wikimedica.medica.bewikimedica.medica.be/.../f/f8/CELBIO_TV_Samnvatting.docx · Web viewVoor de...

PAGINA 4-39 Hoofdstuk 1

1. Biomembranen

InleidingElk celtype (prokaryoot & eukaryoot) heeft een membraan rondom de cel . Alleen de eukaryoten hebben ook intracellulair nog (dubbele) membraanstructuren om zo organellen te kunnen vormen. Het DNA in een prokaryote cel is dus niet afgeschermd van het overige gedeelte binnen de cel; het vormt het nucleoid.Cytoplasma → alles wat zich binnen het plasmamembraan bevindt, dus inclusief de organellenCytosol → het waterige gedeelte van het cytoplasma, dus exclusief de organellenLumen → het waterige gedeelte binnen de organellenPeriplasmische ruimte → de ruimte tussen de celwand (dichtbij het binnenste membraan) en het buitenste membraan (zie bladzijde 3 nr. 1)

Membranen kunnen voorkomen rondom de cel (plasmamembranen) en in de cel, rondom organellen. Voor een indicatie van het voorkomen en verdeling van de membranen: bladzijde 3 nr. 2.

Structuur van biomembranenDe structuur van plasmamembranen (celomvattend) is te vergelijken met een rails van een treinspoor; met een totale hoogte van ongeveer 3 – 4 nm. Het bestaat uit een binnen- en buitenmembraan die de cel afscheidt van het externe milieu. Beide membraanlagen zijn opgebouwd uit fosfolipiden, die een hydrofobe kopgroep en een hydrofiele staart hebben. Gezien het feit dat het externe- & interne milieu waterig is, zal het membraan dubbel moeten zijn om intern een hoge entropie te kunnen handhaven. In deze dubbele structuur zijn de polaire koppen naar buiten gericht (polair ≈ hydrofiel) en de apolaire staarten naar binnen gericht; dit betekent dat het hydrofobe gedeelte afgezonderd is van het externe en interne milieu.

Door de aanwezigheid van hydrofobe en hydrofiele gedeelten op één fosfolipide heeft het molecuul (glycerofosfolipide) amfipatische eigenschappen. Voor de exacte bouw van een glycerofosfolipide zie blz. 5 nr. 1.Wanneer dit soort moleculen in water worden gebracht, zullen zij een micel (enkelwandig) of een liposoom (dubbelwandig) vormen, waarbij de hydrofobe staarten naar binnen gericht zijn en afgezonderd zijn van water. (zie blz. 5 nr. 1)Een biomembraan kan op verschillende manieren voorkomen al naargelang de functie:

1. Het kan glad zijn, zoals het membraan van een erythrocyt. (blz. 5 nr. 3)2. Het kan veel uitstulpingen hebben, zoals de haarcellen in het slakkenhuis ter detectie van

geluidsgolven. (blz. 6 nr. 1)3. Het kan zich vele malen rond een axon wikkelen ter isolatie en zo een myelineschede

vormen, zoals de schwanncel doet. (blz. 6 nr. 2)

Enkele belangrijke definities voor het membraan:

Cytosolische zijde → de zijde van het membraan die naar het cytosol wijst Exoplasmatische zijde → de zijde van het membraan die naar het lumen (of bij een

plasmamembraan naar de extracellulaire ruimte) wijst; let wel: bij dubbele membranen de zijden apart voor elke laag bepalen!


Bovendien geldt hier nog bij dat de exoplasmatische zijde de exoplasmatische zijde blijft, ook na versmelting met een membraan. Hetzelfde geldt voor de cytosolische zijde.

De opbouw van biomembranenZoals er reeds vermeld is, zijn biomembranen opgebouwd uit lipiden. Meer in detail zijn het 3 soorten lipiden:

1. Fosfoglyceriden & plasmalogenen2. Sfingolipiden3. Sterolen (vertonen enkel het gedrag van lipiden)

Fosfoglyceriden.Deze moleculen bevatten dus een hydrofoob gedeelte (de vetzuurstaarten) en een hydrofiel gedeelte (de kop). De verbinding tussen -kop- fosfaatgroep-C en de staart wordt gevormd door een ester via de reactue tussen een zuur en een alcoholDeze kopgroep is variabel:

1. Fosfatidyl ethanolamine (PE); een NH3+ is aangehecht.

2. Fosfatidylcholine (PC); een N+ met daarop (CH3)3 aangehecht.3. Fosfatidylserine (PS); op de anomere C staat nog een zuurfunctie (COO-) en een NH3

+.4. Fosfatidylinositol (PI); er is een inositolgroep aangehecht (een suiker)

Voor de afbeelding, zie blz. 7 nr. 3. Noteer hierbij het verschil in lading en het verschil in straal van de kopgroep. Deze factoren zijn namelijk onder meer verantwoordelijk voor de kromming van het membraan.Deze structuren moeten getekend kunnen worden!

Plasmalogenen.Deze groep komt zeer sterk overeen met de structuur van de fosfoglyceriden; het enige verschil is dat bij de fosfoglyceriden de vetzuurstaart is aangehecht via een esterfunctie en bij plasmalogenen is de vetzuurstaart aangehecht via een etherfunctie. (zie blz. 8 nr. 1)

Sfingolipiden.Alle sfingolipiden hebben sfingosine of ceramide als basismolecuul. Voor de structuurformule: blz. 8 nr. 2.

De kopgroep is ook hier variabel:

1) Sfingomyeline (SM); via een fosfaatgroep is er een N+ en een (CH3)3 aangehecht2) Glucosyl cerebroside (GlcCer); er is een suikergroep aangehecht op de zuurstof de

vetzuurstaart. Dit vormt dan glycosfingolipiden. Een variatie hierop zijn de gangliosiden; dit zijn namelijk glycosfingolipiden met een complexere suikergroep erop aangehecht. (zie verder)

Steroiden.De steroïden hebben als belangrijkste vertegenwoordiger cholesterol. Steroiden hebben 3 pyranoseringen (6-ring) en 1 furanosering (5-ring) gemeenschappelijk.


Cholesterol is dus geen lipide, maar gedraagt zich wel zo i.v.m. zijn amfipathische opbouw. De praktisch volledige structuur is namelijk hydrofoob, maar de OH-kopgroep is hydrofiel. (Structuur: zie blz. 9 nr. 1 & 2)Cholesterol is bovendien nog de precursor voor vitamine D; UV-licht valt in op een molecuul, dat een breuk veroorzaakt in cholesterol en zo vitamine D3 kan vormen. Dit molecuul is essentieel voor de calciumopname en is zo gekoppeld aan een gezonde botgroei. (zie blz. 9 nr. 3)Andere voorbeelden van steroïden zijn dan nog cortison, testosteron, galzuur en oestradiol.

Addendum Gangliosiden.

Gangliosiden hebben een ceramide als vetzuurstaart, maar vormen pas een ganglioside wanneer er enzymatisch een oligosacharide op ingeplant wordt. Welke suikergroepen worden ingepland, is bloedgroep-afhankelijk. Deze suikers komen enkel voor op de exoplasmatische zijde van een erythrocyt en vormen zo een aanhechtingsplaats voor antilichamen, toxines, eiwitten, glycolipiden. (extra illustratiemateriaal: blz. 26)

Beweeglijkheid van lipidenDe lipiden die een membraan opbouwen zitten niet stil; zij kunnen op verschillende manieren bewegen:

Axiale rotatie (rotatie rondom de lengte-as; weinig invloed) Laterale diffusie (beweging door het vlak) Flip-flop Beweging van de vetzuurstaarten

Laterale diffusie is gevisualiseerd via FRAP (fluorescence recovery after photobleaching); men had alle lipiden die voorkomen in het membraan gelabeld, om zo vervolgens een aantal te bleken. Als je precies op dit moment, nadat een deel gebleekt is, kijkt naar de weerkaatsing van licht; blijkt dit exact 0 te zijn. Dit verandert echter in de tijd, het bleek naar zo’n 50% te evolueren. Let wel; het is niet mogelijk voor de lipiden om ‘opnieuw te labelen’, dus de enige verklaring kan zijn dat er verplaatsing van de lipiden optreedt; zie illustratie blz. 10 nr. 2

Flip-Flop → verplaatsing van een fosfolipide van de exoplasmatische zijde naar de cytosolische zijde of andersom.

Dit proces is energetisch zeer onwaarschijnlijk, omdat de hydrofiele kop door het hydrofobe stuk (de kern) moet bewegen, daarom zal dit proces nooit uit zichzelf gebeuren, maar is er een enzym vereist, namelijk flippase (verbruikt ATP).

Het energieverbruik in dit proces is als volgt gemeten:Men had fluorescerende fosfolipiden toegevoegd aan een groep membranen en deze groep in tweeën verdeeld. In groep A werd er geen ATP toegevoegd en aan groep B wel.Na een tijdje voegde men een quencher toe (een stof die ervoor zorgt dat de fluorescentie verdwijnt; bleekt, maar deze stof kan niet door een membraan) en men zag dat de intensiteit van de fluorescentie sterker was gedaald in de groep zonder ATP (en dus zonder flip-flop) dan in de groep met ATP. Voor de grafiek, zie blz. 11 nr. 1


Door het feit dat dit een energetisch zeer ongunstig proces is, ontstaat er een asymmetrische verdeling van fosfolipiden over een membraan.

Beweging van vetzuurstaarten.Deze vorm van beweging is afhankelijk van verschillende factoren:

De temperatuur; naarmate de temperatuur toeneemt, zullen de vetzuurstaarten meer gaan bewegen; de viscositeit van het membraan daalt.

De aard en de lengte van de vetzuurketens; ze worden samengehouden door: Hydrofoob effect; effect dat optreedt bij 2 nabijgelegen hydrofobe moleculen in

opgeloste toestand; energetisch zeer ongunstig. Wanneer deze hydrofobe moleculen samen aggregeren, zal de herschikte watermantel kleiner zijn (en daarmee is de orde kleiner) → grotere wanorde: entropisch gunstiger. (blz. 12, nr. 3)

Van der Waalskrachten; deze krachten werken stabiliserend, maar om op te kunnen treden, moeten de atomen dicht genoeg bij elkaar zijn

Cholesterolconcentratie in het membraan:een verzadigd vetzuur is een vetzuur zonder dubbele bindingen, dus een onverzadigd vetzuur heeft wel dubbele bindingen, met als gevolg dat er een cis- en een transvorm van bestaat. (De trans-configuratie is ongezond).Een vetzuur die dubbele bindingen bevat, krijgt tevens een knik in de staart → per definitie een moeilijkere stapeling → interactiemogelijkheden dalen → minder optredende Van der Waalskrachten → een daling van de stabiliteit → het membraan wordt vloeibaarder. Nu heeft cholesterol de mogelijkheid om te binden aan een vetzuurstaart, met als gevolg dat de Van der Waalskrachten toenemen en de viscositeit van het membraan stijgt. Dit is mogelijk omdat wanneer cholesterol bindt, de vetzuurstaart door sterische effecten enigszins wordt rechtgetrokken. Let wel, er zal dus enkel een effect optreden als de oorspronkelijke vetzuurstaart ‘krom’ is.

Zoals uit het bovenstaande duidelijk wordt, is het mogelijk dat plaatselijk een membraan dikker resp. dunner is dan elders (door het effect van cholesterol). Als vervolgens via AFM ‘beelden’ gemaakt worden van een membraanoppervlak, valt op dat sommige plaatsen hoger liggen dan andere: de lipid rafts (hoger gelegen door hogere viscositeit). Zie blz. 14, nr. 3AFM → Atomic Force Microscopy; een techniek die mechanisch een oppervlak aftast met een gevoelige naald en via een laser de afwijking bepaalt. Zo wordt duidelijk hoe een oppervlak in 3D-situaties eruit ziet. (De structuur van membranen is overigens mede bepaald door elektronenmicroscopie); blz. 4 nr. 1 & 2

Effect van de lipidensamenstellingDoor de grote variëteit in verschillende componenten binnen een membraan kan het krommen; vergelijk het met een bouwkundig dubbellagige boog; het is duidelijk dat de onderkant van de onderste laag kleiner moet zijn dan de bovenkant van de bovenste laag om een correcte kromming te krijgen. Verschil in de radius van de hydrofiele kop is dus essentieel. Zie blz. 15 nr. 1 & 2


Functies van een plasmamembraanEen biologisch plasmamembraan heeft verschillende functies:

1. Barrière2. Condensator3. Reservoir voor signaalmoleculen4. 2D-vloeistof; fenomeen ‘drijven’ wordt zo mogelijk gemaakt; manier van koppeling van

bijvoorbeeld transportproteïnen.

Volgende uitleg is geïllustreerd vanaf blz. 16 e.v.

5. Een plasmamembraan is alleen zuiver permeabel voor gassen. Hij is gedeeltelijk permeabel voor kleine, ongeladen polaire moleculen zoals ethanol & water en alle resterende moleculen kunnen nooit zelfstandig door een membraan diffunderen. Op deze manier creëert de cel een regulatiemogelijkheid. Door het feit dat water wel vrij door het membraan kan bewegen, betekent dit dat de mogelijkheid ontstaat voor het ontstaan van osmose, na het opbouwen van een osmotische druk → het drukverschil dat ontstaat tussen twee oplossingen met verschillende concentraties door de gevolgen van osmose. (Er is dus per definitie een onevenwicht in concentratiewaarden). De osmotische druk π is te berekenen via de vergelijking van Van ’t Hoff. (Hierbij kun je gebruik maken van het feit dat een druk van 10 kPa overeenkomt met een waterkolom van 1 m.)Een praktisch voorbeeld is de sequoiaboom, die slechts een concentratieverschil tussen hoog en laag van 0,5 M nodig heeft om water zo’n 125 meter omhoog te krijgen. Om dit proces echter mogelijk te maken is een rigide celwand essentieel! (Anders treedt osmose op door verlies van de osmotische druk)N.B. De gebruikte gasconstante R, is deze 8,31, krijg je waarden in Pa, maar omdat deze R niet aangepast is aan de juiste volume-eenheid (namelijk m 3 ), moet je de gasconstante aanpassen tot 8,31 . 10 3 J.K -1 .mol -1 !

6. Het membraan kan tevens gebruikt worden als opslagplaats van elektrische ladingen, omdat de buitenkant van het membraan polair is (eventueel geladen) en de binnenkant apolair: slecht geleidend. De analogie met een condensator is dus de volgende: hydrofiel gedeelte zijn de platen en het hydrofoob gedeelte het (luchtledige) gedeelte tussen de platen.Hier moeten ook berekeningen op toegepast kunnen worden.

7. Fosfolipasen zijn enzymen die fosfoglyceriden kunnen splitsen. Hier bestaan verschillende soorten van, al naargelang waar de splitsing plaatsvindt. (blz. 18 nr. 2). Na deze splitsing ontstaat een nieuw molecuul die een signaalfunctie kunnen vervullen:Fosfolipase C (PLC) kan zo een PIP2-molecuul (zit in het membraan) splitsen tot vorming van een IP3 & DAG, die alle 3 universele signaalmoleculen zijn. Voor de schematische tekeningen (!), zie blz. 18, nr. 3


8. Het membraan kan een plaats vormen voor 3 soorten membraanproteïnen, geïllustreerd in de volgende tabel:

Integrale membraanproteïnen

Membraanproteïnen met een lipide-anker

Perifere membraanproteïnen

Associatie met het plasmamembraan

De peptideketen gaat één of meerdere keren door het

membraan

Covalent gebonden aan een vetanker

Niet-covalente binding aan

fosfolipiden of andere membraanproteïnen

Voorkomensvorm Proteïne ligt ingebed in het membraan, en heeft zo een:

Intramembranair deel

Exoplasmatisch deel Cytosolisch deel

Exoplasmatischóf

cytosolisch gedeelte

Exoplasmatischóf

cytosolisch gedeelte

Alle 3 zijn geïllustreerd op blz. 19 nr. 1

Integrale membraanproteïnenDe hoofdfunctie van deze proteïnen is het transporteren van over het algemeen polaire en te grote entiteiten door het plasmamembraan. Door hun polariteit zal de binnenkant van een poort hydrofiel moeten zijn om transport mogelijk te maken. Dit veroorzaakt een probleem, gezien het feit dat de binnenkant van het plasmamembraan hydrofoob is, en daarmee polair afstoot. De transportpoorten zullen dus een hydrofobe buitenkant moeten hebben en een hydrofiele binnenkant. Voor dit probleem zijn 2 oplossingen via het herschikken van de hydrofobe en hydrofiele gedeelten:

1. De α-helix; dit is de meest gebruikte oplossing; zij maken gebruik van aminozuren met hydrofobe zijketens die voldoende vetoplosbaar zijn om ingebouwd te kunnen worden in een membraan. Om het hydrofobe gedeelte te overbruggen zijn er ongeveer 6 windingen nodig, met 3,6 aminozuren per winding (komt overeen met 0,54 nm)a. Het is mogelijk dat een proteine meerdere malen door een membraan gaat, ook hier

bestaat dus weer variatie in:I. Single-pass membraanproteïnen → membraanproteïnen met maar een

transmembranair gedeelte. (vb. glycophorine A, blz. 21 nr. 1)N.B. het is mogelijk voor 2 verschillende α-helices samen te intereageren tot vorming van een ‘coiled-coil’. De afstand tussen de 2 afzonderlijke helices moet wel klein genoeg zijn.

II. Multi-pass membraanproteïnen1→ proteïnen met meerdere transmembranaire helices. (vb. bacteriorhodopsine). Andere voorbeelden: blz. 21 en 22, nr. 3-1-2

b. Via hydropathy analyse kan een begin worden gemaakt met de identificatie van een eiwit door het aantal transmembranaire domeinen te bepalen via de aminozuursequentie. Bovendien kan hier enigszins de functie van het proteïne worden afgeleid door berekening van de hydrofobiciteit van de specifieke stukken (blz. 20 nr. 3)

2. De β-barrel is een alternatief; dit ‘tonnetje’ is opgebouwd uit afzonderlijke β-sheets die op een geordende, specifieke manier gestapeld zijn (zie blz. 22 & 23, nr. 3-1) zodat de N-terminus steeds met de C-terminus kan interageren. Door deze schikking wordt ook hier de buitenkant hydrofoob en de binnenkant hydrofiel voor de passage van ionen of water o.i.d.

1 Via kristallografie is het mogelijk om de structuur van deze proteïnen te bepalen


N.B. Porines → kanalen in de buitenste membraan van een bacterie transmembranaire eiwitten hebben per definitie voldoende hydrofobe aminozuren om het hele hydrofobe deel van het membraan te passeren (voor plaatsbepaling)

Lipide-geankerde membraanproteïnenDe membraanproteïnen kunnen op verschillende manieren en plaatsen verankeren aan een vetzuurstaart; de ankers zijn hieronder genoemd:

9. GPI-anker; dit anker zit per definitie aan de buitenkant van het membraan en in lipid rafts. Voor de binding: zie blz. 23 nr. 2 (kunnen tekenen!)

10. Acylanker; ook dit anker zit in de lipid-rafts en is gekoppeld aan een vetzuur via de N-terminus van het proteïne door een Glycine (tekening van de binding als aantekening!)

11. Prenylanker; dit type anker zal niet voorkomen in de lipid-rafts vanwege de minder goede ordening van de vetzuurstaarten. Het proteïne is verbonden aan het vetzuur via een Cysteïne.

N.B.: bekijk de illustraties op blz. 23 nr. 2 zeer nauwkeurig, hierbij gelet op de binding van de vetzuurstaart aan het proteïne, de ordening van de vetzuurstaarten en het uiteinde van het desbetreffende proteïne.

Perifere membraanproteïnenDe binding van deze membraanproteïnen is per definitie niet-covalent (relatief zwakke bindingen, heeft zo de mogelijkheid om los te komen), maar kunnen met verschillende onderdelen van het membraan interageren:

12. Met andere membraanproteïnen:a. Via waterstofbruggen b. Via hydrofobe interacties (tussen 2 hydrofobe gedeelten)c. Via van der Waalskrachten (tussen 2 naburige atomen)d. Of via elektrostatische interacties (de Coulombkracht)

I. Een voorbeeld hiervan is de cytokine-receptor (zie blz. 24 nr. 1)13. Met membraanlipiden:

a. Via elektrostatische interacties:

Motief op het proteïne Ligand dat kan binden VoorbeeldproteinenPH (pleckstrin homology) PIP2 en PIP3 Pleckstrine, fosfolipase Cγ1,

proteïne-kinase BC2 Zure fosfolipden Proteine-kinase C, PI-3-kinase,

fosfolipase, PTEN fosfataseVoor een voorbeeld: zie blz. 24 nr. 3 (fosfolipase A2)

Bovenstaande indeling van de membraanproteïnen hebben allen verschillende eigenschappen, met als gevolg dat het zeer waarschijnlijk is dat deze verschillen een rol kunnen spelen in de localisatie van de membraanproteïnen:

14. De lengte van de α-helix is bepalend voor de plaats in het membraan, zoals al eerder vermeld staat. (Gezien het feit dat een lipid-raft een groter hydrofoob gedeelte heeft, zal de transmembranaire helix ook groter moeten zijn om in een lipid-raft te kunnen zitten


15. Het type vetzuuranker is ook plaatsbepalend; een prenylanker komt per definitie voor buiten de lipid-rafts, terwijl een acyl-anker en een GPi-anker altijd voorkomen in een lipid-raft; hierbij is het zeer belangrijk te weten dat proteïnen onmogelijk aan flip-flop kunnen doen!

16. Bovendien geldt nog dat enzymen of proteïnen binnen een lipid-raft hoogstwaarschijnlijk behoren tot één reactie, wat een vorm van ordening schept. Dit is zichtbaar te maken via kleurschakeringen; als deelnemende entiteiten geordend zijn binnen een lipid-raft, zullen de kleuren mengen. Is dit niet het geval, blijven de kleuren identiek (blz. 25, nr. 2)

2. Membraantransport Zoals bovenstaande uiteenzetting al duidelijk heeft gemaakt, is het onmogelijk dat alle stoffen vrij een membraan passeren. Zo kunnen de geladen entiteiten nooit vrij door een membraan, evenals de wat grotere stoffen. Om deze te kunnen transporteren zijn dus transportproteïnen essentieel. Hierbij geldt wel dat de stoffen die zich vrij doorheen een membraan kunnen verplaatsen, zich ook via transportproteinen kunnen verplaatsen.

Mogelijkheden van transport.17. Passieve diffusie; wordt beschreven door de 1e wet van Fick; variabelen in dit proces zijn:

a. De viscositeit van het membraan (beschreven door de diffusiecoefficient):I. Via de diffusiecoefficient en de partitiecoefficient kun je de permeabiliteitsconstante

van het membraan afleiden: P=D×KL ; voor de afleiding: zie blz. 2 nr. 2

b. De concentratie van de stofc. De dikte van het membraan (gecombineerd met bovenstaande factor in de gradient)d. De hydrofobiciteit van het molecuul:

I. Wordt beschreven door K; deze geeft weer hoe graag een molecuul in hydrofoob

milieu of in hydrofiel milieu zit: K=ColieCwater

; K is dan de partitiecoefficient; een lage

K is een eigenschap van een hydrofiel molecuulEr ontstaat zo per definitie een lineair verband tussen de flux en het concentratieverschil!

De stoffen die aan passieve diffusie kunnen doen zijn gassen – steroïden - zwakke zuren en basen (i.v.m. elektrische neutraliteit) – vetzuren – ureum, ethanol en water.Overige stoffen hebben dus specifieke transportproteinen nodig:

18. Pompen; deze hebben de eigenschap tegen de concentratiegradient in te kunnen pompen, met als gevolg dat energie (ATP) vereist is.

19. Ionenkanalen; als ze eenmaal geopend zijn, werken ze a.d.h.v. de concentratiegradient20. Transporters (ingedeeld naar richting):

a. Uniporters; kan één type molecuul in één richting transporteren; (vb. is de glucose-uniporter GLUT; bekijk daarvoor blz. 5,6 & 7 incl. de berekeningen!)

I. Het werkt sneller dan passieve diffusieII. Is onafhankelijk van de partitiecoefficient K

III. Is gekenmerkt door een maximale snelheid IV. Specifiek voor een molecuul of en groep moleculen

b. Symporters; kan meerdere typen moleculen in één richting transporterenc. Antiporters; kan meerdere typen moleculen in verschillende richtingen transporteren


Dit brengt het essentiele verschil tussen (passieve) diffusie en (actief) transport op: de eerste factor leidt per definitie tot een daling van de concentratieverschillen, terwijl de tweede factor deze juist opbouwt.

Voor een tabel die duidelijk onderscheid maakt tussen alle mogelijkheden van transport: blz. 4 nr. 1N.B. uniporters en kanalen werken beiden zonder energie-inbreng, het verschil is echter de transportsnelheid en het molecuul dat ze transporteren. (Een kanaal werkt sneller)

De evenwichtspotentiaal → de potentiaal (spanning) waarbij de evenwichtssituatie is ingesteld en dus transport van het ion een waarde van ΔG heeft van 0 J. Deze is te bepalen via de Nernst-vergelijking. Een praktisch voorbeeld hiervan is de actiepotentiaal bij zenuwcellen; bekijk hiervoor de berekeningen op blz. 7 en 8 en reken de evenwichtspotentialen na op blz. 9 nr. 1

Bij actief transport geldt dus dat de vrije energie positief is, omdat dit tegen de elektrochemische gradient in gebeurt. Om dit proces toch mogelijk te maken wordt er soms een koppeling tot stand gebracht van een proces met een negatieve ΔG aan een proces met een positieve ΔG, zodat het proces in totaal toch mogelijk wordt:

21. Primair actief transport; een energetisch ongunstig proces wordt gekoppeld aan ATP-hydrolyse (pompen)

22. Secundair actief transport; een energetisch ongunstig proces wordt gekoppeld aan een energetisch gunstig proces (cotransporters en antiporters). Let wel: een essentieel verschil tussen 2 bovenstaande manieren is dat de ΔG van ATP-hydrolyse constant is, terwijl de ΔG van het tweede proces variabel is, door de afhankelijkheid van de concentratiegradient van het molecuul met de negatieve ΔG

Essentieel: ATP is een energetisch betaalmiddel, geen energie-opslagplaats! (illustratief uiteengezet op blz. 10 nr. 2 & 3)

ATP-gedreven pompen (ATP-asen)Pompen kunnen dus tegen de concentratiegradient in stoffen verplaatsen. Om dit proces te kunnen uitvoeren, is er ATP-hydrolyse nodig (i.v.m. de positieve ΔG).

Er bestaan 4 type ATPasen: (geillustreerd op blz. 11 nr. 1)

P-type pomp V-type pomp F-type pomp (ATP-synthase!) ABC pomp

P-type pomp (zie bijlage 1)Deze pomp bevat 4 domeinen:

23. N-domein → nucleotide binding24. P-domein → fosforylatie; vormt een signaal25. A-domein → actuator; dit deel geeft het signaal van de fosforylatie door aan het

transmembranair domein26. M-domein → het transmembranair gedeelte, bestaat uit 10 α-helices


Werking van de pomp:

Centraal staat het transport van ion X+ tegenover Y+, hierbij komt in de E1-configuratie Y+ vrij in het cytosol.

Een Mg-ATP bindt aan het N-domein en wordt gehydrolyseerd; de vrijgekomen fosfaatgroep kan binden aan het P-domein. (Lage affiniteit voor Y+ en een hoge affiniteit voor X+)

Het N-domein kan nu dichtklappen zodat het P-domein wordt afgesloten en het X+ in het M-domein niet meer weg kan.

In de E2-P configuratie draait het A-domein om, wat een opening veroorzaakt tussen N- en P-domein, waardoor ADP kan vrijkomen. Door deze ‘knik’ is het nu mogelijk voor X+ om vrij te komen en bovendien kan Y+ nu terug binden (hoge affiniteit Y+ en lage affiniteit X+)

Na defosforylatie komt de pomp terug in de E2-configuratie, waardoor Mg en de fosfaatgroep kunnen ontsnappen en bovendien Y+ nu gevangen zit in het M-domein

Een aantal opmerkingen:1. Het N-; P- & en het A-domein bevinden zich aan de cytosolaire zijde!2. De fosforylatie van het P-type vindt immer plaats op een Asn (Aspartaat) en dit veroorzaakt

de conformatieverandering van E1 → E2. Hierbij wordt dus een aspartylfosfaat gevormd (CH2-COO-PO3

2-)3. P-typen ATPasen zorgen voor het ontstaan van de K+-; Na+- & de Ca2+-gradienten. (Voor een

indicatie: blz. 12 nr. 1)

Er volgen nu een aantal praktische voorbeelden van een P-type pomp:

27. De Na+/K+-ATPase, deze pompt steeds per cyclus 3 Na+ naar buiten en 2 K+ naar binnen, hij verbruikt hierbij zo’n 1/3 van de totale ATP-behoefte (belang-indicatie!) Deze pomp werd ontdekt door J.C. Skou, die de activiteit in de vorm van een enzym uit een krab vond. (blz. 12, nr. 3).

Voor de werking van de pomp: K+ wordt richting cytosol gepompt, en komt dus overeen met ion Y+ in het algemene principe uitgelegd hierboven. Na+ komt vrij in het extracellulair deel en komt dus overeen met X+. Zie bijlage 2. (Tekening kunnen maken!)Let wel: door het feit dat je te maken hebt met ionentransport (en dus transport van ladingen), is het mogelijk dat er een elektrische gradient wordt opgebouwd (wat hier het geval is i.v.m. transport van 3 Na+ tegen 2 K+), hierdoor wordt het cytosolair gedeelte negatief geladen. Bovendien vindt er netto-transport van één ion naar buiten plaats, wat een daling in het celvolume teweegbrengt door osmose.

Een toepassing op de Na+/K+ ATPase in de farmacologie is digoxine (uit digitalis), dit werd aan mensen gegeven met hartproblemen omdat het een inhiberende werking heeft op de ATPase (binnenmembraan van de cel wordt minder negatief door activiteitsdaling). De intracellulaire Na+-concentratie stijgt, en het milieu wordt positiever → de NCX-antiporter schakelt over naar de reverse-mode en transporteert Ca2+ de cel binnen in plaats van naar buiten. Deze hogere intracellulaire Ca2+-concentratie leidt tot een sterkere contractie van het hart.


Digitalis heeft een lage therapeutische index, de therapeutische index wordt beschreven met de verhouding van LD50 (50% van de patiënten sterft) tot de ED50 (50% reageert effectief op het medicijn), dus een lage T.I. houdt in dat er een zeer dunne scheidingslijn is tussen dodelijke drugs en therapeutische drugs (medicijn)

28. De Ca2+-ATPasen, hiervan bestaan 3 soorten:a. PMCA-pomp (Plasma membrane Ca2+-ATPasen); pompt Ca2+ naar het extracellulaire

milieu b. SERCA-pomp (Sarco/endoplasmatisch reticulum Ca2+-ATPasen); pompt Ca2+ naar het

lumen van het SR/ERc. SPCA-pomp (secretory pathway Ca2+-ATPasen); pompt Ca2+ naar het lumen van de

vesikels (bijv. vesikels van het Golgi-systeem)

Al deze 3 pompen houden zo de concentratie van Ca2+ in het cytosol laag; dit is van zeer groot belang, omdat een stijging van calcium in een cel grote gevolgen kan hebben door o.a. zijn functie als second messenger:

In een spier kan het leiden tot spiercontractie In een neuron kan het leiden tot vrijzetting van neurotransmitters → prikkels worden

opgewekt In een kliercel kan het leiden tot vrijzetting van hormonen Het kan leiden tot activering van bepaalde enzymen, ionenkanalen die opengaan etc. Het kan zelfs nog leiden tot genactivering

N.B. maak het onderscheid tussen de PMCA en de SERCA & SPCA: de eerste pomp brengt de concentratie terug naar ongeveer 100 nM, terwijl de laatste 2 de calciumconcentratie in het lumen van het SR/ER/Golgi op peil houden.Voor het werkingsprincipe van de SERCA-pomp: zie bijlage 3, maar komt sterk overeen met de algemene werking uitgelegd hierboven. Voor een kristalstructuur van de pomp: zie blz. 15, nr. 2 en 3

29. H+/K+-ATPasen; deze pompen zitten in het epitheel van de maag om zo het milieu aan te kunnen zuren d.m.v. protonen. Op deze manier kan de maag een pH bereiken van ongeveer 1, wat overeenkomt met een concentratie protonen van 0,1 M. In het membraan van een epitheelcel van de maag zit overigens ook een K+-kanaal, om zo de kaliumconcentratie nagenoeg constant te houden. (voor de duidelijkheid: de protonen gaan naar het extracellulaire milieu en de kaliumionen komen de epitheelcel in). Voor het totaalplaatje binnen de epitheelcel van de maag: zie bijlage 4.

Losec is een van de vele medicijnen tegen maagzweren, chronische reflux of brandend maagzuur; de werking van dit medicijn berust op de blokkering van de H+/K+-ATPase.

De V-type pompDeze pomp pompt enkel protonen in organellen. Hierbij is de ATP-hydrolyse verbonden met het transport van de protonen, maar er wordt hierbij géén gefosforyleerd intermediair gevormd. (Dit vormt dus een belangrijk verschil met het P-type).

V-type pompen komen enkel voor in de membranen van vesikels en in osteoclasten (onder vesikels vallen ook de organellen zoals lysosomen, peroxisomen etc.)


Maar gezien het feit dat de protonen allemaal geladen zijn, zal het voor de pomp steeds moeilijker worden om het milieu nog sterker te verzuren en uiteindelijk onmogelijk. Daarom is dit protontransport gekoppeld aan het transport van Cl- via kanalen, zodat de elektrische potentiaal een juiste waarde behoudt.

F-type pompDit is als enige van de 4 bovenstaand genoemde pompen een ATP-synthase, die dus ATP kan synthetiseren d.m.v. de protonengradient. Deze pomp komt met name voor in de membranen van mitochondria en chloroplasten en zit bovendien in veel bacteriën.De pomp heeft een F0-domein (transmembranair); dit bestaat uit het draaiende rad waaraan de protonen steeds kunnen binden en een F1-domein (cytosolisch domein), wat wordt aangedreven door het draaiende rad. In dit gedeelte kan afzonderlijk van elkaar een ADP en een P binnenkomen, wat wordt verbonden en vervolgens weer terug vrijkomt (voortreffelijke animatie, zie onderaan; let wel: dit F1-domein draait echter niet!)

ABC-transporters (ATP Binding Cassette)Deze pompen kunnen allerhande type stoffen transporteren, maar meestal geen ionen. Een voorbeeld hiervan is het enzym flippase, dat de fosfolipiden kan transporteren.

Hiervan zijn verschillende toepassingen bekend:Proteïne Expressie in de

weefselsFunctie Ziekte veroorzaakt bij

een defectABCB1 (MDR1) Bijnier, nier en

hersenenExporteert lipofiele medicijnen

ABCB4 (MDR2) Lever Exporteert fosfatidylcholine in de galvloeistof

-

ABCB11 Lever Exporteert galzouten in de galvloeistof

CFTR Exocriene weefsels Transporteert Cl--ionen MucoviscidoseABCDI Membraan van de

peroxisomenBeinvloedt de activiteit van peroxisoom-enzymen die de lange vetzuurketens oxideert

ADL (adrenoleukodystrofie)2

ABCG5/8 Lever & darm Exporteert cholesterol en andere steroïden

Β-sitosterolemia

ABCA1 Overal Exporteert cholesterol en andere fosfolipiden voor opname in hoge-densiteits lipoproteinen

Tangier’s ziekte

Overexpressie kan overigens ook invloed hebben; zo kan overexpressie van MDR1 leiden tot resistentie tegen bepaalde gifstoffen (maar dus ook tegen bepaalde chemokuren!)

2 Adrenoleukodystrofie → een recessief X-chromosomaal gebonden ziekte met een progressieve degeneratie van de witte stof in het cerebrum, gaat vaak eveneens gepaard met atrofie van de bijnierschors.B-sitosterolemia → te hoog gehalte aan plantaardige sterolen in het bloedTangier’s ziekte → stofwisselingsziekte in de vorm van cholesterolopstapeling in de milt, lever, lymfeklieren en tonsillen; de organen kleuren hierdoor oranje en zijn sterk vergroot.


TransportersVan de transporters zijn 3 vormen bekend:

1. Uniporter; doet aan een vorm van gefaciliteerde diffusie2. Symporter (cotransporter), secundair actief transport3. Antiporter (exchanger), eveneens secundair actief transport.

Deze transporters maken gebruik van de ionengradiënt en bij een positieve ΔG vindt koppeling plaats van ionentransport aan een ander ion met een negatieve ΔG

Een aantal voorbeelden van symporters:

De 2 Na+/glucose cotransporter (SGLT 1 – SGLT 3), deze symporter transporteert 2 Na+-ionen én een glucose molecuul naar het cytosol, waarbij glucose tegen zijn gradient ingaat, maar de ionen met de gradient meegaan, waardoor de totale ΔG ≤ 0 wordt. Wanneer de ΔG gelijk is aan 0, kun je via de Nernst-vergelijking berekenen wat de verhouding van de concentratie in het cytosol en buiten de cel is. Let wel: een hoger concentratieverschil is niet mogelijk! (Voor de illustratie en berekening: zie blz. 20, nr. 2)

De Na+/glucose cotransporter (SGLT 2), deze symporter werkt volgens hetzelfde principe als de bovenstaande, alleen werkt deze met één Na-ion. (Voor de berekening: zie blz. 21, nr. 1)

Met name de bovenste transporter speelt een belangrijke rol in het darmepitheel, omdat op deze manier zowel Na+ als glucose de epitheelcel van de darm binnenkomt: wanneer alleen glucose via een pomp binnen zou komen ontstaat op den duur een zouttekort in de cel, bovendien zal het proces veel minder efficiënt verlopen. Hetzelfde geldt voor enkel een Na+-pomp. Let wel: om dit proces continu te laten verlopen, is een Na+/K+ ATPase essentieel in het basolaterale membraan van de darmepitheelcel, zodat de intracellulaire Na-concentratie laag wordt gehouden. Voor de volledige illustratie: zie bijlage 5. Een belangrijke toepassing van dit proces is de rehydratatietherapie bij diarree: gezien het feit dat het lichaam een vochttekort heeft, moet je zorgen dat er een maximaal effect wordt gehaald uit het osmosefenomeen in de darmepithelen. Dit is mogelijk door gebruik te maken van het osmotisch effect van zowel Na+ als glucose via de 2 Na+/glucose cotransporter, dus door een waterige oplossing toe te dienen met zowel zout als suiker erin opgelost.

Een andere toepassing i.p.v. absorptie is de reabsorptie in de nieren; zie bijlage 6 voor een illustratie van de transporters en pompen in de nefroncellen. (Maak de vergelijking met absorptieproces in de darmen!).

Nu bestaat de situatie waarbij er glucose in de urine voorkomt → glucosurie, dit kan ontstaan door insufficiënte reabsorptie door de nieren (voor de juiste curven en diagramma: zie blz. 23 nr. 1 & 2).Glucosurie kan optreden door een te hoge bloedsuikerconcentratie óf door diabetes mellitus (alvorens diabetes te constateren, eerst vergelijken met de bloedsuikerwaarden); een belangrijk gevolg hiervan is dat glucose in de primaire urine veel water aantrekt, met polyurie als gevolg. Om vochttekort te voorkomen, heeft het lichaam veel vocht nodig → polydipsie.

Een voorbeeld van een antiporter is de NCX (de 3 Na+/Ca2+-antiporter), waarbij Ca2+ tegen de gradient wordt ingepompt, en dus als gevolg in de twee richtingen kan werken (!). Bovendien ontstaat hier ook weer een elektrogene situatie, omdat er een netto-ladingtransport plaatsvindt van 1+. Ook deze


transporter helpt mee de intracellulaire Ca2+-concentratie laag te houden, om redenen die hierboven reeds staan beschreven. Voor de berekening van de evenwichtssituatie: zie blz. 25 nr. 2.Om de richting te bepalen: Em < ENCX → forward mode en Ca2+ naar buiten Em > ENCX → reverse mode; Ca2+ naar binnenDe intracellulaire pH-waarde wordt ook geregeld door antiporters via een buffersysteem:CO2 + H2O → HCO3

- + H3O+, om deze pH constant te houden zijn er 3 antiporters:

1. De Na+/H+-antiporter; enkel zeer actief bij een extreem lage pH-waarde2. De Na+HCO3

-/Cl--antiporter3. De HCO3

-/Cl--antiporterVoor de juiste indicatie van de werking en wanneer ze in werking treden: zie blz. 26 nr. 3

Een speciaal geval hierop is natuurlijk de maag waar de pH zeer laag moet liggen om rottingsprocessen te voorkomen en bepaalde enzymen in werking te stellen. Uiteraard moet dit zeer gevoelig en gecontroleerd verlopen volgens de volgende processen:

Er wordt gebruik gemaakt van de bloedbuffer via het enzym carbo-anhydrase, wat de volgende reactie katalyseert: HCO3

- ↔ CO2 + OH-. De OH- is afkomstig van een watermolecuul, waardoor het resterende proton kan diffunderen naar het maaglumen door de H+/K+ ATPase (een P-type ATPase)

Er wordt gebruik gemaakt van passieve diffusie van bijv. water Om de HCO3

- de epitheelcel uit te krijgen richting het bloed wordt er gebruik gemaakt van de Cl-/HCO3

--antiporter. Voor de totale illustratie (tekenen!): zie bijlage 7.

KanalenKanalen kunnen water en ionen transporteren, dit gebeurt echter met een hogere snelheid dan de uniporters, omdat er geen conformatieverandering plaatsvindt. Het transport wordt aangedreven door diffusie, en dit vormt daarmee ook de beperkende factor wat betreft snelheid. Kanalen kunnen een snelheid behalen van 106 – 108 moleculen per seconde.Let wel: dit transport verloopt met de elektrochemische gradient mee (en heeft dus een ΔG<0).

De belangrijkste verschillen tussen een kanaal en een uniporter in tabel gezet:Uniporter Kanaal

Transport van Glucose en aminozuren Water en ionenPermeatie Conformatieverandering PorieSnelheid <104 s-1 >106 s-1

Later ontdekte men speciale waterkanalen, omdat blijkbaar enkel watertransport op grond van membraanpermeatie te weinig was. Dit is als volgt ontdekt:

Er was een onbekend proteïne gevonden, men isoleerde hier het mRNA van. Dit mRNA werd ingepland in een kikkeroocyt. (Juist de kikkeroocyt in verband met de

grootte), en liet dit verder ontwikkelen, zodat het mRNA tot expressie kwam in de oocyt Na 24 – 48 uur voor de synthese van het proteïne en het transport van het proteïne naar het

membraan zaten de waterkanalen in het plasmamembraan.


Per toeval ontdekte Peter Agre dat deze cel in een hypotone oplossing begon te zwellen, en dus waterdoorlaatbaar moest zijn, terwijl de controle-oocyt niet opzwol. De controle cel liet veel minder water binnen dan de gemodificeerde oocyt → de ontdekking van de CHIP28 (later aquaporines).

Na verdere studie bleek dat deze aquaporines homotetrameren waren, waarbij elk monomeer een pad voor een watermolecuul vormt. (voor de structuur van deze proteïnen: zie blz. 2.) De onderstaande links geven een simulatie van een aquaporine, die in 12 ns een watermolecuul erdoorheen gewerkt krijgt. Deze simulaties zijn zo kort i.v.m. de complexiteit van het milieu van de aquaporines. Er moet in de berekeningen rekening gehouden worden met de verschillende parameters, welke er ongelooflijk veel zijn.

Het is duidelijk dat in de nefronen de aquaporines van cruciaal belang zijn om de concentratie van de urine sterk op te drijven. De werking en aanwezigheid (!) zijn hormonaal gereguleerd via ADH (anti-diuretisch hormoon). Voor een illustratie van welke AQP en waar deze zitten: blz. 3, nr. 3N.B. Water wordt via de aquaporines toch via passieve diffusie doorgelaten, voor de uitleg hoe dit mogelijk is: zie bijlage 8Mutaties in deze aquaporines kunnen een pathalogie veroorzaken, zoals diabetes insipidus. Deze vorm staat volledig los van diabetes mellitus 3en wordt veroorzaakt door een mutatie in AQP2. Als gevolg hiervan zal polyurie en polydypsie ter compensatie optreden; omdat de nier niet meer goed kan reageren op de ADH afgegeven door de hypofyse, waardoor de patient tot 20 liter per dag kan uitscheiden.Er zijn voor ionenkanalen twee bepalende eigenschappen (voorbeelden staan op blz. 4, nr. 2):

1. De selectiviteit.2. De schakeling (gating) → welke factor er nu precies voor zorgt dat een kanaal opent resp.

sluit.Voor het praktisch gebruik van de ionenkanalen, is het noodzakelijk de volgende tabel te kennen:

Parameter Engelse term Symbool EenheidStroom Current I of i (microscopisch) Ampère (A)Spanning Voltage of potential E of V Volt (V)Weerstand Resistance R of r Ohm (Ω)Conductantie Conductance G; g of γ Siemens (S) 1 S = 1 A/VCapaciteit Capacitance C Farad (F)Lading Charge Q Coulomb (C)N.B. Ook in berekeningen rekening houden met de parallele of in serie geschakelde ionenkanalen, gezien het feit dat dit invloed uitoefent op de waarde van de totale conductie of de totale weerstand:

Serie ParallelConductantie 1

Gt= 1G1

+ 1G2

Gt=G1+G2

Weerstand Rt=R1+R2 1R t

= 1R1

+ 1R2

3 Diabetes mellitus is onderverdeeld in type I en type II; I → onvoldoende resp. geen insuline-productie en II duidt op een probleem met betrekking tot de insuline-receptoren.


Voor enkele berekeningen; zie blz. 6 nr. 1 en 2, waarbij gebruik is gemaakt van formules zoals Q=I ×t (of het oppervlak onder de grafiek). Bekijk vervolgens de berekening op de 2e slide.

Drijvende kracht → de ‘stuwkracht’ achter een ion die bepalend is voor de daadwerkelijke hoeveelheid ionen die door het kanaal stroomt. Deze is afhankelijk van de concentratiegradient van het desbetreffende ion en de membraanspanning: dus de drijvende kracht voor ion X=Em−Ex. Aan de hand van de drijvende kracht kun je dus dan de macroscopische stroom berekenen via I x=gx×(Em−Ex), voor één enkel kanaaltje kun je dan dus ook de stroom berekenen door de waarde van gx te vervangen door γ x (de single-channel-conductantie).Let wel: I x i x=0wanneer Em=Ex!

Het is op het tentamen belangrijk dat je een stroom(I)-spannings(U)diagram kunt tekenen, dit verband (lijkt) immer lineair te zijn. Om dit verband te kunnen tekenen, gebruik dan hiervoor bovenstaande formule waarbij de richtingscoefficient van de lijn de conductantie weergeeft en waarbij de rechte de x-as snijdt op de waarde van E x. Maar gezien het feit dat er vaak meerdere ionenkanalen in een membraan zitten en dus voor berekeningen wat betreft een celmembraan niet praktisch zijn, wordt er vaak gebruik gemaakt van de open probabiliteit → de verhouding tussen de tijd dat de ionenkanalen open zijn en de totale tijdsduur van de meting.

Voor de membraanpotentiaal geldt dan het volgende:

In rust is de som van alle stroomcomponenten gelijk aan 0, met als gevolg dat:

Em=(gx×Ex+gy×E y+gz×E z

gx+gy+gz); met als logisch gevolg dat de membraanpotentiaal E x

benadert van het ion met de hoogste conductantie. E x kan overigens berekend worden via de Nernst-vergelijking, zie boven.

Op blz. 8 nr. 2 & 3 staan twee opgaven weergegeven en uitgewerkt op de achterkant van beide bladzijden. Werk deze opnieuw uit!

Deze theoretische bevindingen moesten vervolgens experimenteel bewezen/gestaafd worden, men had de volgende technieken ter beschikking:

Current-clamp → men kon de stroom vastleggen (op 0 stellen) en vervolgens de membraanpotentiaal meten

Voltage-clamp → men kon een bepaalde spanning aanleggen en vervolgens de stroom door het membraan meten.

Het nadeel van beide technieken was dat de cel beschadigd raakte door het elektrode die in de cel werd gestoken, met als gevolg dat er zo een (elektrisch) lek ontstond. De verkregen waarden waren dus niet nauwkeurig genoeg. (Beide geïllustreerd op blz. 9 en 10 nr. 3 resp. 1). Bovendien kon men bij de 2e techniek uitsluitend gebruik maken van extreem grote cellen. Men kwam toen met de patch-clamp-techniek → de elektroden worden hierbij tegen het membraan gehouden, met als gevolg dat er geen beschadiging optreedt. Bovendien zijn er hier veel meer mogelijkheden:

Men kan de activiteit van één ionenkanaal meten én van de gehele cel Men kan een stuk membraan isoleren, daaraan direct gekoppeld:


Het feit dat de extramembranaire omstandigheden gereguleerd kunnen worden.Volledig geïllustreerd op blz. 10, 11 en 12 nr. 1Zoals eerder al vermeld is, is het feit dat een ionenkanaal selectief kan zijn (praktisch doorlaatbaar voor één soort ionen). Om deze selectiviteit te verwezenlijken, zijn er 3 scheidingsmechanismen bekend:

1. Op basis van de grootte (analoog met een zeef);De doorsnede van een K+-kanaal is veel kleiner dan voor een universeel, niet-selectief kanaal.

2. Op basis van lading; een voorbeeld is de nACh-receptor (nicotine-gevoelige Acetylcholine-receptor). Dit kanaal is selectief voor kationen (anionen worden niet doorgelaten); dit wordt gerealiseerd door 2 ‘ringen’ aan beide zijden van het membraan die bestaan uit negatief geladen aminozuren.Een ander voorbeeld is een Cl--kanaal vs. het K+-kanaal. Deze hebben twee domeinen waarvan beide uiteinden verschillend geladen zijn; in het geval van Cl staan ze lineair en in het geval van K+ in een ‘knik’. Hierdoor stoten ze de gelijkwaardige lading af.

3. Op basis van binding (affiniteitsverschillen); voorbeeld zijn Ca2+-kanalen. Deze vorm van selectiviteit is meer gebaseerd op concentratieverschillen (competitie). In de porie zitten hier bepaalde structuren die een veel hogere affiniteit hebben voor het ion wat ze doorlaten, waardoor er op deze manier onderscheid wordt gemaakt. Voor de structuur van KcsA: zie blz. 14, nr. 2; dankzij deze structuur kreeg men inzicht in de selectiviteit van ionenkanalen; deze structuur wordt hieronder verder behandeld.

Het is echter meestal een combinatie van factoren die een kanaal selectief maakt.

Om onderstaande uiteenzetting over het KcsA-kanaal duidelijk te maken; is het praktisch om blz. 15 erbij te nemen. Op het zijaanzicht is het selectiviteitsfilter zichtbaar → het nauwe gedeelte; hier moet het ion van zijn (gebruikelijke) watermantel ontdaan worden, wil het door het filter geraken. Het is duidelijk dat dit proces veel energie vereist, gezien het feit dat deze watermantel een sterk stabiliserende werking heeft, en het eromheen zit dankzij ladingsinteracties. Een manier om toch deze watermantel te verwijderen, maar de vereiste energie toch vrij laag te houden, is om de watermoleculen te vervangen door andere moleculen (specifiek in dit filter: zuurstofatomen). De interacties kunnen optreden, mits de situatie exact hetzelfde is. Dit maakt het praktisch onmogelijk voor Na+ om te passeren, omdat dit ion net iets kleiner is, waardoor er in de nieuwe situatie ruimte openblijft. Dit fenomeen is duidelijk geïllustreerd op de 2e en 3e slide.De essentiele factor in dit proces is dus de afstand tussen het omringend atoom en het ion.

Maar; bovenstaand proces verklaart nog niet hoe het mogelijk is dat een K+-ion doorheen het kanaal kan passeren, omdat het selectiviteitsfilter dit niet bepaald gemakkelijk maakt:

Geillustreerd op blz.16; het filter heeft exact 4 plaatsen vrij voor 4 K+-ionen, maar omdat het hier om ionen gaat, zullen deze elkaar onderling afstoten. Daarom binden er in de praktijk slechts 2 in het filter (op plaats 1 & 3 of op 2 & 4). Vervolgens komt een nieuw ion binnen, dit gaat namelijk wel relatief gemakkelijk, omdat er voor het filter een grote ruimte zit. Dit nieuwe ion gaat het ion op de 1e plaats afstoten, waardoor die naar voren beweegt richting plaats 3 met als gevolg dat het ion gebonden op de 3e plaats volledig uit het filter wordt gestoten. Deze manier van verplaatsing noemt men ion-hopping.


Door dit transport over het membraan ontstaat een elektrische stroom, wat zijn consequenties heeft op:

1. De membraanpotentiaal; let wel: de in- of efflux van ionen is enkel concentratie-afhankelijk en niet ladingsafhankelijk!Praktisch voorbeeld: K-kanaal opent; K+-ionen stromen naar buiten met als gevolg dat de membraanpotentiaal daalt (intracellulair milieu wordt negatiever) en er re- resp. hyperpolarisatie optreedt.

2. De ionenconcentratie; hierbij staat centraal dat verschillende functies verschillende schakelmechanismen vereisen.Praktisch voorbeeld: Ca2+-kanaal opent, Ca2+ stroomt de cel in, waardoor de cel contraheert, secreteert etc. Wanneer zowel K+-kanalen als Cl--kanalen gelijktijdig openen, krijg je een totale efflux van KCl, wat een controlemechanisme vormt voor de cel in volumemetabolisme (efflux komt hier overeen met een daling van het celvolume door osmose.)

N.B. kanalen + transporters → transcellulair transport.

Een volgende vraag wat betreft ionenkanalen is welk mechanisme ervoor zorgt dat een kanaal opent dan wel sluit?Hierin wordt onderscheid gemaakt in 6 schakelsignalen:

30. Kanalen die geen signaal nodig hebben: achtergrond- of lekkanalen:a. Deze kanalen zijn permanent open, waardoor de conductantie groter is dan 0b. Vb. het K+-kanaal (praktisch in elke cel aanwezig), deze zorgt ervoor dat in rust Em ≈ EK

c. Een ander voorbeeld zijn de epitheliale Na+-kanalen (ENaC); zij zorgen voor de Na+-influx in de epithelia en zijn bovendien essentieel voor de reabsorptie van Na in de nieren.

31. Temperatuurgeschakelde kanalen:a. Zijn gesitueerd in de sensorische zenuwenb. Vb. hitte-geactiveerde TRP-kanalen; wanneer de temperatuur stijgt, opent een TRP-

kanaal waardoor er depolarisatie van de cel optreedt. Wij bevatten 6 thermo-TRP, wat overeenkomt met 6 thermometers. Deze 6 verdelen onderling het gebied van 0° tot 60°. Wanneer wij in aanraking komen met een temperatuur die buiten dit gebied ligt, wordt het kanaal geactiveerd wat het meest dichtbij ligt bij 60°C, alleen kunnen we geen onderscheid meer maken. Nu is het mogelijk om deze TRP-kanalen te activeren via ligandbinding; chemesthesis → chemische stoffen lokken een fysisch/thermisch gevoel uit. Een voorbeeld hiervan is rode peper (bindt aan TRPV1) of methol (bindt aan TRPM8); blz. II-18, nr. 2

32. Ligandgestuurde kanalen; deze kanalen worden geactiveerd door ligandbinding, zie tweede gedeelte bij de temperatuurgeschakelde kanalen.

33. Mechanogevoelige kanalen:a. Door drukverandering wordt een beweging geïnduceerd. Deze beweging kan worden

gedetecteerd, waardoor bepaalde kanalen openen met een elektrisch signaal tot gevolg.


b. Een praktisch voorbeeld zijn de haarcellen in de cochlea (transductiekanaal); de haarcellen zijn uiterst gevoelig voor drukverandering gerealiseerd via trillingen, waardoor een kationenkanaal wordt geopend; geïllustreerd op II-19 nr. 1

34. Spanningsgeschakelde kanalen; regulatie door de membraanpotentiaal:a. Doordat er in het kanaal een bepaald ladingscluster zit, kan door de aanwezigheid van

een positieve lading het interne ladingscluster worden verschoven, waardoor het kanaal een andere conformatie kan aannemen met ionenstroom tot gevolg.

b. De mobiliteit van het ladingscluster (overeenkomstig aan de ‘sensor’) is afhankelijk van de lading van het membraan. Geïllustreerd op blz. II-19 nr. 3

35. Kanalen die geschakeld zijn door de Ca2+-concentratie in het ER (zie later)

Addendum spanningsgeschakelde kanalen.4

Dit ladingscluster (de spanningssensor) wordt gevormd door een sterk positieve α-helix die zeer mobiel in het membraan zit. Deze mobiliteit zorgt ervoor dat het mogelijk is voor het kanaal op te openen respectievelijk te sluiten. Voor een duidelijk model: zie bijlage 9. Op deze bijlage is zichtbaar dat het balletje zorgt voor de volledige inactivatie van het kanaal. Bovendien is het belangrijk te realiseren dat op terug naar de gesloten toestand te gaan, het per definitie via de inactivatie-toestand moet (door repolarisatie). Maak dus onderscheid tussen deactivatie en inactivatie.

De actiepotentiaalActiepotentiaal → een snelle, transiente depolarisatie van het plasmamembraan (het membraan wordt dus positiever).Het is belangrijk om te weten dat een actiepotentiaal verloopt volgens het alles-of-niets-principe: het depolariserend membraan moet een bepaalde waarde overschrijden (de drempelpotentiaal) mits er een actiepotentiaal op zal treden. Als deze drempelpotentiaal eenmaal is overschreden, is de actiepotentiaal vervolgens altijd even hoog, hoe sterk respectievelijk zwak het signaal ook was.Deze actiepotentiaal is volledig afhankelijk van de spanningsgeschakelde kanalen!

In bijlage 10 is gekwantificeerd wat er nu daadwerkelijk gebeurt (wat betreft de kanalen) bij een actiepotentiaal. Let wel: hier staan ook de lek-K+-kanalen op aangegeven.

Voor de duidelijkheid: opbouw van de rustpotentiaal:

36. In het membraan zit een 3 Na+/2K+-ATPase; deze pomp pompt 3 Na+ naar buiten en slechts 2 K+ terug naar binnen, waardoor er een netto-ladingstransport van +1 naar buiten plaatsvindt (bijlage 2) → het cytosol wordt negatiever t.o.v. het extracellulair milieu.

37. Versterking van punt 1 ontstaat door de sterke K+-gradient (20x meer K+ intra- dan extracellulair). Hierdoor zullen er voortdurend K+-ionen naar buiten lekken, wat wederom zorgt voor positief ladingstransport naar buiten → intracellulair wordt negatiever.

Om dus een actiepotentiaal te kunnen genereren, is de aanwezigheid van spanningsgeschakelde ionenkanalen noodzakelijk. Deze kanalen kunnen reageren op spanningsverschillen in het membraan door hun opbouw; ze bezitten namelijk 2 positief geladen (transmembranaire) α-helices die van plaats kunnen veranderen in het membraan. Treedt er dus een lichte depolarisatie op, met als gevolg dat de exoplasmatische zijde van het membraan licht negatief wordt, zullen deze helices worden

4 Gebruik hierbij blz. II-20 en 21, mede voor de structuren van de behandelde kanalen.


aangetrokken door de exoplasmatische zijde, waardoor het kanaal zich kan openen. Dit is geïllustreerd op blz. 20 en 21 nr. 3 en 1.

Een actiepotentiaal ontstaat nu als volgt:

1. In het membraan zitten spanningsgeschakelde Na+- en -K+-kanalen. Deze worden pas actief wanneer er een actiepotentiaal optreedt.Gedurende de rusttoestand vindt er enkel K+-transport plaats via lekkanalen. Deze lekkanalen zijn dus per definitie ‘actief’. Omdat deze lekkanalen niet spanningsgeschakeld zijn, hebben deze een constante conductantie en kun je dus een (I; Em)-diagram opstellen via IK=gK×(EM−EK ).

2. In het begin van de actiepotentiaal (geïnitieerd door neurotransmitter-afgifte) zullen enkele Na+-kanalen openen. Deze kanalen zijn spanningsgeschakeld (en dus is de conductantie een variabele waarde). Wanneer er nu voldoende neurotransmitter is vrijgekomen, zal de membraanpotentiaal de drempelwaarde overschrijden, met als gevolg een actiepotentiaal:

3. De open probabiliteit van de Na+-kanalen stijgt tot 1 en alle kanalen zijn dus even geopend, het membraan depolariseert tot EM in de buurt komt van ENa en de kanalen worden nu geïnactiveerd. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de volgende formules:INa=gNa× (EM−ENa)∧¿ gNa=n× Popen×γNa

4. Om nu de membraanstroom uit te zetten tegen de totale membraanpotentiaal EM moet je niet vergeten om EK op te tellen met ENa.5

Ter volledigheid: de drempelpotentiaal kan op 4 manieren behaald worden:

1. Stroominjectie (artificieel)2. Passieve verspreiding van depolarisatie (kabelmodel)3. Activatie van de depolarisatie, door de conductantie te verhogen (openen van kanalen)4. Inhibitie van repolariserende stromen (daling van de K-conductantie!)

Nu de actiepotentiaal geïnitieerd is, moet deze zich echter ook nog wel voortplanten, wil het enig effect krijgen. Om dit te verwezenlijken, moet je je realiseren dat tijdens het verplaatsen van de Na+-ionen er ook diffusie optreedt, zodat de net naar binnen getreden ionen zich verplaatsen langs het axonmembraan. Dit veroorzaakt op zeer kleine afstanden ook een lichte depolarisatie, maar deze is mogelijk sterk genoeg om op een tweede plaats een actiepotentiaal te genereren. Het diffusie-proces van de ionen is duidelijk geïllustreerd op blz. 26, nr. 1. Realiseer opnieuw dat wanneer het Na+-kanaal zich sluit na depolarisatie, het geïnactiveerd wordt. Dit betekent dat er stroomopwaarts geen nieuwe depolarisatie kan optreden gedurende 0,5-1,0 ms en dit per definitie betekent dat de actiepotentiaal in slechts één richting voortgestuwd kan worden. Gezien het feit dat diffusie van ionen hier een grote rol speelt en axonen een reusachtige lengte kunnen bereiken, gaat dit relatief ontzettend veel tijd kosten om bv. het ruggenmerg te bereiken om de voet terug te trekken als je in een punaise bent gaan staan. Een snelheidsverhogende component is dus noodzakelijk om het organisme te laten overleven. Dit kan op 2 (gekende) manieren gerealiseerd worden:

1. De diameter van het axon sterk verhogen → reuzenaxonen (gevonden bij de inktvis)

5 De grafieken om bovenstaand verhaal te illustreren staan opnieuw getekend in de bijlagen incl. uitleg.


2. Een isolerend membraan aanbrengen rond het axon, zodat er saltatorische voortgeleiding kan plaatsvinden.

De isolatie wordt gerealiseerd door een myelineschede. Hierin is de lengteconstante λ een essentiele factor, gezien het feit dat deze factor weergeeft hoe snel de actiepotentiaal zich zal voortplanten over het axon. Heeft λ een hoge waarde, zal het naburig gebied zich sterk depolariseren, met als gevolg dat de actiepotentiaal op een grotere afstand kan door-‘springen’ en dus zo grotere afstanden in een keer kan overbruggen. (Leg de link met het kabelmodel uit de fysica, blz. 27, nr. 1). De myelineschede zorgt nu dat de membraanweerstand wordt verhoogd, waardoor de lengteconstante ook vergroot.Saltatorische voortgeleiding → voortgeleiding van de actiepotentiaal via een gemyeliniseerd axon, zodat de depolarisatie-plaats kan ‘springen’ over het axon, daarbij de gemyeliniseerde stukken axon overslaand. De daadwerkelijk gedepolariseerde stukken zijn de knopen van Ranvier.

Een toepassing op de spanningsgeschakelde Na+-kanalen vindt zich terug in het gif tetradotoxine, wat afkomstig is van de Fugu-vis. 1 nM van dit gif zorgt er al voor dat de Na+-kanalen geblokkeerd worden, waardoor er verval van de actiepotentiaal optreedt. Gezien het feit dat dit effect ook optreedt in het hart, sterf je vanzelf. Het nare aan dit gif is, dat het de bloed-hersenbarriere niet zal passeren, met als gevolg dat je het sterfproces volledig bewust meemaakt.

Om vervolgens de rustpotentiaal terug te bereiken, moeten de ionenconcentraties terug hersteld worden:

De Na+-instroom is reeds geblokkeerd door het inactiverend segment van de kanalen; hetzelfde geldt overigens voor de spanningsafhankelijke Ca2+-kanalen.

De K+-instroom reageert wat langzamer dan de Na+-instroom, en vindt dus nog steeds plaats; dit vormt ook de verklaring voor de hyperpolarisatie die plaatsvindt na een actiepotentiaal.

Nu het volledig principe van de actiepotentiaal uiteengezet is, is duidelijk dat dit de manier vormt waarop gecommuniceerd wordt tussen neuronen. Hierin wordt een vaste terminologie gebruikt:

Afferent → informatie afkomstig van de periferie wordt naar het CZ getransporteerd Efferent → informatie afkomstig van het CZ wordt naar de effectorcellen (periferie) gebracht Interneuron → het neurontype dat enkel binnen het CZ voorkomt en synoniem is aan een

schakelneuron Effectorcel → de cel die de input van de efferente neuronen omzet in reactie (een spiercel,

een kliercel etc.)

De hersenen zullen in dit proces een centrale rol spelen (en daarmee het volledige organisme controleren). Cajal was de eerste die een hedendaagse definitie gaf aan dit orgaan → bestaande, losse entiteiten die onderling een sterke mate van verbondenheid kennen. Deze verbondenheid vindt plaats via de neurale synaps → junctietype in het neuraal stelsel, hierdoor wordt de intercellulaire communicatie mogelijk tussen de hersenen en enig ander celtype.

Deze synaptische transmissie bestaat uit verschillende elementen:

38. Aanmaak/opslag van neurotransmitter (aanmaak gebeurt echter wel in het perikaryon).


a. Er zijn verschillende stoffen die kunnen dienen als neurotransmitter, maar de meeste zijn toch aminozuurderivaten, zoals Ach, Gly, serotonine, dopamine of epinefrine. Het is echter wel opvallend dat er meestal slechts één soort neurotransmitter werkzaam is per neuron(type). Dit wordt weergegeven in de naam van het neuron: vb. GABA-afhankelijk: GABA-erg neuron.

b. Ach is het meest bekend, vb. hiervan vind je terug in spiercontractie. Ach wordt gemaakt door acetyl CoA te laten reageren met choline onder choline acetyltransferase. Voor praktisch elke neurotransmitter is er enzymatische hulp in het cytosol van het neuron.

c. Deze neurotransmitters kunnen niet gewoon los in het presynaptisch membraan zitten zonder problemen te veroorzaken. Het zit daarom opgeslagen in presynaptische vesikels die erin gepompt kunnen worden door de H+/NT-antiporter. De pH wordt dan constant gehouden door een V-type ATPase in het membraan van het vesikel (pompt protonen het vesikel binnen). Vergeet overigens niet dat deze H+-import gepaard gaat met de opbouw van een elektrische gradient. Daarom gaat dit gepaard met Cl--import.

39. Vrijzetting van neurotransmitters via Ca2+-afhankelijke exocytose; zie bijlage 12 voor de volledige cyclus van het vesikel. Onthoudt hierbij echter wel dat de intracellulaire Ca2+-concentratie in rusttoestand zeer laag is. Wanneer er dan een actiepotentiaal arriveert in het presynaptisch deel zullen de spanningsgeschakelde Ca2+-kanalen reageren en Ca2+ de cel inpompen, wat zo het signaal kan vormen voor exocytose van neurotransmitters. Het vesikel migreert naar het membraan en versmelt. Voor de exacte werking van het proces, zie na punt 4.

40. Gedeeltelijke opname door het postsynaptisch membraan en de overige hoeveelheid neurotransmitter wordt geinhibeerd door het presynaptisch membraan;Heropname van de vrijgekomen neurotransmitter is essentieel om het signaal te stoppen, Dit proces is Na+-gekoppeld via een Na+/[neurotransmitter] cotransporter. Let wel: acetylcholine vormt hier een uitzondering, omdat dit door acetylcholinesterase terug wordt afgebroken in zijn oorspronkelijke componenten. Vervolgens wordt choline overigens geinhibeerd via de bovenstaande cotransporter. De andere component (acetaat) is een zwak zuur, en zal dus door diffusie worden gerecupereerd.6

41. Post-synaptische respons; geïllustreerd aan de hand van een voorbeeld: de neuromusculaire junctie → een junctie die de verbinding vormt tussen een neuron en een spiercel; de neurotransmitter is Ach.Het neuron ondergaat een actiepotentiaal; hierdoor wordt in het presynaptisch membraan Ach vrijgezet en als reactie hierop zal de spiercel ook depolariseren door de aanwezigheid van de Nicotine-acetylcholinereceptor (zie verder). Deze depolarisatie zet door tot in de T-tubuli, die verbonden zijn met het SR. Hierdoor kan het SR een Ca2+-kanaal openen, met als gevolg dat Ca2+ het cytoplasma van de spiercel in kan stromen en voor contractie kan zorgen.

Migratie naar het celmembraan en versmelting van vesikels:Membraanversmelting wordt mogelijk gemaakt door de vorming van het SNARE-complex. Dit complex bestaat uit synaptobrevin, SNAP-25 en syntaxines. Door de vorming van dit complex kan het vesikel dicht bij het membraan in de buurt komen, met als gevolg optredende hydrofobe interacties en versmelting. SNARE staat overigens voor SNAP-REceptor.

6 Praktisch: Cocaine → blokkade van de Na+/dopamine cotransporter Prozac → blokkade van de Na+/serotonine cotransporter; signaalverlenging als gevolg


Het is duidelijk dat wanneer er fouten optreden in dit proces, bepaalde actiepotentialen niet kunnen worden doorgegeven. Dit is nu precies het geval bij tetanus en botuline-toxines (voedselvergiftiging). Deze toxines splitsen het SNARE-complex, waardoor het vesikel niet meer kan versmelten omdat het niet dicht genoeg bij het plasmamembraan komt te liggen. Zie illustratie op blz. 34 nr. 2Toepassingen met voordelen zijn natuurlijk ook mogelijk in botox (botuline-toxine); dit splitst in SNAP-25, met als gevolg dat er bepaalde neurotransmitters niet meer door zullen komen en hun signaal daar wordt afgebroken: spieren worden lamgelegd en rimpels zijn zo niet meer zichtbaar.Een nuttigere toepassing van botox en indirect gekoppeld spierverlamming is migrainebehandeling of behandeling van spastische kinderen, volgens hetzelfde principe.Maar, zoals in punt 2 al verteld is, is Ca2+ de essentiële factor. Er moet dus ergens op het vesikel een sensor zitten die afhankelijk is van Ca2+. Deze sensor is synaptotagmin. Dit kan namelijk binden aan PIP2, maar in afwezigheid van Ca2+ zal het C2B (zie bijlage) te zwak binden, met als gevolg dat de verbinding wordt verbroken. Is Ca echter wel aanwezig, zullen de SNAREs draaien zodat de C2-domeinen door het membraan kunnen breken waardoor de hydrofobe interacties kunnen plaatsvinden. Wanneer dit proces tot hier is gekomen, gebeurt de rest praktisch vanzelf. Volledig geïllustreerd op bijlage 13.

De Nicotine-acetylcholine receptor is aanwezig in de neuromusculaire junctie (draagt de actiepotentiaal over van het neuron naar de spiercel). Het heeft twee Ach-bindingsplaatsen op de bovenste ‘ring’ (blz. 38, nr. 1), waardoor er een respons op zal treden. Deze respons bestaat uit influx van Na+-ionen → depolarisatie. (Overigens zitten er in de spiercel ook ‘gewone’ Na+-spanningsgeschakelde ionenkanalen, en kan het signaal versterkt resp. voortgezet worden.)Curare is een bekende en efficiente inhibitor van de NAch-receptor. Door binding van curare zal de spiercel dus niet meer depolariseren en dus niet meer contraheren. Hierdoor treedt er verlamming op. Men past dit nog steeds toe tijdens operaties. (Overigens is het wel belangrijk dat je je realiseert dat dit proces postsynaptisch plaatsvindt).

Sir B. Katz heeft het proces van vesiculaire vrijzetting ontdekt; hij had het voor elkaar gekregen om een nog werkende neuromusculaire junctie te isoleren en kon het neuron beïnvloeden. De reactie van de spiercel is natuurlijk te meten via de actiepotentiaal die geïnitieerd wordt. Hij zag toen ook dat wanneer er geen stimulans plaatsvond, er nog altijd kleine fluctuaties optraden, die overeenkwamen met kleine depolarisaties. Deze waarden waren of even groot of steeds een veelvoud van de ‘kleinste’ waarde, wat duidde op vesikelafgifte. Om daadwerkelijk een actiepotentiaal te kunnen genereren, was er echter 100 tot 1000 keer meer nodig aan vesikelvrijgave.

De bovenstaande uiteenzetting over de neuromusculaire junctie bespreekt enkel nog maar de synaps tussen het neuron en de spiercel. Het spreekt voor zich dat er ook juncties moeten zijn tussen 2 neuronen: de neuronale synaps.

Aan de opbouw van een neuron is te zien dat het veel meer signalen binnen moet krijgen dan alleen van één ander neuron, gezien de vele uitlopers (dendrieten). Dit is fantastisch geïllustreerd op blz. 41, nr. 2. Maar, mochten er enkel exciterende neurotransmitters bestaan, zou praktisch elk neuron een actiepotentiaal genereren, ervan uitgegaan dat het neuron een som neemt van de volledige input van alle dendrieten (wat overigens het geval is). Toch is dit niet het geval, omdat er ook inhiberende neurotransmitters bestaan, die een ‘repolarisatie’ kunnen veroorzaken:


EPSP → depolarisatie → Ach of glutamaat → gNa of gCa stijgt.IPSP → hyperpolarisatie of stabilisatie → Glycine of GABA → gCl of gK stijgt.

Wanneer er dus in een neuron inhibitie optreedt, zal de GABA-R worden geactiveerd. Deze GABA-R is een ligand-geschakeld (GABA) Cl--kanaal; hierdoor wordt bij binding van GABA het membraan permeabel voor Cl- met hyperpolarisatie tot gevolg. (In principe analoog aan de NAch-R).Belangrijk is je te realiseren dat deze GABA-R tevens gevoelig is voor ethanol, benzodiazepines, pirotoxines en barbituraten. (zie verder)

Zoals zichtbaar is in de geschreven bijlage, deel 2, is het essentieel voor het organisme om de conductantie van Cl- zwaar te controleren. Gebeurt dit niet correct, is het onmogelijk een actiepotentiaal te genereren omdat de drempelwaarde volledig is weggevallen. Dit vormt precies de reden waarom een overdosis van bovenstaande stoffen dodelijk is. (De ene reageert echter minder sterk dan de ander; alcohol vs. barbituraten).Benzodiazepines worden daarom ook gebruikt als kalmeer- of slaapmiddelen: rohypnol en valium zijn hier voorbeelden van. Maar: een neuron neemt niet alleen de som van alle inkomende actiepotentialen; hij houdt tevens rekening met het tijdsinterval: de frequentie wordt bepaald om zo wel of niet een actiepotentiaal te genereren, geïllustreerd op blz. 44 nr. 1 en 2. Realiseer je dus dat het voortbrengen van een actiepotentiaal berust op 2 factoren (frequentie en de algebraïsche som).

Nu zijn we er nog niet; informatie moet namelijk tweezijdig gemaakt worden (wat duidelijk geïllustreerd wordt in het voorbeeld van het strekken van het onderbeen: relaxatie van de triceps en biceps-contractie). Deze ontkoppeling vindt plaats in het ruggenmerg.

Insuline-vrijzetting in de -cel.βDeze cellen liggen in de eilandjes van Langerhans in de pancreas. De pancreas bestaat uit een exocrien gedeelte (enzymproductie naar het verteringsstelsel) en een endocrien gedeelte (hormoonproductie en afgifte aan het bloed) voor het glucosemetabolisme via insuline en glucagon.

Dit proces wordt natuurlijk ook weer neuronaal geregeld: (blz. 47)

Glucose heeft namelijk invloed op de membraanpotentiaal van de β-cel, geïllustreerd op nr. 1 en bijlage 15:

1. Glucose van het voedsel komt terecht in het bloed; dit komt de β-cel binnen via GLUT-22. De geïmporteerde glucose wordt dan omgezet in pyruvaat, en van de vrijgekomen energie

wordt ADP omgezet naar ATP. 3. Dit gevormde ATP zal invloed hebben op de ATP-gevoelige K+-kanalen: is er namelijk veel ATP

in de cel aanwezig, zal het K+-kanaal sluiten. Is er weinig ATP in de cel aanwezig, blijft het K+-kanaal open (en verandert er weinig aan de situatie).

4. In het geval dat er nu veel ATP is, zal het K+-kanaal zich sluiten, waardoor de K-conductantie daalt: er treedt depolarisatie van de cel op

5. Door de opgetreden depolarisatie zullen de spanningsgevoelige Ca2+-kanalen openen, waardoor er een Ca2+-influx zal optreden. Doordat er nu plotseling veel Ca2+ in de cel aanwezig is, vormt dit een signaal voor insuline-bevattende vesikels om te versmelten met het membraan van de β-cel en wordt de insuline afgegeven aan het bloed.


De structuur van de ATP-afhankelijke K+-kanalen staat geïllustreerd op blz. 48 nr. 1; het bevat 2 transmembranaire eiwitten: SUR en Kir 6.2:SUR (sulfonylureum receptor) is een ABC-pomp die gevoelig is voor de ATP-concentratie in de β-cel.

Met deze kennis is het mogelijk geworden om pathalogien als hyperinsulemie en diabetes mellitus te behandelen:

Hyperinsulemie → te veel insuline-secretie; inhibitie vindt plaats door diazoxide; pinaxidil; cromakalim; P1075.

Diabetes mellitus → doordat het lichaam de glucose secreteert uit het lichaam; moet er dus meer insuline worden aangemaakt zodat het glucose kan worden opgeslagen in de vorm van glycogeen. Tolbutamide, Glibenclamide; Iodoglibenclamide of Azido-iodoglibenclamide zorgen ervoor dat de K-kanalen sluiten en er dus insuline kan worden afgegeven.

Eenmaal in het bloed (de insuline); vindt het effect plaats op praktisch alle plaatsen:In de spieren en de lever wordt de glucose namelijk uit het bloed gehaald en wordt gebruikt voor de glycogeensynthese. De vetcel geeft respons door de glucose op te nemen en zo zorg te dragen voor de vetsynthese.

Wanneer insuline afwezig is, heeft het het omgekeerde effect: glucose-opname daalt en er vindt in hierboven genoemde cellen glycogeen- resp. vetafbraak plaats. Hier maakt men nu net gebruik van in het Atkins-dieet: de glucose-spiegel wordt laag gehouden, maar vetten mogen praktisch onbeperkt geconsumeerd worden.

3. Membraanreceptoren

Membraanreceptor → een proteïne op het celoppervlak waardoor intercellulaire communicatie mogelijk wordt gemaakt. Deze communicatie berust meestal op chemische stoffen:chemische communicatie; 3 variaties7:

42. Endocrien → een secretiecel produceert signaalstoffen en geeft die af aan de bloedbaan, en bereikt zo de targetcel

43. Lokaal → transport van de signaalstoffen berust op diffusie; 2 varianten:a. Autocrien → één cel produceert de signaalstoffen, worden afgegeven aan de omgeving

en oefenen vervolgens hun invloed uit op dezelfde cel die de stoffen geproduceerd heeft.b. Paracrien → de secreterende cel produceert de signaalstoffen die worden afgegeven aan

de omgeving. Via diffusie bereiken de afgegeven stoffen hun targetcellen die verschillend zijn van de secreterende cel

44. Lokaal via synaptische transmissie; hierbij leggen de receptoren de verbinding tussen de naburige cellen.

Deze (endocriene) signaalstoffen worden gesynthetiseerd door klieren; door productie van hormonen wordt sturing van het lichaam mogelijk. Afgifte van deze stoffen door de secreterende cel gebeurt door exocytose (adrenaline) of via diffusie (steroiden). Wanneer deze stoffen

7 In alle onderstaande gevallen moet de targetcel wel over een receptor beschikken om te kunnen reageren; alle vormen van chemische communicatie zijn geïllustreerd op blz. III-1 nr. 2


getransporteerd moeten worden via het bloed kan dit vrij (hydrofiele stoffen) of gebonden aan een carriër (hydrofoob).Vervolgens moet de targetcel reageren; opnieuw wordt er onderscheid gemaakt:

Snelle receptoractivering; verloopt via de volgende pathway: Het extracellulair signaalmolecuul bindt aan zijn receptor op het celoppervlak. Er wordt een proteïnefunctie veranderd of opnieuw in gang gezet Verandering in de cytoplasmatische machinerie treedt op: de cel gaat zich anders

gedragen. Trage receptoractivering; de pathway verschilt enigszins van de bovenstaande:

Opnieuw bindt het extracellulair signaalmolecuul aan de receptor op het celoppervlak De receptor activeert op een of andere manier (zie later) de transcriptiemachinerie die

DNA gaat transcriberen tot mRNA wat tot expressie komt. Door het tot expressie gekomen gen verandert de cytoplasmatische machinerie met als

gevolg dat de cel verandert in zijn gedrag.N.B. Bovenstaand proces is geïllustreerd op blz. III-2 nr. 1

Er is voor steroïden (hydrofobe moleculen) nog een alternatief: door het feit dat zij zo door het membraan kunnen diffunderen, hebben ze op het membraan geen receptor nodig. Wanneer ze namelijk in het cytoplasma zitten, zullen ze binden aan intracellulaire receptoren met als gevolg dat ze naar de nucleus zullen worden gerecruteerd, om daar te binden aan een specifiek gen (aan de enhancer) en zo een gen kan activeren.Bijlage 16 toont de verschillende membraanreceptoren.

De receptoren worden onderverdeeld in 2 groepen naar hun effect:

1. Ionotroop effect → effect dat gebaseerd is op een ligandgestuurd ionenkanaal (NAch-receptor)

2. Metabotroop effect → géén ionenkanaal; effect dat ontstaat door binding aan een (metabotrope) receptor wordt er een intracellulaire signaaltransductie-pathway in gang gezet; deze werkt langzamer, maar heeft over het algemeen een langduriger effect.

Het is duidelijk dat er een verband bestaat tussen de cellulaire respons en de relatieve ligandconcentratie; hierin zit een constante Kd → de constante voor de ligandbinding. Voor de formules en grafiek: zie blz. III-3 nr. 2. ([RL] staat overigens voor de minimale hoeveelheid ligand dat moet binden aan x receptoren voor een reactie)Bovendien kun je uit de opgave halen op blz. III-3 nr. 3 dat het aantal receptoren per cel bepalend is voor de cellulaire reactie.

Second messengers → secundaire boodschappermoleculen die geactiveerd kunnen worden na ligandbinding aan een receptor. Dit zijn kleine moleculen, zodat ze snel op te bouwen resp. af te breken zijn, gezien het feit dat snelheid een essentiele factor is. Enkele voorbeelden hiervan zijn DAG; IP3, cGMP, cAMP, Ca2+.


G-protein coupled receptors (GPCR’s)GPCR → receptoren die bestaan uit een grote proteine-familie van transmembranaire (7 domeinen) receptoren die kunnen reageren op moleculen uit het extracellulair milieu en dan intracellulair bepaalde signaaltransductiepathways kunnen activeren, wat uiteindelijk zal leiden tot cellulaire respons.

Deze GPCR’s hebben meestal 2 toestanden: GTP- respectievelijk GDP-gekoppeld; zie bijlage 17 voor de factoren die een rol spelen bij de activatie van de pathway.

Zoals al eerder is vermeld, is het G-proteïne inactief wanneer er een GDP gekoppeld is en wordt het terug actief wanneer GDP vervangen wordt voor GTP. Het essentiële proteïne die hiervoor zorgt is een GEF → een guanine nucleotide exchange factor; dit proteïne zorgt dus voor de verwisseling van GDP voor GTP en daarmee voor activatie. (zie blz. 5 nr. 2)

De precieze werking van de GPCR’s staat geïllustreerd in bijlage 18:

1. Het G-proteïne is in de rusttoestand; de toestand die geïllustreerd is in bijlage 17 (GDP is gebonden). Realiseer je wel dat afhankelijk van de receptor het G-proteïne gebonden is aan de receptor óf losgekoppeld.

2. De signaalstof (bv. een hormoon) bindt aan de receptor (selectief voor een bepaald ligand) → activatie vindt plaats → de receptor ondergaat een conformatieverandering.

3. Door de conformatieverandering zal er waarschijnlijk een hogere affiniteit ontstaan voor de Gα-subunit van de trimere G-proteïne en die bindt; het is mogelijk dat deze stap wordt overgeslagen, wanneer het G-proteïne reeds gekoppeld is aan de receptor in de rusttoestand.

4. Door de binding wordt een tweede conformatieverandering geïnduceerd, maar nu in de Gα-subunit. Het gevolg is dat GDP wordt vervangen door GTP (via GEF), waardoor er een sterke affiniteitsdaling plaatsvindt en de Gα-subunit dissociëert van Gβγ.

5. Het hormoon dissocieert nu van de receptor (de receptor gaat terug naar de inactieve toestand) en Gα kan nu binden aan de effector en het activeren8. Realiseer wel dat de andere twee subunits ook zo hun eigen subunits kunnen hebben.

6. GTP wordt nu gehydrolyseerd tot GDP, met als gevolg dat de Gα-subunit dissocieert van de effector en zich opnieuw herenigd met Gβγ.

Bijlage 18b geeft hetzelfde proces weer, alleen in een andere vorm.

Na onderzoek is gebleken dat er in het menselijk genoom meer dan 1000 genen voor bepaalde GPCR’s zitten, echter voor velen van deze is er nog geen ligand bekend → orphan receptors.

Het is logisch dat wanneer er meer dan 1000 genen coderen voor GPCR’ s er variatie bestaat in de effectoren (doelwitten van de GPCR’s); deze staan op de volgende bladzijde geïllustreerd.

Zoals al eerder vermeld staat, bestaan deze G-proteinen uit 3 subunits; ze zijn trimeer. Deze verschillende subunits worden gecodeerd door verschillende genen waarin onderling variatie kan zitten, zodat er veel verschillende soorten ontstaan, en toch relatief weinig plaats innemen in het genoom (geïllustreerd op blz. 9 nr. 2)

8 Let wel: eens Gα actief is, krijgt het een GTPase activiteit.


Gα-klasse Geassocieerde effector Second messenger VoorbeeldreceptorenGsα Adenylylcyclase cAMP (toename) Serotonine, vasopressine,

glucagonreceptorenGiα Adenylylcyclase; K+-kanaal (Gβγ

activeert effector)cAMP (daling);

verandering in de membraanpotentiaal

α1-adrenergic receptor

Golfα Adenylylcyclase cAMP (stijging) Reukreceptoren in de neus

Gqα Fosfolipase C IP3; DAG (toename) α2-adrenergic receptorGoα Fosfolipase C IP3; DAG (toename) Acetylcholinereceptor in

endotheelcellenGtα cGMP fosfodiesterase cGMP (daling) Rhodopsine

(lichtreceptoren) in de staafjes

Variatie in de spiegel van adenylaatcyclase (G s α en G iα )cAMP is een belangrijke 2nd messenger (zie verder), het wordt gesynthetiseerd uit ATP. Deze reactie wordt gekatalyseerd door adenylaatcyclase (zie blz. 9 nr. 3). Dit AC (adenylaatcyclase) wordt gereguleerd door Gαi en Gαs. Hoe dit precies gebeurt: zie bijlage 19.

Een toepassing hiervan is het cholera-toxine; dit inhibeert namelijk de GTPase activiteit van het G sα, zodat GTP niet meer wordt vervangen door GDP en het dus actief blijft. Hierdoor zal de concentratie cAMP explosief stijgen, wat inwerkt op het Cl--metabolisme, en zo via een transporter naar buiten wordt gebracht. Osmotisch komt water mee, wat dediarree veroorzaakt.

Voor de binding van Gsα aan adenylaatcyclase: zie blz. 10 nr. 3.

Wanneer cAMP nu onder normale omstandigheden wordt gevormd, activeert het proteïne kinase A (PKA). Inactief PKA is omgeven door een pseudosubstraat; komt cAMP hier in de buurt, zal dit binden en het pseudosubstraat wordt losgekoppeld. Actief PKA heeft dus vrije katalytische subeenheden die fosfaatgroepen op serines resp. threonines kunnen plaatsen. Daarom is PKA een serine/threonine kinase. Hierdoor wordt overigens een hormoonsignaal exponentieel versterkt (zie blz. 11 - 2). Bekijk bovendien als voorbeeld het glucogeenmetabolisme op blz. 11 - 3 voor de structuren; bijlage 20 geeft aan wat voor invloed een verhoging resp. verlaging van cAMP heeft op het glucosemetabolisme.

Dit verklaart echter nog niet voldoende hoe een hormoon de genexpressie kan beïnvloeden:

Het hormoon bindt aan een GPCR, waardoor adenylaatcyclase wordt geactiveerd. AC synthetiseert cAMP, die het pseudosubstraat kan loskoppelen van PKA ter activatie. cAMP bindt aan PKA en de pseudosubstraten bewegen richting de nucleus waar ze aan de

hand van ATP-hydrolyse CREB kan fosforyleren. (CREB → CRE-binding protein) gefosforyleerd CREB bindt aan CRE → cAMP-response element, gebonden aan DNA. Als laatste komt CBP/P300 er nog bij, die kan binden aan CREB, mits dit gebonden is aan CRE,

CBP of P300 kan de transcriptiemachinerie beïnvloeden, waardoor genen tot expressie komen.


Stijging van fosfolipase C (PLC) (G qα )Fosfolipase C → een enzym dat fosfoglyceriden kan splitsen waardoor het DAG (diacylglycerol) en IP3

(inositol trifosfaat) kan genereren. Ter volledigheid: er bestaan verschillende fosfolipasen die fosfoglyceriden op verschillende plaatsen splitsen. Voor de structuurformules: zie blz. 13 - 2 & 3.

PLC kan zijn invloed uitoefenen op het Ca2+-metabolisme; door binding van een G-proteïne aan PLC wordt zowel DAG als IP3 gegenereerd:

IP3 beweegt door het cytoplasma naar het ER, waar het aan een IP3-afhankelijk Ca2+-kanaal kan binden (de IP3-receptor.)

Dit kanaal zet Ca2+ vrij in het cytoplasma wat zijn invloed heeft op PKC. Dit PKC kan nu binden aan DAG wat eerder al gevormd werd en dit complex kan nu bepaalde

substraten fosforyleren. Door het vrijzetten van Ca2+ in het cytoplasma, is de Ca2+-concentratie in het ER (drastisch)

gezakt; er wordt op een of andere manier een signaal gestuurd naar de store-operated Ca2+-kanalen die het ER opnieuw kunnen vullen met Ca2+.

Het Ca2+-signaal heeft een typische aanhouding; vrijzetting via IP3 gebeurt zeer snel en is ook snel weer afgelopen, terwijl de instroom van Ca2+ door de store-operated channels langzamer op gang komt en ook langer duurt voordat het signaal ten einde komt; geïllustreerd op blz. 14, nr. 2

Een toepassing is de bloedvatwand. Deze bestaat uit een endotheellaag en een gladde spierlaag; hierop zijn enkele experimenten gedaan:

45. Ach werd toegevoegd; de gladde spierwand trekt hierdoor samen.Vervolgens werd Ach toegevoegd aan een gemodificeerde bloedvatwand (de ‘sandwich’; bestaande uit gladde spiercellen & endotheelcellen). Men zag dat de endotheelcel EPRF ging produceren; EPRF → endothelium-derived relaxation factor; dit zorgt voor relaxatie van de spierwand.

46. Op blz. 15-2 staat geïllustreerd wat hieronder uiteengezet wordt; nitroglycerine (dynamiet) kan namelijk gebruikt worden als medicijn tegen angina pectoris:a. Voor de werking moet je 2 dingen in het oog houden:

I. Nitroglycerine kan NO vormenII. cGMP kan enzymatisch worden gevormd uit GTP via guanylylcyclase.

b. Men zag dat de productie van cGMP steeg bij een stijgende concentratie van NO; dit betekent dus dat NO bindt aan guanylylcyclase en zo cGMP kan vormen. cGMP staat in voor vasorelaxatie via het beïnvloeden van myosine en kan zo helpen bij angina.

47. Het laatste experiment kijkt naar de ‘gemeenschappelijke kenmerken’ van+ EPRF en NO, gezien het feit dat ze dezelfde uitwerking hebben:a. Men had Hb blootgesteld aan endotheelcellen die EPRF produceerden en dat bekeken in

de spectrofotometer. De resultaten zijn zichtbaar op blz. 15, nr. 3b. Vervolgens bekeek men Hb dat blootgesteld was aan NO; de resutaten bleken exact

hetzelfde te zijn, waardoor men de conclusie trok dat NO = EPRF.


Voor de precieze verklaring van experiment 1:

Acetylcholine in bloed bindt aan een GPCR, wat via Gαo fosfolipase C activeert. Fosfolipase C genereert IP3 waardoor de calciumconcentratie in de endotheelcel stijgt. Ca2+ bindt met calmoduline, wat een conformatieverandering ondergaat en zich oprolt rond

het targetpeptide. Dit targetpeptide is NO-synthase; dit enzym kan Arginine met zuurstof omzetten naar

citrulline en NO. Dit gesynthetiseerde NO diffundeert naar de spierlaag waarin een guanylaatcyclase zit. NO bindt in de gladde spierlaag aan de NO-receptor, die dus tevens een guanylaatcyclase is

en zet GTP om in cGMP en een pyruvaat. Het cGMP kan PKG activeren wat de spiercel doet relaxeren.

De farmacologie van NO is hierboven al enigszins geïllustreerd, maar er is nog een andere toepassing:cGMP is uitermate instabiel en zal worden afgebroken door PDE5 (cGMP-specifiek fosfodiesterase type 5) tot GMP. Sidenafil → een inhibitor van PDE5 (Viagra; dit heeft overigens geen effect op de bloeddruk); PDE5 wordt geinhibeerd, en cGMP wordt niet afgebroken en blijft actief: zijn relaxerende werking wordt constant uitgevoerd.

Een andere manier waarop een hormoonsignaal kan leiden tot genexpressie is de volgende:

Door een GPCR-tussenkomst wordt PLC geactiveerd, wat ervoor kan zorgen dat tubby dissocieert van PIP2. Normaalgesproken zit tubby vast aan PIP2 en zo niet naar de nucleus kan migreren.Tubby → transcriptiefactor die normaalgesproken gebonden is aan PIP2; komt deze los, zal deze metabolische veranderingen teweegbrengen.

Tubby kan dus loskomen en beweegt dan naar de nucleus, waar het zijn functie als transcriptiefactor zal uitoefenen en het metabolisme kan veranderen waardoor er een sterke verzwaring van het organisme op zal treden.

Stijging van het cGMP-specifieke fosfodiesterase (G tα )Deze vindt zijn toepassing in het oog; hierin zitten staafjes (zwart - wit onderscheid) en kegeltjes (kleur); voor de cellulaire structuur van de retina: blz. 17 - 3

Zo’n staafje bestaat uit op elkaar gebrachte schijven die rhodopsine bevatten, deze gestapelde schijfjes vormen zo een disk. Deze staafjes zijn zeer lichtgevoelig en bij verlies treedt er dus nachtblindheid op → nyctalopia. (Structuur van een staafje; zie bijlage 22).

Het rhodopsine dat in het staafje zit bestaat uit opsine (GPCR) en retinol (Vitamine A). Het gevormde rhodopsine komt voor in de cis-isomeratie en kan worden omgezet naar de trans-vorm via licht (structuurformules: 19-1).Dit rhodopsine kan interageren met Gαt.

Voor de exacte werking (bijlage 23):

Licht valt in op het netvlies en activeert het GPCR Het GPCR vervangt GDP voor GTP en dit activeert op zijn beurt de transducer (de Gαt)


Het geactiveerde GPCR activeert nu het inactieve PDE en zet daarbij cGMP om naar GMP: de intacellulaire cGMP concentratie daalt en het cGMP-geschakelde kanaal sluit (CNG)

Het staafje repolariseert en het spanningsgeactiveerde Ca2+ kanaal sluit Exocytose van glutamaat daalt en er treedt repolarisatie van een bipolaire cel op.

Wanneer er geen licht op invalt, openen de CNG-kanalen en zal het staafje depolariseren, hierdoor openen de Ca2+-kanalen en vindt er een stijgende exocytose van glutamaat plaats en zal de bipolaire cel depolariseren.

De staafjes passen zich constant aan (i.v.m. mogelijke overbelichting), deze regeling verloopt als volgt (zie bovendien bijlage 24):

Rhodopsine (aangepast aan het donker): Weinig lichtinval:

Opsine wordt geactiveerd en die activeert weer zeer heftig de Gαt

Vervolgens wordt ATP gehydrolyseerd door rhodopsine kinase en die kan opsine fosforyleren zodat de Gαt-activatie enigszins gereduceerd wordt.

Veel lichtinval: Zeer sterke reductie van de Gαt-activatie ontstaat door intensieve fosforylatie Bij zeer sterke lichtinval is het ook nog mogelijk dat de Gαt-activatie volledig

geblokkeerd wordt; dit gebeurt door binding van arrestine.

Effectoren van Gβγ.Deze 2 subunits kunnen kanalen activeren door rechtstreekse binding aan het K+-kanaal (als voorbeeld); hierdoor treedt er hyperpolarisatie op. Een toepassing hiervan is de vertraging van het hartritme. (blz. 21 - 2) ondanks Ach-binding (initieel).

Ondertussen is het duidelijk dat Ach een zeer heterogeen molecuul is:

In de skeletspier zal het binden aan de NAch-receptor (ionotroop) waardoor er depolarisatie optreedt met spiercontractie als gevolg.

In een hartspier zal het binden aan de MAch-receptor (metabotroop) en via een GPCR kan de Gβγ-unit binden aan een K+-kanaal die zal openen. Hierdoor treedt hyperpolarisatie op wat een kalmerende invloed heeft.

Cytokine-receptoren & receptor tyrosine kinasen.Als inleiding wordt EPO als voorbeeld genomen; EPO is een natuurlijk hormoon dat zorgt voor een stijgende hematocrietwaarde door de aanwezigheid van meer erythrocyten. Dit zorgt voor beter zuurstoftransport naar de spieren en zo voor een beter uithoudingsvermogen. Dit gunstige effect kan ook kunstmatig bereikt worden, namelijk door een hoogtestage (minder O2 aanwezig; lichaam lost dit op door de mogelijkheid te creeeren door meer O2 in één keer te transporteren) of door een lagedruktent (hetzelfde effect). EPO inspuiten vormt de meest makkelijke oplossing. Wordt de hematocriet echter te hoog, kan dit leiden tot een hartstilstand omdat de bloedsamenstelling te viskeus wordt.

Het is duidelijk dat een zoogdier in levensgevaar is in geval van hypoxie (te weinig O2); daarom heeft het lichaam een snelle en zeer uitgebreide respons; geïllustreerd op bijlage 25:


Niet gebonden Hb activeert HIF (hypoxia-induced factor); dit heeft een zeer grote variëteit: Anaeroob metabolisme wordt geactiveerd Angiogenese (vorming van nieuwe bloedvaten) Vasodilatatie (bloedvatverwijding) Eryothropoesis in het beenmerg; hoe dit gebeurt, zie blz. 23-2 Stijging ademhalingsritme

Cytokine → factor die cellen aanzet tot beweging; een voorbeeld is dus EPO, of thrombopoietine; dit betekent per definitie dat de EPO-receptor een cytokinereceptor is; voor de structuur hiervan: zie blz. 24 - 1.Wanneer een cytokine zoals EPO nu bindt aan zijn receptor treedt er dimerisatie van de receptoren op; je hebt dus 2 receptoren nodig om 1 molecuul EPO te binden (zie blz. 24 - 2); na deze dimerisatie worden bepaalde genen gestimuleerd of juist geinhibeerd; experimenteel is bepaald dat dit gebeurt via JAK en STAT. Dit experiment staat uiteengezet op blz. 25 - 1.

Dit principe werkt als volgt (bijlage 26):

48. JAK zorgt voor de signaaltransductie-initiatie na de cytokinebinding; het fosforyleert een OH-groep op een tyrosine (het is dus een tyrosine-kinase)

49. Vervolgens zal JAK zeer sterk binden aan een cytokinereceptor tot vorming van het cytokinereceptor-JAK-complex

50. Het kinase afkomstig van JAK zelf zal nu een fosfaatgroep plaatsen op de activatielip, waardoor het zeer actief wordt.

51. Dit is zelfs zo actief, dat het buur-activatielippen kan fosforyleren; JAK1 activeert 2 via transfosforylatie-1 etc.

52. Nu binden signaalmoleculen aan een tyrosinefosfaat in de geactiveerde receptor; het heeft namelijk twee specifieke aandokplaatsen voor proteïnen; het SH2-domein en het PTB-domein.

53. Nu komt STAT zijn functie uitoefenen (signal transducer and activation of transcription proteins); het bindt aan een fosfaatgroep via zijn SH2-domein en wordt gefosforyleerd door JAK.

54. Vervolgens treedt dimerisatie van 2 STAT-moleculen op wat een nuclear-lokalisatie-signaal vormt.

55. Hierdoor beweegt het richting de nucleus en bindt en activeert DNA voor transcriptie. Specifiek voor EPO: STAT5 → een tekort hieraan kan anemie veroorzaken.

De fosforylatie van proteïnen is al eerder aan bod gekomen:

Aminozuur Fosforylerende moleculenSerine of Threonine PKA; PKC of MAP-kinase

Aspartaat P-type ATPasenTyrosine JAK of receptor-TK


Deactivatie van cytokine-receptoren:

Deactivatie van JAK-2 wordt geinduceerd door SHP1 fosfatase, dit kan namelijk specifiek binden aan de fosfaatgroep op een actief JAK-2-kinase.Dit SHP1 fosfatase heeft 2 domeinen: Domein voor de receptor: binding van fosfotyrosines Fosfatasedomein (voor verwijdering van een fosfaatgroep)

Signaalblokkering en proteïne-degradatie geïnduceerd door het SOCS-proteïne9: De aanmeerplaatsen voor het ligand worden bedekt Het vormt een signaal voor proteasomen voor afbraak van de receptor.

Enkele toepassingen (pathalogieen):

56. Erythrocytose → een te hoog hematocriet; dit hoeft niet noodzakelijk kunstmatig geiniteerd te zijn; er zijn mensen die een normale binding en activatie van STAT hebben, maar geen binding van het SHP1-signaal hebben:a. Vertraagde deactivatie van het EPO-signaalb. Verhoogde erytropoiese

57. Erythroleukemie → een overwoekering van de rode bloedcellen door een virale infectie; het SFFV-virus bindt namelijk aan de EPO-receptor waardoor het geactiveerd wordt zonder dat EPO aangemaakt is in het lichaam.

De activatie van de RTK’s verloopt praktisch analoog aan de activatie van de cytokinereceptoren, alleen heb je 2 liganden nodig voor dimerisatie en is er geen JAK; voor de volledige schematische weergave: zie bijlage 27.

Het kan soms zijn dat meerdere interactiesites noodzakelijk worden, dit kan worden geregeld via multi-docking-proteinen, dit staat geïllustreerd op blz. 30-2.Een voorbeeld hiervan is de IRS → insuline receptor substraat, die dus gefosforyleerd kan worden en zo nieuwe aanhechtingsplaatsen creert.

Verschillende tussen de cytokine-receptoren en de RTK’s:

Cytokine-receptor RTKLigand Cytokine Peptide-hormonen

Stoichiometrie 1 ligand per dimeer 2 liganden per dimeerTyrosine-kinase JAK dat moet associeren Geïntegreerd in de receptor

Activatie 1. receptordimerisatie2. Transfosforylatie

1. receptordimerisatie2. transfosforylatie

STAT-activatie + -Activatie van Ras-MAP + +

Activatie van PLC + +Activatie van PI-3 kinase + +

Toepassing: het facetoog.

9 SOCS → Suppressor Of Cytokine Signalling


Het facetoog bestaat uit verschillende ommatidia → bestanddelen van het facetoog.Elk ommatidium heeft 8 lichtgevoelige cellen; R1 tot en met 8, nu bestaat er een mutant die R7 mist → de sevenless mutant; dit sevenless-gen codeert voor een RTK.

De functie van sevenless is experimenteel bepaald:

58. Men had 3 R8-cellen:a. Wild-type (normaal)b. Single-mutant (geen sevenless)c. Double-mutant (geen sevenless en geen Ras)

Bij (a) was alles correct; hier kwam een R7-neuron na inductie van de precursor uit.Bij (b) ontstond geen inductie, er was geen binding en dus ook geen R7-neuronBij (c) had men actief een Ras toegevoegd, en er ontstond wel een R7-neuron.Bekijk bij dit proces bijlage 28Zo zag men later in, dat Ras een klein G-proteïne was en Sos (Son of Sevenless, helpt bij de inductie tot differentiatie naar een bepaald celtype) een GEF10; het proces verliep dan als volgt:RAS + GDP zat dus in de uit-toestand. Wanneer Sos dan bindt, wordt GDP vervangen door GTP en wordt het RAS actief; geïllustreerd op blz. 31 - 3.

Het mechanisme voor de Ras-activatie verloopt als volgt:

59. RTK moet gefosforyleerd worden; dus hormoonbinding veroorzaakt dimerisatie en fosforylatie van de cytosolische receptor tyrosine-residues, er ontstaat een actief EGF-dimeer (ervan uitgaande dat EGF het ligand is)

60. Vervolgens moet Ras aan RTK gekoppeld worden:a. GRB2 (adapterproteïne) en Sos kunnen allebei binden aan het inactieve Ras via het SH3-

domein op GRB261. Nu moet GDP vervangen worden door GTP om te activeren. Dit proces wordt gestimuleerd

door Sos, zodat GTP kan binden aan het Ras en kan nu dissociëren van Sos62. Ras is geactiveerd. Nu kan het een cascade van kinasen activeren (zie bijlage 29):63. Actief Ras recruteert, bindt en activeert Raf (serine/threonine kinase).64. Het Raf kan nu op zijn beurt Mek activeren, die MEK (MAP/Erk Kinase) hydrolyseert

vervolgens ATP, zodat MEK nu het MAP-kinase kan recruteren doordat het 2 fosfaatgroepen van MAPK splitst en zo de activatielip opent.

65. Geactiveerd MAP-kinase (Mitogen-activated protein kinase) vormt een dimeer en dit wordt translokeerd naar de nucleus, waar het zijn invloed kan uitoefenen op transcriptiefactoren

Actief MAP-kinase stimuleert dus de genexpressie; dit gebeurt als volgt:

66. De dimere (actieve) vorm van MAP-K hydrolyseert ATP waarbij het inactieve p90RSK wordt omgezet naar de actieve vorm, die samen met het MAP-K migreert naar de nucleus.

67. Aangekomen in de nucleus, fosforyleert MAP-K TCF (ternary complex factor) met twee fosfaatgroepen

68. Het reeds geactiveerde p90RSK hydrolyseert ATP en plaatst zo een fosfaatgroep op SRF (serum response factor).

10 GEF → guanine nucleotide-exchange factor


69. Het SRF, TCF en SRE (serum response element) binden en vormen een complex; zo wordt de transcriptie van een bepaald gen geactiveerd.

Het is duidelijk dat wanneer hier grote fouten in op treden, verkeerde eiwitten getranscribeerd kunnen worden en zo pathalogien opleveren.Een voorbeeld hiervan is gemuteerd RTK; zij kunnen zo proto-oncogenen vormen die kanker kunnen veroorzaken:

Wanneer de bindingsplaats verdwijnt, vindt er constante activatie plaats Mutatie in RasD kan er ook voor zorgen dat het niet meer geïnactiveerd kan worden

(geïllustreerd op blz. 33)

Activatie PLCγ.PLC kan geactiveerd worden via GPCR’s (bijvoorbeeld PLCβ) of via RTK/cytokine receptoren (PLCγ); activatie vindt dus plaats door fosforylatie.

Activatie van PI-3-kinase.(Bekijk blz. 35 - 1 voor de structuurformules en de vorming)PI-3 kinase kan geactiveerd worden door fosforylering na hormoonbinding; P85 kan binden aan PI-3. Dit P85 heeft een SH2-domein, wat op zijn beurt weer een fosfaatgroep kan binden en zo geactiveerd kan worden.

PI3-bisfosfaat kan door binding aan een inactief PKB het activeren; PKB (serine/threonine kinase) bevat namelijk een PH-domein waaraan een 3-fosfaat in zowel PIP2 als PIP3 sterk kan binden. Het enzym recruteert de PIPx naar het membraan. Maximale activatie van PKB is afhankelijk van PDK1. Deze laatste moet namelijk PKB voor een tweede keer fosforyleren op een serine in de activatielip.

Een toepassing van een actief PKB is de insuline-receptor-activatie; Door PKB dat geactiveerd wordt door insuline vindt er exocytose plaats van vesikels die GLUT-4 bevatten, hierdoor stijgt de glycogeensynthese zeer sterk, dus de glucose-opname en opslag stijgt per definitie ook.MAP-kinase → stijging van de proteinesynthese, hierdoor wordt de celgroei en celdifferentiatie sterk gestimuleerd.

Notch-receptorNotch is een receptor die bij binding van een ligand proteasen activeert die notch extracellulair kunnen knippen. Het ligand voor de notch-receptor is δ.

Intracellulair wordt de receptor ook geknipt, alleen niet door dezelfde proteasen als extracellulair (TACE = Tumor necrosis factor alpha converting enzyme = α-secretase). Intracellulair wordt geknipt door γ-secretase (= preseniline 1); dit intracellulaire gedeelte werkt dan als transcriptiefactor voor de notch-receptor; de notch-receptor komt nu sterker tot expressie, terwijl de δ sterker wordt onderdrukt. (Terugkoppeling naar zichzelf). Dit proces is geïllustreerd op blz. 36 - 1.

Laterale inhibitie → inhibitie van wat er in de omgeving circuleert.De negatieve feedback (en onderdrukking van het ligand) leidt tot een onevenwicht wat eigenlijk alleen maar blijft stijgen tot er nog maar één cel overblijft die δ tot expressie kan brengen en de anderen enkel notch.


Dit proces is ontwikkeld, omdat op deze manier de volgende processen (gedeeltelijk) verklaard kunnen worden:

Ontwikkeling van verschillende celtypen uit naast elkaar liggende, equivalente cellen Ontwikkeling van grenzen in weefsels en organen. (Patroonvorming in de cochlea is een mooi

voorbeeld van de grensontwikkeling)

Ook hier kunnen zich natuurlijk pathalogieen voordoen:

γ-secretase werkt niet alleen in op notch! β-α-secretase splitsen extracellulair op verschillende plaatsen Bij Alzheimer vindt er een splitsing plaats tussen β en γ (28 aminozuren) in plaats van α en γ

(26 aminozuren), hierdoor kan er samenklustering optreden van de α en β-subunits wat plaques vormt in de hersenen en hier neerslaan.

4. Protein-targetting & vesiculair transport

InleidingDe vraagstelling in dit hoofdstuk is: ‘hoe wordt een proteïne op de juiste plaats afgeleverd?’; hierbij staan 3 begrippen centraal:

Protein-targetting (transport) Protein-sorting (sorteren van proteïnen naar transportplaats) Het proteïne in de juiste orientatie krijgen (wat betreft membraanproteïnen); gezien het feit

dat proteinen niet aan flip-flop kunnen doen.

Alvorens een proteïne überhaupt getransporteerd kan worden, zal het eerst gesynthetiseerd worden; het DNA moet getranscribeerd worden, het prematuur mRNA moet worden omgezet naar matuur (bij eukaryoten) en vervolgens moet het mRNA de kern verlaten. Dit mRNA moet dan getransleerd worden door ribosomen in het cytosol. Het translatieproces wordt meer uitgebreid besproken bij prof. Claessens, maar staat toch geïllustreerd op blz. 2 nr. 3

Protein-targetting.Wanneer het proteïne eenmaal getransleerd is op het ribosoom, vindt de eerste sortering reeds plaats:

70. Het eiwit kan de secretorische pathway volgen (komt terecht in het plasmamembraan of in een lysosoom, wanneer er iets mis is gegaan)

71. Nu; afhankelijk van een targetsequentie → een sequentie die aan het proteïne zit en hem richting een bepaalde plaats stuurt:a. Wel een targetsequentie; het eiwit komt terecht in bepaalde organellenb. Geen targetsequentie; het is een cytosolair proteïne.c. Dit proces is geïllustreerd op bijlage 30.

De targetsequentie die het proteïne in een bepaalde richting kan sturen zit vervat in de genetische code (het DNA) en dient dus als een typo adreskaartje voor het proteïne. Deze sequentie is plaatsspecifiek en kan, wanneer het op de plaats van bestemming is, eraf geknipt worden of blijft eraan zitten. Onderstaande tabel illustreert een aantal richtingen en sequentie-eigenschappen:


Target-organel Sequentie-locatie binnen het proteïne

Verwijderen van de sequentie?

Eigenschappen van de targetsequentie

ER (lumen) N-terminus Ja Kern van 6 - 12 AZ, gevolgd door een aantal basische AZ

Matrix van het mitochondrion

N-terminus Ja Amfipatische helix van 20-50 AZ, met aan een kant Arg of Lys, en de

andere kant hydrofobe AZ

Chloroplast (stroma) N-terminus Ja Over het algemeen rijk aan Ser, Thr en kleine

hydrofobe AZ Peroxisoom (matrix) C-terminus (meeste) Nee C-terminaal: Ser-Lys-

Leu (PTS1-signaal) en N-terminaal: PTS-2

Translocon → eiwitkanaal

De verschillen tussen de secretorische pathway en de niet-secretorische pathway zijn hieronder aangeduid:

Secretorische weg: Co-translationele11 translocatie naar ER; (verklaring bestaan van het RER) Gericht volgens Golgi → plasmamembraan → lysosoom → extracellulair Een ER-signaalsequentie is cruciaal!

Niet-secretorische weg: Polypeptide komt vrij in het cytosol Posttranslationele translocatie naar de kern, mitochondrion of peroxisoom is mogelijk Targeting vindt plaats d.m.v. een organel-specifieke sequentie

Het bestaan van de secretorische weg is bewezen door labeling-experimenten; men had cellen in een milieu gebracht met radioactief geladen AZ, zodat deze automatisch werden ingebouwd in de secretorische proteïnen. Deze cellen werden gehomogeneerd en gescheiden zodat men microsomen verkreeg → klein gedeelte van het RER; dus ER, bedekt met ribosomen, en de (secretorische) proteïnen in het lumen. Deze microsomen werden vervolgens gescheiden in twee groepen:

1. Groep 1 werd behandeld met detergenten (er ontstonden gaten in het membraan van het ER) en daarna werden proteasen toegevoegd → de secretorische proteïnen werden verteerd.

2. De tweede groep werd niet behandeld met detergenten (membraan blijft heel), maar de proteasen werden wel toegevoegd: men zag dat de secretorische proteïnen beschermd bleven; bewijs dat de eiwitten niet cytosolair zaten.

Als laatste kon men ook nog bewijzen dat het proces cotranslationeel verliep (wat essentieel bleek te zijn voor de maturering van het proteïne):

11 Co-translationeel → terwijl de translatie plaatsvindt, wordt het polypeptide reeds getransporteerd naar het ER (translocatie)


1. Proteïne-synthese buiten de cel → hier zijn dus geen microsomen aanwezig. Worden er vervolgens aan deze proteïnen microsomen toegevoegd, komen deze proteïnen niet binnen en wordt de N-terminale signaalsequentie er niet af geknipt.

2. Proteïnesynthese in een milieu waarin microsomen aanwezig zijn leverden mature proteïnen op.

Door het feit dat dit een cotranslationeel proces is, moet herkenning en translocatie samen gebeuren tijdens de translatie, dit gebeurt als volgt:

1. SRP → signal-recognition particle, een ribonucleoproteine, herkent de signaalsequentie. Dit SRP bestaat overigens uit verschillende componenten, weergegeven op blz. 8 - 1

2. Door de interactie van SRP met de targetsequentie, vindt er ook interactie plaats van SRP met het ribosoom. Dit vormt zo het RNC (ribosoom-nascent chain complex). Hierdoor verlaagt tevens de translatiesnelheid.

3. Binding van het SRP aan de signaalsequentie is mogelijk doordat SRP een hydrofobe gleuf heeft die kan interageren met de 6 - 12 hydrofobe aminozuren.

4. Vervolgens kan SRP reageren met de SRP-receptor (allebei zijn het GTPasen). Door binding is het ribosoom nu boven het (gesloten) translocon gekomen wat kan openen door GTP-hydrolyse van zowel SRP als de receptor en de polypeptideketen kan verder groeien door het translocon

5. Als de signaalsequentie door het membraan is gebracht, zal een signaalpeptidase deze sequentie eraf knippen.

6. Het proteïne groeit verder totdat het volledig getransleerd is. Het secretorisch proteïne kan nu vouwen in het lumen van het RER. Volledig geïllustreerd in bijlage 31

Membraanproteïnen.Dit geeft een ander verhaal; deze membraanproteïnen zijn onderverdeeld in 4 typen:

1. Type I → de C-terminus van het peptide zit in het cytosol en de N-terminus aan de exoplasmatische zijde. De signaalsequentie wordt in de extracellulaire ruimte eraf geknipt. (Single-pass proteïne)

2. Type II → de N-terminus zit in het cytosol, de C-terminus aan de exoplasmatische zijde. Dit proteïne heeft geen signaalsequentie, en is een single-pass proteïne.

3. Type III → de C-terminus zit opnieuw in het cytosol en de N-terminus aan de exoplasmatische zijde. Het verschil met type I is echter dat ook dit proteïne geen signaalsequentie bevat (enkel I bevat dit.) Bovendien is dit een single-pass-proteïne.

4. Type IV → het enige multi-passproteïne met en cytosolaire C-terminus en een exoplasmatische N-terminus. Dit bevat ook geen signaalsequentie.

Voorbeelden van deze verschillende typen staan op blz. 8 - 3

Productie van deze verschillende membraanproteïnen vindt dus ook verschillende manieren plaats:

Type I-productie staat geïllustreerd op bijlage 32; de begrippen: STA-sequentie → Stop-Transfer Anchor sequence. Dit is een stuk van 22 hydrofobe

aminozuren die een α-helix kunnen vormen. Dit stuk vormt het daadwerkelijke transmembranaire gedeelte


De plaats van de STA-sequentie binnen het proteïne bepaalt dus de lengte van het proteine dat cytoplasmatisch zit.

Bij type I zijn dus 2 sequenties essentieel: de STA-sequentie en de signal-sequence. Type II-proteïne:

De C-terminus zit cytosolair, dus moet er een andere signal-sequence worden gebruikt: SA-sequentie (SA-II) → een sequentie die een intern signaal vormt voor translocatie + het anker vormt. Bestaat ook uit ongeveer 22 hydrofobe aminozuren en vormt opnieuw een α-helix. Zie bijlage 33

Type III-proteïne; de topologie is gelijkwaardig aan type I, maar het heeft geen N-terminale signaalsequentie. Ook type III heeft een SA-sequentie (SA-III), maar het verschil met 2 zit in de orientatie van de positieve ladingen: De SA-III-sequentie bevat een positief geladen aminozuur-sequentie; gezien het feit

dat positieve ladingen het liefst in het cytosol voorkomen (cel is negatief van binnen) zullen de positief geladen aminozuren zich schikken aan de cytosolaire zijde.

Bij SA-II zitten de positieve ladingen dus dichter bij de N-terminus dan bij de C-terminus: de N-terminus zit in het cytosol; bij SA-III zitten de positieve ladingen dichter bij de C-terminus, zodat de C-terminus terecht komt in het cytosol

Type IV: IV-A → N-terminus zit cytosolair; hierbij vindt de eerste translocatie plaats door SA-II,

maar omdat het proteïne meerdere malen door het membraan moet raken, zal er in de sequentie van het proteïne ook een STA-sequentie moeten zitten, zodat het translocon en het transmembranaire gedeelte sluit.

IV-B → C-terminus zit cytosolair; de eerste translocatie vindt dus plaats door SA-III, gevolgd door SA-II en STA. Zie bijlage 34 en 35.

Op blz. 10 - 3 staat een overzicht van de signaalsequenties die gebruikt worden. Deze tabel moet je kennen op het tentamen.Via sequentie-analyse kun je overigens de topologie van een membraanproteine bepalen. Voor een voorbeeld: zie blz. 11 - 1.

Bovenstaand verhaal gaat enkel over de transmembranaire membraanproteïnen. Er bestaan ook nog membraanproteïnen die aan het membraan zijn gehecht d.m.v. een vetanker. Dit vetanker is een GPI-anker (glucosylfosfatidylinositol). Deze worden beiden apart gesynthetiseerd en apart in het lumen ingebouwd. Vervolgens wordt door een transamidase de koppeling gemaakt tussen het proteïne en het GPI-anker door manipulatie van een amidebinding. Let wel: het eiwit wat aan het anker gehecht wordt is een type I membraanproteine. Vervolgens wordt er een stuk van het proteïne geknipt zodat er een ‘nieuwe’ N-terminus ontstaat en dat wordt overgebracht naar het anker. (geïllustreerd op blz. 12 - 1)

Posttranslationele modificatieDit proces is essentieel om apoptose van de cel te voorkomen, omdat hier 2 factoren zijn ingebouwd:

ModificatieGlycosylatie; vasthechten van een suikerboom (14 suikers) aan een asparagine-residu. Deze sequentie is standaard voor glycosylatie (N-X-T/S). Deze suikerboom bestaat uit een vast en een variabel gedeelte; dit variabel stuk uit zich


in constante aanhechting en afbraak van suikers, terwijl de kern onveranderd blijft. (geïllustreerd op blz. 13 - 1)Vorming van disulfidebruggen; de vorming van een disulfidebrug is een oxidatiereactie: de thiolgroep (SH) splitst de H af zodat S kan binden met een ander S en zo een covalente binding vormt waardoor het proteïne tevens in een bepaalde conformatie wordt gedwongen. Deze disulfidebruggen worden overigens enzymatisch gevormd door PDI → Protein Disulfide Isomerase:

I. PDI in geoxideerde toestand bevat ook een zwavelbrugII. Dit PDI bindt aan een vrij zwavel op het peptide en vormt een zwavelbrug; hierdoor

neemt de S van PDI een H+ op en de andere vormt een zwavelbrug met het proteïne. Het tweede S-atoom (S-) valt aan op het gebonden S-atoom en vormt een nieuwe brug

III. PDI reduceert en de zwavelbrug is gevormd (geoxideerd). IV. Deze reacties zullen plaatsvinden in het lumen van het ER omdat het milieu sterker

oxiderend is dan in het cytosol (let op het belang van zuurstof)Vouwing; dit moet juist gebeuren i.v.m. het voorkomen van apoptose; daarom wordt het door meerdere factoren bevorderd:

I. Vouw-enzymen (forcerende functie):i. PDIii. Peptidyl-prolyl-isomerase (PPI)

II. Moleculaire chaperones (controle- & corrigerende functie):i. BiP (binding protein)ii. Calnexin & calreticulin (lectines die binden aan suikers)

III. Vouwing gebeurt cotranslationeel en posttranslationeel!Kwaliteitscontrole met als resultaat:

Correct → transport naar het golgi-complex; van daaruit sortering naar het plasmamembraan, lysosoom of extracellulair milieu.Incorrect → export naar het cytosol voor vernietiging.

De productie van de suikerboom wordt aangegeven op bijlage 36, hierbij is dolichol een tijdelijke drager van de suikerboom alvorens het over te brengen op het peptide. Interactie vindt hier plaats door hydrofobe aminozuur-interactie. Transfer vindt dan vervolgens co-translationeel plaats m.b.v. oligosacharyl transferase, die de suikers in het lumen van het ER van dolichol op een peptide zet. Glycosylatie kan enkel aan de exoplasmatische zijde plaatsvinden.

De gevormde zwavelbrug kan overigens ook omgelegd worden, opnieuw door PDI, waardoor het PDI nu kan dienen als katalysator voor de omlegging (geïllustreerd op blz. 14 - 3)

PPI → een enzym dat de rotatie rond de peptidyl-prolyl binding katalyseert en zo een snelheidsbepalende stap verwijdert. De peptidyl-prolylbinding zit in een proline; zodat knikvorming mogelijk wordt.

BiP → dit enzym bindt aan een ongevouwen polypeptideketen en voorkomt zo het terugglijden door het translocon én voorkomt te vroege vouwing; geïllustreerd op blz. 15 - 3

Lectines → deze lectines binden aan 1 glucose van de suikerboom en bevorderen zo een correcte vouwing en voorkomen aggregatie van ongevouwen eiwitten. Bovendien bepalen


en bevorderen ze de reversibele controlestap alvorens het eiwit wel of niet naar het cis-Golgi getransporteerd kan worden. Hiervoor moeten alle glucoses eraf zijn behalve één, zodat Calnexine kan binden. Calnexine is membraangebonden en Calreticuline is vrij oplosbaar in het lumen van het ER.

Wanneer een eiwit te lang circuleert in het lumen van het ER, zal het via het translocon naar buiten worden gebracht, waar het wordt vernietigd. Hoe dit precies in zijn werk gaat: zie bijlage 37.

Vernietiging van een proteïne.Het proteïne wordt naar het cytoplasma getransporteerd, E3 zal besluiten of het eiwit wel of niet vernietigd moet worden, deze stap is irreversibel.Wanneer besloten is dat een bepaald proteïne vernietigd moet worden, zal het proteïne gelabeld worden d.m.v. ubiquitines, hier moeten er tenminste 4 van aan het proteïne hangen. Dit vormt een signaal voor het proteasoom om het proteïne te vernietigen, terwijl de ubiquitines opnieuw hergebruikt worden. E3 is een dus een ligase (ubiquitineligase) en heeft enzymatische activiteit. Hoe deze exacte labeling verloopt, zie bijlage 38. Deze vernietiging van verkeerde eiwitten is essentieel voor een gezond organisme. Wanneer er iets mis gaat in de vouwing bijvoorbeeld (zonder dat het proteïne wordt vernietigd), ontstaan prionziektes → ziektes die ontstaan door verkeerde eiwitvouwing. Een aantal voorbeelden zijn BSE, Scrapie, Creutzfeld-Jacob etc. Het gevaar dat optreedt wanneer er één proteïne verkeerd gevouwen is (en daarom pathalogieen kan veroorzaken) is dat het proteïne andere, correct gevouwen proteïnen meeneemt en tevens in de verkeerde conformatie duwt, zodat eiwitaggregaten kunnen ontstaan.

Proteïne-transport vanuit het ERWanneer het eiwit getransleerd is en de voornaamste modificaties gebeurd zijn, moet het uit het ER komen en op de secretorische weg komen. Bijlage 39 illustreert de afgelegde weg en bovendien staat er een animatie van hieronder aangegeven. Men is overigens achter de volgorde van het proteïne-transport gekomen door gist te muteren en bepaalde segmenten van de secretorische pathway → sec-mutanten.

Enkele begrippen:Anterograad transport → transport van het ER richting het cis-Golgi via COPII-vesikelsCisternal progression → transport van het proteïne door het GOlgi; cis-Golgi wordt mediaal en mediaal wordt trans-Golgi.Retrograad transport → transport van het Golgi terug naar het ER via COPI-vesikels. Early-fase → transport-fase tot en met het trans-Golgi, vanaf daar de late-fase.

Mechanismen van vesikeltransport Vesikeltransport kent 3 fasen:

Afsplitsing van het donororganel: vesicle-budding: Sar1 (G-proteïne) bindt aan zijn receptor Sec12; het G-proteïne wordt geactiveerd door

GDP te vervangen voor GTP Sec12 is een GEF, en door zijn activiteit geeft Sar1 een hydrofobe staart vrij die kan

interageren met het membraan


Vervolgens kunnen aan Sar1 manteleiwitten binden, die zorgen voor de kromvorming van het membraan. Het gekromde eiwit bindt aan een G-proteïne wat zorgt voor de kromming van het membraan + vormt een interactieplaats voor andere eiwitten → targetting sequences. Deze eiwitten die zorgen voor de kromming zijn sec23 en sec24. Voor anterograad transport ontstaat zo een COPII vesikel.

Afwerpen van de proteïne-mantel; dit proces is essentieel omdat de mantel de versmelting van het vesikel met een membraan verhindert. De GTPase activiteit van Sar1 stijgt waardoor de N-terminale staart in kan klappen Hierdoor ondergaat het waarschijnlijk een conformatieverandering waardoor Sar1 en de

proteïnemantel kan worden afgeworpen. Experimenteel is dit bewezen doordat de GTPase activiteit werd geblokkeerd omdat sar1

werd vervangen door GTPγS (of een deficiënt mutant); men zag dat er een accumulatie van vesikels met manteleiwitten optrad, omdat de eiwitmantel niet kan worden afgeworpen.

Versmelting met het doelwitorganel: vesicle-fusion: omdat niet elk proteïne met zomaar eenderwelk membraan mag versmelten moet er een sterke specificiteit aanwezig zijn. Deze specificiteit is afkomstig van Rab/Rab-effector en SNARE’s. Het proces verloopt als volgt: Aanmeren aan het doelmembraan; de Rab-effector is de receptor voor Rab. Dit Rab is

bovendien een G-proteïne, en wanneer het in actieve toestand is, kan het binden aan de Rab-effector (GEF).Zoals hierboven staat beschreven moet er een grote specificiteit zijn, deze wordt gedeeltelijk gevormd doordat er kleine variaties zijn in Rab en zijn effector, die beiden zeer specifiek zijn.

Vorming van een SNARE-complex; VAMP (aan het vesikel) kan interageren met Syntaxin en SNAP-25 waardoor een coiled-coil (SNARE-complex) ontstaat van 4 α-helices die zeer stabiel zijn.Het is cruciaal onderscheid te maken tussen 1 v-SNARE (vesikel) en 2 of 3 t-SNARE (target) omdat pas na de juiste interactie versmelting op zal treden. Dit vormt zo de tweede manier van optredende specificiteit.

Membraanversmelting; de verankering vindt nu nog plaats op 2 membranen, maar die wordt verplaatst naar 1 membraan (het target-membraan). Dit proces is niet Ca2+-afhankelijk (wat wel het geval is bij neurotransmitters). Dit is geillustreerd op 23 - 1 en vormt overigens een trans-snare-complex.

Recyclage van SNARE’s: NSF en α-SNAP binden aan het cis-SNARE-complex, maar NSF + α-SNAP leidt tot de afbraak van het SNARE-complex, waarbij ATP wordt gehydrolyseerd. (NSF → NEM-sensitive factor en SNAP → soluble NSF-attachement protein.)

Mantelproteinen zijn niet allemaal universeel wat betreft richting; bekijk daarom goed bijlage 40 voor de betrokken proteïnen en richtingen.

Bijlage 41 toont een overzicht van transportvesikels.

COPII en COPIAnterograad transport vormt per definitie COPII vesikels; hoe is het mogelijk dat de cel weet dat het vesikel bestemt is voor anterograad transport?:


Een mantelproteïne dat een COPII-vesikel kan vormen bevat een DXE-motief → eiwit dat specifiek kan interageren met COPII. Dit is alleen bruikbaar voor transmembranaire proteïnen. Dit motief zit overigens vast aan Sec23 en Sar1.Voor niet-transmembranaire proteïnen is er een receptor aanwezig, terwijl dus de transmembranaire proteïnen interageren met de coat.Het is mogelijk dat er ‘onbewust’ een proteïne meeslipt; het is mogelijk een verklaring voor het bestaan van het retrograad transport.

COPI vesikels zijn per definitie bestemd voor retrograad transport; het doel van deze transportvorm is:

Recyclage van v-SNARE’sTerugvoeren van luminale ER-proteinen die per ongeluk zijn meegeslipt. Dit proces gebeurt d.m.v. de KDEL/KDEL-receptor:a. KDEL → 4 aminozuren die aan alle eiwitten zit die in het ER moeten blijven, deze

sequentie wordt in gebruik genomen wanneer bepaalde proteïnen per ongeluk in het Golgi terecht komen.

b. Het foutief terecht gekomen proteïne interageert met zijn KDEL-sequentie aan de KDEL-receptor, waardoor er een COPI-coat wordt gevormd.

c. Hierdoor wordt het KDEL-dragende proteïne teruggebracht naar het ER waar het opnieuw versmelt met het membraan van het RER.

Dan rest nog cisternal progression → transport van een proteïne door het Golgi-systeem, let wel: het vesikel versmelt met het cis-golgi, waarna het gehele cis-golgi doorschuift richting mediaal golgi en tenslotte tot cis-golgi. Dit is bewezen door grote collageen-aggregaten in een vesikel te stoppen, maar deze aggregaten zijn te groot om door afsnoering van een nieuw vesikel getransporteerd te raken door het Golgi. Toch zag men dat deze collageen-aggregaten door het hele systeem kwamen. Anterograad transport gebeurt dus via de productie van COP-II vesikels en via cisternal progression.

Vesikelvorming voor endosomenDe vorming van de transportvesikels die bestemd zijn voor endosomen en later lysosomen moeten een andere codering krijgen. Deze ‘codering’ bestaat uit clathrine en uit een adapter-proteïne (tevens zichtbaar in bijlage 41)

Een endosoom kan zowel worden gevormd uit het trans-Golgi als uit het plasmamembraan, terwijl de codering gelijk is. Dit clathrine heeft een specifieke structuur, namelijk van een triskelion (die een lichte- en zware keten bezit) en kan assembleren met andere clathrines. Deze assemblatie vormt een soort voetbal, geïllustreerd op blz. 25 nr. 3.

Dit clathrine kan zich hechten aan een recht stuk membraan en door zijn sterk ronde structuur neemt het het gebonden membraan met zich mee, incluis de gebonden membraanproteïnen en de extracellulaire macromoleculen. Op deze manier wordt een vesikel gevormd.

Als dan eenmaal de clathrine-coated pit is gevormd, kan dynamine om de hals binden. Dit dynamine is een G-proteïne; wat dus onder invloed van GTP kan contraheren. Door deze contractie kan de nek dichtgeknepen worden en splitst het vesikel af. Dit is experimenteel bepaald via een equivalent van GTP; GTPγs. Deze variant kan niet gehydrolyseerd worden, en men zag dat er wel overal vesikels


ontstonden, maar geen enkele kan afgesplitst worden. Om nu enzymen naar de lysosomen te sturen, is er mannose-6-fosfaat nodig, die gegenereerd worden in het cis-Golgi door N-actylglucosamine transferase en fosfodiesterase. Hierdoor wordt er een suikerboom gevormd met een fosfaat erop aangehecht. Aan dit M6P kan zijn receptor binden, die in het membraan van het vesikel zit ingebed en dit vormt zo het ‘adreskaartje’ voor het lysosoom. Geïllustreerd in bijlage 42. De receptor gaat dus mee naar het endosoom12, waar ook een lage pH heerst. Door de lage pH wordt de interactie proteïne-M6P en zijn receptor verbroken en wordt vrijgesteld in het cytoplasma.

De lysosomal storage disease (I-cell disease) is een ziekte die veroorzaakt wordt door een mutatie in het N-acetylglucosamine transferase; hierdoor komen de lysosomale enzymen vrij in het cytoplasma en niet richting het lysosoom, waardoor de afbraak gestoord is.

Receptor-gemedieerde endocytose.De LDL/LDL-receptor geeft een voorbeeld; LDL is een slechte cholesterolsoort; bestaat uit fosfolipiden; niet-veresterd cholesterol en cholesterylester (cholesterol + alcohol); dit vormt een ronde structuur, die omgeven is door een proteïneband en zeer hydrofoob is. Dit LDL kan interageren met bloedvaten en dus neerslaan (interactie vindt plaats via de LDL-receptor op het plasmamembraan). LDL circuleert in het bloed na een vetrijke maaltijd, en het is dus cruciaal dat dit eruit wordt gehaald. Dit gebeurt als volgt:

Het LDL-molecuul bindt aan zijn receptor, wat de typische clathrine-coated pit-vorming induceert.

Er ontstaat een coated vesicle, wat zijn mantel afwerpt van clathrine en AP. Er ontstaat hierdoor een vroeg endosoom, wat door de lage pH de receptorinteractie

verbreekt. De receptor snoert zich af en bevindt zich terug richting plasmamembraan, terwijl het late endosoom, dat slechts het LDL bevat, versmelt met een lysosoom, en LDL afbreekt in zijn componenten (geïllustreerd op blz. 27, nr. 3)

Mutaties in de LDL-receptor en in AP2 kunnen leiden tot familiale vormen van hypercholesterolemie. De eerste factor kan leiden tot geen LDL-opname (of minder efficiënt), terwijl de tweede verantwoordelijk kan zijn voor een verstoorde interactie tussen LDL en zijn receptor; beide factoren kunnen leiden tot hart- en vaatziekten.

AutofagieHet kan gebeuren dat bepaalde organellen een defect hebben en een gevaar voor de algemene cel-conditie gaat opleveren. Het is nu dus cruciaal dat dit organel wordt opgeruimd, wat gebeurt via autofagie; het spreekt voor zich dat dit uiterst gecontroleerd moet gebeuren. Stel: er is een defect in een peroxisoom; dit zal de autofagie-pathway ondergaan:

Het defecte peroxisoom wordt omgeven door een membraan en dit vormt een autofagisch vesikel

Dit autofagisch vesikel versmelt met een lysosoom, waar het wordt verteerd. N.B. een lysosoom kan dus eigen celcomponenten afbreken, evenals stoffen afkomstig van buitenaf.

12 De stoffen die bestemd zijn voor het endosoom ter afbraak, zijn afkomstig van het trans-Golgi of van buiten het plasmamembraan.


Dit autofagie-proces speelt met name een rol bij pas-geboren baby’s, die hun eigen componenten gaan afbreken om een cellulaire bron van energie aan te breken voordat de voeding op gang is geraakt.

Dan resteren nog de secretorische vesikels; deze gebruiken namelijk geen mantelproteïnen, al zijn ze wel afkomstig van het trans-Golgi. De exocytose van een synaptisch vesikel verloopt weer op een andere manier:

De neurotransmitters komen vrij via exocytose door tussenkomst van het SNARE-complex, wat gevormd kan worden o.i.v. Ca2+.

Recuperatie van de neurotransmitters uit de synaptische spleet gebeurt dan via de clathrine-coated pit. Dit is bewezen door de shibire-variant van de Drosophila, welke een mutatie hebben in het dynamine. Hierdoor kan het vesikel niet afsplitsen en treedt er verlamming op.

5. Beweging

InleidingBeweging wordt ook in de cel geïnduceerd door motoren; de zgn. motorproteïnen. Hier worden er slechts 3 behandeld, namelijk:

Myosines Kinesines Dyneines

Alle 3 verbruiken ATP bij de beweging en komen vrij voor in het cytoplasma, zodat ze betrokken kunnen zijn bij het vesikeltransport en de celbeweging.

Het cytoskelet & beweging steevast verbondenMyosine ben je al eerder tegengekomen in de spiercellen; hier beweegt het myosine-molecuul t.o.v. actine. De overige twee bewegen t.o.v. microtubuli.

Het is dus duidelijk dat het cytoskelet cruciaal is voor de beweging van de motorproteinen, hetzij de microfilamenten (actine) hetzij de microtubuli (kinesines en dyneines). De opbouw van de 3 structuren die het cytoskelet vormen, moet wel gekend zijn, maar wordt uitgebreid behandeld bij prof. Van Den Oord.

MyosinesHet is bijna logisch dat er meerdere soorten myosines zijn, deze verschillen in hun structuren en de stappen die ze nemen. Een tabel hiervan (incluis uiterlijke verschijningsvormen) is opgenomen in de bijlagen onder nr. 43. De onderdelen zijn echter allemaal gelijk.

De structuur van de myosines is dus universeel, d.w.z. dat ze allemaal één of meerdere koppen hebben, een nek en een langere of kortere staart. Rondom de nek zit dan nog een lichte keten gewikkeld. Alle 3 de onderdelen hebben zo hun specifieke functies:

De kop → bindt aan het F-actine en fungeert als een ATPase De nek → dient als scharnierpunt resp. hefboom, afhankelijk van de bewegingsfase De staart → interactie met de lading of met andere myosinemoleculen (myosine II)


Geïllustreerd op blz. 3 nr. 3

Experimenteel is vastgesteld dat het actine beweegt t.o.v. de myosines, van - naar +; men had namelijk een aantal myosinemoleculen op een glasplaat, waaraan men actine en ATP heeft toegevoegd. Deze actine-filamenten waren fluorescerend, en na verloop van tijd zag men dat de actinefilamenten waren verplaatst. Vervolgens heeft men tevens experimenteel kunnen bepalen wat de stapgrootte is (geïllustreerd in de tabel van bijlage 43) en hun kracht (II → 3-5 pN), dit laatste heeft men kunnen doen via een ‘optical trap’; men had een sterke lichtbundel gefixeerd op een actinefilament, wat het fixeert. Krachtbepaling wordt op deze manier mogelijk gemaakt.

Myosine kan zijn functie als volgt uitoefenen:

76. Op de kop zitten twee bindingsplaatsen; een voor actine en de ander voor ATP, in de beginsituatie is er dan een sterke interactie tussen actine en myosine, en is er geen ATP gebonden.

77. ATP wordt toegevoegd en bindt → de kop dissocieert van het filament.78. ATP wordt gehydrolyseerd → daadwerkelijk energieverbruik vindt plaats en de nek kan zich

uitstrekken richting het volgende actine-molecuul; de boog (analoog aan de nek) staat nu gespannen. (F-actine kan overigens de ATPase-activiteit van myosine stimuleren)

79. Nu komt het Pi vrij en kan de nek zijn trekkracht uitoefenen en het actine naar zich toe trekken over een stap van 5 - 10 nm.

80. Het gebonden ADP komt nu los en je bent terug in de beginsituatie.

Zoals al eerder is aangehaald, komt dit proces voor in het spierweefsel, zo ook in de skeletspieren: (voor een herhaling van de opbouw; zie blz. 6 nr. 2)

Naast ATP; actine-filamenten en myosine is ook tropomoduline essentieel, evenals troponine. Tropomoduline fungeert o.a. als capping-proteïne aan het eind van een actine-filament binnen het sarcomeer.

Vervolgens worden in de rusttoestand de actine-myosinebruggen geslagen Vanaf de neuromusculaire junctie:

Actiepotentiaal komt aan, neurotransmitter wordt vrijgezet De spiercel reageert op de actiepotentiaal, omdat acetylcholine bindt op de NAch-

receptor, waardoor Na+ de spiercel binnen kan treden → de spiercel depolariseert, omdat nu ook de daadwerkelijk spanningsgeschakelde Na+-kanalen kunnen openen.

Door de depolarisatie die verder loopt, worden op een gegeven moment de T-tubuli bereikt die Ca2+ gaan vrijzetten uit het SER

Ca2+ komt vrij in het cytoplasma. Troponine, wat kan fungeren als Ca2+-sensor zal na Ca-binding tropomyosine verplaatsen. Door deze verplaatsing kunnen de myosinekoppen binden aan actine.

Dus een dun actine-filament bestaat uit F-actine, tropomyosine wat erom heen gewikkeld is en troponine, die de calciumsensor is. Zowel TM als TN fungeren als deksel bij een lage Ca2+-concentratie, zodat myosine niet kan binden aan actine.

De koppeling van de prikkeling en contractie is dus afhankelijk van 3 parameters:


81. De membraanpotentiaal (eerst moet een actiepotentiaal gegenereerd worden)82. De Ca2+-concentratie; die overigens snel terug kan dalen door het in werking schieten van de

SERCA-pomp83. Kracht van de myosinekop.

Het tijdsverloop is geïllustreerd op de grafiek van blz. 7 nr. 3

Contractiemechanismen in gladde spierenHet is cruciaal dat het onderscheid tussen gladde spieren enerzijds en skeletspieren anderzijds maakt; hartspierweefsel komt sterk overeen met de skeletspieren.

Over een gladde spier verlopen de actine- en myosine kris-kras door de cel. Dit betekent dus ook dat bewegingen in alle richtingen mogelijk worden gemaakt (zie illustratie op blz. 8 nr. I). Overeenkomstig is het feit dat contractie ook hier wordt geïnduceerd met Ca2+-afgifte, alleen de manier van afgifte en respons van de cel is verschillend.De werking is als volgt; de actiepotentiaal arriveert, er vindt een calcium-stijging plaats door activatie via een GPCR. Hierdoor zal PLC splitsen in IP3 en DAG. Dit IP3 zal binden aan zijn receptor in het ER, waardoor Ca2+ vrijgesteld zal worden via de Ca2+-permeabele kanalen (Ryanodine). Het vrijgekomen Ca2+ zal binden met calmoduline → de Ca2+-sensor in gladde spiercellen; functioneel analoog aan de troponine-moleculen in de skeletspieren. Dit calmoduline zal vervolgens MLCK binden en activeren. MLCK → myosin light chain kinase; dit enzym kan de lichte keten van myosine II fosforyleren, wat het startpunt vormt voor contractie. Relaxatie wordt dan in gang gezet door een fosfatase, wat de lichte keten van myosine defosforyleert.

De koppeling van NO aan de gladde spiercel wordt nu ook duidelijker; Acetylcholine komt namelijk aan bij de endotheelcel, waar het ook een GPCR activeert. Via PLC en IP3 komt opnieuw Ca2+ vrij, wat zal binden aan calmoduline. Dit calmoduline activeert het NO-synthase, die de reactie Arg + O2 → NO + citrulline zal katalyseren. Dit NO werkt in op de gladde spiercel via de NO-receptor in het membraan van de gladde spiercel. De receptor kan vervolgens guanylylcyclase activeren, wat GTP omzet in cGMP en PPi. cGMP werkt dan weer in op protein kinase G, wat een fosfatase is en MLCK kan defosforyleren. Hierdoor kan de gladde spier relaxeren.

Verkort weergegeven: Ca2+ komt vrij via GPCR → PLC → DAG + IP3 → IP3-receptor → Ca2+-concentratie cytosol stijgt → binding calmoduline → activeert MLCK → fosforylatie myosine → contractie → defosforylatie door een fosfatase → relaxatie.

Kinesine en DyneineDe andere twee transportproteinen die hier behandeld worden zijn kinesine en dyneine. Deze twee zijn praktisch analoog, op structuur en richting na. Beide motorproteïnen lopen over de microtubuli en dragen beide vesikels.

Molecuul Richting SubstraatMyosine Van - naar + ActinefilamentenKinesine Van - naar + (anterograad) MicrotubuliDyneine Van + naar - (retrograad)N.B. de microtubuli in een axon verlopen van - naar +; - startend in het perikaryon en + eindigend bij de eindknop. Bij een dendriet verloopt het echter bidirectioneel.


Experimenteel heeft men het axonaal transport ontdekt; men had namelijk een neuron-cellichaam ingespoten met fluorescente aminozuren. Via berekeningen wist men dat aminozuurtransport via diffusie x sec duurde, maar dit kwam absoluut niet overeen met wat men in de realiteit zag. Transportproteinen waren de enige oplossing en zijn dus sterk snelheidsverhogend. Later heeft men dit inderdaad ook aan kunnen tonen; men zag toen ook dat transport over 1 microtubulus mogelijk is voor zowel dyneine als kinesine; passage van de twee moleculen is dus mogelijk.

De structuur van kinesine lijkt sterk op die van myosine, alleen heeft het 2 koppen die binden aan de microtubulus. Aan het eind van de staart zit de lichte keten die hier de connectie vormt tussen zijn lading (het vesikel) en de staart. De kop vormt bovendien het motorgedeelte; hier kan ATP binden en vindt de ATPase-activiteit plaats. Herinner nogmaals: kinesine doet aan anterograad transport. (voor de structuur: zie blz. 10 nr. 2). Let wel: er zijn verschillende soorten kinesine, alleen zijn die hier niet genoemd, maar wel geanimeerd op de ‘kinesin home page’.

Het daadwerkelijke bewegingsmechanisme:

De voorste kop is gebonden aan de microtubulus, de ander zwabbert er wat los bij en is ADP-gebonden

ATP bindt aan het voorste ‘voetje’ (let wel: eigenlijk de kop), hierdoor kan de nek van het voorste voetje een slag maken, waardoor het achterste, zwabberende voetje naar voren geslagen wordt.

In nu het achterste voetje wordt ATP gehydrolyseerd en komt nu wat los te liggen. ADP komt los uit het huidige voorste voetje en ATP komt ervoor in de plaats, de nekslag kan

gemaakt worden en het proces begint weer op nieuw.

Wat betreft dyneine-beweging is er nog veel minder bekend, maar men denkt dat het sterk overeenkomt met kinesine. De structuur van dyneine verschilt wel; het bestaat uit de kop, bestaande uit twee zware ketens die interageren met de microtubulus en de staart die interageert met de lading. Dit gedeelte wordt het dynactine genoemd. Herinner opnieuw dat Dyneine retrograad transporteert.

Voor wat men tot nu toe gezien heeft over de beweging van dyneine, kun je het best kijken op www.youtube.com/watch?v=z2yFINn2dZc (of gewoon ‘dynein movement’); voor de benoemde structuren: zie blz. 11 nr. 1

Tenslotte kunnen de microtubuli en F-actine samenwerken; dit omdat de microtubuli eigenlijk te groot zijn om aan het puntje van de cel te komen, en moet het vervoer dus worden overgenomen door de actinefilamenten. Dit betekent dus ook dat het vesikel meerdere en verschillende bindingsplaatsen moet hebben om te interageren met de verschillende proteïnen. Let wel: de snelheid van dyneine en kinesine zal hoogstwaarschijnlijk hoger liggen dan vervoer over de actinefilamenten.

http://www.youtube.com/watch?v=z2yFINn2dZc

wikimedica.medica.bewikimedica.medica.be/.../f/f8/CELBIO_TV_Samnvatting.docx · Web viewVoor de...

Documents

Transcript of wikimedica.medica.bewikimedica.medica.be/.../f/f8/CELBIO_TV_Samnvatting.docx · Web viewVoor de...