Cellen: semester 1
HS02: Membranen
2.1 membraanfunctie en structuur
Membranen zijn cruciaal voor het ontstaan van leven, omdat ze de
celgrenzen definiëren en een hydrofobe barrière vormen tegen
ongewenste moleculen.
Membranen concentreren moleculen, waardoor chemische reacties
mogelijk worden, maar dit kost energie.
Energie wordt door levende organismen uit de omgeving (licht of voedsel)
opgenomen om een concentratiegradiënt op te bouwen = essentieel voor
levensbelangrijke reacties.
Een functioneel celmembraan is zowel isolerend als doorlaatbaar en
regelt de uitwisseling van stoffen door gespecialiseerde transporters.
Het celmembraan zorgt voor stabiele interne omstandigheden,
ondanks veranderende externe omgevingen.
Het membraan fungeert ook als een gevoelige interface die fysische en
chemische veranderingen in de omgeving detecteert via signalen en
reacties.
Vijf functies van het celmembraan:
1. Compartimentalisatie; membraan definieert de grenzen van haar
cel en organellen, en vormt een hydrofobe barrière voor
ongewenste moleculen
2. Lokalisatie van functie; de organisatie en lokalisatie van de
organellen wordt stevig gehouden en beschermd door het
membraan
3. Selectief transport; ; door transporters op het membraan is er een
selectieve doorlaatbaarheid, om binnen de cel of cellulair
compartiment homeostase te bereiken
4. Signaaldetectie; kwalitatieve en kwantitatieve informatie inwinnen
en doorgeven aan specifieke delen van de cel die hierop moeten
reageren
5. Intercellulaire communicatie; zorgt voor de nodige concentratie
van moleculen om met elkaar te kunnen reageren
Samenstelling van biologische membranen: hoofdzakelijk lipiden en
eiwitten.
In 1972 stelden Singer en Nicolson de ijsbergtheorie (fluid-mosaic
model) voor, waarin het membraan wordt gezien als een viskeuze zee van
lipiden met eiwitten die erin zweven.
, Het membraan = fluïde; lipiden en eiwitten zijn voortdurend in beweging
Recente bevindingen tonen aan dat lipide-proteïnecomplexen zich in
microdomeinen (lipid rafts) organiseren met een specifieke functionele rol
2.2 membraanlipiden
Amfipathisch karakter van membraanlipiden: Lipiden hebben een hydrofiele
kant en een hydrofobe kant => in water spontane structuren zoals micellen of
dubbellagen vormen.
Dubbellaagstructuur: Dubbellagen zijn stabiel aan een water-vet interface en
vouwen zich in waterige oplossing spontaan op tot een liposoom, wat de
energetisch meest stabiele structuur is.
- Samenstelling van de lipidendubbellaag
1. Fosfolipiden: Bestaan uit vetzuurketens verbonden met glycerol
(fosfoglyceriden) of sfingosine (sfingolipiden). Voorbeelden zijn fosfatidylcholine,
fosfatidylethanolamine, fosfatidylserine, en sfingomyeline (alleen in dierlijke
membranen).
2.Glycolipiden: Suikerhoudende lipiden die op de buitenste membraanlaag
liggen. Ze spelen een rol in cel-cel herkenning, bescherming tegen extreme
omstandigheden, en fungeren als antigenen in immuunreacties (bijv.
bloedgroepen).
3. Gangliosiden: Complexe glycolipiden met negatieve lading, vooral aanwezig
in zenuwcellen, waar ze helpen bij elektrische signaaltransductie.
4. Sterolen: Cholesterol is het belangrijkste sterol in dierlijke cellen, waar het de
membraan stabiliseert door zich tussen fosfolipiden in te nestelen.
- Membraanfluïditeit
- Fosfolipiden kunnen makkelijk roteren en lateraal bewegen binnen de laag,
maar flip-flop (beweging tussen de lagen) gebeurt zelden zonder enzymen
(flippases).
- fluïditeit; varieert met temperatuur en heeft een transitietemperatuur (Tm)
waarbij de membraan overgaat van vloeibaar naar gelachtig
=> samenstelling van vetzuurketens beïnvloedt deze fluïditeit (lange,
verzadigde vetzuren verhogen de dichtheid, korte, onverzadigde vetzuren
verhogen de fluïditeit)
1. lengte vetzuurketens
lange en verzadigde ketens, zullen zich dicht en regelmatig naast elkaar
kunnen rangschikken, zorgen voor lage vloeibaarheid en dus hogere
transitietemperatuur
2. verzadigingsgraad
korte onverzadigde vetten, hebben openstaande structuur, zorgen voor
een knik in de koolstofketen en worden losser gestapeld, zorgen voor hoge
vloeibaarheid dus lagere transitietemperatuur
3. cholesterolgehalte
, enerzijds: deze innesteling brengt de vetzuurketens in geordende en
gestrekte configuratie, waardoor de membraan minder vloeibaar wordt bij
hoge temperatuur
anderzijds: het voorkomt ook de alignering van vetzuurketens
(gelvorming) bij lagere temperatuur waardoor de transitietemperatuur
verlaagt
- Homeoviskeuze adaptatie: Organismen passen de vetzuursamenstelling aan
op basis van de omgevingstemperatuur om de vloeibaarheid van de membraan
te regelen.
- Cholesterol helpt de membraanstijfheid te regelen en verlaagt de permeabiliteit
voor kleine polaire moleculen.
- Membraanasymmetrie
- lipidensamenstelling is verschillend tussen de 2 monolagen van de dubbellaag
=> vb; rode bloedcellen; bevinden fosfatidylethanolamine en fosfatidylserine zich
voornamelijk aan de binnenkant, terwijl fosfatidylcholine en sfingomyeline zich
aan de buitenkant bevinden.
- Deze asymmetrie wordt actief in stand gehouden door enzymen zoals
scramblases en flippases.
- Functionele betekenis van asymmetrie: Het heeft een rol in
signaaltransductie, bijvoorbeeld bij apoptose (celsterfte), waarbij fosfatidylserine
naar de buitenkant wordt getransloceerd als teken van celafbraak.
2.3 membraanproteïnen
Vriesbreektechniek:
- Cel of membraan wordt snel bevroren in vloeibare stikstof (-196°C) en
vervolgens met een diamanten mes gebroken.
- Het breukvlak bevindt zich meestal in het hydrofobe midden van de dubbellaag,
waardoor de binnenzijde van de membraan zichtbaar wordt.
- De eiwitten breken minder snel en blijven achter, wat het mogelijk maakt de
positie van eiwitten in de membraan te visualiseren.
- Deze techniek toont de asymmetrie van de membraanhelften.
- Classificatie van membraanproteïnen
1. Integrale membraanproteïnen:
-> Amfipathisch met zowel hydrofobe als hydrofiele regio’s.
-> Moeilijk te isoleren en cruciaal voor de structuur van de membraan
! Transmembraaneiwitten
-> overspannen de gehele membraan met hydrofiele uitsteeksels aan beide
zijden
-> vaak in de vorm van a-helixen of b-barrels
-> bevatten een cytoplasmatisch, transmembraan- en extracellulair domein.
-> Vaak sterk geglycosyleerd, met oligosaccharidemodificaties in het
extracellulair domein.
, 2. Perifere membraanproteïnen:
-> Geen hydrofobe regio’s, verbinden zich via zwakke interacties (zoals van der
Waals) met andere membraaneiwitten.
-> Gemakkelijk te verwijderen zonder de membraan te beschadigen.
3. Lipide-verankerde membraanproteïnen:
-> Verankerd aan één zijde van de membraan door een covalent gebonden lipide
groep (bijv. vetzuur of isoprenyl groep).
-> GPI-ankers verankeren eiwitten aan de buitenzijde van de membraan en
kunnen door fosfolipase C worden geknipt.
- Mobiliteit van membraanproteïnen
=> Membraanproteïnen kunnen zich lateraal bewegen, maar de mobiliteit
varieert.
Bewijs van mobiliteit
1. bewijsvoering voor de beweeglijkheid van membraaneiwitten komt van fusie
experimenten tussen cellen van muizen en mensen (heterokaryons) door Freye
en Edidin:
- door gebruik te maken van soort-specifieke antilichamen, gemerkt met
verschillend gekleurde fluorescente stoffen (bv. groen anti-muis en rood anti-
mens) kunnen de membraaneiwitten van de twee cellen terzelfdertijd
gevisualiseerd worden
- Zolang de gefuseerde cel (heterokaryon) bij 4°C wordt gehouden is de
vloeibaarheid van de membraan zo laag dat de membraaneiwitten nauwelijks
bewegen en de twee merkers sterk gelokaliseerd blijven
- maar bij 37°C verspreiden de gemerkte moleculen zich door passieve diffusie
over de gehele membraan en vermengen ze zich volledig
2. Verdere bewijsvoering voor de diffusiesnelheid van membraanproteïnen werd
verkregen door de ontdekking van het proces dat patching genoemd wordt
- Wanneer men cellen incubeert met antilichamen die binden met specifieke
integrale proteïnen die zich blootstellen aan het celoppervlak, wordt aanvankelijk
een homogene spreiding van het antilichaam waargenomen, maar deze vormen
al gauw groepjes (patches) die op lange termijn gaan samenkomen in één gebied
van het celoppervlak (capping)
- Met behulp van moderne lichtmicroscopische technieken kan de laterale
diffusiesnelheid vrij accuraat gemeten worden. Dit doet men bijvoorbeeld door in
een fluorescent gemerkte celmembraan te meten hoe snel fluorescentie weer
verschijnt na fotobleking van een kleine regio met een sterk gefocuste
laserbundel (fluorescence recovery after photobleaching).
Beperkingen in mobiliteit van membraaneiwitten
-> Cellen kunnen de beweeglijkheid van membraaneiwitten beperken, wat
resulteert in gelokaliseerde membraanfuncties en celpolarisatie (bijv. epitheel) of
een homogene verdeling van eiwitten (bijv. in erythrocyten).
HS02: Membranen
2.1 membraanfunctie en structuur
Membranen zijn cruciaal voor het ontstaan van leven, omdat ze de
celgrenzen definiëren en een hydrofobe barrière vormen tegen
ongewenste moleculen.
Membranen concentreren moleculen, waardoor chemische reacties
mogelijk worden, maar dit kost energie.
Energie wordt door levende organismen uit de omgeving (licht of voedsel)
opgenomen om een concentratiegradiënt op te bouwen = essentieel voor
levensbelangrijke reacties.
Een functioneel celmembraan is zowel isolerend als doorlaatbaar en
regelt de uitwisseling van stoffen door gespecialiseerde transporters.
Het celmembraan zorgt voor stabiele interne omstandigheden,
ondanks veranderende externe omgevingen.
Het membraan fungeert ook als een gevoelige interface die fysische en
chemische veranderingen in de omgeving detecteert via signalen en
reacties.
Vijf functies van het celmembraan:
1. Compartimentalisatie; membraan definieert de grenzen van haar
cel en organellen, en vormt een hydrofobe barrière voor
ongewenste moleculen
2. Lokalisatie van functie; de organisatie en lokalisatie van de
organellen wordt stevig gehouden en beschermd door het
membraan
3. Selectief transport; ; door transporters op het membraan is er een
selectieve doorlaatbaarheid, om binnen de cel of cellulair
compartiment homeostase te bereiken
4. Signaaldetectie; kwalitatieve en kwantitatieve informatie inwinnen
en doorgeven aan specifieke delen van de cel die hierop moeten
reageren
5. Intercellulaire communicatie; zorgt voor de nodige concentratie
van moleculen om met elkaar te kunnen reageren
Samenstelling van biologische membranen: hoofdzakelijk lipiden en
eiwitten.
In 1972 stelden Singer en Nicolson de ijsbergtheorie (fluid-mosaic
model) voor, waarin het membraan wordt gezien als een viskeuze zee van
lipiden met eiwitten die erin zweven.
, Het membraan = fluïde; lipiden en eiwitten zijn voortdurend in beweging
Recente bevindingen tonen aan dat lipide-proteïnecomplexen zich in
microdomeinen (lipid rafts) organiseren met een specifieke functionele rol
2.2 membraanlipiden
Amfipathisch karakter van membraanlipiden: Lipiden hebben een hydrofiele
kant en een hydrofobe kant => in water spontane structuren zoals micellen of
dubbellagen vormen.
Dubbellaagstructuur: Dubbellagen zijn stabiel aan een water-vet interface en
vouwen zich in waterige oplossing spontaan op tot een liposoom, wat de
energetisch meest stabiele structuur is.
- Samenstelling van de lipidendubbellaag
1. Fosfolipiden: Bestaan uit vetzuurketens verbonden met glycerol
(fosfoglyceriden) of sfingosine (sfingolipiden). Voorbeelden zijn fosfatidylcholine,
fosfatidylethanolamine, fosfatidylserine, en sfingomyeline (alleen in dierlijke
membranen).
2.Glycolipiden: Suikerhoudende lipiden die op de buitenste membraanlaag
liggen. Ze spelen een rol in cel-cel herkenning, bescherming tegen extreme
omstandigheden, en fungeren als antigenen in immuunreacties (bijv.
bloedgroepen).
3. Gangliosiden: Complexe glycolipiden met negatieve lading, vooral aanwezig
in zenuwcellen, waar ze helpen bij elektrische signaaltransductie.
4. Sterolen: Cholesterol is het belangrijkste sterol in dierlijke cellen, waar het de
membraan stabiliseert door zich tussen fosfolipiden in te nestelen.
- Membraanfluïditeit
- Fosfolipiden kunnen makkelijk roteren en lateraal bewegen binnen de laag,
maar flip-flop (beweging tussen de lagen) gebeurt zelden zonder enzymen
(flippases).
- fluïditeit; varieert met temperatuur en heeft een transitietemperatuur (Tm)
waarbij de membraan overgaat van vloeibaar naar gelachtig
=> samenstelling van vetzuurketens beïnvloedt deze fluïditeit (lange,
verzadigde vetzuren verhogen de dichtheid, korte, onverzadigde vetzuren
verhogen de fluïditeit)
1. lengte vetzuurketens
lange en verzadigde ketens, zullen zich dicht en regelmatig naast elkaar
kunnen rangschikken, zorgen voor lage vloeibaarheid en dus hogere
transitietemperatuur
2. verzadigingsgraad
korte onverzadigde vetten, hebben openstaande structuur, zorgen voor
een knik in de koolstofketen en worden losser gestapeld, zorgen voor hoge
vloeibaarheid dus lagere transitietemperatuur
3. cholesterolgehalte
, enerzijds: deze innesteling brengt de vetzuurketens in geordende en
gestrekte configuratie, waardoor de membraan minder vloeibaar wordt bij
hoge temperatuur
anderzijds: het voorkomt ook de alignering van vetzuurketens
(gelvorming) bij lagere temperatuur waardoor de transitietemperatuur
verlaagt
- Homeoviskeuze adaptatie: Organismen passen de vetzuursamenstelling aan
op basis van de omgevingstemperatuur om de vloeibaarheid van de membraan
te regelen.
- Cholesterol helpt de membraanstijfheid te regelen en verlaagt de permeabiliteit
voor kleine polaire moleculen.
- Membraanasymmetrie
- lipidensamenstelling is verschillend tussen de 2 monolagen van de dubbellaag
=> vb; rode bloedcellen; bevinden fosfatidylethanolamine en fosfatidylserine zich
voornamelijk aan de binnenkant, terwijl fosfatidylcholine en sfingomyeline zich
aan de buitenkant bevinden.
- Deze asymmetrie wordt actief in stand gehouden door enzymen zoals
scramblases en flippases.
- Functionele betekenis van asymmetrie: Het heeft een rol in
signaaltransductie, bijvoorbeeld bij apoptose (celsterfte), waarbij fosfatidylserine
naar de buitenkant wordt getransloceerd als teken van celafbraak.
2.3 membraanproteïnen
Vriesbreektechniek:
- Cel of membraan wordt snel bevroren in vloeibare stikstof (-196°C) en
vervolgens met een diamanten mes gebroken.
- Het breukvlak bevindt zich meestal in het hydrofobe midden van de dubbellaag,
waardoor de binnenzijde van de membraan zichtbaar wordt.
- De eiwitten breken minder snel en blijven achter, wat het mogelijk maakt de
positie van eiwitten in de membraan te visualiseren.
- Deze techniek toont de asymmetrie van de membraanhelften.
- Classificatie van membraanproteïnen
1. Integrale membraanproteïnen:
-> Amfipathisch met zowel hydrofobe als hydrofiele regio’s.
-> Moeilijk te isoleren en cruciaal voor de structuur van de membraan
! Transmembraaneiwitten
-> overspannen de gehele membraan met hydrofiele uitsteeksels aan beide
zijden
-> vaak in de vorm van a-helixen of b-barrels
-> bevatten een cytoplasmatisch, transmembraan- en extracellulair domein.
-> Vaak sterk geglycosyleerd, met oligosaccharidemodificaties in het
extracellulair domein.
, 2. Perifere membraanproteïnen:
-> Geen hydrofobe regio’s, verbinden zich via zwakke interacties (zoals van der
Waals) met andere membraaneiwitten.
-> Gemakkelijk te verwijderen zonder de membraan te beschadigen.
3. Lipide-verankerde membraanproteïnen:
-> Verankerd aan één zijde van de membraan door een covalent gebonden lipide
groep (bijv. vetzuur of isoprenyl groep).
-> GPI-ankers verankeren eiwitten aan de buitenzijde van de membraan en
kunnen door fosfolipase C worden geknipt.
- Mobiliteit van membraanproteïnen
=> Membraanproteïnen kunnen zich lateraal bewegen, maar de mobiliteit
varieert.
Bewijs van mobiliteit
1. bewijsvoering voor de beweeglijkheid van membraaneiwitten komt van fusie
experimenten tussen cellen van muizen en mensen (heterokaryons) door Freye
en Edidin:
- door gebruik te maken van soort-specifieke antilichamen, gemerkt met
verschillend gekleurde fluorescente stoffen (bv. groen anti-muis en rood anti-
mens) kunnen de membraaneiwitten van de twee cellen terzelfdertijd
gevisualiseerd worden
- Zolang de gefuseerde cel (heterokaryon) bij 4°C wordt gehouden is de
vloeibaarheid van de membraan zo laag dat de membraaneiwitten nauwelijks
bewegen en de twee merkers sterk gelokaliseerd blijven
- maar bij 37°C verspreiden de gemerkte moleculen zich door passieve diffusie
over de gehele membraan en vermengen ze zich volledig
2. Verdere bewijsvoering voor de diffusiesnelheid van membraanproteïnen werd
verkregen door de ontdekking van het proces dat patching genoemd wordt
- Wanneer men cellen incubeert met antilichamen die binden met specifieke
integrale proteïnen die zich blootstellen aan het celoppervlak, wordt aanvankelijk
een homogene spreiding van het antilichaam waargenomen, maar deze vormen
al gauw groepjes (patches) die op lange termijn gaan samenkomen in één gebied
van het celoppervlak (capping)
- Met behulp van moderne lichtmicroscopische technieken kan de laterale
diffusiesnelheid vrij accuraat gemeten worden. Dit doet men bijvoorbeeld door in
een fluorescent gemerkte celmembraan te meten hoe snel fluorescentie weer
verschijnt na fotobleking van een kleine regio met een sterk gefocuste
laserbundel (fluorescence recovery after photobleaching).
Beperkingen in mobiliteit van membraaneiwitten
-> Cellen kunnen de beweeglijkheid van membraaneiwitten beperken, wat
resulteert in gelokaliseerde membraanfuncties en celpolarisatie (bijv. epitheel) of
een homogene verdeling van eiwitten (bijv. in erythrocyten).
