Inleiding
Het begrip cel werd voor het eerst gebruikt door de onderzoeker Robert Hooke in 1665.
Hij bekeek een stukje kurk onder een microscoop en zag hokjes.
Deze hokjes noemde hij cellen. Later ontdekte men wat zich in de hokjes had bevonden, de levende cel dus.
Verder onderzoek wees uit dat alle organismen uit cellen bestaan. Ondanks onderlinge verschillen bestaan er duidelijke overeenkomsten tussen de cellen van de meeste organismen.
Grof gezegd bestaan alle cellen uit een begrenzing ofwel celmembraan en een geleiachtige inhoud.
In die geleiachtige stof bevinden zich altijd nucleïnezuren, stoffen die een belangrijke rol vervullen bij het bepalen wat de cel kan en doet.
Dat is meestal DNA.
Algemene bouw
Er bestaan ook eencellige organismen, maar de meeste cellen zijn onderdeel van een veelcellig organisme. Cellen met dezelfde vorm en functie liggen bij elkaar in een weefsel. De meeste organismen hebben organen voor het uitvoeren van speciale taken. Elk orgaan bestaat uit verschillende soorten weefsels. Bij ingewikkeld gebouwde organismen, zoals de mens, zijn organen meestal verbonden tot een organenstelsel, met een eigen taak. Ook binnen een cel zijn nog weer organisatieniveaus te onderscheiden. De meeste cellen bezitten organellen. Nog kleinere eenheden zijn de moleculen, die uiteindelijk allemaal bestaan uit meerdere atomen.
Steeds kleiner
Het hele grote en het hele kleine kunnen we niet met het blote oog zien. We komen wel een heel eind met instrumenten. Zo kun je het heelal verkennen met een radiotelescoop en je kunt atomen zichtbaar maken met een elektronenmicroscoop.
Rode bloedcellen zijn ongeveer 0,00001 m groot ofwel 0,01 mm. Bacteriën zijn nog eens tienmaal zo klein. Men gebruikt voor deze kleine afmetingen meestal de eenheden micrometer (afgekort μm = 10-6 meter) en nanometer (afgekort nm = 10-9 meter).
Celschema
Cellen hebben een algemeen bouwplan, maar ze vertonen ook verschillen.
Dat komt doordat elke cel zijn eigen functie heeft en daaraan zo goed mogelijk is aangepast.
Cellen bevatten cytoplasma, omgeven door een celmembraan. Het cytoplasma bestaat uit grondplasma en organellen zoals de celkern en de mitochondriën.
Plantaardige cellen hebben vaak een celwand om hun celmembraan en in het cytoplasma liggen ook bladgroenkorrels (chloroplasten)
Dierlijke celen missen een celwand en in hun cytoplasma liggen geen bladgroenkorrels.
Het grondplasma bestaat uit geleiachtige vloeistof en verder uit een groot aantal eiwitten, vetten, suikers en mineralen.
Celorganellen
Pas de laatste tientallen jaren kunnen de verschillende celorganellen goed bestudeerd worden met nauwkeurige instrumenten.
De cel blijkt ingewikkeld in elkaar te zitten.
Ook zijn de celstructuren niet altijd hetzelfde.
Veel celstructuren worden constant gevormd en weer afgebroken. Bij de celdeling ontstaan twee nieuwe cellen.
De bestaande celorganellen worden over de nieuwe cellen verdeeld. Nieuwe celorganellen worden samengesteld uit bouwstenen die van buiten de cel aangevoerd worden.
Celkern
De celkern bevat de chromosomen.
Chromosomen worden steeds gekopieerd en aan de dochtercellen doorgegeven. Zo zijn ze verantwoordelijk voor de erfelijke eigenschappen van het organisme.
Elk chromosoom bestaat uit een complex van DNA en eiwitten. Als de cel niet deelt, zijn het lange dunnen draden, die met een microscoop alleen met speciale technieken zichtbaar zijn. Bij de celdeling rollen de draden zich op tot staafjes.
Binnen de kern is nog een structuur zichtbaar, de nucleolus. Deze speelt een rol bij de aanmaak van de ribosomen. ("Ribosomen en ER" .)
Rond het kernplasma zit een kernmembraan (dubbelmembraan). In de kernmembraan bevinden zich gaatjes, de kernporiën. Via de kernporiën kunnen grote moleculen de celkern in en uit.
Chloroplasten
In de groene cellen van planten bevinden zich organellen die bladgroen bladgroen (chlorofyl) bevatten.
Deze celorganellen (chloroplasten) hebben in hun celinhoud (stroma) bladgroenkorrels, enzymen, een eigen DNA en ribosomen.
Het bladgroen ligt niet los in de chloroplast, maar is gebonden aan een membraan. De membranen zijn gerangschikt tot een soort platte zakjes, de thylakoiden. Plaatselijk zijn de membranen gestapeld. Zo’n stapeltje heet een granum.
De chloroplast wordt van het cytoplasma gescheiden door een dubbele membraan.
Chloroplasten zijn zelfstandige eenheden van de cel, die zich zelf kunnen vermenigvuldigen, onafhankelijk van de plantencel.
Men denkt daarom dat chloroplasten oorspronkelijke bacteriën met bladgroen waren, die in symbiose zijn gaan leven binnen een eukaryote cel. Eukaryote cellen zijn cellen met organellen en een kern.
Vacuole
Een vacuole is een met vocht gevulde blaas in een cel.
De vacuole wordt begrensd door een membraan, ook wel tonoplast genoemd.
De vacuole zorgt bij een plantencel voor de stevigheid. Dat gebeurt op dezelfde manier als bij een fietsband: de spanning van de binnenband ten opzichte van de buitenband houdt de band stevig.
Op een soortgelijke manier houdt de druk van het vacuolevocht tegen de celwand, de plantencel stevig.
Volgroeide plantencellen hebben een grote centrale vacuole. Een voedselvacuole is een membraangedeelte waarmee voedsel de cel in gebracht wordt.
Sommige eencelligen hebben kloppende vacuoles waarmee water de cel uit kan worden geperst.
Mitochondriën
In de cellen van planten, dieren en schimmels wordt de energie uit voedsel omgezet in ATP. Het ATP fungeert in de cel als een opgeladen accu. ATP moleculen worden gemaakt in de mitochondriën en in plantencellen ook in chloroplasten.
Net als chloroplasten bestaan mitochondriën uit een dubbelmembraan, grondplasma, DNA en veel enzymen die het mogelijk maken om de energie uit voedsel om te zetten in ATP. Verder bevat een mitochondrium de grondstoffen voor ATP, dat zijn ADP en fosfaat (P).
Net als een chloroplast is een mitochondrium waarschijnlijk oorspronkelijk een vrijlevende bacterie geweest, die is gaan samenwerken met een eukaryote cel. Dat is o.a. te zien aan de aanwezigheid van mitochondriaal DNA.
Een mitochondrium kan zichzelf vermenigvuldigen.
Ribosomen en ER
Informatie uit de celkern wordt in het cytoplasma vertaald.
Ribosomen zijn de celorganellen die de informatie uit de celkern vertalen in eiwitten. Omdat ribosomen zelf ook eiwitten zijn, is er in het in de celkern ook informatie opgeslagen om ribosomen te maken.
In het cytoplasma komen de ribosomen voor als losse bolletjes (soms in klontjes bij elkaar) maar ook gebonden aan een systeem van membranen.
Het membranensysteem (ER = endoplasmatisch reticulum) staat in verbinding met andere celorganellen.
Op het ruw-ER liggen veel ribosomen. Het glad-ER draagt weinig ribosomen.
Het ER zorgt vooral voor het transport van stoffen binnen de cel.
Golgi-systeem en lysosomen
Het endoplasmatisch reticulum kan blaasjes afsnoeren, die later versmelten met een ander kanalensysteem, het Golgi-systeem.
Het Golgi-systeem heeft een andere vorm dan het ER.
Ook het Golgi-systeem kan allerlei soorten eiwitten bewerken die via het ER binnenkomen.
Een voorbeeld hiervan is de aanmaak van eiwitten (enzymen) die belangrijk zijn voor het functioneren van de lysosomen. Lysosomen zijn blaasjes met enzymen die stoffen kunnen afbreken.
Lysosomen kunnen versmelten met voedselvacuolen.
Of lysosomen kunnen hun inhoud buiten de cel afgeven via een proces dat exocytose heet.
In de afbeelding zie je de wisselwerking zien tussen ER, Golgi-systeem, lysosomen en andere celorganellen.
Al deze systemen samen vormen een dynamisch geheel dat continue verandert.
Cytoskelet
Een cel krijgt niet alleen vorm door de celmembraan en grondplasma.
Een cel krijgt vorm en bewegelijkheid door eiwitdraden die aan de celmembraan en de celorganellen vastzitten. Deze vormen het cytoskelet ofwel celskelet. De eiwitdraden van het celskelet maken het mogelijk dat sommige cellen heel lang zijn, zoals zenuwcellen.
Zenuwcellen kunnen hun werk niet doen zonder celskelet. Zo worden bijvoorbeeld de blaasjes met neurotransmitter naar de synaps getransporteerd doordat de blaasjes gebonden zijn aan speciale eiwitten die over de filamenten “wandelen”.
Het cytoskelet maakt bewegingen van de cel mogelijk, zoals bijvoorbeeld bij een witte bloedcel of bij beweging met behulp van ciliën en flagellen.
De beweging van organellen binnen de cel en de beweging van chromosomen bij de celdeling is mogelijk dankzij het cytoskelet.
De vezels van het cytoskelet werken daarvoor samen met motor-eiwitten.
Het filmpje laat het cytoskelet zien in een wortelhaarcel van een kiemend zaadje.
Er wordt ingezoomd op cytoskelet-draden waar een eiwitbolletje langs beweegt, zodat het op de juiste plaats in de cel terecht komt.
Ciliën en flagellen
Veel eencelligen kunnen bewegen. Sommige weefsels, zoals trilhaardekweefsel in de luchtpijp (en de bekleding van de eileiders), hebben ook cellen met bewegende organellen in hun celmembraan.
Trilharen (ciliën of cilia) zijn celorganellen die voor beweging in een vloeistof (eencelligen) of van een vloeistof (slijm in luchtpijp) zorgen.
Flagellen (zweepstaartjes) zijn celorganellen die langer zijn dan trilharen.
Eiwitcomplexen in de celmembraan hebben een functie als motor om de flagel te bewegen.
Celmembraan
De celmembraan vormt de grens tussen grondplasma en buitenwereld.
Er vindt voortdurend uitwisseling van stoffen plaats tussen het grondplasma en de omgeving. Niet alles mag echter zo maar naar binnen, de celmembraan houdt ook stoffen tegen.
Via de celmembraan staan cellen ook in contact met andere cellen.
In de celmembraan zitten veel eiwitten. Sommige daarvan spelen een rol bij het onderscheid tussen lichaamseigen en lichaamsvreemd. Cellen kunnen op elkaar reageren. De reactie kan bijvoorbeeld zijn een afweerreactie op gang te brengen. Het kan ook een reactie zijn die tot een gemeenschappelijk doel leidt, zoals het samentrekken van spiercellen rond de darm.
Fosfolipidenlaag met eiwitten
Alle membranen in de cel, dus ook de celmembraan, bestaan voornamelijk uit een dubbele laag fosfolipiden. Verder bevinden zich in de celmembraan eiwitten en cholesterol.
De fosfolipiden bestaan uit een glycerolmolecuul met daaraan twee vetzuren, een fosfaatgroep en een aminozuur (choline).
De choline en fosfaat zijn polair, dat betekent dat ze water aantrekken en vet afstoten.
De vetzuren zijn apolair, dat betekent dat ze water afstoten en vet juist aantrekken.
Receptoreiwitten en regeling
Een celmembraan vormt voor de cel het contact met de buitenwereld.
Voor het opvangen van signalen zitten er in het celmembraan ontvangers ofwel receptoren. De signalen kunnen chemische stoffen zijn die zich vrij buiten de cellen bevinden, zoals hormonen of koolstofdioxide. Andere signalen bestaan uit stoffen die zich op het celmembraan van andere cellen bevinden.
Om daarop te reageren moeten cellen contact met elkaar maken.
Zowel vrij voorkomende stoffen als membraangebonden stoffen roepen een reactie op bij het celmembraan. Meestal bestaat deze reactie uit een signaal dat aan de binnenkant van het celmembraan wordt afgegeven,
wat vervolgens tot een reactie in de cel leidt, bijvoorbeeld DNA activiteit.
De receptoren op het celmembraan kunnen verschillende vormen hebben.
Elk type receptor heeft zijn eigen vorm. Een cel kan een stof maken waar een andere cel op reageert. Een voorbeeld van zo’n stof is een hormoon, zoals insuline. Een levercel reageert op insuline door glucose op te nemen en dit om te zetten in glycogeen.
Transportfuncties van het celmembraan
Er gaan enorm veel moleculen per milliseconde door het celmembraan. Alleen niet-polaire kleine moleculen zoals koolstofdioxide en zuurstof kunnen de membraan zonder problemen passeren. Voor het transport van alle andere stoffen liggen speciale transporteiwitten in de fosfolipidenlaag. Zonder deze eiwitten zou het transport onmogelijk zijn, want de apolaire vetzuren laten ionen en polaire moleculen niet door.
De transporteiwitten kunnen ingedeeld worden in kanalen en pompen.
De kanalen, ook wel poriën genoemd, vormen openingen in het membraan die al dan niet afgesloten kunnen worden. Ze vergemakkelijken het transport van stoffen zonder dat daar energie bij verbruikt wordt (passief transport). Watermoleculen bijvoorbeeld passeren de membraan via waterkanaaltjes.
Transportpompen werken als enzymen die verplaatsing van een verbinding koppelen aan een vorm-verandering van het transporteiwit. Er zijn pompen voor veel verschillende stoffen. Ze gebruiken energie voor het transportproces: chemische energie zoals die van ATP, of de energie van elektrochemische gradiënten van verbindingen en/of ionen.
Actief transport
Transport waar energie voor nodig is, noem je actief transport (in tegenstelling tot passief transport).
Het kan gaan om stoffen die te groot zijn om zo maar door de membraan te diffunderen, of die van een lage naar een hoge concentratie moeten worden vervoerd (dus tegen een concentratiegradiënt in).
Ook wanneer stoffen tegen een ladingsverschil in bewegen, moet de cel daar energie in investeren.
Veel actief transport gebeurt met speciale eiwitten in de membraan, bijvoorbeeld een Na/K pomp.
Transport met behulp van grotere membraangedeeltes
Sommige moleculen zijn zo groot dat transport via transporteiwitten geen uitkomst biedt. Soms moeten hele cellen worden opgenomen, bijvoorbeeld als een witte bloedcel een bacterie opneemt om te verteren.
De stoffen binden zich aan receptoren aan de membraan en worden daarna door de membraan omhuld.
De blaasjes worden naar binnen toe afgesnoerd van de celmembraan. Dit heet endocytose.
Men spreekt van exocytose wanneer de cel blaasjes afsnoert naar buiten, bijvoorbeeld om grote moleculen aan de celomgeving af te geven.
