Hoofdstuk 2 : De cel

Hoofdstuk 2 : De cel
De cel is de fundamentele eenheid van het leven. Alle organismen bestaan uit cellen. In de
hiërarchie van de biologische organisatie is de cel de meest eenvoudige verzameling materie die
kan ‘leven’. De meeste cellen zijn tussen 1 en 100 m (1 m = 10-6 m) groot; ze zijn nog juist
zichtbaar door de lichtmicroscoop (vergroot tot 1000 maal). De subcellulaire structuren, of
organellen, die we in dit hoofdstuk bespreken, meten doorgaans 1 tot 10 m. Ze werden slechts
zichtbaar na de ontwikkeling van de elektronenmicroscopen.
1. Bouw van de cel
1.1.
Prokaryote en eukaryote cellen
Er bestaan twee fundamenteel verschillende typen cellen : bacteriën en archaea hebben
prokaryote cellen, terwijl protisten, planten, fungi, en dieren allen eukaryote cellen hebben.
Archaea zijn een zeer oude groep ééncellige organismen die voornamelijk in zeer
extreme milieu’s voorkomen, zoals warmwaterbronnen en zoutmeren. Protisten zijn een
zeer diverse groep ééncelligen. Het plankton in zee bestaat voor een groot deel uit
protisten. De fungi omvatten de schimmels en de zwammen. Voor een gedetailleerd
overzicht van de taxonomische indeling van het leven, zie ‘The tree of life’, webpagina
http://phylogeny.arizona.edu/tree/phylogeny.html
capsule
celwand
celmembraan
nucleoide (DNA)
kernmembraan
cytoplasma
organellen
flagel
Fig. 22. Schematische voorstelling van een prokaryote (links) en een eukaryote cel
(rechts)
De prokaryote cel heeft geen kern. Het DNA zit weliswaar geconcentreerd in één gebied in de cel
(de nucleoide), maar dat gebied wordt niet door een membraan afgescheiden van de rest van de
cel. Bij eukaryote cellen daarentegen, zit het DNA in een echte kern (of nucleus), die van de rest
van de cel (het cytoplasma) wordt gescheiden door het kernmembraan. Bovendien bevinden
zich in het cytoplasma van de eukaryote cel verschillende organellen, die ontbreken bij
prokaryote cellen.
19
1.2.
De kern
De kern bevat het overgrote deel van de genen die de eukaryotische cel sturen. Het is doorgaans
het meest opvallende organel in de cel, met een gemiddelde doormeter van ca. 5 m. De kern
wordt gescheiden van het cytoplasma door een dubbele membraan, elk bestaande uit een bilayer
van fosfolipiden plus bijhorende eiwitten. In het membraan zijn poriën voorzien, die het passeren
van macromoleculen moeten toelaten. Elke porie wordt afgelijnd door ingewikkelde eiwitten die
de doorgang van deze moleculen regelen.
In de kern ligt het DNA, samen met een aantal eiwitten, georganiseerd in een diffuse structuur die
men het chromatine noemt. Wanneer de cel gaat delen, condenseert het vezelige, verwarde
chromatine tot dikke, afzonderlijke structuren (de chromosomen). Elke eukaryote cel heeft een
karakteristiek aantal chromosomen. Bij mensen bedraagt dit aantal 46. Voortplantingscellen
vormen een uitzondering; bij mensen bevatten eicellen en spermacellen bijvoorbeeld slechts 23
chromosomen.
Bij cellen die niet op het punt staan om te delen, is de nucleolus de meest opvallende structuur.
Hier worden de componenten van de ribosomen gesynthetiseerd en geassembleerd. Deze
componenten verlaten de kern via de poriën in de kernmembraan, waarna ze samensmelten tot
ribosomen.
De kern regelt de eiwitsynthese in het cytoplasma via het boodschapper-RNA (messenger-RNA,
m-RNA). Hoe de vertaling van de genetische informatie gebeurt, bekijken we later in dit
hoofdstuk.
1.3.
De ribosomen
De ribosomen zijn de eiwitassemblage-plaatsen van de cel. Cellen met een hoge eiwitproductie
bezitten massa’s ribosomen. Een menselijke levercel bevat er bijvoorbeeld enkele miljoenen.
Ribosomen komen vrij in het cytoplasma voor, of gebonden aan het endoplasmatisch reticulum
(zie verder).
Elk ribosoom bestaat uit twee delen, een klein en een groot. Beide onderdelen bestaan uit
eiwitten en uit RNA-moleculen (het zogenaamde ribosomaal RNA of r-RNA). We komen verder
in dit hoofdstuk terug op de werking van de ribosomen.
1.4.
Het endomembraansysteem
Eukaryote cellen zitten vol membranen. Die staan onderling in verbinding, direct of via de transfer
van membraansegmenten onder de vorm van miniscule blaasjes (zakjes omgeven door
membraan). Toch bestaat er een duidelijke differentiatie in structuur en functie binnen de
membranen. Het endomembraansysteem omvat het kernmembraan (zie hierboven), het
endoplasmatisch reticulum, het Golgi-apparaat, de lysosomen, en verschillende soorten
vacuolen.
1.4.1
Het endoplasmatisch reticulum
Het endoplasmatisch reticulum (ER) bestaat uit een doolhof van membranen, die in verbinding
staan met het kernmembraan. Men onderscheidt twee types die weliswaar in verbinding met
elkaar staan : het ruw endoplasmatisch reticulum, zo genoemd omdat het bezaaid is met
20
ribosomen en daardoor een gekorreld uiterlijk heeft, en het zacht endoplasmatisch reticulum,
zonder ribosomen.
kernmembraan
endoplasmatisch
reticulum
Golgi-apparaat
plasmamembraan
Fig. 23. Schematische voorstelling van het
endomembraanstelsel
Het ruw ER vervoert de eiwitten die geassembleerd worden op de ribosomen, en bedoeld zijn om
door de cel uitgescheiden te worden. De polypeptideketens glijden door de poriën in de wand van
het ER en komen terecht in de ruimte omgeven door het membraan (de cisternale ruimte). Vaak
wordt in de cisternale ruimte een koolhydraat aan de eiwitten toegevoegd, zodat een
glycoproteïne gevormd wordt. Daarna omwikkelt het ER de uit te scheiden stoffen met een
membraan, zodat een blaasje (Eng.: vesicle) ontstaat. Deze blaasjes transporteren de
glycoproteïnen door het cytoplasma richting celmembraan.
Naast haar functie in de secretie van produkten, staat het ruw endoplasmatisch reticulum ook in
voor de aanmaak van membranen. Deze kunnen aan het bestaande ER vastgehecht blijven, of
naar andere delen van de cel bewegen onder de vorm van transportvesicles.
Het glad endoplasmatisch reticulum kan verschillende functies hebben, naargelang het type cel.
Zo kan het tussenkomen in de synthese van lipiden, het metabolisme van koolhydraten, en de
detoxificatie van giftige stoffen.
Levercellen zijn gespecialiseerd in het onschadelijk maken van giftige stoffen. Dit gebeurt
meestal door het toevoegen van hydroxyl-groepen aan de giftige moleculen, waardoor
die meer oplosbaar worden en gemakkelijker uit het lichaam kunnen verwijderd worden.
De opname van barbituraten, alcohol, en andere drugs veroorzaakt een proliferatie van
glad ER in de levercellen. Dit leidt op langere termijn tot een hogere tolerantie t.o.v. de
drugs, waardoor hogere dosissen nodig zijn om hetzelfde effect te veroorzaken.
Bovendien kan de ontwikkeling van het ER ook de tolerantie t.o.v. andere (nuttige) drugs
verhogen.
1.4.2
Het Golgi-apparaat
Na het ER verlaten te hebben, bewegen vele vesicles richting Golgi-apparaat. In het Golgiapparaat worden de produkten van het ER omgebouwd en opgeslagen, om later naar andere
bestemmingen verscheept te worden. Het is dan ook niet verwonderlijk dat vooral de cellen van
secretie-organen bijzonder veel Golgi-apparaten bezitten.
21
Het Golgi-apparaat bestaat uit een serie afgeplatte zakken, een beetje zoals een stapel pitabroodjes. Aan één zijde van het organel (de cis-zijde) arriveren de blaasjes die werden afgesplitst
door het ER. De vesicles fusioneren met de membranen van het Golgi-apparaat en ledigen hun
inhoud in het lumen van de apparaat. Aan de andere kant (de trans-zijde) ontstaan blaasjes met
omgebouwde producten.
1.4.3
Lysosomen
Lysosomen zijn membraanzakjes gevuld met enzymen bestemd voor de afbraak van
macromoleculen (eiwitten, polysacchariden, vetten, nucleïnezuren). Deze enzymen werken
optimaal bij een lage pH (ongeveer 5), en de membranen van de lysosomen zorgen hiervoor door
constant H+-ionen binnen te pompen. Tenminste een aantal lysosomen ontstaan aan de transzijde van de Golgi-apparaatjes.
Lysosomen staan in voor de intracellulaire vertering. Sommige ééncelligen, zoals Amoeba, eten
door kleinere organismen volledig te omstulpen. Dit proces heet fagocytose. De aldus gevormde
voedselvacuole fusioneert met een lysosoom, en de verteringsenzymen beginnen aan hun werk.
Ook sommige menselijke cellen doen aan fagocytose, bijvoorbeeld om bacteriën en andere
indringers te vernietigen.
De enzymen van de lysosomen worden ook aangewend om eigen organisch materiaal te
recycleren. Dit proces heet autofagie. Het lysosoom omstulpt dan een ander organel, of een deel
van het cytoplasma.
De geprogrammeerde vernietiging van eigen cellen is een belangrijk proces in de
ontwikkeling van vele organismen. De staart van kikkervisjes wordt bijvoorbeeld
afgebroken door lysosomen. De handen van menselijke embryo’s vertonen zwemvinnen
tot lysomen het weefsel tussen de vingers verwijderen.
1.4.4
Vacuolen
Vacuolen en vesicles zijn beiden zakvormige structuren, omgeven door een membraan, maar
vacuolen zijn groter dan vesicles. Ze kunnen verschillende functies verzorgen.
Voedselvacuolen, gevormd door fagocytose werden hierboven al aangehaald. Vele protisten
hebben contractiele vacuolen, die een teveel aan water de cel uitpompen. Volwassen
plantencellen bezitten een grote centrale vacuole, die dient als stockageplaats voor organisch
materiaal en voor anorganische ionen (vb. Na+ en Cl-), en als stortplaats voor gevaarlijke
bijproducten van het metabolisme. De opvallend kleuren van bloemblaadjes ontstaan door de
aanwezigheid van pigmenten in de vacuolen. Tenslotte bevatten de centrale vacuolen van
planten vaak giftige of onsmakelijke stoffen die de plant moet beschermen tegen dieren.
tonoplast
Fig. 24. Schematische voorstelling
van een plantencel, met de
centrale vacuole
vacuole
22
1.5.
Mitochondria
Mitochondria worden omgeven door twee membranen, elk bestaande uit een fosfolipiden bilayer
met een unieke verzameling eiwitten. Het buitenste membraan is glad, maar het binnenste
vertoont vingerachtige instulpingen (cristae), waardoor het zijn oppervlakte aanzienlijk vergroot.
mitochondrion
crista
centrale matrix
intermembraan
matrix
binnenste membraan
buitenste membraan
Fig. 25. Schematiche voorstelling van een
(doorgesneden) mitochondrion.
In de mitochondriale matrix en op de binnenste mitochondriale membraan bevinden zich de
eiwitten die instaan voor de respiratie, het catabole proces waarbij ATP gegenereerd wordt door
energie te onttrekken aan suikers, vetten en andere brandstoffen. De mitochondria zijn de
motoren van de cel.
Mitochondria bezitten een merkwaardig grote autonomie binnen de cel. Hun membraaneiwitten
worden niet aangemaakt door het ER, maar door vrije ribosomen en door ribosomen in de
mitochondria zelf. Bovendien bevatten deze organellen een kleine hoeveelheid DNA.
Volgens een theorie bedacht door de Rus Mereschkovsky en ontwikkeld door de
Amerikaanse Margulis, waren de voorouders van de mitochondria aërobe heterotrofe
prokaryoten, die op één of andere manier in een eukaryote cel verzeild geraakt zijn.
Mogelijks werden ze opgenomen door fagocytose, maar niet verteerd. Of waren het
oorspronkelijk parasieten. Hoe dan ook, de eukaryote cellen, die zelf anaëroob waren,
ondervonden al snel voordeel van de gast, omdat die in staat was om zuurstof te
gebruiken om energie te winnen uit koolhydraten. Mitochondria zouden dus een soort
endosymbionten kunnen zijn, cellen die binnen andere cellen leven.
Er bestaan inderdaad gelijkenissen tussen moderne prokaryoten en mitochondria.
Mitochondriale enzymen, ribosomen en transportsystemen lijken meer op die van
bacteriën dan op die van de rest van de eukaryote cellen. Mitochondria vermenigvuldigen
zich door een proces van ontdubbeling dat sterk lijkt op wat waargenomen wordt bij
bacteriën. Het cyclische DNA dat aangetroffen wordt in de mitochondriën lijkt qua basensequentie sterk op het DNA van protisten.
1.6.
Plastiden
Plastiden zijn een groep organellen die enkel in planten aangetroffen worden. Amyloplasten zijn
kleurloze plastiden die zetmeel stockeren in wortels en knollen. Chromoplasten zitten vol
pigmenten, en geven fruit en vruchten hun oranje en gele kleuren. Chloroplasten bevatten het
groene pigment chlorofyl, enzymen en andere moleculen die een rol spelen bij de fotosynthese,
het proces waarbij planten zonne-energie aanwenden om suikers aan te maken uit water en CO2.
23
Chloroplasten zijn omkapseld door een enveloppe bestaande uit twee nauw aansluitende
membranen. Binnenin het organel zitten nog meer membranen, georganiseerd in platte zakken
(thylakoïden). Vaak zijn deze thylakoiden opgestapeld als munten, aldus structuren vormend die
men grana noemt.
granum
stroma
dubbele membraan
thylakoid
lumen
Fig. 26. Schematische voorstelling van een doorsnede door een chloroplast
Over de chloroplasten wordt hetzelfde beweerd als over de mitochondria; het zouden
endosymbionten zijn, ontstaan uit ééncellige algen. Vermoedelijk drongen de
chloroplasten de eukaryote cel later binnen dan de mitochondria (namelijk na de splitsing
van planten en dieren). Men spreekt daarom vaak over de theorie van seriële
endosymbiose.
1.7.
Het cytoskelet
De organellen dobberen niet zomaar rond in hetcytoplasma, maar zitten ingebed in een netwerk
van vezels, het cytoskelet. Het cytoskelet zorgt voor structurele steun en voor de mobiliteit van
cellen. Speciale onderdelen, de motormoleculen, veroorzaken de bewegingen van ciliën en
flagellen; ze zorgen er ook voor dat spiercellen kunnen samentrekken. De organellen gebruiken
het cytoskelet ook als een soort monorail om zich doorheen de cel te verplaatsen.
Ciliën en flagellen zijn draadvormige structuren aan de buitenzijde van cellen, die instaan voor
de beweging. Ze worden aangetroffen bij vele ééncelligen, maar ook bij zaadcellen van dieren,
algen en sommige planten. De ciliën op de cellen van organen dienen om vloeistof over het
weefsel te laten vloeien. De cellen die de luchtpijp van de mens aflijnen, bijvoorbeeld, verwijderen
zo mucus met afvalpartikeltjes uit de longen. Flagellen en ciliën verschillen onderling in lengte,
aantallen per cel en bewegingspatroon. Flagellen zijn 10 tot 200 m lang, vertonen een
golfvormige beweging, en komen gewoonlijk alleen of in kleine aantallen per cel voor. Ciliën zijn 2
tot 20 m lang, bewegen als roeiriemen, en komen in grote aantallen per cel voor. Beide
structuren zitten vol microtubuli, één type vezels dat onderdeel uitmaken van het cytoskelet.
Een ander type vezels, microfilamenten of actine filamenten, zorgen voor de samentrekking
van spiercellen. Het zijn volle staafjes, opgebouwd uit het eiwit actine. Duizenden van die actine
filamentjes liggen parallel aan elkaar in de lengterichting van de spiercel. Tussen elke laag
actinemoleculen ligt een laag myosine. De contractie van de spiercel ontstaat doordat de actine
en myosinefilamenten over elkaar schuiven.
24
1.8.
Het plasmamembraan
Fig. 27. Voorbeelden van onderdelen van het
cytoskelet. Links : doorsnede door een flagel,
met microtubuli. Rechts : de microfilamenten
die zorgen voor de samentrekking van
spiercellen.
De cel wordt naar buiten toe afgelijnd met een plasmamembraan, dat functioneert als een
actieve, selectieve barrière voor zuurstof, voedingsstoffen en afvalproducten. Ook het
plasmamembraan bestaat uit een bilayer van fosfolipiden, waarin allerlei eiwitten en koolhydraten
ingebed liggen.
Bij plantencellen wordt de cel bovendien nog eens omgeven door een celwand, bestaande uit
cellulose, enkele andere polysacchariden en eiwitten. De wand beschermt de cel, houdt haar in
de juiste vorm, en voorkomt overmatige opname van water.
De cellen van organen staan onderling in verbinding via speciale contactplaatsen (intercellular
junctions). Hierdoor wordt cytoplasma uitgewisseld.
intercellular
junctions
Fig. 28. Schematische weergave van drie typen
intercellular junctions tussen twee
naburige epitheelcellen.
25
centrale
vacuole
cytoskeleton
peroxysoom
mitochondrion
ribosomen
RER
kern
SER
Golgi-apparaat
lysosoom
chloroplast
plasmamembraan
celwand
Fig. 29. Vergelijking van een plantaardige cel (links) met een dierlijke cel (rechts).
2. Cellulaire respiratie
Met behulp van enzymen breken cellen complexe organische moleculen af. Hierbij komt energie
vrij die gedeeltelijk wordt omgezet in warmte, en gedeeltelijk wordt gebruikt om ATP aan te
maken. De aanmaak van ATP kan vergeleken worden met het opspannen van een veer. Het kost
energie, maar die kan later, wanneer het nodig is, zeer snel weer vrij gemaakt worden.
Bij fermentatie gebeurt de afbraak van de organische moleculen zonder tussenkomst van
zuurstof. Het meest voorkomende en meest efficiënte afbraakproces gebeurt echter mét zuurstof
en wordt respiratie genoemd. Respiratie en fermentatie zijn catabole processen.
Zeer vereenvoudigd kan respiratie geschreven worden als :
organische molecule + zuurstof  kooldioxide + water + energie
Wanneer het gaat om de afbraak van glucose wordt dit
C6H1206 + 6 O2  6 C02 + 6 H20 + energie (ATP + warmte)
In werkelijkheid gebeurt de afbraak van glucose in drie grote stappen : de glycolyse, de
Krebscyclus, en de elektronentransportketen.
In de glycolyse wordt glucose (een suiker met 6 koolstofatomen) gesplitst in twee suikers met 3
koolstofatomen (pyruvaat). Hierbij komt, per glucosemolecule, genoeg energie vrij om 2 ADP
moleculen op te laden tot 2 ATP. De glycolyse gebeurt in het cytoplasma, en omvat tien kleinere
stapjes, elk aangezwengeld door een specifiek enzyme.
Het afbraakproduct van de glycolyse wordt opgeslorpt door de mitochondria, waar enzymen de
afbraak gaan voortzetten. Dit gebeurt in een cyclus van acht stappen, genoemd naar haar
ontdekker, de Brits-Duitse onderzoeker Hans Krebs. Elk stapje wordt gecatalyseerd door een
specifiek enzyme. De rechtstreekse opbrengst per glucosemolecule is slechts twee ATP, maar de
cyclus belaadt een co-enzyme (nicotinamide adenine dinucleotide, of NAD+) met elektronen op
en vormt aldus NADH. Dit NADH is het uitgangsproduct voor de laatste grote stap, de
elektronentransportketen.
26
In de elektronentransportketen worden de elektronen van NADH doorgegeven van speciale
eiwitten, die ze op hun beurt doorgeven aan andere eiwitten. Op het einde van de keten worden
de elektronen overgedragen aan H+-ionen en zuurstof om water te vormen. De energie die de
keten vrijmaakt wordt gebruikt om ATP te genereren, in een proces dat men oxidatieve
fosforylatie noemt. De elektronentransportketen levert ca. 34 ATP per glucose-molecule op.
3. Fotosynthese
Het proces van fotosynthese kan zeer vereenvoudigd voorgesteld worden als :
kooldioxide + water + lichtenergie  organische molecule + zuurstof
of, in formulevorm,
6 C02 + 6 H20 + lichtenergie  C6H1206 + 6 O2.
Zoals bij de respiratie is deze formule misleidend eenvoudig. In werkelijkheid is de fotosynthese
een zeer complexe proces, dat meestal ingedeeld wordt in de lichtreacties (het foto-deel van de
fotosynthese) en de Calvin cyclus (het synthese-deel). Beiden vinden plaats in de chloroplasten.
De lichtreacties zetten zonne-energie om naar chemische energie. Hierbij wordt water gesplitst
en zuurstof gevormd. De omzetting van lichtenergie naar chemische energie gebeurt door
tussenkomst van pigmentmoleculen (voornamelijk chlorofyl). Wanneer een chlorofyl-molecule
een foton absorbeert, raakt het ‘geëxciteerd’, d.w.z. dat één van de elektronen van het molecule
in een hogere orbitaal terecht komt. Het elektron wordt vervolgens doorgegeven aan een reeks
acceptormoleculen. Uiteindelijk wordt de energie gebruikt om een molecule NADP+ (nicotinamide
adenine dinucleotide fosfaat) om te zetten in NADPH.
De Calvincyclus lijkt wat op de Krebscyclus van de mitochondria. Met behulp van de energie
opgeslagen in het NADPH wordt er CO2 omgezet in monosacchariden.
Op ecosysteem-niveau kan de fotosynthese gezien worden als complementair aan de respiratie.
De mitochondria van eukaryote organismen gebruiken de organische producten gevormd door de
fotosynthese als brandstof voor de respiratie. Om die te kunnen verbranden, gebruiken ze
zuurstof, die ook al geproduceerd wordt door de fotosynthese. De respiratie oogst de energie uit
organische moleculen en genereert er ATP mee, dat gebruikt wordt om arbeid te leveren. De
afvalproducten van de respiratie (CO2 en H20) dienen dan weer als grondstoffen voor de
fotosynthese. Zo worden de chemische elementen van het leven binnen het ecosysteem
gerecycleerd. Dat is niet het geval voor de energie : die komt het ecosysteem binnen als licht en
verlaat het weer als warmte.
4. De eiwitsynthese : de weg van gen tot eiwit
Hier bespreken we kort hoe de genetische informatie, opgeslagen in het DNA, vertaald wordt
door de cel. Reeds in het begin van deze eeuw suggereerde de Brit Archibald Garrod dat genen
het uiterlijk van organismen zouden bepalen via enzymen. Later onderzoek wees inderdaad uit
dat elk enzyme in de cel geproduceerd wordt op commando van een gen. Dit leidde tot de
formulering van de one gene – one enzyme hypothese. Deze hypothese werd daarna ietwat
aangepast, omdat genen soms eiwitten laten aanmaken die géén enzymen zijn (vb. keratine,
insuline). Men ging daarom spreken van de one gene – one proteine regel. Maar ook dat klopt
niet helemaal : we hebben reeds gezien dat sommige eiwitten uit verschillende
27
polypeptidenketens kan bestaan (vb. hemoglobine). Omdat elke polypeptidenketen in zo’n eiwit
door een eigen gen wordt gedicteerd, is het correcter om van de one gene – one polypeptide
hypothese te gewagen.
Hoe ‘dicteert’ het DNA de aanmaak van een polypeptidenketen ? De informatie-overdracht van
gen naar eiwit lijkt sterk op de vertaling van een stuk tekst. De boodschap ligt in het DNA
opgeslagen in een alfabet van vier nucleotiden (A,C,T,G) en moet omgezet worden in de taal van
de eiwitten, die bestaat uit 20 mogelijke ‘letters’ (de aminozuren). De omzetting vergt twee
stappen : de transcriptie en de translatie.
4.1.
Transcriptie
Onder transcriptie verstaat men de synthese van RNA naar het evenbeeld van een stukje DNA.
Een enzyme (RNA-polymerase) doet het DNA ter hoogte van het bewuste gen uit elkaar wijken.
RNA-nucleotiden zetten zich neer op de vrijgekomen plaatsen. Dit gebeurt complementair : op
vrije guanine-nucleotiden komen enkel cytosine-nucleotiden en vice-versa, op vrije thyminenucleotiden komen adenine-nucleotiden en op adenine-nucleotiden komen uracil-nucleotiden.
Een hypothetische gen ACCAAACCGAGT wordt dus vertaald in een complementair stuk RNA,
met sequentie UGGUUUGGCUCA. Men noemt dit type RNA messenger-RNA, omdat het de
genetische boodschap gaat overbrengen aan de eiwitsynthese-machinerie van de cel.
RNA-polymerase
Fig. 30. Transcriptie van DNA naar m-RNA.
4.2.
Translatie
Onder translatie verstaat men de eigenlijke synthese van een polypeptidenketen, onder directie
van het m-RNA. Hier gaat het om een echte vertaling, want de cel moet de sequentie basenparen
van de m-RNA-molecule omzetten in een aminozuursequentie. Dit gebeurt door de ribosomen.
Hoe kunnen 4 verschillende nucleotiden coderen voor 20 verschillende aminozuren ? Als elke
nucleotide individueel zou coderen voor één aminozuur, zouden slechts 4 aminozuren kunnen
gespecifieerd worden. Combinaties van twee nucleotiden voor één aminozuur volstaan ook niet :
er bestaan immers maar 16 mogelijke combinaties (42) : AA, AC, AG, AU, CA, CC, CG, CU, GA,
GC, GG, GU, UA, UC, UG en UU. Tripletten zijn de kleinste eenheden van gelijke lengte die alle
aminozuren kunnen coderen. Ze kunnen 64 (43) codewoorden vormen. Dit volstaat ruimschoots
voor de 24 bestaande aminozuren. In het begin van de jaren 60 werd de genetische code volledig
gekraakt. Ze bestaat inderdaad uit tripletten nucleotiden, die elk een specifiek aminozuur coderen
(tabel 4).
28
Tabel 4. Woordenboek van de genetische code. De basentripletten met hun overeenkomstige
aminozuren. Merk op dat verschillende tripletten dezelfde aminozuurbetekenis kunnen
hebben (vb. UUU en UUC zijn synoniem); dat AUG kan coderen voor methionine, maar
ook een startsignaal kan betekenen voor de synthese; en dat er drie stop-tripletten zijn,
waar de translatie ophoudt.
UUU
UUC
UUA
UUG
Phe
Phe
Leu
Leu
UCU
UCC
UCA
UCG
Ser
Ser
Ser
Ser
UAU
UAC
UAA
UAG
Tyr
Tyr
stop
stop
UGU
UGC
UGA
UGG
Cys
Cys
stop
Trp
CUU
CUC
CUA
CUG
Leu
Leu
Leu
Leu
CCU
CCC
CCA
CCG
Pro
Pro
Pro
Pro
CAU
CAC
CAA
CAG
His
His
Gln
Gln
CGU
CGC
CGA
CGG
Arg
Arg
Arg
Arg
AUU
AUC
AUA
AUG
Ile
Ile
Ile
Met / start
ACU
ACC
ACA
ACG
Thr
Thr
Thr
Thr
AAU
AAC
AAA
AAG
Asn
Asn
Lys
Lys
AGU
AGC
AGA
AGG
Ser
Ser
Arg
Arg
GUU
GUC
GUA
GUG
Val
Val
Val
Val
GCU
GCC
GCA
GCG
Ala
Ala
Ala
Ala
GAU
GAC
GAA
GAG
Asp
Asp
Glu
Glu
GGU
GGC
GGA
GGG
Gly
Gly
Gly
Gly
Fig. 31. Een t-RNA molecule met een
aminozuur (methionine) bindt via
zijn anticodon UAC op het m-RNA,
dat zich op een ribosoom bevindt.
Om het hierboven aangehaalde voorbeeld te vervolledigen : de m-RNA keten met sequentie
UGGUUUGGCUCA zal vertaald worden in een polypeptidenketentje met volgende aminozuren :
Trp – Phe – Gly – Ser.
De eigenlijke vertaler is een ander type RNA, het transport-RNA (t-RNA). Het t-RNA brengt de
aminozuren uit het cytoplasma naar de ribosomen, waar het m-RNA ligt te wachten. Er zijn
verschillende types t-RNA, elk gespecialiseerd in het transporteren van één type aminozuur.
Welk aminozuur een molecule t-RNA zal vervoeren, hangt af van drie nucleotiden aan het
uiteinde van de molecule. Een aminozuur met UUU aan dit uiteinde, zal bijvoorbeeld enkel het
aminozuur phenylalanine kunnen vervoeren. Deze specificiteit wordt nog eens geadverteerd op
een speciale ‘bult’ die elke t-RNA-molecule vertoont. Die bult vertoont steeds de complementaire
29
code, in het geval van het voorbeeld dus AAA. Men noemt dit complementaire basetriplet het
anticodon.
Terwijl een lint m-RNA door een ribosoom wordt getrokken, brengen t-RNA-moleculen
aminozuren aan, die aaneengeregen worden tot een polypeptiden-keten. Het eerste basentriplet
uit het voorbeeld (UGG) trekt een t-RNA-molecule aan met anticodon ACC. Die heeft achteraan
een basentriplet UGG, en brengt dus Trp aan. Het tweede basentriplet lokt een t-RNA met AAAanticodon, en dus een Phe. Die wordt door de enzymen in het ribosoom vastgehaakt aan het Trp,
en zo gaat de assemblage van het eiwit voort. Uiteindelijk eindigt elk stuk m-RNA met een UAA,
UAG of UGA basentriplet, waarvoor geen t-RNA en een aminozuren bestaan. Daardoor stopt het
aflezen.
Eén ribosoom kan een polypeptide van gemiddelde lengte assembleren in minder dan één
minuut. In de regel zal één lint m-RNA echter door verschillende ribosomen tegelijkertijd
afgelezen worden. Een rijtje ribosomen dat tegelijkertijd m-RNA aan het vertalen is, noemt men
polyribosomen.
Tijdens en na de synthese beginnen de polypeptidenketens zich spontaan te plooien tot de
driedimensionale structuur die vereist is voor een goede werking als enzyme. Kleine
veranderingen aan de aminozuren, koppelingen met suikers, vetten, fosfaatgroepen kunnen nog
nodig zijn. Soms moeten verschillende ketens ook gecombineerd worden om tenslotte een
volledig functioneel eiwit te verkrijgen.
5. De celcyclus
Eén van de meest karakteristieke eigenschappen van levende wezens is dat ze zich
voortplanten. De continuïteit van het leven is gebaseerd op het vermogen van cellen om zich te
delen in genetisch equivalente dochtercellen. Het proces dat zich afspeelt vanaf haar ontstaan uit
een ouderlijke cel tot haar eigen splitsing, noemt men de celcyclus.
Bij ééncellige organismen, zoals Amoeba, komt celdeling neer op de vorming van een gans
nieuw organisme. Bij meercelligen, inclusief de mens, zorgen miljoenen celdelingen ervoor dat
een individu zich kan ontwikkelen uit één enkele cel, de bevruchte eicel. Zelfs bij volledig
volgroeide individuen gaan de celdelingen door, om gedeelten van het organisme te vernieuwen,
te herstellen of te vervangen.
Menselijke rode bloedcellen hebben een gemiddelde levensduur van 120 dagen. Ze
bevatten geen celkern en kunnen daardoor niet delen. Verouderde rode bloedcellen
worden verwijderd en in de milt vernietigd door macrofagen. Om ze te vervangen worden
in het beendermerg constant nieuwe rode bloedcellen aangemaakt, door deling van
stamcellen (de erythroblasten). Een volwassen mens produceert dagelijks zo’n 200
miljoen rode bloedcellen, het equivalent van ca. 100 ml bloed. Een donatie van 500 ml
kan op minder dan een week tijd gecompenseerd worden.
Essentieel bij de celdeling is dat beide dochtercellen de genetische informatie uit de oudercel
moet meekrijgen. Het ganse genoom (het geheel aan erfelijke informatie vervat in het DNA)
moet dus nauwkeurig gerepliceerd worden en zo verdeeld over de cel dat elke dochter een
equivalent deel ontvangt. Dit wordt vereenvoudigd doordat het DNA georganiseerd is in een
aantal chromosomen (strengen DNA en bijhorende eiwitten). In voorbereiding van de eigenlijke
celdeling, en na de duplicatie van het genoom, gaat het chromatine condenseren. Elke DNAstreng plooit zich vele malen, waardoor de chromosomen zo dik worden dat ze zichtbaar zijn door
een lichtmicroscoop.
30
Elk chromosoom bestaat uit twee dochterchromatiden. De twee chromatiden zijn identieke
copies van dezelfde DNA-molecule. Ze zitten aanvankelijk aan elkaar vast, maar zullen tijdens de
celdeling uit elkaar getrokken worden, om uiteindelijk elk in een andere dochtercel te belanden.
De deling van de kern (mitose) wordt meestal onmiddellijk gevolgd door de deling van het
cytoplasma (cytokinese). Mitose en cytokinese geven aanleiding tot de miljarden somatische
cellen waaruit ons lichaam bestaat. Gameten (eicellen en zaadcellen) komen echter tot stand via
een variant van de celdeling, de meiose. Dit proces speelt zich enkel af in gespecialiseerde
organen (de gonaden) en impliceert een halvering van het aantal chromosomen (zie verder).
5.1.
De mitotische celcyclus
Een celcyclus bestaat essentieel uit twee grote fasen : een korte mitotische fase (of M-fase),
tijdens dewelke zowel de mitose als de cytokinese plaatsvinden; en een langere interfase,
tijdens dewelke de cel groeit en haar chromosomen verdubbelt in voorbereiding van de celdeling.
De interfase wordt vaak ingedeeld in een G1-fase (eerste Gap-fase), gevolgd door een S-fase en
tenslotte een G2-fase. In elk van de drie onderdelen van de interfase groeit de cel door de
productie van ewitten en cytoplasmatische organellen, maar enkel in de S-fase worden de
chromosomen verdubbeld.
Het mitotische spoellichaampje speelt een belangrijke rol bij de mitose. Het bestaat uit
microtubuli en bijhorende eiwitten, en wordt waarschijnlijk aangemaakt met materiaal afkomstig
van het cytoskelet. Naarmate de mitose vordert, groeit het spoellichaampje door de incorporatie
van steeds meer eenheden van het eiwit tubuline. De ontwikkeling van het spoellichaampje
begint in het centrosoom.
Bij dierlijke cellen zitten op deze plek in het cytoplasma twee structuurtjes, de centriolen,
maar deze lijken geen onmisbare rol te spelen bij de celdeling. Ze ontbreken bij planten,
en wanneer ze bij dierlijke cellen experimenteel weggenomen worden, kan de celdeling
toch perfect doorgaan.
Nog tijdens de interfase verdubbelt het centrosoom zich. De twee centrosomen zullen tijdens de
eerste fasen van de mitose uit elkaar bewegen en tussen beiden ontstaat het spoellichaampje.
Hoewel de mitose een continu, dynamisch proces is, is het gebruikelijk het onder te verdelen in
vijf perioden : de profase, de prometafase, de metafase, de anafase, en de telofase.
Tijdens de profase condenseert het chromatine zich en worden de afzonderlijke chromosomen
zichtbaar. Ze manifesteren zich als twee identieke zusterchromatiden, die aan elkaar vast zitten.
De nucleoli verdwijnen. In het cytoplasma begint het spoellichaampje zich te vormen.
Tijdens de prometafase verbrokkelt de kernmembraan. De microtubuli van het spoellichaampje
kunnen nu doordringen in de kern en interageren met de chromosomen. Op beide chromatiden
van elk chromosoom ontwikkelt zich t.h.v. het centromeer (een insnoering in het chromosoom)
een structuur van eiwitten (het kinetochoor). Sommige microtubuli van het spoellichaampje
hechten zich hieraan vast. Dit gaat gepaard met schokkerige bewegingen van de chromosomen.
In de metafase bevinden de centrosomen zich aan tegenovergestelde polen van de cel. De
chromosomen situeren zich in een denkbeeldig vlak (de metafaseplaat) halverwege. De
centromeren van alle chromosomen liggen netjes geallinieerd, met elke zusterchromatide aan
een andere kant van de metafaseplaat en via de kinetochoor verbonden aan de
tegenovergestelde polen van de cel.
De anafase start met het uiteenwijken van de gepaarde centromeren van elk chromosoom.
Uiteindelijk komen de zusterchromatiden volledig los van elkaar, en kunnen ze beschouwd
31
worden als volwaardige, onafhankelijke chromosomen. Naarmate de microtubuli verkorten,
bewegen de zusters zich in tegenovergestelde richting. Aan het einde van de anafase bevatten
beide uiteinden van de cel een volledige set equivalente chromosomen.
Tijdens de telofase ontstaan rond beide sets chromosomen kernmembranen. Ze worden
opgebouwd uit stukken van het ouderlijke kernmembraan, aangevuld met andere
cytoplasmatische membranen. De chromosomen verliezen hun geplooide structuur. Op het
moment dat deze laatste fase van de mitose voltooid is, is de cytokinese gewoonlijk reeds een
eind gevorderd.
Bij dierlijke cellen start de cytokinese met het verschijnen van een groef, die eerst zichtbaar wordt
aan de oppervlakte van de cel, ter hoogte van de metafaseplaat. Een ring van actine en myosine
moleculen zorgt ervoor dat de ouderlijke cel volledig ingesnoerd wordt, en uiteindelijk aanleiding
geeft tot twee dochtercellen. Bij plantencellen is er geen sprake van zo’n groef. Tijdens de
telofase bewegen zich hier kleine blaasjes van het Golgi-apparaat naar het midden van de cel,
waar ze samensmelten en een celplaat vormen. De blaasjes brengen materiaal aan voor een
nieuw stuk celwand, dat zich langzaam vormt en uiteindelijk fusioneert met de ouderlijke celwand.
De mitotische celcyclus bij de eukaryoten is waarschijnlijk geëvolueerd uit het relatief
eenvoudige voortplantingsproces van prokaryoten. Bacteriën reproduceren zich door een
eenvoudige binaire celdeling.
5.2.
Regulatie van de celcyclus
De timing en de frequentie van de celdeling in de verschillende delen van meercellige
organismen is van het grootste belang voor een normale groei, ontwikkeling en instandhouding.
De frequentie waarmee cellen delen, is sterk afhankelijk van hun functie.
Menselijke huidcellen, bijvoorbeeld, delen zeer regelmatig, terwijl levercellen slechts
delen als het echt nodig is, zoals wanneer er schade moet hersteld worden. Sommige
zeer gespecialiseerde menselijke cellen, zoals zenuwcellen en spiercellen, delen bij
volwassen mensen helemaal niet meer.
Deze differentiatie in de timing van de celcyclus is het gevolg van een regeling op moleculair
niveau. Het doorgronden van dit regulatiesysteem is van het grootste belang, niet alleen om te
begrijpen hoe normale celdelingen gebeuren, maar ook om in te zien hoe kankercellen de
normale controle omzeilen.
De achtereenvolgende stappen in de celcyclus worden gestuurd door een controlesysteem,
bestaande uit een set cyclisch opererende moleculen. Het geheel wordt dikwijls vergeleken met
het controlesysteem van een wasmachine; het celcyclus-controlesysteem loopt door aan een
eigen tempo, maar is toch afhankelijk van een aantal externe en interne clues.
De stappen van de celcyclus worden getimed door ritmische veranderingen in de
activiteit van een bepaald soort enzymen (de cycline-afhankelijke proteïne-kinasen of
CdK’s), die andere eiwitten kunnen activeren of deactiveren. Deze enzymen ontlenen
hun naam aan het feit dat ze enkel werken wanneer ze gebonden zijn aan cycline, een
eiwit waarvan de concentratie cyclisch varieert. De cel zal bijvoorbeeld pas overgaan van
de G2-fase naar de M-fase wanneer er voldoende MPF actief is. MPF (maturation
promoting factor, of M-phase promoting factor) ontstaat door de binding van cycline op
een CdK. De cycline-concentraties stijgen tijdens de G1, de S en de G2-fase en vallen
drastisch terug tijdens de mitose. De CdK-concentratie verandert nauwelijks. MPF
stimuleert allerlei andere enzymen, onder andere in de kernmembraan (de juiste werking
32
is nog niet helemaal opgehelderd). In een late fase van de mitose breekt het zijn eigen
cycline-gedeelte af. Het CdK wordt gerecycleerd.
Voorbeeld van een interne clue is de koppeling van alle chromosomen aan het spoellichaampje.
Zolang dit niet gebeurd is, zal de anafase (het uiteenwijken van de zusterchromatiden) niet
aangevat worden. Dit voorkomt dat de dochtercellen chromosomen zouden missen of op
overschot hebben.
De kinetochoren zenden, zolang ze niet gebonden zijn aan de microtubuli van het
spoellichaampje, signalen uit waardoor het anafase-promoting complex (APC)
geïnactiveerd wordt. Eenmaal alle kinetochoren vastgehaakt zijn, houdt dit signaal op, en
wordt het licht voor het APC op groen gezet.
Ook vele externe chemische en fysische prikkels beïnvloeden de celdeling. Cellen zullen
bijvoorbeeld niet delen wanneer onvoldoende voedingsstoffen aanwezig zijn. Om de deling van
zoogdiercellen te initiëren zijn specifieke groeifactoren noodzakelijk – dit zijn eiwitten die
uitgescheiden worden door andere cellen.
Voorbeeld van zo’n groeifactor is PDGF (platelet-derived growth factor), een eiwit dat
aangemaakt wordt door bloedplaatjes (een soort bloedcellen). PDGF stimuleert de
deling van fibroblasten, bindweefselcellen die instaan voor de heling van wonden.
De nood aan groeifactoren verklaart wellicht ook het verschijnsel van de densiteits-afhankelijke
inhibitie van celdeling. Cellen in artificiële culturen houden op met delen wanneer één laag cellen
de voedingsbodem bedekt. Blijkbaar wordt de hoeveelheid groeifactoren en voedingsstoffen te
klein wanneer een zekere populatiedensiteit bereikt wordt.
Kankercellen ontsnappen aan het normale controlemechanisme van de celdeling. Ze delen
buitensporig veel en invaderen andere weefsels. In culturen vertonen kankercellen ook geen
densiteits-afhankelijke inhibitie. Mogelijk hebben ze geen groeifactoren nodig, of maken ze ze zelf
aan. Kankercellen lijken ook ‘onsterfelijk’ : terwijl normale zoogdiercellen in celculturen slechts
20-50 maal delen en vervolgens verouderen en sterven, blijven kankercellen delen en leven. Eén
beroemde lijn (de HeLa lijn, naar Henrietta Lacks, de draagster van de tumor waartoe de cellen
oorspronkelijk behoorden) bestaat reeds sinds 1951.
Het abnormale gedrag van de kankercellen kan catastrofaal zijn. De problemen kunnen beginnen
wanneer één cel verandert in een kankercel (transformatie). Normaal herkent het immuunstelsel
de getransformeerde cel als een indringer en vernietigt ze, maar wanneer de cel hieraan
ontsnapt, kan ze zich ontwikkelen tot een tumor, een massa abnormale cellen in een overigens
normaal weefsel. Blijft de tumor op de oorspronkelijke plaats, dan spreekt men van een
goedaardige tumor, en deze kunnen via een chirurgische ingreep verwijderd worden.
Kwaadaardige tumoren invaderen echter andere weefsels, waardoor één of meerdere organen
niet meer normaal kunnen functioneren. Cellen van kwaadaardige tumoren wijken vaak niet
alleen af vanwege hun abnormale proliferatie-gedrag, maar door het bezit van een ongewoon
aantal chromosomen, en een ontregeld metabolisme. Ze functioneren niet meer normaal. Door
afwijkende structuren op hun celwand verliezen ze ook het contact met naburige cellen, waardoor
ze zich kunnen verspreiden. Ze kunnen doordringen in de bloedbanen en het lymfevatenstelsel,
en zo aanleiding geven tot nieuwe tumoren in diverse delen van het lichaam. Deze spreiding van
kankercellen buiten de oorspronkelijke tumor noemt men metastasis. De behandeling met hoogenergetische straling en chemotherapie is erop gericht om actief-delende cellen zoveel mogelijk
schade te berokkenen.
Wetenschappers beginnen nog maar te begrijpen hoe een normale cel transformeert in een
kankercel. De potentiële oorzaken van kanker zijn zeer divers, maar steeds lijkt het
controlesysteem van de celcyclus geraakt te worden. Wellicht blijven zovele vragen over
33
kankercellen nog onbeantwoord omdat onze kennis van de werking van de cel nog zeer beperkt
is.
5.3.
Meiose en de seksuele levenscycli
Eéncelligen en sommige meercelligen kunnen zich vermenigvuldigen via de mitotische celcyclus.
Bij ééncelligen gebeurt dit door eenvoudige splitsing van de ouderlijke cel in twee dochtercellen;
bij sommige meercelligen verlaat een groep cellen het ouderlijke lichaam, en geeft aanleiding tot
een nieuw individu. Deze vorm van voortplanting noemt men aseksueel. Het resultaat van
aseksuele reproductie is een groep genetisch identieke nakomelingen, een kloon.
Vele organismen kennen nog een andere vorm van voortplanting, de seksuele voortplanting.
Deze resulteert in grotere variatie, omdat de nakomelingen een unieke combinatie van de genen
van hun ouders erven. In tegenstelling tot een kloon, verschillen de producten van seksuele
reproductie genetisch onderling én van hun ouders. Dit type voortplanting vereist een andere
celdeling (de meiose), en het samensmelten van twee cellen (de bevruchting).
5.3.1 De seksuele levenscyclus
De meeste organismen bestaan voornamelijk uit diploïde cellen. Wanneer de chromosomen van
zulke cellen zichtbaar gemaakt worden met microscopische technieken, blijkt dat er van elk
chromosoom een paar bestaat. Men spreekt van homologe chromosomen. Homologe
chromosomen hebben eenzelfde lengte, hun centromeer zit op dezelfde positie, en kleuringen
zorgen voor een identiek bandenpatroon. Ze dragen ook telkens dezelfde genen; als bijvoorbeeld
één van beide homologen een gen draagt dat instaat voor oogkleur, bevindt zich op dezelfde
plaats (locus) op het andere homologe chromosoom óók een gen dat instaat voor oogkleur.
Op deze regel vormen de seks-chromosomen een uitzondering. In tegenstelling tot alle andere
chromosomen (de autosomen), lijken de homologen van het seks-chromosoom niet altijd perfect
op elkaar. Bij de mens, bijvoorbeeld, hebben enkel vrouwen een homoloog stel sekschromosomen (het sekschromosoom wordt aangeduid met de letter X, en vrouwen hebben dus
een XX-genoom). Bij mannen wordt één van beide X-homologen vervangen door een korter
chromosoom, het Y-chromosoom (mannen worden dus aangeduid met XY). Dat chromosomen
in paren voorkomen, is een rechtstreeks gevolg van de seksuele voortplanting. Eén lid van een
homoloog chromosomenpaar is steeds afkomstig van de moeder, het andere van de vader.
Zaadcellen en eicellen (gameten of voortplantingscellen) hebben maar één set chromosomen.
Ze zijn haploïd. Een menselijke zaadcel bevat bijvoorbeeld slechts 22 autosomen en een Ychromosoom; een eicel 22 autosomen en één X-chromosoom. Bij de bevruchting (fertilisatie,
syngamie) worden de maternale en paternale chromosomensets verenigd en ontstaat de eerste
diploïde cel (de zygote), waaruit het nieuwe individu door opeenvolgende mitotische delingen zal
ontwikkelen. De enige cellen die niet door mitose ontstaan zijn de gameten. Die ontstaan door
een aparte vorm van celdeling, die bij de mens enkel plaatsvindt in de testes en de ovaria.
5.3.2 De meiose
De meiose lijkt sterk op de mitose, maar bij de meiose wordt de replicatie gevolgd door twee
opeenvolgende celdelingen, meiose I en meiose II genaamd. Dit resulteert in vier dochtercellen,
elk met half zoveel chromosomen als de ouderlijke cel.
34
Zoals de mitotische celdeling, wordt ook de meiose voorafgegaan door een interfase, waarin elk
van de chromosomen zich verdubbelt. Zo ontstaan voor elk chromosoom twee identieke
zusterchromatiden, die aan elkaar vastgehecht blijven t.h.v. het centromeer.
De meiotische profase I duurt langer en is complexer dan de mitotische. De chromosomen
worden compacter. Homologe chromosomen, elk bestaande uit twee zusterchromatiden,
ontmoeten elkaar en zijn onder de microscoop zichtbaar als tetraden. Op dit moment wisselen de
chromatiden van homologe paren chromosomen segmenten DNA uit, in een proces dat crossing
over genoemd wordt. Ondertussen ontwikkelt zich de spoelfiguur en naar het einde van de
profase I zit elk chromosoom vast met haar kinetochoor aan de microtubuli. De chromosomen
bewegen vervolgens naar het centrum van de cel.
In de metafase I liggen de chromosomen, nog steeds in homologe paren, in de metafaseplaat.
Microtubuli verbinden één lid van een homoloog paar met de ene pool van de cel, en het andere
lid met de andere pool.
Tijdens de anafase I worden de homologe chromosomen uit elkaar getrokken. De
zusterchromatiden blijven echter aan elkaar vastzitten.
In de telofase I zit aan elke pool van de cel een haploïde set chromosomen, elk nog bestaande
uit twee zusterchromatiden. De cytokinese is dan meestal al volop bezig.
De hieropvolgende deling (meiose II) wordt niet voorafgegaan door een verdubbeling van het
DNA. In profase II wordt opnieuw een spoellichaampje gevormd, en de chromosomen bewegen
richting metafaseplaat. Tijdens metafase II liggen de chromosomen t.h.v. de metafaseplaat, met
de zusterchromatiden naar tegengestelde polen gericht. In de anafase II scheiden de
zusterchromatiden eindelijk en bewegen naar de respectievelijke polen van de cel. De telofase II
omhelst de vorming van nieuwe kernmembranen, en gebeurt simultaan met de cytokinese.
5.3.3 Oorsprong van genetische variatie
Bij dieren die zich seksueel voortplanten, is het gedrag van de chromosomen tijdens de meiose
en de bevruchting verantwoordelijk voor de variatie in kenmerken die elke generatie ontstaat.
Drie mechanismen dragen bij tot deze genetische variatie.

Onafhankelijke segregatie van chromosomen
De oriëntatie van de homologe chromosomen tijdens metafase I is onderling onafhankelijk. De
eerste meiotische deling resulteert dus in een willekeurig assortiment van paternale en maternale
chromosomen in de dochtercellen.
Voor een organisme met 2 homologe paren chromosomen (2n=4, n=2) bestaan er dus 4
mogelijke combinaties van chromosomen in de gameten. Bij n=3 zijn er 8 combinaties
mogelijk. In het algemeen leidt onafhankelijke segregatie tot 2n mogelijke gameten,
waarbij n het aantal chromosomen is in een haploïde cel. Voor de mens betekent dit dat
maternale en paternale chromosomen op 223 (ongeveer 8 miljoen) manieren kunnen
gecombineerd worden in de zaad- en eicellen.

Crossing-over
We kunnen echter nog moeilijk spreken van ‘paternale’ en ‘maternale’ chromosomen, omdat
tijdens de profase I de homologe chromosomen in sterke mate genen gaan uitwisselen. Dit
gebeurt zeer nauwkeurig, zodat enkel equivalente stukken DNA worden uitgewisseld. Het gevolg
35
is dat zelfs één chromosoom in een gameet erfelijke informatie van de vader én de moeder
meedraagt.

Willekeurige bevruchting
Tenslotte is ook de bevruchting in grote mate een random proces. Een menselijke eicel, zelf één
van meer dan 8 miljoen mogelijke combinaties van chromosomen, gaat samen met zaadcel, die
één van 8 miljoen andere mogelijke combinaties vertegenwoordigt. Zelfs wanneer we het proces
van crossing-over buiten beschouwing laten, kunnen twee ouders meer dan 64 miljard (8 miljoen
x 8 miljoen) verschillende diploïde combinaties aanmaken.
36