Deze aantekeningen zijn gebaseerd op 2015-2016

Week 1

Hoorcollege 1: Cellen zijn er in vele soorten en maten (21-9-2015)

De cel is de kleinste organische eenheid in het lichaam en wordt afgesloten door een membraan. In de cel zitten verschillende organellen met een eigen functie, die ook omhuld worden door een membraan. De verschillende organellen die zich in de cel bevinden zijn de celkern, het golgi apparaat, het peroxisoom, het lysosoom, de mitochondria, vesicels en het endoplasmatisch reticulum. Door middel van aankleuren kunnen onder de microscoop de verschillende onderdelen van de cel en de aanwezige eiwitten duidelijker zichtbaar worden gemaakt. Cellen zijn heel dynamisch door de eiwitten in de cel. Er zijn verschillende soorten cellen met verschillende vormen en maten. Een spiercel ziet er anders uit dan een epitheelcel. Ook hebben fibroblasten bijvoorbeeld een hele andere functie dan spiercellen. Fibroblasten zijn cellen van het bindweefsel die collageen produceren en dus stevigheid geven aan weefsels, terwijl spiercellen voor beweging zorgen. Cellen vermenigvuldigen, sterven en specialiseren zich en daarnaast werken ze samen met en communiceren ze met andere cellen. De cel bestaat voor een groot gedeelte uit water en is een goed oplosmiddel voor polaire stoffen. De mens bestaat voor 70% uit water. Hydrofiele stoffen zijn stoffen die goed oplosbaar zijn in water en hydrofobe stoffen lossen niet op in water. Water is belangrijk, omdat het een oplosmiddel is voor hydrofiele (polaire) stoffen. Water is zelf ook een polair molecuul, wat betekent dat de negatieve en positieve lading in het molecuul niet gelijk verdeeld zijn. Water verdrijft polaire (hydrofobe) stoffen, zoals bijvoorbeeld vet. De cel maakt gebruik van amfipathische/amfifiele stoffen, die aan de ene kant een polaire kop en aan de andere kant een apolair (hydrofobe) staart (vetzuur) hebben. De amfipatsche stoffen kunnen met elkaar micellen vormen. Er ontstaat als het ware een bolletje doordat de hydrofobe staarten bij elkaar gaan zitten en de hydrofiele koppen zich naar buiten keren. Deze koppen gaan interacties aan met het water.

De opbouw van een celmembraan ziet er ongeveer hetzelfde uit. Zowel binnen als buiten de cel is een polaire omgeving waar de polaire koppen interacties mee aangaan. De koppen keren zich naar buiten en de apolaire staarten steken naar elkaar toe. Hierdoor ontstaat er een dubbele laag. De cel communiceert met de buitenkant (extracellulaire ruimte) door middel van eiwitten die door de membranen heen steken. Het deel van het eiwit dat zich in het celmembraan bevindt is hydrofoob. De cel bestaat naast 70% water uit 30% chemische stoffen. Dit zijn voornamelijk eiwitten, DNA, RNA, lipiden en suikers, dit zijn macromoleculen. Deze stoffen bestaan uit subunits, die gepolymeriseerd worden en zo lange ketens vormen. Bij eiwitten bijvoorbeeld zijn de subunits de 20 aminozuren. Voor DNA en RNA zijn er 4 nucleotiden. De losse subunits worden met covalente bindingen aan elkaar gekoppeld. De eenheden worden aan elkaar gekoppeld onder afsplitsing van water (condensatiereactie). De covalente verbindingen binnen een molecuul kunnen verbroken worden onder invloed van water (hydrolysereactie). De losse moleculen die ontstaan tijdens een condensatiereactie gaan ook een interactie met elkaar aan door middel van non-covalente bindingen. Naast de macromoleculen bestaat de rest van de chemische stoffen uit ionen en kleine moleculen.

Eiwitten

Eiwitten zijn er in vele soorten, vormen en maten. De vorm en structuur van eiwitten wordt bepaald door de aminozuurvolgorde. Een aminozuur bestaat uit een centraal C-atoom (α-carbon), een carboxylgroep (COOH) en een aminogroep (NH2). Aan het centrale C-atoom zit een specifieke zijketen of restgroep. Aminozuren verschillen ten opzichte van elkaar door deze specifieke zijketens. Deze zijketens hebben een verschillend karakter, zoals hydrofoob, hydrofiel, zuur, base. Er zijn 20 verschillende zijketens en dus ook 20 aminozuren. De aminozuurvolgorde is gecodeerd in het DNA.

Primaire structuur

De aminozuurvolgorde vormt de primaire structuur van een eiwit. De aminozuren worden door peptidebindingen (covalente bindingen) aan elkaar gekoppeld, dit zijn erg sterke bindingen. De peptidebinding is stijf en vlak, dus niet vrij draaibaar. Tussen de carboxylgroep en de aminogroep ontstaat namelijk een soort dubbele binding, doordat de ene kant iets positiever geladen is en de andere kant iets negatiever. De C=O en N-H groepen zijn vrijwel altijd in de trans positie. Er worden aan de C-terminale kant, dus de kant met de COOH-groep, nieuwe aminozuren toegevoegd. We lezen af vanaf de N-terminale ofwel aminokant af.

Secundaire structuur

Als we inzoomen op het eiwit zien we in de vorm een aantal simpele principes. Dit zijn α helices en β sheets. Zij vormen de secundaire structuur. Ook zwavelbruggen behoren tot de secundaire structuur van een eiwit. Zoals gezegd is een peptide binding stijf en vlak en dus niet vrij draaibaar. Rotatie is alleen rondom het alfa- carbon mogelijk. De carboxylgroep en de aminogroep van twee aminozuren kunnen waterstofbruggen vormen, waarmee je bepaalde rotaties vastzet. De alfa-helix is een rechts draaiende compacte structuur. De helix bestaat per winding uit 3.6 aminozuren. Alle C=O en N-H groepen uit de hoofdketen ofwel polypeptide backbone vormen waterstofbruggen. De waterstofbruggen worden altijd gevormd tussen een C=O en N-H groepen die vier residuen van elkaar verwijderd zijn. Hierdoor ontstaat de gedraaide structuur. Door de gedraaide vorm wordt het water weggedrukt, want deze kan geen H-bruggen meer vormen. Aan de binnenkant van het eiwit zie je dan ook geen water. Aminozuur zijketens zitten aan de buitenkant van de helix. Superhelixen ofwel coiled coils zijn een samenvoeging van twee alfa-helices. De hydrofobe delen van de ene helix en de hydrofiele delen van de andere helix binden aan elkaar en leveren een stevige structuur op. Bij de β -pleated sheets is de hoofdketen vrijwel gestrekt, met 3,5 graden tussen de aminozuren. Alle C=O en N-H groepen uit de hoofdketens vormen H-bruggen met elkaar op zogenoemde beta- strands. De ketens kunnen parallel of antiparallel lopen. Verschillende alfa-helices en beta-sheets worden met elkaar verbonden door loops. Deze loops zijn ongestructureerde delen.

Tertiaire structuur: 3D conformatie

De lange eiwitketen met de gevormde alfa-helices en beta-sheets krijgt een specifieke vouwing en pas op dat moment is het eiwit functioneel. Deze specifieke vouwing wordt de tertiaire structuur van een eiwit genoemd. Deze specifieke vouwing wordt bepaald door de zijketens van aminozuren in het eiwit. De binnenkant van het eiwit bevat niet-polaire aminozuren en de buitenkant bevat aminozuren met geladen of polaire zijketens. De vouwing of 3D conformaties worden gestabiliseerd door de vorming van non-covalente bindingen tussen verschillende restgroepen, bijvoorbeeld een ionbinding, Van der Waalsbinding, of waterstofbrug. De verschillende specifieke vormen die eiwitten krijgen, dragen bij aan de functie. De tertiaire structuur van een eiwit is niet te voorspellen doordat er vaak chemische modificaties plaatsvinden bijvoorbeeld fosforylering.

De tertiaire structuur is wel te bepalen met experimenten zoals kristallografie. Een eiwit domein is een segment van een polypeptide keten dat onafhankelijk kan vouwen in een bepaalde structuur. In het eiwit zitten dus allemaal delen met bepaalde vouwingen en een bepaalde eigenschap.

Quaternaire structuur

De quaternaire structuur van een eiwit komt tot stand wanneer meerdere eiwitten een verbinding met elkaar aangaan en zogenoemde multi-subunit eiwitten vormen. Een dimeer bestaat uit 2 subunits van polypeptiden. Een homodimeer bestaat uit twee dezelfde subunits en een heterodimeer, bestaat uit twee verschillende subunits.

Eiwit-eiwit interacties

Eiwitten zijn gemaakt om andere moleculen te binden. Voortdurend botsen de eiwitten en alleen met de moleculen waar een goede affiniteit mee is, bindt een eiwit. Dit moet wel heel snel, vandaar dat er geen covalente bindingen, maar niet-covalente bindingen (zwakke interacties) ontstaan. vele zwakke, non-covalente bindingen zorgen voor een hoge affiniteit en specificiteit. Hoe beter twee eiwitten op elkaar passen, des te meer bindingen ze met elkaar maken.

Enzymen

Elk eiwit heeft een bepaalde structuur die zijn functie bepaald, zo kan een eiwit bijvoorbeeld een enzymatische functie hebben. Chemische reacties verlopen tot een evenwicht. Enzymen versnellen (katalyseren) de chemische reactie naar dit evenwicht door de omzetting van substraat in product te versnellen. Enzymen hebben dus een katalytische werking en zijn de schakelaars van reacties in cellen. Het evenwicht wordt bepaald door de wetten van de thermodynamica. Mensen met stofwisselingsziekten hebben een defect in een bepaald enzym. Veel vergiften en medicijnen zijn remmers van enzymen.

Voordelen van enzymen:

• Het enzym koppelt aan het substraat, waarbij er een enzym-substraat-complex wordt gevormd. De omzetting van substraat in product wordt versneld door het enzym, waarbij er een enzym-product-complex wordt gevormd. Vervolgens koppelt het enzym los en komt onveranderd uit de reactie.

• De snelheid van de reactie wordt bepaald door activeringsenergie en enzymen verlagen de activeringsenergie. Dit gebeurt doordat het enzym bindt aan een substraat. De bindingsenergie die hierbij vrijkomt wordt gebruikt om de activeringsenergie te verlagen. Door de binding komt dit substraat ook sneller in transitiestaat en kan er dus sneller een product ontstaan.

• Een enzym zorgt voor één specifiek product

• Een enzym heeft een regulerende werking en kan zorgen voor een juiste volgorde van reacties.

Bij katalyse wordt een ongunstige toestand gunstig gemaakt. Er zijn drie principes van katalyse door een enzym. Een enzym kan twee substraten binden en er daarmee voor zorgen dat ze makkelijker een reactie aan kunnen gaan.

De binding van een enzym aan een substraat kan er ook voor zorgen dat de elektronenverdeling in het substraat verandert, waardoor er een negatief geladen en een positief geladen deel ontstaan. hierdoor kunnen reacties makkelijker plaatsvinden. Als laatst kan een enzym op een gebonden substraat drukken en het in de transitiestaat dwingen om een reactie te vergemakkelijken. Na een reactie keert het enzym weer terug naar zijn oude staat. Een enzym is namelijk nooit onderdeel van de reactie en wordt dus nooit bij de reactie verbruikt. Eiwitten zijn een belangrijk element van cellen, ze zijn dynamisch en hebben een bepaalde functie door specifieke structuren. De conformatie van een eiwit is flexibel. Eiwitten kunnen onder invloed van andere eiwitten, of omgeving ook van vorm veranderen. De zijketens van de 20 aminozuren zorgen voor de specificiteit van het eiwit. Nadat het eiwit gevouwen is, treden er modificaties op. Een veelvoorkomende verandering is de toevoeging of afsplitsing van een fosfaatgroep, dit noemt men fosforylering en defosforylering. Fosforylering kan alleen op serines, threonines en tyrosines plaatsvinden. In dit geval kan een interactie met een ander eiwit al dan niet plaatsvinden. Het eiwit kan dus gereguleerd worden door modificatie. Het enzym kan zo aan- en uitgeschakeld worden. Proteïnekinase is een enzym dat een fosfaatgroep op een eiwit plaatst met behulp van ATP. Veel medicijnen tegen kanker zijn hiertegen gericht. Om het fosfaat weer weg te halen is fosfotase nodig. Onder invloed van energie treedt er een verandering in vorm van het eiwit op. Bij het verbreken van de fosfaatbinding komt energie vrij. Het proces waarbij er een fosfaatgroep aan het eiwit wordt vastgemaakt, heet fosforylering. GTPase is ook een enzym dat aan en uitgeschakeld kan worden door afsplitsing van een fosfaatgroep. Door de mogelijkheid om enzymen aan en uit te schakelen kunnen er moleculaire motoren worden gevormd.

DNA replicatie

DNA is een polymeer van nucleotiden en wordt ook door condensatiereacties gevormd. De DNA helix heeft een grote groeve en een kleine groeve. DNA bestaat uit vier basen, A, T, C en G. Tussen A-T en C-G worden waterstofbruggen gevormd, tussen G-C worden 3 waterstofbruggen gevormd en tussen A-T 2. De dochtercellen die bij celdeling ontstaan, moeten allebei alle genetische informatie krijgen. De DNA streng wordt daarom gesplitst en tegenover de oorspronkelijke streng, template streng, wordt een nieuwe streng gevormd met behulp van het enzym DNA polymerase.

De bouwsteen van het DNA heeft een polariteit. Er is een 5’-groep en een 3’-groep. De 3’-groep is de kant waar de COOH groep zich bevindt en deze kant wordt verlengd. DNA strengen zijn antiparallel. Aangezien synthese altijd van de 5’ naar 3’ kant verloopt, krijg je een probleem bij de lagging strand. Dit wordt opgelost door losse stukjes (Okazaki fragments) te synthetiseren en deze later aan elkaar te maken. De continue gesynthetiseerde streng wordt de leading strand genoemd. Een ander probleem is dat DNA-polymerase niet zomaar kan beginnen, dus moet je een RNA-primer gebruiken. Bij de lagging strand zijn er meerdere primers nodig doordat er losse stukjes gesynthetiseerd worden.

Transcriptie en translatie

RNA is enkelstrengs en kan 3D structuren vormen, ook zijn er verschillende typen RNA met verschillende functies. Bij transcriptie worden stukken van de DNA keten (genen) afgeschreven tot RNA. De transcriptie begint bij een startgen ofwel promotorsite en stopt bij de stopsite. In eukaryote cellen binden zogenoemde transcriptie factoren de promotor en rekruteren RNA polymerase II. Een RNA polymerase bindt aan de promotor en ontbindt de DNA strangen zodat er RNA strengen tussen kunnen worden gevormd.

Er wordt dan premessenger RNA gevormd, waarna er 5’ en capping en 3’ en polyadenylation plaatsvindt om het messenger RNA (mRNA) te stabiliseren. Dit zorgt er ook voor dat RNA export kan plaatsvinden en dat het RNA als mRNA gemarkeerd wordt. Vervolgens vindt RNA splicing plaats waarbij de intronen uit het RNA worden gehaald. Intronen zijn regelelementen en exonen zijn de coderende gedeelten van het DNA die dus in het RNA moeten komen. De transcriptie vindt plaats in de kern. In het cytoplasma vindt eiwitsynthese uiteindelijk plaats op de ribosomen. Bij translatie wordt het RNA vertaald naar eiwitten, waarbij de nucleotide volgorde van mRNA wordt vertaald naar een aminozuurvolgorde. 1 codon wordt door 3 nucleotiden gecodeerd en er zijn vaak meerdere codons nodig voor 1 aminozuur. Het transfer RNA ofwel tRNA heeft aan een kant een anti-codon dat past op een codon van het mRNA en aan de andere kant is er een aminozuur dat gekoppeld kan worden. Ieder aminozuur heeft zijn eigen aminoacyl tRNA synthease. De verschillende aminozuren die door tRNA worden aangevoerd worden met elkaar gekoppeld tot een lange aminozuurketen met behulp van peptidebindingen. Zo wordt er door middel van translatie van mRNA een eiwit gevormd. Het ribosoom is de decoder. Het is een gigantisch eiwit complex dat bestaat uit ribosomaal RNA en ribosomale eiwitten. Het ribosoom heeft een grote ribosomale en een kleine ribosomale unit, die bindingsites voor tRNA vormen.

De A-site bindt het tRNA met aminozuur, op de P-site zit de groeiende polypeptideketen waar nieuwe aminozuren aan gebonden moeten worden en op de E-site komt het lege tRNA en deze wordt uiteindelijk afgebroken. Translation initiation factors binden een de kleine subunit van het ribosoom samen met een tRNA met het startcodon methionine. Hierdoor kan translatie beginnen en elke polypeptide begint dus ook met methionine.

Translatie kan heel snel gaan doordat er meerdere ribosomen kunnen binden aan het mRNA, waardoor er meerdere polypeptide tegelijk gemaakt kunnen. Dit noemen we polyribosomen. De hoeveelheid productie van eiwitten hangt af van de hoeveelheid RNA die je hebt, de stabilliteit van het RNA, hoe snel de translatie gaat en hoe stabiel het eiwit is.

Werkgroep 1

Verklaar waarom de biologische activiteit van een eiwit bepaald wordt door zijn aminozuurvolgorde

De aminozuurvolgorde bepaalt de eigenschappen van een eiwit en dat bepaalt dus ook samen met de interactie met de buitenwereld de vorm. De vorm en de interactie met andere aminozuren bepaalt zo dus de activiteit van het eiwit.

Leg uit waarom collageen in het lichaam als structureel eiwit kan functioneren, hemoglobine als transporteiwit en lysozyme als een enzym. Hoe ‘werken’ deze eiwitten en welke elementen in de structuur van deze eiwitten zijn vereist voor hun werking?

Collageen: bestaat uit drie lange polypeptide ketens die elk het non-polaire aminozuur glycine op elke derde positie hebben zitten. Deze structuur zorgt ervoor dat er een triplehelix gevormd kan worden. Heel veel collageen moleculen aan elkaar vormen collageen fibrillen die heel erg sterk zijn en zo structureren goed bij elkaar kunnen houden.

Hemoglobine: hemoglobine bindt zuurstof aan zich en transporteert deze zuurstof moleculen door heel het lichaam heen. Het bestaat uit twee α-globine subunits en twee identieke β-globine subunits die symmetrisch gerangschikt zijn. Elk van deze ketens bevat een heem molecuul, met daarin een ijzeratoom waar zuurstof aan gebonden kan worden. Hij wordt niet getriggerd door een eiwit, maar door zuurstof.

Lysozyme: Dit enzym verbreekt de polysacharideketens in de celwanden van bacteriën. Dit doet ie door een watermolecuul tussen een enkele binding van twee suikergroepen toe te voegen, waardoor deze verbinding breekt. De actieve plaat op het oppervlak van lysozyme is een groeve en vormt een bindingsplaats voor het substraat en wanneer dit substraat gebonden is versnelt lysozyme de toevoeging van een watermolecuul aan de suikerbinding.

De vorm bepaalt de functie!

Wat zijn eiwitfamilies? Leg aan de hand van de serine protease-familie uit hoe de leden van deze familie verschillende eiwitten afbreken. Wat zijn de overeenkomsten en verschillen tussen de verschillende leden van deze familie?

Eiwitfamilies zijn groepen eiwitten die een vergelijkbare aminozuurvolgorde en een vergelijkbare driedimensionale conformatie hebben. Overeenkomsten: delen van hun aminozuurvolgorde zijn hetzelfde, de meeste krommingen in hun polypeptiden zijn gelijk. Verschillen: ze hebben verschillende enzymatische activiteiten, ze breken namelijk elk andere eiwitten of peptide bindingen tussen verschillende aminozuren af. Dus de functie is redelijk gelijk namelijk afbraak, alleen de specifieke functie is anders omdat ze elk een ander eiwit afbreken.

A-helices en b-sheets zijn karakteristieke vouwingen binnen een eiwitconformatie. Bespreek de structurele kenmerken deze vouwingen en welke interacties er aan ten grondslag liggen.

A-helices: De helix wordt gevormd door de waterstofbruggen die tussen elke vierde atoom in het polypeptide keten gevormd wordt. Deze binding vindt plaats tussen de C=O en N-H van het polypeptide. Dus de waterstofbruggen worden in de backbone gevormd op elk 1, 4, 8, 12 enz. carboxyl of aminozuurgroep. De zijketens steken uit aan de buitenkant van de backbone.

B-sheets: zien eruit als een platte zigzag. Je hebt antiparallel en parallelle beta-sheets. Parallel is als de N-terminus en de C-terminus in dezelfde richting lopen. Antiparallel is als de N-terminus naast de C-terminus ligt. De zijketens liggen boven en onder de b-sheet.

Als u een eiwit denatureert in zuur milieu, welke bindingen worden dan verbroken?

Dan worden de waterstofbruggen verbroken. Vergelijk deze bindingen met de overeenkomstige bindingen tussen complementaire DNA-strengen. Zijn de bedoelde bindingen tussen complementaire DNA-strengen sterker of zwakker dan soortgelijke bindingen in eiwitten? De som van alle waterstofbruggen in DNA is sterker dan de bindingen in eiwitten, omdat het DNA molecuul meer waterstofbruggen heeft dan een eiwit heeft DNA een sterkere verbinding.

Tijdens welk biologisch proces dienen deze bindingen tussen complementaire DNA-strengen te worden verbroken?

Tijdens DNA transcriptie en replicatie moeten deze verbindingen verbroken worden.

Leg het werkingsmechanisme uit van zowel ‘reversible protein phosphorylation’ als van een GTP-bindend eiwit. Wat is het verschil tussen beide mechanismen en waarom zijn ze biologisch zo belangrijk?

Reversible protein phosphorylation: het toevoegen of verwijderen van een fosfaat. Het fosfaat molecuul zit vast aan een ATP en wordt dan overgezet op de hydroxyl groep van serine, threonine of tyrosine op een van de zijketens van het eiwit. Er blijft dan ADP over en als fosfaat weer van het eiwit wordt gesplitst gaat het op dit ADP zitten zodat er weer energie vrijkomt in de vorm van ATP.

GTP-bindend eiwit: hier is ook sprake van een fosfaat binding en verwijdering alleen is het fosfaat nu deel van een guanine nucleotide. Wanneer GTP gebonden is zijn de eiwitten verandert de conformatie en dan wordt het eiwit inactief of actief (ligt eraan of het eiwit voor GTP binding actief of inactief wat). Maar ze kunnen GTP hydrolyseren tot GDP, waardoor er een fosfaat molecuul vrijkomt.

Het is niet zo dat een toevoeging van fosfaat per se een activatie tot gevolg heeft, het kan ook inactivatie tot gevolg hebben. Kinases binden de fosfaten aan het eiwit. Fosfatase halen de fosfaten er af.

Biologisch belang van enzymen is dat ze betrokken zijn bij cel processen en soms is het belangrijk om deze te activeren of juist te deactiveren.

In Alberts op blz. 155 wordt er in de legenda van figuur 4-44 gesproken over een moleculaire schakelaar. Leg het begrip moleculaire schakelaar uit en beredeneer of u ‘reversible protein phosphorylation’ en de werking van een GTP-bindend eiwit tot een moleculaire schakelaar zou rekenen.

Moleculaire schakelaar: de aan- en uitschakeling van een eiwit door het toevoegen en verwijderen van een fosfaat. Door hydrolyse vanuit het eiwit komt het fosfaat molecuul vrij. Het eiwit zet zichzelf dus aan en uit. GTP- bindend eiwit en reversible protein phosphorylation zijn allebei een moleculaire schakelaar, omdat ze allebei aan en uit kunnen.

Extra opdrachten werkgroep

Geef argumenten voor de (on)juistheid van de volgende uitspraken:

Bij de translatie van eukaryotisch boodschapper RNA wordt elk codon van het boodschapper RNA vertaald in een aminozuur.

Onjuist, omdat je ook de non-coding sequences hebt die niet getransleerd worden. Ze zijn een soort bindingsplaats voor RNA polymerase, hier bindt ie en dan loopt ie naar rechts en de translatie begint dan bij het startcodon.

Indien de DNA nucleotide volgorde 5’-TTAACGGCTTTTTTC-3’ eerst volledig overgeschreven wordt in RNA en vervolgens vertaald wordt in een peptide dan zal het N-terminale aminozuur van het peptide een glutaminezuur (Glu) en het C-terminale aminozuur een arginine (Arg) zijn.

Aflezen van 5 naar 3, dus rechts naar links. Het begin is GAA (N-terminaal) en eind is UAA (C-terminaal), dit is een stopcodon dus moet je de drie ervoor nemen dit is CGU in RNA N - terminale aminozuur (5’) is dan Glutaminezuur en het C-terminale aminozuur (3’) is dan arganinezuur. Dus het antwoord is juist. Eiwitten beginnen met een N-kant dus de 5’ kant van het RNA vormt de N-kant van het eiwit.

Een a-helix structuur met de aminozuurvolgorde ‘Ile-His-Val-Asp-Leu-Asn-Ile-Arg-Lue-Lys-Ala-Ser-Phe-Glu-Gly-asp-Ala-Arg-Lue’ is geschikt om een membraan te doorkruisen. (zie tabel blz. 124). Onjuist, als de helix een andere vorm aanneemt waardoor de polaire kant aan de buitenkant komt en de non-polaire kant in het vettige gedeelte aan de binnenkant komt dan kan het het celmembraan wel doorkruisen.

Uit het pre-mRNA (ook wel primair transcript genoemd) kunnen eiwitten gemaakt worden die functioneel van elkaar verschillen.

Juist, omdat er in het pre-mRNA nog exonen en intronen zitten die er nog uit gespliced moeten worden. (236 plaatje 7.22)

Niet-covalente bindingen zijn te zwak om de driedimensionale structuur van een eiwit te beïnvloeden. Onjuist.

Practicum 1

Deel 1: Myoglobine: een zuurstof-bindend eiwit

Myoglobine is een zuurstofbindend eiwit in je spieren. De secundaire structuur van myoglobine is een alpha-helix. Naast de peptideketen zijn er ook watermoleculen, een heem-groep en een sulfaat-ion aanwezig. De prothetische heemgroep (co-factor) is als een cassette in myoglobine gestoken. Zuurstof bindt aan het ijzeratoom in myglobine.

Moleculen kunnen onderling sterke en zwakke interacties aangaan. Zwakke interacties zijn non-covalente bindingen zoals H-bruggen, van der Waals-bindingen, ionbindingen en hydrofobe interacties. Covalente bindingen zijn sterke interacties. De heemgroep in myoglobine wordt door hydrofobe interacties op zijn plaats gehouden. Vooral de C in de heemgroep is hydrofoob.

Histidine 64 en Histidine 93 zorgen ervoor dat het de heemgroep op zijn plek blijft in myoglobine. Ze gaan een non-covalente interactie aan met ijzer. De heem-groep zit dan tussen de beide Histidines in.

Het O2 in myoglobine is gebonden aan het ijzer ion in het centrum van de heem-groep.

Deel 2: Collageen: een structureel eiwit

Collageen komt voor in botten, kraakbeen, huid, pezen en tanden. Glycine heeft een belangrijke rol in collageen. De zijketen van glycine bestaat alleen uit waterstof (H). Hierdoor kunnen de 3 eiwitketens strak om elkaar heen draaien. Op deze manier wordt de stevige superhelix gevormd. In de aminozuurketen van collageen komt om de 3 aminozuren een glycine residue voor, die naar de binnenkant van de helix wijzen. Wanneer er door een mutatie geen glycine maar een ander eiwit wordt gevormd, heeft dit gevolgen voor de structuur en functie van collageen. Hierdoor is er geen strakke omwenteling meer mogelijk tussen de 3 helices.

Ook proline en hydroxyproline zijn onderdeel van het eiwit collageen. Hydroxyproline wordt posttranslationeel gevormd door hydroxylering van proline. De OH-groep zorgt voor de extra vorming van H-bruggen voor de stevigheid. Proline en hydroxyproline komen beide voor in de uiteindes van collageen en zijn belangrijk voor de stabiliteit. Ze zorgen voor de strakke draaiing van de helix van collageen. De zijketens van de aminozuren in collageen zijn vaak polair, zodat ze veel H-bruggen kunnen vormen voor stabilisatie van de structuur.

Scheurbuik ontstaat door een tekort aan vitamine C. Het enzym dat proline posttranslationeel hydroxyleert, heeft vitamine C nodig. Tekort aan vitamine C leidt tot inefficiënte hydroxylatie. Hierdoor zijn de collageenvezels minder stabiel. Tanden en kiezen kunnen bij mensen met scheurbuik uitvallen.

De periodiciteit van de collageen helix is 3. Dit wil zeggen dat je na 3 aminozuren 360° bent gedraaid. De periodiciteit van een normale alpha-helix is 3.6. De periodiciteit van collageen is lager door de strakkere draaiing door de kleine zijgroep (H). Wanneer glycines vervangen zouden worden door andere aminozuren zou de strakke winding niet plaats kunnen vinden. Dit omdat de grotere zijketens voor sterisch hindering zouden zorgen. Hierdoor zou het collageen verzwakken.

Deel 3: Een DNA-eiwit complex: de Pit-1 transcriptiefactor gebonden aan DNA.

Een transcriptiefactor is een DNA-bindend eiwit dat de transcriptie van een gen reguleert. Pit-1 is belangrijk voor de cel differentiatie van 3 types in de hypofyse. De secundaire structuur van Pit-1 is voornamelijk de alpha-helix. Het Pit-1-eiwit bindt in de major groove van het DNA.

De periodiciteit van DNA is 10,5. Dit betekent dat je na 10,5 base 360° graden bent gedraaid. De dubbele helix in DNA is, net als de alpha-helix van een eiwit, een rechtsdraaiende spiraal. Bij DNA is de diameter van deze spiraal het grootst. Dit omdat in de DNA dubbele helix zich waterstofbruggen vormen tussen de basenparen, waardoor er meer ruimte binnen de spiraal is.

Deel 4: Calmoduline: twee vormen van één eiwit.

De werking van calmoduline is afhankelijk van de binding van calcium. Calmoduline heeft de vorm van een halter (gewichtheffen) en is een klein eiwit. Calmoduline kan 4 Ca2+-ionen binden, 2 aan elke kant. Bij de binding van calcium ondergaat calmoduline een conformationele verandering. Er wordt dan een centrale helix gevormd. Als calmoduline calcium heeft gebonden kan het vervolgens aan verschillende eiwitten binden. Het omsluit dan vaak het eiwit en verandert daarmee dus weer van structuur.

Werkgroep 2

A Osteogenesis Imperfecta

Osteogenesis Imperfecta is een autosomaal dominante overerfbare ziekte aan de botten. Er vindt te weinig botvorming plaats door gemuteerd collageen type 1. Hierbij is het glycine in collageen gemuteerd. Hierdoor ontstaan licht breekbare botten en vergroeiingen. Collageen is herkenbaar door de driedubbele helix (superhelix). De alfa1 en alfa2 polypeptiden in het collageen zijn gemuteerd bij deze aandoening. Ook andere lichaamsbindweefsels met collageen erin zijn zwakker of vergroeien zoals tanden, huid en oren. Er zijn 4 verschillende types, afhankelijk van hoeveel functioneel collageen er overblijft.

A Proofreading

Bij proofreading wordt er gecontroleerd of de juiste nucleotide is aangebouwd tijdens DNA-replicatie door DNA polymerase. Op het DNA polymerase zit een domein wat na het aanzetten van de nucleotide controleert of het de juiste is. Bij een foute nucleotide knipt een nuclease deze er af en zet DNA polymerase opnieuw de juiste eraan. Proofreading werkt alleen in de richting van 5`- naar 3`-kant van de streng. Mismatch repair verwijdert fouten die niet gecorrigeerd zijn door proofreading. Een complex van Mr-eiwitten merkt een kleine vervorming (nick) in de DNA-helix op. Nucleases knippen deze vervorming uit de streng. DNA polymerase voegt nieuwe nucleotides toe. Vervolgens plakt ligase het nieuwe stuk vast aan de rest van de streng. Mr werkt van de 3’- naar 5’-kant.

B Marfan Syndroom

Het Marfan Syndroom is autosomaal dominant overerfbaar. Bij dit syndroom zijn er veel mutaties in fibrilline 1. Fibrilline is samen met elastine belangrijk voor de vorming van elastinevezels. Deze zorgen voor stevigheid en elasticiteit in het bindweefsel. Door lagere hoeveelheden fibrilline worden minder elastinevezels gemaakt, waardoor het bindweefsel minder stevig wordt. Door de mutatie in fibrilline wordt er te weinig TGF-beta vastgehouden (TGF-beta breekt bindweefsel af) en komt er te veel TGF-beta vrij wat leidt tot te veel bindweefselafbraak.

B Depurinering, deaminering en pyrimidine dimeren

Depurinering houdt in dat het purine (Adenine of Guanine) verwijdert wordt van de fosfaatbackbone. Door deze deletie ontstaat er een frameshift. Hierdoor kunnen er andere eiwitten gevormd worden. Deaminering houdt in dat de aminogroep van Cytosine wordt ontkoppelt (dmv hydrolyse) en Cytosine daardoor verandert in Uracil. Bij de volgende keer aflezen voor de Uracil afgelezen als Adenine. Dit wordt een missense mutatie genoemd, want het nieuwe codon codeert voor een ander aminozuur. UV-licht veroorzaakt mutaties tussen 2 pyrimidines (thymine en cytosine, meestal thymine).

De H-bruggen tussen de complementaire streng worden op deze plek verbroken. Dubbele bindingen in de thymines worden enkelvoudige en de 2 thymines vormen covalente bindingen met elkaar. Bij alle drie wordt er verkeerd DNA gerepliceerd.

C Sikkelcelanemie

Sikkelcelanemie is een vorm van bloedarmoede en is autosomaal recessief overerfbaar. Sikkelcelanemie ontstaat door een mutatie in de beta-polypeptideketen in hemoglobine A (HbA). In codon 6 vindt de mutatie plaats, waardoor er in plaats van glutamine nu valine afgelezen wordt. Hierdoor wordt er hemoglobine S (HbS) gevormd. HbS vormt lange polymeren als er weinig zuurstof aanwezig is. Deze polymeren geven de rode bloedcellen hun sikkelachtige vorm. Sikkelcelanemie zorgt voor chronische hemolytische (bloedafbraak) anemie. Ook verstoppen de bloedvaten en hebben erythrocyten een verkorte levensduur. Opvallend is dat sikkelcelanemie vooral voorkomt in landen waar malaria heerst. Sikkelcelanemie veroorzaakt namelijk malariaresistentie (natuurlijke selectie).

C Xeroderma Pigmentosum

Xeroderma Pigmentosum is autosomaal recessief overerfbaar. Door mutaties in het DNA is één van de eiwitten van het Nucleotide Excision Repair niet aanwezig. De mutaties kunnen op 7 verschillende genen liggen. Het Nucleotide Excision Repair System (NERS) verwijderd meerdere fouten (niet alleen 1 base) uit het DNA. Bij deze patiënten werkt dit systeem niet meer door het missende eiwit. De pyrimidine dimeren die door UV-licht ontstaan, worden bij deze aandoening niet verwijderd. De mutaties in het DNA blijven dus aanwezig en leiden tot vele tumoren.

D Congenitale Spherocytose

Congenitale Spherocytose is een autosomaal dominante vorm van bloedarmoede. Door missende/gemuteerde eiwitten in de cortex van de rode bloedcel (o.a. ankyrine) kan het spectrine-actine skelet dat de cel zijn vorm geeft niet meer hechten aan deze eiwitten. Dit leidt tot verlies van het nu instabiele membraan en het verlies van de donut-vorm van de cel. Er vindt blebbing van de cel plaats (kleine bolletjes cytoplasma worden afgesplitst). De cellen zijn nu minder flexibel, kunnen moeilijk door de milt en worden hier afgebroken door macrofagen (via fagocytose).

D HNPCC-syndroom

Heriditair Non Polyposis Colorectaal Carnicoom, ook wel: Erfelijke niet-polipeuze dikke darmkanker. Het HNPCC-syndroom is autosomaal dominant en komt vaak al voor 50ste levensjaar voor. Mutaties treden hierbij op in de genen voor reparatie-eiwitten. Eén gemuteerd gen is al aanwezig bij de geboorte, een andere gen kan in het leven muteren (second hit). Microsatellite DNA zijn korte stukjes repeterende DNA (vaak CACACACA). Deze kleine repeats zijn herkenbaar voor deze ziekte, want deze worden bij mismatch repair niet herkend. Ook worden deze repeterende stukjes langer of korter bij mensen met HNPCC (microsatellite instability). Dit kan allemaal leiden tot kwaadaardige tumorgroei. De tumoren komen vooral voor in snel delend weefsel (bijvoorbeeld darm, baarmoeder en borst).

Interactief college 1 (25-9-2015)

DNA replicatie

Het replicatieproces begint met het zoeken van een bepaalde volgorde van basen in het DNA, dat de replication origin wordt genoemd. Op dit punt grijpt het eiwit helicase aan om het dubbelstrengs DNA te ontwinden. Hierbij wordt ATP gebruikt. Menselijk DNA heeft meerdere replication origins. Hierdoor kan op meerdere plekken DNA replicatie op hetzelfde moment plaatsvinden, zodat het genoom binnen zeer korte tijd helemaal vermenigvuldigd is.

Na de ontwinding van de dubbele helix van het DNA vormt het eiwit primase een RNA-primer. Dit vormt een aangrijpingspunt voor DNA-polymerase. DNA polymerase valt vrij makkelijk van het DNA af en wordt daarom aan de DNA streng gehouden door een sliding clamp. Nu kan DNA-synthese beginnen. DNA synthese vindt altijd plaats van de 5’ kant naar de 3’ kant. De C-atomen van het suikeratoom bepaalt of het een 3’ of 5’ is (5’ is het 5e C-atoom uiteinde, 3’ is het 3e C-atoom uiteinde). De energie die vrijkomt bij hydrolyse van pyrofosfaat wordt gebruikt voor de vorming van een peptidebinding. Dit is de reden dat er altijd van de 5’ naar de 3’ kant wordt gesynthetiseerd. Als je namelijk van de 3’ naar de 5’ kant gaat synthetiseren en vervolgens een fout tegenkomt bij proofreading wordt ook de fosfaatgroep weggehaald. Op deze manier kan je niet opnieuw een peptidebinding maken.

Doordat de DNA synthese alleen plaatsvindt van de 5’ kant naar de 3’ kant, kan een deel van de DNA-streng niet aan één stuk door gesynthetiseerd worden. Deze streng wordt de lagging-strand genoemd en synthetiseert in stukjes die Okazaki fragmenten worden genoemd. Deze Okazaki fragmenten worden later weer aan elkaar geplakt. Het deel van het DNA dat continu gesynthetiseerd wordt, wordt de leading-strand genoemd. De DNA strands hebben een tegenovergestelde polariteit. Semi conservatieve replicatie is replicatie waarbij een deel van de oude streng blijft bestaan en een nieuw gevormde streng eraan geplakt wordt. Guanine en Adenine worden samen purine genoemd en thymine en cytosine worden pyrimidine genoemd.

DNA helicase plus een DNA primase worden samen primosome genoemd. Helicase zorgt voor torsionale stress, waardoor de druk op DNA zo groot wordt dat ze niet meer gesplitst kunnen worden. Dan komen de twee topoisomerases van pas. Topoisomerase 1 knipt een enkele streng van het DNA en bindt ze dan weer aan elkaar maar niet in een helix. Topoisomerase 2 knipt beide strengen door. Exonuclease werkt van het 3’ naar 5’ eind, om te controleren of de goede basen geplaatst zijn.

DNA repair

Beschadigingen in het DNA die ontstaan tijdens de replicatie worden gerepareerd tijdens proofreading. Dit wordt gedaan door DNA-polymerase. Het gaat hier om een mis-match, dus een verkeerde base paring. Voordat DNA polymerase een nieuwe base aankoppelt, controleert het eiwit of de vorige base klopt. Zo niet, dan wordt de base verwijderd en wordt de goede base ingebouwd. Op de P-site van polymerase vindt nieuwe binding van basen plaats en op de E-site worden de basenparen gecontroleerd en worden verkeerde paren eruit gehaald.

DNA-polymerase gebruikt voor proofreading een ander deel van zijn structuur dan voor de DNA-synthese. Wanneer een fout niet gerepareerd is tijdens proofreading, kan deze gerepareerd worden door mis-match-repair. Tijdens dit proces wordt de fout herkend, de fout wordt verwijderd en de goede base wordt ingebouwd door DNA-polymerase. Als laatste worden de openingen tussen het nieuw gemaakte stuk en de oude streng gedicht door ligase. Het is wel van belang dat de laatst gesynthetiseerde DNA-streng wordt herkend, zodat de foute base wordt verwijderd. Dit gaat waarschijnlijk aan de hand van zogenaamde ‘nicks’ die alleen in de laatst gesynthetiseerde streng voorkomen.

Bij mismatch repair is een speciale set van eiwitten nodig voor het herstel van correcte baseparing in het DNA. Bij HNPCC (Hereditary Nonpolyposis Colon Cancer) is er iets mis met één van de mismatch repair eiwitten. Dit kan leiden tot kanker. De diagnose voor een defect mismatch repair systeem is micro-satelliet instabiliteit. Zonder repair systeem krijg je ophopingen van mutaties en dit heeft kanker tot gevolg.

Een fout in een mis-match-repair eiwit kan worden vastgesteld door te kijken naar de lengte van het DNA. Wanneer dit tussen verschillende cellen varieert is er een fout aanwezig. Het extra ingebouwde codon dat tijdens backward slippage wordt ingebouwd, wordt namelijk niet meer herkend en wordt verwijderd.
Er zijn ook beschadigingen aan het DNA die door invloeden van buitenaf veroorzaakt worden. Zo ontstaan er door UV licht thymine dimeren.

Depurinatie: nucleotiden vallen weg. Hierdoor krijg je een frameshift (ander leesraam)

Deanimering: veranderde basen door afsplitsing van een aminogroep.

NER pathway

Het repareren van het DNA verloopt in vijf stappen:

• Het beschadigde deel wordt herkend

• Aan beide kanten wordt een incisie gemaakt (door nuclease)

• De reeks nucleotiden wordt verwijderd

• Een nieuw stuk wordt erin gezet en vastgeplakt (door DNA polymerase)

• De opening wordt weer gesloten (door ligase)

Wanneer er een dubbele breuk in het DNA optreedt, kan deze op twee manieren worden gerepareerd. Wanneer de fout tijdens de replicatie optreedt wordt deze aan de hand van de nog aanwezige goede DNA-strengen gerepareerd. De fout wordt op deze manier volledig hersteld. Wanneer er geen tweede DNA-paar aanwezig is, worden de gebroken DNA-strengen gewoon aan elkaar gekoppeld. Dit kan leiden tot mutaties. De stabiliteit van genen is afhankelijk van DNA repair.

Xeroderma Pigmentosum

Bij Xeroderma Pigmentosum is sprake van een extreme overgevoeligheid voor UV-licht (zonlicht). Als men Xeroderma Pigmentosum heeft, mist een gen voor de aanmaak van een van de eiwitten (nuclease) die een rol spelen bij de NER pathway. Er zijn 7 varianten en bij ieder mist de patiënt één of meer eiwitten van de NER pathway. Doordat de DNA reparatie niet goed verloopt, blijven de cellen beschadigd. Als dit in oncogenen of tumor supressor genen gebeurt, ontstaan er gezwellen.

Mutaties in genen die coderen voor eiwitten bij regulatie van de celdeling leiden tot kanker. De kans op kanker neemt toe naarmate je ouder wordt.

Mutaties

Er zijn 3 soorten mutaties:

• Puntmutaties zijn onder te verdelen in silent, nonsense en misense puntmutaties. Bij silent puntmutaties vindt er geen verandering in het aminozuur plaats. Bij nonsense puntmutaties verandert een aminozuur in een stopcodon. Bij missense puntmutaties vindt er een verandering van een aminozuur plaats, een conservatieve mutatie is een verandering naar een aminozuur met vergelijkbare eigenschappen en een non-conservatieve mutatie is een verandering naar een aminozuur met compleet andere eigenschappen.

• Frameshift mutaties zijn mutaties waarbij inserties (toevoegingen) en deleties (verwijderingen) van aminozuren plaatsvindt, waardoor je andere codons krijgt.

• Splice site mutaties zorgen ervoor dat splicing niet goed wordt uitgevoerd en je een verkeerd aminozuur krijgt.

Er zijn ook verschillende soorten chromosomale afwijkingen. Inversie is het omdraaien van een deel van een chromosoom. Duplicatie is een kopie van een deel van het chromosoom in hetzelfde chromosoom. Hierbij kan amplificatie plaatsvinden, dit is het versterken van een deel van je chromosoom. Deletie is het verwijderen van een deel van het chromosoom. Als laatst is er de reciprocal translocation waarbij een deel van een chromosoom verplaatst wordt naar een niet homoloog chromosoom.

Germ line ofwel kiembaan mutaties zijn mutaties die doorgegeven kunnen worden aan nakomelingen, dit zijn dus mutaties in de geslachtscellen.

Somatische mutaties kunnen niet worden doorgegeven aan nakomelingen en vinden dus in normale cellen plaats.

In uitgedifferentieerde cellen hebben mutaties weinig effect, maar in nog delende cellen is het effect afhankelijk van de aard van de mutatie en het delend vermogen van de cel.

Somatische mutaties leiden tot genetisch mozaïcisme, dit is een situatie waarin niet alle cellen in het lichaam van een individu hetzelfde genetisch materiaal bezitten.

Voorbeelden hiervan zijn het McCune Albright Syndrome waarbij een mutatie in het GNAS gen ervoor zorgt dat iemands huid deels blank en deel getint is. Een mutatie in het RAI gen zorgt ervoor dat een persoon twee verschillende oogkleuren heeft, dus bijv. 1 blauw oog en 1 bruin oog. Penetrantie is de frequenties waarmee een erfelijke eigenschap zich manifesteert bij de personen die drager zijn van het allel dat verantwoordelijk is voor de eigenschap. Autosomaal betekent dat er gecodeerd is op een chromosoom dat geen geslachtschromosoom is. X-linked ziekten komen vaker voor bij mannen, omdat de mutaties op het X chromosoom zitten. Meisjes krijgen ook nog een X van hun vader en als die X geen mutaties bevat is deze dominant over de X van de moeder. Jongens krijgen alleen een X van de moeder dus mutaties op deze X uitten zich dus altijd bij jongens.

Een dominant negatief gen is een gen waarvan het gecodeerde product het normale, wilde type gen product remt in zijn functie. Loss of function mutaties zijn mutaties die ervoor zorgen dat het gecodeerde eiwit minder of niet functioneel is. Null mutatie geven een eiwit dan niet functioneel is. Gain of function mutaties zijn mutaties waardoor een gecodeerd eiwit juist overactief is of een nieuwe functie krijgt. De meeste oncogene mutaties (mutaties die kanker veroorzaken), zijn somatische mutaties. Dit is een missense mutatie, omdat er een verandering van aminozuur plaatsvindt. Dit zorgt voor een gain of function, omdat het eiwit actiever wordt. Bij loss of heterozygosity is een normaal wild-type allel verloren gegaan door een somatische mutatie in een cel.

Kan een recessief gen een eigenschap veroorzaken, die autosomaal dominant overerft? Ja, maar die eigenschap is dan vrijwel altijd afhankelijk van somatische mutaties, waardoor een aantal homozygote cellen ontstaan met eigenschappen die verschillen van die van heterozygote cellen in de rest van het individu.

Week 2

Hoorcollege 2

De cel is de kleinste eenheid van leven. Er zijn veel verschillende cellen (ca. 200) in ons lichaam. De mens heeft ongeveer 1x10¹⁴ cellen, maar er zijn ook organismen die uit maar één cel bestaan (bacterie, schimmel, gist en parasiet) Celbiologie omvat onder andere het proces waarbij en gen tot een genproduct (eiwit) leidt in zijn natuurlijke omgeving (de cel). Op die manier is te achterhalen waar een storing (mutatie) zit en zo de mogelijke oorzaak van een ziekte opsporen. Vervolgens kunnen er geneesmiddelen tegen ontwikkeld worden. . Cellen zijn heel dynamisch. Zij kunnen zich bewegen en zijn ook in staat om te eten, denk daarbij aan een macrofaag die een bacterie opeet. Verder zijn ze in staat te reproduceren, te communiceren en dood te gaan. De cellen kunnen zichtbaar worden gemaakt met behulp van een microscoop. Er zijn verschillende soorten microscopen, waaronder de lichtmicroscoop. Om in een cel te kunnen kijken en de organellen goed te zien is een elektronenmicroscoop nodig. Onder een elektronenmicroscoop kunnen echter geen levende cellen bekeken worden. Organellen vormen eilandjes die door een membraan omgeven zijn in de cel met een eigen micro-milieu en specifieke functie. Ze worden gevormd en in stand gehouden door een constante aanvoer van nieuwe eiwitten. Transport van nieuw aangemaakte eiwitten naar het juiste organel is van levensbelang voor de cel. Een aantal onderdelen van de cel zijn:

• Cytosol: gelachtige basissubstantie van de cel

• Cytoplasma=cytosol + organellen

• Celkern (nucleus): bevat DNA en wordt omgeven door een kernenvelop. De kern speelt een rol bij de aanmaak van mRNA en vormt de opslagplaats voor het genetisch materiaal.

Alle eiwitten worden gemaakt bij de ribosomen. De ribosomen lezen het mRNA af en vormen een aminozuurketen (eiwit). 

Transport van eiwitten die naar de kern moeten

De kern is helemaal omgeven door een dubbel membraan waarin zich kernporiënporiën bevinden (nuclear pore complex). Deze kanaaltjes spelen een rol bij het transport van stoffen de kern in en uit. De nucleaire lamina die net onder de binnenste kernmembraangelegen, zorgen voor stevigheid. Een klein deel van de eiwitten die in de het cytosol geproduceerd worden, is bestemd voor de kern. Het eiwit zelf bevat een code incodein hun aminozuurvolgorde die de informatie bevat voor de eindbestemming. In het geval dat het eiwit naar de kern moet, bevat het een code, genaamd nuclear localization signal. Door een receptoreiwit, nuclear transport receptor, wordt deze code herkend. De receptor kan aan het eiwit binden en zo komt het eiwit via een kernporie de kern binnen. Ran-GTP (schakelaar) bindt aan het eiwitcomplex en verdringt daarmee het kerneiwit uit de receptor. De receptor gebonden aan het GTP gaan uit de kern. In het cytosol wordtwordr GTP naar GDP omgezet door hydrolyse, waardoor de receptor vrijkomt om weer te binden aan een nieuw kerneiwit.

Mitochondria: Organellen die betrokken zijn bij ATP-synthese (citroenzuurcyclus) en zorgen voor 90% van de energie. Cristae: binnenmembraan, steekt naar binnen. waardoor er inkepingen worden gevormd. Schade aan mitochondriënmitochondrien meest schadelijk voor hart, lever, hersenen spieren. Deze bevatten namelijk veel mitochondriën.

|Peroxisomen: Oxidatie van toxische moleculen; ontgifting. Splitsing H₂O₂ in H₂O en O₂.

Transport van eiwitten vanuit het cytoplasma naar het mitochondrion.

Een eiwit dat bestemd is voor een mitochondria wordtmitochondriawordt geproduceerd in het cytosol. Het eiwit bevat een specifieke signaalsequentie, die herkend wordt door een receptor eiwit in het mitochondrionmembraan. Het receptor eiwit bindtbind zich aan deze signaal sequentie en transporteert het eiwit naar een translocator eiwit. Deze transporteert het eiwit door het celmembraan heen. In de matrix (lumen van het organel) verliest het eiwit de signaalsequentie.

Transport via transportblaasjes

Het ER is een groot membraansysteem in de cel, dat betrokken is bij de eiwitsynthese. en de controle van de aangemaakte eiwitten De bolletjes op de membranen zijn ribosomen, waardoor het ook wel Ruw Endoplasmatisch Reticulum heet. De kernenvelop van de cel met de kernporiën staat in verbinding met het ER. Ongeveer 50% van alle eiwitten wordt gemaakt in het ER. Eiwitten zonder signaal sequentie worden door ‘vrije’ ribosomen in het cytosol gemaakt. Eiwitten met signaal sequentie worden gesynthetiseerd door ribosomen aan het ER-membraan.Als op het mRNA een stuk informatie gecodeerd is dat vertelt dat het ribosoom naar het ER moet. Aan deze specifieke signaal sequentie bindt zich SRP (Signal Recognition Particle). Het eiwit gebonden aan SRP wordt herkend en gebonden door een SRP-receptor. Deze transporteert het eiwit over het membraan. naar een kanaaltje. Het geproduceerde eiwit wordt door het kanaaltje naar het lumen van het ER getransporteerd. Zodra het nieuw aangemaakte eiwit in het ER is gekomen, verliest het het SRP. In het ER worden eiwitten gemaakt die bestemd zijn voor ER, Golgi complex, plasmamembraan, mitochondria, endosomen, lysosomen, peroxisomen en voor uitscheiding buiten de cel.

Eiwitten die in het ER (oplosbare eiwitten) of ER membraan (membraaneiwitten) terecht komen –en goed gevouwen zijn- verlaten het ER via transportblaasjes. De transportblaasjes zorgen voor transport van eiwitten naar de juiste plek. Ze zijn belangrijk voor uitwisseling van materiaal tussen organellen en ze kunnen zichtbaar gemaakt worden. Om de dynamiek van de levende cel zichtbaar te maken, wordt er gebruik gemaakt van fluorescerende eiwitten. Voor de vorming van een transportblaasje zijn vier processen noodzakelijk: gemaakt worden door fluoriscerende eiwitten in levende cellen tot expressie te brengen.

Voor de vorming van een transportblaasje zijn vier processen noodzakelijk:

1. Selectie van de inhoud (cargo).

2. Vorming van het blaasje van het donormembraan (budding).

3. Transport van het blaasje door de cel.

4. Fusie van het blaasje met het juiste target compartiment.

Eiwitten die betrokken zijn de bij de vorming van een transportblaasje:

Coats: cytosolische eiwitten die zich als een laagje op de membraan afzetten en belangrijk zijn voor de vorming van het blaasje, Spelen een rol bij de processen 1, 2, 3.

3 soorten:

• clathrin: voor na het Golgisysteem.

• COP I: voor intra Golgi

• COP II: voor ER naar Golgi

SNAREs: membraan geassocieerde eiwitten. Spelen een rol bij proces 4. Zij bepalen de specificiteit van de membraanfusie en zijn betrokken bij het fusieproces zelf. Dit gebeurt als volgt: Blaasjes uit het ER moeten naar het Golgi-apparaat. In de coat vancoatvan het transportblaasje bevindt zich een eiwit (v-snare:vesicle-snare) die het targeteiwit herkent met behulp van een target-snare. De snare-eiwitten herkenneneiwittenherkennen elkaar, winden om elkaar heen en trekken zo de membranen naar elkaar toe. Dit zorgt voor de benodigde energie voor de lipide bilaag om te fuseren.

Rab eiwitten: GTP-bindende eiwitten die functioneren als moleculaire aan/uit schakelaars, Inactief bij binding met GDP, actief met GTP. Zij spelen een rol bij proces 4.

Tethering eiwitten: lange eiwitten of eiwitcomplexen die zorgen voor het eerste contact tussen het transportblaasje en de uiteindelijke bestemmingsplaats van de inhoud van het blaasje. Zij spelen een rol bij proces 4. De transportblaasjes zijn overal in het cytosol, maar moeten bij het goede targeteiwit komen. Nog voor het t-snare eiwit in aanraking komt met het blaasje, herkent een tethering eiwit een Rab eiwit. Zo kan de v-snare/t-snare fusie plaatsvinden.

Biosynthetische route

Eiwitten in ER kunnen alleen naar buiten via transportblaasjes en komen als eerste aan in het Golgi-apparaat. Hier worden de eiwitten verder bewerkt. Aan de ciskant komt het eiwit binnen en in een bepaalde volgorde liggen de enzymen waarlangs bewerking van een nieuw eiwit plaatsvindt. Aan de transkant komen de eiwitten naar buiten. Over het transport door het Golgi-, apparaat bestaan meerdere theorieën.
Theorie A: Transportblaasjes fuseren telkens met het volgende transportblaasje en doorlopen zo de verschillende schijven en worden in de juiste volgorde geglycosideerd. Theorie B: opschuivende cisterne. Blaasjes fuseren met cis Golgi en de hele schijf verschuift. In dat geval worden andere blaasjes terug naar de vorige cisterne getransporteerd om de benodigde eiwitten voor bewerking toe te voegen.

Endocytotische route: van plasmamembraan naar endosomen en lysosomen. Dit is de route waarlangs voedingsstoffen, hormonen, groeifactoren en medicijnen worden opgenomen, maar ook schadelijke stoffen, zoals bacteriën. De cargo moleculen binden aan een receptoreiwit. Op dat moment verandert er iets in de staart van het receptoreiwit, waardoorzodat adaptoreiwitten eraandaaraan kunnen binden. De adaptoreiwitten binden aan clatrine moleculen en vormen een blaasje. met een clatherine coat. DecoatDe clatherine coat zorgt voor een hoge concentratie van eiwitten in het blaasje. Het dynamin eiwit werkt als een springveer en zorgt ervoor dat het transportblaasje loskomt van het plasmamembraan. In het cytosol gaan de clatrinecoat en het adaptoreiwit eraf en worden gerecycled. Binnenin de cel fuseren de transportblaasjes met endosomen. Een late endosoom kan overgaan in een lysosoom. Lysosoom: agressieve omgeving, vergelijkbaar met de maag en is verantwoordelijk voor eiwit en lipide degradatie.

Lysosomale enzymen naar lysosoom

Lysosomale enzymen worden in het ER aangemaakt en komen dan in het Golgisysteem terecht. Ze krijgen een gefosforyleerde suiker, mannose 6-fosfaat. In het trans Golgisysteem bevindt zich een mannose 6t-fosfaatreceptor. Mannose 6-fosfaat zit alleen op lysosomale enzymen. Door de binding tussen enzym en receptor verandert er iets in de staart en kan er een clathrin coat worden gevormd. Het gevormde blaasje fuseert met een laat endosoom en verliest daar de mannose 6-fosfaat receptor, die terugkeert naar het trans Golgi-systeem. Het laat endosoom fuseert vervolgens met een lysosoom. Lysosomale enzymen zijn belangrijk voor de afbraakprocessen in de lysosoom.

Voorcollege practicum 2

Cellen verschillen in grootte. Een humane oocyt is bijvoorbeeld 120 µm groot, terwijl een zenuwcel maar 6 µm groot is. Cellen kan je met een lichtmicroscoop bekijken. Een lichtmicroscoop (LM) heeft een oplossend vermogen van 200 nm. De afstand waartussen 2 punten nog net van elkaar te onderscheiden zijn, is 200 nm. Met een lichtmicroscoop kan je ook levende cellen bekijken. Om de cellen beter te kunnen zien, kan je ze kleuren met ‘gewone’ kleurstoffen. Daarnaast kan je de cellen ook labelen met antilichamen en fluorescente kleurstoffen. De dikte van het preparaat waarnaar je met de LM kijkt ligt tussen 0,2 en 40 µm.

Een electronenmicroscoop (TEM) heeft een oplossend vermogen van 0,2 nm. Door een kleiner oplossend vermogen, kan je bij de TEM veel kleinere dingen van elkaar onderscheiden. Met een electronenmicroscoop kan je geen levende cellen bekijken. De cellen worden ‘gekleurd’ met zware metalen. Daarnaast kunnen de cellen gelabeld worden met antilichamen en metaal bolletjes (vaak goud). Bij een electronenmicroscoop kan het preparaat ook veel kleiner zijn. De dikte ligt tussen de 20 en 200 nm.

Een cel bestaat uit een celmembraan, cytoplasma, cytoskelet en een kern. De kern bevat een nucleolus en kernporiën. In het cytoplasma liggen de verschillende organellen van de cel. Dit zijn onder andere RER (ruw endoplasmatisch reticulum), SER (glad endoplasmatisch reticulum), mitochrondria, golgi-complex. In het cytoplasma liggen ook secretiekorrels, lysosomen, endosomen en peroxysomen.

De celmembraan is een fysieke barrière en is selectief permeabel (doorlaatbaar). Ook zorgt het voor communicatie en intercellulaire connectie. De celmembraan bevat ook gap junctions: kanalen waardoor ionen van cel naar cel kunnen stromen. De kernporiën liggen in de perinucleaire ruimte: ruimte tussen ‘inner membrane’ en outer ‘membrane van de kernmembraan.

Celmembraan

1: Zonula occudens (tight junctions)

2: Zonula adherens

3: Macula adherens (desmosoom)

Deze 3 samen vormen een sluitlijst.

Het cytoskelet van een cel bestaat uit microtubuli, intermediaire filamenten en actine filamenten. Dit samen zorgt voor de stevigheid van de cel. Het ER ziet er uit als een parkeergarage met gestapelde ER-sheets en een schroefvormige helling. Het RER bevat ook ribosomen. Het golgi-complex modificeert eiwitten. Het verpakt enzymen voor de lysosomen en eiwitten voor de secretie. Vervolgens worden ook alle soorten stoffen gesorteerd. Het golgi-complex heeft een cis en een trans kant. De cis kant wijst naar de kern toe. Aan de trans-kant worden de vesicles gevormd voor transport naar andere celonderdelen. Deze secreetkorrels worden gevormd door middel van exocytose.

Endosomen zorgen voor transport van bijvoorbeeld golgi naar lysosoom.
worden gevormd door invaginatie van het celmembraan bij de coated pits. Een coated pit is een indeuking van het celmembraan naar binnen. Lysosomen bevatten veel enzymen die stoffen kunnen degraderen. Lysosomen kunnen ook eigen celcomponenten afbreken. Dit heet autofagie (je zelf opeten). Een peroxisoom kan bijvoorbeeld alcohol detoxificeren en vetzuren oxideren. Ze kunnen waterstofperoxide vormen en weer afbreken.

Werkgroep 3

Vraag 1:

Celmembranen worden niet vloeibaarder als ze meer cholesterol bevatten. Cholesterol maakt namelijk de membranen juist stijver en minder permeabel. De cholesterolmoleculen zijn klein en onbuigzaam en vullen de ruimtes tussen naast elkaar liggende fosfolipiden. Fosfolipiden moleculen bepalen voor het grootste gedeelte de vloeibaarheid van de membranen. Hoe meer fosfolipiden, des te minder vloeibaar het membraan. Op de celmembraan kunnen verschillende membraaneiwitten zitten. Sommige membraaneiwitten zijn bijvoorbeeld enzymen.

Celmembranen bevatten minder eiwitmoleculen dan lipidemoleculen. Een eiwitmolecuul is groter dan een lipidemolecuul. Hoewel de celmembraan voor 50% uit eiwitten bestaat. De overige 50% bestaat uit lipide en koolhydraten. Doordat het om aantallen gaat en eiwitten groter zijn, bestaat deze 50% dus uit minder eiwitmoleculen.

Celmembraan zijn doorlaatbaar voor water. Water is een klein ongeladen molecuul en kan gedeeltelijk door middel van diffusie de membraan passeren. De samenstelling van de buitenmembraan verschilt met die van de binnenmembraan. Sommige eiwitten liggen alleen in de richting van cytosol en andere richting de buitenkant van de cel. Aan de buitenkant moeten bijvoorbeeld herkenningsreceptoren zitten die aan binnenkant niet nodig zijn.

Vraag 2:

Eiwitten zijn erg specifiek. Hierdoor functioneert het eiwit alleen op zijn bestemming in de cel. Daarom moeten de eiwitten naar de juiste plek getransporteerd worden. Het sorting sequence signaal speelt hierbij een rol. Vervolgens moet het eiwit ook herkend worden door de juiste receptor. Wanneer een eiwit geen sorting signaal heeft, zal deze in het cytosol blijven. Een eiwit met een sorting signaal kan bijvoorbeeld naar een mitochondrium of peroxisoom getransporteerd worden. Ook eiwitten die naar de kern moeten, hebben een specifieke sequentie.

Als een eiwit naar het ER getransporteerd moet worden, moet het een ER signaal sequentie bevatten. Dit is een N-terminus met een hydrofobe sequentie (8 of meer hydrofobe aminozuren). Deze wordt door de receptor op ER herkend. Wanneer dit eiwit, met hydrofobe N-terminus, ook een KDEL sequentie aan de C-terminus heeft, blijft het in het ER. Een eiwit met hydrofobe N-terminus en zonder KDEL, wordt verpakt in blaasjes. Een eiwit met hydrofobe N-terminus, zonder KDEL, maar met een manose-6-fosfaat gaat naar een lysosoom toe. Een eiwit dat in het celmembraan terecht moet komen, moet in het midden ook hydrofoob zijn. Het eiwit bevat dus een hydrofobe N-terminus, geen KDEL, wel een hydrofoob midden stuk. Het eiwit gaat dan met de transportblaasjes naar het celmembraan en blijft door zijn hydrofobe middenstuk ‘hangen’ in het celmembraan. Eiwit zonder dit hydrofobe stuk, wordt uitgescheiden.

Eiwit

• Hydrofobe N-terminus aanwezig?
  Nee: eiwit naar cytosol, kern, peroxisoom of mitochondria (afhankelijk van sorting signaal)
  Ja: eiwit naar ER

• Hydrofobe N-terminus en KDEL aanwezig?
  Nee: eiwit verpakt in blaasjes.

Ja: eiwit blijft in ER

Hydrofobe N-terminus, geen KDEL

• Wel manose-6-fosfaat: eiwit naar lysosoom

• Wel hydrofobe middenstuk: eiwit naar celmembraan

• Zonder hydrofobe middenstuk: eiwit wordt uitgescheiden.

Vraag 3:

Het mitochondriaal DNA in mitochondrium muteert vaak. Dit komt doordat ze niet een goed repair systeem bevatten. Hierdoor blijven de mutaties bestaan. De mutaties veroorzaken vaak spierziekten, doordat spieren veel mitochondriën bevatten. Spieren hebben veel energie nodig en zijn afhankelijk van mitochondriën. Het mitochondriaal DNA erft alleen over via de vrouwelijke lijn (moeder). De mitochondriën van de vader zitten namelijk in de staart van de zaadcel. De staart treedt meestal niet de eicel binnen tijdens de bevruchting. Hierdoor heb je alleen mitochondriën de mitochondriën van de eicel.

Vraag 4:
Eiwitketens die na synthese in het lumen van het ER zitten, komen altijd aan de buitenkant van de celmembraan terecht. Dit komt door de oriëntatie van de blaasjes. De blaasjes gaan door middel van exocytose naar de buitenkant van de membraan en fuseren met de membraan. Ook de suikerhoudende eiwitketens gaan naar buitenkant van de celmembraan. Door de oriëntatie van de blaasjes komen ze niet in het cytosol, maar aan de buitenkant van membraan terecht.

Cytoplasmatische eiwitten zijn niet geglycosyleerd, omdat de glycosylerende enzymen alleen in het lumen van ER aanwezig zijn en dus niet in cytosol.

Vraag 5:
Eiwitten die bijvoorbeeld verkeerd gevouwen zijn, komen niet door de kwaliteitscontrole. Ze blijven dan in het ER door binding met chaperonnes. De chaperonnes gaan interactie aan en houden de eiwitten vast totdat ze goed gevouwen zijn. Als dit niet lukt, worden ze terug getransporteerd naar het cytosol en daar worden ze dan gedegradeerd.

Practicum 2

Het oplossend vermogen van een microscoop is de afstand waartussen je 2 punten nog net van elkaar kunt onderscheiden. Het oplossend vermogen van een lichtmicroscoop (LM) is 0,2 µm. Van een electronenmicroscoop (EM) is dit 2 nm. Dit verschil wordt veroorzaakt door de verschillende werkingen van de microscopen. De EM gebruikt namelijk een straal electronen in plaats van licht. Hierdoor heb je bij EM een scherper beeld en kan je dus meer van elkaar onderscheiden.

Met een LM kun je de cel (gemiddeld 5-20 µm), de celkern (7-10 µm) en de nucleoli (cellichaampjes van 0,1-3 µm) zien. Om de celmembraan (7 nm), mitrochondriën (0,5-4 µm), ribosomen (20 nm) en eiwitmoleculen (1-100 nm) goed te kunnen zien, heb je een electronenmicroscoop nodig. Over het algemeen is de electronenmicroscoop nodig als je naar het inwendige van de cel wilt kijken (bijvoorbeeld de organellen). Het oplossend vermogen van EM is groot genoeg om de celstructuren van elkaar te kunnen onderscheiden.

Bij een grote vergroting (bijvoorbeeld 100x objectief) is de lens kleiner. Wanneer je naar een preparaat wilt kijken, moet je alleen het lens oppervlak belichten. Hierdoor moet het diafragma meer dicht bij een grotere vergroting. Als het diafragma vrijwel dicht ziet, zie je de meeste details. Dit komt doordat er dan minder lichtinval is, wat het beeld vermindert. De lichtbundel wordt namelijk door het diafragma verkleind.

Een fase-contrast microscoop is erg handig, omdat je hiermee ook levende cellen kunt bekijken. Je hoeft de cellen dus niet eerste te prepareren. Bij lichtmicroscopie van gefixeerde cellen en weefsel wordt er gebruik gemaakt van kleuringen. Specifieke onderdelen van de cel worden dan aangekleurd, waardoor je ze beter kan onderscheiden.

EM-coupes (plakjes) worden met zware metalen gecontrasteerd. Het aanbrengen van dit contrast wordt bij EM-coupes anders gedaan dan bij LM-coupes. Dit is noodzakelijk, omdat bij EM de coupes veel dunner moeten zijn. De electronenstraal reageert dan op de zware metalen van het contrast. Bij LM zie je door het licht de kleuringen die gebruikt worden.

De HE-kleuring is een basische kleurstof. Het kleurt basofiele structuren blauwpaars. Basofiele structuren zijn zuur, zoals DNA, nucleïnezuur, ribosoom en RNA). Eosinofiele structuren worden roze gekleurd. Een voorbeeld hiervan zijn eiwitten. Hierdoor kleurt bij een HE-kleuring het cytoplasma roze (door de eiwitten) en kernen paars (door het DNA).

Bij LM-foto’s wordt naast de rode bloedcel (7 µm) ook de celkern als ijkpunt gebruikt. Bij EM-foto’s zijn celkernen en nucleoli niet een betrouwbaar ijkpunt. Dit komt doordat er bij EM erg dunne coupes worden gemaakt. De grootte van de celkern is dus afhankelijk van de plek waarop de coupe wordt gemaakt. Bij EM zijn veel plakjes nodig om een goed beeld van de cel te krijgen.

Cellen en weefsels hebben en 3D-structuur. Deze structuur kan op verschillende manieren aangesneden zijn in coupes. De cellen kunnen dwars, schuin of overlangs doorgesneden zijn. Hierdoor kunnen de cellen niet altijd conform aangesneden zijn. Zo kan je op één preparaat een cellen met kern zien en cellen zonder kern. Dit komt doordat ze dus niet gelijk aangesneden worden. Soms lijkt het net alsof een cel 3 nucleoli heeft, doordat de coupe net door 3 uitstulpingen van 1 nucleolus is genomen.

Werkgroep 4

1. I-cell disease (mucolipidosis II)

Inclusion-cell disease is een recessieve lysosomale stapelingsziekte (progressief). Normaal worden lysosomale afbraakenzymen gemaakt in het ER. Vervolgens worden ze aangepast in het golgi-complex. Daar bindt een mannose-6-fosfaatgroep (m6p) aan het enzym. Deze reactie wordt gekatalyseerd door GlcNAc-phosphotransferase. Vervolgens gaat het enzym naar de lysosoom.

Door een mutatie vindt er geen m6p binding plaats. De enzymen worden niet meer herkend door de mannose-6-fosfaat-receptoren aan transkant van golgi-complex. Hierdoor worden ze niet meer naar lysosomen getransporteerd. Hierdoor vindt er ophoping plaats van afvalstoffen in de lysosomen. Alle enzymen die normaal naar de lysosoom moeten, gaan er nu niet in. Deze ophoping belemmert de celactiviteit, ze ‘blokkeren’ de cel.

De ziekte is onder andere te herkennen aan de lysosomale afbraakenzymen in het bloed. Ze komen nu niet in lysosomen, maar in bloed terecht.

2. Familiaire hypercholesterolaemia (FH).

Het is een receptorziekte, waarbij 900 mutaties de aanleiding kunnen zijn. Personen met FH hebben veel cholesterol in hun bloed. Je kan als heterozygoot en homozygoot deze ziekte hebben. De uiting van de ziekte zal bij de homozygote erger zijn dan bij iemand die heterozygoot is voor FH. Normaal gesproken gaat het IDL naar de lever toe. Daar wordt het door LDL-receptoren herkend. Vervolgens wordt het in de lever afgebroken tot aminozuren en cholesterol. Wanneer IDL in bloed blijft, wordt het omgezet in LDL. LDL en IDL worden beide herkend door LDL-receptoren.

Door een defect in LDL-receptor wordt het IDL in het bloed niet opgenomen. Vervolgens blijft het circuleren en wordt het omgezet in LDL. Ook wordt het LDL niet in de cel opgenomen door de mutatie in LDL-receptor. Het kan in totaal op 5 verschillende momenten fout gaan: synthese, transport, binding, clustering en recycling.

3. Cystic Fibrosis (CF)

Cystic fibrosis (taaislijmziekte) is een autosomaal recessieve ziekte. 1 op de 20 heeft een mutatie in het CFTR gen. Bij 1 op de 400 leidt dit ook tot CF. De gemiddelde leeftijd van mensen met cystic fibrosis is 35-45 jaar. CFTR codeert voor een chloride-ionkanaal in het celmembraan. Het door CFTR gevormde eiwit heeft 2 transmembrane domeinen (met α-helices), 2 cytoplasmische nucleotide-bindende domeinen (NBD's) en een regulatoir domein (R domein met eiwit kinase A en C Phosphorylation site).

Een agonist is een signaalmolecuul dat bij binding aan een receptor een biologisch proces activeert. Deze agonist (bijv. acetylcholine) bindt aan epitheelcellen en veroorzaakt verhoging van cyclische adenosine monofosfaten (cAMP) in cytoplasma. cAMP activeert het eiwit kinase A. Kinase A fosforyleert met behulp van ATP het CFTR bij het R domein (regulatoir domein). Hierdoor opent de chloride kanaal. ATP bindt ook bij het NBD (nucleotide-bindende domein). Hierdoor vindt er hydrolyse plaats van NBD. Dit is essentieel voor het openen en sluiten van kanaal in respons op het cAMP-mediated signalering. Dit alles zorgt er voor dat chloride-ionen door het kanaal kunnen stromen.

De verschillende mutaties kunnen op basis van hun effect op het CFTR eiwit ingedeeld worden in 6 klassen: defect in eiwitsynthese, abnormale eiwit vouwing, defecte regulatie, verminderde geleiding, verminderde overvloed en veranderde regulatie van andere ionkanalen.

Bij een abnormale eiwitvouwing wordt het eiwit vastgehouden in het ER door chaperonnen. Hoewel het eiwit wel goed funcitoneert, blijft het in het ER. Hierdoor wordt er geen chloride ionkanaal gevormd.

De prevalentie van het gemuteerde CFTR gen is relatief hoog bij Europeanen. De heterozygote Europeanen hebben door de mutatie een verminderde dehydratatie. Hierdoor kunnen zij beter ernstige darminfecties zoals dysenterie of buiktyfus overleven (middeleeuwen)

4. Ziekte van Pompe

Ziekte van Pompe is een glycogeenstapelingsziekte. Het is zeldzaam en erfelijk. Personen met deze ziekte hebben een tekort aan het enzym α-glucosidase. Hierdoor vindt er opstapeling van glycogeen plaats. Dit leidt tot spierzwakte. Het enzym krijgt bijvoorbeeld een foute markering. Hierdoor wordt het uitgescheiden en komt het niet in lysosoom terecht. Het glycogeen wordt niet afgebroken tot glucose in lysosoom. De lysosomen zwellen op. Dit leidt tot schade aan de omringende cellen. Spiercellen merken hier het meeste van, omdat ze veel glucose nodig hebbe Dit krijgen ze niet door dat er geen α-glucosidase is dat glycogeen omzet in glucose. Het enzym kan ook van structuur veranderen door het gendefect. Hierdoor bindt een chaperonne aan het enzym, waardoor α-glucosidase niet het ER uit gaat. Als behandeling worden er vaak gebruik gemaakt van enzymvervanging. Deze moeten gemaakt worden in dierlijke cellen. Er is namelijk manose-6-fosfaat nodig en dit komt alleen voor in dierlijke cellen voor. De behandeling is erg duur.

Interactief College

Het ontstaan en handhaven van de membraanpotentiaal.

Membraanpotentiaal: Verschil in lading tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel. Redeneren vanaf binnenkant.

De Iionverdeling binnen en buiten de cel is anders. Zo is binnen de cel de concentratie kaliumionen hoger dan buiten de cel, maar de concentratie natriumionen buiten de cel groter dan binnen de cel. Er zijn zowel negatieve als positieve ionen binnen en buiten de cel op zo’n manier dat zij elektrisch neutraal zijn. Intracellulaire ionconcentratie: binnen de cel. Extracellulaire ionconcentratie: buiten de cel. Geladen deeltjes kunnen niet gemakkelijk door de hydrofobe membraan. Zuurstof, water en koolstofdioxide diffunderen wel door de membraan.

In een celmembraan is de binnenkant hydrofoob en de buitenkantn hydrofiel. Transport van ionen door de celmembraan vindt plaats door een ionkanaal, carrier en ionpomp. In het membraan bevinden zich kanalen. De kaliumionen diffunderen via de kanalen naar buiten., doordat de concentratie buiten de cel lager is dan binnen de cel. De binnenkant van de cel is dan ten opzichte van de buitenkant negatief geladen. Doordat deze positieve ionen naar buiten diffunderen ontstaat er een elektrische kracht die tegengesteld is aan de diffusiekracht. Dit zorgt ervoor dat er een evenwicht wordt bereikt waarbij de diffusiekracht gelijk is aan de elektrische kracht. Er is een kalium evenwichtspotentiaal ontstaan., Op deze manier stelt zich ook een natrium evenwichtspotentiaal in. Natrium diffundeert naar binnen, doordat de concentratie van natriumionen binnen de cel lager is dan buiten de cel. Hierdoor wordt de binnenkant van de cel positief geladen ten opzichte van de buitenkant., Er ontstaat een elektrische kracht., Wanneer deze gelijk maar én tegengesteld is aan de diffusiekracht is het evenwichtspotentiaal bereikt. Nernstvergelijking: verband tussen potentiaalverschillen en de concentraties. De geleidbaarheid voor K+-ionen is 10x die van Na+ ionen.

Het membraanpotentiaal van de cel ligt tussen het evenwichtspotentiaal van natrium en kalium in., Waar dit evenwicht zich precies instelt, is afhankelijk van de permeabiliteit van het de membraan voor beide ionen. De membraan is beter doorlaatbaar voor kalium dan voor natrium. Daarom ligt de membraanpotentiaal dichter bij de E_k, dan de E_Na. Het membraanpotentiaal te berekenen met de Goldman, Hodgkin, Katz-vergelijking.

Langzaamaan zal de cel het concentratieverschil minderen. De natrium-kaliumpomp pompt kaliumionen die naar buiten lekken weer naar binnen en natriumionen die naar binnen lekkern naar buiten. Op deze manier wordt de membraanpotentiaal in stand gehouden. Dit kost wel energie in de vorm van ATP. Wanneer de Na-K pomp niet werkt, wordt er geen membraanpotentiaal gevormd.

Door een hartinfarct hebben de cellen tijdelijk geen zuurstof gehad. Hierdoor is er ook geen ATP synthese mogelijk. Hierdoor werkt de Na-K pomp niet en verdwijnt het membraanpotentiaal. Er kunnen nu geen actiepotentialen ontstaan. De cellen functioneren niet meer. De blokkering van Na-kanalen zorgt voor een meer negatieve membraanpotentiaal. De blokkering van K-kanalen zorgt juist voor een meer positieve membraanpotentiaal. Als de cel een membraanpotentiaal heeft van 0 is er geen potentiaalverschil.Als de cel een membraanpotentiaal heeft van -10mV is er wel een potentiaal verschil. Bij een membraanpotentiaal van -100mV is het potentiaalverschil groter.

Week 3

Hoorcollege 1

Om alle processen in een cel goed te coördineren is er communicatie door middel van signalen tussen de cellen nodig. Deze communicatie heet signaaltransductie. Een extracellulair signaalmolecuul bindt aan de receptor op de cel. Deze geeft het signaal door aan intracellulaire signaalmoleculen. Als een cel geen enkel signaal van zijn omgeving krijgt, sterft hij af. Cellen kunnen ook signalen krijgen die bedoeld zijn om de respons ‘doodgaan’ tot gevolg te hebben. Als hij signalen krijgt om te delen of te differentiëren, moet hij hierop gehoorzamen. Gezonde cellen en weefsels zijn dus georganiseerd, sociaal (werken samen) en reageren op signalen uit de omgeving. Kanker is een ziekte waarbij de cellen niet meer gehoorzamen aan de signalen. Kankercellen reageren niet meer op hun omgeving. Ze delen waar en wanneer ze zelf willen. Door een ophoping aan kankercellen in een weefsel kan het desbetreffende weefsel zijn functie niet meer uitvoeren en hieraan kan de patiënt overlijden.

Als een kankercel deelt, is zijn dochtercel ook een kankercel. Dit betekent dat er een verandering in het DNA is opgetreden die zorgt voor het ongehoorzame gedrag. De belangrijkste eigenschappen van een tumor zijn: niet reageren op signaalstoffen die de groei onderdrukken, blijvende snelle groei en uitblijvende celdood. Een veel voorkomende mutatie in het DNA dat kanker als gevolg heeft, is de mutatie in één van de base van het gen voor het RAS-eiwit.

Deze moleculaire schakelaar kon normaal uit- en aangezet worden. De kankercel bleek een mutatie te hebben in een bepaald gen dat ervoor zorgde dat er een blokkade optrad waardoor de moleculaire schakelaar in actieve stand, niet meer uitgezet kon worden. De schakelaar staat continu aan en krijgt voortdurend een stimulus. Normaal gesproken is het Ras-eiwit ingeschakeld als GTP is gebonden. Zodra GTP echter veranderd in GDP doordat een fosfaatgroep gehydroliseerd wordt, staat het eiwit uit. Later verlaat het GDP het GTP-bindend eiwit, zodat een nieuw GTP-molecuul er aan kan koppelen om het eiwit weer te activeren. Door de mutatie kan het GTP niet een fosfaatgroep loskoppelen en blijft daardoor na de binding aan GTP in de actieve toestand. De mutatie in het gen heeft tot gevolg dat er defecten zijn in de signaaltransductie en in de celcyclus controle. De communicatie tussen de cellen vindt niet meer goed plaats. Dit leidt tot kanker. Het krijgen van kanker is een kansproces. Hoe ouder je wordt, hoe meer kans je hebt op het krijgen van kanker. Een proto-oncogeen heeft de potentie om oncogeen te worden. Oncogenen zijn gemuteerde genen die een positieve bijdrage leveren aan het ontstaan van kanker. Tumorsuppressie genen zijn genen die het ontstaan van kanker tegenwerken. Inactiveren van deze genen draagt ook bij aan het ontstaan van kanker.

Er zijn vijf verschillende vormen van celcommunicatie:

1. Endocriene signalen: Hormonen die via de bloedbaan naar andere cellen toegaan. De signaalstof wordt hierdoor verspreid door het hele lichaam, maar is alleen werkzaam in bepaalde cellen met de juiste receptoren. Deze signalering legt dus een grote afstand af.

2. Paracriene signalen: Signalen van een cel naar de naaste omgeving (buurcellen) toe die daar voor een verandering zorgen. Er is sprake van een lokaal effect.

3. Neuronale signalen: Het neuron maakt contact met een andere cel waardoor het signaal van het neuron op de andere cel wordt overgedragen. Dit wordt gedaan met behulp van neurotransmitters die vrijkomen in de synapsspleet.

4. Contact-afhankelijke signalen: Een signaalstof op de ene cel (ligand) maakt contact met de receptor op de aangrenzende cel (target cel) en geeft zo het signaal door.

5. Een niet vaak genoemde vijfde vorm van communicatie is autocriene signalering: dit is de zelfstimulatie van een cel. Hij maakt zelf de signaalstof aan en die bindt aan receptoren op zijn eigen celmembraan.

Veel van de signaleringsmoleculen kunnen niet door het membraan heen. Daarom binden ze aan een receptor. De receptor transduceert het signaal vervolgens naar binnen. Dit gebeurt in verschillende stappen. De receptor activeert verschillende intracellulaire signaal moleculen, die de effector eiwitten activeren. Uiteindelijk zal er een verandering in de cel optreden. Dit is voor elk signaalmolecuul specifiek.

Receptoren

Er zijn 3 typen receptoren:

• Enzym-gekoppelde (GF) (bijvoorbeeld receptor voor groeifactor of insuline): zodra een ligand bindt aan de receptor, verandert deze receptor aan de binnenkant van het membraan van vorm. Dit zorgt voor het activeren van de enzymatische activiteit. Aan bepaalde aminozuren van het eiwit worden dan fosfaatgroep gehangen. Je verandert op die manier het oppervlak van het eiwit en daarmee ook de eigenschappen en de functie. Door de verandering kunnen intracellulaire signaleringsmoleculen gebonden worden, zodat deze ook geactiveerd worden. Deze geactiveerde intracellulaire signaleringsmoleculen kunnen een reeks van reacties laten plaatsvinden. Uiteindelijk grijpt het doorgegeven signaal aan op een effector-eiwit dat zorgt voor een verandering in de cel. Na een tijdje moet de fosfaatgroep er ook afgehaald kunnen worden om het enzym weer te inactiveren. Kinases zijn verantwoordelijk voor het aanhechten van een fosfaatgroep en fosfatases voor het verwijderen ervan. Dit proces kan ook plaatsvinden wanneer twee receptoren door binding van een signaalmolecuul dimeriseren.

  Deze dimeren binden aan de receptoren en clusteren twee receptoren, waardoor de katalytische domeinen geactiveerd worden. Hierdoor wordt de enzymatische activiteit aan de binnenkant van de cel gestart. Vaak is de enzymatische activiteit bij dit soort receptoren een kinase activiteit. De grootste groep zijn receptor tyrosine kinases (RTKs). Het eiwit is werkzaam en de receptor kan gekruist fosforyleren. Aan de receptor binden eiwitten, waaronder een adaptoreiwit.

• Ionkanaal-gekoppelde (NTM): deze zitten in het celmembraan en zijn normaalgesproken gesloten, zodat ionen er niet door kunnen. Na de binding van een extracellulair signaalmolecuul is de receptor direct in staat ionen de cel binnen of uit de cel te loodsen (bijvoorbeeld receptor van neurotransmitters).

• G-eiwit-gekoppelde (GPCR=G-protein coupled receptors). Deze receptor activeert bij binding aan een signaalmolecuul een G-eiwit. Het G-eiwit bestaat uit een alfa-deel, een beta-deel en een gamma-deel. De alfa-subunit wordt geactiveerd doordat GDP wordt afgesplitst en GTP wordt gebonden. Daarbij wordt ook het betagamma-complex geactiveerd. Zowel de geactiveerde alfa-subunit als het geactiveerde betagamma-complex laten los van de receptor en produceren second messengers waardoor er een reactie in de cel plaatsvindt. De second messengers kunnen vetzuren, calcium of cyclische nucleotiden zijn. Vaak produceert een geactiveerd eiwit een grote hoeveelheid second messengers. Hierdoor wordt het signaal versterkt (amplificatie). Een voorbeeld is het proces waarbij door binding van adrenaline het G-eiwit adenylaatcyclase wordt geactiveerd. Dit enzym zet ATP om in cAMP (een second messenger). cAMP activeert een protein kinase A, dat op zijn beurt weer allerlei processen reguleert.

Second messengers: Diagylclycerol, IP3 en calcium

Een signaalmolecuul bindt aan GPCR en activeert deze. GPCR activeert een G0eiwit en die activeert fosfolipase C. fosfolipase C klieft een inositol phospholipide en dan krijg je diacylglycerol en inositol trifosfaat. Inositol trifosfaat (IP3) zet calciumkanalen open, zodat calcium vanuit het ER lumen het cytosol in kan stromen. Diacylglycerol recruteert andere proteïnen naar het celmembraan, waardoor PKC geactiveert wordt.

Het calcium zorgt voor spiercontractie, neurotransmitter release en oocyte activatie. Een vierde vorm van signaaltransductie gaat via hormonen die het plasmamembraan kunnen passeren en direct aan transcriptiefactoren kunnen binden. Bij hormonen zijn receptoren op het plasmamembraan niet nodig, omdat ze hydrofoob zijn en membraan kunnen passeren.

Cellen ontvangen vaak meerdere signalen die ze moeten combineren. Ze integreren de signalen van buiten om zo tot een reactie te komen. Zo kan het zijn dat de cel pas een reactie geeft, wanneer twee verschillende signaalmoleculen een reactie hebben veroorzaakt. Er moet dus op het juiste moment een combinatie van signalen zijn om de cel een bepaalde functie te laten uitoefenen.

Celcyclus en DNA reparatie

Tijdens mitose wordt je DNA gedupliceerd en gelijk verdeeld over de twee dochtercellen. Dit moet gereguleerd worden. De celcyclus houdt in dat de cel deelt en twee dochtercellen krijgt. Een cel moet weten wanneer hij moet delen. De celcyclus bestaat uit verschillende stappen. De eerste stap is de G1 fase, dit is een rustfase om de cel te laten beslissen of hij wel of niet gaat delen. Alles moet namelijk in orde zijn, voordat de cel gaat delen. Dan komt de S-fase, waarin het DNA wordt gerepliceerd. Essentiële eiwitten voor de regulatie van de celcyclus zijn de cyclin-dependent kinases (CDK’s). Deze worden sterk gereguleerd door extracellulaire signalen. Vervolgens komt er weer een rustfase, de G2-fase. Tenslotte wordt het celmateriaal over twee dochtercellen verdeeld en deelt de cel zich: de M-fase. De M-fase bestaat uit mitose en cytokinese. Bij mitose vindt er nucleaire divisie plaats en bij cytokinese vindt cytoplasmatische divisie plaats, dan ontstaan dus echt de dochtercellen. De rustfases zijn voor checkpoints/beslismomenten bedoeld. Net voor de S-fase is er een checkpoint. Er wordt dan gekeken of het DNA niet beschadigd is en of de cel groot genoeg is. Na de S-fase is er weer een checkpoint. Hier wordt gekeken of het DNA goed gerepliceerd is en of er geen DNA-schade is. De celcyclus wordt gereguleerd door cyclines die de activiteit van kinases reguleren. Er vindt deling plaats bij afwezigheid van groeifactor.

Cdk2-Cycline A wordt geactiveerd door S-cycline en zorgt ervoor dat een cel in de S-fase gaat. Cdkl-Cycline B wordt geactiveerd door M-cycline en zorgt ervoor dat een cel in de M-fase komt. Fosfatase defosforyleert het M-cdk en zorgt ervoor dat het actief wordt. Cdk/cycline remmende eiwitten zoals P27 binden aan het actieve cycline-Cdk complex en zorgen ervoor dat dit complex inactief wordt.

Rb (=Retinoblastoma eiwit) is een substraat van CDK’s. Het is een remmer voor transcriptie. Fosforylering inactiveert rb, zodat transcriptie plaats kan vinden. Substraatfosforylering is betrokken bij DNA-replicatie en chromosoomscheiding. Het Rb gen is gemuteerd bij de familiaire vorm van retinablastoom. Rb is een tumorsuppressorgen.

De cyclin-dependent kinases zijn actief als ze geen fosfaatgroep gebonden hebben. Het
p53 gen is in 50% van de tumorcellen defect. De p53 route is defect in vrijwel alle tumorcellen. Bij DNA schade wordt de replicatie stilgelegd om de schade te kunnen herstellen. Dan vindt er activatie van proteïne kinases plaats, die vervolgens p53 fosforylering en deze stabiliseren en activeren. P53 is normaalgesproken erg instabiel en fungeert als transcriptiefactor die genen aan en uit kan zetten. P21 wordt door p53 aangezet en remt de celcyclus door inactivatie van G1/S-Cdk en S-Cdk complexen. Normaalgesproken zorgt p53 ervoor dat beschadigde cellen niet gerepliceerd worden en doodgaan. Bij mutatie van het p53 gen worden systemen niet meer gestopt en worden processen gestart zonder dat checkpoints behaald zijn.

Apoptose en Necrose

Apoptose is zelfmoord (geprogrammeerde celdood). Necrose is afsterven door ouderdom. Apoptose verloopt georganiseerd en netjes, terwijl necrose vrij ongeorganiseerd is en vaak voor infecties zorgt. Bij apoptose wordt caspase geactiveerd. Dit enzym wordt actief, doordat er een stukje vanaf wordt geknipt. Vervolgens knipt caspase zelf alles stuk, waaronder andere caspasemoleculen, waardoor deze ook actief worden. Er is sprake van een lawine effect. Bij apoptose deelt de cel zich in meerdere membraanomhulde blaasjes die door middel van fagocytose door omringende cellen worden opgeruimd. Apoptose is ook een vorm van signaaltransductie. Een apoptosoom bestaat uit adaptormoleculen en caspases. Bcl2 remt het apoptose proces. Teveel apoptose-remmers dragen bij aan kanker. Bij necrose komt de inhoud van cel in de extracellulaire ruimte terecht.

Voorcollege: darmepitheel

De binnenbekleding van de darmwand bestaat uit darmpetiheel. Epitheel is één cellaag dik en wordt gevoed door het lamina propria. Het epitheel bevat namelijk zelf geen bloedvaten. De villi ofwel darmvlokken zijn de vingervormige uitsteeksels die naar de binnenkant van de darm wijzen. Aan de basis van de villi bevinden zich cryptes. Dit zijn holtes waarin de stamcellen zitten, zodat vernieuwing van het epitheel mogelijk is. Elke 3 tot 6 dagen is het gehele darmepitheel vernieuwd (hoge turnover). De nieuwe cellen schuiven via de villi op omhoog. Het darmepitheel bestaat uit enterocyten en slijmbekercellen (10 μm breed). Enterocyten zijn absorptieve cellen met microvilli, die zorgen voor vergroting van het oppervlak. De microvilli wijzen naar het lumen van de darm. Slijmbekercellen zijn cellen die slijm produceren. Dit beschermt het epitheel en zorgt voor secretiemateriaal dat via exocytose vrijkomt. Zowel entrocyten als slijmbekercellen zijn gepolariseerd. Dit wil zeggen dat zij een duidelijke bovenkant (apox) en een duidelijke onderkant (basis) hebben. De secretievesicles van de slijmbekercellen liggen aan kant van het lumen van de darm.

• Mucosa: slijmvlies van de darm. Dit bestaat uit de villi en de crypten.

• Submucosa: de laag onder de slijmlaag, deze ligt meer richting de buitenkant van de darmwand.

• Serosa: de afsluitlaag, de buitenste laag van de darm

• Lamina propria: bindweefsel. Zit onder het epitheel en bevat de zenuwen en de bloedvaten.

• Lamina muscularis: spierlaag die bestaat uit kringspieren en lengtespieren, deze zijn verantwoordelijk voor de peristaltische bewegingen van de darm.

Rondom de darmcellen bevindt zich een sluitlijst die passage van moleculen tussen de cellen voorkomt. De cellen van het epitheel liggen dicht langs elkaar gerangschikt. Tight junctions liggen aan de apicale kant van de villi en voorkomen de passage van moleculen langs de cellen. Naast tight junctions zijn er ook adherens junctions die zorgen voor een stevig celverband en verbonden zijn met het cytoskelet. Desmosomen, een soort drukknopen, verbinden de cellen ook aan elkaar. Onder de epitheelcellen is een basale laag aanwezig. De epitheelcellen worden hieraan bevestigd door hemidesmosomen. (‘halvemaanvormige drukknopen’)

In de crypte vindt celdeling plaats, doordat stamcellen zich delen. De cellen zijn dus alleen delingsactief in de crypten. Op de villi zijn de cellen delingsinactief. De nieuwe cellen verschuiven naar boven. Tijdens deze verschuiving worden de cellen gedifferentieerd.

Op de top van de villus slijten de cellen af en na apoptose worden ze afgevoerd met de darminhoud richting het rectum. In het bindweefsel bevinden zich fibroblasten, daar vindt dus wel celdeling plaats.

Door labels (³H-thymidine) in te bouwen in de S-fase is men erachter gekomen hoelang het duurt voordat een nieuwe cel de top van de villus heeft bereikt. Met behulp van autoradiografie wordt de vernieuwingssnelheid bepaald. Deze thymidine wordt in de bloedbaan gespoten en is binnen 30 minuten in de cellen ingebouwd. De gelabelde cellen schuiven ook meer omhoog van de crypten naar de villi. Na mitose zijn beide dochtercellen gelabeld.

Methotrexaat is een stof die de cellen doodt in de S-fase. In de darm zorgt dit voor een stress effect. De cellen van het epitheel slijten wel af, maar worden vanaf onder niet bijgevuld. Hierdoor worden de villi korter en dikker. Ook vinden er fusies tussen verschillende villi plaats.

Werkgroep 5

Vraag 1: Signaaloverdracht tussen cellen kan over relatief korte dan wel lange afstand plaatsvinden. Beschrijf, aan de hand van figuur 16-3 op blz. 527 van Alberts, welke verschillende manieren van signalering tussen cellen er onderscheiden kunnen worden en bediscussieer voor elke manier of dit signalering over relatief korte dan wel lange afstand is.

• Endocrien: hormoon wordt afgegeven aan bloedbaan en wordt door receptor van targetcel herkend. Deze manier van signalering is over een lange afstand.

• Paracrien: producten die de cellen produceren beïnvloeden naburige cellen. Product wordt afgegeven aan het basaalmembraan en diffundeert verder. Dit gebeurt over een korte afstand.

• Neuronaal: transmissie van een signaal met behulp van neurotransmitters in synapsspleet. Deze worden herkend door receptoren van targetcel. Dit is zowel signalering over korte als lange afstand. Het is afhankelijk van de lengte van de axonen.

• Contact-afhankelijk: een signaalmolecuul dat gebonden is aan celoppervlak bindt aan receptor van een aangrenzende cel. Er is contact tussen de signaalcellen op het plasmamembraan van de signaalcel en receptor proteïnen die ingebed liggen in het plasmamembraan van de targetcel. Dit is signalering over een korte afstand.

Vraag 2: Waarom kan elke willekeurige cel slechts op een beperkt aantal signalen reageren? Geheel verschillende cellen kunnen receptoren hebben voor eenzelfde signaalstof, maar toch anders reageren op deze stof. Geef hiervoor een verklaring en illustreer dit met een voorbeeld.

Elke cel kan maar op een beperkt aan signalen reageren. Twee verschillende cellen kunnen wel receptoren voor dezelfde signaalstoffen hebben, maar er toch anders op reageren. Alle cellen in je lichaam bevatten hetzelfde DNA. Bij deze verschillende cellen in je lichaam komen andere genen tot expressie. De cellen hebben verschillende receptoren op hun celmembraan door een verschillende genexpressie. Hierdoor is de reactie anders in de cellen.

Voorbeeld van verschillende reacties op dezelfde stof:

• Adrenaline bij het hart zorgt voor daling van de snelheid en kracht van de hartslagen.

• Adrenaline bij de speekselklieren zorgt voor vorming van speeksel

• Adrenaline bij skeletspieren zorgt voor spiercontractie.

Vraag 3: Cellen kunnen relatief snel of langzaam op een signaal reageren. Bekijk achtereenvolgens in Alberts de signaleringsroutes die beginnen met het steroïde hormoon cortisol, stikstofmonoxide NO en adrenaline. Welke van deze drie specifieke routes zal de langzaamste celreactie tot gevolg hebben? Verklaar uw keuze.

Het steroïde hormoon cortisol heeft de langzaamste celreactie, omdat dit hormoon zorgt voor veranderingen in gen transcriptie en de andere twee alleen de eiwit conformatie veranderen. Cortisol en de langzame vorm van adrenaline hebben allebei gen transcriptie veranderingen tot gevolg, maar cortisol receptoren zitten intracellulair en daardoor gaat de signalering sneller. De celreactie op stikstofmonoxide (NO) is het snelste. Dit komt doordat genexpressie en receptorbinding geen rol spelen in de reactie van de cel.

Vraag 4: Geef, in de context van signaaloverdracht, een functionele beschrijving + een voorbeeld van: first- en second messenger fosforylering/defosforylering, moleculaire schakelaar, amplificatie van signalen

First- en second messenger: First messengers zijn de extracellulaire signalen die de enzymen activeren, zoals bijv. adrenaline die direct aan de receptor bindt. De second messengers zijn de kleinste intracellulaire signalen die door de geactiveerde enzymen gegenereerd worden, zoals cyclisch AMP. cAMP wordt gevormd door het enzym adenylyl cyclase. Deze second messenger zorgt voor amplificatie van het signaal.

Fosforylering/defosforylering: Sommige intracellulaire signaaleiwitten worden geactiveerd of geïnactiveerd door toevoeging of verwijdering van een fosfaatgroep aan eiwit. Kinase is een enzym dat zorgt voor fosforylering (toevoeging fosfaatgroep). Fosfatase kan deze groep verwijderen (defosforylering).

Moleculaire schakelaar: Ontvangst van signaal kan ze actief maken. Daarnaast kunnen ze ook andere moleculen activeren. Het is een mechanisme om ze te (in)activeren. Voorbeelden hiervan zijn eiwitten die aan of uit gaan door fosforylatie en defosforylatie. Daarnaast zijn er ook eiwitten die bijvoorbeeld aan gaan door binding van GTP en uitgeschakeld worden door de omzetting van GTP naar GDP.

Amplificatie van signalen: Het signaal wordt sterker gemaakt door intracellulaire signaleringsmoleculen. Hierdoor zijn een paar extracellulaire signaalmoleculen al genoeg om een grote intracellulaire reactie uit te lokken. Een voorbeeld hiervan is adrenaline, waardoor er erg veel cAMP wordt gevormd.

Vraag 5: Wanneer adrenaline bindt aan b-adrenerge receptoren op de plasmamembraan van een skeletspiercel wordt de a-subunit van een G-eiwit geactiveerd. Dit geactiveerde G-eiwit initieert een signalering pad dat uiteindelijk leidt tot de afbraak van glycogeen. Op welke punten in dit signalering pad wordt het signaal geamplificeerd?

Allereerst bij de geactiveerde adrenerge receptor (GPCR). Deze kan namelijk meerdere G-eiwitten activeren door de binding van adrenaline. De geactiveerde adenylyl cyclase kan vervolgens uit ATP meerdere cAMP’s vormen. De geactiveerde PKA (door cAMP) kan meerdere moleculen fosforylase kinase activeren. Een geactiveerde fosforylase kinase kan daarna ook meerdere glycogeen fosforylase activeren.

Vraag 6: Beschrijf de overeenkomsten en verschillen in de reacties die leiden tot de activering van het trimere G-eiwit (via een G-eiwit gekoppelde receptor) en de reacties die leiden tot de activering van Ras.
Overeenkomsten:

• Binding van signaalmolecuul aan receptor op het celmembraan

• Beide worden actief bij binding van GTP en inactief wanneer GDP gebonden is

• Het zijn beiden moleculaire schakelaars die tussen twee conformaties switchen

• Ze hebben beiden een transmembraan receptor eiwit

Verschil:

• Ras wordt geactiveerd door het Ras-activating protein én binding van GTP.

• G-eiwit wordt geactiveerd door binding met GTP.

• Bij Rtk is de receptor zelf het enzym dat een complex vormt en bij G-eiwitten activeert het een enzym, maar is zelf geen enzym

• Signaalmolecuul bij Ras is een dimeer en bij G-eiwit niet

• Ras- GEF verwisseld GDP voor GTP en dat initieert het Ras voor fosforylering

Interactief college: Embryologie

De embryonale periode loopt van week 1 tot week 8. In de eerste 3 weken ontstaat een 3-lagige kiemschijf. In de laatste 5 weken ontstaan de organen: organogenese. Vervolgens breekt de foetale periode aan (week 9 tot 38) waarin rijping en groei optreedt.

De eicel wordt omgeven door een sterke acellulaire laag: zona pellucida. Wanneer een zaadcel zich heeft gebonden aan een receptor treedt degradatie van de zona pellucida op, zodat de zaadcel de eicel binnen kan dringen. Trilhaartjes leiden een eicel richting ovaria. De zona pellucida voorkomt ook dat meerdere zaadcellen de eicel kunnen binnendringen en bevruchten.
Op weg naar de baarmoeder deelt de zygote (=bevruchte eicel) vele malen, maar de totale grootte blijft gelijk. Dit worden de klievingsdelingen genoemd. De zygote bevindt zich rond dag 3 in het morula stadium en is dan 16 cellig. Na 4 dagen vindt er vochtophoping in de cellen plaats en dit vormt uiteindelijk een centrale vochtophoping. Dit wordt het blastocyst stadium genoemd en bij dit stadium komt de zygote in de baarmoeder terecht. Ongeveer op de 8^e dag vindt implantatie van het embryo in de baarmoeder plaats. Dit kan echt pas wanneer de zona pellucida niet meer om de zygote zit en dit gebeurt door de afscheiding van degraderende enzymen die de zona pellucida oplossen. Na een aantal delingen ontstaat er een holte in de blastocyst en deze wordt dan een blastocoel genoemd. De holte is gevuld met vocht. Een blastocyst bevat een inner cell mass (embryoblast), waaruit het embryo zich zal ontwikkelen, en een outer cell mass (trofoblast) waaruit zich de placenta zal vormen.

De embryoblast bestaat uit een epiblast, hypoblast en amnionholte (komt later vruchtwater in). De hypoblast wordt later de dooierzak en de amnionholte ontstaat uit de epiblast. De epiblast en hypoblast vormen een 2-lagige kiemschijf. Door gastrulatie ontstaat een 3-lagige kiemschijf bestaande uit endoderm, mesoderm en ectoderm. De cellen van de epiblast gaan zich delen. Deze migreren naar de middellijn en vervolgens naar binnen. De cellen van de hypoblast worden weggedrukt en vervangen door cellen van het endoderm. Tussen de epiblast en het endoderm wordt nog een laag cellen gedrukt. Deze laag wordt het mesoderm genoemd. Er is een drieledige kiemschijf ontstaan. De cellen van de epiblast worden nu het ectoderm genoemd. Stamcellen kunnen alle mogelijke richtingen uit differentiëren en zijn daarom totipotente cellen. Adulte stamcellen kunnen nog een bepaalde richt op differentiëren. Uit de 3 kiembladen ontstaan verschillende weefsels. Endoderm: epitheliale weefsels van de tractus digestivus, lever, longen, blaas en pancreas

Mesoderm: skelet, spieren, hart, bloedvaten, nieren, vet, beenmerg, kraakbeen, lymfe, sereuze vliezen, ureter en de milt.

Ectoderm: zenuwcellen, huid, nagels, haren, zweetklieren, ooglens, ruggenmerg en hersenen.

Er zijn twee plaatsen waar geen mesoderm is, maar het ectoderm en het endoderm tegen elkaar aanliggen. Dit is het oropharyngeale (toegang tot toekomstige mondholte) membraan en cloacale membraan (toekomstige gemeenschappelijke uitgang urinestelsel en maag-darmstelsel).

Tumoren

Classificatie van individuele tumoren is van belang voor een adequate behandeling en deze geschiedt op grond van gedrag (het al dan niet kwaadaardig zijn), topografie en histogenese van de tumor. De benaming van de celtypen is te herleiden uit de embryonale oorsprong van deze celtypen. Een teratoom is een monstertumor (primitieve kiemcellen), omdat deze pluripotent is. Er kunnen zich allerlei weefsel ontwikkelen in de tumor (tanden, haren etc.)

Weefselvorming

Er zijn verschillende mogelijkheden hoe er uit één cel zoveel verschillende weefsels en organen kunnen ontstaan:

• Polariteit: de maternale RNA wordt niet gelijk over de dochtercellen verdeeld. De dochtercellen krijgen andere hoeveelheden van de regulatie eiwitten. (asymmetrische deling)

• Verschil in omgeving: cellen kunnen door chemische stoffen invloed op elkaar uitoefenen en communiceren. Waardoor verschillende cellen worden gevormd. (symmetrische deling)

• Genregulatie eiwitten: bepaalde eiwitten kunnen genen aan of uit zetten. Hierdoor komen bepaalde genen tot uiting en ontstaat een bepaald celtype.

Mesoderm differentiatie

In het mesoderm migreren de cellen, waardoor verschillende onderdelen ontstaan. Van buiten naar binnen ontstaan: lateraal plaatmesoderm – intermediair mesoderm – paraxiaal mesoderm(somieten) – axiaal mesoderm (chorda dorsalis)

Het laterale plaat mesoderm is op te delen in twee onderdelen. Het blad dat tegen het ectoderm aanligt wordt het (pariëtaal) somatisch blad genoemd. Het blad dat tegen het endoderm aanligt wordt het splanchisch (visceraal) blad genoemd. Uiteindelijk zal het viscerale blad tegen de organen aanliggen.

Tijdens de gastrulatie worden de belangrijke lichaamsassen vastgelegd:

• craniaal-caudaal (boven-onder): Inductie craniale weefsels door onder andere de transcriptiefactor Lim-1 (homeoboxgen Lm-1) en van caudale weefsel door onder andere de transcriptiefactor brachyury.

• Sirenomelia: geen expressie van een transcriptiefactor voor de cauale regio, waardoor deze niet of gedeeltelijk gevormd wordt. Ook kan het ervoor zorgen dat bepaalde caudaal gelegen organen niet gevormd worden.

• dorsaal-ventraal (achter-voor)

• lateraal-mediaal (buiten-binnen): Binnenin het lichaam is een links-rechts asymmetrie, zo liggen maag en hart links en de lever rechts.

• De nodal en lefty genen zijn bij deze links-rechts asymmetrie betrokken en komen normaal gesproken alleen links in het lateraal plaat mesoderm tot expressie.

• Bij sinus inversus (rechts liggend hart) is er expressie rechts in het lateraal plaat mesoderm

Cranio-caudale kromming (lengte kromming): buiging richting ventrale zijde. Het hart ligt boven de mondholte en daarboven ligt nog het septum transversum. Door de kromming komt het hart en het septum transversum op de juiste plaats te liggen. Het septum transversum zal zorgen voor een scheiding tussen thorax en abdomen en levert daarmee een bijdrage aan het ontstaan van het diafragma. Caudaal bevindt zich de hechtsteel, dit is een deel van je navelstreng die eerst dorsaal zit en dan door kromming naar de ventrale zijde gaat. De allantois is een endodermale uitstulping in de navelstreng, die voor mensen geen functie heeft maar voor bijv. vogels zorgt deze voor zuurstofopname en lozing van afvalstoffen.

Laterale kromming (breedte kromming): vorming intra-embryonaal coeloom (lichaamsholten). Door de laterale kromming gaat het ectoderm naar elkaar toe en fuseert. Zo kan de darm gevormd worden. Het lateraal splanchisch blad komt om de organen heen te liggen. Het somatisch/pariëtaal blad komt tegen de lichaamswand aan te liggen. Op de plaats van het hart kan het de intra-embryonale coeloom het pericardium vormen.

De krommingsprocessen vinden tegelijkertijd plaats en vormen de lichaamsholten. Ze krommen om de dooierzak, die niet meer groeit, heen.

De chorda dorsalis zal uiteindelijk bijdragen aan de vorming van de tussenwervelschijven. Uit de somieten zullen de spieren van de romp en ledematen ontwikkelen. Daarnaast ontwikkelen zich hieruit de wervels en ook de dermis van de romp. Uit het intermediaire mesoderm ontstaan de nieren en gedeeltelijk het inwendige genitaalstelsel.

Het visceraal blad wordt later de sereuze vliezen die de organen omgeven. Daarnaast zal het ook de gladde spieren en het bindweefsel van de organen vormen. Ook de bloed- en lymfevaten en de milt worden uit dit blad gevormd.

Het pariëtale blad wordt later de sereuze vliezen die de holtes van het lichaam bekleden. De elementen van het skelet en de dermis van de ledematen worden ook uit dit blad gevormd. Uit het cardiogene mesoderm zal het hart zich ontwikkelen. De spieren bij de hoofd zullen zich uit het kopmesoderm ontwikkelen.

In de 6^e week zijn de darmen zo groot dat ze niet meer in het embryo passen, de buikholte is te klein. Ze gaan dan de navelstreng in en rond de 10^e week is de buikholte weer groot genoeg en trekken de darmen zich weer terug de buik in.

Practicum 3 Morfologie, vernieuwing en herstel van darmepitheel

De darmvlokken (villi) en darmcrypten wordt bekleed met darmepitheel. Het darmepitheel bestaat uit enterocyten en slijmbekercellen. Enterocyten zijn cylindrische, absorptieve epitheelcellen. Slijmbekercellen produceren het darmslijm. De darmepitheelcellen zijn onderling stevig verbonden door middel van een celverband. De sluitlijst rondom de darmcellen voorkomt de passage van onder andere moleculen.

De darmlumen wordt bekleed met éénlagig cylindrisch epitheel. Het oppervlak van de darm voor resorptie wordt erg vergroot door darmvlokken (villi) en microvilli op de enterocyten. De darm ligt vrijwel los in de buikholte, want alleen via het mesenterium zit de darm vast aan de achterwand. Het mesenterium zorg ook voor bloed- en lymfetoevoer naar de darm. In de tunica submucosa zijn bloedvaten aanwezig.

De darm van binnen naar buiten

• Tunica mucosa
  - villi
  - cypten

• Tunica submucosa

• Tunica muscularis
  - circulaire spierlaag
  - longitudinale spierlaag

Wanneer je een doorsnede van de darm bekijkt kan je aan de tunica muscularis zien wat voor doorsnede het is. Bij figuur 20-2 in Albert zie je een dwarsaansnijding van de darm. De buitenste spierlaag (longitudinale) zie je dwars doorgesneden. Dit betekent dat je een dwarsdoorsnede hebt, want je ziet namelijk niet de longitudinale spieren in de lengterichting.

Een darmvlok wordt bekleed met enterocyten en slijmbekercellen. Het inwendige deel van de darmvlok is opgevuld met losmazig bindweefsel, de lamina propria. Allereerst heb je de epitheel laag, vervolgens de lamina basalis (basaalmembraan) en daarna de lamina propria. De epitheellaag heeft aan de apicale kant (richting darmlumen) veel microvilli op de enterocyten. Dit wordt de staafjeszoom of brushborder genoemd. Microvilli zijn uitstulpingen van het apicale celmembraan.

Per darmvlok zijn er ongeveer 10 crypten. In de crypten vindt celdeling plaats, want alleen daar zitten de stamcellen. De stamcellen delen in dochtercellen. Vervolgens schuiven de nieuwe cellen op richting de villi en tijdens deze verschuiving differentiëren ze naar hun eindceltype. De turnover van darmcellen is 2-4 dagen.

Bovenaan de darmvlokken vind je dus alleen uitgedifferentieerde cellen, die na een tijdje afsterven en dus vervangen worden door de nieuw gevormde cellen uit de crypten.

Door labels (³H-thymidine) in te bouwen in de S-fase is men erachter gekomen hoelang het duurt voordat een nieuwe cel de top van de villus heeft bereikt. De stamcellen in de crypten delen en vormen zo nieuwe dochtercellen. Na een half uur is het label uit de bloedbaan verdwenen en ingebouwd in de nieuwe DNA-strands.

De gelabelde cellen bevinden zich dan alleen in de crypten. Na verloop van tijd worden de nieuwe, gelabelde dochtercellen omhoog geduwd naar de villi, maar er blijven altijd ook nog gelabelde stamcellen achter in de crypten.

Methotrexaat is een toxisch cytostaticum dat cellen in de S-fase doodt. Het darmepitheel degenereert eerst, maar regenereert vervolgens ook. De stadia van atrofie (afname in celvolume) zijn duidelijk te zien wanneer je de reactie van het darmepitheel op methotrexaat bestudeert.

Werkgroep 6

A Celcyclus en apoptose

De celcyclus bestaat uit 4 fasen met elk hun specifieke kenmerken. Tijdens de S-fase vindt DNA-replicatie plaats en tijdens mitose worden de gedupliceerde chromosomen van elkaar gescheiden. Bij DNA schade staat de cel stil in de G1-fase. De concentratie van het eiwit p53 wordt dan hoger en het wordt actiever. P53 reguleert de aanmaak van p21. P21 bindt aan CDKs en stopt zo de celcyclus. Dit voorkomt foutieve replicatie. CDK’s zorgen normaliter voor het overgaan tussen de celcyclusfases. Retinoblastoom eiwit zorgt voor de blokkering van transcriptie regulerende eiwitten. De CDKs in de G1-fase deactiveren het RB-eiwit door fosforylering. Hierdoor is er transcriptie mogelijk. Tijdens deze rustfase in de G1-fase wordt de schade opgeruimd door middel van reparatie. Zo worden de DNA beschadigingen niet ‘verspreid’. Bij te veel beschadigen gaat de cel in apoptose.

Apoptose is geprogrammeerde celdood. Het is niet schadelijk voor omgeving van de cel en de organische delen worden gerecycled. Necrose is wel een schadelijke versie van celdood. Bij apoptose ontstaat door stimuli uit het mitochondrium een apoptosoom, welke caspases activeert die nucleair lamine en cytosolische eiwitten afbreekt. Hierdoor sterft de cel en wordt opgegeten door fagocytcel. Wanneer 2 procaspases samen gaan, vormen ze een caspase. De Bcl2-familie reguleert de activatie van caspase.

B EPO

EPO staat voor het hormoon erythropoëtine. Wanneer er een tekort aan zuurstof in de weefsels wordt geconstateerd, wordt er EPO aangemaakt. Dit gebeurt vooral in de nieren, maar ook een beetje in de lever. De vorming en rijping van rode bloedcellen vindt plaats in het beenmerg. Daarom heeft het hormoon invloed op het beenmerg. EPO verhoogt hiermee het aantal rode bloedcellen in het bloed. EPO wordt als doping gebruikt, omdat het er voor zorgt dat je meer zuurstof kan opnemen. Hierdoor kan je het tijdens het sporten langer volhouden en er treedt minder snel verzuring op. Bij mensen met anemie (tekort rode bloedcellen) wordt ook EPO gebruikt. Ook kankerpatiënten krijgen soms EPO toegediend, omdat de chemokuren de rode bloedcellen kunnen doden. Bij lang gebruik van EPO kan het bloed stroperig worden, waardoor er trombose kan ontstaan.

C Telomerase en kanker

Telomeren zijn de uiterste stukjes DNA van chromosomen. Deze worden bij elke celdeling korter, totdat de cel niet meer kan delen. Telomeren vormen een T-loop die beschermt tegen DNA-repair en het aantal celdelingen beperkt. Telomerase kan de telomeren weer verlengen. Telomerase komt bijna niet voor in somatische cellen, maar wel in stamcellen, geslachtscellen en embryonale cellen. Telomerase is een reverse transcriptase enzym. Het bevat een stukje RNA wat als template wordt gebruikt om de DNA-streng iets te verlengen.

Hierdoor wordt bij de celdeling het telomeer niet korter en kunnen stamcellen en kankercellen veel langer door blijven delen dan somatische cellen. Op het moment dat de telomeer op is wordt p53 geactiveerd welke weer p21 activeert. p21 deactiveert Cdk's waardoor de celdeling stopt.

Als p53 afwezig is, doet de cel een poging om toch nog te overleven, ondanks dat de telomeer op is. Soms is de cel dan alsnog in staat om te overleven, waardoor de cel wel weer werkzaam wordt maar met vele mutaties. Daardoor ontstaan er tumoren.

Replicatie van somatishe cellen zorgt voor verkorte telomeren. Bij aanwezigheid van p53 veroudert de cel op een normale manier. Als p53 niet aanwezig is, wordt er nog geprobeerd te redden. Ook vindt er niet homologe end-joining plaats. Hierdoor kan de cel nog wel functioneren, maar bevat wel enorm veel mutaties. Wanneer bij deze cel ook nog telomerase aanwezig is, ontstaan er kankercellen. De cellen bevatten mutant DNA en worden niet geremd in hun celdeling door verkorting van telomeren. (Figuur 7-35 Alberts, blz. 297)

D Viagra (Sildenafil)

Bij seksuele opwinding komt er NO vrij onder invloed van acetylcholine. Het vrijgekomen NO (stikstof monoxide) in het zwellichaam bindt aan guanylyl cyclase en activeert dit enzym. Hierdoor wordt guanosine trifosfaat (GTP) omgezet in cyclisch guanosine monofosfaat (cGMP). cGMP is verantwoordelijk voor de fosforylering van PKG. PKG zorgt voor ontspanning van de gladde spiercelen van de bloedvaten. Dit verslapt de gladde spieren in het zwellichaam. Hierdoor kan het zwellichaam gevuld worden met bloed (erectie). PKG is een cGMP afhankelijke protein kinase.

Viagra bevat de stof sildenafil. Dit is een sterke remmer van het cGMP specifieke fosfodiesterase type 5 (PDE 5) in de zwellichamen. PDE 5 zorgt voor de afbraak van het cGMP. Na een zaadlozing wordt het cGMP afgebroken door PDE 5. Bij gebruik van viagra wordt het PDE 5 geremd en zo ook dus de afbraak van cGMP. Hierdoor blijven de spieren ontspannen en de zwellichamen gevuld met bloed. De erectie wordt in stand gehouden.

Hoorcollege Zorgstage

Dit college gaf informatie over de zorgstage van blok 3, dit is geen tentamenstof voor blok 2 dus zijn er geen aantekeningen.

Week 4

Hoorcollege 1

Primaire weefsels in ons lichaam zijn sociale verbanden van cellen die weefsels vormen. Ons lichaam kent vier primaire weefseltypen. De eerste zijn de epithelia: de cellulaire dekweefsels die de buitenkant van het lichaam en alle holten in het lichaam bekleden. Epitheelcellen grenzen heel nauw aan elkaar en zijn met stevige junctions verbonden. Epitheel staat vaak bloot aan slijtage, er is daarom veel celvernieuwing. Stamcel deelt in 2 dochtercellen. 1 dochtercel deelt en vormt precursorcellen die verder kunnen differentiëren. Weefsels die erg veel delen, hebben vooral een hoge delingsactiviteit in de precursorcellen. Darmepitheel is eenlagig epitheel, de epidermis is een meerlagig epitheel. De crypten van de darm en de onderste laag cellen van de epidermis bevatten stamcellen en dochtercellen die delen. Epitheel ontstaat uit alle 3 kiembladen: endoderm, mesoderm en ectoderm. De functies van epitheel zijn er divers, omdat epitheel op verschillende plekken in lichaam voorkomt. Epithelia zijn polair, dit betekent dat ze een apicale en een basale kant hebben. De cellen van het epithelia hebben veel cytoskelet, omdat ze mechanische krachten en stress moeten kunnen weerstaan.

De tweede groep van weefsels wordt gevormd door de bind- en steunweefsels en bloed. In bind- en steunweefsel vindt er minder slijtage plaats. De vernieuwing vindt plaats vanuit het bindweefsel. De stamcellen zijn in bind- en steunweefsels minder goed op te merken. Dit weefsel bestaat uit cellen die in het algemeen omringd worden door een extracellulaire matrix, die zij zelf produceren. Een extracellulaire matrix bestaat uit weefselvloeistof, vezels en andere eiwitten, die door bijvoorbeeld fibroblasten worden gemaakt. Bindweefsel is veel luchtiger weefsel dan epitheel. De cellen zijn niet zo nauw verbonden met elkaar als in epitheel weefsel en communiceren daarom ook anders. Mesenchym: Embryonale term voor bindweefsel. Tot de bind- en steunweefsels behoren ook ons kraakbeen, bloed en onze botten. Het is een familie, omdat de cellen in deze weefsels erg op elkaar lijken met betrekking tot de productie van de belangrijkste extracellulaire matrixcomponenten zoals collageen en elastine. Maar ze zijn toch gespecialiseerd, want in bindweefsel is de extracellulaire matrix veel vloeibaarder dan in been waar het collageen juist voor een harde substantie zorgt.

De derde weefselgroep wordt gevormd door spierweefsel. Dit is onder te verdelen in skeletspierweefsel, hartspierweefsel en glad spierweefsel.

De vierde primaire weefselgroep is het zenuwweefsel. Zenuwweefsel bestaat uit neuronen met lange uitlopers en gliacellen. Tussen de cellen is zeer weinig extracellulaire matrix aanwezig. Zenuwcellen zijn heel specifiek door de lange uitlopers die synaptische contacten met elkaar maken.

Hoe ontstaan de verschillende weefsels in ons lichaam?

Er zijn in ons lichaam 200 verschillende soorten celtypen, die allemaal uit dezelfde embryonale stamcellen ontstaan. Embryonale stamcellen zijn omnipotent, dus kunnen ze aanleiding geven tot het ontstaan van alle mogelijke cellen in ons lichaam. De stamcellen van onze bloedcellen liggen in het beenmerg. Hematopoëse is het proces waarbij bloedcellen gevormd worden.

Verschillen Epitheel en Bindweefsel

Epitheel en bindweefsel zijn elkaars tegenpolen qua weefsels. Ze hebben een verschillend cytoskelet, verschillende vormen van communicatie, een verschillende extracellulaire matrix en een andere manier van bewegen. Alle weefsels bestaan uit cellen en door hen geproduceerde extracellulaire matrix (bevat componenten, zoals eiwitten en vezels). Per weefsel kunnen deze componenten en de hoeveelheid extracellulaire matrix echter sterk verschillen.

Epitheel

Het epitheel weefsel ontstaat uit alle drie de kiembladen. Uit de blastocyst ontstaan drie belangrijke kiembladen: het endoderm (waar je verteringskanaal uit gevormd wordt), het mesoderm (waar je bindweefsel, been, spieren, vetcellen en je bloedvatendotheel uit gevormd wordt) en het ectoderm (waar je epidermis en je centrale zenuwstelsel uit gevormd wordt). Door deze verschillend oorsprongen hebben verschillende epitheelweefsel grote verschillen in functie en vorm. Het epitheelweefsel geeft het onderliggend weefsel bescherming. Epithelia hebben geen eigen doorbloeding. Voor de epidermis betekent dit dat de voedingsstoffen en zuurstof zo hoog mogelijk getransporteerd moeten worden in de dermis om vervolgens de epidermis in te diffunderen. Dit geeft direct een grens aan de dikte die een epidermis kan hebben. Als het epidermis vervolgens te hoog wordt, krijgen de bovenste cellen niet genoeg voedingsstoffen en zuurstof en gaan in apoptose. Zij worden omgevormd in hoorncellen. Epitheelcellen van de epidermis worden keratinocyten genoemd (keratine=hoornstof). De dermis (bindweefsel) is rijk doorbloed en transporteert voedingsstoffen via de bloedbaan en via de extracellulaire matrix.

Epithelia zijn altijd grenslagen, dus dat betekent dat er veel slijtage is. Er is dan ook veel cel vernieuwing. Veel celdeling maakt de kans op kanker ook groter. De cellen zitten in een stevig celverband door de adherens junctions en celadhesie moleculen zoals cadherines. Dit is van groot belang omdat de epitheelcellen aan veel chemische en mechanische krachten onderhevig zijn. Epithelia kunnen verschillende gelaagdheid hebben. Daarnaast verschillen de epitheelcellen ook in vorm van plat tot hoog. Het bloedvatendotheel is eenlagig (eenlagig plaveisel). De cellen zijn heel plat in tegenstelling tot de slanke en hoge darmepitheelcellen (gericht op endocytose). In klieren is het epitheel vaak kubischvormig. Hoe meer mechanisch geweld, hoe meer het epitheel geneigd is om meerlagig te worden. Maar dit moet wel in verhouding staan tot het vermogen van het epitheel om voedingsstoffen op te nemen. Epithelia hebben veel cytoskeletelementen, zodat de vorm gehandhaafd kan worden.

Epitheelcellen

Epitheelcellen zijn polair. Dit betekent dat ze een duidelijke bovenkant en een onderkant hebben. Bij darmepitheelcellen betekent dit dat de bovenkant microvilli, bepaalde receptoren en sluitvlakken hebben. Microvilli zijn een soort trilhaartjes die voor oppervlakte vergroting zorgen en beweging van voedsel door de darm vergemakkelijken. Aan de onderkant zit de basale lamina, dat bestaat uit extracellulaire matrixcomponenten en vezels. Dit is een belangrijke grens tussen twee verschillende weefsels; het epitheel en het onderliggende bindweefsel. Als een epitheelcel maligne ontaardt, kan hij eiwitafbrekende enzymen maken (proteases), die de basale lamina afbreken. Zo komen de kankercellen in het bindweefsel terecht en vervolgens in een bloedvat. Op deze manier ontstaan metastasen. Er is dan sprake van uitzaaiing.

Bindweefselcellen

In het bindweefsel overheerst vooral de extracellulaire matrix. De functie van het bindweefsel is verbinding en transport. Het zorgt voor de voorziening van voedingsstoffen en zuurstof van het epitheel. Het bindweefsel bestaat uit verschillende componenten. Eén daarvan is collageen. Dit is een eiwit dat wordt geproduceerd door de fibroblasten, de cellen die in het bindweefsel aanwezig zijn. Collageen bestaat uit filamenten die in de extracellulaire matrix worden samengevoegd en daardoor dikke vezels vormen. Het is een sterk eiwit en is van belang voor de stevigheid van het lichaam. Een ander component is elastine. Dit eiwit kan door trekkrachten uitrekken en weer terugveren en zorgt op die manier voor vormbehoud van structuren in ons lichaam. Het is vooral belangrijk in de arteriewand, want daar pulseert het bloed doorheen. Verder zij er ook proteoglycanen aanwezig. Dit zijn macromoleculen die heel hygroscopisch zijn en dus water kunnen aantrekken. Hierdoor wordt de weefselvloeistof gevormd. Door de aanwezigheid van weefselvloeistof kan er door het bindweefsel goed transport plaatsvinden. Al deze eiwitten worden gevormd door de fibroblasten. Sommige componenten worden ook door het bloed aangevoerd. Zo zijn er in het bindweefsel vaak gastcellen uit het bloed aanwezig, zoals macrofagen. Bindweefsel bestaat uit: collageen, elastine, proteoglycanen, weefselvloeistof, fibroblasten en gastcellen uit bloed.

Fibroblasten produceren: 

Collageen (25% van ons lichaamseiwit)

Fibroblasten produceren de componenten van de extracellulaire matrix zoals bijvoorbeeld collageen. Binnenin een fibroblast wordt pro-collageen gemaakt, een enkelvoudige eiwitketen. Deze ketens gaan om elkaar wikkelen tot een triple-helix ofwel coiled coil. Aan beide kanten van de triple-helix zit een soort kwastje. Wanneer er exocytose van het procollageen plaatsvindt, worden deze kwastjes eraf geknipt. Buiten de cel kunnen ze nu aggregeren tot collageenfibrillen en vervolgens tot collageenvezels. Deze collageenvezels vormen een netwerk om de fibroblasten heen

Collageen komt in gevarieerde vormen in verschillende weefsels voor. In de dermis vormt het een vlechtwerk van trekvaste vezels. Door aminozuurvolgorde in de polypeptideketens is collageen zeer trekvast. In de basale laminae vormt het collageen geen vezels, maar een fijnmazig vlechtwerk van fibrillen. In pezen vormt collageen trekvaste parallele vezelbundels. In het oog komt het in een transparante vorm voor en vormt het de gelatineuze weefselvloeistof van het glasachtig lichaam. In je beenderen associeert het met mineralen zoals calcium en zorgt het voor stevigheid. In kraakbeen associeert het collageen met extracellulaire matrix-proteoglycanen die water aantrekken. Kraakbeen zit daar in het lichaam waar grote krachten een rol spelen. Collageen zit in een bolvorm om deze proteoglycanen met water heen, waardoor het een indrukbaar maar drukvast geheel vormt.

Als je een mutatie hebt in het gen dat codeert voor de enzymen die de uiteinden van procollageen eraf knippen, worden er geen collageenvezels gevormd. Dit zorgt bijvoorbeeld voor een zeer uitrekbare huid.

Elastine

Fibroblasten produceren ook elastine. Het is zeer rekbaar en zorgt voor vormbehoud van het lichaam. Elastine moleculen zijn met elkaar ge-crosslinked met behulp van zwavelbruggen. Hierdoor zijn zij in staat uit te rekken en terug te veren.

GAG (glycosaminoglycanen) en proteoglycanen

Deze moleculen trekken water aan en maken op die manier transport door de extracellulaire matrix mogelijk. GAG's bestaan uit een aaneenschakeling van steeds dezelfde disachariden met COO^- groepen. Deze hebben sterk negatieve ladingen die natrium en daardoor water aantrekken en uitdroging van het bindweefsel voorkomen. GAG's vormen de backbone van de grotere aggregaten zoals proteoglycanen. Aan deze backbone zitten eiwitmoleculen gebonden. Een proteoglycaan is een macromolecuul met glycosaminoglycanen en eiwitten. Deze GAG’s worden ook door fibroblasten geproduceerd.
 

Aanpassen in een weefsel

Wanneer er in een weefsel nieuwe cellen worden gevormd, moet die zich aanpassen aan de rest van het weefsel en de functie gaan uitvoeren, die ze horen uit te voeren. Dit gebeurt op drie manieren.

• Ten eerste communiceren cellen met elkaar door middel van signaalstoffen en receptoren. Er zijn vier vormen van deze communicatie, namelijk endocriene-, paracriene-, neuronale-, en contactafhankelijke signalering. Bij endotheelcellen is vooral de contactafhankelijke signalering belangrijk. Bij bindweefsel is er voornamelijk sprake van endocriene en paracriene signaaloverdracht.

• De tweede manier waarop cellen in een weefsel nieuwe cellen vertellen wat ze moeten doen is via selectieve cel-cel adhesie. Cellen die namelijk dezelfde soort cadherines (calcium-afhankelijke adhesie eiwitten) en cytoskeletfilamenten hebben maken graag contact met elkaar. Dit noem je homofiele verbindingen, omdat deze cellen graag binden met cellen waarop ze lijken.

• Ten derde heeft een cel een geheugen. Nieuwe cellen die gevormd worden in een weefsel weten dan waar ze vandaan komen, doordat genen in het DNA volgens een automatisme worden aan en uitgezet.

Contact-afhankelijke communicatie gaat via membraangebonden eiwitten die aan receptoren van buurcellen binden of via junctions. Signaaloverdracht in epithelia gaat vooral via contact afhankelijke signaaloverdracht en de verbinding van epithelia met het cytoskelet, via junctions, is belangrijk voor deze vorm van communicatie.

Er zijn verschillende soorten junctions:

Tight junctions

Cel-cel junction waarbij de naburige membranen plexgewijs over riggels met elkaar versmelten, zodat geen enkel molecuul vanuit het lumen via de intracellulaire spleet de cellen kan passeren. Hierdoor is alleen transcellulaire transport mogelijk (door de cel heen).

Adherens junctions

De aherens junctions verbinden continu twee cellen met elkaar door de actine filamenten van twee cellen door middel van cadherines te verbinden.

Desmosomen

De desmosomen zijn een ander soort adherens junctions. Het zijn een soort drukknoopjes die de cellen aan elkaar plakken. De cadherines die met elkaar verbonden worden, zitten hier vast aan linker eiwitten die vervolgens vastzitten aan intermediaire filamenten.

Hemidemosomen

De derde soort adherensjunctions zijn de hemi-desmosomen. Hier wordt de epitheelcel verbonden aan de extracellulaire matrix, bijvoorbeeld de basale lamina. Nu worden de intermediaire filamenten (keratine filamenten) niet verbonden door cadherines, maar door integrines. Functioneel verschil: cadherines plakken epitheelcellen aan elkaar, integrines plakken cellen altijd aan de ECM.

Gap junctions (nexusverbinding)

Gap junctions zijn een soort kanaaltjes tussen cellen, die belangrijk zijn voor de communicatie. Ionen en kleine signaalmoleculen kunnen hierdoor heen. De kanaaltjes kunnen open en dicht onder invloed van calcium. Gap junctions vindt je niet alleen in epithelia, maar ook in andere weefsels, zoals gladde spiercellen.

Functie van intergrines en fibronectines

Cellen in het bindweefsel, zoals fibroblasten, kunnen contact maken met collageen in de extracellulaire matrix om zo door het weefsel te kunnen reizen. In een fibroblast worden de actine filamenten verbonden aan het collageen in de extracellulaire matrix via een aantal verbindingselementen. Deze verbindingen bestaan uit integrines en fibronectine. Integrine is aan de binnenkant via een adaptor-eiwit aan het actine filamentnetwerk verbonden. Alle cellen die door het bindweefsel reizen hebben integrines als transmembraan eiwit. Aan de buitenkant van de cel is het integrine gebonden aan fibronectine dat vervolgens aan collageen kan binden. Fibronectine heeft altijd twee bindingssites waar collageen aan kan binden en twee sites waar de cel aan kan binden. Bindweefselcellen zijn beweeglijk en reizen naar plekken in de extracellulaire matrix waar opbouw of afbraak van componenten nodig is.

Integrines zijn niet alleen verbindend. Ze functioneren ook als receptoren voor stress –en chemische signalen. Als ze inactief zijn, zijn ze ineengekrompen. Ze kunnen worden geactiveerd door bijvoorbeeld bacteriën of andere signalen uit de omgeving of door signalen vanuit de cel zelf. Er zijn minstens 20 soorten integrines die allemaal aan verschillende matrixcomponenten kunnen binden. Aan de binnenkant bindt het altijd aan actine, omdat het dun en beweeglijk is.

Actine

Actine vervult verschillende functies in de cel. Zo zorgt het voor structuur en beweeglijkheid van de microvilli, de structuur van contractie bundels in cellen, de beweging van een fibroblast en de insnoering van de cel na mitose. Actine ondersteunt ook membraanbewegingen bij bijvoorbeeld enterocyten. Er zijn 2 soorten actine: G-actine en F-actine. G-actine is globulair en F-actine is filamenteus. Actine zorgt dus voor steun, dynamiek en beweging van de cel. Actine is een dun, dynamisch en flexibele, polaire filament.

Actine bestaat uit globulaire actinemonomeren. Deze monomeren koppelen vervolgens aan elkaar door inwisseling van ingesloten ADP voor ATP. Een ATP-gebonden monomeer heeft namelijk een sterke neiging om te gaan polymeriseren tot een actinefilament. Twee actinefilamenten om elkaar heen vormen actine. Actine wordt constant gepolymeriseerd (streng wordt langer) en gedepolymeriseerd (streng wordt korter). Deze depolymerisatie gebeurt vanzelf, omdat ADP gebonden actine een minder sterke binding tussen de monomeren oplevert. 

In het cytosol van een fibroblast zitten een hele hoop actinemonomeren. Wanneer de fibroblast gaat bewegen, worden de actinemonomeren gepolymeriseerd in de looprichting. Op deze manier ontstaan twee soorten uitsteeksels, kleine uitsteeksels genaamd filopodia en grote uitsteeksels genaamd lamellipodia. De cel gaat met integrines contact aan met het component waarover de cel zich beweegt. Onder invloed van myosine II vindt er contractieplaats. De hele cel wordt daarna naar voren getrokken.

Bij spiercellen is myosine II nodig als motoreiwit. In de myosine II koppen vindt ATP-ase plaats en met behulp van ATP kunnen actine filamenten binden. Er vindt een powerstrike plaats waardoor de actine filamenten over elkaar worden getrokken, dit is het principe van spiercontractie.

Intermediaire filamenten

Intermediaire filamenten zijn van groot belang voor de stevigheid van onder andere epitheelcellen, ze zijn niet flexibel en sterk. Intermediaire filamenten komen in alle cellen voor, lopen door de cel heen en verbinden zich aan het membraan via desmosomen en hemidesmosomen. Cellen zijn altijd onderhevig aan krachten van buitenaf. Deze krachten worden via desmosomen overgebracht op de intermediaire filamenten. Dankzij deze connectie van de desmosomen worden de krachten over alle cellen verdeeld en blijft het epitheel heel. Als dit niet gebeurd kun je in de epidermis bijvoorbeeld blaren krijgen, doordat de cellen loslaten van het basale lamina. Blaarziekten in de epidermis zijn vaak gevolg van mutaties in genen die coderen voor keratine intermediaire filamenten. Intermediaire filamenten zijn heel divers samengesteld. Elk celtype maakt zijn eigen filamenten op maat, want er zijn 20 genen die bijdragen aan intermediaire filamenten. Alle celtypen bevatten hun eigen set van intermediaire filamenten. De primaire bouwsteen is een monomeer met een staafvormig middengedeelte en twee bolvormige uiteinden. Deze bolvormige uiteinden kunnen per cel verschillen, waardoor er een ander filament gevormd wordt. Dit monomeer is polair met aan een kant de N-terminus en aan de andere kant de C-terminus. Twee van deze monomeren winden om elkaar heen tot een dimeer. Vervolgens treedt er aggregatie van twee dimeren op tot een tetrameer. Acht tetrameren samen vormen vervolgens de intermediaire filamenten. De intermediaire filamenten in epitheelcellen worden keratines genoemd. In bind- en spierweefsels heten ze vimentinen en afwijkingen in deze filamenten zorgen voor spierdystrofie. In de kern zelf heten ze nucleaire laminen en hier zorgen afwijkingen voor o.a. progeria (verouderingsziekte). In zenuwcellen komen neurofilamenten voor en neurodegeneratieve ziekten zoals ALS worden veroorzaakt door afwijkingen in deze filamenten.

Microtubuli

Microtubuli zijn zeer dynamisch en instabiel en erg belangrijk voor bewegingsprocessen. Ze groeien via polymerisatie van tubuline-dimeren vanuit de centrosomen naast de celkern. Het zijn een soort buisjes. Bij microbuli gaat het om groei en krimp, daar is energie bij nodig in de vorm van GTP. Als er genoeg GTP is, zullen er microtubuli uit de centrosomen groeien. Wanneer GTP sneller wordt omgezet in GDP (hydrolyse) dan dat er polymerisatie plaatsvindt, zal de microtubuli krimpen. Wanneer polymerisatie sneller gaat dan GTP hydrolyse ontstaat er een GTP cap. Tubuline is een heterodimeer en bestaat uit een alfa en een beta subunit. Vanuit het centrosoom vormt zich een buisje met een plus en min kant. De plus kant ligt richting het cytosol en de min kant richting het centrosoom. Er vindt dan meestal ook meer polymerisatie plaats aan de plus kant dan aan de min kant. Onder de plasmamembraan bevinden zich kapjes die ervoor kunnen zorgen dat de microtubuli wat langer in stand blijven en er goed blaasjestransport mogelijk is.
Twee belangrijke motoreiwitten zijn kinesine en dyneïne, deze wandelen over de microtubuli heen om cargo te vervoeren. Kinesine vervoert cargo naar rechts en dyneïne naar links. Microtubuli zijn belangrijk voor intracellulair eiwittransport en het op zijn plaats houden van organellen. In het cellichaam van een zenuwcel bijvoorbeeld waar langs microtubuli signalen getransporteerd kunnen worden. Ook vervullen zij een belangrijke rol bij mitose. Zij zorgen ervoor dat er in elke nieuwe dochtercel de goede chromosomen aanwezig zijn.

Voorcollege adaptaties

Vormen van adaptaties

• Atrofie: twee soorten

• Eenvoudige atrofie: afname in activiteit en grootte van de cel, wat gepaard gaat met een afname van spcifieke functie

• Numerieke atrofie: afname in aantal cellen

• Hypertrofie: toename van volume van de cel

• Hyperplasie; gecontroleerde toename van aantal cellen

• Metaplasie: verandering van de cel in een ander celtype

• Neoplasie: nieuwvorming van cellen (kanker)

Bij atrofie reageren de cellen op de verminderde hoeveelheid voedingsstoffen en groeifactoren. Bij Hypertrofie en hyperplasie reageren de cellen op de toename van vraag of op een externe prikkel (stimulus). Bij metaplasie veranderen de cellen van het ene geheel gedifferentieerde weefsel in een ander verwant type weefsel.

Metaplasie is meestal een reactie van de cel op een chronische prikkel en is reversibel. Metaplasie kan een voorloper zijn van neoplasie. Metaplasie kan voordelig zijn wanneer een minder resistent weefsel vervangen wordt door een weefsel dat meer resistent is. Door roken wordt bijvoorbeeld het eenlagig trilhaarepitheel van de luchtwegen vervangen door meerlagig plaveiselepitheel. Daarentegen kan metaplasie ook nadelig zijn, omdat er door de weefselverandering verlies van functie ontstaat. Door roken vindt er een verandering in weefsel plaats, maar je krijgt ook last van een rokershoest.

Sommige adaptaties, zoals metaplasie, zijn reversibel de cellen kunnen dus nog weer terug naar hun oude staat. Wanneer adaptatie niet mogelijk is of er een schadelijke impuls is, ontstaat er cel schade. De cel probeert deze schade te repareren, maar lukt dit niet dan ontstaat er irreversibele cel schade. Er zijn dan twee dingen die met een cel kunnen gebeuren, namelijk necrose of apoptose.

Bij necrose komt de celinhoud in het weefsel en gaat de cel kapot. Dit is een slordige celdood en gaat gepaard met ontstekingsreacties.

Apoptose is een nette afbraak van een beschadigde cel.

Werkgroep 7

Cellen zijn onderling verbonden door middel van cell-cell junctions.

• Tight junctions (zonula occludens) voorkomen passage van macromoleculen door de ruimte tussen epitheelcellen af te sluiten. Hierdoor kunnen deze moleculen alleen transcellulair passeren.

• Zonula adhaerens:hechten het plasmamembraan van twee cellen aan elkaar. Ze zijn verbonden met het actine van beide cellen. Dit zorgt voor stevigheid.

• Desmosoom: hechten de cellen aan elkaar. Belangrijk onderdeel hiervan zijn intermediaire filamenten. Ze zorgen voor spanning tussen cellen.

• Gap junctions: zijn communicatiekanaaltjes tussen cellen van chemische signalen zoals ionen.

• Hemidesmosomen: halvemaanvormige desmosomen. Ze hechten aan lamina basalis. Ze hebben een mechanische functie en geven spanning.

Tussen de epitheelcellen in de epidermis en de darm zitten verschillen. Het darmepitheel is éénlagig en ligt dicht bij elkaar. De darm is ook beter apicaal en basaal georiënteerd. De epidermis bevat meer desmosomen en hemidesmosomen, maar minder actine dan darmepitheelcellen. De epidermis bevat ook minder adherens junctions, omdat er minder beweging in de huid plaatsvindt.

De lamina basalis zorgt voor afgrenzing tussen verschillende soorten weefsels. De lamina basalis bevat collageen type IV, proteoglycanen (perlecan), laminine, glycoprotein (tactin).

Functies lamina basalis:

• Hechtend

• Filterend voor uitwisseling macromoleculen tussen epitheel en bindweefsel

• Regulerend van celdelingsactiviteit en differentiatie

• Bindingsplek voor integrines

• Scheiding tussen de basale kant van de epitheelellen en het bindweefsel

• Ondersteuning van het epitheel

• Bescherming tegen uitzaaiing van tumoren

Er is een belangrijk verschil tussen de extracellulaire matrix van bot en bindweefsel. Bot bevat meer calciumbindende eiwitten en meer fosfaattrekkende eiwitten. Hierdoor worden er calciumfosfaatkristallen gevormd. Bot bevat minder ECM en alles ligt ook dichter bij elkaar. Bot en bindweefsel bevatten beide o.a. collageen. In het bindweefsel van bijv. de huid komt meer elastine voor dan in bot, omdat de huid rekbaarder moet zijn dan botten.

Fibroblasten en witte bloedcellen kunnen zichzelf verplaatsen door het bindweefsel. Allereerst hecht de cel zich vast aan het substraat. Vervolgens vindt er aan de voorkant van de cel actine polymerisatie plaats. De lamellipodium stulpt uit en bindt met integrine. De achterkant van de cel contraheert (myosine II) en trekt het cellichaam naar voren. Dus: extensie, adhesie, translocatie en dan de-adhesie.

Witte bloedcellen kunnen op signalen reageren en vervolgens uit de bloedbaan treden. Deze bloedcellen kunnen uit de bloedbaan ontsnappen zonder schade aan te richten aan het endotheel. Allereerst vinden marginatie en rolling plaats. Bij marginatie ontstaat er adhesie tussen leukocyt en bloedvatwand. Vervolgens rolt de witte bloedcel langs de vaatwand met behulp van adhesiemoleculen (selectinen). Deze komen tot expressie op witte bloedcellen en endotheelcellen onder invloed van chemische mediatoren (primaire adhesie). Hierna vindt er adherentie plaats. De witte bloedcellen kleven stevig aan het endotheel als gevolg van het tot expressie komen van bepaalde adhesie moleculen (integrinen) op de witte bloedcel en endotheel. Ze komen tot expressie onder invloed van chemische mediatoren en chemotactische factoren. Dan vindt er transmigratie plaats. Onder invloed van chemische factoren scheiden adherente witte bloedcellen proteasen uit, waardoor de witte bloedcel door het basaalmembraan van bloedvat naar interstitium kan komen. De junctions tussen de cellen worden verbroken, waardoor passage mogelijk is

Practicum 4: Adaptaties van weefsels

Adaptatie van het weefsel is aanpassing van het weefsel om weer homeostase te krijgen.

Spierweefsel:

• Skeletspierweefsel: gefuseerd, veel kernen per cel, lang en buisvormig en dwars streping

• Glad spierweefsel: sigaarvormige kernen, spoelvormig cytoplasma en geen dwars streping.

• Hartspierweefsel: individueel, nauwe connectie met elkaar en dwarsgestreept.

Atrofie: afname van weefsel of orgaanmassa
- numerieke: afname van aantal cellen
- eenvoudige: afname van celfuncties (en volume)

Hyperplasie: meer cellen (omvang cellen neemt niet toe)

Hypertrofie: vergroting van het volume van de cellen (geen celtoename).

Metaplasie: vorm adaptatie (verandering van weefsel)

Neoplasie: ontregelde groei

Voorbeeld metaplasie:

Wanneer iemand veel overgeeft, kan het epitheel van de slokdarmwand veranderen. Het meerlagig plaveiselepitheel gaat dan over in cilindrisch epitheel met slijmbekercellen van de maagwand. Deze slijmbekercellen maken slijm dat de slokdarm beschermt tegen de zure inhoud van de maag.

Een wrat is een goedaardige proliferatie van de epidermis. Wratten worden ook verruca genoemd. Virussen zijn vaak de oorzaak van wratten. Deze woekeringen groeien naar buiten en zitten meestal aan een steeltje vast.

Werkgroep 8

A Angina Pectoris en beta-blokkers

Normaliter hecht (nor)adrenaline zich aan beta-receptoren op het celmembraan van hartspiercellen om de hartslag en contractiekracht te verhogen. Deze beta-receptor is een vorm van een G-protein gekoppelde receptor (GPCR). Door gebruik van beta-blokkers (antagonist van (nor)adrenaline) zijn deze receptoren bezet en kan (nor)adrenaline) niet langer hechten. Hiermee verlaagd ook de zuurstofvraag van het hart. Niet-selectieve beta-blokkers hebben invloed op beta1 en beta2 receptoren. De selectieve werkt alleen op beta1. Propanolol is een voorbeeld van een niet selectieve beta-blokker. Beta1 receptoren komen alleen voor op pacemakercellen in het hart en beta2 vooral bij de longen. Op celniveau zorgen beta-blokkers voor calcium instroom.

De oorzaak van angina pectoris is zuurstoftekort. Adrenaline activeert het sympatisch zenuwstelsel, waardoor je meer zuurstof verbruikt. Wanneer de receptor bezet wordt door beta-blokkers kan adrenaline niet meer binden. Beta-blokker is een soort rem voor het verbruik. Astmamedicatie (agonist) is een contra-indicatie van bijvoorbeeld de beta-blokker propanolol (antagonist). Bij astma wil je juist vernauwing van de luchtwegen verminderen. Als beta2-receptoren adrenaline binden, zorgt dit voor ontspanning van gladde spieren in bronchioli (dilatatie). Propanolol is niet-selectief en bindt dus ook op deze beta2-receptor. Adrenaline kan niet binden en het kan zelfs voor vaatvernauwing zorgen.

Receptor upregulatie bij beta-blokkers: Door gebruik antagonisten worden er meer receptoren aangemaakt, omdat een groot deel bezet is. Daarom moet je beta-blokkers langzaam afbouwen. Anders komen er opeen veel receptoren vrij en krijgt de cel te veel signalen.

Dan is er een verminderde internalisatie van receptoren, terwijl er wel nieuwe synthese plaatsvindt van de receptoren.

B Alpha- en Beta-thalassemie

Thalassemie is één van de meest voorkomende erfelijke ziektes. Bij alpha-thalassemie is de alpha-globine synthese verstoord en bij beta-thalassemie de beta-globine synthese. Normaal hemoglobine bestaat uit 4 globines: 2 alpha- en 2 nonalpha-globines.

Bij alpha-thalassemie kan er hierdoor hemoglobine met of 4 beta- of 4 gamma-globines gevormd. Afhankelijk van het aantal alpha-globines (3 van de 4, 2 van de 4, 1 van de 4 of geen) kunnen er verschillende symptomen optreden. Bijvoorbeeld microsytose (kleine erythrocyten), accumulatie vloeistof en ernstige anemie.

Bij beta-thalassemie bevatten de erythrocyten minder Hb. Om dit te compenseren wordt er veel alpha-globine gemaakt. Deze zijn minder oplosbaar en doen schade aan het celmembraan. Hierdoor hebben deze cellen een verkorte levensduur. Ze kunnen ophopen in de milt en lever, waar ze dan afgebroken worden. Hierdoor is er een overload aan ijzer in deze organen. Het beenmerg, waar erythrocyten rijpen, zal hierdoor zich uitzetten. Zo ontstaan er vergroeiingen in de botten. De cellen worden microsytisch en er vindt abnormale zuurstofopname plaats.

C Progeria

Door de autosomaal dominante puntmutatie in het LMNA-gen of de, minder vaak voorkomende, recessieve mutatie in het ZMPSTE24-gen wordt geen lamine A maar progerine gevormd, doordat de endoproteolytische splijting aan de c-terminus van pre-lamine A niet plaatsvindt. Lamine A geeft de stevigheid aan het kernmembraan. Progerine leidt tot een zwak nucleair lamina, waardoor bepaalde nucleaire processen worden verstoord. Hierdoor vindt over het algemeen snellere celdood plaats en is er sprake van aandoeningen die normaal pas optreden op hogere leeftijd. Kinderen met HGPS hebben dus last van vroege veroudering, wat hen hun karakteristieke kenmerken zoals een klein postuur, kaalheid en een aparte gezichtsvorm geven. Deze kinderen worden vaak niet ouder dan 14 jaar.

D Stamcellen en weefselreparatie

Stamcellen zijn ongedifferentieerde cellen in het lichaam. De stamcellen kunnen zich differentiëren tot elk celtype. Wanneer een stamcel zich deelt, wordt er één stamcel en één progenitorcel (voorlopercel) gevormd. Onder invloed van groeifactoren gaan de stamcellen delen. Het Wnt-eiwit voorkomt dat stamcellen en progenitorcellen zich specialiseren. Stamcellen scheiden zelf wnt-eiwitten uit en hebben wnt-receptoren op hun membraan. Door dit eiwit kunnen weefsels zich blijven prolifereren. Zo kunnen ook weefsels gerepareerd worden. Door binding van wnt-eiwit aan receptor, komt beta-catenine vrij in de cel. Hierdoor kan er transcriptie van DNA plaatsvinden.

Totipotente stamcellen zijn stamcellen die zich tot alle denkbare cellen kunnen differentiëren, waaronder embryonaal weefsel. Pluripotente stamcellen kunnen zich ook tot alle soorten cellen differentiëren, met uitzondering van embryonaal weefsel. Multipotente cellen kunnen zich differentiëren tot een bepaald type cellen, dus bijvoorbeeld bloedcellen. Ze kunnen dan rode bloecellen, witte bloedcellen, plasmacellen enz vormen.

Interactief College: Β-andrenoreceptor als aangrijpingspunt voor geneesmiddelen

Patiënten met astma hebben last van benauwdheid door vernauwde bronchiolen. Om dit probleem op te lossen, moeten deze bronchiolen weer verwijd worden. Bij een astma-aanval vinden er ontstekingsreacties in de bronchiolen plaats, waardoor de wanden van de bronchiolen dikker worden. Deze verdikking zorgt voor de vernauwing van de bronchiolen ofwel bronchoconstrictie.

Het geneesmiddel moet dus aangrijpen op het gladde spierweefsel met het effect dat de spieren zich ontspannen (bronchodilatatie). GPCR betekent G-protein-coupled receptor. Het voorbeeld hierbij is een beta-adrenoreceptor.

Als je gaat kijken hoe spiercontractie plaatsvindt in de bronchiolen vind je het volgende:

• De GPCR’s die op het gladde spierweefsel zitten worden geprikkeld.

• Vervolgens wordt dit vertaald naar een intracellulair signaal waarbij IP3 vrijkomt.

• IP3 zorgt dan dat de calciumkanalen opengaan en calcium het cytoplasma instroomt.

• Calcium bindt aan het eiwit calmoduline.

• Nu kan het calmoduline myosine light chain kinase (MLCK) activeren

• Ten slotte zorgt het myosine light chain kinase voor de fosforylering van myosine.

• Myosine bindt aan actine en er vindt spiercontractie plaats.

Om voor spierontspanning en daarmee bronchodilatatie te zorgen is er dus een fosfatase nodig die de fosfaatgroep weer van de myosine afhaalt. Dit gebeurt als volgt:

• De β-andrenoreceptoren (GPCR) die op het gladde spierweefsel zitten worden geprikkeld door adrenaline of noradrenaline.

• Dit zorgt voor de activatie van adenylylcyclase.

• Adenylylcyclase zorgt voor de omzetting van ATP naar cAMP.

• cAMP maakt van PKA actief.

• PKA inactiveert tenslotte het Rho-eiwit.

• Het Rho-kinase wordt onderdrukt, waardoor myosine light chain fosfatase (MLCP) actief wordt gehouden. Deze fosfatase haalt de fosfaatgroep van myosine af, waardoor de spier ontspant.

Amplificatie van het signaal vindt plaats doordat de GPCR meerdere G-eiwitten kan activeren zolang er adrenaline of noradrenaline gebonden is. Ook tijdens de omzetten van ATP naar cAMP vindt amplificatie plaats en ten slotte kan een cAMP meerdere PKA’s activeren.

(Nor)adrenaline wordt afgegeven door activatie van het sympathische zenuwstelsel. Via de receptoren op de organen beïnvloedt (nor)adrenaline de cellulaire activiteit. Hierdoor vindt de dilatatie van de bronchiolen plaats. Het heeft ook invloed op het hart. De frequentie, kracht en bloeddruk stijgen namelijk allemaal. Op dit hele proces zit wel een timer. Het G-eiwit hydrolyseert na een tijdje namelijk zijn eigen ATP. Het ATP wordt dan ADP en het eiwit wordt inactief.

Andere wegen die tot spierverwijding leiden zijn:

1. De calciumkanalen blokkeren.

2. Het myosine light chain kinase blokkeren.

Drie geneesmiddelen die zorgen voor verwijding van gladde spiercellen in de bronchiolen

1. Salbutamol gebruikt de β-adrenoreceptor (een GPCR) als aangrijpingspunt. Het is een adrenoreceptoragonist dus het zorgt voor verwijding van de spieren in de bronchiolen. De gladde spierweefseltonus in de bronchioli daalt, door activering van de cAMP-route en vermindering van fosforylering van de MLC (myosin light chain).

2. Theofyline remt PDE (PDE zorgt normaal voor de afbraak van cAMP tot AMP). Er is nu meer cAMP in de cel, wat weer tot bronchodilatatie leidt. (Hetzelfde effect als beta-adrenoceptor agonist).

3. Tiotropium is een muscarine receptor antagonist die zorgt voor minder contractie, waardoor er bronchodilatatie plaatsvindt

Geneesmiddelen kunnen dus op verschillende stappen van dit proces aangrijpen en zo de spiercontractie beïnvloeden. Een exogene agonist (salbutamol, formoterol of salmeterol) als geneesmiddel bindt aan een receptor en activeert het proces. Een exogene antagonist als geneesmiddel bindt aan een receptor en activeert niets, maar blokkeert in principe de bindingsplaats voor de natuurlijke agonist van het lichaam zelf.

Endogeen ligand: bindt aan receptor en zorgt voor een effect
Agonistisch medicijn: heeft een actieve kant of dezelfde vorm als een endogeen ligand. Hierdoor kan het aan de receptor binden en zorgen voor hetzelfde effect.
Antagonistisch medicijn: lijkt genoeg op de vorm van een endogeen ligand om aan de receptor te binden, maar lijkt niet genoeg om voor hetzelfde effect te zorgen. Het vult de bindingsruimte van de receptor op en voorkomt zo de binding van endogeen ligand aan de receptor.

Een overdosering van salbutamol veroorzaakt onder andere tachycardie, hartkloppingen en aritmie. Het salbutamol bindt aan de receptoren en activeert het proces. Bij een overdosering bindt er veel meer medicijn dan normaal aan de receptor, waardoor ook de frequentie, kracht en bloeddruk zullen stijgen. Een te hoge dosering kan er ook voor zorgen dat het medicijn in andere organen terecht komt en daar ook aan receptoren bindt en bepaalde processen beïnvloedt.

GPCR als aangrijpingspunt voor medicijnen heeft veel voordelen, namelijk:

• Een GPCR is zeer selectief en brengt daardoor zeer specifieke reacties op gang.

• Hij zit aan de buitenkant van het celmembraan dus het is gemakkelijk te bereiken.

• Een GPCR kan meerdere intracellulaire signaalroutes op gang brengen.

Bijwerking van geneesmiddelen beperken hun inzetbaarheid. Bijwerkingen komen tot stand doordat er ook andere cellen op verschillende plekken in lichaam zijn die dezelfde receptor hebben waarop het geneesmiddel werkt. Betareceptoren, waaraan salbutamol bindt, komen op meerdere organen voor. Bijwerkingen van salbutamol zijn onder andere hartkloppingen en obstipatie. PDE dat cAMP afbreekt en overal in het lichaam voorkomt, wordt geremd door theofylline. Zo kunnen ook sommige geneesmiddelen meer bijwerkingen hebben dan andere geneesmiddelen. Dit is afhankelijk van de hoeveelheid verschillende weefsels waarin de receptor waar het geneesmiddel op aangrijpt voorkomt. Zo heeft salbutamol minder bijwerkingen dan theofylline. Om deze reden moet er bij het voorschrijven van medicijnen goed worden gekeken naar de contra-indicaties van het medicijn.

Mensen met astma krijgen altijd eerst salbutamol voorgeschreven, wanneer dit niet meer werkt tiotropium en pas als laatst theofylline, omdat dit medicijn de meeste bijwerkingen heeft. Regelmatig gebruik van salbutamol zorgt voor een verminderde werking, omdat er na fosforylering van de receptor desensitisatie (verminderde gevoeligheid) optreedt.

Angina pectoris

Angina pectoris is pijn op de borst door een verminderde doorbloeding van de kransslagaders. De symptomen zijn voor mannen en vrouwen verschillend, zo hebben mannen vaker last van uitstraling van de pijn naar de arm. Een aanval van angina pectoris kan ontstaan bij lichamelijk inspanning of emotie en verdwijnt meestal na enkele minuten rust. Het ontstaat door vernauwing van de kransslagaders in combinatie met een verhoogde vraag naar zuurstof door het hart. De vernauwing ontstaat door slagaderverkalking (atheroslecrose) en hierdoor stroomt er minder bloed door deze slagaders. Dit vergroot de kans op zuurstoftekort tijdens inspanning. Omdat er niet genoeg zuurstof is voor aerobe verbranding gaat het hart over op anearobe verbranding, hierdoor ontstaat melkzuur wat de hartspier irriteert en de pijn op de borst geeft. Behandeling van angina pectoris wordt gedaan met beta-blokkers.

Wanneer mensen met angina pectoris meerdere malen salbutamol gebruiken, ontstaat er een salbutamol overdosering. Dit zorgt ervoor dat het hart sneller gaat werken en dat er meer vraag is naar zuurstof. Het aanbod van zuurstof is te laag, dus ontstaat een zuurstoftekort met een angina pectoris aanval (zonder inspanning) tot gevolg. Dit kan uiteindelijk leiden tot een myocardt infarct. Mensen met angina pectoris die salbutamol gebruiken, moeten dus erg uitkijken omdat het de hartklachten kan verergeren.

Agonisten

Als een cel constant blootgesteld is aan agonisten, zal de hij na een bepaalde tijd minder goed gaan reageren op deze agonist. Dit is bijvoorbeeld het geval bij langdurig gebruik van geneesmiddelen. De cel zal dan een deel van zijn receptoren, die horen bij het desbetreffende agonistische geneesmiddel, internaliseren. Dat wil zeggen dat ze in de cel worden opgenomen. Vervolgens kan de receptor worden gerecycled of gedegradeerd (afgebroken). Ook kunnen receptoren minder gevoelig worden voor het geneesmidel, dit noemt men receptor desensitisatie. Het eindresultaat is dat de cel minder gevoelig is voor de agonist.

Antagonisten

Als iemand langdurig een geneesmiddel slikt met een antagonistische werking, zal de cel juist meer receptoren produceren om op het celmembraan te zetten. Dit verklaart ook waarom mensen die antagonistische geneesmiddelen gebruiken, het geneesmiddel langzaam moeten afbouwen, wanneer zij met het gebruik willen stoppen. Als zij dit niet zouden doen, zouden zij overgevoelig zijn voor de signaalstof door het grote aantal verkregen receptoren. Daarnaast zou er een rebound effect op kunnen treden. Dit is een versterkte terugkeer van de symptomen die de antagonist bij toediening juist bestrijdt.

Hetzelfde geneesmiddel kan anders uitwerken op verschillende personen. Dit komt doordat iedereen een verschillend aantal receptoren op zijn cellen heeft. De aanmaak en afbraak van receptoren als reactie op geneesmiddelen verschilt per persoon. Ten slotte bestaan er soms ook verschillende vormen van dezelfde receptor door de genetische variëteit.

Met verschillende receptoren wordt bedoeld dat ze wel met dezelfde liganden binden, maar dat er een aminozuur verschilt in de receptor. Als je namelijk aminozuur arg-16 in je beta-adrenoreceptor hebt, zal je cel minder snel ongevoelig worden voor het medicijn dan wanneer dit gly-16 is.

Week 5

Hoorcollege 1: De cel in groei: ontregelde groei – kanker (CML)

Een primaire tumor ontstaat op een bepaalde locatie en is vaak goed behandelbaar. Een secundaire tumor ontstaat na metastase. De kankercellen van de primaire tumor verspreiden zich door het lichaam, waardoor er ook op andere plekken tumoren ontstaan. Een tumor ontstaat uit 1 cel. Deze cel is vaak een stamcelachtige cel. De kankercel ontstaat door een bepaalde mutatie, die ervoor zorgt dat een stamcel alleen maar dochtercellen produceert die zich niet differentiëren, maar alleen maar blijven delen. Deze cellen zijn pluripotent. Een andere optie is dat deze stamcel alleen maar stamcellen als dochtercellen produceert. Het gevolg is een ongeremde groei, waardoor een tumor ontstaat.

Er zijn twee soorten tumoren, goedaardige (= benigne) en kwaadaardige (=maligne). Het verschil daartussen is dat de kwaadaardige tumor in het omringende weefsels infiltreert en niet meer gelokaliseerd is. Behandeling is veel moeilijker, omdat de kankercellen door het lichaam worden verspreid via de bloedvaten en/of lymfevaten. Hierdoor ontstaan er op verschillende plaatsen tumoren. De weg naar een metastaserende tumorcel is als volg:

Eerst is het een beginnende, goedaardige tumorcel. Deze gaat zich veelvuldig delen, waardoor een goedaardige tumor ontstaat. Nu ontstaat er in een of meerdere cellen een mutatie waardoor ze door de basale lamina heen kunnen dringen. Zij produceren bepaalde enzymen die de basale lamina plaatselijk afbreken, waardoor de tumorcellen in het onderliggende weefsel kunnen infiltreren. Om zich verder te kunnen verspreiden moeten deze cellen in staat zijn hun junctions los te laten en moeten ze zich kunnen bewegen door het bindweefsel. Als dit het geval is kunnen deze cellen ook in de bloedvaten of de lymfevaten infiltreren. Wanneer de kankercellen in staat zijn afweerreacties te ontwijken, kunnen zij zich op andere plaatsen in het lichaam vestigen. Er treedt extravasatie op, dit is uittreding van kankercel buiten de vaten en angiogenese (groei bloed –en lymfevaten). Hierdoor kan er een nieuwe tumor ontstaan op een andere plek.

Een tumorcel bestaat niet alleen uit kankercellen, maar daarnaast ook uit immuun cellen, fibroblasten (cancer assistent fibroblasts) en endotheelcellen. Deze gaan een interactie met elkaar aan binnen de tumor waardoor een zeer complex geheel ontstaat. Zo zorgen de fibroblasten in een tumor ervoor dat er bloedvaten worden gevormd, zodat de kankercellen worden voorzien in voedingsstoffen en zuurstof. Ook onderdrukken zij het immuunsysteem.

Helaas zijn veel tumoren pas in een laat stadium te ontdekken. Er zijn al ongeveer 10⁸ cellen ontstaan (diameter ± 5 mm), voordat de tumor zichtbaar is in de X-ray. Vervolgens is een tumor bij ongeveer 10⁹ cellen voelbaar (diameter ± 20-50 mm) en al bij 10¹² cellen gaat de patiënt dood. Doordat tumoren pas in een laat stadium worden ontdekt, past men zeer agressieve therapieën toe, namelijk snijden, branden (radiotherapie) en vergiftigen (chemotherapie). Het grote nadeel is dat hierdoor ook goede cellen ook worden aangetast.
 

Ras: moleculaire schakelaar in signaaltransductie, waarbij GAP en GEF activerende en inactiverende aanknopingspunten zijn van Ras. Ras staat aan als GTP gebonden is, GEF helpt daarbij door GDP uit het Ras te halen, waardoor GTP kan binden. GAP stimuleert de afsplitsing van een fosfaatgroep, waardoor GTP verandert in GDP en Ras zo uitschakelt. Een geactiveerd Ras-eiwit activeert een groot geheel aan celprocessen die onder andere invloed hebben op het vesicle transport, de calcium signaalroute, overleving van de cel, deling en de organisatie van het cytoskelet. Bij een gemuteerd Ras-eiwit blijft de schakelaar aanstaan door een blokkade bij de GTP-hydrolyse. Ras is een voorbeeld van een proto-oncogen, dit zijn genen die coderen voor een eiwit met een normale functie in de cel. Mutaties in dit soort genen zorgen ervoor dat het oncogenen worden. Dit soort gemuteerde eiwitten zijn constant actief en de signaaltransductie route staat de hele tijd aan. Hierdoor krijg je verhoogde proliferatie, betere overleving en meer migratie van cellen, wat dus tot kanker kan leiden.

Kanker is een ziekte van signaaltransductie, zowel in tumorcellen als in omliggend weefsel. Er zijn verschillende mutaties in het DNA van cellen die zorgen voor het verlies van de functie van een bepaald eiwit of een overproductie van een bepaald eiwit. Beide kunnen de vorming van tumoren tot gevolg hebben. Mogelijke defecten in het DNA die leiden tot kankercellen zijn:

• Puntmutaties (gain-of-function of loss-of-function) voorbeeld: puntmutatie in Ras, zodat dit actief blijft.

• Amplificaties (gain-of-function) er is sprake van vermeerdering. Meerdere kopieën van een bepaald gen aanwezig waardoor meer eiwitten worden geproduceerd dan normaal.

• Deleties (loss-of-function) stukje van het gen voor een bepaald eiwit is verwijderd, waardoor deze niet meer goed geproduceerd wordt.

• Translocaties (gain-of-function, loss-of-function) stukjes chromosomen worden op de locatie van een ander chromosoom geplakt. Voorbeeld: het philadelphia-chromosoom: klein stukje van chromosomen 9 en 22 hebben gewisseld. Hierdoor wordt er een abnormaal fusie-eiwit geproduceerd. In dit geval ontstaat daardoor chronische myeloide leukemie, doordat de fusie het ABL-gen constant actief is.

• (De) –Methylering (veranderde genexpressie)

Bij tumorsupressorgenen moet je beide normale allelen verliezen (door mutatie) om het gen uit te schakelen. Wanneer een persoon al een gemuteerd gen van een bepaalde tumorsuppressor bezit, is zijn kans op kanker vergroot. Al zijn cellen bezitten namelijk al één gemuteerd gen. Er hoeft nu alleen maar een mutatie plaats te vinden in het nog goede gen, waardoor een tumor zal ontstaan. Deze mensen hebben dus een verhoogde kans op kanker.

Bij de behandeling van kanker worden oncogenen meestal als target gezien omdat deze genen normaal gesproken een normale functie hebben. Ook bestaan veel componenten van de signaleringsroute uit enzymen en deze zijn makkelijker te targetten. Daarnaast is het makkelijker om iets te stoppen dat aan staat of aanwezig is, dan iets wat uit staat.

Fusie-gen: een nieuw ontstaan gen, door menging van de genen, waardoor ook een nieuw eiwit ontstaat. Voorbeeld: BCR-ABL. ABL is tyrosine kinase die celdeling aan kan zetten. Normaal is er een stukje in het ABL-gen dat het tyrosine kinase domein remt. Door binding van BCR aan dat stukje, kan dit niet meer ABL remmen, waardoor tyrosine kinase aan blijft staan met continue celdeling als gevolg. Van dit fusie-gen is sprake bij chronische myeloïde leukemie.

Chronische myeloïde wordt dus veroorzaakt door een translocatie waarbij het fusie-gen BCR-ABL ontstaat. Dit zorgt voor een afwijking aan de stamcellen van het bloedcompartiment. Gevolgen hiervan zijn een toename aan granulocyten en bloedplaatjes, overmatige productie van bloedcellen problemen met de lever, meer witte dan rode bloedcellen en anemie. Bij CML wordt vaak een combinatie van chemotherapie en immunotherapie gebruikt. Immunotherapie houdt in dat het immuunsysteem gestimuleerd wordt. De enige behandeling die CML echt kan genezen is allogene stamcel transplantatie. Voorafgaand moeten de beenmergcellen gedood worden met radiotherapie. Gezonde stamcellen van een donor worden dan getransplanteerd, zodat er gezonde bloedcellen geproduceerd kunnen worden.

Gleevec is een remmer van de kinase activiteit van BCR-ABL, doordat het op de bindingsplaats van ATP gaat zitten en er geen ATP meer gebonden kan worden. Hierdoor kan het BCR-ABL nog wel een substraat binden, maar kan het niet activeren en dus is er geen signaal, geen activiteit en daarmee geen overmatige celdeling. Sommige andere kinases kunnen óók daardoor worden geremd, waardoor andere soorten kankers dan CML (chronic myeloid leukemia) aangepakt kunnen worden.
Een probleem van Gleevec is dat resistentie van BCR-ABL kan ontstaan door mutaties in de kankerstamcellen. Gleevec kan dan niet meer binden aan BCR-ABL. Een tweede remmer, allosterische remmer, wordt op een andere plek dan de actieve site toegevoegd.

Kinase remmers genezen de ziekte niet, er blijven altijd slapende leukemie cellen bestaan bij CML. Mensen worden dus chronisch behandeld met Gleevec. Het nadeel van Gleevec is dat het niet 100% specifiek is en dus bijwerkingen heeft. Een voordeel is dat het ook een remmer is van andere gemuteerde kinases die weer andere soorten kanker zouden kunnen veroorzaken.

Uitdagingen om kanker beter te kunnen behandelen:

• Kritieke verschillen vinden tussen tumorcellen en normale cellen

• Het tumorgedrag en interactie met andere cellen begrijpen

• Geschikte proefdiermodellen ontwikkelen die aansluiten bij de mens

• Moleculen ontwikkelen die specifiek tumorcellen aanpakken

• In elke patiënt oorzaak van de tumor vinden en aanpakken

Hoorcollege 2: tumorpathologie

Vormen van groei

• normale groei: van kind tot volwassene, normale cel vervanging en herstel van weefselschade.

• aangepaste groei: hypertrofie, hyperplasie, atrofie, metaplasie

• autonome groei: tumorgroei

Hypertrofie: een orgaan wordt groter doordat de individuele cellen groter worden. Dit kan het gevolg zijn van een fysiologisch aspect, zoals bij sporters, of van een pathologisch aspect, zoals vergroting van het hart bij een constant verhoogde bloeddruk.

Hyperplasie: toename van orgaanvolume doordat het aantal cellen groter wordt. Dit is bijvoorbeeld waar te nemen in de baarmoeder bij zwangerschap, de lymfeklieren bij ontsteking en het beenmerg bij een zware bloeding,

Atrofie: afname van celvolume door fysiologische of pathologische oorzaken. Dit kan het gevolg zijn van een fysiologisch aspect, zoals bij het verdwijnen van embryonale structuren, en van een pathologisch aspect, zoals malnutritie en denervatie.

Metaplasie: reversibele verandering van celtype, in principe om te veranderen in een celtype dat beter bestand is tegen de ontstane “stress-situatie”. Voorbeeld: door nicotine verandert cilindrisch epitheel in de bronchus in plaveiselepitheel. Distale oesophagus: onder invloed van maagzuur verandert het plaveiselepitheel in cilindrisch epitheel.

Autonome celgroei

Tumor: van oorsprong ‘zwelling’, dus het zegt niets over goed- of kwaadaardig of de oorzaak. Het wordt in de volksmond echter wel veel gebruikt als synoniem voor neoplasie.
Oncologie: Leer van tumoren (=gezwel)/neoplasmata

Neoplasie: nieuwvorming

• Niet alle vormen van kanker geven een tastbaar gezwel, bijvoorbeeld leukemie.

• Niet alle tastbare zwellingen zijn vormen van kanker, bijvoorbeeld een ontsteking.

Infiltratieve groei: groei buiten het oorspronkelijke weefselcomponent waar de tumor ontstaat. Dit geldt vooral voor epitheliale tumoren

Factoren die een rol spelen bij het ontstaan van neoplasie zijn o.a. chronische ontsteking of irritatie, infectie (bijv. HPV), hormonen of immunodeficiëntie. Er wordt onderscheid gemaakt tussen goedaardige en kwaadaardige tumoren, deze zijn door een aantal kenmerken van elkaar te onderscheiden.

Kenmerken van goedaardige tumoren zijn:

• scherp begrensd, meestal een kapsel

• groeien expansief: langzaam uitbreiden

• lage groeisnelheid

• zelden necrotisch

• hoge differentiatiegraad.

  • Differentiatie: in hoeverre lijkt het tumorweefsel nog op het originele weefsel?

• geringe cel/kern atypie

• geringe mitotische (=delings) activiteit

• niet destructief

• geen metastasen

Kenmerken van kwaadaardige tumoren zijn:

• zijn onscherp begrensd en hebben meestal geen kapsel

• groeien infiltratief/ metastaseren (dit is het enige echte duidelijke verschil tussen goed- en kwaadaardige tumoren)

• hebben een hoge groeisnelheid

• Zijn soms necrotisch

• hebben een matige tot slechte differentiatiegraad

  • anaplasie:onherkenbaar weefsel die slecht gedifferentieerd zijn

• tonen sterke cel/kern atypie

• tonen hoge mitotische activiteit

Stroma is dat wat de epitheliale cellen ondersteunt, dit kan bindweefsel zijn of elastine of iets anders.

Desmoplastisch stroma is nieuwgevormd stroma. Dit komt door stoffen die door de tumor worden uitgescheiden en daar reageert het stroma op. Dit is ook een argument voor invasie

Meningioon is een goedaardige tumor in de hersenvliezen. Benigne tumoren worden vaak ook verwijderd, omdat mensen hier ook veel last van kunnen hebben, zoals bij het meningioom dat veel druk op de hersenen uitoefent.

Morfologie van cellen bij oncologische diagnostiek

Differentiatie: in hoeverre lijkt de tumor nog op het originele weefsel

• ongedifferentieerd: = anaplastisch

Pleomorfie/anisomorfie/polymorfie: veel variatie in grootte en vorm (ook van de kern).

• Polymorfie = verschillend van grootte

• Anisomorfie = verschillend van vorm

Hyperchromasie: kernen zijn donkerder van kleur doordat er meer DNA is.
Verandering van cel/cytoplasma ratio

Nucleoli: normaal gesproken zijn nucleoli niet zichtbaar onder de lichtmicroscoop. Alleen bij weefsel dat veel RNA aanmaakt wel zichtbaar (veel celdeling dus). Als er veel dotten in de kern te zien zijn, wijst dit dus op maligne tumoren

Delingsactiviteit: veel mitosen

Invasieve groei: desmoplastisch stroma

Naamgeving tumoren

Tumoren worden genoemd naar het weefsel waar het uit ontstaat. Er wordt gekeken naar het celtype en de manier waarop die cellen samenhangen.

Bind –of steunweefselgezwel

bind –en steunweefsel: bot (osteo-), kraakbeen (chondro-), bindweefsel (fibro-), vet (lipo-).

Goedaardige groeiwijze: eindigt op -oom

Kwaadaardige groeiwijze: eindig op -sarcoom

Epitheliale origine

Benigne: groeiwijze + oom

• Papilloom: met vingervormige uitstulpingen

• Adenoom: buisvormig

• Cystadenoom: cystevormend

• Fibroadenoom: mesenchymale component

Maligne: epitheeltype + carcinoom

• Plaveiselcarcinoom

• Basaalcarcinoom

• Urotheelcelcarcinoom (vanuit de blaas)

• Adenocarcinoom

• Niercelcarcinoom
• Hepatocellulair carcinoom (vanuit de lever)

Uitzonderingen in naamgeving:

• Lymfoom: kwaadaardige proliferatie van lymfocyten

• Mesothelioom: kwaadaardige proliferatie van mesotheel

• Melanoom: kwaadaardige proliferatie in melanocyten in plaveiselcellen. (nevus=goedaardige moedervlek)

• Leukemie: kwaadaardige populatie bloedcellen met circulatie in bloed of beenmerg

• Glioom= neoplasie van gliale cellen (kan maligne zijn)

Metastasering kan op verschillende manieren gebeuren:

• direct via lichaamsholten, bijvoorbeeld bij ovariumcarcinoom

• lymfogeen, bijvoorbeeld mammacarcinoom

• hematogeen: via de bloedbaan naar andere plaatsen in het lichaam om daar verder uit te groeien

Goedaardige tumoren groeien niet invasief, dus groeien niet uit in het omliggende weefsel. Daarnaast zijn ze niet destructief en is er dus geen aantasting van omliggende structuren. Ze maken geen metastase en de naamgeving gaat meestal uit van het achtervoegsel –oom.

Huidtumoren: plaveiselcelcarcinoom, melanoom, basaalcelcarcinoom.

Basaalcelcarcinoom ontstaat in het stratum basale en de cellen zijn pluripotent. Normaal gesproken groeien de cellen omhoog naar plaveiselcelepitheel. Basaalcelcarcinoom metastaseert niet, maar kan wel overal doorheen groeien. Het is wel een kwaadaardige tumor, maar van de huidtumoren het minst erg.

Invasie

Stappen in het ontstaan van een invasieve (epitheliale) tumor:

• Schade of stimulerende prikkel zorgt voor aanpassing van het epitheel

• Infiltratie en destructief

• Metastasering (uitzondering: basaalcelcarcinoom en glioom, deze kunnen niet metastaseren)

• Dysplasie (gering, matig of ernstig, ernstige dysplasie wordt carcinoma in situ genoemd)