Van eencellige naar meercellige organismen
advertisement
3 Van eencellige naar meercellige organismen 1.1 Het eencellige organisme – 4 1.1.1 De cel is de kleinste leefeenheid – 4 1.1.2 1.1.3 1.1.4 De celmembraan vormt een doorgankelijke scheiding van binnen en buiten de cel – 4 De organellen vormen het instrumentarium van de cel – 4 Cellen leiden een eigen leven: de celcyclus – 7 1.1.5 1.1.6 De lichaamscellen vermeerderen door klonale groei – 7 Stamcellen vormen de basis voor weefselgroei – 7 1.2 Van uitwendig naar inwendig milieu: homeostase – 9 1.2.1 Uitwisseling van stoffen tussen de intra- en extracellulaire ruimte gebeurt 1.2.2 1.2.3 zowel passief als actief – 9 De betekenis van water als leefmilieu – 9 De interstitiële vloeistof van de mens lijkt in samenstelling op prehistorisch zeewater – 10 1.2.4 De samenstelling van de extracellulaire vloeistof wordt gehandhaafd door een voortdurende uitwisseling met het bloed: homeostase – 10 1.3 Meercellige organismen, celdifferentiatie en weefsels – 11 1.3.1 Uit kolonies van eencellige organismen zijn meercellige organismen 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 ontstaan – 11 In meercellige organismen verschillen de cellen van elkaar in vorm en functie: differentiatie – 11 Differentiatie maakt specialisatie mogelijk – 11 Het eencellige organisme toont ons de celfuncties in primitieve vorm – 12 De weefsels van het meercellige organisme zijn in een of meer celfuncties gespecialiseerd – 12 1 4 1 Hoofdstuk 1 • Van eencellige naar meercellige organismen Leerdoelen Na bestudering van dit hoofdstuk en de bijbehorende leerstof op de website kan men de volgende vragen beantwoorden. 1. Hoe is een cel opgebouwd en waarom beschouwt men deze als de kleinste leefeenheid? 2. Hoe verloopt de celcyclus en welke functie hebben de mitose en meiose hierbij? 3. Hoe is de samenstelling van de weefselvloeistof? Wat is de relatie tussen bloed en weefselvloeistof? 4. Welke factoren zorgen voor weefselintegriteit en bepalen de eigenschappen van verschillende weefsels? 1.1 Het eencellige organisme 1.1.1 De cel is de kleinste leefeenheid Wij noemen iets een levend organisme als het in staat is zichzelf in stand te houden en zich voort te planten. Enkele eigenschappen zijn daarvoor onmisbaar. Dat is in de eerste plaats stofwisseling, het vermogen door middel van chemische reacties stoffen om te vormen, en in de tweede plaats is dat het vermogen tot groei en voortplanting. In de natuur bestaat een enorme variatie in vorm en grootte van levende organismen: van een nietig mosplantje tot een gigantische boom zoals de metasequoia in de plantenwereld en van een mug tot een olifant in het dierenrijk. Net als bij een klein of een groot bouwwerk zijn de bouwstenen van deze uiteenlopende organismen in grootte en vorm echter helemaal niet zo verschillend. Het verschil in omvang en complexiteit van organismen wordt vrijwel uitsluitend veroorzaakt door het aantal bouwstenen en niet door hun grootte. Deze bouwsteen wordt een cel genoemd en heeft als regel een doorsnede van minder dan 0,1 mm (100 µm), zodat hij alleen met behulp van een microscoop zichtbaar is. Als wij ons beperken tot een dierlijke cel, kan deze worden voorgesteld als een plastic zakje (de celmembraan) gevuld met cytoplasma, een geleiachtige vloeistof (cytosol), waarin grotere en kleinere structuren (de organellen) ronddrijven (. figuur 1.1). Om de celmembraan of de organellen nauwkeurig te bekijken, kunnen wij gebruikmaken van een elektronenmicroscoop (EM), waarmee vergrotingen mogelijk zijn van méér dan een miljoen maal. De omhulling van de cel bestaat uit een vliesdun vetlaagje, de celmembraan ofwel plasmamembraan, en ook de organellen zijn door een vergelijkbare dunne membraan omgeven. 1.1.2 De celmembraan vormt een doorgankelijke scheiding van binnen en buiten de cel De celmembraan vormt de scheiding tussen twee zeer verschillend samengestelde waterige oplossingen: het intra- en extracellulaire compartiment. Het intracellulaire compartiment bevat een eiwitrijke vloeistof, met een hoge concentratie van de kationen K+ en Mg2+, en negatief geladen eiwitten die samen met fosfaatgroepen de belangrijkste anionen zijn. Het extracellulaire compartiment bevat slechts weinig eiwit: van de kationen zijn Na+-ionen in relatief hoge concentratie aanwezig, en van de anionen Cl−- en HCO3−-ionen (. figuur 1.2). Het lijkt alsof de membraan een ondoordringbare barrière vormt rond het intracellulaire compartiment. Er vindt echter een intensief inwaarts verkeer plaats (import) van brandstoffen, in het bijzonder glucose en vetzuren, en van bouwstoffen, in het bijzonder aminozuren en vitaminen, en export van signaalstoffen en afvalproducten. Bovendien is de membraan de plaats waar signalen vanuit het milieu worden opgevangen en aan de intracellulaire machine worden doorgegeven, zodat er naast een materiële uitwisseling met het uitwendige milieu ook een immateriële uitwisseling is. Het basismateriaal van de plasmamembraan is een dubbellaag van vetachtige stoffen (lipiden, 7 par. 2.1.6) die voor de bovengenoemde stoffen vrijwel ondoordringbaar is. De noodzakelijke toegang tot de cel wordt gevormd door eiwitmoleculen die zich in de membraan bevinden en daar gedeeltelijk zelfs doorheen steken (transporteiwitten). Deze eiwitten vormen de weg voor verschillende vormen van transmembraantransport. De mechanismen die het membraantransport tot stand brengen, komen in 7 H. 3 aan de orde. Eiwitten in de cel zijn vaak verbonden met een stelsel van stevige eiwitdraden (de intracellulaire filamenten), dat het cytoskelet vormt. Door de aanwezigheid van deze filamenten wordt de vorm van de cel gehandhaafd (7 intermezzo 1.1). Toch heeft de cel geen star skelet, want de cel is door druk van buitenaf of door beweging van binnenuit wel vervormbaar. Bovendien kunnen cellen door samentrekking van hun cytoskelet actief van vorm veranderen. 1.1.3 De organellen vormen het instrumentarium van de cel Het cytosol van de dierlijke cel bevat de volgende organellen (. figuur 1.1). De kern ofwel nucleus: deze is de grootste van de organellen. Hij is rond of eivormig, met een diameter van 5–10 µm. In principe hebben alle dierlijke cellen ten minste één kern; sommige celtypen bevatten er meer. In een enkel geval (rode bloedcel) is het mogelijk dat tijdens de rijping van de cel de kern verloren gaat. De kern is omgeven door een dubbele membraan waarin relatief grote poriën aanwezig zijn. Binnen in de kern zijn met behulp van elektronenmicroscopie verschillende structuren te zien: een compact bolletje, de nucleolus, en talrijke korrels van verschillende grootte, het chromatine. Dit bestaat uit desoxyribonucleïnezuur (DNA, Eng.: deoxyribonucleic acid) dat de chemische basis vormt voor de erfelijke (= genetische) eigenschappen en dat in strengen rond eiwitten, de histonen, is gewonden, waardoor het nucleosomen vormt (. figuur 1.3). Uit het chromatine vormen zich tijdens een celdeling de chromosomen, die na verdubbeling en overlangse splitsing aan de twee nieuw gevormde dochtercellen worden doorgegeven. Chromatine en nucleolus produceren gezamenlijk het aan DNA verwante ribonucleïnezuur (RNA, Eng.: ribonucleic acid) dat vanuit de kern naar het cytoplasma wordt getransporteerd (boodschapper-RNA ofwel messenger RNA) waar het de opbouw van eiwitmoleculen bestuurt (voor details 7 H. 2). 5 1.1 • Het eencellige organisme celmembraan actinefilamenten centriool met microtubuli ruw endoplasmatisch reticulum peroxisoom nucleolus poriën kern vesikel ruw endoplasmatisch reticulum golgi-complex glad endoplasmatisch reticulum mitochondriën lysosoom . Figuur 1.1 intermediaire filamenten Schematische voorstelling van een cel met daarin de algemeen voorkomende organellen. plasmamembraan intracellulair eiwitporiën (kanalen) transporteiwitten + 170 mmol/l 170 mmol/l Na + K 2+ Ca 2+ Mg CI – HCO 3– fosfaat-/2eiwit- extracellulair 10 140 <10 - 3 0,8 3,5 10 11 45 + Na + K 2+ Ca 2+ Mg 130 4 2,5 1,5 CI – HCO3– fosfaat-/2eiwit- 100 25 - . Figuur 1.2 De belangrijkste ionen van de intra- en extracellulaire vloeistof met schematisch weergegeven de plasmamembraan als selectief permeabele scheidingswand. Dit laatste proces, dat een voortdurende afbraak en nieuwvorming van eiwitten betreft, maakt het mogelijk dat tijdens het leven van de cel het aanwezige pakket eiwitten afhankelijk van de omstandigheden verandert. De mitochondriën: staafvormige organellen, met een lengte van 0,5–2 µm (. figuur 1.1). Hun belangrijkste functie is het vrijmaken van energie door middel van oxidatieve processen (verbranding) uit voedingsstoffen. De mitochondriën zijn omgeven door een dubbele membraan, een buitenste en een binnenste vlies. Het buitenste vlies is glad en bevat eiwitten voor de uitwisseling van stoffen tussen de vloeistof in het mitochondrion en het cytosol. Het binnenste vlies is sterk geplooid; door deze plooien (cristae) is het membraanoppervlak aanmerkelijk vergroot, zodat het voldoende ruimte biedt voor de enzymeiwitten die een functie hebben bij de oxidatieve processen (ademhalingsketen). Oxidatie van brandstof (koolhydraat en vetzuur), een belangrijk onderdeel van het katabolisme, is de belangrijkste 1 6 Hoofdstuk 1 • Van eencellige naar meercellige organismen 1 (4) chromatide (700 nm in diameter) (5) metafasechromosoom (3) 4e ordewinding (200 nm in diameter) (2) chromatinedraad (10 nm in diameter) (1) DNA (2 nm in diameter) histonen nucleosomen . Figuur 1.3 De opbouw van een chromosoom van moleculair (1) tot microscopisch (5) niveau. Het chromosoom is afgebeeld in de metafase, dat is de fase in de celgroei kort vóór een celdeling. dubbele glad endoplasmatisch kernmembraan reticulum ruw celmembraan golgi-complex endoplasmatisch reticulum porie kern exocytose mRNAtransport vesikelvorming eiwittransport eiwitsynthese . Figuur 1.4 Schematische voorstelling van de vorming van een eiwit (bijv. een klierproduct) en afgifte door middel van exocytose. energiebron voor de cel. De membranen van de mitochondriën bevatten de enzymen voor het elektronentransport dat tijdens deze reacties plaatsvindt (ademhalingsketen). De vrijkomende energie wordt in de cel vervoerd in de vorm van een energierijke fosfaatverbinding, adenosinetrifosfaat (ATP); de vorming daarvan in het mitochondrion noemt men oxidatieve fosforylering. Het endoplasmatisch reticulum (ER): dit is een grillig gevormd compartiment dat van het cytosol gescheiden is door een membraan en de vorm heeft van vlakke platen of vertakte buisjes. Een deel van het ER (het ruwe ER) vertoont een onregelmatig oppervlak doordat aan deze membraan de ribosomen gehecht zijn. Hier vindt de synthese van eiwitmoleculen plaats. Het resterende ‘gladde’ ER zorgt voor de afwerking van de in het ruwe ER opgebouwde eiwitten en voor de vorming van vetachtige celbestanddelen, de lipiden, die het hoofdbestanddeel van de celmembraan vormen. Wanneer een cel niet productief is, is er weinig ER aanwezig. Maakt een cel een groeifase door, dan neemt de dichtheid van het ER aanzienlijk toe. Het cytoplasma bevat voor deze synthese de nodige enzymen. Het golgi-complex lijkt in opbouw sterk op het gladde ER. Het is er ook mee verbonden, maar verschilt in samenstelling en functie. Het golgi-complex bewerkt de eiwitten die in het ER zijn gemaakt verder en activeert deze tot chemisch werkzame stoffen (zoals enzymen). Daarnaast vormt het ook andere macromoleculen. Vesikels zijn kleine door een membraan omgeven blaasjes die dienen voor opslag in de cel en voor transport binnen de cel of naar buiten. Een belangrijke bron voor vesikels is het golgicomplex, dat eiwitten en andere macromoleculen selecteert en in blaasjes verpakt door ze te omwikkelen met membraanmateriaal (. figuur 1.4). Deze blaasjes kunnen worden uitgescheiden (exocytose). Hierbij vervloeit de wand van het blaasje met de membraan en wordt de inhoud uitgestort in de extracellulaire ruimte (. figuur 1.5). Omgekeerd kunnen blaasjes worden gevormd doordat de plasmamembraan stoffen uit de extracellulaire ruimte omsluit (endocytose) en daarna in de cel opneemt. De vorming van een blaasje begint door ophoping van het eiwit clathrine tegen de plasmamembraan, daarna begint de instulping (. figuur 1.5). Het clathrine vormt een laag om het 1 7 1.1 • Het eencellige organisme membraanmateriaal en stuurt de instulping en afsnoering. Als dat is voltooid, verspreidt het clathrine zich weer door de cel. Een combinatie van endo- en exocytose is transcytose, waardoor grotere deeltjes door de cel kunnen worden doorgegeven. Ten slotte worden vesikels ook rechtstreeks gevormd in het ER. Lysosomen lijken sterk op vesikels, maar doordat ze een specifiek pakket hydrolytisch splitsende enzymen bevatten, zijn ze gespecialiseerd in de afbraak van beschadigde of misvormde eiwitten; de hierbij vrijkomende aminozuren kunnen opnieuw worden gebruikt voor de eiwitsynthese. Daarnaast worden in lysosomen lichaamsvreemde eiwitten die afkomstig zijn van micro-organismen afgebroken, zodat deze hun schadelijke werking verliezen. Peroxisomen zijn eveneens blaasvormige organellen die in hun membraan enzymen bevatten die specifiek zijn voor de splitsing van vetzuur. Daardoor vullen deze organellen de functie van de mitochondriën bij de energievrijmaking aan. Peroxisomen zijn tevens verantwoordelijk voor de afbraak van giftige vreemde moleculen en produceren peroxide. 1.1.4 Cellen leiden een eigen leven: de celcyclus De celcyclus is een zich herhalende afwisseling tussen celgroei en celdeling. Groei en deling van cellen komen tot stand door een reeks opeenvolgende processen die zeer nauwkeurig geregeld worden, zodat het betreffende orgaan zijn normale afmeting behoudt. Is de groei onvoldoende om het verlies van afgestorven cellen te compenseren, dan neemt het orgaan in volume af (hypo- of atrofie); omgekeerd zal een overmatige groei tot vergroting leiden. Men spreekt van hyperplasie als de vergroting van het orgaanvolume tot stand komt door toename van het aantal cellen, en van hypertrofie als dit het gevolg is van een vergroting van het celvolume. Hiernaast kan er ook sprake zijn van ongewenste groei, zogenoemde tumorvorming, die veroorzaakt wordt door verstoring van de celcyclus (7 intermezzo 1.2). De regeling van de groei vindt plaats door een evenwicht tussen groeibevorderende en groeiremmende factoren. Deze factoren worden door de cel zelf gemaakt (intracellulaire sturing) of worden van buitenaf toegevoegd (extracellulaire sturing). De meest basale functie van de celcyclus is de duplicatie van het DNA, dat vervolgens exact over twee dochtercellen verdeeld wordt. De DNA-duplicatie vindt plaats gedurende de S-fase (S = synthese). Na de S-fase volgt de G2-fase, waarin de cel zich voorbereidt op de celdeling (mitose). Tijdens de M-fase vindt de mitotische celdeling plaats (7 intermezzo 1.3). De M-fase wordt gevolgd door de G1-fase, waarin celgroei plaatsvindt en de cel zich voorbereidt op een eventuele volgende S-fase (. figuur 1.6). De regeling van het moment waarop deze fasen beginnen, alsook de duur van iedere fase, bepaalt de mate van groei. 1.1.5 De lichaamscellen vermeerderen door klonale groei Voor een normale celfunctie is het noodzakelijk dat het DNA uit de celkern onveranderd wordt doorgegeven aan de dochtercel- endocytose 1 op te nemen deeltjes 3 2 golgi-complex 4 plasmamembraan transcytose lysosoom synthese plasmamembraan exocytose . Figuur 1.5 Schematische voorstelling van import door endocytose, export door exocytose en transcellulair transport (combinatie van endo- en exocytose). len, omdat ze anders niet over de noodzakelijke informatie voor de synthese van eiwit en andere onmisbare stoffen beschikken. Het DNA bevindt zich in geconcentreerde vorm opgerold rond eiwitstrengen die in een ingewikkelde kluwen de min of meer draadvormige chromosomen vormen (. figuur 1.3). Tijdens de celdeling worden de chromosomen als afzonderlijke strengen zichtbaar. De mens heeft 23 paar chromosomen, waarvan 22 paar naar vorm gelijk zijn (diploïd). Het laatste paar, dat van de geslachtschromosomen (X en Y), verschilt tussen vrouw en man. Bij de vrouw is ook het laatste paar (het X-chromosoom) identiek; de chromosoomformule luidt dan 46XX. Bij de man is één van beide korter (Y-chromosoom), dan is de chromosoomformule 46XY. Kort gezegd wordt het geslacht van een individu bepaald door het al of niet aanwezig zijn van het Y-chromosoom (7 H. 23). Voor het doorgeven van de genetische informatie bij de celdeling moeten alle chromosomen volledig worden gedupliceerd. Dit ingewikkelde proces, de celdeling ofwel mitose, verloopt in een aantal stappen (. figuur 1.6) die in 7 intermezzo 1.3 worden beschreven. De dochtercellen die door mitose ontstaan, zijn genetisch volledige kopieën (klonen) van de moedercel. Een groep cellen die aldus is ontstaan, noemt men een kloon; eeneiige meerlingen moeten in dit opzicht als klonen beschouwd worden. Terwijl vrijwel alle celdelingen in het lichaam via het mitotische proces verlopen, vindt de productie van de geslachtscellen plaats door middel van meiose (reductiedeling). Hierbij wordt het aantal chromosomen met de helft verminderd (van 46 naar 23), waardoor na de bevruchting een zygoot ontstaat die weer 46 chromosomen heeft. Het meiotische proces wordt verder besproken in 7 H. 23. 1.1.6 Stamcellen vormen de basis voor weefselgroei In het menselijk lichaam worden ook na de geboorte voortdurend nieuwe cellen aangemaakt. De ontwikkeling (rijping), veroudering en sterfte hangen af van het weefsel waartoe de cellen behoren en kan enkele dagen (bijv. de huid en slijmvliezen) tot jaren (bijv. het zenuwstelsel) duren. Cellen ontstaan door deling uit een moedercel. Gaan wij terug tot de oorsprong van het 8 Hoofdstuk 1 • Van eencellige naar meercellige organismen 1 interfase profase prometafase metafase G2 anafase telofase M GS cytokinese interfase G1 G0 . Figuur 1.6 Sterk vereenvoudigde voorstelling van de celcyclus van delende cellen. individu, dan is de eerste moedercel de bevruchte eicel; door een nagenoeg eindeloze reeks delingen ontstaan daaruit de 80 miljoen × miljoen (= 8 × 1013) cellen die een volwassen mens rijk is. Bij de geboorte zijn dat er al 1 × 1013, waaruit blijkt dat de groei van het individu meer door vergroting van reeds aanwezige cellen dan door celvermeerdering tot stand komt. Ook tijdens de volwassenheid gaan vorming en afsterven van cellen door, maar langzamer en niet meer in alle weefsels. Wij onderscheiden hierin verschillende celpopulaties. 5 Sporadisch delende celpopulaties. Na beschadiging van deze weefsels vindt vervanging van de cellen plaats door andere typen, zoals bindweefsel. Tot deze populaties behoren cellen van zenuw- en spierweefsel. 5 Stabiele celpopulaties die het hoofdbestanddeel vormen van bijvoorbeeld de lever. Deze cellen delen zich pas weer als vervanging nodig is na beschadiging of ziekte. 5 Vernieuwende celpopulaties die bijvoorbeeld overwegend in huid, darmslijmvlies en bloedvormende weefsels in het beenmerg aanwezig zijn en die zich voortdurend blijven delen omdat de behoefte aan vervanging blijft bestaan door verlies van de oppervlakkige laag of als gevolg van een beperkte levensduur. In de vernieuwende populaties zijn de moedercellen, aangeduid als weefselstamcellen, minder ver ontwikkeld (gedifferentieerd) dan de dochtercellen, die zichzelf na rijping niet meer delen. De dochtercellen noemt men dan gecommitteerde cellen. De stamcellen hebben een onbeperkte mogelijkheid zich te delen. Hierbij ontstaan cellen die zich ontwikkelen tot gespecialiseerde dochtercellen en nieuwe stamcellen die even ongedifferentieerd zijn als de moedercel. Zo blijft de populatie stamcellen in stand. De dochtercellen kunnen, doordat ze verschillende differentiatiepaden inslaan, soms een reeks verschillende celtypen vormen. Zo ontstaan de zeer verschillende typen bloedcellen alle uit één type stamcellen (7 H. 17). Het leven van een cel kan op twee manieren aan zijn eind komen. Er zijn allerlei schadelijke invloeden mogelijk die een cel fataal kunnen beschadigen. De oorzaken daarvan zijn velerlei: micro-organismen zoals een virus of een bacterie die de cel rechtstreeks aantasten, gifstoffen (toxinen) of chemisch actieve stoffen, maar ook indirect werkende invloeden, zoals een tekort aan zuurstof of voedingsstoffen of een ophoping van afvalstoffen; dergelijke invloeden kunnen tot een vervroegde celdood (necrose) leiden. Een cel kan echter ook spontaan in verval raken en afsterven als gevolg van activering van bepaalde genen, onder omstandigheden waaronder een vermindering van het aantal cellen gewenst is. Dit noemt men geprogrammeerde celdood (apoptose). Elke cel beschikt in de mitochondriën over een pakket proapoptotische eiwitten. Zolang de cel voldoende stimulerende signalen van andere cellen krijgt, blijven deze eiwitten inactief. Vallen deze signalen echter weg, dan treedt een reeks van reacties op die begint met het activeren van de proapoptotische eiwitten tot eiwitsplitsende enzymen. Deze enzymen vreten belangrijke celbestanddelen aan en de cel valt uiteen in fragmenten (apoptotic bodies) die door andere cellen worden opgenomen (fagocytose) en door hun lysosomen worden verteerd. Hierbij komen, anders dan bij necrose, geen afvalproducten vrij die eventueel een ontstekingsreactie zouden kunnen oproepen. 9 1.2 • Van uitwendig naar inwendig milieu: homeostase Geprogrammeerde celdood is dan ook een normaal ontwikkelingsmechanisme waarvan veelvuldig gebruik wordt gemaakt om overbodige cellen op te ruimen en plaats te maken voor nieuwe. Samenvatting 1. 2. 3. 4. 5. De cel is de kleinste leefeenheid. Hij is in staat onder gunstige omstandigheden zelfstandig te blijven bestaan en zich voort te planten. Dit geldt zowel voor eencellige organismen als voor cellen die uit meercellige organismen zijn geïsoleerd. Het geldt evenwel niet voor de organellen, de intracellulaire structuren; deze kunnen zich niet buiten de cel vermenigvuldigen. De belangrijkste organellen met ieder een specifieke functie zijn: – celkern: bevat de erfelijke informatie en dirigeert de eiwitsynthese in de cel; – mitochondriën: maken energie vrij door oxidatieve processen en vormen ATP; – ER: vormt eiwitten en lipiden; – golgi-complex: vormt actieve enzymen en andere macromoleculen; – vesikels: blaasjes voor transport en opslag; – lysosomen: vesikels met splitsende enzymen voor afbraak van eigen of vreemde celcomponenten; – peroxisomen: vesikels voor de splitsing van vetzuur. De levenscyclus van een cel in verschillende weefsels varieert van enkele dagen tot levenslang. Cellen sterven van nature een geprogrammeerde dood (apoptose); een cel kan voortijdig afsterven als gevolg van een fatale beschadiging (necrose). Cellen vermenigvuldigen zich door deling, hetzij ongeslachtelijk door klonering, hetzij geslachtelijk na fusie van DNA van twee oudercellen. De oorsprong van de cellen zijn ongedifferentieerde stamcellen. In zich voortdurend vervangende weefsels blijven de stamcellen bestaan doordat bij deling, naast zich specialiserende dochtercellen, ook nieuwe stamcellen ontstaan. 1.2 Van uitwendig naar inwendig milieu: homeostase 1.2.1 Uitwisseling van stoffen tussen de intraen extracellulaire ruimte gebeurt zowel passief als actief Cellen nemen voortdurend stoffen op uit hun omgeving: brandstoffen waaruit ze energie putten en bouwstoffen die noodzakelijk zijn voor hun groei. Daarnaast komen in de cel stoffen vrij die overtollig of zelfs schadelijk zijn (afvalstoffen) en die daarom uit de intracellulaire vloeistof verwijderd moeten worden. Het transport dat nodig is voor deze intensieve uitwisseling met de omgeving, gaat dwars door de celmembraan heen. Een deel van de stoffen passeert de membraan vanzelf (= passief transport); dat is mogelijk als de membraan doorgankelijk (= permeabel) is voor de betreffende stof. Door een verschil in concentratie van deze stof in het uitwendige en inwendige milieu kunnen de deeltjes door de membraan gedreven worden. Deze beweging van deeltjes noemt men diffusie. Het is ook mogelijk dat het membraantransport stoffen tegen een verschil in concentratie in laat bewegen, zoals een pomp water tegen de zwaartekracht in kan verplaatsen. En zoals dat ook bij een waterpomp het geval is, vereist dit actieve transport energie die door de cel zelf moet worden geleverd. In 7 H. 3 worden de mechanismen waarover de membraan voor deze vormen van transport beschikt, in detail besproken. De stoffen die door de membraan getransporteerd worden, zijn allemaal in water opgelost, in het intracellulaire water of in het water buiten de cel, de extracellulaire vloeistof. Dit maakt duidelijk dat cellen uitsluitend in een waterige omgeving kunnen leven. Het drogen van voedingsmiddelen is dan ook een effectief middel tegen bederf door micro-organismen. 1.2.2 De betekenis van water als leefmilieu Water combineert een aantal eigenschappen die voor levende organismen een beter klimaat scheppen dan enige andere stof. Daarom is de aanwezigheid van water een absolute voorwaarde voor het voortbestaan van cellen. Deze eigenschappen zijn de volgende. 5 Goed oplosmiddel. Watermoleculen zijn polair, dat wil zeggen dat de verdeling van lading over het molecuul niet gelijk is (7 intermezzo 2.1). Daardoor hebben watermoleculen een positieve kant, waar de waterstofatomen zich bevinden, en een negatieve kant bij het zuurstofatoom. Door dit polaire karakter lossen stoffen met polaire eigenschappen goed in water op: hydrofiele stoffen. Tot de polaire stoffen behoren onder andere ionogene verbindingen, die in water in geladen deeltjes splitsen zoals keukenzout (NaCl), aminozuren en stoffen met een kristalstructuur (kristalloïden), bijvoorbeeld suikers. Stoffen die deze eigenschap niet hebben, noemt men apolair. Dergelijke stoffen lossen niet in water op en worden daarom hydrofoob genoemd. Tot de apolaire stoffen behoren vetten en vetoplossende stoffen zoals benzeen. Ten slotte zijn er stoffen waarvan de moleculen een polair en een apolair deel hebben. Deze stoffen zijn amfifiel; ze lossen matig op in water en vertonen de neiging zich in membranen op te hopen. 5 Goed milieu voor biochemische reacties. Vele reacties in het lichaam zijn hydrolytische splitsingsreacties waarvoor de aanwezigheid van water noodzakelijk is. 5 Lage viscositeit. Door de hoge vloeibaarheid van water bewegen de opgeloste deeltjes zich gemakkelijk van een plaats van hoge naar een plaats van lage concentratie (= diffusie). Ook het water zelf beweegt gemakkelijk onder invloed van een hoogte- of drukverschil (= stroming), waarbij het de opgeloste deeltjes meevoert. 5 Grote warmtecapaciteit. Onder warmtecapaciteit verstaat men de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 g water 1 °C in temperatuur te doen stijgen. Met een waarde van 4,18 joule (J) (= 1 calorie, cal) is water een ‘middenklasser’. Hierdoor kan het lichaamswater veel warmte opnemen zonder zelf sterk in temperatuur te stijgen. 1 10 1 Hoofdstuk 1 • Van eencellige naar meercellige organismen instroom vanuit slagader haarvat uitstroom naar ader interstitium weefselcel rode bloedcel . Figuur 1.7 In de haarvaten van de bloedsomloop vindt in de weefsels uitwisseling plaats tussen bloed en weefselvocht, dat als intermediair fungeert voor de uitwisseling met de weefselcellen. 5 Goed warmtegeleidingsvermogen. Door dit vermogen wordt de door de cellen geproduceerde warmte snel afgevoerd en wordt voorkomen dat cellen zichzelf opwarmen. 5 Hoge verdampingswarmte. Het kost meer dan 2000 kJ om 1 l water te verdampen. Door verdamping van water (zweet) kan vanuit het lichaam veel warmte aan de omgeving worden afgegeven. 1.2.3 De interstitiële vloeistof van de mens lijkt in samenstelling op prehistorisch zeewater Vrij in water levende eencellige organismen wisselen hun stoffen uit met het hen omringende oppervlaktewater. Als regel is het volume daarvan veel groter dan het celvolume, zodat er zeker op korte termijn voldoende voorraad is aan voedingsstoffen en voldoende ruimte om afvalstoffen te lozen zonder milieuverontreiniging. Voor meercellige organismen is de situatie totaal anders. In grote meercellige organismen ligt het externe leefmilieu ver van de meeste cellen af en bestaat bovendien vaak niet meer uit water maar uit lucht. Toch is ook in meercellige organismen de oorspronkelijke leefsituatie van het eencellige organisme terug te vinden, doordat elke cel wordt omgeven door een minuscuul (< 1 µm) vochtlaagje in de ruimte tussen de cellen. Deze ruimte vormt een samenhangend geheel, de extracellulaire ruimte ofwel het interstitium, en bevat de extracellulaire vloeistof ofwel het weefselvocht, waarvan het totale volume bij de volwassen mens 10–15 l bedraagt. Men noemt dit het inwendige milieu (= milieu intérieur) omdat dit het overblijfsel is van het uitwendige milieu van de eencellige organismen, waaruit de meercelligen zich hebben ontwikkeld. De samenstelling van de extracellulaire vloeistof stemt met deze zienswijze overeen (. figuur 1.2). NaCl vormt de grootste opgeloste fractie, met daarnaast functioneel belangrijke componenten zoals kalium-, calcium- en magnesiumzouten, in het bijzonder chloriden. Vergelijkt men deze samenstelling met die van zeewater, dan is het mengsel kwalitatief vergelijkbaar, maar de totale concentratie van de zouten in de menselijke weefselvloeistof is veel lager. De verklaring is vermoedelijk dat in de loop der miljoenen jaren het zeewater geleidelijk steeds zouter is geworden doordat de instromende rivieren slijpsel van het land meevoeren dat achterblijft als het water uit de zee verdampt. De samenstelling van het inwendige milieu van de mens representeert volgens deze zienswijze dus de samenstelling van het zeewater van ongeveer 200 miljoen jaar geleden, de periode waarin naar schatting de ontwikkeling van meercellige organismen heeft plaatsgevonden. In die periode zijn dieren tot ontwikkeling gekomen met een eigen inwendig milieu, als het ware een eigen ‘binnenzee’, die hen in staat stelde zich vanuit zee naar land of zoet water te verplaatsen. Bij de talloze generaties die daarna volgden, is deze samenstelling vrijwel onveranderd overgeërfd. 1.2.4 De samenstelling van de extracellulaire vloeistof wordt gehandhaafd door een voortdurende uitwisseling met het bloed: homeostase Bij de mens zijn miljarden cellen voor hun uitwisselingsprocessen aangewezen op slechts 10-15 l extracellulaire vloeistof. Zonder een constante verversing zou de voorraad nuttige stoffen dan ook zeer snel zijn uitgeput, terwijl de afvalstoffen zich snel zouden ophopen tot giftige concentraties. Van bijvoorbeeld zuurstof is in 1 l vocht slechts ongeveer 1,5 ml opgelost; bij een totaal vochtvolume van bijvoorbeeld 12 l is dat 18 ml. In totale rust verbruikt een mens echter reeds 200 ml zuurstof per minuut, zodat de gehele voorraad zuurstof in 5 s zou zijn verbruikt. Bij flinke lichamelijke arbeid is de voorraad toereikend voor hooguit 1 s. Voor glucose is de situatie iets minder nijpend. De voorraad glucose in de weefselvloeistof is voldoende voor 45 min ruststofwisseling of 5 min zware lichamelijke arbeid. Voor afvalstoffen zijn de waarden vergelijkbaar, zodat duidelijk is dat het inwendige milieu een doorgeefluik is maar geen voorraadschuur. Dit doorgeven gebeurt van bloed naar cel en omgekeerd. De uitwisseling vindt plaats in de haarvaten (= capillairen), minuscule bloedvaatjes met een uiterst dunne wand waar zowel hydrofiele als hydrofobe stoffen zeer gemakkelijk doorheen kunnen dringen (. figuur 1.7). Door zijn geringe volume is echter het bloed als opslagplaats voor opgeloste bestanddelen evenmin effectief, zodat ook het bloed een constante verversing nodig heeft. De doorbloeding van uitwisselingsorganen – de long voor opname en afgifte van gassen, het spijsverteringskanaal voor de opname van vaste stof en vloeistof en de nieren voor de afgifte daarvan – zorgt er door uitwisseling met het uitwendige milieu voor dat de samenstelling van het bloed, en daardoor van de weefselvloeistof, constant wordt gehouden (. figuur 1.8). Dit proces, dat zorgt voor de evenwichtige samenstelling van bloed en weefselvloeistof, wordt aangeduid met het begrip homeostase. Dit homeostatische proces past zich voortdurend aan aan het metabolisme en de afvalproductie in het weefsel, in samenhang met de mate van weefselactiviteit. De bloedsomloop moet daarom voortdurend worden bijgestuurd (= regulatie), zodat er voldoende bloed naar actieve weefsels gaat en niet te veel naar weefsels die daaraan op dat moment geen behoefte hebben. De regelprocessen die de homeostase bewaken, vat men samen met de term bioregulaties. In het gelijknamige deel III van dit boek zullen wij deze regelprocessen in detail bespreken. 11 1.3 • Meercellige organismen, celdifferentiatie en weefsels Samenvatting buitenwereld 1. Het natuurlijke leefmilieu voor cellen is water met daarin opgeloste bestanddelen. In meercellige organismen is dit het inwendige milieu (milieu intérieur), dat bestaat uit de extracellulaire vloeistof. 2. Water is onvervangbaar als leefmilieu voor cellen vanwege zijn eigenschappen als oplosmiddel, als stromend medium en als warmtebuffer. 3. Door uitwisseling tussen weefselvloeistof en het langsstromende bloed wordt de samenstelling van het inwendige milieu gehandhaafd (homeostase). 1.3.1 Meercellige organismen, celdifferentiatie en weefsels In meercellige organismen verschillen de cellen van elkaar in vorm en functie: differentiatie Bij vergelijking van verschillende weefsels lijken de cellen specifiek voor dat weefsel te zijn ontwikkeld omdat de vorm van de cel optimaal past bij de functie die hij in het weefsel moet ver- weefselvocht nieren Uit kolonies van eencellige organismen zijn meercellige organismen ontstaan In bacterieculturen hopen de dochtercellen zich vaak op rond de moedercel, zodat een kolonie van cellen ontstaat. Doordat bacteriën zich als klonen vermenigvuldigen, zou men verwachten dat alle dochtercellen in principe genetisch identiek zijn met de moedercellen. In werkelijkheid is dat niet zo, omdat frequent spontane veranderingen in de structuur van het DNA optreden (mutaties). Vaak leveren deze mutaties geen voordeel op voor de bacterie en breidt de mutatie zich niet uit in de bacteriecultuur. Het is echter denkbaar dat de bacterie door de mutatie betere overlevingskansen heeft dan de zustercellen, waardoor in de loop van vele opeenvolgende delingen de nakomelingen van deze bacterie de kolonie volledig overnemen. Dit principe, aangeduid als survival of the fittest (overleving van de sterksten), vormt de grondslag van de evolutietheorie over de ontwikkeling van soorten. Een bijzondere fase in de ontwikkeling is het optreden van een interactie tussen de cellen in een kolonie geweest. Sommige cellen zullen toen stoffen zijn gaan produceren die nuttig waren voor de andere leden van de kolonie: signaalstoffen, groeibevorderende stoffen en wellicht ook afweerstoffen. Cellen specialiseerden zich in bepaalde functies: dit proces wordt differentiatie genoemd. Door differentiatie werden de verschillende cellen afhankelijk van elkaar: het meercellig organisme was gevormd. Er zullen ongetwijfeld nog heel wat pogingen zijn gedaan en mislukkingen zijn opgetreden voordat de ons bekende situatie ontstond dat vanuit één moedercel dochtercellen met een hoge graad van specialisatie en differentiatie worden voortgebracht. Hierbij ontstaan de samenstellingen van verschillende cellen die weefsels genoemd worden. 1.3.2 spijsverteringskanaal 1.3 bloedsomloop longen lichaamscellen . Figuur 1.8 Schematische voorstelling van de weefselvloeistof als intermediair tussen bloed en cellen. De longen handhaven de verschillende gasspanningen in het bloed, de spijsvertering en de nieren doen dit voor de opgeloste bestanddelen. vullen. Toch komen al deze cellen voort uit één bevruchte eicel. De daarin opgeslagen genetische code bevat de informatie die nodig is om verschillende eiwitten in verschillende weefsels tot productie te laten komen (= expressie) en aldus morfologische en functionele verschillen (differentiatie) tot stand te brengen. Deze verschillen komen de wijze waarop cellen hun verschillende specifieke functies kunnen uitoefenen, zeer ten goede. Daar staat tegenover dat functies die voor de betreffende cel minder belangrijk zijn, verloren zullen gaan. 1.3.3 Differentiatie maakt specialisatie mogelijk Door de specifieke samenstelling en organisatie van gespecialiseerde cellen voorzien de verschillende weefsels het meercellig organisme van functies die noodzakelijk zijn voor overleving. Men gebruikt hierbij graag de vergelijking van de situatie van een zelfstandig levende nomade met die van de stedelingen in een hoogontwikkelde stad. De nomade die van plaats naar plaats trekt, moet volledig zelfstandig in zijn behoeften voorzien en zal dus tegelijk moeten werken als boer, jager, kleermaker, slager, bakker enzovoort. De stedelingen hebben voor deze en talloze andere functies gespecialiseerde krachten die dat alles beter en sneller kunnen. De stedelingen zijn voor hun functioneren echter sterk onderling afhankelijk; als gevolg van hun specialisatie in één bepaalde functie hebben zij de vaardigheid in andere verloren. Het geciviliseerde bestaan vereist dan ook een actieve overheid die de verschillende bezigheden van de stedelingen op elkaar afstemt en reguleert. In het meercellige organisme wordt 1 12 1 Hoofdstuk 1 • Van eencellige naar meercellige organismen de overheid gevormd door het zenuwstelsel en het hormoonstelsel die de activiteit van verschillende weefsels op elkaar afstemmen en op het gewenste niveau houden. 1.3.4 Het eencellige organisme toont ons de celfuncties in primitieve vorm De verrichtingen van eencellige micro-organismen zoals protozoën (dierlijke organismen) en bacteriën (plantaardig) zijn te verdelen in twee groepen. 1. Vegetatieve functies die dienen voor de instandhouding van de cel en zijn soort. Hiertoe behoren de volgende. 5 Stofwisseling: ook wel metabolisme, de biochemische reacties in de cel waardoor stoffen worden omgezet. Men onderscheidt daarbij anabole processen, waarbij grotere moleculen uit kleinere worden samengesteld, als regel voor opbouw van de cel, opslag van materiaal of signalering naar omgevende cellen, en katabole processen, waarbij stoffen worden gesplitst, als regel om daarin opgeslagen energie te gebruiken voor energievragende processen of om oude celstructuren te vervangen door nieuwe. 5 Membraantransport: beweging van deeltjes door de celmembraan (= plasmamembraan). Men onderscheidt een beweging naar binnen, import, en een naar buiten, export. Dit transport verloopt gedeeltelijk passief op basis van beweging van deeltjes (diffusie) door een concentratie- of elektrisch potentiaalverschil, en gedeeltelijk actief, waarbij deeltjes worden bewogen met behulp van energie uit de celstofwisseling. 5 Groei: vermeerdering van celvolume door nieuwvorming van structuurelementen. Dit is een gereguleerd proces waarbij zowel intracellulaire als extracellulaire regelmechanismen een rol spelen. 5 Voortplanting: vermeerdering van het aantal cellen. Wanneer een groeiende cel een bepaalde kritische massa heeft bereikt, zal hij zich splitsen in twee dochtercellen: celdeling ofwel mitose (7 intermezzo 1.3). 2. Animale functies om te reageren op veranderingen in de omgeving. Hiertoe behoren de volgende. 5 Prikkelbaarheid (= perceptie): het vermogen om te reageren op een fysische of chemische verandering (= stimulus) in de omgeving. Dit is een eigenschap van de plasmamembraan die de mogelijkheid geeft op een fysische of chemische stimulus te reageren met een verandering in de fysische of chemische eigenschappen van de membraan zelf. In vervolg hierop wordt een signaal doorgegeven aan het celinwendige. Er zijn stimuli van velerlei aard. Kenmerkend is dat ze een zekere minimale sterkte en duur moeten hebben om de prikkeldrempel te overschrijden en dat ze in korte tijd optreden. Langzaam optredende veranderingen kunnen tot een geleidelijke aanpassing voeren zonder de specifieke reactie op te roepen (insluipen van de prikkel). 5 Prikkelgeleiding (= conductie): het vermogen van de membraan om de als gevolg van de prikkel opgetreden verandering over de gehele cel door te geven. In zenuwcellen, waarvan de uitlopers tot meer dan 1 m lang kunnen zijn, betekent dit het doorgeven van een signaal over grote afstand. 5 Prikkeloverdracht (= transmissie): het vermogen om een signaal door te geven aan naburige cellen. Meestal gebeurt dit door het afgeven van signaalstoffen (transmitters), die vervolgens naburige cellen chemisch prikkelen, maar er is ook elektrische signaaloverdracht mogelijk. 5 Geheugenvorming: het vermogen de reactie op prikkels te verlengen of uit te stellen. Volgens deze definitie is dit vermogen reeds bij eencellige organismen, zij het zwak, ontwikkeld doordat herhaalde stimuli het gedrag van het organisme geleidelijk kunnen veranderen. 5 Beweging (= locomotie): het vermogen tot vervorming en verplaatsing. Het gaat hierbij om een beweging van de cel in de richting van de prikkelbron (bijv. voedseldeeltjes) of van de prikkelbron af (bijv. schadelijke stoffen). Voor zowel spiercontractie als celmigratie zijn de actine filamenten van het cytoskelet essentieel (7 intermezzo 1.4). 1.3.5 De weefsels van het meercellige organisme zijn in een of meer celfuncties gespecialiseerd Onder een weefsel verstaat men een samenhangende verzameling cellen die op een specifieke manier georganiseerd zijn ten behoeve van een specifieke functie (7 intermezzo 1.1). Als alle cellen dezelfde structuur hebben, gaat het om een eenvoudig weefsel, bijvoorbeeld vetweefsel. De meeste weefsels hebben echter een complexe bouw doordat ze verschillende soorten cellen bevatten. Men spreekt dan van een samengesteld weefsel. Als dit ruimtelijk van andere weefsels gescheiden is, spreekt men van een orgaan. Hierin vervult iedere soort cel zijn specifieke functie, die evenwel nog steeds te herleiden is tot de primitieve functies van de eencelligen. Het kenmerkende verschil met eencelligen is dat deze functies nu ten dienste staan van het gehele organisme. Wij geven een paar voorbeelden. 5 Stofwisseling is de meest algemene celeigenschap die in alle cellen aanwezig is. De cellen van de lever zijn erin gespecialiseerd: in katabolisme (afbraak) omdat ze giftige stoffen afbreken die in het lichaam zijn ontstaan of via het darmkanaal zijn opgenomen, en in anabolisme (opbouw) omdat ze de belangrijkste producent zijn van nieuwe stoffen, onder meer de meeste bloedeiwitten. 5 Membraantransport is eveneens in alle cellen terug te vinden. De cellen van het spijsverteringskanaal zijn gespecialiseerd in import, doordat ze stoffen opnemen voor het gehele lichaam. Hetzelfde geldt voor cellen in de nier, die waardevolle stoffen uit de urine resorberen. Gespecialiseerd in export zijn kliercellen, die gesynthetiseerde stoffen naar het bloed afgeven (interne secretie) of naar bijvoorbeeld de holte van het spijsverteringskanaal (externe secretie). 5 Groei is op jonge leeftijd een algemene celeigenschap die sommige cellen verliezen bij het bereiken van volwassenheid. Gespecialiseerd in groei is bindweefsel, dat ook de 13 1.3 • Meercellige organismen, celdifferentiatie en weefsels 5 5 5 5 5 5 plaats van andere weefsels kan innemen indien die door ziekte of beschadiging zijn afgestorven (littekenvorming). Voortplanting is uiteraard de specialisatie van eicel en zaadcel (kiemcellen), maar in delingssnelheid vormt het beenmerg, waar de meeste bloedcellen continu worden gevormd ter vervanging van oude, het beste voorbeeld. Prikkelbaarheid vinden wij eveneens terug in tal van celsoorten; specialisatie is er in de cellen van zintuigen (= sensoren). Deze cellen beschikken over het vermogen de sterkte van een prikkel via een specifieke code aan het zenuwstelsel door te geven. De andere prikkelbare weefsels reageren altijd met dezelfde reactie op een prikkel – mits die de drempel overschrijdt – ongeacht de sterkte van de prikkel. Prikkelgeleiding is vooral de functie van zenuwcellen (neuronen), die met hun soms zeer lange uitlopers een impuls met grote snelheid over grote afstand kunnen voortgeleiden. Prikkeloverdracht door middel van signaalstoffen wordt aan het einde van elke zenuwcel aangetroffen. Daarnaast is dit ook de specifieke taak van cellen van endocriene klieren die hormonen via het bloed naar soms ver verwijderde doelorganen sturen. Geheugen is sterk ontwikkeld in neuronale netwerken van bepaalde delen van de hersenen, waaronder de hippocampus. Een beschadiging van dit hersendeel leidt tot ernstig geheugenverlies. Beweging ten slotte is hoog ontwikkeld in spiercellen, die door samentrekking (= contractie) bewegingen kunnen uitvoeren en zo het lichaam kunnen verplaatsen of kracht kunnen uitoefenen. Samenvatting 1. In meercellige organismen ontwikkelen zich vanuit één omnipotente eicel dochtercellen die onderling verschillen in vorm en functie. Dit is differentiatie. 2. Differentiatie maakt het mogelijk dat bepaalde functies beter kunnen worden uitgeoefend. Dit is specialisatie. 3. Deze functies worden onderverdeeld in: – vegetatieve functies: stofwisseling, membraantransport, groei en voortplanting; – animale functies: prikkelbaarheid, prikkelgeleiding, prikkeloverdracht, geheugenvorming en beweging. 1
