H2 – Functionele organisatie van een cel
Inleiding – Fysiologie
= De studie van de homeostatische mechanismen waardoor organisme kan blijven bestaan ondanks de steeds
veranderde druk die wordt opgelegd door de vijand
➢ Oude discipline die de laatste jaren weer belang krijgt door nieuwe genetische info
Structuur van biologische membranen
Waarom een celmembraan noodzakelijk is
• De cel bevat een complex CP rijk aan EW, nucleïnezuren, NT & suikers
• Het kost veel energie om:
o deze moleculen te synthetiseren of op te slaan
o de ionenconcentraties intracellulair stabiel te houden
• Zonder barrière zouden deze stoffen binnen enkele seconden wegdiffunderen
➢ Plasmamembraan = essentiële barrière (± 10 nm dik)
Eigenschappen van het plasmamembraan
• Impermeabel (niet doorlaten) voor grote moleculen: EW & nucleïnezuren
• Semipermeabel voor kleine moleculen: ionen & metabolieten
➢ Selectieve opname
➢ Verhindert verlies van belangrijke celcomponenten.
Waarom transport nodig is
• Extracellulaire concentratie van voedingsstoffen is vaak veel lager dan intracellulair
• De cel moet stoffen tegen een concentratiegradiënt in kunnen opstapelen.
➢ Een porie kan dit niet: enkel passieve diffusie
➢ Actief transport is noodzakelijk (zie hoofdstuk 5).
Samenstelling van het celmembraan
Het membraan bestaat voornamelijk uit:
Vetzuren Vooral fosfolipiden (FL)
➢ FL = 2 vetzuurstaarten + glycerol + fosfaatgroep +
alcoholgroep
➢ In de cel: ongeveer 5 × 10⁹ fosfolipiden per cel
➢ De derde hydroxylgroep van glycerol is veresterd met een
fosfaatgroep > draagt een kopgroep (kleine polaire molecule)
Eiwitten Essentieel voor transport, signaaltransductie, structuur…
FOSFOLIPIDEN
Amfipatische aard van fosfolipiden
FP hebben twee contrasterende delen: combinatie van hydrofoob + hydrofiel
Hydrofobe staart (vetzuur) ➢ Apolair & niet geladen: Interageren niet met water
➢ Vermijden contact met water, wel oplosbaar in organische oplosmiddelen
Hydrofiele kop ➢ Polair & geladen: Goed oplosbaar in water
➢ Interageren met watermoleculen
,Zelforganisatie van fosfolipiden in water
FP organiseren zich spontaan om de hydrofobe staarten te beschermen tegen water
Lage Monolayer ➢ Staarten in de lucht, hoofdjes naar het water
concentratie ➢ Kost minder energie dan staarten in water brengen
Hoge micellen ➢ Bolvormige structuren: Hoofdjes buiten, staarten naar binnen
concentratie ➢ Staarten volledig afgeschermd van water
➢ Onderlinge interacties tussen staarten zijn energetisch gunstig
Zeer hoge lipidenbilayer ➢ Twee parallelle lagen (leaflets): Hoofdjes naar buiten, staarten naar elkaar toe
concentratie ➢ Spontaan proces: basis van alle biologische membranen
Fysische eigenschappen van de bilayer
De structuur en vloeibaarheid van het membraan worden bepaald door chemische aspecten:
Lengte van vetzuurstaarten Langere staarten > dikkere bilayer
Aard van kopgroep Hoe dikker de kop, hoe verder FP van elkaar liggen
Verzadiging van vetzuren Verzadigd (geen dubbele bindingen):
➢ Rechte ketens: strakker gepakt, vast
Onverzadigd (dubbele bindingen):
➢ Knik in keten: losser gepakt, meer vloeibaar
Laterale diffusie van fosfolipiden
• Een FP bilayer is vloeibaar en temperatuurgevoelig
• FP bewegen binnen dezelfde leaflet > lateral diffusion (Snelheid: ± 10−8cm²/s)
o Verplaatsing naar de andere leaflet gebeurt bijna nooit spontaan (kost te veel energie)
Temperatuureffecten
Temperatuur Thermisch VS interactie energie Toestand Diffusie
Hoog Thermische E > interactie E Sol staat: vloeibaar Snelle diffusie
Laag Thermische E < interactie E Gel staat: vast Trage diffusie
Transitietemperatuur
= De temperatuur waarbij fosfolipiden overgaan van gel naar sol (vast > vlst)
• Afhankelijk van vetzuurstaarten
o Lange, verzadigde staarten: dicht verpakt (gel) > hoge transitietemperatuur
o Korte of onverzadigde staarten: los verpakt (sol) > lage transitietemperatuur
▪ Nadeel: meer permeabel, kans op scheuren!
,Invloed van andere lipiden op membraanvloeibaarheid
Andere lipiden veranderen de sterkte van interacties tussen FL, dus ook diffusie en transitietemperatuur.
Cholesterol (CH) als belangrijkste modulator. CH heeft een stijve steroïdering waardoor het de vetzuurstaarten
gedeeltelijk immobiliseert.
Effect van CS Lage concentratie
➢ verlaagt vloeibaarheid (immobilisatie) > meer gel
➢ verhoogt de transitietemperatuur van gel naar sol
Hoge concentratie
➢ verhoogt vloeibaarheid: verstoort interacties tussen FL > meer sol
➢ verlaagt transitietemperatuur van gel naar sol
Belangrijke opmerkingen ➢ Een membraan heeft geen één vaste transitietemperatuur.
➢ Het gedrag hangt af van de mix van lipiden:
o Verzadigde, lange ketens: gel-achtige domeinen
o Onverzadigde, korte ketens: sol-achtige domeinen
Dierlijke FP meestal 1 V + 1 OV staart: goede balans tussen stabiliteit & vloeibaarheid
Flip-flop bewegingen tussen leaflets
Beweging tussen leaflets is zeer zeldzaam (kost veel energie). Als het toch gebeurt is het door de flip-flops.
➢ Cholesterol flip-flopt sneller (klein polair hoofdje: 1 OH-groep).
Enzymen die flip-flop reguleren
Enzym Richting Energie Opmerking
Flippase Buiten → binnen ATP Specifiek
Floppase Binnen → buiten ATP Specifiek
Scramblase Beide richtingen Geen ATP Niet-specifiek, o.a. voor cholesterol
Asymmetrie van de bilayer
De twee leaflets zijn chemisch en fysisch verschillend.
• Cytosol-leaflet: phosphatidylethanolamine & phosphatidylserine
o meer vloeibaar (sol) + negatief geladen
• Extracellulaire leaflet: phosphatidylcholine
o minder vloeibaar, stijver (gel)
! Asymmetrie is cruciaal voor signaaltransductie (second messengers)
Permeabiliteit van de fosfolipidenbilayer
Bilayer is ideaal om twee waterige compartimenten te scheiden. De hydrofobe staarten verhindert passage van
geladen of grote polaire moleculen.
➢ Geladen ionen: Na⁺, K⁺, Cl⁻, Ca²⁺
➢ Grote polaire moleculen: EW, NT nucleïnezuren & suikers
MEMBRAANEIWITTEN
Perifeer ➢ Geen directe interactie met lipiden, maar hanger aan integrale EW
➢ Kunnen relatief makkelijk verwijderd worden
➢ Functies: signaaltransductie, cytoskeletkoppeling…
Integraal ➢ Sterk verbonden met de bilayer
➢ Kunnen enkel verwijderd worden door het membraan op te lossen (detergenten)
Transmembranaire
➢ Doorlopen het hele membraan
➢ Bestaan meestal uit hydrofobe α-helices (AZ) > extreem onoplosbaar in water
, Aminozuren
➢ 20 fundamentele aminozuren
o 9 essentieel (uit voeding), 11 niet-essentieel (door lichaam gemaakt)
➢ Relevantie: transmembranaire segmenten bestaan uit hydrofobe AZ
Functie van membraaneiwitten
Alle communicatie tussen cel en omgeving verloopt via membraaneiwitten. We bespreken dan ook hun
verschillende functies.
! Uitzondering: vetoplosbare hormonen zoals steroïden, deze diffunderen door het membraan.
Receptoren: communicatie cel - omgeving
Ligand-bindende receptoren (LBR)
Bestaat uit 7 transmembranaire α-helices die een cilindervormige conformatie vormen.
➢ Extracellulaire N-terminus (bindt ligand)
➢ Intracellulaire C-terminus (activeert signaalroutes)
Mechanisme
1. Wateroplosbaar hormoon bindt aan extracellulaire receptorzijde (N)
2. Dit veroorzaakt een conformatieverandering in het hele eiwit.
3. De verandering wordt doorgegeven naar het intracellulaire domein (C)
4. Gevolgen:
o Receptor wordt enzymatisch actief
o Receptor activeert cytoplasmatische EW → productie van second messengers (2M)
Receptoren zijn dus signaalomzetters: van extracellulair signaal → intracellulaire respons
Adhesiemoleculen: cel-matrix verbinding
Integrinen
= Grote transmembranaire receptoren in dierlijke cellen, een belangrijke verbindende schakel
• Verbinden: ECM (fibronectine, laminine) & IC cytoskelet
• Belangrijk voor: Celgroei, celvorm & differentiatie
Mechanisme
• Transmembranaire segmenten vormen soms een porie gevuld met water om stoffen uit te wisselen
• Cytoplasmatische domeinen binden aan IC EW → geven mechanische en chemische informatie door.
Adhesiemoleculen koppelen buitenkant ↔ binnenkant en sturen celgedrag
Inleiding – Fysiologie
= De studie van de homeostatische mechanismen waardoor organisme kan blijven bestaan ondanks de steeds
veranderde druk die wordt opgelegd door de vijand
➢ Oude discipline die de laatste jaren weer belang krijgt door nieuwe genetische info
Structuur van biologische membranen
Waarom een celmembraan noodzakelijk is
• De cel bevat een complex CP rijk aan EW, nucleïnezuren, NT & suikers
• Het kost veel energie om:
o deze moleculen te synthetiseren of op te slaan
o de ionenconcentraties intracellulair stabiel te houden
• Zonder barrière zouden deze stoffen binnen enkele seconden wegdiffunderen
➢ Plasmamembraan = essentiële barrière (± 10 nm dik)
Eigenschappen van het plasmamembraan
• Impermeabel (niet doorlaten) voor grote moleculen: EW & nucleïnezuren
• Semipermeabel voor kleine moleculen: ionen & metabolieten
➢ Selectieve opname
➢ Verhindert verlies van belangrijke celcomponenten.
Waarom transport nodig is
• Extracellulaire concentratie van voedingsstoffen is vaak veel lager dan intracellulair
• De cel moet stoffen tegen een concentratiegradiënt in kunnen opstapelen.
➢ Een porie kan dit niet: enkel passieve diffusie
➢ Actief transport is noodzakelijk (zie hoofdstuk 5).
Samenstelling van het celmembraan
Het membraan bestaat voornamelijk uit:
Vetzuren Vooral fosfolipiden (FL)
➢ FL = 2 vetzuurstaarten + glycerol + fosfaatgroep +
alcoholgroep
➢ In de cel: ongeveer 5 × 10⁹ fosfolipiden per cel
➢ De derde hydroxylgroep van glycerol is veresterd met een
fosfaatgroep > draagt een kopgroep (kleine polaire molecule)
Eiwitten Essentieel voor transport, signaaltransductie, structuur…
FOSFOLIPIDEN
Amfipatische aard van fosfolipiden
FP hebben twee contrasterende delen: combinatie van hydrofoob + hydrofiel
Hydrofobe staart (vetzuur) ➢ Apolair & niet geladen: Interageren niet met water
➢ Vermijden contact met water, wel oplosbaar in organische oplosmiddelen
Hydrofiele kop ➢ Polair & geladen: Goed oplosbaar in water
➢ Interageren met watermoleculen
,Zelforganisatie van fosfolipiden in water
FP organiseren zich spontaan om de hydrofobe staarten te beschermen tegen water
Lage Monolayer ➢ Staarten in de lucht, hoofdjes naar het water
concentratie ➢ Kost minder energie dan staarten in water brengen
Hoge micellen ➢ Bolvormige structuren: Hoofdjes buiten, staarten naar binnen
concentratie ➢ Staarten volledig afgeschermd van water
➢ Onderlinge interacties tussen staarten zijn energetisch gunstig
Zeer hoge lipidenbilayer ➢ Twee parallelle lagen (leaflets): Hoofdjes naar buiten, staarten naar elkaar toe
concentratie ➢ Spontaan proces: basis van alle biologische membranen
Fysische eigenschappen van de bilayer
De structuur en vloeibaarheid van het membraan worden bepaald door chemische aspecten:
Lengte van vetzuurstaarten Langere staarten > dikkere bilayer
Aard van kopgroep Hoe dikker de kop, hoe verder FP van elkaar liggen
Verzadiging van vetzuren Verzadigd (geen dubbele bindingen):
➢ Rechte ketens: strakker gepakt, vast
Onverzadigd (dubbele bindingen):
➢ Knik in keten: losser gepakt, meer vloeibaar
Laterale diffusie van fosfolipiden
• Een FP bilayer is vloeibaar en temperatuurgevoelig
• FP bewegen binnen dezelfde leaflet > lateral diffusion (Snelheid: ± 10−8cm²/s)
o Verplaatsing naar de andere leaflet gebeurt bijna nooit spontaan (kost te veel energie)
Temperatuureffecten
Temperatuur Thermisch VS interactie energie Toestand Diffusie
Hoog Thermische E > interactie E Sol staat: vloeibaar Snelle diffusie
Laag Thermische E < interactie E Gel staat: vast Trage diffusie
Transitietemperatuur
= De temperatuur waarbij fosfolipiden overgaan van gel naar sol (vast > vlst)
• Afhankelijk van vetzuurstaarten
o Lange, verzadigde staarten: dicht verpakt (gel) > hoge transitietemperatuur
o Korte of onverzadigde staarten: los verpakt (sol) > lage transitietemperatuur
▪ Nadeel: meer permeabel, kans op scheuren!
,Invloed van andere lipiden op membraanvloeibaarheid
Andere lipiden veranderen de sterkte van interacties tussen FL, dus ook diffusie en transitietemperatuur.
Cholesterol (CH) als belangrijkste modulator. CH heeft een stijve steroïdering waardoor het de vetzuurstaarten
gedeeltelijk immobiliseert.
Effect van CS Lage concentratie
➢ verlaagt vloeibaarheid (immobilisatie) > meer gel
➢ verhoogt de transitietemperatuur van gel naar sol
Hoge concentratie
➢ verhoogt vloeibaarheid: verstoort interacties tussen FL > meer sol
➢ verlaagt transitietemperatuur van gel naar sol
Belangrijke opmerkingen ➢ Een membraan heeft geen één vaste transitietemperatuur.
➢ Het gedrag hangt af van de mix van lipiden:
o Verzadigde, lange ketens: gel-achtige domeinen
o Onverzadigde, korte ketens: sol-achtige domeinen
Dierlijke FP meestal 1 V + 1 OV staart: goede balans tussen stabiliteit & vloeibaarheid
Flip-flop bewegingen tussen leaflets
Beweging tussen leaflets is zeer zeldzaam (kost veel energie). Als het toch gebeurt is het door de flip-flops.
➢ Cholesterol flip-flopt sneller (klein polair hoofdje: 1 OH-groep).
Enzymen die flip-flop reguleren
Enzym Richting Energie Opmerking
Flippase Buiten → binnen ATP Specifiek
Floppase Binnen → buiten ATP Specifiek
Scramblase Beide richtingen Geen ATP Niet-specifiek, o.a. voor cholesterol
Asymmetrie van de bilayer
De twee leaflets zijn chemisch en fysisch verschillend.
• Cytosol-leaflet: phosphatidylethanolamine & phosphatidylserine
o meer vloeibaar (sol) + negatief geladen
• Extracellulaire leaflet: phosphatidylcholine
o minder vloeibaar, stijver (gel)
! Asymmetrie is cruciaal voor signaaltransductie (second messengers)
Permeabiliteit van de fosfolipidenbilayer
Bilayer is ideaal om twee waterige compartimenten te scheiden. De hydrofobe staarten verhindert passage van
geladen of grote polaire moleculen.
➢ Geladen ionen: Na⁺, K⁺, Cl⁻, Ca²⁺
➢ Grote polaire moleculen: EW, NT nucleïnezuren & suikers
MEMBRAANEIWITTEN
Perifeer ➢ Geen directe interactie met lipiden, maar hanger aan integrale EW
➢ Kunnen relatief makkelijk verwijderd worden
➢ Functies: signaaltransductie, cytoskeletkoppeling…
Integraal ➢ Sterk verbonden met de bilayer
➢ Kunnen enkel verwijderd worden door het membraan op te lossen (detergenten)
Transmembranaire
➢ Doorlopen het hele membraan
➢ Bestaan meestal uit hydrofobe α-helices (AZ) > extreem onoplosbaar in water
, Aminozuren
➢ 20 fundamentele aminozuren
o 9 essentieel (uit voeding), 11 niet-essentieel (door lichaam gemaakt)
➢ Relevantie: transmembranaire segmenten bestaan uit hydrofobe AZ
Functie van membraaneiwitten
Alle communicatie tussen cel en omgeving verloopt via membraaneiwitten. We bespreken dan ook hun
verschillende functies.
! Uitzondering: vetoplosbare hormonen zoals steroïden, deze diffunderen door het membraan.
Receptoren: communicatie cel - omgeving
Ligand-bindende receptoren (LBR)
Bestaat uit 7 transmembranaire α-helices die een cilindervormige conformatie vormen.
➢ Extracellulaire N-terminus (bindt ligand)
➢ Intracellulaire C-terminus (activeert signaalroutes)
Mechanisme
1. Wateroplosbaar hormoon bindt aan extracellulaire receptorzijde (N)
2. Dit veroorzaakt een conformatieverandering in het hele eiwit.
3. De verandering wordt doorgegeven naar het intracellulaire domein (C)
4. Gevolgen:
o Receptor wordt enzymatisch actief
o Receptor activeert cytoplasmatische EW → productie van second messengers (2M)
Receptoren zijn dus signaalomzetters: van extracellulair signaal → intracellulaire respons
Adhesiemoleculen: cel-matrix verbinding
Integrinen
= Grote transmembranaire receptoren in dierlijke cellen, een belangrijke verbindende schakel
• Verbinden: ECM (fibronectine, laminine) & IC cytoskelet
• Belangrijk voor: Celgroei, celvorm & differentiatie
Mechanisme
• Transmembranaire segmenten vormen soms een porie gevuld met water om stoffen uit te wisselen
• Cytoplasmatische domeinen binden aan IC EW → geven mechanische en chemische informatie door.
Adhesiemoleculen koppelen buitenkant ↔ binnenkant en sturen celgedrag
