De cel.

Zie virtual biology voor het cytoskelet en voor het nucleocytoplasmatisch transport.

De cel als eenheid

De rode draad door het verhaal is de evolutionaire ontwikkeling van de eerste prokaryote cel tot aan de hoogst gespecialiseerde cellen in meercellige organismen als de mens. Hierbij ligt achtereenvolgens de nadruk op de autonomie, complexiteit en functionaliteit van de cel.

De cel als autonome eenheid
Dat sommige cellen volledig zelfstandig kunnen functioneren, blijkt uit het bestaan van eencellige organismen. Deze cellen moeten daarvoor op zijn minst stoffen uit hun omgeving kunnen opnemen, ze benutten voor onderhoud en groei en geproduceerde afvalstoffen weer uitscheiden. Naast het zelfstandig uitvoeren van deze functies die het individu in stand houden, kunnen cellen groeien en zich delen. De eenvoudigste zelfstandig levende cellen zijn prokaryoten. Wat ons intrigeert is de vraag wat nou de essentiële kenmerken van zo'n zelfstandig functionerende cel zijn.

Een voor biologen nogal vreemd aandoende omschrijving van een cel is die van Hoffmeyer: een geheel van chemische processen omgrensd door een membraan. Deze processen verlopen autokatalytisch, wat wil zeggen dat de producten van de processen zelf optreden als katalysator ze stimuleren hun eigen productie zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Het geheel van chemische processen in de cel houdt zichzelf dus in stand. De omgrenzing door de membraan is om twee redenen belangrijk. Enerzijds schermt het het interne milieu - waarin de processen optimaal kunnen verlopen - af van invloeden van buitenaf. Anderzijds zorgt de selectief permeabele eigenschap van de membraan voor een nauwkeurige selectie van de in- en output van de cel. Dit maakt specifieke uitwisseling van materie en informatie mogelijk tussen de cel en zijn omgeving. De uitwisseling van materie is noodzakelijk voor de opbouw, groei en handhaving van de structurele organisatie van de cel. Deze organisatie bestaat uit macromoleculen als DNA en eiwitten. Aangezien deze macromoleculen de membraan niet kunnen passeren moet de cel ze zelf kunnen synthetiseren. Voor het synthetiseren van deze moleculen is energie nodig; een goed functionerende energiehuishouding is dus een vereiste. Bovendien vraagt de handhaving van de structurele organisatie informatie. Deze informatie is vastgelegd in het stabiele DNA. Het DNA reguleert de gang van zaken in de cel doordat het de eigen expressie en de eiwitsynthese bepaalt en stuurt. Het verloop van alle processen in de cel is afhankelijk van enzymen die ontstaan door expressie van de bijbehorende genen. Andersom zijn de omstandigheden in de cel weer bepalend voor de genexpressie. Door deze wisselwerking is de structurele organisatie van een cel zowel de oorzaak als het gevolg van zijn eigen activiteit. Dit circulaire proces van zelforganisatie wordt als een van de belangrijkste eigenschappen van leven gezien en heet autopoiese.

De selectieve permeabiliteit van de membraan en de specifieke DNA-structuur geven de cel de mogelijkheid om te reageren op invloeden vanuit de omgeving. Bepaalde informatie kan in de vorm van specifieke chemische verbindingen de membraan passeren en vervolgens de eiwitsynthese beïnvloeden door te binden aan een specifieke plaats op het DNA. Op deze manier kan de cel verschillende eiwitten produceren om aan verschillende omstandigheden het hoofd te bieden.

Essentieel DNA
Binnen het huidige wetenschappelijk onderzoek gaat de meeste aandacht uit naar de genetische basis van het leven, met als resultaat bijvoorbeeld de ontrafeling van het menselijk genoom. De fascinatie voor het DNA als 'levenscode' bracht een aantal onderzoekers ertoe om de vraag 'Wat is leven?' te herformuleren in de vraag: 'Wat is de minimale hoeveelheid DNA die essentieel is voor een levende cel?' Om die vraag te kunnen beantwoorden werd allereerst het kleinst bekende organisme opgespoord. Dit bevindt zich onder de mycoplasma's, bacteriën zonder celwand die normaal gesproken leven in planten of dieren, inclusief de mens. Het kleinste mycoplasma, en daarmee het kleinst bekende organisme, is Mycoplasma genitalium, een variant die doorgaans vreedzaam huist in onze longen en geslachtsorganen. Het complete genoom van dit organisme is al een aantal jaren geleden opgehelderd, waarbij van ongeveer tweederde van de genen bekend is bij welke cellulaire functie ze een rol spelen. Door alle genen van het organisme stuk voor stuk te beschadigen werden de genen gezocht die onmisbaar zijn voor het overleven van het mycoplasma. Uiteindelijk hielden de onderzoekers zo een minimale cel over, met een minimaal genoom van ongeveer 340 genen groot, die nog alle levensfuncties kon vervullen.

De resultaten van het onderzoek ondersteunen het beeld van de autonome cel als autopoietische eenheid zoals we hebben beschreven. Zo blijkt de belangrijke rol van de membraan voor de cel uit het grote aantal genen in het minimale genoom dat codeert voor membraaneiwitten. Vooral de codering van specifieke receptoren voor de selectieve opname van benodigde voedingsstoffen neemt een voorname plaats in. Voor de sturing van de cel is eveneens een belangrijke plaats in het genoom gereserveerd. De faciliteiten hiervoor zijn in het DNA vastgelegd in de vorm van genen die betrokken zijn bij transcriptie, translatie en DNA-metabolisme. Relatief weinig genen in het genoom bleken gerelateerd te zijn aan biosynthese en energiehuishouding. Dit is te verklaren uit het feit dat de gecreëerde cel slechts is uitgerust om te overleven in stabiele en ideale omstandigheden in het laboratorium. In deze omgeving kan de cel alle benodigde voedingsstoffen vrij opnemen, wat consequenties heeft voor de benodigde biosynthetische capaciteit. Wat de cel kan opnemen hoeft hij immers niet te produceren. De belangrijkste bron van energie voor de biosynthese bleek voor Mycoplasma genitalium de glycolyse te zijn.

De cel als complexe eenheid
Van ongeveer eenderde van de essentieel gebleken genen van het Mycoplasma genitalium is onbekend welke functie ze in de cel vervullen. Dus we hebben zelfs in deze meest eenvoudige cel nog niet alle belangrijke moleculaire processen opgespoord. Zelfs een schijnbaar eenvoudige prokaryote cel blijkt voor ons een hoge mate van complexiteit te vertonen. Wanneer we naar eukaryote cellen kijken, valt onmiddellijk op dat deze nog veel complexer zijn. Alle functies in de cel zijn gekoppeld aan complexe substructuren, de organellen. Deze toename in complexiteit kunnen we plaatsen in een evolutionair kader.

Bij het ontstaan van de eerste cellen, zo'n drieënhalf miljard jaar geleden, was de vorming van een membraan rondom een zelfregulerend proces van RNA-replicatie waarschijnlijk een cruciale stap. Via een aantal tussenstappen ontwikkelden deze primitieve cellen zich tot cellen die veel lijken op de huidige prokaryoten. De ontwikkeling van enzymen leidde tot complexere en efficiëntere cellen waarin het RNA werd vervangen door de meer stabiele DNA-structuur om de erfelijke informatie in vast te leggen. Ongeveer anderhalf miljard jaar geleden ontstonden de eerste eukaryote cellen. Hiermee ontstond tegelijkertijd een fundamentele scheiding tussen verschillende levensvormen die tussen cellen met en cellen zonder kern. De vraag hoe eukaryote cellen zijn ontstaan, werd onder andere beantwoord door de microbiologe Lynn Margulis die geïntrigeerd raakte door het feit dat niet alle genen in een eukaryote cel in de celkern zittens. Ze ontdekte dat de meeste niet-nucleaire genen aan bacteriën waren ontleend en kwam uiteindelijk tot de theorie dat langdurige symbioses, waarbij bacteriën en andere micro-organismen in grotere cellen leefden, tot complexere vormen van leven hebben geleid. Tegenwoordig wordt deze theorie als verklaring gezien voor de oorsprong van chloroplasten en mitochondria. Het ontstaan van de organellen die tot het endomembraansysteem behoren, zoals de kern, het endoplasmatisch reticulum en het golgi-apparaat, wordt wel toegekend aan het proces van instulping en specialisatie van de celmembraan. Deze verklaring is echter speculatief.

De voorloper van chloroplasten zou volgens Margulis een endosymbiotische prokaryoot zijn, terwijl mitochondriën zouden zijn ontstaan uit een eveneens endosymbiontische, aërobe, heterotrofe prokaryoot. De voorouders van beide organellen kunnen zijn binnengekomen als onverteerde prooi of als parasiet, waarbij de verbintenis al snel voordeel opleverde voor beide partijen. Samenwerking in plaats van concurrentiestrijd wordt dus gezien als een van de belangrijkste evolutionaire processen bij het ontstaan van complexere vormen van leven. In de ontwikkeling van endosymbiont tot organen is de autonomie verruild voor de beschermende omgeving van de cel.

Op het subcellulaire niveau kunnen we niet meer van zelfstandig functioneren spreken. leder organel vervult een specifieke functie voor de cel en is volledig afhankelijk van de samenwerking met andere organellen. Zo zijn alle organellen afhankelijk van de mitochondriën of chloroplasten om aan de benodigde energie te komen. Net als de cel worden organellen omgeven door een selectief permeabele membraan die nauwkeurig de in- en output bepaalt. Dit heeft het voordeel dat binnen ieder organen een optimaal milieu kan bestaan waarin de specifieke functie van het organen wordt vervuld. Daarnaast ontstaat de mogelijkheid voor een efficiënte communicatie tussen de verschillende organellen. We zouden naar analogie van orgaanstelsels kunnen spreken van organelstelsels. Voor het in stand houden van een dergelijk samenwerkingsverband is regulatie vanuit de kern essentieel.

Orde in complexiteit
Voor het complexe samenspel in iedere cel is een optimale en constante samenstelling van het cytoplasma nodig. Cellen tolereren in het algemeen slechts minimale wijzigingen in de interne condities. De regulatie van het interne milieu (homeostase) betreft osmotische druk, 02- en C02-druk en pH, waarbij terugkoppelingsmechanismen over de membraan een belangrijke rol spelen. Een voorbeeld hiervan is de waterhuishouding bij de soort Paramecium caudatum (pantoffeidiertje). Eencellige organismen, zoals het pantoffeldiertje, kunnen alleen overleven in een waterige omgeving. De reden hiervoor is dat water fungeert als medium om diverse stoffen op te nemen via de membraan. Het pantoffeldiertje leeft in een zoetwater-omgeving en neemt door osmotisch transport voortdurend water op. Om de osmotische druk in het pantoffeldiertje constant te houden moet het organisme voortdurend water verwijderen. Dat doet de cel via een contractiele vacuole. De vacuole heeft een osmoregulatoire werking wat wil zeggen dat de 'pompactiviteit' van de vacuole rechtstreeks is gekoppeld aan het concentratieverschil tussen cel- inhoud en omgeving.

De eukaryote cel is zowel een complexe als ordelijke vorm van samenwerking tussen de onderdelen. Net als bij prokaryoten ontstaat daardoor een geheel dat alle levensfuncties zelfstandig kan vervullen. De complexiteit waarmee dit gepaard gaat is echter vele malen groter bij eukaryote cellen. Dit verschil in complexiteit is ook terug te zien aan het genoom. Terwijl de circulaire DNA-streng van een prokaryoot vrij rondzweeft in het cytoplasma, is het DNA van een eukaryoot in de kern verpakt in de complexe structuur van een chromosoom. En terwijl het genoom van het Mycoplasma genitalium uit 'slechts' 580.000 baseparen bestaat, bevat het genoom van Paramecium caudatum er ongeveer een factor 15.000 meer. Hierbij dient overigens opgemerkt dat het aantal baseparen nog niets zegt over het aantal genen.

De hogere complexiteit van het eukaryote genoom biedt vele mogelijkheden voor controle van de genexpressie. Bijvoorbeeld tijdens de transcriptie van de genen, die net als bij prokaryoten aangestuurd wordt door bindingsplaatsen op het nabijgelegen DNA. Binnen het eukaryotische genoom maken deze bindingsplaatsen vaak deel uit van complexe regulatoire DNA-regionen waar verschillende signalen geïntegreerd worden en al dan niet resulteren in transcriptie van het betreffende gen. De controle van de gen-expressie is dan ook vele malen groter dan bij prokaryote cellen waarbij vaak een enkel signaal al leidt tot het 'aan' of 'uit' zetten van een bepaald gen.

M.v.g. G. Nevenzel.

Overzicht van onderwerpen.