Cellen - en introduktion

H. Løvschall

CELLEN - en introduktion

Anatomi 2023, IOOS, AU

CELLEN Denne introduktion om cellens indre strukturer er ikke pensum i Anatomi og afsnittet kan skimmes efter behov.

Kroppens væv, og de celletyper der indgår i mikroanatomi, bliver introduceret i bogen, og kun beskrevet der hvor det er relevant, for at belyse funktioner i væv og organer.

Cellen er legemets byggesten.

Encellede organismer er i stand til selv at udføre alle livsnødvendige funktioner.

Flercellede organismer har udviklet forskellige celletyper, der er specialiserede og arbejder sammen.

De anatomiske strukturer i organer og lag er opbygget af væv med forskellige funktioner, som alle er dannet af celler. Et væv er domineret af en særlig type celler, der varetager en specifik biologisk funktion.

Det menneskelige legeme er udviklet fra en befrugtet ægcelle gennem gennem mange celledelinger. I et stort cellesamfund, som det menneskelige legeme, er cellerne stærkt specialiserede, men også indbyrdes afhængige af at arbejde sammen.

Cellen er yderst omgivet af en cellemembran, se tegning længere nede side 10. Den indeholder en kerne (nucleus) (2) med det genetiske DNA materiale. Kernen er omgivet af cytoplasma, der indeholder en række mindre celleorganer også organeller (3-13).

Celleformen varierer meget. På fig. 1 ses, at en celles form kan være kugleformet (A), flad som en plade (B), kubisk (C), prismatisk (D) eller stjerneformet (E).

Formen afspejler cellens funktion. Det er meget synligt i nerveceller, der har lange udløbere, som kan videresende signaler over lange afstande, som f eks mellem foden og hjernen.

7

cellen

En celles form varierer, formen bliver påvirket af cellens aktivitet og omgivelserne. En hvilende celle har ikke mange organeller omkring kernen.

En aktiv celle har flere organeller og den er derfor større. Når celler ligger tæt op ad hinanden, påvirkes deres form også af nabocellernes tryk, og de kan på ‘gode’ snit fremstå flade (pladeformede) firkantede (kubiske), eller aflange prismatiske (cylinder/søjleformede). Nogle af disse celler kan bevæge sig rundt i vævet og sidde fast på små fibre kaldet fibriller.

Andre celler sidder ikke fast på omgivelserne (nonædherente), og de flyder med den væske, der omgiver dem som kugleformede celler, som f. eks blodceller. Nogle af blodceller kan dog gå ud af blodbanen og vandre rundt i bindevæv med ‘amøboide’ bevægelser. Det gælder f. eks. nogle af de hvide blodlegemer.

Cellesstørrelsen varierer fra få µm til ca. 150 µm (1 µm er 10-6 m). De største celler i den menneskelige organisme er ægcellen og nogle store nerveceller. Under særlige forhold kan store celler ses med det blotte øje. Røde blodlegemer er kun 7-8 µm i diameter og de er relativt ensartede i størrelse. En prismatisk og aktiv celle i tarmens indre overflade (epitel) har en øget længde, der kan svare til diameteren af tre til fire røde blodlegemer.

Encellede organismer har gennem evolutionen udviklet sig til flercellede organismer. Den primitive præcelle har udviklet flere og flere gener, som differentierer og styrer udvikling af forskellige celletyper. Det enkelte menneskes udvikling fra en befrugtet ægcelle afspejler arternes udvikling.

Forskning i evolution og udvikling af stamceller i organismen hænger derfor sammen og foregår på tværs af arter også kladet evo-devo forskning. Et menneske på 70 kg indeholder cirka 70.000 milliarder celler, der er organiseret i over 300 vævstyper.

Farven af cellerne i histologiske præparater, som du vil lære mere om på det senere mikroskopikursus, er oftest kunstig. I naturlig tilstand er de fleste celler farveløse. En undtagelse er røde blodlegemer og pigmentceller.

De er begge farvede i naturlig tilstand. Farvning af cellerne i præparater til almindelig histologisk undersøgelse er en vigtig del af præparationsteknikken.

Fordelen ved at anvende farvede præparater ses i atlas under ‘Histologisk Kursus’. Her kan du sammenholde princip-tegninger som vi henviser til her i bogen, med fotografier af mikroskopiske vævssnit som er farvet med histologiske teknikker, som du skal lære mere om på histologikurset.

Konsistensen af cellerne varierer. De fleste er ‘plastiske’ og formes af omgivelserne. Fedtceller er runde, når de ligger frit, men når de ligger tæt, presser de på hinanden og bliver mere kantede (Fig 18).

8

kerne

På fig. 20 ses at overfladen af mange celler er uregelmæssigt stjerneformede på grund af udløbere. Nogle celler har grove udløbere overalt på overfladen (A), andre har ultrafine udløbere i dele af overfladen.

De finere udløbere kan være kinocilier eller fimrehår (B) fig. 10, der er bevægelige, og som ses i almindeligt mikroskop.

Andre celler har stereocilier, dvs ikke-bevægelige udløbere (C). Nogle udløbere, mikrovilli, er så fine, at de ikke kan ses enkeltvis i almindeligt mikroskop, men når de står tæt, danner de en bræmme eller søm (A).

Kinocilier kan transportere et slimlag – ‘et rullende slimtæppe’ – som fx støvpartikler kan klæbe til, og derved blive ført bort fx fra næsehulen.

Mikrovilli spiller en vigtig rolle for ‘opsugning’ bl a i tarmens store overfladeareal, hvor næringsstofferne opsuges. Stereocilier, fx lydfølsomme udløbere på hårceller i øret, er særlig lange udløbere på op til 100 µm, der bliver tyndere ud mod deres spids, hvor de snor sig om hinanden og danner grove ‘duske’, der kan ses i almindeligt mikroskop.

KERNE Kernen, nucleus, er en vigtig bestanddel af cellen. Kernen indeholder cellens genetiske materiale, deoxyribonukleinsyre (DNA), som indeholder de gener og budskaber, der betinger cellens og hermed hele organismens struktur og funktion. Styringen sker ved, at generne i kernen danner ribonucleinsyre (RNA), som styrer proteinsyntesen i cytoplasmaet.

I kernens arvemasse, generne, findes de koder, efter hvilke cellens funktion og opbygning styres. Kernen styrer dannelse af protein, både til fornyelse af cellestrukturer og til ‘eksport’ i form af sekret. Kernen styrer også produktionen af de mange enzymer, som er nødvendige for at cellen kan danne energi af de tilførte næringsstoffer. Processerne foregår i cytoplasma, men det er kernen, der er ‘kommandocentralen’.

Kerneformen varierer fig. 3 A. De fleste kerner er runde eller ovale, men i nogle af de hvide blodlegemer er kernen lapdelt fig. 3 C. Kernestørrelsen i forhold til cellestørrelsen varierer, men i mange celler er ratio (kerne/cytoplasma) cirka 1:4. I enkelte celler fylder kernen næsten hele cytoplasma. Det gælder nogle af de hvide blodlegemer (lymfocytter) (G) fig. 20. I andre celler er kernen lille i forhold til den samlede mængde af cytoplasma, det gælder bl a store nerveceller. En nervecelle med mange udløbere, og hvor den længste måske er én meter, indeholder enorme mængder cytoplasma, og i forhold hertil er kernen lille. På tegningen fig.

37 ses kun lidt af den lange udløber (7).

9

cellen

Kernetallet er i langt de fleste celler én, men nogle celler kan have mange kerner (osteoklaster, som er knoglenedbrydende celler).

Modne røde blodlegemer har ingen kerne.

Kernens bestanddele ses på fig. 3 A og omfatter: – kernemembran (nucleolemma) (1), – kernevæske (nucleoplasma) (4), – kromatin (3) og – kernelegeme (nucleolus)(2).

Kromatin er betegnelsen for det DNA-holdige kernemateriale. Det er synlige net-strukturer der ses spredt mellem to celledelinger, hvor de optræder som ‘brokker’ eller danner net. De ikke-synlige dele ligger i kernevæsken.

Kernemembranen, fig. 3 B (1), afgrænser kernen fra cytoplasma, og gennem membranens porer (5) passerer bl a de molekyler (mRNA), der bringer koden for proteinsyntesen til cytoplasma. Kernemembranen er dobbelt og indeslutter en smal spalte med et perinukleært rum.

Kernelegemet, nucleolus (2), er en tydelig prik i mange celler, fig. 3 A. Nucleolus er sæde for produktion af særligt RNA der indgår i produktion af ribosomer (rRNA). Hvis det omkringliggende kromatin er særlig tæt, ses nucleolus ikke, fig. 44 Hi.Ku. Nucleolus er især tydelig i celler med stor proteinsyntese, bl a i nerveceller, fig. 53 Hi.Ku. Cytoplasma består af en halvflydende masse cytosol, der indeholder tre hovedbestanddele organeller, cytoskelet og inklusioner. I mikroanatomi omtaler vi kun hovedbestanddele, der befinder sig i cytoplasmaet.

Sammensætningen af cytoplasmaet lærer i mere om i biokemi- og histologiundervisningen.

Tegning af celle fra Wikipedia 10

organeller

ORGANELLER Organeller i cellen fungerer som en slags ‘organer’. De spiller en afgørende rolle for cellens liv og funktion.

De vigtigste organeller, som ses på tegning side 10, er (1) nucleolus (2) cellekernen (3) ribosom (4) vesikel (5) ru endoplasmatisk reticulum (6) golgiapparat (7) cytoskelet (8) glat endoplasmatisk reticulum (9) mitochondrie (10) vakuole (11) cytoplasma (cytosol plus organeller) (12) lysosom (13) centrioler Mitochondrier fig. 2 H producerer energi. De ses i det almindelige mikroskop som små stave eller korn. I elektronmikroskopet viser de sig som aflange og hule legemer. Deres ydre væg (1) dannes af to membraner, og fra den inderste strækker skillevægge (cristae) (2) sig ind i det indre af mitochondriet. Skillevæggene deler mitochondriet i en række kamre (3), men da væggene ikke er fuldstændige, står kamrene i forbindelse med hinanden. Mange af de enzymer, der er nødvendige for stofskifteprocesserne, sid der ordnet i mønstre på mitochondriets vægge (pile). En del enzymer er dog også opløst i mitochondriets ‘matrix’ mellem skillevæggene. Mitochondrierne er cellens ‘kraftstation’. Her fremstilles energi, der er nødvendig til cellens forskellige funktioner. Antallet af mitochondrier afhænger af cellens energiforbrug.

Antallet af mitochondrier kan variere fra nul (i røde blodlegemer) til 1000 pr. celle (leverceller). Mitochondrier har kort levetid (en uge) og de bliver løbende erstattet af nye. På fig. 2 E ses mitochondrier som (sorte) stave i cellen (lysmikroskopi), og som en gennemskåret kasse på fig. 2 H (elektronmikroskopi).

Det endoplasmatiske reticulum (ER) er et netværk af sække og rør, her Det endoplasmatiske reticulum er vigtig i membransyntesen og metaboliske processer i cellen. Der findes to slags endoplasmatisk reticulum: det ru og det glatte, der hver har sine opgaver.

Det glatte endoplasmatiske reticulum (F) fig. 2 er vigtig i syntesen af forskellige lipider, og nedbrydning af forskellige stoffer bl a alkohol.

11

cellen

Det ru endoplasmatiske reticulum (D) fig. 3 D opsamler polypeptidkæder, som sendes videre i små transportvesikler (små ‘dråber’ med membran), Pile viser transportvejen fra ER (D) til Golgi (A) og ud mod overfladen.

Vesikler (dråber) fra ru ER (D) havner i golgiapparatet (A), hvor peptider og proteiner bliver færdiggjort. Et eksempel på et protein, der udskilles fra cellen, er hormonet insulin.

I kirtelceller dannes sekretets proteindel i det endoplasmatiske reticulum, i små vesikler og transporteres til golgiapparatet. Når sekretet her er blevet koncentreret, sendes det til overfladen i vesikler emballeret i et stykke membran, der stammer fra en af golgiapparatets sække. Når vesiklens membran fusionerer med membranen i celleoverfladen, så kan indholdet blive udtømt fra cellen (B). Overskydende membran i celleoverfladen recirculeres og genbruges intracellulært af organellerne.

Golgiapparatet er et membransystem af affladede sække og kanaler, der opsamler vesikler fra ER fig. 2 A. Golgiapparat viser sig som en netlignende struktur og en række sække.

Strukturerne kan omgive kernen eller ligge i et mere begrænset område nær denne. Golgiapparatet består af talrige flade sække (1) stablet oven på hinanden. I kirtelceller har golgiapparatet til opgave at opsamle og koncentrere og videresende sekret. Golgiapparatet danner endvidere forskellige kulhydrater, der indgår i cellemembraner og i en del sekreter.

Efterfølgende danner golgiapparatet transportvesikler med modificerede polypeptider, der eksporteres til cellens plasmamembran hvor de udskilles. Alternativt kan stofferne bruges af cellen selv, og fx blive indlejret i plasmamembranen eller andre organeller som lysosomer.

Kromofil substans er betegnelsen for de strukturer og granula i cytoplasma, der farves kraftigt med basiske farvestoffer. De farvede områder kan optræde som brokker af forskellig størrelse fx i nerveceller (Nissl’s substans) (2) fig. 53 Hi.Ku. Ribosomer er ganske små korn, der består af kernesyre (RNA) fig. 2 D. ­Ribosomer er sæde for proteindannelse, som er en af cellens vigtigste funktioner. Ribosomets funktion er at kæde aminosyrer sammen til protein. De enkelte ribosomer er små og produktive både i ‘flok’ og enkeltvis.

Ribosomer kan optræde frit i cytoplasma eller frit indeni organeller, og de har her overvejende til opgave at danne protein til cellens eget brug.

De ribosomer der er knyttet til (1) endoplasmatisk reticulum (ER) giver her en kornet overflade, og derfor kaldes det ru endoplasmatisk reticulum (eller rough ER). Disse ribosomer danner protein, som først opbevares indeni de spalter eller sække (cisterner) (2), som det endoplasmatiske reticulum danner. Senere transporteres proteinet i vesikler til golgiapparatet.

12

organeller

Centrosom, også kaldet cellecentret, indeholder to centrioler, som er små stave. Centriolerne spiller en vigtig rolle under celledeling ved at dirigere dannelsen af microtubuli. Lige før en celledeling fordobles antallet af centrioler. Den ene gamle centriole og dattercentriolen danner et par, der vandrer til cellens ene pol. Den anden gamle centriole med datter centrioloe vandrer til den anden pol. Mellem de to centriolepar dannes tentrådsapparatet (3) fig. 3 D, et system af fine rør (mikrotubuli), der er vigtigt for fordelingen af kromosomerne (4) under celledelingen.

Cytoskelettet består af proteiner, der danner tre typer filamenter (tyndere) og særlige tynde tråde, også kaldet fibriller (tykkere). Fibriller dannes ved sammenfletning af tyndere filamenter. Der er tre slags cytoskelet i celler: Intermediære filamenter – binder til cellemembranen og stiver cellen af.

Aktinfilamenter – bidrager til celle bevægelser.

Mikrotubuli – transporterer organeller og kromosomer.

Intermediære filamenter er den stærkteste type cytoskelet. De er ‘tovlignende barduner’ udbredt lige indenfor cellemembranen, hvor de ofte er forankret til plasmamembranen i hemidesmosomer, som er cellekontakter der parvist kan danne desmosomer og dermed binde både cytoskelet og celler sammen.

Aktinfilamenter er mere dynamiske og fleksible strukturer, der kan organisere sig i vidt forskellige bundter. Aktinfilamenter kan bidrage til bevægelse, som fx ses under fagocytose af bakterier, amøboid celle bevægelse på en overflade, og muskelcellers kontraktion.

Mikrotubuli (1) er ganske fine rør fig. 2 C. Mange mikrotubuli dannes under celledeling (tentrådsapparatet) (3) fig.

3 D, og forsvinder, når delingen er forbi. Mikrotubuli spiller i øvrigt en rolle for transportprocesser i cellen. Organeller og vesikler flyttes rundt i cellen af mikrotubuli. Mikrotubuli er ikke stationære strukturer, de kan forsvinde og opbygges igen, når der er brug for dem.

Lysosomer er et kugleformede celleorganeller der indeholder fordøjelsesenzymer fig. 2 G. De er omgivet af en membran (1), der afgrænser dem fra omgivelserne. Lysosomerne er cellens ‘fordøjelsessystem’. Enzymer fra lysosomerne kan fordøje bakterier, udslidte mitokondrier organeller eller andre strukturer i cellen.

Celler kan fordøje bakterier eller andet materiale, der optages i cellerne, ved hjælp af lysosomale enzymer.

Membranen omkring et lysosom er vigtig. Hvis den er utæt, strømmer enzymerne ud og ødelægger cellestrukturen. Det sker, når cellerne dør.

Derfor er det vigtigt, at standse enzymvirksomheden hurtigst muligt, når man tager en vævsprøve som man vil undersøge i et mikroskop.

13

cellen

Cellemembranen (plasmalemma) (1) fig. 2 E afgrænser cellen fra omgivelserne og har enorm betydning for transporten af stoffer ind og ud af cellen.

Cellemembranen består af et halvtflydende lipiddobbeltlag (1) fig. 3 E, hvor isolerede ‘klumper’ af protein (2) ‘svømmer’ rundt (som isbjerge i havet).

Nogle proteiner i membranen fungerer som ‘porer’ og lader bl a vand passere igennem membranen Andre fungerer som en slags energi forbrugende pumpe der f eks sørger for, at natriumjoner ‘pumpes’ ud af cellen.

Hemidesmosomer er en proteinstruktur der sidder i cellemembranen og binder til strukturer både indenfor og udenfor cellen. På indersiden af cellemembranen binder hemidesmosomet til intermediære filamenter i cellen. På ydersiden af cellen kan to hemidesmosomer, binde sig til hinanden som en lokal celle-celle kontakt imellem to cellemembraner og danne et desmosom. Intermediære filamenter i to naboceller er på denne måde bundet til hinanden ved hjælp af desmosomer, proteinstrukturer, der går igennem cellemembranen.

Celledeling (mitose) sørger for at flere nye celler kommer til. Programmeret celledød (apoptose) sørger for at udslidte celler med DNA fejl og overtallige celler bliver fjernet. Både celledelinger og apoptoser spiller en afgørende rolle under organismens udvikling og formgivning. Udover at organismen vokser i størrelsen ser vi også programmerede apotoser der f eks fjerner svømmehudslignende væv mellem fingrene og bidrager til formgivning af tandkroner.

STAMCELLER Stamceller er umodne celler, der fungerer som byggesten der er i stand til at lave kopier af sig selv. De har ikke specialiseret sig. Men til gengæld kan de reproducere sig selv og danne mange datterceller, der efterfølgende specialiserer sig.

En stamcelle deler sig asymmetrisk, dvs, den ene dattercelle forbliver en stamcelle og specialiserer sig ikke, mens den anden dattercelle kan opformere en pool af celler, som kan specialisere sig. Den befrugtede ægcelle danner embryonale stamceller, og senere over 300 specialiserede celletyper og væv, som indgår i kroppens anatomiske strukturer og funktioner.

Fosterets væv indeholder relativt mange stamceller, der over tid bliver omgivet af flere og flere specialiserede celler, i takt med at kroppen udvikler sig og vokser. En mindre del af stamcellerne forbliver i de væv og organer de udvikler, som det vi kalder voksne stamceller.

14

stamceller

Voksne stamceller findes rundt omkring i kroppen hos voksne. Det er praktisk, for under en vævsskade bliver stamcellerne aktiveret og begynder at reparere vævsdefekten. Hos voksne bidrager voksne stamceller til vævsfornyelse og vævsregeneration. For eksempel findes der specialiserede stamceller i tandens nerve (pulpa), som kan bidrage til at regenerere tandbenet (dentin) og dermed bidrage til at lukke og hele perforationer, der når ind til pulpa.

En embryonal stamcelle kan blive ved med at dele sig, den har ikke specialiseret sig, og den har et ubegrænset vækstpotentiale. En voksen stamcelle er typisk ‘determineret’ i retning af et eller få vævstyper, og den har et endeligt antal celledelinger, og dermed et tidsbegrænset potentiale. Bemærk, at embryonale stamceller har ubegrænset antal celledelinger, hvorimod en voksen stamcelle har et begrænset antal celledelinger.

De vævsspecifikke voksne stamceller bidrager til fornyelse og regeneration af væv gennem hele livet. Men vævene er i denne henseende forskellige, og mens evnen til vævsregeneration er god i hud, er ikke god i fx hjerne og rygmarv.

Embryonale stamceller kan vokse ubegrænset i cellekulturer, de kan opbevares i biobanker, og ved passende stimuli danne særlige celletyper.

Stamcelleimplantation i vævsområder, hvor organismens egne evner til at reparere skader er nedsat, kan potentielt fremme heling. En anden biomedicinsk strategi er, at stimulere de voksne stamceller i voksenvæv ved hjælp af bioaktive molekyler.

Gener, der er involveret i udvikling af organer bliver reaktiveret under vævsskader. Der er derfor interesse for forskningsområder, der potentielt kan bidrage til fremtidige behandlinger ikke kun på tandorganet, men også mere invaliderende sygdomme fx osteoporose og hjertesygdom.

15