Moleculaire Biologie van de Cel – Hoorcolleges – Deel I
Hoorcollege 1 – Membraanarchitectuur
Membranen moeten;
- Niet lekken
- Selectief stoffen doorlaten
- Signalen doorgeven
- Zorgen voor energielevering en opslag (pH gradiënten)
- Kunnen fuseren en afsplitsen zonder dat het lekt
Membranen zijn belangrijke barrières voor medicijnen, giftige stoffen en virussen.
RNA in evolutie
- RNA → katalysator → eiwitten
- RNA → genetische info → DNA
Simpelste membranen
- Zeepbel
o Bij heel veel lucht
▪ Bevat heel veel lucht
▪ Polaire koppen zitten dus tegen elkaar aan, apolaire staarten zijn naar buiten gekeerd
o Bij heel veel water
▪ Polaire koppen zijn naar buiten
gericht, apolaire staarten zitten tegen
elkaar aan aan de binnenkant
- Micel
o Kegelvorm
o Kop is groter dan de staart
▪ Koppen zullen zich dus bevinden aan
de buitenkant, apolaire staarten gaan
naar het midden toe
Hydrofobe effect: watermoleculen hebben onderling een sterke interactie met elkaar, hydrofobe moleculen worden
daardoor naar elkaar gedreven. Watermoleculen kunnen namelijk geen gunstige interactie met hydrofobe
moleculen aan gaan.
Oer-membraan
- Membranen kunnen gevormd worden uit heel simpele vetzuren
- Oer-membraan zal dus wel een barrière hebben gehad maar geen hele sterke
- Is dynamisch (fusie is mogelijk)
Biologische membranen
- Lipide bilaag dat cholesterol,
transmembraaneiwitten en
suikergroepen/glycoproteins bevat.
- Plasmamembraan is heel asymmetrisch
(binnen vs. Buitenmembraan) in vergelijking
tot bv het membraan van het ER. Het
plasmamembraan bevat veel cholesterol en
suikergroepen.
o Suikergroepen zitten altijd aan de
buitenkant van de cel!
o PS is nodig bij apoptose en virusfusie
- Bevatten
o Phosphatidylcholine (PC)
o Phosphatidylserine (PS)
, o Phosphatidylethanolamine (PE)
- Cholesterol kan domeinen vormen in membranen en bepaalt de mate van dynamiek ven een membraan.
Cholesterol rijke domeinen heten ‘rafts’. Rafts bevatten veel cholesterol en sfingolipiden. Ze ordenen
lipiden in de membraan en bevatten speciale eigenschappen en functies.
o Temperatuur
o Vetzuurstaart lengte
o Aantal dubbele bindingen
o Hoeveelheid cholesterol
Modelmembranen in onderzoek
- Lipsomen als drug-carriers (structuur)
- Anesthetica (eiwitten)
- Antimicrobiële peptiden (interacties)
- Amyloïden (interacties)
Algemene structuur van fosfolipiden
Vetzuren in dierlijke cellen bevatten een even
aantal koolstofatomen, vaak variërend van 14-24
C-atomen in een vetzuur.
Er is geen vrije rotatie tussen dubbele bindingen.
Dubbele bindingen komen in een vetzuur
namelijk alleen in de cis-vorm voor. Deze vormen
dus een ‘plat-vlak’. Er is hierdoor geen rotatie
mogelijk.
Er is wel vrije rotatie tussen enkele bindingen.
De kopgroepen en vetzuurstaarten zijn bepalend
voor de eigenschappen van een membraan.
Lipiden zijn vetten en kunnen smelten. Lipiden (vetzuren) bepalen de vloeibaarheid van de membraan. Bij hogere
temperaturen gaan moleculen meer bewegen en worden trans-gauche isomerisaties energetisch gunstiger.
Isomerisaties verstoren de packing van een membraan. Smelten is dus een coöperatief proces.
Vloeibaarheid is belangrijk voor membranen omdat dit nodig is voor het functioneren van membranen, de
flexibiliteit van het membraan, het is nodig voor laterale bewegingen (diffusie en vorming van domeinen) en bepaalt
de dynamiek van een membraan (fusie/flip-flop/afsnoering).
Bij lage temperaturen zijn vetzuren in een zogeheten ‘all-trans’
conformatie. Dit geeft een gunstige packing van ketens naast elkaar.
Er is vrije draaibaarheid rond C-C bindingen. Hier in zijn anti/trans bindingen en gauche bindingen het meest gunstig,
eclipsed conformaties worden vermeden.
Membranen vormen een efficiënte barrière onder en boven hun smelttemperatuur, Tm. De dimensies zijn anders
waardoor er bijvoorbeeld in de gel-fase de bilagen dikker zijn en het lastiger is voor moleculen om door een bilaag te
gaan. Het oppervlak per molecuul is kleiner.
Wanneer T=Tm zullen moleculen heel makkelijk over de bilaag kunnen diffunderen omdat er packings-defecten
ontstaan.
Temperatuur bepaalt de vloeibaarheid van een membraan. Vloeibaarheid van een membraan bepaalt de packing
van een membraan en dus de hoeveelheid dubbele bindingen die nodig zijn voor een goede packing. Hoe meer
dubbele bindingen, hoe vloeibaarder een membraan.
,(PS) = negatief (-1)
(PC) = neutraal
(PE) = neutraal
(PI) = negatief (1-)
(CL) = negatief (2-)
, Hoorcollege 2 – Membraanarchitectuur
Structuur en eigenschappen van lipiden
Membraanvloeibaarheid nodig voor;
- Flexibiliteit
- Laterale diffusie
- Dynamische eigenschappen van membranen
Bacteriën hebben een binnen en buitenmembraan
Experimenteren met verschillende incubatietemperaturen om de samenstellingen membranen onderzoeken. Bij lage
temperaturen worden er veel dubbele bindingen in de membraan gevonden, bij hogere temperaturen worden
weinig dubbele bindingen gevonden. Wat is het mechanisme hierachter?
Kopgroepen en vloeibaarheid;
- Vorm lipide bepaalt de organisatie
- Soorten kopgroepen
o Cilindrisch (PC)
o Kegelvormig (vormt snel micellen, niet bilaag lipiden)
▪ PE en LPC
▪ Grote kop, kleine staart
• Micellen
▪ Kleine kop, grote staart
• Kegelvormige lipiden zoals PE vormen bij voorkeur een hexagonale fase in water
- Type II lipiden vormen niet spontaan een bilaag en wil je liever niet in een bilaag hebben
o Vetzuurstaarten afschermen van het water wanneer de kopgroep kleiner is
▪ Dichtere pakking in het midden van het membraan dus lastiger voor moleculen om de
membraan te passeren maar er is wel weer meer ruimte tussen de kopgroepen waar
eiwitten (hydrofoob) dus weer makkelijker kunnen vasthechten aan het membraan
o Niet-bilaag lipiden passen goed in een sterk gekromde membraan!
▪ Ze komen dus mogelijk vaak voor bij fusie en afsnoering van membranen
Membraanvloeibaarheid wordt vooral bepaald door vetzuurstaarten en een deel door kopgroepen! Maar de
membraancurvatuur en packing van de membranen wordt wel grotendeels bepaald door de kopgroepen!
Hoorcollege 1 – Membraanarchitectuur
Membranen moeten;
- Niet lekken
- Selectief stoffen doorlaten
- Signalen doorgeven
- Zorgen voor energielevering en opslag (pH gradiënten)
- Kunnen fuseren en afsplitsen zonder dat het lekt
Membranen zijn belangrijke barrières voor medicijnen, giftige stoffen en virussen.
RNA in evolutie
- RNA → katalysator → eiwitten
- RNA → genetische info → DNA
Simpelste membranen
- Zeepbel
o Bij heel veel lucht
▪ Bevat heel veel lucht
▪ Polaire koppen zitten dus tegen elkaar aan, apolaire staarten zijn naar buiten gekeerd
o Bij heel veel water
▪ Polaire koppen zijn naar buiten
gericht, apolaire staarten zitten tegen
elkaar aan aan de binnenkant
- Micel
o Kegelvorm
o Kop is groter dan de staart
▪ Koppen zullen zich dus bevinden aan
de buitenkant, apolaire staarten gaan
naar het midden toe
Hydrofobe effect: watermoleculen hebben onderling een sterke interactie met elkaar, hydrofobe moleculen worden
daardoor naar elkaar gedreven. Watermoleculen kunnen namelijk geen gunstige interactie met hydrofobe
moleculen aan gaan.
Oer-membraan
- Membranen kunnen gevormd worden uit heel simpele vetzuren
- Oer-membraan zal dus wel een barrière hebben gehad maar geen hele sterke
- Is dynamisch (fusie is mogelijk)
Biologische membranen
- Lipide bilaag dat cholesterol,
transmembraaneiwitten en
suikergroepen/glycoproteins bevat.
- Plasmamembraan is heel asymmetrisch
(binnen vs. Buitenmembraan) in vergelijking
tot bv het membraan van het ER. Het
plasmamembraan bevat veel cholesterol en
suikergroepen.
o Suikergroepen zitten altijd aan de
buitenkant van de cel!
o PS is nodig bij apoptose en virusfusie
- Bevatten
o Phosphatidylcholine (PC)
o Phosphatidylserine (PS)
, o Phosphatidylethanolamine (PE)
- Cholesterol kan domeinen vormen in membranen en bepaalt de mate van dynamiek ven een membraan.
Cholesterol rijke domeinen heten ‘rafts’. Rafts bevatten veel cholesterol en sfingolipiden. Ze ordenen
lipiden in de membraan en bevatten speciale eigenschappen en functies.
o Temperatuur
o Vetzuurstaart lengte
o Aantal dubbele bindingen
o Hoeveelheid cholesterol
Modelmembranen in onderzoek
- Lipsomen als drug-carriers (structuur)
- Anesthetica (eiwitten)
- Antimicrobiële peptiden (interacties)
- Amyloïden (interacties)
Algemene structuur van fosfolipiden
Vetzuren in dierlijke cellen bevatten een even
aantal koolstofatomen, vaak variërend van 14-24
C-atomen in een vetzuur.
Er is geen vrije rotatie tussen dubbele bindingen.
Dubbele bindingen komen in een vetzuur
namelijk alleen in de cis-vorm voor. Deze vormen
dus een ‘plat-vlak’. Er is hierdoor geen rotatie
mogelijk.
Er is wel vrije rotatie tussen enkele bindingen.
De kopgroepen en vetzuurstaarten zijn bepalend
voor de eigenschappen van een membraan.
Lipiden zijn vetten en kunnen smelten. Lipiden (vetzuren) bepalen de vloeibaarheid van de membraan. Bij hogere
temperaturen gaan moleculen meer bewegen en worden trans-gauche isomerisaties energetisch gunstiger.
Isomerisaties verstoren de packing van een membraan. Smelten is dus een coöperatief proces.
Vloeibaarheid is belangrijk voor membranen omdat dit nodig is voor het functioneren van membranen, de
flexibiliteit van het membraan, het is nodig voor laterale bewegingen (diffusie en vorming van domeinen) en bepaalt
de dynamiek van een membraan (fusie/flip-flop/afsnoering).
Bij lage temperaturen zijn vetzuren in een zogeheten ‘all-trans’
conformatie. Dit geeft een gunstige packing van ketens naast elkaar.
Er is vrije draaibaarheid rond C-C bindingen. Hier in zijn anti/trans bindingen en gauche bindingen het meest gunstig,
eclipsed conformaties worden vermeden.
Membranen vormen een efficiënte barrière onder en boven hun smelttemperatuur, Tm. De dimensies zijn anders
waardoor er bijvoorbeeld in de gel-fase de bilagen dikker zijn en het lastiger is voor moleculen om door een bilaag te
gaan. Het oppervlak per molecuul is kleiner.
Wanneer T=Tm zullen moleculen heel makkelijk over de bilaag kunnen diffunderen omdat er packings-defecten
ontstaan.
Temperatuur bepaalt de vloeibaarheid van een membraan. Vloeibaarheid van een membraan bepaalt de packing
van een membraan en dus de hoeveelheid dubbele bindingen die nodig zijn voor een goede packing. Hoe meer
dubbele bindingen, hoe vloeibaarder een membraan.
,(PS) = negatief (-1)
(PC) = neutraal
(PE) = neutraal
(PI) = negatief (1-)
(CL) = negatief (2-)
, Hoorcollege 2 – Membraanarchitectuur
Structuur en eigenschappen van lipiden
Membraanvloeibaarheid nodig voor;
- Flexibiliteit
- Laterale diffusie
- Dynamische eigenschappen van membranen
Bacteriën hebben een binnen en buitenmembraan
Experimenteren met verschillende incubatietemperaturen om de samenstellingen membranen onderzoeken. Bij lage
temperaturen worden er veel dubbele bindingen in de membraan gevonden, bij hogere temperaturen worden
weinig dubbele bindingen gevonden. Wat is het mechanisme hierachter?
Kopgroepen en vloeibaarheid;
- Vorm lipide bepaalt de organisatie
- Soorten kopgroepen
o Cilindrisch (PC)
o Kegelvormig (vormt snel micellen, niet bilaag lipiden)
▪ PE en LPC
▪ Grote kop, kleine staart
• Micellen
▪ Kleine kop, grote staart
• Kegelvormige lipiden zoals PE vormen bij voorkeur een hexagonale fase in water
- Type II lipiden vormen niet spontaan een bilaag en wil je liever niet in een bilaag hebben
o Vetzuurstaarten afschermen van het water wanneer de kopgroep kleiner is
▪ Dichtere pakking in het midden van het membraan dus lastiger voor moleculen om de
membraan te passeren maar er is wel weer meer ruimte tussen de kopgroepen waar
eiwitten (hydrofoob) dus weer makkelijker kunnen vasthechten aan het membraan
o Niet-bilaag lipiden passen goed in een sterk gekromde membraan!
▪ Ze komen dus mogelijk vaak voor bij fusie en afsnoering van membranen
Membraanvloeibaarheid wordt vooral bepaald door vetzuurstaarten en een deel door kopgroepen! Maar de
membraancurvatuur en packing van de membranen wordt wel grotendeels bepaald door de kopgroepen!
