hoofdstuk 4: weefseldifferentiatie en differentiële
advertisement
Nupie ‘t Olifantje HOOFDSTUK 4: WEEFSELDIFFERENTIATIE EN DIFFERENTIËLE GENEXPRESSIE 4.1 Differentiatie Zygote: omnipotent differentiatie: mogelijkheden beperkt: multipotent cellen 1 bepaalde functie: unipotent Totale potentialiteit wordt onveranderlijk bewaard Een zygote bevat alle informatie om een nieuw complex organisme van dezelfde soort te genereren. De genetische informatie in elke lichaamscel van hetzelfde individu is onderling gelijk. Wat maakt het verschil tss de zygote als moedercel en de door mitose van deze moedercel afstammende cellen? Lichaamscellen differentiëren in verschillende richtingen en gaan verschillende functies uitoefenen in het volwassen organisme. De hypothese van Weismann stelt dat een gering aantal cellen niet deelneemt aan het differentiatieproces. Deze cellen vertegenwoordigen het germen die de oerkiemcellen leveren waaruit later de gameten gevormd worden. Alle overige cellen worden als soma aangeduid. Hoe gebeurt de differentiatie? Chromosoom diminutietheorie Tijdens de klievingsdelingen gaat genetische informatie verloren zodat bepaalde functies niet meer uitgevoerd kunnen worden. Dit is een foute hypothese, want bij mitotische delingen wordt de genetische informatie onveranderlijk doorgegeven. Secundair verloren gaan van genetische informatie? Nee Dolly: De gedifferentieerde cellen bevatten nog alle genetische informatie. Men kan experimenteel de kern van een zygote verwijderen en vervangen dr de kern van een somatische cel zonder de normale ontwikkeling en differentiatie te verstoren. Determinatieve klievingstheorie Elke blastomeer is al gedetermineerd om een bepaalde cel te worden. De klievingsdelingen verlopen asymmetrisch. 2 dochtercellen krijgen elk een deel van het ectoplasma en van het plasmalemma cel wordt in bepaalde richting geduwd ~ ‘epigenetische informatie’ Experimenteel * 1 dochterblastomeer kapot prikken geen intact embryo mozaïekeieren bij Protostomia Deze bevestigen de theorie. * Bij Deuterostomia regulatie-eieren Twee eerste blastomeren komen los 1-eiïge tweeling Regulerend vermogen neemt af bij verdere ontwikkeling theorie klopt! Chemische inductie Determinatie (het meegeven van epigenetische informatie vr een latere bestemming aan de blastomeren) is niet voldoende als verklaring vr differentiatie. De onderlinge plaats van verschillende cellen is van essentieel belang vr de latere bestemming. Hieruit ontstaat idee van chemische inductie. ° neurale buis dorsaal vd chorda door chemische inductie door vrijstelling van chemische inductoren. 1 Nupie ‘t Olifantje experimenteel Stukje chorda van een embryo op een andere plaats inplanten daar ontstaat de neurale buis. Chemische inductoren aantonen: stoffen uit chorda halen inspuiten daar zal chorda ontstaan. Als cellen hun eindbestemming gekregen hebben, gaan ze een specifieke functie uitoefenen via een combinatie van een hogere graad van coördinatie (neuraal-hormonaal) en specifieke genregulatie. In de verschillende cellen wordt continu of sequentieel een set van genen geactiveerd of geïnactiveerd. Een cel krijgt een bepaalde functie door DIFFERENTIËLE GENEXPRESSIE!!! 4.2 Informatieflow van DNA over RNA naar eiwit Hoe worden functionele eiwitten gevormd vertrekkend van genetisch gecodeerde informatie in een cel? UNIVERSEEL mechanisme DNA mRNA eiwitten DNA-replicatie transcriptie mRNA translatie eiwitten DNA polymeer van nucleotiden (stikstofbasen): G (Guanine), A (Adenine): purines C (Cytosine), T(Thymine): pyrimidines Bevat de genen die coderen vr eiwitten Andere organische celcomponenten zoals lipiden of koolhydraten worden niet rechtstreeks in het genoom gecodeerd. Hun metabolisme berust op de beschikbaarheid van bepaalde enzymen. De eiwitten in een cel bepalen de karakteristieken en functionele mogelijkheden van die cel. 4.3 DNA, de cellulaire database Watson & Crick (1953) Dubbele helix structuur 2 antiparallelle complementaire strengen 5’ 3’ 3’ 5’ 2 Nupie ‘t Olifantje DNA groeit langs 3’ uiteinde (van 5’ naar 3’) Complementaire basepaarvorming: G C A =T 5’ 3’ 3’ Semi-conservatieve replicatie: elk DNA molecule bevat een oude en een nieuwe streng Tijdens de replicatie gaan beide DNA strengen lokaal uit elkaar en aligneren zich nieuwe strengen, nieuwe complementaire nucleotiden langs elke streng. DNA polymerase vormt een fosfodiësterbinding om de nieuwe strengen aan elkaar te binden. DNA polymerase kan niet zelf een streng beginnen, het heeft een primer (oligonucleotide, klein stukje complementair DNA) nodig. 5’ 3’ lagging strand 3’ 5’ leading strand Replicatievork (tekening zie notities) DNA helicase opent de keten. Replicatievork schuift op, op 1 streng (lagging strand) nieuwe primer nodig okozakiframentjes. DNA ligase hecht de fragmentjes aan elkaar. Genen zijn specifieke DNA fragmenten waarvan de basensequentie informatie bevat vr een bepaalde AZ-sequentie of eiwit. 30 000 genen in het menselijk genoom. Bij eukaryote worden de genen onderbroken met DNA sequenties die wel nr RNA overgeschreven worden maar via splicingenzymen verwijderd worden vr het mRNA de kern verlaat. De niet coderende sequenties zijn introns, de coderende zijn exons, deze worden dus ook teruggevonden in matuur mRNA. Exons worden geflankeerd dr regulatorische DNA sequenties (cis sequenties) noodzakelijk vr een correcte initiatie en terminatie vd transcriptie = transcriptionele eenheid = een gen. 3 Nupie ‘t Olifantje 5’ TATA exon 1 exon 2 exon 3 5’ 3’ TATA intron 3’ mRNA 5’ (antisense: wordt gekopieerd) RNA hft = sequentie als sense streng intron start 3’ (sense) stop 4.4 Drie types genen, drie RNA types, drie functies tijdens translatie RNA is enkelstrengig. Het bestaat uit een opeenvolging van 4 stikstofbasen. Thymine is vervangen dr Uracil. Tijdens transcriptie wordt slecht tegenover 1 DNA streng een complementaire streng gevormd. Transcriptie vd drie types RNA gebeurt via de tussenkomst van een specifiek RNA polymerase RNA polymerase I vr transcriptie van rRNA RNA polymerase II vr transcriptie van mRNA (eiwitten) RNA polymerase III vr transcriptie van tRNA 4.4.1 Boodschapper RNA of mRNA (RNA polymerase II) mRNA brengt de genetische informatie aanwezig in het DNA over naar de ribosomen in het cytoplasma. RNA polymerase II zorgt vr de synthese van mRNA. Het begint het DNA af te schrijven bij de genpromotor. Hier bindt het polymerase aan de DNA streng. De genpromotor is de TATA-box. Hij bevat ook silencers en enhancers (cis elementen). Zowel exons als introns worden omgezet in RNA. Via splicingenzymen worden de introns weggeknipt vr het mRNA de kern verlaat = posttranscriptionele processing. exon 1 exon 2 exon 3 5’ 3’ AAAAA//AAA 5’UTR (leader) transl start (AUG) 3’ UTR (trailer) transl stop (UAG) Splicen gebeurt bij een bepaalde sequentie 5’ CAP: gemethyleerd guanosine residu hft beschermende functie tg exonucleasen 3’: Poly A Staart: repetitieve adenosine nucleotiden hft ook beschermende functie tg exonucleasen De genetische code wordt gevormd dr een opeenvolging van stikstofbasen. Elk molecule bevat 4 basen. Er zijn 20 verschillende aminozuren in een eiwit. Een codon zal dus uit een opeenvolging van 3 nucleotiden moeten bestaan (4 n en n moet 3 zijn) Verschillende codons coderen vr 1 AZ de genetische code is gedegenereerd. Een mRNA molecule bestaat uit een opeenvolging van tripletten. Om de juiste tripletopvolging, het juiste leesraam af te lezen, moet het startpunt vd translatie herkenbaar zijn: AUG! (Meth) Translatiestop wordt gecodeerd via 3 mogelijke stopcodons. 4 Nupie ‘t Olifantje Nirenberg is de persoon die de genetische code ontcijferd heeft. 5’ AAAAAA 3’ Lys Lys 5’ GGGGGG 3’ Gly Gly 5’ UUUUUU 3’ Phe Phe 5’ CCCCCC 3’ Pro Pro 5’ CAGCAGCAG Glu (CAG), Ser (AGC), Ala (GCA) 4.2.2 Ribosomaal RNA (RNA polymerase I) RNA polymerase I zorgt vr de transcriptie van rRNA. Samen met de ribosomale eiwitten vormen zijn de functionele translatie-eenheid. Een ribosoom bestaat uit 2 subeenheden waartussen een mRNA molecule past. De 5’ UTR speelt een rol bij het juist binden van het mRNA aan de kleine ribosoomeenheid. 4.4.3 Transfer RNA (RNA polymerase III) tRNA’s hebben een specifieke tertiaire structuur dr intramoleculaire baseparing. Het bindt enerzijds aan een triplet van het mRNA via het anticodon en anderzijds aan het bij het triplet horende AZ. Een tRNA met zijn AZ is een amino-acyl-tRNA. 4.5 Translatie: een kwestie van initiatie, elongatie, terminatie en energiebeschikbaarheid Initiatie De mRNA streng bindt aan de kleine ribosoomeenheid. Pas wanneer eerste Methionine tRNA tegenover het initiatiecodon ligt en initiatiefactoren gebonden zijn in het initiatiecomplex komen beide subeenheden bij elkaar. Het eerste tRNA zit nu op de P-plaats van de grote subeenheid. Elongatie Op de A plaats komt nu het tRNA dat overeenkomt met het tweede codon te liggen. Peptidyltransferase zorgt vr de loskoppeling van het eerste Methionine van zijn tRNA en binding ervan aan het AZ van het tweede tRNA dat zich nog steeds op de A-plaats bevindt. Elongatie gebeurt o.i.v. elongatiefactoren. Energie wordt gehaald uit de hydrolyse van GTP tot GDP. Het ribosoom wordt 1 triplet opgeschoven zodat het tRNA vd A-plaats op de P-plaats ligt. Zo is de A-plaats vrij vr het derde tRNA. Dit herhaalt zich vr de rest vd synthese. tRNA’s die hun AZ afgegeven hebben worden gerecycleerd en opnieuw opgeladen met hun AZ. Terminatie De translatie stopt wanneer het stopcodon van de mRNA streng tegenover de A-plaats komt te liggen. Een terminatiefactor zorgt vr de hydrolyse van het polypeptide vh laatste tRNA en het uit elkaar gaan vd ribosoomsubeenheden. Dit is ook een energievereisend proces. P A P: Peptidylplaats A: Aminoacylplaats Soms werken gelijktijdig meerdere ribosomen (snoer van ribosomen) op eenzelfde mRNA streng = polysoom. 5 Nupie ‘t Olifantje 4.6 Translatie van eiwitten bestemd voor secretie, een taak voor het RER Zie ook tekeningenboek!!! Bepaalde cellen brengen genen tot expressie die coderen vr eiwitten bestemd vr transport nr het oppervlak vd cel of secretie buiten de cel. - Synthese van een kort stukje meestal hydrofoob N-terminaal peptide: signaalpeptide. - Translatie stopt. - Het signaalpeptide wordt herkend dr een signaal herkennend partikel dat het ribosoom van dit signaalpeptide geleidt nr het ER via binding aan een daar aanwezige receptor. - Translatie wordt verdergezet. - De polypeptide keten glijdt doorheen het transmembranaire ribophorine-eiwit nr het lumen van het RER en het signaal peptidase verwijdert de signaalsequentie. - De keten is voltooid en wordt verplaatst nr het Golgi apparaat terwijl processingenzymen de karakteristieken van vh eiwit wijzigen dr aanhechting van suikerketens, vetzuurketens, fosforylering, enz. (= post-translationele modificatie) - Het eiwit wordt gecondenseerd en verpakt in vesikeltjes die nr de membraan gaan. Zij worden ingebouwd in het plasmalemma als membraaneiwit of vrijgesteld via exocytose. 4.7 Universaliteit van de genetische code en de principes van de eiwitsynthese openden de weg naar de recombinant DNA technologie Prokaryoten en eukaryoten hebben een identieke code vr het stockeren van hun genetische informatie: DNA RNA eiwit. Ook de eiwitsynthese is gelijkend zodat een mRNA van één organisme ook tot expressie gebracht kan worden in een ander organisme. Bij prokaryoten zijn er wel geen introns aanwezig en is er dus ook geen splicing. Genetische manipulatie werd mogelijk dankzij de ontdekking van restrictie-enzymen vr het openknippen van dubbelstrengig DNA op specifieke herkenningsplaatsen, het tot beschikking komen van ligases vr het inlassen van vreemde DNA fragmenten in een opengeknipt DNA molecule, de identificatie van makkelijk manipuleerbare, autonoom replicerende plasmiden. Plasmiden: klein circulair, dubbelstrengig DNA dat in vele bacteriën naast het bacterieel chromosoom of genotofoor wordt aangetroffen. Via de recombinant DNA technologie kan men genen van één organisme overplanten naar een ander organisme waardoor dit laatste organisme een nieuw kenmerk krijgt. Dit toont zich in een wijziging van de gesynthetiseerde eiwitten. Belangrijkste en eerste toepassingen: massasynthese van humane eiwithormonen zoals insuline en groeifactoren in bacteria Tegenwoordig worden er ook transgene planten met ingebouwde insectenresistentie (eiwit komt tot expressie in plant zelf ipv vr te komen in insecticide) of herbicidenresistentie en muizen en insecten vr genidentificatie, transgene vissen die beter groeien, transgene runderen of geiten die medisch actieve eiwitten secreteren in hun melk gemaakt. Alle gekloneerde genen kunnen in gelijk welk organisme tot expressie gebracht worden. Bij plantencellen kan men een bepaalde bacterie die in de plant binnendringt als vector gebruiken. 6 Nupie ‘t Olifantje Bij transgene dieren gaat men de zygote injecteren met DNA en hopen dat het zich integreert in het genoom of de stamcellen injecteren en hopen dat het DNA ook zit in de cellen die later de voortplantingsorganen vormen. Men kan wel weefselspecifieke expressie realiseren. Vb.: transgene geiten: bepaald eiwit alleen tot expressie laten komen in melkproducerende cellen. Men kan nu ook direct genetische defecten corrigeren via toepassing van somatische genmutaties. Vb.: mucoviscidose (bepaald enzyme ontbreekt) Om ethische redenen en gezien de onmogelijkheid van het juist voorspellen van de gevolgen van genetische manipulatie mogen er geen overerfbare wijzigingen aangebracht worden in het menselijk genoom. Als er een genetisch defect is en men weet dat het hersteld kan worden zodat men gezonde kinderen krijgt: a priori defect herstellen: wie kan iemand dat ontzeggen? Restrictie-enzymen (endonucleasen) 5’ 3’ GAATTC CTTAAG 3’ 5’ 5’ 3’ G AATTC CTTAA G 3’ 5’ AATTC 5’ 5’ 3’ GAATT CTTAA AATTC TTAAG 3’ CTTAA deze worden ingevoegd 3’ 5’ Dubbele DNA keten verknippen in de keten. Er wordt asymmetrisch geknipt ‘sticky ends’ Ligases gaan de bruggen herstellen zodat er terug een continue keten is. De bedoeling is een vreemd stukje DNA in de bacterie te brengen. Een bacterie heeft naast het genotofoor ook plasmiden. Het genotofoor is te groot om geknipt te worden. Door zijn grootte heeft het meerdere herkenningsplaatsen vaar de restrictie-enzymen en zal het kapot geknipt worden. Bij de kleinere plasmiden kan men de juiste sequentie bepalen en bepaalde motieven herkennen zodat er maar 1 keer geknipt wordt. Men heeft plasmiden verbeterd. - Gen Einschub = Multiple Cloning Site (MCS): hier wordt er geknipt - Galactosidase-gen: galactosidase +X-gal blauw - Resistentie-gen tg bepaald antibioticum - ORI: Origin of Replication: plasmiden worden gerepliceerd, ingebouwd stukje DNA kan doorgegeven worden aan de dochtercellen. 7 Nupie ‘t Olifantje Sommige plasmiden nemen het stukje vreemd DNA op. Anderen worden gewoon door ligase enzyme gesloten (leeg plasmide). Transformatie: bacterie neemt vreemd DNA op. Bedoeling: DNA binnen krijgen in bacterie. Men maakt gaatjes in de bacteriewand door de bacterie in een elektrisch veld te brengen. Transformatie Bacteriën met recombinant plasmide Bacteriën met leeg plasmide Bacteriën die geen plasmide opgenomen hebben op Agarvoedingsbodem Bacterie begint zich te delen en er ontstaat een kolonie van allemaal identieke bacteriën. Agar (kweekmedium) + antibioticum (Ampicilline) Je hebt bacteriën met een leeg plasmide en je hebt er met een recombinant plasmide/ In leeg plasmide: P(romotor) Open leesraam galactosidase In recombinant plasmide: INSERT Onderbroken leesraam: galactosidase gen is niet functioneel. Bacteriën die een recombinant plasmide opgenomen hebben kleuren dus niet blauw. X-gal kleurt de lege plasmiden blauw 8 Nupie ‘t Olifantje Recombinant plasmide gebruiken voor library’s. Stukje DNA wordt verknipt en ingeplant. Groot chromosomaal DNA, te groot om mee te werken wordt gefragmenteerd (rood moet deel van plasmide zijn) Vorming van een bibliotheek met kleine stukjes DNA Diabetes Injecties met insuline: humane insuline laten produceren dr bacteriën Gebruik van mRNA (van insuline), want dat heeft enkel exons. We vinden mRNA van insuline in de pancreas. Probleem: enkelstrengig Oplossing: RETROVIRUSSEN! 5’ AAAAAA 3’ TTTTTT DNA Reverse transcriptase AAAAAA TTTTTT cDNA (copy DNA, complementair DNA) RNA cDNA restrictie-enzyme juiste sticky ends inbrengen in plasmide Promotor nodig: bacteriële promotor (aanwezig in plasmide) Productie insuline Hoe met eukaryoten: hebben geen plasmide Eukaryote celtransformatie 1) Transiënt Via recombinant infecteren met virus Productie is maar tijdelijk, cel gaat kapot springen, sterven aan virale infectie. 2) Stabiel Integreren in chromosomaal DNA = genomische integratie Je kan niet zomaar gaan knippen, eerder dr toeval dat vreemd stukje DNA wordt ingeplant, alleen wanneer het DNA geopend is. 4.8 Differentiatiefinaliteiten en weefseltypes bij vertebraten Bij meercelligen zijn cellen gedifferentieerd in typen, aangepast aan verschillende functies. Een verzameling gelijksoortige cellen met gemeenschappelijke functie is een weefsel. Weefsels hebben een cellulaire component en een matrix waar de cellen in baden. 9 Nupie ‘t Olifantje 4.8.1 Epitheelweefsel is opgebouwd uit hecht verbonden cellen met weinig intercellulair materiaal en bijna geen intercellulaire ruimten. De huid is een één- of meerlagig epitheel dat buitenoppervlak van lichaam uitmaakt (Malpighiaans epitheel). Verschillende holten, kanalen en de bloed- en lymfevaten zijn dr 1 of meer lagen epitheelwfs begrensd. De meeste epithelen zijn gescheiden vh eronder liggend wfs dr een basale membraan waarin collageenvezels aanwezig zijn. Voornaamste functie: twee lichaamscompartimenten scheiden en reguleren welke stoffen en in welke hoeveelheid er van het ene nr het andere compartiment gaan. (meestal voedingsstoffen, ionen) Epithelen kunnen van ectodermale (epidermis), endodermale (mucosa) en mesodermale (endotheel) oorsprong zijn. Die van ectodermale oorsprong hebben meestal een beschermende functie. Bij zoogdieren scheiden zij keratine af (in nagels, klauwen, haar, hoeven). Bij Arthropoda wordt chitine afgescheiden. Epitheelcellen van endodermale oorsprong zijn zachte cellen. Functies: smerend, secreterend, absorptie, transport. De slijmachtige substantie die afgescheiden wordt, is mucus. Epithelen van mesodermale oorprong spelen een rol in het naar binnen brengen van stoffen aan de ene kant en het naar buiten brengen aan de andere kant. Sommige ecto-en endodermale epitheelcellen zijn omgebouwd tot kliercellen, verzameld in klieren. Het plasmamembraan van een epitheelcel is niet uniform qua permeabiliteit: er is een groot verschil tss het basale (tg basale membraan) en het apicale deel. apicaal basaal Classificatie van epitheelcellen naar hun vorm - Afgeplat epitheel: dunne tegelvormige cellen. Begrenst lichaamsholten en bedekt veel inwendige organen. De mesenteriumvliezen bestaan uit afgeplat epitheel. - Kubiekcellig epitheel: o.a. in de nierkronkelbuisjes. - Cilindervormig epitheel: begrenst o.a. de binnenzijde van het darmkanaal. Elk type kan in verschillende vormen voorkomen en zo een gestratifiëerd of meerlagig epitheel vormen. Elk type kan ook cilia aan het vrije oppervlak dragen (vb. trachea en oviduct). Bij trilhaarepitheel is de matrix enorm gereduceerd. Soms zijn er diepe invaginaties van het plasmalemma: microvilli (enorme oppervlaktevergroting aan de apicale zijde van darmcellen). Intracellulair worden deze ondersteund door actinekolommen van het cytoskelet. Aan de buitenzijde zijn ze verstevigd met een glycocalyx. 10 Nupie ‘t Olifantje 4.8.2 Steunweefsel dient om de verschillende lichaamsdelen te ondersteunen en samen te houden. Men onderscheidt bind-, kraakbeen-, been- en vetweefsel bij Vertebraten. Bindweefsel Verbindt de huid met de eronder gelegen spieren, hecht de spieren aan de beenderen, bedekt bloedvaten, enz. Basisceltype: fibroblast: kan verschillende typen vezels vormen Dikkere witte collageenvezels Dunne elastische vezels (geel) Samen met de weefselvloeistof vormen de vezels de matrix. Los bindwfs: is heel het lichaam dr verspreid tss en rond de andere weefsels, verbindt de huid met de onderliggende spieren. Hecht bindwfs: vormt pezen, lederhuid en bedekkende vliezen van beenderen. Heeft de trekkracht van staaldraad. Collageen is meest voorkomende eiwit in het dierenrijk. Sommige vormen van reuma hebben te maken met het verslijten van collageen in de gewrichten. Collageenachtige vezels komen al bij Sponsen en Holtedieren voor. Collageen is opgebouwd uit 3 polypeptideketens en is zeer vroeg in de evolutie ontstaan en weinig veranderd. Het elastisch bindwfs moet in het hart het drukverschil opvangen. Spier: pees: Kraakbeenweefsel Bestaat uit chondrocyten die verspreid liggen in een uniforme matrix die bestaat uit chondrine (glycoproteïnen). De cellen liggen in koppeltjes (isogene groepen). Het is een taaie, ietwat elastische stof. Komt voor in tussenwervelschijven, aan de uiteinden van beenderen, in de neus, oren en luchtpijp. Skelet van embryo’s bestaat uit kraakbeen dat later verbeent. Hyalien kraakbeen is doorzichtig en hft evenveel matrix als cellulaire component. Elastisch kraakbeen (vooral elastische vezels): in oor en neus. Fibreus kraakbeen: scharnierpunt tss beenderen, tussenwervelschijven. Ontsteking van kraakbeenwfs geneest moeilijk. lacune chondrocyt Beenweefsel Typisch skeletwfs van gewervelde dieren. Osteocyten (osteoblasten en osteoclasten) liggen in de beenmatrix die bestaat uit bindwfs (veel collageen), verstrekt dr Ca-zouten: osseïne. De cellen liggen in concentrische cirkels rond kanaaltjes waardoor de bloedvaten en zenuwen lopen: kanaaltjes van Havers. De beencellen hebben uitlopers nr alle richtingen. Beenwfs is continu in opbouw en in afbraak. 11 Nupie ‘t Olifantje Stockage van Ca++ (spiercontractie) en Fosfaat (ATP, nucleïnezuren). Het is sterk doorbloed. Rond de bloedvaten zijn er lamellen. (tekening zie notities). Je hebt lange beenderen en platte beenderen. (tekening zie notities) Je kan een epifyse en een diafyse onderscheiden. Het beendermerg is het hematopoietisch orgaan: hier worden de bloedcellen gevormd. Epiphyseirschijven: hier blijft kraakbeen zitten: cte omzetting kraakbeen-been lengtegroei Dieptegroei vanuit het periostium. Platte beenderen worden gevormd vanuit het dermaal bindwfs, mesodermale oorsprong. Ze hebben geen beendermerg. Het heupbeen en het borstbeen zijn afgeplatte lange beenderen want zij hebben beendermerg. Vetweefsel Wordt aanzien als een gewijzigde vorm van bindwfs. De cellen die gevangen zitten tss de bindweefselvezels zijn sterk vergroot dr het opstapelen van vetdruppeltjes binnenin de cellen waardoor de kernen opzij worden gedrukt. Functie: reserveweefsel en warmte-isolatie. Bij zoogdieren onderscheidt men geel en bruin vet. CRANIAAL SKELET 7 Cervicale wervels AXIAAL SKELET 12 Thoracale wervels 7 Lumbale wervels Visceraal skelet (= kaakskelet) 4 Sacrale wervels Caudale wervels (aantal veranderlijk v soort tot soort) ribben borstbeen Axiaal skelet Wervel Axiaal steunelement: chorda dorsalis Door het somieten mesoderm (sclerotoom) is er een verbinding gevormd rond de chorda, nl. het wervellichaam. Boven de chorda: neurale buis (ectoderm), links en rechts een versteviging rond de neurale buis: neurale bogen. Neurale doorn Neurale bogen Neurale buis Chorda dwarsuitsteeksels Ribben Aorta 12 Nupie ‘t Olifantje Eerste wervel: Atlas Staart: uitsteeksels nr onder rond de aorta Zenuw Tussenwervelschijven geleidingsuitsteeksel Craniaal skelet neus- trabekels oog- parachordalia Waar 2 naden samenkomen op de schedel: sutuur Holte in schedel: foramen oorkapsels chorda Visceraal skelet Kaken: hervorming van de eerste kieuwboog 4.8.3 Spierweefsel: alhoewel veel cellen kunnen bewegen en contraheren, zijn spiercellen heel speciaal voor beweging uitgerust Spiercellen hebben in hun cytoplasma lange dunne draden, myofibrillen, die contractiele structuren zijn. Glad spierwfs: niet onder invloed vd wil Gecommandeerd dr vegetatief of autonoom zenuwstelsel Hartspierwfs: niet onder invloed vd wil Skeletspier: wel onder invloed vd wil Laatste twee: dwarsgestreept spierwfs Glad spierweefsel Spoelvormige cellen met eivormige kern. Komen voor in bloedvaten en kanalen, rond verschillende inwendige organen, soms in 1, gewoonlijk in 2 lagen waarvan de lengteas vd cellen vd ene laag loodrecht staat op die vd andere peristaltische bewegingen. Verschillende cellen vormen een functioneel syncitium: contractie wordt doorgegeven aan naburige cellen. celjuncties 13 Nupie ‘t Olifantje Hartspierweefsel Bevat dwarsgestreepte myofibrillen. Het ziet eruit alsof de cellen maar 1 kern hebben gelegen in het centrum van de cel. Waar twee hartspiervezels contact maken zijn hun membranen zo hard tg elkaar gedrukt en op een complexe manier vertakt en zijn er zoveel desmosomen en andere vezelachtige vertakkingen dat zij lang niet als juncties herkend werden. De verbindingsplaatsen zijn als schijfjes zichtbaar: geïntercaleerde schijfjes. Hartspiercellen contraheren automatisch en ritmisch. In tegenstelling tot skeletspieren zijn hartspiervezels niet van elkaar geïsoleerd. Wanneer enkele vezels contraheren, worden daardoor ook de andere vezels geëxciteerd en contraheert het hele hart: elektrisch continuüm (contractiegolf RA – LA – ventrikels) (tekening zie notities) Skeletspier Gestreept spierwfs. Een spierbundel is een verzameling van spiervezels. Een spiervezel bestaat uit myofibrillen. Men spreekt niet over een spiercel omdat de eenheden van een skeletspier syncitiale cellen zijn (meerkernig). Elke vezel is omgeven door een dun membraan, het sarcolemma. De tijdens embryonale ontwikkeling goed te onderscheiden cellen met 1 kern zijn de myoblasten. Deze versmelten en vormen een syncitium. Het cytoplasma van een spiervezel wordt het sarcoplasma genoemd. De donkere A-banden of anisotrope banden zijn opgebouwd uit myosine. De I-banden of isotrope banden bevatten actine en troponine en tropomyosine. De twee laatste zijn regulatoreiwitten die een rol spelen bij spiercontractie. In het midden van de I-banden bevindt zich de Z-lijn; hier zijn invaginaties van het plasmalemma. De afstand tss 2 Z-lijnen is de functionele eenheid van een spier: sarcomeer. De invaginaties, samen aangeduid als het Tsysteem zijn belangrijk voor de zenuwimpuls informatieoverdracht naar het sarcoplasmatisch reticulum van waaruit dan massaal Ca++ vrijgesteld wordt. Ca++ is nodig vr spiercontractie. Tijdens spiercontractie verkleint de afstand tss 2 Z-lijnen. De donkere myosine banden blijven even breed GLIJDEND FILAMENT THEORIE: de actine filamenten worden tussen de myosine filamenten getrokken. Ook ATP is nodig bij spiercontractie. A I A I A sarcomeer (tekeningen zie notities) Z-lijn D-lijn (misschien) In het tekeningen boek staat er een lichter stukje in de donkere band, maar dat stukje hoort bij de donkere band! Spiercontractie (tekeningen: zie notities) De donkere band bevat vezelachtige myosine eiwitten, de lichte band bevat actine. De I-banden worden smaller, afstand tss 2 Z-lijnen verkleint, sarcomeer wordt korter. 14 Nupie ‘t Olifantje Het zou kunnen dat enkel de I-banden samentrekken. Contractie gebeurt echter niet zo. In realiteit glijden de actine filamenten tss de myosine filamenten (glijdend filament theorie). De myosine eiwitten liggen staart aan staart (A-banden). In de I-banden zijn er G-actine monomeren. Die vormen een dimeer, een dubbele helix: F-actine. Troponine tropomyosine +Ca++ & ATP Membraan waaraan myosine moleculen gebonden zijn actine moleculen ATP zorgt vr beweging. Ca++ is nodig vr de binding, speelt cruciale rol in spiercontractie. Ca++ zit in het sarcoplasmatisch reticulum. ZONDER CA++ MET CA++ en ATP Troponine en tropomyosine zitten in de weg. Er kan geen binding plaatsvinden De bindingsplaats op actine is vrij door de conformatieverandering. 1 1 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 ATP ADP + Pi: binding tss myosine en actine losmaken zodat het op een verdere plaats kan aanhechten. 15 Nupie ‘t Olifantje Wegvallen ATP lijkstijfheid, spier kan niet meer bewegen. Een zenuwimpuls wordt via de motorische eindplaat doorgegeven aan het sarcolemma. Via het Tsysteem wordt de impuls doorgegeven aan de membranen van het sarcoplasmatisch reticulum. Dit bevat Ca++. De spanningsafhankelijke Ca++-kanalen gaan open. CA++ wordt vrijgesteld en de spier contraheert. Waar haalt de spier energie? O2 en glucose nodig voor cellulaire ademhaling (ATP-productie) Door uitputting, onvoldoende O2 (of glucose) vallen stappen 2-3-4-5 stil (O2 was finale electronenacceptor). Alleen de glycolyse gebeurt nog met laag rendement. Dit heeft een opeenhoping van pyruvaat tot gevolg. Pyruvaat wordt omgezet naar melkzuur. Er wordt opnieuw NAD vrijgesteld (voordeel). Er wordt een O2 schuld opgebouwd. Nadeel: verzuring van de spier kramp. 4.8.4 In het zenuwweefsel zijn er sensorische, motorische en interneuronen en ook 2 typen isolerende cellen, de Schwanncellen en de gliacellen. Functionele eenheid: neuron. ontvangers cellichaam dendrieten axon kern perikaryon (rond de kern) Lange cel (tot 1m bij de mens): vereist zeer geperfectioneerde stofwisseling. In het cytoplasma van het perikaryon vindt men vrij grote RNA-agglomeraten, de lichaampjes van Nissl. Bij invertebraten is het axon naakt. Bij vertebraten is het axon omgeven door een myelineschede bestaande uit Schwanncellen waarvan de membranen stijf opgerolde lagen vormen, met insnoeringen van Ranvier. De myelineschede verhindert dat zenuwimpulsen van 1 neuron naar een 16 Nupie ‘t Olifantje ander overgaat. Dit is alleen zo in het perifeer deel. In het centrale zenuwstelsel gebeurt dit door gliacellen. De insnoeringen van Ranvier spelen een essentiële rol bij het geleiden van een impuls. Een impuls is een bepaalde toestandsverandering van het neuron, die in het lichaam de betekenis heeft van een boodschap. Bij vertebraten liggen de cellichamen van de neuronen altijd gegroepeerd in of buiten het centrale zenuwstelsel. Een opeenhoping van cellichamen buiten het centrale zenuwstelsel noemt men een ganlion. De hersenen kunnen als versmolten ganglia beschouwd worden. Een zenuw is een bundel van naast elkaar liggende axonen omgeven door bindweefsel. Een spier is door een zenuw geïnnerveerd wanneer de vezels van de zenuw zo met de spier in verbinding staan dat een impuls door die zenuw de spier doet contraheren. Klieren kunnen ook door zenuwimpulsen geactiveerd of geïnactiveerd worden. Ook de huid is geïnnerveerd. Hier brengen neuronen vooral informatie van de huid naar het centrale zenuwstelsel. Multiple Sclerose treedt op wanneer de myelineschede desintegreert en door bindweefsel vervangen wordt. De neuronen zijn zodanig gebouwd dat zij impulsen kunnen geleiden Reflexboog: sensorisch of afferent neuron: naar het centraal zenuwstelsel Interneuron: in het centraal zenuwstelsel Motorisch of efferent neuron: cellichaam in het centraal zenuwstelsel axon naar een effector (vb. een spier) De kleinste neuronale connectie (reflexboog) heeft minstens 3 typen neuronen nodig. a) Sensorisch neuron Heeft een vezel die minstens in 2 splitst kort nadat hij het cellichaam verlaat. Eén tak gaat naar de receptor (zintuig), de andere naar het ruggemerg of de hersenen. Het cellichaam ligt in een spinaal ganglion. Het heeft geen dendrieten. Impulsen worden van de receptor nr het centraal zenuwstelsel geleid. b) Interneuron Kort, glad axon Dendrieten: stekelig uitzicht Liggen volledig in het centraal zenuwstelsel Geen myelineschede c) Motorisch neuron Lang axon Cellichaam in de hersenen of het ruggemerg Naar een effector Neuronen met veel uitlopers worden ook multipolaire zenuwcellen genoemd. Het axon is de verbindingsdraad tss de receptoren en het centraal zenuwstelsel. Impulsoverdracht gebeurt dmv een synaps. Synaps: connectie tss 2 neuronen (zeer nauw contact) Het presynaptisch element is het impulsaanvoerend deel, het postsynaptisch element het impulsontvangend deel. Ertussen bevindt zich de synaptische kloof. 17 Nupie ‘t Olifantje Elektrotonische synaps De membranen van 2 neuronen zijn aan elkaar gebonden via tight junctions elektrisch continuüm. Nadeel: kan niet tegengehouden worden. Chemische synaps Chemische boodschappermoleculen (neurotransmitters) bepalen of de impuls doorgegeven wordt of niet. Bij hogere dieren worden impulsen in 1 richting doorgegeven: van presynaptisch nr postsynaptisch element. Een zenuwimpuls is een UNIVERSELE boodschap! Via geëigende zenuwbanen wordt een verschillende reactie bekomen. Neurotransmitters in vesikels worden vrijgesteld in de synaptische kloof. Op membraan van het postsynaptisch element zijn er receptoren. Neurotransmitters kunnen stimulerend (Acetylcholine) of inhiberend (GABA) werken. Nadat de boodschap doorgegeven is, wordt de neurotransmitter verwijderd uit de synaptische kloof door enzymen (vb. Ach sterase). Een groot deel wordt endocytotisch opgenomen in het presynaptisch element: recuperatie. Mechanisme is identiek bij vertebraten en invertebraten, vanaf het bestaan van een zenuwstelsel (bij Coelenterata). Ach sterase-inhibitor verlamming (insectenbestrijding) Curare: gif uit planten, is antagonist van Ach, bindt aan de recpetor, dus Ach kan geen effect meer hebben, kan niet meer binden. Kniepeesreflex 18 Nupie ‘t Olifantje 4.8.5 Het vasculair weefsel: bloed en lymfe kunnen beschouwd worden als een vorm van bindweefsel met een vloeibare matrix Functies: - Transportmiddel voor O2, CO2, voedingsstoffen, afvalstoffen, enzymen, hormonen, ionen en andere moleculen van en naar de lichaamscellen. Immuniteit, drager van antistoffen Regulatie van de lichaamstemperatuur, pH van de lichaamsvochten, de waterbalans en het constant houden van het vocht rond de lichaamscellen: homeostase. Stolling a) Plasma en serum: samenstelling Bloed: plasma en gefigureerde elementen (RBC, WBC, BLP) Plasma (55%) verhouding aantal RBC t.o.v. het plasma = hematocriet Buffycoat: WBC + BLP RBC (45%) 90% H2O Kationen: Na+, Ca++, minder K+, Mg++ Anionen: Cl-, HCO3-, minder H2PO4-, HPO4-, SO4- Totale ionenconcentratie: 0,9 % waarvan > 2/3 Na+ en Cl7% plasmaproteïnen: albumines (transport bij alle vertebraten), globulines (immunoglobulines), fibrinogeen en prothrombine (stolling) Hormonen: ACE (Angiotensine converterend enzyme), renine, insuline Voedingsstoffen: glucose, AZn, inerte N2 Afvalproducten (ureum) wordt via het bloed vervoerd naar de nieren Albumines: plasmaproteïnen gesynthetiseerd dr de lever, dragen vr een groot deel bij tot het osmotisch evenwicht. Globulines: plasmaproteïnen die voor immuniteit zorgen. Antistoffen gemaakt door gespecialiseerde WBC of plasmacellen zijn van het globulinetype: immunoglobulines. In het bloed verbinden de antilichamen zich met de antigenen en vormen een onoplosbaar complex dat inactief is en in de lever wordt afgebroken. Als de plasmacellen antistoffen gemaakt hebben, houden zijn de mogelijkheid bij een nieuwe infectie zeer snel nieuwe antilichamen te maken en deze informatie door te geven aan hun afstammelingen. Zo wordt men immuun tegen een bepaalde ziekte. !Probleem bij bloedtransfusie en orgaantransplantaties! Fibrinogeen en prothrombine zorgen voor de bloedstolling. Na stolling en retractie van de bloedklonter wordt een gele vloeistof uitgeperst: serum = plasma zonder fibrinogeen (is nu fibrine). ACE: Angiotensinogeen Angiotensine I Angiotensine II: bloeddrukregulatie b) Gefigureerde elementen De stamcellen voor de gefigureerde elementen zitten in het beendermerg. 19 Nupie ‘t Olifantje Erythrocyten of RBC (tekening: zie notities) Ze hebben geen kern bij zoogdieren: plaats voor Hb. Afgeplatte vorm: O2 en CO2 kunnen dieper gelegen Hb beter bereiken. Ze worden gevormd in het beendermerg van de afgeplatte lange beenderen en de uiteinden van de lange beenderen. Aanvankelijk hebben ze wel een kern maar deze degenereert bij het functioneel worden. Aantal RBC: 4-4,5 miljoen/mm³. Mannen hebben er meer dan vrouwen. RBC maken 2/3 uit van onze lichaamscellen. Aantal tellen met microscopisch raster: Burker telkamer. (tekening zie notities en zie labo) Levensduur: 120 dagen. Bevat Hb: 4 polypeptideketens (tetrameer: 2, 2 ketens) die elk een haemgroep dragen die Fe bevat. O2- moleculen kunnen een losse binding vormen met het Fe-ion. Sommige AZn kunnen CO2 binden RBC hebben centrale functie in de ademhaling van weefsels en cellen. Indien Hb in het plasma opgelost zou zijn zou het bloed veel viskeuzer zijn en zou het hart harder moeten pompen Hb moet in RBC zitten. RBC worden opgeruimd in de lever en de milt met als bijproduct bilirubine. De milt doet ook dienst als tijdelijke opslagplaats vr RBC. Anemie: te weinig aanmaak RBC of Hb = probleem voor gastransport. Sikkelcelanemie: 1 gewijzigd AZ in Hb (puntmutatie). Bij lage O2-spanning: sikkelvormige RBC. Het gaat gepaard met verhoogde weerstand tegen malaria en is daarom niet weggeselecteerd (bij de zwarte bevolking). Leukocyten of WBC Aantal: 7000/mm³. De meeste zitten in de lymfevaten, anderen in het los bindwfs en sommige ook in andere weefsels. Sommige WBC vernietigen bacteriën door hen op te nemen via fagocytose of door stoffen af te scheiden die de celwand vd bacteriën kapot maken. Ze hebben wel een kern en zijn groter dan RBC. Dmv amoeboïde bewegingen persen ze zich de capillairen naar de weefsels. Bij ontsteking treden er vasodilatatie en een verhoogde permeabiliteit rond de wonde op ten gevolge van de afscheiding van histamine. Te veel afscheiding van histamine en daardoor massieve vasodilatatie liggen aan de basis van ernstige allergische reacties. Tegen deze reacties worden dan antihistaminica ingezet. Leukemie: de weefsels die de leukocyten vormen groeien zo sterk uit dat en onderdrukken de weefsels die de RBC vormen. Soorten leukocyten: (tekeningen: zie notities) GRANULOCYTEN Gelobde kern Korrelvormige insluitsels Worden gemaakt in het beendermerg Microfagen neutrofiele Immuniteit door vrijstelling van proteasen die de wand van bacteriën afbreken acidofiele Ontstekingsreactie: vasodilatatie dr histamine basofiele (Ingedeeld op basis van kleuring) 20 Nupie ‘t Olifantje AGRANULAIRE LEUKOCYTEN Geen korrels in hun cytoplasma Worden gemaakt in het beendermerg en gestockeerd in lymfoïde weefsels (milt, thymus, lymfeknopen). Monocyten differentiëren tot macrofagen die opruimen door fagocytose. Lymfocyten hebben een grote kern. Ze geven ontstaan aan cellen die reageren op binnendringende vreemde macromoleculen of organismen door er specifieke antilichamen tegen te maken die helpen bij de destructie. B-lymfocyten Humorale immuniteit Tegen indringers die in circulatie aanwezig zijn T-lymfocyten Cellulaire immuniteit Tegen virussen Lichaamsvreemde of genetisch gewijzigde cellen opruimen Bloedplaatjes Thrombocyten: spelen een rol bij de bloedstolling. Bij zoogdieren worden kleine stukjes cytoplasma van de voorlopercel, de megakaryocyt afgesplitst en afgegeven aan de bloedstroom. Dit zijn de bloedplaatjes (tekening: zie notities). Aantal: 1 miljoen/mm³. Bloedstolling: Bij beschadiging van de bloedvatwand wordt een weefselcomponentenzyme, thromboplastine, vrijgesteld. Dit zorgt voor de omzetting van prothrombine naar thrombine. Thrombine zorgt op zijn beurt voor de omzetting van fibrinogeen in fibrinedraden. De fibrinedraden vormen een netwerk waarin bloedplaatjes gevangen worden. Er ontstaat een bloedklonter. Dan is er retractie van de bloedklonter en wordt er een gele vloeistof uitgeperst: serum (plasma zonder fibrinogeen). Trombose wordt voorkomen doordat de componenten vd bloedstolling als precursor voorkomen. Er is een regulatiemechanisme dat fibrine kan afbreken en de bloedklonter kan oplossen. Weefselplasminogeenactivator (tPA) zorgt dat plasminogeen omgezet wordt in actief plasmine. Plasmine breekt fibrine af en lost de klonter op. Hematopoïese Beendermerg reticulocyt WBC megakaryocyt RBC bloedplaatjes c) Bloedgroepen Het lichaam heeft normaalgezien geen antilichamen tegen stoffen die nog niet in het lichaam zijn binnengedrongen. Dat geldt NIET voor de bloedgroepagglutinogenen. Op de RBC zijn er suikermoleculen (glycoproteïnen): agglutinogenen (A, B, AB, O). Dit is genetisch bepaald en er zijn meerder ketens op 1 RBC. In het plasma zijn er agglutinines gericht tegen de agglutinogenen van andere RBC. * A hft tegen B * B hft tegen A * AB hft er geen * O heeft en 21 Nupie ‘t Olifantje Als bloed gemengd wordt risico op agglutinatie: uitzakken vd RBC, kunnen niet meer getransporteerd worden, is niet hetzelfde als klontering. (tekening: zie notities) acceptor donor A B AB O A + + B + + AB + + + + O , + O: universele donor AB: universele acceptor Bij de donor alleen naar de agglutinogenen kijken. Een klein percentage van het totale bloedvolume wordt toegevoegd, weinig agglutinines. De ontvanger herkent RBC, heeft veel agglutinines agglutinatie Rhesusfactor Ontdekt bij de Rhesusaap. Kenmerk gedragen door de RBC. Fungeert als excretieproduct (transport ammonium). Genetisch bepaald: Rh+, RhRh- heeft geen agglutinine-achtig eiwit, bindt niet aan de Rhesusfactor. Rh- mag aan Rh+ geven. Rh+ mag niet aan Rh- geven na de eerste transfusie. Bij het eerste contact worden er antilichamen gemaakt tegen de Rhesusfactor (immunologisch probleem). De Rhesusfactor is lichaamsvreemd voor Rh-. Het maken van de antilichamen duurt een tijd. Tegen dan is de Rhesusfactor al weg, want die zit in de RBC en leeft 4 maanden. Maar door het celgeheugen worden er bij een tweede contact snel antilichamen gemaakt (na 1 à 2 dagen). Als een Rhesuspositieve man en een Rhesusnegatieve vrouw een kind krijgen, is dit kind Rhesusnegatief of positief. De bloedcirculatie van de baby en de mama is gescheiden. Er is enkel diffusie via de placenta. Bij de geboorte kan de placenta scheuren. Dan is er wel contact tussen de bloedcirculatie van de baby en de moeder. De moeder reageert tegen de Rhesusfactor, maar dit gebeurt pas na 2 à 3 weken, dan pas zijn er antilichamen gevormd. De baby is dan al geboren. Bij de tweede zwangerschap is er wel een probleem. De barrière (placenta) houdt geen antilichamen tegen. De antilichamen komen bij de baby. De RBC van de baby agglutineren. Tijdens de zwangerschap is dit geen probleem. De baby is wel een beetje blauw bij de geboorte en krijgt meteen een transfusie. Truc om probleem te voorkomen: test toxoplasmose en bloedgroep en Rhesusfactor bepalen. Belangrijk is te weten of de moeder al een transfusie gehad heeft want dan is er wel al een probleem bij de eerste zwangerschap. Na de bevalling wordt de moeder geïnjecteerd met antilichamen tegen de Rhesusfactor. De Rhesusfactor is al opgeruimd voor het immuunsysteem van de moeder de kans krijgt de Rhesusfactor te herkennen. De antilichamen verdwijnen spontaan. ~ passieve immuniteit. 4.9 Reproductie via specifieke voortplantingscellen of gameten 22 Nupie ‘t Olifantje Zaadcel + MEIOSE Eicel zygote Meercelligheid en differentiatie gaan bij dieren gepaard met het quasi volledig verdwijnen van de mogelijkheid tot ongeslachtelijke voortplanting. Vermenigvuldiging gebeurt via geslachtelijke voortplanting waarbij gameten, mannelijke en vrouwelijke voortplantingscellen, geproduceerd worden. Gameten verschillen van alle somatische cellen (lichaamscellen) doordat ze bij hun aanmaak een meiose ondergaan. Hierbij verliezen ze de helft van hun chromosomen en worden ze dus haploïd. Lichaamscellen vermeerderen via mitose en zijn diploïd. Tijdens de bevruchting versmelten een ovum en een spermatozoön tot een zygote die opnieuw diploïd is. In de loop van de ontwikkeling passeert elk meercellig individu een eencellig stadium. 4.9.1 Vorming van de voortplantingscellen of gameten De gameten ontstaan uit de oerkiemcellen (het germen), die zich bevinden in de gonaden. Dit zijn cellen die niet deelnemen aan het proces van differentiatie (Weismann hypothese). De oerkiemcellen ontstaan los van de gonaden. Bij de mens ontstaan ze in de wand van de dooierzak in de 3de week. De gonaden ontstaan pas in de 4 de week. De oerkiemcellen migreren naar de gonaden in de 6de week. De oerkiemcellen ondergaan een reductiedeling en geven aanleiding tot haploïde gameten. Voorafgaand aan deze deling neemt het aantal kiemcellen nog sterk toe door mitotische delingen. Voor de deling gebeurt de replicatie waarbij de hoeveelheid DNA verdubbeld wordt. 4.9.2 De meiotische delingen De meiose bestaat uit 2 delingsprocessen: een reductiedeling en een equatiedeling. Eerste meiotische deling PROFASE I * Leptoteen Het chromatine wordt korter door spiralisatie en wordt zichtbaar als dunnen enkelvoudige draadjes waarvan 1 uiteinde contact maakt met de kernmembraan: bouquet-configuratie. * Zygoteen De homologe chromosomen gaan naast elkaar liggen en vormen koppeltjes: bivalenten. Homologe chromosomen zijn chromosomen die informatie dragen voor eenzelfde genetisch kenmerk. Vb. op ene homoloog genlocus voor haarkleur, op andere ook (maar niet noodzakelijk voor dezelfde kleur). 1 homoloog komt van de moeder, het andere van de vader. Er gebeurt paring tussen de homologe chromosomen door vorming van een ladderpatroon van eiwitten waarmee homologe chromosomen worden samengehouden ter vorming van een synaptonemaal complex. Beide homologen zijn hierbij nauw met elkaar verstrengeld op een manier dat overeenkomstige chromosoomstukken onderling correct gealigneerd zijn en crossing-over kan optreden in het volgende stadium. * Pachyteen 23 Nupie ‘t Olifantje De chromosomen worden korter en dikker. Elk homoloog splitst in 2 dochterchromatiden: tetraden stadium. Crossing-over: overeenkomstige fragmenten van chromatiden worden uitgewisseld tussen 2 niet zusterchromatiden. (tekening: zie notities) * Diploteen Het complex lost op. De gepaarde homologe chromosomen gaan uit elkaar met uitzondering van de punten van uitwisseling waar ze tijdelijk met elkaar verbonden blijven en een chiasmata (plaats waar crossing-over gebeurd is) vormen. * Diakinese De chromosomen gaan verder uit elkaar. De chiasmata schuiven op naar het einde van de chromosomen. De centriolen zijn verdubbeld en migreren naar de polen. De spoelfiguur wordt gevormd, de kernmembaan verdwijnt. METAFASE I De bivalenten liggen in het evenaarsvlak. Van elke bivalent is 1 chromatidenpaar (dus 1 homoloog) naar één va beiden polen gericht. De oriëntatie is willekeurig. ANAFASE I Elk bivalent wordt opgesplitst. 2 zusterchromatiden (= dyade) gaan naar 1 van beide polen. Aan elke pool bevindt zich nu een haploïd aantal chromosomen. De reductie is gebeurd. TELOFASE I De chromosomen despiraliseren. Er wordt een kernmembraan gevormd aan beide polen en de cel deelt in twee dochtercellen die de helft van het oorspronkelijk aantal chromosomen bevatten en dus haploïd zijn. De hoeveelheid DNA is nog steeds 2C. Nu volgt er onmiddellijk een tweede meiotische deling zonder dat er een interfase optreedt. Er gebeurt geen DNA verdubbeling. Tweede meiotische deling PROFASE II De chromosomen spiraliseren opnieuw. Overlangssplitsing in dochterchromatiden wordt zichtbaar. De kernmembraan en nucleolus verdwijnen. De centriolen vormen de spoelfiguur. METAFASE II De chromosomen liggen in het evenaarsvlak. De chromatiden zijn enkel nog verbonden ter hoogte van de centromeer. Met hun kinetochoor zitten de chromatiden vast op de chromosoomdraden van de spoelfiguur. ANAFASE II Van elk chromosoom migreert 1 dochterchromatide naar een van beide polen met de centromeer op kop. TELOFASE II De spoelfiguur verdwijnt. De chromosomen despiraliseren. Nucleolus en kernmembraan verschijnen. Ter hoogte van het evenaarsvlak is er een insnoering met het ontstaan van twee dochtercellen. Na de 2de deling zijn er 4 dochtercellen ontstaan die genetisch verschillend zijn: 24 Nupie ‘t Olifantje willekeurige oriëntatie, uitsplitsing van de homologe chromosomen. Crossing-over 4.9.3 Oögenese versus spermatogenese Spermatogenese en spermiogenese De productie van zaadcellen gebeurt in de testes. Bij zoogdieren zijn de testes meestal uitgedaald uit de abdominale holte en situeren ze zich in het scrotum. Bij het niet uitdalen van de testes, cryptorchidie, stelt men infertiliteit vast. Dit wijst op de noodzaak van een iets lagere temperatuur dan de lichaamstemperatuur voor een normale maturatie van spermatozoa. Elke testis bestaat uit testislobben waarin zaadbuisjes of tubuli seminiferi kronkelend verlopen. Alle zaadbuisjes vloeien samen tot een vas deferens dat kronkelend bovenop de testis de bijbal of epidydimis vormt. Hier worden de zaadcellen gestockeerd tot de ejaculatie. Het was deferens treedt de abdominale holte binnen en maakt een bocht rond de blaas. Vesicula seminalis of zaadblaasjes en de prostaatklier als accessorische geslachtsklieren vormen het eigenlijke semen of zaadvocht en storten hun inhoud uit in het vas deferens voor dit versmelt met de afvoergang van de urineblaas om samen de urethra te vormen die uitmondt via de penis of copulatieorgaan. Tussen de testisbuisjes bevinden zich de cellen van Leydig die het mannelijk geslachtshormoon testosteron vrijstellen. Binnen de tubuli seminiferi ontstaan uit de oerkiemcellen mitotisch primaire spermatocyten. Tussen de spermatocyten en de spermatogonia, tegen de wand van de testisbuisjes liggen de cellen van Sertoli. Ze hebben een endocriene functie (productie van een hormoon dat de spermatogenese afremt) en vervullen een voedings- en ondersteuningsrol voor de spermatogene cellen. Via een eerste meiotische deling ontstaan twee secundaire spermatocyten en tijdens de tweede meiotische deling ontstaan hieruit 4 spermatiden (2 uit elk). Tijdens het proces van spermiogenese, dat soortspecifiek is, ondergaat elk spermatide een morfologische vormverandering tot spermatozoön. Het spermatozoön is voorzien van een flagella (undulipodia, van uit centriolen: MTOC) om zich voort te bewegen. Er zijn mitochondriën die zorgen voor de energie om te bewegen. Naast de haploïde pronucleus bevat de spermatozoön een acrosoomgebied (anterior) dat een enzym bevat voor het plaatselijk oplossen van de wand van de eicel. Op doorsnede bevinden de spermatogonia zich aan de periferie terwijl de rijpe spermatozoa zich in het centrum bevinden. Er worden dus uiteindelijk 4 spermatozoa gevormd uitgaande van 1 primaire spermatocyt. Ze bevatten elk eenzelfde haploïd aantal chromosomen. Genetische variabiliteit is te wijten aan de meiose waarbij de homologen willekeurig georiënteerd zijn en willekeurig uit elkaar gaan en crossing-over waarbij overeenkomstige sequenties, allelomorfen, worden uitgewisseld. DUS: Kiemcellen in gonaden delen mitotisch (2n) spermatogonieën (2n) primaire spermatocyten (2n) – meiose I secundaire spermatocyt (n) – meiose II spermatide – spermiogenese spermatozoa Oögenese In de ovaria ontstaan uit de kiemcellen via mitose de oögonia die groeien tot primaire oöcyten. Een eerste meiotische deling geeft aanleiding tot 2 secundaire oöcyten. De cytokinese volgend op de eerste meiotische deling is asymmetrisch: 1 dochtercel krijgt het overgrote deel van het oorspronkelijke cytoplasma. Dit is de secundaire oöcyt. De andere krijgt geen cytoplasma en is veel kleiner. Dit is het poollichaampje. Tijdens de tweede meiotische deling gebeurt hetzelfde waardoor 1 volwaardig ovum gevormd wordt en 2 of 3 poollichaampjes. 25 Nupie ‘t Olifantje Bij de meeste dieren met uitzondering van de placentalia, zal tijdens het proces van vitellogenese dooiermateriaal opgestapeld worden zodat een rijp eitje ontstaat dat naast de haploïde pronucleus voldoende reservemateriaal bevat om na de bevruchting de volledige embryologische ontwikkeling mogelijk te maken zonder de noodzaak tot opname van voedingsstoffen. Het aantal oögonia in de ovaria is het grootst tijdens de embryonale periode (enkele miljoenen). Op het ogenblik van de geboorte zijn dit er nog enkele honderdduizenden en bij het begin van de puberteit enkele tienduizenden. Het aantal daalt door atrofie (verschrompelen). Bij zoogdieren ontwikkelde oöcyten komen voor in combinatie met follikelcellen ter vorming van een eifollikel. Deze bevinden zich in de periferie of cortex van de ovaria. In het centrum situeert zich de ovariële medulla waar bloedvaten en zenuwbanen in een bindweefselig stroma geconcentreerd voorkomen. In primaire follikels vindt men primaire oöcyten omgeven door enkellagig follikelcelepitheel. Ze bevinden zich van voor de geboorte al in de profase van de eerste meiotische deling. Wanneer de primaire follikel zich verder gaat ontwikkelen tijdens een menstruele cyclus wordt deze eerste meiotische deling afgewerkt. Het eerste poollichaampje is al uitgestoten voor de ovulatie. De follikel wordt omgevormd tot een secundaire follikel omgeven door meerdere lagen follikelcellen waartussen met vocht gevulde holten ontstaan. Een tertiaire follikel ontstaat wanneer deze holten 1 grote follikelholte holte vormen: antrum folliculi. In deze holte zweeft de eicel omgeven door de corona radiata cellen op een eiheuvel of cumulus oöphorus. De tertiaire of Graafse follikel ondergaat de ovulatie. De eicel wordt met de corona radiata cellen uitgestoten en opgevangen in het oviduct. Hier gebeurt de tweede meiotische deling en verdwijnen de corona radiata cellen. Bevruchting kan plaatsgrijpen (tot 24u na de ovulatie). De in het ovarium achtergebleven follikelcellen worden hormonaal (door progesterone) geherprogrammeerd tot geel lichaam of corpus luteum. Dezelfde opmerkingen over de genetische variabiliteit als bij de spermatogenese zijn van toepassing. Het tijdstip waarop de verschillende stappen gebeuren, verschilt naargelang de soort. In de regel gebeurt de eerste meiotische deling voor de ovulatie of hert vrijkomen van de eitjes uit het ovarium en de tweede meiotische deling dikwijls juist voorafgaand aan de versmelting van ovum en spermatozoön, soms erna, maar steeds voor de eigenlijke bevruchting. ° Uit mesomerisch mesoderm niet tijdelijk actief actief actief Pro- Meso- Meta- Nefros urether testes blaas ovaria Kanaal van Wolf Wordt vas deferens bij de man Verdwijnt bij de vrouw gonaden Kanaal van Muller Wordt oviduct bij de vrouw Verdwijnt bij de man 4.9.4 Bevruchting en zygotevorming Bevruchting: het versmelten van een spermatozoön en een eicel. 26 Nupie ‘t Olifantje We onderscheiden twee fenomenen: - het binnendringen van het spermatozoön of het versmelten van beide membranen en het overpompen van de mannelijke pronucleus: activatie van de eicel - het versmelten van beide pronuclei met de vorming van een diploïde zygote: bevruchting of amphimixis Om polyspermie, het binnendringen van meerdere zaadcellen in dezelfde eicel te voorkomen, wordt onmiddellijk na de bevruchting het vitellinemembraan omgevormd tot een ondoordringbaar fertilisatiemembraan. Om tot bevruchting te komen moeten mannelijke en vrouwelijke gameten bij elkaar gebracht worden. Daar de eerste organismen waarschijnlijk in waterig milieu leefden en de voortplantingscellen niet onmiddellijk aan uitdroging bloot stonden wanneer ze buiten het ouderdier kwamen, gebeurt de bevruchting oorspronkelijk uitwendig. Inwendige bevruchting waarbij het sperma in het vrouwtje wordt gebracht via copulatie, is een noodzakelijke voorwaarde om op het land te leven. Hiervoor bestaan dikwijls speciale copulatieorganen, niet te verwarren met voortplantingsorganen. Bij sommige Arthropoda geeft het mannetje het zaad af in een zaaddoosje of spermatofoor dat door het vrouwtje opgenomen wordt. Hier is inwendige bevruchting zonder strikte copulatie. Bij de meeste vertegenwoordigers uit het dierenrijk worden ter verzekering van het nageslacht ten overvloede voortplantingscellen geproduceerd. Hoe complexer de levenscyclus, des te meer gameten er nodig zijn om het nageslacht te verzekeren. Bij parasieten heeft het adulte individu voortplanting als voornaamste levensfunctie. Alhoewel in de regel kruisbevruchting optreedt in het dierenrijk zijn vele dieren waarbij de partners elkaar zelden ontmoeten tweeslachtig of hermafrodiet. Noodzaak tot productie van een overmaat gameten ondervangen door koppeling van inwendige bevruchting aan inwendige ontwikkeling binnen het beschermd inwendig milieu van het ouderdier, meestal de moeder. 1) Ovipare soorten: naargelang het eitje omgeven is door een vlies of een schaal heeft men uitwendige of inwendige bevruchting. De ontwikkeling gebeurt volledig buiten het moederdier. Meestal zeer dooierrijke of telolecithale eitjes. 2) Ovovivipare soorten: na inwendige bevruchting ontwikkelt het embryo in het eitje binnen het moederdier, zonder enige vorm van interactie tussen moeder en embryo. Meestal telolecithale eitjes. 3) Vivipare soorten: inwendige ontwikkeling. De eitjes bevatten quasi geen dooierreserve, oligolecithale eitjes. Het embryo wisselt voedingsstoffen en afvalstoffen uit met het moederdier. (placentalia) Parthenogenese: maagdelijke ontwikkeling: een onbevrucht eitje ontwikkelt zich tot een nieuw individu. Vb. bij bijen en bladluizen. Bij bijen ontstaan de mannetjes (darren) uit onbevruchte eitjes. Artificiële parthenogenese bij vissen: Het genetische materiaal van de zaadcel wordt kapot gemaakt met UV licht. Zaadcel en eicel worden bij elkaar gebracht. Het eitje ontwikkelt normaal. De individuen worden diploïd door een drukschok. Deze schok is nodig om de deling te laten beginnen. De nakomelingen hebben de eigenschappen van de moeder. GYNOGENESE 27 Nupie ‘t Olifantje Wanneer de genetische informatie van de eicel vernietigd wordt, kan hetzelfde proces gebeuren. Nu hebben de nakomelingen de genetische informatie van de vader. ANDROGENESE Voor elk genlocus is een homozygoot. Parthenogenese wordt gebruikt om snel zuivere lijnen van transgene vissen te maken. 28
