Membranen en Membraaneiwitten
Deel 2
HC1
Membranen zijn belangrijk voor de vorming van compartimenten in de cel. Gramnegatieve bacteriën
hebben zelfs een dubbel membraan en daardoor een dunnere peptidoglycaanlaag. Sommige virussen
hebben een membraan envelopped virussen. Dit membraan verkrijgen de virussen wanneer ze de
cel na infectie verlaten. Functies van membranen:
Ze vormen microcompartimenten
Selectieve opname en afgifte van stoffen
Transport van cellulaire componenten
Opslag van energie
Communicatie tussen cel (organel) en omgeving.
Cellen zitten stampvol met membranen. Zo zijn er vele contactplaatsen tussen ER en Golgi in plaats
van alleen budding. De verschillende membranen hebben ook verschillende lipidensamenstellingen.
Alle lipiden komen voort uit acetyl CoA.
Fosfo-inositiden (PIPs) en signaaltransductie:
Fosfo-inositiden hebben functies in signaaltransductie, cytoskelet dynamiek en membraan
trafficking
Gezamenlijk niet meer dan 1% van de totale cellulaire fosfolipiden
3 families van membraanlipiden in zoogdiercellen:
Glycerofosfolipiden (PC, PE, PS, PI, CL) (65 mol%)
Sfingolipiden (sfingomyeline, glycosfingolipiden) (10%)
Sterolen (cholesterol) (25%)
Het ER en mitochondrion bevatten relatief de grootste hoeveelheid lipiden, waarbij het ER vooral PC
bevat en het mitochondrion relatief veel CL. Endo/lysosomen bevatten relatief veel BMP (bis(mono-
acy-glycerol)-fosfaat). Palmitinezuur (C16:0) en oliezuur (C18:1) zijn twee veel voorkomende vetzuren.
Lipiden met sfingosine als backbone in plaats van glycerol: sfingolipiden. Sterolen zijn rigide
moleculen met een platte ringstructuur. Gisten bevatten ergosterol, welke meer dubbele bindingen
bevat en een extra methylgroep.
Analyse van de lipidensamenstelling kan door extractie volgens de Bligh en Dyer methode. Je neemt
dan membranen/cellen op in chloroform/methanol/water 1/2/1 (v/v/v), waarbij 1 fase ontstaat.
Vervolgens voeg je 1 vol H2O en 1 vol CHCl3 toe zodat een fasescheiding ontstaat, waarbij de lipiden
opgelost zijn in de CHCl3/MeOH fase. Scheiding/analyse van het lipidenextract kan d.m.v.:
HPLC: scheiding op lipide klassen
TLC op silica-gecoat glas: lipide klassen
Massaspectrometrie
Gaschromatografie van methylesters van vetzuren: vetzuurstaartsamenstelling
Lipide druppels schermen TAG en SE af van het waterige cytosol, en hebben als functie:
1
, Bouwsteen nieuwe membranen
Energieopslag
Bij massaspectrometrie vindt analyse van moleculaire species plaats door scheiding op basis van m/z.
Pieken met 2 verschil corresponderen met een dubbele binding meer/minder (2 H’s meer/minder).
Pieken met 1 m/z verschil komen van isotopen met 13C. Met MS kan niet afgeleid worden op welke
posities de vetzuren in het molecuul zitten.
Lipodomics is de globale analyse van het liposoom door kwantitatieve shotgun massaspectrometrie.
Energievoorziening van de cel. Organismen hebben energie nodig voor:
Beweging
Actief transport van moleculen/ionen
Synthese bio(macro)moleculen
Er zijn fototrofe en chemotrofe organismen. De drager van energie is ATP (adenosinetrifosfaat),
waarbij energie vrijkomt wanneer een fosfaatgroep wordt afgesplitst. Andere nucleoside trifosfaten
(NTPs): GTP, UTP, CTP zijn energetisch equivalent aan ATP en belangrijk
in o.a. biosyntheses. NDP + ATP NTP + ADP. Door een reactie te
koppelen aan de hydrolyse van ATP (NTP) verschuift het evenwicht sterk
naar rechts. Waarom heeft ATP zo’n hoge ‘phosphoryl transfer
potential’?
Stabilisatie door resonantie
Elektrostatische repulsie
Stabilisatie door hydratie
Energie uit brandstoffen onder aerobe condities: vetten, suikers en eiwitten. Verbranding vindt plaats
in 4 stadia:
1. Enzymen converteren grote polymeren in kleinere monomeren, ook wel vertering genoemd.
2. Glycolyse, hierbij wordt een molecuul glucose omgezet in twee moleculen pyruvaat. Dit vindt
plaats in het cytosol, waarna pyruvaat naar de matrix van mitochondria wordt
getransporteerd, waar het omgezet wordt in CO2 en acetyl CoA. Dit wordt gedaan door het
pyruvaat dehydrogenase complex. Vetten worden per 2 C-atomen ook afgebroken tot acetyl
CoA.
3. De acetyl CoA groep bindt aan oxaloacetaat om citraat te vormen, welke de citroenzuurcyclus
ingaat. De NADH die vrijkomt gaat de elektronen-transportketen in, waar de energie gebruikt
wordt voor de oxidatieve fosforylering produceert ATP en verbruikt O2.
NADH (en FADH2) worden geoxideerd door ademhalingsketen in het mitochondrion. Hoe verder met
pyruvaat onder anaerobe condities? Hierbij vindt regeneratie van NAD + plaats
1. Alcoholische fermentatie (gist, anaeroob)
2. Melkzuur (lactaat) fermentatie (bacteriën,
spier, anaeroob)
1: alcoholische fermentatie
2
2: Melkzuur fermentatie
, Elektronendragers zijn NAD+ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide (R=H)) en NADP + (R=PO43-).
Daarnaast is er nog FAD (Flavine Adenine Dinucleotide). De reactieve sites bevinden zich op de
stikstoffen in aromatische ringen. FAD kan niet (zoals NAD +)
alcoholen oxideren, maar wel alkanen tot alkenen oxideren.
NADH wordt gebruikt om ATP te genereren, NADPH wordt
gebruikt in reducties in biosyntheses. In de lever is veel NADPH
aanwezig omdat er veel biosyntheses plaatsvinden. Daarnaast is er veel NAD + omdat er veel energie
wordt verbruikt. Coenzym A is een geactiveerde drager van acylgroepen. Coenzym A vormt een
thioesterbinding met een vetzuur, waarin energie is opgeslagen. Geactiveerde dragers zijn kinetisch
stabiel in afwezigheid van katalysatoren. De energielading is een belangrijke regulator van
[ATP] + 1/2 [ADP]
metabolisme. Energielading = .
[ATP] + [ADP] + [AMP]
Oxidatieve fosforylering vindt plaats over het mitochondriale binnenmembraan. Hierbij wordt H+
over het membraan getransporteerd waardoor een chemische en elektrische gradiënt ontstaat. Via
een ander membraaneiwit (ATP-synthase) komen de H+ weer binnen waarbij ATP ontstaat.
Mitochondriën hebben een ruimte tussen het binnen en buitenmembraan (tussenmembraanruimte)
en de ruimte van het binnenmembraan wordt de matrix genoemd. Het binnenmembraan vormt
invaginaties genaamd cristae. Het buitenmembraan bevat veel moleculen van een transporteiwit
genaamd porine, waardoor het permeabel is voor veel moleculen. Het binnenmembraan is
impermeabel en bevat veel specifieke membraan transporteiwitten. In de elektronentransportketen
gaan de elektronen van NADH langs verschillende reductoren.
Van redoxkoppels kan de standaard reductiepotentiaal bepaald worden aan de hand van een
donor)
standaard cel: 1M H (pH 0), 1 atm. H2 en E0 = 0 V. Er geldt: acceptor)−E0 ¿ . Een positieve
+
∆ E0=E 0 ¿
0
∆ E0 geeft een negatieve ∆ G =−n × F (¿ 0,023) ×∆ E 0 . Het molecuul dat elektronen
accepteert ondergaat een reductie en het molecuul dat elektronen verliest wordt geoxideerd.
Elektronen gaan graag van een redox paar met een lage redox potentiaal (=lage affiniteit voor
elektronen) naar een paar met een hoge redox potentiaal (hoge affiniteit). NAD+ kan alleen maar
twee elektronen tegelijk opnemen, terwijl FAD en ubiquinon ook in twee stappen gereduceerd
kunnen worden. Daarnaast is NAD+ vrij in het cytosol aanwezig terwijl FAD altijd eiwitgebonden is.
Planten slaan lichtenergie op in chloroplasten, waarmee een protongradiënt wordt gecreëerd om ATP
synthase te laten werken. De energie van ATP wordt gebruikt om glucose te maken uit CO 2 en water.
Chloroplasten hebben een derde membraan, welke de thylakoïd ruimte omringt. Fotonen worden
gevangen door chlorofiel, waardoor een elektron van water vrijkomt in het fotosynthetische
reactiecentrum en de fotosystemen, waarbij O 2 ontstaat. De energie van het elektron wordt
opgeslagen als protongradiënt en als NADH.
HC2
Bij de oxidatieve fosforylering vindt elektronenoverdracht van NADH/FADH 2 plaats naar O2 waarbij
ATP wordt gevormd. Hierbij wordt een chemische (H +) en een elektrische (+) gradiënt gevormd. ATP
synthetase maakt gebruik van deze gradiënt door het terug naar binnen pompen van H +. Koppels met
een negatieve reductiepotentiaal hebben sterke reductoren en koppels met een positieve
reductiepotentiaal hebben een positieve reductiepotentiaal. FAD is een sterkere oxidator dan NAD +.
3
Deel 2
HC1
Membranen zijn belangrijk voor de vorming van compartimenten in de cel. Gramnegatieve bacteriën
hebben zelfs een dubbel membraan en daardoor een dunnere peptidoglycaanlaag. Sommige virussen
hebben een membraan envelopped virussen. Dit membraan verkrijgen de virussen wanneer ze de
cel na infectie verlaten. Functies van membranen:
Ze vormen microcompartimenten
Selectieve opname en afgifte van stoffen
Transport van cellulaire componenten
Opslag van energie
Communicatie tussen cel (organel) en omgeving.
Cellen zitten stampvol met membranen. Zo zijn er vele contactplaatsen tussen ER en Golgi in plaats
van alleen budding. De verschillende membranen hebben ook verschillende lipidensamenstellingen.
Alle lipiden komen voort uit acetyl CoA.
Fosfo-inositiden (PIPs) en signaaltransductie:
Fosfo-inositiden hebben functies in signaaltransductie, cytoskelet dynamiek en membraan
trafficking
Gezamenlijk niet meer dan 1% van de totale cellulaire fosfolipiden
3 families van membraanlipiden in zoogdiercellen:
Glycerofosfolipiden (PC, PE, PS, PI, CL) (65 mol%)
Sfingolipiden (sfingomyeline, glycosfingolipiden) (10%)
Sterolen (cholesterol) (25%)
Het ER en mitochondrion bevatten relatief de grootste hoeveelheid lipiden, waarbij het ER vooral PC
bevat en het mitochondrion relatief veel CL. Endo/lysosomen bevatten relatief veel BMP (bis(mono-
acy-glycerol)-fosfaat). Palmitinezuur (C16:0) en oliezuur (C18:1) zijn twee veel voorkomende vetzuren.
Lipiden met sfingosine als backbone in plaats van glycerol: sfingolipiden. Sterolen zijn rigide
moleculen met een platte ringstructuur. Gisten bevatten ergosterol, welke meer dubbele bindingen
bevat en een extra methylgroep.
Analyse van de lipidensamenstelling kan door extractie volgens de Bligh en Dyer methode. Je neemt
dan membranen/cellen op in chloroform/methanol/water 1/2/1 (v/v/v), waarbij 1 fase ontstaat.
Vervolgens voeg je 1 vol H2O en 1 vol CHCl3 toe zodat een fasescheiding ontstaat, waarbij de lipiden
opgelost zijn in de CHCl3/MeOH fase. Scheiding/analyse van het lipidenextract kan d.m.v.:
HPLC: scheiding op lipide klassen
TLC op silica-gecoat glas: lipide klassen
Massaspectrometrie
Gaschromatografie van methylesters van vetzuren: vetzuurstaartsamenstelling
Lipide druppels schermen TAG en SE af van het waterige cytosol, en hebben als functie:
1
, Bouwsteen nieuwe membranen
Energieopslag
Bij massaspectrometrie vindt analyse van moleculaire species plaats door scheiding op basis van m/z.
Pieken met 2 verschil corresponderen met een dubbele binding meer/minder (2 H’s meer/minder).
Pieken met 1 m/z verschil komen van isotopen met 13C. Met MS kan niet afgeleid worden op welke
posities de vetzuren in het molecuul zitten.
Lipodomics is de globale analyse van het liposoom door kwantitatieve shotgun massaspectrometrie.
Energievoorziening van de cel. Organismen hebben energie nodig voor:
Beweging
Actief transport van moleculen/ionen
Synthese bio(macro)moleculen
Er zijn fototrofe en chemotrofe organismen. De drager van energie is ATP (adenosinetrifosfaat),
waarbij energie vrijkomt wanneer een fosfaatgroep wordt afgesplitst. Andere nucleoside trifosfaten
(NTPs): GTP, UTP, CTP zijn energetisch equivalent aan ATP en belangrijk
in o.a. biosyntheses. NDP + ATP NTP + ADP. Door een reactie te
koppelen aan de hydrolyse van ATP (NTP) verschuift het evenwicht sterk
naar rechts. Waarom heeft ATP zo’n hoge ‘phosphoryl transfer
potential’?
Stabilisatie door resonantie
Elektrostatische repulsie
Stabilisatie door hydratie
Energie uit brandstoffen onder aerobe condities: vetten, suikers en eiwitten. Verbranding vindt plaats
in 4 stadia:
1. Enzymen converteren grote polymeren in kleinere monomeren, ook wel vertering genoemd.
2. Glycolyse, hierbij wordt een molecuul glucose omgezet in twee moleculen pyruvaat. Dit vindt
plaats in het cytosol, waarna pyruvaat naar de matrix van mitochondria wordt
getransporteerd, waar het omgezet wordt in CO2 en acetyl CoA. Dit wordt gedaan door het
pyruvaat dehydrogenase complex. Vetten worden per 2 C-atomen ook afgebroken tot acetyl
CoA.
3. De acetyl CoA groep bindt aan oxaloacetaat om citraat te vormen, welke de citroenzuurcyclus
ingaat. De NADH die vrijkomt gaat de elektronen-transportketen in, waar de energie gebruikt
wordt voor de oxidatieve fosforylering produceert ATP en verbruikt O2.
NADH (en FADH2) worden geoxideerd door ademhalingsketen in het mitochondrion. Hoe verder met
pyruvaat onder anaerobe condities? Hierbij vindt regeneratie van NAD + plaats
1. Alcoholische fermentatie (gist, anaeroob)
2. Melkzuur (lactaat) fermentatie (bacteriën,
spier, anaeroob)
1: alcoholische fermentatie
2
2: Melkzuur fermentatie
, Elektronendragers zijn NAD+ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide (R=H)) en NADP + (R=PO43-).
Daarnaast is er nog FAD (Flavine Adenine Dinucleotide). De reactieve sites bevinden zich op de
stikstoffen in aromatische ringen. FAD kan niet (zoals NAD +)
alcoholen oxideren, maar wel alkanen tot alkenen oxideren.
NADH wordt gebruikt om ATP te genereren, NADPH wordt
gebruikt in reducties in biosyntheses. In de lever is veel NADPH
aanwezig omdat er veel biosyntheses plaatsvinden. Daarnaast is er veel NAD + omdat er veel energie
wordt verbruikt. Coenzym A is een geactiveerde drager van acylgroepen. Coenzym A vormt een
thioesterbinding met een vetzuur, waarin energie is opgeslagen. Geactiveerde dragers zijn kinetisch
stabiel in afwezigheid van katalysatoren. De energielading is een belangrijke regulator van
[ATP] + 1/2 [ADP]
metabolisme. Energielading = .
[ATP] + [ADP] + [AMP]
Oxidatieve fosforylering vindt plaats over het mitochondriale binnenmembraan. Hierbij wordt H+
over het membraan getransporteerd waardoor een chemische en elektrische gradiënt ontstaat. Via
een ander membraaneiwit (ATP-synthase) komen de H+ weer binnen waarbij ATP ontstaat.
Mitochondriën hebben een ruimte tussen het binnen en buitenmembraan (tussenmembraanruimte)
en de ruimte van het binnenmembraan wordt de matrix genoemd. Het binnenmembraan vormt
invaginaties genaamd cristae. Het buitenmembraan bevat veel moleculen van een transporteiwit
genaamd porine, waardoor het permeabel is voor veel moleculen. Het binnenmembraan is
impermeabel en bevat veel specifieke membraan transporteiwitten. In de elektronentransportketen
gaan de elektronen van NADH langs verschillende reductoren.
Van redoxkoppels kan de standaard reductiepotentiaal bepaald worden aan de hand van een
donor)
standaard cel: 1M H (pH 0), 1 atm. H2 en E0 = 0 V. Er geldt: acceptor)−E0 ¿ . Een positieve
+
∆ E0=E 0 ¿
0
∆ E0 geeft een negatieve ∆ G =−n × F (¿ 0,023) ×∆ E 0 . Het molecuul dat elektronen
accepteert ondergaat een reductie en het molecuul dat elektronen verliest wordt geoxideerd.
Elektronen gaan graag van een redox paar met een lage redox potentiaal (=lage affiniteit voor
elektronen) naar een paar met een hoge redox potentiaal (hoge affiniteit). NAD+ kan alleen maar
twee elektronen tegelijk opnemen, terwijl FAD en ubiquinon ook in twee stappen gereduceerd
kunnen worden. Daarnaast is NAD+ vrij in het cytosol aanwezig terwijl FAD altijd eiwitgebonden is.
Planten slaan lichtenergie op in chloroplasten, waarmee een protongradiënt wordt gecreëerd om ATP
synthase te laten werken. De energie van ATP wordt gebruikt om glucose te maken uit CO 2 en water.
Chloroplasten hebben een derde membraan, welke de thylakoïd ruimte omringt. Fotonen worden
gevangen door chlorofiel, waardoor een elektron van water vrijkomt in het fotosynthetische
reactiecentrum en de fotosystemen, waarbij O 2 ontstaat. De energie van het elektron wordt
opgeslagen als protongradiënt en als NADH.
HC2
Bij de oxidatieve fosforylering vindt elektronenoverdracht van NADH/FADH 2 plaats naar O2 waarbij
ATP wordt gevormd. Hierbij wordt een chemische (H +) en een elektrische (+) gradiënt gevormd. ATP
synthetase maakt gebruik van deze gradiënt door het terug naar binnen pompen van H +. Koppels met
een negatieve reductiepotentiaal hebben sterke reductoren en koppels met een positieve
reductiepotentiaal hebben een positieve reductiepotentiaal. FAD is een sterkere oxidator dan NAD +.
3
