Thema 1 – Membraan en transport
Passieve diffusie en het ontstaan van de
membraanpotentiaal
Achtergrond
Celmembraan: asymmetrische dubbellaag van fosfolipiden met de polaire delen in contact met
het waterige milieu en de apolaire delen naar elkaar gericht
- Semi-vloeibare toestand → grote laterale bewegelijkheid van de lipidemoleculen
- Vormt een scheiding tussen de extra- en intracellulaire ruimten
- Ladingen opslaan + potentiaalverschil behouden
Perifere en integrale membraaneiwitten aanwezig
- Sommige verankerd, andere grote bewegelijkheid
Transportfunctie van biomembranen → levensbelangrijk
- Gecontroleerde uitwisseling van moleculen
- Voedingsstoffen opnemen, afvalstoffen verwijderen en secretiemoleculen afscheiden
Transport van molecule:
- Over maar niet doorheen de membranen
- Als passieve diffusie van ongeladen stoffen door de lipidenbilaag
- Als passieve diffusie van ionen door ionenkanalen
- Middels transporteiwitten die deel uitmaken van de membranen
o Gefaciliteerd transport: transporteiwitten die slechts één substantie vervoeren
met de concentratiegradiënt mee
o Actief transport: membraanpompen die een molecule tegen de concentratie- of
energiegradiënt in pompen
o Cotransport of antiport: substanties tegen hun gradiënt worden getransporteerd
door gebruik te maken van het medetransport van een andere substantie, die
volgens zijn eigen gradiënt wordt getransporteerd
Elk membraan heeft een elektrisch potentiaalverschil → door de passieve diffusie van ionen
- Diffusie van ionen volgens hun elektrochemische potentiaalgradiënten
- Het elektrogeen effect van het Na+, K+-ATPase
- Gibbs-Donnan effect
De compartimenten in het lichaam
Totaal lichaam-water = 60% van het lichaamsgewicht bij mannen, 50% bij vrouwen, 65%-75% bij
kinderen
→ Intracellulaire vloeistof (60% van het totaal lichaam-water)
→ Extracellulaire vloeistof (40% van het totaal lichaam-water)
o Interstitiële vloeistof: water tussen de cellen (75%)
o Plasma vloeistof: water in de bloedvaten (20%)
▪ 3l is plasma, 3l zijn bloedcellen (hematocrit)
▪ Proteïnen nemen zo’n 7% op maar kunnen niet door het membraan
diffunderen dus milli-equivalent per liter van proteïne vrije plasma wordt
gebruikt
1
, o Transcellulaire vloeistof: water in holtes volledig omgeven door epitheelcellen
(5%)
▪ Verschillend omdat ze door verschillende epithelen worden
geproduceerd
De inhoud van de interstitiële vloeistof en het plasma is sterk gelijkend behalve de proteïne in
het plasme (positief geladen) zitten niet in de interstitiële vloeistof → daarvoor corrigeren
→ Water beweegt tussen de twee als er een verandering is tussen de balans tussen
hydrostatische druk en oncotische druk
Tussen de interstitiële vloeistof en plasma → capilaire wanden
- Elk compartiment: water + niet-elektrolyten + elektrolyten
Homeostase: het is belangrijk dat het volume en de
samenstelling van de compartimenten constant
blijven
Cellulaire membranen → semi-permeabel
- Doorlaatbaar voor water, ondoorlaatbaar
voor opgeloste stoffen
- Tijdelijke veranderingen in osmolariteit
- Water stroomt tussen de compartimenten →
cel zal zwellen of krimpen
- Gereguleerd door celmembraan transport
De samenstelling binnen en buiten de cellen is
anders MAAR de osmolariteit is wel hetzelfde
(anders was er osmose)
Transmembraanproteïnen kunnen bewegen of
blijven zitten:
- Bewegen vrij in het dubbellagig membraan (enkel transversaal, geen flip-flops)
o Grote molecule dus de diffusie gebeurt zeer traag en willekeurig
- Vast aan het cytoskelet → geen beweging
- Vast aan een motorproteïne → gerichte beweging
Bewegelijkheid is temperatuur afhankelijk → vloeibaarheid van het membraan is temperatuur
afhankelijk
Elektroneutraliteit en osmotisch evenwicht
Elektroneutraliteit: ionische oplossingen in intra- en extracellulaire omgevingen moeten over
het algemeen elektrisch neutraal zijn
- Evenveel anionen als kationen
- Intracellulair zijn er meer kationen maar dit wordt gecompenseerd door de negatieve
lading van intracellulaire macromoleculen
- Verschillen tussen intracellulaire en extracellulaire omgeving → storing in
prikkelbaarheid van cellen, abnormale extracellulaire osmolariteit, …
Osmotisch evenwicht: het aantal osmotisch actieve deeltjes in oplossing aan elke kant van het
membraan moet gelijk zijn (290 mOsm), ongeacht de lading van de deeltjes
- Indien dit niet gelijk is zal er beweging zijn van het minder geconcentreerde naar het
meer geconcentreerde
- Proteïnen worden genegeerd want dragen maar zeer weinig bij
Molariteit: mol opgeloste stof/liter oplossing
Molaliteit: mol opgeloste stof/kg oplossing
Osmolariteit: totale concentratie opgeloste, osmotisch werkzame deeltjes
2
, → 1 Osm = 1 mol opgeloste deeltjes
Osmolariteit en toniciteit
Totale osmolariteit: osmotische concentratie die ontstaat door de aanwezigheid van alle
opgeloste deeltjes in een oplossing (van de penetrerende en niet-penetrerende deeltjes)
- Som van de osmotische concentratie van elk deeltje
- Osmotische concentratie = het product van de molaire concentratie en het aantal
deeltjes gevormd tijdens dissociatie
- Plasmatische osmolariteit ~ 290 mOsm/l
Toniciteit = effectieve osmolariteit: de osmolariteit die wordt veroorzaakt door de niet-
penetrerende deeltjes
- Osmose wordt veroorzaakt door deeltjes die het membraan niet kunnen kruisen
- Niet-penetrerende deeltjes veroorzaakt een osmotisch drukverschil waardoor de cel zal
krimpen of zwellen (zal nooit een evenwicht bereiken
Penetrerende en niet-penetrerende deeltjes: afhankelijk van de permeabiliteitscoëfficient
doorheen het plasma membraan
- Gassen – niet-geladen kleine polaire moleculen – niet-geladen grote polaire moleculen –
geladen polaire moleculen – ionen
Verandering van toniciteit → beweging van water tussen compartimenten
- Hypotone oplossing: water stroom de cel
binnen, heeft hogere toniciteit
- Isotone oplossing: evenwicht tussen
binnenstromen en buitenstromen van water,
toniciteit is gelijk
- Hypertone oplossing: water stroomt de cel
uit, heeft een lagere toniciteit
Diffusie in ons lichaam = passief
transport
Diffusie: het proces waarbij een stof in oplossing de neiging heeft om van compartiment A naar
compartiment B te gaan
→ Neerwaartse gradiënt: van een compartiment met een hoge osmolariteit naar een
compartiment met een lage osmolariteit
→ Vereist geen energie
Proces gebeurt zolang er een werkende kracht is die voor de beweging zorgt + een weg is
waarlangs de deeltjes kunnen bewegen
Niet-gekoppeld transport: beweging van een stof over het membraan is niet direct gekoppeld
aan de beweging van een andere oplossing of een chemische reactie
Niet-directionele flux: de beweging van de stof over het membraan (in eender welke richting)
Flux: de nettobeweging van de stof over het membraan
Evenwicht: als er geen nettobeweging over het membraan is
Diffusie van water = osmose
Def. netto diffusie van water doorheen een semi-permeabel membraan
→ Passief transport van lagere concentratie naar hogere concentratie
Permeabiliteit van water in lipiden is zeer laag DUS door waterkanalen
3
, Poriën: proteïnen in het celmembraan die altijd open zijn en waar stoffen op een
passieve manier doorheen kunnen
- Vb. perforin, complement cascade (immunologie), aquaporine, porine (grote
porie)
- Perforin: een proteïne dat poriën kan vormen en door lymfocytes worden
losgelaten om zo poriën te vormen in vijandelijke cellen zodat deze cellen
gedood worden door de passieve stroom van verschillende stoffen
- Nucleair poriecomplex: regulatie van beweging in en uit de nucleus
- Aquaporines: verschillende soorten aanwezig in het lichaam
Regulatie door:
- Concentratieverschil (= osmolariteit)
- Hydrostatisch drukverschil (= hartfunctie en vasculaire weerstand)
Simpel diffusie van stoffen
Def. diffusie van niet geladen stoffen van hoge naar lage concentratie, zonder de hulp van
eiwitten
Wet van Fick: geeft weer hoeveel diffusie er is (de kinetiek) => 𝐽𝑋 = 𝑃𝑋 ∗ ([𝑋]0 − [𝑋]𝑖 )
- JX = efflux in hoeveelheid / tijdseenheid x oppervlakte
- PX = permeabiliteitscoëfficiënt
o Afhankelijk van de diffusie coëfficiënt in het membraan (D, hoe goed de stof in
het membraan kan bewegen), partitiecoëficiënt (K, hoe goed de stof in het
𝐷𝑋 ∗𝐾𝑋
membraan kan oplossen), membraandikte 𝑃𝑋 = 𝑑
- [X] = concentratie buiten (o) en binnen (i) de cel
De diffusie hoeveelheid is recht evenredig met de concentratie buiten de cel
→ Voor hydrofobe stoffen, gassen, …
Diffusie van ionen
Def. volgens en gedreven door de elektrochemische gradiënt van de substantie
Elektrochemische gradiënt bepaald door: μ0 = Vm – EX (>0 → anion binnen, kation buiten; <0 →
anion buiten, kation binnen)
- De concentratiegradiënt (EX)
o Het gevolg van het concentratieverschil aan weerszijden van het
plasmamembraan
o Door de werking van de Na/K-pomp
- De potentiaalgradiënt (Vm)
o Het elektrisch potentiaalverschil over het plasmamembraan
o Zelf een gevolg van de concentratiegradiënt
o Belangrijk voor cel excitabiliteit, stoffen transport
Evenwicht als de concentratiegradiënt en potentiaalgradiënt exact even groot en tegengesteld
zijn → geen nettobeweging meer
→ De evenwichtspotentiaal of de Nernst potentiaal = EX
𝑅𝑇 [𝑥]
Concentratiegradiënt uitdrukken in mV => 𝑉𝑚 = 𝐸𝑥 = − 𝑙𝑛 [𝑥] 𝑖
𝑧𝑥 𝐹 0
60𝑚𝑉 [𝑥]
𝑉𝑚 = 𝐸𝑥 = − 𝑧 log [𝑥] 𝑖 bij 29,5°C (61,5 bij 37°C)
𝑥 0
Membraanpotentiaal die door meer dan één ion wordt bepaald => Goldman-Hodgkin-Katz
vergelijking
4
Passieve diffusie en het ontstaan van de
membraanpotentiaal
Achtergrond
Celmembraan: asymmetrische dubbellaag van fosfolipiden met de polaire delen in contact met
het waterige milieu en de apolaire delen naar elkaar gericht
- Semi-vloeibare toestand → grote laterale bewegelijkheid van de lipidemoleculen
- Vormt een scheiding tussen de extra- en intracellulaire ruimten
- Ladingen opslaan + potentiaalverschil behouden
Perifere en integrale membraaneiwitten aanwezig
- Sommige verankerd, andere grote bewegelijkheid
Transportfunctie van biomembranen → levensbelangrijk
- Gecontroleerde uitwisseling van moleculen
- Voedingsstoffen opnemen, afvalstoffen verwijderen en secretiemoleculen afscheiden
Transport van molecule:
- Over maar niet doorheen de membranen
- Als passieve diffusie van ongeladen stoffen door de lipidenbilaag
- Als passieve diffusie van ionen door ionenkanalen
- Middels transporteiwitten die deel uitmaken van de membranen
o Gefaciliteerd transport: transporteiwitten die slechts één substantie vervoeren
met de concentratiegradiënt mee
o Actief transport: membraanpompen die een molecule tegen de concentratie- of
energiegradiënt in pompen
o Cotransport of antiport: substanties tegen hun gradiënt worden getransporteerd
door gebruik te maken van het medetransport van een andere substantie, die
volgens zijn eigen gradiënt wordt getransporteerd
Elk membraan heeft een elektrisch potentiaalverschil → door de passieve diffusie van ionen
- Diffusie van ionen volgens hun elektrochemische potentiaalgradiënten
- Het elektrogeen effect van het Na+, K+-ATPase
- Gibbs-Donnan effect
De compartimenten in het lichaam
Totaal lichaam-water = 60% van het lichaamsgewicht bij mannen, 50% bij vrouwen, 65%-75% bij
kinderen
→ Intracellulaire vloeistof (60% van het totaal lichaam-water)
→ Extracellulaire vloeistof (40% van het totaal lichaam-water)
o Interstitiële vloeistof: water tussen de cellen (75%)
o Plasma vloeistof: water in de bloedvaten (20%)
▪ 3l is plasma, 3l zijn bloedcellen (hematocrit)
▪ Proteïnen nemen zo’n 7% op maar kunnen niet door het membraan
diffunderen dus milli-equivalent per liter van proteïne vrije plasma wordt
gebruikt
1
, o Transcellulaire vloeistof: water in holtes volledig omgeven door epitheelcellen
(5%)
▪ Verschillend omdat ze door verschillende epithelen worden
geproduceerd
De inhoud van de interstitiële vloeistof en het plasma is sterk gelijkend behalve de proteïne in
het plasme (positief geladen) zitten niet in de interstitiële vloeistof → daarvoor corrigeren
→ Water beweegt tussen de twee als er een verandering is tussen de balans tussen
hydrostatische druk en oncotische druk
Tussen de interstitiële vloeistof en plasma → capilaire wanden
- Elk compartiment: water + niet-elektrolyten + elektrolyten
Homeostase: het is belangrijk dat het volume en de
samenstelling van de compartimenten constant
blijven
Cellulaire membranen → semi-permeabel
- Doorlaatbaar voor water, ondoorlaatbaar
voor opgeloste stoffen
- Tijdelijke veranderingen in osmolariteit
- Water stroomt tussen de compartimenten →
cel zal zwellen of krimpen
- Gereguleerd door celmembraan transport
De samenstelling binnen en buiten de cellen is
anders MAAR de osmolariteit is wel hetzelfde
(anders was er osmose)
Transmembraanproteïnen kunnen bewegen of
blijven zitten:
- Bewegen vrij in het dubbellagig membraan (enkel transversaal, geen flip-flops)
o Grote molecule dus de diffusie gebeurt zeer traag en willekeurig
- Vast aan het cytoskelet → geen beweging
- Vast aan een motorproteïne → gerichte beweging
Bewegelijkheid is temperatuur afhankelijk → vloeibaarheid van het membraan is temperatuur
afhankelijk
Elektroneutraliteit en osmotisch evenwicht
Elektroneutraliteit: ionische oplossingen in intra- en extracellulaire omgevingen moeten over
het algemeen elektrisch neutraal zijn
- Evenveel anionen als kationen
- Intracellulair zijn er meer kationen maar dit wordt gecompenseerd door de negatieve
lading van intracellulaire macromoleculen
- Verschillen tussen intracellulaire en extracellulaire omgeving → storing in
prikkelbaarheid van cellen, abnormale extracellulaire osmolariteit, …
Osmotisch evenwicht: het aantal osmotisch actieve deeltjes in oplossing aan elke kant van het
membraan moet gelijk zijn (290 mOsm), ongeacht de lading van de deeltjes
- Indien dit niet gelijk is zal er beweging zijn van het minder geconcentreerde naar het
meer geconcentreerde
- Proteïnen worden genegeerd want dragen maar zeer weinig bij
Molariteit: mol opgeloste stof/liter oplossing
Molaliteit: mol opgeloste stof/kg oplossing
Osmolariteit: totale concentratie opgeloste, osmotisch werkzame deeltjes
2
, → 1 Osm = 1 mol opgeloste deeltjes
Osmolariteit en toniciteit
Totale osmolariteit: osmotische concentratie die ontstaat door de aanwezigheid van alle
opgeloste deeltjes in een oplossing (van de penetrerende en niet-penetrerende deeltjes)
- Som van de osmotische concentratie van elk deeltje
- Osmotische concentratie = het product van de molaire concentratie en het aantal
deeltjes gevormd tijdens dissociatie
- Plasmatische osmolariteit ~ 290 mOsm/l
Toniciteit = effectieve osmolariteit: de osmolariteit die wordt veroorzaakt door de niet-
penetrerende deeltjes
- Osmose wordt veroorzaakt door deeltjes die het membraan niet kunnen kruisen
- Niet-penetrerende deeltjes veroorzaakt een osmotisch drukverschil waardoor de cel zal
krimpen of zwellen (zal nooit een evenwicht bereiken
Penetrerende en niet-penetrerende deeltjes: afhankelijk van de permeabiliteitscoëfficient
doorheen het plasma membraan
- Gassen – niet-geladen kleine polaire moleculen – niet-geladen grote polaire moleculen –
geladen polaire moleculen – ionen
Verandering van toniciteit → beweging van water tussen compartimenten
- Hypotone oplossing: water stroom de cel
binnen, heeft hogere toniciteit
- Isotone oplossing: evenwicht tussen
binnenstromen en buitenstromen van water,
toniciteit is gelijk
- Hypertone oplossing: water stroomt de cel
uit, heeft een lagere toniciteit
Diffusie in ons lichaam = passief
transport
Diffusie: het proces waarbij een stof in oplossing de neiging heeft om van compartiment A naar
compartiment B te gaan
→ Neerwaartse gradiënt: van een compartiment met een hoge osmolariteit naar een
compartiment met een lage osmolariteit
→ Vereist geen energie
Proces gebeurt zolang er een werkende kracht is die voor de beweging zorgt + een weg is
waarlangs de deeltjes kunnen bewegen
Niet-gekoppeld transport: beweging van een stof over het membraan is niet direct gekoppeld
aan de beweging van een andere oplossing of een chemische reactie
Niet-directionele flux: de beweging van de stof over het membraan (in eender welke richting)
Flux: de nettobeweging van de stof over het membraan
Evenwicht: als er geen nettobeweging over het membraan is
Diffusie van water = osmose
Def. netto diffusie van water doorheen een semi-permeabel membraan
→ Passief transport van lagere concentratie naar hogere concentratie
Permeabiliteit van water in lipiden is zeer laag DUS door waterkanalen
3
, Poriën: proteïnen in het celmembraan die altijd open zijn en waar stoffen op een
passieve manier doorheen kunnen
- Vb. perforin, complement cascade (immunologie), aquaporine, porine (grote
porie)
- Perforin: een proteïne dat poriën kan vormen en door lymfocytes worden
losgelaten om zo poriën te vormen in vijandelijke cellen zodat deze cellen
gedood worden door de passieve stroom van verschillende stoffen
- Nucleair poriecomplex: regulatie van beweging in en uit de nucleus
- Aquaporines: verschillende soorten aanwezig in het lichaam
Regulatie door:
- Concentratieverschil (= osmolariteit)
- Hydrostatisch drukverschil (= hartfunctie en vasculaire weerstand)
Simpel diffusie van stoffen
Def. diffusie van niet geladen stoffen van hoge naar lage concentratie, zonder de hulp van
eiwitten
Wet van Fick: geeft weer hoeveel diffusie er is (de kinetiek) => 𝐽𝑋 = 𝑃𝑋 ∗ ([𝑋]0 − [𝑋]𝑖 )
- JX = efflux in hoeveelheid / tijdseenheid x oppervlakte
- PX = permeabiliteitscoëfficiënt
o Afhankelijk van de diffusie coëfficiënt in het membraan (D, hoe goed de stof in
het membraan kan bewegen), partitiecoëficiënt (K, hoe goed de stof in het
𝐷𝑋 ∗𝐾𝑋
membraan kan oplossen), membraandikte 𝑃𝑋 = 𝑑
- [X] = concentratie buiten (o) en binnen (i) de cel
De diffusie hoeveelheid is recht evenredig met de concentratie buiten de cel
→ Voor hydrofobe stoffen, gassen, …
Diffusie van ionen
Def. volgens en gedreven door de elektrochemische gradiënt van de substantie
Elektrochemische gradiënt bepaald door: μ0 = Vm – EX (>0 → anion binnen, kation buiten; <0 →
anion buiten, kation binnen)
- De concentratiegradiënt (EX)
o Het gevolg van het concentratieverschil aan weerszijden van het
plasmamembraan
o Door de werking van de Na/K-pomp
- De potentiaalgradiënt (Vm)
o Het elektrisch potentiaalverschil over het plasmamembraan
o Zelf een gevolg van de concentratiegradiënt
o Belangrijk voor cel excitabiliteit, stoffen transport
Evenwicht als de concentratiegradiënt en potentiaalgradiënt exact even groot en tegengesteld
zijn → geen nettobeweging meer
→ De evenwichtspotentiaal of de Nernst potentiaal = EX
𝑅𝑇 [𝑥]
Concentratiegradiënt uitdrukken in mV => 𝑉𝑚 = 𝐸𝑥 = − 𝑙𝑛 [𝑥] 𝑖
𝑧𝑥 𝐹 0
60𝑚𝑉 [𝑥]
𝑉𝑚 = 𝐸𝑥 = − 𝑧 log [𝑥] 𝑖 bij 29,5°C (61,5 bij 37°C)
𝑥 0
Membraanpotentiaal die door meer dan één ion wordt bepaald => Goldman-Hodgkin-Katz
vergelijking
4
