Open vragen examen
Membraan structuur (Hoofdstuk 2)
1. Geef de algemene structuur van fosfolipiden en de opbouw van het plasmamembraan, inclusief
regulatie vloeibaarheid en rol van cholesterol.
Algemene structuur van fosfolipiden:
- Hydrofiele/polaire kop bestaande uit fosfaatgroep, een glycerol backbone (of in sommige gevallen:
sfingosine backbone bv sfingomyeline en galactocerebroside) en een hoofdgroep bv ethanolamine,
choline, serine of inositol. Deze is bepalend voor de naamgeving (in dit eerste geval:
fosfatidylethanolamine). De kop is polair dus oriënteert zich naar het water toe.
- Hydrofobe/lipofiele staart (apolair) bestaande uit 2 vetzuurketens (variërend in lengte) die verzadigd of
onverzadigd kunnen zijn. Onverzadigde ketens vertonen een kink ter hoogte van de dubbele binding. De
soort staart beïnvloedt de vloeibaarheid, structuur en dikte van het membraan. Verzadigde ketens
maken het membraan bv meer rigide terwijl onverzadigde ketens het membraan vloeibaarder maken.
Apolair dus oriënteren zich weg van het water.
- Hydrofiele kop + hydrofobe staart maken de molecule amfipatisch (half polair en half apolair)
Opbouw van het plasmamembraan:
- In een waterig milieu vormen membraanlipiden (indien aanwezig in hoge concentratie) spontaan een
lipiden bilayer (dubbellaag) door hun amfipathisch karakter, waarbij er een inner leaflet (binnenste
membraan, naar cytosol gericht) en een outer leaflet (buitenste membraan, naar extracellulaire matrix
gericht) is. De hydrofiele koppen zijn naar buiten (naar water toe) gericht en de hydrofobe staarten naar
elkaar toe (het midden van de fosfolipidenbilayer; exclusie van water).
- In biologische membranen is er sprake van een asymmetrie tussen de inner en outer leaflet van de
membraan. Deze ontstaat tijdens de biosynthese en beïnvloedt de buiging (curvature) en de
vloeibaarheid van het membraan (extracellulaire leaflet is stijver dan de intracellulaire leaflet). De
intracellulaire zijde is ook negatiever geladen dan de extracellulaire zijde.
Vloeibaarheid celmembraan en rol van cholesterol:
- Transitietemperatuur: de temperatuur waarbij de plasmamembraan van gelfase (minder vloeibaar, bij
lage temperatuur) naar solfase (vloeibare fase, bij hogere temperatuur) en omgekeerd gaat. Bij hogere
temperatuur is diSusie van fosfolipiden makkelijker, waardoor het membraan dus vloeibaarder is. Deze
temperatuur is afhankelijk van de packing (samenstelling) van de membraan/fosfolipidencompositie.
o In een zuivere lipidemembraan is dit afhankelijk van de lengte van de fosfolipide staarten en het
aantal onverzadigdheden dat zich daarin bevinden. Hoe korter de keten, hoe minder
interactiepunten, hoe harder de beweging ten opzichte van elkaar (zwakke packing), hoe
vloeibaarder de membraan. Hoe langer de staarten, hoe sterker de interactie, hoe dichter
(denser) de packing, hoe vaster de membraan (vloeibaar bij hogere temp). Een verzadigde keten
is recht en heeft dus dichte packing. Onverzadigde ketens vertonen een kink en dus minder
interactie. Er is dus zwakkere packing waardoor de membraan vloeibaar is bij lagere
temperatuur.
- Bij biologische membranen bepaalt cholesterol mee de rigiditeit van de membraan (incorporatie in
membraan). Het intercaleert met onverzadigde lipiden en heeft 2 eSecten.
1. Maakt de buitenste zijde (gebied van de polaire koppen) meer rigide/de buitenkant van het
membraan wordt stijver --> het membraan wordt minder permeabel. De rigide sterol ring
structuur van cholesterol stabiliseert C-atomen nabij hoofdregio.
2. Verhoging van vloeibaarheid in het midden van bilaag: door interactie tussen twee
opeenvolgende fosfolipiden (hun apolaire staarten) te verhinderen (--> kristallisatie
voorkomen) --> fosfolipiden kunnen zich flexibeler bewegen: membraan blijft vloeibaar
DUS: grote hoeveelheid: vloeibaarheid neemt toe; lage hoeveelheid: rigiditeit neemt toe
, ð Cholesterol is verder ook belangrijk voor de integriteit van de cel en zorgt ervoor dat deze niet
gaat openbarsten (door balans tussen stijfheid aan buitenzijde en flexibiliteit in het midden van
het membraan).
ð De rigiditeit of vloeibaarheid van het plasmamembraan bepaalt mee de permeabiliteit van de
cel. Een vloeibaarder membraan is doorgaans meer permeabel, terwijl een stijver membraan de
permeabiliteit verhindert.
- Lipid rafts zijn lokale concentraties van specifieke lipiden, sfingomyeline, cholesterol en proteïnen. Ze
creëren microdomeinen in het plasmamembraan met verschillende compositie. Deze rafts zijn meestal
dikker dan de rest van de membraan door de aanrijking van verzadigde fosfolipiden. Deze clusters
spelen eveneens een rol in signaaltransductie en bevatten ook glycolipiden (geglycoliseerde
fosfolipiden). Ze hebben eSect op de lokale vloeibaarheid, membraaneigenschappen zoals rigiditeit en
rekbaarheid en de concentratie van second messengers zoals PiP3/PiP2.
- Lipiden kunnen bewegen door vloeibaarheid (bilayer vormd 2D ‘vloeibare fase’): diSusie van
fosfolipiden op drie manieren: snelle rotatiebeweging/flexie (spontane draaiing om eigen as), vrije
laterale diSusie (beweging van links naar rechts of omgekeerd in het vlak van een bilayer leaflet) en door
flip-flop beweging naar andere leaflet (gefaciliteerd door flippasen: extracellulair --> cytoplasma en
floppasen: cytoplasma --> extracellulair). Deze laatste komt zelden voor omdat de hydrofiele kop
doorgeen het hydrofoob gedeelte moet worden getransporteerd, wat energie kost.
2. Bespreek de asymmetrie in lipide compositie van de celmembraan: hoe wordt dit gegenereerd en wat
zijn de implicaties.
De lipide compositie is verschillend voor de inner en outer leaflet van de celmembraan, wat resulteert in
asymmetrie. De inner leaflet bestaat hoofdzakelijk uit fasfatidylethanolamine en fosfatidylserine terwijl dat de
outer leaflet bijna alleen uit fosfatidylcholine bestaat en glycolipiden. Deze asymmetrie ontstaat door de
scheiding van fosfolipiden (waar ze zich bevinden is afhankelijk van de plaats van synthese) tijdens de
biosynthese in ER/golgi (flippase/floppase) en beïnvloedt de buiging van het membraan. De meeste fosfolipiden
worden gesynthetiseerd aan de cytosolische tijde van het ER en zullen dan verplaatst worden naar de inner
leaflet. Bepaalde lipiden worden dan door specifieke enzymen (flippasen, floppasen en scramblasen) van de
inner naar de outer leaflet getransporteerd om de gewenste asymmetrische verdeling te creëren.
De asymmetrie beïnvloedt de vloeibaarheid van de membraan. De extracellulaire leaflet is stijver dan de
intracellulaire leaflet. Fosfatidylserine is lichtjes geladen waardoor de inner leaflet negatiever is dan de outer
leaflet. Bovendien reguleert fosfatidylserine de incorporatie van membraaneiwitten door de negatieve lading
die ze draagt. De asymmetrie van de celmembraan is heel belangrijk en bij verlies van asymmetrie bv wanneer
fosfatidylserine zich in de outer leaflet (te weinig ATP) bevindt in plaats van de inner leaflet, is dit een indicatie
dat de cel in apoptose gaat (fosfatidylserine vormt dan receptor voor fagocytose). Asymmetrie is ook belangrijk
in fosfolipiden die betrokken zijn bij second messenger signaal cascades. PiP2 is een fosfolipide dat zich
bevindt aan de cytoplasmatische zijde van de celmembraan en is belangrijk voor de IP3-DAG/PKC…
signaalcascade. Verder is de celmembraan gebogen (curvature) naar binnen. Glycolipiden bevinden zich ook
altijd aan de buitenkant van de celmembraan. Zij spelen een rol in onder andere cel-cel interacties, herkenning
en bescherming van de celoppervlakte.
Lipid rafts vormen een laterale asymmetrie binnen eenzelfde leaflet. Lipid rafts vormen microdomeinen in het
plasmamembraan met lokale, hoge concentraties van specifieke lipiden, sfingomyeline, cholesterol en
proteïnen. Ze zijn meestal dikker dan de rest van het membraan door de aanrijking van verzadigde fosfolipiden.
Deze clusters van proteïnen/lipiden spelen een rol in signaaltransductie. Ze bevatten glycolipiden
(geglycolyseerde fosfolipiden). Ze kunnen eSect hebben op de lokale vloeibaarheid, membraaneigenschappen
zoals stijfheid en rekbaarheid en de concentratie van ‘second messengers’ zoals PiP3/PiP2.
Micro-domeinen --> leaflet-leaflet interacties en accumulatie van membraanproteïnes
, Cel-cel communicatie & signaal transductie (hoofdstuk 3)
3. Bespreek de biomoleculaire reactie van ligand-receptor interactie, inclusief concentratie-eSect curve
en betekenis/impact KD-waarde en Hill nummer.
De biomoleculaire reactie beschrijft de interactie tussen de receptor en het ligand. Met de biomoleculaire
reactie kunnen we bepalen hoe groot de concentratie ligand moet zijn om alle receptoren te activeren (eSect)
en deze wordt weergegeven volgens de volgende formule, waarbij KD (= l/k) de evenwichtsdissociatieconstante
(maat voor aSiniteit tussen receptor en ligand) in M, [R] de concentratie van de receptor in M, [X] de
concentratie van het ligand in M, k de aSiniteit van receptor R voor stof X (ligand) = aSiniteitsnelheidsconstante
(hoe snel complex RX gevormd wordt) en l de dissociatiesnelheidsconstante (hoe snel complex RX uit elkaar
valt).
Receptoren R met een hoge aSiniteit zorgen voor een trage ligand X dissociatie. Een lagere KD betekent een
hogere aSiniteit (sterkere binding). ESect is de fractie gebonden receptoren: bij hoge concentratie ligand, zijn
de meeste receptoren gebonden. Wanneer KD=[X], is 50% van de receptoren gebonden.
Het eSect wordt bepaald door de dissociatieconstantie. Hoe lager de dissociatieconstante, hoe groter het
eSect. Onderstaande grafiek geeft het eSect weer: ACh en cGMP/Ca2+.
Grafiek 1 is op lineaire schaal en grafiek 2 is op logaritmische schaal (sigmoidaal). De pijl in grafiek 2 geeft de
IC50-waarde weer, hetzelfde als de KD-waarde en dit is de waarde van [X] waarbij de eSectgrootte 50% is (het
punt waar concentratie van stof X 50% van het maximale eSect kan bewerkstelligen. Hoe lager de KD-waarde
dus, hoe sneller er en eSect is dus hoe hoger de aSiniteit (geneigdheid om een binding te vormen).
Receptoren hebben meerdere bindingsplaatsen voor dezelfde stof. Als een receptor 1 molecule van een stof
bindt, beïnvloedt dit de aSiniteit van bindingsplaats 2, 3, … voor deze stof. Vaak is dit een positief eSect: eSect
kan sneller bewerkstelligd worden: van 0 naar maximaal eSect in korte tijd bij kleine verandering in
concentratie.
Hill-nummer n is het aantal bindingsplaatsen dat bezet moet zijn om een eSect te hebben. Het geeft de
coöperativiteit weer tussen het aantal bindingsplaatsen en wordt gebruikt om dosis-eSect curves te fitten (n
reflecteert de steilheid van de curve). Hoe groter het Hill-nummer, hoe groter de coöperativiteit en dus hoe
meer bindingplaatsen er bezet moeten zijn om een eSect te hebben. De coöperativiteit verhoogt de aSiniteit.
Stel n=2 en 1 bindingsplaats is al bezet, dan zal de bindingsplaats 2 een grotere aSiniteit hebben dan binding 1
omdat bindingsplaats 2 een conformatieverandering ondergaat.
Membraan structuur (Hoofdstuk 2)
1. Geef de algemene structuur van fosfolipiden en de opbouw van het plasmamembraan, inclusief
regulatie vloeibaarheid en rol van cholesterol.
Algemene structuur van fosfolipiden:
- Hydrofiele/polaire kop bestaande uit fosfaatgroep, een glycerol backbone (of in sommige gevallen:
sfingosine backbone bv sfingomyeline en galactocerebroside) en een hoofdgroep bv ethanolamine,
choline, serine of inositol. Deze is bepalend voor de naamgeving (in dit eerste geval:
fosfatidylethanolamine). De kop is polair dus oriënteert zich naar het water toe.
- Hydrofobe/lipofiele staart (apolair) bestaande uit 2 vetzuurketens (variërend in lengte) die verzadigd of
onverzadigd kunnen zijn. Onverzadigde ketens vertonen een kink ter hoogte van de dubbele binding. De
soort staart beïnvloedt de vloeibaarheid, structuur en dikte van het membraan. Verzadigde ketens
maken het membraan bv meer rigide terwijl onverzadigde ketens het membraan vloeibaarder maken.
Apolair dus oriënteren zich weg van het water.
- Hydrofiele kop + hydrofobe staart maken de molecule amfipatisch (half polair en half apolair)
Opbouw van het plasmamembraan:
- In een waterig milieu vormen membraanlipiden (indien aanwezig in hoge concentratie) spontaan een
lipiden bilayer (dubbellaag) door hun amfipathisch karakter, waarbij er een inner leaflet (binnenste
membraan, naar cytosol gericht) en een outer leaflet (buitenste membraan, naar extracellulaire matrix
gericht) is. De hydrofiele koppen zijn naar buiten (naar water toe) gericht en de hydrofobe staarten naar
elkaar toe (het midden van de fosfolipidenbilayer; exclusie van water).
- In biologische membranen is er sprake van een asymmetrie tussen de inner en outer leaflet van de
membraan. Deze ontstaat tijdens de biosynthese en beïnvloedt de buiging (curvature) en de
vloeibaarheid van het membraan (extracellulaire leaflet is stijver dan de intracellulaire leaflet). De
intracellulaire zijde is ook negatiever geladen dan de extracellulaire zijde.
Vloeibaarheid celmembraan en rol van cholesterol:
- Transitietemperatuur: de temperatuur waarbij de plasmamembraan van gelfase (minder vloeibaar, bij
lage temperatuur) naar solfase (vloeibare fase, bij hogere temperatuur) en omgekeerd gaat. Bij hogere
temperatuur is diSusie van fosfolipiden makkelijker, waardoor het membraan dus vloeibaarder is. Deze
temperatuur is afhankelijk van de packing (samenstelling) van de membraan/fosfolipidencompositie.
o In een zuivere lipidemembraan is dit afhankelijk van de lengte van de fosfolipide staarten en het
aantal onverzadigdheden dat zich daarin bevinden. Hoe korter de keten, hoe minder
interactiepunten, hoe harder de beweging ten opzichte van elkaar (zwakke packing), hoe
vloeibaarder de membraan. Hoe langer de staarten, hoe sterker de interactie, hoe dichter
(denser) de packing, hoe vaster de membraan (vloeibaar bij hogere temp). Een verzadigde keten
is recht en heeft dus dichte packing. Onverzadigde ketens vertonen een kink en dus minder
interactie. Er is dus zwakkere packing waardoor de membraan vloeibaar is bij lagere
temperatuur.
- Bij biologische membranen bepaalt cholesterol mee de rigiditeit van de membraan (incorporatie in
membraan). Het intercaleert met onverzadigde lipiden en heeft 2 eSecten.
1. Maakt de buitenste zijde (gebied van de polaire koppen) meer rigide/de buitenkant van het
membraan wordt stijver --> het membraan wordt minder permeabel. De rigide sterol ring
structuur van cholesterol stabiliseert C-atomen nabij hoofdregio.
2. Verhoging van vloeibaarheid in het midden van bilaag: door interactie tussen twee
opeenvolgende fosfolipiden (hun apolaire staarten) te verhinderen (--> kristallisatie
voorkomen) --> fosfolipiden kunnen zich flexibeler bewegen: membraan blijft vloeibaar
DUS: grote hoeveelheid: vloeibaarheid neemt toe; lage hoeveelheid: rigiditeit neemt toe
, ð Cholesterol is verder ook belangrijk voor de integriteit van de cel en zorgt ervoor dat deze niet
gaat openbarsten (door balans tussen stijfheid aan buitenzijde en flexibiliteit in het midden van
het membraan).
ð De rigiditeit of vloeibaarheid van het plasmamembraan bepaalt mee de permeabiliteit van de
cel. Een vloeibaarder membraan is doorgaans meer permeabel, terwijl een stijver membraan de
permeabiliteit verhindert.
- Lipid rafts zijn lokale concentraties van specifieke lipiden, sfingomyeline, cholesterol en proteïnen. Ze
creëren microdomeinen in het plasmamembraan met verschillende compositie. Deze rafts zijn meestal
dikker dan de rest van de membraan door de aanrijking van verzadigde fosfolipiden. Deze clusters
spelen eveneens een rol in signaaltransductie en bevatten ook glycolipiden (geglycoliseerde
fosfolipiden). Ze hebben eSect op de lokale vloeibaarheid, membraaneigenschappen zoals rigiditeit en
rekbaarheid en de concentratie van second messengers zoals PiP3/PiP2.
- Lipiden kunnen bewegen door vloeibaarheid (bilayer vormd 2D ‘vloeibare fase’): diSusie van
fosfolipiden op drie manieren: snelle rotatiebeweging/flexie (spontane draaiing om eigen as), vrije
laterale diSusie (beweging van links naar rechts of omgekeerd in het vlak van een bilayer leaflet) en door
flip-flop beweging naar andere leaflet (gefaciliteerd door flippasen: extracellulair --> cytoplasma en
floppasen: cytoplasma --> extracellulair). Deze laatste komt zelden voor omdat de hydrofiele kop
doorgeen het hydrofoob gedeelte moet worden getransporteerd, wat energie kost.
2. Bespreek de asymmetrie in lipide compositie van de celmembraan: hoe wordt dit gegenereerd en wat
zijn de implicaties.
De lipide compositie is verschillend voor de inner en outer leaflet van de celmembraan, wat resulteert in
asymmetrie. De inner leaflet bestaat hoofdzakelijk uit fasfatidylethanolamine en fosfatidylserine terwijl dat de
outer leaflet bijna alleen uit fosfatidylcholine bestaat en glycolipiden. Deze asymmetrie ontstaat door de
scheiding van fosfolipiden (waar ze zich bevinden is afhankelijk van de plaats van synthese) tijdens de
biosynthese in ER/golgi (flippase/floppase) en beïnvloedt de buiging van het membraan. De meeste fosfolipiden
worden gesynthetiseerd aan de cytosolische tijde van het ER en zullen dan verplaatst worden naar de inner
leaflet. Bepaalde lipiden worden dan door specifieke enzymen (flippasen, floppasen en scramblasen) van de
inner naar de outer leaflet getransporteerd om de gewenste asymmetrische verdeling te creëren.
De asymmetrie beïnvloedt de vloeibaarheid van de membraan. De extracellulaire leaflet is stijver dan de
intracellulaire leaflet. Fosfatidylserine is lichtjes geladen waardoor de inner leaflet negatiever is dan de outer
leaflet. Bovendien reguleert fosfatidylserine de incorporatie van membraaneiwitten door de negatieve lading
die ze draagt. De asymmetrie van de celmembraan is heel belangrijk en bij verlies van asymmetrie bv wanneer
fosfatidylserine zich in de outer leaflet (te weinig ATP) bevindt in plaats van de inner leaflet, is dit een indicatie
dat de cel in apoptose gaat (fosfatidylserine vormt dan receptor voor fagocytose). Asymmetrie is ook belangrijk
in fosfolipiden die betrokken zijn bij second messenger signaal cascades. PiP2 is een fosfolipide dat zich
bevindt aan de cytoplasmatische zijde van de celmembraan en is belangrijk voor de IP3-DAG/PKC…
signaalcascade. Verder is de celmembraan gebogen (curvature) naar binnen. Glycolipiden bevinden zich ook
altijd aan de buitenkant van de celmembraan. Zij spelen een rol in onder andere cel-cel interacties, herkenning
en bescherming van de celoppervlakte.
Lipid rafts vormen een laterale asymmetrie binnen eenzelfde leaflet. Lipid rafts vormen microdomeinen in het
plasmamembraan met lokale, hoge concentraties van specifieke lipiden, sfingomyeline, cholesterol en
proteïnen. Ze zijn meestal dikker dan de rest van het membraan door de aanrijking van verzadigde fosfolipiden.
Deze clusters van proteïnen/lipiden spelen een rol in signaaltransductie. Ze bevatten glycolipiden
(geglycolyseerde fosfolipiden). Ze kunnen eSect hebben op de lokale vloeibaarheid, membraaneigenschappen
zoals stijfheid en rekbaarheid en de concentratie van ‘second messengers’ zoals PiP3/PiP2.
Micro-domeinen --> leaflet-leaflet interacties en accumulatie van membraanproteïnes
, Cel-cel communicatie & signaal transductie (hoofdstuk 3)
3. Bespreek de biomoleculaire reactie van ligand-receptor interactie, inclusief concentratie-eSect curve
en betekenis/impact KD-waarde en Hill nummer.
De biomoleculaire reactie beschrijft de interactie tussen de receptor en het ligand. Met de biomoleculaire
reactie kunnen we bepalen hoe groot de concentratie ligand moet zijn om alle receptoren te activeren (eSect)
en deze wordt weergegeven volgens de volgende formule, waarbij KD (= l/k) de evenwichtsdissociatieconstante
(maat voor aSiniteit tussen receptor en ligand) in M, [R] de concentratie van de receptor in M, [X] de
concentratie van het ligand in M, k de aSiniteit van receptor R voor stof X (ligand) = aSiniteitsnelheidsconstante
(hoe snel complex RX gevormd wordt) en l de dissociatiesnelheidsconstante (hoe snel complex RX uit elkaar
valt).
Receptoren R met een hoge aSiniteit zorgen voor een trage ligand X dissociatie. Een lagere KD betekent een
hogere aSiniteit (sterkere binding). ESect is de fractie gebonden receptoren: bij hoge concentratie ligand, zijn
de meeste receptoren gebonden. Wanneer KD=[X], is 50% van de receptoren gebonden.
Het eSect wordt bepaald door de dissociatieconstantie. Hoe lager de dissociatieconstante, hoe groter het
eSect. Onderstaande grafiek geeft het eSect weer: ACh en cGMP/Ca2+.
Grafiek 1 is op lineaire schaal en grafiek 2 is op logaritmische schaal (sigmoidaal). De pijl in grafiek 2 geeft de
IC50-waarde weer, hetzelfde als de KD-waarde en dit is de waarde van [X] waarbij de eSectgrootte 50% is (het
punt waar concentratie van stof X 50% van het maximale eSect kan bewerkstelligen. Hoe lager de KD-waarde
dus, hoe sneller er en eSect is dus hoe hoger de aSiniteit (geneigdheid om een binding te vormen).
Receptoren hebben meerdere bindingsplaatsen voor dezelfde stof. Als een receptor 1 molecule van een stof
bindt, beïnvloedt dit de aSiniteit van bindingsplaats 2, 3, … voor deze stof. Vaak is dit een positief eSect: eSect
kan sneller bewerkstelligd worden: van 0 naar maximaal eSect in korte tijd bij kleine verandering in
concentratie.
Hill-nummer n is het aantal bindingsplaatsen dat bezet moet zijn om een eSect te hebben. Het geeft de
coöperativiteit weer tussen het aantal bindingsplaatsen en wordt gebruikt om dosis-eSect curves te fitten (n
reflecteert de steilheid van de curve). Hoe groter het Hill-nummer, hoe groter de coöperativiteit en dus hoe
meer bindingplaatsen er bezet moeten zijn om een eSect te hebben. De coöperativiteit verhoogt de aSiniteit.
Stel n=2 en 1 bindingsplaats is al bezet, dan zal de bindingsplaats 2 een grotere aSiniteit hebben dan binding 1
omdat bindingsplaats 2 een conformatieverandering ondergaat.
