Hoofdstuk 11: Biologische
membranen
Inhoudsopgave
Centrale vraagstelling H11:............................................................................................................................ 3
11.1 Inleiding................................................................................................................................................. 4
11.1.1 Eigenschappen van water.........................................................................................................................4
11.1.1.1sbWater: Het belangrijkste achtergrondmolecule in levende systemen...........................................5
11.1.1.2 Watermoleculen vormen netwerken: klevend water.......................................................................5
11.1.2 Opgeloste stoffen in water........................................................................................................................5
11.1.2.1 Water kan veel zouten oplossen.......................................................................................................6
11.1.2.2 Polaire moleculen trekken eveneens polaire watermoleculen aan ( = hydrofiel)............................6
11.1.2.3 Water vormt een kooistructuur rond hydrofobe moleculen............................................................6
11.1.3 Cellulaire membranen...............................................................................................................................7
11.1.3.1 Subcellulaire compartimenten..........................................................................................................7
11.2 De lipiden dubbellaag............................................................................................................................. 7
11.2.1. Membraanlipiden vormen een dubbellaag in water...............................................................................7
11.2.1.1 Een typisch membraanlipide heeft een hydrofiele kop en hydrofobe staarten...............................8
11.2.1.2 Fosfatidycholine (lecithine) is het meest voorkomende fosfolipide in membranen........................9
11.2.1.3 Enkele andere membraanlipiden....................................................................................................10
11.2.1.4 Enkele fosfolipiden..........................................................................................................................10
11.2.1.5 Amfipatische fosfolipiden vormen een dubbellaag in water..........................................................11
11.2.1.6 Fosfolipidedubbellagen vormen spontaan gesloten compartimenten...........................................12
11.2.1.7 Fosfolipiden vormen spontane vesikelvorming in water................................................................12
11.2.1.8 Kunstmatig dubbellaagmembraan..................................................................................................13
11.2.2. Een lipidendubbellaag is een twee-dimensionale vloeistof...................................................................13
11.2.2.1 Experiment: aantonen dat de vloeibaarheid van het membraan aan de hand van een laser pincet
.......................................................................................................................................................................14
11.2.3. Vloeibaarheid van de membraan hangt af van zijn samenstelling........................................................14
11.2.3.1 Onverzadigde vetzuurketens verhogen de vloeibaarheid van het membraan...............................15
11.2.3.2 Het belang van een vloeibaar membraan.......................................................................................15
11.2.3.3 Cholesterol maakt membranen meer rigide en ondoorlaatbaar....................................................15
11.2.4. Membraansynthese begint in het ER.....................................................................................................16
11.2.4.1 Vesticulair transport verdeelt lipiden: cytosolaire zijde blijft cytosolaire zijde..............................17
11.2.5. De asymmetrische verdeling van fosfolipiden en glycolipiden..............................................................18
11.2.5.1 Lipidenscheiding in domeinen ( = lipide rafts).................................................................................18
11.2.5.2 Signaalfunctie van sommige lipiden: fosfatidylinositolbisfosfaat bron van inositoltrisfosfaat (IP3)
.......................................................................................................................................................................18
11.2.6. Permeabiliteit van de membraan..........................................................................................................19
............................................................................................................................................................................19
11.2.6.2 Farmaca zijn vaak zwakke zuren of zwakke basen (opname door membranen in ongeladen
toestand is enkel mogelijk bij een bepaalde omgevings-pH)........................................................................20
11.2.6.3 Zwakke zuren en zwakke basen......................................................................................................20
11.3 Membraan proteïnen........................................................................................................................... 21
1
,11.3a Functies van membraanproteïnen...................................................................................................... 21
11.3.1. Verschillende wijzen waarop proteïnen associëren met membranen...................................................21
11.3.1.1 Reële voorstelling van membraanproteïnen...................................................................................22
11.3.1.2 Disulfidebruggen en suikergroepen exclusief aan extra-cytosolaire (exoplasmatische) zijde.......23
11.3.1.3 Peptidebindingen in proteïnen zijn hydrofiel (ruggengraat); zijtekens R zijn hydrofiel of
hydrofoob......................................................................................................................................................23
11.3.2. Polypeptideketens die de lipiden dubbellaag overbruggen...................................................................24
11.3.2.1 Een porie (kanaal) doorheen de membraan kan gevormd worden door een aantal
(amfipathische) α helices...............................................................................................................................25
11.3.2.2 Porines zijn water-gevulde kanalen met een grote diameter.........................................................25
11.3.3. Membraaneiwitten lossen op in detergenten en kunnen dan worden gezuiverd.................................26
11.3.3.1 Membraanproteïnen kunnen in oplossing gehouden worden door de detergenten....................27
11.3.4. De structuur van enkele membraaneiwitten.........................................................................................28
11.2.4.1 Mechanisme van Bacteriorhodopsin: een door licht aangedreven protonenpomp......................29
11.3.5. Het plasmamembraan is gesteund door de celcortex...........................................................................29
11.3.5.1 De celcortex van humane rode bloedcellen is best bestudeerd.....................................................29
11.3.6. Een cel kan de beweging van membraaneiwitten controleren..............................................................30
11.3.6.1 De zijdelingse beweging van membraanproteïnen kan gelimiteerd zijn........................................30
11.3.6.2 Een epitheelcel uit de darm of niet vertoont plasmamebraan subdomeinen................................31
11.3.7. Eukaryote cellen zijn bedekt met een koolhydratenlaag.......................................................................31
11.3.7.1 De koolhydratenlaag die erythrocyten cellen bedekt (glycocalix)..................................................31
H11: Biologische membranen en kine........................................................................................................... 32
H11: Belangrijke concepten.......................................................................................................................... 32
H11: Belangrijke begrippen.......................................................................................................................... 33
Het belang van cellulaire membranen:
Barrière:
1) Bescherming van de inhoud (afbakening): hoge concentratie aan opgeloste stoffen
concentratiegradiënt
2) Ongelijke verdeling van ladingen in en uit:
ladingsgradiënt elektrische spanning
3) “Semi-ondoordringbaar” (sommige stoffen kunnen er door en sommige niet):
permeabiliteitsbarrière in en uit
2
,4) Geeft structuur en vorm aan een cel
5) Beschermt de cel tegen indringers
Een cel in rust is meer – dan + geladen
Hoe laat het celmembraan de volgende functies toe?
1) Sensor van de omgeving
2) Selectieve passage van stoffen
- Nutriënten in en afvalstoffen uit
3) Mechanische eigenschappen:
- Het membraan past zich aan en hersluit = flexibel
- Denk aan spiercontracties cellen moeten goed flexibel zijn om
samengedrukt te worden en beweging toelaten
1 + 2 wordt mogelijk gemaakt door de eiwitten in het membraan
Een membraan is een mix van lipiden en eiwitten
Centrale vraagstelling H11:
• Hoe is een cellulaire membraan opgebouwd en wat zijn de eigenschappen van een
membraan?
• Wat is de functie van een membraan voor een cel?
• Hoe laat de membraan cellulaire communicatie, opname/afgifte van nutriënten en
beweging toe?
• Welke stofjes kunnen door de membraan en welke worden weerhouden?
• Wat verstaan we onder het endomembraan systeem van eukaryoten?
• Hoe zijn lipiden opgebouwd en wat zijn hun eigenschappen?
• Hoe interageren eiwitten en lipiden in een membraan?
Eigenschappen en opbouw van een membraan
3
, 11.1 Inleiding
11.1.1 Eigenschappen van water
Water is een polair molecule:
- Ongelijke verdeling van + en – ladingen
- De H-nucleus trekt het elektron minder aan dan O
Zuurstof:
- 8 electronen, 6 in buitenste schil
- Sterk elektronegatief
- Trekt sterker elektronen aan dan H
= Agressief molecule
= Elektronen zitten in een “energieput”
- Aanvullen van de buitenste schil van elektronen tot deze volledig gevuld is
met 8 elektronen:
= Een meer stabiele toestand
= O heeft de neiging om covalente bindingen te vormen
4
membranen
Inhoudsopgave
Centrale vraagstelling H11:............................................................................................................................ 3
11.1 Inleiding................................................................................................................................................. 4
11.1.1 Eigenschappen van water.........................................................................................................................4
11.1.1.1sbWater: Het belangrijkste achtergrondmolecule in levende systemen...........................................5
11.1.1.2 Watermoleculen vormen netwerken: klevend water.......................................................................5
11.1.2 Opgeloste stoffen in water........................................................................................................................5
11.1.2.1 Water kan veel zouten oplossen.......................................................................................................6
11.1.2.2 Polaire moleculen trekken eveneens polaire watermoleculen aan ( = hydrofiel)............................6
11.1.2.3 Water vormt een kooistructuur rond hydrofobe moleculen............................................................6
11.1.3 Cellulaire membranen...............................................................................................................................7
11.1.3.1 Subcellulaire compartimenten..........................................................................................................7
11.2 De lipiden dubbellaag............................................................................................................................. 7
11.2.1. Membraanlipiden vormen een dubbellaag in water...............................................................................7
11.2.1.1 Een typisch membraanlipide heeft een hydrofiele kop en hydrofobe staarten...............................8
11.2.1.2 Fosfatidycholine (lecithine) is het meest voorkomende fosfolipide in membranen........................9
11.2.1.3 Enkele andere membraanlipiden....................................................................................................10
11.2.1.4 Enkele fosfolipiden..........................................................................................................................10
11.2.1.5 Amfipatische fosfolipiden vormen een dubbellaag in water..........................................................11
11.2.1.6 Fosfolipidedubbellagen vormen spontaan gesloten compartimenten...........................................12
11.2.1.7 Fosfolipiden vormen spontane vesikelvorming in water................................................................12
11.2.1.8 Kunstmatig dubbellaagmembraan..................................................................................................13
11.2.2. Een lipidendubbellaag is een twee-dimensionale vloeistof...................................................................13
11.2.2.1 Experiment: aantonen dat de vloeibaarheid van het membraan aan de hand van een laser pincet
.......................................................................................................................................................................14
11.2.3. Vloeibaarheid van de membraan hangt af van zijn samenstelling........................................................14
11.2.3.1 Onverzadigde vetzuurketens verhogen de vloeibaarheid van het membraan...............................15
11.2.3.2 Het belang van een vloeibaar membraan.......................................................................................15
11.2.3.3 Cholesterol maakt membranen meer rigide en ondoorlaatbaar....................................................15
11.2.4. Membraansynthese begint in het ER.....................................................................................................16
11.2.4.1 Vesticulair transport verdeelt lipiden: cytosolaire zijde blijft cytosolaire zijde..............................17
11.2.5. De asymmetrische verdeling van fosfolipiden en glycolipiden..............................................................18
11.2.5.1 Lipidenscheiding in domeinen ( = lipide rafts).................................................................................18
11.2.5.2 Signaalfunctie van sommige lipiden: fosfatidylinositolbisfosfaat bron van inositoltrisfosfaat (IP3)
.......................................................................................................................................................................18
11.2.6. Permeabiliteit van de membraan..........................................................................................................19
............................................................................................................................................................................19
11.2.6.2 Farmaca zijn vaak zwakke zuren of zwakke basen (opname door membranen in ongeladen
toestand is enkel mogelijk bij een bepaalde omgevings-pH)........................................................................20
11.2.6.3 Zwakke zuren en zwakke basen......................................................................................................20
11.3 Membraan proteïnen........................................................................................................................... 21
1
,11.3a Functies van membraanproteïnen...................................................................................................... 21
11.3.1. Verschillende wijzen waarop proteïnen associëren met membranen...................................................21
11.3.1.1 Reële voorstelling van membraanproteïnen...................................................................................22
11.3.1.2 Disulfidebruggen en suikergroepen exclusief aan extra-cytosolaire (exoplasmatische) zijde.......23
11.3.1.3 Peptidebindingen in proteïnen zijn hydrofiel (ruggengraat); zijtekens R zijn hydrofiel of
hydrofoob......................................................................................................................................................23
11.3.2. Polypeptideketens die de lipiden dubbellaag overbruggen...................................................................24
11.3.2.1 Een porie (kanaal) doorheen de membraan kan gevormd worden door een aantal
(amfipathische) α helices...............................................................................................................................25
11.3.2.2 Porines zijn water-gevulde kanalen met een grote diameter.........................................................25
11.3.3. Membraaneiwitten lossen op in detergenten en kunnen dan worden gezuiverd.................................26
11.3.3.1 Membraanproteïnen kunnen in oplossing gehouden worden door de detergenten....................27
11.3.4. De structuur van enkele membraaneiwitten.........................................................................................28
11.2.4.1 Mechanisme van Bacteriorhodopsin: een door licht aangedreven protonenpomp......................29
11.3.5. Het plasmamembraan is gesteund door de celcortex...........................................................................29
11.3.5.1 De celcortex van humane rode bloedcellen is best bestudeerd.....................................................29
11.3.6. Een cel kan de beweging van membraaneiwitten controleren..............................................................30
11.3.6.1 De zijdelingse beweging van membraanproteïnen kan gelimiteerd zijn........................................30
11.3.6.2 Een epitheelcel uit de darm of niet vertoont plasmamebraan subdomeinen................................31
11.3.7. Eukaryote cellen zijn bedekt met een koolhydratenlaag.......................................................................31
11.3.7.1 De koolhydratenlaag die erythrocyten cellen bedekt (glycocalix)..................................................31
H11: Biologische membranen en kine........................................................................................................... 32
H11: Belangrijke concepten.......................................................................................................................... 32
H11: Belangrijke begrippen.......................................................................................................................... 33
Het belang van cellulaire membranen:
Barrière:
1) Bescherming van de inhoud (afbakening): hoge concentratie aan opgeloste stoffen
concentratiegradiënt
2) Ongelijke verdeling van ladingen in en uit:
ladingsgradiënt elektrische spanning
3) “Semi-ondoordringbaar” (sommige stoffen kunnen er door en sommige niet):
permeabiliteitsbarrière in en uit
2
,4) Geeft structuur en vorm aan een cel
5) Beschermt de cel tegen indringers
Een cel in rust is meer – dan + geladen
Hoe laat het celmembraan de volgende functies toe?
1) Sensor van de omgeving
2) Selectieve passage van stoffen
- Nutriënten in en afvalstoffen uit
3) Mechanische eigenschappen:
- Het membraan past zich aan en hersluit = flexibel
- Denk aan spiercontracties cellen moeten goed flexibel zijn om
samengedrukt te worden en beweging toelaten
1 + 2 wordt mogelijk gemaakt door de eiwitten in het membraan
Een membraan is een mix van lipiden en eiwitten
Centrale vraagstelling H11:
• Hoe is een cellulaire membraan opgebouwd en wat zijn de eigenschappen van een
membraan?
• Wat is de functie van een membraan voor een cel?
• Hoe laat de membraan cellulaire communicatie, opname/afgifte van nutriënten en
beweging toe?
• Welke stofjes kunnen door de membraan en welke worden weerhouden?
• Wat verstaan we onder het endomembraan systeem van eukaryoten?
• Hoe zijn lipiden opgebouwd en wat zijn hun eigenschappen?
• Hoe interageren eiwitten en lipiden in een membraan?
Eigenschappen en opbouw van een membraan
3
, 11.1 Inleiding
11.1.1 Eigenschappen van water
Water is een polair molecule:
- Ongelijke verdeling van + en – ladingen
- De H-nucleus trekt het elektron minder aan dan O
Zuurstof:
- 8 electronen, 6 in buitenste schil
- Sterk elektronegatief
- Trekt sterker elektronen aan dan H
= Agressief molecule
= Elektronen zitten in een “energieput”
- Aanvullen van de buitenste schil van elektronen tot deze volledig gevuld is
met 8 elektronen:
= Een meer stabiele toestand
= O heeft de neiging om covalente bindingen te vormen
4
