Moleculaire biologie van de cel samenvatting
Inhoudsopgave
Hoorcollege 1 Membraanarchitectuur 1..............................................................................................................2
Hoorcollege 2 Membraanarchitectuur 2..............................................................................................................6
Hoorcollege 3 Biogenese van membranen 1......................................................................................................10
Hoorcollege 4 Biogenese van membranen 2......................................................................................................15
Hoorcollege 5 signaaltransductie 1....................................................................................................................21
Hoorcollege 6 Signaaltransductie 2...................................................................................................................27
Hoorcollege 7 Onderzoekstechnieken................................................................................................................35
1
,Hoorcollege 1 Membraanarchitectuur 1
We gaan het hebben over membraanarchitectuur. Hierbij gaan we het over biologische
membranen en modelmembranen hebben. Modelmembranen zijn minicelletjes die in een
reageerbuisjes kan maken. Dit is een goede manier om membranen te kunnen onderzoeken.
Membranen
Een goedwerkend membraan is essentieel voor een gezonde cel. Een membraan moet: niet
lekken, stoffen selectief kunnen doorlaten, signalen door kunnen geven, zorgen voor
energielevering en opslag, kunnen afsplitsen en fuseren zonder lekken. Het is een
belangrijke barriere voor medicijnen, toxische stoffen, virussen, enz.
Het schijnt dat vroeger alleen RNA was. Deze was katalysator en genetische informatie in 1.
Deze taken zijn overgenomen door eiwitten en DNA. Beiden zijn namelijk veel nauwkeuriger.
Membranen in evolutie
Zeepbel bestaat uit amfipatische moleculen. Deze moleculen hebben een hydrofoob en
hydrofiel gedeelte. Deze hydrofobe delen gaan naar buiten staan en in aanraking met de
lucht. De hydrofiele gedeeltes keren naar elkaar toe en hiertussen komt een klein laagje
water. Zo ontstaat dus een zeepbel. Maar als je heel veel water hebt, gebeurt precies het
omgekeerde. Dan ontstaat er dus eigenlijk een primitief membraan.
Sommige lipiden zullen een micel vormen. Dit komt doordat de hydrofiele kopgroep veel
breder is dan de lipide staart. Het molecuul is dus een soort kegel vorm hierbij. Als het
molecuul cylindrisch is zal het eerder is een bilaag vormen.
Het doel is eigenlijk de hydrofobe staarten afschermen. Dit gebeurt door het hydrofobe
effect. Dit zegt eigenlijk dat hydrofobe delen in een waterige omgeving naar elkaar gedreven
worden. Watermoleculen kunnen namelijk geen gunstige interactie aangaan met hydrofobe
moleculen. Dit leidt ertoe dat hydrofobe moleculen naar elkaar toe worden gedreven.
Membranen kunnen al gevormd worden van hele simpele vetzuren. Dit zijn mogelijke
oermembranen. Dit is namelijk een barriere maar niet heel sterk. Daarnaast was er ook fusie
en splitsing mogelijk (het is dynamisch). Uiteindelijk kennen we nu een fosfolipiden bilaag
met nog eiwitten erin voor het transport.
Nu kennen we biologische membranen met veel functies, complexe samenstellingen.
Kenmerken van membraan: permeabiliteitsbarriere, selectief transport, communicatie
tussen binnen en buiten, energielevering/opslag, grote dynamiek.
Het plasmamembraan heeft een asymmetrische verdeling van fosfolipiden over de
binnenste en buitenste leaflet. Phosphatidylserine aan de buitenkant signaal voor
apoptose, dan is er namelijk compleet iets fout.
Cholesterol ordent en strekt de ketens van lipiden en kan cholesterol rijke domeinen vormen
(rafts). Bij zo’n domein wordt de bilaag iets dikker. Hier zijn de lipiden sterker geordend.
Bepaalde eiwitten willen hierdoor liever in een domein. Domeinen hebben daardoor
bepaalde eigenschappen en functies.
2
,Fosfolipiden.
Glycerol met op plek 1 en 2 een vetzuurstaart. Op plek 3 een fosfaat groep met een alcohol
groep. De nettolading van een lipide is altijd negatief of neutraal. Je zal nooit een positieve
lipide vinden! Kopgroep is dus fosfaatgroep en alcoholgroep. De structuur van fosfatidyl
choline (PC) moet je kunnen tekenen. Deze zie je hieronder. Dit is de meest voorkomende
lipide in onze cellen.
Er is grote variatie in kopgroepen en vetzuurstaarten.
Vetzuurstaarten
Altijd een even aantal koolstofatomen. Ze kunnen dubbele bindingen hebben. Deze zijn altijd
cis. Hierbij zitten de resten van de ketens aan dezelfde kant van de dubbele binding. dit
vormt een plat vlak. Je kan niet draaien om deze binding. dit geeft een bepaalde kink in zo’n
vetzuurstaart.
Lipiden zijn vetten. Ze kunnen ook smelten. De smelttemperatuur wordt bepaald door de
soorten vetten en de (on)verzadigde bindingen.
Als lipiden smelten: ze blijven in de bilaag, maar ze gaan heel snel bewegen in het vlak
waarin ze liggen. Dit noemen we laterale diffusie. De ketens zijn dan niet meer zo sterk
geordend. We noemen dit de vloeibaar kristallijne fase. Alleen vloeibaar is ook goed, maar
eigenlijk incorrect, want ze zijn nog wel geordend.
Bij lage temperatuur zijn de vetzuurstaarten in all-trans conformatie. De CH2 groepen zitten
dus allemaal trans van elkaar. Dit geeft een hele gunstige pakking van de ketens naast elkaar.
Er is vrije draaibaarheid rond die C-C bindingen. Hierbij is een anti/trans conformatie heel
gunstig, en de gauche conformatie is ook wel gunstig. De eclipsed conformaties daarentegen
zijn erg ongunstig. Hierbij overlappen de groepen. Omdat de trans conformatie zo gunstig
zitten ze zo in de gelfase. De vetzuurketen zal hier dus het liefst inzitten. Als de temperatuur
verhoogd wordt, zullen de bindingen ook wisselen naar de gauche conformatie. Dan krijg je
een knik, waardoor de lipide pakking veranderd.
Het smelten begint bij het einde van de keten. Alle ketens eromheen gaan ook smelten. Het
is dus een cooperatief proces. Dit komt omdat de verstoring niet in het midden kan
beginnen.
Elke lipide heeft een karakteristieke smelttemperatuur. Hoe langer de verzadigde vetzuren
(zonder dubbele binding), hoe hoger de smelttemperatuur. Bij een onverzadigde binding
erbij zorgt voor een enorme verlaging van de smelttemperatuur. Dit komt omdat de
vetzuurstaart dan al veel losser gepakt is.
De eigenschappen van de bilaag in gelfase is anders dan in de vloeibare kristallijne fase. In
beide gevallen heb je een efficiente barriere. In de gelfase zijn de bilagen dikker en is het
3
, oppervlakte per molecuul kleiner. In de fase overgang heb je dat deze twee fases naast
elkaar bestaan.
In biologische membranen heb je een smelttraject. Bij groeitemperatuur (37 graden) zijn
deze in vloeibaar kristallijne fase. Deze vloeibaarheid is belangrijk voor de flexibiliteit en
dynamiek van membraaneiwitten, bijv sommige transporteiwitten. Ook is het belangrijk voor
laterale bewegingen van lipiden en eiwitten (diffussie). Ook voor dynamische eigenschappen
van membranen; zoals afsnoeren van vesicles, fusie, flip-flop van lipiden, enz.
Wordt vloeibaarheid gereguleerd? Passen organismen hun lipidensamenstelling aan bij
verandering van omgevingstemperatuur?
Ja, dit gebeurt. Bij hoge temperatuur krijg je meer verzadigde lipiden. Deze hebben een
hogere overgangstemperatuur. Zo proberen ze de vloeibaarheid van het membraan
hetzelfde te houden. Dit laat zien dat deze vloeibaarheid wel degelijk sterk van belang is.
Spelen de kopgroepen een rol?
Het lijkt bijna geen rol te spelen in het moduleren van de vloeibaarheid.
Waar spelen deze kopgroepen dan wel een rol in?
Fosfatidyl ethanolamine heeft een omgekeerde kegelvorm. Deze heeft een relatief kleine
kopgroep. Dit heeft consequenties. Deze zal namelijk niet gauw in een bilaag gaan zitten.
Deze zal het liefst in een gekromde vorm gaan zitten. Hierdoor krijg je een soort buizen met
water in het midden. Dit noem je de hexagonale fase. Deze vindt je alleen in een reageerbuis
met water en puur niet-bilaag moleculen.
Waarom zitten deze moleculen dan toch in onze membranen?
1. Ze passen goed in sterk gekromde membranen.
2. Tijdens processen als fusie en afsnoering van membranen heb je ook hele gekromde
structuren. Hierbij spelen deze niet-bilaag lipiden een rol. Deze vergemakkelijken
deze processen.
3. Samen met bilaag-lipiden kunnen ze ook een vlakke bilaag vormen. De membraan
krijgt dan andere eigenschappen; er komt meer ruimte tussen de kopgroepen,
waardoor hydrofobe moleculen makkelijker aan het membraan kunnen binden en te
inserteren. Je hebt een dichtere pakking in het midden van het membraan. Hierdoor
wordt het lastiger voor moleculen om het membraan te passeren. Ze kunnen ook
invloed hebben op structuur en dynamiek van membraaneiwitten.
Samenvattend:
Vetzuurstaarten: in grote mate bepalend voor vloeibaarheid
Kopgroepen: in grote mate bepalend voor curvatuur en manier waarop de lididen gepakt zijn
(laterale drukprofiel).
Toepassingen
Liposomen als drug-carriers. Liposomen zijn een soort nepcellen. Als je hier medicijnen in
verpakt, zou dit veel voordelen kunnen hebben. Ze worden medicijnen minder snel
afgebroken door het bloed, omdat ze beschermd zijn. Lipiden zijn niet toxisch. Targeting is
mogelijk met behulp van homing peptides. Je kan controlled realease mogelijk maken, door
bepaalde lipiden te selecteren. Het mechanisme van opname is ook anders.
4
Inhoudsopgave
Hoorcollege 1 Membraanarchitectuur 1..............................................................................................................2
Hoorcollege 2 Membraanarchitectuur 2..............................................................................................................6
Hoorcollege 3 Biogenese van membranen 1......................................................................................................10
Hoorcollege 4 Biogenese van membranen 2......................................................................................................15
Hoorcollege 5 signaaltransductie 1....................................................................................................................21
Hoorcollege 6 Signaaltransductie 2...................................................................................................................27
Hoorcollege 7 Onderzoekstechnieken................................................................................................................35
1
,Hoorcollege 1 Membraanarchitectuur 1
We gaan het hebben over membraanarchitectuur. Hierbij gaan we het over biologische
membranen en modelmembranen hebben. Modelmembranen zijn minicelletjes die in een
reageerbuisjes kan maken. Dit is een goede manier om membranen te kunnen onderzoeken.
Membranen
Een goedwerkend membraan is essentieel voor een gezonde cel. Een membraan moet: niet
lekken, stoffen selectief kunnen doorlaten, signalen door kunnen geven, zorgen voor
energielevering en opslag, kunnen afsplitsen en fuseren zonder lekken. Het is een
belangrijke barriere voor medicijnen, toxische stoffen, virussen, enz.
Het schijnt dat vroeger alleen RNA was. Deze was katalysator en genetische informatie in 1.
Deze taken zijn overgenomen door eiwitten en DNA. Beiden zijn namelijk veel nauwkeuriger.
Membranen in evolutie
Zeepbel bestaat uit amfipatische moleculen. Deze moleculen hebben een hydrofoob en
hydrofiel gedeelte. Deze hydrofobe delen gaan naar buiten staan en in aanraking met de
lucht. De hydrofiele gedeeltes keren naar elkaar toe en hiertussen komt een klein laagje
water. Zo ontstaat dus een zeepbel. Maar als je heel veel water hebt, gebeurt precies het
omgekeerde. Dan ontstaat er dus eigenlijk een primitief membraan.
Sommige lipiden zullen een micel vormen. Dit komt doordat de hydrofiele kopgroep veel
breder is dan de lipide staart. Het molecuul is dus een soort kegel vorm hierbij. Als het
molecuul cylindrisch is zal het eerder is een bilaag vormen.
Het doel is eigenlijk de hydrofobe staarten afschermen. Dit gebeurt door het hydrofobe
effect. Dit zegt eigenlijk dat hydrofobe delen in een waterige omgeving naar elkaar gedreven
worden. Watermoleculen kunnen namelijk geen gunstige interactie aangaan met hydrofobe
moleculen. Dit leidt ertoe dat hydrofobe moleculen naar elkaar toe worden gedreven.
Membranen kunnen al gevormd worden van hele simpele vetzuren. Dit zijn mogelijke
oermembranen. Dit is namelijk een barriere maar niet heel sterk. Daarnaast was er ook fusie
en splitsing mogelijk (het is dynamisch). Uiteindelijk kennen we nu een fosfolipiden bilaag
met nog eiwitten erin voor het transport.
Nu kennen we biologische membranen met veel functies, complexe samenstellingen.
Kenmerken van membraan: permeabiliteitsbarriere, selectief transport, communicatie
tussen binnen en buiten, energielevering/opslag, grote dynamiek.
Het plasmamembraan heeft een asymmetrische verdeling van fosfolipiden over de
binnenste en buitenste leaflet. Phosphatidylserine aan de buitenkant signaal voor
apoptose, dan is er namelijk compleet iets fout.
Cholesterol ordent en strekt de ketens van lipiden en kan cholesterol rijke domeinen vormen
(rafts). Bij zo’n domein wordt de bilaag iets dikker. Hier zijn de lipiden sterker geordend.
Bepaalde eiwitten willen hierdoor liever in een domein. Domeinen hebben daardoor
bepaalde eigenschappen en functies.
2
,Fosfolipiden.
Glycerol met op plek 1 en 2 een vetzuurstaart. Op plek 3 een fosfaat groep met een alcohol
groep. De nettolading van een lipide is altijd negatief of neutraal. Je zal nooit een positieve
lipide vinden! Kopgroep is dus fosfaatgroep en alcoholgroep. De structuur van fosfatidyl
choline (PC) moet je kunnen tekenen. Deze zie je hieronder. Dit is de meest voorkomende
lipide in onze cellen.
Er is grote variatie in kopgroepen en vetzuurstaarten.
Vetzuurstaarten
Altijd een even aantal koolstofatomen. Ze kunnen dubbele bindingen hebben. Deze zijn altijd
cis. Hierbij zitten de resten van de ketens aan dezelfde kant van de dubbele binding. dit
vormt een plat vlak. Je kan niet draaien om deze binding. dit geeft een bepaalde kink in zo’n
vetzuurstaart.
Lipiden zijn vetten. Ze kunnen ook smelten. De smelttemperatuur wordt bepaald door de
soorten vetten en de (on)verzadigde bindingen.
Als lipiden smelten: ze blijven in de bilaag, maar ze gaan heel snel bewegen in het vlak
waarin ze liggen. Dit noemen we laterale diffusie. De ketens zijn dan niet meer zo sterk
geordend. We noemen dit de vloeibaar kristallijne fase. Alleen vloeibaar is ook goed, maar
eigenlijk incorrect, want ze zijn nog wel geordend.
Bij lage temperatuur zijn de vetzuurstaarten in all-trans conformatie. De CH2 groepen zitten
dus allemaal trans van elkaar. Dit geeft een hele gunstige pakking van de ketens naast elkaar.
Er is vrije draaibaarheid rond die C-C bindingen. Hierbij is een anti/trans conformatie heel
gunstig, en de gauche conformatie is ook wel gunstig. De eclipsed conformaties daarentegen
zijn erg ongunstig. Hierbij overlappen de groepen. Omdat de trans conformatie zo gunstig
zitten ze zo in de gelfase. De vetzuurketen zal hier dus het liefst inzitten. Als de temperatuur
verhoogd wordt, zullen de bindingen ook wisselen naar de gauche conformatie. Dan krijg je
een knik, waardoor de lipide pakking veranderd.
Het smelten begint bij het einde van de keten. Alle ketens eromheen gaan ook smelten. Het
is dus een cooperatief proces. Dit komt omdat de verstoring niet in het midden kan
beginnen.
Elke lipide heeft een karakteristieke smelttemperatuur. Hoe langer de verzadigde vetzuren
(zonder dubbele binding), hoe hoger de smelttemperatuur. Bij een onverzadigde binding
erbij zorgt voor een enorme verlaging van de smelttemperatuur. Dit komt omdat de
vetzuurstaart dan al veel losser gepakt is.
De eigenschappen van de bilaag in gelfase is anders dan in de vloeibare kristallijne fase. In
beide gevallen heb je een efficiente barriere. In de gelfase zijn de bilagen dikker en is het
3
, oppervlakte per molecuul kleiner. In de fase overgang heb je dat deze twee fases naast
elkaar bestaan.
In biologische membranen heb je een smelttraject. Bij groeitemperatuur (37 graden) zijn
deze in vloeibaar kristallijne fase. Deze vloeibaarheid is belangrijk voor de flexibiliteit en
dynamiek van membraaneiwitten, bijv sommige transporteiwitten. Ook is het belangrijk voor
laterale bewegingen van lipiden en eiwitten (diffussie). Ook voor dynamische eigenschappen
van membranen; zoals afsnoeren van vesicles, fusie, flip-flop van lipiden, enz.
Wordt vloeibaarheid gereguleerd? Passen organismen hun lipidensamenstelling aan bij
verandering van omgevingstemperatuur?
Ja, dit gebeurt. Bij hoge temperatuur krijg je meer verzadigde lipiden. Deze hebben een
hogere overgangstemperatuur. Zo proberen ze de vloeibaarheid van het membraan
hetzelfde te houden. Dit laat zien dat deze vloeibaarheid wel degelijk sterk van belang is.
Spelen de kopgroepen een rol?
Het lijkt bijna geen rol te spelen in het moduleren van de vloeibaarheid.
Waar spelen deze kopgroepen dan wel een rol in?
Fosfatidyl ethanolamine heeft een omgekeerde kegelvorm. Deze heeft een relatief kleine
kopgroep. Dit heeft consequenties. Deze zal namelijk niet gauw in een bilaag gaan zitten.
Deze zal het liefst in een gekromde vorm gaan zitten. Hierdoor krijg je een soort buizen met
water in het midden. Dit noem je de hexagonale fase. Deze vindt je alleen in een reageerbuis
met water en puur niet-bilaag moleculen.
Waarom zitten deze moleculen dan toch in onze membranen?
1. Ze passen goed in sterk gekromde membranen.
2. Tijdens processen als fusie en afsnoering van membranen heb je ook hele gekromde
structuren. Hierbij spelen deze niet-bilaag lipiden een rol. Deze vergemakkelijken
deze processen.
3. Samen met bilaag-lipiden kunnen ze ook een vlakke bilaag vormen. De membraan
krijgt dan andere eigenschappen; er komt meer ruimte tussen de kopgroepen,
waardoor hydrofobe moleculen makkelijker aan het membraan kunnen binden en te
inserteren. Je hebt een dichtere pakking in het midden van het membraan. Hierdoor
wordt het lastiger voor moleculen om het membraan te passeren. Ze kunnen ook
invloed hebben op structuur en dynamiek van membraaneiwitten.
Samenvattend:
Vetzuurstaarten: in grote mate bepalend voor vloeibaarheid
Kopgroepen: in grote mate bepalend voor curvatuur en manier waarop de lididen gepakt zijn
(laterale drukprofiel).
Toepassingen
Liposomen als drug-carriers. Liposomen zijn een soort nepcellen. Als je hier medicijnen in
verpakt, zou dit veel voordelen kunnen hebben. Ze worden medicijnen minder snel
afgebroken door het bloed, omdat ze beschermd zijn. Lipiden zijn niet toxisch. Targeting is
mogelijk met behulp van homing peptides. Je kan controlled realease mogelijk maken, door
bepaalde lipiden te selecteren. Het mechanisme van opname is ook anders.
4
