Samenvatting moleculaire biologie van de cel
Membranen, signaaltransductie en onderzoekstechnieken
Biomedische Wetenschappen
2020-2021
Door Nicole (studente BMW)
,Inhoudsopgave
Membraanarchitectuur ........................................................................................................................... 4
Membranen ......................................................................................................................................... 4
Membranen in evolutie ................................................................................................................... 4
Hydrofobe effect ............................................................................................................................. 7
Samenstelling ...................................................................................................................................... 7
Modelmembranen .................................................................................................................................. 9
Structuur en eigenschappen van lipiden ............................................................................................. 9
Vloeibaarheid membranen............................................................................................................ 11
Smelten van lipiden ....................................................................................................................... 12
Regulatie vloeibaarheid membranen ............................................................................................ 14
Lipide "pakking" (laterale drukprofiel) .......................................................................................... 15
Liposomen als drug-carriers .......................................................................................................... 16
Membraaneiwitten ........................................................................................................................... 18
Onderzoek ..................................................................................................................................... 22
Anesthetica .................................................................................................................................... 24
Membraandikte ............................................................................................................................. 26
Bacteriële thermosensor ............................................................................................................... 28
Interacties van wateroplosbare eiwitten met membranen .............................................................. 29
Microbiële peptiden ...................................................................................................................... 29
Helical wheel ................................................................................................................................. 31
Amyloïden...................................................................................................................................... 31
Membraanbiogenese ............................................................................................................................ 36
Biogenese van membraaneiwitten ................................................................................................... 36
Functies ......................................................................................................................................... 36
Transport ....................................................................................................................................... 36
Signaalsequenties .......................................................................................................................... 37
Biogenese van mitochondriën en chloroplasten............................................................................... 40
Mitochondriën................................................................................................................................... 42
Matrixeiwitten ............................................................................................................................... 43
Porines (β-barrels) ......................................................................................................................... 46
Binnenmembraan eiwitten en tussenmembraanruimte .............................................................. 47
Endoplasmatisch reticulum (ER)........................................................................................................ 47
Co-translationele eiwittranslocatie ............................................................................................... 48
Glycosylering ................................................................................................................................. 49
Kwaliteitscontrole (QC) ................................................................................................................. 51
1
, Integrale membraaneiwitten ............................................................................................................ 54
Single pass integrale membraaneiwitten ...................................................................................... 54
Double pass integrale membraaneiwitten .................................................................................... 56
Multipass integrale membraaneiwitten ........................................................................................ 56
Biogenese van lipidenmatrix in membranen .................................................................................... 57
Glycerofosfolipiden ....................................................................................................................... 57
Sfingolipiden .................................................................................................................................. 57
Sterolen ......................................................................................................................................... 58
Verdeling van lipiden ..................................................................................................................... 59
Analysemethoden lipide samenstelling ........................................................................................ 59
Specifieke functies membraanlipiden ........................................................................................... 61
Biosynthese van glycerofosfolipiden ............................................................................................. 65
Intracellulair transport van glycerofosfolipiden ............................................................................ 72
Regulatie van de biosynthese van cholesterol .............................................................................. 83
Signaaltransductie ................................................................................................................................. 88
Homeostase....................................................................................................................................... 88
Eiwitten signaaltransductie ............................................................................................................... 89
Dubbele remming .......................................................................................................................... 90
Belangrijke pathways ........................................................................................................................ 91
Eiwitten ............................................................................................................................................. 92
Domeinen ...................................................................................................................................... 92
Scaffold eiwitten............................................................................................................................ 96
Intracellulaire signaleringscomplexen ........................................................................................... 97
Post-translationele modificaties ................................................................................................... 99
Moleculaire schakelaars .................................................................................................................. 102
Kinasen ........................................................................................................................................ 102
GTPasen ....................................................................................................................................... 107
Monomere GTPasen .................................................................................................................... 108
Heterotrimere GTPasen .............................................................................................................. 113
Calcium ............................................................................................................................................ 122
cAMP ............................................................................................................................................... 125
PKA .............................................................................................................................................. 125
Hormoon geïnduceerde cel responsen ....................................................................................... 127
Enzym gekoppelde receptoren ....................................................................................................... 128
Receptor tyrosine kinasen (RTKs) ................................................................................................ 128
2
, Wnt-signalering ............................................................................................................................... 135
Negatieve feedback ..................................................................................................................... 138
Crosstalk .......................................................................................................................................... 138
Coincidence detector .................................................................................................................. 139
Kwantitatieve aspecten voor cel signalering ................................................................................... 140
Negatieve feedback ......................................................................................................................... 141
Positieve feedback........................................................................................................................... 143
Coöperativiteit................................................................................................................................. 144
Onderzoekstechnieken........................................................................................................................ 145
Body of knowledge .......................................................................................................................... 146
Lokalisatie ........................................................................................................................................ 147
Nuclear factor of activated T-cells (NFAT)................................................................................... 147
Conclusie ......................................................................................................................................... 159
3
,Membraanarchitectuur
Membranen
Goedwerkende membranen zijn essentieel voor gezonde cellen en hebben een aantal kenmerken:
• Permeabiliteitsbarrière en vorming microcompartimenten
• Selectief transport
• Communicatie tussen binnen en buiten de cel
• Energielevering / opslag (met behulp van gradiënten)
• Dynamisch
Daarnaast vormen ze een belangrijke barrière voor:
• Medicijnen
• Toxische stoffen
• Virussen
Membranen in evolutie
Zeepbellen ontstaan door zelf-assemblage van amfipatische moleculen in lucht met water.
Amfipatische moleculen bevatten zowel een hydrofiele als hydrofobe groep. Bij de zeepbellen
zullen de hydrofiele groepen zich naar het water richten en de hydrofobe groepen naar de lucht.
Figuur 1 Schematische weergave van de zelf-assemblage van zeepbellen in lucht en water.
Op het moment dat er geen lucht aanwezig is in de omgeving, maar alleen water, zal de oriëntatie
precies andersom zijn. Dit is het geval bij membranen, hierbij richten de hydrofiele kopgroepen van
de vetzuren zich naar het water en de hydrofobe staarten zich naar elkaar, waardoor er een lipide
bilaag ontstaat. Hierbij is het hydrofobe effect de belangrijkste drijvende kracht voor de vorming van
lipide bilagen. Daarnaast bevorderen de vanderWaals krachten, tussen de koolwaterstofstaarten, de
dichte pakking van de staarten.
Figuur 2 Schematische weergave van de zelf-assemblage van membranen in water.
4
, Naast bovengenoemde manieren van assemblage zijn er ook nog andere manieren van assemblage,
waaronder micellen en liposomen. Hierbij geldt dat de vorm van de moleculen bepalend is voor de
organisatie.
Micellen
Bij micellen zijn de kopgroepen dikker dan de vetzuurstaarten (kegelvorm). Hierdoor kunnen ze niet
recht naast elkaar gestapeld worden en ontstaat er een bol. Bij membraanlipiden zijn de kopgroepen
even dik als de vetzuurstaarten (cilindrische vorm) en kunnen ze dus lineair gestapeld worden:
• Micel → Kegelvorm en waterig milieu
• Lipide bilaag → Cilindrische vorm en waterig milieu
Figuur 3 Schematische weergave van de verschillen in vorm tussen een micel en een lipide bilaag.
Omgekeerde kegelvorm
Er zijn echter ook lipiden met een omgekeerde kegelvorm. Hierbij is de kopgroep erg klein en bevat
het twee vetzuurstaarten. Fosfatidylethanolamine is hier een voorbeeld van, de verschillen zijn
hieronder geïllustreerd. Op het moment dat er veel lipiden met een omgekeerde kegelvorm in een
waterig milieu zitten, zullen deze lipiden assembleren tot een hexagonale fase. Hierbij richten de
hydrofiele kopgroepen zich naar het water toe, waardoor de buizen als het ware gevuld zijn met
water. Daarnaast richten de apolaire staarten zich naar elkaar toe, waardoor elke 'buis' omringd
wordt door zes andere buizen.
Figuur 4 Schematische weergave van de verschillen in de vorm van lipiden.
5
Membranen, signaaltransductie en onderzoekstechnieken
Biomedische Wetenschappen
2020-2021
Door Nicole (studente BMW)
,Inhoudsopgave
Membraanarchitectuur ........................................................................................................................... 4
Membranen ......................................................................................................................................... 4
Membranen in evolutie ................................................................................................................... 4
Hydrofobe effect ............................................................................................................................. 7
Samenstelling ...................................................................................................................................... 7
Modelmembranen .................................................................................................................................. 9
Structuur en eigenschappen van lipiden ............................................................................................. 9
Vloeibaarheid membranen............................................................................................................ 11
Smelten van lipiden ....................................................................................................................... 12
Regulatie vloeibaarheid membranen ............................................................................................ 14
Lipide "pakking" (laterale drukprofiel) .......................................................................................... 15
Liposomen als drug-carriers .......................................................................................................... 16
Membraaneiwitten ........................................................................................................................... 18
Onderzoek ..................................................................................................................................... 22
Anesthetica .................................................................................................................................... 24
Membraandikte ............................................................................................................................. 26
Bacteriële thermosensor ............................................................................................................... 28
Interacties van wateroplosbare eiwitten met membranen .............................................................. 29
Microbiële peptiden ...................................................................................................................... 29
Helical wheel ................................................................................................................................. 31
Amyloïden...................................................................................................................................... 31
Membraanbiogenese ............................................................................................................................ 36
Biogenese van membraaneiwitten ................................................................................................... 36
Functies ......................................................................................................................................... 36
Transport ....................................................................................................................................... 36
Signaalsequenties .......................................................................................................................... 37
Biogenese van mitochondriën en chloroplasten............................................................................... 40
Mitochondriën................................................................................................................................... 42
Matrixeiwitten ............................................................................................................................... 43
Porines (β-barrels) ......................................................................................................................... 46
Binnenmembraan eiwitten en tussenmembraanruimte .............................................................. 47
Endoplasmatisch reticulum (ER)........................................................................................................ 47
Co-translationele eiwittranslocatie ............................................................................................... 48
Glycosylering ................................................................................................................................. 49
Kwaliteitscontrole (QC) ................................................................................................................. 51
1
, Integrale membraaneiwitten ............................................................................................................ 54
Single pass integrale membraaneiwitten ...................................................................................... 54
Double pass integrale membraaneiwitten .................................................................................... 56
Multipass integrale membraaneiwitten ........................................................................................ 56
Biogenese van lipidenmatrix in membranen .................................................................................... 57
Glycerofosfolipiden ....................................................................................................................... 57
Sfingolipiden .................................................................................................................................. 57
Sterolen ......................................................................................................................................... 58
Verdeling van lipiden ..................................................................................................................... 59
Analysemethoden lipide samenstelling ........................................................................................ 59
Specifieke functies membraanlipiden ........................................................................................... 61
Biosynthese van glycerofosfolipiden ............................................................................................. 65
Intracellulair transport van glycerofosfolipiden ............................................................................ 72
Regulatie van de biosynthese van cholesterol .............................................................................. 83
Signaaltransductie ................................................................................................................................. 88
Homeostase....................................................................................................................................... 88
Eiwitten signaaltransductie ............................................................................................................... 89
Dubbele remming .......................................................................................................................... 90
Belangrijke pathways ........................................................................................................................ 91
Eiwitten ............................................................................................................................................. 92
Domeinen ...................................................................................................................................... 92
Scaffold eiwitten............................................................................................................................ 96
Intracellulaire signaleringscomplexen ........................................................................................... 97
Post-translationele modificaties ................................................................................................... 99
Moleculaire schakelaars .................................................................................................................. 102
Kinasen ........................................................................................................................................ 102
GTPasen ....................................................................................................................................... 107
Monomere GTPasen .................................................................................................................... 108
Heterotrimere GTPasen .............................................................................................................. 113
Calcium ............................................................................................................................................ 122
cAMP ............................................................................................................................................... 125
PKA .............................................................................................................................................. 125
Hormoon geïnduceerde cel responsen ....................................................................................... 127
Enzym gekoppelde receptoren ....................................................................................................... 128
Receptor tyrosine kinasen (RTKs) ................................................................................................ 128
2
, Wnt-signalering ............................................................................................................................... 135
Negatieve feedback ..................................................................................................................... 138
Crosstalk .......................................................................................................................................... 138
Coincidence detector .................................................................................................................. 139
Kwantitatieve aspecten voor cel signalering ................................................................................... 140
Negatieve feedback ......................................................................................................................... 141
Positieve feedback........................................................................................................................... 143
Coöperativiteit................................................................................................................................. 144
Onderzoekstechnieken........................................................................................................................ 145
Body of knowledge .......................................................................................................................... 146
Lokalisatie ........................................................................................................................................ 147
Nuclear factor of activated T-cells (NFAT)................................................................................... 147
Conclusie ......................................................................................................................................... 159
3
,Membraanarchitectuur
Membranen
Goedwerkende membranen zijn essentieel voor gezonde cellen en hebben een aantal kenmerken:
• Permeabiliteitsbarrière en vorming microcompartimenten
• Selectief transport
• Communicatie tussen binnen en buiten de cel
• Energielevering / opslag (met behulp van gradiënten)
• Dynamisch
Daarnaast vormen ze een belangrijke barrière voor:
• Medicijnen
• Toxische stoffen
• Virussen
Membranen in evolutie
Zeepbellen ontstaan door zelf-assemblage van amfipatische moleculen in lucht met water.
Amfipatische moleculen bevatten zowel een hydrofiele als hydrofobe groep. Bij de zeepbellen
zullen de hydrofiele groepen zich naar het water richten en de hydrofobe groepen naar de lucht.
Figuur 1 Schematische weergave van de zelf-assemblage van zeepbellen in lucht en water.
Op het moment dat er geen lucht aanwezig is in de omgeving, maar alleen water, zal de oriëntatie
precies andersom zijn. Dit is het geval bij membranen, hierbij richten de hydrofiele kopgroepen van
de vetzuren zich naar het water en de hydrofobe staarten zich naar elkaar, waardoor er een lipide
bilaag ontstaat. Hierbij is het hydrofobe effect de belangrijkste drijvende kracht voor de vorming van
lipide bilagen. Daarnaast bevorderen de vanderWaals krachten, tussen de koolwaterstofstaarten, de
dichte pakking van de staarten.
Figuur 2 Schematische weergave van de zelf-assemblage van membranen in water.
4
, Naast bovengenoemde manieren van assemblage zijn er ook nog andere manieren van assemblage,
waaronder micellen en liposomen. Hierbij geldt dat de vorm van de moleculen bepalend is voor de
organisatie.
Micellen
Bij micellen zijn de kopgroepen dikker dan de vetzuurstaarten (kegelvorm). Hierdoor kunnen ze niet
recht naast elkaar gestapeld worden en ontstaat er een bol. Bij membraanlipiden zijn de kopgroepen
even dik als de vetzuurstaarten (cilindrische vorm) en kunnen ze dus lineair gestapeld worden:
• Micel → Kegelvorm en waterig milieu
• Lipide bilaag → Cilindrische vorm en waterig milieu
Figuur 3 Schematische weergave van de verschillen in vorm tussen een micel en een lipide bilaag.
Omgekeerde kegelvorm
Er zijn echter ook lipiden met een omgekeerde kegelvorm. Hierbij is de kopgroep erg klein en bevat
het twee vetzuurstaarten. Fosfatidylethanolamine is hier een voorbeeld van, de verschillen zijn
hieronder geïllustreerd. Op het moment dat er veel lipiden met een omgekeerde kegelvorm in een
waterig milieu zitten, zullen deze lipiden assembleren tot een hexagonale fase. Hierbij richten de
hydrofiele kopgroepen zich naar het water toe, waardoor de buizen als het ware gevuld zijn met
water. Daarnaast richten de apolaire staarten zich naar elkaar toe, waardoor elke 'buis' omringd
wordt door zes andere buizen.
Figuur 4 Schematische weergave van de verschillen in de vorm van lipiden.
5
