Cel en leven

De prokaryote cel

Een prokaryoot is een organisme zonder celkern. Bacteriën zijn er het bekendste voorbeeld van: één cel, geen organellen met een eigen membraan, en het erfelijk materiaal los in het cytoplasma.

Dat erfelijk materiaal is één gesloten ring DNA, het cirkelvormige chromosoom. Daarnaast liggen er vaak plasmiden: kleine losse ringetjes met een handvol extra genen, bijvoorbeeld voor ongevoeligheid voor een antibioticum. Bacteriën geven zo'n plasmide aan elkaar door, ook aan een andere soort.

Om de cel heen zit een stevige celwand die de vorm vastlegt en de cel heel houdt. Ribosomen zijn er wel, want ook een bacterie maakt eiwitten, maar ze zijn kleiner dan die van een eukaryoot. Precies dat verschil maakt een deel van de antibiotica mogelijk: die leggen het bacteriële ribosoom stil en laten het onze met rust.

Virussen

Een virus is geen cel en volgens de meeste definities ook niet levend. Het is niet meer dan erfelijk materiaal in een eiwitmantel: geen stofwisseling, geen ribosomen, en niet in staat zichzelf te delen.

Vermenigvuldigen kan alleen in een gastheercel. De eiwitmantel past met zijn vorm op de eiwitten van één bepaald celtype, en dat bepaalt meteen welke soorten en welke weefsels een virus kan treffen. Eenmaal binnen dwingt het erfelijk materiaal de cel om virusonderdelen te maken.

Naar dat materiaal worden virussen ingedeeld. Een DNA-virus levert DNA aan dat de cel rechtstreeks kan aflezen of in haar eigen chromosoom inbouwt. Een RNA-virus levert RNA, en het kopiëren daarvan gaat slordig. Daardoor ontstaan er voortdurend varianten en werkt een griepvaccin maar één seizoen.

De eukaryote cel

Een eukaryote cel houdt haar erfelijk materiaal apart. De celkern is door een dubbel membraan afgeschermd; kernporiën laten mRNA naar buiten en eiwitten naar binnen. In de kern liggen de chromosomen en het kernlichaampje, waar de onderdelen van ribosomen worden gemaakt.

Daarbuiten ligt het cytoplasma: het grondplasma met daarin de organellen, elk met een eigen membraan eromheen. Het celmembraan grenst de cel af en bepaalt wat er in en uit gaat. Planten- en schimmelcellen hebben daarbuiten nog een celwand, en een plantencel bovendien één grote vacuole. Het cytoskelet houdt het geheel op zijn plaats.

Volgens de endosymbiosetheorie zijn mitochondriën en bladgroenkorrels ooit vrijlevende bacteriën geweest die door een grotere cel zijn opgenomen. Hun dubbele membraan, eigen DNA en eigen kleine ribosomen wijzen daarop.

De organellen en hun functie

Elk organel heeft een eigen taak. Mitochondriën breken brandstof af met zuurstof en leveren ATP; hun instulpingen naar binnen vergroten het oppervlak waar dat gebeurt. Ribosomen koppelen aminozuren aan elkaar tot eiwitten, los in het grondplasma of vastgehecht op het ruwe endoplasmatisch reticulum.

Vanaf dat reticulum reizen eiwitten in blaasjes naar het golgi-systeem, dat ze afwerkt, sorteert en opnieuw verpakt. Lysosomen zijn blaasjes vol verteringsenzymen die opgenomen deeltjes en versleten onderdelen afbreken.

Plantencellen hebben plastiden. De chloroplast bevat chlorofyl en voert de fotosynthese uit; andere typen slaan zetmeel op of geven bloemen en vruchten hun kleur. Centriolen liggen bij de kern van een dierlijke cel en vormen bij een deling de trekdraden. Ciliën en flagellen steken naar buiten en zorgen voor beweging: veel korte trilharen tegenover één lange zweep.

Dynamisch evenwicht in de cel

Een cel staat nooit stil. Stoffen komen binnen, worden omgezet en verlaten de cel weer, en toch blijft de samenstelling ongeveer gelijk. Dat is een dynamisch evenwicht: niet het uitblijven van verandering, maar aanvoer en afvoer die elkaar bijhouden.

Dat evenwicht is niet gratis. De concentraties natrium- en kaliumionen binnen de cel wijken sterk af van die erbuiten, en diffusie werkt zulke verschillen voortdurend weg. Ionenpompen werken er met ATP tegenin en houden ze in stand.

Zo hangt alles aan elkaar. De pomp draait op ATP, het ATP komt uit de dissimilatie, en die vraagt weer aanvoer van glucose en zuurstof. Valt één schakel weg, dan lopen de concentraties binnen en buiten binnen enkele minuten gelijk — en dat is precies wat een cel niet overleeft.

Terugkoppeling en homeostase

Homeostase betekent dat de omstandigheden binnen de cel binnen nauwe grenzen blijven, ook als er buiten van alles verandert. Het principe daarachter is terugkoppeling: het gevolg van een proces werkt terug op de oorzaak ervan. Bij negatieve terugkoppeling remt een stijging haar eigen oorzaak af, waardoor de waarde rond een vast punt blijft schommelen.

De weg loopt telkens langs dezelfde stappen. Een receptoreiwit in het membraan herkent een signaalmolecuul en bindt het. Dat zet binnenin een cascade in gang, waarin elke stap de volgende activeert en versterkt: een handjevol moleculen aan de buitenkant bereikt zo duizenden moleculen binnenin.

Aan het eind staat de effector. Dat is het onderdeel dat de correctie uitvoert — een enzym dat aanslaat, een pomp die gaat werken, een kanaal dat opengaat.

Vormen van transport

Een cel is geen zeef. Wat er in en uit gaat, hangt af van het molecuul en van de route die ervoor bestaat.

Passief transport gaat met het concentratieverschil mee en kost geen energie: diffusie voor kleine ongeladen moleculen zoals zuurstof, osmose voor water. Actief transport gaat er juist tegenin, met een pomp-eiwit en ten koste van ATP — zo blijven de ionenconcentraties binnen en buiten verschillend.

Grote deeltjes passen door geen enkel eiwit. Die gaan met endocytose naar binnen, doordat het membraan zich eromheen plooit, en met exocytose naar buiten, doordat een blaasje met het membraan versmelt.

Membraan en molecuul

Het celmembraan is een dubbele laag fosfolipiden: wateraantrekkende koppen naar buiten, waterafstotende staarten naar binnen. Die bouw bepaalt wie er zomaar doorheen komt.

Vetoplosbare, apolaire moleculen glijden er dwars doorheen. Wateroplosbare, polaire moleculen en alle ionen komen er juist niet door — de vetlaag houdt ze tegen. Voor die stoffen zijn er eiwitten in het membraan die als kanaal of als pomp dienstdoen. Dat is meteen de reden dat de cel controle heeft over wat er binnenkomt.

Osmose bij plant en dier

Dezelfde osmose pakt bij een plantencel anders uit dan bij een dierlijke cel, en dat komt door de celwand.

In een hypotonische omgeving neemt een plantencel water op tot de celwand tegendruk geeft: turgor. Dat is wat een kruidachtige plant rechtop houdt. Een dierlijke cel heeft die wand niet en kan in dezelfde omgeving knappen.

In een hypertonische omgeving verliest de plantencel water en trekt het membraan met de inhoud los van de wand — plasmolyse. De dierlijke cel schrompelt gewoon ineen.

Waarom binnen anders is dan buiten

Het celmembraan is selectief permeabel: het laat de ene stof door en de andere niet. Daardoor kan de samenstelling binnen blijvend verschillen van die buiten — zonder dat verschil is er geen leven.

Om te vergelijken gebruik je de osmotische waarde. Een oplossing is isotonisch, hypotonisch of hypertonisch ten opzichte van een andere, en water gaat altijd naar de kant met de hoogste osmotische waarde. Dat is ook te schrijven als waterpotentiaal: water stroomt van hoog naar laag. De osmotische druk is de druk die je zou moeten uitoefenen om die stroom tegen te houden.

Transport binnen de cel

Ook binnen de cel moet er van alles verplaatst worden. Het cytoskelet is het netwerk van eiwitdraden dat de cel vorm geeft en dat tegelijk als rails dienstdoet.

Motoreiwitten lopen met ATP langs die draden en slepen daarbij blaasjes en organellen mee. Zo komen nieuwgemaakte eiwitten op hun bestemming en worden blaasjes naar het membraan gebracht.

Van cel tot orgaanstelsel

De cel is de kleinste eenheid die zelfstandig alle levensverschijnselen vertoont. Bij een meercellig organisme werkt hij nooit alleen. Cellen van hetzelfde type liggen bij elkaar in een weefsel en voeren daar samen één taak uit: spierweefsel trekt samen, klierweefsel geeft een sap af, bindweefsel verbindt en ondersteunt.

Verschillende weefsels vormen samen een orgaan. In de maagwand ligt spierweefsel dat de inhoud kneedt, klierweefsel dat maagsap maakt en bindweefsel met bloedvaten dat beide bevoorraadt. Pas samen leveren ze wat de maag doet.

Organen die aan dezelfde functie werken vormen een orgaanstelsel, zoals het verteringsstelsel of de bloedsomloop. Elk niveau kan iets wat het niveau eronder niet kan: de rangschikking van de delen levert een functie op die geen van de delen alleen heeft.

Dezelfde functies, andere oplossingen

Elk organisme moet gassen uitwisselen, voedsel verwerken, afvalstoffen kwijtraken en stoffen verplaatsen. Hoe dat gebeurt loopt sterk uiteen, en dat hangt vooral samen met grootte.

Een bacterie regelt alles over haar eigen membraan. Ze is zo klein dat diffusie volstaat voor de gaswisseling en voor de afvoer van afvalstoffen. Verteren doet ze buiten de cel, met enzymen die ze uitscheidt; pas daarna neemt ze de producten op.

Een plant heeft geen ademhalingsorgaan en geen uitscheidingsorgaan. Gaswisseling verloopt via de huidmondjes, en afvalstoffen slaat hij op in de vacuole of in bladeren die afvallen. Transport gaat door hout- en bastvaten.

Een dier is te groot en te compact voor diffusie alleen. Vandaar aparte orgaanstelsels: longen of kieuwen, een darmkanaal, nieren, en een bloedvatenstelsel dat alles tot vlak bij elke cel brengt.

Overal hetzelfde genotype

Bij elke celdeling wordt het DNA eerst verdubbeld en daarna netjes over beide dochtercellen verdeeld. Het gevolg is dat vrijwel alle cellen van een meercellig organisme hetzelfde genotype hebben: een levercel en een zenuwcel dragen dezelfde genen.

Toch zien ze er heel anders uit en doen ze iets anders. Het verschil zit dus niet in wélke genen aanwezig zijn, maar in welke daarvan worden afgelezen.

Twee uitzonderingen bevestigen de regel. Geslachtscellen krijgen bij de meiose maar de helft van de chromosomen mee, en rijpe rode bloedcellen stoten hun kern helemaal af. Verder ontstaan verschillen alleen door mutaties na de bevruchting, en die blijven beperkt tot de cel waarin ze optreden en haar nakomelingen.

Differentiatie en specialisatie

Uit één bevruchte eicel ontstaan alle celtypen van een lichaam: zenuwcellen, spiercellen, kliercellen, huidcellen. Dat gebeurt door celdifferentiatie — een cel legt zich op één taak toe doordat er een eigen combinatie van genen aan en uit gaat.

Wat er daarbij met de cel zelf gebeurt heet specialisatie: bouw en inhoud raken helemaal afgestemd op die ene taak. Een zenuwcel krijgt lange uitlopers, een spiercel zit vol samentrekkende eiwitdraden, een kliercel vol endoplasmatisch reticulum en golgi-systeem.

Die winst heeft een prijs. Hoe verder een cel gespecialiseerd is, hoe minder andere taken hij aankan en hoe slechter hij zich nog deelt. Een zenuwcel deelt helemaal niet meer, en dat is de reden dat beschadigd zenuwweefsel nauwelijks herstelt.

Wat stamcellen kunnen

Een stamcel is nog niet gespecialiseerd en blijft zich delen. Meestal gaat bij zo'n deling één dochtercel differentiëren terwijl de andere ongespecialiseerd achterblijft; zo raakt de voorraad niet op.

Hoeveel richtingen nog openstaan verschilt per type. Een embryonale stamcel, uit de eerste dagen na de bevruchting, kan nog elk celtype worden. Een volwassen stamcel kan alleen nog de typen van het weefsel waarin hij zit: een stamcel in het beenmerg levert de bloedcellen, een stamcel in de opperhuid de huidcellen.

Volwassen stamcellen zitten juist in weefsels die slijten of vaak beschadigd raken: beenmerg, huid, darmwand. Weefsels zonder noemenswaardige stamcellen, zoals hartspier- en zenuwweefsel, herstellen zich daarom slecht na schade.

Stamcellen in de geneeskunde

Stamcelonderzoek heeft grofweg drie doelen. Het eerste is begrijpen hoe een cel zich specialiseert: welke genen daarbij aan en uit gaan, en of dat terug te draaien is. Het tweede is weefsel kweken — huid voor brandwonden, of een groepje cellen dat zich als miniatuurorgaan gedraagt. Zulke kweekjes zijn ook bruikbaar om medicijnen op te testen, waardoor er minder proefdieren nodig zijn.

Het derde doel is behandelen. Bij een stamceltransplantatie krijgt een patiënt beenmergstamcellen van een donor of van zichzelf, bijvoorbeeld nadat het eigen beenmerg bij de behandeling van leukemie is vernietigd. Eigen cellen worden niet afgestoten; bij een donor moeten de weefselkenmerken zo goed mogelijk overeenkomen.

Rond embryonale stamcellen speelt daarnaast de vraag welke status een embryo heeft.

Apoptose en kanker

Cellen gaan niet alleen dood door beschadiging. Apoptose is geordende zelfvernietiging op signaal: de cel schrompelt, breekt haar eigen inhoud af met de enzymen uit de lysosomen en valt uiteen in blaasjes die door buurcellen worden opgeruimd. Er lekt niets naar buiten, dus er ontstaat geen ontsteking.

Dat is nuttig. Cellen die versleten zijn, beschadigd DNA hebben of op de verkeerde plek terechtkomen, ruimen zichzelf zo op. Tijdens de ontwikkeling geeft het bovendien vorm: de vingers van een embryo ontstaan doordat het weefsel ertussen in apoptose gaat.

Gaat die controle stuk, dan blijven cellen met fouten in hun DNA bestaan en delen ze door. Dat is wat bij kanker gebeurt: ongeremde deling zonder de rem van apoptose, waardoor een gezwel gezond weefsel verdringt.