Celbiologie in medisch perspectief. III. Biologische membranen; cellulaire compartimenten

De reeds verschenen artikelen uit deze serie zijn gepubliceerd op bl. 1626, 1627 en 1725.

Iii.1. lipiden en eiwitten als componenten van membranen

Biologische membranen vervullen een prominente rol in de functionele organisatie van de eukaryote cel. Een intacte plasmamembraan of celmembraan is zelfs een voorwaarde voor het voortbestaan van de cel, daar deze membraan de vaak grote verschillen tussen intra- en extracellulair milieu in stand houdt. Vele processen die tot necrotische celdood leiden, worden ingeleid door defecten in de membraan, waarbij deze gaat ‘lekken’, waardoor bijvoorbeeld na een hartinfarct bepaalde enzymen in het bloedplasma verschijnen.

De permeabiliteit van het celoppervlak wordt gereguleerd door de celmembraan. Deze is zo dun (60-80 nm: lichtmicroscopisch dus niet waarneembaar) dat bijzondere structuren noodzakelijk zijn om mechanische versteviging van deze oppervlakte-bekleding te bewerkstelligen. Omtrent de samenstelling en het functioneren van membranen in het algemeen, maar in het bijzonder van de celmembraan, is in de laatste 20 jaar een overweldigende hoeveelheid nieuwe feiten bekend geworden. Figuur III.1 toont de schematische opbouw van zo'n membraan. Het ‘geheim’ van deze structuur is dat ze bestaat uit een zogenaamde amfipatische dubbellaag van fosfolipiden, waarbij de hydrofobe ‘staarten’ naar elkaar toe liggen en de hydrofiele ‘koppen’ de buitenbegrenzing vormen. In deze laag die, afhankelijk van de samenstellende lipiden, meer of minder vloeibaar kan zijn (men kan deze ‘fluïditeit’ meten), bevinden zich eiwitten als goed te onderscheiden elementen. Deze eiwitten zijn of met betrekkelijk losse bindingen aan binnen- of buitenzijde van de membraan gehecht (perifere eiwitten) en gemakkelijk te verwijderen met een detergens, ofwel vaster in de lipidenlaag gebonden (integrale eiwitten). In het laatste geval gaat het veelal om zogenaamde transmembraan-eiwitten, die door de gehele lipidenlaag heen steken en daarbij soms in een gevouwen patroon enkele malen dwars door de membraan heen gaan (zie figuur III.1). De niet-polaire aminozuren van het eiwit gaan dan bindingen aan met de lipidenlaag, waardoor zogenaamde intramembraan-hechting tot stand komt. Langere sequenties van hydrofobe aminozuren vormen spontaan een spiraalstructuur (?-helix) die een goede interactie met de membraanlipiden kan aangaan. De dikte van een gemiddelde membraan komt overeen met de lengte van 21-27 aminozuren (in ?-helix-conformatie), zodat een wat langer eiwit sterk gevouwen in de membraan moet liggen. Alle eiwitten, ook de transmembraan-eiwitten, kunnen zich vrij snel verplaatsen in ‘laterale’ richting: men spreekt van het vloeibaar-mozaïekmodel van Singer en Nicolson. Er zijn echter ook eiwitten die nauwelijks van hun plaats komen. Voorts dient te worden bedacht dat de eiwitten, maar ook de fosfolipide-moleculen, voortdurend vervangen worden. Het gaat bij de celmembraan dus allerminst om een star vlies.

Lipiden en eiwitten hebben een elkaar aanvullende, maar geheel afzonderlijke betekenis voor het functioneren van een membraan als grenslaag en passageplaats. De bi-moleculaire laag van de fosfolipiden streeft door zijn fysicochemische constitutie steeds weer naar een aaneengesloten formatie. Dit bepaalt een aantal wezenlijke eigenschappen van de membraan, zoals de mogelijkheid om een defect snel te sluiten (‘sealing in’, bijv. na het aanprikken met een micropipet) en het vermogen tot snelle membraanfusie. Hierdoor wordt niet alleen de communicatie tussen door een membraan afgesloten compartimenten binnen de cel mogelijk gemaakt, maar is ook transport van groot-moleculair materiaal tussen cytoplasma en extracellulaire ruimte mogelijk door middel van blaasjes die afsnoeren van dan wel fuseren met de plasmamembraan (figuur III.2). Ook het fenomeen van de celfusie wordt hierdoor bepaald. Tegenwoordig wordt van dit fusieproces, dat door bepaalde virussen of chemicaliën wordt bevorderd, veel gebruik gemaakt, onder meer bij de ontwikkeling van cellijnen voor de produktie van monoklonale antilichamen.

In een elektronenmicroscopisch preparaat dat op de gebruikelijke wijze is gefixeerd met osmiumzuur, zijn dwarsgetroffen membranen te zien als twee bijeengelegen lijntjes. Dit ‘tramspoor’-beeld wordt veroorzaakt door neerslag van het sterk elektronenstrooiende osmium aan de beide uiteinden van de lipiden-dubbellaag. Van de eiwitten is in het geheel niets te zien. Met de zogenaamde vriesbreek-techniek, waarbij de beide lipidenlagen uiteen worden getrokken en waarbij dus als het ware in de membraan wordt gekeken, is het mogelijk intramembraneuze partikels (IMP's) aan te tonen die als gemodificeerde representanten van integrale eiwitten worden opgevat.

In principe is de lipiden-dubbellaag vrij doorgankelijk voor watermoleculen en andere kleine, ongeladen moleculen. De permeabiliteit voor grote of geladen moleculen is zeer complex en van allerlei factoren afhankelijk; membraaneiwitten spelen hierbij een belangrijke rol (zie verder). De lipidensamenstelling van membranen is min of meer karakteristiek voor de verschillende membraantypen of voor bepaalde domeinen van membranen. Het gaat steeds om een combinatie van fosfolipiden, cholesterol en glycolipiden. Deze laatste groep verbindingen (met tot dusver onbekende functie) komt overigens uitsluitend voor in de buitenlaag van de plasmamembraan. Hierdoor wordt, naast een asymmetrie van de eiwitten (zie verder), ook een asymmetrie van de bimoleculaire lipidenlaag bewerkstelligd.

Bepalen de lipiden de continuïteit en de stabiliteit van een membraan en de isolerende eigenschappen, de eiwitten zijn verantwoordelijk voor de meeste specifieke membraanfuncties. Te noemen zijn: membraanenzymen, transporteiwitten, receptoren. Dit verklaart ook de grote verschillen in de eiwit-lipidenverhouding tussen membraantypen: van 25 in myelinescheden (waar de isolatie-eigenschappen het belangrijkste zijn) tot 75 in de binnenmembraan van het mitochondrion dat is volgepakt met ketens van enzymen. De rotatoire en laterale bewegingsmogelijkheden van eiwitten zijn al ter sprake gekomen. Het vóórkomen van een groot aantal soorten eiwitten is echter tot zeer specifieke domeinen in de celmembraan beperkt. Bij deze beperking kan het celskelet of de interactie met naburige cellen een rol spelen

De membraaneiwitten vertonen een uitgesproken asymmetrie: de meeste membraaneiwitten zijn glycoproteïnen en de oligosaccharideketens zijn steeds ‘naar buiten’ gericht, in het geval van de celmembraan dus naar de extracellulaire ruimte (zie figuur III.1). Behalve de suikerketens van glycoproteïnen en glycolipiden zijn er aan de ‘buitenzijde’ ook glycoproteïnen (of proteoglycanen) aan de membraan geadsorbeerd die min of meer losse verbindingen vormen met de zijketens van de integrale membraaneiwitten. Hierdoor ontstaat aan het externe oppervlak van de cel een sterk in samenstelling wisselende, onscherp begrensde laag van vooral koolhydraten, die men de glycocalyx of celmantel noemt (figuur 111.3). De celmantel vertoont tot op zekere hoogte enige gelijkenis met de celwand van de plantecel buiten de celmembraan (zie ook figuur III.1), die echter een geheel andere chemische samenstelling heeft. De glycocalyx heeft onder andere een functie bij cel-cel- en cel-matrix-interacties, waarbij de ‘nestgeur’ van een celoppervlak zekere afstotingen dan wel aantrekkingen kan bewerkstelligen. De glycocalyx heeft dus minder een mechanische functie dan een rol bij het ‘sociale verkeer’ tussen cellen, bij adsorptieprocessen en verder bij de hechting tussen cellen onderling.

Iii.2. transport van klein-moleculaire stoffen dÓÓr de membraan

Ongeladen klein-moleculaire stoffen zoals water, O₂, CO₂ of ureum kunnen vrijelijk door de lipiden-dubbellaag diffunderen. Vetoplosbare stoffen kunnen, ook als het molecuul wat groter is (bijvoorbeeld steroïde hormonen), vlot door de fosfolipiden-dubbellaag worden doorgelaten. Bij wat grotere moleculen met hydrofiele eigenschappen, zoals glucose, gaat de passage al direct veel moeizamer. De lipiden-dubbellaag is echter impermeabel voor geladen moleculen (ionen), hoe klein ook. Voor de cel belangrijke ionen zoals Na en K, maar ook aminozuren en nucleotiden, dringen dus niet of nauwelijks door een membraan. Ze kunnen alleen ‘met hulp’ passeren. Hiervoor zijn in de membraan specifieke transporteiwitten aanwezig die selectief een bepaald soort molecuul door de membraan loodsen. Dit is eigenlijk pas ontdekt aan de hand van aangeboren afwijkingen waarbij één bepaald transporteiwit ontbreekt of door een mutatie niet functioneert. Men onderscheidt deze eiwitten in echte transporteiwitten (‘carrier proteins’) en kanaaleiwitten (‘channel proteins’) die als het ware een kanaal door de membraan openhouden. De echte transporteiwitten sluizen de moleculen waarvoor ze specifiek zijn door de membraan doordat ze een verandering in hun conformatie ondergaan wanneer het molecuul zich aan dit eiwit bindt. Het gaat hierbij altijd om transmembraan-eiwitten die de membraan enkele malen doorkruisen (‘multipass proteins’).

Wanneer ionen tegen de elektrochemische gradiënt in de cel moeten worden in- of uitgesluisd, is energie nodig. Meestal zijn deze transporteiwitten dan gekoppeld aan een energiebron, doorgaans een ionengradiënt of ATP dat hydrolyse-energie levert. Men onderscheidt zo passief transport als een zuiver diffusieproces en actief transport, waarbij energie wordt verbruikt. Er is ook een tussenvorm, gefaciliteerde diffusie, waaraan wel een transporteiwit te pas komt, maar waarbij geen energie wordt verbruikt. Transporteiwitten hebben een zekere verwantschap met enzymen, waarmee ze de specificiteit van binding gemeen hebben, alsook het feit dat hun werking door specifieke remmers kan worden geblokkeerd. In sommige gevallen, zoals bij NaK-ATP-ase, wordt het transport van een substraat (Na) in één richting en van een ander substraat (K) in de andere richting bevorderd door één eiwitcomplex dat ook een bindingsplaats voor het splitsen van ATP heeft. Op deze wijze worden door dit enzym het hoge gehalte aan K en het lage Na-niveau in de cel in stand gehouden. Op vergelijkbare wijze is er een uitwisseling tussen Na- en H-ionen, die van belang is voor de regulering van de intracellulaire pH. De verdeling van ionen ter weerszijden van de celmembraan leidt tot een transmembraan-potentiaal van enkele tientallen millivolt, waarbij de cytoplasmazijde negatief geladen is ten opzichte van het extracellulaire milieu.

In het bijzonder bij prikkelbare cellen, zoals zenuw- en spiercellen, kent men verder nog speciale ionenkanalen, waarvan opening of sluiting wordt bepaald door de mate van polarisatie of depolarisatie (meer positieve of negatieve lading) aan een membraanoppervlak, zogenaamde ‘voltage-gated ion channels’. Bij synaptische overdracht kent men kanalen waarvan opening of sluiting door een (neuro)transmitter wordt bepaald.

Iii.3. transport van groot-moleculaire stoffen dÓÓr de membraan

De passage van macromoleculen, zoals polynucleotiden, eiwitten of polysacchariden is doorgaans ook met een carrier niet mogelijk, ook al zijn hierop uitzonderingen. Er is echter een geheel andere weg waarlangs deze stoffen een membraan kunnen passeren. In wezen gaat het daarbij niet om transport door de membraan heen. Het te transporteren materiaal wordt opgenomen in een door een membraan omsloten blaasje en via processen van afsplitsing en fusie van het ene compartiment naar het andere vervoerd.

Een frequent voorkomend proces is de opname van stoffen via het celoppervlak door endocytose, waarbij een bepaald domein van de plasmamembraan wordt ingestulpt rondom het op te nemen materiaal, waarna een blaasje wordt gevormd dat zich aan de binnenzijde van de cel van het oppervlak vrijmaakt (het omgekeerde proces, waarbij stoffen uit de cel worden gebracht, wordt exocytose genoemd). Het opgenomen materiaal komt hierdoor – zij het door een membraan omgeven – in het cytoplasma terecht. Van oudsher maakt men daarbij onderscheid tussen fagocytose waarbij het gaat om opname van deeltjes zoals bacteriën en pinocytose als het gaat om vloeistofdruppels met daarin opgeloste stoffen. Tegenwoordig wordt dit terminologisch onderscheid niet meer zo scherp aangehouden, onder meer omdat er veel mengvormen optreden; men spreekt liever in algemene zin van endocytose.

Bij vele vormen van endocytose vindt enige vorm van hechting van het op te nemen materiaal aan het celoppervlak plaats. Opgeloste biologische macromoleculen die via endocytose in een cel worden opgenomen, hechten vaak selectief aan receptormoleculen (eiwitten of glycoproteïnen) in de celmembraan. Men spreekt dan van receptor-gemedieerde endocytose (RME; figuur III.4) en duidt de moleculen die aan de receptor worden gehecht aan als liganden: er wordt dus een receptorligandcomplex gevormd. Endocytose waarbij geen hechting van het op te nemen materiaal aan het celoppervlak plaatsvindt, noemt men ter onderscheiding vloeibarefase-endocytose. De functionele betekenis van RME is gelegen in het feit dat stoffen die slechts in geringe concentratie in het extracellulaire milieu aanwezig zijn, selectief op het celoppervlak kunnen worden geconcentreerd en vervolgens opgenomen. Bepaalde hormonen bijvoorbeeld worden langs deze weg binnen de cel gebracht.

Omtrent de verdere routes van receptoren en liganden in de cel zijn in de laatste tijd veel gegevens verkregen uit vooral immunocytochemisch onderzoek waarbij receptoren en liganden worden gevolgd op geleide van merkstoffen (bijvoorbeeld goud of fluorescerende merkers). Zo is duidelijk geworden dat RME start met de vorming van een kleine instulping (‘pit’) van het celoppervlak met een hogere receptorconcentratie. Deze instulpingen zijn aan de cytoplasmazijde van de membraan voorzien van een ‘coat’ die in het elektronenmicroscopisch beeld waarneembaar is als een zoom van stekels loodrecht op de celmembraan en voor een belangrijk deel bestaat uit het eiwit clathrine. De meeste onderzoekers nemen aan dat juist deze ‘coat’ van belang is om de relatieve ophoping van receptormoleculen in stand te houden. De ‘coated pits’ worden afgesnoerd van de celmembraan, waardoor zogenaamde ‘coated vesicles’ ontstaan. Spoedig na afsnoering van de celmembraan verliest de ‘coated vesicle’ zijn ‘coat’ en wordt dan verder endosoom genoemd. De endosomen fuseren onderling en met grotere vacuolen en tubulaire structuren. Dit geheel vormt het endosomale systeem van de cel, waar de verdere lotgevallen van receptor en ligand worden bepaald.

De membranen van endosomen zijn voorzien van een van ATP afhankelijke protonpomp, waardoor de inhoud van de endosomen geleidelijk zuurder kan worden gemaakt; in de rijpere endosomen wordt zo een pH-waarde van circa 5 bereikt. Veel van de geëndocyteerde receptor-ligandcomplexen dissociëren bij deze pH, waarna receptor- en ligandmoleculen doorgaans worden gesorteerd en verzameld in afzonderlijke blaasjes. De blaasjes met receptoren keren voor hernieuwd gebruik terug naar het celoppervlak, terwijl de blaasjes met liganden kunnen worden opgenomen in het lysosomale systeem, waar de liganden worden verteerd. Daarbij kunnen endosomen zelf evolueren tot lysosomen, dan wel fuseren met reeds bestaande lysosomen. De voor vertering van liganden noodzakelijke enzymen worden aangevoerd vanuit het Golgi-complex. Recent onderzoek heeft duidelijk gemaakt dat de endosomen fungeren als ‘ontvangststation’ voor de transportblaasjes die dit enzymvervoer verzorgen.

Een bekend voorbeeld van RME is de opname van cholesterol, dat nodig is voor de assemblage van de plasmamembraan. Cholesterol wordt voor vervoer door lichaamsvloeistoffen verpakt in ‘low density lipoprotein’ (LDL)-partikels. Vele celtypen nemen deze partikels op via RME met behulp van de LDL-receptor. Na ontkoppeling van het receptor-ligandcomplex in het endosomale compartiment keren de blaasjes met receptoren terug naar het celoppervlak, dat ze ongeveer 10 minuten na opname weer bereiken. Op deze wijze kunnen receptoren omstreeks 100 maal worden gebruikt, alvorens ze worden vervangen. De LDL-partikels worden vervoerd naar het lysosomale systeem, waar langs enzymatische weg het cholesterol wordt vrijgemaakt. De betekenis van dit geheel wordt duidelijk in erfelijke afwijkingen, waarbij de synthese of het functioneren van de LDL-receptoren zodanig is verstoord dat de plasmaconcentratie van LDL is verhoogd met gevaar voor bijvoorbeeld een vroegtijdige ontwikkeling van atherosclerose. Wanneer receptor en ligand ondanks de lage pH in het endosomale compartiment gekoppeld blijven, zullen ze veelal gezamenlijk in het lysosomale systeem terechtkomen en verteerd worden. Er zijn echter ook voorbeelden bekend waarbij het receptor-ligandcomplex in het geheel niet met het lysosomale systeem in aanraking komt, bijvoorbeeld bij de opname van transferrine met daaraan gekoppeld ijzer. Hierbij komt het ijzer vrij in het endosomale compartiment, waarna de ligand gebonden aan de receptor terugkeert naar het celoppervlak. Ook Wanneer RME een functie vervult bij het vervoer van ligandmoleculen van de ene zijde van de cel naar de andere – zoals vaak voorkomt bij gepolariseerde ceilen – gaat het receptorligandcomplex voorbij aan het lysosomale systeem van de cel.

In het voorafgaande is gesproken over het transport van groot-moleculaire stoffen vanuit het extracellulaire milieu. Transport van macromoleculen tussen intracellulaire compartimenten en van deze naar het celoppervlak geschiedt echter veelal ook via met RME vergelijkbare processen. Naar in volgende hoofdstukken zal blijken, worden ook daarbij te transporteren macromoleculen verzameld in blaasjes die worden afgesnoerd van het donorcompartiment en na vervoer fuseren met het acceptorcompartiment.