03 organellen 25-26 slides & notes-1.pdf

# Celmembranen en hun structuur Celmembranen vormen de buitenste begrenzing van eukaryote cellen en omgeven organellen, en zijn essentieel voor celintegriteit, selectieve permeabiliteit en diverse cellulaire processen [9](#page=9). ### 1.1 De algemene structuur van celmembranen * Celmembranen bestaan uit een lipide dubbellaag waarin membraaneiwitten zijn ingebed [11](#page=11). * In elektronenmicroscopie (EM) vertonen celmembranen een trilamellaire structuur, bestaande uit twee elektronen-dense lagen met daartussen een niet-dense laag, wat neerkomt op ongeveer 7 nanometer dikte [10](#page=10) [9](#page=9). * De specifieke verschijning van deze unitmembranen in EM-opnames wordt mede bepaald door fixatieven zoals osmiumtetroxide (OsO4), dat een hoge affiniteit heeft voor de apolaire vetzuurketens van fosfolipiden en zo zorgt voor de donkere aankleuring [16](#page=16). ### 1.2 Componenten van biomembranen Biomembranen zijn samengesteld uit een complex mozaïek van verschillende moleculen [11](#page=11) [12](#page=12): * **Lipiden:** De basale structuur van het membraan wordt gevormd door een dubbellaag van lipiden, waarvan de meeste fosfolipiden zijn [10](#page=10) [11](#page=11). * Fosfolipiden hebben polaire, hydrofiele koppen en staarten van hydrofobe vetzuurketens, die met elkaar verbonden zijn door van der Waalsbindingen [10](#page=10). * Deze fosfolipiden vormen een stabiele dubbellaag van ongeveer 7 nanometer dik [10](#page=10). * **Proteïnen:** Eiwitten maken een significant deel uit van de membraanmassa, tot wel 50% in sommige gevallen (bv. 20% in de myelineschede, 75% in het binnenmembraan van mitochondriën). Membraaneiwitten zijn verantwoordelijk voor een breed scala aan functies, zoals celadhesie, receptoractiviteit, transport van moleculen, verankering aan het cytoskelet en het initiëren van intracellulaire signaalroutes [11](#page=11) [12](#page=12). * **Suikers:** Suikers komen voor in de vorm van glycolipiden en glycoproteïnen. Deze suikergroepen kunnen dienen als herkenningstekens, zoals bij de ABO bloedgroepantigenen [12](#page=12) [15](#page=15). ### 1.3 Vormen van membraaneiwitten Membraaneiwitten kunnen op verschillende manieren in of aan het membraan geassocieerd zijn [13](#page=13) [14](#page=14): * **Integrale (intrinsieke) membraaneiwitten:** Deze eiwitten penetreren de lipide dubbellaag, geheel of gedeeltelijk [13](#page=13). * **Single-pass:** Deze eiwitten steken één keer door het membraan [14](#page=14). * **Multiple-pass:** Deze eiwitten steken meerdere keren door het membraan [14](#page=14). * **Perifere membraaneiwitten:** Deze eiwitten bevinden zich aan het oppervlak van het membraan, aan de cytosolische of exoplasmatische zijde, en zijn niet covalent gebonden aan de lipiden. Ze kunnen ook intracellulair of extracellulair voorkomen [11](#page=11) [13](#page=13) [14](#page=14). * **Lipide-verankerde eiwitten:** Deze eiwitten zijn covalent gebonden aan lipiden in het membraan. Dit kan gaan om eiwitten die deels in het membraan steken (partieel integraal) of via een specifieke lipide zoals een GPI-verankering [13](#page=13) [14](#page=14). ### 1.4 Dynamiek en diversiteit van celmembranen * Het **vloeibare mozaïekmodel** (Singer en Nicolson, 1972) beschrijft biomembranen als een dynamisch geheel, een mozaïek van lipiden en proteïnen die zich vrij kunnen bewegen binnen de dubbellaag [11](#page=11) [12](#page=12). * Celmembranen zijn geen statische structuren; ze kunnen verschillende vormen aannemen en actief betrokken zijn bij processen zoals de vorming van virusdeeltjes (budding) [20](#page=20). * Membranen kunnen ook een specifieke isolerende rol vervullen, zoals de myelinehuls rond axonen van zenuwcellen. Deze huls, opgebouwd uit vele membraanomwikkelingen, heeft een hoog fosfolipidengehalte en is cruciaal voor efficiënte elektrische signaaloverdracht [19](#page=19). ### 1.5 Technieken voor membraanonderzoek * **Vries-breek en Vries-ets technieken** worden gebruikt om de structuur van membranen te visualiseren in de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) of scanning-elektronenmicroscoop (SEM) [17](#page=17). * Bij vries-breken breken cellulaire membranen vaak tussen het binnen- en buitenblad [17](#page=17) [18](#page=18). * Vries-etsen verwijdert een dunne laag ijs door sublimatie onder vacuüm, wat meer driedimensionale structuren genereert [17](#page=17). * Na bestuiving met zware atomen voor betere elektronenpassage, kan een replica gemaakt worden voor observatie [17](#page=17). ### 1.6 Membraan-zijden Het is belangrijk te erkennen dat celmembranen twee verschillende zijden hebben: de cytosolische zijde (gericht naar het cytoplasma) en de exoplasmatische zijde (gericht naar de extracellulaire ruimte of het lumen van een organel). Deze asymmetrie is van belang voor de functie van membraaneiwitten en de oriëntatie van lipiden en suikers [11](#page=11) [21](#page=21). --- # Mitochondriën: energiecentrales van de cel Mitochondriën zijn essentiële celorganellen die fungeren als de energiecentrales van de cel, verantwoordelijk voor de efficiënte productie van ATP door oxidatieve fosforylatie [22](#page=22) [24](#page=24). ### 2.1 Structuur van mitochondriën Mitochondriën zijn langwerpige organellen met een lengte van 0.1 tot 1 micrometer en een dikte van 2 tot 10 micrometer. Ze worden gekenmerkt door een dubbel membraansysteem, dat een glad buitenmembraan en een geplooid binnenmembraan omvat [22](#page=22) [24](#page=24). #### 2.1.1 Membranen * **Buitenmembraan:** Dit membraan is glad en bevat porines. Porines zijn integrale membraaneiwitten die de diffusie van middelgrote moleculen tot 10.000 kilodalton (kD) mogelijk maken. Ze vormen kanaaltjes die het membraan doordringen en moleculen met de juiste grootte en lading vrij laten passeren [22](#page=22) [24](#page=24) [25](#page=25) [31](#page=31). * **Binnenmembraan:** Dit membraan is sterk ondoorlaatbaar en bevat een hoog percentage eiwitten (tot 75%). Het is geplooid tot zogenaamde cristae, die het interne oppervlak aanzienlijk vergroten. De cristae bevatten de eiwitcomplexen van de elektronentransportketen (respiratieketen) en ATP-synthasen. Door de activiteit van de respiratieketen wordt een protonengradiënt opgewekt, wat resulteert in een membraanpotentiaal [22](#page=22) [24](#page=24) [25](#page=25) [28](#page=28) [31](#page=31). #### 2.1.2 Compartimenten Mitochondriën worden onderverdeeld in twee hoofdcompartimenten: * **Intermembraanruimte (ruimte tussen de membranen):** De ruimte tussen het buitenste en het binnenste membraan. Hier hoopt zich de protonengradiënt op die essentieel is voor ATP-synthese [42](#page=42). * **Matrix:** De binnenste ruimte van het mitochondrion. Deze bevat de enzymen voor de Krebs-cyclus (citroenzuurcyclus) en de bèta-oxidatie van vetzuren. De matrix bevat ook matrixgranules en een circulair mitochondriaal DNA (mtDNA) [22](#page=22) [24](#page=24) [25](#page=25) [31](#page=31) [39](#page=39). #### 2.1.3 Elementaire partikels Op de cristae van het binnenmembraan bevinden zich de zogenaamde elementaire partikels, ook wel ATP-osomen of F₀F₁-partikels genoemd. Deze complexen zijn verantwoordelijk voor de synthese van ATP [22](#page=22) [24](#page=24) [41](#page=41) [42](#page=42). > **Tip:** De vouwing van het binnenmembraan in cristae is cruciaal voor de efficiëntie van ATP-productie, omdat het de oppervlakte voor de elektronentransportketen en ATP-synthase aanzienlijk vergroot [28](#page=28). ### 2.2 Functies van mitochondriën De primaire functie van mitochondriën is de productie van ATP via oxidatieve fosforylatie onder aërobe omstandigheden. Dit omvat de oxidatie van glucose en vetzuren [22](#page=22) [24](#page=24) [39](#page=39). * **ATP-productie:** Glucose wordt in het cytoplasma afgebroken tot pyruvaat via glycolyse, waarbij 2 ATP wordt geproduceerd. Pyruvaat wordt vervolgens geïmporteerd in de mitochondriën en geoxideerd tot acetyl-CoA. Acetyl-CoA wordt verder gemetaboliseerd in de citroenzuurcyclus, die plaatsvindt in de matrix. Tijdens deze processen worden NADH en FADH₂ gevormd, die hun elektronen afgeven aan de elektronentransportketen in het binnenmembraan. De energie die hierbij vrijkomt, wordt gebruikt om protonen vanuit de matrix naar de intermembraanruimte te pompen, waardoor een elektrochemische gradiënt (proton motive force, PMF) ontstaat. Deze PMF drijft vervolgens de ATP-synthase aan, die ADP en anorganisch fosfaat omzet in ATP. Voor elke molecule pyruvaat kan dit proces ongeveer 30 ATP-moleculen opleveren [25](#page=25) [39](#page=39) [40](#page=40) [42](#page=42) [43](#page=43). * **Andere functies:** Mitochondriën zijn ook betrokken bij apoptose (celdood), maar dit wordt in een later hoofdstuk behandeld [29](#page=29). > **Voorbeeld:** De energiebehoefte van cellen bepaalt het aantal en de vorm van de mitochondriën. Cellen met een hoge energiebehoefte, zoals spiercellen, hebben veel mitochondriën met uitgestrekte cristae [22](#page=22) [24](#page=24). ### 2.3 Oorsprong van mitochondriën (Endosymbiose) Er is sterk bewijs dat mitochondriën zijn geëvolueerd uit bacteriën die werden opgenomen door voorouderlijke eukaryote cellen, waarbij ze als endosymbionten leefden [30](#page=30). * **mtDNA en ribosomen:** Mitochondriën bezitten hun eigen circulaire DNA (mtDNA) en ribosomen, die vergelijkbaar zijn met die van bacteriën in structuur en gevoeligheid voor bepaalde antibiotica [30](#page=30) [33](#page=33). * **Genoomverlies en -overdracht:** Gedurende de evolutie zijn veel genen van de oorspronkelijke endosymbiontbacterie verloren gegaan, ofwel omdat hun functie werd overgenomen door nucleair gecodeerde genen, ofwel omdat ze werden overgebracht naar de kernchromosomen. Momenteel codeert het mtDNA nog steeds voor essentiële eiwitten voor mitochondriale functie, evenals ribosomale en transfer-RNA's voor intramitochondriale eiwitsynthese [30](#page=30). * **Nucleair versus mitochondriaal DNA:** De meeste mitochondriale eiwitten worden echter gecodeerd door nucleair DNA, gesynthetiseerd op cytosolische ribosomen, en vervolgens in de mitochondriën geïmporteerd. Dit creëert een primair nucleair genetisch systeem en secundaire systemen in de mitochondriën [30](#page=30). ### 2.4 Mitochondriaal DNA (mtDNA) Mitochondriaal DNA (mtDNA) bevindt zich in de mitochondriale matrix en wordt vaak waargenomen in gebieden zonder dicht opeengepakte cristae [32](#page=32). * **Replicatie en overerving:** mtDNA repliceert zich tijdens de interfase. Bij mitose worden mitochondriën bij cytoplasmatische overerving min of meer gelijk verdeeld over dochtercellen, maar zonder een strikt mechanisme voor precieze toewijzing. Mutaties in mtDNA vertonen een maternale cytoplasmatische overervingspatroon, omdat mtDNA voornamelijk van eicellen wordt overgeërfd [32](#page=32) [33](#page=33). * **Hoeveelheid mtDNA:** De totale hoeveelheid mtDNA in een cel varieert sterk per celtype, afhankelijk van het aantal mitochondriën, de grootte van het mtDNA en het aantal mtDNA-moleculen per mitochondrium. Een typische menselijke cel bevat ongeveer 1000-2000 mtDNA-moleculen, terwijl een eicel er ongeveer 500.000 en een zaadcel slechts ongeveer 100 heeft [32](#page=32). * **Ziekten gerelateerd aan mtDNA:** Verschillende menselijke neuromusculaire aandoeningen, zoals het MELAS-syndroom, MERRF-syndroom en mitochondriale myopathie, worden veroorzaakt door mutaties in mtDNA. Patiënten hebben vaak een mix van wild-type en mutant mtDNA (heteroplasmie), waarbij een hogere fractie mutant mtDNA leidt tot een ernstiger fenotype. Ziekten van de mitochondriën tasten vooral energie-intensieve organen en weefsels aan, zoals hersenen, hart, lever, skeletspieren en netvlies [33](#page=33). ### 2.5 Dynamiek van mitochondriën Mitochondriën zijn geen statische organellen, maar zijn dynamisch en plastisch. Ze ondergaan intracellulair transport en kunnen fusie- en splijtingsreacties aangaan [34](#page=34) [35](#page=35) [36](#page=36). * **Transport:** Mitochondriën kunnen worden geassocieerd met microtubuli via motorproteïnen, wat beweging door het cytoplasma mogelijk maakt. Ze kunnen ook een vaste lokalisatie hebben op plaatsen met een hoge ATP-vraag, zoals in hartspiercellen [34](#page=34). * **Vermeerdering:** Mitochondriën vermeerderen zich door binaire fissie (splitsing). Dit proces wordt aangevuld met de import van cytosolaire eiwitten [35](#page=35). * **Fusie en fission:** Een familie van GTPases bemiddelt de fusie en splitsing van mitochondriën, processen die worden gereguleerd door de celstatus. In veel cellen vormen gefuseerde mitochondriën een groot, onderling verbonden netwerk. Fusie en fission spelen een rol bij het in stand houden van een homogene mitochondriale populatie, de verdeling over dochtercellen en kwaliteitscontrole om defecte mitochondriën te scheiden [36](#page=36). * **Mitofagie:** Defecte mitochondriën of segmenten ervan worden vernietigd door een proces dat mitofagie wordt genoemd [36](#page=36). * **Membraancontactplaatsen (MCSs):** Mitochondriën vormen contacten met andere organellen, zoals het endoplasmatisch reticulum (ER), via membraancontactplaatsen (MCSs). De delen van het ER-membraan die in contact staan met mitochondriën worden mitochondria-geassocieerde membranen (MAMs) genoemd. Een meerderheid van de mitochondriale splitsing vindt plaats bij deze contacten. MCSs dienen ook als interfaces voor de overdracht van ionen en kleine moleculen tussen het ER en de mitochondriën, en spelen een integrale rol in calcium- en energiemetabolisme [37](#page=37). > **Tip:** De dynamiek van mitochondriën is essentieel voor de aanpassing aan veranderende energiebehoeften en voor het handhaven van de cellulaire gezondheid [36](#page=36). ### 2.6 ATP-synthase (F₀F₁-partikel) ATP-synthase, ook wel F₀F₁-partikel genoemd, is een multiproteïnecomplex dat zich op het binnenste mitochondriale membraan bevindt. Het bestaat uit twee hoofdcomponenten: F₀ en F₁ [41](#page=41) [42](#page=42). * **F₀-component:** Dit deel bevindt zich in het binnenmembraan en vormt een kanaal waar protonen (H⁺) doorheen kunnen stromen [42](#page=42). * **F₁-component:** Dit deel steekt uit in de matrix en bevat de katalytische activiteit voor ATP-synthese [41](#page=41) [42](#page=42). De proton motive force (PMF), gegenereerd door de elektronentransportketen, drijft de rotatie van de F₀- en F₁-componenten aan. Deze mechanische energie wordt omgezet in chemische energie door de synthese van ATP uit ADP en anorganisch fosfaat [42](#page=42) [43](#page=43). --- # Endoplasmatisch reticulum (ER): synthese en transport Het endoplasmatisch reticulum (ER) is een complex netwerk van membranen in eukaryotische cellen dat cruciaal is voor de synthese, modificatie en het transport van macromoleculen. Dit organel onderscheidt zich in twee hoofdtypen: het ruw endoplasmatisch reticulum (RER) en het glad endoplasmatisch reticulum (SER), elk met specifieke functies [45](#page=45) [46](#page=46). ### 3.1 Structuur van het endoplasmatisch reticulum Het ER vormt een driedimensionaal netwerk van membraangebonden zakken (cisternen) en buisvormige structuren. De membranen van het ER zijn continu met de buitenste kernmembraan [46](#page=46) [50](#page=50). #### 3.1.1 Ruw endoplasmatisch reticulum (RER) Het RER kenmerkt zich door de aanwezigheid van ribosomen aan de cytosolische zijde van de membranen, wat het een "ruw" uiterlijk geeft. Deze ribosomen zijn verantwoordelijk voor de synthese van specifieke eiwitten. Het RER bestaat uit afgeplatte, membraangebonden zakken (cisternen) [50](#page=50) [51](#page=51). #### 3.1.2 Glad endoplasmatisch reticulum (SER) Het SER daarentegen heeft een meer tubulair uiterlijk en mist ribosomen op zijn membraanoppervlak. Het SER kan continu zijn met het RER [90](#page=90) [91](#page=91). ### 3.2 Functies van het ER Het ER is betrokken bij diverse essentiële cellulaire processen, waaronder de synthese van eiwitten, lipiden en suikers, alsmede het transport en de modificatie van deze moleculen [46](#page=46) [55](#page=55). #### 3.2.1 Eiwitsynthese en cotranslationele import in het RER Het RER speelt een sleutelrol in de synthese van membraaneiwitten, secretoire eiwitten en eiwitten voor de membranen van andere organellen zoals het Golgi-apparaat en lysosomen [46](#page=46) [55](#page=55). * **Signaalsequenties:** Eiwitten die niet in het cytosol terechtkomen, bezitten specifieke signaalsequenties die hun bestemming bepalen. Een aminoterminale sequentie van hydrofobe aminozuurresten, geflankeerd door geladen aminozuren, fungeert als ER-importsignaalpeptide. Eiwitten zonder signaalsequentie blijven in het cytosol [47](#page=47) [59](#page=59) [63](#page=63). * **Mechanisme van cotranslationele import:** Wanneer het signaalpeptide uit het mRNA/ribosoomcomplex steekt, treedt het signal-recognition particle (SRP) in werking [66](#page=66). 1. **SRP-binding:** Het SRP bindt aan het signaalpeptide en onderbreekt tijdelijk de translatie [66](#page=66) [68](#page=68). 2. **Transport naar ER:** Het SRP leidt het complex naar de ER-membraan, waar het de SRP-receptor bindt [66](#page=66) [68](#page=68). 3. **Translocon-binding:** Na vrijlating van het SRP bindt het ribosoom aan het translocon, een kanaal in de ER-membraan, waarin het signaalpeptide wordt geïnsereerd [66](#page=66) [72](#page=72). 4. **Translatiehervatting en translocatie:** De translatie wordt hervat, en het groeiende polypeptideketen komt via het translocon in het lumen van het ER terecht [66](#page=66) [73](#page=73). 5. **Signaalpeptideafsplitsing:** Vrije eiwitten worden in het ER-lumen afgesplitst van hun signaalpeptide door het signaalpeptidase [66](#page=66). * **Translocon:** Het translocon fungeert als een poort die opengaat voor de eiwittranslocatie en zich weer sluit na voltooiing [72](#page=72). * **Synthese van membraaneiwitten:** Verschillende typen membraaneiwitten worden gesynthetiseerd op het RER-membraan [77](#page=77) [80](#page=80). * **Type I:** Hebben een N-terminaal signaalpeptide dat wordt afgeknipt, met de C-terminus in het cytosol [74](#page=74) [77](#page=77). * **Type II en III:** Hebben een intern signaal-anker dat dient als importsignaal. De oriëntatie hangt af van de lading van de aminozuren voor en na dit peptide [76](#page=76) [77](#page=77). * **Type IV:** Bezitten meerdere membraan-spanningen. De N-terminus oriëntatie (cytosolair of luminaal) is afhankelijk van de aanwezigheid van positief geladen aminozuren [77](#page=77) [80](#page=80). * **Multi-pass proteïnen:** Bevatten meerdere opeenvolgende interne signaal- en stop-transfer sequenties [78](#page=78). * **Staart-verankerd eiwit:** Eiwitten met hun C-terminale deel verankerd in het membraan worden door een specifiek mechanisme met behulp van het Get3-eiwit in de ER-membraan geïntegreerd [81](#page=81). * **GPI-anker:** Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-ankers worden aan de C-terminus van eiwitten toegevoegd, waardoor deze beweeglijker worden in het plasmamembraan en zich vaak aan de apicale zijde positioneren [82](#page=82). #### 3.2.2 Posttranslationele modificaties in het RER Na synthese ondergaan eiwitten diverse modificaties in het ER, essentieel voor hun correcte functie: * **Vorming van disulfidebruggen:** Deze bruggen tussen cysteïneresiduen stabiliseren de tertiaire en quaternaire eiwitstructuren en worden gevormd in het oxiderende milieu van het ER-lumen, mede dankzij het protein disulfide isomerase (PDI). Ero1 recycleert gereduceerd PDI [83](#page=83) [86](#page=86). * **Correcte opvouwing:** Chaperonneiwitten, zoals BiP (binding protein), helpen bij het correct opvouwen van polypeptiden om stabiele tertiaire en quaternaire structuren te vormen [84](#page=84). * **Samenvoegen tot multimere eiwitten:** Eiwitten die uit meerdere subeenheden bestaan, worden in het RER samengevoegd [83](#page=83). * **Glycosylaties:** De meeste eiwitten ondergaan N-glycosylatie, waarbij een geprefabriceerd oligosaccharide wordt gebonden aan asparagine-residuen. Dit precursor-oligosaccharide wordt gesynthetiseerd op een dolichol-core in de ER-membraan. De suikers worden in het cytosol geactiveerd en vervolgens overgedragen aan dolichol. Al in het RER wordt de oligosaccharideboom ingekort (trimming) door glycosidasen [87](#page=87) [88](#page=88). * **Proteolytische splitsing:** Eiwitten kunnen door proteasen worden gesplitst [83](#page=83) [89](#page=89). * **Slecht opgevouwen eiwitten:** Eiwitten die niet correct opvouwen, worden gedisloceerd naar het cytosol, gedeglycosyleerd en afgebroken in het proteasoom [85](#page=85). #### 3.2.3 Lipidesynthese in het SER Het SER is het primaire centrum voor de synthese van lipiden, waaronder fosfolipiden en cholesterol [55](#page=55) [90](#page=90). * **Fosfolipidesynthese:** Fosfolipiden worden gesynthetiseerd aan de cytosolische zijde van het ER met behulp van cytosolische precursoren en enzymen, waaronder flippasen die nodig zijn voor de transfer naar het buitenblad. De synthese verloopt via fosfatidinezuur naar diacylglycerol, waarna de toevoeging van een nucleotide-precursor resulteert in een fosfolipide [90](#page=90) [93](#page=93). * **Cholesterol en steroïden:** Het SER is betrokken bij de synthese van cholesterol en steroïde hormonen [92](#page=92). * **Flippasen en scramblasen:** Flippasen zorgen voor de asymmetrische verdeling van lipiden tussen de membraanbladen, terwijl scramblasen de flipping van fosfolipiden katalyseren zonder specificiteit, wat leidt tot gebalanceerde hoeveelheden [94](#page=94). #### 3.2.4 Overige functies van het SER * **Opslag van Ca²⁺:** Het SER dient als opslagplaats voor calciumionen, wat essentieel is voor processen zoals spiercontractie en -relaxatie (in spiercellen als sarcoplasmatisch reticulum) [55](#page=55) [90](#page=90) [92](#page=92). * **Detoxificatie:** Het SER is betrokken bij de ontgifting van drugs en toxines door middel van hydroxylering en sulfatering, waardoor lipofiele stoffen hydrofieler worden en gemakkelijker kunnen worden afgebroken. Dit proces is afhankelijk van cytochroom P-450 eiwitten [90](#page=90) [92](#page=92). * **Catabolisme van suikers:** Het SER is betrokken bij het afbreken van glycogeen, waarbij glucose-6-fosfatase als merkerenzym fungeert [90](#page=90). ### 3.3 Transport van macromoleculen Het ER is een centraal punt in het intracellulaire transportsysteem voor macromoleculen [47](#page=47). * **Vesiculair transport:** Eiwitten en lipiden verlaten het ER via transportvesikels die afsplitsen van het ER en zich naar andere organellen, zoals het Golgi-apparaat, verplaatsen. Het lumen van het ER en het Golgi-apparaat zijn topologisch gelijk aan de buitenzijde van de cel [46](#page=46) [54](#page=54). * **Topologie van de secretieweg:** Eiwitten die worden gesecreteerd, worden in het RER gesynthetiseerd, gemodificeerd en verpakt in vesikels die via het Golgi-apparaat uiteindelijk buiten de cel worden uitgescheiden [54](#page=54). > **Tip:** Het begrijpen van de verschillende signaalsequenties is cruciaal voor het doorgronden van eiwittransport binnen de cel. De identiteit en locatie van deze sequenties bepalen de uiteindelijke bestemming van het eiwit. > **Voorbeeld:** Een eiwit met een KDEL-sequentie aan zijn C-terminus blijft gebonden in het ER. Dit signaal zorgt ervoor dat de eiwitten die "verloren" zijn gegaan in het transport naar het Golgi-apparaat, terug worden gehaald naar het ER [60](#page=60). --- # Golgi-apparaat, lysosomen en peroxisomen: verwerking en afbraak Het Golgi-apparaat, lysosomen en peroxisomen zijn cruciale organellen betrokken bij de verwerking, modificatie en afbraak van moleculen binnen de cel, essentieel voor celulaire homeostase en functie. ### 4.1 Het Golgi-apparaat (Golgi-complex) Het Golgi-apparaat is een complex van membranen dat nauw samenwerkt met het endoplasmatisch reticulum (ER) voor de verdere verwerking van eiwitten en lipiden. Het bestaat uit gestapelde, platte membraanzakken, de zogenaamde cisternen, met aan de zijkanten afsnoerende blaasjes (vesikels). Functioneel is het Golgi-apparaat gepolariseerd, met een cis-zijde (aggregerende pool, CGN) die afkomstig is van het ER en een trans-zijde (secreterende pool, TGN) waar afgewerkte producten worden verpakt en verzonden. De mediane cisternen, gelegen tussen de cis- en trans-zijde, bevatten specifieke enzymen die verantwoordelijk zijn voor diverse modificaties [97](#page=97) [99](#page=99). **4.1.1 Vesiculair transport van ER naar Golgi** Eiwitten en lipiden die nieuw zijn gesynthetiseerd in het ER, worden verpakt in transportvesikels die afsnoeren van het transitioneel ER (TER). Deze vesikels transporteren hun inhoud naar het ER-Golgi-intermediate compartiment (ERGIC) en fuseren vervolgens met de cis-zijde van het Golgi-apparaat. Hoewel de meeste eiwitten doorgaan naar het Golgi, blijven sommige essentiële ER-eiwitten, zoals BiP en signaalpeptidase, in het ER door specifieke retentiesignalen (bijvoorbeeld KDEL-sequenties) [98](#page=98) [99](#page=99). **4.1.2 Modificaties in het Golgi-apparaat** Het Golgi-apparaat voert verschillende belangrijke modificaties uit op eiwitten, met name glycosylatie [100](#page=100). * **N-glycosylatie:** Begint reeds in het ER en wordt voortgezet in het Golgi. Het start met een precursor-suikerboom die gekoppeld wordt aan de amidegroep van asparagine (Asn) in een Asn-X-Ser/Thr sequentie. In het Golgi ondergaat deze hoog-mannose suikerboom verdere verwerking tot een complex oligosaccharide door de activiteit van glycosidasen en transferasen [100](#page=100) . * **O-glycosylatie:** Wordt vermoedelijk uitsluitend in het Golgi uitgevoerd en is gekoppeld aan de hydroxylgroep van serine (Ser), threonine (Thr) of hydroxyproline/lysine. Dit proces is gebaseerd op de stapsgewijze toevoeging van geactiveerde nucleotiden suikers, resulterend in een beperkte lengte en complexiteit van de suikerketen [100](#page=100). De 3D-structuur van een eiwit bepaalt mede de verwerking van glycosylatie . **4.1.3 Modellen van intra-Golgi transport** Er bestaan twee modellen voor het transport van moleculen door de verschillende cisternen van het Golgi-apparaat: * **Cisternal maturation/progression model:** Dit model, dat thans het meest aanvaard wordt, stelt dat de Golgi-cisternen zelf dynamisch zijn. Vesikulo-tubulaire clusters uit het ER worden progressief cisternen, rijpen en schuiven geleidelijk op naar het TGN. Vesikels zijn hierbij voornamelijk nodig voor retrograad transport (recycling). Dit model is met name belangrijk voor het transport van grote eiwitstructuren . * **Vesicular transport model:** Het oorspronkelijke model suggereerde dat vesikels cargo transporteren tussen statische cisternen. Dit model is grotendeels verlaten . **4.1.4 Sortering en export vanuit het Golgi** De sortering en export van afgewerkte producten vindt plaats in het trans-Golgi-netwerk (TGN) . * **Constitutieve secretie:** In afwezigheid van specifieke doelwit-signalen worden eiwitten continu en niet-gereguleerd naar het plasmamembraan getransporteerd . * **Gereguleerde secretie:** Sommige cellen, zoals de acinaire cellen van de pancreas, hebben een gereguleerde secretie, waarbij afgifte van stoffen (bv. enzymen) pas plaatsvindt na een specifiek hormonaal of neuraal signaal. Secretorische vesikels zijn hierbij groter dan gewone transportvesikels . * **Transport naar lysosomen:** Eiwitten met mannose-6-fosfaat (M6P) modificaties worden (eventueel via endosomen) naar de lysosomen getransporteerd . ### 4.2 Vesiculair transport Vesikels zijn kleine membraangebonden blaasjes die fungeren als transportsystemen binnen de cel, zowel voor de secretatoire pathway als de endocytische pathway. Ze ontstaan door budding van een donororganel en fuseren met de membraan van een doelwitorganel . **4.2.1 ‘Coated’ vesicles** De membraan van transportvesikels is vaak omgeven door specifieke eiwitmantels ('coats') die de richting van het transport en de selectie van cargo-eiwitten bepalen. De belangrijkste types manteleiwitten zijn : * **COP II vesicles:** Mediëren anterograad transport (voorwaarts, ER → Golgi). Ze ontstaan als enige uit het ER . * **COP I vesicles:** Mediëren retrograad transport (terugwaarts, Golgi → ER). Ze zorgen voor transport tussen Golgi-cisternen en terug naar het ER . * **Clathrin vesicles:** Gevormd aan de celmembraan en het TGN, transporteren cargo naar de endosomen . De samenstelling van de eiwitmantel bepaalt welke transportbaan gevolgd wordt. Het correcte transport van eiwitten zoals CFTR, gesynthetiseerd in het RER en bestemd voor het celmembraan, is afhankelijk van de binding aan de subunit van COPII. Mutaties zoals ΔF508 kunnen de packaging van CFTR in COPII-vesikels verhinderen, waardoor het eiwit in het ER blijft en wordt afgebroken . ### 4.3 Lysosomen Lysosomen zijn membraangebonden blaasjes die een rol spelen in de intracellulaire afbraak van macromoleculen en partikels. Ze bevatten een breed scala aan zure hydrolasen die optimaal functioneren bij een lage pH (rond pH 5), wat bescherming biedt aan het cytosol bij eventuele lekkage uit het lysosoom . **4.3.1 Structuur en functie** Lysosomen zijn blaasjes omgeven door een membraan. Ze bevatten de lysosomale membraanprotonenpompen en transportmoleculen voor de recycling van stoffen. Zure fosfatase is een kenmerkend enzym voor lysosomen . **4.3.2 Vormen van lysosomen** * **Primaire lysosomen:** Blaasjes afgesnoerd van het Golgi, die nog inactieve verteringsenzymen bevatten . * **Secundaire lysosomen:** Werkzame lysosomen, ontstaan na fusie met een endosoom of fagosoom . * **Restlichaampjes:** Onverteerbare resten die achterblijven na de lysosomale afbraak. **4.3.3 De wegen naar het lysosoom** Materiaal dat afgebroken moet worden kan op verschillende manieren in het lysosoom terechtkomen: * **Endocytose:** Opname van extracellulair materiaal via pinocytose (opname van vloeistoffen en opgeloste deeltjes) en fagocytose (opname van grotere deeltjes) . * **Autofagocytose:** Afbraak van defecte of overbodige intracellulaire organellen of macromoleculen. Een organel kan worden omgeven door een membraan van het SER en wordt dan een autofagosoom genoemd, dat vervolgens fuseert met een lysosoom. Dit proces is belangrijk voor recycling van bouwstenen, met name in stresssituaties . **4.3.4 Transport van Golgi naar lysosoom** Eiwitten die bestemd zijn voor lysosomen ondergaan specifieke modificaties in het Golgi: 1. **Mannose-6-fosfaat (M6P) modificatie:** In het cis-Golgi-netwerk krijgen lysosomale enzymen een mannose-6-fosfaatgroep op hun N-linked oligosaccharide. Dit signaal wordt herkend door specifieke M6P-receptoren in het trans-Golgi-netwerk . 2. **Vorming van transportvesikels:** M6P-receptoren met gebonden lysosomale enzymen worden verpakt in clathrin/AP1 vesikels die afsnoeren van het TGN . 3. **Fusie met endosomen:** Deze vesikels fuseren met late endosomen, waarna de lysosomale enzymen worden vrijgegeven. De M6P-receptoren worden gerecycled . 4. **Defosforylering en verdere matuuratie:** In de endosomen vindt defosforylering plaats en de late endosomen matureren uiteindelijk tot lysosomen . Een genetisch defect in het enzym GlcNAc-fosfotransferase dat de M6P-modificatie initieert, leidt tot de lysosomale opslagziekte I-cell disease . **4.3.5 Lysosomale opslagziekten** Mutaties in genen die coderen voor de vele (ongeveer 50) enzymen in lysosomen veroorzaken lysosomale opslagziekten. Hierbij kunnen specifieke substraten niet worden afgebroken en accumuleren in de lysosomen, wat leidt tot celbeschadiging en ziektebeelden. Voorbeelden zijn de Ziekte van Gaucher (ophoping van glucocerebroside) en de Ziekte van Tay-Sachs (ophoping van glycolipiden in zenuwcellen) . ### 4.4 Peroxisomen Peroxisomen zijn kleine, membraangebonden vesikels die een breed scala aan oxidatieve enzymen bevatten, waaronder oxidasen en catalase. Ze spelen een cruciale rol in de afbraak van vetzuren en de detoxicatie van toxische verbindingen . **4.4.1 Functie en afbraak van toxische verbindingen** Peroxisomen zijn betrokken bij de oxidatie van verschillende organische verbindingen. Bij de oxidatie van een verbinding (RH2) ontstaat waterstofperoxide (H2O2), dat zelf ook toxisch is. Het enzym catalase breekt overtollig H2O2 vervolgens af tot water en zuurstof (2 H2O2 → 2 H2O + O2) . **4.4.2 Vetzuurafbraak** Peroxisomen zijn essentieel voor de oxidatie van vetzuren, met name lange vetzuurketens. In tegenstelling tot de vetzuurverbranding in mitochondriën, leidt peroxisomale oxidatie niet tot ATP-vorming; de vrijgekomen energie wordt omgezet in warmte. De vrijgekomen acetylgroepen worden gebruikt voor de synthese van cholesterol en andere metabolieten . **4.4.3 Pathologie: Adrenoleukodystrofie** Een X-gebonden ziekte, adrenoleukodystrofie (ALD), wordt veroorzaakt door een deficiëntie in de oxidatie van lange vetzuurketens in peroxisomen. Patiënten missen enzymen die noodzakelijk zijn voor deze afbraak, wat leidt tot opstapeling van vetten, met name in de hersenen, en ernstige neurologische afwijkingen . --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Organel | Een gespecialiseerd deel van een cel, omgeven door een membraan, dat een specifieke functie uitvoert. | | Cytomorfologie | De studie van de vorm en structuur van cellen en hun subcellulaire componenten. | | Cellmembraan | De buitenste laag van een dierlijke cel, die de celomhulsel vormt en de cel scheidt van zijn omgeving. Het is een selectieve barrière voor de passage van stoffen. | | Fosfolipiden | Lipiden die een fosfaatgroep bevatten. Ze vormen de dubbellaag van celmembranen, met hydrofiele koppen naar buiten gericht en hydrofobe staarten naar binnen. | | Vloeibare mozaïekmodel | Een model dat de structuur van celmembranen beschrijft als een dynamisch mozaïek van lipiden en proteïnen, waarbij de componenten vrij kunnen bewegen. | | Integraal membraaneiwit | Een eiwit dat permanent in de lipidedubbellaag van een membraan is ingebed, vaak over de gehele breedte van de membraan. | | Perifeer membraaneiwit | Een eiwit dat losjes aan het oppervlak van een membraan is gebonden, ofwel aan de cytosolische zijde ofwel aan de exoplasmatische zijde. | | Lipide-verankerd eiwit | Een eiwit dat via een covalente binding aan een lipide wordt verankerd, waardoor het in de membraan ingebed wordt. | | Ultrastructuur | De fijnste structuur van cellen en weefsels, zichtbaar alleen met behulp van een elektronenmicroscoop. | | Mitochondrion | Een dubbelmembraan-omsloten organel dat verantwoordelijk is voor cellulaire ademhaling en de productie van ATP, de belangrijkste energiedrager van de cel. | | Cristae | De instulpingen van het binnenste membraan van een mitochondrion, die het oppervlak voor oxidatieve fosforylering vergroten. | | Matrix | De vloeibare ruimte binnen het binnenste membraan van een mitochondrion, die de enzymen voor de Krebs-cyclus bevat. | | ATP-osomen (F0F1-partikels) | Enzymcomplexen die in de binnenste membraan van mitochondriën zijn ingebed en ATP produceren door oxidatieve fosforylering. | | Porines | Transmembraaneiwitten die kanalen vormen in de buitenmembraan van gramnegatieve bacteriën en mitochondriën, waardoor de diffusie van middelgrote moleculen mogelijk wordt. | | Krebs-cyclus (citroenzuurcyclus) | Een reeks cyclische chemische reacties in de mitochondriale matrix die acetyl-CoA oxideert tot kooldioxide, waarbij energierijke elektronen worden geproduceerd voor de elektronentransportketen. | | Oxidatieve fosforylering | Het proces waarbij ATP wordt gesynthetiseerd in de mitochondriën, gebruikmakend van de energie die vrijkomt bij de elektronentransportketen en de protonengradiënt. | | Endoplasmatisch reticulum (ER) | Een complex netwerk van membranen in het cytoplasma van eukaryote cellen, betrokken bij de synthese van eiwitten en lipiden, en calciumopslag. | | Ruw ER (RER) | Het ER dat bezet is met ribosomen en betrokken is bij de synthese van eiwitten die bestemd zijn voor secretie, membraancomponenten of lysosomen. | | Glad ER (SER) | Het ER zonder ribosomen, betrokken bij de synthese van lipiden, steroïden, detoxificatie en calciumopslag. | | Ribosoom | Een klein cellulair deeltje dat verantwoordelijk is voor eiwitsynthese, bestaande uit rRNA en eiwitten. | | Signaalsequentie | Een specifiek aminozuursegment in een eiwit dat als "adreslabel" dient en de translocatie van het eiwit naar een specifieke locatie in de cel reguleert. | | Cotranslationele import | Het proces waarbij een groeiend polypeptide direct tijdens de eiwitsynthese door de membraan van een organel wordt getransloceerd. | | Signaalherkenningsdeeltje (SRP) | Een ribonucleoproteïnecomplex dat bindt aan de signaalsequentie van een groeiend polypeptide en de translatie pauzeert om het complex naar het ER te leiden. | | Translocon | Een eiwitkanaal in de ER-membraan waardoor nieuwe eiwitketens worden getransloceerd. | | Golgi-complex (Golgi-apparaat) | Een organel dat bestaat uit gestapelde membranen (cisternen) en betrokken is bij de verdere verwerking, modificatie, sortering en verpakking van eiwitten en lipiden. | | Vesikel | Een klein, membraanomsloten blaasje dat wordt gebruikt voor intracellulair transport van moleculen. | | Cisternen | Platte, zakvormige membraanstructuren die de basis vormen van het ER en het Golgi-complex. | | Lysosoom | Een membraanomsloten organel dat zure hydrolasen bevat en verantwoordelijk is voor de intracellulaire afbraak van afvalstoffen, macromoleculen en oude celonderdelen. | | Peroxisoom | Een klein, membraanomsloten organel dat oxidasen en catalase bevat en betrokken is bij de afbraak van vetzuren en de detoxificatie van toxische stoffen. | | Catalase | Een enzym dat waterstofperoxide (H2O2) afbreekt tot water en zuurstof. | | Autofagocytose | Het proces waarbij de cel zijn eigen defecte of oude organellen en macromoleculen afbreekt en recycleert met behulp van lysosomen. | | Glycosylatie | De toevoeging van suikergroepen (glycanen) aan eiwitten (N-glycosylatie en O-glycosylatie) of lipiden. | | Proteolytische splitsing | Het afbreken van eiwitten door de hydrolyse van peptidebindingen, vaak uitgevoerd door proteasen. | | Disulfidebrug | Een covalente binding tussen de sulfhydryl (-SH) groepen van twee cysteïneresidu's in een eiwit, die bijdraagt aan de stabiliteit van de eiwitstructuur. | | Proteasoom | Een groot eiwitcomplex in de cel dat verantwoordelijk is voor de afbraak van abnormale of niet meer benodigde eiwitten. | | Extracellulaire vesikels (EVs) | Kleine deeltjes uitgescheiden door cellen die biomoleculen bevatten en een rol spelen in intercellulaire communicatie. |