Samenvatting Structuur, vorm en dynamica van biologische membranen

Transcriptie

1 Samenvatting Structuur, vorm en ynamica van biologische membranen Timon Iema 19 november 2009 Biofysica is e stuie van e natuurkune achter biologische processen. Haar werkterrein is voornamelijk e iniviuele cel. Cellen zijn e kleinste levene systemen en e bouwstenen van alle levene organismen. De binnenkant van een cel wort van zijn omgeving gescheien oor een celmembraan. In eukaryotische cellen (cellen ie een celkern met aarin het DNA bevatten) zorgen inwenige membranen ook voor interne structuur binnen een cel. In het onerzoek waarvan e resultaten beschreven zijn in it proefschrift hebben we e eigenschappen van eze biologische membranen onerzocht, in het bijzoner hun structuur, vorm en ynamica. Er is een grote variatie in e moleculaire samenstelling van membranen, ie irecte gevolgen heeft voor hun vorm en structuur, waarbij ie twee ook elkaar irect weer beïnvloeen. Bij e ynamica bestueren we naast het membraan zelf nog een anere belangrijke component van e cel, e moleculaire motor. Motoren zijn cruciaal voor transport binnen e cel en voor het proces van celeling. De combinatie van motoren en membranen resulteert in een actief, ynamisch systeem, zoals we at in levene cellen vinen. 1 Structuur en vorm De bouwstenen van membranen zijn lipie moleculen. Lipien bestaan uit een eel at goe oplosbaar is in water (een hyrofiele kop ) en één of meer lange, vetachtige elen ie slecht oplosbaar zijn in water (hyorofobe staarten ). In een omgeving met veel water organiseren lipie moleculen zich aaroor spontaan in grotere structuren waarin e koppen in contact staan met watermoleculen, terwijl e staarten aarvan woren afgescherm. Voor lipien ie ongeveer een cilinervorm hebben is e optimale structuur een ubbele laag, met e koppen aan e buitenkant en e staarten binnenin. Alle biologische membranen bestaan uit zo n ubbele laag van lipien. De lipien vormen met elkaar een tweeimensionale vloeistof: ze kunnen vrij bewegen in e twee richtingen binnen het membraan, maar het membraan niet in e ere richting verlaten. De meeste lipien in biologische membranen hebben twee staarten. Een belangrijke uitzonering is cholesterol, at maar één staart heeft en bovenien een vrij kleine kop. De staarten kunnen recht zijn, maar ook knikken bevatten, een gevolg van hun moleculaire samenstelling (knikken komen voor op punten waar e polymeerketen een onverzaige, ubbele verbining tussen twee opeenvolgene koolstofatomen heeft). De richting van een stuk staart na een knik, gereken vanaf e kop, is onbepaal, terwijl ie van een rechte staart vastligt. Hieroor is een membraan gemaakt van lipien met geknikte staarten miner georen an een membraan at bestaat uit lipien met rechte staarten. Dit verschil in orening is zo bepalen voor e interne structuur van het membraan, at e membranen met verschillene mate van orening in een verschillene fasetoestan zitten. In beie gevallen is het membraan een vloeistof en e twee fasetoestanen uien we aan als georene vloeistof (L o ) en ongeorene vloeistof (L ). Als we een mengsel maken waarin een lipie met geknikte staarten, een met rechte staarten en cholesterol in e juiste verhouing voorkomen, ontstaat een membraan waarin zowel L o als L gebiejes (ie we omeinen noemen) voorkomen. Het proces van fasescheiing in L o en L omeinen binnen het membraan is hetzelfe als het spontaan ontmengen van bijvoorbeel water en olie. Net zoals tussen water en olie een oppervlaktespanning ontstaat op e grens tussen e twee vloeistoffen, is er ook een spanning tussen e omeinen in het membraan, maar an een lijnspanning (het membraan is immers een tweeimensionale vloeistof en e ran van een omein aarom een eenimensionale lijn). Deze lijnspanning zorgt er in e eerste plaats voor at e omeinen cirkelvormig woren: e vorm met e kortste omtrek voor een bepaal oppervlak. In e tweee plaats zorgt e lijnspanning ervoor at het gunstig is om omeinen samen te voegen. Als gecombineer omein kunnen twee kleine omeinen immers een grotere cirkel vormen en zo samen een kortere ran krijgen. Het ligt aarom voor e han te verwachten at we altij zien at alle omeinen samensmelten. In e praktijk gebeurt at ook vaak, maar soms veel langzamer an we zouen verwachten. 1

2 hyrofobe staarten hyrofiele kop rechte vetachtige staart polaire groep fosfaat glycerol gekniktevetachtige staart water Figuur 1: Membranen zijn opgebouw uit lipie moleculen, met een hyrofiele (in water oplosbare) kop en één of meer hyrofobe (niet in water oplosbare) staarten. Wanneer we proberen lipien in water op te lossen, vormen ze spontaan een ubbele laag met e koppen aan e buiten- en e staarten aan e binnenkant. Dat komt oor een ere effect van e lijnspanning: ie vervormt ook het membraan om e ran van een omein korter te maken. Dat gebeurt oor gebruik te maken van e ere imensie: oor het omein en het membraan eromheen te buigen, kan e ran van het omein korter woren. Hoeveel energie het kost om het membraan zo te buigen hangt weer af van e samenstelling en fasetoestan van het membraan. De vorm ie het membraan aanneemt is aaroor een balans tussen lijnspanning aan e ene en buigzaamhei aan e anere kant. Het buigen van een omein om hem een kortere ran te geven heeft invloe op zijn omgeving: ie vervormt mee. Dat heeft een remmen effect op het proces van het samensmelten van e omeinen, want om twee omeinen bij elkaar te brengen moet het membraan eerst extra gebogen woren. Daaroor ontstaat een afstotene kracht tussen e omeinen, en verelen ze zich over het membraan, waaroor het membraan gestructureer wort. Voor gesloten membranen met ruwweg een bolvorm (een erg simpel moel voor het membraan van een cel) blijken grote omeinen elkaar bovenien harer af te stoten an kleine, wat gevolgen heeft voor e vereling van omeinen over het hele membraan. We hebben het fasegerag van e membranen bestueer in hoofstuk 3. In hoofstuk 4 hebben we e vorm van e membranen uitgereken aan e han van een moel waarin e lijnspanning en e buigbaarhei van e verschillene omeinen zijn meegenomen. Bovenien hebben we e berekene vorm vergeleken met experimenteel bepaale vormen en zo e buigbaarhei en lijnspanning gemeten. In hoofstuk 5 hebben we gekeken naar e krachten tussen e omeinen. De vereling van omeinen over het hele membraan is het onerwerp van hoofstuk 6, waarin blijkt at e omeinen spontaan woren gesorteer naar grootte. 2 Dynamica en motoren Moleculaire motoren zijn e werkpaaren van e cel. Motoren spelen een belangrijke rol bij het transport binnen een cel, bij het kopieëren van e genetische coe in het DNA en bij het proces van celeling. De motoren ie wij bestueren hebben één of twee voeten waarmee ze kunnen lopen over het cytoskelet, een netwerk van lange, stijve polymeren in een cel at een vergelijkbare functie heeft als het skelet in het menselijk lichaam (al is het cytoskelet enerzijs veel eenvouiger en anerzijs veel ynamischer). Naast voeten hebben e motoren ook een laazone, een plek waar een nuttige laing veranker kan woren. Die laing is vaak verpakt in een membraan, en is soms zelfs het membraan zelf. Door collectief aan een membraan te trekken kunnen motoren het vervormen, en zo meewerken aan verschillene processen ie in een cel optreen, zoals bijvoorbeel het opnemen van voesel en het transporteren van eiwitten. Het proces at we in het bijzoner bestueer hebben is het ontstaan van membraantubes: lange, unne buisjes van membraan ie met relatief geringe kracht uit een membraan getrokken kunnen woren. Eén iniviuele motor is niet sterk genoeg om zo n tube te trekken, maar oor met vijf of zes motoren samen te werken lukt at wel. Een eigenschap van e motoren ie in belangrijke mate e ynamica van het tube trekken bepaalt is 2

3 a b L omein L omein o e L omein c Figuur 2: Membranen ie bestaan uit een combinatie van cholesterol, lipien met rechte staarten en lipien met geknikte staarten in e juiste verhouing, onergaan spontane fasescheiing. Figuur a toont een schets van een membraan met georene (L o ) en ongeorene (L ) omeinen. Als gevolg van e fasescheiing ontstaat een lijnspanning op e ran van e omeinen. In figuur b, c en is er een lijnspanning op e groene gestreepte lijn. Door het omein te laten uiteuken buiten het vlak van het membraan wort e ran van het omein korter, maar wort omeinen samenvoegen wel moeilijker. Figuur e toont een microscoopopname van een membraan waarin e verschillene omeinen met roo en groen gelabel zijn. 3

4 a 1 m afstan F tube vertrek 10s tij b microtubule F tube afstan 1 m 10s vertrek tij microtubule Figuur 3: Moleculaire motoren ie verantwoorelijk zijn voor e transportprocessen binnen een cel hebben één of twee actieve voeten waarmee ze over onerelen van het cytoskelet kunnen lopen (hier een microtubule). Door samen te werken kunnen zulke motoren membraantubes trekken. De ynamica van zo n tube hangt sterk af van e processiviteit van e motoren. Processieve motoren kunnen continu trekken met constante snelhei (figuur a). Motoren ie niet trekken kunnen e trekkene motoren inhalen en gaan meehelpen. Niet-processieve motoren kunnen wel tubes trekken, maar ie fluctueren in lengte (figuur b). Motoren kunnen wel clusters vormen langs e tube, maar geen anere clusters inhalen. Als e trekkene cluster te klein wort, trekt e tube zich terug tot e volgene cluster, waaroor een oscilleren patroon ontstaat. 4

5 hun processiviteit. Motoren met twee voeten, ie kunnen lopen oor stees e ene voor e aner te zetten, hebben een hoge processiviteit (we noemen ze processieve motoren). Een groepje van processieve motoren kan tubes maken ie zo lang kunnen woren als e cel zelf, waarbij e tube stees met constante snelhei vooruit wort getrokken. Aan e anere kant zijn er ook niet-processieve motoren, met maar één voet (of maar één actieve), ie aaroor per keer ook maar één stap kunnen zetten. Opmerkelijk genoeg blijken ook eze motoren collectief tubes te kunnen trekken. Deze tubes geragen zich wel compleet aners an ie van e processieve motoren: ze groeien met variabele snelheen en wisselen at af met retracties, waarin ze snel over relatief grote stukken kunnen terugtrekken. Met een moel waarin e motoren in clusters samenwerken en eze clusters gevorm woren langs e hele tube kunnen we it gerag verklaren en kwantificeren. Bovenien blijkt uit computersimulaties van it systeem at it ynamische proces van groei en terugtrekking leit tot een gereguleere lengte van e tube, waarbij ie lengte weer bepaal wort oor e samenstelling van het membraan. Deze processen zijn het onerwerp van hoofstuk 7. In levene systemen spelen ze een belangrijke rol. De stabiele, lange tubes ie getrokken woren oor processieve motoren fungeren als brug en verbining tussen verschillene onerelen van een cel, en zelfs tussen cellen onerling. De ynamische tubes van e niet-processieve motoren zorgen ervoor at het membraan tegelijkertij een groot en vooral ynamisch oppervlak heeft zoat voeingsstoffen en eiwitten snel opgenomen kunnen woren en at het bovenien gemakkelijk elen kan afsplitsen. De structuur, vorm en ynamica van membranen zijn aan e ene kant biologische eigenschappen van en cruciaal voor e processen ie zich afspelen binnen een cel. Anerzijs zijn ze het gevolg van e onerliggene fysische wetten en kunnen als natuurkunig systeem beschreven en bestueer woren. Eenzelfe soort fysische beschrijving kan gegeven woren van veel anere biologische processen binnen e cel. Uiteinelijk is e cel echter meer an e som van e elen, en moeten we, om haar als geheel te kunnen begrijpen, beschrijvingen vinen voor het complexe systeem waarin al eze elen met elkaar samenhangen. De combinatie van membranen en motoren in hoofstuk 7 is aar een voorbeel van, al gaat het ook aar om slechts een eerste stap. In e biofysica valt nog veel te ontekken. 5