Celfysiologie (3SP)
H1: INTRODUCTIE - HOMEOSTASE
celfysiologie => membraan-gemedieerde processen
1.1 Homeostase = proces van constant houden van intern systeem
benodigdheden: - muscoskeletaal systeem: beweging regeling: - biochemische signalen (endo. klieren)
- gastroïntestinaal systeem: vertering voedsel - elektrische signalen (zenuwstelsel)
- ademhalingssysteem: zuurstof absorberen -> energie
- circulatorisch systeem: transport zuurstof en nutriënten
- nieren en respiratoir systeem: eliminatie afvalstoffen
1.2 Compartimentalisatie in het lichaam
1.2.1 Opbouw
biomembraan = lipidendubbellaag + membraanproteïnen
< fosfolipiden + cholesterol + sfingolipiden -> transport: bv. ionenkanalen, ionenpompen, carriers…
-> vetzuurketen (hydrofobe staart) (bv. sfingomyeline, -> signaal: bv. GPCRs, groeifactoren…
+ glycerol glucosylcerebroside)
+ fosfaat
+ polaire groep (hydrofiele kop)
(bv. fosfatidyl-choline/serine/inositol)
(2D fluid, één laag = leaflet)
(AFM: atomic force microscopie -> membraanoppervlak onderzoek (p. 5))
1.2.2 Biomembranen zijn geen uniforme structuren
cholesterol cardiolipine PC (fosfatidylcholine) PS (fosfatidylcholine)
plasmamembraan hoog zeer laag buitenste laag hoog zeer laag
mito. membraan zeer laag hoog binnenste laag laag hoog
--> uitwisseling lipiden = flip-flop
bv. apoptotische cel: casp. 3/7 (protease) -> scramblase actief -> PS aan buitenzijde -> signaal voor macrofagen!
-> microdomeinen met verschillende functies onderzoeken m.b.v GFP: 1. exciteren GFP (met UV-licht)
2. valt terug
#Nobelprijs: Roger Tsien 3. emissie licht (langere golflengte)
-> koppelen aan eiwit om localisatie te bepalen
-> verschillende varianten GFP met verschillende kleuren
1.3 Transportprocessen
- intracellulaire communicatie: biochemische signalen (second messengers: bv. IP3, cAMP, Ca2+…)
- extracellulaire - : biochemische- (hormonen en groeifactoren) of elektrische signalen (transport ionen of exciteerbare cellen)
H2: DIFFUSIE EN PERMEABILITEIT
2.1 Diffusie = transport van moleculen volgens concentratiegradiënt a.d.h.v. random bewegingen
2.1.1 Wet van Fick (1ste wet diffusie)
∆C
J ≈
∆x
-> lineaire gradiënt: J = −D ∆C
∆x
-> D = diffusiecoëfficiënt (in cm²/s)
kT 1
-> niet-lineaire gradiënt: J = −D dC
dx
Stokes-Einstein vgl.: D = 6πrη --> D ≈ µ
𝑟
2.2.2 Diffusie volgens meandering
één molecule heeft geen echte richting, groot aantal moleculen -> spreiding: Gauss-curve: x̅ = 0 -> geen goede maat voor diffusie
(toepassende vbn zie dia 26-28) RMS: 1D -> 𝑑 = √2𝐷𝑡
2D -> 𝑑 = √4𝐷𝑡
3D -> 𝑑 = √6𝐷𝑡
-> kwadratisch gemiddelde afstand
2.2 Diffusie over membranen (grafieken dia 32-34) (toepassend vb dia 36)
- partitiecoëfficiënt: β = Cmem./Caq. Cinmem. = β.Cin en Coutmem. = β.Cout -> β > 1: lipofiele stof -> meer perm., flux hoger
-> β < 1: hydrofiele stof -> minder perm., flux lager
𝐶𝑖 −𝐶𝑜 𝛃𝐃
- nieuwe diffusievergelijking: J = −Dβ
∆x
-> permeabiliteit: 𝐏 =
∆𝐱
∆C(t) = ∆C°. 𝑒 −𝑘𝑡 = ∆𝐶°. 𝑒 −𝑡/𝜏 -> tijdsconstante τ = 1/k: aflezen bij C = 1/3 C° (zie dia 40-41)
-> snelheidsconstante k = P.2000cm-1: groot voor lipofiele stoffen
- netto flux = influx (Jo->i = P.Co) + efflux (Ji->o = P.Ci)
2.3 Biomoleculen die getransporteerd worden via diffusie
gassen > steroïden > zwakke zuren en basen > vetzuren > water, ethanol en urea (> farmaceutische componenten)
*opname GM in maagdarmstelsel (dia 45-47!!)
1
, H3: OSMOTISCHE DRUK EN WATERBEWEGING
3.1 Osmose = beweging/flux van water door semipermeabel membraan t.g.v. verschil in opgeloste stof in twee compartimenten
(osmolariteit in mol/l en osmolaliteit in mol/kg) (1 mol glucose = 1 osmole, maar 1 mol NaCl = 2 osmole)
- Wet van Van’t Hoffs: π = RT∆Csolute
P
- Effectieve osmotische druk: π = σRT∆Csolute -> reflectiecoëfficiënt σ = 1 − P solute -> als σ =0 vrije diffusie en σ=1 max. Posmo.
water
- OSMOLARITEIT ≠ TONICITEIT: hypotoon -> cel zwelt
(dia 56-57) hypertoon -> cel krimpt
isotoon -> celvolume onveranderd
3.2 Osmotische- en hydrostatische druk
Jv = Lp (∆π -∆P) = Lp (σRT∆Csolute - ∆P) (hydrolische conductiviteit Lp: maat voor makkelijkheid waarmee water door membraan gaat)
3.2.1 Ter hoogte van capillairen
Pc = hydrostatische druk in capillairen (= BLOEDDRUK) -> variabel: 32 (arteole zijde) – 15 mm Hg (veneuze zijde)
Pi = hydrostatische druk in interstitium (verwaarloosbaar klein)
πc (cte) = osmotische druk in capillairen (= σRT∆Csolute) -> gemeten hoger dan berekend o.w.v. dissociatie eiwit en tegenionen
πi (cte) = osmotische druk in interstitium
**Positief als vloeistof capillair verlaat**
Jv = Kf [(Pc + πi) – (Pi + πc)]
(dia 61) absorptie > filtratie -> netto verlies van water (bloed) -> LYMFATISCH SYSTEEM: heropname overtollig interstitium vloeistof
(pathologie: Elephantiasis)
(relatieve druk: bloedvaten > intestinale vloeistof > lymfe capillairen > lymfe vaten > grote circulatie vaten)
3.2.2 Pathologie:
oedeem = opstapeling overmaat vloeistof
--> oorzaken: - Pc ↗ (bloedklonters)
- πc ↘ (lage albumine productie door bv. uithongering)
- πc ↘ en πi ↗ (verhoogde permeabiliteit van capillairen door bv. gif of allergische reactie)
cerebrale oedeem: overmatige intracraniale druk en abnormale neurologische symptomen
--> behandeling: mannitol toedienen -> kan HBB niet passeren, water uit CSF (?) naar bloed -> hersenvolume neemt af
3.3 Effect opgeloste stof op celvorming (grafieken dia 66-67)
permeabele -: transiënte verandering van celvolume <-> impermeabele stof: permanente verandering van celvolume
‘’De hoeveelheid impermeabele opgeloste stof bepaalt het cel volume.’’
H4: ELEKTRISCHE GEVOLGEN VAN IONISCHE CONCENTRATIEGRADIËNTEN
4.1 Ionen in biomembranen
intracellulair (mM) extracellulair (mM)
K+ 140 5
Na+ 10 145
Cl- 6 106
-> kalium en anionen -> natrium en chloride
4.2 Selectieve ionische permeabiliteit door membranen
!! Cel in rust is hoofdzakelijk doorlaatbaar voor kalium!!
Stel cel enkel doorlaatbaar voor kalium: bij elk K+ naar buiten wordt buitenzijde meer pos. en binnenzijde meer neg.
--> elektrochemisch potentiaalverschil: werkt verdere verplaatsing K + tegen
--> evenwicht: - netto flux = 0
𝟔𝟏,𝟓 𝐜𝐨𝐮𝐭
- Nernst vergelijking: 𝐄𝐞𝐪 = 𝐥𝐨𝐠 ( ) [= 𝐕𝐦 indien membraan enkel doorlaatbaar voor K+]
𝐳 𝐜𝐢𝐧
#Nobelprijs: Walther Hermann Nernst
(vragen en oefeningen dia 76-79!!)
4.3 Membraanpotentiaal Vm
Bepaalt door ion waarvoor membraan meest permeabel is: K+-efflux en Cl—influx -> Vm meer neg. // Na+-influx -> Vm meer pos.
RT PK [K+ ]out + PNa [Na+ ]out + PCl [Cl− ]in
Goldman-Hodgkin-Katz vergelijking (GHK): Vm = ln ( ) -> geeft stabiel rustpotentiaal weer (I = 0)
F PK [K+ ]in + PNa [Na+ ]in + PCl [Cl−]out
I = zFJAmem. F = 96480 C/mol
*pos. flux = beweging partikel (pos./neg.) in de cel* *pos. stroom = beweging pos. ion uit de cel* (zie dia 83)
*ENa = 70mV, ECl = -70mV en EK = -90mV
2
H1: INTRODUCTIE - HOMEOSTASE
celfysiologie => membraan-gemedieerde processen
1.1 Homeostase = proces van constant houden van intern systeem
benodigdheden: - muscoskeletaal systeem: beweging regeling: - biochemische signalen (endo. klieren)
- gastroïntestinaal systeem: vertering voedsel - elektrische signalen (zenuwstelsel)
- ademhalingssysteem: zuurstof absorberen -> energie
- circulatorisch systeem: transport zuurstof en nutriënten
- nieren en respiratoir systeem: eliminatie afvalstoffen
1.2 Compartimentalisatie in het lichaam
1.2.1 Opbouw
biomembraan = lipidendubbellaag + membraanproteïnen
< fosfolipiden + cholesterol + sfingolipiden -> transport: bv. ionenkanalen, ionenpompen, carriers…
-> vetzuurketen (hydrofobe staart) (bv. sfingomyeline, -> signaal: bv. GPCRs, groeifactoren…
+ glycerol glucosylcerebroside)
+ fosfaat
+ polaire groep (hydrofiele kop)
(bv. fosfatidyl-choline/serine/inositol)
(2D fluid, één laag = leaflet)
(AFM: atomic force microscopie -> membraanoppervlak onderzoek (p. 5))
1.2.2 Biomembranen zijn geen uniforme structuren
cholesterol cardiolipine PC (fosfatidylcholine) PS (fosfatidylcholine)
plasmamembraan hoog zeer laag buitenste laag hoog zeer laag
mito. membraan zeer laag hoog binnenste laag laag hoog
--> uitwisseling lipiden = flip-flop
bv. apoptotische cel: casp. 3/7 (protease) -> scramblase actief -> PS aan buitenzijde -> signaal voor macrofagen!
-> microdomeinen met verschillende functies onderzoeken m.b.v GFP: 1. exciteren GFP (met UV-licht)
2. valt terug
#Nobelprijs: Roger Tsien 3. emissie licht (langere golflengte)
-> koppelen aan eiwit om localisatie te bepalen
-> verschillende varianten GFP met verschillende kleuren
1.3 Transportprocessen
- intracellulaire communicatie: biochemische signalen (second messengers: bv. IP3, cAMP, Ca2+…)
- extracellulaire - : biochemische- (hormonen en groeifactoren) of elektrische signalen (transport ionen of exciteerbare cellen)
H2: DIFFUSIE EN PERMEABILITEIT
2.1 Diffusie = transport van moleculen volgens concentratiegradiënt a.d.h.v. random bewegingen
2.1.1 Wet van Fick (1ste wet diffusie)
∆C
J ≈
∆x
-> lineaire gradiënt: J = −D ∆C
∆x
-> D = diffusiecoëfficiënt (in cm²/s)
kT 1
-> niet-lineaire gradiënt: J = −D dC
dx
Stokes-Einstein vgl.: D = 6πrη --> D ≈ µ
𝑟
2.2.2 Diffusie volgens meandering
één molecule heeft geen echte richting, groot aantal moleculen -> spreiding: Gauss-curve: x̅ = 0 -> geen goede maat voor diffusie
(toepassende vbn zie dia 26-28) RMS: 1D -> 𝑑 = √2𝐷𝑡
2D -> 𝑑 = √4𝐷𝑡
3D -> 𝑑 = √6𝐷𝑡
-> kwadratisch gemiddelde afstand
2.2 Diffusie over membranen (grafieken dia 32-34) (toepassend vb dia 36)
- partitiecoëfficiënt: β = Cmem./Caq. Cinmem. = β.Cin en Coutmem. = β.Cout -> β > 1: lipofiele stof -> meer perm., flux hoger
-> β < 1: hydrofiele stof -> minder perm., flux lager
𝐶𝑖 −𝐶𝑜 𝛃𝐃
- nieuwe diffusievergelijking: J = −Dβ
∆x
-> permeabiliteit: 𝐏 =
∆𝐱
∆C(t) = ∆C°. 𝑒 −𝑘𝑡 = ∆𝐶°. 𝑒 −𝑡/𝜏 -> tijdsconstante τ = 1/k: aflezen bij C = 1/3 C° (zie dia 40-41)
-> snelheidsconstante k = P.2000cm-1: groot voor lipofiele stoffen
- netto flux = influx (Jo->i = P.Co) + efflux (Ji->o = P.Ci)
2.3 Biomoleculen die getransporteerd worden via diffusie
gassen > steroïden > zwakke zuren en basen > vetzuren > water, ethanol en urea (> farmaceutische componenten)
*opname GM in maagdarmstelsel (dia 45-47!!)
1
, H3: OSMOTISCHE DRUK EN WATERBEWEGING
3.1 Osmose = beweging/flux van water door semipermeabel membraan t.g.v. verschil in opgeloste stof in twee compartimenten
(osmolariteit in mol/l en osmolaliteit in mol/kg) (1 mol glucose = 1 osmole, maar 1 mol NaCl = 2 osmole)
- Wet van Van’t Hoffs: π = RT∆Csolute
P
- Effectieve osmotische druk: π = σRT∆Csolute -> reflectiecoëfficiënt σ = 1 − P solute -> als σ =0 vrije diffusie en σ=1 max. Posmo.
water
- OSMOLARITEIT ≠ TONICITEIT: hypotoon -> cel zwelt
(dia 56-57) hypertoon -> cel krimpt
isotoon -> celvolume onveranderd
3.2 Osmotische- en hydrostatische druk
Jv = Lp (∆π -∆P) = Lp (σRT∆Csolute - ∆P) (hydrolische conductiviteit Lp: maat voor makkelijkheid waarmee water door membraan gaat)
3.2.1 Ter hoogte van capillairen
Pc = hydrostatische druk in capillairen (= BLOEDDRUK) -> variabel: 32 (arteole zijde) – 15 mm Hg (veneuze zijde)
Pi = hydrostatische druk in interstitium (verwaarloosbaar klein)
πc (cte) = osmotische druk in capillairen (= σRT∆Csolute) -> gemeten hoger dan berekend o.w.v. dissociatie eiwit en tegenionen
πi (cte) = osmotische druk in interstitium
**Positief als vloeistof capillair verlaat**
Jv = Kf [(Pc + πi) – (Pi + πc)]
(dia 61) absorptie > filtratie -> netto verlies van water (bloed) -> LYMFATISCH SYSTEEM: heropname overtollig interstitium vloeistof
(pathologie: Elephantiasis)
(relatieve druk: bloedvaten > intestinale vloeistof > lymfe capillairen > lymfe vaten > grote circulatie vaten)
3.2.2 Pathologie:
oedeem = opstapeling overmaat vloeistof
--> oorzaken: - Pc ↗ (bloedklonters)
- πc ↘ (lage albumine productie door bv. uithongering)
- πc ↘ en πi ↗ (verhoogde permeabiliteit van capillairen door bv. gif of allergische reactie)
cerebrale oedeem: overmatige intracraniale druk en abnormale neurologische symptomen
--> behandeling: mannitol toedienen -> kan HBB niet passeren, water uit CSF (?) naar bloed -> hersenvolume neemt af
3.3 Effect opgeloste stof op celvorming (grafieken dia 66-67)
permeabele -: transiënte verandering van celvolume <-> impermeabele stof: permanente verandering van celvolume
‘’De hoeveelheid impermeabele opgeloste stof bepaalt het cel volume.’’
H4: ELEKTRISCHE GEVOLGEN VAN IONISCHE CONCENTRATIEGRADIËNTEN
4.1 Ionen in biomembranen
intracellulair (mM) extracellulair (mM)
K+ 140 5
Na+ 10 145
Cl- 6 106
-> kalium en anionen -> natrium en chloride
4.2 Selectieve ionische permeabiliteit door membranen
!! Cel in rust is hoofdzakelijk doorlaatbaar voor kalium!!
Stel cel enkel doorlaatbaar voor kalium: bij elk K+ naar buiten wordt buitenzijde meer pos. en binnenzijde meer neg.
--> elektrochemisch potentiaalverschil: werkt verdere verplaatsing K + tegen
--> evenwicht: - netto flux = 0
𝟔𝟏,𝟓 𝐜𝐨𝐮𝐭
- Nernst vergelijking: 𝐄𝐞𝐪 = 𝐥𝐨𝐠 ( ) [= 𝐕𝐦 indien membraan enkel doorlaatbaar voor K+]
𝐳 𝐜𝐢𝐧
#Nobelprijs: Walther Hermann Nernst
(vragen en oefeningen dia 76-79!!)
4.3 Membraanpotentiaal Vm
Bepaalt door ion waarvoor membraan meest permeabel is: K+-efflux en Cl—influx -> Vm meer neg. // Na+-influx -> Vm meer pos.
RT PK [K+ ]out + PNa [Na+ ]out + PCl [Cl− ]in
Goldman-Hodgkin-Katz vergelijking (GHK): Vm = ln ( ) -> geeft stabiel rustpotentiaal weer (I = 0)
F PK [K+ ]in + PNa [Na+ ]in + PCl [Cl−]out
I = zFJAmem. F = 96480 C/mol
*pos. flux = beweging partikel (pos./neg.) in de cel* *pos. stroom = beweging pos. ion uit de cel* (zie dia 83)
*ENa = 70mV, ECl = -70mV en EK = -90mV
2
