De cel is het kleinste levende onderscheiden deel van het lichaam. De cel heeft een aantal functies. De functie van de cel is per weefsel (verzameling cellen met dezelfde functie) anders. De functies van de cel worden uitgevoerd door een aantal organellen. In dit artikel wordt ingegaan op de globale bouw van een cel en de functies van de verschillende organellen. Ook worden enkele processen van de cel beschreven.
Organisatie van de cel
De substanties waar een cel uit bestaat, worden tezamen het protoplasma genoemd. Een cel bestaat 70 tot 85 procent uit water. Electrolyten zijn anorganische chemische stoffen die belangrijk zijn voor cellulaire reacties. Belangrijke electrolyten in de cel zijn: Kalium, Magnesium, Fosfaat, Sulfaat, Bicarbonaat en kleine hoeveelheden Natrium, Chloride en Calcium. Een cel bestaat voor 10 tot 20 procent uit eiwitten. Vetten maken 2 procent van de celmassa uit. Belangrijke vetten zijn: fosfolipiden, cholesterol, triglyceriden en neutrale vetten. Vetcellen (Adipocyt(en)) bestaan tot 95 procent uit vet. Koolhydraten zijn belangrijk in de energievoorziening van cellen. De meeste cellen bevatten 1 procent koolhydraten. Spiercellen kunnen 3 procent koolhydraten in de vorm van glycogeen bevatten. De lever kan tot 6 procent koolhydraten in de vorm van glycogeen bevatten.
De organellen
De cel bestaat uit de volgende organellen:
• Membraan en celmembraan
• Celkern/nucleus
• Ribosomen
• Endoplasmatisch reticulum
• Golgi-apparaat
• Lysozymen
• Cytoplasma/protoplasma
• Mitochondrie
Membraan en celmembraan
De gehele cel en alle afzonderlijke organellen worden omgeven door een membraan. Dit membraan bestaat uit een dubbele fosfolipidenlaag en is slecht doorlaatbaar voor water(oplosbare stoffen) en goed doorlaatbaar voor vet(oplosbare stoffen). De celmembraan is er voor bescherming van de cel en communicatie tussen de verschillende cellen. De membranen om de verschillende organellen zijn er voornamelijk voor bescherming. In de celmembraan zitten glycoproteinen. Er zijn twee typen glycoproteinen: de integrale proteinen, die het hele membraan doorboren en de perifere proteinen die aan de binnenkant van het membraan zijn gehecht. Veel integrale proteinen bezitten structurele kanalen (poriën) waardoor vele wateroplosbare stoffen (met name ionen) kunnen diffunderen. Andere integrale proteinen fungeren als carrierproteïnen waardoor stoffen tegen de concentratiegradiënt getransporteerd kunnen worden. Integrale proteinen hebben soms ook een receptorfunctie voor bijvoorbeeld hormonen die de cel niet kunnen binnendringen. De perifere proteinen zitten meestal vast aan een integraal proteïne en functioneren als een enzym.
Celkern/Nucleus
De celkern is ook omgeven door een dubbele membraan. In de membraan bevinden zich grote poriën, waardoor transport kan plaatsvinden tussen de celkern en het cytoplasma. In de celkern is het chromatine wat is opgebouwd uit DNA. Bij een celdeling condenseert het chromatine tot chromosomen. In het DNA ligt de informatie voor het leven opgeslagen. De celkern stuurt de eiwit- (eiwit is DE bouwstof van menselijke weefsels) en enzymproductie aan. Ook is de celkern verantwoordelijk voor de celdeling. Signaalstoffen (hormonen en neurotransmitters) sturen de cel aan om deze functies uit te voeren.
Ribosomen
De ribosomen synthetiseren eiwitten uit de aminozuren, diee in het cytoplasma zijn opgelost. De ribosomen doen dit in opdracht van een soort signaalstof (het RNA) wat door de celkern wordt gemaakt.
Endoplasmatisch reticulum
Het endoplasmatisch reticulum vervormt de eiwitten tot stoffen die bruikbaar zijn voor de lichaamscel. De stoffen worden vervoerd naar het golgi-apparaat. Het endoplasmatisch reticulum bestaat uit een netwerk van tubuli en blaasjes. Het membraan van het endoplasmatisch reticulum heeft een grote oppervlakte waarop verschillende stoffen gemaakt en vrijgegeven worden. Ribosomen liggen op het endoplasmatisch reticulum. Verder maakt het endoplasmatisch reticulum ook koolhydraten, vetten en andere stoffen.
Golgi-apparaat
Het golgi-apparaat ontvangt stoffen die het aan de extracellulaire ruimte middels exocytose kan afstaan. Ook kunnen in het golgi-apparaat verteringsenzymen liggen opgeslagen, diee aan de lysozymen worden afgegeven. Het golgi-apparaat kan ook een rol spelen bij de aanmaak van secretieproducten. Het is sterk ontwikkeld in cellen met een secernerende functie.
Lysozymen
De lysozymen bevatten verteringsenzymen. Deze verteringsenzymen kunnen grote stoffen afbreken tot kleinere stoffen. De lysozymen bevatten ook stoffen waarmee ziekteverwekkers kunnen worden afgebroken. Witte bloedcellen bevatten bijvoorbeeld zeer veel lysozymen. Hierdoor is de witte bloedcel goed in staat ziekteverwekkers onschadelijk te maken.
Cytoplasma/protoplasma
Het grootste gedeelte van de cel is cytoplasma (70%). Cytoplasma bestaat voornamelijk uit water. In dit water zijn zouten en aminozuren opgelost. Ook is in het cytoplasma de afbraak van glucose zonder zuurstof (glycolyse) te vinden. Hierbij komt energie in de vorm van ATP vrij. De cel heeft ATP nodig om te kunnen functioneren.
Mitochondrie
In het mitochondrie vindt de energie-(ATP)-productie met zuurstof plaats. Hier worden glucose en vet afgebroken tot water en koolstofdioxide. De energie (ATP) die wordt geleverd, heeft de cel hard nodig om zijn functies uit te kunnen voeren. Spierweefsel bevat bijvoorbeeld veel mitochondrieen, omdat deze veel arbeid moet verrichten.
Functionele systemen en processen van de cel
Endocytose. De cel verkrijgt voedingsstoffen en andere stoffen via de omringende vloeistof door het celmembraan middels diffusie en actief transport. Stoffen die groot zijn, worden middels endocytose de cel in getransporteerd. Pinocytose en fagocytose zijn vormen van endocytose.
• Pinocytose is de vertering van kleine bolletjes extracellulair vocht, die zeer kleine blaasjes in het cytoplasma vormen. Dit is de enige methode waarmee grote moleculen zoals eiwitten de cel kunnen binnendringen. Deze moleculen hechten zich aan speciale receptoren aan de buitenkant van het membraan. De receptoren bevinden zich in caveolea van het celmembraan. In de caveolea bevindt zich clathrine en een contractiel filament van actine en myosine. Nadat de eiwitmoleculen zich aan de receptoren binden, invagineert het membraan en omringen de contractiele eiwitten de invaginatie. Zo ontstaat een pinocytotisch blaasje.
• Fagocytose is de vertering van grote stoffen, zoals bacteriën, cellen en weefsel wat afsterft. Deze vorm van vetering lijkt erg op pinocytose. Bij fagocytose worden echter grotere stoffen door de cel opgenomen. Alleen bepaalde cellen kunnen fagocyteren. Deze cellen fagocyten en witte bloedcellen. Fagocytose wordt gestart wanneer eiwitten of grote polysachariden van een stof zich binden aan receptoren van een fagocyt. Bacteriën binden meestal aan gespecialiseerde antilichamen. De antilichamen binden vervolgens aan de receptoren van een fagocyt. De functie van het antilichaam wordt opponisatie genoemd.
Vreemde stoffen die middels pinocytose of fagocytose de cel zijn binnen gekomen worden door de lysozymen verder verteerd. Zodra vreemde stoffen de cel binnen komen, hechten lysozymen zich direct aan deze vreemde stoffen. De vreemde stoffen worden afgebroken tot eiwitten, koolhydraten en vetten en residu wat middels exocytose de cel uit wordt getransporteerd. Exocytose is het tegenovergestelde van endocytose.
Synthese van cellulaire stoffen
De synthese van de meeste cellulaire stoffen begint meestal in het endoplasmatisch reticulum. De meeste producten die in het endoplasmatisch reticulum worden gevormd, worden daarna naar het golgi-apparaat getransporteerd. In het golgi-apparaat worden de producten verder bewerkt, voordat ze aan het cytoplasma worden afgegeven. Op het ruw endoplasmatisch, wat gekaraktiseerd wordt door een grote hoeveelheid ribosomen, worden eiwitten gevormd. Ribosomen synthetiseren eiwitten en geven deze af aan de wand van het endoplasmatisch reticulum. Wanneer moleculen het endoplasmatisch reticulum binnendringen, veroorzaken plaatselijke enzymen snelle veranderingen, zoals de vorming van glycoproteinen. Ook worden er “cross-links” tussen eiwitten gevormd, eiwitten worden gevouwd en verkort om zo meer complexe moleculen te maken. Het endoplasmatisch reticulum synthetiseert ook lipiden, met name fosfolipiden en cholesterol. Fosfolipiden en cholesterol worden in de dubbele fosfolipidenlaag van het membraan ingebouwd.
Energieproductie door de mitochondria in de cel
De cel produceert energie door voedingsstoffen (vet, koolhydraat en eiwit) met zuurstof te verbranden. In het menselijk lichaam worden in het spijsverteringsstelsel en lever bijna alle koolhydraten geconverteerd tot glucose. Eiwitten worden door het spijsverteringsstelsel en lever afgebroken tot aminozuren en vetten worden afgebroken tot glycerol en vetzuren. In de cel reageren glucose, aminozuren en vetzuren met zuurstof. Dit gebeurt onder invloed van enzymen. De enzymen beïnvloeden de snelheid en richting van de reactie. Alle oxidatieve reacties hebben plaats in de mitochondria en de energie die hierbij vrijkomt, wordt gebruikt om ATP te vormen. ATP is een nucleotide die bestaat uit de stikstofbase Adenine, het pentose Ribose en de drie fosfaatradicalen. De laatste twee fosfaatradicalen zijn middels hoogenergetische bindingen aan elkaar gekoppeld. Elk van deze bindingen bevat 12.000 calorieën (12 kcal) per mol ATP. De hoogenergetische bindingen zijn zeer labiel, zodat zeer snel energie vrijgemaakt kan worden, om andere cellulaire reacties van energie te voorzien. Wanneer energie vrijkomt uit het ATP, komt er een fosfaat vrij en ontstaat er ADP (Adenosinedifosfaat). Energie die vanuit de verbranding weer vrijkomt, bindt het fosfaat weer aan ADP en er ontstaat ATP. Het grootste deel van de ATP-productie heeft plaats in de mitochondria. Als glucose de cel binnenkomt, reageert het met enzymen in het cytoplasma en ontstaan er twee pyruvaatmoleculen (uit 1 glucosemolecuul). Dit proces wordt glycolyse genoemd. Minder dan 5 procent van de totale ATP-productie wordt middels de glycolyse geleverd. Het pyruvaat, vrije vetzuren en aminozuren worden allemaal in de matrix van de mitochondrie tot AcetylCoA omgezet. AcetylCoA ondergaat een aantal reacties onder invloed van enzymen in de Citroenzuurcyclus. In de citroenzuurcyclus wordt AcetylCoA afgebroken tot waterstofionen en koolstofdioxide. Waterstofionen zijn zeer reactief en reageren makkelijk met zuurstof tot water. Bij deze reactie komt zeer veel energie vrij. Deze energie wordt gebruikt om ATP uit ADP en een vrije fosfaatgroep te verkrijgen. ATP wordt voor verschillende cellulaire functies gebruikt. ATP voorziet drie celfuncties van energie (1) transport over het membraan, zoals de Natrium-Kalium-pomp, welke Kalium de cel in pompt en Natrium uit de cel pompt; (2) synthese van chemische producten door de cel; (3) mechanische arbeid, zoals spiercontractie en ciliaire en amoeboide bewegingen van een cel.
Bewegingen van cellen
De belangrijkste beweging van cellen die plaats heeft in het lichaam, zijn die van gespecialiseerde skeletspiercellen, hartspiercellen en gladde spiercellen. Het lichaam bestaat voor ongeveer 50% uit spieren. Twee andere celbewegingen zijn amoeboide en de bewegingen van trilharen van een cel. Amoeboide bewegingen zijn bewegingen van een gehele cel. Een voorbeeld van een amoeboide cel is de beweging van een witte bloedcel door weefsels. Een amoeboide beweging begint met de ontwikkeling van pseudopodium. Een pseudopodium ontstaat met constante exocytose aan het ene eind en endocytose in het midden en uiteinde van de cel. Twee andere effecten zijn ook essentieel voor het voortbewegen van de cel. Het eerste effect is het vastgrijpen van het pseudopodium aan de omgeving. Ook moet er voldoende energie zijn om de cel voort te bewegen. In het cytoplasma van alle cellen komt actine voor. Wanneer dit molecuul polymeriseert en bindt met myosine. Het binden en weer loslaten van actine aan myosine kost energie, dus ATP. Chemotaxis is het belangrijkste proces wat amoeboide bewegingen van cellen stimuleert. De bewegingen van trilharen zijn zweepachtige bewegingen. Trilharen zitten aan de oppervlakte van cellen. Trilharen komen maar op twee plaatsen in het lichaam voor: in de luchtwegen en eileiders. In de neusholte en de onderste luchtwegen brengen de trilharen een slijmlaag in beweging richting de pharynx met een snelheid van ongeveer 1cm/min. Op deze manier wordt slijm en afvalstoffen die daarin zitten afgevoerd. Er moet voldoende ATP en bepaalde ionen aanwezig om de beweging van een trilhaar mogelijk te maken.
Bronnen:
JE. Hall, 2006, Pocket Companion to Textbook of Medical Physiology, Elsevier Inc
GA Thibodeau, Patton KT 2007, Anatomy & Physiology, Mosby/Elsevier
EN Marieb, Hoehn K 2007, Human Anatomy & Physiology, Pearson/Benjamin Cummings