Hoe werkt een cel? Bouw, DNA en communicatie

Een cel is geen leeg zakje

Een menselijke cel is een levende eenheid met een begrensde binnenkant. Water, zouten, vetten, suikers, eiwitten en erfelijk materiaal zijn er geordend over verschillende ruimten. Daardoor kunnen processen tegelijk plaatsvinden zonder dat alles ongecontroleerd door elkaar loopt.

Er bestaat niet één standaardcel die overal in het lichaam wordt herhaald. Een rode bloedcel is soepel en heeft na rijping geen celkern meer. Een zenuwcel kan zeer lange uitlopers hebben. Een spiervezel bevat veel eiwitten voor samentrekking en meerdere celkernen. Een kliercel is juist ingericht op het maken en afgeven van stoffen. Het algemene celschema helpt onderdelen herkennen, maar vervangt nooit de kenmerken van een werkelijk celtype.

Cellen vormen samen met materiaal tussen de cellen een weefsel. Verschillende weefsels bouwen een orgaan op. Wie eerst de grotere ordening wil zien, kan beginnen bij anatomie: van cellen en weefsels naar organen en stelsels.

Het celmembraan bewaakt én verbindt

Het celmembraan bestaat hoofdzakelijk uit een dubbele laag vetachtige moleculen met daarin eiwitten. Het vormt geen gesloten plastic wand. Sommige stoffen bewegen rechtstreeks door het membraan, andere gebruiken kanalen, pompen of transporteiwitten. Zo bewaart de cel verschillen in zoutgehalte, zuurgraad en elektrische lading.^[1]

In en op het membraan zitten ook receptoren. Een receptor kan een signaalstof herkennen en daarna processen binnen de cel veranderen. Hetzelfde signaal geeft niet in iedere cel hetzelfde antwoord: het effect hangt af van de receptor, de aanwezige signaalroute en de toestand van de cel.

Dat principe verbindt de hoofdthema’s van deze website. Hormonen werken via receptoren, zenuwcellen gebruiken kanalen en synaptische receptoren, en afweercellen combineren herkennings- en remsignalen. Een receptor is dus geen bewuste ontvanger, maar een eiwit waarvan binding de vorm, activiteit of samenwerking met andere moleculen verandert.

Organellen verdelen het werk

Veel celonderdelen zijn door membranen van de rest gescheiden. Zulke gespecialiseerde onderdelen worden organellen genoemd. De celkern bevat het grootste deel van het DNA. Mitochondriën zetten energie uit voedingsstoffen om in een vorm die de cel kan gebruiken. Zij hebben daarnaast eigen DNA, maar verreweg de meeste eiwitten die mitochondriën nodig hebben worden door genen in de celkern gecodeerd.

Het ruwe endoplasmatisch reticulum draagt ribosomen die onder meer eiwitten maken voor membranen of afgifte buiten de cel. Het Golgi-apparaat bewerkt, sorteert en verpakt veel van die eiwitten. Kleine membraanblaasjes vervoeren materiaal. Lysosomen helpen opgenomen of versleten materiaal afbreken en hergebruiken.^[2]

Deze taakverdeling is dynamisch. Organellen verplaatsen, groeien, delen of worden opgeruimd. Hun aantallen passen bij de functie van de cel. Een cel die veel eiwitten afgeeft heeft bijvoorbeeld vaak uitgebreid endoplasmatisch reticulum en een duidelijk Golgi-apparaat.

DNA, genen en chromosomen

DNA is een lange keten van bouwstenen waarvan de volgorde informatie draagt. In de celkern is het DNA samen met eiwitten verpakt tot chromatine. Tijdens een celdeling wordt die verpakking sterk verdicht en zijn afzonderlijke chromosomen beter herkenbaar.

Een gen is een DNA-gebied dat informatie bevat voor een functioneel product, vaak een RNA-molecuul en bij veel genen uiteindelijk een eiwit. Andere DNA-gebieden helpen regelen waar, wanneer en hoeveel van zo’n product wordt gemaakt. Een gen is daarom niet simpelweg één zichtbare eigenschap en één eigenschap wordt vaak door veel genen én omstandigheden beïnvloed.^[3]

De meeste menselijke lichaamscellen bevatten 23 chromosomenparen. Eén set kwam via de eicel en één via de zaadcel. Geslachtscellen vormen een uitzondering: zij krijgen na de meiose één set. Ook rijpe rode bloedcellen en bloedplaatjes passen niet in het algemene plaatje van een kernhoudende lichaamscel.

Van gen naar eiwit gebeurt in stappen

Wanneer een eiwitcoderend gen wordt gebruikt, maakt de cel eerst een RNA-kopie. Dit heet transcriptie. De eerste RNA-versie wordt bewerkt; stukken kunnen worden verwijderd en andere samengevoegd. Het uiteindelijke boodschapper-RNA, meestal mRNA genoemd, kan de celkern verlaten.

Een ribosoom leest de volgorde van het mRNA. Tijdens deze translatie worden aminozuren in een bepaalde volgorde aan elkaar gezet. De nieuwe keten vouwt en kan verder worden bewerkt of naar een bepaalde plaats worden vervoerd. Zo ontstaat een werkzaam eiwit, bijvoorbeeld een receptor, enzym, kanaal of bouwonderdeel.^[3][4]

Vergroten

Genactiviteit en epigenetica

Een levercel en een zenuwcel hoeven niet ieder een volledig ander DNA-boek te bezitten. Zij gebruiken vooral andere hoofdstukken. Regelende eiwitten kunnen aan DNA en omliggende eiwitten binden en zo de transcriptie bevorderen of remmen. Signalen buiten de cel kunnen via signaalroutes eveneens de activiteit van genen beïnvloeden.

Epigenetica gaat over regelbare kenmerken van chromatine die samenhangen met gengebruik zonder de volgorde van de DNA-letters te veranderen. Voorbeelden zijn DNA-methylering en veranderingen aan histoneiwitten waaromheen DNA is gewikkeld. Zulke markeringen kunnen helpen een celtoestand tijdens delingen te onderhouden, maar ze zijn geen onveranderlijke tweede DNA-code.^[5]

Dit is belangrijk bij differentiatie: tijdens specialisatie veranderen netwerken van actieve genen. Bij iPS-cellen proberen onderzoekers een gespecialiseerde cel juist naar een andere toestand terug te brengen. De DNA-volgorde en de manier waarop de cel die informatie gebruikt moeten daarom uit elkaar worden gehouden.

De celcyclus bereidt een deling voor

Een cel die gaat delen doorloopt een geordende cyclus. In G1 groeit zij en beoordeelt zij haar omstandigheden. In de S-fase wordt het DNA gekopieerd. In G2 volgt verdere voorbereiding. Tijdens de M-fase worden de gekopieerde chromosomen verdeeld en splitst de cel zich uiteindelijk in twee dochtercellen.

Mitose is dus niet hetzelfde als de hele celcyclus. Het woord beschrijft vooral de verdeling van de chromosomen in de celkern. De fysieke splitsing van de cel heet cytokinese. Controlepunten kunnen de voortgang vertragen wanneer DNA niet volledig is gekopieerd of schade is gevonden.^[6]

Niet iedere cel blijft voortdurend delen. Sommige cellen gaan tijdelijk of langdurig naar een rusttoestand, vaak G0 genoemd. Sterk gespecialiseerde cellen delen soms nauwelijks. Stamcellen kunnen juist langdurig nieuwe cellen leveren, maar hun deling wordt normaal streng afgestemd op hun weefselomgeving.

Vergroten

DNA-schade, reparatie en mutaties

DNA kan beschadigd raken door normale stofwisseling, fouten bij kopiëren, uv-straling, ioniserende straling of bepaalde chemische stoffen. Cellen beschikken over meerdere reparatiesystemen. Niet iedere beschadiging wordt een blijvende mutatie: pas wanneer een verandering in de DNA-volgorde blijft bestaan, spreken we van een mutatie.

Een mutatie hoeft geen merkbaar gevolg te hebben. Het effect hangt af van de plaats, het betrokken celtype en de overige veranderingen. Sommige mutaties verstoren een eiwit, andere veranderen de regeling van een gen en veel veranderingen hebben weinig of geen meetbaar effect.

Bij ernstige of niet herstelbare schade kan een cel stoppen met delen of een gecontroleerd celdoodprogramma activeren, vaak apoptose genoemd. Daarbij wordt de cel ordelijk afgebroken en door omliggende cellen opgeruimd. Ontregeling van groeisignalen, controlepunten, DNA-reparatie en celdood kan bijdragen aan kanker; één losse mutatie verklaart meestal niet het hele ziekteproces.^[7]

Waarom dit bij alle vier de hoofdthema’s hoort

Bij de aangeboren afweer kunnen bepaalde receptoren DNA of RNA waarnemen wanneer dat op een ongebruikelijke plaats of in een kenmerkende vorm voorkomt. De verworven afweer herkent via B- en T-cellen vooral antigenen en eiwitfragmenten in hun biologische context. Herkenning van eigen en vreemd is daarom een netwerk van mechanismen, geen enkele DNA-controle.^[8]

Veelgestelde vragen