Het membraan
Biologie is de studie van leven. Een cel kan niet verder opgesplitst worden zonder zijn kenmerken van leven te verliezen en wordt daarom als de basisstructuur van de biologie beschouwd. Het membraan is de chemische structuur die de intracellulaire omgeving van de cel van zijn extracellulaire omgeving scheidt. In dit artikel vind je meer informatie over de manier waarop het membraan communicatie tussen cellen en hun omgeving mogelijk maakt.
1. De cel

Alle complexe structuren die we in levende wezens aantreffen zoals weefsel en organen zijn opgebouwd uit cellen. Cellen zijn op hun beurt opgebouwd uit organellen en macromoleculen. Die structuurtjes kunnen buiten de cel geen zelfstandig bestaan leiden zonder hun kenmerken van leven te verliezen. De cel geldt daarom als het elementaire deeltje van de biologie.

2. Het celmembraan

Cellen worden omgeven door een membraan. Een membraan is voornamelijk opgebouwd uit lipiden en proteïnen.

2.1 Het membraan is opgebouwd uit een dubbele laag fosfolipiden

De belangrijkste bouwsteen van een membraan is fosfolipide. Fosfolipide heeft zowel een hydrofoob als een hydrofiel gedeelte. Hydrofoob betekent dat het water afstoot. De hydrofiele regio trekt water aan. Deze eigenschappen zijn erg bepalend voor de vorm en de functie van het membraan.

De hydrofiele kop van de fosfolipide bestaat uit fosfaat en chlorine. Zijn hydrofobe staart bestaat uit twee vetzuren. In een waterige omgeving keren de vetzuren zich van de watermoleculen af. Ze hebben daardoor geen ander alternatief dan zich naar elkaar toe te richten. Op die manier vormt zich een dubbele laag fosfolipiden.   

Op deze afbeelding zie je dat de hydrofobe staartjes van de lipiden naar elkaar toe liggen en de hydrofiele kopjes naar buiten wijzen. Het membraan vormt op die manier een natuurlijke scheiding tussen de chemische omgeving binnen de cel (= de intracellulaire vloeistof, ook wel cytoplasma genaamd) en de chemische omgeving buiten de cel (= de extracellulaire vloeistof).

2.2 Het membraan is selectief doorlaatbaar

Het celmembraan is selectief doorlaatbaar. Het laat sommige moleculen en ionen vrij door het membraan bewegen, maar andere niet. Welke chemische substanties door het membraan kunnen en welke niet, is afhankelijk van de opbouw van het membraan. Membranen bestaan zoals gezegd niet alleen uit fosfolipiden, maar ook uit proteinen of eiwitten. Die eiwitten hebben verschillende vormen en functies.

De eiwitten in het membraan worden onderverdeeld in twee groepen: integrale en perifere eiwitten. De integrale eiwitten breken door de hydrofobische binnenkant van de dubbele laag fosfolipiden heen. Perifere eiwitten bevinden zich losjes aan het oppervlak van het membraan, meestal aan het oppervlak van integrale eiwitten. Enkele voorbeelden van eiwitten die door de dubbele laag fosfolipiden heen breken (en dus integraal zijn) zijn receptoren en transporteiwitten

Receptoren zijn  membraaneiwitten die een bindingssite hebben waar een specifieke chemische structuur zoals bijvoorbeeld een hormoon in past. Die chemische structuur kan het eiwit van vorm doen veranderen, waardoor het hormoon door het membraan naar het cytoplasma kan worden geleid, waar het zich aan een eiwit in het cytoplasma kan hechten.

Transporteiwitten zijn eiwitten die zich over het membraan heen spannen en zo een doorgang kunnen vormen voor bepaalde chemische substanties. Sommige van die transportproteïnen worden in het Engels channel proteins genoemd. Zij functioneren als hydrofiele tunnels waar bepaalde moleculen of atomische ionen langs kunnen en andere niet. Andere transportproteïnen worden carrier proteins genoemd. Zij hechten zich aan de substantie die ze vervoeren vast en veranderen daardoor de vorm van het eiwit op zo’n manier dat het door het membraan past. Een voorbeeld van zo’n carrier protein is de glucose transporter. Glucose transporters vormen een doorgang in het plasmamembraan van rode bloedcellen. Die doorgang is heel selectief want het laat enkel glucose door. Zelfs fructose, een isomeer van glucose (een molecule die dus dezelfde chemische bouwsteentjes heeft als glucose maar in een andere volgorde), kan het membraan niet passeren.

Zowel receptoren als transporteiwitten zijn dus voorbeelden van eiwitten die chemische substanties door het membraan helpen bewegen. 

3. Actief en passief transport

Er wordt een onderscheid gemaakt tussen actief en passief transport. Actief transport kost de cel energie, passief transport niet.

3.1 Passief transport als gevolg van diffusie

Moleculen beschikken over een bepaalde soort energie die thermische energie wordt genoemd. [1] Moleculen bezitten thermische energie doordat ze voortdurend in beweging zijn. De beweging van moleculen zorgt ervoor dat ze gelijkmatig verspreid raken over de beschikbare ruimte. Iedere molecule beweegt zich willekeurig, maar wanneer je een hele groep moleculen bekijkt, is er een duidelijke richting waar te nemen in de manier waarop ze zich bewegen. Het principe van gelijkmatige verdeling wordt diffusie genoemd. Diffusie zorgt voor een dynamisch evenwicht. Het zorgt ervoor dat er evenveel moleculen in de ene richting van het membraan als in de andere richting bewegen.

Een eenvoudige gevolg van diffusie is dat (in de afwezigheid van andere fysische krachten) een substantie zich zal verspreiden van waar het geconcentreerder aanwezig is naar waar het minder geconcentreerd aanwezig is, tot de concentratie gelijk verdeeld is.

Het kost de cel geen energie om dat te laten gebeuren. Het is een automatisch fysisch proces. Beweging van chemische substanties door het membraan als gevolg van diffusie wordt daarom passief transport genoemd. Een voorbeeld van passief transport is de diffusie van koolstof en zuurstofdioxide door het membraan. Zuurstof en koolstof verplaatsen zich automatisch van de dichte concentratie buiten de cel, naar het cytoplasma, tot er een evenwichtige balans ontstaat tussen de concentratie van de stoffen binnen en buiten de cel.

De concentratie gradiënt

De richting waarin de dichtheid van een chemische substantie verhoogt of verlaagt wordt de concentratie gradiënt genoemd. De concentratie gradient representeert potentiële energie en is de drijvende kracht achter diffusie. Het zorgt ervoor dat de chemische samenstelling binnen het cytoplasma dezelfde concentratie krijgt als die buiten het cytoplasma.

Diffusie zorgt er dus voor dat de concentratie van chemische stoffen gelijkmatig verdeeld raakt binnen en buiten de cel. Maar in levende organismen is de concentratie niet van alle stoffen gelijk. Anders zou er immers geen sprake zijn van een levend organisme maar zou het organisme deel uitmaken van zijn omgeving... 

De concentratie van bepaalde ionen en moleculen binnen en buiten de cellen van een levend organisme verschillen. En de reden dat ze dat ondanks de fysische kracht van diffusie kunnen, is dankzij de structuur van het membraan.  Membranen zijn selectief doorlaatbaar. Dankzij de eiwitten waaruit ze zijn opgebouwd, laten ze sommige moleculen langs en andere niet. Dat heeft gevolgen voor de effecten van diffusie van verschillende moleculen. Sommige kunnen een spontaan evenwicht bewaren, andere niet.

Hoe doen ze dat?

Bepaalde proteïnen kunnen de passieve transport versnellen. Er is dan sprake van versnelde diffusie. Channel proteins bijvoorbeeld maken een makkelijke doorgang mogelijk voor bepaalde chemische substanties. Zo zijn er waterkanaaltjes die ervoor zorgen dat watermoleculen op bepaalde plaatsen in het membraan een vrije doorgang krijgen door de verder ondoordringbare laag van waterafstotende fosfolipiden. Ook voor andere moleculen en ionen bestaan er specifieke eiwitkanalen.

Channel proteins die ionen transporteren worden ionkanalen (in het Engels 'ion channels') genoemd. Vele ion channels functioneren als 'gated channels'. Dit soort proteïnen kun je je voorstellen als poortjes die openen en sluiten als reactie op een bepaalde stimulus. Voor sommige gated channels is die stimulus elektrisch, andere openen of sluiten wanneer een specifieke chemische substantie zich aan de proteïne bindt, de stimulus is dan chemisch.

Carrier proteïns daarentegen ondergaan een morfologische verandering (ze veranderen van vorm) wanneer er zich een chemische substantie aan hen bindt. De subtiele verandering in vorm kan getriggerd worden door de binding en release van een transportmolecule. Op die manier versnellen ze het proces van diffusie. [2]

3.2 Actief transport door middel van pompjes

Er zijn ook biologische processen die het mogelijk maken om een chemische substantie tegen zijn concentratie gradient in te laten bewegen. Die processen kosten de cel wel energie en worden om die reden actieve transportprocessen genoemd.  Bij actief transport zijn vooral carrier proteïns betrokken in plaats van channel proteïns. Bij carrier proteïnen hecht de chemische substantie zich aan het eiwit vast, waardoor het eiwit van vorm verandert en de chemische substantie door het membraan kan leiden.

Een voorbeeld van een transportsysteem dat op deze manier functioneert, is de natrium-kalium pomp die Na+ en K+ over het plasmamembraan van dierlijke cellen doet bewegen. Dierlijke cellen hebben een veel hogere concentratie aan kaliumionen (K+) en een veel lagere concentratie aan natriumionen (Na+) dan hun omgeving.

Actieve transport staat de cel toe om chemische substanties tegen hun concentratie gradient in te laten bewegen en zorgt er op die manier voor dat de cel een verschillende concentratie van bepaalde moleculen en ionen binnen het cytoplasma kan houden in vergelijking met zijn omgeving.

4. Conclusie

Het is het membraan met zijn selectieve doorlaatbaarheid, dat, dankzij de functies en de structuur van de proteïnen waaruit het is opgebouwd, de afwijkende concentraties stabiel kan houden, waardoor cellen kunnen overleven en met elkaar en hun omgeving kunnen communiceren.

 

Voetnoten

  • 1. Thermische energie kennen we onder de vorm van warmte.
  • 2. Ook dit is een voorbeeld van passief transport. Er is geen extra energie nodig om de beweging van de chemische substanties te veroorzaken. Het gebeurt vanzelf, volgens de fysische wetten van diffusie.

Bronvermelding

  • Campbell N.A., & Reece J.B., Biology (9th ed.), San Francisco: Pearson Benjamin Cummings, 2008.
  • Gazzaniga, M.S., Ivry, R.B., & Mangun G.R., Cognitive neuroscience: the biology of mind (3th ed.), Norton & Company, New York, 2009.