Hoofdstuk 1: Homeostase
1.1 Water – Ionen – Membranen – Kanalen – Transporters
1.1.1 Vloeistofcompartimenten en hun samenstelling !EXAM!
Tabel 1. Waterverdeling in mensen
Men Typical volume Woman Typical volume
(liter) (liters)
Total body fluid 60% body weight 42 50% body weight 35
ICF 60% TBW 25 60% TBW 21
ECF 40% TBW 17 40% TBW 14
Intersitial fluid 75% ECF 13 75% ECF 10
Plasma volume (PV) 20% ECF 3 20% ECF 3
Blood volume (BV) PV/(1-Hct) 5.5 PV/(1-Hct) 5
Transcellulaire fluid 5% ECF 1 5% ECF 1
* Veronderstel een gewicht van 70kg en een hematocriet van 45% voor mannen en 40% voor vrouwen
Figuur 1. Verdeling van water in het menselijk lichaam
• ECF en ICF worden enkel gescheiden door een plasmamembraan
o Permeabel voor water en voor sommige ionen
• Transcellulaire vloeistof zit afgescheiden van het interstitiële vloeistof
o Voorbeeld in de hersen ventrikels
o Samenstelling is variabel
• Osmolaliteit: algemene maat voor de hoeveelheid aan opgeloste stof
o Afhankelijk daarvan zal water zich gaan bewegen
1
,Tabel 2. Opgeloste stoffen in vloeistof compartimenten
Stof Plasma Eiwit vrij plasma Interstitium Cellen
Natrium (mM) 142 153 145 15
Kalium (mM) 4.4 4.7 4.5 120
Calcium (mM) 1.2 (ionized) 1.3 (ionized) 1.2 (ionized) 0.0001 (ionized)
2.4 (totaal)
Magnesium (mM) 0.6 (ionized) 0.6 (ionized) 0.55 (ionized) 1(ionized)
0.9 (totaal) 18 (totaal)
Chloor (mM) 102 110 116 20
Carbonaat (mM) 22 24 25 16
Fosforzuur (mM) 0.7 (ionized) 0.75 (ionized) 0.8 (ionized) 0.7 (vrij)
1.4 (totaal)
Eiwitten (g/dL) 7 / 1 30
Glucose (mM) 5.5 5.9 5.9 Laag
pH 7.4 7.4 7.4 7.2
Osmolaliteit 291 290 290 290
(osmol/Kg H2O)
1.1.2 Transmembranaire flux van ionen
• In welke richting kunnen ionen allemaal stromen
• Flux is de netto beweging van de ionen (rode pijl)
o Som van groene en blauwe pijl
• Elk compartiment heeft een potentiaal
• Vm is het membraan potentiaal
o Meestal rond de -70 mV
▪ Dus binnen de cel 70mv meer negatief
• Invloed in welke richting ionen gaan stromen Figuur 2. Transmembranaire flux van ionen
• ΔG: de verandering van vrije energie
o ΔG < 0 → Reactie zal spontaan opgaan (graag van binnen naar buiten)
o ΔG > 0 → Omgekeerde reactie zal opgaan
o ΔG = 0 → Reactie is in evenwicht
• ΔG = ΔGc + ΔGm
o ΔGc: verhouding van de concentratie binnen over buiten
o ΔGm: Spanning over het membraan
𝐶𝑖
• 𝛥𝐺 = 𝑅 ∗ 𝑇 ∗ 𝑙𝑛 + 𝑧 ∗ 𝐹 ∗ 𝑉𝑚
𝐶0
o R = 8,315 J*K-1*mol-1 (gas constante)
o T: temperatuur in Kelvin
o z: valentie (+1 voor natrium, kalium, -1 voor chloor, +2 voor calcium)
o F = 96500 C*mol-1 (Faraday constante)
o Vm: spanning over het membraan
▪ Vm is neg, dan is transport van X+ naar binnen energetisch gunstig
• Want positieve lading word aangetrokken door negatieve binnenkant
1.1.3 Evenwichtspotentiaal voor ionen
𝑅∗𝑇 [𝐶 ]
• ΔG = 0 als ΔGc = ΔGm → 𝑉𝑚 = − ∗ 𝑙𝑛 [𝐶 𝑖 ]
𝑧∗𝐹 𝑜
𝑅∗𝑇 [𝑋 ]
• Evenwicht potentiaal voor een ion X 𝐸𝑋 = − ∗ 𝑙𝑛 [𝑋 𝑖 ]
𝑧∗𝐹 𝑜
o Nerst vergelijking
60 [𝑋 ]
• Vereenvoudigde formule: 𝐸𝑋 ≈ ∗ 𝑙𝑜𝑔 [𝑋𝑜] in mV
𝑧 𝑖
𝐶𝑖
• Vereenvoudigde formule voor ΔG: 𝛥𝐺 ≈ 6000 ∗ 𝑙𝑜𝑔 + 𝑧 ∗ 100 ∗ 𝑉𝑚 in J*mol-1
𝐶𝑜
o De membraanpotentiaal Vm in millivolt
2
,1.1.4 Het begrip drijvende kracht
• Om te weten in welke richting een ion zal stromen in een ionen kanaal
• Membraanpotentiaal – evenwichtspotentiaal
• Drijvende kracht voor ion X = Vm – Ex
• Indien drijvende kracht positief is; Vm – Ex > 0
o Netto efflux van kationen
o Netto influx van anionen
• Indien drijvende kracht negatief is; Vm – Ex < 0
o Netto influx van kationen
o Netto efflux van anionen
• Indien Vm – Ex = 0 is;
o ΔG = 0
o Netto efflux noch influx
Tabel 3: Enkele typische waarden
Extracellulaire Intracellulaire Membraan Voltage Evenwichtspot. (mV) Drijvende kracht
Stof
concentratie [X]o concentratie [X]i Vm Ex=(60/z) * log [X]o/[X]i (Vm – Ex)
Na+ 145 mM 15 mM -60 mV +61 mV -121 mV
K+ 4.5 mM 120 mM -60 mV -88 mV +28 mV
Ca2+ 1.2 mM 0.001 mM -60 mV +125 mV -185 mV
Cl- 116 mM 20 mM -60 mV -47 mV -13 mV
HCO3- 25 mM 16 mM -60 mV -12 mV -48 mV
H+ 40 nM 63 nM
-60 mV -12 mV -48 mV
pH 7,4 7,2
1.1.5 Permeabiliteit van fosfolipiden-dubbellaag
• Gassen zijn permeabel
• Kleine ongeladen polaire moleculen zijn permeabel
o Water en ureum beetje permeabel
• Grote ongeladen moleculen niet permeabel
• Ionen niet permeabel
• Geladen polaire moleculen niet permeabel
1.1.6 Opbouw van gradiënten
1.1.6.1 ATP gedreven pompen
Figuur 3. Permeabiliteit van stoffen
• ATP is de energie die de pomp gebruikt
• 3 Na+ tegen de gradiënt in (naar buiten)
• En 2 K+ naar binnen
o Behoud van een gradiënt
• = Na+/K+-ATPase
1.1.6.2 Gefaciliteerde diffusie
• Met de elektrochemische gradiënt mee
• ΔG < 0
• Kanalen; hebben een schakelmechanisme
Figuur 4. Na/K-ATPase
o Laten bepaalde stoffen door
• Porie; gat in de membraan, geen schakelmechanisme
• Uniporter; conformatieverandering, zeer selectief
o Veel lagere turn over dan de andere 2
1.1.7 Pories
• Aquaporines = waterkanalen
o Waterdoorlaatbaarheid
• Perforine
o Perforeren de membraan → alles lekt uit de cel
o Voor slechte cellen
o Vb. cytotoxische T-cellen
3
, 1.1.8 Ionenkanalen
• Vaak symmetrische structuren
o Centrale porie omgeven door sub eenheden
• Trimeer
• Tetrameer
• Pentameer
• Hexameer
1.1.8.1 Connexines
• 4 transmembranaire domeinen
• 1 subeenheid is waardeloos
• Hexameer van 6 monomeren = connexon
• 2 Connexonen → gab-junction
• Elektrische koppeling naburige cellen Figuur 5. Ionenkanalen - wederkerende structuren
• Porie diameter van 1,4 nm minimum
Figuur 6. Connexine met 4 transmembranaire domeinen
Figuur 7. Inward rectifier K+ kanaal
1.1.8.2 Voltage-gated kation superfamily
• Grootste groep met allen een gelijkaardige structuur
• Afkomstig van een oerelement
o 2 Transmembranaire structuren met een porië loop
• 4 sub eenheden samen → K+ selectief kanaal
o Niet spanningsgevoelig omdat geen sensor heeft
• Voltage gated channel
o 4de domein draagt een lading
o Reageren op stroom veranderingen → bewegen boven en onder op
membraan
• Door evolutie zijn er veel varianten gekomen Figuur 8. Voltage-gated H+ kanaal
o Allen een combinatie van de 2
• Meestal 6 transmembranaire domeinen
o 4de vaak een lading
o Soms iets extra
Figuur 9. Twee voorbeelden van kanalen. Boven een voltage-gated Na+ kanaal en onder een voltage gated Ca2+ kanaal
1.1.8.3 ENaC
• Epitheliaal Na+ kanaal
• Selectief voor natrium in epitheelcellen (darm/nier)
• Niet spanning geschakeld
• Trimeer
4
1.1 Water – Ionen – Membranen – Kanalen – Transporters
1.1.1 Vloeistofcompartimenten en hun samenstelling !EXAM!
Tabel 1. Waterverdeling in mensen
Men Typical volume Woman Typical volume
(liter) (liters)
Total body fluid 60% body weight 42 50% body weight 35
ICF 60% TBW 25 60% TBW 21
ECF 40% TBW 17 40% TBW 14
Intersitial fluid 75% ECF 13 75% ECF 10
Plasma volume (PV) 20% ECF 3 20% ECF 3
Blood volume (BV) PV/(1-Hct) 5.5 PV/(1-Hct) 5
Transcellulaire fluid 5% ECF 1 5% ECF 1
* Veronderstel een gewicht van 70kg en een hematocriet van 45% voor mannen en 40% voor vrouwen
Figuur 1. Verdeling van water in het menselijk lichaam
• ECF en ICF worden enkel gescheiden door een plasmamembraan
o Permeabel voor water en voor sommige ionen
• Transcellulaire vloeistof zit afgescheiden van het interstitiële vloeistof
o Voorbeeld in de hersen ventrikels
o Samenstelling is variabel
• Osmolaliteit: algemene maat voor de hoeveelheid aan opgeloste stof
o Afhankelijk daarvan zal water zich gaan bewegen
1
,Tabel 2. Opgeloste stoffen in vloeistof compartimenten
Stof Plasma Eiwit vrij plasma Interstitium Cellen
Natrium (mM) 142 153 145 15
Kalium (mM) 4.4 4.7 4.5 120
Calcium (mM) 1.2 (ionized) 1.3 (ionized) 1.2 (ionized) 0.0001 (ionized)
2.4 (totaal)
Magnesium (mM) 0.6 (ionized) 0.6 (ionized) 0.55 (ionized) 1(ionized)
0.9 (totaal) 18 (totaal)
Chloor (mM) 102 110 116 20
Carbonaat (mM) 22 24 25 16
Fosforzuur (mM) 0.7 (ionized) 0.75 (ionized) 0.8 (ionized) 0.7 (vrij)
1.4 (totaal)
Eiwitten (g/dL) 7 / 1 30
Glucose (mM) 5.5 5.9 5.9 Laag
pH 7.4 7.4 7.4 7.2
Osmolaliteit 291 290 290 290
(osmol/Kg H2O)
1.1.2 Transmembranaire flux van ionen
• In welke richting kunnen ionen allemaal stromen
• Flux is de netto beweging van de ionen (rode pijl)
o Som van groene en blauwe pijl
• Elk compartiment heeft een potentiaal
• Vm is het membraan potentiaal
o Meestal rond de -70 mV
▪ Dus binnen de cel 70mv meer negatief
• Invloed in welke richting ionen gaan stromen Figuur 2. Transmembranaire flux van ionen
• ΔG: de verandering van vrije energie
o ΔG < 0 → Reactie zal spontaan opgaan (graag van binnen naar buiten)
o ΔG > 0 → Omgekeerde reactie zal opgaan
o ΔG = 0 → Reactie is in evenwicht
• ΔG = ΔGc + ΔGm
o ΔGc: verhouding van de concentratie binnen over buiten
o ΔGm: Spanning over het membraan
𝐶𝑖
• 𝛥𝐺 = 𝑅 ∗ 𝑇 ∗ 𝑙𝑛 + 𝑧 ∗ 𝐹 ∗ 𝑉𝑚
𝐶0
o R = 8,315 J*K-1*mol-1 (gas constante)
o T: temperatuur in Kelvin
o z: valentie (+1 voor natrium, kalium, -1 voor chloor, +2 voor calcium)
o F = 96500 C*mol-1 (Faraday constante)
o Vm: spanning over het membraan
▪ Vm is neg, dan is transport van X+ naar binnen energetisch gunstig
• Want positieve lading word aangetrokken door negatieve binnenkant
1.1.3 Evenwichtspotentiaal voor ionen
𝑅∗𝑇 [𝐶 ]
• ΔG = 0 als ΔGc = ΔGm → 𝑉𝑚 = − ∗ 𝑙𝑛 [𝐶 𝑖 ]
𝑧∗𝐹 𝑜
𝑅∗𝑇 [𝑋 ]
• Evenwicht potentiaal voor een ion X 𝐸𝑋 = − ∗ 𝑙𝑛 [𝑋 𝑖 ]
𝑧∗𝐹 𝑜
o Nerst vergelijking
60 [𝑋 ]
• Vereenvoudigde formule: 𝐸𝑋 ≈ ∗ 𝑙𝑜𝑔 [𝑋𝑜] in mV
𝑧 𝑖
𝐶𝑖
• Vereenvoudigde formule voor ΔG: 𝛥𝐺 ≈ 6000 ∗ 𝑙𝑜𝑔 + 𝑧 ∗ 100 ∗ 𝑉𝑚 in J*mol-1
𝐶𝑜
o De membraanpotentiaal Vm in millivolt
2
,1.1.4 Het begrip drijvende kracht
• Om te weten in welke richting een ion zal stromen in een ionen kanaal
• Membraanpotentiaal – evenwichtspotentiaal
• Drijvende kracht voor ion X = Vm – Ex
• Indien drijvende kracht positief is; Vm – Ex > 0
o Netto efflux van kationen
o Netto influx van anionen
• Indien drijvende kracht negatief is; Vm – Ex < 0
o Netto influx van kationen
o Netto efflux van anionen
• Indien Vm – Ex = 0 is;
o ΔG = 0
o Netto efflux noch influx
Tabel 3: Enkele typische waarden
Extracellulaire Intracellulaire Membraan Voltage Evenwichtspot. (mV) Drijvende kracht
Stof
concentratie [X]o concentratie [X]i Vm Ex=(60/z) * log [X]o/[X]i (Vm – Ex)
Na+ 145 mM 15 mM -60 mV +61 mV -121 mV
K+ 4.5 mM 120 mM -60 mV -88 mV +28 mV
Ca2+ 1.2 mM 0.001 mM -60 mV +125 mV -185 mV
Cl- 116 mM 20 mM -60 mV -47 mV -13 mV
HCO3- 25 mM 16 mM -60 mV -12 mV -48 mV
H+ 40 nM 63 nM
-60 mV -12 mV -48 mV
pH 7,4 7,2
1.1.5 Permeabiliteit van fosfolipiden-dubbellaag
• Gassen zijn permeabel
• Kleine ongeladen polaire moleculen zijn permeabel
o Water en ureum beetje permeabel
• Grote ongeladen moleculen niet permeabel
• Ionen niet permeabel
• Geladen polaire moleculen niet permeabel
1.1.6 Opbouw van gradiënten
1.1.6.1 ATP gedreven pompen
Figuur 3. Permeabiliteit van stoffen
• ATP is de energie die de pomp gebruikt
• 3 Na+ tegen de gradiënt in (naar buiten)
• En 2 K+ naar binnen
o Behoud van een gradiënt
• = Na+/K+-ATPase
1.1.6.2 Gefaciliteerde diffusie
• Met de elektrochemische gradiënt mee
• ΔG < 0
• Kanalen; hebben een schakelmechanisme
Figuur 4. Na/K-ATPase
o Laten bepaalde stoffen door
• Porie; gat in de membraan, geen schakelmechanisme
• Uniporter; conformatieverandering, zeer selectief
o Veel lagere turn over dan de andere 2
1.1.7 Pories
• Aquaporines = waterkanalen
o Waterdoorlaatbaarheid
• Perforine
o Perforeren de membraan → alles lekt uit de cel
o Voor slechte cellen
o Vb. cytotoxische T-cellen
3
, 1.1.8 Ionenkanalen
• Vaak symmetrische structuren
o Centrale porie omgeven door sub eenheden
• Trimeer
• Tetrameer
• Pentameer
• Hexameer
1.1.8.1 Connexines
• 4 transmembranaire domeinen
• 1 subeenheid is waardeloos
• Hexameer van 6 monomeren = connexon
• 2 Connexonen → gab-junction
• Elektrische koppeling naburige cellen Figuur 5. Ionenkanalen - wederkerende structuren
• Porie diameter van 1,4 nm minimum
Figuur 6. Connexine met 4 transmembranaire domeinen
Figuur 7. Inward rectifier K+ kanaal
1.1.8.2 Voltage-gated kation superfamily
• Grootste groep met allen een gelijkaardige structuur
• Afkomstig van een oerelement
o 2 Transmembranaire structuren met een porië loop
• 4 sub eenheden samen → K+ selectief kanaal
o Niet spanningsgevoelig omdat geen sensor heeft
• Voltage gated channel
o 4de domein draagt een lading
o Reageren op stroom veranderingen → bewegen boven en onder op
membraan
• Door evolutie zijn er veel varianten gekomen Figuur 8. Voltage-gated H+ kanaal
o Allen een combinatie van de 2
• Meestal 6 transmembranaire domeinen
o 4de vaak een lading
o Soms iets extra
Figuur 9. Twee voorbeelden van kanalen. Boven een voltage-gated Na+ kanaal en onder een voltage gated Ca2+ kanaal
1.1.8.3 ENaC
• Epitheliaal Na+ kanaal
• Selectief voor natrium in epitheelcellen (darm/nier)
• Niet spanning geschakeld
• Trimeer
4
