HC7. Celmembranen en transport

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt de opbouw van een celmembraan en de verschillende manieren van transport door het celmembraan besproken
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er worden geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen met betrekking tot het tentamen gedaan
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Structuur en functie van celmembranen

De bouw van prokaryote en eukaryote cellen:

Er zijn enkele verschillen tussen de bouw van prokaryote en eukaryote cellen:

• Prokaryoot
  • Eén plasmamembraan
    • Alle cellulaire processen vinden plaats in het cytoplasma
• Eukaryoot
  • Er zijn interne membranen (om de organellen) en plasmamembranen (om de cel)
    • Organellen zijn d.m.v. een membraan afgescheiden van het cytoplasma

Opbouw van een celmembraan:

Alle celmembranen zijn opgebouwd uit:

• Lipiden
• Eiwitten

Het plasmamembraan heeft een dun laagje dat bestaat uit een lipide-dubbellaag: 

• Twee lipiden tegen elkaar aan
• De hydrofiele koppen van de lipiden zijn naar buiten gericht, de hydrofobe staarten naar binnen
• Hiertussen dobberen allerlei eiwitten

Het grootste deel van de lipiden in membranen zijn amfipatische fosfolipiden. Deze bestaan uit:

• Een glycerol-ruggengraat waar vetzuren aan vast zitten → de hydrofobe staarten
• Een fosfaatgroep met daarboven choline → de hydrofiele koppen

Als fosfolipiden in water opgelost worden vormen ze spontaan een celmembraan, het worden liposomen. De hydrofiele koppen gaan spontaan naar buiten en de hydrofobe staarten naar binnen.

Vloeibaarheid van membranen:

Eiwitten binnen de lipiden liggen niet stil → membranen zijn niet statitsch. Dit wordt veroorzaakt door de continue beweging van de lipiden binnen een celmembraan. Lipiden kunnen verschillende bewegingen maken:

• Beweging op afstand (lateral diffusion)
• Van plek wisselen (flexion)
• Draaien (rotation)
• Van de ene laag naar de andere laag (flip-flop) → dit komt zelden voor!
  • Hiervoor zijn enzymen nodig

Om deze niet-statische membranen toch een beetje stevigheid te geven zijn er cholesterol moleculen aanwezig → zorgen voor de rigiditeit van het membraan:

• Cholesterol heeft een heel klein OH-kopje dat naar de waterkant toesteekt → veroorzaakt stevigheid
• 20% van het celmembraan bestaat uit cholesterol.

De vloeibare eigenschap van het membraan is belangrijk bij veel cellulaire processen:

• Celdeling: het membraan moet kunnen openen en sluiten
• Vesiculair transport: blaasjes moeten kunnen fuseren en daarna weer verlaten
• Eiwitten moeten zich fatsoenlijk kunnen bewegen

Functie van membraaneiwitten:

Er zijn heel veel membraaneiwitten die allemaal een andere functie hebben:

• Transporteurs
• Ankereiwitten
• Receptoren
• Enzymen

Eiwitten in een membraan hebben vaak een alfa-helix vorm → zo blijven ze in het membraan vastzitten. Meerdere alfa-helixen samen vormen een kanaal waar stoffen doorheen kunnen. De hydrofobe aminozuurketens in de eiwitten zijn naar buiten gericht zodat ze goed vast blijven zitten.

Transport over membranen

Een cel moet bouwstoffen kunnen opnemen of afnemen. Er zijn 4 verschillende soorten van transport:

• Passieve diffusie 
• Passieve gefaciliteerde diffusie
• Actief transport
• Bulktransport (exo- en endocytose)

Passieve diffusie:

Bij passieve diffusie bewegen stofjes zich spontaan door het celmembraan heen. Dit vindt plaats bij:

• Hele kleine moleculen (vooral hydrofobe stofjes zoals zuurstof, kooldioxide, stikstof en steroïdhormonen)
• Kleine ongeladen moleculen (water, glycerol, ethanol)

Als deze stoffen door een membraan gaan volgen zij altijd hun concentratiegradiënt → ze verplaatsen zich van hoge naar lage concentratie.

Passieve gefaciliteerde diffusie:

Passieve gefaciliteerde diffusie kan op twee manieren plaatsvinden:

• D.m.v. transporteurs (eiwitten)
  • Transporteren grotere moleculen (glucose, aminozuren) 
  • Ook hier wordt de concentratiegradiënt gevolgd
  • Transporteurs zijn specifiek voor het molecuul: 
  1. De specifieke transporteur voor glucose bindt aan glucose
  2. Glucose verandert van vorm
  3. Glucose kan de cel in gaan → wordt binnen de cel afgegeven
• Ionkanalen
  • Kanalen voor ionen in het celmembraan
  1. Door een signaal/trigger gaan de kanalen voor een specifiek ion open staan
  2. Volgens de concentratiegradiënt stroomt het ion de cel in
     • Moet nauwkeurig gereguleerd worden
     • Ionen kunnen door elektrostatische krachten tegengehouden worden
       • De concentratiegradiënt en de voltagegradiënt (lading) kunnen verschillende kanten op lopen →  er ontstaat een elektrochemische gradiënt

Actief transport:

Bij actief transport worden stoffen tegen hun concentratiegradiënt in getransporteerd → kost energie. Deze energie kan op twee manieren worden geleverd:

• Actief transport m.b.v. energie: koppeling van het transport aan ATP
  • ATP wordt omgezet in ADP → energie komt vrij → zorgt ervoor dat de stof door het membraan gepompt wordt
• Actief gekoppeld transport: koppeling van de stof aan de gradiënt van een andere stof
  • Deze stof heeft energie die ervoor zorgt dat de andere stof wordt getransporteerd
  • Er zijn twee soorten actief gekoppeld transport:
    • Symport: de twee stofjes gaan in dezelfde richting
    • Antiport: de twee stofjes gaan in tegenovergestelde richting

Transport van glucose over de darmwand:

Een voorbeeld waarin veel verschillende transportprocessen terugkomen is het transport van glucose over de darmwand:

1. Actief gekoppeld transport: enterocyten nemen glucose gekoppeld op uit de darm
   • Glucose wordt vanuit het darmlumen gekoppeld aan een gradiënt van natrium
   • De concentratie van natrium is laag in de enterocyten en hoog in de darm → natrium neemt glucose mee
2. Gefaciliteerde diffusie: als glucose is opgenomen wordt het aan het lichaam afgegeven
   • Glucose volgt d.m.v. een transporter zijn concentratiegradiënt
3. Actief transport m.b.v. energie: de ATP-gedreven natrium-kalium pomp zorgt ervoor dat natrium constant uit de cel wordt gepompt zodat het aan glucose kan koppelen
   • De natrium-kalium pomp pompt 3 Na⁺-ionen de cel uit en 2 K⁺-ionen de cel in → dit kost ATP → er wordt één gradiënt gecreëerd voor natrium en één voor kalium
   • De natrium-kalium pomp houdt dus intracellulair de concentratie Na⁺laag en K⁺hoog, hierdoor kunnen:
     • Electochemische gradiënten ervoor zorgen dat de stoffen via over het membraan heen kunnen
     • Membraan potentialen gegenereert worden

De pomp wordt vaak primair actief transport genoemd → zorgt ervoor dat de gradiënt ontstaat. De glucoseopname in de cel is secundair actief transport → kan niet zonder pomp gebeuren.

Membraan potentiaal

Naast natrium-kalium pompen hebben cellen ook kalium-lek kanalen, deze staan altijd open. De natrium-kalium pomp en de kalium lek kanalen zorgen er samen voor dat iedere cel een membraanpotentiaal heeft. Omdat kalium in de cel een hogere concentratie heeft dan erbuiten, stroomt kalium de cel uit. Hierbij wordt kalium een beetje tegengehouden waardoor het enkele negatieve ionen achterlaat. Dit zorgt voor een spanning op het membraan → membranen zijn aan de binnenkant een beetje negatief en aan de buitenkant een beetje positief geladen. Dit heet de membraanpotentiaal.

Zenuwimpulsen:

Bij een zenuwimpuls ontstaat er een membraandepolarisatie van het neuron. Een neuron is een prikkelbare cel die over grote afstanden elektrische signalen doorgeeft. Zo’n signaal moet bij de hersenen aankomen. Dit gebeurt langs de axonen van het neuron.  Het transport van een zenuwimpuls door een neuron heeft verschillende fases:

1. Rustfase
   • Kalium lek kanalen staan open (hebben geen stimulus nodig)
   • Ionkanalen in het celmembraan staan dicht (er is geen stimulus)
     • Er zijn verschillende types ionkanalen die verschillende stimuli nodig hebben 
       • Voltage gated: er membraanpotentiaal nodig te openen
       • Ligandgated: er moet een stofje (neurotransmitters) binden om te openen
       • Mechanicallygated: er is een bewegingsprikkel nodig om te openen
2. Depolarisatie
   • Door verandering van de membraanpotentiaal gaan de voltage-gated (natrium) kanalen openstaan voor een elektrische impuls → er ontstaat een actiepotentiaal
   • Het signaal wordt overgebracht
   • Depolarisatie stimuleert naastliggende ionkanalen
3. Repolarisatie
   • De natrium-kanalen gaan dicht
4. Synaptische ruimte: hier komt de impuls als het einde van het axon bereikt wordt
   • Hier zitten calciumkanalen:
     • Worden gestimuleerd door de verandering van de membraanpotentiaal → gaan open staan → calcium stroomt het neuron in → neurotransmitters worden uitgescheiden
       • Neurotransmitters zitten opgeslagen in kleine blaasjes omgeven door een membraan → blaasjes gaan naar het uiteinde van het axon → scheiden neurotransmitters uit in de synaptische ruimte
5. Aankomst bij een ligand-gated ionkanaal van de volgende cel
   • De neurotransmitter is de ligant: de stimulus voor het ionkanaal → ionen stromen cel in → depolariseert waardoor de andere ionkanalen in de cel open gaan staan