Membraan structuur (Hoofdstuk 2)
Lipid bilayer (celmembraan)
Belang van membranen
1. Nodig om cellen te vormen en te behouden: een fysieke barrière dat het cytoplasma scheidt van het
externe medium --> bescherming
2. Gedraagt zich als een permiabiliteitsbarrière voor sommige substanties --> behoudt zo verschillen
tussen interne en externe milieus (bv ionische/chemische gradiënten)
3. Nodig om interne organellen te vormen, welke specifieke taken hebben (bv mitochondria: ATP-
productie; endoplasmatisch reticulum: eiwitten opvouwen; nucleus: transcriptie van genen)
4. Stelt de cel in staat om snel en selectief te reageren op specifieke veranderingen in zijn omgeving -->
door celoppervlakte receptoreiwitten (membranen zijn heel dynamisch --> kunnen bewegen & migreren
tussen anderen cellen + maken het mogelijk om te signaleren naar andere cellen; vesikels kunnen snel
fuseren)
Waar kan je membranen vinden?
Plasmamembraan, endoplasmatisch reticulum (ER), golgi-apparaat, mitochondria, nucleaire enveloppe,
lysosomen, secretoire vesikels
Fysiologische voorbeelden van opmerkelijke membraan dynamieken
1. Mestcel degranulatie (secretie): dramatische (al dan niet tijdelijke) toename in membraanoppervlakte
ð Worden geactiveerd door allergenen --> geven stoYen af voor vasodilatatie & kunnen bv
histamine uitscheiden om andere stoYen te activeren (degranulatie) --> kunnen daarna snel terug
eigen vorm aannemen
2. Afgifte van neurotransmitters bij een synaps
ð Kiss-and-run: beetje fuseren en geven stof af
ð Full fusion: hele vesikel fuseert met membraan
Celmembraan componenten
Diverse fosfolipiden & eiwitten
Membraanlipiden vormen spontaan een bilayer (dubbellaag) in water door amfipatisch karakter
Amfipatisch doordat:
- ‘head’ (hoofd) = polair/hydrofiel: wijst naar waterig milieu (soms geladen)
- ‘tail’ (vetzuurstaart) = apolair/hydrofoob
Meeste membraanlipiden zijn fosfolipiden (phospholipids), bv phosphatidylcholine
- Head: glycerol - P (fosfaat) -choline
- Tails: 2 acylstaarten
o Verzadigd: recht
o Onverzadigd: kink thv dubbele binding
Andere membraanlipiden: cholesterol/glycolipiden
Energetische interacties:
- Head >< H2O
- Tail >< tail (exclusie van H2O)
ð Resultaat:
ð Vormt in waterig milieu micellen of een dubbellaag
ð Spontane opvouwing/vesikel vorming, spontaan ‘helen’ bij ruptuur (regeneratie)
,Fosfolipiden verschillen in hydrofiele hoofd en hydrofobe/lipofiele staart (diversiteit vnl in hoofd; backbone vaak
glycerol, maar ook soms sfingosine bv)
Verzadigde <> onverzadigde vetzuurstaart --> beïnvloedt vloeibaarheid, structuur en dikte van lipidemembraan
--> fosfolipiden van dierlijke cellen bevatten meestal 1 verzadigde & 1 onverzadigde vetzuurstaart
De bilayer vormt een 2D ‘vloeibare fase’
Lipiden: vrije laterale diYusie in het vlak van een bilayer leaflet
Beweging:
- Laterale diYusie snelheid in bilayer leaflet ~ 10-8 cm²/s
- Rotatie/flexie van lipide: snel
- Flip-flop (naar andere leaflet): uiterst zelden (hogere energie barrière; vereist flippase en floppase
enzymen) (scramblase: enzym dat evenveel fosfolipiden van binnen naar buiten wisselt & andersom)
Vloeibaarheid & smelt temperatuur van membraan wordt bepaald door lipiden compositie
Fasetransitie vaste ‘gel’ naar vloeibare ‘sol’ fase bij smelt-/transitietemperatuur (Tm) --> transitietemperatuur
hangt af van ‘packing’ (samenstelling) membraan
Zuivere lipidemembraan
- Lengte fosfolipide staarten: 14-24 C (meestal 18-20)
o Korter --> minder interactiepunten, harder bewegen tov elkaar --> vloeibaarder
o Langer --> sterke interactie --> dichte (dense) packing --> vast
- Aantal onverzadigdheden in lipide staarten:
o Verzadigd: ‘recht’ --> dichte packing
, o Onverzadigd: ‘kink’ --> zwakke interactie --> minder packing/zwakke packing --> vloeibaar bij
lagere temperatuur (bv plantaardige olie)
Gevolg (nadeel) van zwakke packing --> membraan vertoont scheuren/gaten --> is meer permeabel
Biologische membraan
- Zelfde algemene principes maar meerdere soorten lipiden
- Cholesterol (klein, hypofiel, hydrofobe staart): intercaleert met onverzadigde lipiden en heeft 2 eYecten:
Lage concentratie:
1. Rigide ring stabiliseert C-atomen nabij ‘head’ --> rigider, minder permeabel
2. Cholesterol belet staart-staart interactie (kristallisatie): membraan blijft vloeibaar
Hoge concentratie: vloeibaarheid versterkt
Ook invloed op dikte membraan want kan zich tussen de lagen van de bilaag bevinden; ook invloed op
hoe makkelijk moleculen kunnen diYunderen, bindingen etc.
- Vloeibaarheid/stijfheid van bilayer leaflet bepaalt permeabiliteit van membraan
In tegenstelling tot fosfolipiden: cholesterol flip-flops makkelijk overheen membraan --> dezelfde
cholesterolconcentratie in buitenste/binnenste lipide laag (leaflet)
Cholesterol is lipofiel --> niet goed wateroplosbaar --> komt in het bloed dus in complexen voor: VLDL, LDL,
HDL etc.
Pathologie: hypercholesterolemie (>300 mg/dl bloed), erfelijke oorzaak, metabole aandoening, voeding
(prevalentie: ± 12%)
Risico hypercholesterolemie: “coronary (heart) diseases”, plaques in bloedvaten (atherosclerose)
‘Lipid rafts’
- Lokale concentratie (microdomeinen) van specifieke lipiden, sfingomyeline, cholesterol + proteïnen
- Meestal dikker dan rest van membraan door de aanrijking van verzadigde fosfolipiden
- Deze clusters van proteïnen/lipiden (= rafts) spelen een rol in signaaltransductie
- Bevatten glycolipids (geglycolyseerde fosfolipiden)
- Lipid rafts creëren microdomeinen van verschillende compositie in het plasmamembraan die eYect
hebben op de lokale vloeibaarheid, membraaneigenschappen zoals stijfheid en rekbaarheid en de
concentratie van ‘second messengers’ zoals PiP3/PiP2
Asymmetrie in biologische membranen
Asymmetrie in fosfolipide compositie tussen inner en outer
leaflet van membraan:
- Ontstaat tijdens biosynthese --> lipiden seperatie
(ER/Golgi: flippase/floppase)
- Beïnvloedt de buiging (curvature) & vloeibaarheid van membraan (extracellulaire leaflet stijver dan
intracellulaire leaflet)
- Cytosol leaflet (intracellulaire zijde) negatiever gelader dan extracellulaire zijde, reguleert incorporatie
membraan proteïnen (polaire hoofden soms geladen, soms niet)
Specifieke compositie soms nodig voor functie van membraan proteïnen--> transmembraan transport: ER -->
proteïnen voor secretie & transmembraan proteïnen
- Translatie-translocatie: translocatie tijdens translatie (niet voor cytosolische eiwitten)
- Transmembraaneiwitten transloceren niet volledig --> blijven soms steken in de bilaag (oriëntatie in de
bilaag beïnvloedt door asymmetrie: C- of N-terminus aan binnen- of buitenkant van cel)
Specifieke fosfolipiden/leaflet voorbeelden
, - Asymmetrie in fosfolipiden die betrokken zijn bij second messenger signaal cascades bv PiP2
(phosphatidylinositol) aan intracellulaire zijde (inner leaflet)
(IP3-DAG/PKC… signaal cascade)
- Apoptosis: te weinig ATP --> verlies van asymmetrie waarbij phosphatidylserine in buitenste
(extracellulaire) zijde een receptor is voor phagocytose (normaal actief proces om asymmetrie te krijgen:
ATP nodig om fosfatidylserine binnen te houden --> nu verhuizing)
- Glycolipiden: ENKEL in outer leaflet (extracellulair) (door synthese in ER/Golgi lumen)
Membraan proteïnen (25-75% van membraan massa)
Diverse functies
Transport, signaling, cytoskelet koppeling, …
Membraanproteïnen zijn mobiel
Membraan associatie
- Integrale membraan proteïnes bevatten transmembraan peptide segment(en)
- Lipide anker (lipid anchor) zoals myristylatie, prenylatie, glycofosfolipiden (verankerd door directe
interactie met fosfolipiden)
- Indirect: perifere membraan proteïnen zijn gebonden aan integrale membraan proteïnen
Plasmamembraan: structurele specialisaties
Versterking (mechanisch) door interactie met cel cytoskelet
Cytoskelet geeft structuur aan de cel en kan eiwitten ankeren
Restrictie laterale mobiliteit van membraan proteïnen door:
- Intramembraan associaties (aggregaat van proteïnen)
- Extracellulaire ‘crosslinking’
- Intracellulaire ‘crosslinking’
- Cel-cel interacties (bv cadherine adherens junctie)
- Tight junction (apicaal/basolateraal)
Afwijkingen geassocieerd met gestoorde eiwitlokalisatie includeren hartfalen
Plasmamembraan Ca2+ kanalen zijn georganiseerd in een regelmatige matrix (banen) in gezonde hartspiercellen,
maar dit kan kapotgaan bij hartfalen (belangrijk waar Ca binnenkomt --> contractie)
- Het volstaat niet voor een kanaal om in een membraan te zitten
- Hoe kanalen georganiseerd zijn is belangrijk voor het normaal functioneren van een cel
- Ongepaste locatie kan leiden tot humane ziekten
Cel-cel communicatie & signaal transductie
(Hoofdstuk 3)
Evolutie van unicellulaire naar multicellulaire organismen vereiste een nieuwe dimensie (manier) van
communicatie & complexiteit: cel-cel informatieoverdracht, traditioneel onderverdeeld in neuronale
(elektrische) en endocriene communicatie
Algemene mechanismes van cel-cel communicatie
Directe cel-cel communicatie: gap junctions (~kanaal poriën)
- Iedere cel vormt een hemiconnexon (hemikanaal) bestaande uit 6 connexines
Lipid bilayer (celmembraan)
Belang van membranen
1. Nodig om cellen te vormen en te behouden: een fysieke barrière dat het cytoplasma scheidt van het
externe medium --> bescherming
2. Gedraagt zich als een permiabiliteitsbarrière voor sommige substanties --> behoudt zo verschillen
tussen interne en externe milieus (bv ionische/chemische gradiënten)
3. Nodig om interne organellen te vormen, welke specifieke taken hebben (bv mitochondria: ATP-
productie; endoplasmatisch reticulum: eiwitten opvouwen; nucleus: transcriptie van genen)
4. Stelt de cel in staat om snel en selectief te reageren op specifieke veranderingen in zijn omgeving -->
door celoppervlakte receptoreiwitten (membranen zijn heel dynamisch --> kunnen bewegen & migreren
tussen anderen cellen + maken het mogelijk om te signaleren naar andere cellen; vesikels kunnen snel
fuseren)
Waar kan je membranen vinden?
Plasmamembraan, endoplasmatisch reticulum (ER), golgi-apparaat, mitochondria, nucleaire enveloppe,
lysosomen, secretoire vesikels
Fysiologische voorbeelden van opmerkelijke membraan dynamieken
1. Mestcel degranulatie (secretie): dramatische (al dan niet tijdelijke) toename in membraanoppervlakte
ð Worden geactiveerd door allergenen --> geven stoYen af voor vasodilatatie & kunnen bv
histamine uitscheiden om andere stoYen te activeren (degranulatie) --> kunnen daarna snel terug
eigen vorm aannemen
2. Afgifte van neurotransmitters bij een synaps
ð Kiss-and-run: beetje fuseren en geven stof af
ð Full fusion: hele vesikel fuseert met membraan
Celmembraan componenten
Diverse fosfolipiden & eiwitten
Membraanlipiden vormen spontaan een bilayer (dubbellaag) in water door amfipatisch karakter
Amfipatisch doordat:
- ‘head’ (hoofd) = polair/hydrofiel: wijst naar waterig milieu (soms geladen)
- ‘tail’ (vetzuurstaart) = apolair/hydrofoob
Meeste membraanlipiden zijn fosfolipiden (phospholipids), bv phosphatidylcholine
- Head: glycerol - P (fosfaat) -choline
- Tails: 2 acylstaarten
o Verzadigd: recht
o Onverzadigd: kink thv dubbele binding
Andere membraanlipiden: cholesterol/glycolipiden
Energetische interacties:
- Head >< H2O
- Tail >< tail (exclusie van H2O)
ð Resultaat:
ð Vormt in waterig milieu micellen of een dubbellaag
ð Spontane opvouwing/vesikel vorming, spontaan ‘helen’ bij ruptuur (regeneratie)
,Fosfolipiden verschillen in hydrofiele hoofd en hydrofobe/lipofiele staart (diversiteit vnl in hoofd; backbone vaak
glycerol, maar ook soms sfingosine bv)
Verzadigde <> onverzadigde vetzuurstaart --> beïnvloedt vloeibaarheid, structuur en dikte van lipidemembraan
--> fosfolipiden van dierlijke cellen bevatten meestal 1 verzadigde & 1 onverzadigde vetzuurstaart
De bilayer vormt een 2D ‘vloeibare fase’
Lipiden: vrije laterale diYusie in het vlak van een bilayer leaflet
Beweging:
- Laterale diYusie snelheid in bilayer leaflet ~ 10-8 cm²/s
- Rotatie/flexie van lipide: snel
- Flip-flop (naar andere leaflet): uiterst zelden (hogere energie barrière; vereist flippase en floppase
enzymen) (scramblase: enzym dat evenveel fosfolipiden van binnen naar buiten wisselt & andersom)
Vloeibaarheid & smelt temperatuur van membraan wordt bepaald door lipiden compositie
Fasetransitie vaste ‘gel’ naar vloeibare ‘sol’ fase bij smelt-/transitietemperatuur (Tm) --> transitietemperatuur
hangt af van ‘packing’ (samenstelling) membraan
Zuivere lipidemembraan
- Lengte fosfolipide staarten: 14-24 C (meestal 18-20)
o Korter --> minder interactiepunten, harder bewegen tov elkaar --> vloeibaarder
o Langer --> sterke interactie --> dichte (dense) packing --> vast
- Aantal onverzadigdheden in lipide staarten:
o Verzadigd: ‘recht’ --> dichte packing
, o Onverzadigd: ‘kink’ --> zwakke interactie --> minder packing/zwakke packing --> vloeibaar bij
lagere temperatuur (bv plantaardige olie)
Gevolg (nadeel) van zwakke packing --> membraan vertoont scheuren/gaten --> is meer permeabel
Biologische membraan
- Zelfde algemene principes maar meerdere soorten lipiden
- Cholesterol (klein, hypofiel, hydrofobe staart): intercaleert met onverzadigde lipiden en heeft 2 eYecten:
Lage concentratie:
1. Rigide ring stabiliseert C-atomen nabij ‘head’ --> rigider, minder permeabel
2. Cholesterol belet staart-staart interactie (kristallisatie): membraan blijft vloeibaar
Hoge concentratie: vloeibaarheid versterkt
Ook invloed op dikte membraan want kan zich tussen de lagen van de bilaag bevinden; ook invloed op
hoe makkelijk moleculen kunnen diYunderen, bindingen etc.
- Vloeibaarheid/stijfheid van bilayer leaflet bepaalt permeabiliteit van membraan
In tegenstelling tot fosfolipiden: cholesterol flip-flops makkelijk overheen membraan --> dezelfde
cholesterolconcentratie in buitenste/binnenste lipide laag (leaflet)
Cholesterol is lipofiel --> niet goed wateroplosbaar --> komt in het bloed dus in complexen voor: VLDL, LDL,
HDL etc.
Pathologie: hypercholesterolemie (>300 mg/dl bloed), erfelijke oorzaak, metabole aandoening, voeding
(prevalentie: ± 12%)
Risico hypercholesterolemie: “coronary (heart) diseases”, plaques in bloedvaten (atherosclerose)
‘Lipid rafts’
- Lokale concentratie (microdomeinen) van specifieke lipiden, sfingomyeline, cholesterol + proteïnen
- Meestal dikker dan rest van membraan door de aanrijking van verzadigde fosfolipiden
- Deze clusters van proteïnen/lipiden (= rafts) spelen een rol in signaaltransductie
- Bevatten glycolipids (geglycolyseerde fosfolipiden)
- Lipid rafts creëren microdomeinen van verschillende compositie in het plasmamembraan die eYect
hebben op de lokale vloeibaarheid, membraaneigenschappen zoals stijfheid en rekbaarheid en de
concentratie van ‘second messengers’ zoals PiP3/PiP2
Asymmetrie in biologische membranen
Asymmetrie in fosfolipide compositie tussen inner en outer
leaflet van membraan:
- Ontstaat tijdens biosynthese --> lipiden seperatie
(ER/Golgi: flippase/floppase)
- Beïnvloedt de buiging (curvature) & vloeibaarheid van membraan (extracellulaire leaflet stijver dan
intracellulaire leaflet)
- Cytosol leaflet (intracellulaire zijde) negatiever gelader dan extracellulaire zijde, reguleert incorporatie
membraan proteïnen (polaire hoofden soms geladen, soms niet)
Specifieke compositie soms nodig voor functie van membraan proteïnen--> transmembraan transport: ER -->
proteïnen voor secretie & transmembraan proteïnen
- Translatie-translocatie: translocatie tijdens translatie (niet voor cytosolische eiwitten)
- Transmembraaneiwitten transloceren niet volledig --> blijven soms steken in de bilaag (oriëntatie in de
bilaag beïnvloedt door asymmetrie: C- of N-terminus aan binnen- of buitenkant van cel)
Specifieke fosfolipiden/leaflet voorbeelden
, - Asymmetrie in fosfolipiden die betrokken zijn bij second messenger signaal cascades bv PiP2
(phosphatidylinositol) aan intracellulaire zijde (inner leaflet)
(IP3-DAG/PKC… signaal cascade)
- Apoptosis: te weinig ATP --> verlies van asymmetrie waarbij phosphatidylserine in buitenste
(extracellulaire) zijde een receptor is voor phagocytose (normaal actief proces om asymmetrie te krijgen:
ATP nodig om fosfatidylserine binnen te houden --> nu verhuizing)
- Glycolipiden: ENKEL in outer leaflet (extracellulair) (door synthese in ER/Golgi lumen)
Membraan proteïnen (25-75% van membraan massa)
Diverse functies
Transport, signaling, cytoskelet koppeling, …
Membraanproteïnen zijn mobiel
Membraan associatie
- Integrale membraan proteïnes bevatten transmembraan peptide segment(en)
- Lipide anker (lipid anchor) zoals myristylatie, prenylatie, glycofosfolipiden (verankerd door directe
interactie met fosfolipiden)
- Indirect: perifere membraan proteïnen zijn gebonden aan integrale membraan proteïnen
Plasmamembraan: structurele specialisaties
Versterking (mechanisch) door interactie met cel cytoskelet
Cytoskelet geeft structuur aan de cel en kan eiwitten ankeren
Restrictie laterale mobiliteit van membraan proteïnen door:
- Intramembraan associaties (aggregaat van proteïnen)
- Extracellulaire ‘crosslinking’
- Intracellulaire ‘crosslinking’
- Cel-cel interacties (bv cadherine adherens junctie)
- Tight junction (apicaal/basolateraal)
Afwijkingen geassocieerd met gestoorde eiwitlokalisatie includeren hartfalen
Plasmamembraan Ca2+ kanalen zijn georganiseerd in een regelmatige matrix (banen) in gezonde hartspiercellen,
maar dit kan kapotgaan bij hartfalen (belangrijk waar Ca binnenkomt --> contractie)
- Het volstaat niet voor een kanaal om in een membraan te zitten
- Hoe kanalen georganiseerd zijn is belangrijk voor het normaal functioneren van een cel
- Ongepaste locatie kan leiden tot humane ziekten
Cel-cel communicatie & signaal transductie
(Hoofdstuk 3)
Evolutie van unicellulaire naar multicellulaire organismen vereiste een nieuwe dimensie (manier) van
communicatie & complexiteit: cel-cel informatieoverdracht, traditioneel onderverdeeld in neuronale
(elektrische) en endocriene communicatie
Algemene mechanismes van cel-cel communicatie
Directe cel-cel communicatie: gap junctions (~kanaal poriën)
- Iedere cel vormt een hemiconnexon (hemikanaal) bestaande uit 6 connexines
