Definitie: Wat is een cytoskelet?

In de celbiologie is het cytoskelet een systeem van vezellige structuren dat het cytoplasma doordringt. Als zodanig kan het worden omschreven als het deel van het cytoplasma dat het interne ondersteunende kader voor een cel verschaft.

Naast het bieden van structurele ondersteuning is het ook betrokken bij verschillende soorten bewegingen (waarbij het diverse cellulaire structuren verankert, zoals het flagellum), alsmede bij de beweging van cellulaire stoffen.

Samengesteld uit drie componenten, waaronder:

• Microfilamenten
• Microtubuli
• Intermediaire vezels

Laatste onderzoeksontdekkingen met betrekking tot het cytoskelet:

– Het cytoplasma is betrokken bij zowel de energieoverdracht als de informatieverwerking in neuronen.

– De ontdekking van drie verschillende nucleotiden aan het “weerhaak”-uiteinde van actinefilamenten heeft helpen verklaren waarom zij aan het ene uiteinde veel sneller groeien dan aan het andere.

– Defecten van het cytoskelet kunnen het immuunsysteem aantasten.

* Hoewel het cytoskelet de cellen structureel ondersteunt, is het vermeldenswaard dat het een dynamisch netwerk van eiwitfilamenten is dat door verschillende signalen (zowel intern als extern) kan worden aangepast/afgesteld.

Structuur en plaats

Microfilamenten zijn filamenteuze structuren van het cytoskelet en zijn opgebouwd uit actinemonomeren (f-actine). Hier polymeriseren bolvormige g-actinemonomeren, algemeen bekend als g-actine, om filamenten van actinepolymeren (f-actine) te vormen. Uiteindelijk bestaat elke streng van het filament (microfilament) uit twee spiraalvormige f-actinen.

Microfilamentstrengen blijken ook positieve en negatieve uiteinden te bezitten die bijdragen tot de regulering van de filamenten aan de twee uiteinden. Met betrekking tot de ontwikkeling van microfilamenten is uit studies ook gebleken dat nieuwe monomeren aan het positieve uiteinde sneller worden toegevoegd dan aan het negatieve uiteinde. Aan dit positieve uiteinde bevindt zich ook een ATP-cap die dient om het tijdens de snelle groei te stabiliseren.

Vergeleken met de andere componenten van het cytoskelet, zijn microfilamenten de dunste/smalste structuren met een diameter tussen 3 en 5 nm. Omdat zij echter uit actine bestaan, worden microfilamenten snel geassembleerd en dragen zij bij tot de goede functies van de cel.

Normaal bevinden microfilamenten zich in de periferie van de cel, waar zij van het plasmamembraan naar de microvilli lopen (zij zijn b.v. te vinden in de pericanaliculaire zone waar zij het pericanaliculaire web/meshwork vormen). Hier zijn ze aanwezig in bundels die samen een driedimensionaal intracellulair netwerk vormen.

* Ondanks het feit dat ze de dunste componenten van het cytoskelet zijn, zijn microfilamenten zeer divers en veelzijdig.

Microtubuli

Microtubuli zijn de grootste van de drie componenten van het cytoskelet met een diameter die varieert tussen 15 en 20 nm. In tegenstelling tot microfilamenten bestaan microtubuli uit één enkel type bolvormig eiwit, tubuline genaamd (een eiwit dat is samengesteld uit kd-polypeptiden en alfa- en betatubuline).

Onder gunstige omstandigheden verzamelen heterodimeren van tubuline zich binnen de cel tot lineaire protofilamenten. Deze filamenten vormen op hun beurt weer microtubuli (holle buisvormige rietjes).

Net als microfilamenten zijn ook microtubuli in cellen in bundels georganiseerd. Er is echter ook aangetoond dat zij zeer instabiel zijn, waarbij sommige microtubuli cycli van groei en verkorting doormaken in hun populatie.

Tijdens fasen van krimp worden heterodimeer-subeenheden verwijderd uit specifieke uiteinden van de buizen, maar toegevoegd tijdens de groeifase. De grote variatie in interne organisatie en afmetingen van microtubulebundels is toegeschreven aan deze dynamische instabiliteit.

* Elke microtubule bestaat uit ongeveer 13 lineaire protofilamenten die rond een holle kern zijn gerangschikt.

* Net als microfilamenten zijn microtubuli ook polaire structuren. Als zodanig hebben zij twee verschillende uiteinden met verschillende ladingen (het positieve uiteinde groeit sneller dan het negatieve uiteinde).

* De dynamische instabiliteit van microtubuli is het gevolg van polymerisatie en de-polymerisatie van de beta Bulin monomeren.

In een cel ontspringen microtubuli vanuit het centrum van de cel op een hub-spoke manier. Van hieruit stralen ze door het cytoplasma waar ze een aantal functies vervullen.

Intermediaire vezels/tussenliggende filamenten (IF)

In tegenstelling tot de andere cytoskeletcomponenten zijn tussenliggende filamenten opgebouwd uit een grote familie polypeptiden. Daarom bestaat er een grote verscheidenheid aan intermediaire filamenten in verschillende celtypen.

Volgens studies zijn er meer dan 50 verschillende typen intermediaire filamenten, die zijn ingedeeld in zes hoofdgroepen, waaronder:

– Type 1 en II – Bestaat uit ongeveer 15 verschillende eiwitten die in de meeste epitheelcellen worden aangetroffen.

– Type III – Deze groep omvat eiwitten als vimentine en desmin. Zij komen onder meer voor in de cellen van gladde spieren, witte cellen en gliacellen.

– Type IV – Tot deze groep behoren eiwitten als neurofilament-eiwitten en α-internexine, die in zenuwcellen worden aangetroffen.

– Type V – Een voorbeeld van eiwitten die in deze groep voorkomen zijn lamines.

– Type VI – Zoals nestine dat in neuronen wordt aangetroffen.

* Een van de meest voorkomende eiwitten die betrokken zijn bij de vorming van intermediaire filamenten is keratine. Dit is het vezelige eiwit dat gewoonlijk in de huid en het haar wordt aangetroffen.

Tijdens de assemblage worden de centrale staafdomeinen van twee polypeptideketens eerst om elkaar heen gewonden om een opgerolde structuur (dimeer) te vormen. De resulterende dimeren komen dan samen om tetrameren te vormen die zich aan hun uiteinden (end to end) samenvoegen om protofilamenten te vormen. Uiteindelijk worden de protofilamenten samengevoegd tot intermediaire filamenten.

* Elk intermediair filament is samengesteld uit ongeveer acht protofilamenten.

* In tegenstelling tot microtubuli en microfilamenten die polaire uiteinden hebben, hebben intermediaire filamenten de neiging apolair te zijn – Dit is grotendeels te wijten aan het feit dat zij zijn samengesteld uit antiparallelle tetrameren.

Wat de afmetingen betreft, variëren intermediaire filamenten tussen 8 en 10 nm in diameter – vandaar de term “intermediaire filamenten”. Zij zijn ook stabieler in vergelijking met de andere twee en dus meer permanent.

Hoewel zij geen dynamische instabiliteit ondervinden, zoals het geval is bij microtubuli, worden de eiwitten van intermediaire filamenten vaak gewijzigd door fosforylering. Dit speelt een belangrijke rol bij hun assemblage binnen de cel.

In verschillende soorten cellen strekken intermediaire filamenten zich uit van het oppervlak van de celkern tot aan het celmembraan. Door het uitgebreide netwerk dat zij in het cytoplasma vormen, associëren deze filamenten ook met de andere componenten van het cytoskelet, wat bijdraagt tot hun functies.

Functies

Door zijn lokalisatie in verschillende celtypen staat het cytoskeletsysteem bekend om zijn rol bij het verschaffen van interne steigers die de structurele integriteit van een cel helpen handhaven.

Naast het handhaven van de vorm van een cel, dient het echter verschillende andere functies in cellen. Voor een goed begrip van het cytoskelet is het van belang te kijken naar de functies van de drie componenten waaruit het cytoskelet is opgebouwd.

Functie van microfilamenten (Actinefilamenten)

Typisch zijn microfilamenten verspreid in de beweeglijke structuren van cellen. Zij kunnen derhalve worden aangetroffen in structuren als het flagellum en de trilharen, waar zij bijdragen tot de celbeweging van sommige organismen.

Actinefilamenten blijken ook betrokken te zijn bij de vorming van structuren als het lamellipodium, dat cellen in staat stelt zich over substraten te verplaatsen.

Naast celmotiliteit spelen microfilamenten ook een belangrijke rol bij de beweging van diverse organellen. Dit is duidelijk te zien tijdens de celdeling, waar een actinering betrokken is bij de celdeling.

Samen met myosine draagt het filament bij tot de knelling van cellen (in het midden), die uiteindelijk leidt tot de deling van celbestanddelen en dus tot celdeling. In aanwezigheid van ATP-energie is ook aangetoond dat de twee een rol spelen bij de beweging van verschillende organellen en vesikels in een cel.

In spiercellen zijn actinefilamenten (samen met myosine) verantwoordelijk voor de samentrekking. De schuifactiviteit van actinefilamenten draagt uiteindelijk bij aan de samentrekking van spieren.

*Met betrekking tot het transport van diverse celcomponenten en materiaal (vesicles en organellen etc) fungeren actinefilamenten als snelwegen of sporen waardoor ze worden vervoerd.

Microtubuli

In cellen, met name dierlijke cellen, behoren microtubuli tot de stijfste structuren met een grote veerkracht. Hierdoor kunnen zij celcomponenten beschermen tegen verschillende schadelijke krachten die anders schade zouden kunnen veroorzaken.

Bovendien hebben microtubuli ook de volgende rollen/functies:

– Bijdragen tot het architectonische kader van de interne celomgeving – Binnen de cel is aangetoond dat microtubuli helpen bij het tot stand brengen van celpolariteit door het organiseren van celorganellen en andere componenten van het cytoskelet.

– Chromosomale segregatie – Microtubuli maken deel uit van het spindelapparaat dat chromosomen tijdens de celdeling scheidt. Als zodanig kan worden gesteld dat zij een rol spelen bij de celdeling.

– Transport – Evenals microfilamenten dragen ook microtubuli bij tot het interne transportnetwerk van een cel dat het transport van celblaasjes mogelijk maakt. Dit wordt met name mogelijk gemaakt door twee groepen microtubule-motoren, namelijk de kinesinesines en de dyneins.

– Motiliteit – Diverse eiwitten die met microtubuli zijn geassocieerd, helpen kracht en beweging te genereren in structuren zoals flagellen, die bijdragen tot de motiliteit van de cel.

Intermediaire filamenten

Voor het grootste deel dienen intermediaire filamenten als structurele ondersteuning voor cellen. In cellen die veel fysieke stress ondervinden (spier- en epitheelcellen, enz.) helpen intermediaire filamenten de structuur in stand te houden.

Vanwege hun meer permanente status, in vergelijking met andere onderdelen van het cytoskelet, is ook aangetoond dat intermediaire filamenten helpen het cytoskelet als geheel te ondersteunen.

Enkele van de andere functies van intermediaire filamenten zijn onder meer:

• Dragen bij tot de uitrekking van epitheelcellen
• Als componenten van de kernlamina, helpen intermediaire filamenten het kernmembraan te versterken en zo de inhoud van de kern te beschermen
• Bieden steun aan axonen wanneer deze in omvang toenemen
• Dragen bij tot spiercontractie door de vorming van bruggen tussen Z-schijven

Terug naar hoofdpagina Organellen

Terug naar hoofdpagina Celbiologie

Terug van Cytoskelet naar MicroscopeMaster home

A.D. Bershadsky en Iurii Markovich Vasil’ev. (1988). Cytoskelet.

Deepa Nath. (2003). cytoskelet. Naturevolume 422, page739 (2003).

ReHarald Herrmann en Ueli Aebi. (2016). Intermediate Filaments: Structure and Assembly.

J.E. Hesketh, and I.F. Pryme. (1996). Cytoskelet in Gespecialiseerde Weefsels en in Pathologische Staten.

Laurent Jaeken. (2007). Een Nieuwe Lijst van Functies van het Cytoskelet. Industriële Wetenschappen en Technologie, Karel de Grote-Hogeschool, Hoboken, België.