Cellens biologi og patologi

1
Cellens biologi og patologi

• Kap. 3 i Almen patologi, 2. udgave

2
Celler

• Celler er de mindste, levende, selvstændigt,
  reproducerende, funktionelle enheder.
• Cellens cytoplasma har en høj grad af funktionel
  og strukturel specialisering, idet forskellige
  typer af membranafgrænsende strukturer,
  organeller, og ikke-membranafgrænsende strukturer
  som f.eks. mikrofilamenter varetager bestemte
  funktioner.
• Cellens mange funktioner styres af gener i
  cellens DNA som via messenger RNA og ribosomalt
  RNA katalysere dannelsen af de mange tusind
  proteinmolekyler.
• Forbigående eller varige ændringer i genernes
  funktion spiller en central rolle ved måske alle
  sygdomme, såvel erhvervede som arvelige.

3
Cellekerne - kromatin

• Kernen er afgrænset af en kernemembran og
  indeholder de følgende komponenter
• Kromatin DNA-holdige kernemateriale. Udover
  DNA, består kromatin af RNA og proteiner. DNA
  danner lange negative ladede kæder, som er viklet
  omkring partikler af otte positivt ladede
  proteinmolekyler (histoner), de såkaldte
  nukleosomer. Disse fibre samles igen i en
  spiralstruktur til ca. 30 nm tykke kromatintråde,
  som ved yderligere snoning danner kromosomer.
• Der er 2 slags kromatiner
• Eukromatin er løspakket og er transkriptionelt
  aktivt
• Heterokromatin - er tætpakket og er
  transkriptionelt inaktivt og findes oftest
  perifert i kernen umiddelbart op ad
  kernemembranen samt omkring nucleolus. Det kan
  inddeles yderligere i 2 slags
• Konstitutivt altid inaktivt og overvejende
  repetitivt DNA
• Fakultativt kan være aktivt eller inaktivt.

4
Cellekerne - kernematrix

• Kernens matrix - udgøres af et netværk af
  proteiner, som danner kernens skelet og bestemmer
  kernens størrelse og form. Matrixproteinerne
  deltager i en række af kernens funktioner,
  herunder replikation og transkription, og
  fungerer som bindingssted for enzymer og andre
  proteiner, som deltager i disse processer. Ved
  neoplasi ændrer disse proteiner og er medvirkende
  til at tumorcellers kerner morfologisk afviger
  fra normale cellers.
• Nucleolus består af ribonukleoprotein, det
  nucleolusassocierede kromatin samt en
  proteinmatrix.
• Nukleoler dannes på 5 bestemte kromosomer fordelt
  på 10 regioner som indeholder såkaldte
  nukleoleorganisationsregioner, NOR. De fleste er
  permanent inaktiverede og i humane celler ses der
  kun 1-2 eller sjældent mere end 4 nukleoler.
• NOR består af store slynger af ribosomalt DNA og
  er af centralt betydning for transkriptionen af
  rRNA som danner ribosomer sammen med protein fra
  cytoplasmaet.
• I forbindelse med neoplasi ses øget antal NOR.
  Disse kan påvises ved sølvfarvning som AgNOR

5
Kernemembran

• Kernemembranen består af 2 koncentrisk lejrede
  enkeltmembraner. Den inderste kan på indersiden
  være dækket af et elektrontæt lag. Mellemrummet
  mellem disse to membraner, det perinukleære rum,
  står i forbindelse med det granulære ER, idet den
  yderste membran fortsætter som membran i det
  granulære ER.
• Kernemembranen indeholder talrige porer, hvor der
  foregår transporten af molekyler mindre end 60
  kD til og fra kernen.

6
Cytoplasma og organeller

• Cytoplasmaet udgør den største del af cellen. Det
  omgiver kernen og afgrænses fra det
  ekstracellulære rum af cellemembranen.
• Der forekommer forskellige organeller i
  cytoplasma
• Endoplasmatisk reticulum
• Granulært endoplasmatisk reticulum består af
  ribosombeklædte membraner, som omslutter
  fladeformede sammenhængende cisterner. De frie
  ribosomer er 25 nm store partikler, som består af
  rRNA der vha. messenger og tRNA katalyserer
  proteinsyntese. De katalyserer dannelsen af de
  mange proteiner, bl.a. enzymer som indgår i
  opbygning og fornyelse af alle cellens
  cytoplasma- og kernestrukturer.
• Glat endoplasmatisk reticulum er involveret i
  metaboliske processer f.eks. lipidmetabolisme,
  dannelse af steroidhormoner og i leveren i
  nedbrydning af medikamenta og toksiner.

7
Cytoplasma og organeller

• Golgi-apparat proteiner som dannes i det ru
  ER, passeres via overgangsvesikler til
  Golgi-cisterner på disse modtageflade. Her
  foregår modifikation af kulhydratdel af
  molekylet. De membranstrukturer, som afsnøres fra
  Golgi-cisterner, omfatter forskellige mere eller
  mindre tæt pakkede vesikler, som enten er
  sekretvesikler og granula med materiale beregnet
  til brug uden for cellen eller som cellen selv
  bruger.
• Lysosomer disse dannes ved modning af
  Golgi-vesikler. De har et højt indhold af
  hydrolyserende enzymer, som ved surt pH nedbryder
  organiske forbindelser. De spiller en vigtig
  rolle i cellernes protein-, kulhydrat- og
  lipidomsætning, idet de som fagolysosomer
  nedbryder endocyteret materiale.
• Ligeledes er omsætningen i autofagolysosomer af
  cellens egne bestanddele vigtig.
• Sur fosfatase og katalase er de bedste kendte
  lysosommarkører.

8
Cytoplasma og organeller

• Mitokondrier de består af 2 membransystemer,
  den inderste omslutter mitokondriematrix og
  danner folder, de såkaldte mitokondriecristae.
  Den yderste omslutter den inderste membran. Langt
  hovedparten af cellens oxidative stofskifte
  foregår i mitokondrierne, hvorved der bl.a.
  dannes adenosintrifosfat (ATP).
• Peroxisomer navnet skyldes indhold af enzymer,
  der er involveret i omsætningen af
  hydrogenperoxid, herunder katalase. Den findes i
  alle kroppens celler, flest i lever og nyrer. De
  dannes ved vækst og deling fra allerede
  eksisterende peroxisomer.
• Peroxisomer udfører en række enzymatiske
  reaktioner, som f.eks. nedbrydning af alkohol og
  fedtsyrer samt syntese af galdesyrer.
• Zellwegers syndrom er karakteriseret ved total
  mangel på peroxisomer, der viser sig ved
  kraniofacial dysmorfi, svær hypotoni og manglende
  psykomotorisk udvikling og børnene lever sjældent
  mere end et halvt år.

9
Lipofuscin

• De lysosomale nedbrydningsprodukter bruges
  normalt igen af cellen, men ofte bliver små
  rester af komplekse, ikke-nedbrydelige
  lipidforbindelser tilbage som gulligt-brune
  cytoplasmagranula, der benævnes lipofuscingranula
  eller alders pigment.
• Disse består hovedsageligt af membranmateriale
  fra mitokondrier og cellemembraner.
• Lipofuscinophobning har næppe betydning for
  cellernes funktion.

10
Sekretgranula

• Sekretgranula dannes ligesom lysosomer. Mens
  lysosomer forbliver i cellen, passerer
  sekretgranula fra Golgi-apparatet til
  celleoverfladen.
• Transporten ud af cellen kaldes exocytose.
• Identifikation af granulas indhold foretages som
  regel ved immunhistokemisk undersøgelse.

11
Cytosol

• Cytosol er cytoplasmaet mellem cellens organeller
  og udgør ca. ½-delen af cellevolumen.
• Det består af forskellige proteinstrukturer, det
  såkaldte cytoskelet, samt af ikke strukturerende
  proteiner som er flydende og derfor muliggør
  strømning og transport i cytoplasmaet.

12
Cytoskelet

• Cytoskeletet er med til at opretholde cellens
  form og er en integreret del af cellefunktioner
  som cellebevægelse, endocytose, exocytose og
  celledeling.
• Cytoskeletet udgøres af de stabile
  intermediærfilamenter, og de mere labile
  aktinfilamenter og mikrotubulier
• Intermediærfilamenter er 10 nm i diameter, er
  permanente og har overvejende stabiliserende
  mekaniske funktioner, dvs. at de ikke hurtigt
  dannes og nedbrydes som mikrotubuli og
  aktinfilamenter.
• Aktinfilamenter 6 nm i diameter, findes i alle
  celler enten alene eller i forbindelse med
  myosinfilamenter. Dødsstivhed, rigor mortis,
  skyldes at aktin bindes til myosin. I
  muskelceller danner disse med myosin filamenter
  kontraktile enheder. I andre celler indgår de i
  den terminale afsnøring af cellen ved
  celledeling. De danner også den aksiale struktur
  i mikrovilli i f.eks. tarmens absorptive celler.
• Mikrotubuli 23 nm i diameter, cytoplasmas
  mikrotubuli er labile, idet de hurtigt kan vokse
  i længden ved polymerisering af frit tubulin og
  tilsvarende hurtigt depolymerisere. Disse
  fungerer dels som støttefibre, dels som
  strukturer langs hvilke cytoplasmaets strømninger
  og stoftransport foregår. De dannes også i
  forbindelse med celledeling, som udgør cellens
  mitosespindelfibre, styret af centrioler.

13
Cellemembran

• Cellemembranen afgrænser cellens indre miljø og
  dermed de markante ionkoncentrationsforskelle som
  findes mellem det ekstracellulære og det
  intracellulære rum.
• Som alle biologiske membraner er cellemembranen
  opbygget af lipider og proteinmolekyler.
• Lipidmolekylerne er altid arrangeret i to lag,
  som holdes sammen af non-kovalente bindinger, der
  dog ikke er stærkere end at der er fri
  bevægelighed inden for hvert lag i det dobbelte
  lipidlag.
• Cellemembranen har herudover en lang række
  funktioner med hensyn til transport af stoffer
  ind og ud af cellen, overførelse af
  informationer, antigen egenskaber og bindinger
  mellem celler og ekstracellulære strukturer.
• Lipiddelen af membranen danner en barriere, som
  er impermeabel for hydrofile og store uladede,
  polære molekyler samt ionmolekyler, og der findes
  i cellemembranen nogle transmembrane transport-
  og kanalproteiner, som er ansvarlige for
  transporten af disse.
• Alle cellemembraners overflade er dækket af
  glykocalyx

14
Basalmembran

• Basalmembraner er stabile bindevævsstrukturer,
  som danner et sammenhængende lag under alle
  epitelceller undtagen leverceller, og under alle
  endotelceller undtagen sinusoider i leveren, i
  knoglemarven og i lymfoide organer.
• Basalmembraner syntetiseres af de celler, som
  hviler på dem.
• Elektromikroskopisk består basalmembraner af en
  80-100 nm tyk fortætning af fine filamenter
  indlejret i en amorf matrix. Denne betegnes
  basallamina, og på udsiden af denne findes en
  bredere zone af fibre, som kaldes den retikulære
  lamina.
• Basalmembranen består af kollagen type IV,
  proteoglykaner som heparansulfat samt laminin.
• Basalmembraner fungerer som støtte for de
  ovenliggende celler og medvirker også ved
  regeneration af disse celler, formentlig fordi
  basalmembraner kan binde vækstfaktorer.
• Basalmembraner fungerer også som filter for
  stofpassage.
• Svigt af denne filterfunktion forklarer, hvorfor
  fortykkelse af basalmembraner kan ses samtidig
  med, at disses permeabilitet er øget.

15
Ekstracellulær matrix

• Ekstracellulær matrix består af et kompleks af
  makromolekyler, som dels findes som fibre, dels
  som en amorf grundsubstans.
• Den er syntetiseret af cellerne lokalt.
• Cellulær matrix findes i bindevæv.
• Fibre i den ekstracellulære matrix omfatter
  kollagen og elastin.

16
Kromosomer

• I menneskets celler er der 46 kromosmer, der
  danner 23 homologe par, som hver består af
  maternelt og paternelt kromosom.
• Hvert kromosom består af 2 ens kromatider, der er
  forbundet ved centromeret. Herved opstår 2 sæt
  arme, hvoraf den korte kaldes for p-armen og den
  lange for q-armen. Hvert arm afsluttes af
  telomeret.

17
DNA

• Et komplet sæt af humant DNA omfatter ca. 2,85
  mia. basepar og den normale diploide celle
  indeholder derfor ca. 5,700 Mbp DNA.
• Af den totale DNA-mængde findes ca. 20 i generne
  og heraf udgør de kodende dele (exons) ca. en
  fjerdedel. Resten af DNA består dels af
  repetetive DNA-sekvenser (ca. 20) og junk-DNA
  (ca. 60) (ukendt funktion).

18
Satellitter

• De 20 af repetetive DNA-sekvenser findes i
  centromerer og telomerer og spredt på
  kromosomerne. Efter deres størrelse kan disse
  deles i megasatellitter, satellitter,
  minisatellitter og mikrosatellitter.
• Satellitter er meget polymorfe, dvs. at der kan
  findes 10 eller flere alleler af forskellig
  længde.
• Usystematiske ændringer i mikrosatellitter fra
  celle til celle (mikrosatellit-instabilitet, MSI)
  kan være udtryk for mutationer i bestemte
  DNA-reparationsgener (mismatch repair-gener). Da
  sådanne mutationer kan medføre fejl i
  replikationen, kan de også medføre mutationer i
  andre gener bl.a. betydning for udvikling af
  cancer.

19
Cellecyklus og celledeling

• Tiden fra en til den efterfølgende celledeling
  kaldes cellens cyklus.
• Cellens cyklus omfatter 4 faser
• Interfasen
• G1-fase længden af denne fase afgør forskellen
  mellem de labile, stabile og permanente celler.
• S-fasen her foregår DNA-replikation. processen
  katalyseres af enzymet DNA-polymerase. Denne fase
  kan vare ca. 7 timer
• G2-fasen her foregår reparation af defekt DNA.
  Denne fase kan vare 3 timer
• M-fasen her bliver kromosomerne synlige som
  strenge eller tråde
• G0-fasen er den, hvor cellerne ikke deler sig.
• Overgangen mellem de forskellige faser reguleres
  af såkaldte checkpoint og stimuleres bl.a. af
  vækstfaktorer.

20
Cellecyklus og celledeling

• Profase her ses kromosom som to kromatider,
  forbundet ved centromeret
• Metafase
• Anafase
• Telofase
• Cytokinesen her deles cytoplasma

21
Celledød

• Celledød kan foregå på 2 måder
• Apoptose
• Nekrose
• Mens apoptose induceres af såvel fysiologiske som
  ufysiologiske stimuli, er nekrose udelukkende en
  følge af ufysiologiske stimuli.
• Apoptose medvirker under følgende forhold
• Embryogenesen
• Opretholdelse af den normale homeostase
• At fjerne beskadigede eller slidte celler
• Den normale aldringsproces

22
Mutationer

• Der sker flere millioner DNA-skader hvert år, de
  fleste i forbindelse med S-fasen før
  celledelingen.
• Næsten alle disse skader repareres af cellens
  DNA-reparationsenzymer. De fleste af disse
  skadede celler går til grunde, men enkelte
  overlever med en permanent ændring i sit DNA,
  dvs. en mutation.
• I hvert gen er der beskrevet ca. 100 mutationer,
  hvoraf de fleste er betydningsløse da de sker i
  ikke-kodende dele af DNA.
• Andre kan dog medføre alvorlige skader og
  sygdomme.
• Mutationer i mtDNA er hyppigere end i nukleært
  DNA, da førstenævnte mangler beskyttende histoner
  og DNA-reparationssystemer.

23
Mutationer

• Mutationer kan inddeles på flere måder
• Kromosomantalsmutationer f.eks. abnormalt
  kromosomtal.
• Kromosommutationer f.eks. strukturelle
  forandringer som brud på kromosomerne bliver
  repareret ukorrekt.
• Genmutationer - f.eks. punktmutationer,
  frameshift mutation, genamplikation, missense
  mutation, nonsense mutation
• Tab af heterozygositet LOH LOH i tumorceller
  er som regel tegn på tab af anti-onkogener. LOH
  spiller en rolle ved sygdomme retinoblastom og
  kolerektalcancer.

24
Mutationer

• Årsager til mutationer
• Stråling
• Vira
• Kemiske stoffer
• Cytostatika
• Mutagene stoffer fremkalder mutationer
• Teratogene stoffer fremkalder misdannelser hos
  fostret
• Karcinogener fremkalder maligne tumorer
• Nogle arvelige sygdomme, der kan medføre
  cancersyndromer pga. mutation. I næsten alle
  disse tilfælde drejer det sig om inaktivering af
  tumorsuppressorgener.

25
Påvisning af mutationer

• Mutationer og deres følger kan påvises med mange
  forskellige metoder, som f.eks. cytogenetisk
  undersøgelse (karyotypering), FISH og PCR, og i
  nogle tilfælde ved molekylærbiologiske teknikker.