CELBIOLOGIE – BIOMEDISCHE WETENSCHAPPEN KU
LEUVEN: PROF. T. VOETS
Volledige samenvatting van de slides met nota’s. (5 hoofdstukken)
H1 Biomembranen
H2 membraantransport
H3 membraanreceptoren
H4 proteïne targetting en vesiculair transport
H5 cytoskelet en cellulaire beweging
,Celbiologie
H1 | Biomembranen
Algemeen
Structuur van biomembranen = dubbele fosfolipiden laag met verschillende eiwitten
→ in eukaryote cellen: grotere compartimentalisering ontstaan door biomembranen
→ grootte: diameter 10 µm met 700 µm² oppervlakte plasmamembraan rond de cel
Onderverdeling dierlijke cel:
→ verschillende organellen (lysosomen, endoplasmatische reticulum…)
→ Cytoplasma: alles binnen de plasmamembraan, behalve nucleus
→ Cytosol: het waterige gedeelte van het cytoplasma buiten de organellen
→ Lumen: waterige gedeelte binnen organellen
Technieken om biomembranen waar te nemen
− AFM = atomic force technology
o Principe van een platenspeler
− Elektronenmicroscoop
o Afgevuurde elektron botst met zware deeltjes wordt het afgebogen & komt niet op de detector
o Cellen worden aangekleurd met bv. osmiumoxide (zwaar zout)
Fosfolipide dubbellagen
Bestaan uit amfipatische moleculen = 2 kanten met verschillende eigenschappen
→ hydrofiele kopjes en hydrofobe staartjes
→ staartjes houden niet van water & laten dus geen zouten door (nemen bij elektronenmicroscoop geen zout
op)
→ dikte membraan = 3-4 nm
Hoe verkrijgen we een membraan?
→ micellen – enkellaag met de hoofdjes naar buiten – maar in natuur zijn de staartjes te dik
→ vorming van dubbellagen – liposomen
! kan verschillende diktes hebben & verschillende vormen aannemen
→ bij RB: glad oppervlakte // cilia: gekartelde oppervlakte // myelineschede heeft verschillende lagen
(multilaag)
2 zijdes bij biomembranen en organellen:
- exoplasmatische zijde = naar de buitenkant / naar het lumen bij organellen
- cytosolische zijde = naar het cytosol
→ ook bij het versmelten/afsplitsen van deze menbranen worden de zijdes behouden!
Chemie van de biomembranen: lipiden
I. Fosfoglyceriden & plasmalogenen
II. Sfingolipiden
III. Sterolen
Fosfoglyceriden
- belangrijkste in de meeste eukaryote cellen
- opbouw rond glycerol (= 3-voudig alcohol)
- OH groepen reageren met een zuur → ester
➔ Triacylglycerol (vetzuur ; heel hydrofoob, geen polaire groepen)
,! bij fosfoglyceriden is 1 OH een reactie aangegaan met een fosfaat → fosfatidyl = amfipatisch
Plasmalogenen
- opgebouwd rond glycerol
- ester verbinding is een etherbinding geworden
→ 1 ester, 1 ether & 1 andere gekoppelde stof aan de fosfaatfgroep
Sfingolipiden
- opgebouwd rond sfingosine
- reactie van amine met een organisch zuur tot een amide → ceramide
- aan OH groep kan fosfaat binden of iets anders = variabel hydrofiel gedeelte
- typisch: suikers kunnen binden → Glycosphingolipide (kunnen variëren – spelen rol bij bloedgroepen)
Cholesterol
- bestaat uit hydrofoob deel met ringen en een hydrofiele OH groep
- in verschillende biomembranen & een belangrijke bouwsteen
- precursormolecule = basis van andere moleculen zoals steroïden (cortisone, estradiol…) en galzuur
→ precursor van vitamine D: onder invloed van UV omzetting – essentieel voor calciumopname; botopbouw
Bewegelijkheid van lipiden in een biomembraan
− Axiale rotatie = draaiing om de as
− Laterale diffusie = beweging binnen het vlak
o Aangetoond met FRAP = deeltjes gaan diffunderen naar andere gebiedjes
− Flip-flop = een fosfolipide gaat met het hoofd door het membraan (energetisch moeilijk; kost E)
o Nood aan enzymen flippase – gebruikt ATP
o Metingen van flip-flop met quencher… (dia 33)
o Komt niet veel voor – hierdoor zijn biomembranen asymmetrisch
− Beweging van vetzuurstaarten = de staartjes kunnen bewegen en flapperen
o Temperatuur
▪ Bij verwarmen gaat de geordende structuur → vloeibaar – ordening vetzuren wordt verstoord
▪ Vloeibaar en dunner membraan
▪ Waarde T is afhankelijk van de onderlinge kracht van de staartjes (hoe groter, hoe hoger T)
• Hydrofoob effect = bij samenkomen is er een hogere entropie – meer vrijheid
deeltjes
• Van der Waalskrachten = groot indien dicht bij elkaar
o Aard en lengte van devetzuurketens
o Cholesteol
Veel voorkomende vetzuren
→ Verzadigde vetzuren = zonder dubbele bindingen – rechte moleculen
→ Onverzadigde vetzuren = met dubbele bindingen – knikje
In biomembranen: meestal cis vetzuren (grote groepen zitten aan dezelfde kant)
- Linolzuur = onverzadigd cis = essentieel; inname via voeding = omega 6 vetzuur
→ omega staat voor waar de onverzadigdheden zitten in het molecule
- Palmzuur = verzadigd → makkelijk vormen van biomembranen
- Oleaatzuur = onverzadigd → moeilijker vormen van membraan door knikje
→ slechte stapeling en dus minder VDW-krachten → meer beweging; vloeibaar
+ korte vetzuren ondergaan minder VDW-kracht: over algemeen vloeibaar
, Effecten van de lipidensamenstelling
Cholesterol kan de gaatjes opvullen tussen staartjes → meer VDW-krachten → steviger membraan
→ minder vloeibaar; dikker membraan
→ sfingolipiden zijn de dikste = lipid rafts = belangrijke functie in signaaltransductie
→ elk membraan heeft zones met verschillende vloeibaarheid en diktes
Kromming van de membraan
→ aan de binnenkant moet er een sterkere kromming zijn
→ PE: hoofdjes zij smaller dan de vetzuurstaarten = kegelvormig = sterke kromming
→ aan de buitenkant is de kromming minder
→ PC: hoofdjes en vetzuurstaarten zijn ongeveer even breed = recht
Functies van de plasmamembraan
→ Barrière
o Doorlaatbaar voor bepaalde stoffen
▪ Gassen, ethanol en water diffunderen in bepaalde mate door het membraan
▪ Suikers, geladen ionen en grote polaire moleculen kunnen er niet door
▪ Doorlaatbaarheid kan geregeld worden met bepaalde proteïnen (= transport door biomembranen)
o Osmotische druk
▪ Oorzaak verplaatsing van water in en uit de cel
▪ Hierdoor zijn sommige membranen meer doorlaatbaar voor water & niet voor zouten
▪ Bij menselijke cellen is er geen celwand waardoor de cel kan krimpen/zwellen
→ Elektrische condensator
o Opslagplaat voor ladingen
o Polaire hoofdjes in een zoutoplossing → geleidend
o Capaciteit van biomembranen berekenen met gekende oppervlakte DIA 66
→ Reservoir voor signaalmoleculen
o Splitsing van fosfoglyceriden door verschillende fosfolipasen
o Specifieke enzymen (PLA1, PLA2, PLC & PLD) knippen op specifieke plaatsen
o PLC = zeer belangrijk
▪ Splitsing signaalmoleculen ter vorming van 2 nieuwe signaalmoleculen
▪ PIP2 wordt gesplitst in IP3 en DAG (zie dia 69)
→ 2D-vloeistof
o Membranen zitten vol met eiwitten (20-80%)
o Integrale membraaneiwitten: helemaal door het membraan
▪ Peptideketen 1/+ doorheen membraan
▪ Intramembranair, cytosolisch en exoplasmatisch deel
▪ Probleem! Hydrofobe kern en een hydrofiele AZ-keten; zijketens zijn niet compatibel met
membraan
• Alfa-helix = minstens 6 windingen waarbij hydrofobe zijketens naar buiten staan (20-25 AZ)
→ identificatie van transmembranaire helices door analyse AZ sequentie
→ single pass – multi-pass
• Bèta-barrel = vorming tonnentje door beta-sheets; AZ liggen steeds een tegenovergestelde
kant
→ buitenste AZ zijn hydrofoob
→ vorming porines = kanalen in buitenste membraan van bacteriën
o Perifere membraaneiwitten: hangen aan het membraan via ander eiwit
▪ Niet-covalente binding aan fosfolipiden of membraanproteïnen
• H-bruggen, hydrofobe interacties, vdW, elektrostatische krachten
▪ Exoplasmatisch of cytosolisch
▪ Geen eeuwige vasthechting – kunnen breken/vormen
▪ Bepaalde motieven in eiwitten willen reageren met motieven in membraanlipiden
LEUVEN: PROF. T. VOETS
Volledige samenvatting van de slides met nota’s. (5 hoofdstukken)
H1 Biomembranen
H2 membraantransport
H3 membraanreceptoren
H4 proteïne targetting en vesiculair transport
H5 cytoskelet en cellulaire beweging
,Celbiologie
H1 | Biomembranen
Algemeen
Structuur van biomembranen = dubbele fosfolipiden laag met verschillende eiwitten
→ in eukaryote cellen: grotere compartimentalisering ontstaan door biomembranen
→ grootte: diameter 10 µm met 700 µm² oppervlakte plasmamembraan rond de cel
Onderverdeling dierlijke cel:
→ verschillende organellen (lysosomen, endoplasmatische reticulum…)
→ Cytoplasma: alles binnen de plasmamembraan, behalve nucleus
→ Cytosol: het waterige gedeelte van het cytoplasma buiten de organellen
→ Lumen: waterige gedeelte binnen organellen
Technieken om biomembranen waar te nemen
− AFM = atomic force technology
o Principe van een platenspeler
− Elektronenmicroscoop
o Afgevuurde elektron botst met zware deeltjes wordt het afgebogen & komt niet op de detector
o Cellen worden aangekleurd met bv. osmiumoxide (zwaar zout)
Fosfolipide dubbellagen
Bestaan uit amfipatische moleculen = 2 kanten met verschillende eigenschappen
→ hydrofiele kopjes en hydrofobe staartjes
→ staartjes houden niet van water & laten dus geen zouten door (nemen bij elektronenmicroscoop geen zout
op)
→ dikte membraan = 3-4 nm
Hoe verkrijgen we een membraan?
→ micellen – enkellaag met de hoofdjes naar buiten – maar in natuur zijn de staartjes te dik
→ vorming van dubbellagen – liposomen
! kan verschillende diktes hebben & verschillende vormen aannemen
→ bij RB: glad oppervlakte // cilia: gekartelde oppervlakte // myelineschede heeft verschillende lagen
(multilaag)
2 zijdes bij biomembranen en organellen:
- exoplasmatische zijde = naar de buitenkant / naar het lumen bij organellen
- cytosolische zijde = naar het cytosol
→ ook bij het versmelten/afsplitsen van deze menbranen worden de zijdes behouden!
Chemie van de biomembranen: lipiden
I. Fosfoglyceriden & plasmalogenen
II. Sfingolipiden
III. Sterolen
Fosfoglyceriden
- belangrijkste in de meeste eukaryote cellen
- opbouw rond glycerol (= 3-voudig alcohol)
- OH groepen reageren met een zuur → ester
➔ Triacylglycerol (vetzuur ; heel hydrofoob, geen polaire groepen)
,! bij fosfoglyceriden is 1 OH een reactie aangegaan met een fosfaat → fosfatidyl = amfipatisch
Plasmalogenen
- opgebouwd rond glycerol
- ester verbinding is een etherbinding geworden
→ 1 ester, 1 ether & 1 andere gekoppelde stof aan de fosfaatfgroep
Sfingolipiden
- opgebouwd rond sfingosine
- reactie van amine met een organisch zuur tot een amide → ceramide
- aan OH groep kan fosfaat binden of iets anders = variabel hydrofiel gedeelte
- typisch: suikers kunnen binden → Glycosphingolipide (kunnen variëren – spelen rol bij bloedgroepen)
Cholesterol
- bestaat uit hydrofoob deel met ringen en een hydrofiele OH groep
- in verschillende biomembranen & een belangrijke bouwsteen
- precursormolecule = basis van andere moleculen zoals steroïden (cortisone, estradiol…) en galzuur
→ precursor van vitamine D: onder invloed van UV omzetting – essentieel voor calciumopname; botopbouw
Bewegelijkheid van lipiden in een biomembraan
− Axiale rotatie = draaiing om de as
− Laterale diffusie = beweging binnen het vlak
o Aangetoond met FRAP = deeltjes gaan diffunderen naar andere gebiedjes
− Flip-flop = een fosfolipide gaat met het hoofd door het membraan (energetisch moeilijk; kost E)
o Nood aan enzymen flippase – gebruikt ATP
o Metingen van flip-flop met quencher… (dia 33)
o Komt niet veel voor – hierdoor zijn biomembranen asymmetrisch
− Beweging van vetzuurstaarten = de staartjes kunnen bewegen en flapperen
o Temperatuur
▪ Bij verwarmen gaat de geordende structuur → vloeibaar – ordening vetzuren wordt verstoord
▪ Vloeibaar en dunner membraan
▪ Waarde T is afhankelijk van de onderlinge kracht van de staartjes (hoe groter, hoe hoger T)
• Hydrofoob effect = bij samenkomen is er een hogere entropie – meer vrijheid
deeltjes
• Van der Waalskrachten = groot indien dicht bij elkaar
o Aard en lengte van devetzuurketens
o Cholesteol
Veel voorkomende vetzuren
→ Verzadigde vetzuren = zonder dubbele bindingen – rechte moleculen
→ Onverzadigde vetzuren = met dubbele bindingen – knikje
In biomembranen: meestal cis vetzuren (grote groepen zitten aan dezelfde kant)
- Linolzuur = onverzadigd cis = essentieel; inname via voeding = omega 6 vetzuur
→ omega staat voor waar de onverzadigdheden zitten in het molecule
- Palmzuur = verzadigd → makkelijk vormen van biomembranen
- Oleaatzuur = onverzadigd → moeilijker vormen van membraan door knikje
→ slechte stapeling en dus minder VDW-krachten → meer beweging; vloeibaar
+ korte vetzuren ondergaan minder VDW-kracht: over algemeen vloeibaar
, Effecten van de lipidensamenstelling
Cholesterol kan de gaatjes opvullen tussen staartjes → meer VDW-krachten → steviger membraan
→ minder vloeibaar; dikker membraan
→ sfingolipiden zijn de dikste = lipid rafts = belangrijke functie in signaaltransductie
→ elk membraan heeft zones met verschillende vloeibaarheid en diktes
Kromming van de membraan
→ aan de binnenkant moet er een sterkere kromming zijn
→ PE: hoofdjes zij smaller dan de vetzuurstaarten = kegelvormig = sterke kromming
→ aan de buitenkant is de kromming minder
→ PC: hoofdjes en vetzuurstaarten zijn ongeveer even breed = recht
Functies van de plasmamembraan
→ Barrière
o Doorlaatbaar voor bepaalde stoffen
▪ Gassen, ethanol en water diffunderen in bepaalde mate door het membraan
▪ Suikers, geladen ionen en grote polaire moleculen kunnen er niet door
▪ Doorlaatbaarheid kan geregeld worden met bepaalde proteïnen (= transport door biomembranen)
o Osmotische druk
▪ Oorzaak verplaatsing van water in en uit de cel
▪ Hierdoor zijn sommige membranen meer doorlaatbaar voor water & niet voor zouten
▪ Bij menselijke cellen is er geen celwand waardoor de cel kan krimpen/zwellen
→ Elektrische condensator
o Opslagplaat voor ladingen
o Polaire hoofdjes in een zoutoplossing → geleidend
o Capaciteit van biomembranen berekenen met gekende oppervlakte DIA 66
→ Reservoir voor signaalmoleculen
o Splitsing van fosfoglyceriden door verschillende fosfolipasen
o Specifieke enzymen (PLA1, PLA2, PLC & PLD) knippen op specifieke plaatsen
o PLC = zeer belangrijk
▪ Splitsing signaalmoleculen ter vorming van 2 nieuwe signaalmoleculen
▪ PIP2 wordt gesplitst in IP3 en DAG (zie dia 69)
→ 2D-vloeistof
o Membranen zitten vol met eiwitten (20-80%)
o Integrale membraaneiwitten: helemaal door het membraan
▪ Peptideketen 1/+ doorheen membraan
▪ Intramembranair, cytosolisch en exoplasmatisch deel
▪ Probleem! Hydrofobe kern en een hydrofiele AZ-keten; zijketens zijn niet compatibel met
membraan
• Alfa-helix = minstens 6 windingen waarbij hydrofobe zijketens naar buiten staan (20-25 AZ)
→ identificatie van transmembranaire helices door analyse AZ sequentie
→ single pass – multi-pass
• Bèta-barrel = vorming tonnentje door beta-sheets; AZ liggen steeds een tegenovergestelde
kant
→ buitenste AZ zijn hydrofoob
→ vorming porines = kanalen in buitenste membraan van bacteriën
o Perifere membraaneiwitten: hangen aan het membraan via ander eiwit
▪ Niet-covalente binding aan fosfolipiden of membraanproteïnen
• H-bruggen, hydrofobe interacties, vdW, elektrostatische krachten
▪ Exoplasmatisch of cytosolisch
▪ Geen eeuwige vasthechting – kunnen breken/vormen
▪ Bepaalde motieven in eiwitten willen reageren met motieven in membraanlipiden
