Informatie

Hebben celmembranen meer fosfolipiden in de ene laag dan in de andere?


Ervan uitgaande dat het celmembraan een bolvorm heeft, vertelt de geometrie ons dat het gebied van de binnenste folder kleiner is dan de oppervlakte van de buitenste vanwege het verschil in straal ertussen. Betekent dit dat de binnenste laag minder fosfolipiden bevat? En zo ja, hoe beïnvloedt dit de vloeibaarheidsrelatie tussen de lagen?


Ja, er is een verschil in het aantal fosfolipidemoleculen vanwege de kromming. Dit is heel duidelijk wanneer er veel buiging is, zoals in het geval van exocytose (zie hier), maar anders denk ik niet dat er een enorm verschil zou zijn in het aantal fosfolipiden tussen binnen- en buitenoppervlak van de dubbellaag.

Veronderstellingen:

  • Cel is bolvormig
  • Celdiameter = 1 µm (totaal)
  • Dikte van dubbellaag = 6nm
  • Breedte van een fosfolipidemolecuul = 1 nm

Verschil in omtrek van buitenste en binnenste lagen = 2π(6nm) ≅ 37.7nm

Dus nog ongeveer 37 fosfolipide-moleculen in de buitenste laag in deze dwarsdoorsnede van de cel. Dit is slechts 0,6% van het totale aantal fosfolipiden in het buitenmembraan.

Ik denk niet dat hierdoor de vloeibaarheid in het gedrang komt - alleen als een laag te vol is, zal de vloeibaarheid worden aangetast.


Hebben celmembranen meer fosfolipiden in de ene laag dan in de andere? - Biologie

Ondanks verschillen in structuur en functie hebben alle levende cellen in meercellige organismen een omringend celmembraan. Omdat de buitenste laag van je huid je lichaam scheidt van zijn omgeving, scheidt het celmembraan (ook bekend als het plasmamembraan) de binnenste inhoud van een cel van zijn buitenomgeving. Dit celmembraan zorgt voor een beschermende barrière rond de cel en regelt welke materialen er in of uit kunnen gaan.


Inhoud

Wanneer fosfolipiden worden blootgesteld aan water, assembleren ze zichzelf tot een tweelaags vel waarbij de hydrofobe staarten naar het midden van het vel wijzen. Deze opstelling resulteert in twee "folders" die elk een enkele moleculaire laag zijn. Het midden van deze dubbellaag bevat bijna geen water en sluit moleculen uit zoals suikers of zouten die oplossen in water. Het assemblageproces wordt aangedreven door interacties tussen hydrofobe moleculen (ook wel het hydrofobe effect genoemd). Een toename van interacties tussen hydrofobe moleculen (waardoor clustering van hydrofobe gebieden ontstaat) zorgt ervoor dat watermoleculen zich vrijer met elkaar kunnen verbinden, waardoor de entropie van het systeem toeneemt. Dit complexe proces omvat niet-covalente interacties zoals van der Waals-krachten, elektrostatische en waterstofbruggen.

Dwarsdoorsnede-analyse Bewerken

De lipide dubbellaag is erg dun in vergelijking met de laterale afmetingen. Als een typische zoogdiercel (diameter

10 micrometer) werden vergroot tot de grootte van een watermeloen (

1 ft/30 cm), zou de lipide dubbellaag die het plasmamembraan vormt ongeveer zo dik zijn als een stuk kantoorpapier. Ondanks dat hij slechts enkele nanometers dik is, is de dubbellaag samengesteld uit verschillende afzonderlijke chemische regio's over de dwarsdoorsnede. Deze regio's en hun interacties met het omringende water zijn de afgelopen decennia gekarakteriseerd met röntgenreflectometrie, [4] neutronenverstrooiing [5] en nucleaire magnetische resonantietechnieken.

Het eerste gebied aan weerszijden van de dubbellaag is de hydrofiele kopgroep. Dit deel van het membraan is volledig gehydrateerd en is typisch ongeveer 0,8-0,9 nm dik. In fosfolipide dubbellagen bevindt de fosfaatgroep zich binnen dit gehydrateerde gebied, ongeveer 0,5 nm buiten de hydrofobe kern. [6] In sommige gevallen kan het gehydrateerde gebied zich veel verder uitstrekken, bijvoorbeeld in lipiden met een groot eiwit of lange suikerketen die op het hoofd is geënt. Een veelvoorkomend voorbeeld van een dergelijke modificatie in de natuur is de lipopolysacharidelaag op een bacteriële buitenmembraan [7] die helpt een waterlaag rond de bacterie vast te houden om uitdroging te voorkomen.

Naast het gehydrateerde gebied is een tussengebied dat slechts gedeeltelijk gehydrateerd is. Deze grenslaag is ongeveer 0,3 nm dik. Binnen deze korte afstand daalt de waterconcentratie van 2M aan de kopgroepzijde tot bijna nul aan de staart (kern)zijde. [8] [9] De hydrofobe kern van de dubbellaag is typisch 3-4 nm dik, maar deze waarde varieert met de ketenlengte en chemie. [4] [10] De dikte van de kern varieert ook aanzienlijk met de temperatuur, vooral in de buurt van een faseovergang. [11]

Asymmetrie Bewerken

In veel natuurlijk voorkomende dubbellagen zijn de samenstellingen van de binnen- en buitenmembraanbladen verschillend. In menselijke rode bloedcellen bestaat de binnenste (cytoplasmatische) klep voornamelijk uit fosfatidylethanolamine, fosfatidylserine en fosfatidylinositol en zijn gefosforyleerde derivaten. Daarentegen is de buitenste (extracellulaire) bijsluiter gebaseerd op fosfatidylcholine, sfingomyeline en een verscheidenheid aan glycolipiden. [12] [13] In sommige gevallen is deze asymmetrie gebaseerd op waar de lipiden in de cel worden gemaakt en weerspiegelt hun oorspronkelijke oriëntatie. [14] De biologische functies van lipide-asymmetrie worden niet goed begrepen, hoewel het duidelijk is dat het in verschillende situaties wordt gebruikt. Wanneer een cel bijvoorbeeld apoptose ondergaat, wordt de fosfatidylserine - normaal gelokaliseerd in het cytoplasmatische blaadje - overgebracht naar het buitenoppervlak: daar wordt het herkend door een macrofaag die vervolgens actief de stervende cel opruimt.

Lipideasymmetrie komt, althans gedeeltelijk, voort uit het feit dat de meeste fosfolipiden worden gesynthetiseerd en aanvankelijk in de binnenste monolaag worden ingebracht: die welke de buitenste monolaag vormen, worden vervolgens vanuit de binnenste monolaag getransporteerd door een klasse enzymen die flippasen worden genoemd. [15] [16] Andere lipiden, zoals sfingomyeline, lijken te worden gesynthetiseerd in de externe bijsluiter. Flippasen zijn leden van een grotere familie van lipidetransportmoleculen die ook floppasen omvat, die lipiden in de tegenovergestelde richting overbrengen, en scramblasen, die de lipideverdeling over lipidedubbellagen willekeurig verdelen (zoals in apoptotische cellen). Hoe dan ook, als lipide-asymmetrie eenmaal is vastgesteld, verdwijnt deze normaal gesproken niet snel omdat de spontane flip-flop van lipiden tussen de blaadjes extreem traag is. [17]

Het is mogelijk om deze asymmetrie in het laboratorium na te bootsen in model dubbellaagse systemen. Bepaalde soorten zeer kleine kunstmatige blaasjes zullen zichzelf automatisch enigszins asymmetrisch maken, hoewel het mechanisme waardoor deze asymmetrie wordt gegenereerd heel anders is dan dat in cellen. [18] Door gebruik te maken van twee verschillende monolagen in Langmuir-Blodgett depositie [19] of een combinatie van Langmuir-Blodgett en vesicle rupture depositie [20] is het ook mogelijk om een ​​asymmetrische vlakke dubbellaag te synthetiseren. Deze asymmetrie kan in de loop van de tijd verloren gaan, omdat lipiden in ondersteunde dubbellagen gevoelig kunnen zijn voor flip-flop. [21]

Fasen en faseovergangen Bewerken

Bij een gegeven temperatuur kan een lipide dubbellaag zowel in een vloeibare als in een gel (vaste) fase voorkomen. Alle lipiden hebben een karakteristieke temperatuur waarbij ze overgaan (smelten) van de gel- naar de vloeibare fase. In beide fasen wordt voorkomen dat de lipidemoleculen over de dubbellaag schuiven, maar in de dubbellagen in de vloeibare fase zal een bepaald lipide miljoenen keren per seconde van locatie wisselen met zijn buur. Door deze random walk-uitwisseling kan lipide diffunderen en zo over het oppervlak van het membraan dwalen. [22] In tegenstelling tot dubbellagen in de vloeibare fase, hebben de lipiden in een dubbellaag in de gelfase minder mobiliteit.

Het fasegedrag van lipidedubbellagen wordt grotendeels bepaald door de sterkte van de aantrekkelijke Van der Waals-interacties tussen aangrenzende lipidemoleculen. Langstaartige lipiden hebben meer ruimte om te interageren, waardoor de kracht van deze interactie toeneemt en als gevolg daarvan de lipidenmobiliteit afneemt. Dus bij een bepaalde temperatuur zal een kortstaartig lipide vloeibaarder zijn dan een verder identiek langstaartig lipide. [10] De overgangstemperatuur kan ook worden beïnvloed door de mate van onverzadiging van de lipidestaarten. Een onverzadigde dubbele binding kan een knik in de alkaanketen veroorzaken, waardoor de lipidepakking wordt verstoord. Deze verstoring creëert extra vrije ruimte binnen de dubbellaag die extra flexibiliteit in de aangrenzende ketens mogelijk maakt. [10] Een voorbeeld van dit effect kan in het dagelijks leven worden opgemerkt, aangezien boter, die een groot percentage verzadigde vetten bevat, vast is bij kamertemperatuur, terwijl plantaardige olie, die meestal onverzadigd is, vloeibaar is.

De meeste natuurlijke membranen zijn een complex mengsel van verschillende lipidemoleculen. Als sommige componenten bij een bepaalde temperatuur vloeibaar zijn terwijl andere zich in de gelfase bevinden, kunnen de twee fasen naast elkaar bestaan ​​in ruimtelijk gescheiden gebieden, zoals een ijsberg die in de oceaan drijft. Deze fasescheiding speelt een cruciale rol bij biochemische verschijnselen omdat membraancomponenten zoals eiwitten zich kunnen verdelen in de ene of de andere fase [23] en dus lokaal geconcentreerd of geactiveerd kunnen worden. Een bijzonder belangrijk onderdeel van veel gemengde fasesystemen is cholesterol, dat de permeabiliteit van de dubbellaag, mechanische sterkte en biochemische interacties moduleert.

Oppervlaktechemie Bewerken

Terwijl lipide-staarten voornamelijk het gedrag van de tweelaagse fase moduleren, is het de kopgroep die de chemie van het dubbellaagse oppervlak bepaalt. De meeste natuurlijke dubbellagen bestaan ​​voornamelijk uit fosfolipiden, maar sfingolipiden en sterolen zoals cholesterol zijn ook belangrijke componenten. [24] Van de fosfolipiden is de meest voorkomende kopgroep fosfatidylcholine (PC), goed voor ongeveer de helft van de fosfolipiden in de meeste zoogdiercellen. [25] PC is een zwitterionische kopgroep, omdat het een negatieve lading heeft op de fosfaatgroep en een positieve lading op het amine, maar omdat deze lokale ladingen in evenwicht zijn, geen netto lading.

Andere kopgroepen zijn ook in verschillende mate aanwezig en kunnen fosfatidylserine (PS), fosfatidylethanolamine (PE) en fosfatidylglycerol (PG) omvatten. Deze alternatieve hoofdgroepen verlenen vaak specifieke biologische functionaliteit die sterk contextafhankelijk is. De aanwezigheid van PS op het extracellulaire membraanoppervlak van erytrocyten is bijvoorbeeld een marker van celapoptose [26] terwijl PS in blaasjes van de groeiplaat noodzakelijk is voor de nucleatie van hydroxyapatietkristallen en daaropvolgende botmineralisatie. [27] [28] In tegenstelling tot PC, dragen sommige van de andere kopgroepen een netto lading, die de elektrostatische interacties van kleine moleculen met de dubbellaag kan veranderen. [29]

Insluiting en scheiding

De primaire rol van de lipide dubbellaag in de biologie is het scheiden van waterige compartimenten van hun omgeving. Zonder een of andere barrière die 'zelf' van 'niet-zelf' onderscheidt, is het moeilijk om zelfs maar het concept van een organisme of van leven te definiëren. Deze barrière heeft de vorm van een lipide dubbellaag in alle bekende levensvormen behalve enkele soorten archaea die een speciaal aangepaste lipide monolaag gebruiken. [7] Er is zelfs gesuggereerd dat de allereerste vorm van leven een eenvoudig lipideblaasje kan zijn geweest met vrijwel zijn enige biosynthetische vermogen de productie van meer fosfolipiden. [30] Het verdelende vermogen van de lipidedubbellaag is gebaseerd op het feit dat hydrofiele moleculen de hydrofobe dubbellaagkern niet gemakkelijk kunnen passeren, zoals besproken in Transport over de dubbellaag hieronder. De kern, mitochondriën en chloroplasten hebben twee lipidedubbellagen, terwijl andere subcellulaire structuren worden omgeven door een enkele lipidedubbellaag (zoals het plasmamembraan, endoplasmatisch reticula, Golgi-apparaat en lysosomen). Zie Organel. [31]

Prokaryoten hebben slechts één lipide dubbellaag - het celmembraan (ook bekend als het plasmamembraan). Veel prokaryoten hebben ook een celwand, maar de celwand is samengesteld uit eiwitten of koolhydraten met een lange keten, geen lipiden. Daarentegen hebben eukaryoten een reeks organellen, waaronder de kern, mitochondriën, lysosomen en endoplasmatisch reticulum. Al deze subcellulaire compartimenten zijn omgeven door een of meer lipidedubbellagen en vormen samen typisch het grootste deel van het dubbellaagsgebied dat in de cel aanwezig is. In leverhepatocyten bijvoorbeeld maakt het plasmamembraan slechts twee procent uit van het totale dubbellaagsoppervlak van de cel, terwijl het endoplasmatisch reticulum meer dan vijftig procent bevat en de mitochondriën nog eens dertig procent. [32]

Signalering bewerken

Waarschijnlijk de meest bekende vorm van cellulaire signalering is synaptische transmissie, waarbij een zenuwimpuls die het einde van een neuron heeft bereikt, wordt overgebracht naar een aangrenzend neuron via de afgifte van neurotransmitters. Deze overdracht wordt mogelijk gemaakt door de werking van synaptische blaasjes die zijn geladen met de vrij te geven neurotransmitters. Deze blaasjes versmelten met het celmembraan aan de pre-synaptische terminal en geven de inhoud af aan de buitenkant van de cel. De inhoud diffundeert vervolgens over de synaps naar de postsynaptische terminal.

Lipidedubbellagen zijn ook betrokken bij signaaltransductie door hun rol als de thuisbasis van integrale membraaneiwitten. Dit is een extreem brede en belangrijke klasse van biomoleculen. Geschat wordt dat tot een derde van het menselijke proteoom membraaneiwitten zijn. [33] Sommige van deze eiwitten zijn verbonden met de buitenkant van het celmembraan. Een voorbeeld hiervan is het CD59-eiwit, dat cellen als "zelf" identificeert en zo hun vernietiging door het immuunsysteem remt. Het HIV-virus ontwijkt het immuunsysteem gedeeltelijk door deze eiwitten van het gastheermembraan op zijn eigen oppervlak te enten. [32] Als alternatief dringen sommige membraaneiwitten helemaal door de dubbellaag en dienen om individuele signaalgebeurtenissen van buiten naar binnen in de cel door te geven. De meest voorkomende klasse van dit type eiwit is de G-eiwit-gekoppelde receptor (GPCR). GPCR's zijn verantwoordelijk voor een groot deel van het vermogen van de cel om zijn omgeving waar te nemen en vanwege deze belangrijke rol is ongeveer 40% van alle moderne medicijnen gericht op GPCR's. [34]

Naast eiwit- en oplossingsgemedieerde processen, is het ook mogelijk dat lipidedubbellagen direct deelnemen aan signalering. Een klassiek voorbeeld hiervan is door fosfatidylserine veroorzaakte fagocytose. Normaal gesproken is fosfatidylserine asymmetrisch verdeeld in het celmembraan en alleen aan de binnenzijde aanwezig. Tijdens geprogrammeerde celdood brengt een eiwit, scramblase genaamd, deze verdeling in evenwicht en vertoont fosfatidylserine op de extracellulaire dubbellaag. De aanwezigheid van fosfatidylserine veroorzaakt vervolgens fagocytose om de dode of stervende cel te verwijderen.

De lipide dubbellaag is een zeer moeilijke structuur om te bestuderen omdat het zo dun en kwetsbaar is. Ondanks deze beperkingen zijn er in de afgelopen zeventig jaar tientallen technieken ontwikkeld om de structuur en functie ervan te onderzoeken.

Elektrische metingen Bewerken

Elektrische metingen zijn een eenvoudige manier om een ​​belangrijke functie van een dubbellaag te karakteriseren: het vermogen om te scheiden en de stroom van ionen in oplossing te voorkomen. Door een spanning over de dubbellaag aan te leggen en de resulterende stroom te meten, wordt de weerstand van de dubbellaag bepaald. Deze weerstand is typisch vrij hoog (108 Ohm-cm2 of meer) [35] aangezien de hydrofobe kern ondoordringbaar is voor geladen soorten. De aanwezigheid van zelfs maar enkele gaten op nanometerschaal resulteert in een dramatische toename van de stroom. [36] De gevoeligheid van dit systeem is zodanig dat zelfs de activiteit van afzonderlijke ionenkanalen kan worden opgelost. [37]

Fluorescentiemicroscopie Bewerken

Elektrische metingen geven geen echt beeld zoals beeldvorming met een microscoopblikje. Lipidendubbellagen kunnen niet worden gezien in een traditionele microscoop omdat ze te dun zijn. Om dubbellagen te zien, gebruiken onderzoekers vaak fluorescentiemicroscopie. Een monster wordt geëxciteerd met één golflengte van licht en waargenomen in een andere golflengte, zodat alleen fluorescerende moleculen met een bijpassend excitatie- en emissieprofiel te zien zijn. Natuurlijke lipidedubbellagen zijn niet fluorescerend, dus er wordt een kleurstof gebruikt die zich hecht aan de gewenste moleculen in de dubbellaag. Resolutie is meestal beperkt tot een paar honderd nanometer, veel kleiner dan een typische cel maar veel groter dan de dikte van een lipide dubbellaag.

Elektronenmicroscopie Bewerken

Elektronenmicroscopie biedt een beeld met een hogere resolutie. In een elektronenmicroscoop interageert een bundel gefocusseerde elektronen met het monster in plaats van een lichtstraal zoals bij traditionele microscopie. In combinatie met snelle bevriezingstechnieken is elektronenmicroscopie ook gebruikt om de mechanismen van inter- en intracellulair transport te bestuderen, bijvoorbeeld om aan te tonen dat exocytotische blaasjes het middel zijn voor chemische afgifte bij synapsen. [38]

Nucleaire magnetische resonantie spectroscopie Bewerken

31 P-NMR (nucleaire magnetische resonantie) spectroscopie wordt veel gebruikt voor studies van fosfolipide dubbellagen en biologische membranen in natuurlijke omstandigheden. De analyse [39] van 31 P-NMR-spectra van lipiden zou een breed scala aan informatie kunnen opleveren over lipide dubbellaagse pakking, faseovergangen (gelfase, fysiologische vloeibare kristalfase, rimpelfasen, niet-dubbellaagse fasen), oriëntatie/dynamiek van lipidekopgroepen , en elastische eigenschappen van pure lipide dubbellaag en als gevolg van binding van eiwitten en andere biomoleculen.

Atoomkrachtmicroscopie Bewerken

Een nieuwe methode om lipide dubbellagen te bestuderen is Atomic Force Microscopy (AFM). In plaats van een lichtstraal of deeltjes te gebruiken, scant een zeer kleine, scherpe punt het oppervlak door fysiek contact te maken met de dubbellaag en eroverheen te bewegen, als een naald van een platenspeler. AFM is een veelbelovende techniek omdat het de potentie heeft om bij kamertemperatuur en zelfs onder water of fysiologische buffer, met een resolutie van nanometers, de omstandigheden te maken die nodig zijn voor natuurlijk dubbellaags gedrag. Gebruikmakend van deze mogelijkheid, is AFM gebruikt om dynamisch dubbellaags gedrag te onderzoeken, inclusief de vorming van transmembraanporiën (gaten) [40] en faseovergangen in ondersteunde dubbellagen. [41] Een ander voordeel is dat AFM geen fluorescerende of isotopische labeling van de lipiden vereist, omdat de sondepunt mechanisch in wisselwerking staat met het dubbellaagse oppervlak. Hierdoor kan dezelfde scan zowel lipiden als geassocieerde eiwitten in beeld brengen, soms zelfs met een resolutie van één molecuul. [40] [42] AFM kan ook de mechanische aard van lipidedubbellagen onderzoeken. [43]

Dubbele polarisatie-interferometrie Bewerken

Lipidedubbellagen vertonen hoge niveaus van dubbele breking waarbij de brekingsindex in het vlak van de dubbellaag wel 0,1 brekingsindexeenheden verschilt van die loodrecht. Dit is gebruikt om de mate van orde en verstoring in dubbellagen te karakteriseren met behulp van dubbele polarisatie-interferometrie om mechanismen van eiwitinteractie te begrijpen.

Kwantumchemische berekeningen Bewerken

Lipidendubbellagen zijn gecompliceerde moleculaire systemen met veel vrijheidsgraden. Atomistische simulatie van membraan en in het bijzonder ab initio berekeningen van de eigenschappen ervan is dus moeilijk en rekenkundig duur. Kwantumchemische berekeningen zijn onlangs met succes uitgevoerd om dipool- en quadrupoolmomenten van lipidemembranen te schatten. [44]

Passieve diffusie

De meeste polaire moleculen hebben een lage oplosbaarheid in de koolwaterstofkern van een lipidedubbellaag en hebben als gevolg daarvan lage permeabiliteitscoëfficiënten over de dubbellaag. Dit effect is vooral uitgesproken voor geladen soorten, die zelfs lagere permeabiliteitscoëfficiënten hebben dan neutrale polaire moleculen. [45] Anionen hebben doorgaans een hogere diffusiesnelheid door dubbellagen dan kationen. [46] [47] Vergeleken met ionen hebben watermoleculen eigenlijk een relatief grote permeabiliteit door de dubbellaag, zoals blijkt uit osmotische zwelling. Wanneer een cel of blaasje met een hoge inwendige zoutconcentratie in een oplossing met een lage zoutconcentratie wordt geplaatst, zal deze opzwellen en uiteindelijk barsten. Een dergelijk resultaat zou niet worden waargenomen tenzij water relatief gemakkelijk door de dubbellaag zou kunnen gaan. De abnormaal grote permeabiliteit van water door dubbellagen is nog steeds niet volledig begrepen en blijft het onderwerp van actief debat. [48] ​​Kleine ongeladen apolaire moleculen diffunderen door lipide dubbellagen vele orden van grootte sneller dan ionen of water. Dit geldt zowel voor vetten als voor organische oplosmiddelen zoals chloroform en ether. Ongeacht hun polair karakter diffunderen grotere moleculen langzamer over lipidedubbellagen dan kleine moleculen. [49]

Ionenpompen en kanalen Bewerken

Twee speciale eiwitklassen hebben betrekking op de ionische gradiënten die worden aangetroffen over cellulaire en subcellulaire membranen in natuurlijke ionkanalen en ionenpompen. Zowel pompen als kanalen zijn integrale membraaneiwitten die door de dubbellaag gaan, maar hun rollen zijn behoorlijk verschillend. Ionenpompen zijn de eiwitten die de chemische gradiënten opbouwen en in stand houden door gebruik te maken van een externe energiebron om ionen tegen de concentratiegradiënt in te verplaatsen naar een gebied met een hoger chemisch potentieel. De energiebron kan ATP zijn, zoals het geval is voor de Na + -K + ATPase. Als alternatief kan de energiebron een andere chemische gradiënt zijn die al aanwezig is, zoals in de Ca2+/Na+ antiporter. Het is door de werking van ionenpompen dat cellen de pH kunnen regelen via het pompen van protonen.

In tegenstelling tot ionenpompen bouwen ionenkanalen geen chemische gradiënten op, maar verdrijven ze deze om arbeid te verrichten of een signaal te verzenden. Waarschijnlijk het meest bekende en best bestudeerde voorbeeld is het spanningsafhankelijke Na+-kanaal, dat geleiding van een actiepotentiaal langs neuronen mogelijk maakt. Alle ionenpompen hebben een soort trigger- of "gating" -mechanisme. In het vorige voorbeeld was het elektrische bias, maar andere kanalen kunnen worden geactiveerd door een moleculaire agonist te binden of door een conformationele verandering in een ander nabijgelegen eiwit. [50]

Endocytose en exocytose

Sommige moleculen of deeltjes zijn te groot of te hydrofiel om door een lipidedubbellaag te gaan. Andere moleculen zouden door de dubbellaag kunnen gaan, maar moeten snel in zulke grote aantallen worden getransporteerd dat transport van het kanaaltype onpraktisch is. In beide gevallen kunnen deze soorten lading over het celmembraan worden verplaatst door fusie of ontluikende blaasjes. Wanneer een blaasje in de cel wordt geproduceerd en samensmelt met het plasmamembraan om de inhoud vrij te geven in de extracellulaire ruimte, staat dit proces bekend als exocytose. In het omgekeerde proces zal een gebied van het celmembraan naar binnen kuiltjes maken en uiteindelijk afknijpen, waardoor een deel van de extracellulaire vloeistof wordt ingesloten om het naar de cel te transporteren. Endocytose en exocytose zijn afhankelijk van zeer verschillende moleculaire machines om te functioneren, maar de twee processen zijn nauw met elkaar verbonden en zouden niet zonder elkaar kunnen werken. Het primaire mechanisme van deze onderlinge afhankelijkheid is de grote hoeveelheid lipide die erbij betrokken is. [51] In een typische cel zal een gebied van dubbellaag gelijk aan het gehele plasmamembraan in ongeveer een half uur door de endocytose/exocytose-cyclus gaan. [52] Als deze twee processen elkaar niet in evenwicht zouden houden, zou de cel ofwel naar buiten opbollen tot een onhandelbare grootte of zijn plasmamembraan binnen korte tijd volledig uitputten.

Exocytose bij prokaryoten: Membraanvesiculaire exocytose, in de volksmond bekend als membraanvesikelhandel, een Nobelprijswinnend (jaar, 2013) proces, wordt traditioneel beschouwd als een voorrecht van eukaryote cellen. [53] Dit mythe werd echter gebroken met de onthulling dat nanovesicles, in de volksmond bekend als bacteriële buitenmembraanvesicles, afgegeven door gramnegatieve microben, bacteriële signaalmoleculen verplaatsen naar gastheer- of doelwitcellen [54] om meerdere processen uit te voeren ten gunste van de uitscheidende microbe, bijvoorbeeld in gastheercel invasie [55] en interacties tussen microben en omgeving, in het algemeen. [56]

Elektroporatie Bewerken

Elektroporatie is de snelle toename van de permeabiliteit van twee lagen die wordt veroorzaakt door de toepassing van een groot kunstmatig elektrisch veld over het membraan. Experimenteel wordt elektroporatie gebruikt om hydrofiele moleculen in cellen te introduceren. Het is een bijzonder bruikbare techniek voor grote sterk geladen moleculen zoals DNA, die nooit passief door de hydrofobe dubbellaagse kern zouden diffunderen. [57] Hierdoor is elektroporatie een van de belangrijkste methoden van transfectie en bacteriële transformatie. Er is zelfs voorgesteld dat elektroporatie als gevolg van blikseminslagen een mechanisme zou kunnen zijn van natuurlijke horizontale genoverdracht. [58]

Deze toename in permeabiliteit beïnvloedt voornamelijk het transport van ionen en andere gehydrateerde soorten, wat aangeeft dat het mechanisme het creëren van met water gevulde gaten op nm-schaal in het membraan is. Hoewel elektroporatie en diëlektrische doorslag beide het gevolg zijn van het aanleggen van een elektrisch veld, zijn de betrokken mechanismen fundamenteel verschillend. Bij diëlektrische doorslag wordt het barrièremateriaal geïoniseerd, waardoor een geleidend pad ontstaat. De materiële wijziging is dus chemisch van aard. Daarentegen worden tijdens elektroporatie de lipidemoleculen niet chemisch veranderd, maar verschuiven ze eenvoudig van positie, waardoor een porie wordt geopend die fungeert als de geleidende weg door de dubbellaag wanneer deze is gevuld met water.

Lipidedubbellagen zijn structuren die groot genoeg zijn om enkele van de mechanische eigenschappen van vloeistoffen of vaste stoffen te hebben. De gebiedscompressiemodulus Keen, buigmodulus KB, en randenergie Λ , kan worden gebruikt om ze te beschrijven. Vaste lipidedubbellagen hebben ook een afschuifmodulus, maar zoals elke vloeistof is de afschuifmodulus nul voor vloeibare dubbellagen. Deze mechanische eigenschappen beïnvloeden hoe het membraan functioneert. Keen en KB invloed hebben op het vermogen van eiwitten en kleine moleculen om in de dubbellaag in te voegen, [59] [60] en het is aangetoond dat mechanische eigenschappen van de dubbellaag de functie van mechanisch geactiveerde ionenkanalen veranderen. [61] Mechanische eigenschappen van twee lagen bepalen ook welke soorten stress een cel kan weerstaan ​​​​zonder te scheuren. Hoewel lipidedubbellagen gemakkelijk kunnen buigen, kunnen de meeste niet meer dan een paar procent uitrekken voordat ze scheuren. [62]

Zoals besproken in de sectie Structuur en organisatie, is de hydrofobe aantrekkingskracht van lipidestaarten in water de primaire kracht die lipidedubbellagen bij elkaar houdt. De elasticiteitsmodulus van de dubbellaag wordt dus voornamelijk bepaald door hoeveel extra gebied wordt blootgesteld aan water wanneer de lipidemoleculen uit elkaar worden uitgerekt. [63] Gezien dit begrip van de betrokken krachten is het niet verwonderlijk dat studies hebben aangetoond dat Keen varieert sterk met osmotische druk [64] maar slechts zwak met staartlengte en onverzadiging. [10] Omdat de betrokken krachten zo klein zijn, is het moeilijk om K . experimenteel te bepaleneen. De meeste technieken vereisen geavanceerde microscopie en zeer gevoelige meetapparatuur. [43] [65]

In tegenstelling tot Keen, wat een maat is voor hoeveel energie nodig is om de dubbellaag te rekken, KB is een maat voor hoeveel energie nodig is om de dubbellaag te buigen of te buigen. Formeel wordt de buigmodulus gedefinieerd als de energie die nodig is om een ​​membraan te vervormen van zijn intrinsieke kromming naar een andere kromming. Intrinsieke kromming wordt bepaald door de verhouding van de diameter van de kopgroep tot die van de staartgroep. Voor tweezijdige PC-lipiden is deze verhouding bijna één, dus de intrinsieke kromming is bijna nul. Als een bepaald lipide een te grote afwijking heeft van de intrinsieke kromming van nul, zal het geen dubbellaag vormen en in plaats daarvan andere fasen vormen, zoals micellen of omgekeerde micellen. Toevoeging van kleine hydrofiele moleculen Leuk vinden sacharose in gemengde lipiden lamellaire liposomen gemaakt van galactolipide-rijke thylakoïde membranen destabiliseert dubbellagen tot micellair fase. [66] Typisch, KB wordt niet experimenteel gemeten, maar wordt berekend uit metingen van Keen en dubbellaagdikte, aangezien de drie parameters gerelateerd zijn.

Fusie is het proces waarbij twee lipidedubbellagen samensmelten, wat resulteert in één verbonden structuur. Als deze fusie volledig door beide bladen van beide dubbellagen verloopt, wordt een met water gevulde brug gevormd en kunnen de oplossingen in de dubbellagen zich mengen. Als alternatief, als slechts één folder van elke dubbellaag betrokken is bij het fusieproces, wordt gezegd dat de dubbellagen hemifused zijn. Fusie is betrokken bij veel cellulaire processen, in het bijzonder bij eukaryoten, aangezien de eukaryote cel uitgebreid is onderverdeeld door lipide dubbellaagse membranen. Exocytose, bevruchting van een eicel door sperma-activering en transport van afvalproducten naar het lysozoom zijn enkele van de vele eukaryote processen die afhankelijk zijn van een of andere vorm van fusie. Zelfs het binnendringen van pathogenen kan worden geregeld door fusie, aangezien veel dubbellaagse virussen speciale fusie-eiwitten hebben om toegang te krijgen tot de gastheercel.

Er zijn vier fundamentele stappen in het fusieproces. [25] Ten eerste moeten de betrokken membranen aggregeren en elkaar tot op enkele nanometers naderen. Ten tweede moeten de twee dubbellagen in zeer nauw contact komen (binnen enkele angstrom). Om dit nauwe contact te bereiken, moeten de twee oppervlakken ten minste gedeeltelijk uitdrogen, omdat het gebonden oppervlaktewater dat normaal aanwezig is, ervoor zorgt dat dubbellagen sterk afstoten. De aanwezigheid van ionen, in het bijzonder tweewaardige kationen zoals magnesium en calcium, heeft een sterke invloed op deze stap. [69] [70] Een van de cruciale rollen van calcium in het lichaam is het reguleren van membraanfusie. Ten derde moet zich op een punt tussen de twee dubbellagen een destabilisatie vormen, waardoor hun structuren lokaal worden vervormd. De exacte aard van deze vervorming is niet bekend. Een theorie is dat zich een sterk gebogen "steel" moet vormen tussen de twee dubbellagen. [71] Voorstanders van deze theorie geloven dat het verklaart waarom fosfatidylethanolamine, een sterk gebogen lipide, fusie bevordert. [72] Ten slotte, in de laatste stap van de fusie, groeit dit puntdefect en de componenten van de twee dubbellagen vermengen zich en diffunderen weg van de contactplaats.

De situatie is nog gecompliceerder wanneer fusie wordt overwogen in vivo aangezien biologische fusie bijna altijd wordt gereguleerd door de werking van membraan-geassocieerde eiwitten. De eerste van deze te bestuderen eiwitten waren de virale fusie-eiwitten, die een omhuld virus in staat stellen om zijn genetisch materiaal in de gastheercel in te voegen (omhulde virussen zijn die virussen omgeven door een lipide dubbellaag en andere hebben alleen een eiwitlaag). Eukaryote cellen gebruiken ook fusie-eiwitten, waarvan de SNARE's de best bestudeerde zijn. SNARE-eiwitten worden gebruikt om alle vesiculaire intracellulaire handel aan te sturen. Ondanks jarenlange studie is er nog veel onbekend over de functie van deze eiwitklasse. In feite is er nog steeds een actief debat over de vraag of SNARE's gekoppeld zijn aan vroege koppeling of later deelnemen aan het fusieproces door hemifusie te vergemakkelijken. [74]

In studies van moleculaire en cellulaire biologie is het vaak wenselijk om kunstmatig fusie te induceren. De toevoeging van polyethyleenglycol (PEG) veroorzaakt fusie zonder significante aggregatie of biochemische verstoring. Deze procedure wordt nu veel gebruikt, bijvoorbeeld door B-cellen te fuseren met myeloomcellen. [75] Het resulterende "hybridoom" uit deze combinatie brengt een gewenst antilichaam tot expressie zoals bepaald door de betrokken B-cel, maar wordt onsterfelijk gemaakt door de melanoomcomponent. Fusie kan ook kunstmatig worden geïnduceerd door middel van elektroporatie in een proces dat bekend staat als elektrofusie. Er wordt aangenomen dat dit fenomeen het gevolg is van de energetisch actieve randen gevormd tijdens elektroporatie, die kunnen fungeren als het lokale defectpunt om stengelgroei tussen twee dubbellagen te kiemen. [76]

Lipidendubbellagen kunnen kunstmatig in het laboratorium worden gemaakt om onderzoekers in staat te stellen experimenten uit te voeren die niet kunnen worden gedaan met natuurlijke dubbellagen. Ze kunnen ook worden gebruikt op het gebied van synthetische biologie, om de grenzen van kunstmatige cellen te definiëren. Deze synthetische systemen worden model lipide dubbellagen genoemd. Er zijn veel verschillende soorten modeldubbellagen, elk met experimentele voor- en nadelen. Ze kunnen worden gemaakt met synthetische of natuurlijke lipiden. Een van de meest voorkomende modelsystemen zijn:

Tot op heden was de meest succesvolle commerciële toepassing van lipidedubbellagen het gebruik van liposomen voor medicijnafgifte, in het bijzonder voor de behandeling van kanker. (Let op: de term "liposoom" is in wezen synoniem met "blaasje", behalve dat blaasje een algemene term is voor de structuur, terwijl liposoom alleen verwijst naar kunstmatige, niet natuurlijke blaasjes) Het basisidee van liposomale medicijnafgifte is dat het medicijn is ingekapseld in oplossing in het liposoom en vervolgens in de patiënt geïnjecteerd. Deze met geneesmiddel beladen liposomen reizen door het systeem totdat ze zich binden op de doelplaats en scheuren, waardoor het geneesmiddel vrijkomt. In theorie zouden liposomen een ideaal medicijnafgiftesysteem moeten zijn, omdat ze bijna elk hydrofiel medicijn kunnen isoleren, kunnen worden geënt met moleculen om zich op specifieke weefsels te richten en relatief niet-toxisch kunnen zijn omdat het lichaam biochemische routes bezit voor het afbreken van lipiden. [77]

De eerste generatie liposomen voor geneesmiddelafgifte had een eenvoudige lipidesamenstelling en had verschillende beperkingen. De circulatie in de bloedbaan was extreem beperkt door zowel renale clearing als fagocytose. Verfijning van de lipidesamenstelling om de vloeibaarheid, oppervlakteladingsdichtheid en oppervlaktehydratatie af te stemmen, resulteerde in blaasjes die minder eiwitten uit serum adsorberen en dus minder gemakkelijk worden herkend door het immuunsysteem. [78] De belangrijkste vooruitgang op dit gebied was het enten van polyethyleenglycol (PEG) op het liposoomoppervlak om "verborgen" blaasjes te produceren, die gedurende lange tijd circuleren zonder immuun- of nieropruiming. [79]

De eerste stealth-liposomen werden passief gericht op tumorweefsels. Omdat tumoren snelle en ongecontroleerde angiogenese induceren, zijn ze bijzonder "lek" en laten liposomen de bloedbaan veel sneller verlaten dan normaal weefsel zou doen. [80] Meer recent [ wanneer? ] er is gewerkt aan het enten van antilichamen of andere moleculaire markers op het liposoomoppervlak in de hoop deze actief te binden aan een specifiek cel- of weefseltype. [81] Enkele voorbeelden van deze aanpak zijn al in klinische proeven. [82]

Een andere mogelijke toepassing van lipide dubbellagen is het gebied van biosensoren. Aangezien de lipide dubbellaag de barrière is tussen het binnenste en het buitenste van de cel, is het ook de plaats van uitgebreide signaaltransductie. Onderzoekers hebben door de jaren heen geprobeerd dit potentieel te benutten om een ​​op twee lagen gebaseerd apparaat te ontwikkelen voor klinische diagnose of detectie van bioterrorisme. De vooruitgang op dit gebied is traag en hoewel een paar bedrijven geautomatiseerde op lipiden gebaseerde detectiesystemen hebben ontwikkeld, zijn ze nog steeds gericht op de onderzoeksgemeenschap. Deze omvatten Biacore (nu GE Healthcare Life Sciences), dat een wegwerpchip biedt voor het gebruik van lipidedubbellagen in studies naar bindingskinetiek [83] en Nanion Inc., dat een geautomatiseerd patch-klemsysteem heeft ontwikkeld. [84] Andere, meer exotische toepassingen worden ook nagestreefd, zoals het gebruik van membraanporiën van lipide dubbellagen voor DNA-sequencing door Oxford Nanolabs. Tot op heden is deze technologie niet commercieel levensvatbaar gebleken.

Een ondersteunde lipide dubbellaag (SLB) zoals hierboven beschreven heeft commercieel succes behaald als screeningtechniek om de permeabiliteit van geneesmiddelen te meten. Dit Parallel eenofficieel membrane Pondoordringbaarheid eenssay PAMPA-techniek meet de permeabiliteit over specifiek geformuleerde lipidecocktail(s) waarvan is vastgesteld dat ze sterk gecorreleerd zijn met Caco-2-culturen, [85] [86] het maagdarmkanaal, [87] bloed-hersenbarrière [88] en huid. [89]

Aan het begin van de twintigste eeuw waren wetenschappers gaan geloven dat cellen omgeven zijn door een dunne olieachtige barrière [90], maar de structurele aard van dit membraan was niet bekend. Twee experimenten in 1925 legden de basis om deze leemte op te vullen. Door de capaciteit van erytrocytenoplossingen te meten, bepaalde Hugo Fricke dat het celmembraan 3,3 nm dik was. [91]

Hoewel de resultaten van dit experiment nauwkeurig waren, interpreteerde Fricke de gegevens verkeerd om te betekenen dat het celmembraan een enkele moleculaire laag is. Prof. Dr. Evert Gorter [92] (1881-1954) en F. Grendel van de Universiteit Leiden benaderden het probleem vanuit een ander perspectief, door de erytrocytenlipiden als een monolaag op een Langmuir-Blodgett-trog te verspreiden. Toen ze het oppervlak van de monolaag vergeleken met het oppervlak van de cellen, vonden ze een verhouding van twee op één. [93] Latere analyses toonden verschillende fouten en onjuiste aannames bij dit experiment, maar deze fouten werden toevallig teniet gedaan en uit deze gebrekkige gegevens trokken Gorter en Grendel de juiste conclusie - dat het celmembraan een lipide dubbellaag is. [25]

Deze theorie werd eind jaren vijftig bevestigd door het gebruik van elektronenmicroscopie. Hoewel hij niet de eerste elektronenmicroscopie-studie van lipidedubbellagen [94] publiceerde, was J. David Robertson de eerste die beweerde dat de twee donkere elektronendichte banden de kopgroepen en geassocieerde eiwitten waren van twee naast elkaar gelegen lipidemonolagen. [95] [96] In dit oeuvre bracht Robertson het concept van het 'eenheidsmembraan' naar voren. Dit was de eerste keer dat de dubbellaagse structuur universeel was toegewezen aan alle celmembranen en organelmembranen.

Rond dezelfde tijd bevestigde de ontwikkeling van modelmembranen dat de lipidedubbellaag een stabiele structuur is die onafhankelijk van eiwitten kan bestaan. Door een oplossing van lipide in organisch oplosmiddel over een opening te "schilderen", waren Mueller en Rudin in staat een kunstmatige dubbellaag te creëren en te bepalen dat deze laterale vloeibaarheid, hoge elektrische weerstand en zelfgenezing vertoonde als reactie op een lekke band, [97] die eigenschappen zijn van een natuurlijk celmembraan. Een paar jaar later toonde Alec Bangham aan dat dubbellagen, in de vorm van lipideblaasjes, ook kunnen worden gevormd door een gedroogd lipidemonster simpelweg bloot te stellen aan water. [98] Dit was een belangrijke vooruitgang, omdat het aantoonde dat lipidedubbellagen spontaan worden gevormd via zelfassemblage en geen steunstructuur met een patroon nodig hebben.

In 1977 werd een volledig synthetisch dubbellaags membraan vervaardigd door Kunitake en Okahata, uit een enkele organische verbinding, didodecyldimethylammoniumbromide. [99] Het laat duidelijk zien dat het dubbellaagse membraan werd geassembleerd door de van der Waals-interactie.


Wat is de fosfolipide dubbellaag? (met foto's)

De fosfolipide dubbellaag is het tweelaagse membraan dat vele soorten plantaardige en dierlijke cellen omringt.Het bestaat uit moleculen die fosfolipiden worden genoemd en die zich in twee parallelle lagen rangschikken en een membraan vormen dat alleen door bepaalde soorten stoffen kan worden gepenetreerd. Dit geeft de cel een duidelijke grens en houdt ongewenste stoffen buiten. Hoewel de fosfolipide dubbellaag meestal goed werkt, kan deze worden beschadigd en kunnen sommige soorten ongewenste stoffen deze omzeilen.

Kenmerken

Fosfolipiden hebben twee uiteinden, waarvan één hydrofiel is, of wordt aangetrokken door water, en één waarvan hydrofoob is, of wordt afgestoten door water. Aangezien de binnenkant van cellen voor het grootste deel uit water bestaat en het gebied buiten de cellen voornamelijk uit water bestaat, rangschikken deze moleculen zichzelf in twee lagen, waarbij de hydrofiele uiteinden van elke laag naar buiten wijzen en de hydrofobe uiteinden naar binnen wijzen. Omdat het lipiden of vetten zijn, worden ze niet afgebroken door water en zijn ze stevig genoeg om geen grote moleculen door te laten zonder de hulp van een andere stof. Kleinere moleculen, zoals zuurstof en koolstofdioxide, kunnen er zelf gemakkelijk doorheen, maar grotere moleculen zoals natrium, magnesium of water niet.

De binnenkant van het membraan is ook vloeibaar en zorgt ervoor dat sfingolipiden, cholesterol of sterolen en eiwitten erin kunnen bewegen. Sfingolipiden helpen de buitenkant van de cel te beschermen, en de cholesterolen en sterolen helpen de fosfolipidendubbellaag in respectievelijk dierlijke en plantaardige cellen te stabiliseren. Hoewel dit essentieel is voor cellen om voldoende stabiliteit te hebben, kan te veel cholesterol ze stijf maken, wat gevaarlijk is als ze deel uitmaken van een slagader die flexibel moet zijn om het bloed te laten stromen. De eiwitten worden gebruikt om stoffen in of uit de cel te transporteren door de dubbellaag en bieden plaatsen voor bepaalde stoffen om aan de buitenkant van de cel te binden.

Doel

Een van de belangrijkste doelen van de fosfolipide dubbellaag is om structuur aan een cel te geven, wat het doet vanwege de natuurlijke rangschikking van de hydrofobe en hydrofiele uiteinden van de fosfolipiden, en met de stabiliserende cholesterol en sterolen. Het andere doel is om de soorten stoffen te reguleren die de cel in kunnen gaan of ermee kunnen verbinden, wat het op verschillende manieren doet met behulp van eiwitten. Sommige soorten eiwitten strekken zich uit vanaf de bovenkant van het membraan, zodat ze kunnen worden gebruikt om de cel te identificeren of om plaats te maken voor bepaalde stoffen om eraan te binden.

Er zijn ook verschillende soorten eiwitten die kanalen of tunnels kunnen vormen waar bepaalde stoffen doorheen kunnen. Sommige staan ​​gewoon altijd open voor specifieke soorten moleculen, terwijl andere meer op poorten lijken en energie nodig hebben om te openen en te sluiten. Dit wordt actief transport genoemd en kan zowel worden gedaan om materialen in als uit de cel te brengen. Het wordt vaak gebruikt met stoffen zoals natrium, kalium en calcium.

Problemen

De fosfolipide dubbellaag is redelijk stabiel, maar kan worden beschadigd door sterke oplosmiddelen en oxidatieve stress veroorzaakt door vrije radicalen. Ook kunnen sommige soorten schadelijke stoffen, zoals virussen, het membraan omzeilen of de cel misleiden om ze te absorberen. Andere virussen, met name het humaan immunodeficiëntievirus (hiv), hebben een gespecialiseerd membraan dat ze kunnen samensmelten met dat van een cel en het vervolgens kunnen aanvallen.


Het celmembraan

Ondanks verschillen in structuur en functie hebben alle levende cellen in meercellige organismen een omringend celmembraan. Omdat de buitenste laag van je huid je lichaam scheidt van zijn omgeving, scheidt het celmembraan (ook bekend als het plasmamembraan) de binnenste inhoud van een cel van zijn buitenomgeving. Dit celmembraan zorgt voor een beschermende barrière rond de cel en regelt welke materialen er in of uit kunnen gaan.

Structuur en samenstelling van het celmembraan

Het celmembraan is een uiterst buigzame structuur die voornamelijk bestaat uit back-to-back fosfolipiden (een "dubbellaag"). Cholesterol is ook aanwezig, wat bijdraagt ​​aan de vloeibaarheid van het membraan, en er zijn verschillende eiwitten ingebed in het membraan die verschillende functies hebben.

Een enkel fosfolipidemolecuul heeft aan het ene uiteinde een fosfaatgroep, de 'kop' genaamd, en twee zij-aan-zij ketens van vetzuren die de lipidestaarten vormen ((Figuur)). De fosfaatgroep is negatief geladen, waardoor het hoofd polair en hydrofiel is - of 'waterminnend'. Een hydrofiel molecuul (of gebied van een molecuul) is een molecuul dat wordt aangetrokken door water. De fosfaatkoppen worden dus aangetrokken door de watermoleculen van zowel de extracellulaire als intracellulaire omgevingen. De lipidestaarten daarentegen zijn ongeladen of niet-polair en zijn hydrofoob - of 'watervrezend'. Een hydrofoob molecuul (of gebied van een molecuul) stoot af en wordt afgestoten door water. Sommige lipidestaarten bestaan ​​uit verzadigde vetzuren en sommige bevatten onverzadigde vetzuren. Deze combinatie draagt ​​bij aan de vloeibaarheid van de staarten die constant in beweging zijn. Fosfolipiden zijn dus amfipathische moleculen. Een amfipathisch molecuul is een molecuul dat zowel een hydrofiel als een hydrofoob gebied bevat. In feite werkt zeep om olie- en vetvlekken te verwijderen omdat het amfipathische eigenschappen heeft. Het hydrofiele deel kan oplossen in water, terwijl het hydrofobe deel vet kan vasthouden in micellen die vervolgens kunnen worden weggewassen.

Het celmembraan bestaat uit twee aangrenzende lagen fosfolipiden. De lipidestaarten van de ene laag zijn gericht naar de lipidestaarten van de andere laag en ontmoeten elkaar op het grensvlak van de twee lagen. De fosfolipidekoppen zijn naar buiten gericht, één laag blootgesteld aan het binnenste van de cel en één laag blootgesteld aan de buitenkant ((Figuur)). Omdat de fosfaatgroepen polair en hydrofiel zijn, worden ze aangetrokken door water in de intracellulaire vloeistof. Intracellulaire vloeistof (ICF) is het vloeibare binnenste van de cel. De fosfaatgroepen worden ook aangetrokken door de extracellulaire vloeistof. Extracellulaire vloeistof (ECF) is de vloeistofomgeving buiten de omhulling van het celmembraan. Interstitiële vloeistof (IF) is de term die wordt gegeven aan extracellulaire vloeistof die zich niet in bloedvaten bevindt. Omdat de lipidestaarten hydrofoob zijn, ontmoeten ze elkaar in het binnenste gebied van het membraan, met uitzondering van waterige intracellulaire en extracellulaire vloeistof uit deze ruimte. Het celmembraan heeft veel eiwitten, evenals andere lipiden (zoals cholesterol), die zijn geassocieerd met de fosfolipide dubbellaag. Een belangrijk kenmerk van het membraan is dat het vloeibaar blijft, de lipiden en eiwitten in het celmembraan zitten niet vast op hun plaats.

Membraan Eiwitten

De lipide dubbellaag vormt de basis van het celmembraan, maar is doorspekt met verschillende eiwitten. Twee verschillende soorten eiwitten die gewoonlijk worden geassocieerd met het celmembraan zijn de integrale eiwitten en het perifere eiwit ((Figuur)). Zoals de naam al doet vermoeden, is een integraal eiwit een eiwit dat is ingebed in het membraan. Een kanaaleiwit is een voorbeeld van een integraal eiwit dat selectief bepaalde materialen, zoals bepaalde ionen, de cel in of uit laat gaan.

Een andere belangrijke groep integrale eiwitten zijn celherkenningseiwitten, die dienen om de identiteit van een cel te markeren zodat deze door andere cellen kan worden herkend. Een receptor is een type herkenningseiwit dat selectief een specifiek molecuul buiten de cel kan binden, en deze binding veroorzaakt een chemische reactie in de cel. Een ligand is het specifieke molecuul dat bindt aan een receptor en deze activeert. Sommige integrale eiwitten vervullen een dubbele rol als zowel receptor als ionkanaal. Een voorbeeld van een receptor-ligand interactie zijn de receptoren op zenuwcellen die neurotransmitters binden, zoals dopamine. Wanneer een dopaminemolecuul bindt aan een dopaminereceptoreiwit, gaat er een kanaal in het transmembraaneiwit open om bepaalde ionen de cel in te laten stromen.

Sommige integrale membraaneiwitten zijn glycoproteïnen. Een glycoproteïne is een eiwit waaraan koolhydraatmoleculen zijn bevestigd, die zich uitstrekken tot in de extracellulaire matrix. De bijgevoegde koolhydraattags op glycoproteïnen helpen bij celherkenning. De koolhydraten die zich uitstrekken van membraaneiwitten en zelfs van sommige membraanlipiden vormen samen de glycocalyx. De glycocalyx is een wazig lijkende coating rond de cel, gevormd uit glycoproteïnen en andere koolhydraten die aan het celmembraan zijn bevestigd. De glycocalyx kan verschillende rollen hebben. Het kan bijvoorbeeld moleculen hebben waarmee de cel zich aan een andere cel kan binden, het kan receptoren voor hormonen bevatten of het kan enzymen hebben om voedingsstoffen af ​​te breken. De glycocalyces die in het lichaam van een persoon worden gevonden, zijn producten van de genetische samenstelling van die persoon. Ze geven elk van de biljoenen cellen van het individu de "identiteit" van het thuishoren in het lichaam van de persoon. Deze identiteit is de belangrijkste manier waarop de immuunafweercellen van een persoon "weten" om de eigen lichaamscellen van de persoon niet aan te vallen, maar het is ook de reden waarom organen die door een andere persoon zijn gedoneerd, kunnen worden afgewezen.

Perifere eiwitten worden typisch gevonden op het binnen- of buitenoppervlak van de lipidedubbellaag, maar kunnen ook worden gehecht aan het interne of externe oppervlak van een integraal eiwit. Deze eiwitten vervullen typisch een specifieke functie voor de cel. Sommige perifere eiwitten op het oppervlak van darmcellen werken bijvoorbeeld als spijsverteringsenzymen om voedingsstoffen af ​​te breken tot afmetingen die door de cellen en in de bloedbaan kunnen gaan.

Transport door het celmembraan

Een van de grote wonderen van het celmembraan is het vermogen om de concentratie van stoffen in de cel te reguleren. Deze stoffen omvatten ionen zoals Ca++, Na+, K+ en Cl – voedingsstoffen zoals suikers, vetzuren en aminozuren en afvalproducten, met name koolstofdioxide (CO2), die de cel moet verlaten.

De lipide dubbellaagse structuur van het membraan biedt het eerste niveau van controle. De fosfolipiden zijn stevig op elkaar gepakt en het membraan heeft een hydrofoob interieur. Deze structuur zorgt ervoor dat het membraan selectief permeabel is. Een membraan met selectieve permeabiliteit laat alleen stoffen die aan bepaalde criteria voldoen er zonder hulp doorheen. In het geval van het celmembraan kunnen alleen relatief kleine, niet-polaire materialen door de lipidedubbellaag bewegen (onthoud dat de lipidestaarten van het membraan niet-polair zijn). Enkele voorbeelden hiervan zijn andere lipiden, zuurstof- en kooldioxidegassen en alcohol. In water oplosbare materialen, zoals glucose, aminozuren en elektrolyten, hebben echter enige hulp nodig om het membraan te passeren, omdat ze worden afgestoten door de hydrofobe staarten van de fosfolipide dubbellaag. Alle stoffen die door het membraan bewegen, doen dit volgens een van de twee algemene methoden, die worden ingedeeld op basis van het al dan niet nodig hebben van energie. Passief transport is de beweging van stoffen door het membraan zonder het verbruik van cellulaire energie. Actief transport daarentegen is de beweging van stoffen door het membraan met behulp van energie uit adenosinetrifosfaat (ATP).

Passief transport

Om het te kunnnen begrijpen hoe stoffen passief door een celmembraan bewegen, is het noodzakelijk om concentratiegradiënten en diffusie te begrijpen. Een concentratiegradiënt is het verschil in concentratie van een stof over een ruimte. Moleculen (of ionen) zullen zich verspreiden/diffunderen van waar ze meer geconcentreerd zijn naar waar ze minder geconcentreerd zijn totdat ze gelijk verdeeld zijn in die ruimte. (Als moleculen op deze manier bewegen, wordt gezegd dat ze bewegen) omlaag hun concentratiegradiënt.) Diffusie is de beweging van deeltjes van een gebied met een hogere concentratie naar een gebied met een lagere concentratie. Een paar veelvoorkomende voorbeelden zullen dit concept helpen illustreren. Stel je voor dat je in een gesloten badkamer bent. Als een fles parfum zou worden verstoven, zouden de geurmoleculen zich natuurlijk verspreiden vanaf de plek waar ze de fles hebben achtergelaten naar alle hoeken van de badkamer, en deze verspreiding zou doorgaan totdat er geen concentratiegradiënt meer is. Een ander voorbeeld is een lepel suiker in een kopje thee. Uiteindelijk zal de suiker door de thee diffunderen totdat er geen concentratiegradiënt meer is. In beide gevallen, als de kamer warmer is of de thee heter, vindt diffusie nog sneller plaats omdat de moleculen tegen elkaar botsen en zich sneller verspreiden dan bij lagere temperaturen. Het hebben van een interne lichaamstemperatuur rond 98,6 ° F helpt dus ook bij de diffusie van deeltjes in het lichaam.

Bezoek deze link om diffusie te zien en hoe deze wordt voortgestuwd door de kinetische energie van moleculen in oplossing. Hoe beïnvloedt temperatuur de diffusiesnelheid en waarom?

Telkens wanneer een stof in grotere concentratie aan één kant van een semipermeabel membraan voorkomt, zoals de celmembranen, zal elke stof die via zijn concentratiegradiënt over het membraan kan bewegen, dit doen. Denk aan stoffen die gemakkelijk door de lipide dubbellaag van het celmembraan kunnen diffunderen, zoals de gassen zuurstof (O2) en co2. O2 diffundeert over het algemeen in cellen omdat het daarbuiten meer geconcentreerd is, en CO2 diffundeert meestal uit cellen omdat het meer geconcentreerd is binnenin. Geen van deze voorbeelden vereist enige energie van de kant van de cel, en daarom gebruiken ze passief transport om over het membraan te bewegen.

Voordat je verder gaat, moet je de gassen bekijken die door een celmembraan kunnen diffunderen. Omdat cellen tijdens het metabolisme snel zuurstof verbruiken, is er doorgaans een lagere O .-concentratie2 binnen de cel dan buiten. Dientengevolge zal zuurstof uit de interstitiële vloeistof rechtstreeks door de lipide dubbellaag van het membraan en in het cytoplasma in de cel diffunderen. Anderzijds omdat cellen CO . produceren2 als bijproduct van de stofwisseling, CO2 concentraties stijgen in het cytoplasma daarom CO2 zal van de cel door de lipide dubbellaag naar de interstitiële vloeistof gaan, waar de concentratie lager is. Dit mechanisme van moleculen die over een celmembraan bewegen van de kant waar ze meer geconcentreerd zijn naar de kant waar ze minder geconcentreerd zijn, is een vorm van passief transport dat eenvoudige diffusie wordt genoemd ((figuur)).

Grote polaire of ionische moleculen, die hydrofiel zijn, kunnen niet gemakkelijk de fosfolipide dubbellaag passeren. Zeer kleine polaire moleculen, zoals water, kunnen vanwege hun kleine formaat kruisen via eenvoudige diffusie. Geladen atomen of moleculen van elke grootte kunnen het celmembraan niet passeren via eenvoudige diffusie omdat de ladingen worden afgestoten door de hydrofobe staarten in het binnenste van de fosfolipide dubbellaag. Opgeloste stoffen opgelost in water aan weerszijden van het celmembraan hebben de neiging om hun concentratiegradiënten te diffunderen, maar omdat de meeste stoffen niet vrij door de lipide dubbellaag van het celmembraan kunnen gaan, is hun beweging beperkt tot eiwitkanalen en gespecialiseerde transportmechanismen in het membraan . Gefaciliteerde diffusie is het diffusieproces dat wordt gebruikt voor die stoffen die de lipidedubbellaag niet kunnen passeren vanwege hun grootte, lading en/of polariteit ((Figuur)). Een veelvoorkomend voorbeeld van gefaciliteerde diffusie is de beweging van glucose in de cel, waar het wordt gebruikt om ATP te maken. Hoewel glucose buiten een cel meer geconcentreerd kan zijn, kan het de lipidedubbellaag niet passeren via eenvoudige diffusie omdat het zowel groot als polair is. Om dit op te lossen, zal een gespecialiseerd dragereiwit, de glucosetransporter genaamd, glucosemoleculen naar de cel overbrengen om de binnenwaartse diffusie te vergemakkelijken.

Hoewel natriumionen (Na+) bijvoorbeeld sterk geconcentreerd zijn buiten de cellen, zijn deze elektrolyten geladen en kunnen ze niet door de niet-polaire lipidedubbellaag van het membraan. Hun diffusie wordt vergemakkelijkt door membraaneiwitten die natriumkanalen (of "poriën") vormen, zodat Na + -ionen hun concentratiegradiënt van buiten de cellen naar binnen de cellen kunnen verlagen. Er zijn veel andere opgeloste stoffen die gefaciliteerde diffusie moeten ondergaan om in een cel te komen, zoals aminozuren, of om uit een cel te komen, zoals afval. Omdat gefaciliteerde diffusie een passief proces is, vereist het geen energieverbruik van de cel.

Water kan ook vrij door het celmembraan van alle cellen bewegen, hetzij door eiwitkanalen of door tussen de lipidestaarten van het membraan zelf te glippen. Osmose is de diffusie van water door een semipermeabel membraan ((Figuur)).

De beweging van watermoleculen zelf wordt niet gereguleerd door cellen, dus het is belangrijk dat cellen worden blootgesteld aan een omgeving waarin de concentratie opgeloste stoffen buiten de cellen (in de extracellulaire vloeistof) gelijk is aan de concentratie opgeloste stoffen in de cellen ( in het cytoplasma). Van twee oplossingen met dezelfde concentratie opgeloste stoffen wordt gezegd dat ze isotoon zijn (gelijke spanning). Wanneer cellen en hun extracellulaire omgeving isotoon zijn, is de concentratie van watermoleculen buiten en binnen de cellen hetzelfde, en behouden de cellen hun normale vorm (en functie).

Osmose treedt op wanneer er een onbalans is tussen opgeloste stoffen buiten een cel versus binnen de cel. Een oplossing met een hogere concentratie opgeloste stoffen dan een andere oplossing wordt hypertoon genoemd en watermoleculen hebben de neiging om in een hypertone oplossing te diffunderen ((Figuur)). Cellen in een hypertone oplossing zullen verschrompelen als water de cel verlaat via osmose. Daarentegen wordt gezegd dat een oplossing met een lagere concentratie opgeloste stoffen dan een andere oplossing hypotoon is en dat watermoleculen de neiging hebben om uit een hypotone oplossing te diffunderen. Cellen in een hypotone oplossing nemen te veel water op en zwellen op, met het risico dat ze uiteindelijk barsten. Een cruciaal aspect van homeostase in levende wezens is het creëren van een interne omgeving waarin alle lichaamscellen zich in een isotone oplossing bevinden. Verschillende orgaansystemen, met name de nieren, werken om deze homeostase te handhaven.

Een ander mechanisme naast diffusie om materialen passief tussen compartimenten te transporteren, is filtratie. In tegenstelling tot diffusie van een stof van waaruit deze meer geconcentreerd naar minder geconcentreerd is, gebruikt filtratie een hydrostatische drukgradiënt die de vloeistof - en de opgeloste stoffen erin - van een gebied met hogere druk naar een gebied met lagere druk duwt. Filtratie is een uiterst belangrijk proces in het lichaam. De bloedsomloop maakt bijvoorbeeld gebruik van filtratie om plasma en stoffen door de endotheliale bekleding van haarvaten en in de omliggende weefsels te verplaatsen, waardoor de cellen van de voedingsstoffen worden voorzien. Filtratiedruk in de nieren zorgt voor het mechanisme om afvalstoffen uit de bloedbaan te verwijderen.

Actief transport

Voor alle hierboven beschreven transportmethoden verbruikt de cel geen energie. Membraaneiwitten die helpen bij het passieve transport van stoffen doen dat zonder het gebruik van ATP. Tijdens actief transport is ATP nodig om een ​​stof over een membraan te verplaatsen, vaak met behulp van eiwitdragers, en meestal tegen zijn concentratiegradiënt.

Een van de meest voorkomende vormen van actief transport zijn eiwitten die als pompen dienen. Het woord "pomp" roept waarschijnlijk gedachten op over het gebruik van energie om de band van een fiets of een basketbal op te pompen. Evenzo is energie van ATP nodig voor deze membraaneiwitten om stoffen - moleculen of ionen - over het membraan te transporteren, meestal tegen hun concentratiegradiënt in (van een gebied met een lage concentratie naar een gebied met een hoge concentratie).

De natrium-kaliumpomp, ook wel Na + / K + ATPase genoemd, transporteert natrium uit een cel terwijl kalium de cel in wordt getransporteerd.De Na+ /K+-pomp is een belangrijke ionenpomp die in de membranen van veel soorten cellen wordt aangetroffen. Deze pompen zijn vooral overvloedig aanwezig in zenuwcellen, die constant natriumionen naar buiten pompen en kaliumionen naar binnen trekken om een ​​elektrische gradiënt over hun celmembranen te handhaven. Een elektrische gradiënt is een verschil in elektrische lading over een ruimte. Bij zenuwcellen bestaat bijvoorbeeld de elektrische gradiënt tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel, waarbij de binnenkant negatief geladen is (ongeveer -70 mV) ten opzichte van de buitenkant. De negatieve elektrische gradiënt wordt gehandhaafd omdat elke Na+/K+-pomp drie Na+-ionen uit de cel en twee K+-ionen de cel in beweegt voor elk gebruikt ATP-molecuul ((Figuur)). Dit proces is zo belangrijk voor zenuwcellen dat het verantwoordelijk is voor het grootste deel van hun ATP-gebruik.

Actieve transportpompen kunnen ook samenwerken met andere actieve of passieve transportsystemen om stoffen over het membraan te verplaatsen. De natrium-kaliumpomp houdt bijvoorbeeld een hoge concentratie natriumionen buiten de cel. Daarom, als de cel natriumionen nodig heeft, hoeft ze alleen maar een passief natriumkanaal te openen, omdat de concentratiegradiënt van de natriumionen ervoor zorgt dat ze in de cel diffunderen. Op deze manier stimuleert de werking van een actieve transportpomp (de natrium-kaliumpomp) het passieve transport van natriumionen door een concentratiegradiënt te creëren. Wanneer actief transport het transport van een andere stof op deze manier aandrijft, wordt dit secundair actief transport genoemd.

Symporters zijn secundaire actieve transporters die twee stoffen in dezelfde richting verplaatsen. De natrium-glucose-symporter gebruikt bijvoorbeeld natriumionen om glucosemoleculen de cel in te "trekken". Omdat cellen glucose opslaan voor energie, bevindt glucose zich doorgaans in een hogere concentratie in de cel dan daarbuiten. Door de werking van de natrium-kaliumpomp zullen natriumionen echter gemakkelijk de cel in diffunderen wanneer de symporter wordt geopend. De stroom natriumionen door de symporter zorgt voor de energie die ervoor zorgt dat glucose door de symporter de cel in kan stromen, tegen de concentratiegradiënt in.

Omgekeerd zijn antiporters secundaire actieve transportsystemen die stoffen in tegengestelde richtingen transporteren. De natrium-waterstof-ion-antiporter gebruikt bijvoorbeeld de energie van de binnenwaartse stroom van natriumionen om waterstofionen (H+) uit de cel te verplaatsen. De natrium-waterstof antiporter wordt gebruikt om de pH van het binnenste van de cel te handhaven.

Bij andere vormen van actief transport zijn geen membraandragers betrokken. Endocytose (het "in de cel brengen") is het proces waarbij een cel materiaal opneemt door het in een deel van zijn celmembraan te omhullen en vervolgens dat deel van het membraan af te knijpen ((Figuur)). Eenmaal afgeknepen, wordt het deel van het membraan en de inhoud ervan een onafhankelijk, intracellulair blaasje. Een blaasje is een vliezige zak - een bolvormig en hol organel dat wordt begrensd door een lipide dubbellaags membraan. Endocytose brengt vaak materialen in de cel die afgebroken of verteerd moeten worden. Fagocytose ("celeten") is de endocytose van grote deeltjes. Veel immuuncellen nemen deel aan fagocytose van binnendringende pathogenen. Net als kleine Pac-mannetjes is het hun taak om lichaamsweefsels te patrouilleren op ongewenste stoffen, zoals het binnendringen van bacteriële cellen, ze te fagocyteren en ze te verteren. In tegenstelling tot fagocytose brengt pinocytose (“celdrinken”) vloeistof met opgeloste stoffen via membraanblaasjes in een cel.

Fagocytose en pinocytose nemen grote hoeveelheden extracellulair materiaal op, en ze zijn doorgaans niet erg selectief in de stoffen die ze binnenbrengen. Cellen reguleren de endocytose van specifieke stoffen via receptor-gemedieerde endocytose. Receptor-gemedieerde endocytose is endocytose door een deel van het celmembraan dat veel receptoren bevat die specifiek zijn voor een bepaalde stof. Zodra de oppervlaktereceptoren voldoende hoeveelheden van de specifieke stof (het ligand van de receptor) hebben gebonden, zal de cel het deel van het celmembraan dat de receptor-ligandcomplexen bevat endocyteren. IJzer, een vereist bestanddeel van hemoglobine, wordt op deze manier door rode bloedcellen geendocyteerd. IJzer is in het bloed gebonden aan een eiwit dat transferrine wordt genoemd. Specifieke transferrinereceptoren op het oppervlak van rode bloedcellen binden de ijzer-transferrinemoleculen en de cel endocytoses de receptor-ligandcomplexen.

In tegenstelling tot endocytose is exocytose (uit de cel halen) het proces waarbij een cel materiaal exporteert met behulp van vesiculair transport ((Figuur)). Veel cellen produceren stoffen die moeten worden uitgescheiden, zoals een fabriek die een product maakt voor de export. Deze stoffen zijn typisch verpakt in membraangebonden blaasjes in de cel. Wanneer het blaasjemembraan versmelt met het celmembraan, geeft het blaasje de inhoud af aan de interstitiële vloeistof. Het vesikelmembraan wordt dan onderdeel van het celmembraan. Cellen van de maag en pancreas produceren en scheiden spijsverteringsenzymen uit via exocytose ((figuur)). Endocriene cellen produceren en scheiden hormonen uit die door het lichaam worden gestuurd, en bepaalde immuuncellen produceren en scheiden grote hoeveelheden histamine af, een chemische stof die belangrijk is voor immuunreacties.

Bekijk de University of Michigan WebScope om het weefselmonster in meer detail te onderzoeken.

Cel: Cystic Fibrosis Cystic fibrosis (CF) treft ongeveer 30.000 mensen in de Verenigde Staten, met ongeveer 1.000 nieuwe gevallen per jaar. De genetische ziekte is het meest bekend om zijn schade aan de longen, die ademhalingsmoeilijkheden en chronische longinfecties veroorzaakt, maar het tast ook de lever, alvleesklier en darmen aan. Slechts ongeveer 50 jaar geleden was de prognose voor kinderen geboren met CF erg somber - een levensverwachting die zelden meer dan 10 jaar was. Tegenwoordig, met de vooruitgang in de medische behandeling, leven veel CF-patiënten in de dertig.

De symptomen van CF zijn het gevolg van een slecht functionerend membraanionkanaal, de cystic fibrosis transmembrane conductance regulator of CFTR. Bij gezonde mensen is het CFTR-eiwit een integraal membraaneiwit dat Cl-ionen uit de cel transporteert. Bij een persoon die CF heeft, is het gen voor de CFTR gemuteerd, dus de cel produceert een defect kanaaleiwit dat meestal niet in het membraan wordt opgenomen, maar in plaats daarvan door de cel wordt afgebroken.

De CFTR heeft ATP nodig om te kunnen functioneren, waardoor het Cl-transport een vorm van actief transport is. Deze eigenschap heeft onderzoekers lang in verwarring gebracht omdat de Cl-ionen daadwerkelijk stromen omlaag hun concentratiegradiënt wanneer ze uit cellen worden getransporteerd. Actief transport pompt over het algemeen ionen tegen hun concentratiegradiënt, maar de CFTR vormt een uitzondering op deze regel.

In normaal longweefsel zorgt de beweging van Cl- uit de cel voor een Cl-rijke, negatief geladen omgeving direct buiten de cel. Dit is vooral belangrijk in de epitheliale bekleding van het ademhalingssysteem. Ademhalingsepitheelcellen scheiden slijm af, dat dient om stof, bacteriën en ander vuil op te vangen. Een cilium (meervoud = cilia) is een van de haarachtige aanhangsels die op bepaalde cellen worden aangetroffen. Cilia op de epitheelcellen verplaatsen het slijm en de daarin opgesloten deeltjes door de luchtwegen, weg van de longen en naar buiten. Om effectief naar boven te worden verplaatst, mag het slijm niet te stroperig zijn, maar moet het een dunne, waterige consistentie hebben. Het transport van Cl – en het in stand houden van een elektronegatieve omgeving buiten de cel trekken positieve ionen zoals Na+ naar de extracellulaire ruimte. De accumulatie van zowel Cl- als Na+-ionen in de extracellulaire ruimte creëert slijm dat rijk is aan opgeloste stoffen, dat een lage concentratie aan watermoleculen heeft. Als gevolg hiervan verplaatst water zich door osmose van cellen en extracellulaire matrix naar het slijm, waardoor het wordt "uitdunnen". Op deze manier wordt het slijm in een normaal ademhalingssysteem voldoende verwaterd gehouden om uit het ademhalingssysteem te worden voortgestuwd.

Als het CFTR-kanaal afwezig is, worden Cl-ionen niet in voldoende aantallen uit de cel getransporteerd, waardoor ze geen positieve ionen kunnen aantrekken. De afwezigheid van ionen in het uitgescheiden slijm resulteert in het ontbreken van een normale waterconcentratiegradiënt. Er is dus geen osmotische druk die water in het slijm trekt. Het resulterende slijm is dik en plakkerig en het trilhaarepitheel kan het niet effectief uit het ademhalingssysteem verwijderen. Doorgangen in de longen raken verstopt met slijm, samen met het puin dat het draagt. Bacteriële infecties treden gemakkelijker op omdat bacteriële cellen niet effectief uit de longen worden afgevoerd.

Hoofdstukoverzicht

Het celmembraan vormt een barrière rond de cel en scheidt de interne componenten van de extracellulaire omgeving. Het is samengesteld uit een fosfolipide dubbellaag, met hydrofobe interne lipide "staarten" en hydrofiele externe fosfaat "koppen". Verschillende membraaneiwitten zijn verspreid over de dubbellaag, zowel erin ingevoegd als perifeer eraan gehecht. Het celmembraan is selectief permeabel, waardoor slechts een beperkt aantal materialen door de lipidedubbellaag kan diffunderen. Alle materialen die het membraan passeren, doen dit met behulp van passieve (niet-energieverslindende) of actieve (energieverstrekkende) transportprocessen. Tijdens passief transport bewegen materialen door eenvoudige diffusie of door gefaciliteerde diffusie door het membraan, langs hun concentratiegradiënt. Water passeert het membraan in een diffusieproces dat osmose wordt genoemd. Tijdens actief transport wordt energie verbruikt om materiaal te helpen bewegen over het membraan in een richting tegen hun concentratiegradiënt in. Actief transport kan plaatsvinden met behulp van eiwitpompen of door het gebruik van blaasjes.

Interactieve linkvragen

Bezoek deze link om diffusie te zien en hoe deze wordt voortgestuwd door de kinetische energie van moleculen in oplossing. Hoe beïnvloedt temperatuur de diffusiesnelheid en waarom?

Hogere temperaturen versnellen de diffusie omdat moleculen meer kinetische energie hebben bij hogere temperaturen.

Beoordelingsvragen

Omdat ze zijn ingebed in het membraan, zijn ionenkanalen voorbeelden van ________.

  1. receptor eiwitten
  2. integrale eiwitten
  3. perifere eiwitten
  4. glycoproteïnen

De diffusie van stoffen in een oplossing heeft de neiging om die stoffen ________ hun ________ gradiënt te verplaatsen.

Ionenpompen en fagocytose zijn beide voorbeelden van ________.

  1. endocytose
  2. passief transport
  3. actief transport
  4. gefaciliteerde diffusie

Kies het antwoord dat het beste aansluit bij de volgende analogie: Diffusie is tot ________ zoals endocytose is tot ________.

  1. filtratie fagocytose
  2. osmose pinocytose
  3. opgeloste stoffen vloeistof
  4. gradiënt chemische energie

Vragen over kritisch denken

Welke materialen kunnen gemakkelijk door de lipidedubbellaag diffunderen, en waarom?

Alleen materialen die relatief klein en niet-polair zijn, kunnen gemakkelijk door de lipidedubbellaag diffunderen. Grote deeltjes passen niet tussen de individuele fosfolipiden die samengepakt zijn, en polaire moleculen worden afgestoten door de hydrofobe/niet-polaire lipiden die de binnenkant van de dubbellaag bekleden.

Waarom wordt gezegd dat receptor-gemedieerde endocytose selectiever is dan fagocytose of pinocytose?

Receptor-gemedieerde endocytose is selectiever omdat de stoffen die in de cel worden gebracht de specifieke liganden zijn die zouden kunnen binden aan de receptoren die worden geendocyteerd. Fagocytose of pinocytose daarentegen hebben niet zo'n receptor-ligandspecificiteit en brengen alle materialen binnen die zich dicht bij het membraan bevinden wanneer het is omhuld.

Wat hebben osmose, diffusie, filtratie en de beweging van ionen weg van dezelfde lading met elkaar gemeen? Op welke manier verschillen ze?

Deze vier verschijnselen zijn vergelijkbaar in die zin dat ze de beweging van stoffen langs een bepaald type gradiënt beschrijven. Osmose en diffusie hebben betrekking op de beweging van respectievelijk water en andere stoffen langs hun concentratiegradiënt. Filtratie beschrijft de beweging van deeltjes langs een drukgradiënt, en de beweging van ionen weg van dezelfde lading beschrijft hun beweging langs hun elektrische gradiënt.

Woordenlijst


Peiwitten drijvend in een zee van fosfolipiden

Er is een breed scala aan eiwitten die rond het celmembraan drijven. Elk type eiwit heeft een specifieke functie. Zonder plasma-eiwitten zou de fysiologie van de cel verschillen van de huidige vorm.

Receptor eiwitten heb een groef waar hormonen met de complementaire vorm kan hechten (vergelijkbaar met hoe een substraat hecht aan de actieve plaats van een enzym). Wanneer een hormoon bindt aan een receptoreiwit, start het een cellulaire reactie. Insulinereceptoren zijn bijvoorbeeld overvloedig aanwezig in de membranen van skeletspiercellen, omdat spieren veel glucose nodig hebben om te functioneren. Aangezien glucose polair is en niet door de fosfolipide dubbellaag kan diffunderen, moet het via een deur (kanaaleiwit) naar binnen gaan. Een gesloten deur heeft echter een hormoon nodig om hem te ontgrendelen. Wanneer het hormoon insuline zich bindt aan zijn receptoreiwit, ontgrendelt het een kanaaleiwit (deur) en gaat het open, waardoor glucose de cel kan binnendringen.

kanaal eiwitten passief transport gebruiken om kleinere ionen en polaire moleculen door het membraan te verplaatsen. Wanneer een molecuul door een kanaaleiwit beweegt, wordt het genoemd gefaciliteerde diffusie.

Eiwitpompen zijn pompionen van gebieden met een lage concentratie van een opgeloste stof naar een gebied met een hoge concentratie. Het pompen van ionen vereist dat de cel energie (ATP) gebruikt.

Cellen kunnen de cellen van uw lichaam onderscheiden van vreemde cellen via membraaneiwitten genaamd zelf-antigenen. Elke persoon heeft een uniek eigen antigeen en je immuunsysteem zal elke cel met een ander antigeen aanvallen en vernietigen. Genetica bepaalt de vorm van het zelf-antigeen van een individu, dus als je een identieke tweeling hebt, zijn jullie twee de uitzondering op de regel en delen ze hetzelfde zelf-antigeen.


Epidemiologie van voeding en diabetes mellitus

Jahangir Moini MD, MPH, in epidemiologie van diabetes, 2019

Fosfolipiden

Fosfolipiden hebben, net als triglyceriden, een "ruggengraat" gemaakt van glycerol, waarbij vetzuren worden veresterd op de plaats van de eerste twee alcoholen. Deze kenmerken zijn cruciaal voor de bepaling van de functie en vorm van het celmembraan. De derde alcohol is veresterd tot een fosfaatcomponent die is gekoppeld aan choline, ethanolamine, serine of een ander molecuul.

Vetzuren met lange ketens die hydrofobe gebieden vormen, en de geladen componenten aan het einde van het molecuul, betekenen dat fosfolipiden ideaal zijn voor het genereren van celmembranen en de lipoproteïne-oppervlaktecomponenten. De oriëntatie van de dubbellaag is zodanig dat hydrofobe gebieden naar elkaar wijzen. De hydrofiele gebieden hebben interacties met de waterige omgeving. Er is een symmetrische verdeling van fosfolipiden in celmembranen. De choline-bevattende lipiden zijn naar het buitenoppervlak gericht. De amine-bevattende lipiden zijn gericht naar het cytoplasmatische oppervlak. Aangezien aminofosfolipide fosfatidylsterine op het celoppervlak verschijnt, is er een initiatie van bloedstolling evenals markering van apoptotische cellen voor fagocytose.


Hebben celmembranen meer fosfolipiden in de ene laag dan in de andere? - Biologie

Geschikt voor A/AS-niveau en Hogere biologiestudenten.
Scroll naar beneden voor antwoorden.

1. Welke van deze maakt deel uit van het celmembraan?
A. triglyceriden
B. fosfolipiden
C. ATP
NS. meer dan een van deze

2. Hoe komen vetoplosbare moleculen normaal gesproken in een cel?
A. ze lossen op in de vetlagen van het membraan en komen de cel binnen door diffusie
B. ze gaan door eiwitporiën in het celmembraan
C. ze worden geabsorbeerd door fagocytose
NS. ze komen nooit binnen

3. De fosfolipiden zijn ongebruikelijke moleculen omdat:
A. ze hebben hydrofiele regio's
B. ze hebben hydrofobe gebieden
C. het zijn triglyceriden
NS. zowel A als B

4. Welke van de volgende uitspraken beschrijft het beste het "vloeibare mozaïekmodel" van de structuur van het celmembraan?
A. twee eiwitlagen met lipidelagen tussen de eiwitlagen
B. twee lagen lipide met eiwitten tussen de lipidelagen
C. een dubbele laag lipidemoleculen met eiwitmoleculen gesuspendeerd in de laag
NS. Een enkele laag eiwit aan de buitenkant en een enkele laag lipiden aan de binnenkant

5. De verplaatsing van chloride-ionen van een gebied waar chloride geconcentreerd is naar een gebied waar chloride minder geconcentreerd is, welke van deze is?
A. diffusie
B. actief transport
C. osmose
NS. exocytose

6. Als een cel een opgeloste stofconcentratie van 0,07% heeft, welke van de oplossingen zou dan hypotoon zijn voor de cel?
A. 0,01% opgeloste stof
B. 0,1% opgeloste stof
C. 1% opgeloste stof
NS. 10% opgeloste stof

7. Welke van de volgende zaken is nodig om osmose te laten optreden?
A. een permeabel membraan
B. een semi-permeabel membraan
C. een isotone oplossing
NS. ATP

8. Welke van deze zijn passieve transportmechanismen?
A. osmose
B. diffusie
C. fagocytose
NS. zowel A als B

9. In een isotone oplossing zou er zijn:
A. geen netto beweging van water
B. netto beweging van water in de cel
C. netto beweging van water uit de cel
NS. barsten van de cel

10. De natrium-kaliumpomp (die natrium uit een cel en kalium in een cel transporteert) is een voorbeeld van:
A. actief transport
B. endocytose
C. exocytose
NS. passief transport

11. Het proces van een cel die een vast object overspoelt is:
A. fagocytose
B. exocytose
C. pinocytose
NS. diffusie

12. Wat gebeurt er waarschijnlijk met een plantencel die in zuiver water wordt geplaatst?
A. het wordt gezwollen
B. het wordt slap
C. het ondergaat plasmolyse
NS. het barst

13. Wanneer een cel barst door osmose, bevindt deze zich in een oplossing die:
A. hypertoon
B. isotoon
C. hypotoon
NS. ofwel A of C

14. Waarom gedragen plantencellen zich anders dan dierlijke cellen wanneer ze in een hypotone oplossing worden geplaatst?
A. Plantencellen zijn doorlaatbaar voor water
B. Plantencellen voeren geen actief transport uit
C. Plantencellen bevatten een vacuole
NS. Plantencellen hebben een celwand

15. Welke van deze vergelijkingen is juist?
A. ATP + anorganisch fosfaat --> ADP
B. ADP + anorganisch fosfaat --> ATP
C. ATP + ADP --> anorganisch fosfaat

Antwoorden: 1b, 2a, 3b, 4c, 5a, 6a, 7a, 8d, 9a, 10a, 11a, 12a, 13c, 14d, 15b


Snelle opmerkingen over celmembraan

Celmembraan bestaat in wezen uit lipiden en eiwitten. Koolhydraten zijn aanwezig in de vorm van glycoproteïnen en glycolipiden. Membranen bevatten drie verschillende klassen eiwitten: structurele eiwitten, enzymen en dragereiwitten waarvan structurele eiwitten de ruggengraat van het celmembraan vormen en extreem en verlegen lipofiel zijn.

De plasmamembraaneiwitten vallen in twee categorieën, intrinsieke of integrale eiwitten en extrinsieke of perifere eiwitten. De eerste zijn stevig verbonden met het membraan, terwijl de laatste een zwakkere associatie hebben en gebonden zijn door elektrostatische interactie. De lipiden in het membraan bestaan ​​naast glycolipiden en sterolen voornamelijk uit fosfolipiden.

Polaire lipiden bevatten hydrofiele koppen en hydrofobe staarten, overbrugd door een glycerolgroep.

Opmerking # 2. Structuur van celmembraan:

Er zijn verschillende modellen voorgesteld om de fysische en biologische kenmerken van celmembranen te verklaren.

(a) Trilaminair sandwichmodel (Danielli-Davson):

Volgens dit model bestaat de bimoleculaire lipidelaag uit twee lagen moleculen met de poolgebieden aan de buitenkant. Van bolvormige eiwitten wordt gedacht dat ze geassocieerd zijn met de polaire groepen van het lipide (Fig. 2.35). De eiwitten zijn van twee soorten: tangentieel gerangschikte eiwitten in contact met het lipide en bolvormige eiwitten op het buitenoppervlak.

De lipiden in het membraan bestaan ​​voornamelijk uit fosfolipiden, met hun niet-polaire groepen dicht bij elkaar en hun polaire groepen naar buiten gericht. De lipidelaag bestaat in veel gevallen uit een fosfolipide lecithine afgewisseld met een steroïde molecuul cholesterol. Het lecithinemolecuul bestaat uit twee lipideketens van glycerol en een polaire kop die fosfaat en choline bevat.

(b) Eenheidsmembraan (Robertson):

De basiseenheidsmembraanstructuur werd als algemeen beschouwd voor een grote verscheidenheid aan planten- en dierencellen. Membranen van celorganellen zoals mito­chondria, lysosomen, plastiden, Golgi-complex, het endoplasmatisch reticulum en de nucleaire enveloppe werden verondersteld de eenheidsmembraanstructuur te hebben, wat de cellulaire universaliteit aangeeft.

Het eenheidsmembraan wordt als trilaminair beschouwd, met een bimoleculaire lipidelaag tussen twee pro­teïnelagen (Fig. 2.36).

Onder de elektronenmicroscoop lijkt het celmembraan na osmiumfixatie als twee dichte osmiofiele banden, gescheiden door een heldere zone. Elke dichte band bestaat uit eiwit (20A) en de polaire groepen van de lipiden (SA), en is dus 25A dik (Fig. 2.37). De heldere zone is 25A dik en bestaat uit de bimoleculaire lipidelaag zonder de polaire groepen.

Het eenheidsmembraan is dus 75A, met een 35A lipidelaag tussen twee eiwitlagen, elk 20A m dikte.

(c) Vloeistof-mozaïekmodel (Singer en Nicolson):

Membraan wordt beschouwd als een quasifluïde structuur waarin de lipiden en integrale eiwitten op een mozaïekmanier zijn gerangschikt (Fig. 2.38). De vloeibaarheid van het membraan is het resultaat van de hydrofobe interactie tussen lipiden en eiwitten. Er is een continue dubbellaag van fosfolipidemoleculen waarin globulaire eiwitten zijn ingebed.

De bolvormige eiwitten van het membraan worden beschouwd als van twee verschillende typen, extrinsieke (perifere) eiwitten en intrinsieke (integrale) eiwitten. De perifere eiwitten zijn oplosbaar, worden gemakkelijk van het membraan gedissocieerd en bevinden zich volledig buiten de lipidedubbellaag.

De integrale eiwitten zijn relatief onoplosbaar en dringen elk oppervlak van de lipidedubbellaag binnen. De integrale eiwitten zijn amfipathisch met hydrofiele polaire koppen die uitsteken vanaf het oppervlak van het membraan, terwijl de niet-polaire gebieden zijn ingebed in het binnenste van het membraan.

De integrale eiwitten zijn in staat tot laterale diffusie in de lipidedubbellaag. De lipidedubbellaag heeft veel dynamische bewegingseigenschappen - snelle interne beweging met buiging, laterale diffusie van de lipiden, overdracht van lipidemoleculen van de ene kant van de dubbellaag naar de andere, rotatie om hun assen. Door de snelle beweging van de lipide- en eiwitmoleculen wordt het membraan als zeer vloeibaar beschouwd.

Opmerking # 3. Functie van celmembraan:

Het plasmamembraan fungeert als een barrière die echter de beweging van bepaalde stoffen in en uit de cel toelaat. Celmembranen zijn selectief permeabel in plaats van semi-permeabel. Het transport van moleculen door het membraan kan actief of passief zijn.

Zo reguleert het membraan de doorgang van bepaalde nutriëntenmoleculen naar de cel, de verwijdering van afvalproducten en de afgifte van secretieproduct uit de cel.

Het beschermt ook verschillende organellen van het cytoplasma en geeft vorm aan de cel en soms geeft het de oorsprong van bepaalde celorganellen. Het celmembraan bevat ook receptoren die specifieke hormoonmoleculen herkennen die reageren op een verscheidenheid aan stimuli en de plaatsen voor celherkenning. Het plasmamem­brane van bacteriën bevat de elektronentransportketen die een belangrijke rol speelt bij celres­piration.

Opmerking # 4. Bestanddelen van celmembraan:

Membraanlipiden zijn amfipathische moleculen die zowel hydro­fobe vetzuurketens als een hydrofiele polaire kopgroep bevatten. Drie hoofdklassen van lipiden zijn gewoonlijk aanwezig in membraan: glycerofosfolipiden, sphingolipiden en sterolen.

De glycerofosfolipiden hebben een glycerolruggengraat die is bevestigd aan twee vetzuurkoolwaterstofketens en een gefosforyleerde kopgroep. Deze omvatten fosfatidaat, fosfatidylcholine, fosfatidylethanolamine, fosfatidylglycerol, fosfatidylinositol, fosfatidylserine en difosfatidylglycerol.

De sphingolipiden zijn gebaseerd op sfingosine waaraan een enkele vetzuurketen en ofwel een gefosforyleerde kopgroep (sfingomyeline) of suikerresiduen (glycosfingolipiden) zijn gehecht. Sterolen omvatten cholesterol, stigma-sterol en β-sitosterol.

Lipidemoleculen spelen een belangrijke rol bij het in stand houden van de vloeistofeigenschap van het membraan. Vanwege de afwezigheid van covalente bindingen tussen de lipiden in de dubbellaag, heeft het membraan vloeibaarheid. De flip-flop beweging van lipidemoleculen komt zeer zelden voor van de ene lipidemonolaag naar de andere monolaag van de lipide bimoleculaire laag.

Ze wisselen echter gemakkelijk van plaats met hun buren binnen een monolaag (

10 7 keer per seconde) wat resulteert in hun snelle laterale diffusie. Individuele lipidemoleculen roteren zeer snel rond hun lange assen en de koolwaterstofketens zijn flexibel en veroorzaken de grootste mate van flexie nabij het midden van de dubbellaag (Fig. 2.39).

De dubbele bindingen in onverzadigde koolwaterstof- en koolstofketens hebben de neiging om de vloeibaarheid van de fosfolipidedubbellaag te vergroten door het moeilijker te maken om de ketens samen te pakken. Van sterolen wordt gedacht dat ze zowel de flexibiliteit als de mechanische stabiliteit van de dubbellaag verbeteren.

Sterolmoleculen oriënteren zich zodanig in de dubbellaag dat hun hydroxylgroepen dicht bij polaire kopgroepen van de fosfolipiden blijven, hun stijve plaatachtige steroïdringen interageren met en gedeeltelijk immobiliseren die gebieden van koolwaterstofketens die het dichtst bij de polaire kopgroepen liggen , waardoor de rest van de ketting flexibel blijft (Fig. 2.40).

Sterol remt de faseovergang door te voorkomen dat de koolwaterstofketen samenkomt. Inositolfosfolipiden zijn functioneel erg belangrijk, vooral bij celsignalering. Glycolipiden helpen bij celherkenning en -shynition.

De hoeveelheid en soorten eiwit in de membranen zijn zeer variabel. Afhankelijk van hun positie zijn de eiwitten intrinsiek (integraal) of extrinsiek (perifere). Intrinsieke eiwitten zijn nauw verbonden met de hydrofobe kern van de lipidedubbellaag.

De meeste van hen hebben het gebied van polypeptideketens die de lipidedubbellaag doorkruisen door niet-covalente interacties, terwijl sommige eiwitten covalent zijn gehecht en het membraan niet doorkruisen. Integrale eiwitten zijn asymmetrisch verdeeld over het membraan.

Extrinsieke eiwitten zijn losjes gebonden aan het oppervlak van het plasmamem­brane door niet-covalente ionische en waterstofbindingen, geen enkel deel ervan interageert binnen het hydrofobe binnenste van de dubbellaag.

Structurele eiwitten van mem­brane zijn extreem lipofiel en vormen het grootste deel, d.w.z. de ruggengraat van het plasmamembraan en verlenen mechanische sterkte. Integrale eiwitten zijn meestal vrij om in het vlak van de dubbellaag te bewegen door laterale en roterende beweging, maar zijn niet in staat om van de ene kant van het membraan naar de andere te kantelen (transversale beweging).

Transporteiwitten (permeasen dragers) trans- en transporteren specifieke stoffen door het plasmamembraan, ofwel gedragen ze zich als mobiele dragers (dragereiwitten) of transportkanalen (kanaaleiwitten) (Fig. 2.41 A). Kanaaleiwitten vormen open poriën door het membraan waardoor de vrije doorgang van elk molecuul van de juiste grootte mogelijk is. Carrier pro­teins binden en transporteren selectief specifieke kleine moleculen, zoals glucose.

Uniport, Symport en Antiport:

Carrier pro­teins die betrokken zijn bij gefaciliteerde diffusie zijn uniporters (transport van één opgeloste stof), symporters (transport van één opgeloste stof hangt af van gelijktijdige overdracht van een tweede opgeloste stof in dezelfde richting) en anti-porters (transport van één opgeloste stof hangt af van gelijktijdige overdracht van een tweede opgeloste stof) , maar in tegengestelde richting) (Fig. 2.41 B).

Ionenfluxen waarbij passief transport betrokken is, worden mogelijk gemaakt door ionenkanalen (elk is een enkelkanaals eiwit). Sommige transmembraaneiwitten katalyseren het transport van anionen, sommige zoals bacteriorodopsine kunnen protonen op een efficiënte manier pompen (door licht aangedreven actief transport). Porines laten geselecteerde hydrofiele opgeloste stoffen door de lipidedubbellaag passeren.

Veel eiwitten in het membraan dienen als enzymkatalysatoren. De enzymen van het plasmamembraan zijn of endo-enzymen of ecto-enzymen en zijn van ongeveer 30 soorten (tabel 2.3). Sommige van de membraaneiwitten kunnen werken als receptoren (bijv. glycoproteïne), regulerende mollen en schubben en kunnen ook werken als antigenen.

iii. Membraan Koolhydraten:

Membraankoolhydraten zijn aanwezig als korte, onvertakte of vertakte ketens van oligosachariden, meestal verbonden met de buitenzijde van het plasmamembraan, in de vorm van covalent gebonden moleculen met ofwel lipiden om glycolipiden te vormen of met eiwitten om glycoproteïnen te vormen.

In glyco­proteins zijn de suikerresiduen ofwel gehecht aan de hydroxylgroep van serine of threonine om O-gebonden oligosachariden te vormen of aan de amidegroep van asparagine om N-gebonden oligosachariden te vormen.

De gebruikelijke suikers die met de eiwitten zijn geassocieerd, zijn D-glucose, D-galactose, D-mannose, D-xylose, L-fucose, L-arabinose en suikerderivaten zoals N-acetyl-D-glucosamine, N-acetyl-D -galactosamine, N-acetyl-muraminezuur. In glycolipiden worden koolhydraten en hydraat via glycosidische bindingen aan de glycerolmoleculen van het lipide gehecht.

Rol van koolhydraten:

De koolhydraten op het buitenoppervlak van het membraan dienen niet alleen de beschermende rol, maar zijn ook betrokken bij intercellulaire herkenning en bij het handhaven van de asymmetrie van het membraan.

Er is gesuggereerd dat vanwege hun aanwezigheid op het buitenoppervlak, het membraan negatief geladen is, dus de positief geladen eiwitten kunnen door elektrostatische interactie aan het plasmamembraan gebonden blijven. Recent werk heeft aangetoond dat glycoproteïnen het vermogen hebben om aan hormonen te binden. Glycolipiden helpen bij celherkenning.


3.1 Het celmembraan

Ondanks verschillen in structuur en functie hebben alle levende cellen in meercellige organismen een omringend celmembraan. Omdat de buitenste laag van je huid je lichaam scheidt van zijn omgeving, scheidt het celmembraan (ook bekend als het plasmamembraan) de binnenste inhoud van een cel van zijn buitenomgeving. Dit celmembraan zorgt voor een beschermende barrière rond de cel en regelt welke materialen er in of uit kunnen gaan.

Structuur en samenstelling van het celmembraan

Het celmembraan is een uiterst buigzame structuur die voornamelijk bestaat uit back-to-back fosfolipiden (een "dubbellaag"). Cholesterol is ook aanwezig, wat bijdraagt ​​aan de vloeibaarheid van het membraan, en er zijn verschillende eiwitten ingebed in het membraan die verschillende functies hebben.

Een enkel fosfolipidemolecuul heeft aan het ene uiteinde een fosfaatgroep, de 'kop' genaamd, en twee naast elkaar gelegen ketens van vetzuren die de lipidestaarten vormen (Figuur 3.2). De fosfaatgroep is negatief geladen, waardoor het hoofd polair en hydrofiel is - of 'waterminnend'. Een hydrofiel molecuul (of gebied van een molecuul) is een molecuul dat wordt aangetrokken door water. De fosfaatkoppen worden dus aangetrokken door de watermoleculen van zowel de extracellulaire als intracellulaire omgevingen. De lipidestaarten daarentegen zijn ongeladen of niet-polair en zijn hydrofoob - of 'watervrezend'. Een hydrofoob molecuul (of gebied van een molecuul) stoot af en wordt afgestoten door water. Sommige lipidestaarten bestaan ​​uit verzadigde vetzuren en sommige bevatten onverzadigde vetzuren. Deze combinatie draagt ​​bij aan de vloeibaarheid van de staarten die constant in beweging zijn. Fosfolipiden zijn dus amfipathische moleculen. Een amfipathisch molecuul is een molecuul dat zowel een hydrofiel als een hydrofoob gebied bevat. In feite werkt zeep om olie- en vetvlekken te verwijderen omdat het amfipathische eigenschappen heeft. Het hydrofiele deel kan oplossen in water, terwijl het hydrofobe deel vet kan vasthouden in micellen die vervolgens kunnen worden weggewassen.

Het celmembraan bestaat uit twee aangrenzende lagen fosfolipiden. De lipidestaarten van de ene laag zijn gericht naar de lipidestaarten van de andere laag en ontmoeten elkaar op het grensvlak van de twee lagen. De fosfolipidekoppen zijn naar buiten gericht, één laag blootgesteld aan de binnenkant van de cel en één laag blootgesteld aan de buitenkant (Figuur 3.3). Omdat de fosfaatgroepen polair en hydrofiel zijn, worden ze aangetrokken door water in de intracellulaire vloeistof. Intracellulaire vloeistof (ICF) is het vloeibare binnenste van de cel. De fosfaatgroepen worden ook aangetrokken door de extracellulaire vloeistof. Extracellulaire vloeistof (ECF) is de vloeistofomgeving buiten de omhulling van het celmembraan. Interstitiële vloeistof (IF) is de term die wordt gegeven aan extracellulaire vloeistof die zich niet in bloedvaten bevindt. Omdat de lipidestaarten hydrofoob zijn, ontmoeten ze elkaar in het binnenste gebied van het membraan, met uitzondering van waterige intracellulaire en extracellulaire vloeistof uit deze ruimte. Het celmembraan heeft veel eiwitten, evenals andere lipiden (zoals cholesterol), die zijn geassocieerd met de fosfolipide dubbellaag. Een belangrijk kenmerk van het membraan is dat het vloeibaar blijft, de lipiden en eiwitten in het celmembraan zitten niet vast op hun plaats.

Membraan Eiwitten

De lipide dubbellaag vormt de basis van het celmembraan, maar is doorspekt met verschillende eiwitten. Twee verschillende soorten eiwitten die gewoonlijk worden geassocieerd met het celmembraan zijn de integrale eiwitten en perifere eiwitten (Figuur 3.4). Zoals de naam al doet vermoeden, is een integraal eiwit een eiwit dat is ingebed in het membraan. Een kanaaleiwit is een voorbeeld van een integraal eiwit dat selectief bepaalde materialen, zoals bepaalde ionen, de cel in of uit laat gaan.

Een andere belangrijke groep integrale eiwitten zijn celherkenningseiwitten, die dienen om de identiteit van een cel te markeren zodat deze door andere cellen kan worden herkend. Een receptor is een type herkenningseiwit dat selectief een specifiek molecuul buiten de cel kan binden, en deze binding veroorzaakt een chemische reactie in de cel. Een ligand is het specifieke molecuul dat bindt aan een receptor en deze activeert. Sommige integrale eiwitten vervullen een dubbele rol als zowel receptor als ionkanaal. Een voorbeeld van een receptor-ligand interactie zijn de receptoren op zenuwcellen die neurotransmitters binden, zoals dopamine. Wanneer een dopaminemolecuul bindt aan een dopaminereceptoreiwit, gaat er een kanaal in het transmembraaneiwit open om bepaalde ionen de cel in te laten stromen.

Sommige integrale membraaneiwitten zijn glycoproteïnen. Een glycoproteïne is een eiwit waaraan koolhydraatmoleculen zijn bevestigd, die zich uitstrekken tot in de extracellulaire matrix. De bijgevoegde koolhydraattags op glycoproteïnen helpen bij celherkenning. De koolhydraten die zich uitstrekken van membraaneiwitten en zelfs van sommige membraanlipiden vormen samen de glycocalyx. De glycocalyx is een wazig lijkende coating rond de cel, gevormd uit glycoproteïnen en andere koolhydraten die aan het celmembraan zijn bevestigd. De glycocalyx kan verschillende rollen hebben. Het kan bijvoorbeeld moleculen hebben waarmee de cel zich aan een andere cel kan binden, het kan receptoren voor hormonen bevatten of het kan enzymen hebben om voedingsstoffen af ​​te breken. De glycocalyces die in het lichaam van een persoon worden gevonden, zijn producten van de genetische samenstelling van die persoon. Ze geven elk van de biljoenen cellen van het individu de "identiteit" van het thuishoren in het lichaam van de persoon. Deze identiteit is de belangrijkste manier waarop de immuunafweercellen van een persoon "weten" om de eigen lichaamscellen van de persoon niet aan te vallen, maar het is ook de reden waarom organen die door een andere persoon zijn gedoneerd, kunnen worden afgewezen.

Perifere eiwitten worden typisch gevonden op het binnen- of buitenoppervlak van de lipidedubbellaag, maar kunnen ook worden gehecht aan het interne of externe oppervlak van een integraal eiwit. Deze eiwitten vervullen typisch een specifieke functie voor de cel. Sommige perifere eiwitten op het oppervlak van darmcellen werken bijvoorbeeld als spijsverteringsenzymen om voedingsstoffen af ​​te breken tot afmetingen die door de cellen en in de bloedbaan kunnen gaan.

Transport door het celmembraan

Een van de grote wonderen van het celmembraan is het vermogen om de concentratie van stoffen in de cel te reguleren. Deze stoffen omvatten ionen zoals Ca++, Na+, K+ en Cl – voedingsstoffen zoals suikers, vetzuren en aminozuren en afvalproducten, met name koolstofdioxide (CO2), die de cel moet verlaten.

De lipide dubbellaagse structuur van het membraan biedt het eerste niveau van controle. De fosfolipiden zijn stevig op elkaar gepakt en het membraan heeft een hydrofoob interieur. Deze structuur zorgt ervoor dat het membraan selectief permeabel is. Een membraan met selectieve permeabiliteit laat alleen stoffen die aan bepaalde criteria voldoen er zonder hulp doorheen. In het geval van het celmembraan kunnen alleen relatief kleine, niet-polaire materialen door de lipidedubbellaag bewegen (onthoud dat de lipidestaarten van het membraan niet-polair zijn). Enkele voorbeelden hiervan zijn andere lipiden, zuurstof- en kooldioxidegassen en alcohol. In water oplosbare materialen, zoals glucose, aminozuren en elektrolyten, hebben echter enige hulp nodig om het membraan te passeren, omdat ze worden afgestoten door de hydrofobe staarten van de fosfolipide dubbellaag. Alle stoffen die door het membraan bewegen, doen dit volgens een van de twee algemene methoden, die worden ingedeeld op basis van het al dan niet nodig hebben van energie. Passief transport is de beweging van stoffen door het membraan zonder het verbruik van cellulaire energie. Actief transport daarentegen is de beweging van stoffen door het membraan met behulp van energie uit adenosinetrifosfaat (ATP).

Passief transport

Om het te kunnnen begrijpen hoe stoffen passief door een celmembraan bewegen, is het noodzakelijk om concentratiegradiënten en diffusie te begrijpen. Een concentratiegradiënt is het verschil in concentratie van een stof over een ruimte. Moleculen (of ionen) zullen zich verspreiden/diffunderen van waar ze meer geconcentreerd zijn naar waar ze minder geconcentreerd zijn totdat ze gelijk verdeeld zijn in die ruimte. (Als moleculen op deze manier bewegen, wordt gezegd dat ze bewegen) omlaag hun concentratiegradiënt.) Diffusie is de beweging van deeltjes van een gebied met een hogere concentratie naar een gebied met een lagere concentratie. Een paar veelvoorkomende voorbeelden zullen dit concept helpen illustreren. Stel je voor dat je in een gesloten badkamer bent. Als een fles parfum zou worden verstoven, zouden de geurmoleculen zich natuurlijk verspreiden vanaf de plek waar ze de fles hebben achtergelaten naar alle hoeken van de badkamer, en deze verspreiding zou doorgaan totdat er geen concentratiegradiënt meer is. Een ander voorbeeld is een lepel suiker in een kopje thee. Uiteindelijk zal de suiker door de thee diffunderen totdat er geen concentratiegradiënt meer is.In beide gevallen, als de kamer warmer is of de thee heter, vindt diffusie nog sneller plaats omdat de moleculen tegen elkaar botsen en zich sneller verspreiden dan bij lagere temperaturen. Het hebben van een interne lichaamstemperatuur rond 98,6 ° F helpt dus ook bij de diffusie van deeltjes in het lichaam.

Interactieve link

Bezoek deze link om diffusie te zien en hoe deze wordt voortgestuwd door de kinetische energie van moleculen in oplossing. Hoe beïnvloedt temperatuur de diffusiesnelheid en waarom?

Telkens wanneer een stof in grotere concentratie aan één kant van een semipermeabel membraan voorkomt, zoals de celmembranen, zal elke stof die via zijn concentratiegradiënt over het membraan kan bewegen, dit doen. Denk aan stoffen die gemakkelijk door de lipide dubbellaag van het celmembraan kunnen diffunderen, zoals de gassen zuurstof (O2) en co2. O2 diffundeert over het algemeen in cellen omdat het daarbuiten meer geconcentreerd is, en CO2 diffundeert meestal uit cellen omdat het meer geconcentreerd is binnenin. Geen van deze voorbeelden vereist enige energie van de kant van de cel, en daarom gebruiken ze passief transport om over het membraan te bewegen.

Voordat je verder gaat, moet je de gassen bekijken die door een celmembraan kunnen diffunderen. Omdat cellen tijdens het metabolisme snel zuurstof verbruiken, is er doorgaans een lagere O .-concentratie2 binnen de cel dan buiten. Dientengevolge zal zuurstof uit de interstitiële vloeistof rechtstreeks door de lipide dubbellaag van het membraan en in het cytoplasma in de cel diffunderen. Anderzijds omdat cellen CO . produceren2 als bijproduct van de stofwisseling, CO2 concentraties stijgen in het cytoplasma daarom CO2 zal van de cel door de lipide dubbellaag naar de interstitiële vloeistof gaan, waar de concentratie lager is. Dit mechanisme van moleculen die over een celmembraan bewegen van de kant waar ze meer geconcentreerd zijn naar de kant waar ze minder geconcentreerd zijn, is een vorm van passief transport dat eenvoudige diffusie wordt genoemd (Figuur 3.5).

Grote polaire of ionische moleculen, die hydrofiel zijn, kunnen niet gemakkelijk de fosfolipide dubbellaag passeren. Zeer kleine polaire moleculen, zoals water, kunnen vanwege hun kleine formaat kruisen via eenvoudige diffusie. Geladen atomen of moleculen van elke grootte kunnen het celmembraan niet passeren via eenvoudige diffusie omdat de ladingen worden afgestoten door de hydrofobe staarten in het binnenste van de fosfolipide dubbellaag. Opgeloste stoffen opgelost in water aan weerszijden van het celmembraan hebben de neiging om hun concentratiegradiënten te diffunderen, maar omdat de meeste stoffen niet vrij door de lipide dubbellaag van het celmembraan kunnen gaan, is hun beweging beperkt tot eiwitkanalen en gespecialiseerde transportmechanismen in het membraan . Gefaciliteerde diffusie is het diffusieproces dat wordt gebruikt voor die stoffen die de lipidedubbellaag niet kunnen passeren vanwege hun grootte, lading en/of polariteit (Figuur 3.6). Een veelvoorkomend voorbeeld van gefaciliteerde diffusie is de beweging van glucose in de cel, waar het wordt gebruikt om ATP te maken. Hoewel glucose buiten een cel meer geconcentreerd kan zijn, kan het de lipidedubbellaag niet passeren via eenvoudige diffusie omdat het zowel groot als polair is. Om dit op te lossen, zal een gespecialiseerd dragereiwit, de glucosetransporter genaamd, glucosemoleculen naar de cel overbrengen om de binnenwaartse diffusie te vergemakkelijken.

Hoewel natriumionen (Na+) bijvoorbeeld sterk geconcentreerd zijn buiten de cellen, zijn deze elektrolyten geladen en kunnen ze niet door de niet-polaire lipidedubbellaag van het membraan. Hun diffusie wordt vergemakkelijkt door membraaneiwitten die natriumkanalen (of "poriën") vormen, zodat Na + -ionen hun concentratiegradiënt van buiten de cellen naar binnen de cellen kunnen verlagen. Er zijn veel andere opgeloste stoffen die gefaciliteerde diffusie moeten ondergaan om in een cel te komen, zoals aminozuren, of om uit een cel te komen, zoals afval. Omdat gefaciliteerde diffusie een passief proces is, vereist het geen energieverbruik van de cel.

Water kan ook vrij door het celmembraan van alle cellen bewegen, hetzij door eiwitkanalen of door tussen de lipidestaarten van het membraan zelf te glippen. Osmose is de diffusie van water door een semipermeabel membraan (Figuur 3.7).

De beweging van watermoleculen zelf wordt niet door sommige cellen gereguleerd, dus het is belangrijk dat deze cellen worden blootgesteld aan een omgeving waarin de concentratie opgeloste stoffen buiten de cellen (in de extracellulaire vloeistof) gelijk is aan de concentratie opgeloste stoffen in de cel. cellen (in het cytoplasma). Van twee oplossingen met dezelfde concentratie opgeloste stoffen wordt gezegd dat ze isotoon zijn (gelijke spanning). Wanneer cellen en hun extracellulaire omgeving isotoon zijn, is de concentratie van watermoleculen buiten en binnen de cellen hetzelfde, en behouden de cellen hun normale vorm (en functie).

Osmose treedt op wanneer er een onbalans is tussen opgeloste stoffen buiten een cel versus binnen de cel. Een oplossing met een hogere concentratie opgeloste stoffen dan een andere oplossing wordt hypertoon genoemd, en watermoleculen hebben de neiging om in een hypertone oplossing te diffunderen (Figuur 3.8). Cellen in een hypertone oplossing zullen verschrompelen als water de cel verlaat via osmose. Daarentegen wordt gezegd dat een oplossing met een lagere concentratie opgeloste stoffen dan een andere oplossing hypotoon is en dat watermoleculen de neiging hebben om uit een hypotone oplossing te diffunderen. Cellen in een hypotone oplossing nemen te veel water op en zwellen op, met het risico dat ze uiteindelijk barsten. Een cruciaal aspect van homeostase in levende wezens is het creëren van een interne omgeving waarin alle lichaamscellen zich in een isotone oplossing bevinden. Verschillende orgaansystemen, met name de nieren, werken om deze homeostase te handhaven.

Een ander mechanisme naast diffusie om materialen passief tussen compartimenten te transporteren, is filtratie. In tegenstelling tot diffusie van een stof van waaruit deze meer geconcentreerd naar minder geconcentreerd is, gebruikt filtratie een hydrostatische drukgradiënt die de vloeistof - en de opgeloste stoffen erin - van een gebied met hogere druk naar een gebied met lagere druk duwt. Filtratie is een uiterst belangrijk proces in het lichaam. De bloedsomloop maakt bijvoorbeeld gebruik van filtratie om plasma en stoffen door de endotheliale bekleding van haarvaten en in de omliggende weefsels te verplaatsen, waardoor de cellen van de voedingsstoffen worden voorzien. Filtratiedruk in de nieren zorgt voor het mechanisme om afvalstoffen uit de bloedbaan te verwijderen.

Actief transport

Voor alle hierboven beschreven transportmethoden verbruikt de cel geen energie. Membraaneiwitten die helpen bij het passieve transport van stoffen doen dat zonder het gebruik van ATP. Tijdens actief transport is ATP nodig om een ​​stof over een membraan te verplaatsen, vaak met behulp van eiwitdragers, en meestal tegen zijn concentratiegradiënt.

Een van de meest voorkomende vormen van actief transport zijn eiwitten die als pompen dienen. Het woord "pomp" roept waarschijnlijk gedachten op over het gebruik van energie om de band van een fiets of een basketbal op te pompen. Evenzo is energie van ATP nodig voor deze membraaneiwitten om stoffen - moleculen of ionen - over het membraan te transporteren, meestal tegen hun concentratiegradiënt in (van een gebied met een lage concentratie naar een gebied met een hoge concentratie).

De natrium-kaliumpomp, ook wel Na + / K + ATPase genoemd, transporteert natrium uit een cel terwijl kalium de cel in wordt getransporteerd. De Na+ /K+-pomp is een belangrijke ionenpomp die in de membranen van veel soorten cellen wordt aangetroffen. Deze pompen zijn vooral overvloedig aanwezig in zenuwcellen, die constant natriumionen naar buiten pompen en kaliumionen naar binnen trekken om een ​​elektrische gradiënt over hun celmembranen te handhaven. Een elektrische gradiënt is een verschil in elektrische lading over een ruimte. Bij zenuwcellen bestaat bijvoorbeeld de elektrische gradiënt tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel, waarbij de binnenkant negatief geladen is (ongeveer -70 mV) ten opzichte van de buitenkant. De negatieve elektrische gradiënt wordt gehandhaafd omdat elke Na+/K+-pomp drie Na+-ionen uit de cel en twee K+-ionen de cel in beweegt voor elk gebruikt ATP-molecuul (Figuur 3.9). Dit proces is zo belangrijk voor zenuwcellen dat het verantwoordelijk is voor het grootste deel van hun ATP-gebruik.

Actieve transportpompen kunnen ook samenwerken met andere actieve of passieve transportsystemen om stoffen over het membraan te verplaatsen. De natrium-kaliumpomp houdt bijvoorbeeld een hoge concentratie natriumionen buiten de cel. Daarom, als de cel natriumionen nodig heeft, hoeft ze alleen maar een passief natriumkanaal te openen, omdat de concentratiegradiënt van de natriumionen ervoor zorgt dat ze in de cel diffunderen. Op deze manier stimuleert de werking van een actieve transportpomp (de natrium-kaliumpomp) het passieve transport van natriumionen door een concentratiegradiënt te creëren. Wanneer actief transport het transport van een andere stof op deze manier aandrijft, wordt dit secundair actief transport genoemd.

Symporters zijn secundaire actieve transporters die twee stoffen in dezelfde richting verplaatsen. De natrium-glucose-symporter gebruikt bijvoorbeeld natriumionen om glucosemoleculen de cel in te "trekken". Omdat cellen glucose opslaan voor energie, bevindt glucose zich doorgaans in een hogere concentratie in de cel dan daarbuiten. Door de werking van de natrium-kaliumpomp zullen natriumionen echter gemakkelijk de cel in diffunderen wanneer de symporter wordt geopend. De stroom natriumionen door de symporter zorgt voor de energie die ervoor zorgt dat glucose door de symporter de cel in kan stromen, tegen de concentratiegradiënt in.

Omgekeerd zijn antiporters secundaire actieve transportsystemen die stoffen in tegengestelde richtingen transporteren. De natrium-waterstof-ion-antiporter gebruikt bijvoorbeeld de energie van de binnenwaartse stroom van natriumionen om waterstofionen (H+) uit de cel te verplaatsen. De natrium-waterstof antiporter wordt gebruikt om de pH van het inwendige van de cel te handhaven.

Bij andere vormen van actief transport zijn geen membraandragers betrokken. Endocytose ('in de cel brengen') is het proces waarbij een cel materiaal opneemt door het in een deel van zijn celmembraan te omhullen en vervolgens dat deel van het membraan af te knijpen (Figuur 3.10). Eenmaal afgeknepen, wordt het deel van het membraan en de inhoud ervan een onafhankelijk, intracellulair blaasje. Een blaasje is een vliezige zak - een bolvormig en hol organel dat wordt begrensd door een lipide dubbellaags membraan. Endocytose brengt vaak materialen in de cel die afgebroken of verteerd moeten worden. Fagocytose ("celeten") is de endocytose van grote deeltjes. Veel immuuncellen nemen deel aan fagocytose van binnendringende pathogenen. Net als kleine Pac-mannetjes is het hun taak om lichaamsweefsels te patrouilleren op ongewenste stoffen, zoals het binnendringen van bacteriële cellen, ze te fagocyteren en ze te verteren. In tegenstelling tot fagocytose brengt pinocytose (“celdrinken”) vloeistof met opgeloste stoffen via membraanblaasjes in een cel.

Fagocytose en pinocytose nemen grote hoeveelheden extracellulair materiaal op, en ze zijn doorgaans niet erg selectief in de stoffen die ze binnenbrengen. Cellen reguleren de endocytose van specifieke stoffen via receptor-gemedieerde endocytose. Receptor-gemedieerde endocytose is endocytose door een deel van het celmembraan dat veel receptoren bevat die specifiek zijn voor een bepaalde stof. Zodra de oppervlaktereceptoren voldoende hoeveelheden van de specifieke stof (het ligand van de receptor) hebben gebonden, zal de cel het deel van het celmembraan dat de receptor-ligandcomplexen bevat endocyteren. IJzer, een vereist bestanddeel van hemoglobine, wordt op deze manier door rode bloedcellen geendocyteerd. IJzer is in het bloed gebonden aan een eiwit dat transferrine wordt genoemd. Specifieke transferrinereceptoren op het oppervlak van rode bloedcellen binden de ijzer-transferrinemoleculen en de cel endocytoses de receptor-ligandcomplexen.

In tegenstelling tot endocytose is exocytose (uit de cel halen) het proces waarbij een cel materiaal exporteert met behulp van vesiculair transport (Figuur 3.11). Veel cellen produceren stoffen die moeten worden uitgescheiden, zoals een fabriek die een product maakt voor de export. Deze stoffen zijn typisch verpakt in membraangebonden blaasjes in de cel. Wanneer het blaasjemembraan versmelt met het celmembraan, geeft het blaasje de inhoud af aan de interstitiële vloeistof. Het vesikelmembraan wordt dan onderdeel van het celmembraan. Cellen van maag en pancreas produceren en scheiden spijsverteringsenzymen uit via exocytose (Figuur 3.12). Endocriene cellen produceren en scheiden hormonen uit die door het lichaam worden gestuurd, en bepaalde immuuncellen produceren en scheiden grote hoeveelheden histamine af, een chemische stof die belangrijk is voor immuunreacties.


Bekijk de video: #8 Het celmembraan (November 2021).