Universitaire biologie — jaar 1 · Bachelor Year 1

6Functionele organisatie van de eukaryote cel

Een cel van de alvleesklier maakt elke dag ongeveer haar eigen massa aan verteringsenzymen en giet die in een afvoerbuis. Die enzymen zijn eiwitten die de cel die ze maakte zouden verteren; daarom bouwt de cel ze binnen een afgesloten membraanblad, verscheept ze door een tweede compartiment waar ze worden gesorteerd en geconcentreerd, slaat ze op in korrels, en geeft ze pas vrij op het signaal van een maaltijd. Elke stap gebeurt in een andere door membranen begrensde ruimte, en het verkeer tussen die ruimten wordt door blaasjes verzorgd. Dit hoofdstuk beschrijft de compartimenten van de eukaryote cel, het endomembraansysteem waar de eiwitten doorheen stromen, de organellen die energie omzetten, het skelet dat de vorm van de cel bewaart en haar onderdelen verplaatst, en de kenmerken die een plantencel van een dierlijke onderscheiden.

6.1 Compartimenten

Definitie 6.1 (Organel, cytosol)

Een organel is een structuur binnen een cel met een bepaalde samenstelling en functie; de door membranen begrensde organellen zijn compartimenten waarvan de inhoud in samenstelling verschilt van het cytosol, de waterige oplossing van het cytoplasma daarbuiten. Door membranen begrensde compartimenten: de celkern, het endoplasmatisch reticulum, het golgi-apparaat, de lysosomen, de peroxisomen, de mitochondriën, en bij planten de plastiden en de vacuole. Organellen zonder membraan: de ribosomen, het centrosoom, het cytoskelet.

Een algemene dierlijke cel, opengesneden. De celkern in het midden; daaromheen het ruwe endoplasmatisch reticulum dat overgaat in de kernenvelop, het gladde reticulum, de golgistapel met haar blaasjes, mitochondriën, lysosomen, en het centrosoom van waaruit de microtubuli stralen.

Definitie 6.2 (De celkern)

De celkern bevat de chromosomen als chromatine, DNA gewonden om histoneiwitten (Hoofdstuk 17). Zij is begrensd door de kernenvelop, twee membranen waarvan de buitenste overgaat in het endoplasmatisch reticulum, doorboord door kernporiën waardoor RNA en eiwitten in beide richtingen gecontroleerd passeren. De nucleolus is het gebied waar ribosomaal RNA wordt gemaakt en ribosomen worden gebouwd. De celkern scheidt de transcriptie (binnen) van de translatie (buiten), een scheiding die prokaryoten niet kennen.

Propositie 6.3 (De compartimenten van een levercel)

In een hepatocyt van $5000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ neemt het cytosol ongeveer de helft van het volume in, de mitochondriën een vijfde, het endoplasmatisch reticulum een zesde, de celkern een zestiende, en het golgi-apparaat, de lysosomen en de peroxisomen samen enkele procenten. De membranen vertellen een ander verhaal: van de $110\,000\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ membraan in de cel is de helft endoplasmatisch reticulum, een derde het binnenmembraan van de mitochondriën, en slechts $2\,\%$ de plasmamembraan. Het meeste membraan van een cel zit binnenin.

Waar het membraan van een levercel zit. De plasmamembraan, de enige die van buitenaf zichtbaar is, is twee procent van het totaal; het reticulum en het binnenmembraan van de mitochondriën, binnenin opgevouwen, zijn vier vijfde.

6.2 Het endomembraansysteem

Definitie 6.4 (Endoplasmatisch reticulum, golgi-apparaat, lysosoom)

Het endoplasmatisch reticulum (ER) is een netwerk van membraanbladen en buizen dat één aaneengesloten ruimte omsluit, het lumen, en overgaat in de kernenvelop. Het ruwe deel is bezet met ribosomen die de eiwitten die zij maken het lumen of de membraan in duwen; het gladde deel maakt lipiden, slaat calcium op en ontgift. Het golgi-apparaat is een stapel afgeplatte zakjes (cisternen), met een ontvangende cis-zijde bij het ER en een verzendende trans-zijde, waarin eiwitten uit het ER worden gewijzigd (suikers bijgesneden en toegevoegd), gesorteerd, en in blaasjes verpakt voor hun bestemming. Lysosomen zijn zure blaasjes (pH $\approx 5$ ) vol hydrolytische enzymen die van buiten aangevoerd materiaal of versleten organellen verteren. Samen met de blaasjes die tussen hen en de plasmamembraan heen en weer gaan, vormen zij het endomembraansysteem: één samenhangend stel compartimenten waarvan de lumina topologisch de buitenkant van de cel zijn.

Propositie 6.5 (De secretieroute)

Een eiwit dat bestemd is voor afscheiding, voor de plasmamembraan of voor een lysosoom wordt gemaakt door ribosomen die aan het ruwe ER gebonden zijn, komt tijdens zijn synthese het ER-lumen binnen, vouwt zich daar, reist in blaasjes naar de cis-zijde van het golgi-apparaat, doorkruist de stapel terwijl het wordt gewijzigd, en verlaat de trans-zijde in een blaasje dat aan zijn bestemming is geadresseerd: een secretiekorrel die op een signaal met de plasmamembraan versmelt (gereguleerde exocytose), een blaasje dat onafgebroken versmelt (constitutieve exocytose, die tevens nieuw membraan aanvoert), of een lysosoom. Cytosolische en kerneiwitten worden op vrije ribosomen gemaakt en komen het systeem nooit binnen. Wat beslist, is een signaalsequentie aan het begin van het eiwit (Hoofdstuk 19).

Bewijsmateriaal. Palade (jaren 1960) gaf plakjes cavia-alvleesklier drie minuten lang radioactieve aminozuren (de puls), daarna ongemerkte (de jacht), en lokaliseerde de radioactiviteit met autoradiografie van elektronenmicroscopische opnamen op gezette tijden. Na $3\,\mathrm{min}$ lagen de zilverkorrels boven het ruwe ER; na $20\,\mathrm{min}$ boven het golgi-apparaat; na $40\,\mathrm{min}$ boven condenserende vacuolen en nieuwe korrels; na $2\,\mathrm{h}$ in het lumen van de afvoerbuis. Celfractionering gaf langs chemische weg dezelfde volgorde. Blobel (jaren 1970) toonde aan dat secretie-eiwitten die in een reageerbuis zonder membranen worden gemaakt twintig residuen langer zijn dan de afgescheiden vorm en niet tegen een toegevoegd protease beschermd zijn, terwijl zij bij aanwezigheid van ER-membranen wel worden geknipt en beschermd: de extra residuen zijn het signaal dat de groeiende keten het ER in stuurt. ∎

De puls-jachtproef van Palade in de alvleesklier: waar de gemerkte eiwitten zich bevinden als functie van de tijd. Zij gaan in een kwartier van het ER naar het golgi-apparaat, bereiken de korrels binnen het uur, en verlaten de cel in de twee uur daarna.

Een acinaire cel van de alvleesklier in de transmissie-elektronenmicroscoop: ruw ER in evenwijdige stapels rond de celkern aan de basis, het golgi-apparaat erboven, en de dichte secretiekorrels opeengepakt naar de top en de afvoerbuis toe.

Methode 6.6 (Een molecuul door de cel volgen)

Merk een korte lichting: stel de cellen enkele minuten bloot aan een radioactieve of fluorescerende voorloper (de puls) en vervang die dan door een overmaat ongemerkte voorloper (de jacht), zodat alleen moleculen die tijdens de puls zijn gemaakt het merk dragen.
Neem op gezette tijden monsters, fixeer, en lokaliseer het merk: met autoradiografie van coupes, met fluorescentiemicroscopie, of door fractionering en tellen.
Het compartiment waarvan het merk het eerst piekt ligt stroomopwaarts; de volgorde van de pieken is de route; de tussentijden zijn de transporttijden.
Blokkeer een stap (kou, een energieremmer, een mutant) en kijk waar het merk zich ophoopt: in het compartiment vóór de blokkade.

Definitie 6.7 (Endocytose)

Endocytose brengt materiaal naar binnen: de plasmamembraan stulpt eromheen naar binnen en snoert een blaasje af, dat gewoonlijk met een lysosoom versmelt. Fagocytose slokt deeltjes op (een bacterie, een dode cel); pinocytose neemt druppeltjes vloeistof op; receptorgemedieerde endocytose concentreert een bepaald molecuul (cholesteroldragende deeltjes, ijzerdragend transferrine) op receptoren in beklede putjes voordat het wordt opgenomen. Exocytose voegt membraan aan het celoppervlak toe en endocytose neemt het weg; in een afscheidende cel houden de twee elkaar in evenwicht, zodat het oppervlak constant blijft terwijl er elk uur hele stukken membraan doorheen circuleren.

6.3 Mitochondriën en plastiden

Definitie 6.8 (Mitochondrion)

Een mitochondrion is een organel van $0.5\text{ to }1\,\text{µ}\mathrm{m}$ dik en enkele micrometers lang, begrensd door twee membranen: een glad buitenmembraan dat doorlaatbaar is voor kleine moleculen, en een binnenmembraan dat tot cristae is gevouwen, ondoorlaatbaar is voor ionen en de ademhalingsketen en het ATP-synthase draagt (Hoofdstuk 15). Binnenin ligt de matrix, met de enzymen van de krebscyclus, ribosomen van het bacteriële type en verscheidene kopieën van een klein ringvormig DNA. Mitochondriën delen door splitsing, bewegen langs het cytoskelet, en komen per cel in aantallen van enkele honderden tot enkele duizenden voor.

Definitie 6.9 (Plastiden)

Plastiden zijn de organellen met een dubbele membraan van plantencellen: chloroplasten, waarin een derde membraanstelsel, de thylakoïden, gestapeld tot grana en gebaad in het stroma, de fotosynthese uitvoert (Hoofdstuk 14); amyloplasten, die zetmeel opslaan; chromoplasten, die de kleurstoffen van vruchten en kroonbladen bevatten. Alle komen voort uit proplastiden en bevatten, net als de mitochondriën, hun eigen ringvormige DNA en ribosomen van het bacteriële type, en delen door splitsing.

Een mitochondrion (links) en een chloroplast (rechts) in doorsnede onder de elektronenmicroscoop. Elk twee envelopmembranen; binnenin het gevouwen binnenmembraan van het mitochondrion en de gestapelde thylakoïden van de chloroplast — de membranen waarop energie wordt omgezet.

Propositie 6.10 (Endosymbiotische oorsprong)

Mitochondriën en plastiden stammen af van vrijlevende bacteriën die door een voorouderlijke eukaryote cel zijn opgeslokt en als symbionten behouden: mitochondriën van een aerobe bacterie, plastiden van een cyanobacterie.

Bewijsmateriaal. Beide organellen hebben twee membranen, waarvan het binnenste van bacteriële samenstelling is en het buitenste op dat van de gastheer lijkt; een ringvormig chromosoom zonder histonen; ribosomen van bacteriële afmeting en gevoeligheid voor antibiotica; een genetische code met bacteriële varianten; deling door tweedeling onafhankelijk van die van de cel; en hun genen groeperen zich, eenmaal gesequencet, bij die van bepaalde bacteriële lijnen (alfaproteobacteriën, cyanobacteriën) en niet bij de kerngenen van de cel die hen huisvest. De meeste van hun oorspronkelijke genen zijn sindsdien naar de kern verhuisd, en de organellen kunnen niet meer alleen leven. ∎

Definitie 6.11 (Peroxisoom)

Een peroxisoom is een klein organel met één membraan dat oxidatieve enzymen bevat die waterstof van substraten (vetzuren, alcohol) op zuurstof overdragen, waarbij waterstofperoxide ontstaat, en katalase, dat het peroxide ter plaatse afbreekt. Het sluit een gevaarlijke chemie op.

6.4 Het cytoskelet

Definitie 6.12 (Cytoskelet)

Het cytoskelet is een netwerk van eiwitfilamenten dat de cel haar vorm geeft, haar organellen verankert, en die organellen en de cel zelf verplaatst. Er zijn drie typen: microfilamenten van actine ( $7\,\mathrm{nm}$ , twee gedraaide strengen bolvormige eenheden), geconcentreerd onder de plasmamembraan en verantwoordelijk voor de celvorm, het kruipen, de contractiele ring van de deling en de spiercontractie met myosine; microtubuli (holle buizen van $25\,\mathrm{nm}$ uit tubuline), die uitstralen vanuit het centrosoom, sporen waarlangs motoreiwitten (kinesine naar buiten, dyneïne naar binnen) blaasjes en organellen vervoeren, de spoelfiguur van de deling, en de kern van trilharen en zweepstaarten; intermediaire filamenten ( $10\,\mathrm{nm}$ , touwachtig, van keratines en verwante eiwitten), de mechanisch sterke vezels die cellen verstevigen en aan desmosomen verankeren. Microfilamenten en microtubuli worden voortdurend uit hun voorraad bouwstenen opgebouwd en weer afgebroken.

De drie filamenten van het cytoskelet, op dezelfde schaal getekend. Actine en tubuline polymeriseren omkeerbaar uit bolvormige eenheden; intermediaire filamenten zijn stabiele touwen.

Voorbeeld 6.13 (Een blaasje verplaatsen)

Een secretieblaasje dat het golgi-apparaat verlaat, wordt opgepikt door kinesine, een motor die met ongeveer $1\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{s}$ langs een microtubulus naar de rand van de cel loopt en per stap van $8\,\mathrm{nm}$ één ATP verbruikt; in een neuron draagt dezelfde motor blaasjes over de lengte van een axon van een meter — een reis van tien dagen. Vlak bij het oppervlak wordt het blaasje overgedragen aan de actineschors en aan myosine voor de laatste micrometer. Diffusie zou een blaasje van $100\,\mathrm{nm}$ ongeveer een minuut kosten om een cel van $20\,\text{µ}\mathrm{m}$ over te steken, en jaren om een meter af te leggen: organellen worden gedragen en niet aan het toeval overgelaten.

6.5 Plantencellen en dierlijke cellen

Definitie 6.14 (Celwand, vacuole, plasmodesmata)

Een plantencel voegt drie structuren aan het gemeenschappelijke plan toe. De celwand, buiten de plasmamembraan, is een samenstel van cellulosemicrofibrillen in een matrix van andere polysachariden (Hoofdstuk 10); hij legt de vorm van de cel vast, weerstaat de druk binnenin, en kit naburige cellen aaneen via een gedeelde middenlamel. De vacuole, een compartiment met één membraan dat tot $90\,\%$ van het celvolume inneemt, slaat water, ionen, suikers, kleurstoffen en afvalstoffen op; haar osmotische druk duwt de membraan tegen de wand, en die turgor is wat een blad overeind houdt. Plasmodesmata zijn kanalen door de wanden, bekleed met plasmamembraan, waardoor het cytosol van naburige cellen aaneengesloten is, zodat een plantenweefsel voor een deel één samenhangend cytoplasma is (de symplast).

Een plantencel: de wand buiten de membraan, de vacuole die het grootste deel van het volume vult, chloroplasten en mitochondriën in de dunne laag cytoplasma daartussen.

Propositie 6.15 (Plantencel en dierlijke cel vergeleken)

Beide hebben een celkern, ER, golgi-apparaat, mitochondriën, peroxisomen, ribosomen en een cytoskelet. De plantencel heeft een cellulosewand, een grote vacuole, plastiden en plasmodesmata, en geen centriolen of lysosomen (de vacuole verteert); zij kruipt niet en slokt niet op, en deelt door dwars door het midden een nieuwe wand te bouwen. De dierlijke cel heeft geen wand (en kan dus van vorm veranderen, kruipen en fagocyteren), wel lysosomen en een centrosoom met centriolen, en communiceert via celverbindingen in plaats van plasmodesmata; zij deelt door zich in tweeën te snoeren.

Voorbeeld 6.16 (Turgor)

Een bladcel waarvan de vacuole $0.3\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ opgeloste stoffen bevat, trekt water aan tot de wand met een druk van ongeveer $0.7\,\mathrm{MPa}$ terugduwt, zeven atmosfeer; de cel is dan turgescent en het blad stevig. Ontnomen van water verliest de vacuole volume, daalt de druk tot nul, en verwelkt het blad — de wand onveranderd, de druk verdwenen (Hoofdstuk 7). Een dierlijke cel in dezelfde oplossing zou, zonder wand, eenvoudigweg barsten.

6.6 Opgaven

Oefening 6.1 ★

Noem de door membranen begrensde organellen van een dierlijke cel en geef in enkele woorden van elk de belangrijkste functie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.1.

Celkern (chromosomen, transcriptie); ruw ER (secretie- en membraaneiwitten); glad ER (lipiden, calcium, ontgifting); golgi-apparaat (sorteren, wijzigen, verpakken); lysosomen (vertering); peroxisomen (oxidaties, katalase); mitochondriën (ademhaling, ATP).

Oefening 6.2 ★

Volg de weg van een verteringsenzym van zijn synthese tot de afvoerbuis, en noem elk compartiment en de manier waarop het eiwit ertussen passeert.

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.2.

Gemaakt door ribosomen die aan het ruwe ER gebonden zijn en tijdens de synthese het lumen ingeschoven (signaalsequentie); blaasjes knoppen van het ER af en versmelten met het cis-golgi; het eiwit doorkruist de stapel, wordt gewijzigd en gesorteerd; het verlaat de trans-zijde in een condenserende vacuole die tot secretiekorrel rijpt; de korrel versmelt op een signaal met de apicale membraan en leegt zich in de afvoerbuis.

Oefening 6.3 ★

Welk deel van het membraan van de cel is volgens de figuur van de membraanbalans mitochondriaal (buiten plus binnen)? Waarom is het binnenmembraan zoveel groter dan het buitenmembraan?

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.3.

$7 + 32 = 39\,\%$ . Het binnenmembraan is tot cristae gevouwen omdat het de ademhalingsketen en het ATP-synthase draagt, waarvan de doorzet evenredig is met zijn oppervlak; het buitenmembraan is slechts een omhulsel.

Oefening 6.4 ★

Geef drie structuren die een plantencel heeft en een dierlijke cel niet, en twee die de dierlijke cel heeft en de plantencel niet.

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.4.

Plant: cellulosewand, grote vacuole, plastiden (en plasmodesmata). Dier: lysosomen, centriolen (en het vermogen om te kruipen en te fagocyteren).

Oefening 6.5 ★★

Op welk tijdstip piekt het merk volgens de figuur van de puls-jachtproef in het ER, in het golgi-apparaat en in de korrels? Schat de transporttijd van ER naar korrel en de tijd tot de helft van het merk is afgescheiden.

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.5.

ER na $3\,\mathrm{min}$ (dan al dalend), golgi-apparaat na ongeveer $15\,\mathrm{min}$ , korrels na ongeveer $60\,\mathrm{min}$ . Transport van ER naar korrel ongeveer $45\,\mathrm{min}$ ; de helft afgescheiden na ongeveer $110\,\mathrm{min}$ .

Oefening 6.6 ★★

Een cel wordt behandeld met een middel dat microtubuli afbreekt. Voorspel de gevolgen voor de plaats van het golgi-apparaat, voor het blaasjesverkeer, voor de celdeling en voor het slaan van trilharen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.6.

Het golgi-apparaat, dat door dyneïne op microtubuli bij het centrosoom wordt gehouden, valt uiteen en raakt verspreid; het blaasjesverkeer vertraagt tot diffusie en het transport naar de rand stopt; de spoelfiguur kan niet worden gevormd en cellen blijven in de mitose steken; trilharen, waarvan de kern uit microtubuli bestaat, staan stil (bestaande trilharen zijn stabiel, maar worden niet vernieuwd).

Oefening 6.7 ★★

Geef vier stukken bewijsmateriaal voor de bacteriële oorsprong van mitochondriën, en leg uit waarom een mitochondrion desondanks niet buiten een cel kan leven.

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.7.

Twee membranen waarvan het binnenste van het bacteriële type is; ringvormig DNA zonder histonen; ribosomen van bacteriële afmeting, gevoelig voor antibiotica; deling door splitsing; gensequenties die zich bij de alfaproteobacteriën groeperen. Het kan niet alleen leven omdat de meeste van zijn genen naar de kern zijn verhuisd: het voert de meeste van zijn eiwitten uit het cytosol in.

Oefening 6.8 ★★

Het lumen van het ER is “topologisch buiten de cel”. Verklaar die uitdrukking door een membraaneiwit waarvan de suikerketens naar het lumen wijzen van het ER naar de plasmamembraan te volgen: naar welke kant wijzen de suikers aan het eind?

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.8.

De suikers worden in het ER en het golgi-apparaat aan de lumenzijde aangebracht. Elke versmelting van een blaasje behoudt de zijdigheid: de lumenzijde van een blaasje wordt de lumenzijde van het volgende compartiment, en wanneer het blaasje met de plasmamembraan versmelt, opent zijn lumen zich naar buiten, zodat de suikers naar de buitenkant wijzen. Wat luminaal is, ligt topologisch buiten.

Oefening 6.9 ★★

Een afscheidende cel geeft per dag $2000\,$ korrels van $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ doorsnede af via een apicaal oppervlak van $40\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . Bereken het membraan dat per dag wordt aangevoerd en hoe vaak het apicale oppervlak moet worden hergebruikt. Wat betekent dat?

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.9.

Elke korrel $\pi d^2 = 3.14\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ; per dag $6280\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ , oftewel $157\,$ keer de apicale zijde. De cel moet membraan met dezelfde snelheid door endocytose terughalen, zodat de apicale membraan elke negen minuten wordt vervangen en het teruggehaalde membraan voor hergebruik naar het golgi-apparaat gaat.

Oefening 6.10 ★★★

In een reageerbuis met ribosomen, mRNA voor een secretie-eiwit en aminozuren is het product een keten van $320\,$ residuen; met ER-blaasjes erbij verschijnt er binnen de blaasjes een keten van $300\,$ residuen die niet door een naderhand toegevoegd protease wordt verteerd. Duid elke waarneming, en zeg wat een mutant zonder de eerste twintig residuen zou doen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.10.

De keten van $320\,$ residuen is de voorloper met zijn signaalsequentie van $20\,$ residuen, die normaal bij binnenkomst in het ER wordt afgeknipt. Met blaasjes erbij komt de keten tijdens de synthese het lumen binnen, wordt het signaal afgeknipt, en beschermt de membraan het product tegen het protease. De mutant zonder signaal wordt door de ER-machinerie niet herkend: hij wordt op vrije ribosomen gemaakt en blijft op volle lengte in het cytosol, en wordt nooit afgescheiden.

Oefening 6.11 ★★★

De cellen van een patiënt missen een lysosomaal enzym dat een lipide afbreekt; de lipide hoopt zich op in gezwollen lysosomen en de cellen sterven. Leg de celbiologie uit, zeg waarom de ziekte het ergst is in cellen die hun membranen het snelst vernieuwen, en stel voor hoe een in het bloed gespoten enzym de lysosomen zou kunnen bereiken.

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.11.

Membranen die door endocytose naar binnen zijn gehaald en versleten organellen worden ter vertering aan de lysosomen afgeleverd; zonder het enzym kan de lipide die zij bevatten niet worden afgebroken en vult zij de lysosomen, die opzwellen tot de cel het begeeft. Cellen met de snelste membraanomzet (neuronen, die synaptische blaasjes onafgebroken hergebruiken; macrofagen) stapelen haar het snelst op. Een ingespoten enzym dat het suikersignaal draagt dat lysosomale enzymen kenmerkt, kan aan receptoren op het celoppervlak binden en door receptorgemedieerde endocytose in de lysosomen worden opgenomen — het beginsel van de enzymvervangingstherapie.

Oefening 6.12 ★★★

“De eukaryote cel is een federatie van voormalige bacteriën, bijeengehouden door een membraanstelsel.” Bespreek dat in een alinea en weeg af wat de endosymbiontentheorie verklaart tegen wat zij niet verklaart (celkern, ER, cytoskelet).

Oplossing

Oplossing van Oefening 6.12.

Endosymbiose verklaart mitochondriën en plastiden goed (twee membranen, een eigen genoom en eigen ribosomen, splitsing, bacteriële verwanten), en daarmee de energiestofwisseling van de eukaryoot. Zij verklaart niet de celkern, het ER en het golgi-apparaat, of het cytoskelet, die geen bacteriële tegenhangers hebben en uitvindingen van de gastheerlijn lijken — instulpingen van haar membraan en nieuwe eiwitten. “Federatie” past bij de organellen; “bijeengehouden door een membraanstelsel” wijst op het grotere, onverklaarde deel: een gastheercel die al eukaryoot van bouw was voordat zij de bacteriën opnam.

6.7 Vraagstuk: de acinaire cel van de alvleesklier

Probleem 6.1

Weekendvraagstuk — een cel die elke dag haar eigen massa aan eiwit afscheidt: de klok van Palade, het membraan dat zij moet hergebruiken, het signaal dat het eiwit zijn route wijst, eindigend op de transporttijd van een verteringsenzym

Een acinaire cel van de alvleesklier is een kubus met ribbe $12\,\text{µ}\mathrm{m}$ , met haar apicale zijde ( $144\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ , aan de afvoerbuis) en haar basale zijde aan het bloed. Een menselijke alvleesklier van $80\,\mathrm{g}$ bevat ongeveer $8 \times 10^{10}$ van zulke cellen en scheidt per dag $10\,\mathrm{g}$ enzymeiwit af. Een secretiekorrel is een bol van $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ doorsnede met eiwit bij $200\,\mathrm{mg}/\mathrm{mL}$ . Ribosomen voegen $5\,$ aminozuren per seconde toe; een gebruikelijk enzym telt $250\,$ residuen met een gemiddelde massa van $110\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Deel I — De klok van Palade. De figuur van de puls-jachtproef uit het hoofdstuk geeft de plaats van het merk in de tijd.

Waarom moet de puls kort zijn en de jacht een grote overmaat ongemerkt aminozuur bevatten?
Lees het tijdstip af waarop het merk piekt in het ER, in het golgi-apparaat en in de korrels.
Schat de transporttijd van ER naar golgi-apparaat en van golgi-apparaat naar korrel.
Waar zit het merk na $60\,\mathrm{min}$ , en waarom heeft een deel de cel al verlaten terwijl het meeste nog in korrels zit?
Een tweede proef wordt bij $15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ gedaan: het merk blijft ruim een uur in het ER. Duid dat.

Deel II — De massa eiwit.

Bereken het per cel per dag afgescheiden eiwit, in picogram.
Bereken het volume van één korrel en de massa eiwit die zij bevat.
Bereken het aantal korrels dat per cel per dag en per minuut wordt vrijgegeven.
Bereken het volume van de cel en, met een dichtheid van $1.05\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ , haar massa. Welk deel van haar eigen massa scheidt zij elke dag af?
Bereken het aantal enzymmoleculen in één korrel (het getal van Avogadro $6.0 \times 10^{23}$ ).
Bereken de tijd die een ribosoom nodig heeft om één enzymmolecuul te maken.
Hoeveel ribosomen moeten onafgebroken werken om de dagelijkse productie te halen? Vergelijk dat met de $4 \times 10^{6}$ ribosomen die zo’n cel bevat.

Deel III — Membraan.

Bereken het membraanoppervlak van één korrel.
Bereken het membraan dat per dag door exocytose van de korrels uit vraag 8 aan de apicale zijde wordt aangevoerd.
Hoe vaak per dag wordt het oppervlak van de apicale zijde toegevoegd? Wat moet de cel ermee doen, en via welk proces?
Het korrelmembraan komt van het golgi-apparaat, dat het van het ER krijgt. Als het ER van de cel $20\,000\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ membraan heeft, hoeveel dagen korrelmembraan is dat dan? Wat zegt dat over het hergebruik binnen het endomembraansysteem?
De apicale zijde draagt $2000\,$ microvilli van $0.1\,\text{µ}\mathrm{m}$ doorsnede en $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ lang. Met welke factor vergroten zij de $144\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ van die zijde?

Deel IV — Het adres op het eiwit.

Het mRNA van een enzym, in een reageerbuis zonder membranen vertaald, geeft een keten die $20\,$ residuen langer is dan het enzym in de korrels. Waar zitten de extra residuen en wat zijn zij?
Met ER-blaasjes erbij heeft het product de juiste lengte, zit het binnen de blaasjes, en is het tegen een protease beschermd. Duid dat.
Dezelfde proef met het mRNA van een cytosolisch enzym geeft een product buiten de blaasjes dat niet beschermd is. Trek een conclusie.
Een mutatie verwijdert de twintig residuen. Voorspel waar het enzym terechtkomt en wat er met de cel gebeurt.
Een ander enzym wordt in de lysosomen gevonden in plaats van in de korrels. Het draagt hetzelfde soort signaalsequentie. Waar langs de route moet de tweede beslissing worden genomen, en in grote lijnen door welk mechanisme?
Een cel wordt behandeld met een middel dat de ATP-synthese blokkeert. Voorspel waar het merk van een puls-jachtproef zich ophoopt en waarom (twee redenen).
Combineer de vragen 3 en 8: hoeveel korrels zijn er in een stationaire toestand op elk moment “onderweg” tussen ER en korrel?
Vat het resultaat samen: de transporttijd van synthese tot korrel, de tijd tot afscheiding, het aantal korrels per minuut, en het deel van haar eigen massa dat de cel dagelijks afscheidt.

Oplossing

Oplossing van Probleem 6.1.

1. Een korte puls merkt een smalle lichting moleculen, zodat hun plaats één tijdstip markeert; de overmaat ongemerkt aminozuur stopt de verdere inbouw, zodat de lichting niet door latere synthese wordt uitgesmeerd. 2. ER: $3\,\mathrm{min}$ (het vroegste punt); golgi-apparaat en condenserende vacuolen: ongeveer $15\,\mathrm{min}$ ; korrels: ongeveer $60\,\mathrm{min}$ . 3. ER naar golgi-apparaat ongeveer $10\,\mathrm{min}$ ; golgi-apparaat naar korrel ongeveer $45\,\mathrm{min}$ . 4. Grotendeels in korrels ( $70\,\%$ ), een tiende in het golgi-apparaat, een tiende al afgescheiden: de constitutieve route en de eerst gevormde korrels geven al iets af, terwijl het meeste op een prikkel wacht. 5. Het afknoppen en vervoeren van blaasjes vraagt energie en vloeibare membranen; in de kou stopt de stap van ER naar golgi-apparaat en hoopt het eiwit zich vóór de blokkade op. 6. $10\,\mathrm{g}/8 \times 10^{10} = 1.25 \times 10^{-10}\,\mathrm{g} = 125\,\mathrm{pg}$ per cel per dag. 7. $V = \frac{\pi}{6}(1)^3 = 0.52\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} = 5.2 \times 10^{-13}\,\mathrm{mL}$ ; eiwit $1.05 \times 10^{-13}\,\mathrm{g} = 0.1\,\mathrm{pg}$ . 8. $125/0.1 = 1250$ korrels per dag, $0.87$ per minuut. 9. $V = 12^3 = 1728\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} = 1.73 \times 10^{-9}\,\mathrm{cm}^{3}$ ; massa $1.8 \times 10^{-9}\,\mathrm{g}$ = $1800\,\mathrm{pg}$ . Zij scheidt $125/1800 = 7\%$ van haar massa per dag af (de hele cel is maar voor $20\,\%$ eiwit, dus een derde van haar eiwitgehalte). 10. Molaire massa $250\times 110 = 27\,500\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $1.05 \times 10^{-13}\,\mathrm{g}/27500\times6 \times 10^{23} = 2.3 \times 10^{6}$ moleculen. 11. $250/5 = 50\,\mathrm{s}$ . 12. Moleculen per dag $1250\times2.3 \times 10^{6} = 2.9 \times 10^{9}$ ; één ribosoom maakt er $86\,400/50 = 1728$ per dag; nodig: $1.7 \times 10^{6}$ ribosomen, ongeveer $40\,\%$ van die van de cel. 13. $\pi d^2 = 3.14\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . 14. $1250\times 3.14 = 3900\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . 15. $3900/144 = 27$ keer: de cel haalt hetzelfde oppervlak door endocytose terug en geeft het aan het golgi-apparaat terug. 16. $20\,000/3900 = 5$ dagen: het ER zou maar vijf dagen korrelmembraan kunnen leveren als er niets terugkwam; het membraan moet onafgebroken worden hergebruikt. 17. Elke microvillus $\pi\times 0.1\times 1 = 0.31\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ; $630\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ voor 2000; factor $5.4$ . 18. Aan het begin van de keten: de signaalsequentie, twintig overwegend hydrofobe residuen. 19. Het signaal stuurde de groeiende keten de blaasjes in, waar een signaalpeptidase het verwijderde; de membraan schermt het eiwit van het protease af. 20. Alleen eiwitten met een signaal komen het ER binnen; een cytosolisch eiwit mist het en blijft buiten. 21. Het enzym wordt op vrije ribosomen gemaakt en blijft in het cytosol; als verteringsenzym (als inactieve voorloper richt het weinig schade aan, maar eenmaal geactiveerd) zou het de cel van binnenuit verteren. 22. In het trans-golgi: het lysosomale enzym draagt een onderscheidend merk (een gefosforyleerde suiker) dat door een receptor wordt herkend die het in blaasjes voor de lysosomen verpakt in plaats van in secretiekorrels. 23. In het ER (en het golgi-apparaat): het vormen van blaasjes, het motortransport langs microtubuli en de membraanversmelting verbruiken alle ATP; en de eiwitsynthese zelf stopt, zodat de puls niet eens wordt voltooid. 24. $45\,\mathrm{min}$ transport bij $0.87$ korrels per minuut: ongeveer $40\,$ korrels aan eiwit onderweg. 25. Transport van synthese tot korrel ongeveer $45\,\mathrm{min}$ ( $55\,\mathrm{min}$ het ER meegerekend), afscheiding na ongeveer twee uur in de proef (vier uur of meer in de levende klier, omdat korrels op een maaltijd wachten); $0.9\,$ korrel per minuut vrijgegeven; $7\,\%$ van de massa van de cel per dag.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 479 begrippen in de begrippenlijst