaire vloeistof en blijft dan dus in de buurt van de producerende cel. Sommige cellen reageren op de moleculen die ze zelf uitscheiden, dit wordt autocrien genoemd. Een derde vorm van celcommunicatie gaat via neuronen. Zo kunnen signalen over lange afstanden worden doorgegeven. Dit gaat via elektrische signalen, specifiek tussen bepaalde cellen, axonen. De overgang van de ene zenuwcel naar de andere verloopt via een neurotransmitter, een chemisch signaal. Tot slot is er een vorm waarbij cellen direct fysiek contact maken via signaalmoleculen in het plasmamembraan van de ene cel tegen de receptoreiwitten in de andere cel. Dat gebeurt bijvoorbeeld als naburige cellen elkaar stimuleren om te specialiseren.

Een cel kan alleen reageren op een signaal als het daarvoor de juiste receptor heeft. Een receptor is normaal gesproken actief voor maar één signaaltype. Een signaalmolecuul kan het gedrag van een cel op vele manieren veranderen. Vanaf de receptor wordt een signaal de cel ingeleid via intracellulaire signaalmoleculen. Het hangt van deze moleculen af wat een signaal in een cel op gang zet. Een cel kan snel of langzaam reageren op een bepaald signaal. Dat hangt ervan af wat er moet gebeuren wanneer het signaal ontvangen wordt.

Bij extracellulaire signaalmoleculen kan er onderscheid gemaakt worden tussen twee klassen. De eerste en grootste klasse bestaat uit moleculen die te groot of te hydrofiel zijn om door het plasmamembraan van de targetcel heen te gaan. Zij moeten hun boodschap dus via receptoren doorgeven. De tweede klasse bestaat uit moleculen die wel klein of hydrofoob genoeg zijn, deze gaan door het plasmamembraan heen en activeren daar intracellulaire enzymen of binden aan intracellulaire receptoreiwitten. Een belangrijk type signaalmoleculen dat afhankelijk is van intracellulaire receptoren is de steroïde hormonen.

Er zijn ook bepaalde opgeloste gassen die direct het plasmamembraan kunnen passeren. Zo kunnen ze heel snel binnen in de cel de activiteit van specifieke eiwitten reguleren.

Signaalsystemen

Onder signaaltransductie wordt het proces verstaan waarbij een signaal overgebracht wordt. Hierbij kan de aard van het signaal veranderen. Een signaalcel produceert signaalmoleculen die door de doelcel gedetecteerd worden. Doelcellen bezitten receptoren die de signaalmoleculen herkennen en er op een signaalspecifieke manier op reageren.

Signaaltransductie begint wanneer een receptor een extracellulair signaal ontvangt en deze omzet naar een signaal binnen de cel.

Er zijn vier manieren waarop communicatie tussen cellen gerealiseerd wordt.

• Endocrien: hierbij wordt de communicatie geregeld door signaalmoleculen die door het hele lichaam gaan. Deze signaalmoleculen worden in de bloedbaan uitgescheiden en heten hormonen. De cellen die hormonen produceren worden heel toepasselijk endocriene cellen genoemd.

• Paracrien: hierbij verspreiden signaalmoleculen zich in de extracellulaire omgeving, waarbij ze zich niet ver verwijderen van de signaalcel. Deze stoffen heten local mediators. Soms reageren signaalcellen op hun eigen local mediators. Dit verschijnsel heet autocriene signalering.

• Neuronaal: hierbij brengen zenuwcellen (neuronen) signalen over. Deze neuronen kunnen zeer lang zijn. De overdracht van het signaal vindt echter plaats over een kleine afstand. Het uiteinde van een uitloper van een neuron produceert een extracellulair signaalmolecuul, een zogenaamde neurotransmitter. Dit signaalmolecuul bindt zich aan een receptor van de doelcel en activeert deze daarmee.

• Contactafhankelijk: hierbij is de afstand van de overdracht het kleinst. Er worden geen moleculen via secretie uitgescheiden, maar de cellen maken direct contact met elkaar. De signaalmoleculen bevinden zich in het plasmamembraan van de signaalcel en de receptoren bevinden zich in het plasmamembraan van de doelcel.

Er komen vele verschillende signaalmoleculen voor en elke cel moet hier selectief op reageren. Negeren van bepaalde signaalstoffen en reageren op andere leidt tot de gespecialiseerde functies van cellen. Een cel is alleen gevoelig voor signalen waarvoor hij een receptor heeft, en kan zo dus op bepaalde signalen wel, en op bepaalde signalen niet reageren.

Een signaal dat de cel binnenkomt via signaaltransductie, wordt via de receptor overgebracht op intracellulaire signaalmoleculen. Deze intracellulaire signaalmoleculen zetten effectoren aan tot activiteit. De effectoren beïnvloeden het gedrag van de cel. De intracellulaire communicatie en effectoren zijn bij verschillend gespecialiseerde cellen anders. Hierdoor kunnen verschillende type cellen op een andere manier reageren op hetzelfde extracellulaire signaal.

De reactie van een cel op een extracellulair signaal kan snel of langzaam zijn. De reactie is snel als er in de cel eiwitten geactiveerd moeten worden die zich reeds in een niet-actieve vorm in de cel bevinden. Deze moeten slechts geactiveerd worden. De reactie is langzaam als er eiwitten geactiveerd moeten worden die zich niet in de cel bevinden. Deze moeten eerst gesynthetiseerd worden. Hier gaat genexpressie aan vooraf, wat extra tijd kost.

Er zijn twee soorten extracellulaire signaalmoleculen.

• De ene soort bestaat uit moleculen die te groot of te hydrofiel zijn om door het plasmamembraan van de doelcel te kunnen diffunderen. Deze moleculen geven hun signaal af aan de cel via receptoren in het plasmamembraan.

• De andere soort bestaat uit moleculen die klein of hydrofiel genoeg zijn om door het plasmamembraan te kunnen diffunderen. Binnen de cel activeren deze moleculen enzymen of binden zich aan intracellulaire receptoren die de genexpressie reguleren.

Een belangrijke groep signaalmoleculen die door het plasmamembraan kunnen diffunderen zijn de steroïden, die tot de hormonen behoren. Een andere belangrijke groep van deze signaalmoleculen zijn de thyroïden (ook hormonen). Steroïden en thyroïden diffunderen door het celmembraan en binden aan intracellulaire receptoren. Deze bevinden zich zowel in het cytosol als in de kern. Zowel de receptoren in het cytosol als de receptoren in de kern worden nucleaire receptoren genoemd, omdat ze de transcriptie kunnen reguleren. De receptoren veranderen van vorm nadat ze een binding zijn aangegaan met het signaalmolecuul. Hierdoor wordt het eiwit geactiveerd en zorgt het ervoor dat bepaalde genen wel of niet tot uiting komen. Elk hormoon bindt aan een ander type receptor en reguleert daarom specifieke genen.

Sommige opgeloste gassen kunnen door het plasmamembraan heen diffunderen en zo direct invloed uitoefenen op de activiteit van intracellulaire eiwitten. Een voorbeeld hiervan is het gas stikstofmonoxide (NO). Dit wordt door de endotheelcellen in de bloedvaten geproduceerd en komt vrij na prikkeling van de endotheelcellen door zenuwuiteinden. In de doelcellen gaat NO een binding aan met het enzym guanylyl cyclase en activeert dit. Dit enzym stimuleert de omzetting van GTP in cyclisch GMP. Cyclisch GMP is een intracellulair signaalmolecuul dat een schakel vormt in de keten van reacties binnen de cel.

Het grootste gedeelte van de signaalmoleculen kan echter niet door het membraan heen diffunderen. Deze moleculen binden aan membraanreceptoren van de targetcel. De receptoren geven na binding het signaal in de cel af door middel van intracellulaire signalen. De uiteindelijke reactie van een cel op een extracellulair signaal heet de respons.

Intracellulaire signaalmoleculen kunnen een of meer van de volgende vier functies hebben:

• Het doorgeven van een signaal binnen de cel.

• Het versterken van een signaal, zodat een klein aantal extracellulaire signalen kan leiden tot een groot intracellulair respons. Dit heet amplificatie.

• Het ontvangen van signalen van meerdere signaalmoleculen en deze integreren.

• Het signaal doorsturen naar verschillende signaalmoleculen of effectoren, waardoor het signaal meerdere effecten heeft.

Veel van de intracellulaire signaalmoleculen hebben de functie van een moleculaire schakelaar. Het ontvangen van een signaalmolecuul laat het wisselen van een inactieve naar actieve vorm. Als deze eiwitten door een signaal geactiveerd zijn, kunnen ze andere eiwitten activeren. Vervolgens blijven ze actief totdat een andere proces de eiwitten weer inactief maakt. De meeste eiwitten worden in- of uitgeschakeld door middel van fosforylering. Aan het eiwit kan een fosfaatgroep gebonden worden door het eiwit kinase. Door het eiwit fosfatase wordt deze fosfaatgroep weer losgekoppeld.

Een andere belangrijke groep moleculaire schakelaars zijn de GTP-gebonden eiwitten. Deze wisselen tussen een geactiveerde en niet-geactiveerde staat onder invloed van een binding met ofwel GTP, ofwel GDP. Een actieve staat wordt veroorzaakt door een binding met GTP, een inactieve staat door een binding met GDP. Wanneer deze eiwitten geactiveerd zijn kunnen ze zelf de binding met GTP verbreken door zichzelf te hydrolyseren. Deze eiwitten bezitten dus GTPase-activiteit.

Er zijn twee soorten GTP-bindende eiwitten die meedoen aan intracellulaire signaalpathways. De eerste soort omvat de zogenaamde G-eiwitten, waar verderop meer over te lezen is. De tweede soort omvat de monomerische GTPases. De verwisseling van GDP voor GTP door deze eiwitten wordt geholpen door de zogenaamde guanine nucleotide exchange factors (GEFs), en de GTPase-activating proteins (GAPs) zorgen ervoor dat de hydrolysering van GTP kan plaatsvinden.

Receptoren binden extracellulaire signalen en geven het signaal door in de cel door middel van intracellulaire signaalmoleculen. Er zijn drie soorten receptoren die zich op het celmembraan bevinden:

1. De ionkanaalgekoppelde receptoren;

2. De G-eiwitgekoppelde receptoren;

3. De enzymgekoppelde receptoren.

De ionkanaalgekoppelde receptoren laten een stroom van ionen de cel in of uitgaan via het plasmamembraan, waardoor de membraanpotentiaal verandert en er een elektrische stroom ontstaat. Ionkanaalgekoppelde eiwitten zijn verantwoordelijk voor de snelle overdracht van signalen bij synapsen in het zenuwstelsel. Door middel van signaaltransductie veranderen ze een chemisch signaal (via een neurotransmitter) dat de buitenkant van een doelcel bereikt heeft, in een elektrisch signaal. Dit elektrische signaal houdt een verandering in de spanning over het plasmamembraan van de doelcel in. Wanneer de neurotransmitter een binding aangaat met de receptor, verandert de receptor van vorm, waardoor een ionkanaal in het plasmamembraan zich vaker in de geopende, of juist gesloten conformatie bevindt. Dankzij de elektrische lading gaan ionen de cel in of uit waardoor de membraanpotentiaal verandert. Deze verandering kan een impuls veroorzaken of kan het voor andere neurotransmitters moeilijker of makkelijker maken om een impuls te veroorzaken.

G-eiwitgekoppelde receptoren

G-eiwitgekoppelde receptoren binden een groot aantal verschillende signaalmoleculen en hebben vele verschillende functies. Ondank deze verscheidenheid heeft iedere GPCR ongeveer eenzelfde structuur. De receptor bestaat uit een polypeptideketen die zeven keer door de dubbele lipidelaag van het plasmamembraan heen gaat. Wanneer een extracellulair signaalmolecuul aan de receptor bindt, verandert deze van vorm, waardoor deze een G-eiwit dat aan de receptor gekoppeld zit, activeert. Een G-eiwit is gelegen aan de onderkant van het membraan en bestaat uit drie eenheden: een α-, ß-, en een γ-eenheid. In de inactieve staat is aan de α-eenheid een GDP-molecuul gebonden. Wanneer de receptor een G-eiwit activeert, verandert de affiniteit van de α-eenheid voor GDP. GDP wordt losgekoppeld en deze wordt door een GTP-molecuul vervangen. Vervolgens splitst het G-eiwit zich vaak en ontstaat er een α-subeenheid en een ßγ-complex. Deze zijn dan beide geactiveerd en kunnen interactie aangaan met doeleiwitten.
De tijd waarin de eenheden geactiveerd zijn hangt af van de α-subeenheid. Deze kan zichzelf uitschakelen volgens intrinsic GTP-hydrolizing, waardoor de α-eenheid zijn GTP hydrolyseert tot GDP en zo inactief wordt, en de eenheden weer gekoppeld worden. Vervolgens kan het G-eiwit weer geactiveerd worden door een volgend extracellulair signaal. De eiwitten waar het G-eiwit invloed op heeft, zijn ofwel enzymen, ofwel ionkanalen.

De twee enzymen waar G-eiwitten meestal invloed op uitoefenen, zijn adenylyl cyclase en fosfolipase C. Deze enzymen zijn beide verantwoordelijk voor de productie van kleine intracellulaire signaalmoleculen. Adenylyl cyclase is verantwoordelijk voor de productie van cyclisch AMP (cAMP), en fosfolipase C is verantwoordelijk voor de productie van inositol trifosfaat en diacylglycerol. Deze kleine intracellulaire signaalmoleculen worden ook wel second messengers genoemd. First messengers zijn de extracellulaire signaalmoleculen die door receptoren in het plasmamembraan worden herkend.

Adenyl cyclase

De α-eenheid van een geactiveerd G-eiwit activeert in veel gevallen het enzym adenylyl cyclase. Omdat het G-eiwit adenylyl cyclase stimuleert, wordt dit eiwit G_s genoemd. Geactiveerd adenyl cyclase stimuleert de productie van cyclisch AMP. Hierbij wordt ATP dat zich in de cel bevindt omgezet in cyclisch AMP. Cyclisch AMP activeert op zijn beurt weer een kinase (PKA, cyclic AMP dependent protein kinase). Geactiveerd PKA katalyseert de fosforylering van bepaalde intracellulaire eiwitten, waardoor deze eiwitten geactiveerd worden. In de cel is tevens een enzym aanwezig dat cyclisch AMP omzet in normaal AMP. Dit enzym heet cyclisch AMP fosfodiesterase. cAMP wordt enorm snel door dit enzym afgebroken, waardoor de concentratie cAMP afhankelijk van extracellulaire signalen snel kan stijgen of dalen.

Fosfolipase C

Sommige G-eiwitten activeren het membraangebonden eiwit fosfolipase C. Geactiveerd fosfolipase C splitst een lipidemolecuul dat onderdeel is van het plasmamembraan af. Dit molecuul is een inositol fosfolipide, een fosfolipide met een inositolsuikergroep aan de kop gebonden. Door de acties van fosfolipase C kan zo inositol 1,4,5-trifosfaat (IP₃) en diacylglycerol (DAG) ontstaan.

IP₃ verspreidt zich in het cytosol en DAG blijft in het plasmamembraan. IP₃ verplaatst zich naar het ER en gaat daar een binding aan met Ca2+-kanalen. Deze worden geopend en Ca2+ verlaat via deze kanalen het ER en gaat het cytosol in. Hierdoor stijgt de concentratie vrije calciumionen in het cytosol sterk. Deze stijging is een signaal voor andere eiwitten.

DAG activeert een enzym dat zich van het cytosol naar het plasmamembraan verplaatst, het enzym protein kinase C (PKC). Dit eiwit heeft een binding met Ca2+ nodig om actief te worden. In actieve staat kan dit eiwit een aantal intracellulaire eiwitten fosforyleren.

De Ca2+-concentratie in de cel is bijzonder laag in vergelijking met de Ca2+-concentratie in de extracellulaire vloeistof en de vloeistof in het ER. Dit verschil wordt in stand gehouden door pompen die Ca2+ actief het cytosol uitpompen. Hierdoor ontstaat er een elektrochemische gradiënt voor Ca2+ over het plasmamembraan en ER-membraan. Wanneer een signaal de Ca2+-kanalen opent, stroomt Ca2+ het cytosol in. Dit veroorzaakt responsen bij bepaalde Ca2+-bindende eiwitten in het cytosol.

Een van deze eiwitten is calmoduline. Wanneer Ca2+ zich bindt aan calmoduline verandert calmoduline van vorm, waardoor het in staat is om met doeleiwitten in de cel een interactie aan te gaan. Hierdoor wordt de activiteit van deze eiwitten beïnvloed. Een belangrijke groep doeleiwitten zijn de Ca2+/calmodulin-dependent protein kinases (CaM-kinases). Deze kinases worden geactiveerd door een binding met calmoduline waaraan Ca2+ gebonden is en oefenen invloed uit op andere processen in de cel door bepaalde eiwitten te fosforyleren.

Reactie op fel licht

Een van de snelste reacties in het lichaam die met behulp van GPCRs plaatsvindt, is de reactie van het oog op fel licht. De details van deze reactie zijn bestudeerd bij de fotoreceptorcellen in het oog die verantwoordelijk zijn voor het zien van zwart-witte beelden bij schemerige belichting. Het licht wordt in deze cellen waargenomen door rhodopsine, een G-eiwitgekoppelde lichtreceptor.

Geactiveerd rhodopsine activeert het G-eiwit transducine. De geactiveerde α-eenheid van transducine activeert een aantal intracellulaire reacties die tot gevolg hebben dat een ionkanaal in het plasmamembraan sluit. Hierdoor verandert de spanning over het celmembraan en worden er neurotransmitters afgegeven. Dit heeft tot gevolg dat er impulsen verzonden worden naar de hersenen.

Bij deze intracellulaire reacties vindt amplificatie plaats. Deze vindt alleen plaats bij schemerlicht. Wanneer het oog blootgesteld wordt aan fel licht, past het signaalsysteem zich aan en wordt de amplificatie sterk verminderd. Dit heet adaptatie. Hierbij is sprake van negatieve feedback: een intense reactie in de fotoreceptor (door fel licht) veroorzaakt een intracellulair signaal (een verandering in Ca2+-concentratie) waardoor de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de amplificatie van het signaal geremd worden.

Enzymgekoppelde receptoren

Enzymgekoppelde receptoren zijn transmembraaneiwitten. In plaats van contact te maken met een G-eiwit gedragen deze receptoren zich als enzym of vormen een complex met een enzym. Ze spelen een grote rol in de regulatie van groeisignalen, differentiatie, ontwikkeling en overleving van de cel. De grootste groep enzymgekoppelde receptoren bestaat uit de RTK’s (receptor tyrosine kinase). Dit zijn receptoren die een cytoplasmatisch deel bevatten dat functioneert als een tyrosine kinase, en dus tyrosines fosforyleert

In het geval van RTK’s bestaat de receptor vaak uit twee delen. Het signaalmolecuul heeft vaak de vorm van een dimeer. Wanneer de twee delen van de receptor zich koppelen aan het signaalmolecuul en zo een dimeer vormen, worden de kinasedomeinen geactiveerd, waardoor de twee delen elkaar fosforyleren. Meestal fosforyleren zij tyrosines. De gefosforyleerde tyrosines dienen als bindingsplaats voor intracellulaire signaaleiwitten. Ook deze signaaleiwitten worden gefosforyleerd en geactiveerd of functioneren als adapter. Adapters koppelen de receptor aan andere signaalmoleculen. De RTK’s activeren met name fosfolipase C en Ras.

Ras

Ras is een GTP-bindend eiwit dat met een lipidestaart aan het plasmamembraan vastzit. Ras behoort tot de monomerische GTPases, in tegenstelling tot de eerder genoemde G-eiwitten. Ras lijkt op de α-eenheid van een G-eiwit en functioneert als een moleculaire schakelaar. Het is actief bij binding met GTP en inactief bij binding met GDP. Wanneer signaalmoleculen contact maken met Ras bindt het met GTP waardoor het geactiveerd wordt. Ras schakelt zichzelf uit door GTP te hydrolyseren naar GDP.

Ras promoot in actieve staat een fosforyleringcascade. Dit houdt in dat serine/ threonine protein kinases elkaar steeds activeren. Dit systeem bevat onder andere de zogenaamde MAP-kinale signaalmodule.Hierbij wordt het uiteindelijke MAP-kinase gefosforyleerd en geactiveerd door MAP-kinase kinase. Het MAP-kinase kinase wordt op zijn beurt weer gefosforyleerd en geactiveerd door MAP-kinase kinase kinase. MAP-kinase zelf fosforyleert verschillende effectoren, waaronder enkele transcriptie regulators. Hierdoor kan celdeling gestimuleerd worden, maar ook de overleving van de cel of de celdifferentiatie kan geregeld worden.

PI 3-kinase

Een van de belangrijkste RTK-processen is die waarbij het enzym phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase) betrokken is. PI 3-kinase fosforyleert inositol phospholipiden in het plasmamembraan. Gefosforyleerde inositol phospholipiden functioneren als bindingsplaats voor intracellulaire signaaleiwitten. Deze signaaleiwitten kunnen elkaar dan activeren. Een voorbeeld van een intracellulair signaaleiwit dat hier kan binden is Akt. Akt zorgt voor de groei en overleving van vele celtypen door signaaleiwitten te fosforyleren en zo inactief te maken. Akt fosforyleert bijvoorbeeld het eiwit Bad en maakt dit inactief. In actieve vorm activeert Bad apoptose. Akt voorkomt dus apoptose van cellen. Ook zorgt het PI-3-kinase-Akt signaalpathway voor celgroei door het serine/threoninekinase Tor indirect te activeren. Tor stimuleert celgroei door de eiwitsynthese te stimuleren en door de eiwitafbraak af te remmen.

Niet alle enzym-gekoppelde receptoren werken via een complex van signaalcascades. Sommige gebruiken een meer directe weg om genexpressie te reguleren. Een van deze receptoren is het receptoreiwit Notch. Notch reguleert onder andere de ontwikkeling van zenuwcellen in het fruitvliegje. De receptor zelf functioneert hier als transcriptieregulator. Notch wordt geactiveerd door het signaalmolecuul Delta dat aan een naburige cel gebonden is. De staart van Notch scheurt door binding van Delta af en transporteert naar de kern, waar het genen activeert.

Celbiologie: Cytoskelet (17)

Inleiding

De mogelijkheid van eukaryote cellen om zich aan te passen aan de omgeving, interacties aan te gaan enzovoorts hangt af van het cytoskelet: een ingewikkeld netwerk van eiwit filamenten in het cytoplasma. Ondanks dat bacteriën soms wel een cytoskelet hebben, komt het voornamelijk voor in de grotere en meer complexe eukaryote cellen. Het cytoskelet verandert continue mee met de acties van een cel (celdeling, vormveranderingen, reactie op de omgeving) en is niet alleen het bot, maar ook de spier van de cel. Zonder een cytoskelet zullen wonden niet helen en zullen spieren niet contraheren. Het cytoskelet organiseert de locaties van de organellen en is betrokken bij de segregatie van chromosomen tijdens celdeling. Het cytoskelet is opgebouwd uit drie typen eiwitten: microtubules, intermediaire filamenten en actine filamenten.

Intermediaire filamenten

Deze filamenten hebben een grote elasticiteit en zijn er om mechanische stress op een cel te weerstaan. Deze filamenten zijn het sterkst en blijven het langst bestaan van alle filamenten in het cytoskelet. Intermediaire filamenten vormen een groot netwerk in het cytoplasma om de celkern heen. De filamenten zitten vaak vast aan desmosomen op het celmembraan. De filamenten zijn ook te vinden in de celkern, waar ze zorgen voor versterking van de envelop.

Intermediaire filamenten zien er uit als touwen: lange, om elkaar heen gewonden, lijnen welke zorgen voor elasticiteit. De filamenten zijn aanwezig in verschillende cellen waar stress kan optreden, zoals zenuwcellen (axonen), spiercellen en epitheelcellen. Ze zorgen ervoor dat cellen en hun membranen niet kapot gaan als reactie op mechanische stress. De filamenten kunnen worden onderverdeeld in 4 groepen:

• Keratine filamenten (in epitheelcellen)

• Vimentin en vimentin-related filamenten (in bindweefsel, spiercellen en gliacellen)

• Neurofilamenten (in zenuwcellen)

• Nucleaire lamines

De eerste drie typen komen allemaal voor in het cytoplasma, de nucleaire lamines komen voor in de celkern waar ze zorgen voor stevigheid van de kernmembraan. Alle filamenten worden gevormd door polymerisatie van de bijbehorende eiwit subunits. Keratine filamenten zijn heel divers en komen in verschillende vormen voor in verschillende epitheelcellen. De filamenten strekken zich helemaal uit over de cel en zijn aan beide kant gebonden aan desmosomen. Dit zorgt ervoor dat mechanische stress over de cel wordt verdeeld en goed opgevangen kan worden. De functie van keratine filamenten wordt duidelijk bij de ziekte epidermolysis bullosa simplex De meeste intermediaire filamenten worden verder gestabiliseerd door binding van andere eiwitten, zoals plectine. Daarnaast bindt plectine de intermediaire filamenten ook aan de microtubules, actine filamenten en adhesiemoleculen in de desmosomen. Muizen die het gen voor plectine missen, overlijden binnen enkele dagen vanwege de slechte reactie van cellen op mechanische stress.

De intermediaire filamenten die aanwezig zijn in de celkern zijn de lamines. Deze lamines gaan weer uit elkaar bij elke celdeling, waarbij ook de nucleaire envelop wordt afgebroken. Het afbreken en opbreken van de lamines wordt gereguleerd door fosforylatie en defosforylatie van de lamines door proteïne kinases. Fosforylatie zorgt voor het uit elkaar vallen van de tetrameren en defosforylatie voor het opnieuw opbouwen van de lamines. Fouten in de nucleaire lamines worden geassocieerd met de aandoening progeria.

Microtubules

Microtubules hebben een organiserende rol in eukaryote cellen. De microtubules vormen een soort netwerk in de cel, waarlangs vesikels en organellen zich bewegen. Op het moment van mitose gaan de microtubules uit elkaar en vormen dan een mitotische spoel, welke uiteindelijk zorgt voor het uit elkaar gaan van de chromosomen. Naast onstabiele structuren, kunnen microtubules ook stabiele structuren zoals ciliën vormen. De kern van de ciliën bevat dan een dikke bundel van microtubules.

Microtubules worden opgebouwd uit subunits van tubuline dimeren (een alfa en een bèta helix). De tubuline dimeren zitten aan elkaar met non-covalente verbindingen en vormen uiteindelijk een holle buis; de microtubules. De microtubules in hun geheel krijgen een polariteit door aan het ene uiteinde een negatieve alfa helix te hebben en aan het andere uiteinde een positieve bèta helix. De polariteit van de microtubules is heel belangrijk, omdat er anders nooit een richting zou kunnen worden gegeven aan het transport binnen de cel.

Microtubules worden gevormd vanuit een centraal punt in de cel; het centrosoom. Deze bevindt zich vaak vlak naast de celkern en is opgebouwd uit gamma tubulines. De alfa tubulines binden aan deze gamma kant, waardoor de positieve uiteinden van de microtubules de cel in gaan. De aanwezigheid van een centrosoom is belangrijk, omdat de vorming van een nieuwe microtubule anders vermoeilijkt wordt. Op het moment dat er een nieuwe microtubule is ontstaan, kan deze groeien door het toevoegen van nieuwe tubuline dimeren. Echter, uit het niets kunnen er aan de positieve kant ook weer dimeren afvallen, of kan de microtubule in zijn geheel verdwijnen. Dit wordt ook wel dynamische instabiliteit genoemd; veroorzaakt door hydrolyse van een GTP molecuul naar GDP dat gebonden is aan de microtubule. Wanneer het binden van nieuwe tubuline dimeren sneller gaat dan het hydrolyseren van GTP, blijft de microtubule groeien. De relatieve instabiliteit van de microtubules zorgt ervoor dat ze snel kunnen veranderen, wat noodzakelijk is voor de functie ervan.

Het uit elkaar vallen van een microtubule kan worden voorkomen door binding van het positieve eind aan een ander molecuul of een andere celstructuur. Binding hiervan zorgt dus voor een stabiele microtubule. Er bestaat medicatie welke invloed heeft op polymerisatie en depolymerisatie van tubuline. Middelen die binden aan dan wel microtubules, dan wel tubuline, zorgen voor een stop van de celdeling. De mitotische spoel is afhankelijk van de opbouw en afbraak van microtubules en wanneer dit dus niet plaats kan vinden zal er geen celdeling plaatsvinden. Deze medicatie is dus nuttig in het geval van kankercellen, omdat cellen die halverwege de celdeling stagneren uiteindelijk dood gaan.

Actine filamenten

Actine filamenten komen voor in alle eukaryoten en zijn belangrijk voor de bewegingen van een cel. Actine filamenten zijn over het algemeen onstabiel, maar door interactie met andere eiwitten kan het een stabiel geheel vormen (zoals bij de motoreenheid in spieren). Actine filamenten gaan een interactie aan met een grote hoeveelheid actine bindingseiwitten, dit voor het uitoefenen van verschillende celfuncties.

Een actine filament is opgebouwd uit een gedraaide keten van actine moleculen, welke – net als microtubules – een polariteit hebben. De filamenten komen in grote getale voor in een cel en vaak in groepen, waardoor er een soort netwerk van actine filamenten wordt gevormd. De filamenten kunnen groeien door toevoeging van een actine molecuul aan het einde, met name aan de positieve kant van het molecuul. Actine monomeren hebben een gebonden APT molecuul, wat gehydrolyseerd wordt na binding aan het filament. Net als bij microtubules maakt dit het filament zwakker en valt het makkelijker uit elkaar. De functie van de actine filamenten kan worden aangetoond door het toevoegen van bepaalde toxines, welke of de polarisatie of de depolarisatie tegengaan. Na het toevoegen van de toxines stoppen de celbewegingen meteen.

Thymosine en profiline binden aan actine monomeren in het cytosol, welke ervoor zorgen dat een monomeer niet kan binden aan een filament. Op deze manier houden deze proteïnes de actine monomeren als “reserve” voor het moment waarop ze echt nodig zijn. Er zijn veel verschillende actine-bindende filamenten, de meesten binden aan actine filamenten en niet aan de monomeren. De proteïnes kunnen ook binden met motorproteïnes, waardoor er een contractiele bundel wordt gevormd (spiercellen).

Actine komt voornamelijk voor in een laag net onder het plasmamembraan; de cel cortex. Hier vormt het samen met bindingseiwitten een netwerk, wat de oppervlakte van de cel ondersteunt en mechanische sterkte geeft. Het herschikken van de actine filamenten in de cortex is de basis voor de vorm en de bewegingen van een cel. De meeste cellen bewegen zich voort door het kruipen over oppervlaktes, veroorzaakt door veranderingen in veel verschillende moleculen. Echter, er zijn drie processen welke essentieel lijken te zijn voor het voortbewegen van de cel:

1. Cel stoot een soort uitsteeksel uit.

2. Dit uitsteeksel bindt aan het oppervlak, waarover de cel zich gaat bewegen.

3. De rest van de cel wordt voortgetrokken door de punten waarop de cel vastzit aan het oppervlak.

De eerste stap wordt uitgevoerd door de polymerisatie van actine. De voorkant van de kruipende cel heeft een soort plat uitsteeksel; een lamellipodia. Dit bevat een netwerk van actine filamenten, welke voornamelijk met hun positieve uiteinde tegen de plasmamembraan aan liggen. De lamellipodia worden gevormd door het snel toevoegen van actine monomeren aan de filamenten. Op deze manier wordt het membraan uitgestulpt, zonder dat het scheurt. Op het moment dat een lamellipodia op de gewenste plek aankomt, binden integrines moleculen in het plasma membraan) aan moleculen aan het extracellulaire oppervlak. Deze integrines binden intracellulair actines, om de cel door middel van intercellulaire contractie voort te laten bewegen. Dit gebeurt door de interactie van actine met myosine eiwitten. Er zijn verschillende soorten myosine in cellen; myosine I komt voor in alle cellen, terwijl myosine II voornamelijk voorkomt in spiercellen.

• Myosine I: dit molecuul bestaat uit een kop en een staart en de kop bezit het vermogen om ATP op actine te hydrolyseren. Dit zorgt ervoor dat myosine over het actine molecuul kan schuiven.

Ondanks dat myosine een centrale rol speelt in de cel, wordt dit molecuul aangestuurd door extracellulaire signalen. Dit zorgt ervoor dat de cel dus verandert, in reactie op de omgeving. Intracellulaire veranderingen wordt getriggerd door receptor eiwitten, welke leiden tot een configuratie van een groep GTP bindende eiwitten: Rho proteïne familie. Elk eiwit uit deze familie heeft weer een ander effect op actine in de cel. Het Rho netwerk verwerkt alle signalen zowel van buiten als van binnen de cel en produceert daarna signalen die ervoor zorgen dat de vorm van het actine skelet verandert.

Essential concepts

• Het cytoplasma van een eukaryote cel wordt ondersteunt door een cytoskelet, bestaande uit; intermediaire filamenten, actine filamenten en microtubules.

• Intermediaire filamenten zijn stabiel en zorgen voor mechanische sterkte. Sommigen bevinden zich in de kern, anderen door het plasma heen.

• Microtubules zijn holle buizen en opgebouwd uit tubulines. Ze hebben een polariteit, het positieve uiteinde groeit het snelst.

• Microtubules groeien uit vanaf het centrosoom, waar ze vastzitten met hun negatieve uiteinde.

• Microtubules zijn dynamisch; ze worden steeds opgebouwd en weer afgebroken. Dit wordt veroorzaakt door hydrolyse van GTP.

• Microtubules kunnen worden gestabiliseerd door binding van een microtubule-bindend-eiwit.

• Eukaryote ciliën en flagellen bevatten stabiele microtubules.

• Actine filamenten zijn opgebouwd uit actine monomeren en komen voornamelijk voor in netwerken.

• Het opbouwen en afbreken van actine filamenten wordt gereguleerd door de hydrolyse van ATP.

• De vorm van de actine netwerken wordt bepaald door actine-bindende-eiwitten, welke zorgen voor de polymerisatie en depolymerisatie.

• Een netwerk van actine filamenten onder het plasmamembraan vormt de cel cortex en is verantwoordelijk voor de vorm en de bewegingen van de cel.

• Myosine moleculen zijn motor proteïnes welke ATP hydrolyse gebruiken voor de energie om langs actine moleculen te bewegen.

Celbiologie: De celcyclus (18)

Celcyclus, een overzicht

De basisfunctie van de cel cyclus is het nauwkeurig kopiëren van het DNA in de chromosomen en om het DNA te splitsen voor in de twee identieke dochtercellen. De meeste cellen verdubbelen ook de macromoleculen en de organellen. De cel wordt voordat het deelt twee keer zo groot, zodat de dochtercellen hetzelfde formaat zijn.

De twee meest ingrijpende gebeurtenissen in een cel zijn wanneer de kern zich deelt (de mitose) en wanneer de cel zich splitst in twee cellen (de cytokinese). De cytokinese en de mitose samen heten de M-fase van de cel cyclus. De andere fase heet de interfase. De interfase is weer onderverdeeld in de G1-fase, de S-fase en de G2-fase. Het begint bij de G1-fase, dan groeit de cel. Tijdens de S-fase wordt het DNA gerepliceerd en tijdens de G2-fase groeit de cel nog groter. De cel houdt altijd het interne en externe milieu in de gaten, zo zorgt het voor de optimale omstandigheden tijdens de verschillende fases. Als deze omstandigheden niet optimaal zijn, kan de cel besluiten of het doorgaat naar de volgende fase of dat het pauzeert om meer tijd te hebben om te repareren. Om er zeker van te zijn dat de cellen al hun DNA en organellen repliceren, bezitten de eukaryoten een complex netwerk van regulerende eiwitten; het cel cyclus controle systeem.

De vier fasen van de celcyclus

De celcyclus is de cyclus waarin de cel zich verdubbelt en deelt. Deze celcyclus is opgedeeld in vier verschillende fasen, die hieronder besproken worden. De belangrijkste veranderingen vinden plaats tijdens de M-fase. Deze veranderingen betreffen:

1. Mitose, waarbij de celkern zich in tweeën splitst;

2. Cytokinese, waarbij een cel zich deelt en de inhoud eerlijk verdeeld wordt over de twee nieuwe cellen.

De periode tussen één M-fase en de volgende M-fase wordt de interfase genoemd. Deze bestaat uit drie fasen:

• De s-fase, waarin de cel het DNA in de kern kopieert;

• De G₁-fase, de periode tussen het einde van de M-fase en het begin van de S-fase.

• De G₂-fase, de periode tussen het einde van de S-fase en het begin van de M-fase.

Tijdens de G₁- en G₂-fasen wordt het interne en externe milieu van de cel goed in de gaten gehouden, om te controleren of de cel klaar is om te delen. Op bepaalde punten in de G₁ en G₂ kan de cel ervoor kiezen om door te gaan met de volgende fase of om zichzelf meer tijd te geven om zich hierop voor te bereiden. De cel houdt zich tijdens de interfase bezig met de transcriptie van genen, de synthese van eiwitten en aanmaak van bouwstoffen om de cel te laten groeien. De G₁- en G₂-fasen bieden cellen de tijd die ze nodig hebben om te groeien en alle organellen te dupliceren. Iedere nieuwe cel moet namelijk voldoende organellen en massa hebben om goed te kunnen functioneren. Als de interfase niet lang genoeg zou zijn om extra bouwstoffen aan te maken, zou de cel bij iedere deling krimpen.

De chromosomen in de celkern condenseren zich zodra ze zich klaarmaken om de M-fase in te gaan. De chromosomen worden korter en dikker opgevouwen. Hierdoor raken ze minder snel in de knoop met elkaar, waardoor zij eenvoudiger gescheiden kunnen worden tijdens de mitose.

Controlesysteem

Iedere cel bevat een complex netwerk van regulerende eiwitten dat ervoor zorgt dat de celdeling zonder problemen verloopt en dat hierbij alle celorganellen en al het DNA verdubbeld zijn. Dit systeem houdt bij dat een bepaalde stap in de celcyclus is voltooid voordat de volgende fase kan beginnen.

Er zijn drie zogenaamde checkpoints van belang in de celcyclus:

• Het G₁-checkpoint, waar de cel controleert of het extracellulaire milieu geschikt is voor celdeling. Er moeten voldoende voedingstoffen en specifieke signaalstoffen aanwezig zijn. Als het milieu ongunstig is, wordt de G₁-fase verlengd of komt de cel in een speciale rustfase, de G₀-fase. Veel cellen blijven in de G₀-fase tot het organisme sterft.

• Het G₂-checkpoint, dat voorkomt dat de cel aan de mitose kan beginnen voordat het DNA compleet gerepliceerd is en alle mutaties en beschadigingen uit het DNA zijn verwijderd.

• Het checkpoint tijdens mitose, dat verzekert dat de gerepliceerde chromosomen goed aan het spoelfiguur vastzitten, voordat het de chromosomen uit elkaar trekt en verdeelt over de twee dochtercellen.

Vooral de G₁-checkpoint is belangrijk omdat de cel hier kan reageren op signalen uit de omgeving. De cel kan vaker of juist minder vaak gaan delen door beïnvloeding van de checkpoints. Als het controlesysteem niet goed werkt, kan de cel ongeremd gaan delen, mogelijk met kanker tot gevolg. De fasen van de celcyclus, voornamelijk de tijd ervan, variëren tussen verschillende cellen. De basis van de cyclus is echter voor alle eukaryotische cellen gelijk. Zij blijken hetzelfde mechanisme en dezelfde controlesystemen te bevatten.

Bij celdeling zijn er twee mechanismen van belang: één mechanisme vervaardigt de componenten van de groeiende cel. Het andere mechanisme houdt de componenten op de juiste plaats en verdeelt ze over de twee nieuwe cellen.

Het celcyclus controlesysteem zorgt ervoor dat deze mechanismen op de juiste tijd aan- en uitgeschakeld worden door sleuteleiwitten te activeren en te inactiveren. De activering door activatie en inactivatie van sleuteleiwitten gebeurt voornamelijk door fosforylering en defosforylering. Fosforylering gebeurt onder invloed van het eiwit kinase en defosforylering gebeurt onder invloed van het eiwit fosfatase.

Kinasen zijn maar op bepaalde momenten geactiveerd, meestal bij een faseovergang. Daarna worden ze snel weer inactief. Het actief maken van kinase wordt gereguleerd door cyclines. De cyclines zijn zelf niet enzymatisch actief, maar ze moeten gebonden zijn aan de zogenaamde cyclin-dependent protein kinases (Cdk’s) om deze kinases te kunnen laten werken. De concentratie van de cyclines varieert op een cyclische wijze gedurende de celcyclus. Het stijgen en dalen van de cyclineconcentratie speelt een belangrijke rol in het reguleren van de Cdk-activiteit.

Tijdens de celcyclus moeten de cycline-Cdk complexen echter op één abrupt moment geactiveerd kunnen worden, namelijk bij faseovergang. Hiervoor is er een regelmechanisme aanwezig. Wanneer het Cdk- cyclinecomplex ontstaat, wordt deze door kinase gefosforyleerd. Het eiwit is dan inactief. Dit eiwitcomplex kan abrupt actief worden gemaakt door defosforylering van de fosfaatgroep. Hierna is het complex maximaal actief.

Er zijn verschillende cyclines en Cdk’s actief tijdens de celcyclus. Elk geactiveerd type cycline-Cdkcomplex fosforyleert verschillende doeleiwitten in de cel en brengt daardoor verschillende responsen op gang. De concentratie van elk type cyclines stijgt geleidelijk en daalt plotseling. Deze abrupte daling wordt veroorzaakt door gerichte afbraak van cyclines. Specifieke enzymcomplexen voegen ubiquitin-kettingen toe aan cycline. Deze zorgen er vervolgens voor dat de cyclines naar proteasomen worden gebracht, waar ze worden afgebroken.Er blijft dus alleen inactief Cdk over in de cel.

Het celcyclus controlesysteem kan de cyclus stoppen op de verschillende eerder genoemde checkpoints in de cyclus om zeker te weten dat de intra- en extracellulaire omstandigheden gunstig zijn en de volgende stap in de cyclus niet begint voor de vorige afgesloten is. Sommige van deze checkpoints hangen samen met Cdk-inhibitoren die de activiteit van één of meer cycline-Cdk-complexen blokkeren. Het celcyclus controlesysteem kan een cel voorgoed van de celcyclus onttrekken door hem in de eerder genoemde G₀-fase te brengen. De cel kan dan niet meer delen.

Mitose

Voordat de kerndeling (mitose) begint, moet elke chromosoom zijn verdubbeld, zodat er van elk twee identieke zusterchromosomen zijn. Deze twee worden bij elkaar gehouden door cohesine–eiwitten en het centromeer. Bij mitose worden deze eiwitten gekliefd, zodat de twee zusterchromosomen splitsen en beide in een andere dochtercel terechtkomen.

Chromosomen moeten aan een aantal eisen voldoen voordat de mitose kan beginnen. Iedere chromosoom moet namelijk volledig gerepliceerd zijn en uit twee identieke chromatiden bestaan, bij elkaar gehouden door cohesine-eiwitten. Tijdens de mitose wordt het cohesine kapotgemaakt en worden de chromatiden, die nu ieder een zelfstandig chromosoom zijn, naar verschillende polen van de cel getrokken door het spoelfiguur.

Niet alleen het DNA moet volledig gerepliceerd zijn, maar ook de centrosomen moeten verdubbeld zijn voordat de M-fase kan beginnen. Centrosomen organiseren de microtubuli in dierlijke cellen. Het centrosoom moet verdubbeld worden zodat het spoelfiguur gevormd kan worden en zodat elke dochtercel zijn eigen centrosoom heeft na de celdeling.

Profase

Nadat het centrosoom is gedupliceerd, ontstaan hieruit twee asters, die zich in tegengestelde richting verplaatsen. Deze asters vormen de twee polen van de mitosespoel. De vorming van het spoelfiguur begint tijdens de profase. Microtubuli polymeriseren en depolymeriseren zich voortdurend, waardoor filamenten steeds langer en korter worden. Dit staat bekend als dynamische instabiliteit. Aan het begin van de mitose neemt deze dynamische instabiliteit toe, waarbij de microtubuli van een centrosoom de binnenkant van de cel verkennen en interacties aangaan met microtubuli van andere het centrosoom. Deze interacties stabiliseren de microtubuli, waardoor zij de basisstructuur van het spoelfiguur vormen. De twee centrosomen noemen we nu spoelpolen en de op elkaar ingewerkte microtubes noemen we interpolaire microtubules. Verder zijn er astermicrotubuli bevestigd aan het centrosoom, die zich verder aan niets binden, en kinetochoormicrotubuli, die aan de kinetochoren gebonden zijn. De vorming van de spoel wordt aangevoerd door motoreiwitten.

Prometafase

De nucleaire envelop wordt afgebroken tot kleinere blaasjes. De microtubuli van het spoelfiguur kunnen zich nu binden aan de chromosomen, met behulp van de eerder genoemde kinetochoren. Deze structuren liggen ten hoogte van het centromeer en bieden de microtubuli een bindingsplek. Elke zusterchromosoom heeft een kinetochoor als bindingsplek en beide wijzen in tegengestelde richting. Hierdoor zullen zij eerder aan microtubuli van verschillende polen koppelen, zodat elke zusterchromosoom naar een andere pool wordt getrokken.

De binding van een kinetochoor aan het centromeer is afhankelijk van de DNA-sequentie van het centromeer. Wanneer deze sequentie ontbreekt, kunnen kinetochoren niet binden en kunnen de twee zusterchromosomen niet goed van elkaar gescheiden worden. Wanneer beide zusterchromosomen aan een andere pool gebonden zijn, worden zij in tegengestelde richting getrokken. De spanning tussen de zusterchromosomen die hierdoor ontstaat, wordt opgevangen door het celcyclus controlesysteem en is een belangrijk controlepunt. Als chromosomen niet goed verbonden zijn aan het spoelfiguur, wordt de celcyclus stopgezet door een stopsignaalvan deze chromosomen.

Metafase

De chromosomen zijn verbonden aan het spoelfiguur en stellen zich nu op in het equatorvlak. Er ontstaat een metafaseplaat. De chromosomen worden hier onder spanning gehouden, aangezien beide kanten van het spoelfiguur aan de bindingsplek van de microtubuli trekken.

Anafase

De cohesinebinding, die de zusterchromosomen verbindt, wordt verbroken door een protease genaamd separase. Het separase-inhiberende eiwit securine wordt aan het begin van de anafase vernietigd door het anaphase-promoting complex (APC). Hierdoor kan separase zijn werk doen. Zonder actief APC blijven de chromatiden aan elkaar verbonden.

Zodra de cohesinebinding verbroken is, worden de losse chromosomen naar tegengestelde polen getrokken door het spoelfiguur. Dit gebeurt door middel van twee processen:

• Anafase A: de microtubuli die verbonden zijn aan kinetochoren verkorten zich door middel van depolymerisatie en trekken de chromosomen daardoor richting de polen. Deze beweging wordt geregeld door gekoppelde motoreiwitten. Deze gebruiken hydrolyse van ATP om tubuline subunits te verwijderen.

• Anafase B: de spoelpolen zelf bewegen van elkaar af en vergroten daarmee de afstand. Deze beweging wordt geregeld door twee soorten motoreiwitten, die beide op een andere manier werken. Eén soort motoreiwit werkt op de interpolaire microtubulen en zorgt ervoor dat deze langs elkaar heen schuiven. Hierdoor worden de polen van elkaar af geduwd. Het tweede soort motoreiwit levert een trekkracht, waardoor de polen verder uit elkaar gedreven worden.

Telofase

Het spoelfiguur breekt af en de kernenvelop herstelt zich. Blaasjes met nucleair membraan verzamelen zich eerst rond losse chromosomen en fuseren vervolgens tot een geheel.

Contractile ring

De contractile ring vormt zich tijdens de anafase om de cytokinese uit te voeren. Het bestaat uit overlappende actine en myosine filamenten, die zich aan eiwitten aan de cytoplasmatische kant van het plasmamembraan binden. Door het glijden van actine tegen myosine filamenten ontstaat een kracht, zoals het in spierweefsel gebeurt. De ring wordt steeds kleiner naarmate de cytokinese vordert en breekt compleet af zodra de cel in tweeën is verdeeld. De vorm van de cel en de extracellulaire aanhechtingskracht worden tijdens celdeling onder andere beïnvloed door de reorganisatie van actine en myosine filamenten.

Celbiologie: Genetica en seksuologie (19)

Inleiding

In dit hoofdstuk zullen de moleculaire mechanismes achter erfelijkheid worden besproken. In eerdere hoofdstukken is al besproken hoe genen zijn opgebouwd uit DNA, hoe deze gerangschikt worden in chromosomen en hoe deze gekopiëerd worden (H5/H6 Essential Cell Biology). In dit hoofdstuk zal echter besproken worden hoe de genen worden overgedragen aan de volgende generatie.

In dit hoofdstuk zullen vier onderwerpen besproken worden:

1.      De voordelen van seksuele voorplanting

2.      Hoe gameten worden gevormd door middel van meiose

3.      Hoe Gregor Mendel de wetten van erfelijkheid heeft herleid en het bestaan van de genen heeft voorspeld

4.      Genen als een experimenteel werktuig

Aseksuele reproductie

Aseksuele reproductie is de meest simpele en directe vorm van reproductie en zorgt ervoor dat de nakomelingen vrijwel gelijk zijn aan de ouder. Bij seksuele reproductie vindt uitwisseling van genomen plaats, hierdoor ontstaat een nakomeling die niet hetzelfde is als de ouders of een ander organisme. Bij seksuele reproductie zijn de organismen bijna geheel diploïd. Dit betekent dat elke cel twee exemplaren van elk chromosoom bevat (1 van elke ouder).

Geslachtschromosomen verschillen van de andere chromosomen. Deze chromosomen zorgen ervoor dat iemand een man of een vrouw is. Geslachtscellen worden ook wel gameten genoemd. Deze hebben in tegenstelling tot de andere cellen een haploïd aantal chromosomen. Als twee haploïde cellen worden samengevoegd ontstaat er een diploïde cel, dit is een zygote. Een allel is een bepaalde variant van een gen, de combinatie van allelen zijn in elk individu verschillend. Een kiemlijn is de lijn waarop cellen liggen die zorgen voor de productie van geslachtscellen. De cellen die zorgen voor de productie voor de rest van de cellen worden de somatische cellen genoemd.

Het mixen van de genomen, dus het samenkomen van de 2 haploïde cellen, zorgt ervoor dat er nieuwe combinaties genen ontstaan. De nieuwe combinatie van allelen is een willekeurig proces. Dit zorgt voor evolutie, doordat ouders kinderen krijgen met verschillende gencombinaties. Als er een verandering in het milieu plaatsvindt, is er een grotere kans dat 1 van die nakomelingen het goed overleefd. Er vindt ook selectie plaats, hierdoor zullen de organismen met de ‘beste’ genen overleven en nakomelingen produceren.

Meiose is het proces waarbij het aantal chromosomen wordt gehalveerd. Er ontstaan dan haploïde cellen, bij de mens ook wel geslachtscellen genoemd. Bij meiose begint het dupliceren van de chromosomen net zoals in de gewone deling. Deze tweeling kopieën worden zusterchromatiden genoemd. Ze zitten met een centromeer aan elkaar vast. Hierna verplaatsen de paren zich naar het midden van de cel.

Er ontstaan poollichaampjes met eiwitdraden. Tussen de homologe chromosomen kunnen stukken uitgewisseld worden, dit wordt crossing-over genoemd. Bivalent betekent een paar homologe chromosomen. Tijdens de meiose vindt recombinatie plaats, dit is een proces waarbij er uitwisseling in DNA plaatsvindt (door crossing-over). Wanneer de profase is afgelopen gaan de homologen uit elkaar. Verder is crossing-over belangrijk voor een goede segregatie van de homologen. Tijdens het begin van de anafase worden de twee chromosomen van elkaar afgetrokken. Doordat er bij het chiasma crossing-over heeft plaatsgevonden, zullen de homologen wanneer ze uit elkaar worden gehaald een nieuwe structuur hebben.

Bij de meiose I ontstaan geen haploïde cellen, dat gebeurt tijdens de meiose II. Er ontstaan bij de meiose II weer eiwitdraden en de chromosomen gaan weer in het midden van de cel liggen. Wat er anders is dan bij meiose I, is dat de chromosomen niet weer worden verdubbeld. Er ontstaan uiteindelijk na de meiose II 4 haploïde cellen. (Zie Alberts pag. 660)

Tijdens de meiose worden echter ook fouten gemaakt. Wat veel voorkomt is non-disjunctie, dit zijn 2 homologen die niet van elkaar gaan. Hierdoor kan het zijn dat er van een bepaald chromosoom óf te veel aanwezig is, óf juist te weinig. Vele van deze embryo’s zullen dan ook niet overleven. Aneuploïdie is het groeien van een embryo met een fout aantal chromosomen.

Voordelen van seksuele voortplanting

De meeste organismen planten zich seksueel voort. Echter, veel organismen kunnen zich ook aseksueel voortplanten. Het bekendste voorbeeld hiervan zijn de bacteriën, die zich door een simpele celdeling kunnen verdubbelen. Een andere manier is het loskoppelen van multicellulaire zijtakken (planten) of door zichzelf door midden te delen (wormen). Bij aseksuele voortplanting zijn de ouders en de nakomelingen genetisch identiek. Seksuele voorplanting heeft echter als voordeel dat de nakomelingen een ander genoom hebben.

Diploïde en haploïde cellen

Seksueel voortplantende organismen zijn diploïd. Dit wil zeggen dat iedere cel in het organisme twee sets chromosomen bevat, één afkomstig van iedere ouder. Dit betekent dat iedere diploïde cel twee kopieën van ieder gen bij zich draagt. Een uitzondering hierop is het mannelijke geslachtschromosoom (Y-chromosoom), waarvan meestal maar één kopie aanwezig is.

De cellen in het diploïde organisme, die verantwoordelijk zijn voor de voortplanting, zijn haploïde cellen. Dit zijn de geslachtscellen: kiemcellen of gameten. Deze cellen bevatten één set chromosomen. Er worden twee typen gameten onderscheiden:

1.      De eicel: groot en onbeweeglijk (vrouwen)

2.      De spermacel: klein en beweeglijk (mannen)

Deze haploïde cellen ontstaan wanneer een diploïde cel meiose ondergaat. Gedurende de meiose worden de chromosomen van de dubbele set chromosomen zo verdeeld, dat er vier cellen ontstaan met één set chromosomen (haploïde cellen). Wanneer bevruchting plaatsvindt, fuseren twee haploïde cellen tot een diploïde cel. De bevruchte eicel wordt ook wel een zygote genoemd. Door de fusie van de twee gameten ontstaat er het verschil in het genoom. Uit deze bevruchting ontstaat een nieuw organisme dat genetisch verschillend is van beide ouders.

De cellen van bijna alle organismes die zich seksueel voortplanten, bevinden zich gedurende de levenscyclus in een diploïde status. De haploïde cellen bestaan alleen kort, delen niet en zijn zeer gespecialiseerde cellen. In de meeste organismen kan een onderscheid gemaakt worden tussen de kiemcellijnen en de somatische cellen in het lichaam.

Competitieve voorsprong

Seksuele voortplanting kan voordelen geven ten opzichte van aseksuele voortplanting. Bij seksuele voortplanting wordt het genoom iedere generatie veranderd. Indien een organisme meerdere nakomelingen krijgt, zijn deze allen verschillend van elkaar en van hun ouders (met uitzondering van een eeneiige tweeling). Dit kunnen zowel verschillen zijn in hun voordeel als in hun nadeel. Deze nieuwe samenstelling van genen kan de soort helpen bij het overleven in een onvoorspelbare, wisselende omgeving. De kans dat in ieder geval één van de nakomelingen een genenpakket heeft dat hem helpt overleven onder bepaalde omstandigheden is groter.

Daarnaast versnelt seksuele voortplanting het verdwijnen van schadelijke genen uit de populatie. Doordat er alleen gepaard wordt met de sterksten en niet met de zwakkeren, verdwijnen de genen die de overlevingskansen verkleinen, sneller uit de populatie.

Meiose

Wanneer diploïde cellen delen door middel van mitose wordt er een precieze kopie gemaakt van de twee sets chromosomen, waardoor identieke sets chromosomen kunnen worden overgedragen naar iedere dochtercel. In geval van meiose, het proces waarbij de gameten tot stand komen, wordt één ronde van DNA replicatie gevolgd door twee achtereenvolgende celdelingen.

Het is onduidelijk waarom de meiose bestaat uit twee achtereenvolgende celdelingen in plaats van één celdeling, die niet vooraf gegaan wordt door DNA replicatie. De meiose kan ook veel langer duren dan de mitose. De meiose bij de man duurt bijvoorbeeld 24 dagen en in de vrouw kan deze zelfs jaren duren.

Meiose begint in de kiemlijn cellen in de ovaria (eierstokken) of testes. Dit zijn gespecialiseerde diploïde cellen. Elke cel heeft twee sets van chromosomen, één van de vader (paternale homoloog) en één van de moeder (maternale homoloog). Bij aanvang van de meiose worden alle chromosomen gedupliceerd. Net als bij de DNA replicatie gedurende de mitose blijven de chromosomen met elkaar verbonden, als een Siamese tweeling. Wat uniek is bij de meiose is dat elke gedupliceerde paternale homoloog de gedupliceerde maternale homoloog opzoekt en samen gaat liggen. Op deze manier is het zeker dat de uiteindelijke gameten een compleet haploïde set chromosomen ontvangen.

Vervolgens zijn er twee celdelingen, genaamd de meiose I en de meiose II. Na deze twee celdelingen zijn er vier cellen ontstaan, elk met één set chromosomen (n=23). De toewijzing van de homologen is random, waardoor de originele paternale en maternale chromosomen verdeeld zijn in vier genetisch verschillende gameten.

Bij de bevruchting fuseren twee gameten, waardoor een diploïde zygoot ontstaat, die genetisch verschilt van beide ouders. De zygote ontwikkelt zich in een multicellulair organisme door verschillende rondes van celdelingen, gevolgd door cel-specialisatie.

Chromosoom paring

De chromosomen van de twee afzonderlijke sets in een diploïde cel (met uitzondering van de geslachtschromosomen) lijken sterk op elkaar. Hierdoor bevat een diploïde cel veel dubbele genetische informatie. De twee chromosomen van het zelfde soort zijn echter niet genetisch identiek aan elkaar, omdat zij beiden verschillende varianten van dezelfde genen bevatten. Deze alternatieve vormen van genen worden allelen genoemd en verschillen hier en daar in hun nucleotidesamenstelling. Het bekendste verschil is een toevoeging van een enkel basepaar, maar het verschil kan ook komen door een deletie, insertie of duplicatie. Omdat de ouder-genen veel op elkaar lijken, maar niet hetzelfde zijn, worden ze ook wel homologe chromosomen of homologen genoemd.

Voor de celdeling vindt er DNA replicatie plaats. De gedupliceerde chromosomen blijven sterk aan elkaar gebonden en worden zuster chromatiden genoemd. In geval van mitose vormen de chromosomen gedurende de metafase allen (zowel paternale als maternale) een rij in het equatoriaal vlak in een random volgorde. Vervolgens worden alle zuster chromatiden uit elkaar getrokken, waardoor van ieder paternaal en maternaal chromosoom een kopie terecht komt in de zuster cel.

In de meiose gebeurt ongeveer hetzelfde: Gedurende de profase condenseren de gekopiëerde chromosomen. Tijdens de metafase verzamelen ze zich in het equatoriaal vlak en gedurende de anafase worden ze uit elkaar getrokken naar de polen toe. Er zijn echter enkele grote verschillen.

Wanneer de chromosomen in het equatoriaal vlak liggen om naar de polen getrokken te worden, zoeken de vader- en moeder-homologen van elk chromosoom elkaar eerst op. Ze binden en vormen zo een bivalent, bestaande uit vier chromatiden. Deze bivalent blijft bestaan gedurende de hele profase, een fase die meerdere jaren kan duren.

Wanneer de cel gaat delen, trekken de spoeldraden de vader- en moeder-homologen uit elkaar. De twee dochtercellen bevatten dan ofwel de twee chromosomen van de moeder, ofwel de twee chromosomen van de vader. Dit in tegenstelling tot mitose, waarbij elke dochtercel zowel een chromosoom van de moeder als een chromosoom van de vader heeft. De verdeling over de cellen geschiedt compleet ‘at random’.

Crossing-over

Nadat de chromosomen in paren liggen in het equatoriaal vlak gedurende de profase van de meiose I begint genetische recombinatie. Dit gebeurt door middel van crossing-over, waarbij een deel van het chromosoom van de ene set wordt uitgewisseld met een deel van het chromosoom van de andere set, dat codeert voor dezelfde genen. Dat wil zeggen dat DNA wat sterk op elkaar lijkt tussen de twee chromosomen wordt uitgewisseld.

De eiwitten die verantwoordelijk zijn voor de crossing-over maken gebruik van het feit dat de chromosomen dicht naast elkaar gepositioneerd zijn en bij elkaar worden gehouden door het synaptonemale complex. Dit complex plaatst de chromosomen op een dusdanige lijn van elkaar dat recombinatie tussen de non-zuster chromatiden plaatsvindt.

Beide chromatiden kunnen een cross-over maken met één van de twee non-zuster chromatiden. Wanneer cross-over plaatsvindt, ontstaat er een verbinding die overeenkomt met de cross-over tussen de twee non-zusterchromatiden, het chiasme. Aan het eind van de profase worden de homologen bij elkaar gehouden door tenminste één chiasme. Gemiddeld vinden er gedurende de meiose I twee tot drie cross-overs plaats per chromosomenpaar en ontstaan er dus gemiddeld twee tot drie chiasmata.

Crossing-over vormt één van de grootste bronnen van genetische variatie in de seksueel voorplantende organismes. Hierdoor ontstaan individuen met een geheel nieuwe samenstelling van genen. Crossing over heeft echter ook nog een andere belangrijke functie. Voor de anafase wordt reeds door de spoeldraden aan de chromosomen getrokken om deze naar tegenovergestelde polen te trekken. De chiasmata houden in dit stadium de paternale en maternale chromosomen bij elkaar, waardoor de bivalente de kans krijgen zich te positioneren en zich te stabiliseren. Daarnaast worden de armen van de zusterchromatiden aan elkaar vastgeplakt door het eiwit cohesine. Het eiwit cohesine en de chiasmata laten los bij de start van de anafase, waardoor de gedupliceerde homologen naar tegenovergestelde polen getrokken kunnen worden.

Meiose II

Tijdens de meiose II worden spoeldraden gevormd, gaan de chromosomen in een lijn liggen in het equatoriaal vlak, en worden de zuster chromatiden uit elkaar getrokken, waardoor vier haploïde cellen ontstaan.

Oneindige combinatie door meiose

Door meiose ontstaat er een grote genetische variabiliteit. Ten eerste worden de maternale en paternale chromosomen at random verdeeld over de gameten. Deze at random verdeling wordt geheel bepaald door de richting van de kinetochoor (de aanhechtingsplaats voor de spoeldraden) van de bivalent (dit is ook de richting van het chromosoom), die bepaalt naar welke pool het chromosoom getrokken wordt. Deze ligging is compleet at random. Op deze wijze alleen al kunnen 223 verschillende gameten gemaakt worden. Door recombinatie/crossing-over kunnen er echter nog veel meer verschillende chromosomen en dus verschillende gameten gemaakt worden. Hierdoor wordt de genetische variëteit zelfs nog groter. Omdat er twee van deze eindeloos verschillende gameten fuseren, zijn de verschillende genetische mogelijkheden bijna eindeloos.

Fouten in meiose

Tijdens de meiose kunnen er dingen fout gaan. Het kan voorkomen dat de homologen niet uit elkaar gaan: nondisjunction. Het gevolg hiervan is dat er één cel ontstaat met geen chromosoom en één cel met meerdere chromosomen. Een cel met een abnormaal aantal chromosomen is aneuploïd. De meeste cellen die zo ontstaan gaan dood, maar enkele kunnen overleven. In het Down Syndroom zijn er drie exemplaren van chromosoom 21 (trisomie). Bij vrouwen komt nondisjunction voor in 10% van de gameten. Bij mannen is dit veel minder, omdat er een kwaliteitscontrole plaatsvindt.

Bevruchting

Er komen ongeveer 200 miljoen spermacellen aan bij de eicel. Elke spermacel probeert vervolgens de eicel binnen te dringen. Dit is lastig, want de eicel heeft een aantal dikke lagen waar de spermacel zich een weg doorheen moet boren. Eerst moet het door een laag van beschermende cellen, en vervolgens door de zona pellucida (de ‘egg coat’). Als de spermacel door deze lagen is, moet het fuseren met het plasmamembraan van de eicel.

Er kan per keer maar één spermacel de eicel penetreren. Wanneer de spermacel gefuseerd is met het plasmamembraan van de eicel, komt er heel veel Ca2+ in het cytoplasma van de eicel. Door deze influx worden enzymen gesecreteerd die de zona pellucida verharden, waardoor andere spermacellen er niet doorheen kunnen. Dit proces garandeert dat er maar twee sets chromosomen in de zygote zitten. Een bevruchte cel wordt een zygote wanneer de twee haploïde nuclei (pronuclei) fuseren tot een diploïde nucleus.

De wetten van overerving

Mendel

Gregor Mendel was een monnik uit Oostenrijk die door het bestuderen van erwten de wetten van de overerving bestudeerde. Hij had de erwt planten gekozen als onderzoeksobject, omdat deze snel kunnen voortplanten en makkelijk op een klein oppervlak gehouden kunnen worden. Iedere bloem van de erwtplant bevat zowel een mannelijk als een vrouwelijk gedeelte. Indien de plant niet gemanipuleerd wordt, zullen deze twee met elkaar een gelijke bloem voortbrengen.

Mendel begon met een voorraad planten die genetisch hetzelfde waren. Indien deze zich voortplantten, kwamen er dezelfde planten uit. Deze planten werden ook wel omschreven als de true breeding planten (zuivere ras planten). Vervolgens deed hij hetzelfde met twee verschillende rassen erwtenplant. Vervolgens keek hij naar de eigenschappen van de nakomelingen (F₁ generatie). Hij ontdekte dat de F₁ generatie altijd de eigenschappen van één van de ouderplanten had. De eigenschappen van de andere ouderplant leken verloren te zijn gegaan. Dit ondersteunde de toen heersende theorieën dat nakomelingen de eigenschappen van één ouder erven.

Maar Mendel ging verder. Hij liet de F₁ generatie planten zichzelf bevruchten. Hieruit volgde dat het grootste deel (75%) van de F₂ generatie dezelfde eigenschappen had als de ouderplant, maar dat er een klein deel (25%) toch de verloren geachte eigenschappen had. Dit haalde de toen heersende theorieën compleet onderuit.

Mendel stelde een aantal regels:

• Erfelijkheid van eigenschappen zit opgeslagen in ‘overervingsfactoren’ (genen)

• Overervingsfactoren zijn discrete deeltjes en kunnen niet mengen

• Er zijn verschillende variaties in overervingsfactoren (allelen) die de variatie in eigenschappen veroorzaken

• Elke nakomeling krijgt twee allelen: een homozygoot heeft twee dezelfde allelen, een heterozygoot heeft twee verschillende allelen

• Het fenotype is afhankelijk van het allel

• Een allel kan dominant of recessief zijn. Wanneer er een dominant allel aanwezig is, zal altijd dit allel in het fenotype tot expressie komen. De andere genetische informatie blijft verstopt.

Wetten van segregatie (scheiding)

Hoe kon het dat als alle cellen twee allelen hebben er maar eentje werd doorgegeven? In Mendel’s Wetten van segregatie staat dat tijdens de vorming van gameten de twee allelen uit elkaar worden gehaald en tijdens de bevruchting weer twee allelen bij elkaar worden gezet. Elke gameet heeft een kans van 50% op het ene dominante allel (A) en 50% kans op het andere recessieve allel (a). Bij zelf-bevruchting kunnen er dan vier combinaties van allelen optreden: AA, Aa, aA en aa. Hierdoor ontstaan er nakomelingen die homozygoot zijn voor het dominante allel (AA, 25%), nakomelingen die homozygoot zijn voor het recessieve allel (aa, 25%) en nakomelingen die heterozygoot zijn (Aa of aA, 50%) en dus het dominante allel uiten in het fenotype. Hieruit is de 3:1 ratio (dominant:recessief) ontstaan. Bij mensen is dit onderzoek moeilijker dan bij planten, omdat er relatief weinig nakomelingen zijn. Zulk onderzoek kan alleen goed verricht worden over meerdere generaties van grote families, of door meerdere families samen te nemen. Genetici tekenen dan de stambomen van het fenotype van deze families uit.

Law of independent assortment

Mendel’s eerste experimenten waren monohybride: er werd gekeken naar één eigenschap. Mendel ging verder met dihybride experimenten: kijken naar twee eigenschappen. Hij gebruikte de kleur van de erwten (geel-groen) en de vorm (rond-geribbeld). Geel en rond zijn dominant, groen en geribbeld zijn recessief. Als deze eigenschappen als een pakketje over zouden erven, zouden er alleen geel-ronde en groen-geribbelde erwten kunnen ontstaan. Als ze niet als pakketjes overerven, dan kunnen er allerlei soorten erwten ontstaan.

Mendel kruiste true-breeding planten die geel-ronde en groen-geribbelde erwten produceerden. In de F₁ generatie waren er alleen maar geel-ronde erwten. Vervolgens mochten de planten zichzelf bevruchten. In de F₂ generatie ontstonden er vier soorten erwten: geel-rond, groen-rond, geel-geribbeld en groen-geribbeld. Dit bewees dat alle genen apart overerven. Hieruit kwam een 9:3:3:1 ratio (geel-rond:geel-geribbeld:groen-rond:groen-geribbeld).

Met de informatie die we nu hebben over meiose en bevruchting, worden de wetten van Mendel ondersteund.

De eigenschappen die Mendel onderzocht, lagen echter allemaal op verschillende chromosomen. Daarom erfden alle genen apart over. Als de genen dichtbij elkaar op hetzelfde chromosoom zouden liggen, zou dit niet het geval zijn. Wanneer de genen echter op hetzelfde chromosoom liggen, maar ver uit elkaar, kan door translocatie het allel op een ander chromosoom terecht komen en kan dit alsnog leiden tot aparte overerving. Als genen dicht bij elkaar liggen op een chromosoom, erven ze vaak ook samen over.

Mutaties

Er zijn twee soorten mutaties: mutaties die verlies van functie geven en mutaties die hyperactiviteit veroorzaken. De mutaties die leiden tot functieverlies zijn vaak recessief, omdat het andere allel nog voldoende werkt om genoeg eiwit te maken. De hyperactieve mutaties zijn vaak dominant: ze maken te veel eiwit of ze zijn actief wanneer dat niet zou moeten.

Ieder mens heeft vele, mogelijk schadelijke, mutaties. De mutaties die een voorsprong geven, blijven behouden, maar de mutaties die schadelijk zijn, gaan verloren door natuurlijke selectie. De meeste mutaties zijn neutraal of schadelijk. Een dominant schadelijke mutatie wordt vaak meteen weggeselecteerd: het gemuteerde individu kan geen nakomelingen produceren en de mutatie gaat verloren. Een recessief schadelijke mutatie wordt eerst doorgegeven en blijft verborgen. Wanneer twee nakomelingen met de mutatie paren kan de mutatie in het fenotype tevoorschijn komen en schadelijk zijn. De gemuteerde individuen gaan dood zonder nakomelingen te krijgen. Zo ontstaat er een balans in de populatie en hebben vele individuen een schadelijk recessief allel, maar zijn ze niet ziek. Dit noemt men ook wel ‘dragerschap’.

Genetica kan een experimenteel werktuig zijn

Het feit dat chromosomen genetische informatie doorgeven, leidde tot de ontdekking van DNA. Ook leerde men dat verschillen in genen leiden tot verschillen tussen mensen. Daarnaast helpt kennis van genetica bij het diagnosticeren en behandelen van sommige ziektes.

Er zijn verschillende manieren om genen te onderzoeken. De klassieke manier bestaat uit het produceren van veel mutante organismen en deze screenen op interessante fenotypes: genetische screening.

Klassieke genetica

De meeste genen zijn ontdekt door organismen te onderzoeken waarbij het gen was gemuteerd. Er is een organisme nodig dat zich snel voortplant en makkelijk genetisch gemanipuleerd kan worden. De mutaties worden opgewekt door mutagens, oftewel stoffen die DNA beschadigen. De vele organismen worden geanalyseerd en die organismen met een interessant fenotype worden geïsoleerd. Naar aanleiding van dit fenotype wordt het genotype van de mutant bepaald. Maar dit proces is onmogelijk op mensen toe te passen.

Genen in mensen zijn bestudeerd door ten eerste te kijken naar andere organismen die gelijke genen hebben. De overeenkomstige genen worden dan bestudeerd door menselijke cellen te onderzoeken. Daarnaast worden ook fenotypes van mensen met een mutatie bestudeerd. Dit alles bij elkaar heeft veel inzicht gegeven in de menselijke genen.

Genetische screening

Genetische screening is het onderzoeken van duizenden organismen om de interessante eruit te pikken. Wanneer een gen onderzocht wil worden dat fundamenteel is voor de celwerking, is een mutatie in dit gen dodelijk. Deze mutanten kunnen dus niet onderzocht worden.

Bij diploïde organismen en recessieve mutaties kan dit probleem opgelost worden door heterozygote organismen te produceren. Wanneer deze met elkaar paren is 25% homozygoot mutant, maar 50% heterozygoot mutant en kunnen ze dus nog steeds gebruikt worden.

Bij haploïde organismen worden temperatuur-afhankelijke mutaties gebruikt. Bij bepaalde temperaturen (permissive temperature range) werkt het DNA nog prima. Echter, buiten deze temperaturen ontstaat het mutante fenotype.

Complementatie test

Verschillende organismen kunnen hetzelfde mutante fenotype hebben, maar dit betekent niet dat ze ook dezelfde mutatie hebben. De verschillende mutaties kunnen liggen in hetzelfde gen of op twee verschillende genen. Als de mutatie recessief is, kan dit uitgezocht worden met een complementatie test. Een organisme die homozygoot is voor de ene mutatie wordt gepaard met een organisme dat homozygoot is voor de andere mutatie. Als de mutaties op hetzelfde gen liggen hebben de nakomelingen het mutante fenotype, omdat ze geen normale kopie van het allel hebben. Als de mutaties op verschillende genen liggen, hebben de nakomelingen een gezond fenotype, omdat ze van beide ouders één gezond gen erven.

Single-nucleotide polymorphisms (SNPs)

Onlangs is het hele menselijke genoom in kaart gebracht. Met deze kaart kunnen verschillen in DNA die verschillen veroorzaken tussen mensen makkelijk onderzocht worden. Op sommige plekken in het genoom zijn er variaties die algemeen voorkomen en niet gevaarlijk zijn. Deze variaties heten polymorfismes en bestaan veelal uit één nucleotide (single-nucleotide polymorphisms: SNPs).

De meeste veel voorkomende ziekten, zoals diabetes, worden bepaald door meerdere genen en omgevingsfactoren. Met behulp van SNPs kunnen deze genen gevonden worden. Het DNA van een groep van gezonde mensen en een groep zieke mensen wordt onderzocht en naast elkaar gelegd. Bepaalde SNPs zijn veelvoorkomend bij zieke mensen, maar niet bij gezonde mensen. Deze SNPs liggen vlak bij allelen die ziekte veroorzaken en werken dus als markers voor de ziekte. Door deze genen te vinden kunnen mensen gewaarschuwd worden voor een verhoogd risico en kunnen de moleculaire processen die door de ziekte veroorzaakt worden onderzocht worden.

Haplotype blocks

SNPs zitten vaak samen in haplotype blocks, die samen overerven. De SNPs per haplotype block zijn bekend. Om de verschillende duizenden SNPs te onderzoeken is het genoeg om één of twee SNPs te onderzoeken die in een bepaald haplotype block zitten. Als deze representatieve SNPs aanwezig zijn in een haplotype block, zijn de andere SNPs ook aanwezig.

Haplotype blocks zijn ontstaan uit de kleine groep voorouders van de mens in Afrika. Bij elke meiose vinden er een aantal cross-overs plaats. Maar omdat het pas 60.000 jaar geleden is dat de mens zich ging verspreiden, is het DNA nog niet zo door elkaar gegooid door de cross-overs dat alle genen door elkaar zitten. Er zijn nog steeds blokken DNA die samen overerven.

Hoe ouder een allel (mutatie) is, hoe kleiner de haplotype block die eromheen zit. Door crossing-over is het aantal SNPs dat hoorde bij dat allel namelijk steeds kleiner geworden. Door terug te rekenen kan men de geschiedenis sinds de Afrikaanse voorouders achterhalen, en door vergelijking tussen verschillende populaties kan de route die onze voorouders hebben gelopen, achterhaald worden.

Medische Genetica: Beginselen van medische genetica (1)

John Dalton, bekend van de atoomtheorie, observeerde dat sommige afwijkingen te maken hebben met geslachtsgebonden overerving. Kleurenblindheid wordt bijvoorbeeld nog steeds onder het Daltonisme benoemd. In 1900 was Mendel’s theorie weer opgedoken en dit betekende het begin van de medische genetica. Ik 1902 werd de recessieve overerving ontdekt. In 1908 kwam de nieuwe term een ‘stofwisselingziekte’ die vaak genetisch bepaald was. Later werd er een onderscheid gemaakt tussen enkel gen, chromosomaal, multifactoriële en polygene erfelijkheid.

De bestudering van genetisch materiaal werd mogelijk gemaakt door elektroforese en chromatografie. De nieuwe technieken fluorescent in-situ hybridization (FISH) en comparative genomic hybridization (CGH) maakte cytogenetica en moleculaire genetica mogelijk. Francis Galton introduceerde het regressiecoëfficient, een maat voor hoeveel vergelijkingen er zijn tussen familieleden. Sommige genetische fouten zijn ontstaan tijdens de mitose of meiose. Dit leidt tot numerieke afwijkingen.

Medische Genetica: Mutaties binnen de medische genetica (2)

Mutaties

Mutaties zijn overerfbare veranderingen in het genetische materiaal. Ze zorgen voor evolutie, maar kunnen ook ziektes veroorzaken. Mutaties ontstaan soms door blootstelling aan mutagene stoffen, maar meestal zijn ze spontaan. Somatische mutaties worden niet aan het nageslacht doorgegeven, mutaties aan geslachtsklieren- en/of cellen wel. Mutaties komen veel voor, niet elke is direct schadelijk. Ook bestaat er 'terugmutatie', waarbij mensen die recessief homozygoot zijn voor een ziekte toch ook gezonde cellen hebben.

De meest voorkomende mutatie is substitutie: een nucleotide wordt vervangen door een andere. Als dit om hetzelfde type gaat, dus allebei pyrimidine (C en T) of allebei purine (A en G) heet het een transitie. Als een pyrimidine een purine wordt of andersom heet het een transversie. De transitie van C naar T komt het meest voor, omdat het complex tussen C en G (het CpG-complex) makkelijk muteert. Bij een deletie verdwijnt één of meerdere nucleotiden, bij een insertie komt er één of meerdere nucleotiden bij. Als een deletie of insertie in het coderende deel optreedt kan het hele leesraam veranderen, tenzij het verloren/ nieuwe deel drie nucleotiden bevat. Grote deleties of inserties kunnen ontstaan door verkeerde cross-overs.

Men spreekt van een dynamische mutatie wanneer een zich herhalende sequentie instabiel wordt naarmate deze langer wordt. Deze herhalingen kunnen ontstaan door fouten in cross-overs, zusterchromatiden-uitwisselingen of DNA-polymerase. Omdat drievoudige herhalingen per generatie langer worden, verklaren ze het plotseling opkomen van ziektes in gezonde families. Het langer worden van een dynamische mutatie gedurende generaties wordt anticipatie genoemd. Veel voorkomende ziekten zijn ziekte van Huntington (CAG)n, Fragile X syndroom (CCG)n en myotonische dystrofie (CTG)n en (CCTG)n.

Bij een synonieme of stille mutatie verandert het eiwit niet, bij een niet-synonieme mutatie gebeurt dit wel. Het laatste komt minder vaak voor. Door een niet-synonieme mutatie wordt vaak de functie van het eiwit veranderd, wat tot ziekte of de dood kan leiden. Er zijn drie soorten niet-synonieme mutaties:

• Missense: hierbij wordt een aminozuur in het eiwit veranderd. Soms verandert daarbij ook de structuur van het eiwit, dit heet een niet-conservatieve substitutie. De kwantitatieve functie blijft vaak hetzelfde, maar de kwalitatieve functie (optimale pH, stabiliteit) niet. Als de verandering van aminozuur geen effect op de functie van het eiwit heeft, noemen we het een conservatieve substitutie.

• Nonsense: hierbij leidt de substitutie tot de vorming van een stopcodon. Deze verkorte eiwitten kunnen vaak hun functie niet uitoefenen. Het 'nonsense-mediated decay'-proces breekt mRNA met vervroegde stopcodons af.

• Frameshift: hierbij is een insertie of deletie niet in drievoud en wordt het leesraam veranderd. Meestal komt hierbij ook een vervroegd stopcodon voor.

Mutaties in niet-coderend-DNA zijn alleen schadelijk als ze in een gebied zitten dat genexpressie regelt, zoals mutaties in de promotor, splicinggebieden of andere regulatorische regio’s.

De gevolgen van mutaties zijn verlies of winst van functie. Verlies van de functie resulteert in een hypomorf eiwit als de functie is afgenomen, en een amorf eiwit als de functie compleet verloren is. Vaak zijn deze aandoeningen recessief. Wanneer in een heterozygote status er wel fenotypische effecten zijn wordt dit een haplo-insufficiëntie mutatie genoemd.

Winst van functie kan leiden tot nieuwe functies of overexpressie. Daarbij kunnen verschillende dominante ziektes ontstaan. Bij homozygoten is de ziekte vaak erger dan bij heterozygoten. Bij een dominante negatieve mutatie zorgt het gemuteerde gen dat het gezonde gen geen goed werkend eiwit meer maakt.

Vaak heeft een ziekte meerdere vormen. Door moleculaire genetica zijn fenotypes steeds beter te verklaren. Bepaalde genotypes worden ook aan bepaalde fenotypes gekoppeld. Dit heet genotype-fenotype correlatie. Bij veel ziektes wordt dit gebruikt om te kijken waar patiënten risico voor lopen.

Medische Genetica: Cellsplitsing en chromosomen (3)

DNA

DNA bestaat uit chromosomen. Deze zijn het beste zichtbaar onder een licht microscoop tijdens celdeling. Elk chromosoom bestaat dan uit twee strengen, zusterchromatiden, die het resultaat zijn van DNA replicatie tijdens de S-fase van de cel. De twee chromatiden zitten aan elkaar vast in een punt dat het centromeer wordt genoemd. Het centromeer verdeelt een chromosoom in een q-arm (lange arm) en p-arm (korte arm). Wanneer het centromeer centraal ligt, is het chromosoom metacentrisch. Als het centromeer iets hoger ligt, submetacentrisch en nog hoger, acrocentrisch. Het uiteinde van een chromosoom wordt een telomeer genoemd.

Cytogenetica

De studie van chromosomen heet cytogenetica. Bij mensen bevat een celkern 46 chromosomen, opgebouwd uit 22 paar autosomen en één paar geslachtschromosomen (XX bij een vrouw, XY bij een man). Somatische cellen zijn diploïd (46 chromosomen), geslachtscellen haploïd (23 chromosomen). Chromatine, de combinatie van DNA en histoneiwitten die de chromosomen omvat, bestaat in twee vormen. Euchromatine kleurt licht en bestaat uit genen die actief tot uiting komen. Heterochromatine daarentegen kleurt donker en is grotendeels opgebouwd uit inactieve, niet tot uiting komend, repetitief DNA. X- en Y-chromosomen worden geslachtschromosomen genoemd. Het Y-chromosoom is veel kleiner en bevat maar enkele genen voor mannelijke eigenschappen. Tegenwoordig zijn er methodes om alle chromosomen van een individu te analyseren, dit heet karyotypering.

Elk weefsel met levende cellen die delen kan gebruikt worden om chromosomen te bestuderen. Meestal worden lymfocyten uit het bloed gebruikt. Er wordt dan phytohemagglutinine toegevoegd aan een klein volume met een voedingsmedium, wat er voor zorgt dat de T-lymfocyten gaan delen.

De cellen worden 3 dagen bewaard bij 37 graden en dan wordt er colchicine toegevoegd. Hierdoor wordt celdeling tegengehouden ­­tijdens de metafase, dan zijn de chromosomen het meest zichtbaar omdat ze dan het sterkst gecondenseerd zijn. Daarna wordt saline toegevoegd, waardoor de chromosomen gefixeerd worden. Meestal wordt G-banding gebruikt om individuele chromosomen te identificeren door ze te kleuren. Door de kleuring met trypsine (een eiwit denaturerend middel) krijgt elke chromosoom een karakteristiek bandenpatroon. Bij karyotype-analyse worden de chromosomen geteld en wordt het bandpatroon van de chromosomen grondig geanalyseerd. Elk chromosoom heeft een ­specifiek bandenpatroon. Dit bandenpatroon wordt weergegeven in een idiogram.

FISH (Fluorescent In-Situ Hybridization) is erop gebaseerd dat een stuk enkelstrengs-DNA (een probe) kan binden met het complementaire gedeelte in een sample DNA. Bij FISH wordt de probe na hybridisatie met het sample fluorescerend, waardoor dit stukje DNA zichtbaar wordt onder een fluorescente microscoop.

Ze gebruiken centromerische probes voor het opsporen van aneuploïde syndromen, chromosoom-specifiek enkel-sequens probes voor deleties en duplicaties, telomerische probes voor kleine subtelomerische afwijkingen en gehele-chromosoom kleurprobes voor extra bijgevoegd chromosoommateriaal.

Met CGH (Comparative Genomic Hybridization) kan allelverlies en uitbreiding van genen op een bepaalde regio aangetoond worden. Test-DNA (van de patiënt) wordt groen gekleurd, normaal controle-DNA rood. De samples worden gemixt en hybridiseren met normale metafasechromosomen. Er verschijnt een afbeelding. Als het te testen sample meer DNA van een bepaald chromosoom regio bevat dan het controlesample, is die regio groener gekleurd. Bij deleties is de regio roder gekleurd. Array CGH is een meer geavanceerde en snellere vorm van CGH, de fluorescentie wordt gevolgd met de computer en het kan worden toegepast om elke mogelijke vorm van een teveel of tekort aan DNA-materiaal te identificeren.

Een punt op een chromosoom wordt beschreven door het nummer van het chromosoom, de arm (p of q), de regio en de band. Vaak wordt de regio weggelaten (bijvoorbeeld: 15q12 staat voor chromosoom 15, lange arm, band 12). Een normaal karyotype van een man  wordt weergegeven als 46,XY en van een vrouw als 46,XX. Bij een man met het syndroom van Down is het 47,XY+21 (+21 staat voor trisomie 21).

Cel(kern)deling wordt mitose genoemd. Voordat een cel de mitose ingaat, wordt in de S-fase elk chromosoom verdubbeld, zodat het bestaat uit twee chromatiden. Vervolgens scheiden de chromatiden en komen deze terecht in twee dochtercellen. De mitose bestaat uit de profase, prometafase, metafase, anafase en telofase. (Zie afbeelding 3.12 op blz. 38) De mitose duurt meestal 1 tot 2 uur.

Tijdens het begin van de profase condenseren de chromosomen en begint de mitotische spoel, bestaande uit twee centriolen en microtubuli, te vormen. In de metafase binden de chromosomen aan de mitotische spoel. In de anafase splitst het centromeer van ieder chromosoom en de chromatiden gaan in de uiteinden van de cel liggen. In de telofase zijn de chromatiden volledig gescheiden. Het zijn nu onafhankelijke chromosomen bestaande uit een dubbele helix. Ze worden beiden omhuld door een nieuw kernmembraan. Het cytoplasma deelt zich ook (cytokinese) en er ontstaan twee nieuwe diploïde dochtercellen.

Bij de gametogenese vindt inplaats van mitose, het proces meiose plaats. Er zijn drie verschillen. De mitose eindigt met diploïde chromosomen (46) en de meiose met haploïde (23). Mitose vindt plaats bij vermeerdering van somatische cellen en meiose bij de gametogenese. Mitose ondergaat één maal het proces van profase t/m telofase en meiose twee maal. In meiose I wordt het aantal chromosomenparen gehalveerd. In meiose II worden de chromosomen gesplitst bij het centromeer. De crossing-overs zijn zichtbaar, wanneer homologe chromosomen zich splitsen (diakinese).

Er wordt onderscheid gemaakt tussen numerieke (aneuploidy en polyploidy) en structurele chromosoomafwijkingen. Bij numerieke afwijkingen is er een teveel of tekort aan een of meer chromosomen.

Een extra chromosoom wordt een trisomie genoemd. De meeste gevallen van het syndroom van Down hebben trisomie 21. Het wordt meestal veroorzaakt doordat een paar homologe chromosomen niet goed gescheiden wordt tijdens anafase-I. Dit wordt nondisjunctie genoemd. Zeldzamer is het als nondisjunctie optreedt tijdens meiose-II en de zusterchromatiden niet uit elkaar gaan.

Een fout in meiose-I zorgt ervoor dat een gameet twee homologe chromosomen heeft van één paar. Nondisjunctie in meiose-II leidt tot twee kopieën van een van de homologen van een chromosomenpaar. Nondisjunctie kan ook nog optreden tijdens een vroege mitotische deling in de ontwikkelende zygote. Dit leidt tot een of meer verschillende cellijnen, een fenomeen dat een mozaïek genoemd wordt. De oorzaak van nondisjunctie is onzeker. Het heeft waarschijnlijk te maken met de leeftijd van de moeder. (zie afbeelding 3.17 op blz. 43)

Monosomie is de afwezigheid van een chromosoom. Monosomie in een autosoom is nooit levensvatbaar. Gebrek aan een X of Y chromosoom leidt tot 45,X: het syndroom van Turner. Monosomie ontstaat door nondisjunctie in de anafase.

Polyploïde cellen bevatten meerdere malen het aantal chromosomen, bijvoorbeeld 69 (triploïdie) of 92 (tetraploïdie). Dit wordt vrij vaak aangetroffen bij spontane miskramen. Er zijn maar een paar levende geboorten bekend met polyploïdie en ze gingen allemaal snel na de geboorte dood. Het kan veroorzaakt worden door een fout in de meiotische deling in een eicel of zaadcel, maar ook door bevruchting van een eicel door twee zaadcellen (dispermie).

Structurele afwijkingen worden veroorzaakt door het breken van chromosomen en een reorganisatie in een andere configuratie. Er zijn gebalanceerde (genetische informatie is compleet) en ongebalanceerde (genetische informatie incompleet) varianten. Bij een ongebalanceerde vorm zijn er serieuze klinische gevolgen.

Bij translocaties is genetisch materiaal verplaatst van de ene chromosoom naar een andere. Een reciproke translocatie omvat het breken van ten minste twee chromosomen en het uitwisselen van fragmenten. Meestal blijven er 46 chromosomen en als de fragmenten ongeveer van dezelfde grootte zijn kan de translocatie alleen zichtbaar worden met een techniek als FISH. Bij een Robertsoniaanse translocatie liggen beiden breekpunten bij het centromeer van twee acrocentrische chromosomen. Hierbij fuseren de lange armen en gaan de korte armen verloren, wat zorgt voor maar 45 chromosomen. Vaak bevatten die korte armen geen belangrijke informatie.

Bij gebalanceerde reciproke translocaties kunnen er problemen ontstaan in de meiose. Er kan dan een ongebalanceerde variant ontstaan, met als gevolg een miskraam of een kind met meerdere afwijkingen.

Bij een deletie vindt er verlies van een deel van een chromosoom plaats, wat resulteert in monosomie voor dat bepaalde segment van het chromosoom. Er wordt onderscheid gemaakt in twee niveaus: microscopische deleties (Wolf-Hirschorn en cri-du-chatsyndroom) en submicroscopische microdeleties (met behulp van FISH).

Inserties zijn wanneer een segment van één chromosoom vervangen wordt door een ander chromosoom.

Bij inversies zijn in één chromosoom twee breuken ontstaan waardoor het tussenliggende deel in tegenovergestelde positie is gereorganiseerd. Wanneer dit plaatsvindt bij het centromeer is het een pericentrische inversie en als het bij een arm plaatsvindt heet het een paracentrische inversie.

Ringchromosomen ontstaan als twee uiteinden van een chromosoom aan elkaar kleven.

Er is sprake van mosaïcisme als er meerdere cellijnen met verschillend genetisch materiaal zit in één individu, die voortkomt uit één zygoot. Chimerisme is wanneer er meerde cellijnen optreden, voortgekomen uit meer dan één zygoot. Dit kan optreden bij dubbele fertilisatie. Een voorbeeld van chimerisme is hermafroditisme.

Medische genetica: epigenetica, x-inactivatie (6)

Epigenese is het uitvouwen van de ontwikkelingsprogramma’s en processen tot een ongedifferentieerde zygote. Voorbeeld hiervan is methylering van het DNA. Methylering van DNA veroorzaakt een veranderde chromatinestructuur. Een (deel van) chromosoom wordt gecondenseerd en kan niet meer worden afgelezen.

Inactivatie van het X-chromosoom

Bij een XX individu wordt altijd één X-chromosoom bijna geheel gemethyleerd. Het wordt hierdoor geïnactiveerd. Dit heet ook wel lyonization. Het proces ontstaat rond dag 15/16. De keuze van het X-chromosoom is meestal compleet at random. De dochtercellen hebben vervolgens ook allemaal hetzelfde X-chromosoom gemethyleerd. Een inactief X-chromosoom heet ook wel een Barr body (lichaampje van Barr), omdat het onder de microscoop eruit ziet als een donkere massa chromatine.

Het is echter ook zo dat wanneer één van beide X-chromosomen abnormaal is, dat X-chromosoom bijna altijd gemethyleerd wordt. Dit komt doordat alleen de stamcellen die het abnormale chromosoom gemethyleerd hebben, kunnen overleven. Methylering wordt geïnitieerd door het gen XIST. Het inactieve X-chromosoom produceert RNA dat een inactivatiesignaal over het chromosoom uitspreidt. 

Bij mensen met meer dan één X-chromosoom, is het aantal Barr bodies altijd één minder dan het totale aantal X-chromosomen. Vrouwen met twee normale X-chromosomen hebben dezelfde concentratie X-chromosoom eiwitproducten als normale mannen.

Mozaïsme ontstaat bij vrouwen wanneer sommige cellen een ziek X-chromosoom inactiveren, maar andere cellen het gezonde X-chromosoom inactiveren. Dit komt doordat tijdens de eerste methylering op dag 15 sommige stamcellen het gezonde X-chromosoom inactiveren. Op oudere leeftijd zie je dan dat sommige delen van het lichaam ziek zijn en andere delen niet. Het kan ook zijn dat de vrouw helemaal ziek wordt doordat het zieke gen actief is in meer dan 50% van de cellen. Dit heet ‘skewed X-inactivation’.

Tweelingen

Tweelingen kunnen monozygoot en dizygoot zijn. Monozygote tweelingen ontstaan uit dezelfde eicel. Dizygote tweelingen ontstaan uit twee verschillende bevruchte eicellen en zijn genetisch gezien hetzelfde als een normale broer en zus.

Er zijn drie soorten monozygote tweelingen:

1. Dichorionische tweelingen ontstaan wanneer de splitsing heel vroeg is. Ze zijn gesplitst voordat het chorion is ontwikkeld.

2. Monochorionische diamniotische tweelingen zijn gesplitst tijdens de blastocyste fase tussen dag 3 en 7. Ze delen het chorion maar hebben een apart amnion.

3. Monoamniotische tweelingen ontstaan wanneer de splitsing na de eerste week heeft plaatsgevonden. Ze delen zowel het chorion als het amnion.

Dizygote tweelingen zijn dichorionisch en diamniotisch, maar ze kunnen wel een gefuseerde placenta hebben. Vrouwen die ouder zijn, een positieve familievoorgeschiedenis hebben en ovulatie-opwekkende medicatie gebruiken hebben een grotere kans op tweelingen. Het kan voorkomen dat monozygote tweelingen verschillende aangeboren afwijkingen hebben. Dit kan komen doordat er een mutatie is ontstaan na de splitsing. Ook hebben op latere leeftijd 1/3 van de tweelingen vaak veranderd DNA. Dit kan komen door cumulatieve DNA modificatie. Wanneer een splitsing optreedt na twee weken zwangerschap kan het een Siamese tweeling worden. Bijna 75% van de Siamese tweelingen is vrouw. Het type tweeling kan bepaald worden door het gebruik van highly polymorphic molecular DNA marker en single nucleotide polymorphisms (SNPs).

X-inactivatie

X-inactivatie is het proces waarbij één of meerdere X-chromosomen worden uitgeschakeld, totdat er één actief X-chromosoom overblijft. Bij vrouwen wordt één van de twee X-chromosomen geïnactiveerd. De inactivatie, ook wel lyonisatie genoemd, gebeurt willekeurig. Dit treedt op na de 15e/ 16e dag van de zwangerschap, wanneer de zygoot uit 5000 cellen bestaat. Na lyonisatie van die 5000 cellen, bevatten alle dochtercellen ook een inactief X-chromosoom.

Vaak wordt het afwijkende X-chromosoom bij toeval gelyoniseerd. X-inactivatie treedt op door methylatie. De proces wordt gereguleerd met RNA gemaakt door het XIST-gen (X inactivation specific transcript). Niet het gehele X-chromosom wordt inactief, er blijven genen actief op het topje van de korte arm en een aantal andere loci op andere plaatsen op de lange en korte arm. Als dit niet zo was zouden alle vrouwen het syndroom van Turner hebben.

Het aantal uitgeschakelde X’en is te achterhalen door het aantal barr bodies te tellen, die als donker gecondenseerde geslachtschromatine tijdens de interfase te zien zijn in de celkern.

Medische Genetica: De verschillende patronen van overerving (7)

Overervingpatroon van een ziekte

Een belangrijke reden om het overervingpatroon van een ziekte binnen families te bestuderen is om te kijken wat het risico is op ziekten voor leden van die familie. Het tekenen van een stamboom begint met de persoon die bij de arts komt; dit noemen we de index case, proband of propositus. Zijn of haar positie in de stamboom wordt met een pijl aangegeven. Informatie over directe familie wordt gevraagd en ingetekend, let hierbij op de juiste familieband.

Aandoeningen op één gen noemen we unifactorieel of mendeliaans. Veel ziektes zijn echter multifactorieel. Als een ziekte door een fout op een geslachtschromosoom komt, noemen we het X-chromosomaal of geslachtsgebonden. Anders is het autosomaal.

Een dominante aandoening leidt al tot ziekte als een individu ook een gezond gen heeft en dus heterozygoot is. Zo'n ziekte is in alle generaties van een familie terug te vinden. Een kind van een ouder die heterozygoot voor een dominante ziekte is, heeft 50% kans deze ziekte ook te krijgen. Veel autosomale dominante ziektes zijn pleiotropisch, ze leiden tot meerdere, ongerelateerde effecten. Hierdoor kunnen individuen met dezelfde ziekte andere verschijnselen hebben. Soms is een individu met een mutatie zelfs helemaal normaal. Dit verschil in uiting van de ziekte heet variabele expressiviteit. Bij verminderde penetrantie is het mogelijk een individu een dominante autosomale ziekte heeft, maar dat deze zich niet uit. Dit individu heet dan non-penetrant en kan gezond zijn doordat andere genen of omgevingsfactoren de ziekte modificeren. De ziekte kan wel aan het nageslacht worden doorgegeven, dan lijkt het alsof de ziekte een generatie heeft overgeslagen.

Als een dominante ziekte opkomt in een familie waar deze niet voorkomt, spreken we van een nieuwe mutatie. Let hierbij ook op of de ouders wel echt de ouders zijn! Nieuwe mutaties komen vaak door een verhoogde leeftijd van de vader. Bij codominantie komen twee verschillende allelen tot uiting, een voorbeeld is bloedgroep AB. Als een individu homozygoot is voor een dominante aandoening, leidt dit soms tot verergering van de ziekte (dan is het dominante allel incompleet dominant) of de ziekte is even erg als bij heterozygote patiënten (het dominante allel is puur dominant).

Bij een recessieve aandoening zijn twee gemuteerde allelen nodig om de ziekte te krijgen, heterozygoten zijn drager van de ziekte. Het traceren van een recessieve aandoening in een stamboom is vaak moeilijk, vaak hebben broers en zussen van een patiënt de aandoening ook.

Consanguïniteit (bloedverwantschap tussen ouders) leidt vaak tot kinderen met een zeldzame recessieve aandoeningen. Twee heterozygote ouders hebben 25% kans dat hun kind de aandoening heeft en 50% kans dat het kind ook drager van de ziekte is. Als een van de twee ouders homozygoot recessief is en de andere heterozygoot, dan is de kans dat het kind de ziekte heeft 50%. Omdat dit een even grote kans is als bij een dominante ziekte, noemen we dit pseudodominant.

Bij locus-heterogeniteit leiden meerdere defecten tot dezelfde ziekte, dit is het geval bij doofheid. Omdat twee dove ouders dit door verschillende mutaties kunnen hebben, is er een kans dat de kinderen wel kunnen horen. Dit noemen we dan dubbele heterozygoten. Ziektes waarbij meerdere gemuteerde genen tot hetzelfde resultaat leiden noemen we genokopieën. Als milieufactoren hier ook tot kunnen leiden, noemen we de ziektes fenokopieën. Ook bestaat het dat twee mutaties op hetzelfde locus tot dezelfde ziekte leiden, dit noemen we compound heterozygoot of mutationeel heterozygoot. Dit komt veel vaker voor dan pure homozygotie.

Genen op het X-chromosoom noemen we X-linked, genen op het Y-chromosoom heten Y-linked of holandrisch. Aandoeningen op het X-chromosoom komen voornamelijk voor bij mannen, omdat zij maar één X-chromosoom hebben. Een man met een mutant X-chromosoom noemen we hemizygoot. Omdat zo'n ziekte meestal niet zichtbaar wordt bij vrouwen, heeft het een diagonaal patroon in een stamboom. De dochters van een man met een X-chromosomale afwijking zullen allen drager zijn (obligaat dragerschap), de zonen allen gezond (behalve bij uniparentale heterodisomie). De zonen van een moeder die drager is hebben 50% kans op de ziekte, de dochters hebben 50% kans op dragerschap.

Sommige X-chromosomale afwijkingen, zoals Duchenne, leiden tot vroege sterfte, waardoor de overerving alleen via draagsters en nieuwe mutaties gaat. Omdat vrouwen mozaïek zijn voor het X-chromosoom, zijn zij dit ook voor deze ziektes. Ook kunnen vrouwen homozygoot recessief zijn, vooral bij ziektes die vaak voorkomen, zoals kleurenblindheid.

Dominante aandoeningen op het X-chromosoom komen weinig voor, vitamine D resistentie is een voorbeeld. Alle dochters van een man met zo'n ziekte krijgen de aandoening, en geen van zijn zonen. Ondanks dat zowel mannen als vrouwen evenveel kans hebben, zijn sommige ziektes minder erg bij vrouwen. Omdat vrouwen mozaïsch zijn voor het X-chromosoom, komt het voor dat heterozygote vrouwen in sommige delen van hun lichaam een dominante X-chromosomale aandoening niet vertonen. Dit komt omdat in deze gebieden het gezonde X-chromosoom actief is. Y-linked aandoeningen zijn altijd dominant, want er is maar één Y-chromosoom. Deze aandoeningen worden alleen van vader op zoon doorgegeven.

Sommige aandoeningen lijken autosomaal over te erven, maar liggen toch op de geslachtschromosomen. Dit komt doordat het X- en het Y-chromosoom een regio delen, de pseudoautosomale regio. Door crossing-over kan een stuk van een gemuteerd X-chromosoom op het Y-chromosoom komen te liggen, een man kan de aandoening zo ook aan zijn zoon geven. Zulke aandoeningen worden in de ene familie als dominant autosomaal gerapporteerd, en in de andere als X-linked. Ook komen sommige autosomale aandoeningen bij het ene geslacht vaker tot uiting dan bij het andere, een voorbeeld hiervan is kaalheid. Dit komt omdat mannen en vrouwen hormonaal van elkaar verschillen. Dit heet sex influence. Bij Sex limitation komt een aandoening maar bij één geslacht voor.

Een handig schema over de verschillende manieren van overervingen is Box 7.1 op blz. 118. Hier staat mitochondrieel overerven, dat alleen via de moeder gebeurt, niet tussen. Van anticipatie is sprake als een ziekte op jongere leeftijd tot uiting komt bij een volgende generatie, of als de ziekte in de volgende generatie erger is. Er zijn hier vele theorieën over, maar bij een aantal ziektes is duidelijk geworden dat het komt doordat een bepaalde sequentie steeds langer wordt. Hoe langer de sequentie, hoe instabieler het te maken eiwit en hoe erger de ziekte. Bij myotone dystrofie is dit het geval bij het CTG-triplet, dat tijdens de maternale meiose verlengd kan worden. Bij Huntington is dit het geval tijdens de paternale meiose.

Mozaïcisme houdt in dat een individu of een weefsel meerdere typen cellijnen heeft. Dit komt door een fout in de mitose na de conceptie. Een deel van de cellen ontwikkelt zich dan met een mutatie. Er zijn twee vormen mozaïcisme: somatisch en gonadaal.

Bij somatisch mozaïcisme heeft een individu minder last van een ziekte dan andere individuen met de ziekte, of komt de ziekte slechts in een of enkele regio's van het lichaam voor. Als de mutatie niet in de geslachtscellen voorkomt, kan het niet worden doorgegeven aan het nageslacht. Bij gonadaal mozaïcisme zit de mutatie alleen in de geslachtscellen, en wordt de ziekte dus doorgegeven maar de beide ouders zijn gezond.

Van uniparentale disomie spreekt men als een kind niet van beide ouders één chromosoom erft, maar van één ouder twee chromosomen. Als dit hetzelfde chromosoom is, zit de fout in meiose II en noemen we het uniparentale isodisomie. Krijgt het kind twee verschillende chromosomen van dezelfde ouder, dan zit de fout in meiose I en noemen we het uniparentale heterodisomie. Beide gevallen leiden tot een trisomie, een van de chromosomen wordt afgestaan om toch een normale hoeveelheid chromosomen te hebben. In een op drie gevallen ontstaat zo een uniparentale disomie. Uniparentale disomie kan ook redding betekenen, als de andere geslachtscel nullosomisch is.

Iedere cel bevat mitochondrieel DNA, vooral cellen die veel energie nodig. Mitochondrieel DNA wordt compleet overgeërfd van de moeder, via de oöcyt. Mitochondriële overerving wordt gezien als mogelijke verklaring voor ziekten die bij zowel mannen als vrouwen voorkomen, maar alleen worden doorgegeven via vrouwen. Omdat mitochondriën een belangrijke rol hebben bij celmetabolisme, zijn de weefsels die het gevoeligst zijn voor mitochondriële mutaties het centrale zenuwstelsel, de skeletspieren en het hart. Normaal gesproken is het DNA van de verschillende mitochondriën identiek, dit wordt homoplasmie genoemd. Als er ergens een mutatie optreedt, zullen er twee populaties van mitochondrieel DNA zijn, heteroplasmie.

Medische Genetica: Wiskunde van de genetica (8)

De allelfrequenties in een populatie

Populatie genetica is de manier waarop genen in een populatie gedistribueerd voorkomen en de frequenties van genen in een populatie. In een populatie waarin geen invloed is van buitenaf, blijven de allel frequenties (dominant/recessief) gelijk. Dit is het Hardy-Weinberg principe. Het Hardy-Weinberg principe geldt alleen voor een populatie waarbij geen invloed is van buitenaf, er sprake is van random paring, er geen nieuwe mutaties en geen evolutionaire selectie is.

De genen liggen autosomaal en hebben twee allelen A en a met de frequenties p en q. p en q samen zijn altijd 1, omdat er maar twee allelen zijn. De frequenties van elk genotype zijn te bepalen door middel van een kruistabel, de zogenaamde Punnett square.

De Punnett Square kan ook voor de tweede generatie gebruikt worden. Hierdoor wordt duidelijk kan de frequenties van de allelen ten opzichte van elkaar hetzelfde zijn in beide generaties. De frequenties zijn dan p2 (AA), 2pq (Aa/aA) en q2 (aa). Zo is een populatie in een Hardy-Weinberg evenwicht.

Echter, geen enkele populatie is de ideale populatie van Hardy-Weinberg. De factoren die het evenwicht verstoren zijn als volgt: meestal is er geen sprake van random paring, er zijn mutaties, evolutionaire selectie, de populatie kan te klein zijn en individuen uit de populatie migreren. Dit zijn verstorende factoren voor het Hardy-Weinberg evenwicht.

Random paring betekent dat de paringspartner gekozen wordt zonder te letten op het genotype. In de praktijk is er wel sprake van het kiezen van een partner, op basis van genotype. Associërende paring is wanneer mensen een partner kiezen die lijkt op zichzelf (lengte, intelligentie). Consanguiniteit is wanneer de partner familie is (ten minste één gezamenlijke voorouder, niet verder dan over-over-grootouder).

In de praktijk komen mutaties overal in het genoom voor, met verschillende snelheden. De mutaties zijn vaak wel van het type dat zorgt voor verminderde fitheid, dus de mutaties worden snel weer weggeselecteerd. Een mutatie kan echter ook zorgen voor verbeterde fitheid, waardoor er dus selectie is in het voordeel van de mutatie.

In een kleine populatie worden minder kinderen geboren, waardoor er een kans is dat er relatief meer kinderen worden geboren met een bepaald genotype. Dit principe heet random genetic drift. Het kan dan ook voorkomen dat één allel voorgoed verloren gaat en het andere allel gefixeerd wordt. Migratie zorgt ook dat er nieuwe allelen in een populatie geïntroduceerd worden. Hierdoor verandert het genotype en de relatieve frequentie van de allelen. Dit heet gene flow.

Om te bepalen of een populatie in het Hardy-Weinberg evenwicht is, kunnen de relatieve allelfrequenties worden uitgerekend. Vervolgens worden deze vergeleken met allelfrequenties zoals die zouden zijn in het Hardy-Weinberg evenwicht. Als hetzelfde getal uit deze berekeningen komt, is de populatie in het Hardy-Weinberg evenwicht.

Het Hardy-Weinberg evenwicht kan erg handig zijn in het bepalen van de frequenties van dragers van een bepaalde recessieve aandoening. Wanneer de incidentie bekend is, kan door middel van algebraïsche berekeningen de frequentie van dragers berekend worden. Hetzelfde kan gedaan worden voor recessieve X-gebonden aandoeningen.

De snelheid van mutatie kan bepaald worden bij autosomaal dominante aandoeningen. Dit kan geschieden door het tellen van het aantal aangedane kinderen dat geboren wordt per (bijvoorbeeld) 100.000. Wanneer er 15 kinderen worden geboren met de aandoening, waarvan er 5 een ouder hebben met de aandoening, hebben 10 kinderen dus een nieuwe mutatie. Er zijn dan 200.000 genen geërfd door alle kinderen bij elkaar, waardoor er dus een mutatie snelheid is van 1 per 20.000 gameten per generatie.

De praktische waarde van de mutatiesnelheden zit in een aantal factoren. Bij een snelle mutatiesnelheid zal het gen waarschijnlijk groot zijn. Ook kan het gen veel repeats bevatten. Ook kan door verbetering van behandelingen de incidentie van het gen verhoogd worden, omdat zieke mensen dan (meer) kinderen kunnen krijgen.

Hoe kan het nu dat sommige genetische aandoeningen vaker voorkomen dan andere? Niet alleen de mutatiesnelheid is hierbij betrokken. Kleine populaties kunnen te maken hebben met het “founder effect”. Eén voorouder heeft veel nakomelingen gekregen en zo is het defecte gen vaak doorgegeven.

Een autosomaal recessieve aandoening die relatief vaak voorkomt in een grote populatie, komt waarschijnlijk zo vaak voor doordat de heterozygoten een verhoogde fitheid hebben. Een voorbeeld hiervan is sikkelcelziekte, waarbij heterozygoten beter resistent zijn tegen malaria. Aangezien de heterozygote variant dus een overlevingsvoordeel oplevert, komt deze vaak voor in gebieden waar malaria voorkomt. Ook is er het principe van meiotic drive. Dit is wanneer een gemuteerd allel bij voorkeur wordt overgeërfd tijdens de meiose. Polymorfisme is het voorkomen van meer dan twee allelen van een gen.

Segregatie

Segregatie analyse is het bestuderen van de manier waarop een genetische aandoening wordt doorgegeven in een familie. Hierbij wordt de overervingsmanier bepaald (autosomaal dominant, recessief, etc.). Het onderzoeken van een autosomaal dominante aandoening is door middel van het vergelijken van het aantal aangedane kinderen ten opzichte van de aangedane ouders. Het onderzoeken van autosomaal recessieve aandoeningen is ietwat lastiger, omdat heterozygote dragers niet altijd aangedane kinderen hoeven te krijgen, of andersom juist wel steeds aangedane kinderen krijgen. Een autosomaal recessieve aandoening kan bijna alleen maar met moleculaire of biochemische markers worden bevestigd.

Sommige genen erven samen over

Genen kunnen samen overerven, omdat ze vlakbij elkaar op hetzelfde gen liggen. Deze genen zijn “linked”. De linkage phase is de locatie waar twee gelinkte allelen liggen. Wanneer ze op hetzelfde chromosoom liggen, zijn ze ge‘coupled’ en wanneer ze op homologe chromosomen liggen, zijn ze ‘in repulsion’.

De recombinatie fractie is de afstand tussen twee loci. Dit geeft de waarschijnlijkheid aan dat er een cross-over kan plaatsvinden. De recombinatie fractie geeft de fysieke afstand in baseparen weer. Centimorgans is een maat voor de linkage afstand tussen twee loci. 1 centimorgan geeft 1 cross-over in elke 100 meioses. 1 centimorgan is ongeveer 106 base paren. Sommige plaatsen in het genoom hebben meer kans op recombinatie. Zo komen recombinaties bijvoorbeeld vaker voor rondom de telomeren en minder vaak rondom de centromeren.

Een manier om de ziekteverwekkende allel locus te bepalen op een specifiek chromosoom is multi-point linkage. Er wordt een aantal polymorfe markers gebruikt die rond de ziekte veroorzakende regio gaan zitten. Hierdoor kan de positie van het ziekmakende allel ongeveer bepaald worden. Door middel van een computerprogramma wordt de waarschijnlijkheid bepaald dat het allel op die locatie zit. Na multi-point linkage kan door middel van hele specifieke methoden het allel precies aangewezen worden.

Autozygosity mapping kan worden toegepast in families waarbij mensen zeer veel binnen de familie getrouwd zijn. Wanneer er twee of meer kinderen geboren worden met een zeer zeldzame recessieve aandoening, zijn deze hoogstwaarschijnlijk homozygoot voor de markers in de regio van het zieke allel. Door middel van high polymorphic markers kan de exacte locatie van het zieke allel gevonden worden.

Linkage disequilibrium, of allelic association, is de associatie van twee allelen op gelinkte loci die frequenter zijn dan op basis van toeval zou voorkomen. Hiermee worden voornamelijk ziektes in een populatie onderzocht. Het onderzoek is op basis van een founder allel. De mutatie zit dan in een founder haplotype, wat betekent dat de nakomelingen niet alleen hetzelfde gen hebben geërfd, maar ook de markers die rond het gen zitten (haplotype).

Interventies

Doordat er steeds betere behandelingen zijn, hebben toekomstige generaties steeds meer last van genetische aandoeningen. De algehele ziektedruk op de mens als populatie wordt hierdoor groter. Dit heet dysgenic. Eugenics is de verbetering van een populatie door selectieve paring. Dit komt helaas tegenwoordig ook nog voor bij mensen (Nazi’s). Wanneer mensen met een autosomaal dominante aandoening niet meer zouden voortplanten, zou de ziekte zeer snel verdwijnen. Nieuwe gevallen zouden alleen op basis van nieuwe mutaties zijn. Wanneer mensen met een autosomaal recessieve aandoening niet meer zouden voortplanten, zou dit maar weinig effect hebben. De heterozygoten (dragers) die nog wel zouden voortplanten, zorgen ervoor dat er nog steeds nakomelingen geboren worden met dezelfde recessieve aandoening.

Bij X-gebonden recessieve aandoeningen die geen kans geven op voortplanting in mannen, heeft het alleen effect als de vrouwelijke dragers van de aandoening niet meer voortplanten. De vermindering van de incidentie zou dan 2/3e zijn.

Hardy-Weinberg principe

In een grote, willekeurig voortplantende populatie waar geen verstorende invloeden van buitenaf zijn, blijven de relatieve aantallen van verschillende genotypen constant van generatie op generatie. Dit staat bekent als het Hardy-Weinberg principe. Als je een locus hebt met twee mogelijke allelen, A en a, hebben deze als frequentie respectievelijk p en q. Hierbij hoort de volgende tabel:

Dit hoort bij een ideale populatie. Voor sommige menselijke eigenschappen, zoals genen van bloedgroepen, kan Hardy-Weinberg worden toegepast. Een aantal factoren die ervoor zorgen dat de Hardy-Weinbergregel niet op gaat zijn:

• onwillekeurige partnerkeuze

• mutatie

• selectie

• kleine populatie

• gene flow (migratie)

Mensen zijn geneigd om een partner uit te zoeken met vergelijkbare eigenschappen zoals lengte en ras. Dit heet assortative paring en kan ervoor zorgen dat bepaalde eigenschappen vaker in de populatie voorkomen.

Wijdverspreid bloedverwantschap in een gemeenschap (voortplanting van twee mensen met een gemeenschappelijke voorouder) leidt tot een relatieve toename van de frequentie van aangedane homozygoten en een afname van heterozygoten.

Bij X-linked recessieve aandoeningen is de frequentie van aangedane mannen gelijk aan de frequentie van het mutante allel (q). Aangedane vrouwen zijn dan gelijk aan q2 en vrouwelijke dragers aan 2pq.

Enkele formules die bij dit principe gebruikt worden zijn:

p + q = 1

p2 + 2pq + q2 = 1

Als de incidentie van een autosomaal recessieve aandoening bekend is, kan daarmee de dragerschapsfrequentie worden uitgerekend.

Een voorbeeld:

De incidentie van een recessief allel is 1/10.000, dus q2 is 1/10.000.

q is dan de wortel van q2, dus 1/100.

p + q = 1, dus p is in dit geval 99/100.

Dragers hebben als genotype 2pq, dus 2 x 1/100 x 99/100.

In deze populatie is dus ongeveer 1 op de 50 mensen drager van dit allel.

Medische Genetica: Overerving, polygeen of multifactorieel (9)

Inleiding

Vele aandoeningen erven niet over volgens de wetten van Mendel. Deze aandoeningen hebben waarschijnlijk verschillende factoren die bijdragen aan de tot standkoming van de ziekte. Ze heten daarom ook wel multifactorieel. Er wordt er vanuit gegaan dat omgevingsfactoren, tezamen met vele genen een kwetsbaarheid veroorzaken die normaal verdeeld is in de omgeving. Er is dus ook sprake van een polygene oorzaak (meerdere genen spelen een rol).

Mensen verschillen gemiddeld 0,1% van andere mensen op de wereld. Deze 0,1% maakt dat de ene persoon kwetsbaarder voor ziekte is dan de andere. Door het gebruik van SNPs (single-nucleotide polymorphisms) om de verschillende genen die bijdragen aan ziekte te onderzoeken, zijn nu vele loci aangewezen.

Polygene overerving

Polygene overerving is het erven van vele verschillende genen op verschillende loci die allemaal een klein beetje bijdragen aan het ontstaan van de ziekte. Er is dus sprake van accumulatie. Verschillende kenmerken van mensen vertonen een distributie in de algemene populatie die lijkt op een normale verdeling. Door middel van een berekening kan aangetoond worden dat de normaal verdeling veroorzaakt wordt door polygeniciteit. Correlatie ondersteunt de theorie ook.

In de praktijk blijkt echter dat omgevingsfactoren ook invloed hebben op verschillende kenmerken. Ook kan het zijn dat bepaalde genen een dominant effect hebben. Dit is te zien aan het feit dat nakomelingen van ouders die in de extremen zitten, een regressie naar het gemiddelde laten zien.

Het liability en threshold model

Liability is een enkele entiteit (gen of omgevingsfactor) die bijdraagt aan een multifactoriële aandoening. Hoe meer liabilities, hoe meer kans er is op de aandoening. Het aantal liabilities moet echter wel boven een grenswaarde (threshold) uitkomen waardoor de aandoening zich uit. De liability kan niet individueel vastgesteld worden, maar wel door middel van de incidentie in een groep en statistiek.

Het Liability/threshold model geeft een simpele uitleg voor wat er gezien wordt bij familiaire overervingen. Dit is dat de meest aangedane patiënt de meeste aangedane familieleden heeft, omdat deze de meeste liabilities hebben. De familieleden die het dichtste bij de aangedane patiënt staan, hebben het grootste risico maar verdere familieleden hebben snel lagere risico’s. Wanneer iemand meerdere familieleden heeft met de aandoening, heeft hij/zij zelf ook een groter risico.

En als laatste, wanneer de aandoening voornamelijk bij mannen voorkomt, heeft een vrouw met de aandoening een grotere kans op kinderen met de aandoening (en andersom), omdat de vrouw zo veel liabilities heeft dat de kinderen ook een groter risico hebben.

Heritability (erfelijkheid)

Heritability is het deel van de etiologie die aan genetische factoren toegeschreven kan worden (dus erfelijkheid). Het is het aandeel van de totale variatie in fenotype bij een aandoening die veroorzaakt wordt door accumulatie van genetische variatie. Wanneer de heritability een grotere waarde heeft, is de rol van genetische factoren dus ook groter (ten opzichte van omgevingsfactoren). De waarde van de heritability wordt bepaald door onderzoek naar familieleden ten opzichte van de normale verdeling. Hoe groot de kans is om de aandoening te krijgen binnen de familie, wordt bepaald door te kijken naar de ratio tussen het risico van broers en zussen en de incidentie in de algemene populatie.

Onderzoeken die genen ontdekken

Er zijn verschillende typen onderzoeken om de liability genen op te kunnen sporen. ‘Linkage analysis’ is goed bruikbaar bij enkele gen aandoeningen, maar lastig bij multifactoriële aandoeningen. Dit komt doordat het wiskundig lastig rekenen is met polygenen. Er kan een analyse uitgevoerd worden van aangedane broers en zussen. Wanneer een bepaald allel wordt gevonden dat vaker voorkomt in zieke kinderen dan per toeval zou kunnen, dan zou dit allel betrokken kunnen zijn bij de ziekte ontwikkeling. Ook kan er fine mapping toegepast worden. Wanneer grofweg de locus op het chromosoom bekend is, kunnen door middel van linkage disequilibrium haplotypes (door middel van SNPs) aangewezen worden. De haplotypes die verdacht zijn, worden gesequenced.

Associatie studies zijn onderzoeken waarbij een allel van aangedane mensen wordt vergeleken met gezonde mensen (case-control study). De sterkte van de associatie wordt bepaald door middel van de odds ratio. De odds ratio geeft aan hoeveel vaker de ziekte voorkomt in mensen met het specifiek onderzochte allel. Wanneer dit significant is, kan het allel ofwel veroorzakend zijn ofwel nabij het ziekteveroorzakende gen liggen.

Er zijn verschillende soorten associatiestudies uitgevoerd of bedacht. Het HapMap project is een catalogus van SNPs die aangeeft welke SNPs op welke aandoeningen kunnen duiden. Om deze catalogus te maken zijn de SNPs van vele verschillende mensen uit verschillende populaties opgespoord.

Genoomwijde Associatie studies (GWA) gebruiken het complete genoom in een case control studie in plaats van één allel. Hierdoor zijn vele SNPs gevonden die associaties hebben met bepaalde aandoeningen. Een GWA heeft geen hypothese en uitkomsten geven vaak aanleiding tot nieuwe onderzoeken.

Maar omdat GWA studies zo groot zijn, moest er een nieuwe p-waarde komen om significantie aan te kunnen geven. Deze p-waarde is 5x10-8. Voor zulke lage p-waarden zijn grote onderzoeksgroepen nodig. De associatiestudies, voornamelijk GWA, zijn erg succesvol maar kunnen nog steeds van maar een klein aantal aandoeningen de heritability (deels) verklaren.

Het duizend genomen project is een project dat van 1000 mensen over de hele wereld het complete genoom in kaart wil brengen. Dit willen ze doen om de variatie tussen mensen goed in kaart (in een catalogus) te kunnen brengen. Allelen die in maar 1% van de bevolking voorkomen kunnen zo aangetoond worden. SNPs en het kopie nummer van polymorfismes (duplicaties en deleties) kunnen ook onderzocht worden.

Multifactoriële overerving

Bij multifactoriële overerving spelen verschillende factoren, zowel in de genen als in de omgeving, een rol in het veroorzaken van aandoeningen. Genen die samen verantwoordelijk zijn voor een bepaalde eigenschap, worden polygenen genoemd. Het gaat dan bijvoorbeeld om bloeddruk of lengte. Bij polygene overerving gaat het om de overerving en expressie van een fenotype dat is vastgelegd door verschillende genen op verschillende loci, die allemaal een eigen bijdrage leveren. Hier dragen alle genen evenveel bij.

Het International HapMap project identificeert SNP (single nucleodite polymorphisms) frequenties en haplotypes (gelinkte SNP frequenties) in verschillende populaties. De HapMap databank wordt steeds uitgebreider, waardoor er meer studie mogelijk is over SNP genotypering. Een SNP is een variatie in het menselijke genoom, deze zorgen voor de variatie tussen de mensen.

Bij een genome-wide association (GWA) studie vergelijken onderzoekers varianten van het gehele genoom in een case control studie. Met deze nieuwe methode zijn er veel verbanden gevonden tussen SNP’s en bepaalde ziektes. Een groot voordeel van de GWA studies is dat ze “hypothese-vrij” zijn, er is van tevoren geen veronderstelling over of de genen bij een bepaalde ziekte betrokken zouden kunnen zijn.

Het Thousand Genomes Project is een nieuw initiatief op grote schaal, met als doel om meer variatie in menselijke genen in kaart te brengen. Hiervoor wordt sequencing gedaan van het genoom van 1000 verschillende mensen van over de hele wereld. Hiermee hoopt men meer inzicht te krijgen in de genen die betrokken zijn bij multifactoriële ziektes.

Medische Genetica: Consulten die gaan over genetica (17)

Consanguïniteit

Van consanguïniteit wordt gesproken bij een huwelijk tussen twee mensen die tenminste één gemeenschappelijke voorvader hebben, niet verder weg dan een over-over-grootouder. In sommige delen van de wereld, bijvoorbeeld in Arabische landen en ook in India, zijn dit soort huwelijken veelvoorkomend. Vaak is er wel enig besef van mogelijke nadelen, maar wegen de sociale voordelen veel zwaarder voor deze mensen.

Veel studies laten zien dat er een hogere incidentie is van zowel congenitale aandoeningen als aandoeningen die later optreden bij kinderen van bloedverwanten. Dit komt bijna allemaal voort uit het feit dat een kind een grotere kans heeft op homozygotie voor een autosomaal recessieve stoornis. Bij volle neven en nichten is de kans dat een kind homozygoot zal zijn voor een bepaalde autosomaal recessieve aandoening afkomstig van de grootouders 1 op 32. Daarnaast is er ook nog het standaard risico van 1 op 40 dat een kind een grote congenitale abnormaliteit heeft. Dit geeft een overall risico van 1 op 20 voor kinderen van neven en nichten op een handicap. Voor bloedverwanten die minder nauw verwant zijn, is het risico lager.

Incestueuze relaties zijn relaties tussen eerstegraads bloedverwanten (broer-zus, ouder-kind). Dit is officieel verboden in bijna iedere cultuur. Het risico op kinderen met abnormaliteiten is heel hoog. Minder dan de helft van de kinderen die hieruit voortkomen is gezond.

Mensen die te maken hebben gehad met een serieuze aandoening zullen zich zorgen maken over hun toekomstige kinderen of kleinkinderen. Een consult met deze mensen moet dus erg begripvol en invoelend zijn. Vertrouwen in de arts is erg belangrijk en het gevoel serieus genomen te worden ook. Tegenwoordig worden er dus speciale genetica consulten gehouden door klinisch genetici.

Wat is klinische counseling?

Klinische counseling is een proces van communicatie en educatie over ontwikkeling of erfelijkheid van een aandoening. Iemand die een consult aanvraagt, heet de consultant. De consulent moet ervoor zorgen dat de consultant begrijpt wat de diagnose is, wat de prognose en behandeling inhouden, hoe het patroon van overerving is, de risico’s daarvan en de opties om met de risico’s om te gaan. Bij klinische counseling moet er goede communicatie en goede ondersteuning zijn.

Diagnosticeren

De diagnose is cruciaal in een consult, omdat, wanneer deze incorrect is, er tragische consequenties aan verbonden zijn. Er zijn drie fundamentele stappen nodig om tot de diagnose te komen: anamnese, lichamelijk onderzoek en aanvullend onderzoek. Een complete familieanamnese is zeer belangrijk. Lichamelijk onderzoek kan worden gedaan om te kijken naar afwijkingen die passen bij bepaalde aandoeningen. Aanvullend onderzoek kan worden gedaan op zoek naar DNA of chromosomale afwijkingen en er kan worden doorverwezen naar andere specialisten.

Een diagnose betekent echter niet altijd dat de onderliggende mechanismen meteen kunnen worden vastgesteld. Dit is voornamelijk zo bij etiologisch heterogene aandoeningen die door omgevingsfactoren of door genetische factoren veroorzaakt kunnen worden. Genetische heterogeniteit is wanneer één aandoening door verschillende genen veroorzaakt kan worden.

Risicoschatting

Wanneer de diagnose duidelijk is, kan aan de consultant de risico’s voor zijn toekomstige kind uitgelegd worden. In mendeliaanse overerving is de risicoberekening redelijk eenvoudig, maar bij andere aandoening kan de berekening veel moeilijker zijn. Nog een ander probleem is dat risicoberekeningen erg abstract zijn. Om de risico’s duidelijk uit te kunnen leggen, moet het risico gekwantificeerd, gekwalificeerd en in de context geplaatst worden.

Door een risico te kwantificeren wordt het voor een consultant duidelijk wat voor risico hij/zij heeft. Het is belangrijk om uit te leggen dat de risico’s bij elke zwangerschap gelden, dus bij een risico van 1 op 4 is het zo dat wanneer een ziek kind wordt geboren, dit niet betekent dat de volgende drie kinderen gezond zullen zijn. Ook is het belangrijk dat de consulent de succeskans duidelijk maakt en niet alleen de risico’s benadrukt.

De kwalificatie van het risico geeft voor de consultant de mate aan waarin de aandoening een last zal zijn. Ook of de aandoening goed behandeld kan worden draagt bij aan de kwalificatie. Verder zijn pijn en prenatale diagnose relevant. De context van het risico is ook erg belangrijk. Het maakt het voor de consultanten makkelijker om te bepalen hoe het risico benaderd moet worden.

Praten over de verschillende opties

De consulent moet de consultant alle mogelijke informatie over de diagnose bieden, inclusief de keuzes die de consultant heeft. De consulent moet hierbij echter wel erg voorzichtig te werk gaan. De consultant heeft namelijk allerlei persoonlijke opvattingen, bijvoorbeeld over abortus.

Communicatie

Een consulent moet zeer goed kunnen communiceren. Hij moet bereid zijn om te luisteren, (onderliggende) emoties te op te pikken, en informatie zeer helder en gepast te brengen. Omdat genetische counselingsgesprekken vaak emotioneel zwaar beladen zijn, moet de consulent hier rekening mee houden. De omgeving moet goed zijn en er moet genoeg ruimte zijn om te kunnen praten. Het gesprek moet totaal begrijpelijk zijn voor de consultant en alle vragen moeten eerlijk beantwoord worden. Na het consult wordt vaak nog een brief naar de consultant gestuurd met een samenvatting van alle hoofdpunten erin, zodat de consultant alles goed kan onthouden. Vaak wordt er later ook nog eens contact opgenomen met de consultant. Tegenwoordig worden consultanten ook gewezen op patiëntenverenigingen. Hier kunnen ze hun zorgen kwijt bij mensen die hetzelfde hebben meegemaakt en kunnen ze steun krijgen.

Non-directieve gespreksstijl

Genetische counseling moet zeer non-directief gehouden worden. De consultant moet alle mogelijke informatie tot zijn beschikking hebben, maar moet zelf een mening vormen en een keuze maken. Alleen op die manier kan de consultant een keuze maken waar hij zelf mee kan leven en die hij zelf het liefste wil. Vragen aan de consulent over wat hij zelf in die positie zou doen, mag de consulent rechtstreeks beantwoorden, maar op zo een manier dat de consultant zelf weer aan het denken wordt gezet. Meningen zijn uit den boze.

Een succesvol consult

De definitie van een succesvol consult is er niet in genetische counseling. Het belangrijkste is dat de consultant tevreden is. Er kan onmogelijk een kwantificatie aan gegeven worden. Om toch op een of andere manier de outcome te meten, zijn bedacht: herinnering van de informatie, impact op de reproductieve activiteiten en tevredenheid.

Specifieke problemen van genetische counseling

Er zijn een aantal onderwerpen die de genetische counseling lastiger maken. Dit zijn consanguiniteit, incest, vaderschap en adoptie. Consanguiniteit is wanneer er binnen een familie wordt getrouwd en kinderen worden gemaakt. Incest is tussen eerstegraads familieleden (ouder-kind of broer-zus). Consanguiniteit is tussen iets verdere familieleden, ze moeten één gedeelde voorouder hebben en niet verder dan over-overgrootouder. Bij consanguiniteit is er een verhoogde kans op kinderen met recessieve aandoeningen waardoor er congenitale afwijkingen ontstaan. Wanneer consanguine ouders naar een consult komen, doen ze dit voornamelijk uit bezorgdheid dat het kind een aandoening zal krijgen. Het risico hiervoor is 1 op de 20 kinderen. Ook is er een iets verhoogde kans op een kind met een multifactoriële aandoening.

Er kan sprake zijn van een keuze tot adoptie wanneer ouders een grote kans hebben op een kind met een ernstige aangeboren afwijking. Andersom kan het ook voorkomen dat ouders naar een consulent gaan met de vraag of hun geadopteerde kind een aandoening kan ontwikkelen. Bij deze laatste kwestie wordt er alleen maar getest als er een indicatie bestaat dat het van groot voordeel is voor het kind. Dit is voor een ziekte die zich in de kindertijd ontwikkelt, die alle normale kinderen van die leeftijd zouden kunnen ondergaan, en waarvoor er preventie kan worden toegepast.

Wanneer het niet duidelijk is of de vader ook echt de biologische vader is, kan een klinisch geneticus hier licht op laten schijnen. Door middel van minisatelliet repeat sequence probes en SNPs kan het genoom deels in kaart gebracht worden. Dit kan worden vergeleken tussen vader en kind en er kan bepaald worden, met hele hoge wiskundige waarschijnlijkheid, of de vader ook de biologische vader is.

Medische Genetica: Chromosoomafwijkingen & -ziekten (18)

Door de ontwikkeling in de technische analyse heeft men bepaalde chromosoomafwijkingen gevonden bij een ziekte of syndroom. Chromosoomafwijkingen veroorzaken vaak problemen voor, tijdens en na de geboorte.

Incidentie van chromosoomafwijkingen

Bij 10% van alle spermatozoa en 25% van alle oöcyten komen chromosoomafwijkingen voor. Er zijn verschillende syndromen te beschrijven:

1. Down Syndroom: dit is een syndroom dat op 3 manieren kan ontstaan. De eerste bestaat uit de vorming van trisomie 21 door non-disjunctie in de maternale meiose I. Een tweede manier is translocatie en de derde via mosaicisme. Via prenatale diagnostiek kan met behulp van een vruchtwaterpunctie of gecultureerde amniotische cellen onderzocht worden of er een afwijking aanwezig is. Kenmerken van mensen met het Down Syndroom zijn als volgt:

• Kleine, lage oren, overfelding helix en afwezige oorlob, sandle gap

• Upslant ogen, epicanthus, lage neusbrug en protusie tong, doorlopende handlijn

• Dun stijl haar, brachycephaal, brushfield spots en niet langer dan 150cm

• 3 meest voorkomende laesies: atrioventriculaire kanaaldefecten, ventriculaire septumdefecten en persisterende ductus arteriosus

• IQ kinderen: 25-75 en IQ volwassenen: 40-45

• Goede sociale skills en vrolijk

2. Patau Syndroom: dit is een syndroom dat trisomie 13 vormt door non-disjunctie in de maternale meiose I.

3. Edwards Syndroom: dit is een syndroom dat trisomie 18 vormt door non-disjunctie in de maternale meiose I. Kenmerken van dit syndroom zijn samengeknepen vuisten en overlappende vingers. Hiernaast komen vaak korte ooglidspleten, misvormde oren en een prominente occiput voor die hiernaast te zien is. Vaak zijn deze kindertjes heel klein en hebben ze zogeheten ‘rocker bottom’ voeten. Hierbij is talus verticaal aangelegd.

4. Triploïdie (69, XXX; 69, XXY; 69, XYY): deze aandoening komt zelden voor bij levende kinderen en wordt vaak gezien in de prenatale diagnostiek. Hierbij zijn er niet 46 chromosomen in een cel, maar 69. Kenmerken van deze aandoening zijn een ernstige intra-uteriene groei-achterstand met preservatie van de hoofdgroei, maar met een kleine romp. Een voorbeeld van triploïdie is ‘hypomelanosis of ito’. Bij deze ziekte vertonen de kinderen een patroon van normaal gepigmenteerde en non-gepigmenteerde streken op de huid. De meeste kinderen hebben leerproblemen en overerving wordt vaak gezien via mosaicisme.

Hieronder een verdere toelichting en aanvulling:

Syndroom van Down (trisomie 21)

Deze chromosomale afwijking heeft een incidentie van ongeveer 1:1000. Er is een sterk verband tussen de incidentie van Down syndroom en de toenemende leeftijd van de moeder. Klinische kenmerken zijn oplopende oogspleten, kleine oren, een uitstekende tong, lage spiertonus en een enkele palmaire plooi. Vaak is er ook sprake van hartafwijkingen. Kinderen met Down syndroom hebben een IQ tussen de 25 en 75. Meestal ontwikkelen ze Alzheimer later in hun leven en hebben een levensverwachting van 50 tot 60 jaar. Down syndroom wordt in 90% van de gevallen veroorzaakt door een non-disjunctie in maternale meiose I. Een andere oorzaak kan zijn een Robertsoniaanse translocatie of mozaïcisme.

Syndroom van Patau (trisomie 13) en Edwards Syndroom (trisomie 18)

Beide hebben een incidentie van ongeveer 1:5000 en de prognose is erg slecht. De meeste gevallen eindigen in een miskraam of de kinderen gaan heel snel dood. Als ze toch langer overleven zijn er zeer ernstige leerproblemen. In 90% van de gevallen is er een hartafwijking. 10% wordt veroorzaakt door mozaïcisme of ongebalanceerde (Robertsoniaanse) translocaties.

Triploïdie

Triploïdie (69,XXX, 69,XXY, 69,XYY) wordt vaak aangetroffen bij miskramen, maar zelden in een levend kind. Zo’n kind heeft altijd ernstige groeiafwijkingen.

Syndroom van Klinefelter (47,XXY)

Dit syndroom, alleen voorkomend bij mannen, heeft een incidentie van 1:1000. Er is sprake van een extra X-chromosoom. Dit kan gepaard gaan met leerproblemen. Het IQ is vaak 10 tot 20 punten lager dan dat van broers en zussen. De mannen zijn meestal lang, met lange ledematen, kleine testikels en altijd onvruchtbaar.

Syndroom van Turner (45, X)

Hierbij is er maar één X-chromosoom. De incidentie (alleen bij vrouwen) is laag, geschat wordt tussen de 1:5000 en 1:10000. Aan baby’s met het syndroom van Turner is vaak weinig afwijkends te zien. De twee belangrijkst medische problemen zijn een kleine gestalte en onvruchtbaarheid. 80% wordt veroorzaakt door het missen van een geslachtschromosoom bij de paternale meiose. Mozaïcisme kan fertiliteit en een mannelijk fenotype mogelijk maken.

Triple-X syndroom (47, XXX)

Vrouwen met een extra X-chromosoom hebben geen afwijkend uiterlijk, maar wel vaak leerproblemen en opstandig gedrag. Fertiliteit is meestal normaal. 95% van de gevallen wordt veroorzaakt door een non-disjunctie in meiose-I. De incidentie is 1:1000.

XYY-mannen

De incidentie is ook 1:1000. Dit karyotype wordt in verband gebracht met leerproblemen en heel soms ook met antisociaal, crimineel gedrag. Fertiliteit is normaal. Meestal zijn ze langer dan gemiddeld. Het extra Y-chromosoom ontstaat als gevolg van een nondisjunctie in de paternale meiose-II of als een nondisjunctie in de mitose van de zygote (dan ontstaat er een mozaïek).

Aandoeningen van de geslachtschromosomen

Naast de autosomaal trisomale syndromen zijn er ook aandoeningen van de geslachtschromosomen. Aandoeningen die hierbij horen zijn:

• Klinefelter Syndroom (47, XXY): bij dit syndroom is er een X-gerelateerde overerving waardoor alleen mannen dit syndroom kunnen krijgen. Er is een even grote kans dat de X overgeërfd kan worden van de moeder als van de vader. Mannen met dit syndroom bezitten de volgende kenmerken:

• Milde leerproblemen, klunzigheid en verlaagde verbale vaardigheden

• Volwassenen zijn langer dan normaal door hun lange ledematen.

• 30% van de mannen heeft gynaecomastie met vrouwelijke vetverdeling en lichaamsbeharing. Hiernaast zijn ze 100% onvruchtbaar (met behulp van testosteron kunnen er wel mannelijke karakteristieken worden ontwikkeld). Men heeft ook een kleine penis en testikels.

• Verhoogde kans op zweren op het been, osteoporose en carcinomen in de borst.

• Turner syndroom (45,X): Dit syndroom komt bij vrouwen voor die maar één X-chromosoom hebben. Het Barr-lichaampje is hierbij afwezig. Het kan al gedetecteerd worden in het tweede trimester met behulp van ultrasonografie. Hiermee kan er oedeem of zwelling in de nek worden ontdekt (’webbing of the neck’). De oorzaak is in 80% van de gevallen gelegen in een verlies van X bij paternale meiose. Kenmerken van dit syndroom zijn:

• Lage posterieure haarlijn, korte metacarpale botten, breed gespreide tepels

• Korte lengte, falen van de ovaria. Zonder groeihormoon worden deze patiënten niet langer dan 145 cm.

• Fragiele X-syndroom: dit is een chromosomale aandoening die X-gebonden overerft. Hierbij zijn dus voornamelijk mannen aangedaan. Belangrijke kenmerken zijn (zie afbeelding hiernaast):

• Hoog voorhoofd, lange oren, lang gezicht en aanwezige kaak

• Bindweefsel zwakheid

• Matig tot ernstige leerproblemen met autistische karakteristieken en hyperactief gedrag

• 50% van de vrouwen met een volle mutatie vertonen milde leerproblemen.

De fragiele X Locus wordt FRAXA genoemd en de mutatie (vermeerdering) bevindt zich op de ‘5 ongetransleerde regio van het fragiele X leerprobleem gen, FMR-1 gen. Het bevat een lange reeks van herhalingen van het codon CGG. Tussen de 59 en 200 kopieën wordt als instabiel gezien en is daarmee een premutatie. Tussen de 51 en 58 worden de allelen intermediair genoemd en onder de 50 kopieën is het een normaal aantal. Boven de 200 is er sprake van een dusdanige mutatie dat er gesproken kan worden van het fragiele X-syndroom. Wanneer er sprake is van een premutatie is er een kans op ontwikkeling van FXTAS, of ook wel fragiel X tremor/ataxia syndroom. Een volle mutatie onderdrukt de transcriptie van het FMR-1 gen door hypermethylatie, wat de reden kan zijn voor de klinische verschijnselen. Het FMR-1 gen bevat 17 exonen die een rol spelen bij de ontwikkeling en functies van cerebrale neuronen.

Chromosoom deletie en microdeletie syndromen

Verschillende syndromen worden veroorzaakt door (sub)microdeleties. Sommige deleties leiden tot continue gen-syndromen, waarbij een paar genen maar verloren gaan. Bekende deletiesyndromen zullen hieronder besproken worden:

1. Wilms’ tumor: dit is een weinig voorkomende embryonale tumor in de nier, die gepaard kan gaan met groeiretardatie en ontwikkelingsretardatie. Er is vaak een deletie van 11p13 waarbij er verlies is van het WT1-gen. Hierdoor kan de tumor ontstaan. Het kan alleen geanalyseerd worden met FISH (fluorescent in situ hybridisatie) en niet met microarray CGH.

2. Het syndroom van Angelman en het syndroom van Prader-Willi: beide syndromen vertonen verschillende kenmerken. Kenmerken van kinderen met Angelman zijn een ongepaste lach, ataxie en ernstige leerproblemen. Kinderen met Prader-Willi zijn hypotoon en ontwikkelen later vaak obesitas. Hiernaast hebben ze vaak milde leerproblemen. Bij de meeste kinderen is er sprake van een deletie op 15q11-13. Het kan ook ontstaan door imprinting en uniparentale disomie. Paternale overerving is aanwezig bij Angelman en maternale overerving bij Prader-Willi. Wanneer er echter een deletie op de maternale 15 chromosoom ontstaat, krijgt het kind het syndroom van Angelman.

3. DiGeorge Syndroom: hierbij is er sprake van een 3 MB microdeletie van chromosoom 22 (22q11.2). Deze deletie komt het vaakst voor. Het wordt in sommige families overgeërfd via autosomaal dominante overerving. De 3 MB deletie kan optreden omdat het tussen 2 identieke DNA sequenties ligt, ook wel LCR’s, lowcopy repeats, genoemd. Bij recombinatie tussen deze gebieden kan er een deletie plaatsvinden. Dit komt na het in de war raken bij de meiose, waarbij de downstream DNA sequentie in één lijn gaat liggen met de upstream variant. Het kan worden bepaald met micro-array CGH. Kenmerken zijn van het DiGeorge syndroom zijn als volgt:

• Korte lengte, groeihormoondeficiëntie

• Hartmalformatie (voornamelijk in het uitstroomgebied), palatoschisis en typische gezichtskenmerken

• Milde leerproblemen.

• Williams Syndroom: hierbij is er sprake van een microdeletie op 7q11 en het kan bepaald worden met behulp van FISH. Kenmerken van dit syndroom zijn:

• Periorbitale vulling, blauwe ogen, stervormige iris

• Lang filtrum, hangwangen, dikke lippen, lage neusbrug

• Afhangende schouders, vrolijk, ondernemend en sensitief

• Hypocalciëmie, stenose van de truncus pulmonalis en supravalvulaire aortastenose komen vaak voor. Dit laatste wordt veroorzaakt door verlies van een van de genen voor elastine in 7q11.

• Smith Magenis Syndroom: bij dit syndroom is er sprake van een 17p11.2 microdeletie. Hierbij is er ook sprake van recombinatie van LCR’s. Kenmerken van dit syndroom zijn:

• Enige leerproblemen, verstoord slaappatroon (vermindert door melatonine)

• Zelf-knuffelend gedrag en beschadiging, kort filtrum.

• Scoliose, gehoorproblemen en hartziekten kunnen voorkomen.

Er zijn nog een paar deletiesyndromen als 1p36 en 9q34 syndroom die relatief nieuw zijn en niet verder besproken zullen worden.

Aandoeningen van de seksuele differentiatie

Tussen de 6e en 14e week van de embryonale ontwikkeling vinden er complexe processen plaats waardoor het niet verassend is dat er problemen kunnen optreden.

Waar hemafroditisme

Bij deze ‘ziekte’ bevat iemand zowel testiculair als ovarieel weefsel. Er kan hierdoor een mix ontstaan van ovarieel en testiculair weefsel in de gonaden. Dit wordt ook wel ovotestis genoemd. De meeste patiënten hebben een 46, XX karyotype. Het X-chromosoom( paternale) bevat DNA sequenties van de Y door onwettige kruising tussen de X en Y tijdens meiose I.

Mannelijk pseudohemafroditisme

Bij deze ziekte is er alleen weefsel aanwezig van één sekse. Een man kan hierbij 46, XY karyotype bezitten met tweeledige of vrouwelijke genitaliën. De grootste oorzaak is insensitiviteit voor androgenen. Het karyotype toont een man, maar fenotypisch is het een vrouw. Dit verschijnsel wordt het testiculaire-feminisatie syndroom genoemd. De testes liggen in het abdomen of inguinale kanaal. Door de afwezigheid van androgeenreceptoren worden de effecten van testosteron geblokkeerd. Androgeenreceptoren worden normaal gesproken door een gen op het X-chromosoom gecodeerd (ook al sprake van deleties en puntmutaties). Wanneer er een uitbreiding van CAG repeats plaatsvindt in het eerste exon van dit gen, dan kan het zorgen voor een neurologische ziekte genaamd Kennedy’s disease of spinobulbulaire musculaire atrofie.

Female pseudohermaphroditisme

Het karyotype van de vrouw vertoont geen afwijkingen bij deze ziekte, maar de externe genitaliën zijn hetzelfde als van een man. De belangrijkste oorzaak hiervoor is congenitale adrenale hyperplasie.

Chromosomale breuksyndromen

Er zijn ook nog andere syndromen dan hierboven beschreven:

Ataxia Telangiectasia

Dit is een autosomaal recessieve ziekte die ataxie en sensitiviteit voor radiatie bevat. Er is ook een grote kans op pulmonaire infecties en zelfs 10-20% kans op leukemie en lymfomen. Patiënten vertonen vaak chromosomen met chromatide-onderbrekingen en onderbrekingen door radiatie. Het gen voor deze ziekte ligt op chromosoom 11q23.

Bloom Syndroom

Dit is een autosomaal recessieve ziekte waarbij er een licht-sensitieve gezichtsuitslag aanwezig is en een verlaagd IgA- en IgM-niveau. Het defect ligt op chromosoom 15q26. Het gen codeert voor eiwitten die de DNA-strengen laten ontvouwen uit de helix-vorm. Het gen speelt normaal gesproken ook een rol bij de stabiliteit van het genoom, maar bij een defect is er een gestoord DNA-herstelmechanisme.

Xeroderma Pigmentosum

Dit is een ziekte die in zeven vormen kan voorkomen en die autosomaal recessief overerft. Patiënten bevatten een licht-gevoelige, gepigmenteerde uitslag en sterven vaak aan huidmaligniteiten in zongebieden voor hun 20ste.

Indicaties voor chromosomale/microarray CGH analyse

Kinderen met meerdere congenitale abnormaliteiten moeten onderzocht worden, opdat:

• De prognose en behandelmogelijkheden bepaald kunnen worden

• Er gedegen genetische counseling kan geschieden

Medische Genetica: Risicoberekening (22)

Inleiding

Wanneer bij iemand in de familie een autosomaal dominante ziekte heerst, is er 50% kans dat kinderen van die ouders deze ziekte ook krijgen. Om deze kans goed te berekenen moet er een duidelijke familiegeschiedenis bekend zijn, er moet bekend zijn of er een volledige penetrantie is en er moet betrouwbare informatie zijn over de diagnose van heterozygoten. Het is namelijk belangrijk om te weten of de zieke van een ouder is overgeërfd of dat deze is ontstaan door een mutatie. Als er bepaalde dingen niet bekend zijn, of niet juist bekend zijn, wordt de berekening van de kans moeilijker.

Penetrantie wordt meestal weergeven in de vorm van een percentage. 80% penetrantie wil zeggen dat bij 80% van alle mensen met ten minste één mutant allel de ziekte tot expressie komt. Dit kan ook worden weergeven als P=0.8. Mensen zijn die wel het mutante allel hebben, maar bij wie dit niet tot uiting komt, heet gereduceerde penetrantie. Voorbeeld uit het boek: een vrouw heeft dominante ziekte, met een penetrantie van 0.8. Het risico dat een kind van deze vrouw de ziekte zal ontwikkelen is: ½ x 0.8 = 0.4.

Het wordt echter lastiger als er een berekening gemaakt moet worden voor toekomstige kinderen van bepaalde mensen, diegene zelf is gezond maar de ouders waren ziek. Deze kans kan als volgt berekend worden:

Er worden 10 kinderen verwekt, de penetrantie is 0.8. 5 van de 10 kinderen zullen de ziekte waarschijnlijk krijgen. Maar omdat de penetrantie 0.8 is zullen maar bij 4 van de 5 kinderen de ziekte tot uiting komen. Hierdoor zullen 6 van de 10 kinderen de ziekte niet hebben. Dat kans dat een niet zieke kind wel de drager is van de ziekte 1/8. De kans dat deze persoon een kind krijgt dat ziek wordt is dus 1/8 x ½ x 4/5.

Omdat autosomale ziektes vaak op latere leeftijd tot uiting komen is het belangrijk voor dragers te weten of ze de ziekte nog krijgen of door kunnen geven aan hun kinderen. Het is belangrijk dit dus ook te kunnen berekenen, hierbij wordt de Hardy-Weinberg formule gebruikt.

Een autosomale recessieve ziekte is een ziekte waarbij de ouders van een kind niet ziek zijn, maar beide heterozygoot zijn (of 1 van de ouders is heterozygoot en er vindt een mutatie plaats). Hun kind is echter wel ziek. De ziekte wordt vaak ook niet verder doorgegeven en komt maar in 1 generatie voor. Een kind heeft ¼ kans om de ziekte ‘volledig’ te krijgen. De kans om een drager van een autosomale recessieve te zijn, is ⅔ omdat 2 van de 3 gezonde kinderen wel het gen bevatten.

Een van de belangrijkste aspecten van genetische counseling is het maken van een risico figuur, ook wel het recurrence risico genoemd. Dit risico wordt berekend door rekening te houden met: 1) de diagnose en diens manier van overerven, 2) een analyse van de stamboom van de familie en 3) het resultaat van testen met DNA markers.

Als gekeken wordt naar de kans om iets te hebben, moet er als eerste worden gekeken of het iets is dat elkaar kan uitsluiten, of iets dat onafhankelijk is. Als het iets is wat elkaar kan uitsluiten, is de kans dat de één of de ander tot uiting komt, de som van de kansen van beiden. Dit heet de wet van additie.

Als er twee of meerdere uitkomsten zijn die onafhankelijk van elkaar zijn, is de kans dat ze beide tot uiting komen het product van de twee kansen, dit heet de wet van vermenigvuldiging. Een voorbeeld hierbij: als ouders een kindje willen krijgen, is de kans dat het kindje een jongetje of een meisje is 1 (namelijk ½ + ½ = 1, hierbij geldt de wet van additie). Bayes’ regel combineert de kans dat iets wel gebeurt met de kans dat iets niet gebeurt. De beginkans heet de prior probability, dat gebaseerd is op kennis van de familie en voorouders. De observaties die deze prior probability kunnen veranderen zorgen voor conditional probabilities en hiermee kan de uiteindelijke posterior information worden bepaald.

Iemand met een autosomaal dominante aandoening, heeft een risico van ½ dat zijn of haar kinderen het aangedane gen erven. Deze aandoening heeft meestal een volledige penetrantie. Hiermee kan heel makkelijk de kans berekend worden, tenzij:

• Verminderde penetrantie: iemand die na een stamboom analyse eigenlijk de ziekte zou moeten hebben, vertoont geen kenmerken van de ziekte. Bij zo’n berekening moet je de kans dat iemand de ziekte heeft vermenigvuldigen met de penetrantie (bijvoorbeeld; een penetrantie van 80% geeft ½ * 0.8 = 0.4)

• Ziekte komt op latere leeftijd tot uiting: hier wordt gerekend met Bayes’ regel.

Twee personen met een autosomale recessieve aandoening die heterozygoot zijn, hebben een kans van ¼ dat ze een kind krijgen die twee recessieve allelen heeft. 2/4 kinderen zijn dragers en ¼ van de kinderen is compleet gezond. Daarom is de kans dat een gezonde broer of zus van iemand met de ziekte de ziekte ook heeft 2/3. Bij deze berekeningen moet gekeken worden naar de kans dat de ouders drager zijn, die kansen vermenigvuldigen en dan vervolgens nog een keer met ¼ vermenigvuldigen (omdat de kans ¼ is dat beide ouders het recessieve gen doorgeven en het kind de ziekte krijgt).

X-gebonden recessieve aandoeningen zijn lastig te berekenen. Vaak is een aangedane man niet in staat om kinderen te krijgen, dus de aandoening wordt vaak door een vrouwelijke drager overgegeven. Als een aangedane man wel kinderen krijgt, zijn de zonen niet ziek (die krijgen het Y-chromosoom) en alle dochters zijn draagsters (die krijgen de aangedane X). Er zijn bepaalde testen die aan kunnen tonen of een vrouw draagster is. Het enige nadeel is dat als de test een negatieve uitkomst geeft, dus de vrouw is geen draagster, dan is er alsnog een kans dat de vrouw wel draagster is en dat dit is gemist. Als de test positief is, is hij dat ook altijd positief (er zijn geen fout-positieven), maar er zijn wel meer fout-negatieven.

Multifactoriële overerving is een vorm van overerving waarbij er op meerdere genen zijn met een specifieke eigenschap die een invloed hebben op één kenmerk, bijvoorbeeld lengte.

De kans op overerving van een multifactoriële aandoening in broers/zussen of kinderen kan worden berekend door de wortel te nemen van de incidentie van de ziekte in de hele populatie. Als de incidentie in de populatie 1/1000 is, dan is de kans bij een broer/zus of kind van de aangedane persoon 1/32 of 3%. De wortel van de incidentie wordt genoteerd als: P ½. Voor tweede en derde generatie nakomelingen geldt P ¾ en P7/8.

Medische Fysiologie: De bouwstenen van cellen (2)

• Het cytoplasma heeft unieke eigenschappen, die anders zijn dan de omgeving van de cel. Dit verschil wordt mogelijk gemaakt door de plasmamembraan, welke impermeabel is voor grote moleculen en selectief permeabel voor kleine moleculen. Naast deze vorm van passief transport, kan er met behulp van actief transport ook gezorgd worden voor een gradiënt tussen het cytoplasma en de omgeving van de cel.

• De plasmamembraan is opgebouwd uit eiwitten en lipiden, voornamelijk fosforlipiden. Deze bestaan uit een glycerolketen gebonden aan drie hydroxylgroepen, waarvan er twee met behulp van esterbindingen gebonden zijn aan vetzuren of acylgroepen en één gebonden is aan een fosfaatgroep met hieraan een klein molecuul. Dit kleine molecuul wordt ook wel hoofdgroep genoemd en bepaald meestal de naam en de belangrijke eigenschappen van het fosforlipide. Vetzuren zijn hydrofoob, maar hoofdgroepen zijn hydrofiel, waardoor fosforlipiden amfipathische moleculen zijn (zowel hydrofoob als hydrofiel).

• Fosforlipiden zullen een lipiden bilaag vormen, waarbij de hoofdgroepen aan de buitenkant zitten en interactie met de waterige omgeving aangaan en de vetzuurstaarten zullen aan de binnenkant zitten, afgescheiden van het water. Detergenten zijn ook amfipatisch en kunnen hierdoor interactie aan gaan met de fosforlipiden en zo de plasmamembraan afbreken.

• Transmembraaneiwitten bevinden zich in de membraan en zijn meestal hydrofobe alfa-helices. Sommige membraaneiwitten kunnen zich bewegen over de bilaag. Membraaneiwitten kunnen zowel integraal als perifeer verbonden zijn met de plasmamembraan. Enkele membraaneiwitten kunnen zich verplaatsen over de bilaag. Integrale membraaneiwitten kunnen dienen als receptoren, kunnen dienen als adhesiemoleculen, kunnen helpen bij het transport van wateroplosbare substanties over de membraan, kunnen enzymen zijn, kunnen helpen bij intracellulaire signalering en kunnen een cytoskelet vormen.

• Geladen moleculen kunnen niet getransporteerd worden over de fosforlipiden bilaag.

• Organellen vervullen diverse functies binnen de cel. De kern is belangrijk voor de genetische informatie, lysosomen zijn belangrijk voor de afbraak, mitochondriën zijn betrokken bij oxidatieve energieproductie, het cytoplasma wordt in stand gehouden door het cytoskelet, intermediaire filamenten zorgen voor structuur, microtubili zorgen naast structuur ook voor sub cellulaire mobiliteit en daarnaast bevat iedere cel actine en myosine.

• Secretoire en membraaneiwitten worden gemaakt met behulp van het ruw endoplasmatisch reticulum. Signaalherkenning en translocatiemachinerie spelen een belangrijke rol bij eiwitsynthese en translocatie, wat gelijktijdig plaatsvindt. Insertie van membraaneiwitten heeft start en stopsequenties nodig. Nieuw gesynthetiseerde eiwitten ondergaan post-translationele modificatie en vouwing in het lumen van het RER. Secretoire en membraaneiwitten volgen de secretoire pathway door de cel, die door carrier vesicles gecontroleerd wordt.

• Nieuw gesynthetiseerde eiwitten worden opgeslagen in het trans-golgi netwerk. Een mannose 6-fosfaat marker zorgt voor transport van hydrolytische enzymen naar lysosomen. Extracellulair materiaal wordt met behulp van endocytose in cellen getransporteerd.

• Epitheel cellen vormen de barrière tussen intern en extern milieu en zijn polair geladen.