Innehåll. Del 1 Cellbiologi. En del oligosackarider fungerar som adresslappar 28 Bakterier fäster till kolhydratstrukturer 28.

Transkript

1 Innehåll Cellbiologi Förord 11 Del 1 Cellbiologi 1 Den levande cellen 15 Hur uppstod livet? 15 Prokaryota celler 16 Eukaryota celler 17 Högre organismer har specialiserade celler 17 2 Kolhydrater 19 Kolhydrater är polyhydroxyaldehyder eller ketoner 19 Monosackarider är de enklaste kolhydraterna 19 Monosackarider har asymmetriska centra 20 Monosackarider förekommer i cykliska former 20 Det finns ett stort antal derivat av hexoser 20 Monosackarider är reducerande 21 Disackarider innehåller en glykosidbindning 22 Polysackarider 23 Polysackarider har inte någon definitiv storlek 23 Stärkelse och glykogen ger energi 23 Cellulosa är en strukturell polysackarid 24 Heteroglykaner finns extracellulärt 25 Proteoglykaner består av protein och heteropolysackarider 26 Glykoproteiner är proteiner med kovalent bundna kolhydrater 27 En del oligosackarider fungerar som adresslappar 28 Bakterier fäster till kolhydratstrukturer 28 3 Fetter 29 Triacylglycerol består av fettsyror och glycerol 31 Triacylglycerol ger energi 32 Fria radikaler paradoxen med syre 32 Tvål bildas vid alkalisk hydrolys 33 Lipaser spjälkar fetter 33 Vaxer är estrar av långa fettsyror 33 Amfifila lipider interagerar med vatten 33 Fosfolipider är den vanligaste membranlipiden 33 Fosfolipaser bryter ner membranfosfolipider 34 Plasmalogen är en fosfolipid med en eterbindning 35 Sfingolipiders funktion var en gåta 36 Kolesterol finns i cellmembraner 37 4 Proteiner 39 Vad består proteiner av? 39 Proteiner byggs upp av aminosyror 39 Peptidbindning länkar samman aminosyrorna i ett protein 40 Det finns fyra nivåer av proteinstrukturer 43 α-helix förekommer ofta i proteiner 43 β-konformationen bildar en utsträckt struktur 45 β-turn bildar en abrupt svängning 46 Konformationen hos ett protein stabiliseras av svaga interaktioner 46 3

2 Polypeptider veckar sig stegvis 46 Proteiner kan denatureras 47 Sambandet mellan struktur och funktion 47 Proteiner kan vara transportmolekyler 47 Myoglobin finns i skelettmuskler 48 Hemoglobin består av fyra myoglobiner 49 2,3-bifosfoglycerat minskar affiniteten mellan syre och hemoglobin 49 En minskning av ph sänker affiniteten för syre 50 Vid sickelcellanemi är en aminosyra i hemoglobin felaktig 51 Sjukdomsanlag ger en fördel 51 Proteiner kan vara receptorer 51 Proteiner kan ha en strukturell uppgift 52 Kollagen bildar ett stabilt nätverk extracellulärt 52 Trippelhelixmolekylen stabiliseras av prolin 52 Kollagen syntetiseras som prokollagen 52 Hur ser en kollagenfiber ut? 54 Fibronektin förmedlar cellens kontakt med omgivningen 54 5 Enzymer 55 Active site det ställe på enzymet där reaktionen sker 57 Active site kan innehålla aminosyran serin 57 Varför har enzymer en så kraftig katalytisk förmåga? 58 Vilka katalytiska mekanismer finns? 59 Enzymer är beroende av ph 59 Enzymkinetik 59 Effekten av substratkoncentrationen på enzymreaktionen 60 K m beskriver affinitet mellan enzym och substrat 60 Michaeli-Mentens ekvation inverteras 61 Enzymer beskrivs genom turn-over number 61 Temperaturen påverkar enzymkatalyserade reaktioner 62 Alloster reglering ämnen binder sig till enzymet 63 Många allostert reglerande enzymer är kooperativa 65 Kovalent modifiering vid enzymreglering 66 Fosforylering av enzymer 67 Reglering av enzymsyntes 70 Vissa enzymer har kofaktorer 70 Enzymklassificering 72 6 Cellmembranet och membrantransport 73 Membraner bildas av fosfolipider 73 Innehåll av protein och kolhydrater varierar för olika membraner 73 Membranproteiner 74 Membraner är flytande 75 Proteiner och lipider har en asymmetrisk fördelning i cellmembranet 75 Transport över cellmembranet 75 Hur transporteras ämnen över ett cellmembran? 75 Fri diffusion gäller små oladdade molekyler 75 Faciliterad diffusion för vissa polära molekyler 76 Aktiv transport kräver energi 77 Det finns en stor familj av jonpumpar 78 Vissa transporter drivs av jongradienter 79 Upptag regleras genom antalet transportmolekyler 79 7 Kärnan 81 Kärnhöljet består av två membraner 82 8 Mitokondrier 83 Mitokondriens utseende 84 Mitokondrier står för den oxidativa metabolismen 84 Hur omvandlas oxidationsenergi till ATP? 84 4

3 Elektroner transporteras från NADH till syre 85 Energin i protongradienten används för att tillverka ATP 85 Urkoppling ger värme istället för ATP 86 Regleringen av elektrontransporten sker via ATP-produktionen 86 Bakterier producerar ATP från olika ämnen 86 Mitokondrierna har eget DNA 87 Generna i mitokondrierna överförs via modern 88 Den moderna människan härstammar från Afrika 88 9 Lysosomer 89 Försämrad lysosomal nedbrytning Peroxisomer Intracellulär sortering 93 Sorteringen sker med hjälp av signalpeptider 94 Sortering till kärnan 94 Upptag av mitokondriens proteiner 95 Upptag av proteiner i peroxisomen 95 Endoplasmatiska retiklet 95 Glykosylering av proteiner 97 Membranlipider tillverkas i ER Golgiapparaten 99 Varför sker det en glykosylering av proteiner? 100 Proteolytisk processning sker i Golgiapparaten 100 Lysosomala enzymer har mannos-6- fosfat 101 Sortering av proteiner till sekretoriska granula 102 Membranfusion och exocytos Cytoskelettet 105 Aktinfilament 105 Aktinfilamenten bildar nätverk 105 Mikrotubuli 106 Intermediärfilament Cell-celladhesion och extracellulärmatrix 109 Epitelial vävnad hålls ihop av adhesionsproteiner 109 Tight junctions bildar en barriär 109 Adherens junctions klarar påfrestningar 110 Gap junctions tillåter cellkommunikation 110 Inom nervsystemet finns särskilda adhesionsmolekyler 111 Extracellulärmatrix 111 Kollagen ger stadga i extracellulärmatrix 113 Cellmatrix interaktion via adhesionsproteiner och cellyteproteoglykaner Cellcykeln 115 Celldelningen karaktäriseras genom cellcykeln 115 Mitosens olika faser 116 Reglering av cellcykeln sker på olika nivåer 116 Den autonoma kontrollen av cellcykeln (Nivå 1) 118 Reglering genom tillväxtfaktorer och tillväxthämmande faktorer (Nivå 2) 120 Övriga faktorer som styr celldelningen (Nivå 3) 122 Meios Cellsignalering 125 Man skiljer på endokrina, parakrina och autokrina signaler 125 Receptorer i plasmamembranet eller intracellulärt 126 Resistens fås på receptor- och postreceptornivå 126 Svar via membranreceptor 126 Vilka intracellulära signalsystem finns? 128 Hormonsvar via cykliskt AMP 128 Hormonsvar via inositoltrifosfat och kalciumjoner 132 Intracellulära receptorer 132 5

4 Kväveoxid och cgmp 133 Cross-talk mellan cellens signalvägar 133 En samtidig serin- och tyrosinfosforylering 134 Del II Molekylärbiologi 17 DNA och replikation 139 DNA bär den genetiska informationen 139 DNA-dubbelhelixstrukturen beskrevs först av Watson och Crick 140 De två kedjorna i dubbelhelixmolekylen är komplementära 140 Vid denaturering av DNA separeras de två kedjorna från varandra 141 DNA-molekyler är mycket långa men bildar kompakta strukturer 142 DNA-syntesen kan hämmas 142 DNA kan också vara cirkulärt 142 DNA-molekylen packas med proteiner 142 Histon H 1 hjälper till att packa samman nukleosomer 145 Kromosomen bildar den slutliga packningsformen av DNA 145 Graden av packning av DNA är kopplad till genernas aktivitet 145 I de flesta celler är 90 % av kromatinet inaktivt 146 Replikation av DNA 146 Det finns tre olika DNApolymeraser 147 Helikaser hjälper till vid uppvindlingen av DNA-dubbelhelixmolekylen 148 DNA-syntesen kräver en primer 148 DNA-polymeras bygger på DNA-kedjan i 3 -änden 149 Mutationer sker genom olika förändringar i bassekvensen 150 DNA repareras ständigt 150 Hur får man en förändring av arvsmassan? RNA och transkription 153 RNA-polymeras syntetiserar mrna efter instruktion av DNA-molekylen 153 RNA-polymeras vindlar upp DNA innan syntes kan ske 154 Vissa läkemedel hämmar transkriptionen 155 I den eukaryota cellen syntetiseras RNA genom tre olika polymeraser 155 Primärt transkript modifieras till moget mrna 156 Eukaryota gener består av exoner och introner 156 Introner bildar öglor och elimineras 156 RNA kan vara katalytiskt 158 Varför finns introner? Proteinsyntes och translation 163 Aminosyror måste först aktiveras 163 Aminoacyl-tRNA-syntetas- enzymerna är specifika 163 trna-molekylen har en bestämd struktur 163 Översättning från nukleinsyror till aminosyror den genetiska koden 164 De flesta trna-molekyler känner igen flera bastripletter 165 Syntesen av proteiner sker på ribosomer 166 Initiering av proteinsyntesen 167 Under elongeringsfasen adderas aminosyror 167 I slutfasen klyvs peptiden från P- site 169 Vissa antibiotika hämmar proteinsyntesen 169 Proteinsyntesen är i princip likartad hos prokaryota och eukaryota organismer Reglering av genexpression 171 Transkription av en gen styrs av dess promotor och enhancers 173 Prokaryota gener fungerar ofta tillsammans i operon 174 6

5 Laktos stimulerar sin egen användning 175 Normalt förhindras b- galaktosidasproduktion genom en repressor 175 Allolaktos avlägsnar repressorn från genen 175 RNA-polymeras måste aktiveras 175 Eukaryota gener kan koordineras genom locus control regions (LCRs) 176 Transkriptionsfaktorer har gemensamma drag 176 Steroidhormonreceptorn är en transkriptionsfaktor i cytoplasman 177 Modifieringar av kromatinet påverkar transkriptionen 178 Koaktivatorer och korepressorer är ofta kromatinmodifierande 180 Posttranskriptionell reglering 180 Translationell kontroll reglerar initiering av proteinsyntesen Några olika gener 183 Det finns flera olika hemoglobingener 183 Generna för hemoglobin är lokaliserade i den ordning de aktiveras 183 Thalassemier beror på mutationer av globingenen 184 Mitokondriellt DNA är självständigt 184 Mitokondriellt DNA ärvs från modern 185 Eva var svart bevis genom jämförelse av mitokondriellt DNA 185 Generna för immunoglobuliner 185 Hur bildas antikroppar? 186 Antikropparna bildas genom rekombination Onkgener, suppressorgener och malign transformation 189 Onkgener identifierades först i virus 189 Alla celler innehåller onkgener 190 Proto-onkgenerna fungerar på olika sätt 190 Omvandling av proto-onkgener till onkgener 192 Suppressorgener 193 Inaktiverade suppressorgener kan ärvas 193 Suppressorgener kan blockera celldelning och inducera apoptos 195 p53 är både onkgen och suppressorgen 195 Suppressorgener kan utgöra ett försvar mot aktiverade onkgener 196 Virus inaktiverar ofta suppressorgener 196 Malign transformation är en flerstegsprocess 196 Apoptos skiljer sig från nekros 197 Vid apoptos fragmenteras cellen 198 Apoptos utförs av caspaser 198 Cytokrom c-aktivering 199 Celldödsreceptoraktivering 200 Tillväxtfaktorer kan förhindra apoptos Några molekylärbiologiska metoder 201 Restriktionsenzymer är förutsättningen för genteknologiskt arbete 201 DNA-ligaser är ett annat viktigt redskap i rekombinant DNA-teknik 201 Identifiering av specifik gen sker genom hybridisering 202 Southern blotting används för att identifiera specifika DNA-sekvenser 203 Northern blotting används för att identifiera specifika RNA-sekvenser 203 Bestämning av sekvensen av DNA 204 Kloning av en gen 205 Vektorer behövs för att introducera en gen i bakterier och andra celler 207 Vad skiljer en kloningsvektor från en expressionsvektor? 208 Tillverkning av genomiskt bibliotek och cdna-bibliotek 208 Med hjälp av ett proteins aminosyrasekvens kan dess gen klonas 210 7

6 Polymerase chain reaction (PCR) används för att mångfaldiga en viss genregion 211 Hur upptäcks defekta gener? 212 Genetiska fingeravtryck 212 Expression av rekombinanta proteiner 213 Rekombinanta celler odlas i fermentorer 214 Nya proteiner kan tillverkas genom sitedirected mutagenes 214 HUGO-projektet har sekvensbestämt det humana genomet 215 Gener kan klonas med hjälp av datorbaserad sökning 215 Transgena djur har nya gener 215 Transgen teknik används för att kartlägga den fysiologiska rollen hos en gen och dess protein 215 HUGO-projektet gav överraskningar 216 Hur ser vi på oss själva i genomeran? Evolution och mutationer 219 Populationer utvecklas, inte individer 219 Livet började för fyra miljarder år sedan 219 I takt med ökad komplexitet har friheten minskat 220 Arvsmassan har ökat i mängd under evolutionen 221 Kopiering av gener gav upphov till genfamiljer 222 Upptag av främmande genmaterial ökar arvsmassan 223 Evolution genom mutationer 223 Arbetsfördelning i evolutionens syfte 224 Evolutionen arbetar efter principen Man tager vad man haver 224 Vad driver utvecklingen vidare? 225 Del III Energimetabolism 25 Översikt av metabolismen 229 Vad är liv? 229 Energi får vi genom födan 229 Hur får vi ut energi från våra födoämnen? 230 Vad är en oxidation? 230 Genom att andas kan vi förbränna våra födoämnen 231 Katabolismen är konvergent 231 Vad är ATP? 232 Hur använder vi ATP? Kolhydratmetabolismen 235 Glykolysen finns i alla celler 235 Anaeroba glykolysen är självförsörjande 236 Glykogen är upplagringsformen av glukos 237 Syntes av glykogen 237 Glykogensyntesen kräver energi 238 Glykogennedbrytning vid behov av glukos som energisubstrat 238 Glykogenfosforylas regleras genom fosforylering 238 Glukoneogenesen är livsnödvändig 239 De flesta aminosyror kan bilda glukos 239 Oxalacetat måste slussas ut ur mitokondrien 239 Glukoneogenes och glykolys sker inte samtidigt 239 Laktat som bildas vid muskelarbete omvandlas till glukos i levern Lipidmetabolismen 243 Kroppsfettet finns som triacylglycerol 243 Fettdepån gör att vi inte behöver äta ständigt och jämt 243 Degradering av triacylglycerol 243 β-oxidationen 243 När använder vi fettsyror som energisubstrat? 245 Ketonkroppar bildas vid kraftig fettnedbrytning 245 8

7 Hjärnan kan använda ketonkroppar som energisubstrat 246 Fettsyrasyntes 246 Fettsyror lagras som triacylglycerol Proteinmetabolismen 249 Protein i dieten 249 Proteinomsättning 249 Kvävebalans 250 Hormonell reglering av plasmaaminosyror 250 Ammoniumjoner omvandlas till urea och utsöndras Citronsyracykeln och andningskedjan 253 Intermediärerna i citronsyracykeln används för syntes av aminosyror 253 Citronsyracykeln är intimt kopplad till andningskedjan i mitokondrierna 254 Mitokondrien producerar energi 254 Hur får vi energi ut från mitokondrien? 255 Reglering av ATP-syntes Integrering av metabolismen 259 Dagligen genomgår vi en född fastecykel 259 Metabola effekter av fasta 260 Vilka mår bra av fasta? 261 Vilka hormoner är involverade i född fastecykeln? 261 Insulin frisätts i det födda tillståndet 261 Vilka enzymer aktiveras av insulin? 262 Hur regleras sekretionen av insulin? 262 Diabetes mellitus vid insulinbrist eller insulinresistens 263 Typ 2-diabetes till följd av insulinresistens 264 Glukagon frisätts vid fasta 264 Somatostatin förlångsammar digestion och absorption 264 Vid kortvarig fasta aktiveras sympatiska nervsystemet 265 Andra hormoner med metabola effekter 265 Kortison frisätts vid fasta 265 Tillväxthormon stimulerar proteinanabolism 265 Ordlista 267 Litteratur 279 Register 281 9