Essential Cell Biology - Alberts, Hopkins - 4e druk

Celbiologie: Hoe is het cytoskelet opgebouwd? - Chapter 17

Wat is het doel van spiercontractie?

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

Een lange spiervezel is opgebouwd uit grote cellen, opgebouwd uit kleinere cellen. Het cytoplasma bestaat uit myofibrillen, de contractiele elementen van een spier. Een myofibril bestaat weer uit kleinere units, de sarcomeren. Eén sarcomeer bestaat uit dikke myosinefilamenten en dunne actinefilamenten. De actinefilamenten zijn bevestigd aan de Z-disc en zij overlappen de myosinefilamenten. Een contractie ontstaat wanneer de filamenten langs elkaar schuiven door dat een myosine kopje gaat lopen langs een actinefilament, waarbij elke keer een molecuul ATP wordt gehydrolyseerd. Door deze beweging worden bij een spiercontractie de sarcomeren korter, zonder dat de filamenten zelf van lengte veranderen. Elk myosinefilament heeft 300 myosine kopjes, waardoor een myosine kopje wel tot 5 keer per seconde aan actine kan binden. De filamenten kunnen hierdoor zeer snel langs elkaar schuiven waardoor een spier in minder dan een tiende van een seconde volledig kan contraheren. 

Wat zijn intermediaire filamenten?

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

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

• Keratine filamenten (in epitheelcellen)

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

• Neurofilamenten (in zenuwcellen)

• Nucleaire lamines

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

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

Intermediaire filamenten hebben als belangrijkste functie de versteviging van de cel en het doorstaan van mechanische stress bij het strekken van de cel. Ze vormen een netwerk van rondom de nucleus tot het plasmamembraan en ze zijn de sterkste en stevigste filamenten van het hele cytoskelet. Ze zitten in bijna alle dierlijke cellen en zitten ook in de nucleus, waar ze de nuclear lamina vormen. Een intermediate filament bestaat uit een N-terminal head en een C-terminal tail met daartussen een α-helix vorm, die met 2 filamenten een coiled-coil dimeer aangaat. Twee van deze dimeren vormen een tetrameer en meerdere tetrameren zorgen uiteindelijk voor de stevige touwen (fig. 17-4). Al deze touwen zijn met elkaar verbonden via noncovalente verbindingen.

De α-helix bindingen van individuele filamenten zijn precies even lang en met dezelfde nucleotide volgorde, zodat ze dezelfde diameter en interne structuur hebben. De kop en staart daarentegen zijn per filament wel anders en gaan andere bindingen aan in het cytoplasma. Intermediate filamenten zijn aanwezig in cellen die onder grote mechanische stress staan, zoals lange zenuwcellen en spiercellen. Intermediate filamenten zijn in vier groepen in te delen.

De keratine filamenten zijn in epitheel cellen te vinden, de vimentin en en vinemtin-related filaments in connective-tissue cells, spiercellen en ondersteunende cellen van het neuronale systeem, de neurofilamenten in zenuwcellen en de nuclear lamins in de kern. Alle filamenten worden gevormd door de polymerisatie van hun overeenkomstige eiwit subunits. De meest diverse van deze filamenten zijn de keratines. Ze verspreiden zich door de cel van de ene kant van de cel naar de andere. Ze komen in vrijwel elk epitheel voor en zijn in elk epitheel weer anders. Ze zitten ook in haar, veren en klauwen. Ze komen samen op bepaalde punten op het plasmamembraan, waar ze in de naburige cellen weer verdergaan. Deze punten worden desmosomen genoemd.

Hun belang wordt duidelijk als we naar de zeldzame erfelijke ziekte epidermolysis bullosa simplex kijken, waarin mutaties in de keratine genen tot uiting komen in de formatie van keratine filamenten in de epidermis. Het gevolg hiervan is dat de huid zeer kwetsbaar is voor mechanisch letsel, en lichte druk al cellen doet scheuren, waarbij blaren op de huid ontstaan. Een belangrijk eiwit waar de intermediaire filamenten mee samenwerken, is plectine, wat de filamenten bindt aan de microtubuli, actine en desmosomen. Zonder plectine ontstaat een levensbedreigende ziekte waarbij onder andere epidermolysis, spierdystrofie en neurodegeneratie is te zien. In de kern vormen de filamenten de nucleaire lamina, die een hele andere vorm heeft dan die in een cel. Het zijn minder goed georganiseerde tetrameren, na celdeling vormt het netwerk zich weer helemaal opnieuw.

De afbraak en wederopbouw van de nucleaire lamina gebeurd door de fosforylering en defosforylering van de lamina door protein kinases. Wanneer de lamina gefosforyleerd zijn, is er een vormverandering die de binding verzwakt en uit elkaar doet vallen. Defosforylering aan het einde van de mitose zorgt dat de lamina zich weer vormen.

Wat is de rol van microtubules in eukaryote cellen?

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

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

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

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

De instabiliteit is cruciaal voor de werking van de microtubuli: dit wordt aan de hand van het middel colcichine goed duidelijk. Colcichine bindt aan de vrije tubuline, waardoor deze geen polymeren meer kunnen vormen. Dit heeft als gevolg dat bij mitose de chromosomen niet meer verdeeld kunnen worden. Hierdoor wordt zichtbaar dat de mitotic spindle wordt gevormd door een continue toevoeging van tubuline, als dit niet plaats kan vinden vervalt de spindle volledig. Taxol heeft het tegenovergestelde effect: het zorgt dat microtubuli kunnen vormen, maar niet uiteen kunnen vallen en ook dit resulteert dat cellen blijven steken in mitose. Doordat de mitose niet doorgevoerd kan worden, sterft de cel. Hierdoor zijn deze antimitotische middelen goed tegen kanker. Vanuit het centrosoom worden constant microtubuli gemaakt en weer afgebroken. Het is echter ook nodig microtubuli stabiel te houden, om hun transportfuncties te vervullen. Dit gebeurt wanneer het uiteinde van de microtubuli met iets anders, bijvoorbeeld het plasmamembraan, verbonden is.

Cellen zijn in staat om de dynamic instability van hun microtubuli voor sommige doeleinden te veranderen. Wanneer cellen in mitose gaan, worden microtubuli dynamischer en switchen vaker tussen groeien en krimpen dan cytoplamatsche microtubuli normaal gesproken doen. Wanneer een cel gedifferentieerd is, verkrijgen de microtubuli meer stabiliteit doordat krimpen onderdrukt wordt door eiwitten die binden aan de uiteinden.

De meeste dierlijke cellen zijn gedifferentieerd en polarized, wat zeggen wil dat één kant van de cel structureel of functioneel anders is dan de andere kant. Zenuwcellen zijn hier een goed voorbeeld van. Microtubuli passen zich hieraan aan door zich in één richting te binden, waarlangs moleculen zich kunnen bewegen.

Moleculen bewegen langs deze microtubuli met een snelheid van bijvoorbeeld 10cm per dag: ze doen er dan alsnog meer dan een week over om bij de axon terminal van een zenuwcel te komen, maar als het door diffusie zou zijn, zou dit jaren in beslag kunnen nemen. Microtubuli werken samen met eiwitten die ze verbinden met andere delen van het cytoskelet, of ze aan het plasmamembraan binden. Ook zorgen motor proteins, dat membraan gebonden organellen zich langs microtubuli kunnen bewegen. Ze leveren energie hiervoor via ATP moleculen.

De motorproteins binden zich aan een microtubulus via een ATP head en een tail waar zich cargo aan kan binden, zoals vesikels of organellen. Deze motor proteins hebben een bepaalde richting: de kinesins bewegen zich in de plus kan van de microtubuli en de dyneinen richting de min kant van de microtubuli.

Microtubuli spelen ook een belangrijke rol bij de positionering en de handhaving van deze plek bij organellen. Het ER zit bijvoorbeeld aan de buitenrand en het Golgi systeem aan de binnenkant van de cel. Wanneer een cel wordt blootgesteld aan de drug colcichine (waarbij de microtubuli krimpen), bijvoorbeeld, zal het ER langzaam naar het midden van de cel teruggaan en het Golgi systeem zal uiteen vallen in vesikels. Door de microtubuli zitten de organellen op de plek waar ze het best functioneren. Ze komen daar via receptoren die aan motor proteins binden, voor het ER de kinesins en voor het Golgi systeem de dyneins.

De cilia die al eerder genoemd zijn, zijn een soort haren van de cellen, omsloten door plasmamembraan, die vloeistoffen die over de cel komen een beweging geven. In het ademhalingsstelsel zitten deze cilia er om slijm naar boven te krijgen, om zo uitgehoest te worden. Ze bestaan uit meerdere stabiele microtubuli, die uit een basal body groeien. Het basal body is de organisatiecentrum voor de cilia. Flagella zijn staarten van cellen die een propellor-achtige beweging maken en zo de cel voortbewegen. Ze lijken veel op de cilia, maar ze zijn vaak langer. Sperma cellen bevatten een flagellum, die regelmatig beweegt en zo een golfslag creëert die het de cel mogelijk maakt door een vloeistof te bewegen. De microtubuli in cilia verschillen iets in die van het cytoplasma. Ze bestaan uit 9 microtubuli in een rondje, met in het midden nog 2 microtubuli. Deze 11 bindingen zijn sterk met elkaar verbonden door eiwitten. Het belangrijkste eiwit, wat voor de beweging en de buiging zorgt, is het motor protein ciliary dinein. Dit lijkt op cytoplasmatisch dyneine, alleen zit het met het head vast aan de microtubuli en met de staart aan een microtubuli ernaast. Zo zorgt een beweging richting een kant voor een buiging van de microtubuli.

Wat zijn actine filamenten?

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

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

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

Actine filamenten bestaan, net als microtubuli, uit stabiele en onstabiele filamenten. Zonder actine zou een cel niet kunnen delen, niet kunnen bewegen en een spiercel zou niet kunnen samentrekken. Actine kan bijvoorbeeld stevige constructies geven aan de microvilii, de borstelzone van het verteringsstelsel. Actine kan een cel doen samentrekken als een soort spier en ze kunnen tijdelijke structuren vormen die de cel laten kruipen. Ook vormen ze de contractile ring bij celdeling, die de 2 cellen uiteindelijk van elkaar scheidt.

Actine filamenten komen nauwelijks geïsoleerd voor in een cel: ze gaan samen om zo sterkere filamenten te vormen. Actine maakt gebruik van ATP in plaats van GTP in microtubuli. Verder werkt het wel hetzelfde. ATP hydrolyseert tot ADP na binding aan het molecuul en vermindert door zwakkere binding de stabiliteit van het filament, waardoor het snel kan krimpen. Net zoals bij microtubuli is het belangrijk dat actine snel op kan bouwen en weer af kan breken. Ook deze binding kan door stoffen worden voorkomen, bijvoorbeeld door een gif wat door een schimmel gemaakt wordt, cytochalasine, wat de polymerisatie van actine voorkomt. Andere stoffen zorgen ervoor dat er geen depolymerisatie kan plaatsvinden, zoals de jasplakinolides, en zorgen al bij een kleine concentratie dat er geen beweging meer te zien is in cellen.

Er zijn veel eiwitten die de eigenschappen van actine beïnvloeden, zoals thymosine en profiline, die aan actine monomeren binden, om te voorkomen dat ze polymeren gaan vormen en houden zo een reserve voorraad actine achter. Actin-bundling proteins binden aan actine filamenten om ze tot parallelle bundels te houden in microvilli.

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

1. Cel stoot een soort uitsteeksel uit.

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

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

De eerste stap, het vooruitduwen van het celoppervlak, wordt gereguleerd door actine polymerisatie. Hier worden lamellipodia uitgescheiden, een compact netwerk van actine filamenten, zo gelegen dat de plus kant richting het plasmamembraan wijst. Veel cellen scheiden ook filopodia uit, zowel in de leading edge als op andere plaatsen in de cel, ook met hun plus kant naar buiten georiënteerd. Deze bestaan uit een bundel van 10-20 actine filamenten. Het zenuwuiteinde van een axon bevat langere filopodia. Het zijn exploratieve, bewegende structuren die heel snel gesynthetiseerd en weer afgebroken worden, die bij het plasmamembraan liggen en dit vooruit duwen, zonder het stuk te trekken. De formatie en groei van actine filamenten aan de leading edge van een cel wordt ondersteund door verscheidene actine bindende eiwitten, die helpen om actine polymeren een het plasmamembraan te binden. Eén categorie van eiwitten, de actin-related proteins ARP’s, zorgen voor de vorming van vertakte actine filamenten. Deze eiwitten vormen een complex dat aan bestaande actine filamenten bindt, waar ze de groei van een nieuw filament regelen, wat in een hoek ten opzichte van het bestaande filament groeit. Dit web groeit aan de voorkant, maar krimpt aan de achterkant en duwt zo de cel vooruit.

Op het moment dat een lamellipodia op de gewenste plek aankomt, binden integrines moleculen in het plasmamembraan) aan moleculen aan het extracellulaire oppervlak. Deze integrines binden intracellulair actines, om de cel door middel van intercellulaire contractie voort te laten bewegen. Dit gebeurt door de interactie van actine met myosine eiwitten. Er zijn verschillende soorten myosine in cellen; myosine I komt voor in alle cellen, terwijl myosine II voornamelijk voorkomt in spiercellen.

Alle actine bindende motor proteins horen tot de myosine familie. Ze binden en hydrolyseren ATP, wat voor de bewegingsenergie van actine filamenten van de min naar de plus kant zorgt. Er zijn verschillende types van myosine in de cel, waarvan myosin-I en myosin-II het meeste voorkomen. Myosin-I wordt in elk celtype gevonden, en is makkelijker in zijn structuur en functie.

Myosin-I moleculen hebben een hoofd en een staart. Het hoofd bindt aan actine filamenten en heeft ATP hydrolyse bewegingsactiviteit die hem in staat stelt langs het filament te bewegen door te binden, los te laten en weer opnieuw te binden. De staart van myosin-I verschilt van type tot type en het bepaalt welke celcomponenten mee worden getrokken met de motor. De staart bindt bijvoorbeeld aan een bepaald membraan omsloten vesikel en trekt het door de cel langs actine sporen, of het bindt het plasmamembraan en beweegt het naar de actine filamenten toe, en duwt zo het membraan in een andere vorm.

We hebben nu verschillende functies van actine besproken. Deze verschillende functies kunnen door extracellulaire reacties tot stand worden gebracht. Voor het actine cytoskelet worden zulke structuur veranderingen getriggerd door de activatie van een verscheidenheid aan receptor eiwitten, gelegen in het plasmamembraan. Al deze signalen convergeren in de cel tot een groep van zeer op elkaar lijkende GTP-bindende eiwitten, die de Rho protein family wordt genoemd.

De eiwitten van dit type gedragen zich als moleculaire processen door een cyclus van actief, GTP-gebonden staat en een inactieve, GDP-gebonden staat. In het geval van het cytoskelet zorgt de activatie van verschillende leden van de Rho familie voor de organisatie van actine filamenten op verschillende manieren. Bijvoorbeeld: de activatie van het GTP gebonden eiwit Cdc42 triggert actine polymerisatie en bundeling om filopodia te vormen, terwijl de activatie van Rac GTP-gebonden eiwitten de formatie van sheetlike lamellipodia stimuleert. Deze complexe structurele veranderingen vinden plaats omdat elk van deze moleculaire switches samenwerken met verscheidene doeleiwitten, zoals de kinase eiwitten en de bindingseiwitten die de actine organisatie en hun bewegingen controleren. Activatie van Cdc42 bijvoorbeeld regelt de actine binding aan het ARP complex. Rac heeft deze functie ook, maar promoot ook de hydrolyse aan de plus kanten van de actine filamenten. Dit zorgt ervoor dat er meerdere mogelijkheden zijn om actine aan het plasmamembraan te binden, wat de vorming van grote lammellipodia stimuleert.

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

Wat zijn kernbegrippen omtrent het cytoskelet?

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

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

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

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

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

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

• Eukaryote ciliën en flagellen bevatten stabiele microtubules.

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

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

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

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

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

Histology: A Text and Atlas van Ross & Pawlina - 6e druk

Wat is de histologie van het kraakbeen? - Chapter 7

Inleiding

Kraakbeen is een speciaal soort bindweefsel dat weerstand biedt tegen druk, met name door middel van de extracellulaire matrix. De functies van kraakbeen zijn ondersteuning van weke delen, botten verbinden, groei van pijnbeenderen en een glijvlak vormen tussen gewrichten. Kraakbeen bevat chondrocyten en lacunae. Kraakbeen matrix bestaat uit: hyaluronzuur, collageen, proteoglycanen, glycoproteïnen en soms elastine. De veerkrachtigheid van kraakbeen komt door de binding tussen collageenvezels en GAG-ketens, het vasthouden van water door negatieve GAG-ketens en de buigzame en verschuifbare collageenvezels.

Er zijn 3 typen kraakbeen:

1. hyalien kraakbeen (vooral collageen type II)

2. elastisch kraakbeen (veel elastische vezels en collageen type II)

3. vezelig kraakbeen (collageen type I)

Plaatsen met die grote weerstand moeten bieden bevatten meer collageen, buigzamere plaatsen bevatten meer elastine. Kraakbeen wordt gevoed door omliggend weefsel, waarbij het weefselvloeistof wordt gebruikt als medium. Kraakbeen bevat geen lymfevaten, zenuwen of bloedvaten en heeft een trage stofwisseling. Perichondrium is ook een soort bindweefsel.  Dit ligt om kraakbeen heen, maar nooit op gewrichtsvlakken.. Perichondrium is belangrijk voor de groei en het behoud van kraakbeen. Het bevat collageen type I en fibroblasten. De fibroblasten kunnen differentiëren tot een chondroblast of een chondrocyt. Het bevat bloedvaten die het kraakbeen voeden.

Hyalien kraakbeen

Hyalien kraakbeen is veel voorkomend (trachea, ribben, gewrichtskraakbeen). Het heeft een blauwachtige witte kleur. Het vormt het embryonale skelet dat later vervangen wordt door bot. Het is essentieel voor de lengtegroei, omdat het de epifysaire schijf vormt. Kraakbeenmatrix ligt om de chondrocyten heen. Het heet territoriale matrix indien het in de omgeving van een chondrocyt ligt. Het bestaat uit collageen type II (40%), proteoglycanen en glycoproteïnen. Hyaluronzuur is niet covalent verbonden aan groot aantal proteoglycanen. Chondronectine hecht zich aan GAG’s en collageen type II. Meer chondrocyten hechten zich aan de matrix. Kraakbeen is een shockbreker (gewrichtskraakbeen) door het hoge water gehalte. Gewrichtskraakbeen wordt gevoed door de diffusie van zuurstof en andere voedingsstoffen die afkomstig zijn vanuit de synoviale vloeistof.

Chondrocyten

Chondrocyten hebben een afgeplatte en elliptische vorm aan de buitenkant en zijn bolvormig aan de binnenzijde. Ze komen voor in chondronen. Dit zijn isogene groepen van een aantal chondrocyten. Chondrocyten synthetiseren collageen, proteoglycanen, hyaluronzuur en chondronectine.

Histofysiologie

Kraakbeen bevat geen bloedvaten. De energieproductie vindt met name plaats door anaerobe glycolyse. Voedingsstoffen bereiken kraakbeen door diffusie via water. Synthese van GAG’s wordt beïnvloed door hormonen. De synthese wordt bevorderd door GH, thyroxine en testosteron en vertraagt door cortison, hydrocortison en oestradiol. Somatotropine is een hypofysehormoon. Het beïnvloedt kraakbeengroei. De lever zet het om in somatomedine, dat deling van de kraakbeencel bevordert.

Histogenese

Kraakbeen ontstaat uit mesenchym. Eerst vormen zich ophopingen van cellen, waarna ze uit elkaar groeien. De differentiatie is van binnen naar buiten. Het aangrenzende mesenchym ontwikkelt zich tot perichondrium.

Groei

Kraakbeen kan op twee manieren groeien.

1. Interstitiële groei: de chondroblasten en chondrocyten vermenigvuldigen zich mitotisch. Dit gebeurt met name bij lengtegroei en groei in gewrichten.

2. Appositionele groei: cellen uit het perichondrium differentiëren tot kraakbeencellen. Dit gebeurt met name wanneer de matrix te stijf is voor interstitiële groei.

Degeneratie en regeneratie

Er is in kraakbeen sprake van matrix verkalking. Hierdoor ontstaan er scheuren in het kraakbeen. Ook neemt de dichtheid van de cellen in het kraakbeen af. Er vindt asbestvezeling plaats: het collageen gaat verloren. Regeneratie is mogelijk bij kinderen en ouderen, maar dit is alleen mogelijk via het perichondrium. Bij kraakbeentransplantatie is er de keuze uit homologe of autologe transplantatie. Hierbij wordt donorweefsel respectievelijk eigen weefsel gebruikt. Bij Mozaïekplastiek wordt het kraakbeen geoogst en geïmplanteerd in het defecte weefsel.

Elastisch kraakbeen

Elastisch kraakbeen heeft een gelige kleur. Het bevat naast collageen type II ook elastine. Het is te vinden in de oorschelp, de epiglottis, de larynx. Het heeft een perichondrium en groeit door appositie. Er zijn minder degeneratieve afwijkingen in vergelijking met hyalien kraakbeen.

Vezelig kraakbeen

Vezelig kraakbeen is een tussenvorm van hyalien en elastisch kraakbeen. Het wordt gevonden in tussenwervelschijven, aanhechtingen van ligamenten en de meniscus. De chondrocyten zijn gelijk aan die van hyalien kraakbeen (isogene groepen). De groei is door middel van appositie.

Tussenwervelschijven

Iedere discus intervertebralis (tussenwervelschijf) zit met ligamenten vast aan de wervels. De schijf bevat twee componenten: de annulus fibrosus en de nucleus pulposus. De annulus fibrosus bevat lagen van vezelig kraakbeen met collageen type I vezels eromheen. De lagen verankerd aan het bot maken torsie (bewegingen wervelkolom) mogelijk. De nucleus pulposus bevat ronde cellen die in matrix liggen. Deze cellen bevatten veel hyaluronzuur. Dit is een shockdemper bij springen etc. Het is groot bij kinderen en wordt kleiner naar mate men ouder wordt. Bij een HNP (hernia nuclei pulposi) scheurt de annulus fibrosus. Hierdoor kan de zachte kern (nucleus pulposus) het ruggenmerg afklemmen. Dit veroorzaakt neurologische uitval en pijn. Het betreft uitstralende pijn (LRS).

Wat is de histologie van de bottenstructuur? - Chapter 8

Bot is een gespecialiseerde vorm van bindweefsel, dat bestaat uit cellen en extracellulaire matrix. Deze matrix is echter gemineraliseerd, waardoor er extreem hard bindweefsel ontstaat, dat zorgt voor steun en bescherming. Tevens is bot een opslagplaats voor calcium en fosfaat, dat kan worden opgenomen door het bloed indien het ergens in het lichaam nodig is. Dat houdt dus in dat bot ook een belangrijke, secundaire rol speelt in de homeostase van de bloed-calcium-niveaus.

De botmatrix bestaat voor 90% uit type I collageen en andere collageen eiwitten. Verder bestaat de grondsubstantie uit andere matrix-eiwitten: proteoglycanen macromoleculen, multi-adhesieve glycoproteïnen, botspecifieke vitamine-K-afhankelijke eiwitten, groeifactoren en cytokines.  In de botmatrix zitten ruimtes, genaamd lacunae, die elk een osteocyt bevatten. Ook zijn er veel tunnels, de canaliculi. De canaliculi lopen door het bot en zorgen ervoor dat de cellen met elkaar kunnen communiceren via gap junctions.

Het bot bestaat niet enkel uit osteocyten, maar ook uit verschillende cellen in het botweefsel:

• Osteoprogenitorcellen: stammen af van mesenchymale cellen. Het is een rustende cel die kan differentiëren in een osteoblast die botmatrix maakt.

• Osteoblasten: zijn de gedifferentieerde botvormende cellen die botmatrix maken. Osteoblasten communiceren onderling en met osteocyten door middel van gap-junctions.

• Osteocyten: zijn de volgroeide botcellen en liggen in trabekels. Osteocyten zijn omgeven door botmatrix die eerder is uitgescheiden door osteoblasten.

• Bone-lining cellen: ontstaan uit osteoblasten en zitten om bot dat niet meer hervormd wordt.

• Osteoclasten: zorgen voor de botresorptie. Ze ontstaan uit de fusie van mononucleaire osteoprogenitorcellen onder invloed van verschillende cytokines. De nieuwgevormde osteoclasten moeten een activatieproces ondergaan voordat ze bot kunnen gaan resorberen. Dat resorberen gebeurt door protonen en lysosomale hydrolasen vrij te laten in de extracellulaire ruimte.

Botten zijn de organen van het skelet, botweefsel is de structurele component van botten. Het wordt onderverdeeld in compact en spongieus (trabeculair) bot. Aan de buitenkant van het bot zit het compacte bot en aan de binnenkant het trabeculaire.

Botten worden geclassificeerd aan de hand van hun vorm, hun locatie of het type.

• Lange botten: zijn langer in een richting en hebben twee koppen, zoals het scheenbeen en de humerus.

• Korte botten: zijn bijna gelijk qua dikte en diameter, zoals de middenhandsbotjes.

• Platte botten: zijn dun en plaatvormig, zoals de schedelbotten.

• Onregelmatige botten: voldoen aan geen van de bovenstaande beschrijvingen, zoals de wervels.

Bij lange botten heet het middenstuk, dus het lange gedeelte, de diafyse. De twee koppen aan de uiteinden zijn de epifysen. Een grote holte in de diafyse is gevuld met beenmerg, de mergholte.

Periost is een fibreuze bindweefselcapsule die de buitenkant van het bot bedekt. Hierin zitten ook de osteoprogenitorcellen. Het periost is afwezig daar waar het bot contact maken met andere botten, daar zit namelijk kraakbeen.

De holtes in het bot worden bedekt door endosteum, een laag bindweefselcellen welke ook osteoprogenitorcellen bevat. Het is vaak één cellaag dik en lastig te zien onder de microscoop. De mergholten en de ruimten in het trabeculaire bot bevatten rood beenmerg. Dat rode beenmerg bestaat uit ontwikkelende bloedcellen in alle stadia van ontwikkeling en een netwerk van reticulaire cellen en vezels welke een ondersteunende functie hebben. Geel beenmerg ontstaat op volwassen leeftijd, wanneer het rode beenmerg wordt vervangen door vetcellen. Dit gele merg kan echter in geval van nood weer differentiëren tot rood merg en zo weer helpen met de bloedvorming. In het sternum en het bekken blijft het merg rood.

Volwassen bot is samengesteld uit structurele eenheden die osteonen worden genoemd, of Haverse systemen. Ze bestaan uit concentrische lamellen van botmatrix, die een centraal kanaal omgeven, het Haverse kanaal. In dat kanaal loopt het bloed en de zenuwen voor het osteon. De canaliculi zijn in een radiaal patroon georganiseerd, om het kanaal heen. Volwassen bot wordt ook wel lamellair bot genoemd. Circumferentiale lamellen zijn de binnenste en buitenste lamellen die de schacht van een lang bot omgeven, vergelijkbaar met groeiringen van bomen. De bloedtoevoer geschiedt middels de Volkmann kanalen, daar doorheen lopen ook de zenuwen. Ook verbinden zij de osteonale kanalen met elkaar. De Volkmann kanalen hebben geen concentrische lamellen.

Onvolgroeid bot wordt gevormd in het skelet van een ontwikkelende foetus en heet immatuur bot. Het verschilt van volgroeid bot op een aantal punten. Zo heeft het geen lamellen, het is dus non-lamellair bot, ook wel gewoven bot. Ook heeft het relatief meer cellen en is het veel willekeuriger gerangschikt.

Het verschil tussen endochondrale en intramembraneuze, ook wel desmale botvorming genoemd, berust op een verschil in aanleg. Endochondrale ossificatie houdt in dat er bot ontstaat vanuit kraakbeen. Een simpeler methode is de directe vorming van bot, de desmale ossificatie. De extremiteiten en botten die gewicht dragen worden gevormd door middel van endochondrale ossificatie. De platte botten van het hoofd, het gezicht en het schouderblad ontstaan door middel van desmale ossificatie.

Bij de desmale botvorming, wordt bot gevormd door de differentiatie van mesenchymale cellen tot osteoblasten. De nieuwgevormde botmatrix ziet er in histologische preparaten uit als kleine, onregelmatig gevormde spiculae en trabekels.

De endochondrale ossificatie begint met de proliferatie en aggregatie van mesenchymale cellen aan de kant van het toekomstige bot. Onder invloed van verschillende fibroblastische groeifactoren gaan de mesenchymale cellen eerst type II collageen maken en differentiëren vervolgens in chondroblasten die kraakbeenmatrix gaan maken. Als eerst wordt er een kraakbeenmodel met het algemene uiterlijk van een bot gevormd. Vervolgens gaat dit kraakbeenmodel groeien door interstitiële en appositionele groei. De toename in lengte van het bot komt door de interstitiële groei. De groei in dikte komt voornamelijk door de toevoeging van kraakbeenmatrix die geproduceerd wordt door nieuwe chondrocyten.

Het eerste teken van ossificatie is de verschijning van omringend bot, rondom het kraakbeenmodel. Met de vorming van periosteaal bot worden de chondrocyten in het midden van het kraakbeen hypertrofisch. Wanneer deze chondrocyten groter worden, wordt het omringende kraakbeen geresorbeerd, waardoor er dunne, onregelmatige kraakbeenplaten ontstaan tussen de hypertrofische cellen. De cellen gaan vervolgens alkalinefosfatase produceren en het daarnaast liggende kraakbeen ondergaat calcificatie. De gecalcificeerde botmatrix remt de diffusie van voedingsstoffen, waardoor de chondrocyten doodgaan. De matrix gaat kapot en er ontstaan holtes, waarin bloedvaten gaan groeien, om de holtes van bloed te voorzien. Periostcellen migreren samen met de bloedvaten de holte in.

Enchondraal bot begint met groeien vanaf het tweede trimester van het foetale leven en groeit totdat je jongvolwassen bent. De lengtegroei van lange botten hangt af van de aanwezigheid van epifysair kraakbeen. Tijdens de botgroei wordt het avasculaire kraakbeen langzaam vervangen door gevasculariseerd botweefsel. Er zijn verschillende zones in de groeischijf. Een zone met rustend kraakbeen, een proliferatiezone, een hypertrofe zone, een gecalcificeerde kraakbeenzone en een resorptiezone.

Door het kraakbeen van de epifysairschijf blijft het bot groeien. Wanneer het bot groeit, moet het gemodelleerd worden, met afbraak en opbouw in het hele bot. De groei stopt wanneer er geen nieuw kraakbeen meer aanwezig is in de epifysairschijven.

Wat is de histologie van het spierweefsel van Ross & Pawlina? - Chapter 11

Hartspiercellen lijken op skeletspiercellen wat betreft het soort contractiele filamenten en de schikking van deze filamenten. Maar hartspiercellen hebben een centraal gelegen kern (direct onder het plasmamembraan). De myofibrillen van hartspierweefsel gaan uit elkaar om om de kern heen te gaan, daardoor benadrukken ze de biconicale juxtanucleaire regio. In deze regio bevinden zich organellen waaronder mitochondria, golgi-systeem, pigment granulen en glycogeen. Ook zijn er geïntercaleerde disks; dit zijn zeer gespecialiseerde verbinden tussen cellen. De actine-myosine filamenten hechten hieraan vast. Zo ontstaan vezels van verschillende lengten.

In de atria van het hart bevinden zich arteriële granulen in de juxtanucleaire cytoplasma. De granulen bevatten twee hormonen; Arteriële Natriuretische Factor (ANF) en Brein Natriuretische Factor (BNF). Dit zijn beiden diuretische hormonen; dit betekent dat ze effect hebben op de secretie van sodium. Na congestieve hartfalen is het BNF verhoogd.

Een hartspiervezel bestaat uit meerdere cilindrische cellen, verbonden door geïntercaleerde disks. De geïntercaleerde disk bevat meerdere structuren die van belang zijn:

• Gap junctions; laterale verbinding die zorgt voor ionische continuïteit (uitwisseling van ionen mogelijk)

• Fascia adherens; transversale verbinding die de spiercellen begrenst

• Macula adherens/Desmosoom; transversale én laterale verbinding die de spiercellen aan elkaar bindt (stressbestendig)

Gap junctions zorgen ervoor dat de hartspiercellen een functioneel syncytium vormen. Dit houdt in dat alle cellen dezelfde signaalmoleculen kunnen ontvangen, maar tegelijkertijd hun individuele kenmerken kunnen behouden.

Het Sarcoplasmatisch Reticulum (SR) van de hartspiercel loopt over het gehele sarcomeer. De enige plek waar Ca2+ -ionen naar binnen kunnen stromen bij depolarisatie/contractie is dus tussen de sarcomeren in (ter hoogte van de Z-lijn). Deze instulpingen van het sarcolemma tussen de sarcomeren noemen we T-tubuli. De T-tubuli in hartspiercellen zijn veel groter dan bij skeletspiercellen, maar er is maar één tubule per sarcomeer.

Cardiac conducting cells (vrij vertaald: hartcellen die zorgen voor de geleiding) zijn georganiseerd in knopen (‘nodes’) en vezels. Deze vezels noemen we Purkinjevezels en kunnen snel impulsen genereren en doorgeven aan het myocard in een nauwgezet ritme.

Spieren zijn verantwoordelijk voor bewegingen van het lichaam en voor de veranderingen in vorm en grootte van interne organen. Spieren worden gekarakteriseerd door aggregaten van gespecialiseerde, verlengde cellen die op een parallelle manier gerangschikt zijn, hun primaire functie is contractie. De myofilamentinteractie is verantwoordelijk voor de spiercelcontractie. Er zijn twee verschillende typen myofilamenten, de dunne actine en de dikke myosine. Deze twee typen vullen het grootste gedeelte van het cytoplasma, wat in de spiercel ook wel sarcoplasma wordt genoemd. Spierweefsel wordt onderverdeeld op basis van de aanwezigheid van de contractiele cellen. Spieren worden onderverdeeld in twee groepen:

• Gestreept spierweefsel: met een gestreept uiterlijk onder de microscoop. Dit wordt weer onderverdeeld op basis van de locatie van het spierweefsel:

  • Skeletspierweefsel: zit vast aan de botten en zorgt voor lichaamsbewegingen.

  • Orgaanspierweefsel: morfologisch hetzelfde als skeletspierweefsel, echter zit dit in de zachte weefsels zoals tong, diafragma en bovenste gedeelte van de oesophagus.

  • Hartspierweefsel: in het hart en de grote vaten rond het hart.

• Glad spierweefsel: heeft geen strepen.

De dwarsstrepen in het gestreepte spierweefsel worden veroorzaakt door de specifieke manier waarop de dunne en dikke filamenten geordend zijn. Dit is hetzelfde in alle typen gestreept weefsel. Gladde spiercellen hebben geen strepen omdat de filamenten veel willekeuriger gerangschikt zijn.

Een skeletspier is een meerkernig syncytium. Het weefsel is opgebouwd uit spiervezels die ontstaan door de fusie van kleine, individuele spiercellen, de myoblasten. De lengte kan variëren van bijna een meter (in het been) tot een paar millimeter (in het oor). De kernen van skeletspierweefsel liggen in het cytoplasma direct onder het plasmamembraan, het sarcolemma. De gestreepte spiervezels worden bij elkaar gehouden door bindweefsel. Door dit bindweefsel is het mogelijk zeer grote krachten om te zetten. Aan het eind van de spier wordt het bindweefsel een pees die vastzit aan bot.

Er worden drie soorten skeletspiervezels onderscheiden, op basis van hun contractiesnelheid en metabolische activiteit.

• Type I: langzame oxidatieve vezels. Ze zijn klein en rood en bevatten veel mitochondria en grote hoeveelheden myoglobine. Deze spiervezels worden niet moe, maar hebben minder kracht. Ze hebben de langzaamste ATPase reactiesnelheid. Deze vezels komen voornamelijk voor in de extremiteiten en de rug. Marathonlopers hebben relatief veel type I spierweefsel.

• Type IIa: snelle oxidatieve glycolytische vezels. Deze hebben een gemiddelde lengte en veel mitochondria. Ze bevatten grote hoeveelheden glycogeen en hebben de capaciteit om anaerobe glycolyse te laten plaatsvinden. Ze zijn voor de hoge piekbelasting van spieren. Sprinters en hockeyers hebben veel van deze vezels.

• Type IIb: snelle glycolytische vezels. De lange vezels hebben een lichtroze kleur en bevatten minder mitochondria en myoglobine. Ze kunnen wel veel glycogeen opslaan. Verder bevatten deze vezels het snelst werken myosine ATPase, maar putten de spieren snel uit door de productie van melkzuur. Ze zijn voor de fijne motoriek. Korte afstandsprinters en gewichtsheffers hebben veel van deze vezels.

De structurele en functionele eenheid van de spiervezel is de myofibril. Myofibrillen zorgen voor het gestreepte uiterlijk van het spierweefsel. De myofibrillen zijn samengesteld uit bundels van myofilamenten. De functionele eenheid van een myofibril is een sarcomeer, een segment van de myofibril tussen twee Z-lijnen.

De skeletspieren worden rijkelijk geïnnerveerd door motorneuronen die vanuit het ruggenmerg of de hersenstam ontspringen. De axonen van de zenuwtakken scheiden als ze dichter bij de spier komen, zodat er terminale takken komen die eindigen op individuele spiervezels. De neuromusculaire-overgang is het contact tussen de terminale takken en de spiervezel (de motorische eindplaat). Het axon wordt omgeven door een myelineschede en bij het axon-eind is het alleen nog maar omgeven door een klein gedeelte van de Schwanncel. Door het vrijkomen van acetylcholine in de synaptische spleet, wordt het plasmamembraan gedepolariseerd wat leidt tot contractie. Een enkele neuron innerveert enkele tot honderden spiervezels. Spieren die voor fijne motoriek zorgen hebben de minste vezels per motorneuroneenheid. Innervatie is essentieel voor spiercellen om hun functionaliteit te behouden. Wanneer de innervatie wordt afgesneden (door een defecte zenuw) treedt spieratrofie op, de spier wordt dunner. Wanneer de innervatie weer op gang kan worden gebracht, kan de spier weer de normale dikte terugkrijgen.

Voor de contractie van een skeletspiercel zijn verschillende stappen nodig.

• Een zenuwimpuls reist langs het axon van een motoneuron en komt aan bij de neuromusculaire-overgang. Hiermee begint de contractie.

• Door de zenuwimpuls wordt het vrijlaten van acetylcholine in de synaptische spleet gestart, waardoor er plaatselijke depolarisatie van het sarcolemma begint.

• Voltage-gated Na-kanalen openen en natrium gaat de cel in.

• De depolarisatie verspreidt zich over het plasmamembraan van de spiercel en reist verder via de membranen van de T-tubuli.

• Voltage-sensor-eiwitten in het plasmamembraan van de T-tubuli veranderen hun conformatie.

• De T-tubuli staan in contact met het sarcoplasmatisch reticulum, waar Ca-release-kanalen worden geactiveerd door de conformatieveranderingen.

• Calcium wordt razendsnel vanuit het SR in het sarcoplasma vrijgelaten.

• Calcium bindt het TnC-gedeelte van het troponinecomplex.

• De contractiecyclus is geactiveerd en calcium wordt weer opgenomen in het sarcoplasmatisch reticulum.

Het spierspoeltje is een gespecialiseerde receptorunit in de spier, het bestaat uit twee typen spiervezels: de spoelcellen en neuronterminalen. De unit wordt omgeven door een intern kapsel. Een met vocht gevulde ruimte scheidt het interne kapsel van het externe kapsel. De spierspoel geeft informatie door over de hoeveelheid rek in de spier. De sensorische zenuwen worden geactiveerd door rek en geven informatie door aan het centrale zenuwstelsel, die de activiteit van motorneuronen voor die specifieke cel weer aanpast. Myoblasten fuseren om meerkernige myofibrillen te vormen. De myoblasten ontstaan uit myogene stamcellen, die zichzelf kunnen vernieuwen.

Hartspierweefsel heeft dezelfde vezels en hetzelfde type rangschikking als skeletspierweefsel. Het weefsel is ook dwarsgestreept, maar ook een soort banden: intercalated discs. Hierdoor ontstaan vezels van verschillende lengte. De kernen liggen in het midden van de cel. Er zijn heel veel grote mitochondria en glycogeenopslag in elke myofibril.

De intercalated discs zijn de verbindingen tussen de hartspiercellen en bestaan uit verschillende gespecialiseerde cel-tot-cel junctions.

• Fascia adherens (adhering junction): de belangrijkste component van de intercalated disc. Het houdt de cellen en filamenten bij elkaar.

• Macula adherentes (desmosomen): binden de individuele cellen aan elkaar en zorgen dat ze niet van elkaar los komen.

• Gap junctions (communication junctions): ze zorgen voor de ionische continuïteit tussen de aangrenzende hartspiercellen, zodat macromoleculen van cel naar cel kunnen reizen.

Het SER in hartspierweefsel is georganiseerd in een netwerk langs de sarcomeer, van Z-lijn tot Z-lijn. De passage van calcium van het lumen van de T-tubulus tot het sarcoplasma is essentieel om de contractiecyclus op te starten. Deze cyclus is hetzelfde als bij het skeletspierweefsel. Echter, in het hart is er long-lasting depolarisatie, omdat het hart continu aan het pompen is. Ook heeft hartspierweefsel een spontane ritmische contractie. Deze contractie wordt gereguleerd en gecoördineerd door gespecialiseerde cardiale geleidingscellen. Deze liggen samen in knopen en in geleidende vezels, Purkinje-vezels. Ze worden door zowel parasympatische als sympathische zenuwen geïnnerveerd. De sympathische stimulatie zorgt voor een versnelling van het hartritme en de parasympatische juist voor een daling.

Wanneer er schade optreedt aan de hartspiercellen, wordt dat vervangen door fibreus bindweefsel. Hierdoor gaat de pompfunctie op de plek van de schade verloren. Dit gebeurt bij een myocard infarct. Wanneer dit optreedt komen er specifieke markers in het bloed, de structurele subunits TnI en TnT van het cardiale troponinecomplex. Deze markers komen tussen 3 en 12 uur na een infarct in het bloed en kunnen tot 2 weken terug te vinden zijn in het bloed.

De cellen van glad spierweefsel hebben een contractiel apparaat van dunne en dikke filamenten en een cytoskelet van desmine en vimentine filamenten. Glad spierweefsel is gespecialiseerd in langzame, lange contractie. Gladde spiervezels trekken samen op een golfachtige manier, waardoor peristaltiek ontstaat. Het gladde spierweefsel heeft geen zenuwstimulatie nodig, maar kan spontaan contractie beginnen. Normaliter wordt het gereguleerd door de postganglia van het autonome zenuwstelsel, zowel sympathisch als parasympatisch.

Wat is de histologie van het zenuwweefsel? - Chapter 12

Zenuwstelsel: anatomisch & functioneel niveau

Je kunt het zenuwstelsel op verschillende manieren onderverdelen, namelijk op anatomisch en functioneel niveau.

Anatomisch:

• Het centrale zenuwstelsel (CZS): de hersenen en het ruggenmerg

• Het perifere zenuwstelsel (PZS): craniale, spinale en perifere zenuwen

Functioneel:

• Het somatische zenuwstelsel (SZS)

• Het autonome zenuwstelsel (AZS)

Zenuw- en steuncellen

Zenuwweefsel bestaat uit neuronen (zenuwcellen) en neuroglia (steuncellen).

Neuronen bestaan uit een cellichaam, dendrieten en een axon. Sommige axonen zijn gemyeliniseerd, waardoor de snelheid van de impulsgeleiding verhoogd wordt. Er zijn twee typen neuronen:

• Multipolaire motorische neuronen hebben twee of meer dendrieten en 1 axon. Ze komen voor in zowel het CZS als het PZS.

• Pseudo-unipolaire sensorische neuronen hebben een klein ‘process’ dat uit het cellichaam komt. Deze splitst in een perifeer process (brengt impulsen vanuit het orgaan naar het cellichaam) en een centraal process (brengt impulsen vanuit het cellichaam naar het CZS). De cellichamen hiervan liggen buiten het CZS in ganglia en zijn dus deel van het PZS.

Neuronen communiceren via synapsen. Neuroglia steunen de neuronen en kunnen zelf geen impulsen doorgeven. In het CZS worden de neuroglia onderverdeeld in oligodendroglia, astrocyten, ependymale cellen en microglia. In het PZS worden ze onderverdeeld in satellietcellen en Schwann cellen.

Schwann cellen

Deze cellen produceren de myelineschede, een vettige laag om de axonen heen, wat de actiepotentiaal sneller over het axon laat lopen. De dikte van deze laag wordt bepaald door de diameter van de axonen. Twee Schwann cellen worden onderbroken door de knoop van Ranvier. Axonen in het PZS die niet gemyeliniseerd zijn, worden toch omgeven door Schwann cellen. In dit geval functioneert dit als bescherming, en het in stand houden van het potentiaalverschil.

Satellietcellen

De neurale cellichamen van de ganglia worden omgeven door satellietcellen. In paravertebrale en perifere ganglia moeten de neurale cellen door de satellietcellen heen om een synaps te vormen. De satellietcellen dienen vooral ter bescherming en het in stand houden van het potentiaalverschil.

Oligodendrocyten

Deze cellen produceren de myelineschede in het CZS. In tegenstelling tot de Schwann cellen kan één oligodendrocyt meerdere axonen tegelijk myeliniseren. De myelineschede in het CZS bestaat ook uit andere eiwitten dan de myelineschede in het PZS.

Het centrale zenuwstelsel bestaat uit de hersenen en het ruggenmerg. Een nucleus is een verzameling van cellichamen in het CZS. Een bundel van axonen in het CZS die een of meerdere nuclei verbinden is een tractus. De hersenen en het ruggenmerg bestaan uit witte en grijze stof. De cellichamen liggen in de grijze stof, de uitlopers in de witte stof. In het ruggenmerg zie je een soort grijze vlinder liggen. De uitsteeksels van de vlinder zijn hoorns: je hebt de rechter- en linker en posterior en anterior hoorn.

Het perifere zenuwstelsel bestaat uit uitlopers en cellichamen buiten het CZS die impulsen naar of van het CZS leiden. Een zenuwvezel (uitloper) bestaat uit een axon, zijn neurolemma (bestaande uit de celmembranen van de Schwanncellen) en het omringende bindweefsel. In het PZS neemt het neurolemma twee vormen aan waardoor je twee verschillende soorten zenuwvezels hebt:

• Het neurolemma van gemyeliniseerde uitlopers bestaat uit Schwann cellen specifiek voor 1 axon. Dit zijn continue series van Schwann cellen die myeline vormen.

• Het neurolemma van ongemyeliniseerde uitlopers bestaat ook uit Schwann cellen, maar nu zijn er meerdere uitlopers bij elkaar omgeven door 1 Schwann cel. Deze cellen maken geen myeline aan, maar zorgen toch voor een afscheiding met het omliggende membraan.

Uitlopers

Een zenuw bestaat uit een bundel van uitlopers buiten het CZS, bindweefsel en de bloedvaten. Ze worden beschermd door drie soorten bindweefsel:

• Endoneurium: bindweefsel om de neurolemmacellen heen

• Perineurium: bindweefsel dat een bundel uitlopers omsluit

• Epineurium: dikke laag bindweefsel die de bundels bij elkaar houdt. Hier doorheen lopen ook vetweefsel, lymfevaten en bloedvaten.

Een verzameling van cellichamen buiten het CZS heet een ganglion. Er zijn motorische (efferente) en sensorische (afferente) ganglia.

Sensorische uitlopers

De sensorische uitlopers van het PZS brengen neurale impulsen van de organen naar het CZS en de motorische uitlopers brengen impulsen van het CZS naar de effectororganen. Zenuwen zijn craniaal (vanuit de hersenen, 12) of spinaal (vanuit het ruggenmerg, 31 paren).

Het somatische zenuwstelsel gaat over de impulsen naar en van de spieren en organen waar we ons bewust van zijn en invloed op hebben. Het bevat zowel de motorische als sensorische uitlopers. Het motorische systeem innerveert dus enkel de skeletspieren.

Het autonome (viscerale) zenuwstelsel gaat over alle onwillekeurige bewegingen. Deze motorische en sensorische uitlopers staan in verbinding met de gladde spiercellen, hartspieren en secretiecellen. De efferente uitlopers zijn onder te verdelen in het parasympatische en het sympathische zenuwstelsel. Bij de signaaloverdracht wordt gebruik gemaakt van tweemaal een multipolair neuron. Het cellichaam van het eerste preganglionaire neuron ligt in de grijze stof van het CZS. Het axon hiervan komt uit bij het cellichaam van het postganglionaire neuron (deze ligt buiten het CZS in autonome ganglia met vezels die naar het doelorgaan gaan). Het verschil tussen het parasympatische en sympatische zenuwstelsel is gebaseerd op de ligging van de postganglionaire neuronen en welke zenuwen de presynaptische vezels van het CZS af leiden. Een belangrijk verschil is dat de postganglionaire neuronen van de twee systemen een verschillend neurotransmitter hebben: het sympatische systeem heeft noradrenaline, het parasympatische systeem acetylcholine.

Het sympatische (thoracolumbare) gedeelte van het autonome zenuwstelsel. De cellichamen van de presynaptische neuronen van het sympatische gedeelte van het autonome zenuwstelsel liggen in de intermediolaterale cell columns (ofwel: een nuclei, mv: nucleus). Deze gepaarde (links- en rechtsliggende) kolommen zijn een deel van de grijze stof in het ruggenmerg.

Pre- en postsynaptische uitlopers

De cellichamen van de postsynaptische neuronen van het sympatische gedeelte kunnen op 2 plekken verschijnen:

• Paravertebrale ganglia: zitten verticaal via een ‘ketting’ aan andere ganglia vast, langs de wervelkolom.

• Prevertebrale ganglia: zitten in de plexussen die om de aorta heen liggen.

Nadat de presynaptische uitlopers de anterior rami uitgaan komen ze in white rami communicantes terecht, waarna ze 4 kanten op kunnen (omhoog, omlaag, meteen naar een synaps, nog een stuk door). Degene die zorgen voor de innervatie van de buikorganen, gaan naar de prevertebrale ganglia door abdominopelvische splanchnic zenuwen, waar ze synapsen. Sommigen synapsen hier nog niet en gaan regelrecht naar de organen

De postsynaptische uitlopers (waar er veel meer van zijn) controleren het samentrekken van de bloedvaten (vasomotie), het overeind staan van haartjes (polimotie) en het zweden (sudomotie). De postsynaptische uitlopers die hiervoor zorgen in het hoofd & nek gebied hebben hun cellichamen in de superior cervicale ganglia liggen. Degene die naar de organen gaan, gaan door cardiopulmonary splanchnic nerves om de plexussen van het hart en de longen te betreden.

Spinale zenuwen komen vanuit het ruggenmerg als veel rootlets (worteltjes) en smelten samen tot twee zenuwwortels (nerve roots): één anterior (ventrale) zenuwwortel en een posterior (dorsale) zenuwwortel.

De anterior root bestaat uit motorische uitlopers die vanuit de cellichamen in de anterior hoorn naar de organen gaan.

De posterior root bestaat uit sensorische uitlopers die vanuit de cellichamen in de ganglion naar de posterior hoorn gaan. Deze wortels komen samen en vormen zo een spinale zenuw die weer meteen splitst in twee rami: een posterior ramus en een anterior ramus. Deze bevatten allebei een mix van sensorische en motorische uitlopers. Het stuk huid dat door de sensorische uitlopers van een zenuw wordt geïnnerveerd heet een dermatoom: de spier die door de motorische uitlopers van een zenuw wordt geïnnerveerd heet een myotoom.

• De posterior rami van spinale zenuwen zorgen voor de synoviale gewrichten van de wervelkolom, de diepe rugspieren en de overliggende huid.

• De anterior rami van de spinale zenuwen zorgen voor het grote overblijvende gedeelte: de anterior en laterale regio’s van de romp en de bovenste en onderste ledematen. Als ze naar de ledematen gaan komen meerdere anterior rami samen in somatische zenuwplexussen.

Somatische en viscerale uitlopers

De typen uitlopers die overgebracht zijn door craniale of spinale zenuwen:

• Somatische uitlopers:

  • General sensory fibers: brengen ‘gevoel’ van het lichaam naar het CNS. Dit kunnen exteroceptieve sensaties zijn (pijn, temperatuur), of proprioceptieve sensaties (vanuit spieren, spanning, etc).

  • Somatische motor fibers vervoeren impulsen naar de skeletspieren.

• Viscerale (orgaan) uitlopers:

• Viscerale sensory fibers: vervoeren pijn of orgaanreflexen naar het CNS.

• Viscerale motor fibers: vervoeren impulsen naar het onwillekeurige gladde spierweefsel van de organen.

Allebei de soorten sensorische uitlopers zijn uitlopers van pseudounipolaire neuronen met de cellichamen buiten het CNS in spinale of craniale sensorische ganglia. De motorische uitlopers zijn axonen van multipolaire neuronen, waarvan de cellichamen in de grijze stof liggen.

Het parasympatische (thoracolumbare) gedeelte van het autonome zenuwstelsel

De presynaptische cellichamen liggen in twee plaatsen in het CNS, de uitlopers gaan uit het CNS door 2 routes:

• In de grijze stof van de hersenstam, de uitlopers gaan het CNS uit via de hersenzenuwen III, VII en X: craniaal parasympatisch. Deze innerveren het hoofd/hals gebied. Let op: zenuw X (vagus) innerveert de organen en gaat dus naar beneden.

• In de grijze stof van de sacrale segmenten van het ruggenmerg, de uitlopers gaan het CNS uit via de sacrale zenuwen S2-S4: sacraal parasympatisch.

Er is natuurlijk ook een verschil in functie, naast het verschil in de bouw. Het sympatische systeem is een catabolisch (energie-uitgevend) systeem dat zorgt dat het lichaam actie kan ondernemen. Het parasympatische systeem is een homeostatisch of anabolisch (energie-sparend) systeem dat de stille processen in het lichaam door laat gaan. Viscerale (autonome) sensorische uitlopers zorgen voor de informatie over de staat van ons lichaam en zorgt ervoor dat reflexen optreden (zoals bloeddruk, temperatuur).