5 ECTS credits
125 u studietijd
Aanbieding 1 met studiegidsnummer 4012689ENR voor alle studenten in het 2e semester met een verdiepend master niveau.
De cursus bestaat uit twee grote delen:
Deel 1:
Om een goed inzicht te krijgen in de regulatie van cellulaire processen is het van groot belang om na te gaan wat de eigenschappen zijn van het intracellulaire milieu waarin deze processen zich afspelen. In de eerste plaats wordt in deze cursus dan ook aandacht geschonken aan de componenten van het cytoskelet (microtubuli, actine filamenten en intermediaire filamenten) en worden de eigenschappen van deze diverse structuren besproken. Er wordt aandacht geschonken aan de struturele organizatie in de cel. Vervolgens wordt aangetoond dat het intracellulaire milieu wel degelijk volledig verschilt van het milieu waarin men klassiek, in vitro, enzymen en cellulaire componenten bestudeert (o.a. in vivo: beperking van diffusie, bijzonder hoge proteïne concentraties in het algemeen, enzyme concentraties die hoger zijn dan de concentraties substraten waarop zij werken, ...). Dit leidt dan tot een model waarbij in vivo enzymen van metabolische wegen clusters vormen (metabolons). De diverse voordelen van dergelijke organisatie worden besproken, en voorbeelden worden gegeven van metabolische wegen waar inderdaad werd aangetoond (structureel en/of kinetisch) dat dergelijke organisatie, evenals de zgn. channeling van intermediairen inderdaad een realiteit is.
In een volgend hoofdstuk wordt de problematiek van "protein trafficking" besproken. Het is inderdaad van essentieel belang voor een goede organisatie van de cel dat nieuw gesynthetiseerde proteïnen op de juiste plaats en in het juiste compartiment in de cel terechtkomen. Het belang van respectievelijk "routing, sorting, retention/salvage en membranaire stop-transfer" signalen wordt aangehaald. Dan wordt allereerst uitvoerig het model besproken van cotranslationeel transport van proteïnen die de secretorische weg volgen via het endoplasmatisch reticulum (de zgn. "signaal hypothese"), en worden structuur en eigenschappen van het signal recognition particle uitgelegd. Nauw samenhangend met trafficking van proteïnen via de secretorische weg wordt ook een kort overzicht gegeven van de verschillende typen van glycosylatie van eiwitten, die gebeurt bij translocatie van deze eiwitten via ER en Golgi apparaat. Vervolgens wordt import van nieuw gesynthetiseerde proteïnen in organellen besproken. Er wordt vooral aandacht geschonken aan het import in de diverse mitochondriale subcompartimenten, maar ook trafficking naar chloroplasten, naar peroxisomen, naar de kern en naar lysosomen komt aan bod.
In een volgend hoofdstuk wordt de problematiek besproken van folding van proteïnen in de cel. Het eventuele belang hierbij van peptidyl prolyl cis-trans isomerase, en van protein disulfide isomerase wordt behandeld. Tevens wordt een overzicht gegeven van chaperones en chaperonines die van essentieel belang zijn voor het in vivo oprollen van eiwitten tot hun correcte drie-dimensionele structuur. Recente structurele informatie over deze moleculen en hun werking wordt gegeven (o.a. hsp60 met als voorbeeld GroeL/GroeS, hsp70 met als voorbeeld dnaJ/dnaK, enz.).
Ten slotte wordt in een laatste hoofdstuk aandacht geschonken aan degradatie van proteïnen in de cel. De regulatie van afbraak van proteïnen is uiteraard een belangrijk element in het begrijpen van de algemene regulatie van cellulaire processen. Hierbij wordt de werking besproken van het proteasoom dat in eukaryotische cellen van essentieel belang is bij intracellulaire degradatie van eiwitten. De rol van ubiquitine bij deze afbraak, en in andere cellulaire processen wordt nagegaan.
Al deze topics dragen, elk op hun niveau, bij tot een precieze en coherente regulatie van het cel metabolisme. Zoals mag blijken uit literatuur van de laatste decennia zijn al deze topics in volle ontwikkeling.
Deel 2:
Een belangrijk cellulair proces betreft de communicatie van cellen met de ‘buitenwereld’ zodat ze op veranderende omstandigheden kunnen inspelen. Sleutelmoleculen in dit verband zijn receptoren in het plasma membraan. Dit zijn eiwitten die een dubbele functie hebben; herkenning van neurotransmitters of hormonen (samengebracht onder de term chemische mediatoren) en anderzijds vertalen zij deze binding in een cellulair effect. Dit deel beslaat de volgende hoofdstukken (de titels alsook de powerpoint slides zijn in het Engels):
1. Chemical mediators and their receptors : definitions
2. Classification of receptors (on basis of structure/function)
In deze twee hoofdstukken van dit deel worden endogene chemische mediatoren ingedeeld volgens hun mechanisme van transmissie (hormonen, neurotransmitters, locale boodschappers) en volgens hun hydrofobiciteit (hydrofobe hormonen die door de celwand kunnen diffunderen en voor dewelke de receptoren in de cel aanwezig zijn en hydrofiele/grote signaalstoffen voor dewelke de receptoren aan het oppervlak van celwand aanwezig zijn). Deze laatste receptoren worden vervolgens ingedeeld volgens de wijze waarop ze de signalentransmissie door de celwand verwezenlijken ('second messengers' met speciale verwijzing naar de essentiele rol van G proteinen, endogene fosforylatie, opening van ionkanalen).
3. Ligand-gated ion channels
In dit hoofdstuk worden de ligand gemedieerde kanalen behandeld. Aan de hand van twee voorbeelden wordt de werking van deze receptoren uitgelegd. Het betreft de nicotine acetylcholine receptoren die o.a. betrokken zijn bij de opening van natrium ionkanalen bij de contractie skeletspieren en de glutamaat en GABA gemedieerde ionkanalen die betrokken zijn bij de snelle signaaltransductie in neuronen.
4. G-protein coupled receptors
In dit hoofdstuk komen de G-eiwit gekoppelde receptoren aan bod. Ze vertegenwoordigen een uitgebreide familie van plasma membraan receptoren die betrokken is in een zeer brede waaier van fysiologische alsook pathofysiologische processen. Het mag daarom niet verbazen dat ongeveer de helft van alle commerciële geneesmiddelen hun werking uitoefenen via deze receptoren. In dit hoofdstuk wordt het algemeen mechanisme van signaal transductie van deze receptoren besproken alsook hun classificatie op basis van hun structuur/aminozuur sequentie.
5. Growth factor receptors
Een volgende categorie van receptoren zijn de groeifactor receptoren / tyrosine kinase receptoren. De binding van hun liganden i.e. groei factoren activeert endogene fosforylatie. Zoals de naam aangeeft zijn de liganden van deze receptoren betrokken bij de regulatie van cel-groei en -deling.
6. Steroïd receptors
De laatste categorie van receptoren bevinden zich intracellulair. Zij herkennen voornamelijk steroide hormonen. Dit zijn mediatoren die apolair zijn en doorheen het plasma-membraan kunnen diffunderen.
7. Methodology : Radioligand receptor binding
8. Methodology : Functional experiments
9. Methodology : Functional receptor assays : inhibition experiments
Deze volgende hoofdstukken handelen over de meest gebuikte technieken om de inwerking van boodschappermoleculen en van synthetische analogen (agonisten en antagonisten) op hun receptoren te onderzoeken. Eerst wordt de techniek van 'radioligand binding' grondig toegelicht (saturatiebinding, competitiebinding, competiviteit, 2-site analyse, autoradiografie..) en worden de verkrijgbare parameters (Bmax, IC50, KD, Ki) vergeleken met parameters die d.m.v. functionele testen (dose-respons curves, Schild plot analyse) kunnen verkregen worden (EC50, pA2). In verband met de functionele testen wordt ook aandacht besteed aan concepten zoals 'intrinsieke aktiviteit', 'receptor reserve' en partieel agonisme'. Speciale aandacht wordt besteed aan
- het onderscheid tussen agonisten en antagonisten
- verschillende soorten antagonisten, inverse agonisten, allostere modulatoren, functionele antagonisten en biased agonisten.
10. Pharmacological classification of receptors
De concepten besproken in voorgaande hoofdstukken worden geïllustreerd in de farmacologische classificatie van adrenerge receptoren.
11. Glucose homeostasis by insulin
Terwijl G-proteine gekoppelde receptoren klassiek hormonen en neurotransmitters herkennen, blijken intermediaren van het carbohydraat- en lipide- metabolisme ook liganden te zijn van welbepaalde van deze receptoren. In dit hoofdstuk worden receptoren besproken waaraan vrije vetzuren binden. Omdat deze receptoren betrokken zijn in de homeostatische regulatie van glucose kunnen ze beschouwd worden als een potentiële target voor de ontwikkeling van anti-diabetes geneesmiddelen. Deze potentiële therapeutische benadering wordt vergeleken met het werkingsmechanisme van actuele behandelingswijzen.
Practicum
De practica behelzen het beter begrijpen van essentiële concepten in de (moleculaire) farmacologie. Aandacht wordt besteed aan twee meettechnieken voor de studie van signaaltransmissie en de moleculen die hierin betrokken zijn. Het betreft radioligand binding tot een cellijn waarin recombinante G-eiwit gekoppelde receptoren tot uitdrukking gebracht werden. In dezelfde cellijn zal agonist- gemedieerde activatie van deze receptoren gemeten worden. In dit verband zal de vrijmaking van intracellulaire calcium gemeten worden.
Deelname aan de practica is verplicht.
Het wegwijs maken van de student in het domein van de Moleculaire Farmacologie. De gedurende deze cursus opgedane kennis is niet alleen nuttig in een research-georiënteerde carrière, het biedt de bio-ingenieurs ook een stevige basiskennis die van nut is in multi-disciplinaire teams in de farmaceutische industrie.
Het doel van de cursus is inzicht verwerven in de verschillende processen die in de levende cel plaatsgrijpen, en die de regulatie en controle van cellulaire processen beïnvloeden.
Studenten moeten in staat zijn:
-de structurele organizatie en eigenschappen te beschrijven van het cytoskelet en hiermee associërende eiwitten.
-de eigenschappen te beschrijven van het intracellulaire milieu.
-de voordelen kennen en begrijpen van heterologe proteine-proteine interacties en van “channeling” van metabolieten.
-de problemen uit te leggen van "protein trafficking" in de cel.
-het proces te analyseren van "protein folding" in de cel.
-te beschrijven hoe eiwitten worden afgebroken in de cel.
-de verschillende functies te beschrijven van het eiwit ubiquitin, en van ubiquitin-verwante moleculen.
-een analyse te maken van verschillende technologieën die worden gebruikt in deze respectievelijke onderzoeksdomeinen.
De beoordeling bestaat uit volgende opdrachtcategorieën:
Examen Mondeling bepaalt 67% van het eindcijfer
WPO Labowerk bepaalt 33% van het eindcijfer
Binnen de categorie Examen Mondeling dient men volgende opdrachten af te werken:
Binnen de categorie WPO Labowerk dient men volgende opdrachten af te werken:
Examen:
Het mondeling examen van dit vak zal uit twee delen bestaan:
Deel 1 : Betreffende het deel regulatie cellulaire processen : Voor dit deel is maximaal 1 uur voorzien:
1A: presentatie van een algemene topic die voorbereid kan worden op basis van twee review artikels die vooraf doorgestuurd worden alsook op basis van cursus slides.
1B: vervolgens een uitgewerkte algemene vraag met betrekking tot de cursus slides (stuk regulatie). Deze vraag wordt aan de student bezorgd 15 min voor de start van het mondeling examen.
Deel 2 : Betreffende het deel receptoren : Voor dit deel is maximaal 1/2 uur voorzien
Vooraf wordt een research artikel aan de student bezorgd. Op het examen dient de student een korte (ongeveer 5 min) presentatie te geven van: doelstelling(en) en onderwerp artikel, belangrijkste gebruikte methoden, resultaten en conclusie. Gevolgd door vragen over het artikel die betrekking hebben tot dit deel van de cursus. Dit deel van het examen is openboek, d.w.z. je kan alle notities, teksten, slides e.d. gebruiken tijdens het examen.
Evaluatie
De evaluatie betreft het mondeling examen alsook het practicum.
Na het mondeling examen gebeurt de quotering (summatief) met volgende puntenverdeling:
1/2 op Deel 1 van het mondeling examen
1/4 op Deel 2 van het mondeling examen
Het bijwonen van de practica is verplicht! Na het practicum dienen de studenten een schriftelijk verslag in te dienen waarin volgende items behandeld dienen te worden: inleiding, vraagstelling, gebruikte technieken, analyse en bespreking van de resultaten en conclusie(s). Dit verslag tezamen met de inzet tijdens de practica worden summatief beoordeeld en beslaat 1/4 van de punten.
Deze aanbieding maakt deel uit van de volgende studieplannen:
Master in de bio-ingenieurswetenschappen: cel- en genbiotechnologie: moleculaire biotechnologie