Homeostase op niveau van cel en molecuul

Inleiding

Om goed te kunnen functioneren, moeten cellen een homeostase handhaven. Veel enzymprocessen werken alleen bij een bepaalde pH. De cel heeft grondstoffen nodig en afvalstoffen moeten worden afgevoerd. Spiercellen moeten het gehalte aan Ca2+ in de cel nauwkeurig regelen, omdat dit een rol speelt bij de samentrekking van de spiercel. Zenuwcellen handhaven een bepaald evenwicht tussen Na+ en K+ ionen, en daarmee een negatieve lading in de cel. Dankzij deze membraanpotentiaal kunnen ze heel snel informatie doorgeven in de vorm van actiepotentialen zie KB "Spieren in beweging"). De osmotische waarde van de cel is van belang om de wateropname en afgifte te regelen.

De (semipermeabele) celmembraan werkt als een poortwachter voor opname en afgifte van stoffen. (Zie voor de bouw van de membraan en alle transportprocessen door de membraan KB "Celmembraan" en "De rol van diffusie, osmose en actief transport".)

Het handhaven van de homeostase kost energie.
In de mitochondriën maken de cellen de benodigde energie vrij uit glucose en leggen de energie vast in ATP (KB "Oogsten van chemische energie"). ATP wordt in de cel gebruikt als energiebron voor alle celprocessen.

 

Junctions

Tijdens de ontwikkeling van een cel krijgt de cel een bepaalde vorm en een bepaalde functie. De cel specialiseert zich (zie KB "Celspecialisatie"). Elke cel maakt daarna deel uit van een bepaald weefsel: spierweefsel, zenuwweefsel, epitheelweefsel of bindweefsel.

Cellen staan voortdurend rechtstreeks met elkaar in contact. Sommige verbindingen zijn geschikt om stoffen door te laten (bijvoorbeeld. gap junctions) andere schermen de cellen juist af voor de invloed van de extracellulaire omgeving (tight junctions).
Via gap junctions kunnen cellen bijvoorbeeld signalen aan elkaar doorgeven. Dat maakt het mogelijk dat een groepje cellen reageert op een signaal dat maar een van de cellen heeft ontvangen.
Desmosomen zorgen ervoor dat cellen aan elkaar kunnen hechten.

Communiceren via signaalstoffen

Cellen geven elkaar signalen via signaalstoffen:
kleine moleculen die een interactie aangaan met receptoren op of in de doelwitcel.
Signaalstoffen worden in cellen gemaakt en ze bereiken andere cellen door diffusie via de weefselvloeistof.
Dat gaat langzaam. Vaak worden de signaalstoffen dan ook aan het bloed afgegeven en door het bloed vervoerd. Dergelijke signaalstoffen noem je hormonen.
Ook neurotransmitters zijn voorbeelden van signaalstoffen (zie KB "Spieren in beweging").

Door de interactie tussen signaalstof en receptor komt er in de cel een reactie(keten) op gang. De cel gaat bijvoorbeeld glucose afbreken of een vetzuur maken.
Het kan ook zijn dat de signaalstof de cel aanzet tot het vormen van een bepaald eiwit. In dat geval wordt de transcriptie van een specifiek gen geactiveerd.

Verschillende typen signalering - VWO

Er zijn verschillende vormen van signalering te onderscheiden. Een cel kan reageren op signaalstoffen die de cel zelf afgeeft. Deze vorm van signalering (autocriene signalering) gebeurt bijvoorbeeld tijdens de ontwikkeling van de cellen in een bepaalde richting. Het signaal  zorgt ervoor dat de cel zich blijft ontwikkelen tot het juiste type met de juiste functie.

Als een cel geïnfecteerd is door een virus, kan de cel zichzelf via autocriene signalering de opdracht geven tot geprogrammeerde celdood (zie verderop: apoptose), waarbij ook het virus wordt vernietigd.

Als cellen die dicht bij elkaar liggen elkaar signalen geven noemen we dat paracriene signalering. De signaalstoffen verplaatsen zich door diffusie door de extracellulaire vloeistof. Het gaat meestal om snelle, plaatselijke reacties. De signaalstoffen en worden vrij snel weer afgebroken door enzymen.
Een voorbeeld van hiervan is de afgifte van een neurotransmitter in de synapsspleet.

Bij endocriene signalering worden signaalstoffen via het bloed over langere afstanden getransporteerd. Dit type signalering heeft een tragere respons, maar een langer effect. De signaalstoffen noemen we hormonen.
Ze worden verdund in het bloed en zijn bij de doelwitcellen daardoor in veel lagere concentraties aanwezig dan bijvoorbeeld bij paracriene signalering.

Receptoren in celmembranen - VWO

Al in de negentiende eeuw werd gevonden dat het lichaam reageert op hormonen zoals adrenaline.
Halverwege de twintigste eeuw werd het mechanisme daarachter steeds verder opgehelderd: receptoren op de celmembranen kunnen informatie vanuit  de buitenwereld van de cel opnemen en naar binnen doorgeven.
Er zijn verschillende typen receptoren ontdekt: o.a. ion kanaal receptoren, G-eiwit gekoppelde receptoren en receptor tyrosine kinasen.

  • Ionkanaal receptoren veranderen van vorm als de receptor het specifieke signaalmolecuul bindt. Door deze vormverandering gaat het ionkanaal open of dicht (afhankelijk van de functie van het ionkanaal). Er zijn ook ionkanaaltjes die niet op een specifiek molecuul reageren, maar op elektrische signalen. Ionkanaal receptoren zijn vooral te vinden in het zenuwstelsel. Ze regelen b.v. de membraanpotentiaal.
  • In de celmembraan kunnen speciale inactieve eiwitten voorkomen. Deze G-eiwitten bestaan uit drie subeenheden (α,β,γ). Hieraan is een receptor gekoppeld (G-protein coupled receptor, GPCR). Deze receptor heeft zijn begin buiten de celmembraan, slingert dan een aantal keer door de celmembraan heen en eindigt binnen de cel. Deze receptoren worden geactiveerd wanneer een signaalstof (die niet door de membraan heen kan) bindt. De receptor verandert van vorm, waardoor het G-eiwit geactiveerd wordt: aan de α subeenheid wordt een GDP (Guanosine Di Fosfaat, dat lijkt op ADP) vervangen door een GTP (GuanosineTriFosfaat dat lijkt op ATP). De  geactiveerde subeenheid diffundeert langs de membraan en bindt aan een enzym (fosfolipase C). De energie uit GTP activeert het enzym. De α subeenheid (nu weer met GDP) gaat weer terug naar zijn plaats.
    Het geactiveerde enzym produceert, zogenaamde second messengers zoals cAMP, die een reactie in de cel op gang kunnen brengen.

Deze G-eiwit receptoren komen veel voor.
Ze functioneren bijvoorbeeld in lichtzintuigcellen, geurzintuigcellen, bij de overdracht tussen zenuwcellen en bij de reactie op hormonen. Veel ziekteverwekkende bacteriën maken stoffen die aangrijpen op deze receptoren. Vandaar dat kennis over de werking van deze receptoren bij kan dragen aan de verdere ontwikkeling van bestaande en nieuwe medicijnen: ongeveer 40% van alle medicijnen zijn gericht tegen GPCRs (bètablokkers, antidepressiva, anti-allergie middelen etc.)

  • Een derde groep receptoren heeft zelf enzymactiviteit. Het eiwit steekt door de membraan en bestaat uit een receptordeel aan de buitenzijde van de cel en een deel met uitstekende tyrosinemoleculen aan de binnenzijde. Het eiwit kan bovendien werken als een kinase. Dat betekent dat het de overdracht van fosfaatgroepen kan katalyseren.

    Als de signaalstof wordt gebonden, worden twee monomeren samengevoegd aan worden aan  het tyrosine extra fosfaatgroepen gebonden. Deze gefosfolyreerde tyrosines fungeren als bindingsplaats voor andere eiwitten. Er ontstaan zo actieve complexen, die een respons in de cel op gang brengen. De insulinereceptor is van dit type.  

Twee typen hormonen - VWO

Hormonen zijn kleine moleculen, meestal peptiden (bijvoorbeeld insuline) of steroïden (bijvoorbeeld testosteron). Steroïde hormonen hebben een overeenkomstige chemische structuur want ze zijn afgeleid van een vet, meestal cholesterol. Dat betekent dat deze hormonen goed in vet oplosbaar zijn en makkelijk membranen passeren. Ze zijn niet polair en lossen daardoor niet op in water. Ze kunnen alleen via het bloed worden vervoerd via een carrier-eiwit.
Ze worden maar door een paar organen gemaakt zoals de bijnierschors en de geslachtsorganen.

Peptide hormonen worden op veel plaatsen in het lichaam gemaakt, zoals de hypofyse de alvleesklier, het spijsverteringskanaal (gastrine) en het vetweefsel (leptine). Ze bestaan uit eiwitten (peptiden) en zijn moeilijk in vet oplosbaar. De manier waarop de twee groepen hormonen de cel beïnvloeden is verschillend. Steroïde hormonen kunnen de celmembraan makkelijk passeren. Ze lossen goed op in vet en dus ook in de celmembraan (die immers uit fosfolipiden bestaat). De receptoren liggen meestal in de kern, soms ook in het cytoplasma.

Wanneer ze geactiveerd worden, beïnvloeden ze de transcriptie van het DNA in de celkern. Er wordt een bepaald eiwit gevormd, dat een functie kan hebben als hormoon, enzym, enzovoort. Welk eiwit er als reactie op het hormoon wordt gevormd, is afhankelijk van het type doelwitcel.
Peptide hormonen kunnen de celmembraan niet passeren. De receptoren voor deze hormonen liggen in de buitenzijde van de celmembraan. Als een receptor een hormoon bindt, komt er een reactieketen op gang waarbij een tweede boodschapperstof (second messenger) wordt aangemaakt. De eindproducten van de reactieketen veranderen de fysiologische activiteit van de cel, bijvoorbeeld doordat ze een enzym activeren of de eiwitsynthese bevorderen. Het voordeel van deze waterval van reacties is dat er per stapje controle kan zijn. Daarnaast blijkt ook vaak een versterking van de reactie op te treden. Door deze second messenger (vaak cAMP) kunnen bijvoorbeeld ion kanalen in de membranen geopend worden.

Terugkoppeling binnen de cel - VWO

Ook binnen de cel worden processen voortdurend bijgestuurd. In KB "Remming" kun je lezen dat de werking van enzymen op verschillende manieren kan worden geremd.

Ook heb je waarschijnlijk al kennisgemaakt met de zogenaamde regulatorgenen (KB "Verschillende typen genen"). Zij coderen voor eiwitten die de transcriptie kunnen beïnvloeden.
Zo´n transcriptiefactor kan een stimulerende (activator) of een remmende factor (repressor) zijn.

Soms is de omgeving van de cel ongunstig om te overleven. Denk aan hoge of juist heel lage temperatuur, afwijkende pH, zuurstofgebrek of giftige stoffen.
Deze omstandigheden kunnen eiwitten in de cel beschadigen. De snelle reacties van de cel om de schade zo klein mogelijk te houden, wordt de stress respons van de cel genoemd.

Signaaleiwitten voor allerlei lichaamsprocessen in de cel worden in vorm gehouden door eiwitten die chaperonnes heten. Het belangrijkste daarvan is HSP90 (Heat shock Protein). Dit eiwit komt voor bij bijna alle organismen ter wereld en maakt 1 -2 % van alle eiwitten in de cel uit. Bij stress worden er meer HSP’s gemaakt.
De chaperonnes zijn niet specifiek voor de veroorzaker van de schade. Onder verschillende soorten stress worden dezelfde eiwitten gemaakt.
Als de stress te groot is, ontstaat er een tekort aan HSP, waardoor lichaamsprocessen variabel worden.

Apoptose - VWO

Als de stress te groot is, en de tolerantiegrenzen worden overschreden, zal de cel apoptose (geprogrammeerde celdood) in gang zetten.
De organellen en het cytoplasma worden in kleine bolletjes verpakt en afgesnoerd door de celmembraan en vervolgens losgelaten. Deze bolletjes worden later afgebroken door een fagocyt. Doordat de afvalstoffen verpakt zijn en niet in aanraking komen met de omringende weefsels, vindt apoptose plaats zonder dat er een ontstekingsreactie op gang komt (wat wel het geval is bij ongeprogrammeerde celdood, necrose). De restanten van de celbestanddelen kunnen dan door andere cellen worden gebruikt.

Apoptose wordt door een organisme bijvoorbeeld ingezet bij de vormgeving van het lichaam tijdens de embryonale ontwikkeling, het verwijderen van structuren (melkklieren na borstvoeding), regeling van het aantal cellen (zenuwcellen in hersenen) of het elimineren van potentieel gevaarlijke cellen (tumoren).

 

  • Het arrangement Homeostase op niveau van cel en molecuul is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    VO-content
    Laatst gewijzigd
    2021-04-22 10:14:46
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding-GelijkDelen 4.0 Internationale licentie.

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Toelichting
    De Kennisbanken bevatten de theorie bij de opdrachten.
    Leerinhoud en doelen
    Biologie;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld

  • Downloaden

    Het volledige arrangement is in de onderstaande formaten te downloaden.

    Metadata

    LTI

    Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI koppeling aan te gaan.

    Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.

    Arrangement

    IMSCC package

    Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.

    Voor developers

    Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op onze Developers Wiki.

  • Gebruik
    Weergave
  • Wikiwijs is een dienst van