Beste Student,
Deze samenvatting bevat de stof van het vak ‘Celbiologie &
Immunologie DT 2’ van de studie Gezondheid en Leven aan de VU. De
samenvatting is geschreven in studiejaar 2020-2021. Het bevat een
samenvatting van de boeken Essential Cell biology 5 e editie & The
Immune System 4th Edition. Daarnaast bevat het ook uitgewerkte
aantekeningen van de hoorcolleges en afbeeldingen voor meer uitleg.
Ik hoop dat deze samenvatting jou wat meer inzicht kan geven over de
onderwerpen die voorbij komen en je helpt bij het leren van het
tentamen.
Succes!
,Celbiologie
H17: Cytoskelet
Introductie
Het cytoskelet is een ingewikkeld netwerk van eiwit filamenten die zich door het hele
cytoplasma bevinden. De structuur van deze filamenten helpt het volume van het cytoplasma
te ondersteunen, wat vooral belangrijk is voor diercellen(want die hebben geen celwand). Het
cytoskelet heeft een hoge dynamische structuur die continu wordt gereorganiseerd wanneer
de cel veranderd van vorm, of als de cel gaat delen.
Het cytoskelet is niet alleen de ‘botten’ van de cel maar ook de ‘spieren’ en is verantwoordelijk
voor heel veel dingen. Zonder het cytoskelet zouden wonden nooit helen en spieren nooit
samentrekken. Het cytoskelet zorgt voor de locatie van organellen en zorgt ook voor de
machinerie die voor hun transport zorgt.
Het cytoskelet is gebouwd uit een skelet met drie typen eiwitfilamenten: intermediate
filamenten, microtubuli en actine filamenten. Elk van deze type filamenten heeft verschillende
mechanische eigenschappen en wordt gevormd uit een andere eiwit subunit.
Intermediate filamenten
Diameter: ± 10 nm
Inleiding
Intermediate filamenten zijn heel sterk en hun belangrijkste functie is om cellen in
staat te stellen de mechanische stress te kunnen weerstaan die optreedt wanneer
cellen worden uitgerekt. Ze heten intermediate omdat hun diameter tussen dunne
actine filamenten en dikke myosine filamenten. Intermediate filamenten zijn de
sterkste en langst meegaande van alle drie de filamenten. De filamenten bevinden
zich in het cytoplasma. Ze vormen vaak een netwerk door het hele cytoplasma en
omringen de kern. Ze zitten vaak geankerd in het plasma membraan bij cel-cel
knopen (desmosomen), waar het plasmamembraan verbonden is aan die van een
andere cel. De filamenten bevinden zich soms ook in de nucleus waar ze de
nucleaire lamina worden genoemd, met als functie om de nucleaire envelop te
versterken.
Intermediate filamenten zijn sterk en touwachtig
- Intermediate filamenten zijn lange strengen die zijn verwrongen in
elkaar om een grote treksterkte te voorzien. Ook zijn ze zo
verwrongen om spanning te weerstaan zonder te breken.
- De strengen zijn gemaakt door intermediate filament eiwitten;
vezelachtige subunits die elk een centraal langwerpig staafdomein
bevatten met verschillende ongestructureerde domeinen op beide
eindes.
- Het staafdomein bestaat uit een uitgestrekt α-helix gebied dat de
eiwitten in staat stelt stabiele dimeren te vormen door om elkaar
heen te wikkelen in een spiraalvormige(coiled-coil) configuratie.
1
, - Twee van deze dimeren, verenigen zich tegenovergesteld op een gespreide tetrameer.
De tetrameren verenigen zich vervolgens naast elkaar en verzamelen dan om de
uiteindelijke touwachtige filament te vormen.
- Omdat de dimeren tegenovergesteld zijn van elkaar, is het einde van de tetrameer
hetzelfde. Dit onderscheidt deze filamenten van
microtubuli en actine filamenten, waarvan de
structurele polariteit cruciaal is voor hun
functie.
- Bijna alle interacties tussen de intermediate
filamenteiwitten zijn afhankelijk van niet-
covalente binding. Bij deze filamenten gaat het
om de gecombineerde sterkte van de overlappende interacties.
- De centrale staafdomeinen van verschillende intermediate filamenten lijken vaak op
elkaar, maar de eindes en staartdomeinen variëren juist, want die worden blootgesteld
aan het oppervlak van het filament, waardoor ze met specifieke componenten kunnen
communiceren.
Intermediate filamenten versterken cellen tegen mechanische stress
- In alle cellen waar deze filamenten zitten, verdelen ze de effecten van lokaal
uitgeoefende krachten, waardoor wordt voorkomen dat cellen en hun membranen
scheuren als reactie op mechanische afschuiving.
- Intermediate filamenten kunnen in vier groepen verdeeld worden:
1. Keratine filamenten (in epitheelcellen)
2. Vimentine en vimentine-gerelateerde filamenten (in bindweefsel cellen, spiercellen
en ondersteunende cellen van het zenuwstelsel)
3. Neurofilamenten (in zenuwstellen)
4. Nucleaire lamines (die de nucleaire envelop versterken)
- De eerste drie bevinden zich in het cytoplasma, terwijl de 4 e
zich bevindt in de kern. Elk type intermediate filamenten wordt
gevormd door polymerisatie van hun overeenkomstige
tussenliggende filamentsubeenheden.
- Keratine filamenten: zijn de meest diverse klasse. Elk type
epitheelcel(tong, huid of darm bijv.) heeft zijn eigen mix van
verschillende keratine eiwitten. (bijv. speciale keratines in haar,
veren of klauwen). De filamenten overspannen de binnenkant
van epitheelcellen van de ene kant van de cel naar de andere,
en filamenten in aangrenzende epitheelcellen zijn indirect verbonden via desmosomen.
De eindes van keratine filamenten zijn geankerd aan de desmosomen en de filamenten
komen samen met die van andere cellen, door ‘hoofd en staart’ domeinen die
geprojecteerd worden van hun oppervlakte. Deze sterke kabels, zorgen voor de stress
die plaatsvindt wanneer huid wordt strakgetrokken. Het belang van deze functie is dat
als er een mutatie is in de keratine genen, de huid heel kwetsbaar wordt.
- Defecten in neurofilamenten kunnen ook tot ziektes leiden. Neurofilamenten zitten
langs axonen van neuronen, waar ze voor sterkte en stabiliteit zorgen voor de axonen.
De ziekte die hierbij hoort is ALS en wordt veroorzaakt door een abnormale ophoping
van neurofilamenten in de cellichamen en axonen van motorneuronen.
De nucleaire envelop wordt ondersteund door een netwerk van tussenliggende filamenten
- Nucleaire lamina zijn georganiseerd als een 2D netwerk door lamines(filamenteiwitten) .
2
, - De nucleaire lamina demonteert en hervormd zich bij elke celdeling,
wanneer de nucleaire envelop af wordt gebroken tijdens mitose en
hervormd zich in de nieuwe dochtercel.
- Het afbreken en het weer verzamelen van deze lamina wordt
gecontroleerd door de (de)fosforylering van de lamines. Fosforylering van
de lamines wordt gedaan door eiwit kinasen zorgt ervoor dat de interactie
tussen de lamine tetrameren verzwakt en uiteindelijk uit elkaar valt.
Defosforylering door eiwit fosfatasen aan het einde van mitose zorgt weer
voor de verzameling.
- Defecten in specifieke lamines zorgt voor verschillende typen progeria:
zeldzame stoornissen die een individu extreem snel laten ouder worden.
Kinderen met progeria hebben een gerimpelde huid, verliezen hun tanden
en haar en ontwikkelen vaak een extreme hartziekte. De oorzaak van
progeria is niet zeker, maar waarschijnlijk komt het door de nucleaire
instabiliteit dat leidt tot niet complete celdeling, meer cel dood en het vermogen om
beschadigd weefsel te herstellen.
Linker-eiwitten verbinden cytoskeletfilamenten en overbruggen de nucleaire envelop
- Plectinen: accessoire eiwitten die filamenten cross-linken in bundels en ze verbinden
met microtubuli, actine filamenten en adhesieve structuren in desmosomen. Mutaties
in het gen van plectine zorgt voor een erge humane ziekte. Dus omdat plectinen niet
per se noodzakelijk is voor de intiële formatie van intermediate filamenten, is de cross-
linkende actie wel nodig om cellen te voorzien van de sterkte die ze nodig hebben om
mechanische stress te weerstaan.
- Plectine en andere eiwitten interacteren ook met eiwitcomplexen die heet
cytoplasmatische cytoskelet linken aan structuren binnen
de kern. Deze ‘bruggen’ koppelen mechanisch de kern aan
het cytoskelet en zijn betrokken in veel processen,
waaronder het bewegen van de kern in de cel en de
organisatie van het cytoskelet.
- Uitleg plaatje hiernaast: intermediate filamenten(blauw)
worden gelinkt aan microtubuli (groen) door plectinen
(oranje).
Microtubuli
Inleiding
Microtubuli hebben een belangrijke organiserende rol in eukaryote cellen.
microtubuli zijn lange niet erg rekbare, holle staven van eiwit, die snel kunnen
afbreken in een locatie en weer verzamelen in een andere locatie. De
microtubuli breiden zich uit naar de celrand, waar ze een systeem van sporen
creëren in de cel, waarmee vesikels, organellen en andere celonderdelen
getransporteerd kunnen worden.
Wanneer een cel in de M-fase komt, breken de cytoplasmatische
mictrotubuli af en verzamelen ze in een structuur genaamd mitotische
spindel. Microtubuli kunnen ook stabiele structuren vormen zoals cilia en flagella. Deze
haarachtige structuren verbreiden de oppervlakte.
Microtubuli zijn holle staven met gestructureerde eindes
3
, - Microtubuli zijn gebouwd van subunits. Die subunits zijn tubulin
moleculen, waarvan elk een dimeer is die is opgebouwd uit twee
vergelijkbare bolvormige eiwitten genaamd α- en β tubulinen, die strak
aan elkaar gebonden zijn door niet covalente interacties. De dimeren
stapelen bij elkaar, om een holle muur te vormen (cilinderachtige
microtubule), die uit 13 parallelle protofilamenten bestaan.
- Elk protofilament heeft een structurele polariteit, met een α-tubuline aan
het ene einde en een β-tubuline aan de andere, en deze polariteit is
hetzelfde als voor alle andere protofilamenten in het microfilament. Het
β-einde wordt de + kant genoemd en α-einde wordt de - kant genoemd
Het centrosoom is de belangrijkste microtubuli-organiserende centrum in cellen
- Het centrosoom maakt microtubuli en straalt die uit in het cytoplasma.
Het centrosoom bevat een paar van centriolen, die weer omringd zijn
door een eiwitcomplex. Dit complex bevat honderden
ringstructuren gevormd van een speciaal type γ-
tubuline en elke γ-tubuline ring complex is een
startpunt(nucleation site) voor de groei van een
microtubule. De groei gebeurt alleen aan de + kant dus
de β-tubuline.\
- Centriolen hebben geen rol in de productie, het γ-
tubuline ring complex is genoeg. Plantcellen hebben
bijvoorbeeld geen centriolen, maar in diercellen zijn ze wel nodig voor organiserende
centra voor de microtubuli in cilia en flagella, waar ze basale lichamen worden
genoemd.
Microtubuli tonen dynamische instabiliteit
- Als een microtubule nucleated is (geproduceerd), kan de microtubule opeens heel snel
veranderen en klein worden door zijn dimeren aan het + einde te verliezen.
Het kan dan deels kleiner worden, maar kan ook weer opeens groeien, of
het kan helemaal verdwijnen, waardoor het vervangen wordt door een
nieuwe microtubule die van dezelfde γ-tubuline ring complex groeit. Dit
wordt dynamische instabiliteit genoemd. Deze functie is nodig voor
microtubuli.
- De functie is te vergelijken met een visser: als er geen vis aan de lijn hangt,
wordt de lijn heel snel teruggetrokken en wordt er een nieuwe beet
aangehangen. Maar als een visser beet heeft, blijft de lijn daar om de vis
aan de lijn vast te houden.
Dynamische instabiliteit wordt gedreven door GTP hydrolyse
- Tubuline dimeren kunnen GTP hydrolyseren. Elke vrije tubuline dimeer
heeft een GTP molecuul gebonden aan β-tubuline die GTP hydrolyseert tot
GDP kort nadat de dimeer is toegevoegd aan een groeiende microtubule.
De GDP blijft gebonden aan de dimeer en als een microtubule helemaal is gegroeid, zal
het einde alleen maar bestaan uit GTP-dimeren die samen een GTP cap vormen. GTP-
geassocieerde dimeren binden sterker aan hun buren in de microtubule dan de dimeren
die GDP binden.
- Vanwege de willekeur van chemische processen zal het soms gebeuren dat de tubuline
dimeren aan het uiteinde van de microtubule hun GTP hydrolyseren voordat de
volgende dimeren worden toegevoegd, zodat de uiteinden van protofilamenten nu zijn
4
