UKE 1 CELLENS AVGRENSING OG OPPTAK AV STOFFER
Lipider
Lipider utgj?r en heterogen gruppe organiske molekyler som har til felles at de er lite l?selige i vann. En undergruppe er de amfipatiske lipidene, som er lange molekyler med en polar, vannl?selig ende og en lengre, apolar, vannul?selig hale. Amfipatiske lipider brukes som s?per og detergenter og utgj?r lipidlaget i biologiske membraner.
Biologiske membraner
Cellen er avgrenset mot omgivelsene av en membran, celle- eller yttermembranen. Cellens indre er videre delt opp i mindre kamre, avgrenset av tilsvarende membraner. Membranene best?r av et dobbelt lag amfipatiske lipider, f?rst og fremst fosfolipider, med polare hoder vendt mot vandig milj? p? ut- og innside og med apolare haler inn mot midten av membranen. Innleiret i denne lipidfilmen sitter proteiner, som utf?rer en lang rekke ulike funksjoner. Lipidene og de fleste proteinene flyter sidelengs, der lengden og grad av umettethet av fosfolipidenes fettsyrer er avgj?rende for membranenes flytenhet.
Membrantransport
Lipidmembranen danner barriere for diffusjon av vannl?selige, men ikke av fettl?selige stoffer. Graden av fettl?selighet spiller derfor en stor rolle for i hvilken grad stoffer som hormoner eller legemidler kommer inn i cellen. Vannl?selige stoffer bringes inn ved hjelp av transportproteiner som sitter innleiret i membranen og danner kanaler eller b?rere som oftest er spesifikke for enkelte molekyler. ?pningen av kanalene og aktiviteten til b?rerne kan oftest reguleres, og gir dermed cellen mulighet til kontroll over hva som slipper inn. Transporten av stoffer gjennom membranen skyldes vanligvis en konsentrasjonsforskjell, men membranen har ogs? transportproteiner ("pumper") som bruker metabolsk energi for ? transportere stoffer motsatt vei. De bygger alts? opp en konsentrasjonsforskjell. Den vanligste og viktigste pumpen transporterer kaliumioner inn i cellen og natriumioner ut og s?rger for at konsentrasjonen av kalium i cytosol er h?y og natrium lav; mens det er motsatt p? utsiden. Kroppen bruker en stor del av sin energi i hvile (basalstoffskiftet) til ? holde nettopp denne pumpen g?ende. Ved ? spille p? aktiviteten til ulike transportproteiner kan cellen regulere sitt volum og holde pH i cytosol tiln?rmet konstant.
UKE 2 PROTEINER, ENZYMER OG ENZYMKINETIKK
Svake kjemiske bindinger
De fleste fenomener i cellen kan tilbakef?res til selektiv binding til eller mellom makromolekyler. Selektiviteten skyldes at deler av overflaten til molekylene er gjensidig komplement?re mht form og elektrisk ladning. Vi f?r dermed en summasjon av mange svake kjemiske bindinger som samlet gir stor bindingskraft (h?y affinitet).
Proteiner
S? godt som alle reaksjoner i cellens stoffskifte er katalysert av enzymer. Enzymer er proteiner. De virker som katalysatorer ved ? binde "substratet", dvs molekylene som underg?r de kjemiske reaksjonene. Bindingen mellom enzym og substrat er eksempel p? selektiv binding mellom proteiner og stoffer som bindes til dem (= ligander). Andre eksempler er binding av hormoner til hormonreseptorer, antigener til antistoffer og ligander til membrantransport?rer. De f?rste katalysatorer var antagelig nukleinsyrer (ribozymer). Proteiner er imidlertid langt mer allsidige enn nukleinsyrer mht de former de kan innta og overflater de kan skape for ? danne bindingssteder til ligander, derfor utvikling av proteiner som katalysatorer. For ? forst? bindingen av ligander, m? vi studere proteiners struktur, hvordan de folder seg og skaper overflater egnet til ? binde andre molekyler.
Enzymkinetikk
(= l?ren om kjemiske reaksjoners hastigheter og hvordan enzymer p?virker dem) er grunnlag for ? forst? regulering av metabolismen. Prinsippene vi m?ter her gjelder ogs? en rekke andre sentrale biologiske fenomener der proteiners binding av ligander er involvert. Mange enzymers aktivitet er gjenstand for regulering gjennom fosforylering (kovalent binding av fosfatgrupper til enzymet) eller ved binding av metabolitter gjennom allosterisk konformasjonsendring av enzymet. Det er spesielt n?kkelezymer i de s?kalte forpliktende steg tidlig i eller p? forgreningspunkter i reaksjonsveiene som er gjenstand for regulering.
UKE 3 TERMODYNAMIKK OG CELLUL?R ENERGI
Termodynamikk
Foruten ? s?rge for byggestener til produksjon av cellens ulike bestanddeler, skaffer stoffskiftet tilveie den forn?dne energi for ? drive reaksjonene. Men hva er egentlig energi? Vi minner om at energi er et bokholderbegrep oppfunnet av fysikere og kjemikere for ? beregne eller forutsi fysiske og kjemiske reaksjoner, og at energi er definert slik at produksjon og forbruk, dvs samlet energimengde (i et lukket system) er konstant (som i alle skikkelige bokholdersystemer, men her opph?yd til en "naturlov", 1. termodynamiske lov). Hvordan kan vi da si at energi driver reaksjoner? I den 2. termodynamiske lov innf?res to nye begreper, entropi og fri energi, som forklaring p? drivkraft bak kjemiske reaksjoner. Vi repeterer ogs? kort begrepet entalpi, massevirkningsloven og hvordan vi kan regne p? energiomsetning ved kjemiske reaksjoner.
Energistoffskiftet
Sentralt i cellens energiomsetning st?r to reaksjonsveier kalt henholdsvis sitronsyresyklys og elektrontransportkjeden. Gjennom reaksjonene i sitronsyresyklus omdannes organiske molekyler til CO2, H+-ioner og elektroner. Elektronene bindes til ”elektronfraktere” - de reduserte koenzymene NADH og FADH2. Den sentrale rollen til sitronsyresyklus illustreres ved at her m?tes karbohydrat-, aminosyre-, nukleotid- og lipidstoffskiftet. Det kommer lite nyttig kjemisk energi i form av ATP direkte ut av sitronsyresyklus. Mesteparten av energien er oppmagasinert i de reduserte koenzymene NADH og FADH2. Disse gir fra seg elektronene til elektrontransportkjeden, der elektronene vandrer gjennom store multiproteinkomplekser i en kjede av reduksjons-oksidasjonsreaksjoner. Siden fritt oksygen er siste mottager av elektronene, kalles kjeden ogs? respirasjonskjeden. Som vi skal se, er kjeden hovedkilden til det meste av cellens utnyttbare energi, i form av ATP. Sitronsyresyklys og respirasjonskjeden finner sted inne i en organelle som kalles mitokondrier. Det er sammenheng mellom antall mitokondrier i en celle og cellens energibehov; f eks er mitokondrieinneholdet stort i cellene i brunt fettvev, hvis hovedfunksjon er ? generere varme.
UKE 4 KARBOHYDRAT- OG LIPIDMETABOLISME
Sakkarider
er viktige som energikilde, energidepot (glykogen) og strukturelementer i celler og vev (glykolipider, glykoproteiner og glykosaminoglykaner). De danner polymerer, men i motsetning til nukleinsyrer og proteiner har de mange ulike m?ter ? binde monomerene sammen p?, slik at vi ved ? hekte sammen bare noen f? monosakkarider kan f? et enormt antall ulike polysakkarider (glykaner).
Glykolyse
Sitronsyresyklus, som vi studerte i forrige uke, starter med et av de mest sentrale molekylene i stoffskiftet, acetyl-CoA. Men hva er kilden til dette molekylet? I denne uken skal vi studere ulike reaksjonsveier som f?rer til produksjon av acetyl-CoA. Vi starter med en av hovedkildene, glykolysen, som er selve prototypen p? en metabolsk reaksjonsvei. Vi skal studere trinn og regulering i denne reaksjonsveien grundig, b?de som eksempel p? en reaksjonsvei og fordi den har viktige fysiologiske og kliniske sider. I visse celler eller ved oksygenmangel gir glykolysen melkesyre i stedet for pyrodruesyre/ acetyl-CoA som sluttprodukt. Vi kaller dette anaerob nedbrytning, i motsetning til aerob, der det er tilstrekkelig oksygen til at respirasjonskjeden kan forl?pe. I motsetning til pyrodruesyre, kan laktat ikke omdannes til acetyl-CoA og g? inn i sitronsyresyklus. Vi f?r dermed opphopning av melkesyre og surgj?ring av cellene, med redusert funksjonstilstand og mulighet for skader. Innsikt i disse mekanismene er grunnlag for ? forst? hva som skjer under hardt muskelarbeid og n?r vev pga skade eller sykdom f?r redusert oksygentilf?rsel.
Nedbrytning av fettsyrer
En annen hovedkilde til acetyl-CoA er nedbrytning av lange fettsyrer, gjennom en prosess som kalles beta-oksidasjon. Fettsyrefragmentene (acetyl-CoA) g?r imidlertid bare inn i sitronsyresyklus dersom det skjer en balansert nedbrytning av glukose og fett. Dersom fettnedbrytning dominerer, som ved langvarig faste eller sukkersyke, dannes istedet ketonlegemer, deriblant aceton. Fettsyrenedbrytning og fragmentenes videre skjebne er dermed sentralt for ? forst? patogenetiske mekanismer ved sukkersyke. Nedbrytning av fettsyrer foreg?r i to organeller, mitokondriene, som vi allerede har m?tt, og en organelle som kalles peroksisomer. I peroksisomene nedbrytes spesielle fettsyrer, som ekstra lange eller forgrenede fettsyrer.
Biosyntese av glukose og fettsyrer
Glukose syntetiseres gjennom en reaksjonsvei som kalles glukoneogenesen. Selvom den har mange trinn felles med glykolysen, er den ikke en reversering av denne, ettersom tre av trinnene i glykolysen i praksis er irreversible. Vi skal se p? disse trinnene og p? hvordan cellen kan regulere glukoneogenese versus glykolyse etter behov. Vi skal ogs? studere fettsyresyntese, som i motsetning til fettsyrenedbrytning foreg?r utenfor mitokondriene, i cytosol. Ettersom v?re celler mangler n?dvendige enzymer, er det visse grupper av umettede fettsyrer vi ikke kan syntetisere.
Energidepotene - glykogen og depotfett
Cellene lagrer energi b?de i form av glykogen og depotfett (triacylglyserol eller triglyserider). Som vi skal se er fett den klart mest effektive m?ten ? lagre energi p?, foruten at fett lagret i underhuden har varmeisolerende effekt. Det er imidlertid n?dvendig med lagre av glykogen, spesielt i muskel- og leverceller, og at glykogennedbrytningen skjer noe forskjellig i de to celletypene. Disse temaene er vesentlige som grunnlag for ? forst? fedme og patogenesen bak ulike hormonforstyrrelser, som bl a sukkersyke.
Pentosefosfatreaksjonsveien
Mens elektroner generert i glykolysen og sitronsyresyklus g?r inn i elektrontransportkjeden, har en annen reaksjonsvei som hovedoppgave ? generere elektroner til bruk ved reduksjonreaksjoner i forbindelse med biosyntese og avgifting av fremmedstoffer. Pentosefosfatveien er i tillegg leverand?r av ribose-5-fosfat, som er en viktig byggesten i nukleinsyrene.
UKE 5 ARVESTOFFET
DNA - struktur og replikasjon
DNA, det universelle arvestoffet, er grunnlaget for alt liv. I en viss forstand kan vi si at celler og flercellede organismer f?rst og fremst er DNA-replikasjonsmaskiner konstruert etter informasjon i DNA for ? formere og videref?re DNA. Byggestenene i DNA kalles nukleotider. Et enkelt nukleotid best?r av tre deler: en base (adenin, cytosin, guanin eller thymin), pentosen eller femkarbon-sakkaridet deoksyribose og fosforsyre, der femkarbonsakkaridet har bundet en base til C’1-atomet og en fosfatgruppe til C’5-atomet. Nukleotidene er s? kjedet sammen i lange polynuklotidtr?der, der fosfatgruppen i neste nukleotid er bundet til C’3-atomet i foreg?ende nukleotids deoksyribose. Fra ?ryggraden? av alternerende deoksyribose og fosfat stikker basene ut til siden. I DNA er to slike polynukleotidtr?der tvunnet om hverandre i en dobbeltspiral, med ryggraden ut mot hver sin side og de flate aromatiske basene inn mot midten, stablet opp? hverandre ved s?kalt aromatisk stabling. Fire baser inng?r i DNA, og de to kjedene i dobbeltspiralen holdes sammen ved parring av de "komplement?re" basene adenin-thymin (A-T) og guanin-cytosin (G-C). Denne parringen basert p? hydrogenbindinger er bakgrunn for at det kan lages n?yaktige kopier av DNA, dvs DNA kan fordobles, gjennom en prosess som kalles semikonservativ replikasjon.
Eukaryote celler er kjerneholdige, dvs at deres DNA ligger adskilt fra cytoplasma, omgitt av et kjernehylster. Hylsteret har et stort antall sm? porer, som tillater trafikk ut og inn av en lang rekke molekyler, mens DNA-molekylene er for store til ? passere. Innsiden av kjernehylsteret er tapetsert med den s?kalte kjernelamina, som best?r av en undergruppe av intermedi?re filamenter (denne gruppen av filamenter gjennomg?s i uke 10). I hver av cellekjernene v?re ligger vanligvis ett fullt sett med DNA, fordelt p? 46 DNA-molekyler. Tilsammen inneholder de seks milliarder basepar, hvilket gir en samlet lengde p? to meter. N?r vi vet at kjernene ofte ikke har en diameter st?rre enn ca fem mikrometer, gir det seg selv at DNA m? pakkes omhyggelig (svarende til ? pakke 2 000 km hyssing i et rundt rom p? fem meter i diameter). Det er flere niv?er av DNA-pakking, som er viktig for tilgjengeligheten av DNA i forbindelse med avlesing av informasjon. P? hvert pakkingsniv? deltar sett av ulike proteiner. Ett DNA-molekyl og tilh?rende proteiner kalles et kromosom. Mellom celledelingene kan vi ikke skjelne de enkelte kromosomer fra hverandre; de utgj?r et mer (kondensert) eller mindre (ekstendert) flettverk av tr?der, kalt kromatin.
I prokaryote celler (som best?r av to separate superriker eller doméner - eubacteria og archea) finnes ingen kjerne. DNA er dessuten organisert p? andre m?ter enn hos eukaryote organismer, f eks er det ikke assosiert med den viktige gruppen av kjerneproteiner som kalles histoner. Dessuten er DNA-molekylene sirkul?re, mens de hos eukaryote er line?re. Mitokondriene, som vi har sett finnes i eukaryote celler, inneholder sitt eget DNA. Dette er sirkul?rt og ikke pakket med histoner.
Mitose og meiose
I forbindelse med celledeling skjer fordobling av DNA. Det fordoblede DNA fordeles s? p? to datterceller gjennom en prosess som kalles mitose. Den starter med tettpakking (kondensering) av kromosomene slik at de blir synlig i mikroskopet som adskilte mitosekromosomer, ogs? kalt tokromatid-kromosomer, fordi de er fordoblet, men stadig henger sammen i et omr?de kalt sentromeren. Vi skal studere mekanismene bak DNA-replikasjon og de ulike stadiene i vanlig celledeling. Vi skal ogs? se p? reduksjonsdelingen, eller meiose, som skjer ved dannelse av kj?nnsceller og som p? flere vesentlige trinn skiller seg fra mitose. I interfasen mellom celledelingene ligger kromosomene n?r forbundet med kjernelamina. Under mitosen l?ses kjernehylsteret opp i mange sm? bl?rer og delingspindelen organiseres og trekker de to datterkromosomene i hver av de tett kondenserte metafasekromosomene fra hverandre.
DNA-reparasjon
V?rt DNA er kontinuerlig utsatt for ulike typer skader. Hyppigheten ansl?s til mange tusen DNA-skader i hver enkelt celle hver dag. Det er derfor livsviktig med effektive reparasjonsmekanismer. Vi skal se p? ulike typer DNA-skader, hvordan de oppst?r og hvordan de repareres.
Nukleotidmetabolisme
RNA er som DNA et polynukleotid, men danner bare en enkelttr?d, og bruker femsakkaridet ribose i stedet for deoksyribose og basen uracil i stedet for thymin. De enkelte nukleotidene som inng?r i DNA og RNA kan bygges opp gjennom to forskjellige synteseveier, ved nysyntese, dvs fra bunnen av, eller ved gjenbruk av nukleotider eller baser som stammer fra degradering av DNA eller RNA. Folsyre inng?r som viktig koenzym i noen av reaksjonene. Folsyreanaloger brukes som antibiotika for ? hemme prokaryote cellers nukleotidsyntese og som cellegifter for ? hindre eukaryote (dvs v?re) cellers nukleotidsyntese. Ved nedbrytning av puriner dannes urinsyre. Serumniv?ene av urinsyre er sv?rt h?ye, antagelig fordi metabolitten har en nyttig rolle som antioksidant (tilsvarende f eks C-vitamin). I for store konsentrasjoner kan imidlertid urinsyre utfelles i leddene og gi urinsyregikt (podagra). Som vi skal se utgj?r nukleotidene ikke bare byggestener for DNA og RNA, men ogs? deler av kofaktorer som koenzym A, FAD, NAD og NADP. De er videre viktige for syntese av visse karbohydrater og lipider, og er regulatoriske komponenter i mange stoffskiftereaksjoner.
UKE 6 PROTEINSYNTESE
Transkripsjon og bearbeiding av RNA
Vi har sett at proteiner trengs for ? lage puriner, pyrimidiner og nukleotider og for ? replikere, reparere og pakke DNA. Proteinene er tilsvarende avhengige av DNA, ettersom de dannes under instruksjon av informasjon i DNA-molekylene. Informasjonsoverf?ringen fra DNA til protein skjer i to steg. F?rst dannes en RNA-kopi av DNA-omr?det, dvs genet, som inneholder informasjon om proteinet. Dernest hektes aminosyrer sammen i en rekkef?lge spesifisert av baserekkef?lgen i RNA-kopien. Det f?rste steget kalles transkripsjon, det andre translasjon. Mellom de to stegene er det innskutt et redigeringssteg, som skyldes at genene er splittet opp i biter med innskutte DNA-biter som ikke koder for proteiner. Disse stumme intragenregionene, eller intronene, m? kuttes vekk fra det prim?re RNA-transkriptet og de kodende bitene, eksonene, spleises sammen. Dette kalles RNA-bearbeiding eller -prosessering og er n?dvendig for ? lage ferdig budbringer-RNA, mRNA, som kan brukes i neste steg.
Translasjon
Translasjonen skjer ogs? i to steg. F?rste steg er p?hekting av aminosyrer til spesielle RNA-molekyler, tRNA. For hver av de tyve aminosyrene finnes det minst ett spesielt tRNA-molekyl. Enzymer som kalles aminosyre-tRNA-syntetaser s?rger for ? hekte riktig aminosyre til riktig tRNA-molekyl og dermed for korrekt oversettelse fra ”nukleinsyrespr?ket”, der baser utgj?r tegnene, til ”proteinspr?ket”, der aminosyrer utgj?r tegnene. P? et vis er det derfor i dette steget selve translasjonen, dvs oversettelsen mellom de to spr?kene, skjer. I neste steg hektes aminosyrene sammen ved at tRNA-aminosyrekompleksene avleser baserekkef?lgen i mRNA-transkriptene. Dette skjer p? ribosomet, et supramolekyl?rt kompleks av proteiner og spesielle RNA-molekyler, rRNA. Hvilke kombinasjoner av baser i DNA/RNA som koder for hvilke aminosyrer er gitt i den genetiske koden. Med noen sm? unntak, som gjelder mitokondrie-DNA, er koden universell, som tegn p? at alt liv p? jorden har en felles opprinnelse. Tre baser koder til sammen for en aminosyre. Ettersom vi med fire baser har 64 kombinasjonsmuligheter, kan flere basetripletter kode for samme aminosyre. Dette betyr at vi fra baserekkef?lgen kan slutte entydig til aminosyrerekkef?lge, men ikke omvendt - koden er degenerert.
Aminosyremetabolismen
Cellene v?re kan syntetisere halvparten av aminosyrene som brukes ved translasjonen; de ?vrige, kalt essensielle aminosyrer, m? tilf?res gjennom kosten. Vi skal se kort p? syntese og nedbrytning av aminosyrene. Ved behov kan aminosyrer, og dermed proteiner, brukes i energistoffskiftet ved at aminosyrene fores inn i sitronsyresyklus. I motsetning til de fleste sakkarider og lipider inneholder imidlertid aminosyrene nitrogen, som f?rst m? fjernes. Vi skal derfor spesielt se p? nitrogens skjebne, spesielt p? hvordan cellen kvitter seg med nitrogenoverskudd i form av urea.
UKE 7 PROTEINSYNTESE, GENREGULERING, MUTASJONER
Translasjonen
Translasjonen er n?kkelen til ? forst? samspillet mellom nukleinsyrene (replikatorene) og proteinene (katalysatorene). Her virker mRNA, tRNA, ribosomer og proteinfaktorer sammen for ? hekte aminosyrer etter hverandre i riktig rekkef?lge. Den f?rste delen av mRNA (5'-UTR) blir ikke translatert, men inneholder informasjon om festing til ribosomet slik at mRNA blir riktig orientert. Ved hjelp av initieringsfaktorer dannes initieringskomplekset, slik at neste fase, elongeringen, kan starte. Ribosomet vandrer deretter langs mRNA-tr?den mens det fortl?pende setter sammen aminosyrene i en rekkef?lge spesifisert av baserekkef?lgen i mRNA. Proteinsyntesen stoppes av frigj?ringsfaktorer som avleser ett av tre mulige stopp-kodoner. Alle trinnene er gjenstand for regulering og krever energi. Tross de mange proteiner som inng?r i ribosomene, ser det ut til ? v?re rRNA-molekylene som utf?rer de fleste av ribosomets funksjoner, inklusive de katalytiske. Ulike medikamenter, 'cellegifter' og 'antibiotika', hemmer proteinsyntesen p? hhv eukaryote og prokaryote ribosomer.
Genregulering
Kroppen v?r inneholder mange hundre forskjellige celletyper. Celletypene bestemmes av hvilke proteiner de inneholder. Konsentrasjonen av ulike proteiner kan i prinsippet reguleres p? alle trinn vi har gjennomg?tt p? veien fra DNA til protein, og dessuten gjennom regulering av nedbrytning. Den viktigste reguleringsmekanismen er imidlertid transkripsjons- eller genregulering. Forst?else av prinsippene ved genregulering er n?dvendig for ? skj?nne celledifferensiering, vekst og hormonell regulering av genaktivitet. Transkripsjonsregulering utf?res i et komplekst 澳门葡京手机版app下载 mellom regulatoriske proteiner, DNA og RNA-polymeraser.
Mutasjoner
Ikke-reparerte, varige forandringer av DNA kalles mutasjoner. DNA-mutasjoner er ?rsak til ulikhet mellom levende organismer, som igjen er drivkraft bak evolusjon, dvs utvikling av liv og mangfoldet av arter, men er i tillegg ?rsak til genetiske sykdommer, som samlet utgj?r et betydelig helseproblem. Vi har sett at DNA-skader som ikke blir reparert f?rer til mutasjoner. Mutasjonene kan ha funksjonelle konsekvenser dersom de forandrer genregulatoriske sekvenser, kodende regioner eller ekson-introngrenser. Kunnskap om mutasjoner er n?dvendig for ? forst? hvordan arvelige sykdommer oppst?r og hvordan genene for slike sykdommer kan lokaliseres og identifiseres. De f?rreste mutasjoner medf?rer sykdom. Noen kan gi utslag i fenotypisk variasjon, men de fleste er stumme og oppdages bare ved DNA-sekvensering. Individuell variasjon i baserekkef?lgen i homologe kromosomer kalles genetiske polymorfismer eller DNA-polymorfismer.
UKE 8 MOLEKYL?RBIOLOGI/GENTEKNOLOGI
Molekyl?rbiologiske metoder
P? syttitallet ble den molekyl?rbiologiske revolusjon innledet med oppdagelsen av restriksjonsenzymer og muligheten for ? klone DNA. Ti ?r senere ble polymerase-kjedereaksjonen (PCR) utviklet til en praktisk gjennomf?rbar metode. Takket v?re molekyl?rbiologenes grensel?se oppfinnsomhet, har vi i dag et stort batteri av metoder for ? studere DNA. Flere av dem er i dag sentrale verkt?y til bruk i medisinsk diagnostikk og forskning og i rettsmedisin. Bruken av metodene vil f? stadig st?rre betydning i n?r fremtid. Vi m? derfor forst? prinsippene for dem og tolkningsproblemer i bruken av dem.
Molekyl?rgenetikk
Vi har anslagsvis 30 000 gener i v?rt genom, men bare 23 kromosompar. Hvert kromosom inneholder derfor flere tusen gener. Da vi studerte meiosen i uke 5, s? vi at ikke-homologe paternelle og maternelle kromosomer ble sortert uavhengig av hverandre til dattercellene. I motsetning til gener som ligger p? samme kromosom, vil sannsynligheten for at gener som ligger p? forskjellige kromosomer nedarves sammen bare v?re 1/2 (50%). Vi s? ogs? at en eller flere overkrysninger var vanlige mellom de parrede, homologe kromosomene, dvs at jo lengre to gener ligger fra hverandre p? samme kromosom, jo st?rre er sjansen for at de skiller lag under meiosen. At to ulike gener tenderer til ? nedarves sammen, kalles genetisk kobling. Jo n?rmere to gener ligger hverandre, jo hyppigere nedarves de sammen, dvs jo tettere er de koplet. For mange genetiske sykdommer kjenner vi forel?pig ikke det sykdomsfremkallende genet. Og selv om vi kjenner det, er de fleste gener s? store og mutasjonsmulighetene s? mangfoldige at det for den enkelte pasient oftest ikke er praktisk mulig ? p?vise n?yaktig hvilken mutasjon som foreligger. Koplingsstudier kan imidlertid avsl?re genetiske mark?rer som tenderer til ? nedarves sammen med sykdommen. Slike mark?rer er derfor sv?rt nyttige i diagnostikk av arvelige sykdommer, og brukes dessuten til genlokalisering i jakten p? ukjente sykdomsgener.
Som mark?rer utnyttes spesielle genetiske polymorfismer i omr?der av DNA som man vet ligger rimelig n?r det aktuelle genet. Eksempler er RFLPer, restriksjonsfragment-lengdepolymorfismer, og VNTRer - variable number of tandem repeats. Det er to ulike m?ter ? vise RFLPer p?. I den ene kutter vi DNA fra ulike individer med et restriksjonsenzym. Deretter separerer vi det kuttede DNA p? gel og sammenlikner b?ndlengder for bestemte DNA-sekvenser ved en teknikk som kalles southernblotting. Vi vil da kunne se individuelle variasjoner i b?ndlengder av sekvensene. Alternativt kan vi oppformere deler av DNA ved PCR og kutte de oppformerte bitene med restriksjonsenzymer. Siden unders?kelse av RFLP-m?nstre er enkle ? gjennomf?re, er de blitt viktige verkt?y for ? kunne forutsi og diagnostisere enkeltgensykdommer.
?
UKE 9 PROTEINFORDELING, ENDOCYTOSE OG BL?RETRAFIKK
Proteiners skjebne etter translasjonen
Etter translasjonen f?r proteiner hjelp til ? folde seg av s?kalte chaperoner. Deretter gjennomg?r mange av dem omfattende modifikasjoner i form av forandring av aminosyrers sidekjeder, p?hekting av sakkarider og avkapping av peptidbiter. Endelig m? de transporteres til riktig bestemmelsessted. Det er mange ulike adresser, og for at proteiner skal havne andre steder enn i cytosol, m? de ha innebygget adresselapper som forteller hvor de skal. Proteiner som skal ende opp inne i organeller eller utenfor cellen m? krysse en membran. Dette kan skje enten under proteinsyntesen (kotranslasjonelt) eller etter syntesen (posttranslasjonelt). Kotranslasjonell translokasjon skjer p? ribosomer bundet til en organelle som kalles ru endoplasmatisk retikulum (RER). Fra RER transporteres proteinene innesluttet i bl?rer videre til en distribusjonssentral (golgikomplekset), hvorfra de videreforsendes. Dette er hovedruten til proteiner som skal eksporteres ut av celler eller inn i lysosomer. Som eksempel p? et velstudert protein som underg?r en rekke modifiseringer og som transporteres ut av cellen, gjennomg?es kollagen. Proteiner som skal inn i kjernen, mitokondrier og peroksisomer syntetiseres derimot p? fri ribosomer. Etter syntese m? de binde seg til reseptorer p? kjerneporene eller p? mitokondrie- eller peroksisommembranen. Genetiske defekter i transportmekanismene f?rer til at ellers normale proteiner ikke n?r korrekt bestemmelsessted og dermed til feilfunksjon. For eksempel vil manglende lokalisering av fettnedbrytende enzymer i peroksisomer f?re til akkumulering av spesielle fettsyrer, med alvorlig sykdom til f?lge.
Proteinnedbrytning i cytosol
Proteiner har begrenset levetid, som kan v?re sv?rt forskjellig for ulike proteiner. Vi skal se p? faktorer som bestemmer deres levetid, hvordan de blinkes ut for nedbrytning ved p?hekting av proteinet ubiquitin og kappes opp i en proteinnedbrytende maskin, proteasomet.
Endocytose og lysosomer
Nedbrytning av proteiner og andre makromolekyler foreg?r ogs? inne i membranavgrensede bl?rer, lysosomene. Stoffene som lysosomene bryter ned kan v?re tatt opp i bl?rer i cellen ved en prosess som kalles endocytose. Vi har ulike former for endocytose, som ofte deles inn i reseptorformidlet endocytose, fagocytose og pinocytose. Lysosomene er ogs? involvert i nedbrytning av cellens egne bestanddeler etter at de er innesluttet i bl?rer ved en prosess som kalles autofagocytose.
Bl?retrafikk
Maskineriet som deltar i syntese, transport og fordeling av proteiner og som deltar i endocytose og nedbryting i lysosomer, utgj?r sentrale organeller i cellen. Vi skal f? innblikk i hvordan cellens ultrastruktur er resultat av selvorganisering, gitt at riktige molekyler er tilstede. Dette illustreres gjennom ? studere mekanismene bak bl?retrafikken. Tilsvarende involverer opptak av bestanddeler fra omgivelsene og forsendelse til lysosomer avsn?ring og transport vha bl?rer. Vi skal se p? hvordan denne kontainertransporten foreg?r, dvs hvordan bl?rer avsn?res og transporteres til riktig bestemmelsessted for avlevering av innholdet.
UKE 10 Bevegelse, Kontraksjon og Cytoskjelettet
Tre hovedgrupper filamenter - mikrofilamentene (MF, aktin), intermedi?re filamenter (IF) og mikrotubuli (MT) - samvirker for ? danne reisverk og skape bevegelse i cellene. Reisverket opprettholder cellenes fasong og polarisering og orienterer cellen i forhold til omgivelsene. Det s?rger ogs? for organisering av cellens bestanddeler, f eks plassering av kjernen, ER og golgikomplekset.
Mikrofilamenter danner reisverk og frembringer bevegelser av hele cellen, av deler inne i cellen eller av deler av cellens overflate. Bevegelser kan genereres ved at aktinnettverket polymeriserer og depolymeriserer og danner ulike former for aggregater (tette parallelle bunter, l?se parallelle bunter eller nettverk). Polymerisering/ depolymerisering og aggregering er regulert av ulike assosierte aktinbindende proteiner. I tillegg kan bevegelse frembringes vha det aktinbindende motorproteinet myosin, som finnes i ulike utgaver. Myosin-I har et hode som bindes til og vandrer langs MF og kort hale som kan bindes til ulike bestanddeler i cellen, inklusive membraner. Dermed kan f eks bl?rer fraktes gjennom cellen langsetter MF. Myosin-II har lengre haler og polymeriserer i filamenter som kan trekke p? MF. Dermed kan hele cellen forkortes, hvilket blant annet er ansvarlig for kontraksjon av muskulatur. I tverrstripede muskelceller og hjertemuskelceller er MF og assosierte proteiner organisert i regelmessige strukturer, sarkomerene, hvor muskelkontraksjonen reguleres av Ca2+-konsentrasjonen i cytosol.
Mikrotubuli danner en anne type cellul?rt reisverk, som str?ler ut fra sentrosomet, en MT-organiserende struktur plassert sentralt i cellen like ved kjernen. P? samme m?te som MF kan MT ogs? frembringe bevegelser, enten ved polymerisering/ depolymerisering regulert av MT-assosierte proteiner eller ved hjelp av motorproteiner. To ulike typer motorproteiner er assosiert med MT, dyneiner og kinesiner. De kan frakte ulike typer last langsetter MT. I s?dcellenes haler og i ciliene (flimmerh?rene) p? overflaten til ulike andre celletyper danner MT en komplisert struktur kalt aksonemet. Denne muliggj?r kompliserte viftebevegelser, som bl a s?rger for spermienes sv?mming og for kontinuerlig ? drive slimlaget som kler innsiden av luftveiene i retning svelget. MT finnes ogs? i sentriolene, som bl a organiserer delingspindelen under celledeling. Ulike medikamenter kan p?virke polymeriseringen/depolymeriseringen av MT, og dermed arrestere delende celler i metafasen, evt hindre organellers bevegelser inne i cellen.
Intermedi?re filamenter kan i motsetning til de to foreg?ende typene filamenter ikke frembringe bevegelse. De inndeles i fire undergrupper, hvorav de tre f?rste, keratinfilamentene, vimentin og vimentinrelaterte filamenter og nevrofilamenter, finnes i cytosol, mens den siste, de nukle?re laminene, danner et nettverk som kler innsiden av kjernehylsteret. Keratinfilamentene finnes i spesielt store mengder i overhuden og assosierte strukturer som h?r og negler, mens vimentin og vimentinrelaterte filamenter f?rst og fremst finnes i bindevevs- og muskelceller. Nevrofilamentene utgj?r viktige deler av reisverket i nervecellenes utl?pere. De nukle?re laminer danner reisverk for kjernehylsteret og holder kromatinl?kker festet. Ved fosforylering av de nukle?re laminene oppl?ses kjernehylsteret i forbindelse med celledelingen.
Vevsarter Vi har tre ulike hovedtyper av muskelceller: glatt muskulatur, hjertemuskulatur, tverrstripet skjelettmuskulatur, spesialisert for ulike typer bevegelse og belastning. Foruten ulik morfologi og vevsfordeling, utviser de forskjeller i nerveforsyning, elektrisk kobling og evne til ? generere de n?dvendige elektriske signaler som skal til for ? utl?se kontraksjon (elektriske signaler gjennomg?s i uke 14). Vi skal dessuten studere flimmerepitel og mukocili?r transport, som bl a er sv?rt viktig for renhold av luftveiene.
UKE 11 Cellens n?rmilj? og celleforbindelser
I flercellede organismer er det n?dvendig ? holde celler sammen i vev og organer. Dette ivaretas gjennom ulike typer adhesjonsmolekyler, gjennom spesialiserte kontakter som ut?ver ulike funksjoner i vevene, samt ved hjelp av et ytre reisverk rundt cellene (den ekstracellul?re matriks - ECM).
Celleadhesjon Celler bindes til hverandre eller til ECM ved hjelp av adhesjonsmolekyler. Bindingen kan v?re permanent, som for celler i tarmvegg og overhud, eller kortvarig, som for vandrende immunceller. Det store antall ulike celletyper i kroppen gj?r det n?dvendig med mange ulike typer adhesjonsmolekyler for at vi skal f? selektiv binding mellom bestemte celletyper. Adhesjonsmolekylene deles i undergrupper etter tredimensjonal struktur/genetisk slektskap med hverandre. De fire viktiste gruppene kalles hhv kadheriner, integriner, selektiner og Ig-relaterte adhesjonsmolekyler. Vi skal se eksempler p? deres betydning for selektiv adhesjon mellom celler og til ECM.
Spesialiserte cellekontakter For ? ivareta visse funksjoner er det i tillegg til adhesjonsmolekylene utviklet mer omfattende spesialiserte cellekontakter. Det er tre hovedgrupper av dem. Adherenskontaktene s?rger for forsterket mekanisk binding mellom cellene eller til ECM. Transmembranproteiner som inng?r i disse kontaktene, er knyttet til cytoskjelettet p? innsiden av cellene. De binder dermed cytoskjelettet i adskilte celler sammen til en st?rre funksjonell helhet, og knytter cytoskjelettet til ECM. Okkludensforbindelsen har som oppgave ? forsegle mellomrommet mellom celler i s?kalte dekkepitel, f eks i det ytterste cellelaget i tarmkanalen. Alt som skal gjennom disse dekkepitelene kan derfor ikke slippe inn mellom cellene, men m? passere gjennom cellene. Okkludensforbindelsene bidrar ogs? til ? holde den delen av cellemembranen som vender mot overflaten av dekkepitelet (det apikale membrandomenet) adskilt fra den delen som vender vekk (det basolaterale membrandomenet). Endelig s?rger spesielle proteinkanaler, kalt nexus eller gap junctions, som g?r tvers gjennom begge membranene til to tilst?tende celler, for at cellene kan ha direkte og dermed rask kommunikasjon med hverandre.
N?rmilj?, ekstracellul?r matriks (ECM) Reisverket rundt celler best?r av ulike typer fibre som ligger innleiret i en s?kalt grunnsubstans. Den st?rste gruppen utgj?res av kollagene fibre. De utgj?r samlet en st?rre andel av total proteinmasse enn noen annen gruppe proteiner i kroppen. Det er mange ulike kollagentyper. Noen danner tykke fibrebunter med h?y strekkfasthet, f eks i sener, mens andre danner tynnere fibre som utgj?r reisverk i vev som er lite utsatt for mekanisk deformasjon, f eks i ulike indre organer. Spesielle FACIT-kollagener regulerer hvor tykke fibrene blir og deres forankring til omgivelsene. Kollagener inng?r ogs? i de s?kalte basallamina, som bl a adskiller epitel fra underliggende bindevev. Elastiske fibre har, som navnet tilsier, evne til ? gjeninnta deres opprinnelige fasong etter at deformasjonskrefter opph?rer, hvilket er sv?rt nyttig i mange sammenhenger (tenk f eks p? huden). Viktige struktureelementer i grunnsubstansen er lange sakkaridkjeder som kalles glykosaminoglykaner (GAG) og, hvis festet til proteiner kalles proteoglykaner (PG). GAG/PG binder store mengder vann og gir grunnsubstansen geleaktig konsistens og gj?r at vevet lettere motst?r trykkdeformering (spesielt viktig i leddbrusk).
Epitelvev I epitelvev ligger celler helt tett sammen i organiserte strukturer, knyttet sammen av ulike typer forbindelser. I denne uken skal vi spesielt se p? undergruppen som kalles dekkepitel og som kler ulike overflater, f eks overhud, tarmoverflaten, innsiden av luftveier og lunger og innsidene av blod?rer. Strukturelt har vi mange ulike typer epitel, og som vi skal se er det n?ye sammenheng mellom deres struktur og deres funksjon.
Binde- og st?ttevev Bindevevene er f?rst og fremst karakterisert av substansen mellom cellene, dvs av typer og mengde av fibre og grunnsubstans. Dette gir vevene helt ulike mekaniske egenskaper, f eks stor strekkfasthet, som i fast bindevev i sener, evne til ? motst? kompresjon, som i brusk, og evne til ? motst? b?ye- og skj?rekrefter, som i benvev. Som navnet tilsier har disse vevene som oppgave ? binde ulike vevselementer sammen og danne reisverk i vev og organer. Vi skal se hvordan komponentene i intercellul?rsubstansen gir binde- og st?ttevevene sine ulike egenskaper (gjennomg?s p? kurs i uke 12).
UKE 12 Evolusjon av gener, proteiner og cellen
Hensikten med uken er ? sette det vi hittil har l?rt inn i en utviklingsmessig sammenheng, samt ? orientere om det humane genomprosjektet. Delene bindes sammen med temaer om evolusjon av gener og proteiner. Evolusjon av cellen Evolusjonsl?ren utgj?r det teoretiske fundament for all biologi. Ikke minst krever forst?else av sammenhenger og prinsipper i cellebiologien resonnementer som bygger p? evolusjonsl?ren. Hovedtemaet for denne uken er hvordan s? kompliserte strukturer som cellen kan ha oppst?tt ved evolusjon. Vi har sett at replikatorene er n?dvendige for ? danne proteiner, men avhenger av proteiner for ? replikeres. Hva kom f?rst, replikatorene eller katalysatorene? P? begynnelsen av ?ttitallet ble det oppdaget at RNA-molekyler kunne ha katalytisk funksjon, som s?kalte ?ribozymer?. Oppdagelsen ?pnet muligheten for at det i tidligste fase i livets utvikling eksisterte en ?RNA-verden? der RNA kombinerte replikasjonsevne med katalytiske egenskaper. Vi ser muligvis rester av disse antatte funksjonene i selvspleisende introner, rRNAs katalytiske rolle i ribosomet og ved ulike koenzymer der nukleotider inng?r som bestanddel. De to andre hovedgruppene av makromolekyler, lipider og sakkarider, antas ? ha blitt rekruttert tidlig inn i de gryende kompleksene som ble til liv. Det tette samspillet mellom de ulike typene makromolekyler betyr at det ikke bare er informasjonen innebygget i replikatorene, men ogs? milj?et rundt dem som m? overbringes eller "arves" n?r levende organismer formerer seg. Det er p?takelige sprang eller diskontinuiteter i utviklingen. En av dem er fra prokaryote til eukaryote celler, en annen fra encellede til flercellede organismer. En teori g?r ut p? at sprangene ble muliggjort ved at replikatorene ble stadig mer p?litelige i sin overf?ring av informasjon (bedret ?signal-st?y?-ratio) og dermed kunne opprettholde st?rre informasjonsmengder. Elementer som bidrar til dette var overgang fra RNA til DNA, DNA-reparasjon, DNA-metylering og pakking av DNA. Mekanismer for evolusjon, inklusive seksuell seleksjon Evolusjon skjer ved endring av allelfrekvenser og dermed av fenotypefrekvenser i populasjonen. De populasjonsgenetiske kreftene eller mekanismene som endrer frekvensene er mutasjoner og seleksjon (i samsvar med darwinismen, eller rettere ny-darwinismen, der genetisk teori er inkorporert i Darwins l?re). I tillegg kommer to andre mekanismer; genetisk drift, som vil si frekvensendringer som skyldes tilfeldigheter, og seksuell seleksjon eller ikke-tilfeldig partnervalg (hos menneske f eks valggifte og inngifte). Disse kreftene vil p?virke Hardy Weinberg likevekten. Allerede Darwin gjorde oppmerksom p? betydningen av seksuell seleksjon for evolusjon. Den klassiske mendelske bruken av genbegrepet forutsetter for?vrig kj?nnet formering. Vi skal derfor ogs? se n?rmere p? hva sex egentlig er (rent teoretisk sett), hvordan sex har oppst?tt, fordeler og ulemper ved sex, hva seksuell seleksjon best?r i og hvilke konsekvenser kj?nnet har for reproduksjonsstrategi. Evolusjon av proteiner og DNA Mens utviklingsl?ren tidligere var henvist til observasjoner av ytre former av n?levende og utd?dde arter, kan vi n? studere DNA-molekylenes informasjon direkte og avlede utviklingsforl?p og slektskap mellom artene fra dem. Forskjellige mutasjonshastigheter i DNA, f eks i mitokondriegenomet og i ulike gener i det nukle?re genomet, gir oss ?evolusjonsklokker? som tikker med forskjellig hastighet, og som kan brukes til ? ansl? tidsforl?p i arters og menneskets utvikling. N?r forskerne finner frem til nye sekvenser av DNA og proteiner, er det n?dvendig ? finne hvor i det molekyl?re utviklingstreet sekvensene h?rer hjemme. Vi skal derfor mer systematisk studere prinsipper for inndeling av proteiner i familier og superfamilier, og se p? ulike mekanismer for utvikling av proteiner ved genduplisering og divergens gjennom mutasjoner, kombinering av preeksisterende peptider og ved stokking av moduler eller doméner. Herunder skal vi ogs? se p? s?kalte mobile genetiske elementer og mulighetene for ?horisontal? overf?ring av gener. Det humane genomprosjektet Kunnskap om proteinutvikling er av betydning for ? kunne m?te informasjonsstr?mmen fra det humane genomprosjektet. Dette prosjektet utvikler seg raskt, med forventet avslutning ca ?r 2005. Resultatene formidles i stor utstrekning i form av informasjon om fellestrekk og slektskap mellom gener og hvordan man kommer frem til slik kategorisering ved sekvensanalyser og statistiske tester. Prosjektet omfatter ogs? kartlegging og sekvensering av flere andre arters genomer. De enorme informasjonsmengdene betyr helt nye utfordringer for innsamling, analyse av og tilgang til data. Store gendatabanker er opprettet og er forbundet i internasjonale nettverk. Behandling av data i dette informasjonssystemet er blitt et nytt fag: biocomputing. Prosjektet har ogs? medf?rt en rivende teknologiutvikling, spesielt med hensyn til automatisert utstyr for DNA-analyser og -sekvensering. Genomprosjektet vil ha vidtrekkende konsekvenser for fremtidens medisin, f?rst og fremst i form av nye diagnostiske og terapeutiske muligheter, men vil ogs? bety en rekke nye etiske, legale og sosiale utfordringer.
UKE 13 Integrert metabolisme
Regulering p? enzymniv? Stoffskiftet har som hovedhensikt ? produsere kjemisk energi i form av ATP, samt reduserende forbindelser som NADPH og byggesteiner for biosyntese av cellekomponenter. Det utgj?r et komplekst nettverk av enzymatiske reaksjoner hvor regulering av enzymenes aktivitet ved allosteriske interaksjoner og reversible kovalente modifikasjoner spiller avgj?rende rolle. Allosterisk kontroll er ofte knyttet til irreversible trinn i en reaksjonskjede ved tilbakemeldingsmekanismer som gir enzymet mulighet for rask endring av aktivitetsniv?et. Kovalente modifikasjoner best?r ofte av p?- og avkobling av fosfatgrupper. Ved kovalente modifikasjoner av enzymer/signalstoffer i flere p?f?lgende ledd innen en signalvei oppn?s en kaskadeeffekt som raskt f?rer til store aktivitetsendringer. Regulering p? genniv? Syntese og degradering av mange regulatoriske enzymer kontrolleres ved hormonell regulering p? DNA-niv?. I motsetning til regulering p? enzymniv?, er regulering p? genniv?et en langsom prosess - mens allosteriske interaksjoner varer fra millisekunder til sekunder og kovalende modifikasjoner fra sekunder til minutter, strekker regulering p? genniv? seg ofte over flere timer til flere d?gn. Topografisk kontroll I motsetning til prokaryoter er den eukaryote celle delt opp i membranavgrensede rom. Denne kammerdelingen muliggj?r romlig adskillelse av nedbrytning og nysyntese. S?ledes finner fettsyreoksidasjonen sted i mitokondriene og peroksisomene, mens fettsyresyntesen foreg?r i cytosol. H?yere eukaryoter er ogs? karakterisert ved at de inneholder organer med ulike metabolske aktiviteter. Dette muliggj?r rasjonell og effektiv metabolsk kontroll og funksjonsfordeling. Regulering av reaksjonsveier Glykolysen og sitronsyresyklus med elektrontransportkjeden har som hovedfunksjoner ? danne ATP og fremstille byggesteiner til biosyntese. Begge reaksjonsveiene er n?ye styrt ved allosterisk enzymregulering av energiniv?et i cellen. I lever og nyre kan glukose syntetiseres via pyruvat. Glykolyse og glukoneogenese er resiprokt regulert via ulik allosteriske effekter av metabolitter p? n?kkelenzymer. Syntese og degradering av glykogen g?r via to forskjellige veier, som er resiprokt regulert slik at syntesen er inaktiv n?r degraderingen er aktiv og omvendt. Fettsyresyntese og -degradering, som foreg?r i to ulike rom, er kontrollert av cellens energiniv?. Ved lite energi (lav ATP- og h?y AMP-konsentrajon) og under aerobe forhold stimuleres fettsyrenedbrytning. Samtidig vil respirasjonskjeden g? for fullt med hurtig regenerering av NAD+ og FAD, to komponenter som er n?dvendige for ?-oksidasjonen av fettsyrer. Ved overskudd av karbohydrater vil et forh?yet sitratniv? stimulere acetyl-CoA-karboksylase, et n?kkelenzym i fettsyresyntesen. N?kkelsubstanser i metabolismen Glukose-6-fosfat, pyruvat og acetyl-CoA spiller n?kkelroller ved viktige metabolske veiskiller. Glukose som tas opp i en celle, omdannes raskt til glukose-6-fosfat som enten lagres som glykogen, degraderes til pyruvat gjennom glykolysen eller omdannes til ribose-5-fosfat via pentosefosfat-reaksjonsveien. Hvilken vei som velges er regulert av behovet for energi og byggesteiner. Pyruvat kan reversibelt omdannes til alanin ved en transamineringsreaksjon og til laktat under anaerobe forhold i muskel. Ved omsetning til acetyl-CoA kan pyruvat g? inn i fettsyresyntesen, syntese av kolesterol eller ketonlegemer og via sitronsyresyklus omsettes til CO2. Ved ? ta en snartur innom sitronsyresyklus kan pyruvat ogs? omdannes til glukose. Den tredje n?kkelforbindelsen, acetyl-CoA, er i store trekk omtalt i forbindelse med pyruvat. Merk at i pattedyrceller vil omsetningen av acetyl-CoA i glukoneogenese ikke gi nettoutbytte av glukose, slik at vi ikke kan omdanne lipider til karbohydrater. (Mange bakterier og planter kan foreta slik omdanning, via en reaksjonsvei som har mange steg felles med sitronsyresyklus.) Organinteraksjoner, stabilisering av blodglukose Niv?et av glukose i blodet holdes p? et jevnt niv? tross store variasjoner i det daglige karbohydratinntaket. Leveren og de to pankreashormonene insulin og glukagon spiller her en vesentlig rolle. Ved stort inntak av glukose vil leveren som svar p? hormonsignaler (insulin) og ?kt konsentrasjon av blodsukker ta opp og lagre store mengder glukose i form av glykogen. Det h?ye insulinniv?et etter inntak av et karbohydratrikt m?ltid f?rer ogs? til ?kt opptak av glukose i muskel og i fettvev, hvor det lagres som henholdsvis glykogen og lipid. Ved faste, hvor blodglukosen synker, synker insulinniv?et mens glukagonniv?et ?ker. Dette f?rer til at glykogen nedbrytes i leveren og glukose frigj?res, samtidig som fettsyrer fra fettvev overf?res til muskel og lever og delvis erstatter glukose som brensel. Diabetes mellitus, som kan skyldes nedsatt insulinproduksjon i pankreas, er karakterisert ved unormal energimetabolisme. Det er ?kt frigj?ring av glukose fra leveren, mens opptaket i andre organer er redusert.
UKE 14 Elektrisk informasjonsoverf?ring
Eksiterbare membraner Som vi l?rte i uke 1, skjevfordeler cellen natrium- og kaliumioner over membranen ved aktiv, ATP-forbrukende transport, slik at vi f?r overvekt av kaliumioner p? innsiden og natriumioner p? utsiden av membranen. Som resultat av skjevfordelingen samt forholdsvis mange ?pne kaliumkanaler med passiv lekkasje av kaliumioner ut av cellen oppst?r det et membranpotensial, der innsiden av cellemembranen har en negativ ladning p? mellom -40 og -90 mV i forhold til utsiden. I noen celler er dette potensialet ustabilt fordi spenningsregulerte ionekanaler forbig?ende kan ?pne seg n?r membranpotensialet endres litt. Dermed kan det oppst? en selvforsterkende effekt som f?rer til at membranpotensialet raskt og forbig?ende blir positivt. Vi kaller dette ?eksitasjon?, membraner som kan endre den elektriske spenningen p? denne m?ten ?eksiterbare membraner?, og den kortvarige positive spenningsforskjellen ?aksjonspotensialet?. Ulike celletyper, bl a nerve- og muskelceller, kan danne aksjonspotensialer. Blir f?rst et aksjonspotensial utl?st, sprer det seg hurtig langs cellemembranen, i nervecellene langs aksonet. Spredningen av aksjonspotensialet er grunnlaget for nerveimpulser og all presis informasjonsoverf?ring i kroppen. Synaptisk transmisjon Aksjonspotensialet sprer seg bare langs cellens yttermembran og kan derfor ikke uten videre overf?res fra celle til celle. I noen tilfelle skjer dette via nexus (omtalt i uke 11), men vanligvis er ikke nerveceller knyttet til hverandre eller til andre celltyper med slike kontakter. Informasjonen overf?res i stedet i spesialiserte omr?der (synapser) hvor aksjonspotensialet f?rer til at det frigj?res molekyler, transmitter-substans, som kan binde seg til membranen p? neste celle. Transmittersubstansen skilles ut ved eksocytose. Binding av transmittersubstans til reseptorer i neste celle f?rer i sin tur til ?pning av ligandregulerte ionekanaler og p?f?lgende endring av membranpotensialet i den postsynaptiske membranen. En nervecelle har synaptisk kontakt med mange andre nerveceller. Antall signaler som kommer inn til synapsen og hvilke ionekanaler som ?pnes, avg?r om signalet bringes videre som et aksjonspotensial i neste celle. Dette er grunnlaget for integrering av nervesignalene i sentralnervesystemet. Bare i forbindelsen mellom nervecelle og muskel vil hvert aksjonspotensial som kommer inn til synapsen f?re til et aksjonspotensial og kontraksjon i muskelcellen. Mange bakterietoksiner og andre gifter som vi finner i naturen, virker inn p? disse mekanismene for nerveledning og signaloverf?ring i synapser. Nerveceller og -vev Nerveceller er kjennetegnet ved sine lange utl?pere; de lengste nervecellene i kroppen er omtrent like lange som oss selv. I denne uken skal vi se p? hvordan nervecellene organiseres i spesialisert nervevev, der ulike st?tteceller spiller en betydningsfull rolle for nervecellenes aktivitet. Spesielt skal vi studere st?tteceller som omgir aksonene, dvs utl?perne som leder impulser ut mot andre celler. Ved ? vikle seg rundt aksonene danner st?ttecellene myelinskjeder, som gj?r at nerveimpulsene ledes langt raskere langs aksonene.
UKE 15 Kommunikasjon
I en flercellet organisme er kommunikasjon mellom celler n?dvendig for regulering av cellers deling, vekst, bevegelser og d?d, deriblant deres m?ter ? organisere seg p? til vev og organer, og for samordning av deres spesialiserte funksjoner. Kommunikasjonen kan skje p? tre m?ter: 1) via l?selige signalmolekyler (hormoner/ lokalhormoner/ cytokiner, transmittere) som skilles ut og p?virker andre celler (endokrin, parakrin og synaptisk stimulering) eller samme (type) celle (autokrin stimulering), 2) ved direkte kontakt mellom molekyler bundet til overflaten av celler, og 3) via direkte kommunikasjonskanaler (nexus). I denne uken skal vi konsentrere oss om den f?rste av disse. I uke 13 og 14 studerte vi noen eksempler p? slik kommunikasjon (hhv insulin/ glukagon og synaptisk transmisjon). Som vi skal se i denne uken er det stort antall kommunikasjonsveier, som til sammen danner et komplisert informasjonsnettverk. Forstyrrelser i formidlingen av signaler gjennom nettverket spiller en sentral rolle i mange sykdommer, og mange medikamenter griper inn i prosessene.
Signalmolekyler, reseptorer og signaltransduksjon
Det er mange ulike typer l?selige signalmolekyler, deriblant proteiner, peptider, aminosyrer, nukleotider, ulike lipider og endog gasser, som NO. De virker ved ? binde seg til spesifikke reseptorer p? eller i mottagercellen. De deles i to hovedgrupper, de lipidl?selige eller hydrofobe, som kan passere cellemembranene, og de hydrofile, som vanligvis ikke kan det. Lipidl?selige signalmolekyler bindes vanligvis til intracellul?re reseptorer. De fleste signalmolekylene er hydrofile, med reseptorer som sitter p? overflaten av mottagercellene (som vi har sett eksempler p? ved synaptisk transmisjon). Binding til reseptoren formidler s? signaler gjennom membranen inn i cellen. Signalmolekylets affinitet for reseptor varierer for ulike systemer, og reflekterer bl a lokalkonsentrajonene av signalstoffer (f eks er reseptorenes affinitet for transmittersubstanser i synapsene som regel lav, hvilket gjenspeiler at lokalkonsentrajonen av transmittersubstans er h?y). Type og konsentrasjon av reseptorer p? overflaten av en celle avgj?r cellens f?lsomhet for et signalmolekyl. Etter binding av ligand kan reseptor/ligand-komplekset internaliseres ved endocytose og brytes ned. Dette er en viktig m?te ? regulere cellens signalf?lsomhet p?. Overf?ring av signalet fra utsiden til innsiden av cellen kalles signaltransduksjon. I prinsippet kan transduksjonen formidles gjennom tre ulike systemer: ved p?virkning av ione-kanaler, gjennom G-proteinbundne reseptorer og gjennom enzymbundne reseptorer. Noen celleadhesjonsmolekyler kan utl?se signaloverf?ring p? tilsvarende m?te.
Sekund?re budbringere og proteinfosforylering
P? innsiden av membranen og videre inn i cellen formidles signalene videre av s?kalte sekund?re budbringersystemer. De viktigste er kalsiumioner, syklisk AMP og syklisk GMP, inositoltrifosfat (IP3) og diacylglyserol (DAG). En rekke n?kkelmolekyler i cellen reguleres ved p?- eller avhekting av fosfatgrupper til aminosyrene serin/threonin eller tyrosin ved hjelp av proteinkinaser og proteinfosfataser, alternativt ved ? skifte ut bundet GDP med GTP, som s? kan hydrolyseres til GDP (hvilket er analogt med ? hekte p? og av en fosfatgruppe). Proteiner med bundet GDP/GTP kalles generelt for G-proteiner. Det finnes to hovedtyper av dem, trimere og monomere. Det finnes til sammen mange tusen ulike proteinkinaser og -fosfataser med ulike spesifisiteter og funksjoner. Mange av disse virker i serie etter hverandre. Siden hver kinase kan p?virke mange nye m?lproteiner, utl?ses kaskadereaksjoner med forsterkning i hvert ledd, slik at initialt svake signaler leder til kraftige effekter intracellul?rt. Signalveier med flere p?f?lgende ledd betyr ogs? ?kte muligheter for kontroll med signalene og integrasjon av ulike signalveier. I uke 13 og 14 s? vi eksempler p? slutteffekter av signalveiene, hhv nedbrytning av glykogen og muskelkontraksjon. Vi kan ogs? f? effekter p? genekspresjon, ved at signalveiene p?virker aktiviteten til transkripsjonsfaktorer. Spesielt viktig er aktivering/inaktivering av gener for signalreseptorer. Dermed kan signalstoffer p?virke cellers f?lsomhet for andre signalstoffer, som eksempel p? interaksjon mellom ulike signalveier.
UKE 16 Celledeling, - Differensiering, - Skade og - D?d
Celledeling Regulering av cellevekst, -differensiering, -deling og -d?d er n?ye avstemte prosesser av grunnleggende betydning for utvikling og vedlikehold av ulike vev. I uke 5 og 6 s? vi kort p? mitosen og cellesyklus, med replikasjon av DNA og segregering av de replikerte kromosomene til dattercellene. I denne uken skal vi se n?rmere p? reguleringen av disse prosessene. Kontrollmekanismer regulerer n?r replikasjons-maskineriet skal settes i gang. N?r DNA-replikasjon f?rst er p?begynt er det viktig at alt DNA replikeres, dvs at deling ikke begynner f?r alt DNA er ferdig fordoblet, og at ingen deler av DNA replikeres mer enn én gang. Begge deler er gjenstand for n?ye kontroll. I M-fasen er det kontrollpunkter som regulerer mitosemaskineriet, som bl a hindrer overgang til anafase f?r alle kromosomene er festet til delingsspindelen og i korrekt posisjon i metafaseplaten. Cellesyklus omfatter ogs? centrosomsyklus, med fordobling og vandring av sentriolene og dannelse av delingspindelen, samt regulering av disse hendelsene. I tillegg dobler celler sin masse og inneholdet av organeller, som s? fordeles p? dattercellene ved cytokinese, der delingsplanet styres av centrosomenes posisjon. Cellesyklus utgj?r dermed et komplekst sett av cytoplasmatiske og nukle?r prosesser, som m? koordineres n?ye. V?r viten om hvordan cellesyklus reguleres har ?kt sterkt i l?pet av de siste ?rene. Sentralt i reguleringen st?r cellesyklusregulerte syklinavhengige protein-kinaser (Cdk). Ulike Cdk er aktive i ulike faser av cellesyklus. De aktiveres ved binding av proteiner som kalles sykliner, og av spesielle protein-kinaser og -fosfataser og inhiberes av spesielle hemmere - CKIer. En Cdk er dermed eksempel p? hvordan noen proteiner kan integrere informasjon fra flere kilder. Celledifferensiering Etter deling kan datterceller utvikle seg i ulike retninger fra hverandre eller fra morcellen og f? ulik fenotype og funksjoner. Dersom disse nye egenskapene er stabile og ved eventuell nye delinger overf?res til dattercellene, kaller vi dette celledifferensiering. Differensieringen er resultat av ekspresjon av regulatoriske gener. Disse er aktive lenge f?r cellene f?r ytre tegn p? at de har valgt nye utviklingsretninger. Valg av retning uten at det enn? er kommet synlige kjennetegn p? differensiering kalles determinering. Celledifferensiering er spesielt viktig under fosterutvikling og vil derfor ytterligere omtales i uke 19, men foreg?r ogs? senere i livet i mange vev, f eks i benmarg, tarmepitel, overhud og testikler. I disse vevene finnes det udifferensierte stamceller som foretar asymmetriske celledeling, hvorav en av dattercellene p?begynner differensiering. Celleskade og celled?d Akutt og kronisk celleskade ytrer seg i ulike morfologiske forandringer av cellene. Kunnskap om disse forandringene er viktig for patologisk diagnostikk. Er celleskaden tilstrekkelig omfattende d?r cellen ved en prosess som kalles nekrose. Vi har en annen form for celled?d, apoptose, eller programmert celled?d. Dette er en fysiologisk form for celled?d, dvs den er tilsiktet og hensiktsmessig. I en flercellet organisme er regulering av celled?d like viktig som regulering av vekst og deling. Apoptose er da ogs? n?ye kontrollert, styrt av ulike signalstoffer og signalveier og er en aktiv, energikrevende prosess. Nekrose og apoptose kan skilles ved hjelp av morfologi og biokjemiske kjennetegn.
UKE 17 Kreftuvikling, onkogener og virus
Virus Virus er mobile genetiske elementer, der arvestoffet utgj?res enten av DNA eller RNA og med en proteinkappe, eller kapsid, rundt. Noen virus har i tillegg en ytre membran. Virus er langt mindre enn celler, men kan likevel formere seg og p?virke omgivelsene til ? fremme sin reproduksjon. De har imidlertid ikke eget stoffskifte, men er avhengig av celler for ? formere seg og fyller dermed ikke kriteriene for ? kunne defineres som levende organismer. Det er tallrike ulike typer av virus. I denne uken skal vi se p? generell oppbygging av virus, hvordan de bruker cellen til ? formere seg og konsekvensene av dette for cellens biologi. Spesielt skal vi se hvordan DNA dannet ved revers transkripsjon fra noen typer RNA-virus, kalt retrovirus, kan skyte seg inn i vertscellenes DNA og replikeres sammen med dette. Det er flytende overgang mellom virus og andre mobile genetiske elementer, som plasmider, som er viktige ekstrakromosomale genetiske elementer i prokaryote celler, og transposoner/retrotransposoner, som finnes i store mengder i v?rt DNA. Kreftutvikling (karsinogenese) Mellom 1/4 og 1/3 av befolkningen rammes av kreft, som skyldes at celler unndrar seg normal delingskontroll eller ikke d?r n?r de skal. Kreft for?rsakes av skader p? DNA, der det kreves samtidig tilstedev?relse av flere mutasjoner i en enkelt celle f?r den gjennomg?r s?kalt malign transformasjon. Noen av mutasjonene kan v?re nedarvet, men de ?vrige kommer til som somatiske mutasjoner i l?pet av individets liv. Mutasjonene er fremkalt av s?kalte mutagene eller karsinogene agens: ulike typer kjemiske stoffer, virus og energirik str?ling. Gener som endres i kreftceller og bidrar til utvikling av kreft, deles i to hovedgrupper: protoonkogener og tumor-suppressorgener (bremsegener). Protoonkogener, som f eks ras og myc, koder for proteiner som normalt deltar i signalveiene som regulerer cellevekst og -deling. Ved mutasjoner (f eks punktmutasjoner, amplifikasjoner eller translokasjoner) kan de bli hyperaktive og medf?re vedvarende aktivering av signalveier som stimulerer celledeling, uten ekstern stimulering av signalveien. De muterte genene kalles da onkogener. Tumorsuppressorgener, som Rb og p53, blir derimot inaktivert i tumorceller, f eks ved delesjoner eller punktmutasjoner. De spiller normalt sentrale roller i regulering av cellesyklus og induksjon av apoptose. p53 er mutert i omtrent halvparten av alle humane krefttilfelle, og koder for en multifunksjonell transkripsjonsfaktor, som samordner cellul?re responser p? DNA-skade. Eksempel p? at mutasjoner av gener som kontrollerer programmert celled?d kan f?re til kreft, er bcl-2-genet. Siden DNA-skade og mutasjoner spiller en s? sentral rolle i utviklingen av kreft, er det forst?elig at defekter i mekanismene for DNA-reparasjon disponerer for utvikling av kreft (sml uke 5). Retrovirus, f eks Rous-sarkomviruset, kan fremkalle kreft ved ? bringe med seg onkogener eller ved ? for?rsake mutasjoner av genomiske protoonkogener og tumorsuppressorgener (i Rous-sarkomviruset er det onkogenet src, som koder for en tyrosin-kinase).
UKE 18 Befruktning og differensiering (Embryologi)
Gametdannelse og befruktning Det biologisk viktigste steget i kj?nnet formering utgj?res av meiosen, der kromosomtallet i humane celler reduseres fra 46 (diploid) til haploid (23). Ved overkrysninger og uavhengig fordeling av paternelle og maternelle kromsomer dannes nye kombinasjoner av gener i gametene, som er fellesbetegnelsen p? de haploide egg- og s?dcellene. Vellykket befruktning av eggcellen krever at s?dcellene gjenkjenner eggcellen som m?lcellen de skal penetrere og at de f?r brutt ned kransen av follikelceller og membranen, zona pellucida, som omgir egget. Samtidig m? egget hindre befruktning av flere enn én spermie. Den befruktede eggcellen kalles zygoten og gir opphav til alle kroppens celler. Embryogenese I zygoten utl?ses et program av raske celledelinger der dattercellene fordeles romlig etter presise m?nstre. M?nstrene varierer noe mellom arter som st?r langt fra hverandre i fylogenesen; vi skal konsentrere beskrivelsen om utviklingen av det humane, dvs pattedyrembryoet. I de f?rste fire ukene utvikles den trelagede fosterskive, med tre "kimlag" av celler opp? hverandre, ekto- meso- og entodermen. Ulike typer vev og organer dannes fra de tre kimlagene, fra ektodermen f eks hud og nervesystemet, fra mesodermen mesteparten av bindevevet, samt blod?rer og hjertet, og fra entodermen tarm og assosierte organer som f eks lunge, lever og bukspyttkjertel. Vi skal n?ye oss med ? se p? utviklingen av nevralr?ret. I de neste fire ukene, den organogenetiske perioden, er alle st?rre organsystem i prinsippet utviklet. Morfogenetiske prinsipper Kanskje den st?rste teoretiske utfordring biologien st?r overfor i dag er ? forklare morfogenesen, dvs hvordan flercellede organismer med sin kompliserte tredimensjonale oppbygging, vokser frem under instruksjon av informasjon kodet i line?re DNA-molekyler. De grunnleggende morfogenetiske prinsipper er felles for alle flercellede dyrearter (metazoa), ogs? mht molekylene og signalsystemene som er involvert. Kunnskap om morfogenese bygger i dag vesentlig p? studier av modelldyr, som rundormen Caenorhabditis elegans, bananflue og zebrafisk. Teratogener vil si faktorer som fremkaller medf?dte misdannelser. Mutagene midler, som str?ling, virus og kjemiske midler, utgj?r en viktig gruppe teratogener, men misdannelser kan ogs? fremkalles p? andre m?ter, f eks ved mangel p? vitaminer eller andre sporstoffer og eksponering for stoffer med hormonell virkning eller andre former for forstyrrelse av celldeling, -vandring og -d?d. Transgene dyr og ?knock-out?-mus I eksperimentell biologi brukes i stadig ?kende grad dyr, spesielt mus, som har f?tt ?transplantert? gener inn p? embryonalt stamcellestadium, s?kalte transgene dyr. Genene kan v?re satt under kontroll av ulike promotorer, slik at de kan uttrykkes i spesielle vev eller ved tilsetning av ulike stoffer (induserbare promotorer). Man kan p? denne m?ten gj?re funksjonelle studier av genproduktet i intakte organismer. Man kan ogs? studere n?r i fosterutviklingen ulike promotere aktiveres ved ? ?transplantere? promotere med ?rapporteringsgener? satt inn etter promotoren. Omvendt kan man studere betydningen av ulike genprodukter ved ? inaktivere gener, enten kodende region ved f eks ? sette inn tidlige stoppkodoner eller ved ? setter inn defekte promotere i stedet for den normale varianten. Dette krever at man setter inn det forandrede genet n?yaktig der hvor normalgenet befinner seg, dvs at man foretar s?kalt homolog rekombinasjon. Dyr (mus, bananfluer mm) som har f?tt ?sl?tt ut? gener p? denne m?ten, kalles generelt ?knock-out? dyr.
UKE 19 Kromosomsykdommer og etikk
Cytogenetikk Kromosomavvik er ?rsak til mer enn 50% av spontanaborter, mer enn 5% av d?df?dsler og n?r 1% av utviklingsavvik hos f?dte personer. En type kromosomavvik er et unormalt antall kromosomer. Vi s? i uke 5 hvordan kromosomene normalt fordeler seg til kj?nnsceller i meiosen. Unormal fordelingen av kromosomene i meiosen kan v?re ?rsak til et unormalt antall kromosomer. Ved en annen type kromosomfeil, kan antall kromosomer v?re normalt, men noen av kromosomene v?re abnorme. Begge typer kromosomavvik kan f?re til kromosomsykdommer, blant andre Down syndrom (tidligere kalt mongolisme). Kromosom-sykdommene er hyppig ?rsak til psykisk utviklingshemming. Prim?rlegen har n? et betydelig st?rre ansvar for omsorgen for disse pasientgrupper enn tidligere, og dere vil i denne uken l?re om hvordan noen av disse sykdommene oppst?r.
Etikk ved genetiske tester Anvendelse av molekyl?rgenetikk p? mennesket, og h?ndtering av genetiske sykdommer der det inng?r genetiske tester, ogs? kromosomanalyse, er regulert av Lov om medisinsk bruk av bioteknologi. Det er ogs? gitt regler om hvordan man skal forholde seg til familiemedlemmer som har ?kt risiko for ? f? en arvelig sykdom, men som ikke selv er klar over det. Kjennskap til denne loven er en forutsetning for at vi som leger skal kunne delta i samfunnsdebatten om dette ?mfintlige tema.