Deze samenvatting is gebaseerd op collegejaar 2017-2018.

Thema 2: Nucleïnezuren en eiwitten

Replicatie, transcriptie en herstel

Essential Cell Biology - Alberts, Hopkins - 4e druk

Celbiologie: Hoe werken DNA replicaties, reparaties en recombinaties? - Chapter 6

De diversiteit aan levende organismen hangt af van de genetische veranderingen door miljoenen jaren heen. Om te overleven en reproduceren moeten individuen genetisch stabiel zijn. De meeste DNA schade is tijdelijk en wordt gecorrigeerd door een proces genoemd DNA herstel. Wanneer het herstel faalt, zal er een irreversibele mutatie ontstaan in het DNA, die kan leiden tot een verandering van het eiwit. Een mutatie in geslachtscellen zal worden doorgegeven aan elke cel van het multicellulaire organismen en aan de opvolgende generaties. De andere somatische cellen moeten worden beschermd tegen genetische verandering tijdens het leven van de individu.

Hoe werkt DNA replicatie?

De beide strengen van de dubbele helix van het DNA bevatten een nucleotidevolgorde die complementair is aan de nucleotidevolgorde van de andere streng. Als we de ene streng A noemen en de andere streng B, vormt streng A een template streng voor streng B, en andersom. Bij replicatie van streng A ontstaat een nieuwe streng B en bij replicatie van streng B ontstaat een nieuwe streng A. Een streng die gebruikt wordt voor replicatie heet een template, de nieuwe streng die langs de template gevormd wordt, heet een replicate. Doordat het mogelijk is om replicates te maken, is de cel in staat om zijn genen te kopiëren. Het kopiëren wordt uitgevoerd door een aantal proteïnen die samen een replicatiemachine vormen.

Bij DNA-replicatie ontstaan uit één dubbele helix twee dubbele helices, die identiek zijn aan het oorspronkelijke DNA. Elke streng van de dubbele helix dient als een template voor een nieuwe streng. Daardoor bevat elke kopie van het DNA uiteindelijk één streng van het originele DNA, en één replicate. Deze vorm van replicatie heet semi-conservatief.

De dubbele helix is normaal gesproken gesloten. De twee strengen worden bij elkaar gehouden door een groot aantal waterstofbruggen tussen de basen van beide strengen. DNA-replicatie begint met het ontwinden en scheiden van de twee strengen. Door proteïnes worden de waterstofbruggen tussen de twee strengen verbroken en gaan de strengen uit elkaar. De stoffen die dit veroorzaken heten initiator proteins. De plaatsen waar het DNA geopend wordt, heten replication origins. Deze zijn te herkennen aan een bepaalde nucleotidevolgorde. Deze origins trekken de initiator proteins aan en bevinden zich op delen van het DNA dat makkelijker te openen is (meestal bij A-T paren vanwege minder waterstofbruggen).

Op de plaats waar het DNA geopend wordt door een initiator, worden eiwitten aangetrokken die bij het replicatieproces betrokken zijn. Deze groep van eiwitten vormen de replication machine. DNA moleculen die gerepliceerd worden, bevatten Y-vormige knooppunten die we replicatievorken noemen. Bij deze vorken verplaatst de replication machine zich langs het DNA. De machine opent beide strengen en gebruikt elke als een template om een replicate te vormen. Per replication origin worden twee replicatie vorken gevormd en deze bewegen zich in tegenovergestelde richting. Het proces van DNA replicatie heet daarom bidirectional.

Een enzym dat belangrijk is bij de DNA replicatie is DNA-polymerase. Dit enzym katalyseert het toevoegen van een nucleotide aan het 3’-uiteinde van een replicate. Het helpt een binding te vormen tussen het 3’-eind van de replicate en de fosfaatgroep (5’-eind) van de nieuwe nucleotide. Voor de reactie heeft plaatsgevonden bevatten de vrije nucleotiden energie. De vrije nucleotiden zijn trifosfaten. Bij de hydrolyse van een trifosfaat worden twee fosfaatgroepen van de vrije nucleotide afgesplitst.

Hierbij komt energie vrij die de vorming van de binding tussen de vrije nucleotide en de replicate mogelijk maakt. Het DNA polymerase zorgt ervoor dat de energie benut wordt voor de verbinding tussen de nucleotide en de replicate.

De replicatie kan slechts in één richting plaatsvinden, namelijk in de richting van het 5’-uiteinde naar het 3’-uiteinde. De twee strengen van het DNA-molecuul hebben echter een tegenovergestelde richting. Als gevolg hiervan wordt één nieuwe DNA-streng gemaakt langs een template die van 3’ naar 5’ loopt. De andere DNA streng wordt echter gemaakt langs een template die van 5’ naar 3’ loopt. Dit is een probleem, omdat DNA-polymerase alleen een replicate van 5’ naar 3’ kan maken.. Bij de replicatie van deze streng wordt dit probleem opgelost door telkens kleine stukjes te repliceren in de richting van het 5’-uiteinde naar het 3’-uiteinde, en deze korte fragmenten te koppelen. Deze korte fragmenten heten Okazaki-fragmenten. De streng die op deze manier gerepliceerd wordt heet de lagging strand. De streng die in een keer gerepliceerd wordt heet de leading strand.

DNA-polymerase heeft twee bijzondere eigenschappen die ervoor zorgen dat de DNA-replicatie bijna zonder fouten plaats kan vinden. Ten eerste controleert het polymerase of de combinatie van twee nucleotiden juist is (A-T en C-G). Alleen wanneer de combinatie klopt, katalyseert het polymerase de bindingsreactie. Ten tweede kan het polymerase een gemaakte fout herstellen door middel van proofreading. Proofreading vindt tegelijkertijd plaats met de synthese van DNA. Voordat een nieuwe nucleotide aan de groeiende, nieuwe DNA-streng wordt gebonden, wordt er eerst gecontroleerd of de basenparing van de voorafgaande nucleotide klopt. Als dit het geval is, gaat de replicatie verder. Als dit niet het geval is, wordt de foute nucleotide verwijderd en probeert het polymerase het opnieuw.

Polymerase kan zelf geen begin maken aan een nieuwe DNA-streng. Hier is een ander enzym voor nodig, namelijk het primase. Dit enzym synthetiseert echter geen DNA, maar maakt een klein stukje RNA langs de DNA-template. Dit RNA bestaat uit ongeveer tien nucleotiden en dient als primer voor de synthese van DNA. Deze primer is met basen van de template gepaard en bevat een 3’-eind waaraan polymerase nieuwe nucleotide kan koppelen. Primase is een voorbeeld van een RNA-polymerase. RNA-polymerase synthetiseert RNA waarbij het DNA gebruikt wordt als template. Het verschil tussen DNA en RNA is dat DNA desoxyribose bevat en RNA ribose. Daarnaast wordt bij RNA de base uracil gebruikt in plaats van thymine, waardoor de combinatie U-A voorkomt in plaats van T-A. Een laatste verschil tussen RNA en DNA is dat RNA slechts uit een enkele streng bestaat, terwijl DNA dubbelstrengs is.

Bij replicatie van de leading strand is één primer nodig om de replicatie bij de replication origin te starten. Vervolgens kan de replicatie aan een stuk van 5’ naar 3’ door gaan. Bij replicatie van de lagging strand zijn meerdere primers nodig, omdat DNA-polymerase niet continu over de template kan bewegen. Ook zijn er drie andere enzymen nodig om het geheel van korte stukjes gerepliceerd DNA aan elkaar te plakken. Deze enzymen verwijderen de primers, vervangen deze door DNA, en plakken de stukken aan elkaar.

Een nuclease verwijdert het RNA, een DNA polymerase (repair polymerase) vervangt het RNA door DNA, en DNA ligase plakt de uiteinden aan elkaar.

Voor het voortduren van de replicatie is het nodig dat de twee DNA-strengen van de helix uit elkaar gaan in de richting van de replicatie. Hierbij speelt helicase een belangrijke rol. Aan de voorkant van de replication machine ontbindt helicase de twee DNA-strengen.

Hiervoor is helicase van ATP afhankelijk. Aan de gescheiden strengen binden eiwitten, de zogenaamde single strand DNA-binding proteins, die ervoor zorgen dat de DNA-strengen niet weer terugvormen in een dubbele helix. Het eiwit sliding clamp zorgt ervoor dat DNA-polymerase aan de template vast blijft. Zonder dit eiwit heeft polymerase de neiging om van de template af te vallen. De sliding clamp kan echter pas aan een DNA-molecuul binden, als een zogenaamde clamp loader door middel van ATP-hydrolyse dit mogelijk maakt. Verder is het eiwit DNA-topoisomerase van belang bij de replicatie. Doordat een deel van het DNA uit elkaar wordt gehaald bij een replicatievork, komt er spanning op het DNA dat na de replicatievork volgt te staan. DNA-topoisomerase zorgt ervoor dat deze spanning verdwijnt door een inkeping in de ruggengraat van het DNA te maken en dit later weer te herstellen.

Omdat langs de lagging strand een discontinue replicate wordt gevormd, moet er steeds een nieuwe RNA-primer worden gevormd. Dit zorgt echter voor problemen aan het eind van de streng. Aan het eind van het DNA-molecuul is geen plaats om een primer te binden. Hierdoor zou de replicatie langs de lagging strand eerder stoppen. Eukaryoten hebben aan het eind van hun DNA-strengen een specifieke nucleotidevolgorde, die een telomeer wordt genoemd. Deze telomeren trekken het enzym telomerase aan. Dit enzym bevat een stukje RNA, dat wordt gekoppeld aan de lagging strand. Hierdoor is DNA-polymerase is staat om de gehele lagging strand te kopiëren.

Hoe werkt DNA-herstel?

Af en toe worden er fouten gemaakt in het DNA-replicatie- en repairproces. Als gevolg hiervan ontstaan er permanente fouten in het DNA die we mutaties noemen. Er wordt tijdens replicatie ongeveer 1 fout gemaakt per 107 gekopieerde nucleotiden. DNA mismatch repair is een systeem in de cel dat ongeveer 99% van deze fouten herstelt. Er blijft dus ongeveer 1 fout over in het DNA per 109 nucleotiden. DNA mismatch repair repareert altijd de nieuw gevormde DNA-streng die de mismatch zal bevatten. Een complex van mismatch repaireiwitten herkent een mismatch en herstelt deze na de mismatch te hebben verwijderd.

Het mismatch repairproces speelt een belangrijke rol in het voorkomen van kanker. De erfelijke aanleg voor bepaalde kanker wordt veroorzaakt door een defect in de genen die coderen voor de mismatch repaireiwitten. Mensen hebben twee kopieën van dit gen. Wanneer beide defect raken, worden mutaties niet meer hersteld. Dit vergroot de kans op kanker. DNA-schade als gevolg van onvermijdelijke chemische reacties wordt gerepareerd door verschillende enzymen die DNA-schade herkennen en een kleine reeks nucleotiden verwijderen. Het missende deel wordt aangevuld door een repair DNA-polymerase dat de onbeschadigde streng als template streng gebruikt. DNA-ligase vult de laatste scheurtjes in het DNA op.

De meeste herstelmechanismen zijn afhankelijk van het feit dat er twee kopieën van genetische informatie zijn in de dubbelstrengs DNA helix. De basis van herstel bestaat uit drie stappen:

1) Na herkenning van een DNA schade zal een nuclease het deel eruit knippen.

2) Een herstel DNA polymerase zal het gat opvullen door de kopie streng af te lezen.

3) Een DNA ligase zal de fragmenten aan elkaar plakken.

Voorbeelden van chemische reacties die plaatsvinden zijn:

• Depurinering: purinebasen (dit zijn A en G) laten spontaan los van het DNA. De ruggengraat wordt dus niet verbroken.

• Desaminering: een aminogroep laat spontaan los van de base cytosine. Vervolgens ontstaat de base uracil.

• Thyminedimeervorming: er ontstaat een covalente bindingen tussen twee thymine basen als gevolg van UV-straling.

Een gevaarlijk type DNA-beschadiging ontstaat wanneer beide strengen van de dubbele helix breken. Hierdoor blijft er geen template intact die zuiver herstel mogelijk maakt. In lichaamscellen worden deze breuken gerepareerd door een mechanisme dat nonhomologous end-joining wordt genoemd. De uiteinden worden bij elkaar gebracht door een groep enzymen en aan elkaar gemaakt door DNA-ligase. Er gaan gedurende dit proces echter vaak nucleotiden op de plaats van de breuk verloren. Een betere oplossing is homologous recombination. Dit mechanisme kan dubbelstrengse DNA-breuken betrouwbaar repareren. Het komt erop neer dat er informatie wordt uitgewisseld tussen homologe DNA-moleculen. Informatie die voorkomt op het onbeschadigde homologe DNA wordt gebruikt als voorbeeld om de gebroken DNA-strengen te repareren.

1. (B) Een nuclease zorgt ervoor dat de uiteinden bij de breuk enkelstrengs worden door een stukje van de DNA-strengen te verwijderen.

2. (C) Een van de uiteinden dringt met behulp van enzymen in het homologe DNA en vormt baseparen met de complementaire streng.

3. (D) De binnendringende streng wordt verlengd door DNA-polymerase. Hierbij wordt de complementaire homologe streng als template gebruikt. De binnendringende streng wordt verlengd tot na het punt van de breuk.

4. (E) Vervolgens wordt de dubbele breuk door basenparing weer aan elkaar gemaakt. DNA-polymerase vult de missende nucleotiden op de beide strengen aan.

5. (F) DNA-ligase vult scheurtjes op. Het herstel is compleet.

Patiënten met de genetische aandoening xeroderma pigmentosum kunnen thymine dimeren niet repareren. Deze individuen krijgen last van huidlaesies, inclusief huidkanker, wanneer ze worden blootgesteld aan UV-licht.

Depurinatie is het plotseling verdwijnen van de purinebases (A en G). Bij deaminatie verdwijnt er plotseling een aminegroep, waardoor uracil uit cytosine ontstaat.

Metabolische bijproducten veranderen soms baseparen en UV-straling kan er voor zorgen dat 2 pyrimidine (thymine, cytosine of uracil) covalente verbindingen aan gaan.

De originele streng dient altijd als back-up. Deze is makkelijk te onderscheiden van de beschadigde streng, doordat er door mutaties vaak combinaties worden gevormd die normaal niet bestaan. De drie stappen van reparatie: 1) De beschadiging wordt verwijderd door de strengen uit elkaar te trekken met nuclease. Hierdoor blijft een gat over. 2) DNA polymerase bindt aan het 3’-eind en vult het gat. 3) Ligase heelt de helix.

Er zijn veel verschillende eiwitten nodig voor DNA repair. Wanneer één van deze ontbreekt zoals bij xeroderma pigmentosum, worden mutaties door UV-straling bijvoorbeeld niet verholpen, wat resulteert in kanker. Wanneer beide strengen beschadigd zijn is het mechanisme nonhomologous end-joining nodig. Dit brengt de gebroken delen weer bij elkaar, maar niet foutloos, er gaat meestal informatie verloren. Ook bestaat er homologous recombination. Hierbij wordt er een soortgelijke DNA streng gebruikt als mal. Dit werkt hetzelfde als recombinatie bij meiose. De soortgelijke streng kruist met de beschadigde streng, dit punt heet ‘branch point’. Deze beschermingsmechanismen maken evolutie een langzaam proces. Na miljoenen jaren blijft de essentiële inhoud van DNA behouden.

Bij meiose vindt er recombinatie plaats doordat de homologe chromosoom van de vader een cross-over maakt met de chromosoom van de moeder. De plek van de cross-over is willekeurig, er gaan geen nucleotiden verloren. Deze recombinatie vindt ook plaats bij de voortplanting van veel aseksuele organismen.

Nog een vorm van genetische variatie wordt veroorzaakt door mobiele genetische elementen, transposons, of springende genen genoemd. Deze elementen zitten in alle cellen en kunnen bewegen naar een ander deel van het genoom. Ook virussen zijn een mobiele vorm van DNA, ze kunnen vanuit de ene cel, een andere infecteren. Ze kunnen zich echter niet zelfstandig vermenigvuldigen en hebben hier gastheren voor nodig. Er is te weinig plek in hun DNA/RNA voor het coderen van enzymen voor de replicatie.

Wanneer de elementen niet als DNA maar als RNA bewegen, heten ze retrotransposons. Retrovirussen moeten eerst RNA omzetten in DNA om te kunnen repliceren. Reverse transcriptase is een ongebruikelijk DNA polymerase dat RNA als template gebruikt.

Hoe werkt homologe recombinatie?

Het is ook mogelijk dat er inplaats van een enkelstrengs, een dubbelstrengs breuk ontstaat. Dan is er geen kopie meer beschikbaar. Hier zijn speciale herstel-mechanismen voor. Non-homologous end joining zet twee gebroken uiteinden aan elkaar door speciale enzymen. Vaak gaan hierbij nucleotiden verloren. Bij homologe recombinatie gaan er geen nucleotiden verloren.

Bij homologe recombinatie wordt de genetische informatie gebruikt die ligt op een homologe chromosoom. Een deel wordt als template gebruikt voor de herstel van een dubbelstrengs breuk. Homologe recombinatie speelt ook een rol in de uitwisseling van genetische informatie tijdens de meiose van seksuele reproductie. Na de detectie van een dubbbelstrengs breuk zal een nuclease een enkelstrengs uiteinde genereren. Met hulp van gespecialiseerde enzymen kan deze uiteinde een homologe DNA duplex opzoeken en bij het vertakkingspunt kruizen de twee DNA strengen. Een herstel DNA polymerase vormt baseparen met de complementaire streng en vervolgens zal de streng weer terug migreren naar de plek van de breuk. Een DNA ligase lijmt tot slot het nieuwe stuk DNA aan het breukuiteinde.

Homologe recombinatie kan ook gebruikt worden bij andere typen DNA schades. Het kan ook een rol spelen in de meiose van seksuele reproductie, namelijk de formatie van cross-overs. Hierbij wisselen een moeder en een vader chromosoom genetische informatie uit door middel van speciale meiose enzymen.

Celbiologie: Wat is het verband tussen DNA en proteinen, cel en genoom? - Chapter 7

Hoe werkt DNA transcriptie?

De omzetting van de genetische informatie in DNA naar een product dat een bepaald effect heeft op een organisme of cel, wordt genexpressie genoemd. Om de genetische informatie in DNA tot uiting te laten komen, wordt de nucleotidevolgorde van een gen eerst overgeschreven naar RNA. Dit wordt transcriptie genoemd. Transcriptie begint met de ontwinding van de dubbele helix van een stukje DNA, zodat het gen bereikbaar wordt. Eén van de DNA-strengen dient vervolgens als template voor de synthese van RNA. Transcriptie wordt gekatalyseerd door het enzym RNA-polymerase. Dit enzym verbindt de ribonucleotiden tot een suiker-fosfaatruggengraat. RNA-polymerase beweegt langs de template en synthetiseert de RNA keten van het 5’-einde naar 3’-einde. Ribonucleotiden worden toegevoegd door middel van complementaire basenparing aan de template. De RNA-streng blijft niet gebonden aan de DNA-streng. Vlak nadat een ribonucleotide aan de RNA-streng is gekoppeld, laat deze los van de DNA-streng en herstelt de dubbele helix zich. RNA-polymerase herkent bepaalde reeksen van nucleotiden in het DNA-molecuul en weet aan de hand hiervan waar de transcriptie moet beginnen en waar deze moet eindigen.

RNA en DNA verschillen van elkaar op bepaalde punten. RNA is opgebouwd uit ribose, DNA is opgebouwd uit desoxyribose. RNA bevat de base uracil (U) op plaatsen waar DNA de base thymine (T) zou bevatten. RNA-moleculen zijn enkelstrengs, DNA-moleculen zijn dubbelstrengs. Omdat RNA enkelstrengs is, heeft het de mogelijkheid zich op verschillende manieren op te vouwen (in tegenstelling tot DNA). De functie van DNA is vooral het dragen van informatie. RNA heeft echter zowel structurele, informatieve als katalyserende functies.

Cellen maken verschillende soorten RNA. Allereerst wordt er onderscheid gemaakt tussen mRNA en non-mRNA. mRNA draagt de instructies voor het maken van eiwitten, non-mRNA is RNA dat het eindproduct is van bepaalde genen. Er zijn verschillende soorten non-mRNA:

• rRNA, dat een component van ribosomen is;

• tRNA, dat zich tussen mRNA en aminozuren als adaptor gedraagt;

• miRNA, dat een belangrijke regulator van genexpressie is;

• andere soorten non-mRNA, die een rol spelen in onder andere genregulatie, splicing en het onderhoud van telomeren.

Transcriptie begint op plekken in het DNA die promotors genoemd worden, hier bindt RNA-polymerase aan de DNA-streng. Een promotor is een specifieke reeks van nucleotiden die het startpunt voor de RNA-synthese aangeeft. De transcriptie gaat door totdat RNA-polymerase een terminator bereikt. Dit is een specifieke nucleotidevolgorde die het eind van het gen aangeeft. Op dit punt laat RNA-polymerase los van de template.

Bacterieel RNA-polymerase heeft alleen een sigma factor nodig om een promotor te herkennen en transcriptie te laten beginnen. Eukaryotisch RNA-polymerase vereist een aantal transcriptiefactoren. Zonder deze eiwitten kan RNA-polymerase niet aan het DNA binden en kan de transcriptie niet verlopen. Verder hebben eukaryoten drie verschillende soorten RNA-polymerasen, terwijl bacteriën slechts één soort RNA-polymerase hebben. De verschillende genen van een eukaryoot liggen daarnaast veel verder uit elkaar in het DNA dan de genen van bacteriën. Het laatste verschil tussen eukaryoten en bacteriën, is dat eukaryoten bij transcriptie rekening moeten houden met de compacte vormen van de chromatinestructuur. Bacteriën hoeven dit niet. In eukaryotische cellen vindt transcriptie plaats in de kern, maar translatie gebeurt op de ribosomen in het cytoplasma. mRNA moet daarom door de kernenvelop heen getransporteerd worden. Voordat dit gebeurt, ondergaat het RNA verschillende verwerkingsstappen om de stabiliteit van het RNA te verhogen en het RNA herkenbaar te maken. Het verschilt per soort RNA welke verwerkingsprocessen worden toegepast. Wanneer transcriptie plaatsvindt, rijden de enzymen voor RNA verwerking mee op de staart van RNA-polymerase. Twee verwerkingsstappen die worden toegepast bij mRNA zijn capping en polyadenylation. RNA-capping is het veranderen van het 5’-einde van mRNA. Er wordt een bijzondere G-base met methylgroep toegevoegd. Bij polyadenylation wordt eerst een deel van het 3’-eind afgesneden. Vervolgens worden er vele adeninenucleotiden toegevoegd.

Wat houdt 'slicing' in?

In eukaryotisch DNA zijn de meeste genen opgebouwd uit exons en introns. Exons zijn de coderende stukken DNA. Introns zijn stukken DNA die nergens voor coderen. Zowel exons als introns worden gekopieerd tijdens transcriptie. Introns worden verwijderd uit het RNA door middel van splicing, en exons worden bij elkaar gevoegd. Dit proces wordt gekatalyseerd door kleine ribonucleoproteins, snRNPs. De cel weet welke stukken verwijderd moeten worden, omdat introns reeksen van nucleotiden bevatten die functioneren als aanwijzingen. Van alle gesynthetiseerde mRNA is maar een klein deel bruikbaar voor de cel. Pas nadat mRNA capping, polyadenylation en splicing heeft ondergaan, is het functioneel en kan het vertaald worden naar een eiwit. Het bruikbare RNA wordt van het onbruikbare RNA gescheiden doordat het transport van de celkern naar het cytoplasma selectief is: alleen RNA dat ‘af’ is kan passeren.

Het molecuul dat voor de splicing zorgt heet een spliceosome. Deze bestaat uit small nuclear RNAs (snRNAs), dit zijn speciale RNA moleculen. De snRNAs zijn verbonden met speciale eiwitten, en dit complex heet small nuclear ribonucleoprotein particles (snRNPs). De snRNPs vormen de kern van een spliceosome.

Door de splicing kunnen er van één gen vele verschillende eiwitten gemaakt worden, door ze op alternatieve manieren te splicen. Dit proces zou tijdens de evolutie ervoor gezorgd hebben dat er vele nieuwe eiwitten werden gemaakt uit een aantal genen. Na het capping, splicing en polyadenylation is het mRNA klaar om de nucleus uit te gaan.

Hoe werkt de codering van DNA naar eiwit?

Het DNA codeert voor eiwitten, de belangrijkste bouwstenen van de cel, die de structuur en functie van de cel bepalen. Eiwitten verschillen van elkaar doordat de volgorde van de aminozuren waaruit ze zijn opgebouwd altijd anders is. Dit geeft het eiwit een eigen vorm. Omdat er zoveel verschillende combinaties van aminozuurketens zijn, bestaan er ook duizenden verschillende eiwitten.

Als er een bepaald eiwit gemaakt moet worden, wordt eerst het benodigde deel van het DNA overgeschreven op RNA, dit heet transcriptie. Het maken van een eiwit met behulp van informatie van het RNA heet translatie. Ook komt RNA-splicing voor, waarbij stukjes uit het RNA worden geknipt en de sequentie van de aminozuren verandert. De stap van DNA naar RNA naar eiwit heet het centrale dogma, omdat cellen in alle organismes dit doen.

Transcriptie en translatie zijn de manieren waarop de cel zijn genen tot expressie brengt. Een stuk DNA kan vele malen worden getranscribeerd en dus vele stukjes RNA vormen, en een stukje RNA kan meerdere eiwitten maken. Zo kan de cel met maar twee kopieën van het DNA toch in korte tijd veel eiwitten maken. Omdat de snelheid en kwantiteit van het aflezen per stuk DNA verschilt, worden er van sommige eiwitten meer kopieën gemaakt dan van andere. De expressie van elk gen kan door de cel worden aangepast.

De productie van RNA, de transcriptie, is de eerste stap in de genexpressie. RNA verschilt van DNA doordat het ribose in plaats van deoxyribose bevat, het uracil als complementaire base voor adenine heeft in plaats van thymine en het enkelstrengs is en dus geen dubbele helix heeft. Omdat RNA enkelstrengs is, kan het ook op veel manieren gevouwen worden, waardoor het naast de functie om eiwitten te produceren ook structurele en katalytische functies kan hebben.

Transcriptie begint met het openen van de dubbele helix, waarna één van de strengen als template streng dient voor het RNA. Het aangroeien van RNA is vergelijkbaar met DNA-replicatie, een nucleotide die complementair is aan de base in de DNA-streng wordt gezocht en aangehecht. Het transscript is dus complementair aan de template streng. Het RNA vormt geen waterstofbruggen met het DNA en zodra een base goed is aangehecht, maakt het RNA ruimte voor de dubbele helix om weer aaneen te sluiten zodat het DNA niet lang geopend is. RNA is in vergelijking met DNA erg kort, het bevat maximaal slechts enkele duizenden nucleotiden.

De transcriptie wordt geleid door een enzym dat RNA-polymerase heet, dit zorgt voor de di-esterbinding van fosfaat en vormt de 'ruggengraatstructuur' van suikers en fosfaten die het RNA bevat. RNA-polymerase beweegt langzaam over de template streng, waarbij het kleine stukjes van de dubbele helix openbreekt met helicase activiteit en dan de template streng complementeert. Hierbij gebruikt het de energie van de ribonucleaire trifosfaten (ATP, UTP, CTP en GTP). Omdat RNA vrijwel meteen de template streng weer loslaat kan hetzelfde gen in kortere tijd vaak getranscribeerd worden. Transcriptie gaat sowieso erg snel, een gemiddeld RNA-molecuul bestaat uit ongeveer 1500 nucleotiden en wordt in 50 seconden gevormd.

De verschillen tussen RNA-polymerase en DNA-polymerase zijn dat RNA-polymerase ribosenucleotiden aan elkaar hecht in plaats van deoxyribosen, en dat RNA-polymerase zonder primer kan beginnen met de vorming van een streng. Dit laatste heeft ermee te maken dat RNA-polymerase geen controlerende functie heeft zoals DNA-polymerase, dit is ook niet nodig want fouten in het RNA hebben veel minder consequenties dan fouten in het DNA.

In de cel bevinden zich meerdere soorten RNA. Het RNA dat getranscribeerd wordt en dus voor aminozuren codeert, noemen we mRNA (messenger-RNA). Andere soorten RNA hebben een structurele functie of helpen bij de translatie, zoals rRNA (ribosomaal-RNA), dat het grootste deel van de ribosomen vormt en tRNA (transfer-RNA), dat de aminozuren levert waar de ribosomen het eiwit van maken. Er bestaat ook miRNA (micro-RNA) dat helpt bij de genexpressie, en andere RNA-vormen voor bijvoorbeeld RNA-splicing. (zie tabel 7-1 op p.228)

Het beginpunt van de transcriptie is bij bacteriën een bepaalde basenvolgorde in het DNA, de promotor genoemd. Hier wordt de dubbele helix geopend en dient een van de stengen als template streng. Transcriptie gaat door tot het een stopcodon, de terminator, tegenkomt, waarbij RNA-polymerase zowel de template streng als het gevormde RNA loslaat. De herkenning van de promotor wordt gedaan door een deel van het bacteriële polymerase, de sigmafactor, welke na transcriptie van een aantal nucleotiden loslaat. Als de polymerase de template streng loslaat, bindt het weer met zo'n sigmafactor en kan het een volgend deel van het DNA transcriberen. Ondanks dat de promotor de dubbele streng opent en dus twee strengen als template streng zouden kunnen dienen, wordt maar in één richting op één van de strengen getranscribeerd, dit omdat het RNA-polymerase maar op een streng wordt vastgehecht en er alleen in de 5'- naar 3'-richting nieuwe nucleotiden verbonden kunnen worden. De streng waarop getranscribeerd wordt, verschilt per gen.

Transcriptie in eukaryoten lijkt op transcriptie in bacteriën, maar er zijn essentiële verschillen. Ten eerste hebben eukaryoten drie soorten RNA-polymerase in plaats van één. Polymerasen I en III zorgen voor het niet-coderende RNA zoals rRNA en tRNA, RNA polymerase II zorgt voor het mRNA en wordt meestal gewoon RNA-polymerase genoemd. Daarnaast is er voor transcriptie in een eukaryote cel een collectie helpende eiwitten nodig, deze heten de general transcription factors. Ook liggen bij de eukaryoten de coderende delen van het DNA verder uit elkaar en zijn er veel complexere vormen van transcriptie mogelijk. Als laatste is het DNA van eukaryoten veel beter verpakt en moeilijker af te lezen dan bacterieel DNA.

Wat houden General Transcription Factors (GTF) in?

General transcription factors zijn nodig voor de transcriptie. Ze binden aan de promotor, binden de RNA polymerase 2, openen de helix en lanceren de RNA polymerase. De eerste GTF die bindt is TFIID. TFIID bindt aan een TATA box, een volgorde van nucleotiden T-A-T-A- enzovoort. Deze TATA box zit enkele nucleotiden vóór het begin van het gen. Na de binding zorgt de TFIID dat er een grote verandering optreedt in het DNA, en de andere GTFs binden ook. Samen met de andere GTFs bindt RNA polymerase 2 ook. Al deze eiwitten samen heten het transcription initiation complex. De RNA polymerase 2 zit dan nog vast in het transcription initiation complex. RNA polymerase 2 heeft een soort “staart” waar fosfaat groepen aan kunnen binden. GTF TFIIH heeft een protein kinase enzyme, waardoor het de staart kan fosforyleren en de RNA polymerase 2 los kan komen van het transcription initiation complex. Zo kan de RNA polymerase 2 beginnen met de transcriptie.

Als de RNA polymerase 2 weg is laten de GTFs los en kan er weer een nieuw complex opgebouwd worden. Na de transcriptie kan de RNA polymerase 2 alleen een nieuw complex vormen als de fosfaat groepen van de staart af zijn gehaald door fosfatases.

De general transcription factors verzamelen rond de promotor, helpen bij het aanhechten van RNA-polymerase, openen de dubbele helix en zetten RNA-polymerase in werking. Eerst hecht het zogenoemde TFIIB (vanwege zijn vele A's en T's ook wel de TATA box genoemd) aan de promotor (ongeveer 25 nucleotiden voor het beginpunt van de transcriptie), de promotor valt nu meer op. Hier komen de andere factoren en RNA-polymerase II op af en wordt het transcription initiatie proces gevormd. Voor RNA-polymerase met de transcriptie kan beginnen, moet het uit dit proces losraken. Dit gebeurt door fosfaatgroepen aan de staart van polymerase te koppelen met behulp van kinase, een enzym van factor TFIIH. Als de transcriptie in gang is gezet laten de meeste general transcription factors de streng los om elders een andere transcriptie te beginnen. Na de transcriptie laat ook RNA-polymerase los en worden de fosfaatgroepen eraf gehaald door fosfatase en kan het aan een andere transcriptie beginnen.

In bacteriën wordt het mRNA in het cytoplasma gevormd en kan translatie door de ribosomen meteen plaatsvinden. In eukaryoten wordt het mRNA gevormd in de nucleus en wordt deze pas getransporteerd naar het cytoplasma als het mRNA klaar is. De bewerkingen die plaatsvinden om het mRNA klaar te maken voor translatie wordt RNA processing genoemd. Deze bewerkingen vinden tegelijk met de transcriptie plaats. Verschillende RNA-soorten hebben verschillende processen, kenmerkend voor mRNA zijn capping en polyadenylation. Capping houdt in dat aan het 5'-einde een guaninenucleotide met een methylgroep wordt gekoppeld als er ongeveer 25 nucleotiden zijn aangebouwd en bij polyadenylation wordt het RNA-molecuul op een bepaalde plek afgeknipt en wordt aan het 3'-einde een keten van enkele honderden adeninenucleotiden (een poly-A-staart) gehecht. Beide zijn om het mRNA te stabiliseren, te helpen bij het transport naar het cytoplasma en om het mRNA te kenmerken. Daarbij is hieraan te zien of het mRNA compleet is, omdat zowel het begin als het eind worden gemarkeerd.

Alle soorten RNA van eukaryoten bevatten delen die niet coderen, de introns genoemd, en de wel coderende delen, de exonen. Introns zijn meestal langer dan exonen. Bij RNA-splicing worden de introns uit het pre-mRNA verwijderd. In de buurt van elk uiteinde van een intron zit een korte nucleotide sequentie die zich herkenbaar maakt om verwijderd te worden. Nadat introns zijn losgeknipt, vormen ze een soort lus. Small nuclear RNA (snRNA) herkent de grens tussen exon en intron. snRNA wordt verpakt in bepaalde eiwitten en samen vormen ze small nuclear ribonucleoprotein particles (snRNP’s). Spliceosomen bestaan uit snRNP’s, die zorgen voor de splicing. Bij alternatieve splicing kunnen er ook exonen uitgeknipt worden. Door alternatieve splicing, kan mRNA op verschillende manieren in elkaar worden gezet en dus verschillende eiwitten produceren. Alternatieve splicing treedt op bij 60% van alle RNA’s. Daarbij zorgen introns ook voor snellere recombinatie tussen verschillende genen en dus voor de evolutie van eiwitten.

Het hebben van introns heeft ook een nadeel, het genoom is veel langer dan als het alleen exonen zou bevatten. Hierdoor kunnen prokaryoten, die geen introns hebben, veel sneller delen dan eukaryoten. Of introns altijd al bestonden maar door prokaryoten uit het genoom zijn gestoten of dat introns overblijfselen van parasitair genetisch materiaal zijn, is niet duidelijk.

Alleen volledig bewerkt mRNA kan van de nucleus naar het cytoplasma getransporteerd worden. Transport wordt mogelijk gemaakt door het nucleaire porie complex, bestaande uit gaten die macromoleculen de nucleus in en uit laten. Het mRNA wordt gemarkeerd door verschillende eiwitten, zoals het ‘cap-binding complex’ en de ‘poly-A-binding proteins’ en geven aan dat alle stappen zijn doorlopen. Het RNA wat achterblijft wordt afgebroken.

Omdat mRNA meerdere keren kan worden afgelezen, is de levensduur in het cytoplasma erg belangrijk. De levensduur van het mRNA wordt door het mRNA zelf geregeld, meestal in een deel tussen het 3'-eind van het coderende deel en de poly-A-staart. Sommige mRNA’s hebben een levensduur van 10 uur en sommige maar van 30 minuten. Eiwitten waarvan er veel nodig zijn hebben mRNA dat lang leeft, eiwitten waarvan er weinig nodig zijn of waarvan de kwantiteit snel moet kunnen veranderen hebben kort levend mRNA.

Wat is de correspondentie van RNA naar eiwit?

De nucleotiden reeks in mRNA wordt gelezen in setjes van drie nucleotiden. Een setje van drie nucleotiden wordt een codon genoemd. Elk codon correspondeert met een bepaald aminozuur. Welk codon correspondeert met welk aminozuur is vastgelegd in de genetische code. De mogelijke combinaties van de vier verschillende nucleotiden in RNA geven 64 verschillende, mogelijke codons. Sommige codons corresponderen dan met hetzelfde aminozuur.

Translatie van mRNA naar eiwit vindt plaats in het cytoplasma op ribosomen. Translatie vindt plaats aan de hand van adaptormoleculen die codons van het mRNA herkennen. Deze adaptormoleculen zijn kleine RNA-moleculen en worden transfer RNA’s (tRNA’s) genoemd. Dit tRNA is op een speciale manier opgevouwen door basenparing.

Het bevat een reeks van drie nucleotiden, het anticodon genaamd, dat kan binden aan een codon in het mRNA door basevorming. Daarnaast heeft het tRNA aan zijn 3’-einde een bindingsplaats voor een aminozuur. Aminoacyl-tRNA synthetases zijn enzymen die aminozuren linken aan de passende tRNA-moleculen. De binding van het aminozuur aan het tRNA komt tot stand door hydrolyse van ATP. Er ontstaat hierdoor een energierijke binding. De energie van deze binding wordt later gebruikt om het aminozuur aan de peptideketen te koppelen.

Een ribosoom heeft een bindingsplaats voor een mRNA-streng, maar ook bindingsplaatsen voor tRNA-moleculen. Er zijn drie bindingsplaatsen voor tRNA’s: de A-plaats, P-plaats en E-plaats. Op de A-plaats bindt een tRNA-molecuul met het juiste codon op het mRNA. Op dat moment bevindt zich ook een tRNA-molecuul op de P-plaats. Dit tRNA-molecuul houdt de polypeptideketen die gesynthetiseerd wordt, vast. Vervolgens wordt het aminozuur van het tRNA op de A-plaats verbonden met de polypeptideketen die wordt vastgehouden door het tRNA op de P-plaats. Hierna komt het tRNA dat zich op de A-plaats bevindt, op de P-plaats terecht. Tot slot schuift het tRNA door naar de E-plaats, waar het tRNA weer van het geheel loslaat.

Translatie bij eukaryoten begint met een startcodon (AUG) op het mRNA. Het startcodon correspondeert met een speciaal tRNA dat altijd methionine als aminozuur heeft (initiator-tRNA). Dit initiator-tRNA wordt gekoppeld aan de P-plaats op het kleine ribosoomdeel. Eiwitten die translation initiation factors genoemd worden, binden ook aan dit kleine ribosoomdeel. Dit geheel bindt zich aan het 5’-einde van een mRNA-molecuul en gaat op zoek naar een startcodon. Zodra deze gevonden wordt, laten de translation initiation factors los van het geheel. Hierdoor kan het grote ribosoomdeel aan het kleine deel binden. Het ribosoom is nu compleet en de synthese van het eiwit kan beginnen. Het ribosoom schuift over het mRNA en bindt steeds een anticodon van het tRNA met het complementaire codon op het mRNA. De aminozuren worden aaneengekoppeld tot een polypeptideketen. De keten laat los van het ribosoom wanneer een stopcodon bereikt wordt (UAA, UAG of UGA). Er bindt dan een releasefactor aan het stopcodon op het mRNA, waardoor de ribosoomdelen het mRNA en elkaar loslaten en het tRNA de polypeptideketen loslaat.

Een ribozyme is een RNA-molecuul dat een chemische reactie kan katalyseren. Het stap voor stap aan elkaar vastmaken van aminozuren om een polypeptideketen te vormen, wordt gekatalyseerd door een rRNA-molecuul in de ribosomale subunit (het ribosoom is dus een voorbeeld van een ribozyme) van een ribosoom. Een mRNA-streng is meestal gebonden aan meerdere ribosomen tegelijkertijd. Zo’n groep ribosomen wordt ook wel een polyribosoom of polysoom genoemd. De concentratie van een bepaald eiwit is afhankelijk van de aanmaak en afbraak van dit eiwit. De afbraak van eiwitten is dus een manier om de hoeveelheid eiwitten te reguleren. Proteasen zijn enzymen die eiwitten afbreken in kleine peptiden en later in aminozuren. Proteasomen bevatten een centrale cilinder opgebouwd uit proteasen, waarvan de actieve centra naar binnen wijzen. Aan beide einden van de cilinder zit een groot eiwitcomplex dat bestaat uit minstens 10 verschillende eiwitsubunits. Ze kunnen aan eiwitten binden en met behulp van ATP-hydrolyse breken ze eiwitten af. Bepaalde enzymen, ubiquitin genaamd, kunnen eiwitten die afgebroken moeten worden, markeren, zodat proteasomen deze eiwitten kunnen herkennen.

Celbiologie: Hoe worden genen en cellen gemanipuleerd? - Chapter 10

Hoe worden cellen geïsoleerd en gekweekt?

Er kunnen verschillende methoden worden gebruikt, om een bepaald type cel van andere cellen in het lichaam te onderscheiden. Als cellen deel uitmaken van een compact weefsel, en dus dicht op elkaar gelegen zijn, moeten ze eerst van elkaar worden losgemaakt. Om cellen van elkaar los te maken, wordt er veelal gebruikt gemaakt van proteolytische enzymen. Deze proteolytische enzymen kunnen adhesies (de verbindingen) tussen de cellen verbreken. Wanneer deze verbindingen zijn verwijderd, moeten de verschillende soorten cellen in het weefsel van elkaar worden geïsoleerd. Hierbij wordt gebruik gemaakt van fluorescentie. Een fluorescentie-geactiveerde cel kan namelijk makkelijk van andere cellen onderscheiden worden (voornamelijk aan de hand van de kleuring). Geïsoleerde cellen kunnen vervolgens worden gebruikt voor biochemische analyses of voor het kweken van cellen.

Veel dierlijke- en plantencellen overleven en prolifereren alleen in kweken die veel voedingsstoffen en eiwitten (met groeifactoren) bezitten. Experimenten die worden uitgevoerd met gekweekte cellen wordt in vitro genoemd (in vitro betekend in glas). Experimenten met intacte organismes wordt in vivo genoemd (in vivo betekend ‘’in de levenden’’).

De meeste cellen van vertebrale houden op met prolifereren na een x aantal celdelingen. Net zoals bij de menselijke cellen, brengen de meeste vertebrale cellen niet het enzym telomerase tot expressie. Telomerase is een enzym die zorgt dat na elke celdeling, de uiteindes van chromosomen worden vernieuwd, hierdoor is oneindige celdeling mogelijk. Aangezien in menselijke cellen het enzym telomerase niet tot expressie komt, krimpen de chromosomen van deze cellen zich na elke celdeling. Wanneer er een dusdanige hoeveelheid informatie verloren is (die zich bevindt op de chromosomen), stopt de celdeling en/of kunnen deze cellen zich ontwikkelen tot kankercellen.

Een van de meest bijzondere cellen zijn de menselijke embryonale stamcellen. Deze stamcellen zijn namelijk ongedifferentieerd, en kunnen bijdragen aan het bestaan van elk type menselijk weefsel.

Hoe worden DNA moleculen geanalyseerd?

Door recombinant DNA-technologie is het mogelijk om uit duizenden genen die een cel bevat, een enkel gen te selecteren en van dit gen de exacte moleculaire structuur te bepalen. Een belangrijk element van recombinant DNA-technologie is het vermogen om een groot DNA-molecuul in verschillende DNA fragmenten te knippen (met behulp van restrictie nucleases). Restrictie nucleases knipt als het ware de dubbele helix van het DNA kapot, waaruit het DNA uiteenvalt. Het grootste deel van de restrictie nucleases katalyseren de hydrolyse van een fosfaat-diester verbinding in een nucleïnezuur. De restrictie nucleases die worden gebruikt bij recombinant DNA-technologie komen voornamelijk uit bacteriën. Nadat een restrictie nuclease een groot DNA-molecuul heeft gesplitst tot kleinere stukjes DNA-fragmenten, worden deze DNA-fragmenten in de meeste gevallen van elkaar gescheiden. Deze DNA-fragmenten kunnen van elkaar gescheiden worden met behulp van gel-elektroforese. Gel-elektroforese scheidt de DNA-fragmenten op basis van de lengte van deze fragmenten. Wanneer er een elektrische spanning over de gelplaat komt, verplaatsen de DNA-fragmenten zich naar de positieve elektroden van de gelplaat. DNA is namelijk negatief geladen. Hoe groter het DNA-fragment, des te langzamer dit fragment zich verplaatst naar de kant van de elektrode. Na een aantal uur kun je dus de DNA-fragmenten van elkaar scheiden aan de hand van de grootte. Het isoleren van deze DNA-fragmenten van de gelplaat is erg eenvoudig, men kan namelijk gewoon een klein stuk van de gel wegsnijden.

Momenteel zijn er verschillende technieken beschikbaar die snel een nucleotidensequentie van een stuk geïsoleerd DNA-fragment kunnen bepalen. In 1970 was voor het eerst een methode ontwikkeld waarmee de nucleotidensequentie van elk geïsoleerd DNA-fragment eenvoudig en snel kan worden bepaald. Deze technieken hebben het mogelijk gemaakt om volledige nucleotidensequenties van genomen te bepalen. Dit kan zowel bij eencellige organismen (onder andere bacteriën en gisten) als bij meerdere complexe organismen.

Er zijn verschillende mogelijkheden voor het sequensen van DNA. De enzymatische- en de dideoxy-methode zijn de meest gebruikte technieken om het DNA te sequensen. Het proces om de genoomsequentie te lokaliseren en te interpreteren noemt men annotatie. Identificeren van genen is het makkelijkste wanneer de DNA-sequentie afkomstig is uit een eenvoudig genoom. Met een eenvoudig genoom bedoelt men een genoom dat geen/nauwelijks intronen en ander niet-coderend DNA bevat.

Nucleinezuurhybridisatie

DNA is opgebouwd uit twee dubbele strengen DNA, het heeft dus een vorm van een dubbele helix. De twee strengen worden bij elkaar gehouden door zwakke waterstofbruggen. Deze waterstofbruggen kunnen verbroken worden bij een temperatuur van 90 graden Celsius en/of bij extreme pH waarden. Wanneer de twee strengen op deze manier van elkaar worden verbroken (door te verhitten of door het DNA bloot te stellen aan extreme pH-waarden), blijven de covalente bindingen tussen de nucleotiden intact. Wanneer deze processen langzaam worden omgekeerd (dus het DNA weer langzaam aan laten afkoelen en/of door de pH-waarden weer op neutraal brengen), kunnen de twee complementaire DNA strengen weer gemakkelijk een dubbele helix vormen. Deze ‘omgekeerde’ processen worden hybridisatie of renaturatie genoemd. Bij deze processen worden de verbindingen van complementaire waterstofbruggen hersteld.

Nucleinezuurhybridisatie is in staat om elke DNA- of RNA-sequentie in nucleïnezuur-fragmenten op te sporen. Dit is mogelijk, doordat een enkele streng DNA of RNA alleen in staat is om een dubbele helix te vormen met een complementaire nucleotidesequentie. Enkelstrengs DNA dat gelabeld is met fluorescente kleurstoffen, worden bij hybridisatiereacties gebruikt als probes. Nucleinezuurhybridisatie kan gebruikt worden om de exacte locatie van genen in chromosomen vast te stellen. Daarnaast kan het de locatie van RNA in cellen en weefsels vaststellen.

DNA hybridisatie maakt het diagnosticeren van genetische ziekten mogelijk

Wanneer men bij hybridisatie gezocht moet worden naar een bepaalde nucleotidesequentie, is voor deze zoektocht een stukje nucleotidezuur nodig (om mee te zoeken naar de sequentie). Het stukje nucleotidezuur waarmee gezocht wordt, wordt een probe genoemd. Deze DNA-probe is een enkelstrengs DNA-molecuul. Het wordt dus gebruikt om tijdens hybridisatiereacties een nucleinezuurmolecuul te vinden die opgebouwd is uit dezelfde complementaire sequentie. In het verleden konden wetenschappers alleen probes gebruiken die afkomstig waren uit natuurlijke bronnen. Tegenwoordig kan men verschillende sequenties van DNA-strengen maken met behulp van chemische reacties. Deze chemische (niet-enzymatische) reacties worden gemaakt in laboratoria. DNA-probes worden in verschillende situaties gebruikt, maar de belangrijkste functie is tegenwoorden de identificatie van dragers van genetische ziekten. Meer dan 3000 verschillende genetische ziekten die bij mensen voorkomen, worden veroorzaakt door mutaties in enkele genen. Een bekend voorbeeld is sikkelcelanemie. Bij sommige genetische ziekten is het momenteel mogelijk om vroeg tijdens de zwangerschap de ziekte op te sporen. Men identificeert dan foetussen die twee kopieën van het defecte gen hebben (en zo dus een bepaalde genetische ziekte hebben). Een consequentie van deze opsporing kan het vroegtijdig beëindigen van een zwangerschap betekenen. Southern blotting is een van de meest gebruikte laboratoriumprocedure die wordt gebruikt om DNA te hybridiseren.

Dezelfde technieken kunnen ook worden gebruikt om de gevoeligheid van een individu om een bepaalde ziekte te krijgen vast te stellen. De technieken zijn namelijk in stat om individuen te identificeren die abnormale kopieën hebben geërfd van een DNA-mismatch-reparatiegen. Wanneer het mismatch-reparatiegen niet goed werkt, is bijvoorbeeld het risico op het krijgen van bepaalde carcinomen verhoogd.

Hybridisatie en micro-arrays

Een ander belangrijk gebruik van nucleïnezuurhybridisatie is om voor een populatie cellen vast te stellen welke genen precies in het mRNA worden getranscribeerd (‘worden vertaald’) en welke genen niet in het mRNA worden overgenomen (transcriptioneel stil zijn).
DNA micro-arrays hebben ervoor gezorgd dat genen tegenwoordig geanalyseerd kunnen worden door duizenden genen tegelijk te monitoren door naar de RNA-producten van deze genen te kijken. Doordat het mogelijk is om duizenden genen tegelijkertijd te onderzoeken, is men in stat om complexe genexpressiepatronen te identificeren en te bestuderen die ten grondslag liggen aan cellulaire fysiologie (bijvoorbeeld reacties op hormonen).

Hoe wordt DNA gekloond?

Met behulp van DNA-kloneringstechnieken kan een bepaalde DNA-sequentie uit miljoenen andere sequenties worden geselecteerd. Vervolgens kan de geselecteerde DNA-sequentie onbeperkt worden geproduceerd. DNA-ligase is in staat om verschillende vormen van DNA aan elkaar te binden. Dus door DNA-ligase is het mogelijk om DNA-fragmenten die niet in natuur voorkomen, in vitro met elkaar te verbinden. Zo is het mogelijk om nieuw DNA-te creëren.

De eerste stap bij het klonen van DNA is om het DNA dat men wilt kloneren toe te voegen in een stukje van een DNA-molecuul dat in staat is tot replicatie (bijvoorbeeld in een plasmide of een viraal genoom). Dit recombinante DNA-molecuul wordt vervolgens in een snel delende gastheercel gebracht (bijvoorbeeld in een bacterie). Het wordt in een snel delende cel ingebracht, aangezien het DNA dan bij elke celdeling wordt gerepliceerd. Vervolgens worden de bacteriën gelyseerd, en het plasmide-DNA wordt geïsoleerd van de rest van de celinhoud. Zo ontstaan er miljoenen kopieën van het oorspronkelijke DNA-fragment.

Het isoleren van menselijke genen bij het klonen van DNA

Alle gekloneerde fragmenten van chromosomaal DNA die het volledige genoom van een organisme bevatten, wordt een genoombibliotheek genoemd. Deze bibliotheek komt vaak tot stand door de klonen van bacteriën, waarbij elke kloon een uniek DNA fragment bij zich draagt. Complementaire DNA (cDNA) bibliotheken bevatten gekloneerde DNA-kopieën van het totale mRNA van een bepaald celtype of van celweefsel. cDNA wordt gemaakt uit mRNA. cDNA verschilt van genomische DNA-klonen, cDNA bevat namelijk alleen eiwit coderende sequenties. Ze missen dus het DNA wat niet coderend is (bijvoorbeeld intronen en start-DNA/promotors). cDNA zijn dus zeer geschikt wanneer men het gekloneerde gen tot expressie wilt brengen, om bijvoorbeeld een eiwit te maken.

De kettingreactie van polymerase

Het klonen van DNA-bibliotheken was vroeger de enige manier om genen te isoleren. Tegenwoordig gebruikt men vooral PCR. PCR staat voor polymerase chain reaction. PCR maakt een snelle werkwijze voor het kloneren mogelijk. PCR wordt vooral toegepast voor organismen waarvan de volledige genoomsequentie bekend is. PCR gebruikt een DNA-polymerase om een DNA-fragment in meerdere replicatierondes te kopiëren. Bij PCR gebruikt men oligonucleotide-primers. Dit brengt een nadeel met zich mee. Oligonucleotide-primers moeten chemisch worden gesynthetiseerd. Hierdoor is het alleen mogelijk om met PCR DNA te klonen waarvan de begin- en eindsequenties bekend zijn. Vervolgens wordt DNA-polymerase gebruikt om zo veel mogelijk kopieën te maken van de DNA-sequenties.

PCR-techniek is toepasbaar bij verschillende situaties:

• PCR is de voorkeursmethode wanneer relatief korte DNA-fragmenten gekloneerd moeten worden.

• PCR is in staat om infecties, veroorzaakt door pathogenen, in een zeer vroeg stadia op te sporen. Doordat korte sequenties die complementair zijn aan het genoom van het pathogeen worden gebruikt als primers, kan men na vele cycli van amplificatie de aanwezigheid of afwezigheid van deze pathogenen vast gesteld worden. Zo kan men bijvoorbeeld pathogenen in bloedmonsters opsporen.

• PCR wordt gebruikt bij forensisch onderzoek. Doordat PCR extreem sensitief is, is het mogelijk om een nihil klein stukje DNA te linken aan een persoon. Dit komt doordat het genoom van elk mens verschilt in DNA-sequentie van het genoom van een ander.

Hoe werkt het manipuleren van DNA?

Door genetische manipulatie is het mogelijk om zeldzame eiwitten te bestuderen. Bacteriën, gisten en zoogdiercellen kunnen worden gemanipuleerd om een bepaald eiwit (van elk organisme) in grote hoeveelheden te synthetiseren. Hierdoor wordt het mogelijk om eiwitten te bestuderen die anders zeldzaam of moeilijk te isoleren zijn.

Er zijn meer dan 10.000 menselijke genen waarvan de functie onbekend is. Aanwijzingen om achter de functie van een bepaald eiwit te komen, is door te onderzoeken wanneer en waar in de cel (of in het organisme) het eiwit tot expressie wordt gebracht. Het bepalen van het patroon en het moment wanneer het gen tot expressie komt, kan worden bepaald door het regulerende gebied van het gen dat wordt onderzocht te verbinden met een reportergen. Men kan namelijk eenvoudig de activiteit van een reportergen bepalen. Een van de meest populaire reporter-eiwitten die tegenwoordig wordt gebruikt, is groen fluorescerend eiwit (GFP), waarvan het volgen van de bewegingen in de cel mogelijk is.

Kunnen dieren genetisch worden veranderd?

De ultieme test om achter de functie van een gemuteerd gen te komen, is om het gemuteerde gen in het genoom van een organisme in te voegen en te zien welk effect het heeft. Organismen waarin een nieuw gen is geïntroduceerd, of in organismen waarvan het genoom op andere manieren is veranderd met behulp van recombinant DNA-technieken, worden transgene organismen genoemd. Verschillende soorten gen veranderingen kunnen worden gemaakt in genetisch gemanipuleerde organismen:

• Gen-vervanging: het normale gen is volledig vervangen door een mutant kopie van het gen. Dit zal informatie verschaffen over de activiteit van het mutant gen en dus kan het effect van kleine en subtiele mutaties worden bepaald.

• Gen-knockout: het normale gen is volledig gedeactiveerd. Dit wordt gebruikt om informatie te verkrijgen over de mogelijke functie van het normale gen in het hele dier.

• Gen-toevoeging: een mutant gen wordt toegevoegd aan het genoom. Zelfs deze wijziging kan nog steeds bruikbare informatie verschaffen wanneer het geïntroduceerde mutant gen de functie van het normale gen opheft.

Er is een andere manier ontdekt om inactieve genen op te sporen, deze techniek wordt RNA-interferentie (RNAi) genoemd. Deze techniek is gebaseerd op het introduceren van een intro in een cel of organisme van een dubbelstrengs RNA-molecuul waarvan de nucleotidesequentie overeenkomt met die van het gen dat geïnactiveerd moet worden. Het RNA-molecuul hybridiseert met het mRNA dat door het doel gen wordt geproduceerd en stuurt de afbraak ervan aan. Kleine fragmenten van dit afgebroken RNA worden vervolgens door de cel gebruikt om meer dubbelstrengs RNA te produceren, en hierdoor wordt het stukje mRNA gedeactiveerd. Omdat deze korte RNA-fragmenten kunnen worden doorgegeven aan cellen van de nakomelingen, kan RNAi erfelijke veranderingen in genexpressie veroorzaken.

Concluderend, gekloneerde genen kunnen permanent worden ingebracht in het genoom van een cel of een organisme door gebruik te maken van genetische manipulatie. Gekloond DNA kan in vitro worden veranderd om mutant genen te creëren die vervolgens opnieuw in een cel of een organisme kunnen worden ingebracht om de gen functie te bestuderen.

Translatie

Emery's Elements of Medical Genetics van Turnpenny - 13e druk

Wat is de cellulaire en moleculaire basis van overerving? - Chapter 2

Mutaties

Mutaties zijn overerfbare veranderingen in het genetische materiaal. Ze zorgen voor evolutie, maar kunnen ook ziektes veroorzaken. Mutaties ontstaan soms door blootstelling aan mutagene stoffen, maar meestal zijn ze spontaan. Somatische mutaties worden niet aan het nageslacht doorgegeven, mutaties aan geslachtsklieren- en/of cellen wel. Mutaties komen veel voor, niet elke is direct schadelijk. Ook bestaat er 'terugmutatie', waarbij mensen die recessief homozygoot zijn voor een ziekte toch ook gezonde cellen hebben.

De meest voorkomende mutatie is substitutie: een nucleotide wordt vervangen door een andere. Als dit om hetzelfde type gaat, dus allebei pyrimidine (C en T) of allebei purine (A en G) heet het een transitie. Als een pyrimidine een purine wordt of andersom heet het een transversie. De transitie van C naar T komt het meest voor, omdat het complex tussen C en G (het CpG-complex) makkelijk muteert. Bij een deletie verdwijnt één of meerdere nucleotiden, bij een insertie komt er één of meerdere nucleotiden bij. Als een deletie of insertie in het coderende deel optreedt kan het hele leesraam veranderen, tenzij het verloren/ nieuwe deel drie nucleotiden bevat. Grote deleties of inserties kunnen ontstaan door verkeerde cross-overs.

Men spreekt van een dynamische mutatie wanneer een zich herhalende sequentie instabiel wordt naarmate deze langer wordt. Deze herhalingen kunnen ontstaan door fouten in cross-overs, zusterchromatiden-uitwisselingen of DNA-polymerase. Omdat drievoudige herhalingen per generatie langer worden, verklaren ze het plotseling opkomen van ziektes in gezonde families. Het langer worden van een dynamische mutatie gedurende generaties wordt anticipatie genoemd. Veel voorkomende ziekten zijn ziekte van Huntington (CAG)n, Fragile X syndroom (CCG)n en myotonische dystrofie (CTG)n en (CCTG)n.

Bij een synonieme of stille mutatie verandert het eiwit niet, bij een niet-synonieme mutatie gebeurt dit wel. Het laatste komt minder vaak voor. Door een niet-synonieme mutatie wordt vaak de functie van het eiwit veranderd, wat tot ziekte of de dood kan leiden. Er zijn drie soorten niet-synonieme mutaties:

• Missense: hierbij wordt een aminozuur in het eiwit veranderd. Soms verandert daarbij ook de structuur van het eiwit, dit heet een niet-conservatieve substitutie. De kwantitatieve functie blijft vaak hetzelfde, maar de kwalitatieve functie (optimale pH, stabiliteit) niet. Als de verandering van aminozuur geen effect op de functie van het eiwit heeft, noemen we het een conservatieve substitutie.

• Nonsense: hierbij leidt de substitutie tot de vorming van een stopcodon. Deze verkorte eiwitten kunnen vaak hun functie niet uitoefenen. Het 'nonsense-mediated decay'-proces breekt mRNA met vervroegde stopcodons af.

• Frameshift: hierbij is een insertie of deletie niet in drievoud en wordt het leesraam veranderd. Meestal komt hierbij ook een vervroegd stopcodon voor.

Mutaties in niet-coderend-DNA zijn alleen schadelijk als ze in een gebied zitten dat genexpressie regelt, zoals mutaties in de promotor, splicinggebieden of andere regulatorische regio’s.

De gevolgen van mutaties zijn verlies of winst van functie. Verlies van de functie resulteert in een hypomorf eiwit als de functie is afgenomen, en een amorf eiwit als de functie compleet verloren is. Vaak zijn deze aandoeningen recessief. Wanneer in een heterozygote status er wel fenotypische effecten zijn wordt dit een haplo-insufficiëntie mutatie genoemd.

Winst van functie kan leiden tot nieuwe functies of overexpressie. Daarbij kunnen verschillende dominante ziektes ontstaan. Bij homozygoten is de ziekte vaak erger dan bij heterozygoten. Bij een dominante negatieve mutatie zorgt het gemuteerde gen dat het gezonde gen geen goed werkend eiwit meer maakt.

Vaak heeft een ziekte meerdere vormen. Door moleculaire genetica zijn fenotypes steeds beter te verklaren. Bepaalde genotypes worden ook aan bepaalde fenotypes gekoppeld. Dit heet genotype-fenotype correlatie. Bij veel ziektes wordt dit gebruikt om te kijken waar patiënten risico voor lopen.

Structuur & Functie van Eiwitten

Essential Cell Biology - Alberts, Hopkins - 4e druk

Celbiologie: Wat zijn structuren en functies van proteinen? - Chapter 4

Wat is de structuur van eiwitten?

Chemisch gezien hebben eiwitten een ingewikkelde structuur en erg verfijnde functies. Eiwitten zijn opgebouwd uit een lange keten aminozuren. Er zijn 20 verschillende aminozuren. Aminozuren zijn met elkaar verbonden door middel van een covalente peptidebinding. Eiwitten worden daarom ook wel polypeptiden genoemd. Elk type eiwit heeft zijn eigen aminozuurvolgorde, die bepalend is voor de uiteindelijke vorm van het eiwit.

Een polypeptide bestaat uit een keten van aaneengekoppelde aminozuren. De specifieke zijgroepen van de aminozuren steken uit de keten. Deze zijgroepen kunnen hydrofiel of hydrofoob zijn, negatief of positief geladen of bijvoorbeeld chemisch reactief zijn. De zijgroep bepaalt de specifieke eigenschappen van het aminozuur.

Lange peptideketens zijn erg flexibel en kunnen dus op veel manieren vouwen. De gevouwen structuur van een eiwit wordt in stand gehouden door niet-covalente interacties tussen verschillende delen van de peptideketen (waterstofbruggen, elektrostatische krachten en vanderwaalskrachten). Ook hydrofobe interacties spelen een rol. De hydrofobe zijgroepen van aminozuren draaien zo ver mogelijk van de waterige omgeving af en dus het eiwit in. De hydrofiele zijgroepen draaien juist naar de waterige omgeving toe en vormen waterstofbruggen met water of met elkaar. Elk eiwit creëert op deze manier een eigen driedimensionale structuur. De niet-covalente bindingen zijn over het algemeen zwak, maar door de combinatie van vele niet-covalente bindingen kan toch een stabiele structuur ontstaan.

De driedimensionale structuur van een eiwit wordt dus bepaald door zijn aminozuurvolgorde. Als laatste heeft ook de energietoestand van het eiwit invloed op de conformatie van dat eiwit. Een eiwit zal in die vorm gevouwen worden waarbij de vrije energie het laagst is.

Het denatureren van een eiwit betreft het verkeerd opgevouwen zijn van dat eiwit. Renaturatie betekent dat het eiwit spontaan de juiste conformatie terugkrijgt. Als eiwitten zich verkeerd opvouwen, kan dat schadelijk zijn voor weefsels en cellen.

In een cel komen bepaalde eiwitten, moleculaire chaperones, voor. Moleculaire chaperones helpen gedeeltelijk gevouwen eiwitten verder te vouwen tot de meest gunstige driedimensionale structuur. Zij maken het proces efficiënter en betrouwbaarder.

Wanneer de driedimensionale structuur van verschillende eiwitten met elkaar vergeleken wordt, valt het op dat er twee vouwpatronen vaak voorkomen, de α-helix en de β-sheet. Deze vouwpatronen ontstaan door waterstofbruggen tussen de N-H en C=O groepen van de ruggengraat (zijgroepen zijn hierbij niet betrokken). α-helices zijn rechtsdraaiende of linksdraaiende spiraalvormige eiwitketens (zie afbeelding), waarbij waterstofbruggen tussen aminozuren zorgen voor de spiraalvorm.

Elke NH-groep van de peptideketen is verbonden met de C=O-groep van dezelfde keten, maar dan 4 aminozuren verder. Er zijn totaal 3,6 aminozuren per draai.
De zijgroepen van de aminozuren komen aan de buitenkant van de helix te liggen. Soms draaien meerdere helices in elkaar, er ontstaat dan een stevige structuur. Dit wordt een coiled-coil genoemd.

β-sheets zijn vlakken, bestaande uit ketens van aminozuren die bij elkaar worden gehouden door waterstofbruggen (de bruggen vinden dus plaats tussen de naast elkaar gelegen delen van de keten). De hoofdketen is hierbij vrijwel gestrekt en de zijgroepen bevinden zich zowel aan de binnen- als aan de buitenkant. Er bestaan parallelle β sheets en antiparallelle β-sheets. In de afbeelding is (A) antiparallel en (B) parallel.

De primaire structuur van een eiwit is de aminozuurvolgorde. De secundaire structuur zijn de α-helices en β-sheets. De tertiaire structuur is de driedimensionale vorm van een hele polypeptideketen. Hierbij horen zowel α-helices, als β-sheets, als andere gevormde structuren. Wanneer er meerdere polypeptideketens samen een eiwitcomplex vormen, wordt dit de quaternaire structuur genoemd.

Het eiwitdomein omvat een deel van een polypeptideketen die zich in een stabiele en compacte structuur kan vouwen. Zo’n eiwitdomein heeft vaak een bepaalde functie. Zogenaamde intrinsically disordered sequences zijn stukken polypeptide zonder eiwitdomein, die erg flexibel zijn.

In theorie zijn er oneindig veel verschillende polypeptideketens mogelijk, maar deze komen niet allemaal in cellen voor. Een polypeptide keten die n aminozuren lang is, heeft 20n mogelijke aminozuurvolgordes. Toch zal maar een klein deel van de mogelijke polypeptideketens vormen tot een stabiele driedimensionale structuur. De eiwitten die niet functioneel of stabiel waren, zijn door natuurlijke selectie geëlimineerd.

Eiwitfamilies zijn groepen eiwitten die qua aminozuurvolgorde en driedimensionale structuur op elkaar lijken. Kleine verschillen in structuur zorgen er echter voor dat verschillende ‘familieleden’ verschillende functies hebben.

Sommige eiwitten zijn opgebouwd uit meerdere polypeptideketens. Elke polypeptideketen in zo’n eiwit wordt een subunit genoemd. De interactie tussen de subunits vindt plaats door non-covalente bindingen. Ook kunnen verschillende eiwitten aan elkaar gekoppeld worden. Virussen en ribosomen zijn bijvoorbeeld opgebouwd uit één of meerdere soorten eiwitten plus RNA of DNA-moleculen.

Globular proteins zijn eiwitten waarvan de polypeptideketen zich opvouwt, zodat er een compact geheel (soort van bal) ontstaat met een onregelmatig oppervlak. Fibrous proteins zijn eiwitten met een relatief simpele, langwerpige driedimensionale structuur. Deze bevinden zich vaak buiten de cel, waar zij een extracellulaire matrix vormen, die cellen van weefsels aan elkaar helpt te binden. Eiwitten die zich extracellulair bevinden, binden hun polypeptideketens vaak door covalente kruisbindingen aan elkaar. Een zwavelbrug is een voorbeeld van zo’n binding.

Een molecuul dat aan een eiwit gebonden is noemen we een ligand. De binding tussen ligand en eiwit bestaat uit non-covalente bindingen. Om de binding zo sterk mogelijk te maken, moet het contactoppervlak tussen ligand en eiwit zo groot mogelijk zijn. De ligand en het eiwit moeten dus precies op elkaar passen. De plaats waar de ligand en het eiwit binden, wordt de bindingsite genoemd.

Enzymen zijn eiwitten die de chemische reacties die in de cel plaatsvinden katalyseren. Een ligand wordt bij een enzym ook wel substraat genoemd. Deze substraten zetten de enzymen om in een specifiek product. Enzymen versnellen reacties door het verlagen de activeringsenergie. Zij worden hierbij zelf niet verbruikt of veranderd. Elk enzym is specifiek voor een bepaald substraat en een bepaalde reactie, maar ook voor een bepaald product.

Enzymen kunnen op drie manieren reacties mogelijk maken:

• Door de ladingsverdelingen in het substraat te veranderen;

• Door in het substraat bepaalde hoeken te veranderen;

• Door substraten die met elkaar reageren op een specifieke manier bij elkaar te brengen.

Eiwitten als hemoglobine kunnen moleculen die geen eiwit zijn, gebruiken om functioneel te zijn. Deze kleine niet-eiwitmoleculen worden dan een onderdeel van het eiwit. Een antilichaam in het bloed jaagt op antigenen. Door specifieke binding van een antilichaam aan een antigeen kunnen deze schadelijke antigenen onwerkzaam worden gemaakt. De werking van verscheidene medicijnen berust in het blokkeren van enzymen.

Hoe werkt de regulatie van eiwitten?

De expressie van eiwitten kan op verschillende niveaus geregeld worden. Ten eerste kan de cel beheren welk eiwit wordt gesynthetiseerd door te reguleren welke genen tot expressie komen. Ook kan de cel reguleren hoe sterk een eiwit wordt afgebroken. Door deze twee processen kan de cel de concentratie van een bepaald eiwit reguleren. Daarnaast kan de expressie van een eiwit geregeld worden door het eiwit aan of uit te zetten. Het aan- of uitzetten van een eiwit kan op verschillende manieren.

De activiteit van eiwitten wordt vaak geregeld door de binding van andere moleculen. Hiervoor heeft het enzym twee bindingssites: één voor het substraat en één voor het regulerende molecuul. Binding van een regulerend molecuul zorgt voor een vormverandering van het eiwit, waardoor het actief of juist inactief wordt. De meeste enzymen zijn allosterische eiwitten. Een allosterisch eiwit is een eiwit dat twee of meer verschillende vormen aan kan nemen, waardoor de activiteit van het eiwit kan verschillen.

Een van de meest voorkomende vormen van regulatie van eiwitactiviteit door binding van moleculen die geen substraten zijn, is feedback inhibition: een enzym in het begin van een reactieketen wordt geremd door een product aan het eind van de reactieketen (negatieve terugkoppeling). De binding van de inhibitor aan het enzym veroorzaakt een vormverandering van het actieve centrum, waardoor substraatmoleculen niet meer kunnen binden. Het enzym staat ‘uit’. Er kan ook een positieve terugkoppeling plaatsvinden. Hierbij wordt de enzymactiviteit gestimuleerd door een bepaald product uit de reactieketen.

Een andere manier van enzymregulatie vindt plaats door het binden of het afsplitsen van moleculen. Voorbeelden van zulke processen zijn:

1. Reversible protein phosphorylation: door het binden/afsplitsen van een fosfaatgroep aan de zijketen van het eiwit, wordt het eiwit inactief/actief gemaakt, doordat een fosfaatgroep negatief geladen is en koppeling/afsplitsing kan zorgen voor een grote conformatieverandering binnen het eiwit. Door fosforylering kunnen eiwitten zich echter ook aan elkaar binden via zogenaamde docking sites. Dit proces van fosforylering gebeurt door omzetting van ATP in ADP. Kinase koppelt een fosfaatgroep aan het eiwit, fosfatase koppelt een fosforgroep van het eiwit af. Fosforylering is een vorm van covalente modificatie.

2. GTP-bindende eiwitten: door het binden van GTP door deze eiwitten wordt het eiwit ‘aangezet’. Door de hydrolyse van GTP ontstaat GDP (difosfaat) en een losse fosfaatgroep. Als GDP aan deze eiwitten is gekoppeld, staat het eiwit ‘uit’. Door GDP van het eiwit te vervangen door GTP wordt het eiwit weer actief gemaakt.

Motor proteins zijn eiwitten wiens hoofdfunctie het in beweging brengen van andere moleculen is. Een eiwit kan zich voortbewegen door een serie van vormveranderingen te ondergaan. Wanneer deze veranderingen niet gereguleerd worden zal het eiwit willekeurig bewegen. Om het eiwit vooruit te laten bewegen moet er voor gezorgd worden dat het eiwit niet achteruit kan. Dit gebeurt door de vormveranderingen van het eiwit te koppelen aan de hydrolyse van een ATP-molecuul dat aan het eiwit gebonden is. Om achteruit te kunnen bewegen, zal het eiwit nu een fosfaatgroep moeten binden aan ADP op weer ATP te vormen. Gezien de energie die deze handeling kost, is dit erg onwaarschijnlijk. Protein machines bestaan uit een samenstel van meerdere allosterische eiwitten. Zij kunnen complexe cellulaire functies efficiënt uitoefenen als gevolg van gecoördineerde vormveranderingen.

Voor veel eiwitten is hun enige doel om te binden aan een ander molecuul. Voor andere eiwitten is deze binding slechts een eerste stap voor hun uiteindelijke functionering. Dat is het geval bij enzymen, een belangrijke eiwitklasse. Zij voeren bijna alle noodzakelijke chemische transformaties uit in een cel. Enzymen binden aan een of meer liganden (substraten) en zetten ze om in chemisch gemodificeerde producten. Dit doen ze talloze keren met hoge snelheid, terwijl ze zelf niet veranderen. Er zijn verschillende typen enzymen, deze worden geclassificeerd volgens de chemische reactie die ze katalyseren (zie tabel 4-1, blz. 144).

Een enzym waarvan de werking uitgebreid bestudeerd is, is een lysozym. Een lysozym katalyseert een hydrolysereactie. Hierdoor wordt de binding tussen twee suikergroepen verbroken. Om de reactie te laten verlopen, moet de activeringsenergie overschreden worden. Dan komt het enzym in het spel. Net als andere enzymen heeft een lysozym een bindingsplaats, een active site. Als een polysacharide bindt aan de actieve site, wordt de binding tussen suiker-suiker verbroken. Het lysozym doet drie dingen om de activeringsenergie terug te brengen:

• Het zorgt ervoor dat een van de twee suikergroepen van vorm verandert, waardoor de verbinding makkelijker verbroken wordt.

• Het brengt de binding die verbroken moet worden in de buurt van twee aminozuren met zure zijketens, die reageren met de verstoorde suikergroep waardoor de binding breekt.

• Het zorgt ervoor dat een watermolecuul reageert met het C1 koolstofatoom van het substraat, waardoor de hydrolyse gecompleteerd wordt.

Andere enzymen gebruiken gelijkwaardige mechanismes om de activeringsenergie te verlagen en zo reacties te versnellen De meeste medicijnen werken door de activiteit van een bepaald enzym te blokkeren.

Hoe werkt controle over eiwitten?

De katalyserende activiteiten van enzymen worden vaak gereguleerd door andere moleculen. Duizenden enzymen werken vaak gelijktijdig en in het zelfde gebied. Het is een heel complex systeem en daarom zijn er uitgebreide controles vereist om alle reacties op de juiste wijze te reguleren. Het meest gebruikte controlemechanisme treedt op wanneer een ander molecuul dan het substraat aan de bindingsplaats van het enzym bindt. Als een bepaald product zich begint op te stapelen, bindt het product zelf vaak aan het enzym waardoor verdere omzetting van substraat gelimiteerd wordt Dit wordt feedback inhibition genoemd. Dat is een vorm van negatieve regulering. Er is ook positieve regulering, dan wordt de enzymactiviteit juist gestimuleerd door een ander molecuul.

Een enzym heeft minstens twee verschillende bindingsplaatsen: een voor het substraat en een andere voor regulerende moleculen. Deze twee bindingsplaatsen kunnen op een bepaalde manier communiceren, zodat de katalyserende activiteit beïnvloed kan worden door regulerende moleculen. Dit gebeurt doordat de structuur van een enzym verandert, zodat bijvoorbeeld de bindingsplaats voor het substraat minder toegankelijk is. De meeste eiwitten zijn allosterisch. Dat wil zeggen dat ze twee of meer verschillende conformaties aan kunnen nemen.

Eukaryote cellen gebruiken vooral een methode om eiwitactiviteit te reguleren waarbij fosfaatgroepen binden aan de zijgroep van het aminozuur van het eiwit. De fosfaatgroepen dragen twee negatief ladingen, hierdoor kan er een grote conformationele verandering ontstaan. Dit zorgt weer voor een verandering van liganden aan het eiwit oppervlak. Zo verandert de eiwit activiteit; deze wordt geïnactiveerd. Het eiwit kan weer worden geactiveerd door enzymen. Zie Figure 4-40 op pagina 153. Deze omkeerbare eiwitfosforylatie reguleert de activiteit van veel verschillende eiwitten. Deze fosfaatgroep komt van een gehydrolyseerd ATP-molecuul; de reactie kost dus energie.

Thema 3: : Monogenetische ziekten en overervingspatronen

Emery's Elements of Medical Genetics van Turnpenny - 13e druk

Wat is de geschiedenis en impact van genetica betreffende geneeskunde? - Chapter 1

John Dalton, bekend van de atoomtheorie, observeerde dat sommige afwijkingen te maken hebben met geslachtsgebonden overerving. Kleurenblindheid wordt bijvoorbeeld nog steeds onder het Daltonisme benoemd. In 1900 was Mendel’s theorie weer opgedoken en dit betekende het begin van de medische genetica. Ik 1902 werd de recessieve overerving ontdekt. In 1908 kwam de nieuwe term een ‘stofwisselingziekte’ die vaak genetisch bepaald was. Later werd er een onderscheid gemaakt tussen enkel gen, chromosomaal, multifactoriële en polygene erfelijkheid.

De bestudering van genetisch materiaal werd mogelijk gemaakt door elektroforese en chromatografie. De nieuwe technieken fluorescent in-situ hybridization (FISH) en comparative genomic hybridization (CGH) maakte cytogenetica en moleculaire genetica mogelijk. Francis Galton introduceerde het regressiecoëfficient, een maat voor hoeveel overeenkomsten er zijn tussen familieleden. Sommige genetische fouten zijn ontstaan tijdens de mitose of meiose. Dit leidt tot numerieke afwijkingen.

Wat houden prenataal onderzoek en reproductieve genetica in? - Chapter 21

Tot op heden hadden koppels vaak geen andere keuze dan lange-termijn contraceptie, sterilisatie, terminatie van de zwangerschap, adoptie of donor-inseminatie wanneer het ging om het krijgen van een kind met waarschijnlijk een genetische ziekte. Tegenwoordig zijn er echter steeds meer koppels die, ook al kan het bepaalde consequenties met zich meebrengen, gebruik maken van prenataal onderzoek.

Technieken bij prenatale diagnostiek

Er zijn verschillende technieken die gebruikt kunnen worden voor de prenatale diagnostiek van overervingsziekten en structurele abnormaliteiten. Zo bestaan er non-invasieve, invasieve en endoscopische technieken. Er zullen nu een paar technieken besproken worden.

Amniocentesis: vruchtwaterpunctie (invasief)

Bij deze techniek wordt er rond de 16^e week van de zwangerschap 10-20 ml amniotische vloeistof opgenomen onder begeleiding van een echo. Er wordt een deel aan cellen gebruikt met foetaal DNA zodat deze zullen groeien en na 14 dagen aan kunnen geven hoe de chromosomen en het DNA zijn. Hiernaast wordt een deel van de vloeistof, namelijk het supernatante gedeelte (gedeelte wat blijft drijven na centrifugering), gebruikt om neurale buisdefecten te ontdekken. Dit gebeurt met behulp van α-foetoproteïne, waar later nog meer over gesproken zal worden. Wanneer een koppel deze techniek wil toepassen, moet er echter rekening gehouden worden met een kans van 0,5 -1,0% op een miskraam.

Chorionic villus sampling: vlokkentest (invasief)

Deze techniek kan i.p.v. amniocentesis wel al in het eerste trimester gebruikt worden. In de 11^e-12^e week wordt er ofwel transcervicaal ofwel transabdominaal een deel van het chorionaal villus weefsel weggenomen. Het bestaat uit de buitenste cellaag van de blastocyst. Chromosoomanalyse kan direct worden uitgevoerd, wanneer er actief delende cellen zijn. Er wordt dan gekeken naar de metafase. Maar het kan ook daarna uitgevoerd worden. Bij directe chromosomale analyse kan er al na 24 uur een resultaat gegeven worden. Tegenwoordig wordt er gebruikt gemaakt van snelle directe fluorescent in-situ hybridization (FISH)-probing of DNA analyse. Een voordeel van een vruchtwaterpunctie is dat het al in het eerste semester diagnostisch kan zijn, maar het brengt wel een risico van 1-2% op een miskraam met zich mee.

Ultrasonografie (non-invasief)

Deze techniek kan gebruikt worden voor de locatie van de placenta, de diagnose van meerdere zwangerschappen en prenatale diagnostiek bij structurele abnormaliteiten die niet geassocieerd worden met bekende chromosomale, biochemische of moleculaire afwijkingen. Het is niet schadelijk voor de moeder en het kind, maar het is wel een dure techniek. Tegenwoordig wordt deze techniek aangeboden aan alle zwangere vrouwen rond de 18^e week voor screening op structurele abnormaliteiten, zoals neurale buis defecten.

Fetoscopie

Bij deze techniek wordt met behulp van een endoscoop een foetus in beeld gebracht. Tegenwoordig wordt er echter in plaats van deze techniek gewerkt met de ultrasonografie. De kans op een miskraam bij deze techniek is tussen de 3-5%. Het wordt alleen nog gebruikt bij hoog gespecialiseerde prenatale centra voor diagnostiek.

Cordocentesis

Met deze techniek kunnen vaten in de navelstreng worden weergegeven, waardoor er een monster uit dat bloed kan worden gehaald. Het bloed wordt routinematig gebruikt bij rhesus iso-immunisatie en kan daarnaast gebruikt worden voor chromosoomanalyse om bepaalde problemen op te lossen.

Radiografie

Met behulp van deze techniek kan vanaf de 10^e week het skelet van de foetus in kaart worden gebracht.

Prenatale screening

Vanaf de jaren ‘70 begon de opmars van de screening. Door de associatie tussen verhoogd maternaal serum α-foetoproteïne en neurale buis defecten kwam de ontwikkeling van de ultrasonografie waarbij er in de jaren ‘80 de identificatie van maternale serum biochemische markers van het Down syndroom naar voren kwamen.

In de 16^e week krijgen alle zwangere vrouwen een maternale serum screening waarbij ze getest worden op NTD’s (neurale buis defecten) en Down Syndroom. Met behulp van deze screening kan 75% van de NTD-gevallen en 60-70% van de gevallen van Down syndroom opgespoord worden. Er zal nu verder ingegaan worden op neurale buis defecten en het Down syndroom.

Neurale buis defecten

In 1972 kwam men er achter dat bij vele zwangerschappen, een baby met een NTD opgespoord kon worden met assay van AFP (α-foetoproteïne) in maternaal serum (in de 16^e week). AFP is het belangrijkste eiwit in foetaal bloed, omdat het de foetale vorm is van albumine. Maternale serum AFO screening voor NTD’s is echter niet 100% sensitief en ook niet 100% specifiek. De niveaus van maternaal serum AFO kunnen overlappen in aangedane- en normale zwangerschappen. Er moet dus sprake zijn van ±2SD voordat er gesteld kan worden dat er een neuraal buis defect aanwezig is. Met behulp van ultrasonografie kan er dan uiteindelijk de diagnose NTD worden gesteld. Andere oorzaken voor een neuraal buis defect zijn tweelingzwangerschappen en bedreigde miskramen.

Down syndroom

Bij de diagnostiek naar dit syndroom kan er gebruikt worden gemaakt van twee verschillende technieken, namelijk:

• De triple test: bij het Down syndroom en andere chromosomale abnormaliteiten kan er gescreend worden met behulp van bepaalde risicofactoren zoals de maternale leeftijd en niveaus van drie biochemische markers in het maternale serum. Dit is gebaseerd op het feit dat het serum AFP en oestradiol-niveau in de 16^e week bij foetussen met het Down syndroom lager zijn dan bij normale zwangerschappen. Hiernaast is het niveau van human choriogonadotrophine (hCG) in het maternale serum verhoogd. Wanneer er een hoge waarschijnlijkheid naar voren komt, wordt er pas gedacht aan invasieve onderzoeken als amniocentesis. Wanneer de leeftijd van de moeder hoger is dan 35 en de waarden van deze drie markers zijn zoals hier wordt gezegd, dan is er een waarschijnlijkheid van 60% dat het kind het Down syndroom heeft. Tegenwoordig is er echter nog een 4^e marker, inhibin-A, die ook verhoogd is in het maternale serum bij Down syndroom. Wanneer deze vierde marker ook in hoge concentratie gezien wordt, is er een kans van 75% dat er bij een amniocentesis geconcludeerd kan worden dat er sprake is van het Down syndroom.

• Ultrasonografie: rond de 12e week van de zwangerschap krijgen alle zwangere vrouwen een “dating”-scan aangeboden. Rond die tijd is er een sterke associatie aanwezig tussen chromosoomabnormaliteiten en de abnormale accumulatie van vloeistof achter de baby’s nek, ook wel verhoogde ‘foetal nuchal translucency’ (verhoogde nekplooidikte) genoemd. Dit wordt gezien bij Down syndroom, Turner syndroom en triploïdie.

Indicaties voor prenatale diagnostiek

Er zijn verschillende indicaties om voor prenatale diagnostiek te kiezen. Er zullen een paar besproken worden:

• Verhoogde maternale leeftijd: hoe ouder de moeder is, hoe hoger de kans wordt op het Down syndroom en andere trisomale syndromen. De meeste centra bieden amniocentesis of CVS (vruchtwaterpunctie) aan vrouwen boven de 37 jaar aan.

• Een vorig kind met een chromosoomabnormaliteit: wanneer één van de ouders een chromosomale translocatie of pericentrische inversie bezit in zijn genetische profiel, waardoor een kind is geboren met serieuze problemen door een ongebalanceerde chromosoomabnormaliteit, zal het herhalingsrisico tussen de 1-2% en de 15-20% liggen.

• Familiaire geschiedenis van een chromosoomabnormaliteit

• Familiaire geschiedenis van een single-gen disorder of neuraal buis defect

• Abnormaliteit tijdens de zwangerschap

• Andere hoge-kans factoren als maternale ziekte of 3 of meer miskramen.

Speciale problemen bij de prenatale diagnostiek

Er kunnen zich verschillende problemen voordoen bij de prenatale diagnostiek. Hierbij kun je denken aan:

1. Een onverwacht chromosoomresultaat: er kan een structurele chromosomale rearrangement plaats hebben gevonden of een trisomie zijn ontstaan.

2. Een ambigu chromosoom resultaat: Er kunnen cellen voorkomen met een andere chromosoominhoud. Het kan door verschillende redenen ontstaan:

3. De sample kan besmet zijn door maternale cellen.

4. Er is een ware foetale mosaicisme

5. Het mosaicisme is gelimiteerd tot een deel van de placenta en ontstaat door een error in de mitose tijdens de formatie en ontwikkeling van de trofoblast

Er zijn verschillende niveaus van mosaicisme te onderscheiden:

1. Level 1 of pseudomosaicisme: hierbij is er één abnormale cel gezien in één celcultuur

2. Level 2: in twee of meer cellen in één celcultuur

3. Level 3: in twee of meer cellen in twee of meer culturen.

Assisterende conceptie en implicaties voor een genetische ziekte

Er zijn nog andere manieren om een baby te krijgen. Zo is er IVF, in vitro fertilisatie, donor inseminatie en intracytoplasmatische sperma injecties (ICSI).

Thema 4: Membranen en transportprocessen

Bouw van membranen en transport over membranen

Celbiologie: Wat is de structuur van een membraan? - Chapter 11

Wat is een plasmamembraan?

Elke levende cel heeft een plasmamembraan dat zijn inhoud scheidt van en beschermt tegen de buitenwereld. Het membraan bestaat voornamelijk uit een dubbele laag lipiden waarin eiwitten liggen ingebed. Om benodigde voedingsstoffen binnen de cel te krijgen en afvalproducten af te voeren, is het membraan doorboord met selectieve kanalen en pompen. Bepaalde eiwitmoleculen zorgen ervoor dat bepaalde stoffen naar binnen of buiten worden getransporteerd. Andere werken als sensoren waarmee de cel informatie verzamelt over zijn omgeving, zodat hij hierop kan reageren. Als een cel groeit of van vorm verandert, doet het membraan dat ook. De cel kan vervormen en van grootte veranderen zonder dat het membraan scheurt.

Eukaryotische cellen bevatten een enorme hoeveelheid interne membranen, die intracellulaire ruimtes insluiten om zo de celorganellen te vormen. Deze interne membranen zijn op dezelfde manier opgebouwd als het celmembraan en werken ook als selectieve barrières tussen de verschillende ruimtes. Kleine verschillen de in samenstelling van de membranen, vooral door verschillende aanwezige eiwitten, zorgen er voor dat ieder organel een eigen werking en structuur krijgt.

Het plasmamembraan en de interne membranen zijn opgebouwd uit lipiden en eiwitten. De lipiden zijn gerangschikt in twee dicht bijeen gelegen lagen, de lipide dubbellaag (bilaag). Deze vorm een barrière voor de meeste in water oplosbare moleculen, maar ook grotendeels voor water zelf. De eiwitten vervullen de andere functies en geven verschillende membranen hun specifieke eigenschappen.

Het plasmamembraan is een membraan dat om de cel heen zit. Membranen zijn nodig om de binnenkant van een cel te beschermen tegen invloeden van buiten de cel. Het plasmamembraan bestaat uit een dubbele laag lipiden en bepaalde eiwitmoleculen, zodat stoffen in en uit de cellen kunnen. Simpele organismen hebben één membraan, eukaryote cellen hebben echter ook een aantal interne membranen, die om bepaalde organellen liggen.

Wat zijn lipiden?

Lipiden bevatten een hydrofiele kop en hydrofobe koolwaterstofstaarten. De meest voorkomende lipiden in membranen zijn fosfolipiden, de meest voorkomende fosfolipiden zijn fosfatidylcholine, deze hebben aan het hoofd fosfaat en choline zitten. Amfipathische moleculen zijn moleculen die zowel hydrofiele als hydrofobe delen bevatten. Hydrofiele moleculen kunnen goed oplossen in water, ze bevatten namelijk geladen atomen of polaire groepen welke goedkunnen binden met watermoleculen, door middel van elektrische verbindingen of waterstofbruggen. Hydrofobe moleculen zijn echter niet oplosbaar in water omdat deze ongeladen en apolair zijn. Dit zorgt ook voor de specifieke structuur van het membraan. De hydrofiele koppen zijn namelijk naar buiten gericht, en de hydrofobe staarten naar binnen. Zo krijg je dus ook een dubbele laag membraan. Als er een scheur ontstaat in het membraan, zal deze snel weer herschikken om zijn structuur te behouden.

Om vrije randen te voorkomen, zijn fosfolipiden ertoe geneigd om een gesloten ruimte te vormen, een ronde vorm dus. De membranen met fosfolipiden zijn erg flexibel. Verder bewegen de fosfolipiden ook in de membranen. De vloeibaarheid en flexibiliteit van het membraan is belangrijk voor de functies van de cel. Hoe een membraan reageert bij een bepaalde temperatuur hangt ook af van de compositie van de fosfolipiden. Twee belangrijke eigenschappen van de staarten van fosfolipiden hangen af van hoe de dubbele laag fosfolipiden reageert. Deze eigenschappen zijn de lengte en het aantal dubbele bindingen die het bevat. Een verkorte lengte zorgt ervoor dat de neiging van de staarten om interactie met elkaar te hebben vergroot waardoor de vloeibaarheid van het membraan toeneemt. De meeste fosfolipiden bestaan bevatten 2 staarten, een met één of meerdere dubbele bindingen tussen aangrenzende koolstofatomen en een andere staart met alleen enkele bindingen. De staart met dubbele bindingen bevat niet het maximaal aantal koolstofatomen, deze is hierdoor onverzadigd. De staart met alleen enkele bindingen wordt dan ook verzadigd genoemd.

De dubbele binding in de staarten zorgt voor een knik in de staart, hierdoor is het moeilijker voor de staarten om dicht naast elkaar te gaan liggen. Bij een hogere temperatuur worden er lipiden gemaakt in de membranen met langere staarten, en met dus minder dubbele bindingen. Bij dieren wordt de vloeibaarheid van het membraan ook beïnvloed door cholesterol. Cholesterolmoleculen zijn kort en stijf, ze vullen de ruimtes tussen fosfolipiden op. Cholesterol zorgt er dus voor dat een membraan stijver wordt. De vloeibaarheid van het membraan is belangrijk voor veel redenen:

• Membraaneiwitten kunnen diffunderen door de dubbele laag membraan.

• Membraanlipiden en eiwitten kunnen diffunderen vanaf de kant waar ze het membraan zijn in gegaan na synthese, naar andere delen van de cel.

• Membranen kunnen met elkaar fuseren en hun moleculen mixen.

• Het zorgt ervoor dat membraanmoleculen gelijk worden verdeeld tussen dochtercellen.

Wat zijn celmembranen?

Celmembranen zijn asymmetrisch. De binnen- en buitenkant zijn erg verschillend. De fosfolipiden zijn net anders. De asymmetrie wordt behouden als een membraan groeit. Nieuwe fosfolipiden worden gemaakt door enzymen die aan het endoplasmatisch reticulum zit dat naar het cytosol wijst. De nieuwe fosfolipiden worden door deze enzymen afgezet in de cytosolkant van de fosfolipiden, de helft gaat door de eerste helft van het membraan heen om uiteindelijk aan de buitenkant van het dubbellaags membraan terecht te komen. Dit wordt gekatalyseerd door het enzym flippase. Deze zijn specifiek want alleen bepaalde fosfolipiden worden geselecteerd waardoor het membraan asymmetrisch blijft.

Nieuwe membraansynthese in eukaryote cellen gebeurt in het endoplasmatisch reticulum. Glycolipiden zijn voornamelijk gelegen in het plasmamembraan, in het non-cytosol gedeelte. Hun suikergroepen zitten dus aan de buitenkant van de cel waar ze een beschermende jas vormen dat om de cellen van dieren heen zit. Het enzym dat de suikergroepen toevoegt bevindt zich in het Golgiapparaat.

De meeste functie van het membraan zitten echter in de membraan eiwitten in plaats van de fosfolipiden. Membraaneiwitten hebben vele functies:

• Transporteren voedingsstoffen, metabolieten, ionen

• Receptoren voor chemische signalen

Een celmembraan is erg dun. De meeste celmembranen worden verstevigd door verschillende eiwitten. De vorm van de cel wordt dan ook bepaald door weefsel van allerlei fibreuze eiwitten, die samen de celcortex heten. De celcortex van menselijke rode bloedcellen is relatief simpel; het bestaat voornamelijk uit het eiwit spectrine. Via intercellulaire eiwitten zit dit vast aan transmembraaneiwitten. Het belang van de celcortex zie je bij mensen met anemie, de rode bloedcellen bij die ziekte zijn minder stabiel waardoor ze sneller afsterven. Omdat de meeste cellen hun cortex niet alleen voor de stevigheid gebruiken, maar ook om van vorm te veranderen en te bewegen, zijn de cortexen vaak erg ingewikkeld.

Omdat een membraan uit een tweedimensionale vloeistof bestaat, kunnen membraaneiwitten vrij over het membraan bewegen. Een test met membraaneiwitten van mensen en muizen blijkt dat membraaneiwitten niet in clusters bij elkaar blijven, maar continu heen en weer gaan over het celoppervlak. Wel zijn er specifieke membraandomeinen waar bepaalde eiwitten vaker of alleen voorkomen. Eiwitten kunnen flexibel of vast in het membraan worden ingebouwd. Daarnaast hebben sommige cellen ook barrières die zorgen dat de membraaneiwitten niet overal heen kunnen bewegen. Een voorbeeld zijn epitheelcellen, hierbij is de apicale zijde anders dan de laterale en basale zijden. Dit komt door de tight junctions die beweging van lateraal naar apicaal en andersom voorkomen.

De meeste membraaneiwitten hebben suikergroepen, oligosachariden, aan de buitenkant. Deze eiwitten noemen we glycoproteïnen. Deze suikers beschermen de cel en nemen bovendien water op, waardoor de cel slijmerig wordt aan de buitenkant. Dit laatste helpt witte bloedcellen tussen andere cellen door te glijden en voorkomt klontering van rode bloedcellen. Daarnaast dienen deze oligosachariden als herkenningspunt voor een bepaald eiwit, lectine genaamd. Dit helpt bij de herkenning tussen cellen, hierdoor herkent een spermacel een eicel bijvoorbeeld. Maar het helpt ook witte bloedcellen herkennen welke cellen geïnfecteerd zijn.

Wat is de opbouw van een lipide bilaag?

De lipide bilaag vormt de basisstructuur van het membraan en vervult de barrièrefunctie. Membraanlipiden hebben twee verschillende kanten: een hydrofiele (=waterminnende) kop en meestal twee hydrofobe (=waterwerende) staarten. Het membraan bestaat hoofdzakelijk uit fosfolipiden, waarbij de kop onder andere door een fosfaatgroep aan de staart(en) gekoppeld wordt. Moleculen met zowel hydrofiele als hydrofobe eigenschappen worden amfipathisch genoemd.

Doordat non-polaire atomen geen goede interacties aan kunnen gaan met watermoleculen, dwingen hydrofobe stoffen de omliggende watermoleculen een kooiachtige structuur te vormen om het hydrofobe molecuul. Deze formatie kost energie, omdat de water moleculen meer geordend worden dan het omringende water. Om de energiekosten te beperken, groeperen de hydrofobe moleculen zich zodat er zo min mogelijk contact is met watermoleculen.

Amfipathische moleculen zoals fosfolipiden hebben duseen hydrofobe en hydrofiele kant. Wanneer deze moleculen in contact komen met water, richten de hydrofiele koppen zich naar het water toe en verenigen de hydrofobe staarten zich van het water af. Op deze manier wordt de bilaag van lipiden gevormd. De buitenkant van de bilaag staat in contact met water en bestaat uit de hydrofiele koppen. De hydrofobe staarten zijn naar binnenen komen hierdoor niet in contact met het omringende water.. De bilaag wordt gevormd omdat deze rangschikking het minste energie kost.

Dezelfde krachten maken de bilaag zelfherstellend. Een scheur in het membraan stelt hydrofobe onderdelen bloot aan het water en kost de cel meer energie. De moleculen in de bilaag rangschikken zichzelf daarom spontaan om de scheur te dichten.

De fosfolipide bilaag heeft geen grenzen, omdat dan hydrofobe delen toch in contact komt met de waterige omgeving. Dit is energetisch niet voordelig. Daarom buigt en versmelt de bilaag, zodat er een gesloten compartiment ontstaat (bijvoorbeeld tot een bol).

De lipide bilaag wordt van twee kanten ingesloten door een waterige omgeving, dus lipiden kunnen niet uit het membraan ontsnappen. Zij kunnen echter wel onderling van plek verwisselen in de bilaag. Door deze grote flexibiliteit kan het membraan goed buigen en blaasjes afstaan. Het membraan wordt door de bewegingsmogelijkheden van de lipiden ook wel een tweedimensionale vloeistof genoemd. De lipiden kunnen daarnaast ook nog om hun eigen as draaien, maar verspringen van de ene naar de andere laag in het membraan gebeurt nauwelijks zonder bepaalde enzymen. Het enzym scramblase kan er echter wel voor zorgen dat willekeurige lipiden zich van de ene naar de andere laag van het membraan verplaatsen. Het enzym flippase doet dit selectief, zoals hieronder nader wordt toegelicht.

Vloeibaarheid

De eerder genoemde vloeibaarheid van een lipide bilaag bij een bepaalde temperatuur is afhankelijk van de samenstelling van fosfolipiden en vooral ook van de hydrofobe koolwaterstofstaarten. Hoe compacter en meer geordend de staarten zijn verpakt, hoe viskeuzer (=stroperiger) en minder vloeibaar de bilaag zal zijn.

Twee eigenschappen van de staarten hebben hier het meeste invloed op: hun lengte en het aantal dubbele bindingen dat zij kunnen vormen. Kortere staarten zullen minder snel interacties met elkaar aangaan, waardoor de vloeibaarheid toeneemt. Iedere dubbele binding in een onverzadigde staart zorgt voor een kleine vouw in de staart, waardoor de staarten verder van elkaar af liggen. Lipide bilagen met veel onverzadigde koolwaterstofstaarten zijn dus vloeibaarder.

In dierlijke cellen is cholesterol verantwoordelijk voor de regulatie van vloeibaarheid in het membraan. Cholesterolmoleculen zijn kort en stevig, en kunnen daardoor de ruimtes tussen fosfolipiden met onverzadigde staarten opvullen. De bilaag wordt hierdoor steviger en minder doorlatend.

De vloeibaarheid van een membraan is om verschillende redenen belangrijk. Allereerst kunnen membraaneiwitten hierdoor snel bewegen binnen het membraan en interacties met elkaar aangaan. Daarnaast kunnen lipiden en eiwitten door middel van diffusiezich in het membraan verplaatsen, om zo andere delen van de cel te bereiken. Ook kunnen membranen met elkaar fuseren. Ten slotte zorgt het ervoor dat membraanmoleculen gelijk verdeeld worden bij de celdeling.

Asymmetrie

De twee kanten van de lipide bilaag bevatten duidelijk verschillende fosfolipiden en glycolipiden. Ook hebben membraaneiwitten een specifieke oriëntatie in de bilaag, welke vaak cruciaal is voor hun functie. Nieuwe fosfolipiden worden door enzymen die gebonden zijn aan de cytosolische kant van het ER-membraan gevormd. Deze eiwitten brengen de nieuwe fosfolipiden dan ookin de cytosolische kant van het membraan. Het membraan moet als geheel groeien, dus de helft van de nieuwe fosfolipiden wordt naar de niet-cytosolische helft van de bilaag getransporteerd. Dit proces wordt gekatalyseerd door het enzym flippase. Flippases doen dit selectief, zodat bepaalde fosfolipiden meer geconcentreerd zijn aan één kant van de membraan. Hierdoor is er een asymmetrische verdeling van lipiden aanwezig in de bilaag van het membraan.

Nieuw membraanonderdelen worden gesynthetiseerd in het endoplasmatisch reticulum. Daarna worden deze onderdelen door een cyclisch proces van “budding” en fusie vanuit het endoplasmatisch reticulum naar de andere membranen van de cel getransporteerd. Er splitsen blaasjes (vesicles) van het ER af, welke vervolgens kunnen worden opgenomen in een membraan. De vorming van dit soort blaasjes (vesicles) waarborgt het behoud vande oriëntatie van de bilaag ten opzichte van het cytosol. Alle celmembranen hebben namelijk een “binnenkant” en een “buitenkant”: de cytosolische kant grenst altijd aan het cytosol en de niet-cytosolische kant grenst aan de buitenkant van de cel of de binnenkant van de organellen.

Glycolipiden zitten voornamelijk in de niet-cytosolische kant van het plasmamembraan. De suikergroepen worden daardoor blootgesteld aan de buitenkant van de cel. Deze suikergroepen wordenin het Golgi-apparaat aan de lipiden gebonden. De enzymen die dit proces bevorderen zijn zo georiënteerd, dat de suikergroepen alleen aan de niet-cytosolische kant van het membraan terecht kunnen komen. Er zijn hier geen flippases aanwezig, dus de glycolipiden zullen in de cytosolische monolaag blijven.

Waaruit besyaam membraaneiwitten?

Dierlijke plasmamembranen bestaan voor ongeveer 50% aan massa uit eiwitten. Lipidemoleculen zijn echter een stuk kleiner dan eiwitten, dus een membraan bestaat uit ongeveer 50 keer meer lipidemoleculen dan eiwitten. Elk soort membraan bevat andere eiwitten, afhankelijk van functie van het membraan.

Membraaneiwitten hebben verschillende functies:

• Ze zorgen voor transport van stoffen door het membraan heen;

• Ze waarborgen verankering van het membraan aan macromoleculen;

• Het zijn receptoren die chemische signalen waarnemen en doorgeven aan de cel;

• Het zijn enzymen die specifieke reacties katalyseren.

• Deze eiwittenkunnen op verschillende manieren ten opzichte van de lipide bilaag liggen:

• Door de bilaag heen gelegen met een deel van hun massa aan beide kanten. Deze transmembraaneiwitten hebben net als de lipide bilaag zowel een hydrofobe als hydrofiele kant, waarbij de hydrofobe delen van het eiwiten aan de binnenkant van het membraan gelegen zijn en de hydrofiele delen aan de binnen- en buitenkant van de cel.

• Compleet aan de cytosolische kant van de cel gelegen, door middel van een amfipathische α-helix. Deze helix nestelt zich hierbij in de cytosolische laag van het celmembraan. Het grootste gedeelte van het eiwit is dan in het cytosol gelegen.

• Compleet buiten de bilaag gelegen. Deze eiwitten zijn slechts verbonden aan de binnen- of buitenkant van de cel door middel van een lipidegroep die aan het eiwit vastzit en die zich in het celmembraan bevindt.

• Indirect verbonden met een kant van het membraan door interacties met andere membraaneiwitten.

Transmembraaneiwitten

De meeste transmembraaneiwitten verplaatsen door het membraan in de vorm van één of meerdere α-helices. Door middel van waterstofbruggen worden polypeptideketensin een spiraalvorm gedraaid. De hydrofobe zijketens worden aan de buitenkant van de helix blootgesteld en vormen hier bindingen met de lipide staarten, terwijl de hydrofiele backbone waterstofbruggen met zichzelf vormt aan de binnenkant. De polypeptideketens die het membraan slechts een enkele keer passeren, zijn meestal receptoreiwitten.Bij het vormen van poriën waardoor water, maar ook wateroplosbare stoffen getransporteerd kunnen worden, moeten verschillende α-helices interacties met elkaar aangaan om de doorgang groot genoeg te maken. Hydrofobe zijgroepen richten zich hierbij naar de fosfolipiden en hydrofiele zijgroepen naar de binnenkant van de porie.

ß-sheets worden soms ook gebruikt voor dit transport. Deze worden tot een cilinder gebogen, wat een ß barrel genoemd wordt. De zijgroepen in de doorgang zijn hydrofiel en de zijgroepen in de fosfolipide laag zijn hydrofoob.

Membraandomeinen

Veel eiwitten kunnen, net als lipiden, vrij bewegen binnen het membraanvlak. Zo kunnen eiwitten zich op een bepaalde plek ophopen en zich aan structuren hechten buiten de cel. Asymmetrische verdeling van eiwitten wordt gewaarborgddoor middel van tight junctions op het membraan, waar de eiwitten zich niet langs kunnen verplaatsen. Hierdoor blijven bepaalde eiwitten aan één kant van de tight junction, waar zij hun functie moeten vervullen.

Een membraan is heel erg dun. Daarom worden de meeste celmembranen versterkt door een netwerk van eiwitten. De vorm van de cel en zijn mechanische eigenschappen worden geregeld door dit netwerk, de cell cortex genaamd. Dit netwerk is gebonden aan de cytosolische kantvan het membraan.

Hoe werkt de binding van koolhydraten?

Net als lipiden, kunnen ook eiwitten suikergroepen binden. Glycolipiden en glycoproteïnen kunnen hierdoor een laag van koolhydraten vormen om het membraan heen. Deze laag wordt ook wel de glycocalyx genoemd en vervult verschillende functies:

• Hij beschermt de cel tegen mechanische en schade;

• Hij vormt een slijmerig oppervlak, doordat de suikergroepen water adsorberen. Hierdoor kunnen beweeglijke cellen zich gemakkelijker door bepaalde doorgangen wringen. Bovendien worden bepaalde cellen ervan weerhouden om aan elkaar te plakken.

Wat is de rol van suikers bij het plasmamembraan?

De suikers die aan het plasmamembraan vast zitten, zijn meestal korte suikerketens, de oligosachariden. Deze zitten tevens aan de eiwitten van het plasmamembraan en deze worden dan glycoproteïnen genoemd. Wanneer er een lange keten aan een plasmamembraan eiwit zit, heetten ze een proteoglycans. Al deze suikers steken naar buiten aan de niet cytosolische kant van het membraan en vormen hier een koolwaterstoflaag.  Deze suikers reageren met water om zo een slijmerige laag te vormen die bijvoorbeeld voorkomt dat bloedcellen aan het membraan van de bloedvatwanden blijven plakken, en die witte bloedvaten in staat stelt tussen de cellen door de bloedvatwand te komen en zo in de weefsels te migreren. Ook speelt de koolwaterstoflaag een rol bij de cel-cel herkenning. Eiwitten kunnen elkaar herkennen en zo een binding aangaan, maar sommige eiwitten (lectinen) zijn gespecialiseerd in het herkennen van bepaalde koolwaterstofgroepen en brengen zo een binding tot stand.

Oligosachariden zijn door hun verschillende bindingsvormen enorm divers. De oligosachariden spelen een belangrijke rol in de herkenning van cellen en hun identiteit en functie. Ze spelen een rol bij de herkenning van een eicel door sperma, maar ook bij een ontstekingsreactie. Bij een bacteriële infectie herkennen de bloedvatwandcellen via lectine de oligosachariden van witte bloedcellen (neutrofielen). Ze zorgen voor de aantrekking van meer neutrofielen en stellen ze in staat naar het weefsel te migreren. Doordat het plasmamembraan 2 lagen heeft, zijn de moleculen binnen deze 2 lagen goed in staat zich vrij te bewegen in de ruimte. Binnen het membraan zijn wel gespecialiseerde plekken waar zich bepaalde eiwitten bevinden en het membraan zo lokale functies uitoefent: dit worden membrame domains genoemd.

Essential Cell Biology - Alberts, Hopkins - 4e druk

Celbiologie: Hoe werkt het membraantransport? - Chapter 12

Membraantransporteiwitten zorgen ervoor dat kleine wateroplosbare moleculen of ionen de hydrofobe lipidelaag kunnen passeren. Er zijn twee soorten transporteiwitten. De eerste soort zijn de transporters. Een transporter verplaatst kleine organische moleculen of anorganische ionen door het membraan door van vorm te veranderen. De tweede soort zijn de kanalen. Zij vormen in het membraan hydrofiele poriën waardoorheenstoffen kunnen diffunderen. De ionenconcentratie binnen een cel verschilt met de concentratie erbuiten. Buiten de cel is de concentratie Na⁺ en Cl^- het hoogst. Binnenin is de concentratie K⁺ het hoogst, en intracellulair bevinden zich bovendien voornamelijk negatief geladen deeltjes. Deze verdeling van ionen wordt in stand gehouden door membraantransport eiwitten en de eigenschappen van de lipide bilaag.

Wat bepaald de doorlaatbaarheid van het membraan?

De doorlaatbaarheid door het membraan hangt voornamelijk af van de grootte van de moleculen en de mate van oplosbaarheid in het membraan (hydrofobe stoffen kunnen gemakkelijk door het membraan diffunderen, hydrofiele stoffen niet).

1. Ionen en geladen moleculen komen nauwelijks door middel van diffusie het membraan door. Het hydrofiele karakter van deze deeltjes weerhoudt hen ervan door het membraan te diffunderen.

2. Ongeladen polaire moleculen kunnen er in zekere mate doorheen. Hiervoor geldt, hoe groter het molecuul, hoe minder makkelijk het het membraan kan passeren. Water, ethanol en glycerol kunnen door het membraan diffunderen, maar grotere moleculen als glucose, aminozuren en nucleotiden kunnen dit niet.

3. Kleine apolaire moleculen (O₂, CO₂) diffunderen gemakkelijk door het membraan heen.

Transporters en ionkanalen zijn beide selectief. Een transporter kan vaak maar binden aan één bepaald soort molecuul. Een kanaal kan ook selectief zijn. Het kan ten eerste open of dicht staan. Ten tweede kunnen selectieve kanaaltjes maar een bepaalde ionsoort of een bepaald molecuul doorlaten. Zij maken onderscheid op basis van molecuulgrootte en elektrische lading. Transporters zijn selectiever dan ionkanalen, want zij hebben een specifieke bindingsplaats waar het molecuul/ion precies in moet passen.

De kanaaltjes zijn opgebouwd uit polypeptideketens die de lipide bilaag meerdere keren doorkruisen (transmembraaneiwitten). Door heen en terug door de bilaag te kruisen vormt het eiwit een doorgang voor kleine hydrofiele moleculen. Op deze manier komen de hydrofiele moleculen niet in contact met de hydrofobe bilaag.

Hoe verschillen passief en actief transport?

De concentratie van bepaalde moleculen/ionen binnen en buiten een cel verschilt. Als moleculen/ionen het membraan passeren van een plek met een hoge concentratie naar een plek met een lage concentratie heet dit passief transport, omdat er geen extra energie voor nodig is. Als het passieve transport plaatsvindt met behulp van een transporter, dan noem je dit facilitated diffusion. Alle kanaaltjes kunnen slechts passief transport mogelijk maken. Als er tegen de concentratiegradiënt in ionen of moleculen worden gepompt, heet dit actief transport, omdat er voor deze vorm van transport energie nodig is. Alleen transporters kunnen actief transport mogelijk maken. Een transporter die actief transport mogelijk maakt, wordt ook wel een pomp genoemd.

Wat is de functie van transporters?

Zowel het plasmamembraan als het membraan van verschillende celorganellen bevat een combinatie van verschillende transporters, waarmee ze heel specifiek de voor hen benodigde moleculen/ionen opnemen.

Passief transport: aangedreven door elektrische krachten en de concentratiegradiënt

Transporters kunnen in drie conformaties voorkomen. De eerste is de conformatie waarbij de actieve bindplaats gericht is naar het cytosol. Als de concentratie van een molecuul/ion binnenin de cel hoger is dan daarbuiten, zal het binden aan de transporter. Vervolgens ondergaat de transporter een vormverandering, waarbij deze in de zogenaamde occluded state terechtkomt, waarbij de bindingsplaatsen van de transporter niet naar zowel de binnenkant als de buitenkant zijn gericht. Tot slot komt hij in de conformatie terecht waarbij de actieve bindplaats naar de buitenkant van de cel gericht is. Het molecuul/ion laat dan weer los.

Voor ongeladen moleculen bepaalt alleen de concentratiegradiënt de richting van het passieve transport. Voor elektrisch geladen moleculen speelt er nog een andere factor mee. Er heerst namelijk tussen de binnen en buitenkant van de cel een verschil in elektrische lading: het membraanpotentiaal. De binnenkant is negatief geladen ten opzichte van de buitenkant. Op geladen moleculen werken dus twee krachten die elkaar kunnen versterken als ze dezelfde richting op werken, of elkaar tegenwerken wanneer ze in tegengestelde richting werken. De nettokracht van de concentratiegradiënt en de membraanpotentiaal heet de elektrochemische gradiënt. De elektrochemische gradiënt kan dus ook nul zijn als de twee krachten elkaar precies opheffen.

Actief transport werkt tegen de elektrochemische gradiënt in

Er zijn drie vormen van actief transport bij een transporter. De eerste (de gekoppelde transporter) koppelt het transport van een molecuul dat tegen de elektrochemische gradiënt in wordt verplaatst, aan een molecuul/ion dat metzijn elektrochemische gradiënt meegaat. De tweede vorm (de zogenaamde ATP-gedreven pomp) maakt energie vrij voor het actieve transport door de hydrolyse van ATP. Dit eiwit is daarom niet alleen een transporter, maar ook een enzym dat ATPase wordt genoemd. De laatste vorm (de zogenaamde licht-gedreven pomp) verkrijgt zijn energie door licht. Deze drie vormen werken vaak samen.

De Na⁺/K⁺-pomp hydrolyseert ATP tot ADP om Na⁺ de cel uit te pompen. Bij het uitpompen van Na⁺ wordt meteen K⁺ de cel ingepompt. Hierdoor wordt de concentratie Na⁺ laag en K⁺ hoog binnen de cel. Na⁺ dat nu aan de buitenkant van de cel zit heeft de neiging om de cel weer binnen te stromen door zijn elektrochemische gradiënt.. De concentratiegradiënt en de elektrische kracht werken in het geval van de natriumionen namelijk in dezelfde richting, namelijk de cel in.De Na⁺-ionen worden terug de cel ingepompt door middel van gekoppelde transporters. Deze koppelen het passieve transport van Na⁺ aanhet actieve transport van andere moleculen. Het terugstromen van Na⁺ levert dus energie om andere moleculen/ionen tegen hun elektrochemische gradiënt in te transporteren.

Bij K⁺ werkt het anders. De concentratiegradiënt wil K⁺ namelijk de cel uit hebben, terwijl de elektrische krachten die op K⁺ werken, hem de cel in wil hebben. Zogenaamde K⁺-lekkanalen in het celmembraan staan wisselend willekeurig open of dicht. Hierdoor kunnen de K⁺-ionen met hun concentratiegradiënt mee de cel uit lekken. Op een gegeven moment wordt de elektrische kracht van de negatieve membraanpotentiaal op de positieve ionen echter zo sterk, dat er een balans ontstaat waarbij de nettoverplaatsing van de kaliumionen bijna nul is.

Na⁺/K⁺-pomp helpt om de osmotische balans in cellen te behouden

De concentratiegradiënt heeft ook een invloed op het in- en uitstromen van water in een cel. Water stroomt namelijk van een plek met een lage concentratie aan moleculen/ionen naar een plek met een hoge concentratie, totdat beide concentraties gelijk zijn of totdat er een tegendruk aanwezig is die de osmose tegengaat. Dit proces heet osmose en het gebeurt via speciale waterkanaaltjes ( de zogenaamde aquaporins). De osmose vindt plaats doordat de concentratie watermoleculen aan de binnenkant van de cel verschilt van de concentratie watermoleculen aan de buitenkant van de cel. De watermoleculen verplaatsen zich vervolgens naar hun concentratiegradiënt.

Door osmose kan een cel opzwellen. Om dit tegen te gaan, hebben verschillende soorten cellen verschillende soorten mechanismen:

Veel dierlijke cellen hebben een gelachtig cytoplasma. Deze cytoplasmasubstantie voorkomt opzwelling van een cel door osmose.

• Plantencellen leverentegendruk aan de opzwellende cel via hun celwand. Deze tegendruk zorgt er dus voor dat de instroom van water wordt beperkt tot een grens. De osmotische druk op de plantaardige cellen zorgt voor de turgordruk, die de cellen stevig houdt.

• Sommige protozoae verwijderen overtollig water door hun vacuoles van tijd tot tijd te legen buiten de cel.L.

Ca²⁺-pompen houden de Ca²⁺-concentratie in het cytosol laag

De regeling van de Ca²⁺-concentratie is belangrijk, omdat dit ion de activatie van sommige eiwitten kan regelen. Daarom wordt Ca²⁺ vaak als signaalstof door het membraan gebruikt. De Ca²⁺-concentratie in het cytosol moet lager zijn dan buiten de cel. De door ATP-gedreven Ca²⁺-pompen in het plasmamembraan en in het endoplasmatisch reticulummembraan pompen het Ca²⁺ uit het cytosol Dit betekent dus ook dat de concentratie Ca²⁺ in het ER hoog is. Omdat de Ca²⁺ -concentratie in het cytosol normaal gesproken laag is, reageert de cel extra gevoelig bij een plotselinge toename van de concentratie. Hierdoor kunnen bepaalde celprocessen worden geactiveerd.

Gekoppelde transporters

Wanneer een bepaald ion/molecuul met de elektrochemische gradiënt meestroomt door een transporter heen, komt er energie vrij. De transporter kan die energie gebruiken om een ander ion of molecuul actief naar de andere kant te pompen. Dit noemen we antiport. Wanneer het andere molecuul/ion naar dezelfde kant wordt gepompt als het molecuul/ion dat met de elektrochemische gradiëntmeekomt, heet dit symport. De transporters die het transport van het ene molecuul aan die van het andere koppelen, noemen we gekoppelde transporters. Als er geen andere moleculen door de transporters worden meegepompt, wordt dit uniport genoemd Deze uniporttransporters zijn dan ook geen gekoppelde transporters.

Hoe gebruiken planten, schimmels en bacteriën de H⁺-gradiënt voor hun actieve transport?

Omdat planten-, schimmel- en bacteriecellen geen Na⁺/K⁺-pomp hebben, gebruiken ze H⁺-pompen. Door middel van ATP-gedreven H⁺-pompen, of door licht gedreven H⁺-pompen in sommige bacteriën die aan fotosynthese doen, wordt aan de buitenkant van de cel een hogere H⁺-concentratie gecreëerd. Bij terugstromen van H⁺ kunnen door symport of antiport ook andere moleculen verplaatst worden.

Wat is de functie van ionkanalen en de membraanpotentiaal?

Kanalen vormen transmembrane hydrofiele poorten die het passieve transport van kleine, in water oplosbare moleculen of watermoleculen zelf mogelijk maken. De meeste poriën zijn selectief voor de moleculen die zij doorlaten. Waterporiën zorgen voor de stroom van water in en uit de cel. Deze maken snelle verplaatsing van water mogelijk, zonder dat er opgeloste stoffen worden meegevoerd. De meeste poriën zijn echter selectief voor een bepaald ion: de ionkanalen.

Een ionkanaal is meer dan een gat in het membraan. Ten eerste zijn deze kanalen erg selectief. Deze selectie berust op de diameter, de vorm en de lading van het ion. Daarnaast zijn ionkanalen niet constant geopend. De ionkanalen wisselen steeds willekeurig tussen de open en gesloten conformatiet. De waarschijnlijkheiden tijd dat een kanaal geopend/gesloten is, kan echter wel worden beïnvloed.

De open of gesloten conformatie van ionkanalen wordt door verschillende stimuli beïnvloed:

• Bij spanningsafhankelijke kanalen wordt de waarschijnlijkheid dat het kanaal geopend of gesloten is, bepaald door de membraanpotentiaal.

• Bij ligandafhankelijke kanalen wordt de waarschijnlijkheid van de geopende of gesloten conformatie geregeld door binding van een molecuul (ligand) aan het kanaal.

• Bij mechanischafhankelijke kanalen wordt de waarschijnlijkheid dat het kanaal open of dicht is geregeld door een mechanische kracht die wordt uitgeoefend op het kanaal.

De membraanpotentiaal is de basis van alle elektrische activiteit in de cel. In principe wordt de potentiaal gehandhaafd door ionkanalen en worden ionkanalen gereguleerd door de membraanpotentiaal. Op die manier ontstaat er een cirkelregeling.

Elke cel heeft een membraanpotentiaal: een elektrisch potentiaalverschil over het plasmamembraan. De elektrische lading wordt hierbij gedragen door ionen, die positief of negatief geladen kunnen zijn. De negatieve ladingen in de cel worden grotendeels gecompenseerd door de aanwezigheid van K⁺ in de cel. Deze hoge concentratie K⁺ in de cel wordt gereguleerd door de Na⁺/K⁺-pomp. Het membraan bevat echter dus de eerder genoemde K⁺-lekkanalen waardoor het ion langs zijn concentratiegradiënt kan weglekken. Intracellulair wordt de lading hierdoor steeds negatiever, waardoor de elektrische kracht de K⁺-ionen steeds harder naar het binnenste van de cel trekt. . Uiteindelijk heffen de concentratiegradiënt en de elektrochemische kracht op de ionen elkaar op, waardoor de elektrochemische gradiënt van de kaliumionen daalt naar 0.

De rustpotentiaal is de membraanpotentiaal waarbij de stroom van positieve en negatieve ionen door het plasmamembraan precies in balans is. Deze rustpotentiaal verschilt in dierlijke cellen tussen de -20 en -200 millivolt. De binnenkant van de cel is hierbij negatief geladen ten opzichte van de buitenkant. De membraanpotentiaal hangt af van de ionconcentraties aan beide kanten van de cel, maar ook van de staat waarin de kanaaltjes zich bevinden. Elke verandering in de doorlaatbaarheid voor bepaalde ionen, kan de membraanpotentiaal veranderen. Hierdoor zijn de ionkanalen erg belangrijk voor het handhaven van de potentiaal, maar ook voor de elektrische signalen die een cel kan voortgeleiden.

Het plasmamembraan werkt als een barrière en regelt wat de cel in- en uitgaat. Het bestaat uit een dubbele laag fosfolipiden, die aan de binnenkant hydrofoob zijn. Dit zorgt ervoor dat in water oplosbare stoffen moeilijk in de cel komen. Kleine apolaire moleculen en ongeladen polaire moleculen zoals CO2 kunnen wel door het membraan, net als in vet oplosbare stoffen. Voor de grotere en geladen moleculen zijn er membraantransporteiwitten (zie figuur 12-2 op pagina 384). Deze zijn er in verschillende vormen: transporters veranderen van vorm en brengen zo moleculen van de ene naar de andere kant en kanalen vormen kleine poriën waar de moleculen continu doorheen stromen. Kanalen vervoeren moleculen dan ook veel sneller dan transporters. De belangrijkste kanalen zijn de ionkanalen.

De ionconcentraties binnen en buiten de cel verschillen sterk van elkaar, zo zit er veel meer K+ binnen de cel en veel meer Na+ en Ca2+ buiten de cel. Zowel de cel als de omgeving zijn elektrisch neutraal, dit komt door Cl- buiten de cel en negatieve intracellulaire ionen (anionen) in de cel. Ionen kunnen niet uit zichzelf door het membraan, ook moleculen met een lading en grotere, polaire moleculen lukt dit niet.

Elk membraantransporteiwit hoort bij een bepaalde groep moleculen: ionen, suikers of aminozuren. Sommige zijn nog specifieker en laten maar één bepaald molecuul of ion door. Membraantransporteiwitten bestaan uit polypeptideketens die het membraan meerdere keren doorkruizen. Zij zorgen ervoor dat moleculen de cel in en uit kunnen zonder de hydrofobe binnenkant van de dubbele laag fosfolipiden direct aan te raken. De meeste kanalen laten alle ionen met de goede grootte en lading door, transporters zijn veel specifieker. De moleculen gaan een voor een met de transporter naar de andere kant van het membraan, de binding is net zo specifiek als bij een enzym, waardoor transport selectief is.

Moleculen gaan spontaan vanuit een omgeving waar ze in een hoge concentratie voorkomen naar een omgeving waar ze in een lage concentratie voorkomen. Omdat deze verplaatsingen geen aandrijving nodig hebben, noemen we ze passief. Voor transport van een lage concentratie naar een hoge concentratie is wel energie nodig, vandaar dat we dit actief transport noemen. Hiervoor zijn speciale transporters nodig die energie aan het transportproces kunnen toevoegen. Omdat deze transporters tegen de concentratiegradiënt in werken, worden ze ook wel pompen genoemd.

Elk celmembraan heeft een specifieke set membraantransporteiwitten. Het plasmamembraan heeft bijvoorbeeld transporters voor voedingsstoffen zoals suikers, aminozuren en nucleotiden, het membraan van een mitochondrion voor pyruvaat en ATP en het membraan van een lysosoom laat vooral H+ binnen.

Passief transport wordt vooral door concentratieverschillen en ladingsverschillen geregeld. Een voorbeeld van zo'n transporter is die voor glucose, afhankelijk van de concentratie zitten de bindende vlakken aan de binnen of de buitenkant van het celmembraan. Dit verklaart ook waarom de lever bij hoge bloedsuikerwaardes glucose opneemt en dit bij een lage waarde weer afgeeft.

Bij elektrisch geladen moleculen zoals kleine organische ionen en anorganische ionen is ook het membraanpotentiaal van belang bij het transport. Meestal is het membraan aan de binnenkant negatief geladen, waardoor er meer positief geladen ionen de cel ingaan. Samen met de concentratiegradiënt noemen we dit de elektrochemische gradiënt. De twee componenten kunnen elkaar versterken of tegenwerken.

Actief transport heeft drie vormen:

1. Gekoppeld transport, waarbij de ene stof met de concentratiegradiënt mee, en de andere tegen de concentratiegradiënt in wordt getransporteerd.

2. ATP-gedreven pompen, waarbij de energie door de hydrolyse van ATP wordt verkregen.

3. Licht-gedreven pompen, komen voornamelijk bij bacteriën voor.

Dierlijke cellen gebruiken ATP om de Na+/K+-pomp aan te drijven. Na+ gaat de cel uit en K+ de cel in. Door het ATP-verbruik is de pomp eigenlijk ook een enzym: een ATP-ase. Gezien beide stoffen vanwege de concentratiegradiënt tegelijk in tegengestelde richting getransporteerd worden, kost het veel energie om de concentratie Na+ in de cel laag te houden en de concentratie K+ in de cel  hoog te houden. De elektrochemische gradiënt helpt bij het in stand houden van de Na+-concentratie, maar werkt die van K+  tegen. De pomp werkt als een cyclus. Eerst bindt Na+, dan splitst ATP en met de vrijgekomen energie fosforyleert de pomp zichzelf, waarbij hij Na+ aan de andere kant loslaat en K+ bindt. Hierdoor defosforyleert de pomp, gaat hij weer terug naar de eerste formatie en transporteert hij K+. Dit alles gebeurt binnen 10 milliseconden.

Het plasmamembraan is waterdoorlatend. Water verplaatst zich tot de oplossingen binnen en buiten de cel gelijk zijn (osmose). Als er teveel ionen in de cel zijn, zal er ook steeds meer water de cel binnenkomen en zal de cel door deze osmotische druk opzwellen. De Na+/K+-pomp speelt een grote rol in het voorkomen hiervan door het continu binnenstromende Na+ af te voeren. Planten lossen dit probleem op met een celwand, waardoor de cel tegen grote druk bestand is. Dit heeft voor de plantencel ook andere functies, zoals het regelen van concentraties.

De concentratie van Ca2+ in de cel is weliswaar kleiner dan die van Na+, maar Ca2+ heeft de mogelijkheid te binden aan bepaalde eiwitten en kan daarmee hun functies veranderen. De concentratie moet dus goed geregeld worden, hier zorgen Ca2+-pompen voor. Zij houden de concentratie binnen de cel veel lager dan die buiten de cel, zodat bij een plotselinge instroom van Ca2+  de cel snel reageert en de cel niet reageert als er geen impuls is.

Gekoppelde transporters transporteren één molecuul of ion met de concentratiegradiënt mee. De energie die hierbij vrijkomt gebruiken ze om een ander molecuul of ion tegen de concentratiegradiënt in te transporteren. Als beide dezelfde richting op getransporteerd worden, heet het sympoort. Is dit niet het geval dan spreken we van antipoort. Een transporter die slechts een molecuul vervoerd is niet gekoppeld en heet unipoort. Een voorbeeld van sympoort is glucose/Na+-transport, waardoor darmcellen ook glucose kunnen opnemen op momenten dat er niet suikerrijk gegeten wordt. Deze transporters zitten aan de apicale kant. Aan de basale en laterale kanten van deze cellen zitten unipoorten, die de glucose weer doorgeven. Door de tight junction tussen de cellen kunnen deze transporters niet naar de andere kant van de cel bewegen. Na+/H+-uitwisselers zijn een voorbeeld van antipoort en houden de pH van de cel stabiel.

De makkelijkste manier om een hydrofiel molecuul door het membraan te krijgen is door middel van een hydrofiel kanaal. Sommige kanalen zijn erg lang, zoals de gap junctions tussen cellen en de poriën van mitochondria. Omdat lekkage veel risico met zich meebrengt, zijn de meeste kanalen echter klein en zeer selectief. Aquaporines zijn bijvoorbeeld selectieve kanalen voor enkel watermoleculen. Bij ionkanalen worden er geladen deeltjes vervoerd in een waterige oplossing.

Ionkanalen zijn ionspecifiek, sommige anorganische ionen kunnen erdoorheen en andere niet. Dit is afhankelijk van de diameter en de aminozuren waaruit het kanaal bestaat. De aminozuren zorgen er ook voor dat de ionenstroom niet oneindig is: er is een maximum aantal ionen dat erdoorheen gaat per tijdseenheid. Een ander verschil tussen ionkanalen en simpelere poriën is dat ionkanalen niet continu openstaan. Dit zorgt ervoor dat de concentraties regelbaar zijn. De meeste ionkanalen zijn gated, wat wil zeggen een bepaalde stimulus bepaalt of ze open of dicht zijn.

Omdat ionkanalen niet van vorm veranderen door transport, werken ze veel sneller dan transporters. Echter kunnen deze kanalen niet transporteren tegen het elektrostatische gradiënt in, dus ionkanalen betreffen altijd passief transport. Pompen en andere transporters zorgen voor actief transport, wat weer leidt tot een elektrostatisch balans. Wanneer een ionkanaal opent, stromen er onmiddellijk veel ionen doorheen. Hierdoor verandert het membraanpotentiaal, wat andere kanalen tot actie aanzet en het doorgeven van signalen mogelijk maakt. Het membraanpotentiaal staat aan de basis van alle elektrische activiteit in de cel. Via patch-clamp recording is de elektrische stroom door één ionkanaal te registeren. Ook kan een bepaalde waarde worden ingesteld en vastgehouden, zodat de reactie van het membraan op verschillende elektrische waardes kan worden waargenomen. Uit resultaten is gebleken dat ook bij een constante waarde de kanalen plotseling open of dicht gaan. Waarschijnlijk zorgen warmte en moleculen in de omgeving voor deze schijnbaar willekeurige veranderingen. Als de omstandigheden echter zodanig veranderen, oefenen zij zoveel invloed uit op het kanaal dat de veranderingen wel degelijk geregeld worden.

Er zijn vele soorten kanalen, zij verschillen in selectiviteit en in de stimuli die zorgen dat ze open of dicht gaan. Voltage-gated kanalen worden bijvoorbeeld gereguleerd door het membraanpotentiaal, ligand-gated kanalen door de binding met een bepaald molecuul en stress-gated kanalen worden geopend door een mechanische kracht. Dit laatste is bijvoorbeeld het geval bij auditieve haarcellen, die worden geopend door geluidsgolven. De meeste cellen in het celmembraan zijn voltage-gated. Voltage sensons zijn speciale domeinen die erg gevoelig zijn voor veranderingen in het membraanpotentiaal. Als dit boven of onder een bepaalde waarde komt, zorgen deze domeinen ervoor dat het kanaal open of dicht gaat. Het is niet zo dat het kanaal zeker open of dicht gaat, maar de kans erop is veel groter dan zonder de stimulans van het domein. Het membraanpotentiaal wordt op zichzelf weer geregeld door de ionkanalen, waardoor je een soort cirkel krijgt: de ionkanalen beïnvloeden het membraanpotentiaal en het membraanpotentiaal beïnvloed weer de ionkanalen. Dit is belangrijk voor het doorgeven van elektrische signalen.

De elektriciteit in polaire oplossingen wordt bepaald door ionen. Het transport van ionen door het celmembraan is te registreren als een verschil in elektrische lading (een membraanpotentiaal). In de ruststand van de cel wordt de negatieve lading van organische moleculen in balans gehouden door K+, het meest aanwezige ion in de cel. Deze hoge concentratie wordt voornamelijk veroorzaakt door Na+/K+-pompen. Er zijn ook K+ lekkende kanalen, waardoor K+ makkelijker door het membraan gaat dan andere ionen. Hierdoor lekt wat K+ buiten de cel, waardoor het membraan aan de buitenkant licht positief geladen wordt en aan de binnenkant licht negatief. Dit zorgt ervoor dat er niet meer K+ naar buiten gaat en de K+ concentratie intracellulair hoog blijft. Deze verhouding noemen we het rustmembraanpotentiaal, de verplaatsing van ionen binnen en buiten de cel is in balans. In dierlijke cellen ligt dit rustmembraanpotentiaal tussen de -20 en -200 millivolt. Dit is een negatieve waarde omdat de lading aan de binnenkant negatief is. Met de vergelijking van Nernst is uit te rekenen hoe hoog het membraanpotentiaal is als de concentraties van K+ binnen en buiten de cel bekend zijn. Als andere ionkanalen openen, verandert de stroom van ionen en daarmee het membraanpotentiaal. Omdat het openen en sluiten van kanalen veel sneller gaat dan veranderingen in de ionconcentraties, zijn voornamelijk de kanalen belangrijk bij het in stand houden van het membraanpotentiaal.

Wat is de functie van ionkanalen en het signaliseren in zenuwcellen?

De functie van een zenuwcel of neuron is het ontvangen, geleiden en doorgeven van signalen. Dit is van zintuigen naar het centrale zenuwstelsel en van het centrale zenuwstelsel naar spieren en klieren. In het centrale zenuwstelsel worden de signalen geïnterpreteerd. Een neuron bevat een cellichaam, met daaraan een lange arm, het axon, dat signalen van het cellichaam geleidt en doorgeeft aan targetcellen. Er zijn vaak meerdere dendrieten, deze ontvangen signalen en geleiden ze naar het cellichaam toe en werken dus als een soort antennes. Het axon splitst zich aan het eind vaak in vele takjes, nerve terminals genoemd. Zo kunnen meerdere targetcellen tegelijk bereikt worden. Het signaal wordt altijd doorgegeven door een verandering in het elektrische potentiaal.

Als een neuron gestimuleerd wordt, meestal door een ander neuron, verandert het membraanpotentiaal op dat punt. Bij lange afstanden dooft dit signaal snel uit. Passieve verspreiding is dus niet de oplossing om het signaal door te geven. Neuronen lossen dit probleem op met een actief signaalmechanisme: een golf van lokale stimuli zorgt voor een elektrisch signaal dat snel langs het membraan reist. Deze golf noemen we actiepotentiaal en kan wel 100 meter per seconde afleggen.

Zo'n actiepotentiaal zorgt voor depolarisatie van het membraan, wat wil zeggen dat het membraanpotentiaal plotseling veel minder negatief wordt. Hierdoor gaan spontaan een aantal voltage-gated Na+-kanalen open. Door de instroom van Na+ depolariseert het membraan verder en gaan meer Na+-kanalen open. Binnen een milliseconde is het membraanpotentiaal +40 mV. Nu is de stroom van Na+ in balans en zou de cel op dit punt vast komen te zitten. Doordat de Na+-kanalen snel na het openen zichzelf inactiveren wordt de membraanpotentiaal weer negatief. Dit doen ze door zichzelf af te sluiten met een soort dekseltje. Voltage-gated K+-kanalen helpen met het herstellen van het rustpotentiaal, K+ stroomt hierbij uit de cel. Zij reageren ook op de depolarisatie, maar minder snel dan de Na+-kanalen. Omdat het actiepotentiaal zich naar de buurcellen verspreid, verspreidt het signaal zich over de cel en uiteindelijk naar de nerve terminals. Het signaal kan maar een kant op, omdat de kant waar het vandaan is gekomen tijdelijk inactief is en het signaal niet terug door kan geven. Na+/K+-pompen herstellen de concentraties Na+ en K+.

Tussen de nerve terminal en de target cel zit een synaps. Het signaal gaat vanaf de presynaptische membraan, door de synaptische spleet naar de postsynaptische membraan. Voor de overdracht tussen de cellen wordt een stofje gebruikt, neurotransmitter genaamd. Neurotransmitters zitten in presynaptische vesicles. Als de actiepotentiaal de nerve terminal bereikt, openen Ca2+ kanalen. Omdat de Ca2+ concentratie buiten de cel veel groter in, stroomt er snel veel Ca2+ de cel binnen. Dit zorgt ervoor dat sommige synaptische vesicles fuseren met het plasma membraan en hun inhoud, de neurotransmitters, in de synaps terechtkomt. Hierdoor verandert het elektrische signaal in een chemisch signaal.

Neurotransmitters hechten aan specifieke neurotransmitterreceptoren van het postsynaptische membraan. Dit leidt tot veranderingen in het membraan, waardoor een actiepotentiaal ontstaat. De neurotransmitter wordt snel afgebroken of opnieuw opgenomen, zodat de neurotransmitterreceptoren niet continu openstaan en weer een nieuw signaal kunnen oppikken als er nog een komt. Er zijn meerdere types neurotransmitterreceptoren, zij verschillen in de snelheid waarmee ze het signaal aan de cel doorgeven. Snelle neurotransmitterreceptoren zijn afhankelijk van transmitter-gated ionkanalen.

Vesiculaire transport en eiwittransport

Essential Cell Biology - Alberts, Hopkins - 4e druk

Celbiologie: Hoe werken organisatie en transport in de cel? - Chapter 15

Hoe zijn cellen opbouwd?

Een cel kan geen celorganellen uit het niets maken, vóór de celdeling groeien organellen eerst en daarna splitsen ze. Hiervoor zijn veel nieuwe eiwitten nodig. Ook cellen die niet met de deling bezig zijn, maken continu nieuwe eiwitten. Deze moeten op de goede plaats terecht komen. Sommige organellen, zoals mitochondria, krijgen hun eiwitten direct vanuit het cytosol. Voor andere, zoals het Golgiapparaat en lysosomen, zijn er bewerkingen in het ER (endoplasmatisch reticulum) nodig.

De synthese van bijna alle eiwitten begint bij de ribosomen in het cytosol. Mitochondria maken sommige eiwitten zelf met ribosomen binnen het mitochondrion. In de aminozuurvolgorde kan een sorteersignaal zitten. Eiwitten die dit niet hebben blijven in het cytosol, eiwitten die dit wel hebben gaan naar het organel van bestemming of naar het ER. Het is moeilijk om de eiwitten door de membranen van de organellen heen te krijgen. Hiervoor zijn drie oplossingen:

• Eiwitten gaan de kern in via nucleaire poriën. Dit zijn selectieve, actieve poorten.

• Eiwitten gaan het ER en mitochondria in via eiwittransporters. Meestal moet het eiwit uitvouwen om hier doorheen te kunnen.

• Eiwitten binnen het ER en tussen verschillende membraanomgeven systemen worden vervoerd in blaasjes (vesicles). Deze nemen een lading mee van het ene compartiment in de tussenruimte, het lumen, en vervoeren dit naar een volgend compartiment.

Het signaalsegment dat aangeeft waar het eiwit naartoe moet, wordt meestal verwijderd van het volwassen eiwit. Ze zijn zowel noodzakelijk om de bestemming van het eiwit aan te geven. Als ze kunstmatig worden toegevoegd of verwijderd, wijzigt deze bestemming. Vaak is de volgorde niet zo belangrijk, het gaat om fysieke kenmerken zoals hydrofiel/hydrofoob en de plaatsing van geladen aminozuren.

De kern bevat het nucleaire DNA. Het heeft twee membranen; de binnenste bindt aan de chromosomen en zit vast aan het nucleaire lamina, wat voor de structuur van het kernmembraan zorgt. De buitenste membraan ligt dichtbij de membraan van het ER. Het kernmembraan bevat poriën, waardoor moleculen de kern in (voornamelijk eiwitten) en uit (voornamelijk RNA) kunnen. Zo'n porie bestaat uit veel eiwitten en is met water gevuld, waardoor water oplosbare moleculen de kern in en uit kunnen. Kleine moleculen kunnen er gelijk doorheen, grotere (RNA en eiwitten) moeten een speciaal signaal laten zien. Dit heet het nucleaire lokalisatie signaal, wat meestal uit veel lysine en arginine bestaat. Zij binden aan nucleaire transportreceptoren die met een soort tentakels de moleculen in de kern helpen. Hierna keert de receptor terug naar het cytosol. De energie die nodig is voor het transport wordt verkregen uit GTP-hydrolyse. Het transport gaat erg snel. In tegenstelling tot andere eiwittransporters kunnen eiwitten de kern in zonder eerst uit te vouwen, en ook ribosomale componenten kunnen de kern in.

Ondanks dat mitochondria (en chloroplasten) eigen DNA hebben, worden de meeste eiwitten door het DNA in de kern gecodeerd. Aan hun N-terminus zit een speciaal signaal voor het mitochondrion. Op plekken waar het binnenste en het buitenste membraan van het mitochondrion elkaar raken, komen de eiwitten het organel binnen. Hiervoor moeten ze eerst helemaal uitgevouwen zijn. Bepaalde eiwitten, chaperonne eiwitten genaamd, helpen met het transport en vervolgens het terugvouwen van de eiwitten. Na transport door de membraan wordt de signaalsequentie van het eiwit verwijderd. Als het eiwit een specifieke locatie heeft, zoals het binnenste of het buitenste membraan, is er vaak nog een ander sorteersignaal, wat vaak pas tot uiting komt als het eerste is verwijderd. Voor de groei van mitochondria en chloroplasten zijn ook vetten nodig. De meeste fosfolipiden worden geïmporteerd van het ER. In water oplosbare, vetdragende eiwitten zorgen hierbij voor het transport.

Wat zijn organellen?

Een eukaryotische cel bevat cytosol waarin organellen voorkomen. Het cytosol samen met het cytoplasma in de organellen heet het cytoplasma. De organellen worden allen omringd door een eigen membraan en hebben een eigen intern milieu waar specifieke enzymen opereren. Elk organel heeft een eigen functie binnen de cel. De belangrijkste organellen zijn:

• De kern

• Het endoplasmatisch reticulum (ER)

• Het Golgi-apparaat

• De lysosomen

• De endosomen

• De mitochondriën

• De peroxisomen.

De kern wordt omringd door een dubbel membraan, de kernenvelop. Deze bevat poriën waardoor stoffen de kern in en uit getransporteerd kunnen worden. Het buitenste membraan staat in directe verbinding met het endoplasmatisch reticulum. Er bestaat een ruw en een glad endoplasmatisch reticulum. Het ruwe ER (RER) bevat ribosomen die eiwitten synthetiseren. Het gladde ER (SER) bevat geen ribosomen.

Het Golgi-apparaat ontvangt eiwitten van het ER, modificeert deze en stuurt ze door naar andere bestemmingen in de cel. De lysosomen bevatten enzymen die uitgewerkte organellen, macromoleculen en andere stoffen afbreken. Endosomen controleren de stoffen die de cel binnengekomen zijn door middel van endocytose. Zij sorteren de binnengekomen stoffen en recyclen een deel terug naar het plasmamembraan. Een ander deel vervoeren ze naar de lysosomen voor afbraak.

Peroxisomen bevatten enzymen die gebruikt worden bij verscheidene oxidatieve reacties waarbij lipides afgebroken worden en giftige stoffen onschadelijk gemaakt worden. In mitochondriën vindt oxidatieve fosforylering plaats. Ze bevatten membranen die gespecialiseerd zijn in de productie van ATP. Een mitochondrium bevat eigen DNA en RNA.

Veel van de organellen worden op hun plaats binnen de cel gehouden door een verbinding met het cytoskelet. Het cytoskelet vormt een soort wegenstelsel waarover de organellen zich kunnen verplaatsen en waarlangs de transportblaasjes zich bewegen. Deze bewegingen worden gestuurd door bepaalde motoreiwitten die ATP gebruiken om langs de filamenten te bewegen.

De evolutionaire ontwikkeling van een prokaryotische cel in een eukaryotische cel vond waarschijnlijk als volgt plaats. Een prokaryotische cel bevat geen organellen. Het plasmamembraan volbrengt alle functies die nodig zijn voor een cel om te functioneren. Het dubbele kernmembraan en de membranen van het ER, het Golgi-apparaat, de endosomen en de lysosomen zijn waarschijnlijk gevormd door instulpingen van het plasmamembraan. Het ER, het Golgi-systeem, de peroxisomen, de endosomen en de lysosomen zijn alle onderdeel van het zogenaamde endomembraansysteem.

Mitochondriën en chloroplasten (alleen bij plantaardige cellen) zijn echter waarschijnlijk ontstaan door bacteriën die in de cel zijn opgenomen. De voorheen prokaryotische cel leeft dus in symbiose met deze bacteriën. De membranen van deze organellen zijn anders dan de hierboven genoemde membranen. Mitochondriën en chloroplasten bevatten beide hun eigen DNA en RNA.

Wat zijn de eigenschappen van het ER-membraan?

Eiwitten komen het ER binnen tijdens de translatie. Het ER dient als tussenstation voor eiwitten met als bestemmming het Golgi apparaat, endosomen, lysosomen en het ER zelf. Zodra een eiwit in het ER of ER membraan zit, zal het niet meer direct in het cytosol komen. Via vesikels wordt het van organel naar organel en soms zelfs buiten de cel gebracht. In water oplosbare eiwitten gaan geheel door het membraan van het ER heen en komen dus in het ER. Zij zijn bedoeld voor secretie en hebben dus een functie buiten de cel of in het lumen van een organel. Transmembraaneiwitten blijven in het membraan van het ER steken. Zij komen in het ER-membraan, het membraan van een ander organel of het plasmamembraan. Alle eiwitten die met het ER in aanraking komen, hebben een ER-signaal sequentie. Deze bestaat uit acht of meer hydrofobe aminozuren en helpt bij de translocatie door het ER-membraan.

Om het ER-membraan binnen te gaan, moeten de meeste eiwitten tot een draad gemaakt worden. Hiervoor is het noodzakelijk dat het ribosoom, dat het eiwit synthetiseert, aan het eiwit vastzit als dit contact maakt met het ER. Deze ribosomen noem je membraangebonden en zij vormen het ruw endoplasmatisch reticulum. Je hebt ook vrije ribosomen, deze maken dus de eiwitten die niet met het ER in aanraking komen. Vrije en membraangebonden ribosomen verschillen niet, alleen in het eiwit dat ze synthetiseren. Ook op het ER kan een keten van meerdere ribosomen aan een mRNA molecuul, een polyribosoom, ontstaan.

Om naar het ER te komen, moet eerst een signal-recognition partikel (SRP) uit het cytosol aan de ER-signaalsequentie binden. Een SRP-receptor herkent dit en bindt aan de SRP. De synthese stopt even totdat deze binding geheel tot stand is gekomen. Hierna laat het SRP los en kan die weer gerecycled worden. De synthese gaat verder, waarbij het eiwit als een draad door een translocatiekanaal het ER binnengaat. De signaalsequentie aan de N-terminus helpt hierbij door dit kanaal te openen. Dit blijft aan het kanaal vastzitten, waardoor het eiwit een lus vormt. Na een tijdje wordt de signaalsequentie losgeknipt  door signaalpeptidase en vervolgens afgebroken. Als de C-terminus door het membraan passeert, laat het eiwit los en komt het in het ER lumen terecht. Dit gebeurt bij in water oplosbare eiwitten. Bij transmembraan eiwitten blijft het eiwit gebonden aan de membraan.

De manier waarop beide soorten eiwitten in het ER komen is hetzelfde, maar een membraangebonden eiwit heeft een extra sequentie, de stoptransfersequentie. Zodra deze bereikt is, gaat het eiwit uit het kanaal het membraan in en wordt het N-terminus verwijderd. Het heeft nu een N-einde in het lumen en een C-einde in het cytosol. Het deel in het membraan vormt een α-helix. Deze oriëntatie zal niet meer veranderen. In sommige gevallen gaat het eiwit meerdere malen door het membraan heen, dit komt door een zogenoemd starttransfer signaal. Er zijn vaak meerdere signalen die in paren werken, de een start het transport door het membraan en de ander stopt dit weer. Deze sequenties worden niet verwijderd.

De bestemming van de eiwitten in het ER is in eerste instantie het Golgiapparaat. Sommige zullen daar blijven, sommige zullen naar andere organellen worden verplaatst. Dit transport gaat via transport vesikels. Dit transport kan gaan van het ER tot aan het plasma membraan en van het plasmamembraan tot aan de lysosomen. Eiwitten kunnen dus bij alle organellen en zelfs buiten de cel komen. Tijdens het transport ondervinden veel eiwitten nog veranderingen.

De weg door het ER via het Golgiapparaat naar het celoppervlak noemen we de secretory pathway. De weg van de plasmamembranen via endosomen naar lysosomen heet de endocytic pathway. Beide zijn strak georganiseerd. Hiervoor is het belangrijk dat de lysosomen alleen de goede eiwitten meenemen en alleen met het targetmembraan fuseren. Hierdoor behouden de organellen hun eigen eiwit- en vetcompositie. Het is geheel afhankelijk van het herkennen van de juiste eiwitten.

Transport via vesikels komt dus niet alleen binnen de cel voor. Via een proces dat exocytose heet worden nieuw geproduceerde eiwitten en vetten buiten de cel afgezet. Transportvesikels hebben meestal een soort eiwit jasje bij het oppervlak dat in aanraking komt met het cytosol. Dit worden coated vesicles genoemd. De functie is om de cargo moleculen gedurende transport bij elkaar te houden en het houdt het transportvesikel in een bolvorm. De beschermende laag bestaat grotendeels uit clathrine-eiwitten. Zodra cargo moleculen worden herkend door een cargoreceptor kan er exocytose plaatsvinden. Adaptines binden clathrine-eiwitten aan cargoreceptoren en vormen samen een beschermlaag.

Dit exocytose proces gaat via het ER en het Golgiapparaat. Op de transportvesikels zitten Rab eiwitten, die worden herkend door tethering proteines op het oppervlak van de target membraan. Dit mechanisme zorgt ervoor dat transportvesikels alleen fuseren met de juiste membraan en hun cargo moleculen af kunnen geven. Transmembrane eiwitten bevatten SNAREs. Wanneer de tethering proteines de Rab eiwitten herkennen, zorgen SNAREs ervoor dat de vesikel op de goede plaats in het membraan belandt.

Tijdens de tussenstappen van het exocytose proces wordt het eiwit gemodificeerd en gecontroleerd. Een van de voornaamste modificaties is het vormen van zwavelbruggen, hierbij helpt een enzym in het ER. Zwavelbruggen zijn belangrijk voor stabiliteit bij een veranderende pH en kunnen in het reducerende milieu van het cytosol niet gevormd worden. Ook wordt er in het ER geglycolyseerd. De oligosachariden die hier aan het eiwit gekoppeld worden, hebben verschillende functies, zoals het regelen van het transport en het beschermen van het eiwit. Oligosachariden worden in groepen aan het eiwit gekoppeld. Een set van drie aminozuren, waar in elk geval asparagine bij zit, bepaald waar deze groep komt. De meeste zitten aan een NH2-groep en heten daarom N-gelinkt. Dit is de eerste stap van het oligosacharideproces, dat voortduurt in het ER en Golgiapparaat.

Het ER-retentionsignaal zorgt ervoor dat eiwitten die in het ER thuishoren, meteen terugkeren wanneer ze het trans-Golgi netwerk betreden. Alleen goed gevouwen eiwitten kunnen het ER verlaten en naar het Golgiapparaat gaan; chaperonne eiwitten houden de eiwitten vast tot deze goedgekeurd zijn. Als dit niet lukt, wordt het eiwit vernietigd. Dit kwaliteitscontrolesysteem werkt bij sommige ziektes, zoals cystische fibrosis, niet goed.

Als er teveel eiwitten gemaakt moeten worden, kan het ER het niet meer aan en worden er veel meer fouten gemaakt. Deze misvormde eiwitten zijn een signaal voor de cel dat er meer ER aangemaakt moet worden. Dit komt door een bepaalde set receptoren in het membraan van het ER, die de unfolded protein response (UPR) oproepen. Hierdoor is het ER meestal groot genoeg om de secretie van de cel aan te kunnen. Mocht zelfs een vergroting van het ER niet genoeg zijn om misvormde eiwitten te voorkomen, dan zet het UPR de cel aan tot apoptose. Een voorbeeld hiervan is diabetes type II. Door de insulineresistentie moet er meer insuline worden gemaakt dan de cel aankan en sterft de cel. Helaas maakt dit de taak voor de overige cellen alleen maar zwaarder, waardoor die ook afsterven.

Het Golgiapparaat ligt dichtbij de celkern en bestaat uit meerdere zakken of cisternae, die op elkaar gestapeld zijn. Het aantal stapels waaruit het Golgiapparaat bestaat verschilt per celtype. Het begin van het Golgiapparaat, dus waar de vesikels vanuit het ER binnenkomen, heet de cis-kant. Het einde heet de trans-kant, deze ligt richting het plasmamembraan. Aan de buitenkant van het Golgiapparaat zitten veel tubes met vesikels. In water oplosbare eiwitten komen via het cis-Golginetwerk binnen. Via transportvesikels gaan ze door de verschillende cisternae en komen ze bij het trans-Golginetwerk. Vanaf daar gaan ze naar het celoppervlak of naar organellen binnen de cel. Beide netwerken zijn belangrijk: het cis-netwerk stuurt eiwitten die in het ER moeten blijven terug en het transnetwerk kijkt waar de eiwitten naartoe moeten. In het Golgiapparaat worden veel eiwitten verder gemodificeerd.

Om een eiwit de cel te doen verlaten, fuseert een vesikel met het plasmamembraan. Dit heet de constitutieve exocytose pathway en gaat continu door. Het zorgt ervoor dat er nieuwe eiwitten en vetten in het plasmamembraan komen, zodat de cel kan groeien voor de deling. De eiwitten die voor buiten de cel zijn bedoeld, worden ook op deze manier naar buiten gebracht, dit heet secretie. Sommige blijven aan het celoppervlak zitten, andere gaan de intercellulaire matrix in. Omdat secretie niet selectief is, wordt het ook wel een default pathway genoemd. Cellen die gespecialiseerd zijn op secretie hebben nog een andere weg, de gereguleerde exocytose pathway. Deze cellen maken een product erg vaak, wat ze opslaan in secretory vesicles. Deze wachten dichtbij de membraan op een extracellulair signaal dat aangeeft dat secretie moet plaatsvinden. Bepaalde eiwitten binden aan deze producten en zorgen dat ze apart bewaard worden. Een voordeel hieraan is dat de concentratie van een bepaald eiwit veel hoger kan worden dan als het alleen via de default pathway zou gaan. Zo kunnen cellen een voorraad opbouwen en deze paraat hebben voor als het nodig is. Als een vesikel fuseert met het plasmamembraan, wordt het een onderdeel van het plasmamembraan. Dit neemt echter niet in oppervlakte toe, omdat tegelijk ook endocytose plaatsvindt.

Cellen nemen continu vloeistoffen, grote en kleine moleculen op via endocytose. Sommige cellen zijn zelfs gespecialiseerd om grote deeltjes op te nemen, soms zelfs andere cellen. Via een endocytisch vesikel komt het materiaal de cel binnen. Het reist naar een lysosoom, waar het vesikels wordt verteerd en het materiaal vrijkomt in het cytosol. Aan de hand van de grote van de vesikels kunnen we twee soorten endocytose onderscheiden. Fagocytose is voor grote deeltjes en pinocytose voor kleine deeltjes en vloeistoffen.

Wat houdt fagocytose in?

Fagocytose is het opnemen van een andere cel. Bij bacteriën dient dit proces als opname van voedingsstoffen, die vervolgens verteerd kunnen worden in lysosomen. Dieren moeten voeding eerst goed verteren en afbreken met enzymen voordat het opgenomen kan worden. Fagocytose is dan ook minder belangrijk om voedingsstoffen op te nemen; het is vooral van belang bij de afweer. Macrofagen zoeken naar cellen waar een bepaalde signaalstof aan gebonden zit. Als het zo'n cel heeft gevonden, spreid hij een soort armen om de cel heen. Deze fuseren aan de uiteinden en vormen zo een fagosoom. De bacterie wordt opgenomen en de fagosoom fuseert met een lysosoom om de bacterie te verteren. Sommige bacteriën zijn echter resistent en gebruiken de macrofaag om verder te delen. Niet alleen in het afweersysteem zijn macrofagen nuttig: ze ruimen ook dode cellen op.

Wat houdt pinocytose in?

Pinocytose is het binnenhalen van kleine moleculen en vloeistoffen. Hierbij worden het eigen plasmamembraan en vloeistoffen ook deels verteerd. De snelheid waarmee cellen dit doen verschilt. De grote van de cel verandert niet omdat door exocytose ook weer plasmamembraan wordt toegevoegd. Pinocytose wordt gedaan door specifieke vesikels. Pinocytose is willekeurig, maar er bestaat ook receptor-mediated endocytose, die specifieke moleculen uit de extracellulaire vloeistof haalt. Dit is een ook een stuk effectiever qua verteerde vloeistof en maakt het mogelijk veel kleine moleculen de cel in te brengen zonder dat er een vloeistof tekort ontstaat. Cholesterol wordt op deze manier binnengehaald, eerst bindt het aan low-density lipoproteines (LDL's). Dit bindt aan receptoren, het complex wordt de cel ingehaald waar de LDL eraf valt. De LDL wordt verteerd in een lysosoom door hydrolytische enzymen en het cholesterol komt in het cytosol terecht. Een mutatie kan leiden tot deficiëntie in het opnemen van LDL, waardoor cholesterolwaarden te hoog worden. Dit kan leiden tot atherosclerosis. Receptor-mediated endocytose is ook essentieel bij het opnemen van mineralen en vitamines. Het wordt ook gebruikt door virussen om de cel binnen te komen.

Wat zijn endosomen?

Endosomen zijn de organellen waar het extracellulaire materiaal wordt opgenomen. Er zijn vroege endosomen, deze zitten in de buurt van het plasmamembraan, en late endosomen, deze liggen bij de kern. De binnenkant van endosomen wordt zuur gehouden door een ATP-gedreven H+-pomp, die een grote hoeveelheid H+ ionen vanuit het cytosol in de endosoom pompt. Net als het trans-Golginetwerk sorteert de endosoom het materiaal op bestemming. Het zure milieu helpt hierbij omdat de receptoren van de lading los worden gemaakt. Sommige receptoren gaan terug naar hun oude plek, andere worden vernietigd en weer andere hechten aan een andere plek op het plasmamembraan. Hierbij brengen ze hun lading van de ene extracellulaire ruimte naar de andere. Dit laatste heet transcytose. Als de lading aan de receptor blijft zitten, volgen deze samen de weg van de receptor. De meeste ladingen die hun receptor kwijt raken, worden in de lysosomen verteerd.

Wat zijn lysosomen?

Lysosomen bevatten vele hydrolytische (verterende) enzymen, deze hebben een laag optimum pH waardoor de lysosomen een zuur milieu bevatten. Ook bevat een lysosoom ATP-gedreven H+-pompen, die het milieu zuur maken. Omdat het cytosol een andere pH heeft, kunnen deze enzymen de cel geen schade doen als ze toevallig in het cytosol terecht komen. Het membraan van een lysosoom is specifiek en zorgt ervoor dat de eindproducten van de vertering het cytosol in kunnen. Enzymen voor de lysosomen gaan via het ER en het Golgisysteem, waar ze vaak geglycolyseerd worden. Aan de trans-kant van het Golgisysteem worden ze gesorteerd. Er zijn meerdere manieren waarop voedingsstoffen bij een lysosoom komen. Naast fagocytose en pinocytose kunnen cellen ook aan autofagie doen, hierbij verteren ze delen van zichzelf. Dit proces begint met de vorming van een autofagosoom, de manier hoe dit gebeurd is onbekend.

Wat is een exocytose?

De meeste eiwitten die het ER binnenkomen worden daar aangepast. Er worden disulfide bindingen gevormd en er vindt glycosylering plaats. In het ER wordt bij glycosylering een oligosacharide, die uit veertien suikers bestaat, direct gebonden aan de aminogroep (NH₂) van een asparaginezijketen in het eiwit. Dit vindt bijna direct plaats nadat de polypeptideketen het ER binnen is gekomen. Een oligosacharide zit oorspronkelijk vast aan dolichol. Dit is een lipide die zich in het membraan van het ER bevindt. De reactie waarbij de oligosacharide van dolichol naar het eiwit wordt overgeplaatst, wordt gekatalyseerd door het enzym oligosaccharyl transferase. Deze glycosylering is slecht het begin van en serie modificaties, het oligosacharideproces. Dit proces begint in het ER en wordt in het Golgi-systeem vervolgd.

Sommige eiwitten die in het ER worden gesynthetiseerd blijven daar. Ze bevatten een C-terminale sequentie die een ER retention signal genoemd wordt. Dit signaal sequentie wordt door een membraangebonden receptoreiwit herkend dat zich in het ER en in het Golgi-systeem bevindt. Wanneer een receptoreiwit in het Golgi-systeem een dergelijk eiwit herkent, wordt dit eiwit naar het ER terug getransporteerd. De meeste eiwitten hebben echter andere bestemmingen dan het ER. Bij het verlaten van het ER vindt een strenge keuring plaats. De eiwitten moeten perfect zijn om het ER te kunnen verlaten. Eiwitten die bij de keuring een belangrijke rol spelen zijn chaperone eiwitten. Deze houden eiwitten die verkeerd gevouwen zijn vast totdat ze goed gevouwen zijn. Wanneer ze niet goed kunnen vouwen worden deze eiwitten naar het cytosol getransporteerd, waar ze worden afgebroken.

Wanneer het controlesysteem overbelast wordt, neemt het aantal misvormde eiwitten in het ER toe. Als er genoeg misvormde eiwitten aanwezig zijn, activeert dit het zogenaamde UPR-programma (Unfolded Protein Responseprogramma). Dit programma spoort de cel aan om meer ER te produceren. Het UPR-programma stelt hiermee de cel in staat om de grootte van het ER aan te passen aan de behoefte. Wanneer de cel echter zelfs met het vergrote ER de belasting niet aankan, beveelt het UPR-programma de cel waarin het ER zich bevindt om apoptose (geprogrammeerde celdood) te ondergaan.

Het Golgi-systeem bestaat uit een aantal lagen (cisternae) die door membranen omgeven zijn. Het Golgi-systeem heeft twee kanten. De ingang heet de cis-kant, de uitgang heet de trans-kant. De cis-kant wijst naar het ER, de trans-kant wijst naar het plasmamembraan. Oplosbare eiwitten en membranen komen vanaf het ER het Golgi-systeem aan de cis-kant binnen via transportblaasjes. De eiwitten verplaatsen zich door het Golgi-systeem door middel van transportblaasjes. Deze scheiden zich af van de ene laag en fuseren met de volgende laag. De eiwitten verlaten het Golgi-systeem aan de trans-kant. Zowel de cis- als de trans-kant van het systeem zijn belangrijk voor het sorteren van eiwitten. De eiwitten kunnen zich door het Golgi-systeem van de cis-kant verplaatsen naar de trans-kant, of teruggestuurd worden naar het ER wanneer ze een ER-retentiesignaal bevatten.

Een deel van de eiwitten wordt via transportblaasjes naar het plasmamembraan vervoerd. In elke cel is een constante stroom van transportblaasjes van het Golgi-systeem naar het plasmamembraan (de constitutive exocytose pathway). Deze kunnen eiwitten en lipiden bevatten, die de cel de mogelijkheid bieden te groeien voor de celdeling, of de cel de mogelijkheid bieden oude eiwitten en vetten te vervangen. Het kunnen ook eiwitten betreffen die via het plasmamembraan uitgescheiden moeten worden. Dit heet secretie. Eiwitten die geen signaalsequentie behalve de ER-importsequentie bevatten, worden via transportblaasjes naar het plasmamembraan vervoerd.

Hiernaast is er ook een regulated exocytose pathway, die alleen plaatsvindt in cellen die zijn gespecialiseerd in secretie. De producten van deze cellen worden verzameld in secretory vesicles. De vesicles verzamelen zich vlakbij de plasmamembraan en wachten op een extracellulair signaal om met het plasmamembraan te fuseren.

Wat is een endocytose?

Er worden twee soorten endocytose onderscheiden. Pinocytose is het opnemen van vloeistof en kleine moleculen via kleine vesicles. Fagocytose is het opnemen van grotere deeltjes via grote vesicles. Grotere deeltjes worden voornamelijk opgenomen door gespecialiseerde fagocytische cellen. Een dergelijk transportblaasje heet (afhankelijk van de naam van het proces) een pinosoom of een fagosoom. Een fagosoom versmelt bij binnenkomst in de cel meteen met een lysosoom, een pinosoom wordt via een endosoom naar een lysosoom vervoerd.

Fagocytische cellen beschermen ons tegen infecties door binnendringende organismes op te nemen en ruimen dode en beschadigde cellen op. Pinocytose speelt vooral een rol bij de endocytose waarbij clathrine betrokken is (zie ‘Transport via transportblaasjes’). Deze endocytose heet receptor-mediated endocytosis.

Een belangrijk voorbeeld hiervan is de mogelijkheid van een dierlijke cel om cholesterol op te nemen. Cholesterol is onoplosbaar en wordt in de bloedbaan getransporteerd, waarbij het gebonden is aan deeltjes van low-density lipoproteins (LDL). LDL bindt aan receptoren aan de buitenkant van membranen. De receptor-LDL-complexen worden via receptor-mediated endocytosis de cel binnengehaald en naar een endosoom getransporteerd. Hier laat het LDL los van de receptor. De receptor wordt gerecycled en het LDL wordt getransporteerd naar een lysosoom. Het cholesterol laat hier het LDL los en wordt aan het cytosol afgegeven. Hier kan het worden gebruikt voor de synthese van nieuwe membranen. Het LDL wordt afgebroken.

Er zijn twee soorten endosomen die kunnen worden onderscheiden: het vroege endosoom, dat zich vlak onder het plasmamembraan bevindt, en het late endosoom, dat zich dichter bij de kern bevindt. Een endosoom heeft eenzelfde soort functie bij de endocytose als de trans-kant van het Golgi-systeem heeft bij de exocytose. Ze keuren de stoffen die de cel via endocytose ingaan. Een endosoom heeft een zuur milieu vanbinnen. Hierdoor laten veel stoffen die via receptor-mediated endocytosis de cel binnen zijn gekomen in het endosoom de receptor waaraan ze gebonden zijn los, maar niet altijd. De meeste receptoren keren terug naar hetzelfde gedeelte van het plasmamembraan als waar ze vandaan kwamen. Sommige worden naar lysosomen getransporteerd waar ze worden afgebroken. Andere verplaatsen zich naar een ander gedeelte van het plasmamembraan, waarbij ze hun gebonden cargomoleculen van de ene extracellulaire ruimte naar de andere vervoeren. Dit proces heet transcytose. In het algemeen geldt dat cargomoleculen die aan de receptor gebonden blijven, hetzelfde ondergaan als die receptor. Cargo dat wordt losgekoppeld van zijn receptor, is gedoemd tot afbraak in een lysosoom. In late endosomen zijn echter al wat lysosomale enzymen aanwezig, waardoor afbraak reeds hier kan beginnen.

Veel deeltjes en moleculen die de cel binnen zijn gekomen, komen terecht in een lysosoom. Lysosomen zorgen voor de intracellulaire vertering van zowel extracellulair materiaal als van bepaalde celonderdelen, zoals oude organellen. Een lysosoom bevat ongeveer 40 verschillende enzymen die optimaal werken bij een pH van rond de 5. Het membraan van een lysosoom bevat transporteiwitten en een H⁺-pomp. Deze H⁺-pomp zorgt ervoor dat de pH-waarde in het lysosoom hetzelfde blijft. De meeste eiwitten aan de binnenzijde van het membraan zijn geglycosyleerd. De suikers zorgen ervoor dat de eiwitten niet verteerd worden door de lysosomale enzymen. De verteringsenzymen en membraaneiwitten zijn gesynthetiseerd in het ER en door het Golgi-apparaat getransporteerd naar de trans-kant. In het ER en aan de cis-kant van het Golgi-apparaat is een mannose-6-fosfaat aan de eiwitten toegevoegd. Deze wordt in de trans-kant van het Golgi-apparaat door een mannose-6-fosfaatreceptor herkend. De eiwitten worden vervolgens in een transportblaasje via een endosoom naar een lysosoom vervoerd en daar afgegeven.

Stoffen kunnen de lysosomen dus bereiken via fagocytose en pinocytose. Cellen hebben echter nog een derde manier om stoffen af te geven aan de lysosomen. Deze derde manier is de autofagie. Hierbij wordt een deel van de cel zoals een organel omsloten door een dubbel membraan. Het blaasje dat zo ontstaat heet een autofagosoom. Deze fuseert vervolgens met een lysosoom.

Hoe werkt de sortering van eiwitten?

De synthese van bijna alle eiwitten in de cel begint bij de ribosomen die zich in het cytosol bevinden. Waar een eiwit terecht zal komen hangt af van de aminozuurvolgorde van het eiwit. Deze kan een sorting signal, ook wel signaalsequentie, bevatten die aangeeft in welk organel het eiwit terecht moet komen. Eiwitten die geen sorting signal bevatten komen los terecht in het cytosol. Voor de verschillende organellen zijn er verschillende sorting signals.

Een eiwit kan op verschillende manieren door het membraan van een organel getransporteerd worden:

• De kern bevat poriën waardoorheen de eiwitten getransporteerd kunnen worden. De poriën functioneren als selectieve doorgangen, die bepaalde macromoleculen actief transporteren. De eiwitten kunnen gevouwen door het membraan worden vervoerd.

• Het ER, de mitochondriën, de chloroplasten en de peroxisomen bevatten proteïne translocators in het membraan. Het eiwit dat door deze translocators door het membraan wordt vervoerd, moet eerst worden ontvouwen.

• Eiwitten die vanuit het ER worden getransporteerd naar andere celonderdelen, worden vervoerd via transportblaasjes. Deze blaasjes worden gevuld met cargo (eiwitten uit het lumen) en splitsen van het membraan af.

Een eiwit kan een nuclear localization signal bevatten. Dit geeft aan dat een eiwit in de kern terecht moet komen. Via de kernporiën kunnen nieuwe eiwitten de kern in en kunnen RNA en ribosomale onderdelen de kern uit. Bepaalde eiwitten die zich in het cytosol bevinden, de nuclear transport receptoren, binden aan het nuclear localization signal van het kerneiwit. Vervolgens brengt deze receptor het kerneiwit door de porie door interacties aan te gaan met de nuclear pore fibrils. Eenmaal in de kern laat de nuclear transport receptor los van het nieuwe eiwit en verlaat de kern weer. In het cytosol kan de receptor nu een binding aangaan met het nuclear localization signal van een ander eiwit.

Het importeren van eiwitten in de kern kost energie. Deze energie wordt geleverd door middel van GTP-hydrolyse. Bij het importeren van eiwitten in de kern blijft een eiwit gevouwen. Dit is bijzonder, want bij het transport van eiwitten in andere organellen moet het eiwit ontvouwen worden.

Mitochondriën bevatten een binnen- en een buitenmembraan. Eiwitten uit het cytosol die voor een mitochondrium bestemd zijn, bevatten een signaalsequentie aan hun N-terminus. Zij moeten door beide membranen heen getransporteerd worden op een plaats waar deze membranen in contact staan met elkaar. De signaalsequentie wordt door een receptoreiwit op het buitenste membraan van het mitochondrium herkend. Hierna wordt het eiwit ontvouwen en het mitochondrium in getransporteerd. In het mitochondrium wordt de signaalsequentie van het eiwit afgesplitst en neemt het eiwit de specifieke vouwing weer aan. De chaperoneiwitten helpen om een eiwit door de membranen te krijgen, maar helpen het eiwit ook om een goede vouwing aan te nemen. Verder transport binnen het organel wordt gereguleerd via andere signaalsequenties.

Eiwitten die bestemd zijn voor het ER zelf, voor het Golgi-apparaat, de endosomen, lysosomen, peroxisomen, het plasmamembraan en voor uitscheiding buiten de cel komen eerst het ER binnen. Eiwitten kunnen in het ER-lumen (dit is het geval bij oplosbare eiwitten) of ER-membraan (dit is het geval bij membraaneiwitten) terechtkomen. Hierna zullen deze eiwitten door het cytosol worden vervoerd door middel van transportblaasjes.

De eiwitten die naar het ER moeten bevatten een ER-signaalsequentie, die meerdere hydrofobe aminozuren bevat. In het ruwe ER worden eiwitten gesynthetiseerd door ribosomen die aan de cytosolische zijde van het membraan van het ruwe ER vastzitten. Deze ribosomen heten ook wel membrane-bound ribosomen. Er zijn ook vrije ribosomen die los voorkomen in het cytosol. De twee soorten ribosomen zijn qua structuur en functie identiek aan elkaar. Wanneer een ribosoom een eiwit synthetiseert met een ER-signaalsequentie, wordt het ribosoom met het mRNA naar het ruw ER gevoerd. Het ribosoom komt tijdelijk aan het ER vast te zitten. Na de synthese komt deze weer los in het cytosol terecht.

De ribosomen die een ER-signaalsequentie synthetiseren worden door twee eiwitten naar het ER geleid. Het ene eiwit heet het signal-recognition particle (SRP). Dit bevindt zich in het cytosol en bindt zich aan de ER-signaalsequentie wanneer deze door het ribosoom is gemaakt. Het tweede eiwit heet een SRP-receptor. Dit bevindt zich in het membraan van het ER. De binding tussen SRP en de ER-signaalsequentie veroorzaakt een vertraging van de synthese van het eiwit met de signaalsequentie. Nadat SRP een binding is aangegaan met een SRP-receptor, laat het SRP los en gaat de synthese van het eiwit op het normale tempo verder. Zodra het SRP loslaat van het zich vormende eiwit, wordt het eiwit door de SRP-receptor naar een proteïne translocator in het membraan van het ER geleid. Het eiwit wordt het ER-lumen binnengehaald via een kanaal in de proteïne translocator. De signaalsequentie opent het kanaal in de proteïne translocator en blijft aan hieraan gebonden. De rest van de eiwitketen gaat het ER binnen. Na de translocatie wordt de signaalsequentie afgesplitst door een signal peptidase. De signaalsequentie laat los van het kanaaltje en de rest van het eiwit bevindt zich nu in het ER-lumen. Het kanaaltje in de proteïne translocator is nu gesloten en kan pas weer geopend worden door de signaalsequentie van een ander eiwit.

Niet alle eiwitten met een ER-signaalsequentie komen in het ER-lumen terecht. Sommige blijven in het membraan als transmembraaneiwit. Dit eiwit wordt deels op dezelfde manier als een ander eiwit met een ER-signaalsequentie voor het ER-lumen getransporteerd. De signaalsequentie op deze eiwitten opent het kanaal in de proteïne translocator en het eiwit gaat door het membraan naar binnen. De start-transfersequentie zorgt ervoor dat het transport kan beginnen. De verplaatsing wordt bij een transmembraaneiwit gestopt door een stop-transfersequentie die zich verderop in de peptideketen bevindt. Beide sequenties laten los van de proteïne translocator en het kanaaltje ervan gaat weer dicht; de eiwitketen wordt zijwaarts het membraan in geschoven. De start-transfersequentie laat los van de eiwitketen, en de stop-transfersequentie blijft in het membraan.

In sommige transmembraaneiwitten bevindt de start-transfersequentie zich niet aan het begin van de peptideketen, maar meer in het midden. Deze veroorzaakt wederom het opengaan van het kanaaltje van de proteïne translocator. Het eiwit gaat het ER binnen, totdat een stop-transfersequentie het kanaaltje bereikt. Het kanaaltje wordt losgekoppeld van beide sequenties en beide sequenties blijven in het membraan.

Hoe werkt het transport via transportblaasjes (vesiculair)?

Elk compartiment binnen de cel bevat een ruimte, ook wel het lumen genoemd. De extracellulaire ruimte en de ruimtes binnen de compartimenten kunnen met elkaar communiceren door middel van transportblaasjes (vesicles). Het vervoer van eiwitten tussen organellen met behulp van deze transportblaasjes begint bij de synthese van eiwitten in het ER. De eiwitten gaan vervolgens naar het Golgi-systeem en worden daarvan afgescheiden in een blaasje. Dit blaasje kan versmelten met het membraan van een endosoom en vervolgens naar een lysosoom worden vervoerd of versmelten met het plasmamembraan voor exocytose. Daarnaast is er ook een stroom van transportblaasjes vanuit het plasmamembraan (de endocytose), naar endosomen en vervolgens naar lysosomen.

Transportblaasjes die afgescheiden worden van een membraan hebben meestal een eiwitlaag om hun cytosolische membraan. Deze laag wordt ook wel een coat genoemd. Transportblaasjes met een coat heten coated vesicles. Een belangrijk bestanddeel van een bepaalde coat is het eiwit clathrine. Clathrin-coated vesicles splitsen zich af van het Golgi-systeem en worden vervolgens uitgescheiden in de extracellulaire ruimte. Daarnaast komt de clathrinecoat ook voor wanneer een stof in de cel opgenomen wordt door middel van endocytose. Hierbij vormen clathrinemoleculen een blaasje aan de cytosolische kant van het membraan. Wanneer de vorming van het blaasje bijna voltooid is, knijpt het eiwit dynamine het af van de plasmamembraan.

Stoffen die opgenomen moeten worden in de cel bezitten transport signals. Een dergelijke stof heet een cargo. Deze worden herkend door cargoreceptoren die zich aan de buitenzijde van het plasmamembraan bevinden. De stoffen en de receptoren gaan een binding aan. Adaptine bevindt zich in het cytosol van een cel en gaat een binding aan met een cargoreceptor. Clathrine bindt zich aan adaptine, om zo aan het transportblaasje gekoppeld te worden. Hierdoor wordt een transportblaasje gevormd dat cargomoleculen kan vervoeren. Er zijn twee verschillende soorten adaptine: adaptines die een binding aangaan met de cargoreceptoren in het plasmamembraan, en adaptines die een binding aangaan met cargoreceptoren in het Golgi-systeem.

Een andere soort coated vesicles is betrokken bij het transport van moleculen tussen het ER en het Golgi-systeem en tussen de verschillende delen van het Golgi-systeem. Deze worden COP-coated vesicles genoemd (waarbij COP staat voor COat Protein.)

Een transportblaasje wordt met behulp van een motoreiwit verplaatst via het cytoskelet. Wanneer het op de bestemming is aangekomen moet het blaasje het organel herkennen. Het organel moet daarentegen het transportblaasje ook herkennen. Dit herkenningsproces wordt door Rab-eiwitten aan het oppervlak van de vesicle gecoördineerd. De cytosolische zijde van het targetorganel bevat tethering proteins die de Rab-eiwitten van het transportblaasje herkennen. De tethering proteins trekken het blaasje naar het membraan toe. Bij de wederzijdse herkenning spelen bepaalde transmembraaneiwitten een rol. Deze heten SNAREs. De SNAREs die aan het blaasje zitten heten v-SNAREs (vesicle), de SNAREs op het membraan van het organel heten t-SNAREs (target). Deze werken op elkaar in: ze wikkelen zich om elkaar heen en trekken het blaasje en het membraan naar elkaar toe, zodat versmelting kan plaatsvinden.

Wat is de bedoeling van secretiewegen?

De meeste eiwitten die in het ER terecht komen, worden gemodificeerd. Op het moment dat ze het membraan passeren wordt er een lipide gelinkte olisacharide aan de peptideketen gebonden. De eiwitten die een retentiesignaal bevatten blijven maar de meeste verlaten het ER. Het er is heel erg selectief voor kwaliteitsbehoud. Eiwitten die bijvoorbeeld verkeerd gevouwen zijn worden gebonden aan een chaperone eiwit dat voorkomt dat het eiwit het ER kan verlaten. De grootte van het ER past zich aan aan de vraag naar eiwitten. Als er meer ongevouwen eiwitten in het ER zijn, ontstaat er een unfolded protein response. Dit resulteerd in meer Er en meer chaperones.

In het Golgi apparaat zijn twee kanten te onderscheiden, de cis- en de transzijde. Vesikels uit het ER komen aan bij de ciszijde. Deze uiteinden bevatten interconnected tubes waar o.a. eiwit sortering plaatsvindt.

De secretie van eiwitten door exocytose zorgt naast eiwitten ook voor nieuwe vetten voor het membraan. Deze vorm van exocytose is contitutief (niet gereguleerd). Exocytose van grote hoeveelheden door gespecialiseerde cellen wordt beïnvloed door hormonen of neurotransmitters en is dus gereguleerd.

Wat zijn endocytosewegen?

Er zijn hoofdsoorten van endocytose te onderscheiden: fagocytose (celeating) en pinocytose (celdrinking).

Fagocytose zorgt naast het voeden van de cel ook voor het beschermen van de cel tegen infecties. Macrofagen zijn een voorbeeld gespecialiseerde fagocytische cellen. Fagocytose vindt altijd plaats via grote vesikels, ook wel fagosomen.

Pinocytose vindt juist plaats door middel van kleine blaasjes en zorgt voor menging van het cytosol met extracellulaire vloeistof. Door de specificiteit van de eerder besproken receptor mediated endocytosis vindt dit proces efficiënt plaats en neemt de cel minder in volume toe.

De meeste vesikels fuseren na endocytose met een early endosoom zodat de macromoleculen kunnen worden gesorteerd. Dit noem je een late endosoom. Vesikels hierva kunnen of teruggaan naar het membraan waar ze vandaan kwamen (recycling), of versmelten met een lysosoom (degradatie) of ze kunnen met een ander membraan fuseren (trancytose).

De matrix van een lysosoom is zuur doordat het organe actief H⁺ naar binnen pompt. Lysosomen bevatten hydrolytische enzymen die de afbraak van alle intra- en extracellulaire materialen faciliteerd. Via fagosomen en late endosomen komen deze in de lysosomen terecht. Ook geautofagociteerde organellen kunnen door lysosomen worden verteerd.