HC9. Eiwittransport in de cel

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt de vorming en het transport van eiwitten in de cel behandeld
• 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 zijn 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

Eiwitvorming

In de cel vindt eiwit- en vesiculair (alles in de cel wat een functie heeft: lysosomen, mitochondriën, etc.) transport plaats. Een cel zit stampvol met eiwitten (een paar miljard). Deze eiwitten zitten heel dicht op elkaar. Een aantal van deze eiwitten zijn ribosomen. Tussen de ribosomen bewegen zich nog meer eiwitten, met allemaal een eigen functie.

Vorming eiwitten:

• De eerste translatie van mRNA begint in het cytosol op een vrij ribosoom: het RNA van het ribosoom voert de chemische reactie voor de translatie uit
  • Dit RNA heet een ribozym (enzym)
• Translatie vindt plaats van 5’ → 3’
  • Een ribosoom begint dus altijd aan de 5’ kant
• Uit het ribosoom komt altijd eerst het N-terminale deel van het eiwit → bepaalt de bestemming van het eiwit
  • Aan het N-terminale deel van 30% van de eiwit zit een ‘signaal’-sequentie (een aminozuurvolgorde die functioneert als “adreslabel), deze is specifiek voor de eindlocatie:” 
    • De N-terminus bestaat uit een aminozuur en een ongebonden aminogroep
    • De C-terminus is het andere uiteinde van de eiwitketen: een aminozuur met een ongebonden carboxygroep
  • De 70% met geen signaalsequentie blijft in het cytosol → cytosolische lokalisatie van het eiwit
    • Cytosol is cytoplasma zonder organellen
• In de aminozuurvolgorde van het eiwit zit informatie die zegt waar het eiwit heen moet gaan
  • Dit zijn onafhankelijke signalen die ook aan een ander eiwit geplakt kunnen worden

Uit een ribosoom komt een eiwit dat geen structuur heeft → het moet vouwen om functioneel te worden. In 70% van de gevallen zijn de eiwitten verkeerd, kunnen ze geen partner vinden voor een eiwitcomplex of zijn ze verkeerd gevouwen. Deze eiwitten worden direct weer afgebroken. Als dit niet gebeurt ontstaan er aggregaten, dit is het geval bij de ziekte van Huntington of Alzheimer. De eiwitten gaan aan elkaar klonteren.De cel wil dus voorkomen dat er aggregaten ontstaan.

Het eiwit dat het ribosoom uit komt moet het ER in. Hiertussen zit een hydrofoob membraan → eiwitten moeten op een bepaalde wijze over het membraan heen gaan.

Signaalsequenties

Signaalsequenties zijn dus een soort adreslabels van een aantal aminozuren aan het uiteinde van een eiwit, die het eiwit door membranen naar de juiste plaats brengen.

Er zijn verschillende soorten signaalsequenties:

• Mitochondriale signaalsequenties
  • Mitochondriën ontstaan door de symbiose van één bacterie in een andere bacterie → er is een dubbel membraan:
    • Buitenmembraan: hierin liggen speciale receptor en translocator eiwitten (TOM1 en TOM2)
    • Binnenmembraan: hierin ligt een translocator eiwit
  • Mitochondria heeft eigen DNA waarmee een deel van de eigen eiwitten gemaakt kunnen worden
    • De meeste mitochondriale eiwitten zijn nucleair gecodeerd → komen binnen via een signaalsequentie die op de plek van bestemming wordt afgeknipt
    • Fouten in mitochondriaal DNA leiden tot minder energieproductie
  • Eiwitten komen de mitochondriën als volgt binnen:

1. Een receptor op het buitenmembraan herkent de signaalsequentie → neemt het eiwit mee naar een kanaal (import)
2. Via het kanaal gaat het eiwit naar binnen

• Chaperones zorgen ervoor dat de eiwitten niet te snel vouwen, zodat ze de mitochondriën binnen kunnen komen
  • De translatie vindt plaats in de mitochondriën

• Peroxisomale signaalsequenties
  • In het membraan liggen speciale receptor en translocator eiwitten
  • Vergelijkbaar met mitochondriale signaalsequentie
• Nucleaire signaalsequenties
  • De kern bestaat ook uit een dubbel membraan, dat doorloopt in het ER → eiwitten gaan door poriën het kernmembraan in:
    • Eiwitten met een “nucleair localization signal” worden door het systeem herkend en naar binnen gebracht
    • In de cel wordt de “nuclear localization signal" eraf gegooid
    • De “spons” tussen het cytosol en de kern is een moleculaire zeef:
      • Stoffen die kleiner dan de aminozuren zijn kunnen hier doorheen gaan
      • Grotere stoffen zoals eiwitten hebben een import signaal nodig
• ER-signaalsequenties
• Tijdens de synthese op de vrije ribosomen herkent en bindt het Signal Recognition Particle (SRP) aan de N-terminale ER-signal sequentie
  1. De eiwitsynthese valt even stil
  2. Met ribosoom en al bindt het geheel aan de SRP-receptor in het ER-membraan
  3. De eiwitsynthese komt weer op gang en het geheel wisselt uit met een translocatiekanaal (hoefijzervormig)
  4. Het N-terminale deel van het eiwit verschijnt met een lus in het lumen van het ER
  5. Nieuwe ribosomen starten op het ER-gebonden 5’-uiteinde van het mRNA
  6. Dit zijn polyribosomen op het ER
  7. Signaal peptidase knipt het ER signal sequence eraf
  8. De eiwitsynthese gaat door tot de C-terminus in het ER-lumen zit
• Tijdens de translocatie vindt glycosylering van de meeste export-eiwitten plaats → het worden glycoproteïnen
  • Door deze enorme suiker verschillen eiwitten die in het ER gemaakt worden essentieel van andere suikers
  • Deze suikerboom beschermt het eiwit tegen protolytische afbraak en zorgt ervoor dat het eiwit correct gevouwen wordt (gebeurt in het ER-lumen)
• Tegelijkertijd wordt SRP eraf geknipt door proteases
  • Knippen de eiwitten in 2en of 3en
  • Hier gaat dat moeilijk: er is een protolytisch systeem dat eiwitten die in membranen zitten in 2en knipt
• In het ER zijn veel balletjes te zien: dit zijn ribosomen die bezig zijn om eiwitten te maken

Vouwing van eiwitten

Sommige eiwitten komen op de kop in het membraan, met de C-terminale kant eerst. In het ER wordt een suiker op het eiwit gezet waardoor de vouwing kan plaatsvinden. Bij de vouwing hoort een goede kwaliteitscontrole: goede vouwing kost tijd, het duurt zo’n 10 minuten. 

Eiwitvouwing gebeurt niet spontaan, maar met de assistentie van chaperone eiwitten. Een chaporone blijft bindne tot de hydrofobe stukken van het eiwit weg zijn → voorkomt aggregatie van eiwitten. Na deze controle mag het eiwit uitgescheiden worden. 

Al het verkeerd gevouwen eiwit heeft de neiging op de aggregeren. De cel weet niet goed wat hij hiermee aan moet. Als de vouwing niet goed lukt, bv. door mutatie, vindt er afbraak door proteolytische enzymen plaats. De aanwezigheid van te veel niet-goed gevouwen eiwitten in het ER heeft meerdere gevolgen:

• Cellulaire Stress Response → “Unfolded protein response (UPR)”
• De ER-grootte wordt aangepast
• Bij overschrijden van de maximumcapaciteit → cellulaire zelfmoord (apoptose)

Geneesmiddelen die gebruik maken van chemische chaperones:

Wetenschappers maken chemische chaperones om als medicijn eiwitvouwing goed te laten verlopen. Een voorbeeld hiervan is bij CFTR (cystic fibrosis):

• CFTR is een “multi-membrane spreading” eiwit dat gemaakt wordt in het ER
• Gemuteerd CFTR blijft in het ER hangen → wordt na een tijdje afgebroken
• Een deel van de mutaties geeft wel een functioneel eiwit, dat door de ER-machinerie niet wordt gezien als een functioneel eiwit → blijft in ER hangen → gaat niet naar de plek waar het moet functioneren

Hiervoor is een chemische chaperone ontwikkeld: bindt aan CFTR waardoor het wel de goede structuur krijgt, het ER kan verlaten en zijn functie kan vervullen.

Van ER naar de buitenwereld (exocytose)

Eiwitten gaan d.m.v. exocytose van het ER naar de buitenwereld. Chaperones in het ER zorgen ervoor dat alleen goed gevouwen eiwitten het ER verlaten. Vanuit het ER gaan deze eiwitten naar het Golgi-complex: 

1. Vesicles (blaasjes) snoeren af van het ER
2. Diffunderen naar Golgi-apparaat
3. Fuseren en vormen een cis-Golgi netwerk aan de cis-zijde
4. Gaan via transport door vesicles van Golgi-cisterne naar Golgi-cisterne: hier vinden allerlei modificaties van de eiwitten plaats
   • Cis-cisterne
   • Mediaal-cisterne
   • Trans-cisterne
5. Aan de trans-zijde knoppen secretievesicles af → de eiwitten worden doorgestuurd naar de goede plek
   • Bij bv. lysosomale eiwitten komt er een mannose-6-fosfaat → zegt dat het naar het lysosoom moet gaan

• Ondertussen ondergaan de eiwitten bewerkingen: suikers worden toegevoegd of weggehaald
• De cel is via suikers beschermd tegen problemen

Lysosoom-related organellen hebben een specifieke functie om op een bepaald moment iets uit te scheiden, bijvoorbeeld cytotoxische T-cellen.

Cytosolisch Ca²⁺:  

Cytosolisch Ca²⁺ is een belangrijke schakel in gereguleerde exocytose:

• Calciumionen worden vaak gebruikt als een signaal dat tegen de cel zegt dat er iets uitgescheiden moet worden
• Ca²⁺ in het cytosol wordt erg laag gehouden door Ca²⁺-pompen in het plasmamembraan, ER en mitochondrion
• Hoge Ca²⁺ triggert processen als sarcomeercontractie en exocytose
• Voltage- en ligand gated Ca²⁺-kanalen spelen een belangrijke rol in de signaaltransductie

Glucose-gestimuleerde insulinesecretie:

Ook de secretie van insuline is een vorm van exocytose:

1. De glucosespiegel in het bloed stijgt boven de 5mM
2. De Glut-2 carrier in de b-cel is niet gauw verzadigd en dus niet beperkend voor de opname van extra glucose
3. Glucokinase zet meer glucose om → meer glycolyse → meer OxFos → meer ATP
4. ATP-gevoelige K⁺-kanaaltjes gaan dicht → het plasmamembraan depolariseert
5. Een voltage-gevoelig Ca²⁺-kanaaltje gaat open → Ca²⁺ stroomt naar binnen
6. Insulinevesicles gaan naar het plasmamembraan → fuseren → insuline komt vrij in de bloedbaan

Opname in de cel (endocytose)

Endocytose is de opname van stoffen (o.a. eiwitten) in de cel. Endocytose kan via meerdere processen plaatsvinden:

• Fagocytose (door macrofagen of neutrofiele granulocyten)
• Pinocytose
• Receptor-mediated endocytose

Bij endocytose spelen twee systemen die in het cytosol gelegen zijn een belangrijke rol:

• Endosoom: het sorteerstation bij endocytose
  • Vergelijkbaar met het Golgi-apparaat bij exocytose
  • Ook bij endocytose wordt bepaald waar de inhoud van het endosoom heen moet
  • IJzer komt de cel binnen via transferline
    • Transferline bindt aan een transferline-receptor 
    • In het endosoom wordt het ijzer losgemaakt van het transferline en gaat het alleen verder
  • Door tight-junctions kan darminhoud niet zomaar de rest van het lichaam in gaan → als dit toch nodig is, gebeurt dit via transcytose
  • LDL zijn cholesterol-bevattende microparticles (lipides) die in het bloed zitten
    • Cholesterol is belangrijk voor o.a. hormoonfunctie
    • Via endocytose komt het LDL de cel binnen → gaat in de cel van endosoom naar lysosoom.
• Lysosoom:
  • Verteert (hydrolyseert) opgenomen materiaal tot losse bouwstenen (aminozuren, nucleotiden, suikers, etc.)
  • Verslijt organellen d.m.v. autofagie: er wordt een dubbel membraan om niet werkende mitochondriën gebouwd → kan opgenomen worden in het lysosoom om vervolgens afgebroken te worden
  • Is zuur en bevat veel enzymen
  • Een stof moet weer een “signaaltje” hebben om in het lysosoom terecht te kunnen komen