Termen molecular biology of the cell

Vraag 1

Explain the main differences between eukaryotic and prokaryotic cells, including their cellular organization, genetic material, organelles, and modes of reproduction. Provide examples of major lineages or organisms belonging to each group.

Prokaryoot

Een evolutionair simpel, meestal eencellig organisme (zoals bacteriën) dat geen membraangebonden celkern of complexe organellen bezit; de voorloper van de eukaryote cel leek op deze organismen.

Eukaryoot

Een complex celtype (voorkomend in planten, dieren en schimmels) dat gekenmerkt wordt door een duidelijke, membraan omsloten celkern en een vast set aan interne membraangebonden organellen.

Compartimentalisatie

Het fenomeen waarbij een eukaryote cel functioneel is opgedeeld in afzonderlijke, door lipidemembranen omsloten ruimtes (organellen), waardoor verschillende biochemische processen apart en efficiënt kunnen plaatsvinden.

Nucleoïde

De onregelmatig gevormde regio binnenin een prokaryote cel waar het genetisch materiaal (het DNA) vrij in het cytoplasma ligt, zonder omringend kernmembraan.

Cytoplasma

De totale inhoud van een cel binnen de plasmamembraan, bestaande uit de vloeibare cytosol en alle daarin zwevende organellen en deeltjes (met uitzondering van de celkern bij eukaryoten).

Genoom

De volledige genetische samenstelling (alle genen en erfelijk materiaal) van een organisme, opgeslagen in het DNA.

Circulair chromosoom

Een ringvormige DNA-streng die kenmerkend is voor het genoom van prokaryoten, maar die ook wordt aangetroffen in endosymbiontische organellen zoals mitochondriën en chloroplasten.

Lineair chromosoom

Een staafvormige DNA-streng met een duidelijk begin en eind (voorzien van telomeren), kenmerkend voor het genetisch materiaal in de celkern van eukaryoten.

Plastiden

Een groep van functionele plantenorganellen met een dubbel membraan en een eigen genoom (waaronder chloroplasten vallen), die oorspronkelijk via endosymbiose in de plantencel zijn terechtgekomen.

Nucleaire poriën

Gespecialiseerde openingen (poriecomplexen) in het kernmembraan die het transport van moleculen (zoals RNA en eiwitten) tussen de celkern (nucleus) en het cytosol reguleren.

Histon

Een specifiek type eiwit waaromheen het lineaire DNA van eukaryoten gewikkeld is om zo compacte structuren (chromatine/chromosomen) te vormen in de celkern.

Endosymbionte theorie

De evolutionaire theorie die stelt dat complexe eukaryote organellen, specifiek mitochondriën en plastiden, zijn ontstaan toen een grotere pre-eukaryote cel een vrije, aerobe bacterie insloot via fagocytose, waarna zij een permanente symbiose aangingen.

Ribosomen

De cellulaire complexen (bestaande uit RNA en eiwitten) die verantwoordelijk zijn voor de vertaling (translatie) van genetische codes naar nieuwe eiwitketens; ze kunnen vrij in het cytosol zweven of gebonden zijn aan het ER.

Ruw Endoplasmatisch Reticulum (rER)

Het deel van het ER-membraan dat bezet is met ribosomen; het is de primaire locatie voor de synthese, translatie en vouwing van eiwitten die bestemd zijn voor de buitenkant van de cel of andere organellen.

Glad Endoplasmatisch Reticulum (gER)

Het deel van het ER-membraan zonder ribosomen; het is voornamelijk betrokken bij de synthese van lipiden en sterolen, calciumopslag (Ca2+) en de detoxificatie van medicijnen en schadelijke stoffen.

Golgi-apparaat

Een organel bestaande uit een stapel schijfvormige compartimenten (cisternae) dat verantwoordelijk is voor het sorteren, modificeren (zoals glycosylering), verpakken en verzenden van eiwitten en lipiden naar hun uiteindelijke bestemming.

Mitochondriën

Dubbelmembranige organellen met een eigen genoom die functioneren als de "energiefabriek" van de eukaryote cel door ATP te produceren via de oxidatie van glucose en andere voedingsstoffen.

Chloroplast (Bladgroenkorrel)

Een specifiek type dubbelmembranig plastide in planten en algen dat via fotosynthese zonlicht omzet in energie (ATP) en suikers.

Lysosomen

Membraangebonden compartimenten in dierlijke cellen die gevuld zijn met zure verteringsenzymen (hydrolasen); ze breken macromoleculen, endocytotisch materiaal en oude, defecte cellulaire organellen af.

Binaire deling (Binary fission)

De methode van ongeslachtelijke voortplanting die gebruikt wordt door prokaryoten (bacteriën en archaea), waarbij de cel simpelweg zijn DNA kopieert en zich in twee gelijke dochtercellen splitst.

Conjugatie

Een proces van horizontale genoverdracht bij bacteriën waarbij genetisch materiaal (meestal een plasmide) direct van de ene bacterie naar de andere wordt overgedragen via een fysieke brug (pili).

Transformatie

Het proces waarbij een bacteriecel vrij, naakt DNA opneemt uit haar directe omgeving en dit integreert in haar eigen genoom.

Transductie

De overdracht van bacterieel DNA van de ene cel naar de andere cel, per ongeluk gemedieerd door een virus (een bacteriofaag).

Mitose

Het proces van nucleaire celdeling in eukaryote cellen waarbij de gekopieerde chromosomen gelijkmatig worden verdeeld, resulterend in twee genetisch identieke dochtercellen.

Meiose

Een gespecialiseerde vorm van celdeling (reductiedeling) bij eukaryoten die resulteert in de vorming van haploïde geslachtscellen (gameten, zoals spermacellen of eicellen) met de helft van het oorspronkelijke aantal chromosomen.

Bacteria (Bacteriën)

Een van de drie hoofddomeinen van het leven; het omvat eencellige prokaryote organismen met celwanden van peptidoglycaan.

Archaea

Een domein van eencellige prokaryote organismen die uiterlijk lijken op bacteriën, maar biochemisch en genetisch fundamenteel verschillen (en nauwer verwant zijn aan eukaryoten); ze stonden aan de wieg van de endosymbiose.

Animalia (Dierenrijk)

Een rijk binnen de eukaryoten dat bestaat uit meercellige, heterotrofe organismen (organismen die hun voeding consumeren) zonder celwanden, uitgerust met gespecialiseerde weefsels.

Plantae (Plantenrijk)

Een rijk binnen de eukaryoten dat bestaat uit meercellige, voornamelijk autotrofe organismen die cellen met cellulose-celwanden en chloroplasten bezitten om via fotosynthese eigen voeding te maken.

Fungi (Schimmels)

Een rijk binnen de eukaryoten dat bestaat uit zowel een- als meercellige heterotrofe organismen (zoals gisten en paddenstoelen) die voedingsstoffen opnemen door absorptie en celwanden van chitine hebben.

Protista (Protisten)

Een diverse restgroep binnen de eukaryoten die voornamelijk bestaat uit microscopisch kleine, eencellige organismen (zoals amoben en algen) die niet strikt onder te brengen zijn bij de dieren, planten of schimmels.

Vraag 2

Explain the principles of synaptic signaling and endocrine signaling. Compare how these signaling systems differ in distance, speed, specificity, signal molecules, target cells, and biological functions.

Synaptische signalering (Synaptic signaling)

Een zeer snelle en specifieke vorm van lokale cellulaire communicatie, waarbij een zenuwcel via chemische signalen (neurotransmitters) over een minuscule afstand communiceert met een doelwitcel (zoals een andere zenuwcel of een spiercel).

Zenuwstelsel (Nervous system)

Het netwerk van gespecialiseerde cellen en weefsels dat verantwoordelijk is voor het razendsnel opvangen van prikkels, het verwerken van informatie en het aansturen van reacties in het lichaam.

Neuron (Neuron / Nerve cell)

Een zenuwcel; de functionele basiseenheid van het zenuwstelsel, gespecialiseerd in het ontvangen, integreren en doorleiden van elektrische en chemische signalen.

Axon (Axon)

De lange, dunne uitloper van een neuron die elektrische impulsen (actiepotentialen) van het cellichaam af geleidt, richting de uiteinden van de cel om zo informatie over grote afstanden te transporteren.

Axonterminal (Axon terminal / Nerve terminal)

Het vertakte, knopvormige uiteinde van een axon waar de elektrische impuls wordt omgezet in een chemisch signaal, door het vrijmaken van signaalmoleculen in de synaptische spleet.

Neurotransmitters (Neurotransmitters)

Chemische signaalmoleculen (zoals acetylcholine of glutamaat) die door een axonterminal worden uitgescheiden om de boodschap over te brengen naar de receptoren op de ontvangende doelwitcel.

Synaps (Synapse)

De gespecialiseerde contactplaats tussen de axonterminal van een zenuwcel en haar doelwitcel, waar de overdracht van het signaal plaatsvindt.

Endocriene signalering (Endocrine signaling)

Een langzame, wijdverspreide vorm van cellulaire communicatie over grote afstand, waarbij signaalmoleculen in de bloedbaan worden uitgescheiden om overal in het lichaam specifieke doelwitcellen te bereiken.

Endocriene cellen (Endocrine cells)

Gespecialiseerde, hormoonproducerende cellen die verantwoordelijk zijn voor de synthese en afgifte van signaalmoleculen aan het bloed.

Hormonen (Hormones)

De chemische signaalmoleculen (zoals insuline, adrenaline of cortisol) die door endocriene cellen in de bloedbaan worden gebracht en via de circulatie verre organen en weefsels reguleren.

Postsynaptische cel (Postsynaptic cell)

De ontvangende cel (dit kan een ander neuron, een spiercel of een kliercel zijn) die zich direct na de synaptische spleet bevindt. Deze cel bezit specifieke receptoren op haar membraan om de vrijgekomen neurotransmitters op te vangen en het chemische signaal weer om te zetten in een elektrische of cellulaire reactie.

Vraag 3

Explain what cell-surface receptor proteins are and describe their general functions in cell communication. Identify and describe the three major classes of cell-surface receptor proteins, including their basic mechanisms of action.

Plasmamembraan (Plasma membrane / Cell membrane)

De selectief permeabele lipide dubbellaag die de inhoud van de cel scheidt van de extracellulaire omgeving en het transport van stoffen en signalen reguleert.

Transmembraaneiwitten (Transmembrane proteins)

Integrale membraaneiwitten die volledig door de lipidendubbellaag van het membraan heen dringen, met blootgestelde delen aan zowel de binnen- als de buitenkant van de cel.

Hydrofiel (Hydrophilic)

Waterminnend of polair; de eigenschap van moleculen of chemische groepen die makkelijk oplossen in water en interactie aangaan met watermoleculen.

Hydrofoob (Hydrophobic)

Watervreesachtig of apolair; de eigenschap van moleculen (zoals de vetzuurstaarten in het membraan) die water afstoten en niet goed oplossen in waterige milieus.

Diffusie (Diffusion)

Het passieve proces waarbij moleculen zich spontaan verplaatsen van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lage concentratie, aangedreven door hun thermische beweging.

Ligand (Ligand)

Een specifiek signaalmolecuul (zoals een hormoon, neurotransmitter of groeifactor) dat bindt aan een complementaire receptor om een cellulaire reactie op te starten.

Extracellulair domein (Extracellular domain)

Het gedeelte van een transmembraaneiwit (receptor) dat aan de buitenkant van de cel uitsteekt en specifiek is ontworpen om liganden te herkennen en te binden.

Transmembraandomein (Transmembrane domain)

Het hydrofobe gedeelte van een eiwit dat zich daadwerkelijk in de lipidendubbellaag van het membraan bevindt en de verbinding vormt tussen binnen en buiten.

Intracellulair domein (Intracellular domain / Cytoplasmic domain)

Het gedeelte van een transmembraaneiwit dat zich in het cytoplasma bevindt en verantwoordelijk is voor het doorgeven van het signaal naar het binnenste van de cel.

Cell-surface receptoren (Cell-surface receptors)

Transmembrane eiwitten op het celoppervlak die specifieke extracellulaire signaalmoleculen (meestal hydrofiele liganden die het membraan niet kunnen passeren) binden en activeren.

Signaalreceptoren (Signal receptors)

Eiwitmoleculen (zowel op het membraan als intracellulair) die specifiek ontworpen zijn om chemische of fysische prikkels op te vangen en om te zetten in een biologische respons.

Signaaltransductie (Signal transduction)

Het volledige proces waarbij een extracellulair signaal via een receptor wordt omgezet in een cascade van intracellulaire moleculaire interacties, wat uiteindelijk leidt op een specifieke verandering in de cel (zoals genexpressie).

Secundaire boodschappers (Second messengers)

Kleine, niet-eiwitachtige moleculen of ionen (zoals cyclisch AMP (cAMP) of Ca2+) die snel in de cel worden geproduceerd of vrijgemaakt om het signaal van een geactiveerde receptor verder te verspreiden en te versterken.

Ionkanaal (Ion channel)

Een transmembrane porie die specifiek gevormd is om het passieve transport van specifieke ionen (zoals Na+, K+ of Ca2+) door de ondoorlatende lipide dubbellaag mogelijk te maken.

Ionkanaal-gekoppelde receptoren (Ion-channel-coupled receptors / Transmitter-gated ion channels)

Receptoren die direct van vorm veranderen (openen of sluiten) wanneer er een specifiek ligand (neurotransmitter) aan bindt, waardoor de stroom van ionen over het membraan direct verandert.

Elektromechanisch gradiënt (Electrochemical gradient)

De gecombineerde drijvende kracht die de beweging van een ion over een membraan bepaalt, bestaande uit het concentratieverschil (chemisch) en het ladingsverschil (elektrisch).

Membraanpotentiaal (Membrane potential)

Het elektrische spanningsverschil over de plasmamembraan van een cel, veroorzaakt door een ongelijke verdeling van positieve en negatieve ionen tussen de binnen- en buitenkant.

G-proteïne-gekoppelde receptoren (GPCR) (G-protein-coupled receptors)

De grootste familie van celoppervlakreceptoren, gekenmerkt door zeven transmembraandomeinen, die na binding van een ligand een heterotrimeer G-proteïne activeren aan de binnenzijde van de cel.

G-proteïne (G-protein / GTP-binding protein)

Een intracellulair eiwit dat functioneert als een moleculaire schakelaar; het is actief wanneer het gebonden is aan GTP en inactief wanneer het gebonden is aan GDP.

Guanosinedifosfaat (GDP) (Guanosine diphosphate)

Een nucleotidemolecuul dat gebonden is aan een inactief G-proteïne; het is de energiearme vorm (vergelijkbaar met ADP).

Guanosinetrifosfaat (GTP) (Guanosine triphosphate)

Een energierijk nucleotidemolecuul dat bindt aan een G-proteïne om dit te activeren, waardoor het G-proteïne signalen kan doorgeven.

Guanine nucleotide exchange factor (GEF) (Guanine nucleotide exchange factor)

Een specifiek regulerend eiwit (of de receptor zelf) dat ervoor zorgt dat een inactief G-proteïne zijn gebonden GDP loslaat, zodat er een nieuw GTP-molecuul kan binden om het eiwit te activeren.

Single-pass transmembraaneiwitten (Single-pass transmembrane proteins)

Transmembrane eiwitten waarvan de polypeptideketen slechts één keer door de lipidendubbellaag van het membraan kruist (kenmerkend voor veel enzym-gekoppelde receptoren).

Enzym-gekoppelde receptoren (Enzyme-coupled receptors)

Celoppervlakreceptoren die ofwel zelf een intrinsieke enzymatische activiteit bezitten aan hun intracellulaire zijde, of direct associëren met een intracellulair enzym na ligandbinding.

Receptor tyrosine kinase (RTK) (Receptor tyrosine kinase)

Een grote klasse van enzym-gekoppelde receptoren. Na binding van een ligand vormen ze dimeren en katalyseren ze de overdracht van fosfaatgroepen van ATP naar specifieke tyrosinezuren op hun eigen intracellulaire domeinen.

Cross-fosforylering (Cross-phosphorylation)

Het proces waarbij de twee receptor-monomeren in een geactiveerd RTK-dimeer elkaars intracellulaire staart over en weer voorzien van fosfaatgroepen, wat dient als startsein voor de verdere signaalroute.

Vraag 4

Describe the role of talin in integrin activation and force transmission. Explain how tension can affect adhesion complexes. In addition, describe the main composition and functions of the plant cell wall, and compare its structural role with that of the animal extracellular matrix where relevant.

Integrine (Integrin)

Een transmembrane heterodimere receptor (bestaande uit een α- en β-subunit) die de primaire schakel vormt tussen de extracellulaire matrix en het interne cytoskelet van een cel.

Integrine-activatie (Integrin activation)

De structurele overgang van een integrine van een inactieve (ingeklapte) toestand met een lage bindingsaffiniteit naar een actieve (gestrekte) toestand met een hoge bindingsaffiniteit voor liganden. Dit kan worden getriggerd van buitenaf (outside-in) of van binnenuit de cel (inside-out).

Taline (Talin)

Een groot, dimeric cytosolisch adaptereiwit dat een cruciale rol speelt bij inside-out integrine-activatie. Het bindt aan de cytoplasmatische staart van de β-subunit van integrine en linkt deze direct aan het actine-cytoskelet.

Dimeric cytosolisch adaptereiwit (Dimeric cytosolic adapter protein)

Een eiwit dat bestaat uit twee identieke of gelijkaardige eiwitketens (een dimeer) die in het cytosol zweven en fungeren als een fysieke brug om verschillende eiwitten stabiel aan elkaar te koppelen.

N-terminale FERM-domeinknop van taline (N-terminal FERM domain head of talin)

Het specifieke, bolvormige uiteinde (de 'kop') van het taline-eiwit dat het geconserveerde FERM-domein bevat. Dit domein bindt direct aan de cytoplasmatische staart van de β-integrineketen om de activatie in gang te zetten.

Actinefilament (Actin filament / Microfilament)

Een dunne, flexibele en polaire proteïnevezel gevormd door de polymerisatie van actine-eiwitten. Het maakt deel uit van het cytoskelet en is essentieel voor celvorm, celbeweging en spiercontractie.

Myosine-motoreiwitten (Myosin motor proteins)

Een klasse van motoreiwitten die langs actinefilamenten "lopen" door gebruik te maken van de energie uit ATP-hydrolyse, waardoor ze mechanische spanning en contractie in het cytoskelet genereren.

Actine cytoskelet (Actin cytoskeleton)

Het dynamische, driedimensionale netwerk van actinefilamenten en geassocieerde eiwitten binnenin de cel dat zorgt voor de structurele vorm, mechanische weerstand en beweeglijkheid van de cel.

Adhesiecomplex (Adhesion complex / Focal adhesion)

Een dynamische verzameling van transmembrane integrines, adaptereiwitten en signaalmoleculen aan de binnenzijde van het membraan die de cel fysiek verankert aan de extracellulaire matrix en mechanische krachten registreert.

Mechanosensoren (Mechanosensors)

Eiwitten of eiwitcomplexen (zoals taline of vinculine) die van driedimensionale vorm veranderen wanneer er een mechanische trekkracht op wordt uitgeoefend, waardoor ze fysieke krachten kunnen vertalen in biochemische signalen.

Alfa-helix bundels (Alpha-helix bundles)

Een structureel eiwitmotief bestaande uit meerdere parallelle of antiparallelle α-helices. In de staart van taline fungeren deze bundels als mechanische veren die zich onder invloed van mechanische spanning ontvouwen.

Adaptereiwitten (Adapter proteins)

Eiwitten die zelf geen enzymatische activiteit bezitten, maar specifiek ontworpen zijn om via verschillende bindingsdomeinen andere eiwitten fysiek dicht bij elkaar te brengen om zo complexen te vormen.

Vinculine (Vinculin)

Een cytosolisch adaptereiwit dat wordt gerekruteerd naar geactiveerde adhesiecomplexen. Zodra taline door mechanische rek wordt uitgerekt, komen er bindingsplaatsen vrij waar vinculine aan koppelt om de verbinding met het actine-cytoskelet extra te versterken.

Focal adhesion kinase (FAK) (Focal adhesion kinase)

Een cytosolisch tyrosinekinase (enzym) dat naar focale adhesiecomplexen wordt getrokken. Na activatie door integrinebinding of mechanische stress fosforyleert het zichzelf en andere eiwitten om overlevings-, groei- en migratiesignalen door de cel te verspreiden.

Catch bond (Catch bond)

Een bijzonder type chemische of moleculaire binding waarvan de levensduur en sterkte juist toenemen wanneer er een mechanische trekkracht op wordt uitgeoefend (vergelijkbaar met een Chinese vingerwals), in tegenstelling tot een normale binding (slip bond) die sneller loslaat onder spanning. Integrine-matrixbindingen gedragen zich vaak als catch bonds.

Extracellulaire matrix (ECM) (Extracellular matrix)

Het complexe, netwerkvormige geheel van uitgescheiden eiwitten (zoals collageen) en polysachariden buiten de cellen, dat structurele stevigheid, weefselintegriteit en biochemische signalen biedt aan dierlijke cellen.

Cellulose microfibrillen (Cellulose microfibrils)

Onoplosbare, touwachtige bundels van lineaire glucoseketens die via waterstofbruggen aan elkaar vastzitten. Ze vormen het primaire, trekvasteregelwerk van de plantencelwand.

Microfibrillen (Microfibrils)

Een algemene biologische term voor microscopisch kleine vezeltjes; in de context van planten verwijst dit vrijwel altijd naar de hierboven genoemde cellulosebundels.

Matrix-polysachariden (Matrix polysaccharides)

De verzamelnaam voor de suikerketens (zoals hemicellulose en pectine) die de ruimtes tussen de cellulose microfibrillen in de plantencelwand opvullen en het netwerk met elkaar verbinden.

Hemicellulose (Hemicellulose)

Een heterogene groep van vertakte matrix-polysachariden in de plantencelwand die waterstofbruggen vormen met het oppervlak van cellulose microfibrillen om deze stabiel aan elkaar te linken.

Pectine (Pectin)

Een groep van sterk hydrofiele, zure matrix-polysachariden in de plantencelwand. Ze vormen in aanwezigheid van water en Ca2+-ionen een geleiachtige matrix die weefsels bestand maakt tegen compressie (samendrukking).

Lignine (Lignin)

Een complex, hydrofoob en driedimensionaal netwerkpolymeer dat in de secundaire celwand van houtachtige planten wordt afgezet. Het verdrijft water, maakt de celwand extreem hard en ondoordringbaar en beschermt tegen pathogenen.

Aromatische polymeren (Aromatic polymers)

Macromoleculen waarvan de bouwstenen aromatische ringstructuren (zoals benzeenringen) bevatten. Lignine is het belangrijkste biologische voorbeeld van een onregelmatig aromatisch polymeer.

Turgordruk (Turgor pressure)

De hydrostatische druk die de vloeibare inhoud (de vacuole en het cytoplasma) van een plantencel uitoefent tegen de rigide plantencelwand. Deze druk houdt de cel en daarmee de gehele plant stevig en rechtop.

Vraag 5

Describe the structure and activation mechanism of GTP-binding proteins, or G proteins. Explain the GDP/GTP cycle and how G proteins act as molecular switches in cell signaling.

Trimeer G-proteïnen (Trimeric G-proteins / Heterotrimeric G-proteins)

G-proteïnen die bestaan uit drie verschillende eiwitketens (een α-, β- en γ-subunit). Ze zijn direct gekoppeld aan G-proteïnesignaalreceptoren (GPCRs) aan de binnenzijde van het plasmamembraan.

Covalent gebonden lipidestaarten (Covalently attached lipid tails / Lipid anchors)

Vetzuurketens die via een permanente, chemische covalente binding aan een eiwit (zoals de α- en γ-subunits van trimeer G-proteïnen, of monomeer Ras) vastzitten. Deze staarten verankeren het eiwit in de binnenste laag van de lipidendubbellaag van het plasmamembraan.

Monomeer G-proteïnen (Monomeric G-proteins / Small GTPases)

G-proteïnen die bestaan uit slechts één enkele polypeptideketen (zoals de Ras-, Rho- of Rab-eiwitfamilies). Ze zweven vrij in het cytosol of zijn via lipidestaarten aan membranen gebonden en functioneren onafhankelijk van GPCRs via hun eigen regulerende eiwitten.