Samenvatting week 2 (GZC I)

Deze samenvatting is gebaseerd op het studiejaar 2013-2014.

Hoorcollege 2

De cel is de kleinste eenheid van leven. Er zijn veel verschillende cellen (ca. 200) in ons lichaam. De mens heeft ongeveer 1x10¹⁴ cellen. De cel vormt een onderdeel van het organismen. Terwijl er ook organismen zijn die uit slechts één cel bestaan, denk aan bacteriën, schimmels, gisten en parasieten. Celbiologie is belangrijk, omdat je moet weten hoe een gen tot een genproduct leidt in zijn natuurlijke omgeving (de cel). Op die manier is te achterhalen waar een storing (mutatie) zit en zo de mogelijke oorzaak van een ziekte opsporen om er vervolgens geneesmiddelen tegen te ontwikkelen. Cellen zijn heel dynamisch. Zij kunnen zich bewegen en zijn ook in staat om te eten, denk daarbij aan een macrofaag die een bacterie opeet. Verder zijn ze in staat te reproduceren, te communiceren en dood te gaan. De cellen kunnen zichtbaar worden gemaakt met behulp van een microsoop. Er zijn verschillende soorten microscopen, waaronder de lichtmicroscoop. Om in een cel te kunnen kijken en de organellen goed te zien is een elektronenmicroscoop nodig. Onder een elektronenmicroscoop kunnen echter geen levende cellen bekeken worden.

Organellen vormen membraanomgeven eilandjes in de cel met een eigen micro-milieu en specifieke functie. Ze worden gevormd en in stand gehouden door een constante aanvoer van nieuwe eiwitten. Transport van nieuw aangemaakte eiwitten naar het juiste organel is van levensbelang voor de cel. Een aantal onderdelen van de cel zijn:

• Cytosol: gelachtige basissubstantie van de cel

• Cytoplasma=cytosol + organellen

• Celkern (nucleus): bevat DNA en wordt omgeven door een kernenvelop. De kern speelt een rol bij de aanmaak van mRNA en vormt de opslagplaats voor het genetisch materiaal.

Transport van eiwitten die naar de kern moeten

De kern is helemaal omgeven door een dubbel membraan waarin zich poriën bevinden. Deze kanaaltjes spelen een rol bij het transport van stoffen de kern in en uit. De nucleaire lamina die net onder de binnenste kernmembraangelegen, zorgen voor stevigheid. Een klein deel van de eiwitten die in de het cytosol geproduceerd worden,is bestemd voor de kern. Het eiwit zelf bevat een codein hun aminozuurvolgorde die de informatie bevat voor de eindbestemming. In het geval dat het eiwit naar de kern moet, bevat het een code, genaamd nuclear localization signal. Door een receptoreiwit, nuclear transport receptor, wordt deze code herkend. De receptor kan aan het eiwit binden en zo komt het eiwit via een kernporie de kern binnen. Ran-GTP (schakelaar) bindt aan het eiwitcomplex en verdringt daarmee het kerneiwit uit de receptor. De receptor gebonden aan het GTP gaan uit de kern.In het cytosol wordr GTP naar GDP omgezet door hydrolyse, waardoor de receptor vrijkomt om weer te binden aan een nieuw kerneiwit.

Mitochondria: Organellen die betrokken zijn bij ATP-synthese (citroenzuurcyclus) en zorgen voor 90% van de energie. Cristae: binnenmembraan, steekt naar binnen. waardoor er inkepingen worden gevormd Schade aan mitochondrien meest schadelijk voor hart, lever, hersenen spieren.

|Peroxisomen: Oxidatie van toxische moleculen; ontgifting. Splitsing H₂O₂ in H₂O en O₂.

Transport van eiwitten vanuit het cytoplasma naar het mitochondrion.

Een eiwit dat bestemd is voor een mitochondriawordt geproduceerd in het cytosol. Het eiwit bevat een specifieke signaalsequentie, die herkend wordt door een receptor eiwit in het mitochondrionmembraan.Het receptor eiwit bind zich aan deze signaal sequentie en transporteert het eiwit naar een translocator eiwit. Deze transporteert het eiwit door het celmembraan heen. In de matrix (lumen van het organel) verliest het eiwit de signaalsequentie.

Transport via transportblaasjes

Het ER is een groot membraansysteem in de cel, dat betrokken is bij de eiwitsynthese. en de controle van de aangemaakte eiwitten De bolletjes op de membranen zijn ribosomen, waardoor het ook wel Ruw Endoplasmatisch Reticulum heet. De kernenvelop van de cel met de kernporiën staat in verbinding met het ER. Ongeveer 50% van alle eiwitten wordt gemaakt in het ER. Als op het mRNA een stuk informatie gecodeerd is dat vertelt dat het ribosoom naar het ER moet. Aan deze specifieke signaal sequentie bindt zich SRP (Signal Recognition Particle).. Het eiwit gebonden aan SRP wordt herkend en gebonden door een SRP-receptor. Deze transporteert het eiwit over het membraan naar een kanaaltje. Het geproduceerde eiwit wordt door het kanaaltje naar het lumen van het ER getransporteerd. Zodra het nieuw aangemaakte eiwit in het ER is gekomen verliest het het SRP. In het ER worden eiwitten gemaakt bestemd voor ER, Golgi complex, plasmamembraan, mitochondria, endosomen, lysosomen, peroxisomen en voor uitscheiding buiten de cel.

Eiwitten die in het ER (oplosbare eiwitten) of ER membraan (membraaneiwitten) terecht komen –en goed gevouwen zijn- verlaten het ER via transportblaasjes. De transportblaasjes zorgen voor transport van eiwitten naar de juiste plek. Ze zijn belangrijk voor uitwisseling van materiaal tussen organellen en ze kunnen zichtbaar gemaakt worden door fluoriscerende eiwitten in levende cellen tot expressie te brengen.

1. Voor de vorming van een transportblaasje zijn vier processen noodzakelijk:Selectie van de inhoud (cargo).

2. Vorming van het blaasje van het donormembraan.

3. Transport van het blaasje door de cel.

4. Fusie van het blaasje met het juiste target compartiment.

Eiwitten die betrokken zijn de bij de vorming van een transportblaasje:
 

Coats: cytosolische eiwitten die zich als een laagje op de membraan afzetten en belangrijk zijn voor de vorming van het blaasje, Spelen een rol bij de processen 1, 2, 3.

3 soorten:

• clathrin: voor na het Golgisysteem.

• COP I: voor intra Golgi

• COP II: voor ER naar Golgi

SNAREs: membraan geassocieerde eiwitten. Spelen een rol bij proces 4. Zij bepalen de specificiteit van de membraanfusie en zijn betrokken bij het fusieproces zelf. Dit gebeurt als volgt:Blaasjes uit het ER moeten naar het Golgi-apparaat. In de coatvan het transportblaasje bevindt zich een eiwit (v-snare:vesicle-snare) die het targeteiwit herkent met behulp van een target-snare. De snare-eiwittenherkennen elkaar, winden om elkaar heen en trekken zo de membranen naar elkaar toe. Dit zorgt voor de benodigde energie om te fuseren.

Rab eiwitten: GTP-bindende eiwitten die functioneren als moleculaire aan/uit schakelaars,. Zij spelen een rol bij proces 4.

Tethering eiwitten: lange eiwitten of eiwitcomplexen die zorgen voor het eerste contact tussen het transportblaasje en de uiteindelijke bestemmingsplaats van de inhoud van het blaasje. Zij spelen een rol bij proces 4. De transportblaasjes zijn overal in het cytosol, maar moeten bij het goede targeteiwit komen. Nog voor het t-snare eiwit in aanraking komt met het blaasje, herkent een tethering eiwit een Rab eiwit. Zo kan de v-snare/t-snare fusie plaatsvinden.

Biosynthetische route

Eiwitten in ER kunnen alleen naar buiten via transportblaasjes en komen als eerste aan in het Golgi-apparaat. Hier worden de eiwitten verder bewerkt. Aan de ciskant komt het eiwit binnen en in een bepaalde volgorde liggen de enzymen waarlangs bewerking van een nieuw eiwit plaatsvindt. Aan de transkant komen de eiwitten naar buiten. Over het transport door het Golgi, apparaat bestaan meerdere theorieën.Theorie A: Transportblaasjes fuseren telkens met het volgende transportblaasje en doorlopen zo de verschillende schijven en worden in de juiste volgorde geglycosideerd. Theorie B: opschuivende cisterne. Blaasjes fuseren met cis Golgi en de hele schijf verschuift. In dat geval worden andere blaasjes terug naar de vorige cisterne getransporteerd om de benodigde eiwitten voor bewerking toe te voegen.

Endocytotische route: van plasmamembraan naar endosomen en lysosomen.

De route waarlangs voedingsstoffen, hormonen, groeifactoren en medicijnen worden opgenomen, maar ook schadelijke stoffen, zoals bacteriën.

De cargo moleculen binden aan een receptoreiwit. Op dat moment verandert er iets in de staart van het receptoreiwit, zodat adaptoreiwitten daaraan kunnen binden. De adaptoreiwitten binden aan clatrine moleculen en vormen een blaasje. met een clatherine coatDe clatherine coat zorgt voor een hoge concentratie van eiwitten in het blaasje. Het dynamin eiwit werkt als een springveer en zorgt ervoor dat het transportblaasje loskomt van het plasmamembraan. In het cytosol gaan de clatrinecoat en het adaptoreiwit eraf en worden gerecycled. Binnenin de cel fuseren de transportblaasjes met endosomen. Een late endosoom kan overgaan in een lysosoom.Lysosoom: agressieve omgeving, vergelijkbaar met de maag en is verantwoordelijk voor eiwit en lipide degradatie.
Lysosomale enzymen naar lysosoom

Lysosomale enzymen worden in het ER aangemaakt en komen dan in het Golgisysteem terecht. Ze krijgen een gefosforyleerde suiker, mannose 6-fosfaat. In het trans Golgisysteem bevindt zich een mannose t-fosfaatreceptor. Mannose 6-fosfaat zit alleen op lysosomale enzymen. Door de binding tussen enzym en receptor verandert er iets in de staart en kan er een clathrin coat worden gevormd. Het gevormde blaasje fuseert met een laat endosoom en verliest daar de mannose 6-fosfaat receptor, die terugkeert naar het trans Golgi-systeem. Het laat endosoom fuseert vervolgens met een lysosoom.

Interactief College

Het ontstaan en handhaven van de membraanpotentiaal.

Membraanpotentiaal: Verschil in lading tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel. Redeneren vanaf binnenkant.

Ionverdeling binnen en buiten de cel is anders. Zo is binnen de cel de concentratie kaliumionen hoger dan buiten de cel, maar de concentratie natriumionen buiten de cel groter dan binnen de cel. Er zijn zowel negatieve als positieve ionen binnen en buiten de cel op zo’n manier dat zij elektrisch neutraal zijn. Intracellulaire ionconcentratie: binnen de cel. Extracellulaire ionconcentratie: buiten de cel. Geladen deeltjes kunnen niet makkelijk door de hydrofobe membraan. Zuurstof, water en koolstofdioxide diffunderen wel door de membraan. In een celmembraan is de binnenkant hydrofoob en de buitekantn hydrofiel. In het membraan bevinden zich kanalen. De kaliumionen diffunderen via de kanalen naar buiten., doordat de concentratie buiten de cel lager is dan binnen de cel De binnenkant van de cel is dan ten opzichte van de buitenkant negatief geladen. Doordat deze positieve ionen naar buiten diffunderen ontstaat er een elektrische kracht die tegengesteld is aan de diffusiekracht. Dit zorgt ervoor dat er een evenwicht wordt bereikt waarbij de diffusiekracht gelijk is aan de elektrische kracht. Er is een kalium evenwichtspotentiaal ontstaan, Op deze manier stelt zich ook een natrium evenwichtspotentiaal in. Natrium diffundeert naar binnen doordat de concentratie natriumionen binnen de cel lager is dan buiten de cel. Hierdoor wordt de binnenkant van de cel positief geladen ten opzichte van de buitenkant, Er ontstaat een elektrische kracht, Wanneer deze gelijk maar tegengesteld is aan de diffusiekracht is het evenwichtspotentiaal bereikt. Nernstvergelijking: verband tussen potentiaalverschillen en de concentraties.

Het membraanpotentiaal van de cel ligt tussen het evenwichtpotentiaal van natrium en kalium in, Waar dit evenwicht zich precies instelt is afhankelijk van de permeabiliteit van het membraan voor beide ionen. De membraan is beter doorlaatbaar voor kalium dan voor natrium. Daarom ligt de membraanpotentiaal dichter bij de E_k, dan de E_Na. Het membraanpotentiaal te berekenen met de Goldman, Hodgkin, Katz-vergelijking.

Langzaamaan zal de cel het concentratieverschil minderen. De natrium-kaliumpomp pompt kaliumionen die naar buiten lekken weer naar binnen en natriumionen die naar binnen lekkern naar buiten.Op deze manier wordt de membraanpotentiaal in stand gehouden. Dit kostwel energie.

Als de cel een membraanpotentiaal heeft van 0 is er geen potentiaalverschil.

Als de cel een membraanpotentiaal heeft van -10mV is er wel een potentiaal verschil, bij -100mV is het potentiaalverschil groter.

Samenvatting verplichte Stof

Hoofdstuk F: introductie van cellen

Cellen zijn fundamenteel voor het leven. Waarschijnlijk zijn alle cellen ontstaat uit één voorouder cel. Nog steeds zijn cellen grotendeels opgebouwd uit dezelfde soorten moleculen. Daarnaast is in alle levende dingen de genetische informatie opgeslagen in DNA en wordt dit overgeschreven in RNA. RNA codeert voor een bepaald eiwit en eiwitten reguleren alles in de cel. Elk levend ding gebruikt dezelfde 20 aminozuren voor zijn eiwitten. Kortom alle levende cellen hebben dezelfde chemische basis.

De basis van alle cellen is dus vrijwel gelijk, omdat zij hun genetische instructies van dezelfde voorouder hebben. Door mutaties en natuurlijke selectie is geleidelijk een grote diversiteit aan cellen ontstaan.

Het genoom bepaalt hoe een cel moet functioneren en groeien. In een organisme bestaan vele verschillende cellen. Al deze cellen zijn ontstaan uit één bevruchte eicel tijdens de embryonale ontwikkeling. Zij bevatten allen hetzelfde DNA, maar doordat zij andere genetische instructies uiten, hebben zij een verschillende functie. Zij gebruiken bepaalde genen om eiwitten te produceren en andere genen niet. Iedere cel is dus in staat om een bepaalde taak te vervullen dor gebruik te maken van het DNA dat deze functie codeert.

Cellen zijn te klein om ze met het blote oog te kunnen zien. Zij konden pas zichtbaar worden gemaakt, toen de lichtmicroscoop was uitgevonden. Tegenwoordig stelt de elektronenmicroscoop ons in staat de kleine details van de cel te zien. Wanneer een klein stukje weefsel onder de microscoop wordt bekeken, zie je dat deze bestaat uit vele cellen. Deze kunnen gering van elkaar gescheiden zijn door een extracellulaire matrix. Dit is een dicht materiaal gemaakt van eiwitvezels en polysachariden. De interne structuur van cellen is moeilijk te zien, omdat zij transparant en meestal kleurloos is. De interne structuren kunnen zichtbaar worden gemaakt met kleurstoffen of door licht (kleine verschillen de in de brekingsindices van interne structuren kunnen zichtbaar worden gemaakt door speciale technieken).

De cel bevat een kern omgeven door cytoplasma. In het cytoplasma zijn verschillende organellen te herkennen. De cel is omgeven door het plasmamembraan en organellen in het cytoplasma zijn omgeven door interne membranen.

De prokaryotische cel bevat geen celkern. Het DNA is los in het cytoplasma aanwezig. Prokaryoten zijn vaak bol-, staaf- of spiraalvormig. Hun cellen zijn vaak omgeven door een beschermde laag: de celwand. De cellen bevatten geen duidelijke interne structuren. De meeste prokaryoten zijn eencellige, die vaak samen organiseren.

Eukaryotische cellen bevatten wel een celkern. Deze cellen zijn vaak groter en uitgebreider dan prokaryotische cellen. Er bestaan eencellige eukaryoten, maar ook meercellige, De kern van de eucaryotische cel is omgeven door een kernenvelop en bevat het DNA. Daarnaast zijn er verschillend organellen in het cytoplasma aanwezig.

• Mitochondriën zijn ovaalvormige organellen. Ze zijn opgebouwd uit twee aparte membranen, waarvan het binnenste sterk geplooid is. Mitochondriën hebben hun eigen DNA en planten zich voort door celdeling. Er wordt gedacht dat zij afstammen van bepaalde bacteriën. Hun functie is het voortbrengen van energie voor de cel. Deze energie verkrijgen zij door de oxidatie van moleculen (zoals suikers en ATP). De mitochondriën gebruiken hierbij zuurstof en scheiden koolstofdioxide uit. Daarom wordt het ook wel de cellulaire ademhaling genoemd,

• Chloroplasten zijn groene organellen die voorkomen in cellen van planten en algen. Chloroplasten zijn ook opgebouwd uit twee membranen, waarvan de binnenste membraan op elkaar gestapeld is. Het binnenste membraan bevat het groene pigment chlorofyl. Chloroplasten maken door hun chlorofyl fotosynthese mogelijk. Ook chloroplasten bevatten hun eigen DNA en stammen waarschijnlijk af van een bepaalde bacterie.

• Het endoplasmatisch reticulum (ER) bestaat uit een wirwar van verbonden ruimtes, omsloten door een membraan. Hier worden de meeste bestanddelen voor eigen gebruik van de cel of voor export gemaakt. Aan het ER zijn vaak de ribosomen, die eiwitten maken, gebonden.

• Het Golgi apparaat bestaat uit stapels van membraanzakjes. Het ontvangt en verandert chemisch de moleculen die gemaakt zijn in het ER. Daarna worden de moleculen uit de cel geëxporteerd of gebracht naar de verschillende locaties in de cel.

• Lysosomen zijn kleine onregelmatig gevormde organellen, die de cellulaire vertering regelen. Zij breken moleculen af voor recycling of uitscheiding.

• Peroxisomen zijn kleine blaasjes, waarin de reacties met waterstofperoxide (reactieve stof) worden gereguleerd.

• Bepaalde blaasjes (vesicles) zijn betrokken bij het transport tussen membraan omsloten organellen. Dit transport wordt mogelijk gemaakt doordat de blaasjes zich afscheiden of versmelten met het membraan van de organellen.

Het cytosol is een bestanddeel van het cytoplasma en bevat vele kleine moleculen die samen een op water gebaseerde gel vormen. In het cytosol vinden vele chemische reacties plaats. Het cytosol wordt doorsneden door fijne eiwit filamenten. Dit netwerk van filamenten wordt het cytoskelet genoemd. De dunnen actin filamenten, tussen filamenten en dikke microtubules filamenten vormen samen met andere eiwitten een systeem van touwen en motors. Deze geven de cel zijn mechanische sterkte, behouden zijn vorm en leiden de bewegingen.

Model organisme

Alle cellen zijn ontstaan uit een gezamenlijke voorouder, wiens fundamentele eigenschappen door de evolutie bewaard zijn gebleven. Biologen hebben daarom een klein aantal model organismen uitgekozen om te bestuderen. Kennis die hierbij verkregen wordt, draagt bij aan het begrip van alle andere levende wezens (aangezien zij uit dezelfde cellen zij opgebouwd). Hieronder zullen een aantal model organisme besproken worden.

De moleculaire biologie heeft zich gericht op één soort: Escherichia coli (E. coli). Deze staafvormige bacterie leeft normaal gesproken in de darm van organisme. Zijn genetische informatie is opgeslagen in één cirkelvormige dubbelstrengs DNA molecuul. Veel van onze kennis over DNA en het maken van eiwitten is verworven door de studie van E. coli.

Om kennis over de eukaryoten cel te vergaren, is de gist Saccharomyces cerevisiae bestudeerd. S. cerevisiae is een klein eencellige schimmel met een stijve celwand. Het DNA bevat alle basis taken die iedere eukaryotische cel moet bevatten. Daarom wordt deze cel gebruikt voor genetische analyse. De studie van de S. cerevisiae is van groot belang geweest voor het begrijpen van de vele basis mechanismen in de eukaryotische cel, zoals de celcyclus, het kopiëren van de kern en andere organellen en de verdeling in twee dochtercellen.

Het onkruid Arabidopsis thaliana wordt gebruikt als model plant. De studie deze modelplant leert ons meer over de genetica, moleculaire biologie en evolutie van planten.

De dierenwereld wordt vertegenwoordigd door een vlieg, een worm, een vis, een muis en een mens. Een groot deel van de dierlijke soorten zijn insecten. Daarom neemt het fruitvliegje Drosophila melanogaster een centrale plaats in. Deze studie heeft het definitieve bewijs geleverd dat genen aanwezig zijn op chromosomen. Daarnaast verklaart deze studie het genetische mechanisme van de embryologische ontwikkeling. Hoe een enkele eicel zich kan ontwikkelen tot een volgroeid organisme.

De aaltjes worm Caenorhabditis elegans. Het blijkt dat deze worm een geschrikt model is voor het bestuderen van vele processen die ook in ons lichaam gebeuren. Hierdoor zijn we bijvoorbeeld meer te weten gekomen over geprogrammeerde celdood.

Het zebravisje is de eerste twee weken van zijn leven doorzichtig en wordt daarom gebruikt om te onderzoeken hoe cellen zich gedragen tijdens de ontwikkeling in een levend wezen.

Zoogdieren zijn de meest complexe dieren. Voor deze groep heeft de muis lange tijd als model gediend. Tegenwoordig kunnen we muizen kweken met een toegebrachte mutatie in een bepaald gen. Op deze manier kunnen we onderzoeken waar bepaalde genen voor dienen en hoe zij functioneren.

We bestuderen ook mensen zelf als model organisme. Hieraan komt geen gentechnologie te pas, omdat mensen zelf verslag kunnen doen van hun genetische defecten. We realiseren ons dat de genen van een bepaald organisme veel raakpunten hebben met de genen van andere organismen. We delen dezelfde evolutionaire oorsprong en lijken ook hetzelfde moleculaire mechanismen te delen. De studie van model organismen voorziet ons van de kennis hoe dieren in het algemeen zijn gemaakt en hoe hun cellen functioneren.

Hoofdstuk G: De structuur van een mem

Elke levende cel heeft een plasmamembraan die zijn inhoud scheidt 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 ooit 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 dubbel laag (bilaag). Deze vorm een barrière laag voor de meeste in water oplosbare moleculen. De eiwitten vervullen de andere functies en geven verschilleden membranen hun specifieke eigenschappen.

Opbouw van een lipide bilaag

De lipide bilaag vormt de basis structuur van het membraan en vervult de barrière functie. Membraanlipiden hebben twee verschillende kanten: een hydrofiele (=waterminnende) kop en één of twee hydrofobe (=waterwerende) staarten. Het membraan bestaat hoofdzakelijk uit fosfolipiden, waarbij de kop met een fosfaatgroep aan de staart(en) gekoppeld wordt. Moleculen met zowel hydrofiele als hydrofobe eigenschappen worden amfipatisch 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. Dus hydrofobe moleculen smelten samen, wanneer zij in contact komen met water.

Amfipatische moleculen, zoals fosfolipiden hebben echter een hydrofobe en hydrofiele kant. Wanneer deze moleculen in contact komen met water, richten de hydrofiele koppen zich naar het water toe en vereneigen 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 binnen gericht zijn hierdoor beschermd tegen 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 kan geen grenzen hebben, 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 kan buigen en blaasjes kan afstaan.

Vloeibaarheid

De 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 diffusie het membraan binnenkomen en verlaten, om zo andere delen van de cel te bereiken. Ook kunnen membranen met elkaar fuseren en moleculen mengen. 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, omdat de omgeving aan de binnenkant en buitenkant van de membraan vaak erg verschillende eigenschappen hebben. Bovendien hebben membraaneiwitten een specifieke oriëntatie in de bilaag, welke 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 vervolgens in de cytosolische kant van het membraan (het binnenste membraan). Het membraan moet als geheel groeien, dus de helft van de nieuwe fosfolipiden wordt naar de buitenste 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.

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) zorgt ervoor dat de oriëntatie van de bilaag ten opzichte van het cytosol behouden wordt. 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 celorganellen.

Glycolipiden zitten voornamelijk in de niet-cytosolische kant van het plasmamembraan. De suikergroepen worden daardoor blootgesteld aan de buitenkant van de cel. Deze suikergroepen worden in het golgi-apparaat aan de lipiden gebonden. De enzymen die dit proces bevorderen worden binnen het golgi-apparaat gehouden, zodat de suikergroepen alleen aan de niet-cytosolische kant van het membraan terechtkomen. Er zijn hier geen flippases, dus de glycolipiden zullen aan de cytosolische monolaagblijven.

Membraaneiwitten

Dierlijke plasmamembranen bestaan voor 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:

• Transport van stoffen door het membraan;

• Verankering van het membraan aan macromoleculen;

• Receptoren die chemische signalen waarnemen en doorgeven aan de cel;

• Enzymen die specifieke reacties katalyseren.

Zij kunnen 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 transmembraan eiwitten 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 binnenkant van de cel in het cytosol gelegen, door middel van een amfipatische alfa-helix. Deze nestelt zich hierbij in de monolaag aan de binnenkant van de cel.

• Compleet buiten de bilaag gelegen. Deze eiwitten zijn slechts verbonden aan de binnen- of buitenkant van de cel door middel van een covalente binding met een lipidemolecuul.

• 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 -helices. Door middel van waterstofbruggen worden polipeptide ketens in 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 koolwaterstof “backbone” waterstofbruggen met elkaar vormen aan de binnenkant. Dit zijn meestal receptor eiwitten, die signalen van buiten de cel door het membraan doorgeven. Bij het vormen van poriën waardoor water oplosbare 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.

β-sheets worden soms ook gebruikt voor dit transport. Deze worden tot een cilinder gebogen, wat een β barrel genoemd wordt. De zijgroepen in de doorgang zijn hydrofiel en de zijgroepen in de fosfolipide laag zijn hydrofoob. Anders dan bij α-helices, kunnen β barrels alleen maar wijde kanalen maken, aangezien er een limiet zit aan hoe strak de barrel opgerold kan worden. β barrels zijn dus minder flexibel inzetbaar dan α-helices.

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 aangehouden door middel van tight junctions op het membraan, waar de eiwitten niet doorheen kunnen difusseren. 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, cell cortex genoemd. Dit netwerk is gebonden aan het cytosolische oppervlak van het membraan.

Binding van koolhydraten

Net als lipiden, kunnen ook eiwitten suikergroepen binden. Glycolipiden en glycoproteinen kunnen hierdoor een laag van koolhydraten vormen om het membraan heen. Deze laag vervult verschillende functies:

• Bescherming van mechanische en chemische schade;

• Vorming van een slijmerig oppervlak;

• Onderlinge herkenning tussen cellen.

Hoofdstuk H: Membraantransport

Membraantransporteiwitten zorgen ervoor dat kleine wateroplosbare moleculen of ionen de hydrofobe lipide laag 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 (ion)kanalen. Zij vormen in het membraan hydrofiele poriën waardoor anorganische ionen 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+ en negatief geladen eiwitten het hoogst. Deze verdeling van ionen wordt in stand gehouden door membraantransport eiwitten en de eigenschappen van de lipide bilaag.

Doorlaatbaarheid van het membraan

de doorlaatbaarheid door het membraan hangt voornamelijk af van de grote van de moleculen en de mate van oplosbaarheid in het membraan (hydrofoob en apolair).

1. Ionen en geladen moleculen komen nauwelijks door diffusie het membraan door. Hun elektrische aantrekkingskracht en hun hydrofiele karakter weerhoud 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.

Transporters en ionkanalen zijn beide selectief. Een transporter kan vaak maar binden aan één bepaald soort molecuul of groep van moleculen. Alleen dan ondergaat hij een conformatieverandering waardoor het molecuul naar de andere kant van de cel wordt gebracht. Een (ion)kanaal kan ook selectief zijn. Het kan ten eerste open of dicht staan. Ten tweede kan elk kanaaltje maar een bepaalde ionsoort of een bepaald molecuul doorlaten. Zij maken onderscheidt 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.

Membraantransport eiwitten zijn opgebouwd uit polipeptideketens die de lipide bilaag meerdere keren doorkruisen (transmembraan eiwitten). 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.

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 (facilitated diffusion), omdat er geen extra energie voor nodig is. Alle kanalen doen aan passief transport en ook sommige transporters werken via dit systeem. Als er tegen de concentratiegradiënt in ionen of moleculen worden gepompt, heet dit actief transport. Dit kan alleen door een transporter, ook wel pomp genoemd, worden gedaan. Zij kunnen energie vrijmaken voor het actieve transport.

Functie van transporters

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

Passief transport: aangedreven door elektrische krachten en de concentratiegradiënt

Transporters kunnen in twee 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 gaan binden aan de transporter. Vervolgens ondergaat de transporter een vormverandering en komt hij in de andere 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 concentratie gradiënt 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 en een balans vormen wanneer ze in tegengestelde richting werken. De nettokracht van de concentratie gradient en het membraanpotentiaal heet de elektrochemische gradiënt.

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 met de elektrochemische gradiënt meegaat aan een molecuul/ion dat tegen de gradiënt in wordt verplaatst. De tweede vorm (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 (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 stroomt door passief transport weer terug naar binnen. De concentratiegradiënt en de elektrische kracht werken namelijk in dezelfde richting (de cel in). De Na-ionen worden teruggepompt door middel van gekoppelde transporters. Deze koppelt het passieve transport van Na+ met het 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 elektrochemische gradiënt K+ de cel in wil hebben. Er ontstaat een balans waarbij de netto verplaatsing bijna nul is. Dus er wordt evenveel K+ de cel ingepompt als uitgepompt.

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. Dit proces heet osmose en het gebeurt via speciale waterkanaaltjes ('aquaporins'). De osmose komt tot stand door de osmolitische druk: het verschil in waterdruk tussen de binnen- en buitenkant van de cel. Er moet ook een vorm van tegendruk zijn om te voorkomen dat je cellen op gaan zwellen door osmose. 
Om de osmotische waarde constant te houden, moeten cellen constant moleculen de cel in en uit pompen. Hiervoor zijn verschillende mechanisme:

• De Na-K-pomp pompt Na+ de cel uit zodat er binnen de cel geen hoge concentratie ontstaat die water aantrekt. Ook zorgt de pomp voor het behoud van het membraanpotentiaal waardoor de binnenkant van de cel negatief is en er geen Cl- ionen via passief transport de cel in diffunderen. Ook dit zorgt voor een concentratiebeperking binnen de cel. Zo wordt voorkomen dat de cel te veel water opneemt.

• Plantencellen leveren de tegendruk via hun celwand. Deze zorgt ervoor dat de instroom van water wordt beperkt tot een grens. Osmose en de actieve ionentransport de cel in, zorgen voor een juiste druk om de cel gespannen te houden: de turgordruk. 

• Sommige protozoa (oerdieren) verwijderen overtollig water door hun vacuole van tijd tot tijd te legen buiten de cel, nadat ze de gewenste stoffen uit de vacuole de cel in gehaald hebben. 

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

De regeling van Ca+ concentratie is belangrijk, omdat dit ion de activatie van sommige eiwitten kan regelen. Daarom wordt Ca+ vaak als signaalstof door het membraan gebruikt. De Ca2+ concentratie in het cytosol moet lager zijn dan buiten de cel. De door ATP-gedreven Ca-pompen in het plasmamembraan en in het endoplasmatisch reticulum membraan pompen het Ca2+ uit het cytosol. Omdat de Ca2+ concentratie in het cytosol normaal laag is, reageert de cel extra gevoelig bij een plotselinge toename van de concentratie. Zo kunnen snel eiwitten worden geactiveerd.

Gekoppelde transporters

Wanneer een bepaald ion/molecuul met de concentratiegradiënt mee stroomt 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 heet antiport. Wanneer het andere molecuul/ion naar dezelfde kant wordt gepompt als het molecuul/ion dat met de concentratiegradient meekomt heet het symport. Deze twee transporters heten gekoppelde transporters. Als er geen andere moleculen door de transporter wordt meegepompt, wordt dit uniport genoemd (geen gekoppelde transporter). De Na-H-pomp is een voorbeeld van antiport en helpt de pH te regelen.

Planten, schimmels en bacteriën gebruiken de H+ gradiënt  voor hun actief transport

Omdat planten-, schimmel- en bacteriecellen geen Na-K-pomp hebben, gebruiken ze H+ pompen. Door middel van ATPases of door licht aangedreven 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.

Ion kanalen en de membraanpotentiaal

Kanalen vormen transmembrane hydrofiele poorten die het passieve transport van kleine in water oplosbare moleculen mogelijk maakt. De meeste poriën zijn selectief voor de moleculen die zij doorlaten. De waterporie zorgt voor de stroom van water in en uit de cel. Deze maakt snelle verplaatsing van water mogelijk, zonder dat opgeloste stoffen worden meegevoerd. De meeste poriën zijn echter selectief voor een bepaald ion: de ion kanalen.

Een ion-kanaal 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 ion-kanalen niet constant geopend. Een speciale stimulans laat hen tussen open en dicht wisselen door hun conformatie te veranderen. In werkelijkheid wisselen de ion-kanalen constant willekeurig tussen open en gesloten variant. De waarschijnlijkheid / tijd dat een kanaal geopend/gesloten is kan echter wel worden geregeld.

De open of gesloten conformatie van ion-kanalen wordt door verschillende stimulansen geregeld:

• Spanningsafhankelijk-kanaal: het open/dicht gaan wordt geregeld door het membraan potentiaal.

• Ligand-kanaal: het open/dicht gaan wordt geregeld door het binden van een molecuul (ligand)

• Stress-kanaal: opening wordt gereguleerd door een mechanische kracht die wordt uitgeoefend op het kanaal.

Het membraan potentiaal is de basis van alle elektrische activiteit in de cel. In principe wordt het potentiaal gehandhaafd door ion-kanalen en worden ion-kanalen gereguleerd door het membraan potentiaal. Op die manier ontstaat er een cirkelregeling.

Elke cel heeft een membraan potentiaal: een elektrisch potentiaal verschil over het plasmamembraan. De elektrische energie wordt hierbij gedragen door ionen, die positief of negatief 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 K+-kanalen waardoor het ion kan weglekken. Deze kanalen wisselen willekeurig tussen open en dicht en daardoor kan K+ vaak de cel uit. Wanneer het binnenste van de cel echter te negatief geladen wordt, sluiten de poriën. K+ wordt dan de cel ingepompt, omdat het membraanpotentiaal dan sterk genoeg is om deze positieve K+ aan te trekken tegen het concentratieverval in. Uiteindelijk is de netto verplaatsing van K+ 0.

De rust potentiaal is het membraan potentiaal waarbij de stroom van positieve en negatieve ionen door het plasmamembraan precies in balans is. Dit rustpotentiaal verschilt tussen -20 en -200 millivolt. De binnenkant van de cel is hierbij negatief geladen ten opzichte van de buitenkant. Elke verandering in de doorlaatbaarheid voor bepaalde ionen, kan de membraan potentiaal veranderen. Hierdoor zijn de ion-kanalen erg belangrijk voor het handhaven van het potentiaal.

Hoofdstuk I: Organisatie en transport in de cel

Organellen

Een eucaryotische cel bevat cytosol (een gelachtige basissubstantie) waarin organellen voorkomen. Het cytosol samen met 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 Gogli-apparaat

• Lysosomen

• Endosomen

• Mitochondriën

• Peroxisomen

Zie afbeelding 1

De kern wordt omringd door een dubbel membraan, de kernenveloppe. 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 voor het ER lumen of membraan. 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. Dit wordt gevormd door tubuline. 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 te filamenten te bewegen.

De evolutionaire ontwikkeling van een prokariotische cel in een eukariotische cel vond waarschijnlijk als volgt plaats. De prokariotische cel bevatte alleen een plasmamembraan en cytosol. De plasmamembraan volbracht alle functies die nodig zijn voor een cel om te functioneren. De dubbele kernmembraan en de membranen van het ER, het Gogli-apparaat, de endosomen en de lysosomen zijn waarschijnlijk gevormd door instulpingen van de plasmamembraan. Deze bevatten dus alleen een membraan dat opgebouwd is uit dezelfde soort stoffen. Mitochondriën zijn echter waarschijnlijk in de cel opgenomen. De membraan van een mitochondrium is anders dan de hierboven genoemde membranen. Mitochondriën bevatten eigen DNA en RNA.

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 signaal sequentie, 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 waardoor de eiwitten getransporteerd kunnen worden. De poriën functioneren als selectieve doorgangen, die bepaalde macro-moleculen actief transporteren. De eiwitten kunnen gevouwen door het membraan worden gevoerd.

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

• Eiwitten die vanuit het ER worden getransporteerd naar andere celonderdelen, worden vervoerd via transport blaasjes. 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 kan RNA de kern uit. Bepaalde eiwitten die zich in het cytosol bevinden, de nuclear transport receptor, binden aan de nuclear localization signal van het kerneiwit Vervolgens brengt deze receptor het kerneiwit door de porie door interacties aan te gaan met de nuclear pore fibrilsEenmaal in de kern laat de nuclear transport receptor los van het nieuwe eiwit en verlaat de kern weer. In het cytosol kan de receptor een binding aangaan met de nuclear localization signal van een ander eiwit.

Zie afbeelding 2

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 signaal sequentie wordt door een receptoreiwit op de buitenste membraan van het mitochondrium herkend. Hierna wordt het eiwit ontvouwen en het mitochondrium in getransporteerd. In het mitochondrium wordt de signaal sequentie van het eiwit afgesplitst en neemt het eiwit de specifieke vouwing weer aan. Verder transport binnen het organel wordt gereguleerd via andere signaalsequenties.

Zie afbeelding 3

Eiwitten die bestemd zijn voor het ER zelf, voor het Golgi-apparaat, endosomen, lysosomen, peroxisomen, de plasmamembraan en voor uitscheiding buiten de cel komen eerst het ER binnen. Eiwitten kunnen in het ER lumen (oplosbare eiwitten) of ER membraan (membraaneiwitten) terecht komen. Hierna kunnen deze eiwitten het cytosol niet meer in. Ze zullen 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 het cytosolische membraan van het ruwe ER vastzitten. Deze heten 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 signaal sequentie, 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 de 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 verder. Het eiwit wordt het ER-lumen binnengehaald via een translocation channel in de membraan van het ER. De signaal sequentie opent de translocation channel en blijft aan de translocation channel gebonden. De rest van de eiwitketen gaat het ER binnen. Na de translocatie wordt de signaal sequentie afgesplitst door een signal peptidase. De signaal sequentie laat los van de translocation channel en de rest van het eiwit is het ER lumen in. De translocation channel is gesloten en kan pas weer geopend worden door de signaal sequentie van een ander eiwit.

Zie afbeelding 4

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 gesynthetiseerd. De signaalsequentie opent de translocation channel en het eiwit gaat door het membraan naar binnen. Het is een start-transfer sequentie. De verplaatsing wordt bij een transmembraaneiwit gestopt door een stop-transfer sequentie die zich verderop in de peptideketen bevindt. Beide sequenties laten los van de translocation channel en de translocation channel gaat weer dicht. De start-transfer sequentie laat los en de stop-transfer sequentie blijft in het membraan.

Zie afbeelding 5

In sommige transmembraaneiwitten bevindt de start-transfer sequentie zich niet aan het begin van de peptideketen, maar meer in het midden. Deze veroorzaakt het opengaan van een translocation channel. Het eiwit gaat het ER binnen, totdat een stop-transfer sequentie het translocation channel bereikt. Het translocation channel schakelt los van beide sequenties en beide sequenties blijven in de membraan.

Zie afbeelding 6

Transport via transportblaasjes

Elk compartiment binnen de cel bevat een ruimte, ook wel 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 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 de membraan van een endosoom en vervolgens naar een lysosoom worden gevoerd of versmelten met het plasmamembraan voor exocytose. Daarnaast is er ook een stroom van transportblaasjes vanuit het plasmamembraan (endocytose), naar endosomen en vervolgens naar lysosomen.

Transportblaasjes die afgescheiden worden van een membraan hebben meestal een eiwitlaag om hun cytosolische membraan.. Deze laag heet een coat. Transportblaasjes met een coat heten coated vesicles. Een belangrijk bestanddeel van een bepaalde coat is het eiwit clathrine. Clatherin-coated vesicles splitsen zich af van het Golgi-systeem en worden vervolgens uitgescheiden in de extracellulaire ruimte. Daarnaast komt de Clathrine coat 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 cargo-receptoren die zich aan de buitenzijde van de 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 cargo-receptor. Clathrine bindt zich aan adaptine. Hierdoor wordt een transportblaasje gevormd dat cargomoleculen kan vervoeren. Er zijn twee verschillende soorten adaptine: adaptines die een binding aangaan met de cargo-receptoren in de plasmamembraan en adaptines die een binding aangaan met cargo-receptoren in het Golgi-systeem.

Zie afbeelding 7

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. (COP staat voor coat protein.)

Zie afbeelding 8

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 het vesicle gecoördineerd. De cytosolische zijde van het target- organel bevat tethering proteins die de Rab eiwitten van het transportblaasje herkennen. De tehtering proteins trekken het blaasje naar de 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 de membraan van de organel heten t-SNAREs (target). Deze werken op elkaar in. ze wikkelen zich om elkaar heen en trekken het blaasje en de membraan naar elkaar toe, zodat versmelting kan plaatsvinden.

Zie afbeelding 9

Exocytose

De meeste eiwitten die het ER binnen komen worden daar aangepast. Er worden disulfide bindingen gevormd en er vindt glycosylatie plaats. In het ER wordt bij glycosylatie een oligosaccharide, die uit veertien suikers bestaat, gebonden aan de amino-groep (NH2) van een asparagine. Dit vindt bijna direct plaats nadat de polypeptideketen het ER binnen is gekomen. Oligosaccharide zit oorspronkelijk vast aan dolichol. Dit is een lipide die zich in de membraan van het ER bevindt. De reactie wordt gekatalyseerd door het enzym oligosaccharyl transferase. Deze glycosylatie is slecht het begin van en serie modificaties, het oligosaccharide process. Dit proces begint in het ER en wordt in het Gogli-systeem vervolgd.

Sommige eiwitten die in het ER worden gesynthetiseerd blijven daar. Ze bevatten een C-terminale sequentie die een ER regenton signal genoemd wordt. Deze 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 herkend, 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 afgebroken. Wanneer de synthese van eiwitten te groot is om ieder eiwit te kunnen controleren, neemt het aantal misvormde eiwitten toe. Deze misvormde eiwitten activeren bepaalde receptoren in de membraan van het ER die het UPR (unfolded protein response) programma activeren. 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 geen goede balans kan bereiken tussen grootte van en behoefte aan het ER, kan het UPR programma de cel bevelen apoptose 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 ciskant, de uitgang de transkant. De ciskant wijst naar het ER, de transkant wijst naar de plasmamembraan. Oplosbare eiwitten en membranen komen vanaf het ER het Golgi-systeem aan de ciskant 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 transkant. Zowel de cis- als de transkant van het systeem zijn belangrijk voor het sorteren van eiwitten. De eiwitten kunnen zich door het Golgi-systeem verplaatsen naar de transkant, of teruggestuurd worden naar het ER wanneer ze een ER retentiesignaal bevatten.

Een deel van de eiwitten wordt via transportblaasjes naar de plasmamembraan vervoerd. In elke cel is een constante stroom van transportblaasjes van het Golgi-systeem naar het plasmamembraan (de constitutieve exocytose pathway). Deze kunnen eiwitten bevatten die zijn bestemd voor de groei van het membraan. Het kunnen ook eiwitten zijn die via de plasmamembraan uitgescheiden moeten worden. Dit heet secretie. Eiwitten die geen signaal sequentie bevatten worden via transportblaasjes naar het plasmamembraan vervoerd. Dit heet de non-selectieve of default pathway.

Hiernaast is er ook een gereguleerde 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.

Zie afbeelding 10

Endocytose

Er worden twee soorten endocytose onderscheiden. Pinocytose is het opnemen van een vloeistof en moleculen via kleine vesicles (<150 nm in diameter). Fagocytose is het opnemen van grotere deeltjes via grote vesicles (>250 nm in diameter). Grotere deeltjes worden voornamelijk opgenomen door gespecialiseerde fagocytische cellen. Een dergelijk transportblaasje heet een pinosoom of een fagosoom.

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 capaciteit 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 het LDL los en wordt aan het cytosol afgegeven. Hier kan het worden gebruikt voor de synthese van nieuwe membranen. Het LDL wordt afgebroken.

Zie afbeelding 11

Een endosoom heeft eenzelfde soort functie bij de endocytose als de transkant van het Golgi-systeem heeft bij de exocytose. Ze keuren de stoffen die de cel in of uit gaan. Een endosoom heeft een zuur milieu. Hierdoor laten stoffen die via receptor-mediated endocytosis de cel binnen zijn gekomen in het endosoom de receptor waaraan ze gebonden zijn los. De meeste receptoren keren terug naar hetzelfde gedeelte van de plasmamembraan als waar ze vandaan kwamen. Sommige worden naar lysosomen getransporteerd waar ze worden afgebroken. Andere verplaatsen zich naar een ander gedeelte van de plasmamembraan, waarbij ze hun gebonden cargomoleculen van de ene extracellulaire ruimte naar een andere vervoeren. Dit proces heet transcytose. Cargomoleculen die aan de receptor gebonden blijven ondergaan hetzelfde als die receptor.

Veel deeltjes en moleculen die de cel binnen zijn gekomen komen terecht in een lysosoom. Deze zorgen voor de intracellulaire vertering van zowel extracellulair materiaal als oude organellen. Een lysosoom bevat ongeveer 40 verschillende enzymen die optimaal werken bij een pH van rond de 5. De membraan van een lysosoom bevat transporteiwitten en een H+ pomp. Deze H+ pomp zorgt ervoor dat de pH-waarde in de lysosoom hetzelfde blijft. De meeste eiwitten aan de binnenzijde van de 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 transkant. In het ER en aan de ciskant van het Golgi-apparaat is een mannose-6-fosfaat aan de eiwitten toegevoegd. Deze wordt in de transkant van het Golgi-apparaat door een mannose-6-fosfaatreceptor herkend. De eiwitten worden vervolgens in een transportblaasje 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. Dit heet autofagie. Hierbij wordt een organel omsloten door een dubbel membraan. Het blaasje dat zo ontstaat het een autofagosoom. Deze fuseert vervolgens met een lysosoom. Het is onbekend hoe een organel gemarkeerd wordt voor deze vernietiging.

bijlage_week_2.pdf