04 nucleus deel A & notes-1.pdf

# Structuur en functie van de nucleus De nucleus, of celkern, is een cruciaal organel in eukaryotische cellen, verantwoordelijk voor het opslaan van genetisch materiaal en het reguleren van genexpressie, en bestaat uit verschillende functionele componenten zoals de kernenvelop, het karyoplasma, de nucleolus en chromatine [3](#page=3) [5](#page=5). ### 1.1 Opbouw van de nucleus De nucleus is omgeven door een dubbele fosfolipide membraan, de kernenvelop, die voorzien is van kernporiën die transport tussen de kern en het cytoplasma reguleren. Binnen de kernenvelop bevindt zich het karyoplasma, een vloeibare matrix die enzymen en bouwstenen voor DNA- en RNA-synthese bevat. In het karyoplasma bevindt zich de nucleolus, waar ribosomen worden aangemaakt [3](#page=3) [4](#page=4) [5](#page=5). ### 1.2 Chromatine Chromatine is het complex van DNA en eiwitten dat de verschijningsvorm van het genetisch materiaal vormt tijdens de interfase (de niet-delende fase) van de cel. Het is essentieel voor de compacte verpakking van het lange DNA-molecuul binnen de beperkte ruimte van de celkern [6](#page=6) [7](#page=7). #### 1.2.1 Vormen van chromatine Er worden twee hoofdtypen chromatine onderscheiden, gebaseerd op hun compactheid en transcriptieactiviteit [3](#page=3) [6](#page=6): * **Euchromatine:** Dit is minder compact opgerold chromatine en bevat de meeste actieve genen. Het is metabolisch actiever [3](#page=3) [6](#page=6). * **Heterochromatine:** Dit is veel compacter opgerold chromatine en is voornamelijk inactief voor genexpressie. Dit type chromatine is vaak te vinden aan de binnenzijde van de kernenvelop en rond de nucleolus. Inactieve X-chromosomen worden bijvoorbeeld compact verpakt als heterochromatine en vormen een Barr body [13](#page=13) [3](#page=3) [6](#page=6). #### 1.2.2 Structuur van chromatine Chromatine kent verschillende niveaus van compactheid [7](#page=7): 1. **Nucleosomen:** Het DNA is opgewonden rondom histonen, met name de histonen H2A, H2B, H3 en H4, wat visueel lijkt op een kralensnoer. Histonen zijn positief geladen eiwitten die de negatief geladen DNA-ruggengraat binden [7](#page=7). 2. **30 nm vezel:** De nucleosomen komen dichter bij elkaar te liggen en worden regelmatig gestapeld, waarbij histon H1 een rol speelt bij de verdere compactie door DNA-binding [7](#page=7) [9](#page=9). 3. **Verdere compactie:** Dit proces leidt uiteindelijk tot de vorming van de sterk gecondenseerde chromosomen die zichtbaar zijn tijdens de mitose [7](#page=7). > **Tip:** De compactheid van chromatine is dynamisch en kan veranderen afhankelijk van de transcriptionele activiteit van het gen [10](#page=10). #### 1.2.3 Epigenetische modificaties van histonen Post-translationele modificaties van histonen spelen een cruciale rol bij de regulatie van chromatine structuur en genexpressie. Belangrijke modificaties zijn onder andere [11](#page=11) [14](#page=14): * **Acetylatie:** De toevoeging van een acetylgroep aan aminozuren (meestal lysine) in histonen, wat de positieve lading van lysine neutraliseert en de compactheid van chromatine kan verminderen [11](#page=11). * **Methylatie:** De toevoeging van methylgroepen [11](#page=11). * **Ubiquitinylering:** Dit kan de chromatine compactie beïnvloeden zonder noodzakelijk afbraak van het histon [11](#page=11). #### 1.2.4 Epigenetisch geheugen Epigenetische veranderingen, zoals DNA-methylatie en histonmodificaties, zorgen ervoor dat genexpressiepatronen worden "onthouden" en doorgegeven aan dochtercellen, zelfs zonder veranderingen in de DNA-sequentie zelf. Dit is essentieel voor het behoud van celidentiteit [12](#page=12). ### 1.3 Organisatie van genen en chromosomen De structuur van genen en chromosomen binnen de kern is niet willekeurig [17](#page=17). * **Chromosoomterritoria:** Elk chromosoom bezet zijn eigen specifieke gebied binnen de kern [15](#page=15) [17](#page=17). * **Compartimenten:** Binnen chromosomen kunnen gebieden met transcriptioneel actieve ("A") en inactieve ("B") compartimenten worden onderscheiden [17](#page=17). * **Topologisch associërende domeinen (TADs):** Verder georganiseerd in lussen van miljoenen basen die enhancer- en gen-elementen isoleren [17](#page=17). * **Sub-TAD lussen:** Kleinere lussen binnen TADs die frequent enhancer-promoter interacties faciliteren en cel-type specifiek kunnen zijn [17](#page=17). Genen op humane chromosomen bestaan doorgaans uit meerdere delen (exonen), afgewisseld met niet-coderende stukken DNA (intronen). Exonen coderen voor aminozuursequenties van eiwitten, terwijl intronen worden verwijderd tijdens RNA-splicing [20](#page=20). ### 1.4 Mechanobiologie en de nucleus Mechanische signalen vanuit de extracellulaire matrix (ECM) kunnen direct naar de kern worden overgebracht via fysieke verbindingen zoals integrines, actinefilamenten, microtubuli, intermediaire filamenten en het LINC-complex. Deze overdracht, die zeer snel kan plaatsvinden, kan chromatine uitrekken en leiden tot snelle opregulatie van genen. Mechanische signalen kunnen ook indirect de kernstructuur en genexpressie beïnvloeden door mechanosensitieve ionkanalen te openen, wat het transport van epigenetische factoren en ionen naar de kern beïnvloedt [18](#page=18). --- # Nucleocytoplasmatisch transport Nucleocytoplasmatisch transport beschrijft de processen die moleculen, zoals eiwitten en RNA, in en uit de celkern transporteren via kernporiën [35](#page=35). ### 2.1 De kernporiën De kernporie is ingebed in een groot, trechtervormig nucleair pore complex (NPC). Dit complex bestaat uit 50 tot 100 verschillende eiwitten, nucleoporines genoemd. Nucleoporines zijn gerangschikt volgens een octagonale symmetrie en vormen een structuur van 125 Mdalton, wat 30 keer groter is dan een ribosoom. Het NPC bevat een water-gevuld kanaal met een diameter van ongeveer 9 nanometer, wat diffusie van kleinere moleculen (zoals ionen, kleine metabolieten en eiwitten kleiner dan 20 kDa) mogelijk maakt. Grotere moleculen vereisen echter energieverbruik, kernspecifieke importsignalen en hulp-eiwitten om door de poriën te transporteren, waarbij de porie kan verwijden tot ongeveer 100 nanometer [30](#page=30) [35](#page=35). ### 2.2 Inleiding tot intracellulaire transporten Alle eiwitten die een cel nodig heeft, worden gesynthetiseerd in het cytosol. Het transport naar hun definitieve locatie gebeurt op twee manieren [32](#page=32): 1. **Post-translationeel transport**: Eiwitten worden gesynthetiseerd op vrije mRNA's in het cytosol en na synthese naar hun functionele plaats getransporteerd [32](#page=32). 2. **Co-translationeel transport**: Eiwitten worden gesynthetiseerd op het endoplasmatisch reticulum (ER); tijdens de translatie worden ze direct in het ER getransporteerd [32](#page=32). #### 2.2.1 Transport- en sorteersignalen Eiwitten zonder specifieke signaalsequenties blijven standaard in het cytosol. Eiwitten met signaalsequenties worden op basis hiervan naar hun definitieve locatie getransporteerd. Deze signaalsequenties kunnen lineair zijn, zoals een signaalpeptide aan het N-terminale uiteinde of intern in het eiwit, of niet-lineair (een signaal-'plek') waarbij delen van de sequentie in het opgevouwen eiwit samenkomen [33](#page=33) [34](#page=34). ### 2.3 Actieve transporten doorheen de kernporiën Actief transport van eiwitten in en uit de kern via de NPC vereist energie, kernspecifieke importsignalen en verschillende hulp-eiwitten. Grote moleculen, zoals eiwitten, kunnen door de NPC migreren waarbij ze hun tertiaire structuur behouden. Ook mRNA wordt door de NPC vanuit de kern getransporteerd en ontwindt zich in het cytosol om te assiocieren met ribosomen voor eiwittranslatie [35](#page=35) [36](#page=36) [37](#page=37). #### 2.3.1 Spelers bij het actief nucleocytoplasmatisch transport Voor transport over de kernmembraan zijn verschillende receptor-eiwitten (karyopherines) en het regulatorisch eiwit Ran cruciaal [38](#page=38). * **Importreceptoren (karyopherines)**: Deze binden enerzijds aan importsequenties (NLS = nuclear localization signal) van te transporteren eiwitten (cargo-eiwitten), soms via een adaptoreiwit, en anderzijds aan specifieke NPC-componenten, de FG-nucleoporines. Importine-α bindt aan klassieke NLS'en, en importine-β bindt zowel aan importine-α als aan FG-nucleoporines, waardoor een complex gevormd wordt dat eiwitten met NLS naar de NPC leidt [38](#page=38) [40](#page=40). * **Exportines**: Deze, zoals CRM1, binden aan nucleaire exportsequenties (NES = nuclear export signal) van te exporteren eiwitten [40](#page=40). * **Ran-eiwit**: Dit is een monomerisch GTPase dat energie levert voor actief transport. De overgang van Ran-GTP naar Ran-GDP wordt gereguleerd door Ran-GAP (GTPase Activating Protein) in het cytosol en Ran-GEF (Guanine Exchange Factor) in de kern. Ran-GAP versterkt de GTPase-activiteit van Ran, wat leidt tot GTP-hydrolyse naar GDP. Ran-GEF zorgt voor de uitwisseling van GDP door GTP. De GTP-gebonden vorm van Ran is de actieve vorm. Ran is een lid van de small GTPases, net als Ras. Een GAP versnelt de GTP-hydrolyse, terwijl een GEF de verwijdering van GDP stimuleert om plaats te maken voor GTP. De lokalisatie van Ran-GAP in het cytoplasma en Ran-GEF in de kern is essentieel voor de regulatie van transport [38](#page=38) [39](#page=39) [43](#page=43). #### 2.3.2 NLS-signalen Een nucleair lokalisatie signaal (NLS) is vaak een aminozuursequentie, rijk aan lysine en arginine (positief geladen aminozuren) en proline. Deze sequenties kunnen lusvormig uit het proteïne steken en worden na import niet afgekliefd, wat herhaalde import mogelijk maakt. NLS'en kunnen ook 'bipartite' zijn. Mutaties hierin blokkeren de nucleaire import. Een NLS is doorgaans 4-8 aminozuren lang, rijk aan positieve ladingen (lysine, arginine) en proline. Door via genetische manipulatie een NLS toe te voegen aan een cytosolair eiwit, kan dit eiwit artificieel in de kern worden gebracht [41](#page=41) [42](#page=42). #### 2.3.3 NES-signalen Een nucleair export signaal (NES) is rijk aan leucine en heeft de structuur -(LxxLxL)-. Deze strepen aminozuren zorgen ervoor dat een eiwit uit de kern wordt getransporteerd. Door een mutatie aan te brengen in een NES, wordt de export uit de kern minder efficiënt [42](#page=42). #### 2.3.4 Ran-afhankelijk export uit de kern Het Ran-afhankelijke transport voor nucleaire export van eiwitten met een NES-sequentie omvat de volgende stappen [43](#page=43): 1. Een eiwit met een NES bindt aan exportine en Ran-GTP [43](#page=43). 2. Export vindt plaats door de kernporie [43](#page=43). 3. In het cytoplasma wordt Ran-GTP gehydrolyseerd naar Ran-GDP, wat de dissociatie van het eiwitcomplex bevordert [43](#page=43). 4. Exportine keert terug naar de kern [43](#page=43). > **Tip:** De Ran-cyclus, met de specifieke lokalisatie van Ran-GAP in het cytoplasma en Ran-GEF in de kern, vormt de basis voor zowel import- als exportmechanismen over de kernmembraan [43](#page=43). --- # De nucleolus en ribosoomproductie De nucleolus is een membraanloos kernorganel dat essentieel is voor de synthese van ribosomen in eukaryote cellen. ### 3.1 Structuur en componenten van de nucleolus De nucleolus is een complex organisatiereservoir waar de assemblage van ribosomale subeenheden plaatsvindt. Het is niet omgeven door een membraan. Binnen de nucleolus kunnen verschillende functionele regio's worden onderscheiden [21](#page=21): * **Fibrillair centrum:** Dit is de locatie waar de genen die coderen voor het precursor-rRNA (pre-rRNA) van 45S tot expressie worden gebracht [21](#page=21). * **Dichte fibrillaire component:** Hier bevindt zich het pre-rRNA van 45S, dat ondergaat initiële processing [21](#page=21). * **Granulaire component:** In deze regio worden ribosomale eiwitten, geïmporteerd vanuit het cytoplasma, geassembleerd met de geprocessede rRNA's om ribosomale subeenheden te vormen [21](#page=21) [23](#page=23). ### 3.2 Ribosoomproductieproces Eukaryotische ribosomen zijn opgebouwd uit twee subeenheden: de 40S subeenheid en de 60S subeenheid. Deze subeenheden bestaan uit specifieke rRNA moleculen en een groot aantal ribosomale eiwitten [23](#page=23). Het proces van ribosoomproductie in de nucleolus omvat de volgende stappen: 1. **Transcriptie van rRNA:** De genen voor de rRNA moleculen (met uitzondering van 5S rRNA) worden getranscribeerd in de nucleolus. Deze rRNA-genen zijn gerepeteerd en bevinden zich in DNA-lussen binnen de nucleolus. Er wordt een precursor-transcriptieproduct, 45S pre-rRNA, gevormd [21](#page=21) [23](#page=23). 2. **Processing van rRNA:** Het 45S pre-rRNA ondergaat knipprocesen om de uiteindelijke rRNA moleculen te produceren. Specifieke rRNA's die deel uitmaken van de ribosomale subeenheden zijn: 18S rRNA (in de 40S subeenheid) en 5S, 5.8S en 28S rRNA (in de 60S subeenheid) [21](#page=21) [23](#page=23). 3. **Assemblage van ribosomale subeenheden:** De geprocessede rRNA moleculen worden geassembleerd met ribosomale eiwitten, die vanuit het cytoplasma de kern binnenkomen. Deze assemblage vindt plaats in de granulaire component van de nucleolus en resulteert in de vorming van de 40S en 60S ribosomale subeenheden [21](#page=21) [23](#page=23). 4. **Export uit de kern:** De gevormde ribosomale subeenheden, die nog onrijp zijn, verlaten de kern via de nucleaire poriën en gaan naar het cytoplasma. In het cytoplasma vindt de definitieve assemblage van de 40S en 60S subeenheden plaats op messenger-RNA (mRNA) om functionele ribosomen te vormen [23](#page=23). > **Tip:** De Svedberg (S) eenheid is een maat voor de sedimentatiesnelheid in een ultracentrifuge en wordt gebruikt om de grootte van ribosomale subeenheden aan te duiden [23](#page=23). ### 3.3 Morfologische correlatie met metabole activiteit Cellen met een hoge metabole activiteit vertonen specifieke morfologische kenmerken die ook in relatie staan tot de nucleolus en ribosoomproductie. Deze kenmerken omvatten onder andere [24](#page=24): * **Elektronenmicroscopie (EM):** * Een groot aantal nucleaire poriën, wat duidt op intensief transport tussen de kern en het cytoplasma [24](#page=24). * Een duidelijke en prominente nucleolus, die de hoge ribosoomproductie weerspiegelt [24](#page=24). * Kernen met een niet-dichte structuur (euchromatine), wat aangeeft dat de genen actief getranscribeerd worden [24](#page=24). * Een hoge dichtheid aan ribosomen en/of ruw endoplasmatisch reticulum (RER), indicatief voor intensieve eiwitsynthese [24](#page=24). * **Lichtmicroscopie (LM):** * Een bleke kern door de aanwezigheid van veel euchromatine [24](#page=24). * Een duidelijk zichtbare nucleolus [24](#page=24). * Soms zichtbare paarse korreling in het cytoplasma, mogelijk gerelateerd aan ribosomen of andere RNA-bevattende structuren [24](#page=24). Deze morfologische observaties benadrukken de directe link tussen de nucleolus, ribosoomproductie en de algehele metabole status van een cel [24](#page=24). --- # Celdeling en celdood Celdeling en celdood worden als kernfuncties van de celkern benoemd binnen de algemene celbiologie [2](#page=2). ### 4.1 Celdeling Celdeling is een fundamenteel proces waarbij een moedercel zich splitst in twee of meer dochtercellen. Dit proces is essentieel voor groei, ontwikkeling en voortplanting van organismen. Hoewel de specifieke mechanismen van celdeling niet verder worden uitgediept op de aangegeven pagina, wordt het belang ervan als een kernfunctie van de celkern benadrukt [2](#page=2). ### 4.2 Celdood Celdood, ook wel apoptose genoemd, is een gecontroleerd proces waarbij cellen zichzelf elimineren. Dit is cruciaal voor het handhaven van de homeostase, het verwijderen van beschadigde of overbodige cellen en het ontwikkelen van weefsels. Net als bij celdeling, wordt celdood erkend als een kernfunctie van de celkern. Verdere details over de moleculaire mechanismen of regulatie van celdood worden niet gespecificeerd op de verstrekte pagina's [2](#page=2). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Nucleus (Celkern) | Het celorganel dat genetisch materiaal (DNA) bevat, omgeven door een kernenvelop. Het speelt een centrale rol in de controle van celgroei en reproductie. | | Chromatine | Een complex van DNA en eiwitten dat de genetische informatie van een cel bevat. Het is de verschijningsvorm van DNA in de interfase-kern en kan compact zijn (heterochromatine) of minder compact (euchromatine). | | Euchromatine | Minder gecondenseerd chromatine dat genen bevat die actief worden getranscribeerd. Het is metabolisch actief DNA. | | Heterochromatine | Sterk gecondenseerd chromatine dat voornamelijk inactieve genen bevat. Het is minder betrokken bij het metabolisme en wordt geassocieerd met genstilte. | | Nucleolus (Kernlichaampje) | Een structuur binnen de celkern waar ribosomen worden gesynthetiseerd. Het bestaat uit fibrillair centrum, dense fibrillaire component en granulaire component. | | Kernenvelop | Een dubbele membraan die de celkern omgeeft en de inhoud van de kern scheidt van het cytoplasma. Het bevat kernporiën voor transport. | | Kernporiën | Complexen van eiwitten die de kernenvelop perforeren en de selectieve passage van moleculen, zoals eiwitten en RNA, tussen de kern en het cytoplasma reguleren. | | Histonen | Eiwitten die een belangrijk onderdeel vormen van chromatine. Ze helpen bij het opwinden en compact maken van DNA tot nucleosomen en verder gecondenseerde structuren. | | Nucleosoom | De basiseenheid van chromatine, bestaande uit een segment van DNA dat rond een octameer van histon-eiwitten is gewikkeld. | | Epigenetisch geheugen | Het vermogen van cellen om informatie over genexpressiepatronen te onthouden en door te geven aan dochtercellen zonder de DNA-sequentie te veranderen. | | DNA-methylatie | Een epigenetische modificatie waarbij een methylgroep aan het DNA wordt toegevoegd, wat vaak leidt tot genstilte. | | Histonmodificaties | Chemische veranderingen aan histon-eiwitten, zoals acetylatie en methylatie, die de structuur van chromatine beïnvloeden en de genexpressie reguleren. | | Post-translationele modificaties | Veranderingen aan een eiwit na de initiële eiwitsynthese (translatie), zoals acetylatie en methylatie van histonen, die hun functie beïnvloeden. | | NLS (Nuclear Localization Signal) | Een signaalsequentie in een eiwit die aangeeft dat het eiwit actief naar de celkern moet worden getransporteerd. | | NES (Nuclear Export Signal) | Een signaalsequentie in een eiwit die aangeeft dat het eiwit uit de celkern moet worden getransporteerd. | | Ran | Een klein GTPase dat een cruciale rol speelt bij het reguleren van nucleocytoplasmatisch transport door de hydrolyse van GTP te drijven, wat energie levert voor deze processen. | | Karyopherine | Een familie van eiwitten die fungeren als transportreceptoren voor nucleocytoplasmatisch transport, waaronder importines en exportines. | | Co-translationeel transport | Het transport van eiwitten naar hun bestemming terwijl de eiwitsynthese (translatie) nog plaatsvindt, vaak naar organellen zoals het endoplasmatisch reticulum. | | Post-translationeel transport | Het transport van reeds gesynthetiseerde eiwitten vanuit het cytoplasma naar hun uiteindelijke locatie in de cel, inclusief transport naar de celkern. |