Examenvragen cellulaire fysiologie
Hoofdstuk 2
Geef de algemene structuur van fosfolipiedes en de opbouw van het
plasmamembraan, inclusief regulatie vloeibaarheid en rol van cholestrol.
Het plasmamebraan omsluit de cel. Het is niet permeabel
voor grotere, geladen moleculen, die goed oplossen in water,
zoals eiwitten, maar wel permeabel voor kleinere, ongeladen,
polaire moleculen. Een biologisch membraan bestaat uit een
fosfolipiden dubbellaag en is opgebouwd uit twee
hoofdbestanddelen: lipiden en proteïnen. De meeste lipiden in
een membraan behoren tot de fosfolipiden. Deze bestaan uit
een glycerol backbone, waarvan twee hydroxylgroepen
veresterd zijn met een willekeurig vetzuur of acylgroep. De
derde hydroxylgroep van glycerol is veresterd met een
fosfaatgroep, die langs de andere kant ook nog eens
veresterd is met een kleine molecule, de kopgroep. De
vetzuren zijn apolair en hun lange koolstofketens hebben
geen geladen moleculen die zullen interageren met watermoleculen, die polair zijn. Vetzuren
lossen dus slecht op in water, maar lossen wel goed op in organische solventen. Ze zijn dus
hydrofoob. In tegenstelling tot de vetzuren, zijn de kopgroepen meestal geladen of polaire
moleculen. De kopgroep zal dus goed interageren met
water en zal ook goed oplosbaar zijn in water. De
kopgroep is dus hydrofiel. Omdat fosfolipiden bestaan uit
een apolaire staart en een polaire kop, worden deze
moleculen amfipatisch genoemd. Fosolipiden zullen in
de aanwezigheid van water spontaan bepaalde
structuren gaan vormen om hun hydrofobe staarten te
beschermen tegen water. Als de fosfolipiden in een relatief lage concentratie aanwezig zijn in
water zullen ze een monolaag vormen, waarbij hun hydrofiele koppen naar het water gericht
zijn en hun hydrofobe staarten weg van het water gericht zijn. Dit is energetisch voordelig
voor de fosfolipiden. Als ze een iets hogere
concentratie hebben, dan zullen ze micellen
gaan vormen in het water, waarbij de hydrofobe
staarten naar binnen zijn gericht en de hydrofiele
koppen naar buiten zijn gericht en kunnen
interageren met het water. In nog hogere
concentraties gaan ze dubbellagen vormen. De
fosfolipiden gaan twee lagen vormen waarbij de
hydrofobe vetzuren van de twee lagen naar
elkaar toe gericht zijn en de hydrofiele koppen van de twee lagen naar het water zijn gericht.
De dikte van de dubbellaag is afhankelijk van de lengte van de vetzuren en de densiteit van
de dubbellaag hangt af van de kopgroepen. Een fosfolipiden laag is vloeibaar en de
individuele fosfolipiden kunnen vrij bewegen doorheen het membraan. Deze twee-
dimensionele diffusie is sterk afhankelijk van de temperatuur. Bij hogere temperatuur is de
thermische energie van een fosfolipide hoger dan de energie die de fosfolipiden bij elkaar
houdt, dus is het gemakkelijker om te bewegen. Het mebraan is dan in de “sol state”. Bij
lagere temperaturen is de interactie energie hoger dan de thermale energie en zullen ze
minder vlot kunnen bewegen. Dan bevindt het membraan zich in de “gel state”. De
,temperatuur waarbij het membraan zich omzet van “gel” naar “sol state” en andersom, wordt
de transitietemperatuur genoemd. Fosfolipiden met lange verzadigde vetzuurketens kunnen
goed met elkaar interageren en er is dus veel thermische energie nodig om de interacties te
verbreken. De transitietemperatuur zal dan ook hoog zijn. Fosfolipiden met kortere en
onverzadigde vetzuurketens zullen een knik hebben in hun staart en zullen dus ook minder
sterke interacties vormen met elkaar, waardoor de transitietemperatuur ook lager zal zijn.
Naast de glycerol-geassocieerde fosfolipiden zijn er ook nog andere fosfolipiden in het
membraan: sfingolipiden en cholestrol. Deze andere lipiden hebben ook een andere vorm
dan de glycerol-geassocieerde lipiden, waardoor ze ook de vloeibaarheid van het membraan
kunnen beïnvloeden doordat ze de interacties met andere lipiden beïnvloeden. Cholestrol
speelt hier een belangrijke rol in. Cholestrol bestaat uit een rigide steroïde ring die deels de
interacties tussen de vetzuurketens kan immobiliseren. Dus als cholestrol in lage
concentraties voorkomt zal het de vloeibaarheid van het membraan doen dalen. Maar als
cholestrol in hoge concetraties voorkomt, zal het de mogelijkheid van de vetzuurketens om te
reageren met elkaar aanzienlijk doen verminderen, waardoor de vloeibaar van het
membraan toeneemt en de transitietemperatuur zal dalen. De transitietemperatuur van
membranen die uit verschillende lipiden bestaan, is niet één vastgelegde temperatuur, maar
bevindt zich meestal in een bepaald gebied. Het membraan kan opgedeeld worden in
verschillende gebieden, “gel-like” zones en “sol-like” zones. De gel-like zones vormen
gebieden van fosfolipiden met lange verzadigde vetzuurketens die sterk gaan interageren en
de sol-like zones vormen gebieden met fosfolipiden met een kortere en onverzadigde
vetzuurketen. De fosfolipiden die voorkomen in het membraan van dierlijke cellen hebben
meestal een verzadigde en een niet verzadigde vetzuurketen, wat er voor zorgt dat ze ook
minder sol-like en gel-like regio’s gaan vormen.
Er zijn ook proteïnen in het membraan, perifere of integraalproteïnen. De perifere
membraanproteïnen liggen niet in het membraan en zijn ook niet covalent gebonden aan het
mebraan. Ze worden licht vastgehecht aan de extracellulaire of cytoplasmatische zijde van
het membraan via ionische of hydrogen bonds en kunnen verwijderd worden van het
membraan. De integraalproteïnen, daarentegen, zijn wel direct geassocieerd met het
lipidenmembraan en kunnen niet verwijderd worden. Ze kunnen op drie verschillende
manieren verbonden zijn met het membraan. Als eerste kunnen ze één of meerdere keren
door het membraan gaan, deze worden transmembraanproteïnen genoemd. Een tweede
groep integrale eiwitten zijn degene die in het membraan liggen, maar er niet volledig
doorgaan. En dan een derde groep zijn degene die niet in het membraan liggen, maar
degene die verbonden zijn aan het membraan d.m.v. covalente binding. De
transmembraaneiwitten kunnen in het membraan verankerd worden doordat de
transmembraansegmenten bestaan uit aminozuren met hydrofobe zijketens. Deze gaan
interageren met de hydrofobe vetzuurketens van de dubbellaag. Het N en het C-uiteinde
kunnen zich beide zowel aan de extracellulaire of aan de cytoplasmatische bevinden. De
meeste transmembraansegmenten gaan -helices vormen, maar sommige gaan ook -
barrelsnvormen.
De membraanproteïnen kunnen vrij over het membraan bewegen, maar deze beweging
gebeurt trager dan bij de membraanlipiden. Ook is net zoals bij de fosfolipiden een flip-flop
beweging zeer moeilijk.
Er gaan lipid rafts gevormd worden. Dit zijn microdomeinen in het membraan, waar er een
hogere concentratie van cholestrol en sfingolipiden is. Het membraan gaat hier ook een
beetje dikker zijn en er gaan ook meer proteïnen aanwezig zijn. Het gaat de lokale
vloeibaarheid, stijfheid en buigbaarheid aanpassen, maar ook de concetratie van second
messengers gaat veranderen.
,Bespreek de assymetrie in lipide compositie van het celmembraan: hoe wordt dit
gegenereerd en wat zijn de implicaties.
De fosolipiden kunnen vrij horizontaal diffunderen doorheen het membraan, maar
een spontane flip-flop beweging komt heel weinig voor. Dit komt doordat de
dubbellaag een zeer hydrofoob milieu vormt en een hydrofiele kop van een
fosfolipide kan er dus niet zomaar door. Dit zorgt voor assymetrie van het membraan.
Voor cholestrol is dit wel mogelijk omdat het een kleine hydrofiele kop heeft. Daarom
is de hoeveelheid cholestrol in de binnenste laag ongeveer gelijk aan de hoeveelheid
cholestrol in de buitenste laag. Een flip-flop beweging wordt mogelijk gemaakt door
bepaalde enzymen, de flippases en de floppases. Flippases zorgen voor een flip-flop
van buiten naar binnen en floppases zorgen voor een beweging van binnen naar
buiten. Scramblases ….
De andere fosfolipiden zijn asymmetrisch verdeeld over de twee lagen van het
membraan, door een scheiding van de lipiden tijdens de biosynthese in het ER of in
het Golgiapparaat. Fosfatidyletthanolamine, fosfatidylserine en fosfatidylcholine
worden gemaakt aan het cytosolische zijde van het ER en zullen zich in de binnenste
laag van het membraan bevinden. Enkel fosfatidylcholine is hier een uitzondering op,
omdat een gespecialiseerde flippase voor een flip-flop beweging zorgen naar de
buitenste laag. Sfingomyeline wordt aangemaakt aan de exoplasmatische zijde van
het Golgiapparaat en zal zich in de buitenste laag van het membraan bevinden. De
asymmetrie van het membraan beïnvloedt ook de buiging van het membraan,
doordat de lipiden aan de buitenkant meer rigide zijn dan de lipiden aan de
intracellulaire zijde. Ook is de intracellulaire zijde negatief geladen ten opzichte van
de extracellulaire zijde. De fosfolipiden die betrokken zijn bij second messenger
signaal cascades, zoals PIP2, zijn aan de intracellulaire zijde gelegen. Een
voorbeeld hiervan is het in gang zetten van apoptose. Als er te weinig ATP aanwezig
is kan de asymmetrie niet in stand gehouden worden en zal fosfatidylserine zich aan
de buitenkant ven het membraan bevinden en gaat het een receptor zijn voor
fagocytose.
Hoofdstuk 3
Bespreek de bimoleculaire reactie van ligand-receptor interactie, inclusief
concentratie-effect curve en betekenis/impact Kd-waarde en Hill-nummer.
Er zijn drie niet-covalente interacties mogelijk tussen ligand en receptor, namelijk ionbinding,
vanderwaalsbinding en waterstofbruggen. Bij ionaire bindingen worden er bindingen
gevormd tussen groepen met een tegengestelde lading. Bij Van der Waals interacties,
genereert een dipool in het ene atoom, een tegengestelde dipool in een naburig atoom. Dit
resulteert in een elektrostatische reactie. Waterstofbruggen komen voor bij niet-polaire
groepen.
, De bimoleculaire reactie geeft weer hoeveel ligand je nodig hebt om alle receptoren te
binden en dus het grootste effect te krijgen.
De dissociatieconstante Kd is representatief voor de
affiniteit van de receptor voor het ligand en is gelijk
aan de IC50-waarde en wordt uitgedrukt in M. Hoe
hoger Kd, hoe meer ligand er nodig is voor een effect
van 50%, hoe lager de affiniteit van de receptor.
De concentratie-effect curve geeft het verband weer tussen de hoeveelheid ligand en het
effect weer. Je kan dit op twee manieren voorstellen: op een lineaire schaal, waarbij het een
hyperbool vormt en op een logaritsmische schaal, waarbij het een sigmoïdale curve is.
Het Hill-nummer (n) staat voor de coöperativiteit tussen de bindingsplaatsen van een
receptor. Als een ligand op een eerste bindingsplaats bindt, zal dit de affiniteit van plaats
twee beïnvloedden. Dus hoe meer bindingsplaatsen een receptor heeft, hoe hoger de
affiniteit zal zijn en dus hoe steiler de curve zal zijn. De concentratie-effect curve is dus
afhankelijk van het Hill-nummer.
Geef de algemene structuur van een G-proteïn gekoppelde receptor en bespreek de 3
belangrijkste g-proteïn effector modulatie mechanismen van G-proteïn gekoppelde
receptors. Geef eveneens 1 voorbeeld waarbij g-proteïn bij betrokken is (dit is dus
g-protein onafhankelijke signalering).
G-proteïn gekoppelde receptoren (GPCR) zijn de
grootste groep receptoren. Het zijn meestal monomeren
(single polypetide chain), die bestaan uit 7
transmembraansegementen (-helices). Het heeft een
extracellulaire N-terminus en een intracellulaire C-
terminus De bindingsplaats voor het ligand bevindt zich
extracellulair en kan bestaan uit verschillende
extracellulaire regio’s: kleinere liganden binden vaak aan
regio’s dicht bij het membraan, terwijl grotere liganden
ook aan delen van de N-terminus binden. De G-
proteinbindingsplaats bevindt zich intracellulair, meestal
op de S5S6 linker, maar ook op de S3S4 linker en op de
C-terminus.
g-protein effector modulatie mechanismen:
1. Moduleren van adenyl cyclase activiteit (aanmaak van cGMP of cAMP)
Dit proces wordt door de i-subeenheid (inhibitor) geïnheibeerd en door de s-
subeenheid (stimulator) gestimuleerd. Geactiveerd adenyl cyclase (AC) zet ATP om
in cAMP en zet GTP om in cGMP.
