Hoorcollege 16 & 17

HC 16 “compartimentering”Compartimentering betekend de communicatie tussen delen van cellen en tussen cellen onderling.

Ziekteprocessen hebben meestal hun oorzaak op cellulair niveau. Ze hebben of hun oorsprong in cellen, dat betekend dat de cellen niet goed functioneren, door bijvoorbeeld een mutatie. Of door een externe factoren, bijvoorbeeld een bacterie infectie of een virus infectie, leiden tot beschadiging.

Cellen zijn de functionele bouwstenen van het leven. Eencellige hebben beperkte aanpassingsmogelijkheden. Alle functies moeten worden vervuld door een cel om in leven te blijven. Bij meercellige organismen kunnen cellen specialiseren, er worden taken aan cellen toegewezen. Deze cellen hebben zich gedifferentieerd. Dit zorgt voor een grotere aanpassingsmogelijkheid.

Cellen zijn onderverdeeld in organellen. Alle cellen bewegen. Met een microscoop kan je naar cellen kijken. Met een elektronenmicroscoop kan je ook nog de organellen bekijken, omdat deze een hogere resolutie heeft. Met een lichtmicroscoop kan je alleen de kern onderscheiden. Alle organellen zitten dicht op elkaar. Er zit veel meer membraan in de cel, dan de membraan waar de cel mee omgeven is. Het cytoplasma is een soort vloeibare kristalvorm doordat de eiwitten zo dicht tegen elkaar aan zitten. Deze eiwitten gaan ook veel interacties met elkaar aan. Het cytosol is alles wat in de cel zit behalve de kern en de organellen. Dit is ongeveer 50% van het totale cel volume.

Sommige cellen hebben meerdere kernen (spiercel). Daarentegen hebben rode bloedcellen helemaal geen kern. Van het endoplasmatisch reticulum is er eigenlijk maar 1 van in een cel. Dit komt doordat alle membranen compartiment met elkaar zijn. Hetzelfde geldt voor het golgi apparaat. Van mitochondria zijn er echter heel veel in de cel. Lysosomen en endosomen maken deel uit van het endocytotische systeem.

Plasma membraanHet plasma membraan zorgt voor actief en passief transport de cel in. Maar ook reguleert het het transport de cel uit. Door de activiteit van transporters in het plasma membraan wordt het juiste milieu gecreëerd in de cel. Sommige ionconcetraties zijn heel hoog en andere weer laag. Amfifiele moleculen kunnen in het plasma membraan worden omgezet tot andere stoffen met behulp van enzymen die in het plasma membraan aanwezig zijn. Via het plasma membraan kunnen de cellen met elkaar communiceren. Dit kan door direct cel-cel contact of door middel van bloed of lymfe.

Cytosol en cytoplasmaHet cytosol is de oplosbare fase. Het cytoplasma is eigenlijk hetzelfde alleen dan met de organellen erbij. Het cytoplasma is dus het cytosol + de organellen, maar niet de kern.

Prokaryoten en eukaryotenProkaryoten zijn altijd eencellige organisme, sommige eukaryoten zijn dit ook. Prokaryoten zijn veel simpeler in structuur, ze hebben geen kern. Het erfelijke materiaal is opgeslagen in circulair DNA. Ze hebben ook geen intercullulaire membranen, dus organellen al het ER en golgi zitten niet in een prokaryoot. Ze hebben wel een plasma membraan en de gram-negatieve prokaryoten hebben nog een extra membraan, deze is meer permeabel. Gist is een voorbeeld van een eencellige eukaryote cel. Dit is een soort schimmel. De structuur van eukaryoten is veel complexer, ze hebben een kern, een cytoskelet en hebben organellen. Het erfelijke materiaal is opgeslagen in lineair materiaal. Een eukaryoot is in de loop van de evolutie ontstaan uit een prokaryoot. Door instulpingen en later afknoppen van het plasma membraan is het endomembraansysteem ontstaan. Het endomembraansysteem bestaat uit alle intracellulaire organellen, behalve de mitochondriën en de peroxisomen. Vanuit de eerste instulping die de kernenvelop voorstelt, kunnen weer nieuwe instulpingen ontstaan, het ER. Dit is dus ook continu met de nucleaire envelop. De kern heeft een dubbele membraan en elke membraan is een lipide bi-laag.

OrganellenOf de kern een organel is, is een twijfelgeval. Het kan allebei. Een ander woord voor de kern is de nucleus. De nucleolus is een specialisatie die zich bevindt in de kern.

Het ruw endoplasmatisch reticulum is een soort specialisatie van de nucleaire envelop, omdat het uit hetzelfde membraan bestaat. Vandaar dat de ribosomen ook al op de buitenste membraan van de nucleaire envelop liggen.

Via de nucleaire porie is de kern in staat om met het cytosol te communiceren. Er is dus transport mogelijk van grote en kleine moleculen vanuit de kern naar het cytosol en omgekeerd. Het lumen van de kern is nog steeds afgesloten van de rest van de cel. Een molecuul wat getransporteerd moet worden is bijvoorbeeld mRNA, anders kan de translatie niet plaats vinden. Dit gebeurd actief en kost dus ATP. Sommige van die mRNA moleculen coderen voor eiwitten die transcriptiefactoren zijn. Deze factoren zijn verantwoordelijk voor de regulatie van genexpressie. Dus als de kern in staat is bepaalde transcriptiefactoren door de porie te laten, worden dus bepaalde genen getranscriptieseerd tot mRNA en daar wordt dan weer een eiwit van gemaakt. De kernporie moet dus ook selectief zijn, want niet alle transcriptiefactoren moeten erdoor kunnen. Sommige wel, sommige niet. Dit hangt af van de conditie van de cel en de communicatie met zijn omgeving. Door die transcriptiefactoren worden sommige genen aan en sommige uitgezet. De kernporie is een eiwitcomplex en bestaat uit meerdere sub-units. Aan dit complex kan een nucleair transporter receptor binden en dat kan weer een molecuul (bijv. Een transcriptiefactor) naar binnen kan verplaatsen. Aan de binnenkant van het membraan laat het dan weer los om te binden aan het volgende molecuul. Het is dus een selectief en actief transport. GOED DOORLEZEN IN ALBERTS.Sommige eiwitten kunnen ook passief door het membraan. Dit moet niet veel meer dan 10 aminozuren bezitten.

Een nucleair transporter receptor bindt aan een eiwit wanneer er een signaal wordt doorgegeven. Dit signaal zit op een bepaald punt van een eiwit en normaliter wordt dit bedekt door een chaperone eiwit. Dit chaperone eiwit laat los als een mitogen (bijv. Een hormoon) heeft gebonden aan de receptor van dat eiwit. Als dit eiwit ook een transcriptiefactor is, wordt na het binden van het mitogen (hormoon) aan het eiwit het gen dat bij deze transcriptiefactor hoort getranscripteerd.

Het endoplasmatisch reticulum zit aan de kern vast en bestaat uit glad endoplasmatisch reticulum (SER) en ruw endoplasmatisch reticulum (RER) dit is continu aan elkaar. Het SER heeft geen ribosomen erop zitten. Het SER bestaat meer uit buisjes en het RER bestaat meer uit cysterne (platgedrukte ballon). De functie van ribosomen is het maken van eiwitten, maar alleen de eiwitten die over een membraan moeten worden gezet. Deze eiwitten zitten tijdens de synthese al door het membraan heen geregen. Eiwitten die in het cytosol zitten en daar een functie hebben worden niet gesynthetiseerd aan het ER. Het SER is niet nodig voor eiwitsynthese want dit heeft geen ribosomen. Dit is nodig voor lipide synthese, bijvoorbeeld voor membranen. Die kunnen later getransporteerd worden vanuit het ER naar andere elementen van de cel. SER is ook een opslag voor CA2+ en door invloed van bepaalde signalen kan dit vrijkomen en dit kan dan dienen als messenger voor het ingang zetten van bepaalde reacties. Het SER bevat ook enzymen die toxische stoffen kunnen detoxificeren (omzetten).

Synthese cytoplasmatische eiwittenCytoplasmatische eiwitten worden gesynthetiseerd met behulp van ribosomen. De mRNA’s kunen meerdere keren worden afgelezen en de ribosomen worden hergebruikt. Sommige van deze eiwitten hebben een aminozuursequentie die weer wordt herkend door andere eiwitten en hierdoor worden ze heel specifiek naar een locatie in de cel getransporteerd. Dit heet een targeting sequence. Deze locaties zijn bijvoorbeeld een mitochondriën, de kern of de perioxisomen. Deze eiwitten voor deze locaties worden gesynthetiseerd op vrije ribosomen. Wanneer de targeting sequence ontbreekt blijven deze eiwitten in het cytosol.

Het endosomatische systeem is het grootste deel van de cel, hier toe behoren endosomen, lysosomen, het plasma membraan, het golgi systeem en de nucleaire envelop. Alle eiwitten die hierbij betrokken zijn worden gemaakt op het RER. Het eiwit dat getransleerd wordt door een ribosoom wordt dan tijdens de translatie door het membraan van het RER heen geregen. Dit wordt tijdens de translatie gedaan omdat wanneer de translatie begint het eiwit nog dun is en er dus maar een kleine porie nodig is om het eiwit door heen te rijgen. Het eiwit kan helemaal door het membraan van het RER heen geregen worden en komt dan als oplosbaar eiwit in het lumen terecht. Het kan ook partitieel zijn, dan steekt een deel in het lumen uit en het andere deel in het cytosol. Dit is een transmembraan eiwit. Dit kan 1 of meerdere keren door het membraan heen steken. Eiwitten die hier gemaakt zijn kunnen worden getransporteerd naar de ultieme locatie of in het ER blijven. Maar het kan ook naar het Golgi worden getransporteerd en vanuit hier ook weer getransporteerd worden naar lysosomen, endosomen of het plasma membraan. Dit transport wordt gedaan door transport blaasjes vesicles.

Eiwitten die aan het RER gevormd worden hebben als eerste stukje een signaal sequentie die ervoor zorgt dat tijdens de translatie het eiwit door het membraan wordt geregen. Die signaal sequentie blijft in het membraan liggen.

Het eerste stukje eiwit wordt gevormd in het cytosol. Wanneer de signaal sequentie af is, wordt het herkend door het signal recognition particle (SRP). Dit bestaat uit een aantal eiwitten en een aantal RNA moleculen. Het SRP wordt weer herkend door een SRP-receptor. Dit is een transmembraan eiwit wat alleen in het ER zit. Hierdoor wordt het complex vast gezet aan het ER. Het hele complex wordt vervolgens getransporteerd naar een translocon, een soort kanaaltje in het membraan, waardoor het eiwit getransporteerd kan worden tijdens de verdere synthese. De signaal sequentie is nu niet meer nodig en wordt afgeknipt door het enzym signal peptidase. Het eiwit bevindt zich nu in het lumen van het ER.

Bij transmembraan eiwitten kan het begin precies hetzelfde zijn, maar er wordt ergens op de keten een hydrofoob stukje eiwit gemaakt, dit zorgt ervoor dat het in het membraan blijft zitten (ook hydrofoob). Vervolgens wordt het signaal peptide weer afgeknipt en is een transmembraan eiwit gecreëerd. De N-terminus zit in het lumen en de C-terminus in het cytosol.

Sommige eiwitten liggen meerdere keren door het membraan heen en dit kan op verschillende manieren. Een manier is dat de signaal peptide niet aan het begin zit, maar pas als al een stukje eiwit is gesynthetiseerd. Dit werkt precies hetzelfde als een normale signaal peptide, alleen wordt het niet afgeknipt en dus blijft het een onderdeel van het eiwit. Als je dan ook nog een tweede hydrofobe sequentie hebt die blijft hangen is het eiwit dus twee keer door het membraan gegaan. De C-terminus en de N-terminus bevinden zich dus in het cytosol. Wanneer het nog vaker door het membraan heen zit is eerst weer een signaal peptide nodig en dan weer een hydrofobe groep. Ook kan een eiwit gesynthetiseerd worden waarbij de N-terminus in het cytosol zit en en C-terminus in het lumen. Het heeft dan in het midden een signaal sequentie die ook werkt als een hydrofobe sequentie. Deze wordt dus niet afgeknipt en blijft dus in het membraan zitten terwijl het eiwit verder getransporteerd wordt type 2 membraan eiwit.

HC 17 “de secretie route”De eiwitten die worden gevormd in de ribosomen op het RER maken onderdeel uit van het facullaire systeem. Dit betekend dat ze in de lumen van het ER, golgi of de lysosomen zitten of deze eiwitten maken onderdeel uit als transmembrane in deze organellen. Of eiwitten die door de cel moeten worden uitgescheiden secretie eiwitten ook wel exoplasmatische eiwitten. In het ER vinden, als het eiwit is gesynthetiseerd, post-translationele modificaties plaats:

het vormen van disulfide bruggen. Deze worden gevormd tussen cysteines, deze hebben een vrije SH groep. Dit draagt bij aan de vouwing van het eiwit. Disulfide bruggen kunnen veranderd worden, net zo lang tot dat het eiwit goed gevouwen is. Als dat zo is, heeft het eiwit het laagste energieniveau. Het enzym wat verantwoordelijk is voor het vormen van disulfide bruggen is PDI (protein disulfide isomerase).

het toevoegen van carbohydraat suikermoleculen, aan de eiwitten binden suikerboompjes. Dit is ook weer een covalente interactie. Dit gebeurd in het ER en op 1 aminozuur asparagine residuen (asn). De 1-lettercode van asparagine is N en de binding vindt plaats op de aminogroep van asn, daarom wordt dit ook wel N-glycosylering genoemd. Een suikerboompje is opgebouwd uit verschillende monosuikers (glucose, mannose, N-acetylglucosamine). Het suikerboompje zit vast aan een vetachtige structuur dat in het membraan ligt. Deze vetachtige structuur is dolichol. Dit boompje kan in 1 keer overgezet worden op de aminogroep van asparagine. Dit vindt alleen maar plaats in het lumen van het ER. Het glycosyleren is eigenlijk co-translationeel, het vindt dus plaats tijdens de translatie. Na het toevoegen van een suikerboompje, kunnen er ook weer suikergroepen af worden gehaald. Meestal zijn dit de glucose moleculen en 1 mannose. Wat overblijft zijn de high mannose glycosyl ketens.

de eiwitten worden gevouwen (kwaliteitscontrole). De vouwing van een eiwit hangt af van een heleboel dingen. Een daarvan zijn de disulfide bindingen. Ook de suikerboompjes zijn belangrijk, want deze kunnen door chaperonne eiwitten herkend worden. Dit zijn eiwitten die het eiwit begeleiden bij de vouwing. De suikerboompjes worden herkend door de eiwitten calnexine (membraaneiwit) en calreticuline (bevindt zich in het lumen van het ER). Ook zijn er eiwitten die onafhankelijk binden aan het eiwit en vervolgens helpen bij het vouwen (BiP binding protein). Al deze facetten helpen bij het vouwen van het eiwit. Wanneer dit is gebeurd, kunnen er eiwitcomplexen worden gevormd.

sommige (lange) eiwitten worden geknipt waardoor 2 kleine eiwitjes ontstaan die tegen of in elkaar liggen, maar ze hebben geen covalente binding meer.

Losse eiwitten, die apart zijn gemaakt, kunnen met elkaar associëren en een multimeer eiwitcomplex maken.

Na de post translationele modificaties worden de eiwitten d.m.v. blaasjes getransporteerd naar de bestemming, hier hebben de eiwitten vaak een functie.Wat de bestemming ook is, eerst gaan de blaasjes langs het Golgi systeem.

Golgi systeemDit bestaat uit platte “ballonnen” die op elkaar gestapeld zijn. De ene kant van het Golgi heet het cis Golgi en de andere kant is het trans Golgi. De cis kant ligt het dichts bij het ER. En daar wordt telkens een nieuwe cisterne gevormd, daardoor schuift het steeds op cisternal maturation. De blaasjes die het ER verlaten komen dus als eerst bij het cis Golgi terecht. Vervolgens worden de blaasjes naar andere cisterne getransporteerd, want de Golgi stek (stapel) bestaat uit verschillende Golgi cisterne. Eerst naar het medial

Golgi en het eindigt in het trans Golgi. Vanuit daar uit komen ze aan in het trans Golgi netwerk, een soort sorteringstation. Dit bepaald dat sommige eiwitten uitgescheiden worden en andere naar de endosomen getransporteerd worden. Het Golgi ligt meestal naast de kern peri-nucleair.

Een transport vesicle bestaat uit membraan, dus transmembraan eiwitten kunnen hiermee ook getransporteerd worden. Wanneer zo’n vesicle aankomt bij het cis Golgi fuseert het met de membraan van het Golgi apparaat. Dit proces gaat echter niet vanzelf. Dit moet selectief gebeuren. Hier zijn de coat eiwitten bij betrokken. Hier zijn er 3 van: de clathrine coated vesicles, de COPI coated vesicles en de COPII coated vesicles. Coat eiwitten zijn cytoplasmatische eiwitten en worden dus gemaakt op vrije ribosomen. Als het cisternal mutaration heeft plaats gevonden zitten de enzymen voor de modificaties in het cis nu in de mediaal en de enzymen van het mediaal in het trans. Deze enzymen moeten terug gebracht worden en dit gebeurd met speciale vesicles waarbij COPI coated vesicles bij zijn betrokken. Dit is het retrogade transport. De COPII coated vesicles zijn de vesicles die afsnoeren van het ER. Deze eiwitten gaan dus na de synthese aan de cytoplasmatische kant van het ER plakken. Ook kunnen deze eiwitten een binding met elkaar aangaan. Daardoor kunnen ze een soort afknoppingsstructuur maken een bud. Als dit wordt doorgezet zal een vesicle zich uiteindelijk kunnen afsnoeren. De coat eiwitten laten vervolgens weer los en kunnen zo een nieuwe transport vesicle genereren. Het gemaakte vesicle verplaatst dan naar het Golgi en versmelt daarmee.

De coat eiwitten bepalen ook welke eiwitten in de vesicles komen te zitten. Van transmembrane eiwitten die gemaakt zijn in het ER kan het cytoplastische staartje misschien wel binden aan een coat eiwit. Als dat gebeurd wordt het gevangen in een vesicle. Als het coat eiwit ook een receptor is voor het luminale eiwit, kan dit dus ook via een transport vesicle getransporteerd worden. Eiwitten die geen affiniteit hebben met deze coat eiwitten zullen niet verpakt worden in deze vesicles.

Bij het herkennen van het vesicle bij het Golgi zijn verschillende betrokken. Dit zijn transmembraan eiwitten die vesicles op kunnen vangen. Ook zijn er eiwitten, snares genaamd. Deze zitten in het membraan van het Golgi en van de vesicle en dit bepaald dat de vesicle alleen met het Golgi kan versmelten en niet met iets anders. Dan is de cargo (=lading) afgeleverd.

Een Golgi heeft soms meer cisterne dan 3. Mediaal kan ook een verzameling van cisterne betekenen. Elke cisterne heeft zijn eigen functie. Ook in het Golgi vinden allerlei modificaties van eiwitten plaats. Dit gebeurd door enzymen in het Golgi. Een voorbeeld van zo’n modificatie is het toevoegen van suikers aan de suikerboompjes die zijn toegevoegd in het ER. Dit is modificatie van N-glycosylering. Ook kunnen er nieuwe suikerboompjes op worden gezet O-glycosylering. Dit heet zo omdat het aan een OH groep gezet wordt (van ser, thr en hydroxyser). Daarnaast kunnen eiwitten ook weer geknipt worden. Of er kunnen andere groepen aan worden gezet, zoal sulfaatgroepen of fosfaatgroepen. Vanuit daaruit gaan ze naar het trans golgi netwerk en worden ze verpakt in blaasjes zodat ze kunnen worden getransporteerd naar hun bestemming.

SecretieEr zijn 4 verschillende soorten secretie routes, vooral voor de polaire cel. Maar ook het uitscheiden kan op verschillende manieren, door de constitutieve secretie en de gereguleerde secretie. Bij constitutieve secretie wordt het eiwit, als het aangekomen is in het trans Golgi netwerk, meteen getransporteerd naar het plasma membraan en hiermee zal het versmelten. Bij gereguleerde secretie gaat dit anders, maar de eiwitten worden wel verpakt in een secretievesicle. Deze vesicles zijn meestal groter, waardoor de eiwitten veel selectiever en heel dicht verpakt zitten. Dit vesicle wacht op een signaal van buiten voor dat het naar het plasma membraan wordt getransporteerd. Wanneer het signaal wordt afgegeven is het eiwit dus pas nodig (insuline, zenuwcellen).

Al onze cellen die grenzen aan de lichaamsholten zijn bekleed met epitheel en zijn dus epitheelcellen. Aan de andere kant grenzen deze cellen aan de bloedkant. Deze kunnen een barriere vormen tussen de holten en het bloed. Omdat deze zo dicht tegen elkaar aan liggen, kan je zeggen dat er 2 plasmamembraan domeinen zijn, apicaal en basolateral. Sommige eiwitten moeten worden uitgescheiden naar de lichaamsholte en andere weer naar het bloed. Er moeten dus twee soorten vesicles zijn die naar beide membranen transporteren. Epitheelcellen zijn gepolariseerde cellen.

Een ander type polaire cel is de zenuwcel. De axon wordt vergeleken met de apicale kant van een epitheel cel. de dendrieten worden vergeleken met de basale kant van de epitheel cel. De synaptische blaasjes zijn secretie blaasjes.

Bij apolaire cellen maakt het niet uit aan welke kant van de cel de eiwitten worden uitgescheden. Wel kunnen beide secretie routes plaats vinden.

Ook kunnen eiwitten getransporteerd worden naar het late endosoom en het lysosoom. Het endosoom is een soort verbindingsstation van buiten naar het lysosoom. Endosomen versmelten dan met lysosomen en dan wordt het in het lysosoom afgebroken. Eiwitten die in de endosoom terecht komen zijn eiwitten die de cel binnen zijn gekomen door transporteiwitten in het membraan.Voor de afbraak van deze moleculen heb je enzymen nodig, deze zitten in het lumen van het lysosoom. Deze enzymen worden gemaakt aan het ER, vervolgens getransporteerd naar het Golgi, naar het trans Golgi netwerk, dan via blaasjes naar het endosoom en vervolgens naar het lysosoom. In het lysosoom zitten een heleboel enzymen en deze werken alleen bij een pH van 5. Deze zijn dus bij synthese en transport naar het lysosoom niet actief, dus wordt er dan niks afgebroken. In het membraan van een lysosoom zit een protonpomp die H+ ionen naar binnen transporteren vanuit het cytosol.

De enzymen kunnen worden getransporteerd naar de lysosomen doordat er een sorteringscode aan wordt gehangen in het cis Golgi. Deze code heet een mannose-6-fosfaat residu. Dit is een suikerboompje aan het eiwit met op de 6e mannose een fosfaat groep. Alle lysomale enzymen hebben dit en worden herkend door de mannose-6-fosfaat receptor. Deze receptor zit in een clathrine coat. De coat verdwijnt dan zodat de vesicle kan versmelten met het endosoom, hier is de pH al wat lager, daardoor laat het enzym los van de receptor. De receptor zal terugkeren naar het trans Golgi netwerk. Vervolgens versmelt het endosoom met het lysosoom, dus zijn de enzymen op hun plek.