Hoe celstructuren te identificeren

Levende cellen variëren van die van eencellige algen en bacteriën, via meercellige organismen zoals mos en wormen, tot complexe planten en dieren, waaronder mensen. In alle levende cellen komen bepaalde structuren voor, maar ook eencellige organismen en cellen van hogere planten en dieren zijn in veel opzichten verschillend. Lichtmicroscopen kunnen cellen vergroten zodat de grotere, meer gedefinieerde structuren kunnen worden gezien, maar transmissie-elektronenmicroscopen (TEM's) zijn nodig om de kleinste celstructuren te zien.

Cellen en hun structuren zijn vaak moeilijk te identificeren omdat de wanden vrij dun zijn en verschillende cellen er heel anders uit kunnen zien. Cellen en hun organellen hebben elk kenmerken die kunnen worden gebruikt om ze te identificeren, en het helpt om een ​​voldoende hoge vergroting te gebruiken die deze details laat zien.

Een lichtmicroscoop met een vergroting van 300X zal bijvoorbeeld cellen en enkele details tonen, maar niet de kleine organellen in de cel. Daarvoor is een TEM nodig. TEM's gebruiken elektronen om gedetailleerde afbeeldingen van kleine structuren te maken door elektronen door het weefselmonster te schieten en de patronen te analyseren terwijl de elektronen de andere kant verlaten. Afbeeldingen van TEM's worden meestal gelabeld met het celtype en de vergroting - een afbeelding gemarkeerd met "tem of human" epitheelcellen met het label 7900X" worden 7.900 keer vergroot en kunnen celdetails, de kern en andere structuren. Het gebruik van lichtmicroscopen voor hele cellen en TEM's voor kleinere functies maakt de betrouwbare en nauwkeurige identificatie van zelfs de meest ongrijpbare celstructuren mogelijk.

Microfoto's zijn de vergrote afbeeldingen die zijn verkregen met lichtmicroscopen en TEM's. Er worden vaak celmicrofoto's gemaakt uit weefselmonsters en tonen een continue massa cellen en interne structuren die moeilijk te identificeren zijn individueel. Typisch tonen dergelijke microfoto's veel lijnen, stippen, vlekken en clusters die de cel en zijn organellen vormen. Voor het identificeren van de verschillende onderdelen is een systematische aanpak nodig.

Het helpt om te weten wat de verschillende celstructuren onderscheidt. De cellen zelf zijn het grootste gesloten lichaam op de microfoto, maar binnenin de cellen bevinden zich veel verschillende structuren, elk met zijn eigen reeks identificerende kenmerken. Een benadering op hoog niveau waarbij gesloten grenzen worden geïdentificeerd en gesloten vormen worden gevonden, helpt de componenten op de afbeelding te isoleren. Het is dan mogelijk om elk afzonderlijk onderdeel te identificeren door te zoeken naar unieke kenmerken.

Een van de moeilijkste celstructuren om correct te identificeren, zijn de kleine membraangebonden organellen in elke cel. Deze structuren zijn belangrijk voor celfuncties en de meeste zijn kleine zakjes celstof zoals eiwitten, enzymen, koolhydraten en vetten. Ze hebben allemaal hun eigen rol in de cel en vormen een belangrijk onderdeel van celonderzoek en identificatie van de celstructuur.

Niet alle cellen hebben alle soorten organellen en hun aantal varieert sterk. De meeste organellen zijn zo klein dat ze alleen kunnen worden geïdentificeerd op TEM-afbeeldingen van organellen. Hoewel vorm en grootte helpen bij het onderscheiden van sommige organellen, is het meestal nodig om de interne structuur te zien om er zeker van te zijn welk type organel wordt weergegeven. Net als bij de andere celstructuren en voor de cel als geheel, maken de speciale kenmerken van elk organel identificatie gemakkelijker.

Vergeleken met de andere proefpersonen die op celmicrofoto's worden gevonden, zijn cellen verreweg de grootste, maar hun limieten zijn vaak verrassend moeilijk te vinden. Bacteriële cellen zijn onafhankelijk en hebben een relatief dikke celwand, zodat ze meestal gemakkelijk te zien zijn. Alle andere cellen, vooral die in de weefsels van hogere dieren, hebben alleen een dun celmembraan en geen celwand. Op microfoto's van weefsel zijn er vaak slechts vage lijnen die de celmembranen en limieten van elke cel weergeven.

Cellen hebben twee kenmerken die identificatie gemakkelijker maken. Alle cellen hebben een doorlopend celmembraan dat hen omringt, en het celmembraan omsluit een aantal andere kleine structuren. Zodra zo'n doorlopend membraan is gevonden en het omsluit vele andere lichamen die elk hun eigen interne structuur hebben, kan dat omsloten gebied worden geïdentificeerd als een cel. Zodra de identiteit van een cel duidelijk is, kan de identificatie van de interne structuren doorgaan.

Niet alle cellen hebben een kern, maar de meeste in dierlijke en plantaardige weefsels wel. Eencellige organismen zoals bacteriën hebben geen kern, en sommige dierlijke cellen zoals menselijke volwassen rode bloedcellen hebben er ook geen. Andere veel voorkomende cellen zoals levercellen, spiercellen en huidcellen hebben allemaal een duidelijk gedefinieerde kern in het celmembraan.

De kern is het grootste lichaam in de cel en heeft meestal een min of meer ronde vorm. In tegenstelling tot de cel heeft het niet veel structuren erin. Het grootste object in de kern is de ronde nucleolus die verantwoordelijk is voor het maken van ribosomen. Als de vergroting hoog genoeg is, kunnen de wormachtige structuren van de chromosomen in de kern worden gezien, vooral wanneer de cel zich voorbereidt op deling.

Ribosomen zijn kleine klompjes eiwit en ribosomaal RNA, de code volgens welke de eiwitten worden vervaardigd. Ze kunnen worden geïdentificeerd door hun gebrek aan membraan en door hun kleine formaat. Op microfoto's van celorganellen zien ze eruit als kleine korrels vaste stof, en er zijn veel van deze korrels verspreid door de cel.

Sommige ribosomen zijn bevestigd aan het endoplasmatisch reticulum, een reeks plooien en tubuli nabij de kern. Deze ribosomen helpen de cel om gespecialiseerde eiwitten te produceren. Bij zeer hoge vergroting is het misschien mogelijk om te zien dat de ribosomen uit twee secties bestaan, het grootste deel bestaat uit RNA en een kleiner cluster bestaat uit de vervaardigde eiwitten.

Het endoplasmatisch reticulum is alleen te vinden in cellen met een kern en is een structuur die bestaat uit gevouwen zakjes en buizen die zich tussen de kern en het celmembraan bevinden. Het helpt de cel bij het regelen van de uitwisseling van eiwitten tussen de cel en de kern, en het heeft ribosomen bevestigd aan een sectie die het ruwe endoplasmatisch reticulum wordt genoemd.

Het ruwe endoplasmatisch reticulum en zijn ribosomen produceren celspecifieke enzymen zoals insuline in pancreascellen en antilichamen tegen witte bloedcellen. Het gladde endoplasmatisch reticulum heeft geen vastgehechte ribosomen en produceert koolhydraten en lipiden die helpen de celmembranen intact te houden. Beide delen van het endoplasmatisch reticulum kunnen worden geïdentificeerd door hun verbinding met de kern van de cel.

Mitochondriën zijn de krachtcentrales van de cel, die glucose verteren om het opslagmolecuul ATP te produceren dat cellen gebruiken voor energie. Het organel bestaat uit een glad buitenmembraan en een gevouwen binnenmembraan. Energieproductie vindt plaats door een overdracht van moleculen over het binnenmembraan. Het aantal mitochondriën in een cel hangt af van de celfunctie. Spiercellen hebben bijvoorbeeld veel mitochondriën omdat ze veel energie verbruiken.

Mitochondriën kunnen worden geïdentificeerd als gladde, langwerpige lichamen die het op een na grootste organel zijn na de kern. Hun onderscheidende kenmerk is het gevouwen binnenmembraan dat het interieur van de mitochondriën zijn structuur geeft. Op een celmicrofoto zien de plooien van het binnenmembraan eruit als vingers die uitsteken in het binnenste van de mitochondriën.

Lysosomen zijn kleiner dan mitochondriën, dus ze kunnen alleen worden gezien in sterk vergrote TEM-afbeeldingen. Ze onderscheiden zich van ribosomen door het membraan dat hun spijsverteringsenzymen bevat. Ze kunnen vaak worden gezien als ronde of bolvormige vormen, maar ze kunnen ook onregelmatige vormen hebben als ze een stuk celafval hebben omgeven.

De functie van lysosomen is het verteren van celmateriaal dat niet langer nodig is. Celfragmenten worden afgebroken en uit de cel verdreven. Lysosomen vallen ook vreemde stoffen aan die de cel binnenkomen en zijn als zodanig een verdediging tegen bacteriën en virussen.

Golgi-lichamen of Golgi-structuren zijn stapels afgeplatte zakken en buizen die eruitzien alsof ze in het midden zijn samengeknepen. Elke zak is omgeven door een membraan dat bij voldoende vergroting zichtbaar is. Ze zien er soms uit als een kleinere versie van het endoplasmatisch reticulum, maar het zijn afzonderlijke lichamen die regelmatiger zijn en niet vastzitten aan de kern. Golgi-lichamen helpen bij de productie van lysosomen en zetten eiwitten om in enzymen en hormonen.

Centriolen komen in paren en worden meestal in de buurt van de kern gevonden. Het zijn kleine cilindrische eiwitbundels en zijn een sleutel voor celdeling. Bij het bekijken van veel cellen, kunnen sommige zich delen, en de centriolen worden dan erg prominent.

Tijdens deling lost de celkern op en wordt het DNA in de chromosomen gedupliceerd. De centriolen vormen dan een spil van vezels waarlangs de chromosomen migreren naar tegenoverliggende uiteinden van de cel. De cel kan zich vervolgens delen, waarbij elke dochtercel een volledig complement van chromosomen ontvangt. Tijdens dit proces bevinden de centriolen zich aan beide uiteinden van de vezelspoel.

Alle cellen moeten een bepaalde vorm behouden, maar sommige moeten stijf blijven terwijl andere flexibeler kunnen zijn. De cel behoudt zijn vorm met een cytoskelet dat bestaat uit verschillende structurele elementen, afhankelijk van de celfunctie. Als de cel deel uitmaakt van een grotere structuur zoals een orgaan dat zijn vorm moet behouden, bestaat het cytoskelet uit stijve buisjes. Als de cel onder druk mag meegeven en zijn vorm niet volledig hoeft te behouden, is het cytoskelet lichter, flexibeler en opgebouwd uit eiwitfilamenten.

Bij het bekijken van de cel op een microfoto, verschijnt het cytoskelet als dikke dubbele lijnen in het geval van tubuli en dunne enkele lijnen voor filamenten. Sommige cellen hebben nauwelijks dergelijke lijnen, maar in andere kunnen open ruimtes worden opgevuld met het cytoskelet. Bij het identificeren van celstructuren is het belangrijk om de organelmembranen gescheiden te houden door hun gesloten circuit te volgen terwijl de lijnen van het cytoskelet open zijn en de cel doorkruisen.

Voor een volledige identificatie van alle celstructuren zijn verschillende microfoto's nodig. Degenen die de hele cel of meerdere cellen laten zien, hebben niet genoeg details voor de kleinste structuren zoals chromosomen. Verschillende microfoto's van organellen met een steeds hogere vergroting zullen de grotere structuren zoals mitochondriën en vervolgens de kleinste lichamen zoals de centriolen laten zien.

Bij het voor het eerst onderzoeken van een vergroot weefselmonster kan het moeilijk zijn om de verschillende celstructuren direct te zien, maar het opsporen van de celmembranen is een goed begin. Het identificeren van de kern en grotere organellen zoals de mitochondriën is vaak de volgende stap. In de microfoto's met een hogere vergroting kunnen de andere organellen vaak worden geïdentificeerd door een eliminatieproces, waarbij wordt gezocht naar belangrijke onderscheidende kenmerken. De aantallen van elk organel en elke structuur geven dan een aanwijzing over de functie van de cel en zijn weefsels.