Celbio Thomas Voets Samenvatting PDF

Preview

Summary

Download Celbio Thomas Voets Samenvatting PDF

Description

PAGINA 4-39

Hoofdstuk 1

1. Biomembranen Inleiding Elk celtype (prokaryoot & eukaryoot) heeft een membraan rondom de cel . Alleen de eukaryoten hebben ook intracellulair nog (dubbele) membraanstructuren om zo organellen te kunnen vormen. Het DNA in een prokaryote cel is dus niet afgeschermd van het overige gedeelte binnen de cel; het vormt het nucleoid. Cytoplasma → alles wat zich binnen het plasmamembraan bevindt, dus inclusief de organellen Cytosol → het waterige gedeelte van het cytoplasma, dus exclusief de organellen Lumen → het waterige gedeelte binnen de organellen Periplasmische ruimte → de ruimte tussen de celwand (dichtbij het binnenste membraan) en het buitenste membraan (zie bladzijde 3 nr. 1) Membranen kunnen voorkomen rondom de cel (plasmamembranen) en in de cel, rondom organellen. Voor een indicatie van het voorkomen en verdeling van de membranen: bladzijde 3 nr. 2. Structuur van biomembranen De structuur van plasmamembranen (celomvattend) is te vergelijken met een rails van een treinspoor; met een totale hoogte van ongeveer 3 – 4 nm. Het bestaat uit een binnen- en buitenmembraan die de cel afscheidt van het externe milieu. Beide membraanlagen zijn opgebouwd uit fosfolipiden, die een hydrofobe kopgroep en een hydrofiele staart hebben. Gezien het feit dat het externe- & interne milieu waterig is, zal het membraan dubbel moeten zijn om intern een hoge entropie te kunnen handhaven. In deze dubbele structuur zijn de polaire koppen naar buiten gericht (polair ≈ hydrofiel) en de apolaire staarten naar binnen gericht; dit betekent dat het hydrofobe gedeelte afgezonderd is van het externe en interne milieu. Door de aanwezigheid van hydrofobe en hydrofiele gedeelten op één fosfolipide heeft het molecuul (glycerofosfolipide) amfipatische eigenschappen. Voor de exacte bouw van een glycerofosfolipide zie blz. 5 nr. 1. Wanneer dit soort moleculen in water worden gebracht, zullen zij een micel (enkelwandig) of een liposoom (dubbelwandig) vormen, waarbij de hydrofobe staarten naar binnen gericht zijn en afgezonderd zijn van water. (zie blz. 5 nr. 1) Een biomembraan kan op verschillende manieren voorkomen al naargelang de functie: 1. Het kan glad zijn, zoals het membraan van een erythrocyt. (blz. 5 nr. 3) 2. Het kan veel uitstulpingen hebben, zoals de haarcellen in het slakkenhuis ter detectie van geluidsgolven. (blz. 6 nr. 1) 3. Het kan zich vele malen rond een axon wikkelen ter isolatie en zo een myelineschede vormen, zoals de schwanncel doet. (blz. 6 nr. 2) Enkele belangrijke definities voor het membraan:  Cytosolische zijde → de zijde van het membraan die naar het cytosol wijst  Exoplasmatische zijde → de zijde van het membraan die naar het lumen (of bij een plasmamembraan naar de extracellulaire ruimte) wijst; let wel: bij dubbele membranen de zijden apart voor elke laag bepalen!

PAGINA 4-39

Hoofdstuk 2

Bovendien geldt hier nog bij dat de exoplasmatische zijde de exoplasmatische zijde blijft, ook na versmelting met een membraan. Hetzelfde geldt voor de cytosolische zijde. De opbouw van biomembranen Zoals er reeds vermeld is, zijn biomembranen opgebouwd uit lipiden. Meer in detail zijn het 3 soorten lipiden: 1. Fosfoglyceriden & plasmalogenen 2. Sfingolipiden 3. Sterolen (vertonen enkel het gedrag van lipiden) Fosfoglyceriden. Deze moleculen bevatten dus een hydrofoob gedeelte (de vetzuurstaarten) en een hydrofiel gedeelte (de kop). De verbinding tussen -kop- fosfaatgroep-C en de staart wordt gevormd door een ester via de reactue tussen een zuur en een alcohol Deze kopgroep is variabel: 1. 2. 3. 4.

Fosfatidyl ethanolamine (PE); een NH3+ is aangehecht. Fosfatidylcholine (PC); een N+ met daarop (CH3)3 aangehecht. Fosfatidylserine (PS); op de anomere C staat nog een zuurfunctie (COO-) en een NH3+. Fosfatidylinositol (PI); er is een inositolgroep aangehecht (een suiker)

Voor de afbeelding, zie blz. 7 nr. 3. Noteer hierbij het verschil in lading en het verschil in straal van de kopgroep. Deze factoren zijn namelijk onder meer verantwoordelijk voor de kromming van het membraan. Deze structuren moeten getekend kunnen worden! Plasmalogenen. Deze groep komt zeer sterk overeen met de structuur van de fosfoglyceriden; het enige verschil is dat bij de fosfoglyceriden de vetzuurstaart is aangehecht via een esterfunctie en bij plasmalogenen is de vetzuurstaart aangehecht via een etherfunctie. (zie blz. 8 nr. 1) Sfingolipiden. Alle sfingolipiden hebben sfingosine of ceramide als basismolecuul. Voor de structuurformule: blz. 8 nr. 2. De kopgroep is ook hier variabel: 1) Sfingomyeline (SM); via een fosfaatgroep is er een N+ en een (CH3)3 aangehecht 2) Glucosyl cerebroside (GlcCer); er is een suikergroep aangehecht op de zuurstof de vetzuurstaart. Dit vormt dan glycosfingolipiden. Een variatie hierop zijn de gangliosiden; dit zijn namelijk glycosfingolipiden met een complexere suikergroep erop aangehecht. (zie verder) Steroiden. De steroïden hebben als belangrijkste vertegenwoordiger cholesterol. Steroiden hebben 3 pyranoseringen (6-ring) en 1 furanosering (5-ring) gemeenschappelijk.

PAGINA 4-39

Hoofdstuk 3

Cholesterol is dus geen lipide, maar gedraagt zich wel zo i.v.m. zijn amfipathische opbouw. De praktisch volledige structuur is namelijk hydrofoob, maar de OH-kopgroep is hydrofiel. (Structuur: zie blz. 9 nr. 1 & 2) Cholesterol is bovendien nog de precursor voor vitamine D; UV-licht valt in op een molecuul, dat een breuk veroorzaakt in cholesterol en zo vitamine D3 kan vormen. Dit molecuul is essentieel voor de calciumopname en is zo gekoppeld aan een gezonde botgroei. (zie blz. 9 nr. 3) Andere voorbeelden van steroïden zijn dan nog cortison, testosteron, galzuur en oestradiol. Addendum Gangliosiden. Gangliosiden hebben een ceramide als vetzuurstaart, maar vormen pas een ganglioside wanneer er enzymatisch een oligosacharide op ingeplant wordt. Welke suikergroepen worden ingepland, is bloedgroep-afhankelijk. Deze suikers komen enkel voor op de exoplasmatische zijde van een erythrocyt en vormen zo een aanhechtingsplaats voor antilichamen, toxines, eiwitten, glycolipiden. (extra illustratiemateriaal: blz. 26) Beweeglijkheid van lipiden De lipiden die een membraan opbouwen zitten niet stil; zij kunnen op verschillende manieren bewegen:    

Axiale rotatie (rotatie rondom de lengte-as; weinig invloed) Laterale diffusie (beweging door het vlak) Flip-flop Beweging van de vetzuurstaarten

Laterale diffusie is gevisualiseerd via FRAP (fluorescence recovery after photobleaching); men had alle lipiden die voorkomen in het membraan gelabeld, om zo vervolgens een aantal te bleken. Als je precies op dit moment, nadat een deel gebleekt is, kijkt naar de weerkaatsing van licht; blijkt dit exact 0 te zijn. Dit verandert echter in de tijd, het bleek naar zo’n 50% te evolueren. Let wel; het is niet mogelijk voor de lipiden om ‘opnieuw te labelen’, dus de enige verklaring kan zijn dat er verplaatsing van de lipiden optreedt; zie illustratie blz. 10 nr. 2 Flip-Flop → verplaatsing van een fosfolipide van de exoplasmatische zijde naar de cytosolische zijde of andersom. Dit proces is energetisch zeer onwaarschijnlijk, omdat de hydrofiele kop door het hydrofobe stuk (de kern) moet bewegen, daarom zal dit proces nooit uit zichzelf gebeuren, maar is er een enzym vereist, namelijk flippase (verbruikt ATP). Het energieverbruik in dit proces is als volgt gemeten: Men had fluorescerende fosfolipiden toegevoegd aan een groep membranen en deze groep in tweeën verdeeld. In groep A werd er geen ATP toegevoegd en aan groep B wel. Na een tijdje voegde men een quencher toe (een stof die ervoor zorgt dat de fluorescentie verdwijnt; bleekt, maar deze stof kan niet door een membraan) en men zag dat de intensiteit van de fluorescentie sterker was gedaald in de groep zonder ATP (en dus zonder flip-flop) dan in de groep met ATP. Voor de grafiek, zie blz. 11 nr. 1

PAGINA 4-39

Hoofdstuk 4

Door het feit dat dit een energetisch zeer ongunstig proces is, ontstaat er een asymmetrische verdeling van fosfolipiden over een membraan. Beweging van vetzuurstaarten. Deze vorm van beweging is afhankelijk van verschillende factoren:  De temperatuur; naarmate de temperatuur toeneemt, zullen de vetzuurstaarten meer gaan bewegen; de viscositeit van het membraan daalt.  De aard en de lengte van de vetzuurketens; ze worden samengehouden door:  Hydrofoob effect; effect dat optreedt bij 2 nabijgelegen hydrofobe moleculen in opgeloste toestand; energetisch zeer ongunstig. Wanneer deze hydrofobe moleculen samen aggregeren, zal de herschikte watermantel kleiner zijn (en daarmee is de orde kleiner) → grotere wanorde: entropisch gunstiger. (blz. 12, nr. 3)  Van der Waalskrachten; deze krachten werken stabiliserend, maar om op te kunnen treden, moeten de atomen dicht genoeg bij elkaar zijn  Cholesterolconcentratie in het membraan: een verzadigd vetzuur is een vetzuur zonder dubbele bindingen, dus een onverzadigd vetzuur heeft wel dubbele bindingen, met als gevolg dat er een cis- en een transvorm van bestaat. (De trans-configuratie is ongezond). Een vetzuur die dubbele bindingen bevat, krijgt tevens een knik in de staart → per definitie een moeilijkere stapeling → interactiemogelijkheden dalen → minder optredende Van der Waalskrachten → een daling van de stabiliteit → het membraan wordt vloeibaarder. Nu heeft cholesterol de mogelijkheid om te binden aan een vetzuurstaart, met als gevolg dat de Van der Waalskrachten toenemen en de viscositeit van het membraan stijgt. Dit is mogelijk omdat wanneer cholesterol bindt, de vetzuurstaart door sterische effecten enigszins wordt rechtgetrokken. Let wel, er zal dus enkel een effect optreden als de oorspronkelijke vetzuurstaart ‘krom’ is. Zoals uit het bovenstaande duidelijk wordt, is het mogelijk dat plaatselijk een membraan dikker resp. dunner is dan elders (door het effect van cholesterol). Als vervolgens via AFM ‘beelden’ gemaakt worden van een membraanoppervlak, valt op dat sommige plaatsen hoger liggen dan andere: de lipid rafts (hoger gelegen door hogere viscositeit). Zie blz. 14, nr. 3 AFM → Atomic Force Microscopy; een techniek die mechanisch een oppervlak aftast met een gevoelige naald en via een laser de afwijking bepaalt. Zo wordt duidelijk hoe een oppervlak in 3Dsituaties eruit ziet. (De structuur van membranen is overigens mede bepaald door elektronenmicroscopie); blz. 4 nr. 1 & 2 Effect van de lipidensamenstelling Door de grote variëteit in verschillende componenten binnen een membraan kan het krommen; vergelijk het met een bouwkundig dubbellagige boog; het is duidelijk dat de onderkant van de onderste laag kleiner moet zijn dan de bovenkant van de bovenste laag om een correcte kromming te krijgen. Verschil in de radius van de hydrofiele kop is dus essentieel. Zie blz. 15 nr. 1 & 2

PAGINA 4-39

Hoofdstuk 5

Functies van een plasmamembraan Een biologisch plasmamembraan heeft verschillende functies: 1. 2. 3. 4.

Barrière Condensator Reservoir voor signaalmoleculen 2D-vloeistof; fenomeen ‘drijven’ wordt zo mogelijk gemaakt; manier van koppeling van bijvoorbeeld transportproteïnen.

Volgende uitleg is geïllustreerd vanaf blz. 16 e.v. 1. Een plasmamembraan is alleen zuiver permeabel voor gassen. Hij is gedeeltelijk permeabel voor kleine, ongeladen polaire moleculen zoals ethanol & water en alle resterende moleculen kunnen nooit zelfstandig door een membraan diffunderen. Op deze manier creëert de cel een regulatiemogelijkheid. Door het feit dat water wel vrij door het membraan kan bewegen, betekent dit dat de mogelijkheid ontstaat voor het ontstaan van osmose, na het opbouwen van een osmotische druk → het drukverschil dat ontstaat tussen twee oplossingen met verschillende concentraties door de gevolgen van osmose. (Er is dus per definitie een onevenwicht in concentratiewaarden). De osmotische druk π is te berekenen via de vergelijking van Van ’t Hoff. (Hierbij kun je gebruik maken van het feit dat een druk van 10 kPa overeenkomt met een waterkolom van 1 m.) Een praktisch voorbeeld is de sequoiaboom, die slechts een concentratieverschil tussen hoog en laag van 0,5 M nodig heeft om water zo’n 125 meter omhoog te krijgen. Om dit proces echter mogelijk te maken is een rigide celwand essentieel! (Anders treedt osmose op door verlies van de osmotische druk) N.B. De gebruikte gasconstante R, is deze 8,31, krijg je waarden in Pa, maar omdat deze R niet aangepast is aan de juiste volume-eenheid (namelijk m3), moet je de gasconstante aanpassen tot 8,31 . 103 J.K-1.mol-1! 2. Het membraan kan tevens gebruikt worden als opslagplaats van elektrische ladingen, omdat de buitenkant van het membraan polair is (eventueel geladen) en de binnenkant apolair: slecht geleidend. De analogie met een condensator is dus de volgende: hydrofiel gedeelte zijn de platen en het hydrofoob gedeelte het (luchtledige) gedeelte tussen de platen. Hier moeten ook berekeningen op toegepast kunnen worden. 3. Fosfolipasen zijn enzymen die fosfoglyceriden kunnen splitsen. Hier bestaan verschillende soorten van, al naargelang waar de splitsing plaatsvindt. (blz. 18 nr. 2). Na deze splitsing ontstaat een nieuw molecuul die een signaalfunctie kunnen vervullen: Fosfolipase C (PLC) kan zo een PIP2-molecuul (zit in het membraan) splitsen tot vorming van een IP3 & DAG, die alle 3 universele signaalmoleculen zijn. Voor de schematische tekeningen (!), zie blz. 18, nr. 3

PAGINA 4-39

Hoofdstuk 6

4. Het membraan kan een plaats vormen voor 3 soorten membraanproteïnen, geïllustreerd in de volgende tabel:

Associatie met het plasmamembraan

Voorkomensvorm

Integrale membraanproteïnen De peptideketen gaat één of meerdere keren door het membraan

Proteïne ligt ingebed in het membraan, en heeft zo een:  Intramembranair deel  Exoplasmatisch deel  Cytosolisch deel Alle 3 zijn geïllustreerd op blz. 19 nr. 1

Membraanproteïnen met een lipide-anker Covalent gebonden aan een vetanker

Exoplasmatisch óf cytosolisch gedeelte

Perifere membraanproteïnen Niet-covalente binding aan fosfolipiden of andere membraanproteïnen Exoplasmatisch óf cytosolisch gedeelte

Integrale membraanproteïnen De hoofdfunctie van deze proteïnen is het transporteren van over het algemeen polaire en te grote entiteiten door het plasmamembraan. Door hun polariteit zal de binnenkant van een poort hydrofiel moeten zijn om transport mogelijk te maken. Dit veroorzaakt een probleem, gezien het feit dat de binnenkant van het plasmamembraan hydrofoob is, en daarmee polair afstoot. De transportpoorten zullen dus een hydrofobe buitenkant moeten hebben en een hydrofiele binnenkant. Voor dit probleem zijn 2 oplossingen via het herschikken van de hydrofobe en hydrofiele gedeelten: 1. De α-helix; dit is de meest gebruikte oplossing; zij maken gebruik van aminozuren met hydrofobe zijketens die voldoende vetoplosbaar zijn om ingebouwd te kunnen worden in een membraan. Om het hydrofobe gedeelte te overbruggen zijn er ongeveer 6 windingen nodig, met 3,6 aminozuren per winding (komt overeen met 0,54 nm) a. Het is mogelijk dat een proteine meerdere malen door een membraan gaat, ook hier bestaat dus weer variatie in: I. Single-pass membraanproteïnen → membraanproteïnen met maar een transmembranair gedeelte. (vb. glycophorine A, blz. 21 nr. 1) N.B. het is mogelijk voor 2 verschillende α-helices samen te intereageren tot vorming van een ‘coiled-coil’. De afstand tussen de 2 afzonderlijke helices moet wel klein genoeg zijn. II. Multi-pass membraanproteïnen1→ proteïnen met meerdere transmembranaire helices. (vb. bacteriorhodopsine). Andere voorbeelden: blz. 21 en 22, nr. 3-1-2 b. Via hydropathy analyse kan een begin worden gemaakt met de identificatie van een eiwit door het aantal transmembranaire domeinen te bepalen via de aminozuursequentie. Bovendien kan hier enigszins de functie van het proteïne worden afgeleid door berekening van de hydrofobiciteit van de specifieke stukken (blz. 20 nr. 3) 2. De β-barrel is een alternatief; dit ‘tonnetje’ is opgebouwd uit afzonderlijke β-sheets die op een geordende, specifieke manier gestapeld zijn (zie blz. 22 & 23, nr. 3-1) zodat de N-terminus steeds

1 Via kristallografie is het mogelijk om de structuur van deze proteïnen te bepalen

PAGINA 4-39

Hoofdstuk 7

met de C-terminus kan interageren. Door deze schikking wordt ook hier de buitenkant hydrofoob en de binnenkant hydrofiel voor de passage van ionen of water o.i.d. N.B. Porines → kanalen in de buitenste membraan van een bacterie transmembranaire eiwitten hebben per definitie voldoende hydrofobe aminozuren om het hele hydrofobe deel van het membraan te passeren (voor plaatsbepaling) Lipide-geankerde membraanproteïnen De membraanproteïnen kunnen op verschillende manieren en plaatsen verankeren aan een vetzuurstaart; de ankers zijn hieronder genoemd: 1. GPI-anker; dit anker zit per definitie aan de buitenkant van het membraan en in lipid rafts. Voor de binding: zie blz. 23 nr. 2 (kunnen tekenen!) 2. Acylanker; ook dit anker zit in de lipid-rafts en is gekoppeld aan een vetzuur via de Nterminus van het proteïne door een Glycine (tekening van de binding als aantekening!) 3. Prenylanker; dit type anker zal niet voorkomen in de lipid-rafts vanwege de minder goede ordening van de vetzuurstaarten. Het proteïne is verbonden aan het vetzuur via een Cysteïne. N.B.: bekijk de illustraties op blz. 23 nr. 2 zeer nauwkeurig, hierbij gelet op de binding van de vetzuurstaart aan het proteïne, de ordening van de vetzuurstaarten en het uiteinde van het desbetreffende proteïne. Perifere membraanproteïnen De binding van deze membraanproteïnen is per definitie niet-covalent (relatief zwakke bindingen, heeft zo de mogelijkheid om los te komen), maar kunnen met verschillende onderdelen van het membraan interageren: 1. Met andere membraanproteïnen: a. Via waterstofbruggen b. Via hydrofobe interacties (tussen 2 hydrofobe gedeelten) c. Via van der Waalskrachten (tussen 2 naburige atomen) d. Of via elektrostatische interacties (de Coulombkracht) I. Een voorbeeld hiervan is de cytokine-receptor (zie blz. 24 nr. 1) 2. Met membraanlipiden: a. Via elektrostatische interacties: Motief op het proteïne PH (pleckstrin homology)

Ligand dat kan binden PIP2 en PIP3

C2

Zure fosfolipden

Voorbeeldproteinen Pleckstrine, fosfolipase Cγ1, proteïne-kinase B Proteine-kinase C, PI-3-kinase, fosfolipase, PTEN fosfatase

Voor een voorbeeld: zie blz. 24 nr. 3 (fosfolipase A2) Bovenstaande indeling van de membraanproteïnen hebben allen verschillende eigenschappen, met als gevolg dat het zeer waarschijnlijk is dat deze verschillen een rol kunnen spelen in de localisatie van de membraanproteïnen:

PAGINA 4-39

Hoofdstuk 8

1. De lengte van de α-helix is bepalend voor de plaats in het membraan, zoals al eerder vermeld staat. (Gezien het feit dat een lipid-raft een groter hydrofoob gedeelte heeft, zal de transmembranaire helix ook groter moeten zijn om in een lipid-raft te kunnen zitten 2. Het type vetzuuranker is ook plaatsbepalend; een prenylanker komt per definitie voor buiten de lipid-rafts, terwijl een acyl-anker en een GPi-anker altijd voorkomen in een lipid-raft; hierbij is het zeer belangrijk te weten dat proteïnen onmogelijk aan flip-flop kunnen doen! 3. Bovendien geldt nog dat enzymen of proteïnen binnen een lipid-raft hoogstwaarschijnlijk behoren tot één reactie, wat een vorm van ordening schept. Dit is zichtbaar te maken via kleurschakeringen; als deelnemende entiteiten geordend zijn binnen een lipid-raft, zullen de kleuren mengen. Is dit niet het geval, blijven de kleuren identiek (blz. 25, nr. 2)

2. Membraantransport Zoals bovenstaande uiteenzetting al duidelijk heeft gemaakt, is het onmogelijk dat alle stoffen vrij een membraan passeren. Zo kunnen de geladen entiteiten nooit vrij door een membraan, evenals de wat grotere stoffen. Om deze te kunnen transporteren zijn dus transportproteïnen essentieel. Hierbij geldt wel dat de stoffen die zich vrij doorheen een membraan kunnen verplaatsen, zich ook via transportproteinen kunnen ...