Intracellulaire compartimenten en transport versie 2015-2016 Vragen bij COO over hoofdstuk 15 van Alberts Essential Cell Biology, 4e druk De vragen die voorkomen in het COO-programma zijn op dit formulier weergegeven. Het is de bedoeling dat je, als je dat nodig vindt, aantekeningen maakt bij de vragen. Deze aantekeningen kun je gebruiken bij de voorbereiding van het tentamen. Inleiding 1. Zet de namen bij de celorganellen: 2. Elk compartiment heeft een aantal specifieke functies. Geef van elk compartiment een kenmerkende functie. ribosomen RER mitochondrium Golgi-appraat kern plasma-membraan SER lysosoom centrosoom 1
3. Prokaryote cellen (zoals bacteriën en blauwwieren) onderscheiden zich in verschillende opzichten van eukaryote cellen. Geef de juiste kenmerken aan voor pro- en eukaryoten. afmetingen (in µm) plasmamembraan interne membraansystemen eiwitsynthese DNA kern ribosomen Prokaryoten Eukaryoten 4. A. Welke cel heeft de meeste plasma-membraan in verhouding tot zijn volume? o prokaryote cel o eukaryote cel B. Hoe verandert de verhouding membraan-oppervlak/inhoud als een prokaryoot een factor 10 in omvang toe zou nemen? 5. Een groter wordende cel krijgt verhoudingsgewijs een te klein membraanoppervlak. Hoe kan een cel deze beperkingen compenseren? 2
Eiwitsortering 6. Er zijn drie mechanismen waarbij eiwitten naar en tussen celorganellen worden getransporteerd. Wat zijn deze drie mechanismen? 1 2 3 7. Eiwitten kunnen op verschillende manieren in een specifiek celcompartiment terechtkomen. Soms is hier een specifieke eiwit-translocator bij betrokken, gelegen in de membraan van het compartiment. Bij welk type transport is dat het geval? 8. Bij welk type transport is er sprake van transport tussen topologisch verwante compartimenten? 9. Eiwitten worden binnen de cel op verschillende manieren tussen de compartimenten getransporteerd. Eiwitten die in de cytosol zijn gesynthetiseerd worden o.a. getransporteerd naar de kern. Vanuit de kern vindt ook transport plaats terug naar de cytosol (bijvoorbeeld van de ribosomale eenheden). Vanuit het cytosol gaan er ook eiwitten naar de peroxisomen, de mitochondria en het ER. Aan het ER vindt ook eiwitsynthese plaats, en vanuit het ER gaan er eiwitten naar het Golgiapparaat. Via de return pathway worden ook weer eiwitten terug naar het ER getransporteerd. Vanaf het Golgi kunnen eiwitten onder andere worden uitgescheiden via secretieblaasjes. Ze kunnen ook via het endosoom worden getransporteerd naar het lysosoom. Eiwitten kunnen ook worden opgenomen, en deze komen dan in het endosoom. Deze eiwitten komen ook in het lysosoom terecht. Geef hiernaast voor elke transportroute aan welk type transport plaatsvindt. 3
10. A. Vindt transport naar mitochondriën en chloroplasten co-translationeel of posttranslationeel plaats? B. Hoe gaat het eiwit door de membraan van het mitochondrium heen? C. Waaraan wordt het eiwit door het mitochondrium herkend? D. Hoe noemt men het eiwit tot vak na de translocatie in de matrix van het mitrochondrium? Schets hieronder het transportmechanisme voor eiwitten van het mitochondrium. 11. Hiernaast zie je een figuur van een eiwit met signaalpeptide. Alle eiwitten worden gesynthetiseerd in het cytosol. Sommige bevatten wel een signaalpeptide, andere niet. Waar gaan eiwitten zonder signaalpeptiden heen? 12. Ontwerp een experiment waarmee je kunt onderzoeken of een specifiek eiwit getranslokeerd wordt naar de kern. Je hebt tot je beschikking een medium waaraan je kunt toevoegen: het eiwit kernen fluorescerende antilichamen tegen het eiwit proteasen In welke volgorde voeg je deze toe om het experiment uit te voeren? Beschrijf wat er gebeurt en wat het eindresultaat is. Stap 1: Stap 2: Stap 3: 4
Kern 13. Op deze half schematische/half EM-foto is de kern van een eukaryotische cel te zien. Benoem de onderdelen van de kern. 14. De componenten die betrokken zijn bij de synthese van eiwitten worden op verschillende plaatsen in de cel gesynthetiseerd. Geef aan waar de volgende de molecuulcomplexen gesynthetiseerd/samengesteld worden. DNA trna mrna RNA processing eiwitten RNA-polymerase ribosomale subeenheden ribosomale eiwitten 15. Geef aan of onderstaande stoffen door de kern worden geïmporteerd of geëxporteerd. DNA trna mrna RNA-polymerase ribosomale eiwitten ribosomale subeenheden RNA processing eiwitten eiwitten < 40.000 Dalton 5
16. Dit is een deel van de kernenvelop. Aan de binnenzijde van de kern ligt de lamina fibrosa tegen de membraan. Verder bevat de kern DNA. Eiwittransport gaat door kernporiën. Dit zijn onderbrekingen in de kernenvelop, met een aantal verschillende eiwitten die het transport regelen. In de porie zitten acht eiwitten in een cirkel gerangschikt. Aan weerszijden hiervan ligt een ring van eiwitten. In de kern steken vanuit de ring eiwitten in een soort kooistructuur omhoog. Aan de cytoplasmatische zijde steken er acht fibrillen in de cytosol. In het midden bevindt zich een afsluitend eiwit, dat als een diafragma kan openen. Kleine moleculen en eiwitten diffunderen hier in en uit zonder signaalsequenties of receptoren. Grote eiwitten (>40.000 Dalton) worden in hun geheel, inclusief de tertiaire structuur, geïmporteerd, maar moeten dan wel een signaalsequentie hebben. A. Het hier afgebeelde eiwit van 60.000 Dalton bevat wel een kernlocalisatiesignaal ( ), maar wordt toch niet geïmporteerd door de kern. Waarom niet? B. Waar bevindt zich het receptoreiwit voor het kernlocalisatie-signaal? Beschrijf het mechanisme hieronder. 6
17. Dit is een EM-foto/schematische tekening. Benoem de onderdelen. 18. Op welke manier vindt translocatie van eiwitten naar het lumen van het RER plaats? 19. Geef aan welke eiwitten op onderstaande ribosomen worden gesynthetiseerd. 20. Het ribosoom begint met het aflezen aan de 5 -zijde van het messenger RNA. A. Welk uiteinde van het eiwit wordt het eerst gesynthetiseerd? B. Stel dat dit eiwit bedoeld is voor het lumen van het RER. Waaraan moet het eiwit voldoen om naar het lumen van het RER getransporteerd te worden? C. Waaraan hecht dit? D. Er moet een structuur in de membraan van het RER aanwezig zijn om dit complex te herkennen. Welke structuur is dat? E. Hoe heet het eiwit dat voor de transfer van eiwit naar het lumen van het RER zorgt? 7
F. Hoe ontstaat er een vrijliggend eiwit? 21. Sommige eiwitten bevatten behalve start- ook stop-transferpeptiden. Wat zijn de eigenschappen van stop-transferpeptiden? 22. Hieronder zie je een aantal eiwitten. Geef aan hoe deze zich in het ER bevinden. A. B. C. D. E. F. Hoe moet een eiwit eruit zien om op deze manier in de membraan van het RER terecht te komen? 8
Vesiculair transport 23. Transport van de eiwitten van en naar de verschillende compartimenten kan via verschillende transporttypen. Geef aan waar blaasjestransport plaatsvindt. 24. (+ 25.) Benoem de deelprocessen en de algemene namen voor deze deelprocessen die hieronder staan afgebeeld. 26. Geef aan welke kenmerken van toepassing zijn bij fagocytose. Opnemen van celresten/micro-organismen Continu proces Receptoren bij betrokken Versmelten met lysosoom Blaasjes vaste diameter 27. Geef in de onderstaande tabel aan welke kenmerken van toepassing zijn bij receptor mediated endocytose. Opnemen van celresten/micro-organismen Receptoren bij betrokken Clathrine skelet nodig Versmelten met lysosoom Opnemen van specifieke moleculen 28. In de cel snoeren constant blaasjes af van het ene organel om te versmelten met een ander organel. Hierbij worden specifieke moleculen van het ene naar het andere organel getransporteerd. Met behulp van welke eiwitten komen deze blaasjes bij het goede organel terecht? 9
Exocytose 29. Men is in staat om eiwitten radioactief te labelen, door één van de aminozuren te labelen. Met deze methode kan men soms eiwitten volgen in de cel Je gebruikt deze methode voor het volgen van een secretie-eiwit in pancreascellen. Je voegt radioactief gelabeld methionine toe, dat nu in nieuwe eiwitten wordt ingebouwd. Na een half uur voeg je een overmaat aan niet-radioactief methionine toe. Nu kun je het radioactieve eiwit volgen. A. In welke organellen zie je het eerst gelabeld eiwit? B. In welke organellen zie je ze daarna verschijnen? C. In welke organellen komt het eiwit uiteindelijk terecht? 30. Soms worden per ongeluk eiwitten die werkzaam zijn in het ER ingesloten bij het afsnoeren van transportblaasjes vanaf het ER naar het Golgi-apparaat. Wat gebeurt er met deze eiwitten? 31. Hoe worden deze eiwitten in het Golgi-apparaat herkend? 32. Aan cellen wordt de stof brefeldine toegediend. Dit heeft effect op de transportroute in de cel. Het indirecte effect is dat het Golgi-systeem verdwijnt. Welke route wordt door brefeldine geblokkeerd? 33. Aan een intact Golgi-systeem wordt de stof nocodazole toegediend. Hiernaast zie je wat er met het Golgi-systeem gebeurt. Hoe heet het proces dat nu wordt geblokkeerd? 34. Stel: een cel moet zich beschermen tegen extracellulaire enzymen, verbindingen aangaan met nabije cellen en specifieke moleculen kunnen herkennen. Welk type moleculen is hiervoor het meest geschikt? 35. Waar worden oligosacchariden aan ongemodificeerd eiwit gekoppeld? 36. Waar worden ze vervolgens gemodificeerd? 10
37. Membraan-glycoproteïnen worden via blaasjes getransporteerd van het ER via het Golgi-apparaat naar de celmembraan. A. Wat is de oriëntatie van de suikergroep in het blaasje? B. Uiteindelijk worden de membraan-glycoproteïnen ingebouwd in de celmembraan. Wat is de oriëntatie van de suikergroep in de celmembraan? 38. In het Golgi worden de eiwitten die bestemd zijn voor het lysosoom gescheiden van de eiwitten die voor export bestemd zijn. Alle lysosomale enzymen worden gelabeld met een specifieke groep om zo in het Golgi herkend te worden. A. Welke groep is dit? B. Wat wordt hier in het Golgi-apparaat weer aan gekoppeld? C. Hoe vindt nu sortering plaats van deze lysosomale enzymen in het trans-golgi? 39. Lysosomale enzymen afkomstig uit het ER worden in het Golgi-apparaat gemodificeerd en vervolgens getransporteerd naar de lysosomen. Over de modificaties die plaatsvinden in het Golgi-apparaat, en hoe het Golgi de lysosomale enzymen sorteert heb je een animatie kunnen bekijken. De bijbehorende tekst staat hieronder. 1. Lysosomale enzymen bevatten een mannose-groep. Het lysosomale enzym bindt op een speciale herkenningsplaats op het fosfotransferase. 2. Fosfotransferase heeft daarnaast een receptor voor UDP-GlcNAc. UMP splitst zich af en het fosfotransferase brengt de fosfaat naar de mannose-receptor. 3. Hierna komt het eiwit weer los. 4. De GlcNAc wordt verwijderd door fosfoglycosidase. 5. In de membraan van het Golgi zitten receptorenb voor de mannose-6-p groep van het lysosomale eiwit. 6. Als het lysosomale eiwit gebonden zit aan de receptor, snoert dit deel van het trans- Golgi-netwerk als blaasje af en versmelt met een lysosoom. Ga van deze I-cell patiënt na welke deficiëntie(s) deze heeft:. mannose-6-p-receptor In dat geval kunnen de lysosomale eiwitten wel helemaal goed zijn, maar zijn er geen receptoren voor mannose-6-fosfaat. fosfotransferase In dit geval wordt er geen fosfaat aan het lysosomale enzym gekoppeld en kan het enzym niet aan de M6P-receptor binden. fosfoglycosidase In dit geval wordt de GlcNAc-groep niet verwijderd, en kan de receptor het enzym ook niet herkennen. 11
resultaten experiment A: I-cell c e l s u s p e n s i e I-cell Hurler supernatans I-cell + enzym controle controle + enzym Welke factor ontbreekt bij de I-cell disease cellen? resultaten experiment B: I-cell c e l s u s p e n s i e I-cell Hurler supernatans I-cell + enzym controle controle + enzym Welke factor ontbreekt bij de I-cell disease cellen? 12
Receptor mediated endocytose 40. Een cel wil een eiwit specifiek opnemen. Geef aan wat de cel hiervoor nodig heeft, en in welke stappen dit gebeurt (deelvraag A-D.). E. Wat is de naam van het nu gevormde blaasje? F. Sommige typen receptoren worden na de endocytose opnieuw gebruikt en gaan terug naar de plasma-membraan. Bij deze receptoren laat het ligand (eiwit) in het endosoom los van de receptor. Waardoor komt dat? G. Er snoeren blaasjes van het endosoom af met de nu lege receptoren. Deze versmelten met de plasma-membraan. Met welk blaasje versmelten de endosomen? H. Wat gebeurt er in het lysosoom met de eiwitten en de andere receptoren? 41. Cholesterol wordt getransporteerd in een LDL-partikeltje. Welk van deze figuren staat het beste model voor zo'n partikeltje? De LDL-partikeltjes fungeren als ligand voor een receptor in de celmembraan. Deze worden door receptor mediated endocytose opgenomen. Er vormt zich een blaasje, door clatrine omgeven. Clatrine laat vervolgens los, er vormt zich een endosoom en de LDL-receptoren worden teruggevoerd naar de celmembraan. De blaasjes met de LDL-partikeltjes versmelten met het lysosoom. In het lysosoom wordt de lipide monolaag en het eiwit verteerd. De cholesterol-esters worden gehydrolyseerd tot vrije cholesterol. 13
42. Je hebt een experiment uitgevoerd waarbij je onderzoekt hoeveel LDL gebonden wordt aan cellen bij een toenemende LDL-concentratie. Welke grafiek verwacht je uit je experiment? 43. In de grafiek wordt de binding van LDL aan de receptor van cellen van een gezond persoon uitgezet tegen de LDL-concentratie. Geef in dezelfde grafiek aan hoe de binding verloopt bij cellen van patiënten met een bepaalde vorm van hypercholesterolemie, waarbij de receptoren wel aanwezig zijn. 44. In de grafiek wordt opname van LDL van een gezond persoon uitgezet tegen de LDL-concentratie. De cellen kunnen blijkbaar tot ongeveer 1 µg opnemen per gram cel-eiwit. Geef in dezelfde grafiek aan hoe de internalisatie verloopt bij cellen van patiënten met bovengenoemde vorm van hypercholesterolemie verloopt. 45. In de grafiek wordt de cholesterol-synthese van een gezond persoon uitgezet tegen de LDL-concentratie. De synthese blijft ook bij hoge concentraties doorgaan, zij het op een laag nivo. Geef in dezelfde grafiek aan hoe de cholesterolsynthese bij cellen van patiënten met bovengenoemde vorm van hypercholesterolemie verloopt. 14