Structuur van Biologische Membranen

Structuur van biologische membranen

• Het celoppervlak bestaat uit een membraan, gevuld met cytoplasma (rijk aan HMGA-eiwitten, nucleïnezuren, nucleotiden en suikers).
• Het in stand houden van een stabiele intracellulaire ionenconcentratie vereist veel energie.
• Plasmamembranen (≤ 10nm) vormen een vereiste barrière tegen willekeurige diffusie.
• Biologische membranen zijn impermeabel voor grote moleculen, semipermeabel voor kleine moleculen, en hebben een geavanceerde functie.
• Cellen hebben voeding nodig.
• Voedingsstoffen moeten zich tegen een concentratiegradiënt kunnen ophopen door actief transport.
• Celmembranen bestaan voornamelijk uit lipiden en proteïnen, met name fosfolipiden.
• Fosfolipiden bestaan uit een glycerolgroep, fosfaatgroep, alcoholgroep en twee vetzuurstaarten (5 x 10^6/mm² of 5 x 10^9/cel).
• Bij fosfolipiden gebaseerd op glycerol is de derde hydroxylgroep veresterd met een fosfaatgroep aan een kleine molecule, de kopgroep.
• Vetzuren zijn apolair; lange koolstofketens bemoeilijken interactie met water, waardoor ze slecht oplosbaar zijn in water en hydrofoob zijn.
• Hoofdgroepen zijn geladen en polair; ze interageren met water, zijn goed oplosbaar en hydrofiel.
• Fosfolipiden zijn amfipatisch: ze hebben hydrofobe staarten en hydrofiele hoofdjes.
• In waterige oplossing organiseren fosfolipiden zich zodanig dat de staarten geen contact maken met water; de hoofdjes lossen wel op.
• Bij lage concentratie vormen fosfolipiden een monolayer (minder energie nodig om staarten naar lucht te richten).
• In hoge concentratie vormen fosfolipiden micellen, waarbij hoofdjes een bol vormen en staarten naar binnen wijzen.
• In hoge concentraties vormen fosfolipiden een bilayer (twee parallelle sheets met hoofdjes buiten en staarten binnen).
• De breedte van een bilayer wordt bepaald door de lengte van de vetzuurketens.
• De aard van de kopgroepen bepaalt de dichtheid van fosfolipiden in de leaflets.
• De verzadiging van de vetzuurstaart beïnvloedt de vloeibaarheid, structuur en dikte.
• De laterale diffusie van lipiden in een leaflet is afhankelijk van de chemische samenstelling.
• Een fosfolipide bilayer is een vloeibare, temperatuurgevoelige structuur.
• Laterale diffusie van fosfolipiden in een leaflet is +/- 10^-8 cm²/s, een overstap naar de andere leaflet is zeer zeldzaam.
• Bij hoge temperaturen overheerst thermische energie; de laterale diffusie verloopt snel (sol state).
• Bij lage temperaturen overheerst interactie-energie, de laterale diffusie verloopt traag (gel state).
• Transitietemperatuur is de temperatuur waarbij fosfolipiden tussen de gel- en soltoestand wisselen.
• Lange verzadigde vetzuurstaarten hebben een hogere transitietemperatuur.
• Korte vetzuurstaarten of dubbele bindingen vereisen minder energie voor laterale diffusie, zwakke pakking (meer permeabel).
• Andere lipiden beïnvloeden de vloeibaarheid; veel laterale diffusie verlaagt deze.
• Cholesterol immobiliseert vetzuurketens en verandert de transitietemperatuur en vloeibaarheid.
• Lage cholesterolconcentraties verlagen de vloeibaarheid.
• Hoge cholesterolconcentraties verstoren de onderlinge interactie tussen fosfolipiden, verhogen vloeibaarheid en verlagen de overgang van gel naar sol.
• In bilayers is de transitietemperatuur afhankelijk van de lipidenmix, lange ketens hechten relatief sterk wat leidt tot gebieden met gel-eigenschappen.
• Korte ketens stoten af en migreren naar gebieden met sol-eigenschappen.
• Fosfolipiden in dierlijke cellen hebben meestal één verzadigde en één onverzadigde vetzuurstaart.
• Spontane diffusie van leaflet naar leaflet (flip-flops) is zeldzaam, tenzij geholpen door cholesterol (lage energiekost).
• Flippases verplaatsen fosfolipiden van extracellulair naar intracellulair (ABC-transporters, ATPase-families).
• Floppases verplaatsen fosfolipiden van intracellulair naar extracellulair.
• Scramblase is bidirectioneel en energie-onafhankelijk (cholesterol).
• Flip- en floppase zijn energieafhankelijk en unidirectioneel, met ATP-hydrolyse.
• Asymmetrie in leaflets: cytosol leaflet is vloeibaarder; extracellulair leaflet is stijver en beïnvloed de vloeibaarheid en buiging van de membranen.
• De intracellulaire zijde is negatief geladen vergeleken met de extracellulaire zijde.
• Fosfolipide bilayer-membranen zijn impermeabel voor geladen moleculen, hydrofobe staarten houden geladen moleculen tegen.
• Natrium, Kalium, Chloride en Calcium kunnen het membraan niet passeren, net als grotere polaire moleculen (proteïnen, nucleïnezuren, suikers en nucleotiden).
• Het plasmamembraan is een bilayer; de leaflets zijn niet identiek aan elkaar.
• De leaflet gericht naar het cytoplasma bevat phosphatidylethanolamine en phosphatidylserine.
• De leaflet gericht naar de extracellulaire zijde is voornamelijk samengesteld uit phosphatidylcholine.
• De asymmetrie is belangrijk voor fosfolipiden die betrokken zijn bij second-messenger pathways.

Functie van membraaneiwitten

• Membraanproteïnen kunnen perifeer of integraal geassocieerd zijn met het plasmamembraan
• Perifere membraanproteïnen interacteren indirect met het membraan, integrale membranen wel rechtstreeks, verwijderen kan enkel met wasmiddel.
• Transmembranaire eiwitten doorkruisen het volledige membraan; membraan-overspannende delen zijn hydrofoob, meestal α-helix.
• Een menselijk lichaam gebruikt 20 essentiële aminozuren, waarvan 9 uit voeding gehaald moeten worden.
• Integrale membraaneiwitten dienen als receptoren die communicatie tussen cel en omgeving regelen (uitgezonderd vetoplosbare signaalmoleculen).
• Ligand-bindende receptoren hebben zeven transmembranaire segmenten die een conformatie aangaan.
• Ze hebben een extracellulaire N-staart en intracellulaire C-staart.
• Wateroplosbare hormonen, zoals adrenaline, moduleren intracellulair gedrag via receptorinteractie met het extracellulaire domein.
• Hierdoor verandert conformatie van het receptoreiwit wat resulteert in enzymatische activiteit of interactie met cytoplasmatische eiwitten (second messengers).
• Integrale membraaneiwitten dienen als adhesiemoleculen, zoals cel-matrix adhesiemoleculen/integrinen:
• Integrinen vormen een belangrijke schakel tussen het cytoskelet en de extracellulaire matrix (fibronectine, laminine) en zijn belangrijk voor groei, vorm en differentiatie.
• Transmembranaire segmenten vormen kanalen voor ionenuitwisseling, vaak gevuld met water (fysiologisch belang).
• Cytoplasmatische domeinen verbinden de cel met de extracellulaire matrix door intracellulaire proteïnen te binden.
• Integrale membraaneiwitten transporteren wateroplosbare stoffen, waar membranen ondoordringbaar voor zijn.
• Hiervoor worden poriën, kanalen, carriers (transporters) of pompen gebruikt (ionkanalen).
• Poriën en kanalen fungeren als passieve doorgeefluiken voor water, specifieke ionen of eiwitten.
• Carriers vergemakkelijken het transport van moleculen over het membraan via een transporteiwit of koppelen dit aan andere opgeloste stoffen.
• Pompen gebruiken ATP-hydrolyse om stoffen tegen hun energiegradiënten in te drijven.
• Microdomeinen (diameter +/- 70nm) hebben typisch meer cholesterol en sphingolipiden.
• Lipiden rafts creëren microdomeinen die de lokale vloeibaarheid beïnvloeden, essentieel voor het organiseren van plasmamembranen, signaaltransductie, en receptoractivering.
• Nieuwere functies van lipiden rafts zijn o.a. intracellulaire lipiden en eiwittransporten van het ER, golgi en endosomen naar het plasmamembraan.

Gespecialiseerde celtypen (extra)

• Cellen bestaan uit dezelfde basiselementen, maar verschillen in moleculaire structuur en vorm.
• Stamcellen zijn ongedifferentieerd en mitotisch actief, kunnen uitgroeien tot een spectrum van cellulaire afstammingslijnen (pluri-, multi-, oligo- of unipotent).
• Epitheelcellen vormen een barrière tussen het interne en externe mileu.
• Epitheelcellen zijn connectie via tight junctions, uitwisseling van opgeloste stoffen en vloeistoffen is mogelijk.
• Het apicale deel van het membraan is gericht naar het lumen (maag, darmen); het basolaterale deel is gericht naar ECF.
• Basaalmembranen bestaan uit EC-matrix-proteïnen (collageen, laminine en proteoglycanen) en zijn belangrijk voor support/stevigheid.
• Tight junctions zijn paracellulair, samensmelting outer leaflets van buurcellen.
• Parallelle strengen "dens verpakte" deeltjes: transmembranaire eiwitten nemen deel aan de ontwikkeling van de tight junctions
• Claudines zijn eiwitten die een permeabiliteitsbarrière vormen en als gates/poorten fungeren, afhankelijk van fysiologische stimuli.
• Fences: gepolariseerd oppervlak plasmamembraan scheiden in apicaal en basaal
• De aanwezigheid van concentraties van dergelijke verschillende proteïnen en lipiden = nodig voor transepitheliaal transport + doorlaten opgeloste stoffen
• Gap junctions zijn kanalen die verbindingen verzorgen tussen de cytosol van buurcellen, kleine moleculen en ionen kunnen vrij diffunderen.
• Het vloeien van ionen zorgt voor elektrisch gekoppelde cellen; de permeabiliteit is regulerbaar door fysiologische stimuli.