Celbiologie 2023-2024

Here are the study notes for the text:

Celbiologie

• Celbiologie cursus gegeven door prof. Thomas Voets
• Bestaat uit 20 hoorcolleges en 4 werkzittingen
• Examen bestaat uit 40 multiple-choice vragen

Biomembranen

• Biomembranen zijn een soort biologische membranen
• Eukaryoten hebben meerdere biomembranen binnen de cel, terwijl bacteriën slechts een wand hebben
• Biomembranen scheiden de binnen- en buitenkant van de cel en organel af

Structuur van biomembranen

• Met behulp van Atomic Force Microscopy (AFM) kan men biomembranen bestuderen
• AFM maakt gebruik van een naald die over het oppervlak van de membraan gaat
• Resultaat: eilandjes en uitstulpingen op de membraan

Structuur van biomembranen (vervolg)

• Met behulp van Elektronenmicroscopie kan men biomembranen ook bestuderen
• Preparaat wordt gekleurd met OsO4 om het contrast te verhogen
• Resultaat: 2 donkere lijnen met een wit gedeelte ertussen

Fosfolipidedubbellaag

• Biomembranen bestaan uit fosfolipidedubbellaag
• Fosfolipidedubbellaag bestaat uit amfipatische moleculen
• Amfipatische moleculen hebben een hydrofiel en hydrofoob gedeelte

Amfipatische moleculen

• Amfipatische moleculen vormen een membraan in waterige oplossingen
• Moleculen kunnen verschillende vormen aannemen in de ruimte
• Voorbeelden: micel, enkellaag, liposoom en fosfolipidedubbellaag

Variabiliteit van biomembranen

• Biomembranen kunnen verschillende diktes en vormen hebben
• Voorbeelden: cilia en bloedcellen

Exoplasmatische en cytosolische zijden

• Een fosfolipidedubbellaag heeft een exoplasmatische en cytosolische zijde
• Exoplasmatische zijde blijft exoplasmatisch, cytosolische zijde blijft cytosolisch
• Belangrijk bij het vormen van nieuwe membranen of het versmelten van membranen

Chemie van biomembranen: lipiden

• 3 soorten lipiden: fosfoglyceriden & plasmalogenen, sfingolipiden en sterolen
• Fosfoglyceriden en plasmalogenen zijn belangrijk voor biomembranen

Plasmalogenen

• Plasmalogenen lijken op fosfatidyl, maar hebben een etherverbinding
• Zijn ook een basisstof van biomembranen

Sfingolipiden

• Sfingolipiden zijn gebaseerd op sfingosine
• Sfingosine heeft een lange hydrofobe staart en een amine en 2 alcoholgroepen
• Ceramide, sfingomyeline en glucosyl ceramide zijn allemaal sfingolipiden

Cholesterol

• Cholesterol is een steroïde
• Is belangrijk voor biomembranen en als precursor voor steroïdhormonen
• Is ook een precursor voor vitamine D

Vitamine D

• Vitamine D is essentieel voor calciumopname
• Wordt gevormd uit cholesterol in biomembranen onder invloed van UV-stralen
• Gebrek aan vitamine D kan leiden tot rachitis

Beweeglijkheid van lipiden in een biomembraan

• Lipiden in een biomembraan kunnen verschillende bewegingen maken
• Axiale rotatie, laterale diffusie, flip-flop en beweging van vetzuurstaarten
• De mate waarin deze processen gebeuren heeft invloed op de samenstelling en eigenschappen van biomembranen### Lateral Diffusie
• FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) is a technique used to measure lateral diffusion
• The process involves fluorescent molecules, bleaching, and measuring the fluorescence recovery
• Fluorescent: a property of certain substances that emit a different wavelength of light when exposed to a specific wavelength of light
• Bleaching: a process where fluorescent dyes are destroyed by light, resulting in a loss of fluorescence

Flip-Flop

• Flip-flop is a process where phospholipids move from one side of the bilayer to the other
• It requires an enzyme called flippase, which uses ATP
• Flip-flop is energetically unfavorable and therefore requires energy

Asymmetrische Verdeling van Fosfolipiden

• The inner and outer leaflets of the bilayer have different compositions
• Flip-flop would lead to a more uniform distribution of phospholipids if it were a spontaneous process

Beweglijkheid van Lipiden in een Biomembraan

• Types of lipid motion:
  • Axiale rotatie
  • Laterale diffusie
  • Flip-flop
  • Beweging van vetzuurstaarten
• Temperature affects the motion of lipids

Effect van Temperatuur

• Phase transition: a change from a gel-like to a fluid-like state
• The temperature of this transition depends on the tail length and saturation of the fatty acids
• Cholesterol influences the phase transition

Invloed van Samenstelling op Vloeibaarheid

• Hydrophobic effect and van der Waals forces influence the movement of fatty acid tails
• Unsaturation of fatty acids increases the fluidity of the membrane
• Cholesterol fills the gaps between the fatty acid tails, making the membrane more rigid

Omega-3, Omega-6 en Poly-Onverzadigde Vetzuur

• Omega-3 and omega-6 refer to the position of the first double bond in the fatty acid tail
• Polyunsaturated fatty acids have multiple double bonds
• Linolzuur is an essential omega-6 fatty acid

Verzadigde-Onverzadigde Vetzuur

• Saturated fatty acids have no double bonds
• Unsaturated fatty acids have one or more double bonds
• Unsaturated fatty acids increase the fluidity of the membrane
• Cholesterol influences the fluidity of the membrane

Effect van Cholesterol op Membraanvloeibaarheid

• Cholesterol fills the gaps between the fatty acid tails, making the membrane more rigid
• Cholesterol can also increase the fluidity of the membrane at low concentrations

Lipid Rafts

• Lipid rafts are regions of the membrane with a higher concentration of cholesterol and/or sphingolipids
• These regions are thicker and more rigid than the surrounding membrane
• Lipid rafts play a role in signal transduction in membranes

Effect van Lipidsamenstelling op de Kromming van de Membraan

• The chemical composition of the membrane influences its curvature
• Cone-shaped lipids can create a curved shape
• The shape of the membrane is important for its function

Functies van de Plasmamembraan

• The plasma membrane acts as a barrier, electrical capacitor, reservoir for signaling molecules, and 2D fluid
• The plasma membrane has different functions in different regions of the cell### De Condensator
• Een condensator is een opslagplaats voor lading
• Een klassieke condensator bestaat uit 2 evenwijdige metalen platen met Plexiglas ertussen
• Wanneer spanning wordt aangelegd, bekomt een plaat positieve ladingen en de andere plaat evenveel negatieve ladingen
• De lading (Q) van de condensator hangt af van 2 factoren: spanning (V) en capaciteit (C) van de condensator

Plasmamembraan als Condensator

• Een plasmamembraan is een condensator
• Het bestaat uit 2 evenwijdige bladen: de 2 fosfolipidemembranen
• Ze zijn gescheiden door niet-geleidend materiaal: vetzuurstaarten
• Aan beide kanten zijn ze wel geleidend, want de hoofdjes zijn polair en zitten in een zoutoplossing
• Er kunnen dus ladingen in opgeslagen worden of losgelaten worden

Capaciteit van het Plasmamembraan

• De capaciteit van een biomembraan is 0,01 pF/µm²
• Als je de oppervlakte van het plasmamembraan kent, ken je ook de capaciteit van het plasmamembraan
• De typische membraanoppervlakte is 700 µm²
• Capaciteit kan gemeten en berekend worden

Functies van het Plasmamembraan

• Barrière
• Elektrische condensator
• Reservoir voor signaalmoleculen
• 2D-vloeistof

Signaalmoleculen

• Fosfolipase C (PLC) génère DAG en IP3
• IP3, DAG en PIP2 zijn universele signaalmoleculen
• Fosfolipase C splits 1 belangrijk signaalmolecule ter vorming van 2 andere signaalmolecule
• PIP2 is een belangrijk signaalmolecule omdat het opgesplitst wordt in de signaalmolecule DAG en IP3

Structuur van Fosfolipiden

• PIP2 bestaat uit:
  • Glycerol
  • Op 2 OH-groepen een vetzuur veresterd
  • Op de 3de OH-groep zit een fosfaatgroep = fosfatidyl
  • Aan de fosfaatgroep hangt een 6-ring = inositol
  • Op positie 4 en 5 zit een fosfaatgroep
  • En natuurlijk op positie 1 zit ook een fosfaatgroep (deze die verbonden is met glycerol)

Fosfolipase C

• Splits tussen glycerol en fosfaat
• Knipt in DAG (diacylglycerol) en IP3 (1,4,5-trisphosphate)
• PIP2 zit in het binnenste blad / cytosolische zijde van biomembraan
• Na knippen met PLC:
  • DAG blijft in biomembraan zitten (hydrofoob gedeelte)
  • IP3 komt in cytosol vrij

Membraanproteïnen

• Integrale membraanproteïnen:
  • Polypeptideketen die 1 of meerdere keren volledige door het membraan gaat
  • Hebben typisch 3 domeinen (topologie)
• Membraanproteïnen met vetanker:
  • Eiwit dat een soort van anker heeft waar een soort van lipide aan vastgehecht is
  • Het gaat er dus niet door, het wordt covalent gebonden aan een vetanker
• Perifere membraanproteïnen:
  • Geen rechtstreekse associatie met het membraan
  • Is niet covalent gebonden aan (de hoofdejes van de) fosfolipiden of membraanproteïnen

Hydropathy analyse

• Laat toe transmembranaire helices te identificeren uitgaande van de aminozuursequentie
• Kijkt naar hoe hydrofiel of hydrofoob dat de AZ zijn in een bepaald gebied van een eiwit

Voorbeelden van Membraanproteïnen

• Single-pass membraanproteïne: glycophorine A
• Multi-pass membraanproteïne: bacteriorhodopsin
• Alternatieve oplossing: ß-barrel
• Membraanproteïnen met vetanker: GPI, acyl, prenyl
• Perifere membraanproteïnen: interactie met membraanproteïnen en/of membraanlipiden