CELBIOLOGIE
HOOFDSTUK 1: BIOMEMBRANEN
Oppervlakten in cel:
- Plasmamembraan = 700 µm²
- Intracellulaire membranen = 7000 µm²
- Cytoskelet = 94000 µm²
Definities:
- Cytoplasma = alles binnen plasmamembraan behalve nucleus
- Cytosol = waterige gedeelte buiten celorganellen
- Lumen = waterige gedeelte in celorganellen
AFM (Atomic Force Microscopy): 3D-structuur plasmamembraan verkrijgen door zeer gevoelige combinatie van
naald en laser.
Fosfolipidedubbellaag is ongeveer 3-4nm dik en bestaat uit twee rijen amfipatische fosfolipiden: hydrofiele
hoofdgroep (polaire groep, fosfaat, glycerol) naar buiten, hydrofobe vetzuurstaart naar binnen. Amfipatische
moleculen komen in drie vormen voor: micelle (gesloten bol, één rij), liposoom (open bol, twee rijen) of
fosfolipidendubbellaag.
Exoplasmatische (wijst naar de buitenkant) en cytosolische (wijst naar cytosol) zijden blijven behouden, ook als
er een ventrikel gevormd wordt. De zijden zijn niet omwisselbaar.
DRIE SOORTEN LIPIDEN (ZIE SLIDES VOOR STRUCTUUR)
Fosfoglyceriden en plasmalogenen: van de triacylglycerol verandert één staart in een fosfaat met kopgroep
(diacylglycerol + fosfaat = fosfatidyl). Plasmalogene zijn fosfoglyceriden maar dan zonder de =O op de eerste
staart.
Sfingolipiden: stoffen met sfingosine als basis.
- Glycosfingolipiden: sfingolipiden met als derde staart een suikergroep/suikergroepen.
- Gangliosiden: glycosfingolipiden met complexere suikergroepen.
o Komen enkel exoplasmatisch voor (buitenste laag plasmamembraan).
o Zijn een aanhechtingsplaats voor antilichamen, toxines, eiwitten, glycolipiden, …
o De oligosachariden bepalen ook welke bloedgroep men heeft bloedgroeptransfusieregels
Sterolen: zijn afgeleid van steroïden.
- Cholesterol: een amfipatisch sterol. Dient als precursor voor stoffen zoals cortisone, testosteron, Vit D,
estradiol,…
- Vitamine D wordt o.i.v. UV-licht uit cholesterol gemaakt, essentieel voor de Ca-opname. Bij gebrek aan
zon rachitis (o.a. verstoorde botopbouw).
1
,BEWEEGLIJKHEID VAN LIPIDEN IN EEN BIOMEMBRAAN
Axiale rotatie: rotatie rond eigen as, hoofd blijft omhoog, kan men niet besturen.
Laterale diffusie: opschuiven in rij van membraan, bewegen binnen het blad. Kan gemeten worden door FRAP:
enige manier dat er terug fluorescentie komt in gebleachte gebied is wanneer er laterale diffusie plaatsvindt.
Opmerking: diffusie gebeurt 10x sneller in een artificiële fosfolipidedubbellaag.
Flip-flop: omspringen van rij in membraan, van ene blad naar andere blad. Energetisch ongunstig proces dat
enkel kan plaatsvinden wanneer enzym flippase (gebruikt ATP) aanwezig is. Meting flip-flop: fluorescente
fosfolipiden zitten in het buitenste blad van de fosfolipidedubbellaag.
- Eén groep fluorescente fosfolipiden wordt niet blootgesteld aan ATP, men voegt een quencher toe aan
de buitenzijde en daardoor verliezen de fosfolipiden hun fluorescentie enkel fluorescente moleculen
die in de binnenkant zitten blijven fluorescent.
- De andere groep komt wel in contact met ATP, die levert energie aan flippase, waardoor fosfolipiden
van het buitenste naar het binnenste blad getransporteerd worden. Zo zijn ze beschermd tegen de
quencher en blijven ze fluorescent.
Beweging van vetzuurstaarten: plooien, strekken, … wordt bepaald door:
- Temperatuur: hoe warmer, hoe meer chaotische bewegingen. Vetzuurstaarten meer geordend bij
lagere temperatuur.
- Aard/samenstelling van vetzuurstaarten – invloed van samenstelling op de vloeibaarheid – vetzuur-
staarten worden samen gehouden door:
o Hydrofoob effect: in waterige omgeving hebben niet-wateroplosbare stoffen de neiging naar
elkaar toe te komen. Elke stof opgelost in water wordt omgeven door een watermantel. Twee
kleine vetdruppels hebben elk een mantel. Bij samenkomst zijn ze omgeven door één grote
mantel. Een aantal watermoleculen zitten niet meer in de mantel maar kunnen vrij bewegen
grotere entropie = energetisch gunstiger.
o Van der Waals-krachten: atomen stoten elkaar af zodra hun van der Waals-radius met elkaar
in contact komt stabiliteit.
Verzadigde vetzuren: zonder dubbele binding, kunnen we zelf aanmaken. Een rechte structuur, gemakkelijk
dicht naast elkaar te plaatsen. Dicht contact tussen atomen van verschillende vetzuren grotere Tsmelt. Heeft
een kortere staart minder kans op interactie van de VDW-krachten verhoogde vloeibaarheid.
Onverzadigde vetzuren: met cis-dubbele binding. Bepaalde onverzadigde vetzuren kunnen we zelf niet
aanmaken en moeten we uit voeding halen = essentiële vetzuren, vb.: omega-6-vetzuur: -C = laatste C,
gebruikt om aan te tonen wat de positie is van de dubbele binding vanaf het -C. Bij -6 zit een dubbele
binding tussen 6e en 7e C. Cis-dubbele binding kink in structuur t.h.v. dubbele binding moeilijk dicht bij
elkaar te plaatsen lagere Tsmelt. Hoe meer dubbele bindingen, hoe meer kinken. Minder VDW-krachten
verhoogde vloeibaarheid
- Cholesterol: door amfipatisch karakter kan het zich mengen tussen de staarten van fosfolipiden rekt
de vetzuurstaarten meer uit, meer ordening membraan wordt dikker vloeibaarheid membraan
neemt af met de dikte ontstaan van ‘lipid rafts’ = eilandjes te zien op AFM
Kromming van de membraan wordt bepaald door de lipidensamenstelling. Hoe kleiner de hoofdgroep, hoe
meer de membraan verkromt zal zijn. Veel processen waarbij membranen dynamisch van vorm veranderen.
Chemische samenstelling heeft belangrijke gevolgen voor de eigenschappen van het biomembraan.
2
, FUNCTIES VAN DE PLASMAMEMBRAAN
BARRIÈRE
Proteïnen in biomembranen zorgen voor geregelde permanentie; slechts een kleine fractie van de moleculen
kunnen doorheen het membraan diffunderen. Gassen (CO 2, N2, O2) en ethanol ondervinden geen hinder. Voor
H2O is het lichtjes permeabel. Voor ionen, geladen polaire moleculen (ATP, proteïnen,…) en grote ongeladen
polaire moleculen (fructose, glucose) is het impermeabel.
Osmotische druk: osmotische verschillen kunnen ontstaan door verschillen in permeabiliteit. H 2O verplaatst
zich naar de plek met hogere concentratie. Toepassing osmotische druk in planten: mechanisme waarmee
planten H2O van de grond tot boven in de blaadjes kunnen transporteren. Hoge suiker in de blaadjes door
fotosynthese osmotisch verschil tussen blaadjes en grond H2O tot in blaadjes zuigen.
- Hypotoon medium: H2O van buiten de cel naar binnen de cel cel kan ontploffen.
- Hypertoon medium: H2O van binnen de cel naar buiten de cel cel krimpt.
ELEKTRISCHE CONDENSATOR
Elk plasmamembraan = condensator in elk plasmamembraan kan landing worden opgeslagen.
RESERVOIR VOOR SIGNAALMOLECULEN
Fosfolipasen (PLA1, PLA2, PLC, PLD = verschillende aangrijpingsplaatsen) splitsen fosfoglyceriden. Vb: PLC
splitst PIP2 tussen 3e C (glycerol) en fosfaat genereert DAG en IP3. PIP2, DAG en IP3 zijn signaalmoleculen.
2D-VLOEISTOF
De membraan als 2D vloeistof: Er zitten verschillende eiwitten op membraan – drie soorten
membraanproteïnen
Integrale membraanproteïnen: peptideketen gaat één of meerdere keren doorheen membraan. Topologie:
ingebed in membraan met intramembranair, exoplasmatisch en cytosolisch deel. Hebben hydrofobe kern en
hydrofiele AZ-keten zorgt voor een probleem; Oplossing:
- α-helix (meest gebruikt): heeft hydrofobe zijketens. 6 windingen (20-25 AZ) nodig om het hydrofobe
gedeelte te overbruggen. De R-groepen wijzen naar de buitenkant.
Hydropathy Analysis: transmembranaire helices identificeren uitgaande van AZ-sequentie. Positief =
transmembranaire sequentie = hydrofoob gedeelte, rode zones = α-helix lang genoeg om door
membraan te geraken. Negatief = hydrofiel gedeelte.
Single-pass membraanproteïne vs. multi-pass membraanproteïne: resp. kalium- vs. waterkanaal
(aquaporine).
- β-barrel: ‘tonnetje’ van β-sheets. Porines: kanalen in de buitenste membraan van een bacterie.
Membraanproteïnen met vetanker (covalent gebonden aan vetanker):
- Acylanker aan cytosolische zijde, zit in lipid rafts (COO -)
- Prenylanker aan cytosolische zijde, zit niet in lipid rafts (NH3+)
- GPI-anker (glucosylfosfatidylinositol) aan exoplasmatische zijde, zit in lipid rafts (suikers)
3
HOOFDSTUK 1: BIOMEMBRANEN
Oppervlakten in cel:
- Plasmamembraan = 700 µm²
- Intracellulaire membranen = 7000 µm²
- Cytoskelet = 94000 µm²
Definities:
- Cytoplasma = alles binnen plasmamembraan behalve nucleus
- Cytosol = waterige gedeelte buiten celorganellen
- Lumen = waterige gedeelte in celorganellen
AFM (Atomic Force Microscopy): 3D-structuur plasmamembraan verkrijgen door zeer gevoelige combinatie van
naald en laser.
Fosfolipidedubbellaag is ongeveer 3-4nm dik en bestaat uit twee rijen amfipatische fosfolipiden: hydrofiele
hoofdgroep (polaire groep, fosfaat, glycerol) naar buiten, hydrofobe vetzuurstaart naar binnen. Amfipatische
moleculen komen in drie vormen voor: micelle (gesloten bol, één rij), liposoom (open bol, twee rijen) of
fosfolipidendubbellaag.
Exoplasmatische (wijst naar de buitenkant) en cytosolische (wijst naar cytosol) zijden blijven behouden, ook als
er een ventrikel gevormd wordt. De zijden zijn niet omwisselbaar.
DRIE SOORTEN LIPIDEN (ZIE SLIDES VOOR STRUCTUUR)
Fosfoglyceriden en plasmalogenen: van de triacylglycerol verandert één staart in een fosfaat met kopgroep
(diacylglycerol + fosfaat = fosfatidyl). Plasmalogene zijn fosfoglyceriden maar dan zonder de =O op de eerste
staart.
Sfingolipiden: stoffen met sfingosine als basis.
- Glycosfingolipiden: sfingolipiden met als derde staart een suikergroep/suikergroepen.
- Gangliosiden: glycosfingolipiden met complexere suikergroepen.
o Komen enkel exoplasmatisch voor (buitenste laag plasmamembraan).
o Zijn een aanhechtingsplaats voor antilichamen, toxines, eiwitten, glycolipiden, …
o De oligosachariden bepalen ook welke bloedgroep men heeft bloedgroeptransfusieregels
Sterolen: zijn afgeleid van steroïden.
- Cholesterol: een amfipatisch sterol. Dient als precursor voor stoffen zoals cortisone, testosteron, Vit D,
estradiol,…
- Vitamine D wordt o.i.v. UV-licht uit cholesterol gemaakt, essentieel voor de Ca-opname. Bij gebrek aan
zon rachitis (o.a. verstoorde botopbouw).
1
,BEWEEGLIJKHEID VAN LIPIDEN IN EEN BIOMEMBRAAN
Axiale rotatie: rotatie rond eigen as, hoofd blijft omhoog, kan men niet besturen.
Laterale diffusie: opschuiven in rij van membraan, bewegen binnen het blad. Kan gemeten worden door FRAP:
enige manier dat er terug fluorescentie komt in gebleachte gebied is wanneer er laterale diffusie plaatsvindt.
Opmerking: diffusie gebeurt 10x sneller in een artificiële fosfolipidedubbellaag.
Flip-flop: omspringen van rij in membraan, van ene blad naar andere blad. Energetisch ongunstig proces dat
enkel kan plaatsvinden wanneer enzym flippase (gebruikt ATP) aanwezig is. Meting flip-flop: fluorescente
fosfolipiden zitten in het buitenste blad van de fosfolipidedubbellaag.
- Eén groep fluorescente fosfolipiden wordt niet blootgesteld aan ATP, men voegt een quencher toe aan
de buitenzijde en daardoor verliezen de fosfolipiden hun fluorescentie enkel fluorescente moleculen
die in de binnenkant zitten blijven fluorescent.
- De andere groep komt wel in contact met ATP, die levert energie aan flippase, waardoor fosfolipiden
van het buitenste naar het binnenste blad getransporteerd worden. Zo zijn ze beschermd tegen de
quencher en blijven ze fluorescent.
Beweging van vetzuurstaarten: plooien, strekken, … wordt bepaald door:
- Temperatuur: hoe warmer, hoe meer chaotische bewegingen. Vetzuurstaarten meer geordend bij
lagere temperatuur.
- Aard/samenstelling van vetzuurstaarten – invloed van samenstelling op de vloeibaarheid – vetzuur-
staarten worden samen gehouden door:
o Hydrofoob effect: in waterige omgeving hebben niet-wateroplosbare stoffen de neiging naar
elkaar toe te komen. Elke stof opgelost in water wordt omgeven door een watermantel. Twee
kleine vetdruppels hebben elk een mantel. Bij samenkomst zijn ze omgeven door één grote
mantel. Een aantal watermoleculen zitten niet meer in de mantel maar kunnen vrij bewegen
grotere entropie = energetisch gunstiger.
o Van der Waals-krachten: atomen stoten elkaar af zodra hun van der Waals-radius met elkaar
in contact komt stabiliteit.
Verzadigde vetzuren: zonder dubbele binding, kunnen we zelf aanmaken. Een rechte structuur, gemakkelijk
dicht naast elkaar te plaatsen. Dicht contact tussen atomen van verschillende vetzuren grotere Tsmelt. Heeft
een kortere staart minder kans op interactie van de VDW-krachten verhoogde vloeibaarheid.
Onverzadigde vetzuren: met cis-dubbele binding. Bepaalde onverzadigde vetzuren kunnen we zelf niet
aanmaken en moeten we uit voeding halen = essentiële vetzuren, vb.: omega-6-vetzuur: -C = laatste C,
gebruikt om aan te tonen wat de positie is van de dubbele binding vanaf het -C. Bij -6 zit een dubbele
binding tussen 6e en 7e C. Cis-dubbele binding kink in structuur t.h.v. dubbele binding moeilijk dicht bij
elkaar te plaatsen lagere Tsmelt. Hoe meer dubbele bindingen, hoe meer kinken. Minder VDW-krachten
verhoogde vloeibaarheid
- Cholesterol: door amfipatisch karakter kan het zich mengen tussen de staarten van fosfolipiden rekt
de vetzuurstaarten meer uit, meer ordening membraan wordt dikker vloeibaarheid membraan
neemt af met de dikte ontstaan van ‘lipid rafts’ = eilandjes te zien op AFM
Kromming van de membraan wordt bepaald door de lipidensamenstelling. Hoe kleiner de hoofdgroep, hoe
meer de membraan verkromt zal zijn. Veel processen waarbij membranen dynamisch van vorm veranderen.
Chemische samenstelling heeft belangrijke gevolgen voor de eigenschappen van het biomembraan.
2
, FUNCTIES VAN DE PLASMAMEMBRAAN
BARRIÈRE
Proteïnen in biomembranen zorgen voor geregelde permanentie; slechts een kleine fractie van de moleculen
kunnen doorheen het membraan diffunderen. Gassen (CO 2, N2, O2) en ethanol ondervinden geen hinder. Voor
H2O is het lichtjes permeabel. Voor ionen, geladen polaire moleculen (ATP, proteïnen,…) en grote ongeladen
polaire moleculen (fructose, glucose) is het impermeabel.
Osmotische druk: osmotische verschillen kunnen ontstaan door verschillen in permeabiliteit. H 2O verplaatst
zich naar de plek met hogere concentratie. Toepassing osmotische druk in planten: mechanisme waarmee
planten H2O van de grond tot boven in de blaadjes kunnen transporteren. Hoge suiker in de blaadjes door
fotosynthese osmotisch verschil tussen blaadjes en grond H2O tot in blaadjes zuigen.
- Hypotoon medium: H2O van buiten de cel naar binnen de cel cel kan ontploffen.
- Hypertoon medium: H2O van binnen de cel naar buiten de cel cel krimpt.
ELEKTRISCHE CONDENSATOR
Elk plasmamembraan = condensator in elk plasmamembraan kan landing worden opgeslagen.
RESERVOIR VOOR SIGNAALMOLECULEN
Fosfolipasen (PLA1, PLA2, PLC, PLD = verschillende aangrijpingsplaatsen) splitsen fosfoglyceriden. Vb: PLC
splitst PIP2 tussen 3e C (glycerol) en fosfaat genereert DAG en IP3. PIP2, DAG en IP3 zijn signaalmoleculen.
2D-VLOEISTOF
De membraan als 2D vloeistof: Er zitten verschillende eiwitten op membraan – drie soorten
membraanproteïnen
Integrale membraanproteïnen: peptideketen gaat één of meerdere keren doorheen membraan. Topologie:
ingebed in membraan met intramembranair, exoplasmatisch en cytosolisch deel. Hebben hydrofobe kern en
hydrofiele AZ-keten zorgt voor een probleem; Oplossing:
- α-helix (meest gebruikt): heeft hydrofobe zijketens. 6 windingen (20-25 AZ) nodig om het hydrofobe
gedeelte te overbruggen. De R-groepen wijzen naar de buitenkant.
Hydropathy Analysis: transmembranaire helices identificeren uitgaande van AZ-sequentie. Positief =
transmembranaire sequentie = hydrofoob gedeelte, rode zones = α-helix lang genoeg om door
membraan te geraken. Negatief = hydrofiel gedeelte.
Single-pass membraanproteïne vs. multi-pass membraanproteïne: resp. kalium- vs. waterkanaal
(aquaporine).
- β-barrel: ‘tonnetje’ van β-sheets. Porines: kanalen in de buitenste membraan van een bacterie.
Membraanproteïnen met vetanker (covalent gebonden aan vetanker):
- Acylanker aan cytosolische zijde, zit in lipid rafts (COO -)
- Prenylanker aan cytosolische zijde, zit niet in lipid rafts (NH3+)
- GPI-anker (glucosylfosfatidylinositol) aan exoplasmatische zijde, zit in lipid rafts (suikers)
3
