1 Cellulaire Fysiologie
Hoofdstuk 2: plasmamembraan
De celmembraan bestaat uit een lipide dubbellaag, deze dubbellaag is niet uniform. De laag
moet ook vloeibaar blijven omdat de proteïnen in de membraan van conformatie moet
kunnen veranderen.
De dubbel laag bestaat uit fosfolipiden, deze hebben een hydrofiele kop en hyrdrofobe staart
en zijn dus amfipathisch. De koppen staan naar buiten gericht en de staart naar elkaar toe.
De kop bestaat uit glycerol en de staart zijn 2 vetzuurketens.
De membraan kan ook bolvormig zijn (eenlagig), dan hebben we een micel.
Fosfolipiden verschillen in hoofd en staart. In de staart kunnen we onverzadigdheden hebben
in de vetzuurketens. Deze onverzadigdheden kunnen we terug vinden door de knik in de
staart. Onverzadigdheden hebben een effect op het intrageren van de staart. Bij dierlijke
cellen hebben we 1 verzadigde en 1 onverzadigde staart in de fosfolipiden van de
celmembraan.
Vloeibaarheid van de membraan heeft ook invloed op de beweegbaarheid van de
vetzuurstaarten. Deze kunnen roteren, lateraal diffunderen of flexion (flexibel) zijn. Ze
kunnen ook een flip-flop beweging maken, maar dit gebeurt niet spontaan, het proces vereist
energie. De flip-flop beweging is voor naar het binnenste of buitenste vlak van de
dubbellaag te gaan. Dit proces staat onder controle van de flippase en floppase enzymen in de
membraan. De flip-flop beweging vereist ATP. Door deze beweging krijgen we ook
asymmetrie in de membraan.
Flippase kan PS (phosphatidyl-serine) en PE (phosphatidyl-ethanolamine) van
extracellulair naar intracellulair verplaatsen. Floppase kan cholesterol en PC (phosphatidyl-
choline) van intra- naar extracellulair verplaatsen. Scramblase verplaatst cholersterol van
intra- naar extracellulair en PC van extra- naar intracellulair.
Invloed van fosfolipiden op de vloeibaarheid. Het verschil in de lengte van de vetzuurketen
bepaalt deels de vloeibaarheid. Hoe langer de keten, hoe meer interactie oppervlak, dit geeft
een dichte (dense) pakking en maakt de membraan vast. Hoe korter en onverzadigd, hoe
zwakker de interactie tussen de ketens en hoe vloeibaarder de membraan. Tm bepaalt de
samenstelling van vast naar vloeibaar, een lage Tm is vloeibaar en hoge Tm is vast.
Cholesterol zijn steroïde ringstructuren (rigide) met een OH-
groep (polair hoofdje) die zich in de membraan bevinden. Het
zijn lipofiele moleculen dus ze zullen zich bevinden tussen de
staarten van de fosfolipiden. De OH-groep zal altijd naar
extracellulair gericht zijn. Hierdoor worden de fosfolipiden aan
de koppen stijver, wat lekkage naar de extracellulaire omgeving
tegenhoudt. Ook verbeekt het het onderste deel van de staart,
waardoor de kern vloeibaarder is. Tegenover fosfolipides kan cholesterol makkelijk aan de
flip-flop beweging doen, er wordt gezorgd voor dezelfde concentratie in de binnenste en
buitenste fosfolipidelaag (leaflet). Cholesterol is een hydrofobe molecule en zal in het bloed
vervoerd worden in micellen.
De aanmaak van fosfolipiden gebeurt in het glad endoplasmatisch reticulum (GER) en het
Golgi-apparaat. Afhankelijk van de plaats waar het fosfolipide terecht komt, cytosol of
extracel. zijde, zullen deze in het lumen of cytoplasmatische zijde worden aangemaakt. De
asymmetrie wordt dus mede bepaald door de plaats van de biosynthese. Phosphatidyl-serine
,2 Cellulaire Fysiologie
en phosphatidyl-ethanolamine bevinden zich op het cytosol leaflet en phosphatidyl-choline
en sphingo-myeline bevinden zich op het extracellulair leaflet.
Phosphatidyl-serine heeft een negatieve lading in zijn polair hoofdje, hierdoor zal de cytosol
zijde negatief zijn tegenover de extracellulaire zijde. Deze lading draagt echter minimaal bij
tot de membraan potentiaal. Bij translatie vindt er zich een translocatie plaats, dit komt door
deze negatieve lading. Positief geladen aminozuren worden aangetrokken tot deze lading
en zullen naar het cytoplasma gaan. Negatief geladen aminozuren zullen afgestoten worden
en naar het lumen/extracel. gaan. Bij verlies van deze asymmetrie zal er zich apoptose
plaatsvinden.
Asymmetrie beïnvloedt de buiging en vloeibaarheid van het membraan. Op plaats van een
buiging vinden we in de cytosol leaflet enkel PE. Op andere plaatsen is er een random
afwisseling tussen verschillende fosfolipiden. Fosfolipiden die betrokken zijn bij second
messenger signaal cascades, bevinden zich aan de cytosol zijde. Een voorbeeld van zo’n
fosfolipide is PiP2. Als er teveel PS zich aan de buitenste zijde bevindt door het tekort aan
ATP, en dus te weinig flip-flop, zal deze dienst doen als receptor voor fagocytose (bij
apoptose).
Lipid rafts zijn plaatsen in de celmembraan,
geïsoleerde eilandjes, die een andere samenstelling
hebben. Het zijn regio’s van clustering van cholesterol
en shingolipides. De membraan is hier dikker. Dit heeft
effect op zowel de vloeibaarheid, stijfheid en stretch, als
de concentratie van second messengers zoals PiP2.
Samenvatting prof:
Lipid Bilayer (celmembraan)
a. Membraan lipieden vormen spontaan een bilayer (dubbellaag) in water door
amfipatisch karakter
amfipatisch doordat: 'head' (hoofd) = polair/hydrofiel (wijst naar water milieu)
'tail' (staart) = apolair/hydrofoob
meeste membraanlipieden zijn fosfolipieden (phospholipids), bvb.
phosphatidylcholine
Head: glycerol - P (fosfaat) - choline
Tails: 2 acyl staarten
verzadigd: recht
onverzadigd: kink thv double bond
andere membraanliepeden: cholesterol / glycolipieden
energetische interacties: head >< H2O
tail >< tail (exclusie van H2O)
resultaat: micel
, 3 Cellulaire Fysiologie
bilayer: self-sealing (kan geen vrije rand hebben)
→ spontaan vesikel vorming
→ spontaan 'helen' bij ruptuur
b. De bilayer vormt een 2D 'vloeibare fase'
lipieden: vrije laterale diffusie in het vlak van een bilayer leaflet
Beweging Laterale diffusie snelheid in bilayer leaflet: ~ 10-8 cm2/s
Rotatie/flexie van lipiede: snel
Flip-flop (naar andere leaflet): uiterst zelden (hoge energie barrier;
vereist Flippase en Floppase enzymes)
c. Vloeibaarheid van membraan wordt bepaald door lipieden compositie
Zuiver fosfolipieden membraan: fasetransitie ´gel´ vaste conformatie naar ´sol´
vloeibaar
bij smelt/transitie-temperatuur ('transition temperature')
de transitie-temperatuur hangt af van 'packing' (samenstelling) membraan:
1) Lengte fosfolipiede staarten: 14-24 C (meeste 18-20), korter → meer vloeibaar
2) Aantal onverzadigdheden in lipiede staarten:
Verzadigd 'recht' → dichte packing
Onverzadigd 'kink' → minder packing → vloeibaar bij lagere temperatuur
(vb plantaardige olie)
Biologische membraan
Zelfde algeme princiepes maar meerdere soorten lipieden
Cholesterol: intercaleert met onverzadigde lipieden en heeft 2 effecten:
1) rigiede ring stabiliseert C-atomen nabij 'head' → rigieder, minder permeabel
2) cholesterol belet staart-staart interactie (kristallisatie): membraan blijft vloeibaar
Vloeibaarheid/stijfheid van bilayer leaflet bepaald permeabiliteit van membraan
d. 'Lipid rafts'
Locale concentratie van specifieke lipieden, sfingomyelin, cholestreol + proteinen
Meestal dikker dan rest membraan door de aanrijking van verzadigde fosfolipieden
Deze clusters van proteinen/lipieden (=rafts) spelen een rol in signaaltransductie
Bevatten glycolipids (geglycosyleerde fosfolipieden)
e. Asymmetrie in biologische membranen
Specifieke fosfolipieden / leaflet: bvb. phosphatidylinositol (PiP2): inner leaflet
(intracellulair)
(IP3-DAG/PKC.. signaal cascade)
Glycolipieden: ENKEL in outer leaflet (extracellulair)
(door synthese in ER/Golgi lumen)
Asymmetrie in fosfolipiede compositie tussen inner en outer leaflet van membraan
ontstaat tijdens biosynthese (ER/Golgi: flippase/floppase)
beinvloed de buiging van membraan (curvature)
cytosol leaflet negatiever dan extracellulair, reguleert incorporatie membraan
proteinen
Specifieke compositie soms nodig voor functie van membraan proteinen
Examenvragen:
1. Geef de algemene structuur van fosfolipiden en de opbouw van het plasmamembraan,
inclusief regulatie vloeibaarheid en rol van cholesterol?
2. Bespreek de asymmetrie in lipide compositie van het celmembraan: hoe wordt dit
gegenereerd en wat zijn de implicaties?
