Hoofstuk 8 samenvatting PDF

Preview

Summary

Hoofstuk 8 samenvatting...

Description

Biomoleculen en cellen: deel cellen

Hoofdstuk 8: Celkern 8.1 Inleiding /

8.2 De nucleaire enveloppe De celkern is omgeven door een dubbel membraan, er is dus een binnenste en buitenste. Deze binnenste en buitenste membraan vormen samen met een ondersteunend netwerk van cytoskeletaire filamenten (namelijk de intermediaire lamine type V filamenten) de nucleaire enveloppe. De nucleaire lamines vormen een zogenaamd lamina en dit is een stevig netwerk dat tegen de binnenkant van de nucleaire enveloppe zit. Daar zal het een weerstand moeten vormen. De binnenste en buitenste membraan zijn verschillend: de buitenste membraan is volledig continu met het membraan van het ER en dus de ruimte tussen de binnenste en de buitenste is continu met het ER zelf. Er zitten onderbrekingen tussen deze membranen en deze worden overbrugd door nucleaire porie complexen die de communicatie tussen het binnenste (celkern) en buitenste (cytoplasma) verzorgen. Er zijn dus drie onderdelen: een dubbele membraan, binnen: nucleaire lamina en buiten nucleaire porie complex.

8.2.1 Nucleair transport Het nucleaire porie complex is een selectieve moleculaire poort. Ze hebben een symmetrische, octagonale structuur in de laterale zin en zijn opgebouwd uit allerlei proteïnen en we noemen deze nucleoporines (meer dan 30 verschillende). Per cel/kern vinden we er tot 4000 en deze zijn mooi gelijk verdeeld over het oppervlak . In de binnenkant is er een soort van mandstructuur zoals een basketbalring met aan de buitenkant een aantal uitstulpingen (=FG-proteïnen). Deze FG-proteïnen hebben een gidsende functie maar ook een filterfunctie doordat ze een selectief ondoorlaatbaar netwerk vormen (enkel enorm kleine moleculen kunnen er tussen). Vanaf een bepaalde grootte (meer dan 60 kilo Dalton) gaan moleculen niet meer door gelaten worden. De meeste proteïnen zijn groter dan dit maximum dus er zou dan heel weinig transport doorgaan. Gelukkig is dat niet zo doordat er heel wat moleculen continu door die celkernwand moeten migreren, bv RNA moleculen. Dit gebeurt a.d.h.v. ribonucleo proteïnen en RNA-moleculen gaan hiermee een complex vormen, dit is wel relatief groot. Er worden ook enzymen geïmporteerd (bv transcriptie polymerasen). Dit transport kunnen we categoriseren onder post-translationele translocatie (na de synthese). Voor dit soort transport zijn enkele dingen nodig: - Er is (zoals voor elk soort transport) nood aan signaalsequenties o Bij import spreken we van een nucleair lokalisatiesignaal (NLS) dat aanwezig is op het membraan van de te importeren proteïne o Bij export hebben we een nucleair exportsignaal (NES) - We hebben een soort van taxi/transporter nodig die dergelijke proteïne herkent en verplaatst. Dit zijn transportreceptoren of karyoferines en we spreken over importines (import) en exportines (export). - We hebben ook een energiebron nodig en dit komt in dit geval van een gradiënt en dus een onevenwicht binnen bepaalde moleculen, namelijk binnen de Ran-GTPase.

Pagina 1 van 6

Biomoleculen en cellen: deel cellen Signaalsequenties De signaalsequenties die betrokken zijn bij import en export zijn vrij eenvoudig te onthouden: een reeks van 3 of 4 lysines (K) is voldoende om een NLS te zijn (import). Omgekeerd zal een NES (export) gedefinieerd worden door de aanwezigheid van veel leucines, deze moet geen sequentie vormen. Het kan zijn dat ondanks de aanwezigheid van deze signaalsequenties het transport toch belemmerd wordt doordat ze op een of andere manier gemaskeerd worden door kleine post-translationele modificaties zoals - Fosforylatie - Afscherming: bedekt door een ander proteïne - Verankering: proteïne is zelf verankerd aan een ander membraan Deze mechanismen zorgen voor een conditioneel transport, dit betekent dat deze signaalsequenties op een bepaald moment ineens wel zichtbaar worden en bv naar de kern worden getransporteerd. De T-cellen zijn hier een goed voorbeeld van: Hij doet nog een uitleg over T-cellen maar dit staat nergens in de cursus. De essentie hier is: de aanwezigheid van NES en NLS is essentieel voor export en import mogelijk te maken maar er zijn mogelijkheden, ondanks de aanwezigheid van deze signalen, toch het transport te belemmeren door een van die 3 verschillende mechanismen. Energiegradiënt Het transport wordt gefaciliteerd door karyoferines (importines en exportines) ENKEL als er een bepaalde energiegradiënt is. Deze energiegradiënt is de welgekende schakelaar GTPasen. GTPasen zijn enzymen die in staat zijn om GTP te verbranden en dus om te zetten naar GDP. Er bestaat dus een GTP-gebonden status en een GDP-gebonden status. De enzymatische activiteit van deze GTPasen is relatief zwak dus dit wordt geholpen door een GAP (= GTPase activerend proteïne). De uitwisseling van GDP naar GTP (niet omzetting) op dat GTPase wordt geholpen door een GEF (= Guanosine nucleotide Exchange Factor).

>> RAN gradiënt: Er is een asymmetrische verdeling van RAN-GDP en RAN-GTP. In de celkern is er veel meer RAN-GTP gebonden en in het cytoplasma is er meer RAN-GDP gebonden. Deze asymmetrie wordt actief in stand gehouden en gaat deze reactie energie geven. Dit komt omdat GEF (nodig voor GDP>>GTP) zit gebonden op chromatine en ook het GAP (nodig voor GTP>>GDP) is meer aanwezig in het cytoplasma. IMPORT Stel we hebben een proteïne dat naar de celkern moet getransporteerd worden. Dit heeft een NLS en zal dus herkent kunnen worden door een karyoferine/importine. Deze zullen binden en zal gegidst worden doorheen het nucleaire porie complex dat zich selectief zal openen (want dit is een heel dun kanaal) voor de proteïne met haar transporter. Eens dat ze in het intranucleaire milieu zitten (= karyoplasma) gaat er een binding komen van het RAN-GTP op het importine met een conformationele wijziging tot gevolg. Zo wordt de proteïne gelost en is vrij beschikbaar in het karyoplasma. Het importine wordt samen met het GTP naar buiten gebracht en aan het nucleaire porie complex wordt GTP gehydrolyseerd tot RAN-GDP en dit laat dan het importine los. Zo is het importine vrij en kan het een nieuwe proteïne naar de kern leiden. Pagina 2 van 6

Biomoleculen en cellen: deel cellen

EXPORT Een proteïne moet naar buiten getransporteerd worden en beschikt dus over een NES. Dit wordt herkent door een karoferine/exportine en dit exportine zal ook een RAN-GTP binden. Deze gaan samen naar buiten en daar is veel meer GAP aanwezig dus we krijgen een RAN-GDP met als gevolg een conformationele wijziging. Dit verliest dan ook het proteïne en zo krijgen we een exportine volledig vrij en de GDP gaat terug naar binnen gaan. BELANGRIJK

8.3 Het genoom 8.3.1 DNA dubbele helix We gaan hier niet te veel op in gaan, want dit hebben we al gezien bij het deel biomoleculen. - Dubbele, antiparallele spiraal bestaande uit nucleotiden - Op basis van basenparing samengehouden (A-T en G-C) >> met H-bruggen

8.3.2 Chromatine Het DNA is meer dan gewoon een reeks nucleotiden en komt nooit naakt voor omdat dit ook zo veel/groot is dat dit wel moet opgerold worden. We beschikken over 3miljard basenparen en als we kijken naar 1 chromosoom (we hebben er 2x23) en we kijken naar naakt DNA dan zitten we aan 4cm DNA. De diameter van een celkern is 10 micrometer en het volume is 500 kubieke micrometer. De opvouwing gebeurt op verschillende niveaus en is zeer gereguleerd. De verschillende niveaus kan je hier ook al zien op de afbeelding: rechtsboven hebben we de dubbel DNA streng, dit wordt dan opgerold rond een soort van knikkers (= nucleosomen = histonoctameren, dus er zitten 8 histonen in 1 nucleosoom), tussen de nucleosomen zit nog een histon dat voor verbinding zorgt. Vervolgens worden de nucleosomen opgerold in de elementaire DNA-streng waarin ze mooi in elkaar passen en dan wordt dit nog verder opgevouwd via lusdomeinen.

Pagina 3 van 6

Biomoleculen en cellen: deel cellen Er zijn DNA regio’s die zeer toegankelijk moeten zijn omdat deze vaak worden afgeschreven en deze noemt men euchromatine. Het omgekeerde is heterochromatine en deze zijn zeer dens omdat deze compacter kunnen zitten omdat ze niet vaak moeten worden afgeschreven. De meest opgevouwen structuur is dan een chromosoom. De DNA compactie heeft dus verschillende niveaus: 1. Helix 2. Nucleosomen (omwikkelen rond histonen) 3. Beads on a string 4. Chromatinevezel = elementaire DNA streng

8.3.3 Chromosomen

1 arm is 1 chromatide en de zusterchromatide zijn aan elkaar verbonden door een centromeer. Elk individu heeft 23 chromosomen. Je kan zien dat er donkere en lichtere banden zijn op de chromosomen en deze corresponderen met specifieke sequenties (bandenpatroon).

8.4 Non-random kernorganisatie We hebben lang gedacht dat de kern een spaghetti was van chromosomen die door elkaar zitten met weinig structuur. We weten nu dat de celkern een ongelofelijk georganiseerde structuur is waarbij de chromosomen bepaalde regio’s innemen maar ook de proteïnen. Heterochromatine zit eerder aan de periferie en euchromatine aan de binnenkant.

8.4.1 Nucleaire matrix? Er is een cytoskelet in de celkern (niet exact hetzelfde maar toch gelijkend). Bij heel agressieve behandelingen kregen we een structuur te zien die hier is afgebeeld en ze noemen dit de nucleaire matrix. Het probleem was dat ze dit nooit in vivo hebben gevonden dus ze zijn hier nog steeds onderzoek naar aan het doen maar dit is dus zeker nog geen duidelijke zaak.

Pagina 4 van 6

Biomoleculen en cellen: deel cellen

8.4.2 Nucleaire lamina We weten wel dat er bepaalde cytoskeletaire componenten aanwezig zijn in de kern: veel globulair actine (nog steeds onderzoek) en lamine. De nucleair lamina die opgebouwd is uit de intermediair filamenten, de lamines, en tegen de nucleaire membraan zit. Bepaalde lamines gaan heterochromatine regio’s binden waardoor ze tegen de nucleaire enveloppe duwen. Er komen ook vrije lamines voor in het nucleoplasma en ook daar chromatine kunnen binden, dit noemt men lamine-organiserende domeinen. Lamines zijn verbonden met het cytoskelet via linkers. >> er is geen at random organisatie, maar we zijn er nog niet helemaal uit

8.4.3 Chromatine Experiment: de celkern vergelijken met een hoop chromatinevezels dat je kan vergelijken met veters. Als je nu wil weten of die veters at random georganiseerd zijn of juist een bepaalde structuur hebben dan bestaat er een eenvoudig experiment. Het concept: Je laat een druppel verf vallen op die veters, vervolgens haal je de veters uit elkaar en zie je welke domeinen gekleurd zijn. Als de verdeling at random gebeurt dan zou je zien dat de veters allemaal wel een beetje kleur zouden hebben. In tegenstelling tot bij een structurele verdeling, hier zal je zien dat er echt veters zijn zonder verf en sommigen met heel veel verf (omdat deze respectievelijk vrij ver of dicht lagen van de druppel. In de praktijk: wanneer DNA beschadigd geraakt dan is er een heel efficiënt apparaat dat die schade gaat herstellen. Ze hebben dus celkernen beschadigd door zeer lokale straling en op die plaats zal het herstelapparaat dus nieuwe nucleotiden gaan inbouwen en het is dus daar waar je een radioactieve patch krijgt. Dan gaan ze de chromosomen induceren waardoor je kan zien welke chromosomen waar getroffen zijn. Ze zagen dat slechts enkele chromosomen getroffen waren >> toen konden ze concluderen dat er bepaalde domeinen/territoria zijn.

8.4.4 DNA verwerkt in fabrieken De nucleolus is zeer dynamisch en bestaat uit een donker granulair gedeelte en hoefijzerachtige structuren (= Fibrillair centrum). In het fibrillair centrum wordt ribosomaal DNA afgeschreven en tijdens de mitose verdwijnen deze even maar vormen/groeien gradueel terug in G1. Ze worden gereguleerd door de cel zelf, zoals metabolische activiteit en hoe meer metabolische activiteit, hoe groter de nucleolus. Ribosomaal DNA wordt afgelezen aan de lopende band. In de granulaire centra gaan ze zich vormen en samen nestelen met proteïnen. Denk terug aan RNA processing dat zo aan de lopende band werd gemaakt en een varenblad structuur vormde.

8.4.5 Nucleaire lichaampjes Proteïnecompartimenten (hebben geen membraan) zijn duidelijk te onderscheiden. - Cajal bodies: kleine nucleaire lichaampjes geassocieerd met splicing - PML bodies: belangrijk als stress-sensoren/virale herkenningsensoren - Nucleoli: belangrijkste taak celkern, namelijk productie van ribosomale subunits PML bodies zijn kleine, ronde structuren die voorkomen in oude cellen zoals fibroblasten. Ze hebben een typische plasticiteit en zijn belangrijk voor de telomeer-verlenging en herkennen van stress.

Pagina 5 van 6

Biomoleculen en cellen: deel cellen

8.5 Kernpunten -

Celkern bevat genetisch materiaal dat op gereguleerde wijze wordt afgeschreven. De nucleaire enveloppe bestaat uit een dubbele lipide laag, de nucleaire lamina en nucleaire poriecomplexen. Bidirectioneel transport tussen kern en cytoplasma gebeurt via nucleaire poriën en berust op de aanwezigheid van signaalsequenties, karyoferines en een Ran gradiënt. De nucleaire lamina geeft de kern vorm en sterkte. DNA wordt met behulp van histonen opgevouwen tot elementaire 30nm chromatinevezels. Transcriptioneel inactief DNA is sterk opgevouwen in heterochromatine, terwijl actief DNA los gestapeld is in euchromatine. Tijdens de mitose condenseren de chromosomen maximaal. De karakteristieke set chromosomen van een organisme wordt het karyotype genoemd. De interfase kern is sterk georganiseerd, met het DNA in specifieke chromosomenterritoria en meeste nucleaire, niet-histon eiwitten in nucleaire lichaampjes, vaak rond genoomregio’s De ribosomale subunits worden gesynthetiseerd in de nucleolus. PML bodies zijn stress sensoren.

Pagina 6 van 6...