Cytologie en Histologie

Cytologie & histologie

BEKNOPTE INHOUD D E E L 1 CY TO LOG I E

D E E L 2 H I S TO LOG I E

I N L E I D I N G 14

H O O F D S T U K I E P I T H E E L

188

HOOFDSTU K I

CELM EM BR A AN

16

H O O F D S T U K I I

B I N DW E E F S E L

208

HOOFDSTU K I I

D E CY TO P L A S M AT I S C H E O R G A N E L L E N

50

H O O F D S T U K I I I

K R A A K B E E N

234

HOOFDSTU K I I I

DE CELKERN

74

H O O F D S T U K I V

B E E N

242

H O O F D S T U K V

V E T W E E F S E L

258

HOOFDSTU K VI

S P I E RW E E F S E L

266

H O O F D S T U K V I I

H E T Z E N U W W E E F S E L

284

H O O F D S T U K I V D E C E L G E S T U U R D VA N U I T D E K E R N : D E E I W I T S Y N T H E S E 82 H O O F D S T U K V E N E R G E T I S C H E O M Z E T T I N G E N I N D E C E L

96

H O O F D S T U K V I C E LG R O E I E N C E L D E L I N G

110

H O O F D S T U K V I I E M B RYO LO G I E

128

H O O F D S T U K V I I I G E N E T I CA

148

4

5

DEEL 1

CYTOLOGIE

INHOUD DEEL 1 - CYTOLOGIE

4 . M E M B R A A N P OT E N T I A A L 4 . 1 4 . 2

Rustmembraanpotentiaal De actiepotentiaal 4 . 2 . 1

INLEIDING

14 4 . 3

1 . C E L A F M E T I N G E N

14

2 . C E LVO R M

15

3 . CELBOUW

15

H O O F D S T U K I C E L M E M B R A A N

16

1 . S T R U CT U U R

16 16 16 17

1 . 1

Lipiden

1 . 2

Eiwit ten

1 . 3

De glycocaly x

2 . S P E C I A L E VO R M E N VA N D E C E L M E M B R A A N 2 . 1

2 . 2

Aan de ex tracellulaire ruimte: microvilli en cilia 2 . 1 . 1

Microvilli

2 . 1 . 2

Cilia en flagella

Aan de intercellulaire ruimte: celjuncties , junctionele complexen 2 . 2 . 1

Z o n u l a o c c l u d e n s (t i g h t j u n c t i o n )

2 . 2 . 2

Zonula adhaerens (intermediate junction)

2 . 2 . 3

M a c u l a a d h a e r e n s (d e s m o s o o m )

2 . 2 . 4

Hemidesmosomen

2 . 2 . 5

Nexus (gap junction)

3 . TR ANSPORT DOOR DE CELM EM BR A AN 3 . 1

Dif fusie

3 . 2

De rol van transpor teiwit ten

3 . 3

Endocy tose en exocy tose

3 . 4

8

3 . 3 . 1

Endocy tose

3 . 3 . 2

E xocy tose

Osmose 3 . 4 . 1

Hyper toon

3 . 4 . 2

Isotoon

3 . 4 . 3

Hypotoon

19 19 19 20 22 23 24 25 26 27 28 28 28 30 30 31 32 32 33 33

Fasen

4 . 2 . 2

Ke n m e r ke n v a n d e a c t i e p o t e n t i a a l

4 . 2 . 3

Onts taan van de actiepotentiaal

4 . 2 . 4

Ef fect van een actiepotentiaal op de cel f unctie

P o t e n t i a a l b e r e ke n i n g e n 4 . 3 . 1

B e r e ke n e n v a n d e v e r s c h i l l e n d e e v e n w i c h t s p o t e n t i a l e n i n e e n levende cel

4 . 3 . 2

B e r e ke n e n v a n d e r u s t m e m b r a a n p o t e n t i a a l i n e e n l e v e n d e c e l

5 . I N T E R C E L LU L A I R E C O M M U N I CAT I E 5 . 1

S tructuur van receptoren

5 . 2

Hormoon-receptorbinding en interacties met DNA

H OO F D S T U K I I D E CY TO P L AS M AT I S C H E O RG A N E L L E N 1 . H E T E N D O P L AS M AT I S C H R E T I C U LU M 1 . 1

Ruw endoplasmatisch reticulum (RER)

1 . 2

G l a d e n d o p l a s m a t i s c h r e t i c u l u m (G E R )

1 . 3

Ribosomen en polysomen

1 . 4

Annulate lamellae

1 . 5

Sarcoplasmatisch reticulum

2 . H E T G O LG I -A P PA R A AT 2 . 1

Structuur

2 . 2

F u n c t i e v a n h e t G o l g i- a p p a r a a t

3 . M I TO C H O N D R I Ë N 3 . 1

Structuur

3 . 2

Functie

4 . CY TO S O M E N 4 . 1

4 . 2

Ly s o s o m e n 4 . 1 . 1

Primaire lysosomen

4 . 1 . 2

Secundaire lysosomen

Perox ysomen

5 . M I C R OT U B U L I

9

5 . 1

Bouw

5 . 2

Vo o r ko m e n

5 . 3

Rol

34 34 35 35 38 39 39 39 39 42 44 48 49

50 50 50 51 52 55 55 57 57 59 60 60 60 65 65 65 65 67 67 67 67 68

6 . F I L A M E N T E N E N F I B R I L L E N

7.

6 . 1

Bouw

6 . 2

Vo o r ko m e n

6 . 3

Rol

CENTROSOOM EN CENTRIOLEN 7. 1

Bouw

7. 2

Vo o r ko m e n

7. 3

Rol

8 . P I G M E N T KO R R E L S 8 . 1

Lipofuscines

8 . 2

Melanines

8 . 3

Hemoglobinogene pigmenten

69 69 69 69 70 70 70 71 72 72 72 73

9. G LYC O G E E N

73

10. VE T TEN

73

3 . D E SY N T H E S E VA N E I W I T T E N 3 . 1

Tr a n s c r i p t i e v a n D N A e n R N A

3 . 2

Eiwitsynthese op de ribosomen

3 . 3

De genetische code

3 . 4

De translatie met tRNA

3 . 5

H e t a f b a ke n e n v a n d e c o d e

3 . 6

Het model in zijn geheel

86 86 89 90 91 93 94

H OO F D S T U K V E N E RG E T I S C H E O MZE T T I N G E N IN DE CEL

96

1 . I N L E I D I N G

96

2 . A N A E R O B E D I S S I M I L AT I E

97 97 97

2 . 1

Systeem I : het creatinefosfaatsysteem

2 . 2

Systeem II : het lactisch-anaerobe systeem

3 . A E R O B E D I S S I M I L AT I E 3 . 1

Een afbraak in fasen

102 102 102 103 103 107

H O O F D S T U K I I I D E C E L K E R N

74

1 . D E K E R N E N V E LO P P E

74

2 . H E T K E R N C H R O M AT I N E

75

4 . D E E N E R G I E VO O R Z I E N I N G VA N V E T T E N E N E I W I T T E N

108

3 . D E N U C L E O LU S

76

5 . D E M I TO C H O N D R I Ë N A L S E N E R G I E C E N T R A L E

109

4 . E X T R AC H R O M O S O M A A L D N A

77 77 77

H OO F D S T U K V I C E LG RO E I E N C E L D E L I N G

110

1 . I N L E I D I N G

110

2 . D E C E LCYC LU S

110 111 111 114 115 115 118 124

4 . 1

Organellen in het cy toplasma

4 . 2

P l a s m i d e n e n r e c o m b i n a n t- D N A

H O O F D S T U K I V D E C E L G ES T U U R D VA N U I T D E K E R N : D E E IWI TSY N T H ES E

82

1 . D E S T R U CT U U R VA N E E N G E N

82

3 . 2

10

85

11

Fase I I : decarbox ylering

3 . 1 . 2

F a s e I I I : c i t r o e n z u u r c yc l u s

3 . 1 . 3

Fase IV: overdracht van elek tronen aan zuurs tof

De energievoor ziening in het algemeen

2 . 1

D e G 1- p e r i o d e o f e e r s t e g r o e i p e r i o d e

2 . 2

De S-periode of syntheseperiode

2 . 3

D e G 2- p e r i o d e o f t w e e d e g r o e i p e r i o d e

2 . 4

2 . D E H Y P OT H E S E VA N É É N G E N/ É É N E N Z Y M

3 . 1 . 1

M -f a s e o f d e e i g e n l i j ke c e l d e l i n g s f a s e 2 . 4 . 1

Mitose of vermenigvuldigingsdeling

2 . 4 . 2

Meiose of reductiedeling

2 . 4 . 3

Ve r s c h i l l e n t u s s e n m i t o s e e n m e i o s e I

H O O F D S T U K V I I E M B RYO LOG I E

128

6 . C O M P L I C E R E N D E FACTO R E N

160

1 . B E V R U C H T I N G

128 128 129 129

7.

162

1 . 1

Fase I : penetra tie van de corona radia ta

1 . 2

Fase I I : penetra tie van de zona pellucida

1 . 3

Fase I I I : f usie van de celmembranen van de oöcy t en het sperma tozoön

2 . E M B RYO N A L E O N T W I K K E L I N G 2 . 1

De eers te klievingen

2 . 2

De la tere em br yonale s tadia

2 . 3

2 . 2 . 1

P o s t e m b r yo n a l e o n t w i k ke l i n g

2 . 2 . 2

Ve r o u d e r i n g e n d o o d

Apoptose en necrose

3 . N A D E G E B O O R T E 3 . 1

3 . 2

Dif ferentiatie 3 . 1 . 1

De klievingen

3 . 1 . 2

We e f s e l i n t e r a c t i e s

3 . 1 . 3

Organisatoren en inductiestof fen

3 . 1 . 4

Hormonen

Dedif ferentiatie

131 131 136 136 137 138 142 143 144 145 145 146 147

H O O F D S T U K V I I I G E N E T I CA

148

1 . I N L E I D I N G

148

2 . M O N O H Y B R I D E OV E R E RV I N G

148 148 150 150

2 . 1

De experimenten van Mendel

2 . 2

Conclusies

2 . 3

Hedendaagse inzichten

3 . D I H Y B R I D E E N T R I H Y B R I D E OV E R E RV I N G 3 . 1

D e v e r d e l i n g o v e r d e n a ko m e l i n g e n

3 . 2

Dihybride kruising

3 . 3

Tr i h y b r i d e k r u i s i n g

156

5 . P O LY M O R F I S M E

158 158 159

12

5 . 1

Hemoglobine

5 . 2

Bloedgroepen

8 . G E N E T I S C H E VA R I A N T I E E N M I L I E U M AT I G E VA R I A N T I E

163

9. V E R A N D E R I N G E N I N D E G E N E N

164

1 0 . V E R A N D E R I N G E N I N D E C H R O M O S O M E N

168 168 169

10. 1

S tructurele veranderingen

10. 2

Ve r a n d e r i n g e n i n a a n t a l

1 1 . ‘ G E S L AC H T S G E B O N D E N ’ E R F E L I J K H E I D

170

1 2 . G E S L AC H T S B E PA L I N G

171

1 3 . H E TEROSOMALE EIG ENSCHAPPEN

174

1 4 . KO P P E L I N G VA N G E N E N

174 174 176

154 154 155 156

4 . I N T E R ACT I E S T U S S E N G E N E N

ERFELIJKHEID EN MILIEU

13

1 4 . 1

Op chromosomaal niveau

1 4 . 2

C h r o m o s o o m ka a r t e n

INLEIDING 1 . C E L A F M E T I NG E N

2 . C E LVO R M

Cellen hebben meestal microscopische afmetingen. Bij zoogdieren schommelen de cellulaire afmetingen doorgaans tussen zeven en veertig micrometer. Sommige kunnen echter zeer groot zijn, zoals de eicellen van eierleggende dieren. Hun uitzonderlijke grootte is dan meestal te wijten aan een opstapeling van reservestoffen. Zo is een kippenei niets anders dan één grote eicel. Andere zijn in bepaalde opzichten klein, maar uiterst lang, bijvoorbeeld zenuwcellen die lengten bereiken van meer dan één meter.

De vorm van een cel kan wisselend of constant zijn. Bij sommige vrije cellen, zoals de witte bloedcellen, is de vorm zeer veranderlijk en afhankelijk van talrijke externe factoren. Zo moeten de bloedcellen door de ‘kleine openingen’ van de bloedbaan gaan om een infectiehaard te bereiken. Dat brengt met zich mee dat de cel een sterk wisselende vorm moet hebben om deze beweeglijkheid te kunnen verwezenlijken. Bij andere vrije cellen, zoals de zaadcellen, is de celvorm constant. Zij hebben echter een flagel (staart) om de beweeglijkheid te realiseren.

De grootte van een cel hangt af van twee factoren: De vorm van vaste cellen van een meercellig organisme is daarentegen weinig veranderlijk. Die wordt hoofdzakelijk bepaald door de functionele differentiatie en door de invloed van de omgevende cellen. Zo hebben bijvoorbeeld epitheelcellen, bindweefselcellen en spiercellen een totaal andere vorm.

1. het functioneren van een cel hangt af van de verhouding oppervlakte/ volume. Een cel heeft uit zijn omgeving zuurstof en voedingstoffen nodig en die moeten via het celoppervlak. Als een cel in grootte toeneemt, stijgt het volume sterker dan het oppervlak: als de straal van de cel toeneemt, neemt het oppervlak tot de tweede macht toe, maar het volume tot de derde macht; 2. de mate waarin de kern als controlecentrum de rest van de cel kan dirigeren. Zodra een cel in grootte toeneemt, komen steeds meer onderdelen verder van het controlecentrum af te liggen, waardoor een juiste coördinatie steeds moeilijker wordt. Hierbij moet ook de activiteit van de cel in rekening gebracht worden. Hoe minder actief de cel (m.a.w. hoe lager het metabolisme van de cel), hoe groter de afmetingen.

3. C E L B O U W In de cel kunnen we drie grote gebieden onderscheiden: (1) de celmembraan, (2) het cytoplasma met zijn verschillende celorganellen en (3) de kern. In het hiernavolgende deel wordt dieper op deze drie gebieden ingegaan.

Het celvolume is echter wel onafhankelijk van de afmetingen van het individu. Zo hebben bijvoorbeeld de levercellen van een muis en van een rund ongeveer dezelfde afmetingen. Dat brengt met zich mee dat het verschil in orgaangrootte tussen de muis en het rund niet te wijten is aan het celvolume, maar wel aan het aantal cellen.

14

DEEL 1

_ CYTOLOGIE

15

Deel1 _ I n l e i d i n g

HOOFDSTUK I

De proteïnen in de membraan hebben verschillende functies:

CELMEMBRAAN

1. structureel als bouwelement in het geheel; 2. transportproteïnen (carriers), die het transport van specifieke moleculen door de celmembraan mogelijk maken tegen een elektrochemische gradiënt; 3. ionenkanalen, die het passieve transport van ionen door de celmembraan mogelijk maken; 4. pompen, die op een actieve wijze ionen door de membraan transporteren; 5. receptoren, waarmee op een specifieke wijze neurotransmitters, hormonen en sommige geneesmiddelen zich verbinden en die hierdoor intracellulaire processen uitlokken, wat uiteindelijk leidt tot een bepaald fysiologisch effect op de cel; 6. enzymen, die omzettingen katalyseren ter hoogte van de celmembraan.

1 . S T R UC T U U R De membraan die de cel omgeeft, heeft een merkwaardige structuur en is een oplossing van georiënteerde lipiden en globulaire eiwitten (figuur 1).

1.1 L I P I D E N

De meerderheid van de lipiden zijn fosfolipiden, zoals fosfatidylcholine en fosfatidylethanolamine. Zij vormen een dubbele laag en zijn opgebouwd uit: • een polair-hydrofiel gedeelte (de fosfaatgroep), dat zich steeds richt naar het waterig milieu, en • een apolair-hydrofoob gedeelte (de vetzuurketens), dat zich steeds richt naar het midden van de membraan.

1 .3

De plasmamembraan van de meeste cellen van een meercellig organisme zijn uitwendig bedekt met een dunne filamenteuse laag die alleen elektronenmicroscopisch zichtbaar is. Die laag wordt ‘glycocalyx’ of ‘cell coat’ genoemd. Ze bestaat hoofdzakelijk uit vertakte filamenten die vastzitten op de naar buiten puilende globulaire eiwitten van de plasmamembraan.

Ze zijn hoofdzakelijk opgebouwd uit glycoproteïnen en in mindere mate uit glycolipiden (figuur 1).

1.2 E I W I T T E N

De eiwitten komen niet uitsluitend voor aan het oppervlak, ze vormen ook geen continue lagen, maar zijn volgens een mozaïekpatroon verdeeld én aan het oppervlak én in het inwendige van de membraan. Men maakt een onderscheid tussen integrale eiwitten, die de membraan overspannen, en perifere proteïnen, die enkel aan buiten- of binnenzijde voorkomen. Ook deze eiwitten hebben een polair en een apolair gedeelte.

16

DEEL 1

_ CYTOLOGIE

D E G LY C O C A LY X

17

Hoofdstuk I _

Celmembraan

2.

De glycocalyx heeft talrijke en belangrijke functies.

De belangrijkste zijn: 1.

2.

3.

4.

5.

S P E C I A L E VO R M E N VA N D E C E L M E M B R A A N De celmembraan kan verschillende speciale vormen hebben aan de extracellulaire en intracellulaire ruimte.

bescherming van de plasmamembraan tegen fysische en chemische invloeden; een rol vervullen in het transmembranaire transport (pinocytose en fagocytose); een rol vervullen in de celadhesie (het verschijnsel dat een cel zich met behulp van specifieke moleculen (adhesiemoleculen) bindt aan een oppervlak, extracellulaire matrix of andere cel); een rol vervullen in de contactinhibitie: ter hoogte van de glycocalyx wisselen aanpalende cellen de nodige informatie uit om onderlinge bewegingen af te remmen; een rol vervullen in het herkenningsmechanisme van cellen: het is in de glycocalyx dat zich de oppervlakte-antigenen bevinden.

2.1

AAN DE EXTRACELLUL AIRE RUIMTE: MICROVILLI EN CILIA 2.1.1

MICROVILLI

Dit zijn regelmatige vingervormige uitstulpingen aan het celoppervlak (± 1 µm breed), met meestal longitudinale bundels van microfilamenten.

In cellen met enorme resorptiefuncties (niertubuluscellen) komen ze zeer talrijk en regelmatig geschikt voor, zorgen voor een indrukwekkende vergroting van het contactoppervlak en vormen de uit de optische microscoop bekende staafjeszoom of gestreepte cuticula (brush border).

Koolhydraatketen

Celmembraan

Glycoproteine Polair

Buitenste membraan

Apolair

Fosfolipidelaag

figuur 2. | elektronenmicroscopische (eM)-opname van een darmepitheelcel met bovenaan de microvilli

Polair

Cholesterol

18

Proteine

Binnenste membraan

figuur 1.

| De plasmamembraan met glycocalyx

Cytoskelet

DEEL 1

_ CYTOlOgIe

19

HoofDstuk I _

Celmembraan

In ieder duplet heeft de subfibril A ‘zijarmen’, die reiken tot aan het duplet ernaast. De centrale microtubuli zijn omgeven door een speciaal gestructureerde mantel, van waaruit ‘spaken’ in verbinding komen met de subfibril A van ieder duplet. De zijarmen van de subfibrillen A bestaan uit een proteïne met ATP-ase-activiteit, het zogenaamde ‘dyneïne’. De hydrolyse van ATP, die de energie levert voor de typische beweging van de cilia (de zogenaamde trilhaarzweepslag) gebeurt dus ter hoogte van de zijarmen (dyneïne). Het mechanisme van de ciliaire beweeglijkheid zou volgens de ‘sliding filament’-hypothese verlopen (zie ook het hoofdstuk over spierweefsel).

De ‘spaken’ zijn verteerbaar door trypsine en blijken nodig voor de structurele samenhang van het axonema. Aan de basis van het cilium vindt men het ‘basaal lichaampje’ of kinetosoom. Het bestaat uit een cilinder met negen tripletten van microtubuli als perifere wand. Distaal is de cilinder gesloten. Proximaal is hij open en vertoont vezelige verlengsels (wortels) in het cytoplasma. Op deze hoogte toont een dwarsdoorsnede een typische radstructuur met een centrale as en negen spaken naar de perifere tripletten. De structuur van een kinetosoom is bijgevolg identiek aan die van een centriool (zie celdeling). Een centriool kan trouwens naar de apicale pool van een cel migreren en er de vorming van een cilium in gang zetten.

Figuur 3. | EM-opname van een coupe van het apicale gebied van een cel van de darmbekleding waarin dwarsgetroffen microvilli te zien zijn

2.1.2

CILIA EN FL AGELL A

Cilia of trilharen (figuur 4) zijn zeer gespecialiseerde en complexe structuren met gecoördineerde beweeglijkheid. Ze komen bijvoorbeeld voor in de luchtwegen, waar ze mucus en stofdeeltjes in de richting van de keelholte (buitenwereld) borstelen, of in de eileider, waar ze een rol spelen in het transport van de eicel naar de uterus (baarmoeder).

Cilia en flagel

Ze zijn ingeplant op een zogenaamd basaal lichaampje aan de apicale pool van de cel. Op de dwarse doorsnede van een trilhaar vindt men negen groepen van perifere fibrillen en twee centrale fibrillen. De centrale fibrillen worden ook wel ‘axonema’ genoemd.

Dyneïne arm Buitenste duplet

Elke perifere fibril bestaat uit twee aaneengekitte microtubuli (een duplet).

Eén van de microtubuli heeft dertien eenheden in zijn contour (subfibril A), terwijl de tweede (subfibril B) er slechts tien of elf heeft en een deel van de wand ervan gemeenschappelijk is met subfibril A.

Celmembraan

Dwarsdoorsnede cilia Centraal duplet (axonema) Dwarsdoorsnede cilia

Figuur 4. | Dwarsdoorsnede van een cilium met basaal lichaam (basal body) en axonema (centrale microtubulus)

Kinetosoom of basaal lichaam

20

DEEL 1

_ CYTOLOGIE

21

Hoofdstuk I _

Celmembraan