Membranen en Membraaneiwitten
Deel 1
HC1
Membranen vormen een barrière en scheiden selectief stoffen, maar zijn ook heel flexibel en dynamisch.
Ze zijn belangrijk omdat elke stof bij binnenkomen of verlaten van de cel langs het membraan moet.
Beschadiging van het membraan kan tot grote problemen leiden.
Functies van membranen:
- Permeabiliteitsbarrière
- Selectief transport
- Communicatie tussen binnen- en buitenwereld
- Zeer dynamisch
- Aanvoer en opslag van stoffen
Vroeger was RNA functioneel als zowel katalysator als opslag van genetische informatie. De rol van
katalysator werd overgenomen door eiwitten en de opslag van genetische informatie wordt nu door DNA
gedaan.
Membranen zijn vergelijkbaar met zeepbellen: gevormd door amfipatische moleculen in de lucht met een
klein beetje water. In aanwezigheid van veel water en een klein beetje lucht vormen lipiden een dubbele
laag of een micel, waarbij de hydrofobe staarten zijn afgeschermd. Lipiden organiseren zichzelf op deze
manier door het hydrofobe effect: watermoleculen hebben sterke interacties met elkaar, maar kunnen
geen interacties aangaan met apolaire moleculen. Watermoleculen om een apolair molecuul vormen een
geordende laag om interacties te optimaliseren met andere watermoleculen. De hydrofobe moleculen zelf-
associëren om de ongunstige ordening van watermoleculen te reduceren.
De manier waarop lipiden zelf-associëren is afhankelijk van het soort lipide. Fosfolipiden zullen een
dubbele laag vormen i.p.v. een micel omdat de staarten anders in de weg zitten. Oliezuur kan bilagen
vormen bij een neutrale pH (hoofdgroepen zijn gedeeltelijk geladen) en vormt micellen bij een hoge pH
(de vetzuren zijn negatief geladen, de hoofdgroepen stoten elkaar af). Kunnen vetzuurblaasjes dienst
gedaan hebben als prebiotische membranen? Benodigdheden:
- Bilaag bestaat uit non-covalente vormen van lipide-achtige verbindingen
- Permeabiliteitsbarrière, maar wel selectief transport moleculen kunnen opgenomen worden in
de blaasjes
- Stabiliteit, maar wel mogelijkheid tot groei en deling ze kunnen groeien door additie van nieuw
materiaal en tijdens groei kunnen blaasjes vormen en splitsen in nieuwe blaasjes. Tijdens deling
blijven de contents in de blaasjes.
- Mogelijkheid tot evolueren
Preparatie van blaasjes:
1. Droog lipiden in test tube
2. Voeg buffer toe
3. Schud liposomen vormen, vaak groot en met meerdere lagen
4. Verwijder blaasjes door filters met poriën van bepaalde grootte (bv.200 nm) om eenlagige
blaasjes te krijgen van homogene grootte
Wanneer je vetzuren toevoegt aan blaasjes kunnen drie dingen gebeuren: (I) de blaasjes bestaan samen
met de vetzuren, (II) de blaasjes groeien of (III) de baasjes groeien, vervormen en delen. Nr. 3 bleek te
1
, gebeuren met blaasjes van dezelfde grootte (MATRIX-experiment): additie van oliezuren aan lipide blaasjes
in buffer bij Ph = 8 resulteert in formatie van nieuwe blaasjes. De grootte van de nieuwe blaasjes lijkt op
dat van de oude blaasjes. Mogelijke verklaring: vetzuren incorporeren vooral in de buitenste monolaag.
Dit zorgt voor vervorming en deling. Aanname: incorporatie van vetzuren in de monolaag is snel in
vergelijking met flip-flop van de buitenste naar de binnenste buitenste monolaag. Deze hypothese werd
getest door het langzaam toevoegen van vetzuren om het evenwicht tussen beide helften te promoten
door flip-flop, waarbij inderdaad grotere blaasjes ontstonden.
Blijft content in het blaasjes tijdens deling? Dit kan getest worden door toevoegen van fluorescente verf
dat zelf-verdovend is bij hoge concentraties. Hierbij wordt vóór het vormen van de blaasjes fluorescente
verf aan de buffer toegevoegd, waarna als laatste stap de fluorescente verf aan de buitenkant verwijderd
wordt (met bv. gelchromatografie). Als er tijdens deling dus lekkage plaatsvindt, zal fluorescentie zichtbaar
worden.
Variatie in fosfolipiden zit in de hoofdgroep, de backbone en de vetzuren. Ze bestaan standaard uit twee
vetzuren, glycerol, een fosfaatgroep en een alcohol kopgroep. Fosfolipiden zijn ofwel neutraal ofwel
negatief geladen. De lengte van vetzuurstaarten is altijd een even aantal C-atomen en ze kunnen 1-6
dubbele bindingen hebben (altijd cis-configuratie). In bacteriën is het aantal lipiden nog gevarieerder,
waarbij de vetzuurstaarten vertakkingen hebben en de esterbindingen zeer stabiel zijn.
Het oppervlak van lipiden kan gemeten worden: lipiden vormen monolagen wanneer ze op een lucht-
water interface zitten: de totale oppervlakte van de geëxtraheerde lipiden kan geanalyseerd worden. Dit
werd voor het eerst gedaan door Gorter en Grendel. Fouten die gemaakt werden: niet alle lipiden werden
geëxtraheerd en er werd geen rekening gehouden met het feit dat de oppervlakte per rode bloedcel niet
alleen bepaald wordt door lipiden maar ook door membraaneiwitten.
Sommige lipiden vinden elkaar leuker dan anderen, waardoor laterale heterogeniteit ontstaat, zoals
‘raften’. Deze zijn rijk in cholesterol en sphingolipiden, meer geordend en hebben speciale eigenschappen
en functies.
Lipiden en eiwitten hebben co-evolutie ondergaan: eiwitten hebben speciale lipiden nodig, lipiden
adapteren aan eiwitten en eiwitten adapteren aan lipiden. Membranen laten een grote variatie zien in
lipide-eiwit ratio’s en vele eiwitten functioneren als grote complexen.
HC2
Cellulaire membranen verschillen in lipide compositie en lipide transbilaag distributie. De activiteit van
membraaneiwitten is afhankelijk van de omringende lipiden nauwe wisselwerking.
Phosphatidylcholine is een van de meest voorkomende lipiden in dierlijke cellen. De drijvende kracht
achter bilaag formatie is het hydrofobe effect. Bilagen zijn verder gestabiliseerd door:
- Van der Waals interacties tussen acyl ketens
- Elektrostatische interacties en H-bruggen tussen polaire hoofdgroepen en tussen polaire
hoofdgroepen en water
Vorming van blaasjes uit bilagen kan bestudeerd worden op de computer. Lipiden in membranen worden
over het algemeen beschreven als in vloeibare fase, tenzij specifiek anders wordt vermeld. Dit betekent
dat de vetzuurstaarten snelle bewegingen ondergaan. De trans-configuratie is energetisch het meest
gunstig. Lipiden zijn in vloeibare fase wanneer de temperatuur hoog genoeg is om de energiebarrière te
overkomen. Lipiden kunnen 4 soorten bewegingen ondergaan:
- Flip-flop (gebeurt heel weinig, is eiwit voor nodig)
- Laterale diffusie
- Koolwaterstofstaarten strekken
- Roteren rond hun lange as
2
Deel 1
HC1
Membranen vormen een barrière en scheiden selectief stoffen, maar zijn ook heel flexibel en dynamisch.
Ze zijn belangrijk omdat elke stof bij binnenkomen of verlaten van de cel langs het membraan moet.
Beschadiging van het membraan kan tot grote problemen leiden.
Functies van membranen:
- Permeabiliteitsbarrière
- Selectief transport
- Communicatie tussen binnen- en buitenwereld
- Zeer dynamisch
- Aanvoer en opslag van stoffen
Vroeger was RNA functioneel als zowel katalysator als opslag van genetische informatie. De rol van
katalysator werd overgenomen door eiwitten en de opslag van genetische informatie wordt nu door DNA
gedaan.
Membranen zijn vergelijkbaar met zeepbellen: gevormd door amfipatische moleculen in de lucht met een
klein beetje water. In aanwezigheid van veel water en een klein beetje lucht vormen lipiden een dubbele
laag of een micel, waarbij de hydrofobe staarten zijn afgeschermd. Lipiden organiseren zichzelf op deze
manier door het hydrofobe effect: watermoleculen hebben sterke interacties met elkaar, maar kunnen
geen interacties aangaan met apolaire moleculen. Watermoleculen om een apolair molecuul vormen een
geordende laag om interacties te optimaliseren met andere watermoleculen. De hydrofobe moleculen zelf-
associëren om de ongunstige ordening van watermoleculen te reduceren.
De manier waarop lipiden zelf-associëren is afhankelijk van het soort lipide. Fosfolipiden zullen een
dubbele laag vormen i.p.v. een micel omdat de staarten anders in de weg zitten. Oliezuur kan bilagen
vormen bij een neutrale pH (hoofdgroepen zijn gedeeltelijk geladen) en vormt micellen bij een hoge pH
(de vetzuren zijn negatief geladen, de hoofdgroepen stoten elkaar af). Kunnen vetzuurblaasjes dienst
gedaan hebben als prebiotische membranen? Benodigdheden:
- Bilaag bestaat uit non-covalente vormen van lipide-achtige verbindingen
- Permeabiliteitsbarrière, maar wel selectief transport moleculen kunnen opgenomen worden in
de blaasjes
- Stabiliteit, maar wel mogelijkheid tot groei en deling ze kunnen groeien door additie van nieuw
materiaal en tijdens groei kunnen blaasjes vormen en splitsen in nieuwe blaasjes. Tijdens deling
blijven de contents in de blaasjes.
- Mogelijkheid tot evolueren
Preparatie van blaasjes:
1. Droog lipiden in test tube
2. Voeg buffer toe
3. Schud liposomen vormen, vaak groot en met meerdere lagen
4. Verwijder blaasjes door filters met poriën van bepaalde grootte (bv.200 nm) om eenlagige
blaasjes te krijgen van homogene grootte
Wanneer je vetzuren toevoegt aan blaasjes kunnen drie dingen gebeuren: (I) de blaasjes bestaan samen
met de vetzuren, (II) de blaasjes groeien of (III) de baasjes groeien, vervormen en delen. Nr. 3 bleek te
1
, gebeuren met blaasjes van dezelfde grootte (MATRIX-experiment): additie van oliezuren aan lipide blaasjes
in buffer bij Ph = 8 resulteert in formatie van nieuwe blaasjes. De grootte van de nieuwe blaasjes lijkt op
dat van de oude blaasjes. Mogelijke verklaring: vetzuren incorporeren vooral in de buitenste monolaag.
Dit zorgt voor vervorming en deling. Aanname: incorporatie van vetzuren in de monolaag is snel in
vergelijking met flip-flop van de buitenste naar de binnenste buitenste monolaag. Deze hypothese werd
getest door het langzaam toevoegen van vetzuren om het evenwicht tussen beide helften te promoten
door flip-flop, waarbij inderdaad grotere blaasjes ontstonden.
Blijft content in het blaasjes tijdens deling? Dit kan getest worden door toevoegen van fluorescente verf
dat zelf-verdovend is bij hoge concentraties. Hierbij wordt vóór het vormen van de blaasjes fluorescente
verf aan de buffer toegevoegd, waarna als laatste stap de fluorescente verf aan de buitenkant verwijderd
wordt (met bv. gelchromatografie). Als er tijdens deling dus lekkage plaatsvindt, zal fluorescentie zichtbaar
worden.
Variatie in fosfolipiden zit in de hoofdgroep, de backbone en de vetzuren. Ze bestaan standaard uit twee
vetzuren, glycerol, een fosfaatgroep en een alcohol kopgroep. Fosfolipiden zijn ofwel neutraal ofwel
negatief geladen. De lengte van vetzuurstaarten is altijd een even aantal C-atomen en ze kunnen 1-6
dubbele bindingen hebben (altijd cis-configuratie). In bacteriën is het aantal lipiden nog gevarieerder,
waarbij de vetzuurstaarten vertakkingen hebben en de esterbindingen zeer stabiel zijn.
Het oppervlak van lipiden kan gemeten worden: lipiden vormen monolagen wanneer ze op een lucht-
water interface zitten: de totale oppervlakte van de geëxtraheerde lipiden kan geanalyseerd worden. Dit
werd voor het eerst gedaan door Gorter en Grendel. Fouten die gemaakt werden: niet alle lipiden werden
geëxtraheerd en er werd geen rekening gehouden met het feit dat de oppervlakte per rode bloedcel niet
alleen bepaald wordt door lipiden maar ook door membraaneiwitten.
Sommige lipiden vinden elkaar leuker dan anderen, waardoor laterale heterogeniteit ontstaat, zoals
‘raften’. Deze zijn rijk in cholesterol en sphingolipiden, meer geordend en hebben speciale eigenschappen
en functies.
Lipiden en eiwitten hebben co-evolutie ondergaan: eiwitten hebben speciale lipiden nodig, lipiden
adapteren aan eiwitten en eiwitten adapteren aan lipiden. Membranen laten een grote variatie zien in
lipide-eiwit ratio’s en vele eiwitten functioneren als grote complexen.
HC2
Cellulaire membranen verschillen in lipide compositie en lipide transbilaag distributie. De activiteit van
membraaneiwitten is afhankelijk van de omringende lipiden nauwe wisselwerking.
Phosphatidylcholine is een van de meest voorkomende lipiden in dierlijke cellen. De drijvende kracht
achter bilaag formatie is het hydrofobe effect. Bilagen zijn verder gestabiliseerd door:
- Van der Waals interacties tussen acyl ketens
- Elektrostatische interacties en H-bruggen tussen polaire hoofdgroepen en tussen polaire
hoofdgroepen en water
Vorming van blaasjes uit bilagen kan bestudeerd worden op de computer. Lipiden in membranen worden
over het algemeen beschreven als in vloeibare fase, tenzij specifiek anders wordt vermeld. Dit betekent
dat de vetzuurstaarten snelle bewegingen ondergaan. De trans-configuratie is energetisch het meest
gunstig. Lipiden zijn in vloeibare fase wanneer de temperatuur hoog genoeg is om de energiebarrière te
overkomen. Lipiden kunnen 4 soorten bewegingen ondergaan:
- Flip-flop (gebeurt heel weinig, is eiwit voor nodig)
- Laterale diffusie
- Koolwaterstofstaarten strekken
- Roteren rond hun lange as
2
