MOLECULAIRE BIOLOGIE VAN DE CEL
MEMBRAANARCHITECTUUR
Goedwerkende membraan is essentieel voor gezonde cel.
• Membraan moet:
o Niet lekken
o Stoffen selectief kunnen doorlaten
o Signalen door kunnen geven
o Zorgen voor energielevering en opslag
o Kunnen afsplitsen en fuseren zonder lekken -> dynamisch zijn
• Belangrijke barrière voor medicijnen, toxische stoffen, virussen etc.
Structuur en eigenschappen van lipiden
Membranen in evolutie en organisatie
• Ampfipatische moleculen kunnen op verschillende manieren zelf-assembleren
o Dubbellaag: in water zullen de lipiden met hun
hydrofiele deel (kop) naar het water organiseren
en hun hydrofobe deel (staart) afschermen van
het water. -> Je hebt te maken met vetzuren die
een kleine kopgroep en 2 staarten hebben.
o Micel: de lipiden zullen in een cirkel gaan liggen,
waarbij de staarten (hydrofobe deel) naar binnen
gericht zijn en de koppen (hydrofiele deel) naar
buiten. -> Je hebt te maken met vetzuren die een
grote kopgroep en één staart hebben.
→ De vorm van de moleculen bepaalt de organisatie.
Kegelvormen (polaire groep redelijk groot) vormen liever micellen en cilindrisch liever een
dubbellaag.
• Hydrofobe effect: water moleculen hebben sterke interactie onderling maar kunnen geen
gunstige interactie aangaan met hydrofobe moleculen
→ Gevolg: de hydrofobe moleculen worden naar elkaar toe gedreven
• Mogelijke ‘oermembranen”
o Barrière, maar geen hele sterke (kleine moleculen kunnen passeren)
o Dynamisch (fusie en splitsing mogelijk)
• Biologische membranen nu: veel functies, complexe samenstelling, complexe
fysische eigenschappen
• Kenmerken membraan:
o Permeabiliteit barrière
o Selectief transport
o Communicatie tussen binnen en buiten
o Energielevering/opslag
o Grote dynamiek
Verschillen van cellulaire membranen
• Lipide samenstelling
o Glycolysering is verdeeld
o Lipiden zijn ook vlak van de membraan niet
altijd homogeen verdeelt
, o Cholesterol ordent en strekt de ketens van de lipiden en
kan cholesterol-rijke domeinen vormen (rafts)
o Rafts: rijk aan cholesterol en sphingolipiden, lipiden
meer geordend, speciale eigenschappen en functies
• Transbilaag verdeling
o Bepaalde lipiden zitten meer aan de binnenkant dan aan
de buitenkant en vice versa
→ Zo bevat het ER veel minder cholesterol en minder suikergroepen dan het plasmamembraan.
→ De plasmamembraan heeft een assymetrische verdeling van fosfolipiden over de binnenste en
buitenste leaflet. Het ER is meer symmetrisch verdeeld.
Algemene structuur van fosfolipide
• Een van de meest voorkomende lipiden in membranen van dierlijke cellen:
o Hydrofiele kopgroep bestaande uit een fosfaat- en een alcoholgroep,
gebonden aan een glycerolmolecuul met twee vetzuurstaarten.
• Grote variatie in kopgroep en vetzuurstaarten
o Kopgroep is altijd negatief of neutraal geladen
o Phosphatidyl choline structuur moet je uit je hoofd
kennen!!
o Vetzuren in dierlijke cellen bevatten een even aantal
C-atomen, variërend van 14 tot 24 meestal. ->
Verschil zit in de aantal C-atomen en verzadigdheid.
o Er zit geen vrije rotatie rond dubbele bindingen, dus
er zijn cis- en transbindingen.
o Dubbele bindingen vormen een plat vlak.
o Een cis-dubbele binding in een vetzuurketen veroorzaakt een knik. → Dit heeft gevolgen
voor de vloeibaarheid; pakking is verstoord, de manier waarop de vetzuurstaarten tegen
elkaar aanzitten.
o Er is wel vrije rotatie mogelijk rond enkele bindingen.
Eigenschappen membraan beïnvloed door vetzuurstaarten en kopgroepen
De vetzuurstaarten en de kopgroepen zijn bepalend voor de eigenschappen van een membraan.
• Vetzuurstaarten -> vloeibaarheid
• Kopgroepen -> kromming van lipiden
Vetzuurstaarten
• Lipiden zijn vetten en kunnen smelten
• Vetzuurstaarten bepalen in grote mate het smeltgedrag
o Verzadigd: hoog smeltpunt; vast (boter)
o Onverzadigd: laag smeltpunt; vloeibaar (olie)
• Wat gebeurt er bij smelten? Overspringen van trans naar gauche isomeer
o Verzadigde ketens (zonder dubbele bindingen) gaan meer bewegen en worden ongeordend.
o Bij lage temperatuur zijn de vetzuurstaarten in een all-trans
conformatie. Dit geeft een gunstige pakking van de ketens naast elkaar.
o Bij verhoging van temperatuur gaan de moleculen meer bewegen en
worden trans-gauche isomerisaties (er is vrije draaibaarheid rondom
C-C bindingen) energetisch gunstiger
- Isomerisatie in de keten verstoort de pakking
- Gevolg: smelten is een coöperatief proces: als er één keten
begint, gaan de andere eromheen ook; het begint bij het uiteinde
, o Laterale diffusie van lipiden in vloeibare fase ong. 100x zo groot
- Vloeibaar kristallijne fase: fase waarbij het membraan ‘gesmolten’ is
o Elke lipide heeft een karakteriseerde smelttemperatuur
-> Lengte en verzadigdheid van de vetzuurketens zijn bepalend voor de
smelttemperatuur van lipiden.
- Hoe langer de keten, hoe hoger de smelttemperatuur
- Hoe meer C-atomen -> hoe hoger de smelttemperatuur (meer gunstigere interacties)
- Onverzadigde verbinding -> verlaging smelttemperatuur
- Cholesterol
• Eigenschappen van bilagen in gel fase en vloeibare fase:
o Membranen vormen een efficiënte barrière onder en boven Tm
o De dimensies zijn anders: in een gel fase zijn de bilagen dikker en is het oppervlak per
molecuul kleiner
o Consequentie: pakkingsdefecten bij T = Tm, moleculen kunnen er makkelijker doorheen
• Biologische membranen hebben een smelttraject (vloeibare fase bij groeitemperatuur), doordat
ze verschillende lipiden bevatten
• Membraanvloeibaarheid is belangrijk voor:
o Flexibiliteit en dynamiek van membraaneiwitten
o Laterale bewegingen van lipiden en eiwitten (difussie): belangrijk voor associatie en
dissociatie van membraaneiwitten, vorming van domeinen etc.
o Dynamische eigenschappen van membranen: afsnoeren van vesicles, fusie, flip-flop van
lipide
• De vetzuursamenstelling verandert bij verschillende temperaturen. Zo zullen er
meer verzadigde lipiden zijn bij een hogere temperatuur. De vloeibaarheid van
het membraan zou dan gelijk blijven. DUS vloeibaarheid is belangrijk!
Kopgroepen
• Kopgroepen kunnen de vorm/curvatuur bepalen van het lipide en dus daarmee
de manier waarop de lipiden assembleren: micel/dubbellaag
• Membranen bevatten ook lipiden met een omgekeerde kegelvorm:
niet-bilaag lipiden (type II lipiden)
• Kegelvormige lipiden zoals PE zullen bij voorkeur een gekromde
structuur vormen
• Kegelvormige lipiden zoals PE vormen bij voorkeur een hexagonale
fase in water. De vetzuurstaarten steken hier uit en hebben interactie
met elkaar. In het midden van deze buizen zit water.
, • Functie van niet-bilaag lipiden:
o Passen goed in sterk gekromde membranen
o Makkelijker induceren van fusie en afsnoering
o Het vormen van een vlakke bilaag (mengsel van bilaag en
niet-bilaag lipiden). Deze heeft andere eigenschappen
• Eigenschappen vlakke bilaag:
o Meer ruimte bij de kopgroepen: makkelijker voor
hydrofobe moleculen om aan de membraan te binden
en te inserteren
o Dichtere pakking in het midden van de membraan door
de staarten: lastiger voor moleculen om de membraan
te passeren
o Kan invloed hebben op structuur en dynamiek van
membraaneiwitten
Liposomen als drug-carriers
• Waarom?/ De voordelen
o Drug wordt minder snel geïnactiveerd in het bloed
o Niet toxisch
o Targeting mogelijk
o Controlled release mogelijk
o Mechanisme van opname in cel is anders dan voor vrije drug
• Hoe? Maken van lipide vesicles en inspuiten drug:
1. Lipiden in droge vorm in buisje
2. Buffer toevoegen met drug
3. Schudden: door het hydrofobe effect
worden spontaan lipide bilagen gevormd in de
vorm van multilamellaire vesicles (microm-
size)
4. Vesicles onder druk door filter met poriën van bijv. 200 nm:
unilamellaire vesicles met homogene grootte
5. Drug aan buitenkant verwijderen (dialyse, centrifugatie, gelpermeatie
chromatografie)
• Mogelijkheden:
o Je kunt zowel hydrofobe als hydrofiele drugs inbouwen
o Je kunt antilichamen/polyethyleenglycol etc. chemisch koppelen
o Je kan de eigenschappen van liposoom sterk aanpassen (‘tunen’)
Opname en afgifte van drugs
• Mogelijke variaties van lipiden: grootte, unilamellair
of multilamellair, barrière-eigenschappen,
vloeibaarheid, alleen bilaag of ook niet-bilaaglipiden
• De opname en afgifte van drugs kan op drie
verschillende manieren: passieve difussie,
endocytose en fusie
o Voordeel endocytose en fusie boven passieve
diffusie: omzeilen van probleem p-gp (of MDR)
eiwitten
MEMBRAANARCHITECTUUR
Goedwerkende membraan is essentieel voor gezonde cel.
• Membraan moet:
o Niet lekken
o Stoffen selectief kunnen doorlaten
o Signalen door kunnen geven
o Zorgen voor energielevering en opslag
o Kunnen afsplitsen en fuseren zonder lekken -> dynamisch zijn
• Belangrijke barrière voor medicijnen, toxische stoffen, virussen etc.
Structuur en eigenschappen van lipiden
Membranen in evolutie en organisatie
• Ampfipatische moleculen kunnen op verschillende manieren zelf-assembleren
o Dubbellaag: in water zullen de lipiden met hun
hydrofiele deel (kop) naar het water organiseren
en hun hydrofobe deel (staart) afschermen van
het water. -> Je hebt te maken met vetzuren die
een kleine kopgroep en 2 staarten hebben.
o Micel: de lipiden zullen in een cirkel gaan liggen,
waarbij de staarten (hydrofobe deel) naar binnen
gericht zijn en de koppen (hydrofiele deel) naar
buiten. -> Je hebt te maken met vetzuren die een
grote kopgroep en één staart hebben.
→ De vorm van de moleculen bepaalt de organisatie.
Kegelvormen (polaire groep redelijk groot) vormen liever micellen en cilindrisch liever een
dubbellaag.
• Hydrofobe effect: water moleculen hebben sterke interactie onderling maar kunnen geen
gunstige interactie aangaan met hydrofobe moleculen
→ Gevolg: de hydrofobe moleculen worden naar elkaar toe gedreven
• Mogelijke ‘oermembranen”
o Barrière, maar geen hele sterke (kleine moleculen kunnen passeren)
o Dynamisch (fusie en splitsing mogelijk)
• Biologische membranen nu: veel functies, complexe samenstelling, complexe
fysische eigenschappen
• Kenmerken membraan:
o Permeabiliteit barrière
o Selectief transport
o Communicatie tussen binnen en buiten
o Energielevering/opslag
o Grote dynamiek
Verschillen van cellulaire membranen
• Lipide samenstelling
o Glycolysering is verdeeld
o Lipiden zijn ook vlak van de membraan niet
altijd homogeen verdeelt
, o Cholesterol ordent en strekt de ketens van de lipiden en
kan cholesterol-rijke domeinen vormen (rafts)
o Rafts: rijk aan cholesterol en sphingolipiden, lipiden
meer geordend, speciale eigenschappen en functies
• Transbilaag verdeling
o Bepaalde lipiden zitten meer aan de binnenkant dan aan
de buitenkant en vice versa
→ Zo bevat het ER veel minder cholesterol en minder suikergroepen dan het plasmamembraan.
→ De plasmamembraan heeft een assymetrische verdeling van fosfolipiden over de binnenste en
buitenste leaflet. Het ER is meer symmetrisch verdeeld.
Algemene structuur van fosfolipide
• Een van de meest voorkomende lipiden in membranen van dierlijke cellen:
o Hydrofiele kopgroep bestaande uit een fosfaat- en een alcoholgroep,
gebonden aan een glycerolmolecuul met twee vetzuurstaarten.
• Grote variatie in kopgroep en vetzuurstaarten
o Kopgroep is altijd negatief of neutraal geladen
o Phosphatidyl choline structuur moet je uit je hoofd
kennen!!
o Vetzuren in dierlijke cellen bevatten een even aantal
C-atomen, variërend van 14 tot 24 meestal. ->
Verschil zit in de aantal C-atomen en verzadigdheid.
o Er zit geen vrije rotatie rond dubbele bindingen, dus
er zijn cis- en transbindingen.
o Dubbele bindingen vormen een plat vlak.
o Een cis-dubbele binding in een vetzuurketen veroorzaakt een knik. → Dit heeft gevolgen
voor de vloeibaarheid; pakking is verstoord, de manier waarop de vetzuurstaarten tegen
elkaar aanzitten.
o Er is wel vrije rotatie mogelijk rond enkele bindingen.
Eigenschappen membraan beïnvloed door vetzuurstaarten en kopgroepen
De vetzuurstaarten en de kopgroepen zijn bepalend voor de eigenschappen van een membraan.
• Vetzuurstaarten -> vloeibaarheid
• Kopgroepen -> kromming van lipiden
Vetzuurstaarten
• Lipiden zijn vetten en kunnen smelten
• Vetzuurstaarten bepalen in grote mate het smeltgedrag
o Verzadigd: hoog smeltpunt; vast (boter)
o Onverzadigd: laag smeltpunt; vloeibaar (olie)
• Wat gebeurt er bij smelten? Overspringen van trans naar gauche isomeer
o Verzadigde ketens (zonder dubbele bindingen) gaan meer bewegen en worden ongeordend.
o Bij lage temperatuur zijn de vetzuurstaarten in een all-trans
conformatie. Dit geeft een gunstige pakking van de ketens naast elkaar.
o Bij verhoging van temperatuur gaan de moleculen meer bewegen en
worden trans-gauche isomerisaties (er is vrije draaibaarheid rondom
C-C bindingen) energetisch gunstiger
- Isomerisatie in de keten verstoort de pakking
- Gevolg: smelten is een coöperatief proces: als er één keten
begint, gaan de andere eromheen ook; het begint bij het uiteinde
, o Laterale diffusie van lipiden in vloeibare fase ong. 100x zo groot
- Vloeibaar kristallijne fase: fase waarbij het membraan ‘gesmolten’ is
o Elke lipide heeft een karakteriseerde smelttemperatuur
-> Lengte en verzadigdheid van de vetzuurketens zijn bepalend voor de
smelttemperatuur van lipiden.
- Hoe langer de keten, hoe hoger de smelttemperatuur
- Hoe meer C-atomen -> hoe hoger de smelttemperatuur (meer gunstigere interacties)
- Onverzadigde verbinding -> verlaging smelttemperatuur
- Cholesterol
• Eigenschappen van bilagen in gel fase en vloeibare fase:
o Membranen vormen een efficiënte barrière onder en boven Tm
o De dimensies zijn anders: in een gel fase zijn de bilagen dikker en is het oppervlak per
molecuul kleiner
o Consequentie: pakkingsdefecten bij T = Tm, moleculen kunnen er makkelijker doorheen
• Biologische membranen hebben een smelttraject (vloeibare fase bij groeitemperatuur), doordat
ze verschillende lipiden bevatten
• Membraanvloeibaarheid is belangrijk voor:
o Flexibiliteit en dynamiek van membraaneiwitten
o Laterale bewegingen van lipiden en eiwitten (difussie): belangrijk voor associatie en
dissociatie van membraaneiwitten, vorming van domeinen etc.
o Dynamische eigenschappen van membranen: afsnoeren van vesicles, fusie, flip-flop van
lipide
• De vetzuursamenstelling verandert bij verschillende temperaturen. Zo zullen er
meer verzadigde lipiden zijn bij een hogere temperatuur. De vloeibaarheid van
het membraan zou dan gelijk blijven. DUS vloeibaarheid is belangrijk!
Kopgroepen
• Kopgroepen kunnen de vorm/curvatuur bepalen van het lipide en dus daarmee
de manier waarop de lipiden assembleren: micel/dubbellaag
• Membranen bevatten ook lipiden met een omgekeerde kegelvorm:
niet-bilaag lipiden (type II lipiden)
• Kegelvormige lipiden zoals PE zullen bij voorkeur een gekromde
structuur vormen
• Kegelvormige lipiden zoals PE vormen bij voorkeur een hexagonale
fase in water. De vetzuurstaarten steken hier uit en hebben interactie
met elkaar. In het midden van deze buizen zit water.
, • Functie van niet-bilaag lipiden:
o Passen goed in sterk gekromde membranen
o Makkelijker induceren van fusie en afsnoering
o Het vormen van een vlakke bilaag (mengsel van bilaag en
niet-bilaag lipiden). Deze heeft andere eigenschappen
• Eigenschappen vlakke bilaag:
o Meer ruimte bij de kopgroepen: makkelijker voor
hydrofobe moleculen om aan de membraan te binden
en te inserteren
o Dichtere pakking in het midden van de membraan door
de staarten: lastiger voor moleculen om de membraan
te passeren
o Kan invloed hebben op structuur en dynamiek van
membraaneiwitten
Liposomen als drug-carriers
• Waarom?/ De voordelen
o Drug wordt minder snel geïnactiveerd in het bloed
o Niet toxisch
o Targeting mogelijk
o Controlled release mogelijk
o Mechanisme van opname in cel is anders dan voor vrije drug
• Hoe? Maken van lipide vesicles en inspuiten drug:
1. Lipiden in droge vorm in buisje
2. Buffer toevoegen met drug
3. Schudden: door het hydrofobe effect
worden spontaan lipide bilagen gevormd in de
vorm van multilamellaire vesicles (microm-
size)
4. Vesicles onder druk door filter met poriën van bijv. 200 nm:
unilamellaire vesicles met homogene grootte
5. Drug aan buitenkant verwijderen (dialyse, centrifugatie, gelpermeatie
chromatografie)
• Mogelijkheden:
o Je kunt zowel hydrofobe als hydrofiele drugs inbouwen
o Je kunt antilichamen/polyethyleenglycol etc. chemisch koppelen
o Je kan de eigenschappen van liposoom sterk aanpassen (‘tunen’)
Opname en afgifte van drugs
• Mogelijke variaties van lipiden: grootte, unilamellair
of multilamellair, barrière-eigenschappen,
vloeibaarheid, alleen bilaag of ook niet-bilaaglipiden
• De opname en afgifte van drugs kan op drie
verschillende manieren: passieve difussie,
endocytose en fusie
o Voordeel endocytose en fusie boven passieve
diffusie: omzeilen van probleem p-gp (of MDR)
eiwitten
