Deze samenvatting is gebaseerd op collegejaar 2012-2013.

Essential cell biology

Hoofdstuk 15: Intracellular compartments and transport

Membraanomsloten organellen

Prokaryote cellen bestaan uit een enkel compartiment, het cytosol, omsloten door het plasmembraan. Eukaryote cellen bestaan uit cytosol, maar bevatten daarnaast compartimenten die omsloten worden door een interne membraan: de membraanomsloten organellen. In deze membraanomsloten organellen kunnen de enzymen hun werk doen, zonder dat zij elkaar beïnvloeden. De belangrijkste organellen omsloten door een membraan zijn:

- De nucleus: over het algemeen is dit het meest prominente organel in de eukaryote cellen. Het wordt omsloten door een dubbelmembraan, ook wel bekend als de nucleaire envelop. Communicatie met het cytosol is mogelijk via nucleaire poriën die de envelop perforeren.

- Endoplasmatisch reticulum (ER): een systeem van verbonden cysten en buizen van membraan dat zich vaak uitstrekt door het meeste van de cel. Het ER is de belangrijkste plaats waar nieuw membraan gesynthetiseerd wordt. Grote gebieden in het ER hebben ribosomen vastgehecht aan het cytosol-oppervlak, deze gebieden worden ruw ER genoemd. De ribosomen synthetiseren eiwitten die of het ER lumen of het ER membraan ingaan. Het zachte ER is de plaats waar steroïde hormonen gesynthetiseerd worden en waar daarnaast een variëteit van organische moleculen (ook alcohol) wordt gedetoxificeerd.

- Golgi-apparaat: ontvangt eiwitten en lipiden van het ER. Het Golgi-apparaat modificeert de eiwitten en lipiden en stuurt ze daarna naar andere plaatsen in de cel.

- Lysosomen: bestaan uit kleine cysten met verteringsenzymen. De verteringsenzymen degraderen de oude organellen, macromoleculen en partikels die de cel ingekomen zijn via endocytose.

- Endosomen: sorteren de binnengekomen moleculen en sturen sommige moleculen terug naar het plasmamembraan voor hergebruik.

- Mitochondria: de belangrijkste functie van de mitochondria is de ATP-synthese door oxidatieve fosforylering.

- Chloroplasten (alleen in cellen van planten): productie van ATP en koolstoffixatie door fotosynthese.

- Peroxisomen: deze bevatten enzymen die lipiden afbreken en toxische moleculen vernietigen.

Door een celorganel te isoleren van andere celstructuren kan veel geleerd worden over de compositie en functie van dit organel. Het isoleren van organellen gebeurd door gedifferentieerde centrifuge. Veel organellen worden in de cel op hun plek gehouden door hechting aan het cytoskelet, om precies te zijn, aan de microtubulen. Voorbeelden van organellen met deze hechting zijn het ER, Golgi-apparaat, mitochondria en chloroplasten.

Om te kunnen begrijpen hoe de verschillende compartimenten in de huidige eukaryote cellen gerelateerd zijn aan elkaar, is het belangrijk te weten hoe de verschillende compartimenten tot stand zijn gekomen, zich hebben ontwikkeld in de tijd. Men denkt dat de voorlopers van de eerste eukaryote cellen simpele micro-organismen zijn geweest. Deze voorlopers zouden een plasmamembraan hebben, maar geen interne membranen. Deze plasmamembraan zou de cel voorzien hebben in alle membraanafhankelijke functies, zoals dat vandaag de dag nog gedaan wordt door de plasmamembraan van de meeste bacteriën. De membraanomsloten organellen zouden ontstaan zijn door evolutie op tenminste twee manieren:

1. De membranen van de nucleus, het ER, het Golgi-apparaat, de endosomen en de lysozomen zouden ontstaan zijn door invaginatie van het plasmamembraan.

Deze membranen en de organellen die de membranen omsluiten, maken deel uit van het endomembraneuze system.

2. Mitochondria en chloroplasten verschillen van alle andere organellen door het feit dat zij hun eigen genoom bevatten en een aantal van hun eigen eiwitten kunnen maken. De overeenkomsten tussen hun genoom en het genoom van bacteriën suggereert dat mitochondria en chloroplasten geëvolureerd zijn van bacteriën die omgeven werden door primitieve eukaryote cellen. In het begin zouden deze primitieve eukaryote cellen en die bacteriën in symbiose met elkaar geleefd hebben. De primitieve eukaryote cel zou de bacterie opgeslokt hebben, zodat de bacterie als chloroplast of mitochondrium deel werd van de cel. Deze theorie verklaart tevens waarom mitochondria en chloroplasten omsloten worden door twee membranen.

Eiwitsortering

Voordat de eukaryote cel zich reproduceert door zich in tweeën te delen, moet het de membraanomsloten organellen dupliceren.  De eerste stap van de reproductie is groei van de cel, de membraanomsloten organellen groeien door de incorporatie van nieuwe moleculen. Daarna  delen de organellen zich. Bij de celdeling worden de organellen verdeelt over de twee dochtermoleculen. De nucleaire envelop, het ER en het golgi-apparaat breken op in kleine vesikels. Nadat de twee dochtercellen zijn gevormd smelten ze weer samen.

Groei van de organellen vereist aanvoer van nieuwe lipiden en eiwitten om meer membraan te kunnen maken. Deze nieuwe gesynthetiseerde eiwitten moeten naar de juiste organellen gestuurd worden. De synthese van alle eiwitten begint in de ribosomen in het cytosol van de cel, met uitzondering van de eiwitten geproduceerd door de mitochondria en de chloroplasten. Hier moet aan toegevoegd worden dat nog steeds de meerderheid van de eiwitten in de mitochondria en chloroplasten door ribosomen in het cytosol gemaakt worden.

De bestemming van de gesynthetiseerde eiwitten door de ribosomen is afhankelijk van de aminozuurvolgorde. De aminozuurvolgorde bevat een signaal dat ervoor zorgt dat het aminozuur gaat naar het organel waar het nodig is. Eiwitten die zo’n signaal missen blijven permanent in het cytosol. Normaal gesproken bestaat het signaal uit een uitgestrekte aminozuurvolgorde dat tussen de 15 en 60 aminozuren lang is. Dit stuk wordt vaak van het uiteindelijke eiwit verwijderd nadat het eiwit in de juiste organel is aangekomen.

Eiwitten in de organel zijn belangrijk vanwege drie mechanismen:

1. Nucleaire eiwitten bevatten nucleaire lokalisatie signalen die helpen bij het actieve transport van de eiwitten van het cytosol naar de nucleus door de nucleaire poriën. Deze poriën penetreren de dubbele membraanenvelop van de nucleus. Dit gaat als volgt: eerst binden de nucleaire transportreceptoren (gespecialiseerde eiwitten) aan het toekomstige nucleaire eiwit dat op dat moment nog in het cytosol is. Het resulterende complex van receptor en eiwit wordt naar de porie geleid door fibrillen die van het cytosol naar de porie leiden. De binding van het toekomstige nucleaire eiwit aan de porie, opent de porie. Daarna wordt het complex door middel van actief transport naar de nucleus getransporteerd. De energie voor dit actieve transport wordt verkregen door GTP-hydrolyse. De receptoren worden dan terug getransporteerd door de poriën naar het cytosol voor hergebruik. Eiwitten kunnen de nucleus bereiken zonder uitgevouwen te worden.

2. De meeste eiwitten van de mitochondria en de chloroplasten worden in het cytosol gemaakt en dan via actief transport naar de organellen getransporteerd. Dit gebeurt met behulp van eiwit-translocators in het membraan van het mitochondrium of de chloroplast. Eiwitten moeten eerst ontvouwd worden voordat ze door het membraan van de chloroplast of het mitochondrium kunnen. Chaperonne-eiwitten in de organellen helpen de eiwitten door de twee membranen heen en helpen om daarna de eiwitten te hervouwen zodra de eiwitten eenmaal in de organellen zijn. Om de eiwitten naar specifieke plekken in de organel te kunnen vervoeren zijn andere signaalvolgordes nodig in het eiwit. Deze signaalvolgordes worden vaak alleen tentoongesteld als de eerste signaalvolgorde is verwijderd. Eiwitten die van het cytosol naar het ER gaan, gebruiken ook het mechanisme van de eiwit-translocators.

3. Eiwitten die in het ER van het ene compartiment in het endomembraneuze systeem naar het andere gaan, worden getransporteerd door transportvesikels.

De buitenste membraan van de nucleus verloopt onafgebroken met het ER. Het ER produceert de membraan voor de cel. Het ER maakt de meeste lipiden van de cel en daarnaast ook veel van de eiwitten. Deze eiwitten zijn gemaakt door de ribosomen van het ‘ruwe’ ER. Er zijn twee gescheiden typen ribosomen in het cytosol. De membraangebonden ribosomen zijn vastgehecht aan de cytosolzijde van het membraan van het ER. Deze ribosomen maken eiwitten die verplaatst worden in het ER. Vrije ribosomen liggen los in het cytosol en maken de andere eiwitten. Deze eiwitten worden gecodeerd door het nucleaire DNA.
 

Ribosomen in het cytosol worden naar het ER gestuurd als het eiwit een ER signaalvolgorde bevat. Dit signaal wordt herkend door een signaalherkenningspartikel in het cytosol. Het complex van ribosoom en signaalherkenningspartikel bindt aan een receptor op het ER-membraan. Deze binding zorgt voor de initiatie van het translocatieproces dat leidt tot een groeiend polypeptide die door een kanaal van het ER-membraan gaat. Oplosbare eiwitten, bestemd voor ofwel secretie ofwel het lumen van een organel, passeren het ER-lumen. Transmembrane eiwitten bestemd voor ofwel het membraan van het ER ofwel andere celmembranen blijven daarentegen verankerd in de lipide dubbellaag door een of meerdere  helices, die zich over het membraan uitspreiden.

In het ER-lumen vouwen de eiwitten zich, voegen zich samen met andere eiwitten en vormen disulfide-bindingen. Ook worden oligosacharide kettingen toegevoegd. Bij het verlaten van het ER vindt een belangrijke stap plaats in de kwaliteitscontrole. De eiwitten die niet goed vouwen of die niet goed samenvoegen met de juiste eiwitten worden namelijk tegengehouden en zullen uiteindelijk gedegradeerd worden.

Vesiculair transport

Transport van het ER naar het golgi-apparaat en van het golgi-apparaat naar andere bestemmingen vindt plaats door middel van vesikels die continu afgeworpen worden van het membraan en uiteindelijk met het volgende membraan weer fuseren. Dit proces wordt vesiculair transport genoemd.

Het vesiculaire verkeer tussen membraanomsloten compartimenten van het endomembraneuze systeem is goed georganiseerd. In het naar buiten gerichte secretoire pathway worden eiwitten getransporteerd van het ER, naar het golgi-apparaat, naar het plasmamembraan of naar de lysosomen. In het naar binnen gerichte endocytische pathway worden extracellulaire moleculen opgenomen door middel van vesikels die van de plasmamembraan afkomstig zijn. Deze moleculen worden eerst naar de endosomen gestuurd en daarna naar de lysosomen.

Vesikels die van de membranen afkomen hebben normaal gesproken een onderscheidende eiwitmantel aan het oppervlak dat grenst aan het cytosol. De vesikels worden ook wel gemantelde vesikels genoemd. Nadat het vesikel gescheiden is van het afkomstige organel, werpt de vesikel zijn eiwitmantel af zodat het direct kan interacteren met het membraan waarmee het zal fuseren. Cellen produceren verschillende soorten gemantelde vesikels, elke met een eigen onderscheidende eiwitmantel. De mantel stimuleert het proces van afwerpen van de plasmamembraan, de eiwitmantel helpt om receptoren te incorporeren in de vormende vesikel.

De beste studies zijn gemaakt van de vesikels die een eiwitmantel hebben van het eiwit clathrine. Deze clathrine gemantelde vesikels komen van het golgi-apparaat in het naar buitengerichte secretoire pathway en van het plasmamembraan naar het naar binnen gerichte endocytische pathway. Clathrinemoleculen vormen korfachtige hokjes die helpen om membranen om te vormen in vesikels. Clathrine zelf spelt geen in het vangen van specifieke molecule voor transport. Deze functie is weggelegd voor tweede klasse manteleiwitten, de adaptinen. Adaptine bevestigd de clathrine-mantel stevig aan het vesikelmembraan en  helpt cargomoleculen te selecteren voor transport. Moleculen voor voorwaards transport dragen specifieke transportsignalen. Deze transportsignalen worden herkend door zogenaamde cargoreceptoren in het membraan van het betreffende compartiment. Adaptine helpt om specifieke cargomoleculen te ‘vangen’ door het vangen van de cargoreceptoren die de cargomoleculen binden. Op deze manier is in iedere nieuw gevormde clathrine-eiwitmantel een cargomolecuul gebonden aan de cargoreceptor, geïncorporeerd in het lumen.  

Gemantelde vesikels verliezen hun eiwitmantel, zodra ze los van het membraan zijn. Dit omdat ze alleen zonder eiwitmantel kunnen fuseren met het target-membraan. Dit afkoppelen en fuseren met de membraan wordt gemedieerd door eiwitten aanwezig op het vesikel en op de targetmembraan. Deze eiwitten worden v-SNAREs, respectievelijk t-SNAREs genoemd. Men denkt dat elk organel en ieder type vesikel een eigen unieke SNARE bezit. De interactie tussen complementaire SNAREs zou helpen ervoor te zorgen dat de juiste vesikel met het juiste membraan fuseert. Tijdens fusie wordt niet alleen de inhoud van de vesikel in het organel gebracht, ook wordt het membraan van de vesikel toegevoegd aan het membraan van de organel. Het samenkomen van v-SNAREs en t-SNAREs forceert de twee lipide dubbellagen dichtbij elkaar te positioneren. Daarna vindt interactie plaats tussen de lipiden tussen van de beide dubbellagen en vindt fusie plaats.

Secretoire pathways

Het golgi-apparaat ontvangt nieuw gemaakte eiwitten van het ER. In het golgi-apparaat worden oligosacharides die op de eiwitten zitten veranderd en de eiwitten gesorteerd. Daarna worden de eiwitten van het golgi-apparaat naar het plasmamembraan, de lysosomen of als secretoire vesikels gestuurd. Sommige eiwitten zijn bestemd om in het ER te functioneren, deze blijven in het ER. Dit gebeurt als deze eiwitten een C-terminale volgorde van vier aminozuren hebben, het zogenaamde ER-retentiesignaal. Dit signaal wordt herkend door een membraangebonden eiwitreceptor in zowel het ER als het golgi-apparaat.

Echter, de meeste eiwitten die het ER binnenkomen zijn bestemd voor andere doeleinden. Zoals hierboven al benoemd, het verlaten van het ER is erg selectief. Chaperonnes voorkomen het verlaten van het ER van verkeerd gevouwen eiwitten of gedeeltelijk samengekomen eiwitten, oftewel kwalitatief slechte eiwitten.

De mutatie die de ziekte cystische fibrose veroorzaakt produceert een plasmamembraantransporteiwit dat lichtelijk verkeerd gevouwen is. Cystische fibrose veroorzaakt ernstige degeneratie van de longen. Het is niet omdat de mutatie een belangrijk eiwit inactiveert, maar omdat een actief eiwit wordt afgevoerd door de cel voordat het de gelegenheid heeft gehad om te functioneren, dat de ziekte zo verwoestend is.

Nadat de eiwitten het ER verlaten hebben, worden ze verder gemodificeerd en gesorteerd in het golgi-apparaat. Het golgi-apparaat bestaat uit een verzameling van afgevlakte, membraanomsloten zakjes (cisternen). Elke cisterne heeft twee verschillende gezichten: één voor de ingang (ook wel cis genoemd) en één voor de uitgang (ook wel trans genoemd). De cis grenst aan het ER, terwijl de trans naar het plasmamembraan is gericht. Oplosbare eiwitten en membraan treden het cis-golginetwerk binnen via transportvesikels, afkomstig van het ER. De eiwitten gaan door de cisternen door middel van transportvesikels die afgeworpen worden door de ene cisterne en vervolgens fuseren met de volgende cisterne. De eiwitten verlaten het trans-golginetwerk in transportvesikels die ofwel bestemd zijn voor het celoppervlak ofwel voor een ander compartiment. Men denkt dat zowel het cis als het trans golginetwerk belangrijk zijn voor de eiwitsortering.

In alle eukaryote cellen worden continu transportvesikels van het trans-golginetwerk afgeworpen en deze fuseren vervolgens met het plasmamembraan. Dit proces wordt constitutieve exocytose genoemd. Het proces levert plasmamembraanlipiden en eiwitten aan het celoppervlak en werpen andere moleculen af van de cel. Dit laatste proces wordt secretie genoemd.

Naast de continue, constitutieve exocytose, is er ook een gereguleerde exocytose pathway. Deze gereguleerde exocytose vindt alleen plaats in celen die gespecialiseerd zijn voor secretie. Gespecialiseerde, secretoire cellen produceren grote hoeveelheden aan bepaalde stoffen zoals hormonen en digestieve enzymen. Deze stoffen worden opgeslagen in secretoire vesikels zodat ze op een later moment vrijgelaten kunnen worden. Deze vesikels worden afgeworpen van het trans-golginetwerk en stapelen zich op vlakbij de plasmamembraan. Daar wachten ze op het extracellulaire signaal dat de vesikels zal stimuleren om te fuseren met de plasmamembraan en daarna de inhoud vrij te laten buiten de cel.

Endocytische pathway

Cellen nemen vloeistoffen, moleculen en soms zelfs partikels op via endocytose. Twee belangrijke typen endocytose worden onderscheiden op basis van de grootte van de endocytische vesikels die gevormd worden. De eerste is pinocytose (cellular drinking), de tweede is fagocytose (cellular eating). Pinocytose heeft betrekking op de opname van vloeistoffen en moleculen via hele kleine vesikeltjes (kleiner dan 150nm). Fagocytose heeft betrekking op de opname van grotere partikels, bijvoorbeeld micro-organismen en celdebris. Dit gebeurt via grotere vesikels, fagosomen genoemd (groter dan 250nm).

Pinocytose vindt plaats in alle eukaryote cellen, fagocytose vindt vooral plaats in gespecialiseerde fagocytische cellen. Fagocytische cellen nemen grote partikels op door ze op te nemen in fagosomen. Deze fagosomen fuseren daarna met de lysosomen. Fagocytose is belangrijk voor de vertering van voedselmoleculen en voor de verdediging tegen infecties door de opname van de aanvallende micro-organismen in fagosomen.
Omdat tijdens pinocytose het totale celoppervlak en volume ongewijzigd blijft, zal het duidelijk zijn dat de hoeveelheid membraan dat wordt toegevoegd tijdens exocytose door fusie, ook wordt verwijderd tijdens de endocytose.
Veel van het materiaal dat de cel binnenkomt tijdens endocytose, wordt naar de endosomen en daarna naar de lysosomen vervoerd. Daar degraderen hydrolytische enzymen het materiaal. De meeste componenten van het membraan van de endocytische vesikel, worden via transportvesikels terug naar de plasmamembraan gestuurd voor hergebruik.