Samenvatting literatuur - Van cel tot molecuul (Week 4 t/m 7) - Geneeskunde UL - 2015/2016

Deze samenvatting is gebaseerd op collegejaar 2015-2016.

Week 4

Essential cell biology, hoofdstuk 11: pagina 359-380 (niet p. 378-379)

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.

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.

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.

Essential cell biology, hoofdstuk 12: pagina 383-415 (niet p. 406-407)

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.

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.

Essential cell biology, hoofdstuk 15: pagina 492-520 (niet p. 505-506)

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Week 5

Essential cell biology, hoofdstuk 3: Energy, catalysis and biosynthesis, Pagina 102-115

Voordat een enzym een reactie kan katalyseren moet het enzym eerst binden aan zijn substraat. Vervolgens wordt er een product aangemaakt dat bindt aan het enzym. Wanneer dit product losraakt van het enzym kan er een volgend substraat binden. De gekatalyseerde reacties van een substraat dat een bepaald product vormt, verschillen in snelheid. De snelheid kan gemeten worden in een experiment waarbij zuivere enzymen en substraten gemixt worden onder zorgvuldige omstandigheden. Als alle enzymen gebonden zijn door substraat, is de Vmax bereikt.

De substraatconcentratie die nodig is om een enzym efficiënt te laten werken, wordt vaak gemeten met een andere parameter: Km. De Km is de substraatconcentratie waarbij het enzym op de helft van zijn maximale snelheid werkt (0,5 Vmax).

Wanneer een enzym de activeringsenergie voor de reactie Y naar X verlaagt, wordt tegelijkertijd ook de activeringsenergie voor de reactie X naar Y verlaagd met precies dezelfde hoeveelheid.

Het bestuderen van de kinetica (bewegingsleer) van een enzym (hoe snel het opereert, hoe het zich gedraagt tegenover het substraat, hoe de activiteit wordt gecontroleerd), zorgt ervoor dat we kunnen voorspellen hoe een individuele katalysator zich zal gedragen en hoe het interactie zal hebben in een netwerk met andere enzymen.

Allereerst moet de Vmax bepaald worden. Dit gebeurt door een meting waarbij wordt gekeken hoe snel het substraat geconsumeerd wordt dus hoe snel het product gevormd wordt.

De enzymwerking wordt niet alleen beïnvloed door het substraat, maar kan ook beheerst worden door bijvoorbeeld producten, substraat look-alikes, inhibitors, toxines en andere kleine moleculen die de reactie kunnen verbeteren dan wel verstoren. Het effect van een inhibitor op de enzymactiviteit kan ook gemeten worden. Competitieve inhibitors blokkeren de enzymactiviteit doordat ze aan het enzym gaan binden, op dezelfde bindingsplaats waar het substraat zich bindt. Als er echter genoeg substraat wordt toegevoegd, zullen de enzymen toch met het substraat binden en de Vmax bereiken. Het kan ook dat een inhibitor op een andere plek bindt aan het enzym, waardoor het substraat-enzym langzamer gevormd wordt dan normaal. Dit kan niet omzeild worden door meer substraat toe te voegen.

De energie die afkomstig is van de oxidatie van voedselmoleculen moet tijdelijk opgeslagen worden voordat het gebruikt wordt. Dit gebeurt in de meeste gevallen in geactiveerde ‘carriermoleculen’. Zij brengen de energie naar de plaatsen waar het gebruikt wordt voor biosynthese. De drie belangrijkste carriermoleculen zijn ATP, NADH en NADPH.

De vorming van een geactiveerde carrier is gekoppeld aan een energetisch gunstige reactie. Hiervoor zijn enzymen nodig. (Een illustratief voorbeeld van zo’n koppeling is weergegeven in figuur 3-29, blz. 106.) De meest gebruikte carrier is ATP. ATP wordt gesynthetiseerd in een energetisch ongunstige fosforyleringsreactie, waarbij een fosfaatgroep wordt toegevoegd aan een ADP molecuul. Als het nodig is, splitst ATP weer in ADP en een fosfaat (Pi ), wat een energetisch gunstige hydrolyse is. Het ADP kan weer worden gebruikt voor een fosfolyseringsreactie en zo ontstaat er een celcyclus. Verder is de reactie van ATP hydrolyse gekoppeld aan vele ongunstige andere reacties waardoor andere moleculen gesynthetiseerd worden. Fosfolyseringsreacties zijn voorbeelden van condensatiereacties en komen bij veel belangrijke celprocessen voor. Ze activeren substraten, wisselen chemische energie uit en zijn essentieel bij intracellulaire signaal doorgave. ATP wordt vooral gebruikt om stoffen de cel in en uit te transporteren en het levert ook energie voor de samentrekking van spieren.

De twee belangrijkste elektronen carriers zijn NADHen NADPH. Ze kunnen allebei een ‘energiepakketje’ opnemen bestaande uit twee hoogenergetische elektronen en een proton (H+ ) en dan worden ze NAD+ en NADP+. Het verschil tussen NADH en NADPH is de fosfaatgroep, waardoor ze iets anders van vorm zijn en kunnen binden aan verschillende soorten enzymen. Binnen de cel is de ratio van NAD+ naar NADH hoog, terwijl de ratio van NADP+ naar NADPH laag gehouden wordt. Hierdoor kan NAD+ als oxiderend, en NADPH als reducerend element fungeren. Dit is vereist voor de speciale rollen die ze spelen in respectievelijk katabolisme en anabolisme.

Er zijn ook andere geactiveerde carriers, zoals FADH2. Dit molecuul draagt ook hydrogene en hoogenergetische elektronen. Co-enzym A, in geactiveerde toestand acetyl-CoA wordt bijvoorbeeld gebruikt om twee carbon-units toe te voegen in de biosynthese van de hydrocarbonstaarten van vetzuren. Zie tabel 3-2, blz. 112, voor een aantal geactiveerde carriermoleculen die gebruikt worden in metabolisme.

Het gedeelte waarin energie getransporteerd wordt, is maar een klein onderdeel van een carriermolecuul. De rest bestaat uit een groot organisch deel dat er voor zorgt dat het molecuul herkend kan worden door specifieke enzymen. Vaak bevat dit gedeelte een nucleotide, dit is ook zo bij acetyl-CoA. Dit kan een aanwijzing zijn dat veel carriermoleculen afkomstig zijn van RNA.

Essential cell biology, hoofdstuk 4: Protein structure and function, Pagina 144-145, 148-152

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.

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.

Essential cell biology, hoofdstuk 13: How cells obtain energy from food, Pagina 419-435, 438-443

Katabolisme omschrijft de verschillende manieren van stofwisseling in een cel. Hierbij worden grote moleculen afgebroken tot kleine moleculen, waarbij energie vrijkomt. Een van de meest belangrijke ‘brandstofmoleculen’ is suiker.

Brandstofmoleculen worden in stapjes afgebroken, elke keer komt een kleine hoeveelheid energie vrij. Als al deze energie in 1x zou worden gevormd, zou de cel dit niet kunnen opvangen. Daarom wordt energie stapsgewijs bewaard in ATP en andere energie dragende moleculen, die weer kunnen worden gebruikt bij andere werkzaamheden in de cel. De energie die vrijkomt wordt dus bewaard in een klein molecuul in plaats van dat het wordt omgezet in warmte.

ATP kan op twee manieren worden gemaakt:

1. De reactie: ADP + Pi wordt ATP in cytosol en mitochondriën (die tot stand komt door de oxidatie van moleculen uit voedsel)

2. Of energie van geactiveerde moleculen wordt in het mitochondrium omgezet

Voordat de cellen de binnengekregen voedingsstoffen kunnen opnemen, moeten eiwitten, lipiden en polysachariden worden afgebroken tot kleinere moleculen door middel van enzymen. Dit wordt katabolisme genoemd. Het is belangrijk hierbij dat het gaat om voedsel dat van buitenaf wordt ingenomen, dus niet de macromoleculen uit onze eigen cellen. De eerste stap van vertering gebeurt buiten de cel in de darmen of in lysosomen, die verteringsenzymen scheiden van het cytosol. Enzymen uit de darmen zullen de grote moleculen afbreken naar kleinere: eiwitten tot aminozuren, polysacchariden tot suikers en vetten tot vetzuren en glycerol. Hierna gaan ze het cytosol van een cel binnen waar oxidatie zal gaan beginnen. Zie figuur 13.2 in Alberts op pagina 432.

Glycolyse is de reactie waarbij een glucosemolecuul met 6 koolstofatomen wordt omgezet in twee kleinere pyruvaat moleculen met 3 koolstofatomen. Hierbij worden twee energierijke ATP-moleculen verbruikt en omgezet in ADP om de reactie op gang te laten komen. ADP neemt later een vrijgekomen fosfaat (Pi) weer op. Tijdens de glycolyse vindt ook oxidatie plaats. Elektronen worden van sommige van de koolstofatomen verwijderd van glucose door NAD+, waarbij NADH wordt geproduceerd. In de gehele glycolyse worden er per glucosemolecuul 4 ATP en 2 NADH moleculen geproduceerd. Tijdens dit proces komen er dus netto per glucosemolecuul 2 ATP en 2 NADH moleculen vrij. De glycolyse is in tien stappen te beschrijven, waarbij elk een ander enzym gebruikt wordt. Zie panel 13-1 op pagina 433 en 434.

Na de glycolyse wordt het pyruvaat getransporteerd van het cytosol naar de matrix van het mitochondrium. Hier wordt het pyruvaat snel gedecarboxyleerd door een complex van drie enzymen: het pyruvaat-dehydrogenase-complex. Elk pyruvaat wordt met hulp van CoA-SH en NAD+ omgezet tot CO2, NADH en acetyl-CoA. Veel acetyl-CoA wordt ook gevormd bij de oxidatie van vetten.

Vetzuren zijn afkomst van vet en zijn ook een vorm van brandstof voor suiker. Vetzuren worden net als de pyruvaatmoleculen in de mitochondria omgezet in acetyl-CoA. Hierbij wordt acetyl-CoA gevormd, molecuul NADH en FADH2. Suikers en vetten zijn de grootste bron van energie voor een organisme die niet aan fotosynthese doet. Wanneer acetyl-CoA wordt gevormd wordt maar weer een klein deel van de energie die mogelijk is omgezet in ATP of NADH, de rest zit nog allemaal in acetyl-CoA.

In eukaryote cellen zijn de mitochondria het centrum voor de energieleverende processen, onafhankelijk van of het in het begin suikers, vetten of aminozuren zijn. In aerobe bacteriën, die geen mitochondria bevatten gebeuren de energieleverende processen in het cytosol.

Als derde stap vindt de citroenzuurcyclus plaats onder de voorwaarde van water (zuurstof). De citroenzuurcyclus wordt ook wel de Krebscylcus of de tricarboxylzuurcyclus genoemd. Deze vindt ook plaats in de mitochondriale matrix. Acetyl-CoA wordt hierbij geoxideerd tot CO2 en NADH. De acetyl-groep wordt echter niet gelijk geoxideerd. Eerst vormt acetyl-CoA met oxaloacetaat en H2O, een citraat met zes koolstofatomen. Oxaloacetaat wordt tijdens de laatste stap van de citroenzuurcyclus gevormd, die weer de eerste stap op gang brengt. Tenslotte worden de NAD+-moleculen door een elektronentransportketen gebruikt om het proces voort te drijven. O2 nodig voor oxidatie,wordt in de citroenzuurcyclus zelf geproduceerd uit H2O. De helft van de energie die bij de oxidatie van glucose of vetzuren vrijkomt wordt gebruikt in de reactie Pi + ADP wordt ATP. De andere helft van de energie gaat verloren in warmte. Netto brengt één ronde in de citroenzuurcyclus drie NADH, een FADH2 en een GTP (ATP) energierijke moleculen op. De citroenzuurcyclus is goed weergeven in panel 13.2 op pagina 446 en 447.

Vervolgens begint de oxidatieve fosforylering. NADH en FADH2 geven hun elektronen af aan een elektron-transport keten in de binnenmembraan van het mitochondrium. De elektronen worden gebonden aan O2-moleculen, om water te produceren. Tijdens dit proces wordt er zo veel mogelijk ADP omgezet tot ATP. Oxidatie fosforylering vindt bij aerobe bacteriën plaats in het plasma membraan en bij eukaryote cellen in het mitochondrium.

Bij de gehele oxidatie van één glucosemolecuul tot CO2 en H2O worden er uiteindelijk zo’n 30 – 32 ATP-moleculen geproduceerd. 2 ATP-moleculen uit de glycolyse, 2 ATP uit de citroenzuurcyclus en 26 – 28 ATP uit de oxidatieve fosforylering. Deze processen die hierboven zijn beschreven, zijn er maar een aantal voorbeelden van de vele processen die in een cel plaats kunnen vinden. Een cel moet zelf controleren of metabolieten via een anabole of katabolische route worden ´vervoerd´.

Voor elke van de gevormde stoffen in de gehele cyclus van de cel zijn vele wegen! Controle mechanismen zorgen voor de enzymen die de metabolische processen reguleren en controleren. Het metabolische balans is verbazend stabiel.

Katabolische reacties zijn bouwblokken voor vele andere moleculen die worden gevormd en produceren energie. De stoffen die worden gevormd bij de glycolyse en citroenzuurcyclus kunnen ook voor anabole processen worden gebruikt. Hierin worden ze omgezet in nucleotiden, aminozuren en lipiden.

Het lichaam heeft een constante toevoer van glucose nodig. Als we een tijd geen voedsel binnenkrijgen wordt er gebruikt gemaakt van de gluconeogenese. Dit is het omgekeerde proces van glycolyse, waarbij er glucose wordt gevormd uit kleine moleculen als lactaat, pyruvaat of aminozuren. De gluconeogenese vindt plaats in de lever. Als de glycolyse en gluconeogenese onverstoord tegelijk zouden kunnen optreden, dan zou veel energie voor niets verloren gaan. De oplossing hierop is dat bij de gluconeogenese andere enzymen worden gebruikt, die zorgen voor bypassreacties. Zo’n omzeilingsreactie vindt bijvoorbeeld plaats bij stap 3 in de glycolyse. Een bypassreactie vindt plaats als het fosfofructokinase enzym is uitgeschakeld. Wanneer er een klein energie reserve is wordt fosfofructokinase geactiveerd om de glycolyse weer op gang te wekken.

De balans tussen glycolyse en gluconeogenese moet aldoor worden gereguleerd. Wanneer er te weinig energie is moet glucose worden afgebroken en wanneer er genoeg is moet het worden opgeslagen. Gluconeogenese is een kostbaar proces, dat energie gebruikt d.m.v. hydrolyse van ATP en GTP. Dit kan dus niet te veel plaatsvinden. Er worden echter door het lichaam voedselreserves aangemaakt. Glucose wordt opgeborgen, dit wordt gedaan in de vorm van glycogeen, in de lever en spieren. Wanneer het nodig is wordt deze omgezet in glucose om de glycolyse in gang te zetten. Het balans tussen de glycogeen synthese en afbouw wordt gereguleerd door intracellulaire signalen van hormonen als insuline, adrenaline en glucagon.

Week 6

Essential cell biology, hoofdstuk 4: pagina 152-155, Pag. 152-155

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.

Essential cell biology, hoofdstuk 16: Cell communication: pagina 525-559, 564-566, Pag. 525-559, 560-561

Individuele cellen in multicellulaire organismen moeten hun omgeving kunnen aanvoelen en daarmee kunnen communiceren. Als een signaal gedurende de weg die het aflegt, wordt omgezet (bijvoorbeeld geluid in radiogolven), wordt dit proces signaaltransductie genoemd. Bij communicatie tussen cellen produceert de ene cel meestal een signaalmolecuul dat wordt gedetecteerd door de andere cel, de targetcel. De meeste cellen kunnen zowel signalen verzenden als ontvangen. Het ontvangen gebeurt via speciale receptoreiwitten.

In multicellulaire organismen is de meest gebruikte manier om te communiceren in het lichaam het uitzenden van een signaal. De signaalmolculen kunnen eiwitten, peptides, aminozuren, nucleotiden, steroiden, vetzuren of zelfs gassen zijn. Dit gebeurt door secretie in de bloedsomloop. De signaalmoleculen heten dan hormonen en de producerende cellen worden endocriene cellen genoemd. Daarnaast is er ook paracriene signalering. Een signaalmolecuul diffundeert dan lokaal door een extracellulaire vloeistof en blijft dan dus in de buurt van de producerende cel. Sommige cellen reageren op de moleculen die ze zelf uitscheiden, dit wordt autocrien genoemd. Een derde vorm van celcommunicatie gaat via neuronen. Zo kunnen signalen over lange afstanden worden doorgegeven. Dit gaat via elektrische signalen, specifiek tussen bepaalde cellen, axonen. De overgang van de ene zenuwcel naar de andere verloopt via een neurotransmitter, een chemisch signaal. Tot slot is er een vorm waarbij cellen direct fysiek contact maken via signaalmoleculen in het plasmamembraan van de ene cel tegen de receptoreiwitten in de andere cel. Dat gebeurt bijvoorbeeld als naburige cellen elkaar stimuleren om te specialiseren.

Een cel kan alleen reageren op een signaal als het daarvoor de juiste receptor heeft. Een receptor is normaal gesproken actief voor maar één signaaltype. Een signaalmolecuul kan het gedrag van een cel op vele manieren veranderen. Vanaf de receptor wordt een signaal de cel ingeleid via intracellulaire signaalmoleculen. Het hangt van deze moleculen af wat een signaal in een cel op gang zet. Een cel kan snel of langzaam reageren op een bepaald signaal. Dat hangt ervan af wat er moet gebeuren wanneer het signaal ontvangen wordt.

Bij extracellulaire signaalmoleculen kan er onderscheid gemaakt worden tussen twee klassen. De eerste en grootste klasse bestaat uit moleculen die te groot of te hydrofiel zijn om door het plasmamembraan van de targetcel heen te gaan. Zij moeten hun boodschap dus via receptoren doorgeven. De tweede klasse bestaat uit moleculen die wel klein of hydrofoob genoeg zijn, deze gaan door het plasmamembraan heen en activeren daar intracellulaire enzymen of binden aan intracellulaire receptoreiwitten. Een belangrijk type signaalmoleculen dat afhankelijk is van intracellulaire receptoren is de steroïde hormonen.

Er zijn ook bepaalde opgeloste gassen die direct het plasmamembraan kunnen passeren. Zo kunnen ze heel snel binnen in de cel de activiteit van specifieke eiwitten reguleren.

Veruit de meeste signaalmoleculen kunnen echter het membraan niet passeren en werken via receptoren. Als het signaal bij het receptoreiwit aankomt, vervolgt het zijn weg via een vaste route. Dit worden intracellulaire signaalwegen genoemd en deze wegen hebben een of meerdere cruciale functies:

• Ze kunnen het signaal verspreiden door de cel.

• Ze kunnen het signaal aanpassen of sterker maken, zodat een paar extracellulaire signaalmoleculen voldoende zijn om een grote intracellulaire respons te veroorzaken.

• Ze kunnen signalen ontvangen van meerdere intracellulaire wegen en deze integreren voordat het signaal verder wordt doorgegeven.

• Ze kunnen het signaal onder meerdere wegen verspreiden, waardoor er een complexe respons kan ontstaan.

Veel belangrijke signaaleiwitten fungeren als moleculaire switches. Dat betekent dat ze, wanneer ze een signaal ontvangen, van een inactieve naar een actieve status switchen. Net zo belangrijk is het mechanisme om de eiwitten weer inactief te maken. Er zijn twee klassen van moleculaire switches. De ene bestaat uit eiwitten die ge(in)activeerd worden door fosforylering. Tot de andere klasse behoren de GTP-bindende eiwitten. Deze switchen tussen actief en inactief afhankelijk van of er GTP of GDP aan ze gebonden is.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen drie verschillende receptoren

1. Ionkanaalgekoppelde receptoren

2. G-proteïnegekoppelde receptoren

3. Enzymgekoppelde receptoren

Sommige signaalmoleculen binden aan receptoren uit verschillende klassen. Substanties van buitenaf kunnen ook binden aan de verschillende receptoren, ze bezetten dan de normale ligand-bindingplaats of binden op een andere plek aan de receptor. Deze stoffen kunnen zo de natuurlijke activiteit van de receptoren overstimuleren of juist blokkeren.

De ionkanaalgekoppelde receptoren functioneren op de meest simpele en directe manier. Ze zijn verantwoordelijk voor de snelle signaaloverdracht via de synapsen in het zenuwstelsel. Als het kanaal opengaat, kunnen er ionen in of uit de cel. Hierdoor kan het membraanpotentiaal veranderen.

De grootste groep van celoppervlakreceptoren zijn G-proteïnegekoppelde receptoren (GPCR’s). Er zijn heel veel verschillende signaalmoleculen die aan deze groep receptoren kunnen binden. Ze zijn daarom een aantrekkelijk doel voor de ontwikkeling van medicijnen, bijna de helft van de medicijnen werkt via GPCR’s. Alle GPCR’s hebben een vergelijkbare structuur. Ze zijn gemaakt uit een enkele polypeptideketen die zeven keer gekruld tussen de fosfolipidelaag ligt. Als een extracellulair signaalmolecuul bindt aan een GPCR, wordt er een G-proteïne geactiveerd die onder het plasmamembraan ligt. Er zijn heel veel verschillende G-proteïnes, maar ze bestaan allemaal uit drie subunits (alfa, bèta en gamma). Via bepaalde mechanismes kan een G-proteïne geactiveerd en geïnactiveerd worden. Sommige G-proteïnen kunnen direct ionkanalen reguleren. De hartslag van dieren wordt op deze manier gereguleerd. Als G-proteïnen interactie hebben met ionkanalen kunnen ze meteen een verandering veroorzaken in de staat en het gedrag van de cel. Interacties met enzymen hebben nog complexere consequenties, dit leidt er toe dat er meer intracellulaire signaalmoleculen geproduceerd worden. Deze kleine signaalmoleculen worden vaak small messengers of second messengers genoemd.

Veel extracellulaire signalen die werken via GPCR’s, beïnvloeden de activiteit van het enzym adenylyl cyclase, waardoor de concentratie cyclisch-AMP in de cel verandert. Cyclisch-AMP kan het enzym ‘cyclisch-AMP-afhankelijk proteïnekinase’ (PKA) activeren. Dit PKA kan vervolgens de fosforylering van sommige serines of threonines katalyseren, waardoor de activiteit van proteïnen beïnvloed wordt. Zie tabel 16-3 op blz. 549 voor een aantal celresponsen die veroorzaakt worden door cyclisch-AMP. Cyclisch-AMP kan ook veranderingen in genexpressie veroorzaken. Sommige GPCR’s werken met G-proteïnen die het enzym fosfolipase-C activeren. Als dit enzym geactiveerd is, splitst hij een lipidemolecuul dat in het plasmamembraan zit. Onderdeel van deze weg is het opengaan van Ca2+-kanalen, waardoor er een hoog Ca2+-gehalte in het cytosol komt, wat signalen aan andere proteïnen doorgeeft. Ca2+ heeft een belangrijke rol als kleine intracellulaire messenger. Het kan allerlei reacties stimuleren door het binden en beïnvloeden van de activiteit van vele Ca2+ gevoelige proteïnen. Normaal gesproken is de Ca2+ concentratie in het cytosol heel laag vergeleken met de extracellulaire vloeistof en het endoplasmatisch reticulum. Dit wordt gehandhaafd door Ca2+-pompen. De stappen in signaalcascades vinden plaats in heel korte tijd. Een van de snelste responses veroorzaakt door een GPCR is de respons van het oog op licht. Ook smaak en reuk hangen af van GPCR’s.

Enzymgekoppelde receptoren binden of met het cytoplasma van de receptoren, of het vormt een complex met een ander eiwit dat zich gedraagt als een enzym. Responsen zijn meestal langzaam en vereisen veel intracellulaire transductiestappen, die uiteindelijk leiden tot veranderingen in genexpressie. Maar enzymgekoppelde receptoren kunnen ook snelle veranderingen in de cel veroorzaken. De grootste klasse bestaat uit receptoren waarvan het cytoplasmisch domein functioneert als thyroxine-proteïne-kinase. Ze worden receptor-thyroxine-kinases (RTK’s) genoemd.

In veel gevallen veroorzaakt de binding van een signaalmolecuul het samenkomen van twee naburige receptormoleculen, dit veroorzaakt een dimeer. Dan wordt de kinasefunctie geactiveerd en de ene receptor fosforyleert de ander. De thyroxinefosforylering zorgt vervolgens voor een uitgebreid intracellulair signaalcomplex op de staarten van de receptoren. Vanaf hier kan het signaal via verschillende routes naar allerlei bestemmingen in de cel getransporteerd worden.

Een belangrijk element in de signaalcomplexen veroorzaakt door geactiveerde RTK’s is Ras, een klein GTP-bindend eiwit. Ras werkt als een moleculaire switch. In actieve staat bevordert het de activatie van een fosforyleringcascade waarbij serine- of threonine-proteïnen-kinases elkaar in serie fosforyleren en activeren. Ras is heel belangrijk, als het niet actief is kan het gebeuren dat een cel niet langer reageert op bepaalde signalen. Als Ras daarentegen permanent actief is in sommige cellen, kan dat ook weer problemen op leveren. In kankercellen is dat soms het geval.

Niet alle enzymgekoppelde receptoren zorgen voor complexe signaalcascades die proteïne-kinases nodig hebben om een boodschap naar de nucleus over te brengen. Een aantal hormonen, cytokines, binden aan receptoren die via bepaalde regulerende eiwitten meteen naar de kern kunnen gaan en daar de transcriptie van specifieke genen kunnen stimuleren.

Een overzicht van de verschillende wegen via GPCR’s en RTK’s is te vinden in figuur 16-42 op blz. 565. Uiteindelijk veroorzaken alle wegen de activering van proteïne-kinases.

Week 7

Alberts, Essential Cell Biology. Hoofdstuk 17: Cytoskelet, Pag. 565-577, 579, 583-592, 599

De mogelijkheid van eukaryote cellen om zich aan te passen aan de omgeving, interacties aan te gaan enzovoorts hangt af van het cytoskelet: een ingewikkeld netwerk van eiwit filamenten in het cytoplasma. Ondanks dat bacteriën soms wel een cytoskelet hebben, komt het voornamelijk voor in de grotere en meer complexe eukaryote cellen. Het cytoskelet verandert continue mee met de acties van een cel (celdeling, vormveranderingen, reactie op de omgeving) en is niet alleen het bot, maar ook de spier van de cel. Zonder een cytoskelet zullen wonden niet helen en zullen spieren niet contraheren. Het cytoskelet organiseert de locaties van de organellen en is betrokken bij de segregatie van chromosomen tijdens celdeling. Het cytoskelet is opgebouwd uit drie typen eiwitten: microtubules, intermediaire filamenten en actine filamenten.

Intermediaire filamenten

Deze filamenten hebben een grote elasticiteit en zijn er om mechanische stress op een cel te weerstaan. Deze filamenten zijn het sterkst en blijven het langst bestaan van alle filamenten in het cytoskelet. Intermediaire filamenten vormen een groot netwerk in het cytoplasma om de celkern heen. De filamenten zitten vaak vast aan desmosomen op het celmembraan. De filamenten zijn ook te vinden in de celkern, waar ze zorgen voor versterking van de envelop.

Intermediaire filamenten zien er uit als touwen: lange, om elkaar heen gewonden, lijnen welke zorgen voor elasticiteit. De filamenten zijn aanwezig in verschillende cellen waar stress kan optreden, zoals zenuwcellen (axonen), spiercellen en epitheelcellen. Ze zorgen ervoor dat cellen en hun membranen niet kapot gaan als reactie op mechanische stress. De filamenten kunnen worden onderverdeeld in 4 groepen:

• Keratine filamenten (in epitheelcellen)

• Vimentin en vimentin-related filamenten (in bindweefsel, spiercellen en gliacellen)

• Neurofilamenten (in zenuwcellen)

• Nucleaire lamines

De eerste drie typen komen allemaal voor in het cytoplasma, de nucleaire lamines komen voor in de celkern waar ze zorgen voor stevigheid van de kernmembraan. Alle filamenten worden gevormd door polymerisatie van de bijbehorende eiwit subunits. Keratine filamenten zijn heel divers en komen in verschillende vormen voor in verschillende epitheelcellen. De filamenten strekken zich helemaal uit over de cel en zijn aan beide kant gebonden aan desmosomen. Dit zorgt ervoor dat mechanische stress over de cel wordt verdeeld en goed opgevangen kan worden. De functie van keratine filamenten wordt duidelijk bij de ziekte epidermolysis bullosa simplex De meeste intermediaire filamenten worden verder gestabiliseerd door binding van andere eiwitten, zoals plectine. Daarnaast bindt plectine de intermediaire filamenten ook aan de microtubules, actine filamenten en adhesiemoleculen in de desmosomen. Muizen die het gen voor plectine missen, overlijden binnen enkele dagen vanwege de slechte reactie van cellen op mechanische stress.

De intermediaire filamenten die aanwezig zijn in de celkern zijn de lamines. Deze lamines gaan weer uit elkaar bij elke celdeling, waarbij ook de nucleaire envelop wordt afgebroken. Het afbreken en opbreken van de lamines wordt gereguleerd door fosforylatie en defosforylatie van de lamines door proteïne kinases. Fosforylatie zorgt voor het uit elkaar vallen van de tetrameren en defosforylatie voor het opnieuw opbouwen van de lamines. Fouten in de nucleaire lamines worden geassocieerd met de aandoening progeria.

Microtubules

Microtubules hebben een organiserende rol in eukaryote cellen. De microtubules vormen een soort netwerk in de cel, waarlangs vesikels en organellen zich bewegen. Op het moment van mitose gaan de microtubules uit elkaar en vormen dan een mitotische spoel, welke uiteindelijk zorgt voor het uit elkaar gaan van de chromosomen. Naast onstabiele structuren, kunnen microtubules ook stabiele structuren zoals ciliën vormen. De kern van de ciliën bevat dan een dikke bundel van microtubules.

Microtubules worden opgebouwd uit subunits van tubuline dimeren (een alfa en een bèta helix). De tubuline dimeren zitten aan elkaar met non-covalente verbindingen en vormen uiteindelijk een holle buis; de microtubules. De microtubules in hun geheel krijgen een polariteit door aan het ene uiteinde een negatieve alfa helix te hebben en aan het andere uiteinde een positieve bèta helix. De polariteit van de microtubules is heel belangrijk, omdat er anders nooit een richting zou kunnen worden gegeven aan het transport binnen de cel.

Microtubules worden gevormd vanuit een centraal punt in de cel; het centrosoom. Deze bevindt zich vaak vlak naast de celkern en is opgebouwd uit gamma tubulines. De alfa tubulines binden aan deze gamma kant, waardoor de positieve uiteinden van de microtubules de cel in gaan. De aanwezigheid van een centrosoom is belangrijk, omdat de vorming van een nieuwe microtubule anders vermoeilijkt wordt. Op het moment dat er een nieuwe microtubule is ontstaan, kan deze groeien door het toevoegen van nieuwe tubuline dimeren. Echter, uit het niets kunnen er aan de positieve kant ook weer dimeren afvallen, of kan de microtubule in zijn geheel verdwijnen. Dit wordt ook wel dynamische instabiliteit genoemd; veroorzaakt door hydrolyse van een GTP molecuul naar GDP dat gebonden is aan de microtubule. Wanneer het binden van nieuwe tubuline dimeren sneller gaat dan het hydrolyseren van GTP, blijft de microtubule groeien. De relatieve instabiliteit van de microtubules zorgt ervoor dat ze snel kunnen veranderen, wat noodzakelijk is voor de functie ervan.

Het uit elkaar vallen van een microtubule kan worden voorkomen door binding van het positieve eind aan een ander molecuul of een andere celstructuur. Binding hiervan zorgt dus voor een stabiele microtubule. Er bestaat medicatie welke invloed heeft op polymerisatie en depolymerisatie van tubuline. Middelen die binden aan dan wel microtubules, dan wel tubuline, zorgen voor een stop van de celdeling. De mitotische spoel is afhankelijk van de opbouw en afbraak van microtubules en wanneer dit dus niet plaats kan vinden zal er geen celdeling plaatsvinden. Deze medicatie is dus nuttig in het geval van kankercellen, omdat cellen die halverwege de celdeling stagneren uiteindelijk dood gaan.

Actine filamenten

Actine filamenten komen voor in alle eukaryoten en zijn belangrijk voor de bewegingen van een cel. Actine filamenten zijn over het algemeen onstabiel, maar door interactie met andere eiwitten kan het een stabiel geheel vormen (zoals bij de motoreenheid in spieren). Actine filamenten gaan een interactie aan met een grote hoeveelheid actine bindingseiwitten, dit voor het uitoefenen van verschillende celfuncties.

Een actine filament is opgebouwd uit een gedraaide keten van actine moleculen, welke – net als microtubules – een polariteit hebben. De filamenten komen in grote getale voor in een cel en vaak in groepen, waardoor er een soort netwerk van actine filamenten wordt gevormd. De filamenten kunnen groeien door toevoeging van een actine molecuul aan het einde, met name aan de positieve kant van het molecuul. Actine monomeren hebben een gebonden APT molecuul, wat gehydrolyseerd wordt na binding aan het filament. Net als bij microtubules maakt dit het filament zwakker en valt het makkelijker uit elkaar. De functie van de actine filamenten kan worden aangetoond door het toevoegen van bepaalde toxines, welke of de polarisatie of de depolarisatie tegengaan. Na het toevoegen van de toxines stoppen de celbewegingen meteen.

Thymosine en profiline binden aan actine monomeren in het cytosol, welke ervoor zorgen dat een monomeer niet kan binden aan een filament. Op deze manier houden deze proteïnes de actine monomeren als “reserve” voor het moment waarop ze echt nodig zijn. Er zijn veel verschillende actine-bindende filamenten, de meesten binden aan actine filamenten en niet aan de monomeren. De proteïnes kunnen ook binden met motorproteïnes, waardoor er een contractiele bundel wordt gevormd (spiercellen).

Actine komt voornamelijk voor in een laag net onder het plasmamembraan; de cel cortex. Hier vormt het samen met bindingseiwitten een netwerk, wat de oppervlakte van de cel ondersteunt en mechanische sterkte geeft. Het herschikken van de actine filamenten in de cortex is de basis voor de vorm en de bewegingen van een cel. De meeste cellen bewegen zich voort door het kruipen over oppervlaktes, veroorzaakt door veranderingen in veel verschillende moleculen. Echter, er zijn drie processen welke essentieel lijken te zijn voor het voortbewegen van de cel:

1. Cel stoot een soort uitsteeksel uit.

2. Dit uitsteeksel bindt aan het oppervlak, waarover de cel zich gaat bewegen.

3. De rest van de cel wordt voortgetrokken door de punten waarop de cel vastzit aan het oppervlak.

De eerste stap wordt uitgevoerd door de polymerisatie van actine. De voorkant van de kruipende cel heeft een soort plat uitsteeksel; een lamellipodia. Dit bevat een netwerk van actine filamenten, welke voornamelijk met hun positieve uiteinde tegen de plasmamembraan aan liggen. De lamellipodia worden gevormd door het snel toevoegen van actine monomeren aan de filamenten. Op deze manier wordt het membraan uitgestulpt, zonder dat het scheurt. Op het moment dat een lamellipodia op de gewenste plek aankomt, binden integrines moleculen in het plasma membraan) aan moleculen aan het extracellulaire oppervlak. Deze integrines binden intracellulair actines, om de cel door middel van intercellulaire contractie voort te laten bewegen. Dit gebeurt door de interactie van actine met myosine eiwitten. Er zijn verschillende soorten myosine in cellen; myosine I komt voor in alle cellen, terwijl myosine II voornamelijk voorkomt in spiercellen.

• Myosine I: dit molecuul bestaat uit een kop en een staart en de kop bezit het vermogen om ATP op actine te hydrolyseren. Dit zorgt ervoor dat myosine over het actine molecuul kan schuiven.

Ondanks dat myosine een centrale rol speelt in de cel, wordt dit molecuul aangestuurd door extracellulaire signalen. Dit zorgt ervoor dat de cel dus verandert, in reactie op de omgeving. Intracellulaire veranderingen wordt getriggerd door receptor eiwitten, welke leiden tot een configuratie van een groep GTP bindende eiwitten: Rho proteïne familie. Elk eiwit uit deze familie heeft weer een ander effect op actine in de cel. Het Rho netwerk verwerkt alle signalen zowel van buiten als van binnen de cel en produceert daarna signalen die ervoor zorgen dat de vorm van het actine skelet verandert.

Essential concepts

• Het cytoplasma van een eukaryote cel wordt ondersteunt door een cytoskelet, bestaande uit; intermediaire filamenten, actine filamenten en microtubules.

• Intermediaire filamenten zijn stabiel en zorgen voor mechanische sterkte. Sommigen bevinden zich in de kern, anderen door het plasma heen.

• Microtubules zijn holle buizen en opgebouwd uit tubulines. Ze hebben een polariteit, het positieve uiteinde groeit het snelst.

• Microtubules groeien uit vanaf het centrosoom, waar ze vastzitten met hun negatieve uiteinde.

• Microtubules zijn dynamisch; ze worden steeds opgebouwd en weer afgebroken. Dit wordt veroorzaakt door hydrolyse van GTP.

• Microtubules kunnen worden gestabiliseerd door binding van een microtubule-bindend-eiwit.

• Eukaryote ciliën en flagellen bevatten stabiele microtubules.

• Actine filamenten zijn opgebouwd uit actine monomeren en komen voornamelijk voor in netwerken.

• Het opbouwen en afbreken van actine filamenten wordt gereguleerd door de hydrolyse van ATP.

• De vorm van de actine netwerken wordt bepaald door actine-bindende-eiwitten, welke zorgen voor de polymerisatie en depolymerisatie.

• Een netwerk van actine filamenten onder het plasmamembraan vormt de cel cortex en is verantwoordelijk voor de vorm en de bewegingen van de cel.

• Myosine moleculen zijn motor proteïnes welke ATP hydrolyse gebruiken voor de energie om langs actine moleculen te bewegen. 

Pag. 618-632, 683–685, 688-694 ontbreekt