STUDIEHANDLEDNING. Allmänt

Transkript

1 STUDIEHANDLEDNING Allmänt Kursens syfte är att ge de studerande kunskaper om den molekylära grunden för cellers struktur och funktion. En förståelse för ämnet som möjliggör för studenten att självständigt läsa och förstå vetenskaplig litteratur inom ämnesområdet eftersträvas. De teoretiska studierna åtföljs av laborativa moment som avser att åskådliggöra betydelsefulla metoder, ge de studerande en viss praktisk färdighet i experimentellt arbete, en träning i samarbete och problemlösning, samt en ökad datorkompetens. *Stryer = Biochemistry, 6th edition (2006) Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. W.H. Freeman and company, New York *Cooper = The Cell, a Molecular Approach 4th edition (2009) Cooper, G.M. Hausman, R.E. ASM Press, Washington DC

2 Block 1. CELLENS BYGGSTENAR OCH BIOKEMINS VERKTYG Lärandemål för block 1 Efter avslutad kurs ska studenten kunna: - beskriva hur biologiska makromolekyler (proteiner, kolhydrater, lipider) är uppbyggda, och förklara sambanden mellan deras struktur och funktion. Moment Nyckelord Mål Studenten ska kunna Cellbiologi och modern medicin Introduktion till modern cellbiologi Redogöra översiktligt för det cellbiologiska perspektivet på Kemiska interaktioner Kompendium Kemiska interaktioner. Stryer kap 1, sid 7-9 (+ fyra rader sid 10). Atomens uppbyggnad och principerna för grundämnenas periodiska system. Begreppen ädelgaskonfiguration, elektronegativitet och jonisering. Principen för kovalenta bindningar. Enkel- och dubbelbindningar etc. De olika atomernas antal bindningar i stabila molekyler. Bindningspolarisation. Kiralitet. Isomer. Aromaticitet. Dipolmoment. (Hybridisering och molekylorbitaler beskrivs översiktligt). Olika icke-kovalenta interaktioner: jonbindningar, vätebindningar, polära interaktioner, och van der Waals-krafter. Vattens egenskaper. Hydrofoba interaktioner och effekter. Funktionella grupper: alken, alkyn, aren, halid, alkohol, eter, karbonyl, aldehyd, keton, ester, karboxylsyra, amid, amin, sulfid, sufon. dagens medicin Förklara biokemiska grundbegrepp av avgörande betydelse för biologiska makromolekylers struktur Kemisk jämvikt Utdelade föreläsningsanteckningar. Stryer kap 1, sid Molekylära dimensioner, tidsskalor och energier. Energiformer. Begreppet bioenergetik. Energienheter. Inre energi, entalpi, entropi. Termodynamikens huvudsatser. Begreppet fri energi och dess betydelse inom bioenergitiken. Villkor för spontan kemisk reaktion. Förklara biokemiska grundbegrepp av avgörande betydelse för kemiska reaktioner

3 Från aminosyror till 3D struktur Stryer kap 2, förutom detaljer kring konstruktion av Ramachandrandiagram. Att utforska proteiner Stryer kap 3. Ej detlajer i avsnitten 3.2, 3.4 och 3.6. Kemiska reaktioners hastighet. Kemisk jämvikt och jämviktskonstanten. Vattens autoprotolys. Definition av ph. Svaga och starka syror och baser. Definition av pka. Primära aminosyror: uppbyggnad, isomerer och joniseringstillstånd. De 20 aminosyrornas struktur och kemiska egenskaper. Peptiders kemiska uppbyggnad, peptidbindningens egenskaper, speciella egenskaper hos prolin och cystein. Innebörden av uppdelningen primär-, sekundär, tertiär- och kvartärstruktur. De viktigaste sekundärstrukturernas uppbyggnad: alfa-helix, beta-flak och 'reverse turn'. (Detaljerna kring konstruktion av Ramachandrandiagram ingår inte.) Principer för stabilisering av proteiners tre-dimensionella struktur samt innebörden av begreppen 'veckning', 'kooperativitet', 'denaturering', 'sekundärstruktur-propensitet' och 'strukturprediktion'. Olika typer av visualisering av proteinstrukturer. Innebörden av begreppet 'posttranslationell modifiering' och de exempel som nämns i Stryer. Innebörden av begreppet 'proteom'. Skillnader i proteiners kemiska och fysikaliska egenskaper samt hur dessa ligger till grund för olika principer för renframställning av proteiner. Gelfiltrering, jonbyteskromatografi, affinitetskromatografi, dialys. Principer och tillämpning av elektrofores (SDS-PAGE), isoelektrisk fokusering, 2Delektrofores, analytisk ultracentrifugering och massspektrometri. Översiktlig beskrivning av peptid- Redogöra för proteiners struktur, och proteinstrukturens beroende av aminosyrornas egenskaper Beskriva metoder för undersökning av proteiners struktur och funktion

4 Enzymer I Stryer kap 8. Fokus på förståelse, ej matematiska härledningar. analys med hjälp av Edmandegradering och andra metoder baserade på proteolys. (Diagonal elektrofores ingår inte). Översiktlig beskrivning av proteinanalys med immunologiska tekniker och 'blottning'. Antikropp och antigen. Skillnaden mellan monoklonals och polyklonala antikroppar m a p igenkänning av antigen. Principen för detektion av antikroppar m h a ELISA-metoden. Olika användningar av syntetiskt tillverkade peptider. (Detaljer kring peptidsyntes ingår inte). Förutsättningarna för proteinstrukturbestämning med röntgen-kristallografi och NMR såsom de beskrivs i Stryer. Fördelar och nackdelar med dessa två metoder. Samband och skillnad mellan kemisk jämvikt (termodynamik) och kemiska reaktioners hastighet (kinetik). Sambandet mellan ändring i fri energi och kemisk jämvikt. Definition innebörd av begreppet katalysator. Innebörden av begreppen katalys, enzym, övergångstillstånd, aktiveringsenergi och active site. Michaelis-Menten-kinetik, speciellt innebörden av begrepp som 'turn-over rate', 'steady-state' och konstanterna V max och K M. Experimentell bestämning av V max och K M. Kompetitiv och ickekompetitiv inhibering av enzymer, transition-state- Redogöra för enzymkinetik och reglering av enzymkatalyserade reaktioner

5 Enzymer II Stryer, Kap 9 Hemoglobin Stryer kap 7 Kolhydrater Stryer kap 11 sid , sid analoger, katalytiska antikroppar och penicillin. Begreppen apo-enzym, holoenzym, och co-faktor. Exempel på olika vitaminers biokemiska funktion. Introduktion till klassificering av enzymer. Proteaser och proteas-inhibitorer. Struktur-funktion-samband och översiktlig beskrivning av hur ett proteins struktur underlättar kemiska reaktioner via speciella mekanismer. Den katalystiska triaden. De viktigaste principerna för enzymet karbon-anhydras funktion beskrivs översiktligt. Översiktlig beskrivning av restriktionsenzymer med tonvikt på begreppet 'sekvens-specificitet' och hur det är förknippat med strukturella aspekter. Översiktlig beskrivning av NMP kinas- och NTPas-familjerna av enzymer. Begreppet 'induced fit'. Begreppet 'horisontell genöverföring'. Myoglobins och hemoglobins struktur inklusive porfyrinring och Fe Ko-operativitet - jämförelse av syrebindningsförmågan hos myoglobin och hemoglobin Alloster reglering - effekter av CO 2, H + och BPG molekylär bakgrund till dessa effekter Myoglobins och hemoglobins mättnadskurvor - dvs syretransport till vävnader Jämförelse av HbF (fetalt hemoglobin) och HbA (adult hemoglobin) konsekvens Den molekylära bakgrunden till sickle-cell anemi Kolhydraters struktur: stereokemi, isomeri, ringbildning, glykosidisk bindning Monosackarider: glukos (struktur ska kunnas), galaktos, N-acetylglukosamin, N-acetylgalatosamin, fucos, Beskriva enzymers och coenzymers struktur och funktion (Avsnittet enzymer II syftar till att ge en orienterande kunskap om de enzymer och begrepp som beskrivs, men avsnittet omfattar inte alla detaljer i t ex olika enzymatiska mekanismer.) Beskriva hur proteiners funktion är beroende av proteinstrukturen och enskilda aminosyrors egenskaper Beskriva kolhydraters struktur och biologiska roller (Kolhydratmetabolism dvs nedbrytning av kolhydrater för utvinnande av energi ingår inte)

6 sialinsyra Disackarider: laktos (struktur ska kunnas) Diversitet - AB0systemet Galaktosemi Laktosintolerans Glykokonjugat: glykoproteiner (N-linked + O- linked) /glykolipider /proteoglykaner (principiell struktur ska kunnas) Lipider Stryer kap 12 sid , kap 26, sid Proteinreglering: posttranslationella modifieringar och reglerad turnover Stryer sid , Cooper sid Energi-lager: Fria fettsyror och triacylglycerol Membranlipider: Amfipatibegreppet Kolesterol (struktur ska kunnas) Fosfolipider (principiell struktur ska kunnas) Glykolipider (principiellstruktur ska kunnas) Bildning av miceller och membraner Transportformer: Översiktligt om lipoproteiners struktur och funktion Fosforylering; Ser/The-kinaser och Tyr-kinaser Fosfataser Reglerad nedbrytning av proteiner (ubiquitinylering och proteasomen). Beskriva lipiders struktur och biologiska funktioner Beskriva mekanismer för reglering av proteiners aktivitet samt mekanismer för omsättning av proteiner

7 BLOCK 2. GRUNDLÄGGANDE CELL- OCH MOLEKYLÄRBIOLOGI Lärandemål för block 2 Efter avslutad kurs ska studenten kunna: - beskriva hur nukleinsyrebaserade makromolekyler (DNA och de olika formerna av RNA) är uppbyggda, och förklara sambanden mellan deras struktur och funktion. - beskriva överföringen av genetisk information från DNA till protein. - beskriva hur mikrobers genom är uppbyggd, och förklara hur uttrycket av gener regleras Moment Nyckelord Mål Studenten ska kunna

8 DNA/RNA struktur och funktion Stryer kap 4, kap 28 sid , kap 29 sid Den prokaryota cellen, plasmider och bakteriofager Kompendium, Stryer sid 153, Prokaryota genom och dess replikation Stryer kap 4 sid , kap 28 sid , Cooper kap 6 sid Molekylärbiologiska metoder Cooper sid Stryer kap 5 Prokaryot transkription och genreglering Stryer kap 29 sid , kap 31 sid , Cooper kap 7 Principiell struktur för nukleotider och nukleosider, det strukturella underlaget för komplementär basparning, fysikaliska principer för dubbelsträngade DNA/RNA molekylers stabilitet (vätebindningar, stacking interaktioner och elektrostatisk repulsion). DNA molekylens topologiska egenskaper: superhelicitet och topoisomeraser Kromosom, gen, virus, bakteriofag, plasmider, transposoner. rrna, trna, mrna. snrna Molekylärbiologiska begrepp: replikation, transkription, translation, den genetiska koden, läsram. Enzymatiska aktiviteter inom molekylärbiologin: DNA polymeras, RNA polymeras, reverse transcriptase, ribosomen, endonukleas, exonukleas, restriktionsendonukleaser, DNA ligas. Kromosom Plasmider Överföring av genetiskt material hos bakterier (transformation, konjugation, transduktion, transposition). Replikonbegreppet Struktur och funktion hos DNA polymeras I och III Processivitet och proofreading Replikationsgaffeln och den prokaryota replisomen Reglering av den den prokaryota cellcykeln. Klyvning, ligering och förmering av DNA Hybridiserings- och sekveneringstekniker för identifiering av DNA eller RNA Mainpulering av genuttryck RNAi-mekanismen Struktur och funktion hos RNA polymeras Operonbegreppet Promotor Beskriva - Primärstruktur och sekundärstruktur för DNA och RNA - Den biologiska funktionen för DNA - Funktioner hos RNA Beskriva det bakteriella genomets organisation Beskriva hur bakteriella genom replikeras Beskriva basala metoder för att karaktärisera och manipulera RNA och DNA Beskriva - Överföring av genetisk information från DNA till

9 sid och Proteinsyntes Stryer kap 30, Cooper kap 8 sid Operator Initiering och terminering av transkription. Positiv och negativ reglering Repressorer och aktivatorer, inducers och co-repressorer Koppling av transkription och translation. trna stuktur Aminoacylering av trna Ribosomens struktur och funktion Mekanismen för proteinsyntes Regleringsmekanismer för proteinsyntesen. mrna - Reglering av uttrycket av bakteriella genom Beskriva överföringen av genetisk information från mrna till protein BLOCK 3. DEN EUKARYOTA CELLENS MOLEKYLÄRA BIOLOGI Lärandemål för block 3 Efter avslutad kurs ska studenten kunna: - beskriva överföringen av genetisk information från DNA till protein. - beskriva hur det humana genomet är uppbyggdt och förklara hur uttrycket av gener regleras. - beskriva cellcykeln och dess reglering, samt hur humana cellers DNA replikeras. - beskriva mekanismer för uppkomst av DNAskador och mutationer, samt mekanismer för reparation av DNAskador. - självständigt läsa och förstå vetenskaplig litteratur inom ämnesområdet. Moment Nyckelord Mål Eukaryot DNA replikation Stryer kap 28, kap 25 sid Syntes av dntps Replikatorsekvenser (ARS,ori) initieringsproteiner Studenten ska kunna Beskriva hur humana cellers DNA replikeras

10 Cooper kap 6, kap 3 sid 96-99, sid , sid , sid Kromatinstruktur Stryer kap 31, Cooper sid , sid , sid Eukaryot RNA syntes och processning Stryer kap 28, Cooper kap 7 Rekombination och transposition Stryer kap 28, sid , Cooper sid , sid , sid , sid 37 (ORC,CDC6, MCM) Reglering med fosforylering och proteolys Den eukaryota replikationsgaffeln (DNA polymeras alfa/delta/epsilon, PCNA, RFC, RPA, DNA ligas) Nybildning av kromatin på replikerat DNA (epigenetisk nedärvning) Telomerer, telomeras och cellåldrande. Nukleosomens uppbyggnad Heterokromatin Eukromatin Posttranslationella modifieringar av histoner (the histon code) DNAmetylering Imprinting Kromosomala domäner Kromosom scaffold Kromosombandning Basal och aktiverad transkription RNA polymeras I, II och III Generella (basala) transkriptionsfaktorer och promotoraktivering Sekvensspecifika transkriptionsfaktorer (aktivatorer) och binding till regulatoriska regioner Eukaryota repressorer och coaktivatorer Interaktion mellan transkriptionsaktivatorer och mediatorn hos RNA polymeras II Fosforylering av CTD Posttranskriptionella modifieringar av primärtranskriptatet (capping, polyadenylering, splicing) Posttranskriptionell modifiering av pre-mrna: 7- metylguanosin(m7g) capping (sk 5 capping), poly-a svans, splicing och mekansismen bakom denna. Spliceosomladdningen snrnp Alternativ splicing och dess innebörd för proteinuttrycket RNA editing Homolog rekombination Site-specifik rekombination och dess betydelse för diversifieringens av immunglobulingener och T- Beskriva den eukaryota kromosomens uppbyggnad Beskriva - Överföringen av genetisk information från DNA till mrna hos eukaryoter - Regleringen av transkriptionen hos eukaryoter - Modifieringar av eukaryot mrna Beskriva mekanismer för rearrangemang av DNA och dessas betydelse för kontroll av genuttryck i specifika celltyper (immunsystemets diversitet), replikation av retrovirus samt

11 Det humana genomet Stryer kap 5 sid , (sid ) Cooper sid , sid Cellkärnans arkitektur Cooper kap 9+ sid Den eukaryota cellcykeln Cooper kap 16 Genomisk stabilitet hos eukaryoter Cooper kap 6 cellreceptorgener under immunsystemets utveckling Somatisk hypermutation Class switch rekombination Transposoner och retrovirus Gener och pseudogener Sekvensinnehåll (unika och repeterade sekvenser, LINES, SINES, satelliter, mikrosatelliter) Funktionella element av betydelse för kromosomal stabilitet (ARS, centromer, telomer) Genorganisation (enhancer, promotor, exon, intron, genfamiljer, pseudogener) Mekanismer för genomevolution (retrotransposition, rekombination, genduplikation, exonshuffling, replikationsfel) Kärnmembran, nukleär lamina, kärnporer, nukleol Sjukdomar vid defekter i nukleär lamina Transport över kärnmembranet (NLS, importin/exportin, Ran, energiberoende, koncentationsgradienter, reglerad transport, substratspecificitet) Cellcykelberoende förändringar i kärnans struktur Kromsomlokalisation Nukleära kompartments, nukeolen och bildning av ribosomer. Cellcykelns indelning (G0, G1, S, G2, mitos) Kromatinförändringar under cellcykeln Mitosens faser och dess reglering Skillnader mitos/meios Cellcykelns reglering (cykliner och cyklinberoende kinaser, proteolytisk degradation) Checkpoints (onkgener och tumörsuppressor gener) Cellcykelreglering och cancer Mekanismer för uppkomst av DNA skador och mutationer hos prokaryoter och eukaryoter. Molekylära mekanismer för reparation av DNA skador: Base-excision repair evolutionära betydelse Beskriva det humana genomets uppbyggnad Beskriva cellkärnans uppbyggnad och mekanismer för transport över kärnmembranet Beskriva den eukaryota cellcykeln och dess reglering Beskriva mekanismer för uppkomst av DNA skador och reparationsmekanismer hos eukaryoter, kopplingen mellan genetisk instabilitet och sjukdom (cancer, åldrande, strålbehandling och cytostatika,

12 Nucleotide-excision repair Mismatch repair Reparation av dubbelsträngsbrott: (homolog rekombination) Koppling mellan transkription och reparation. ärftliga sjukdomar), insikter i modern cancerteori sambandet DNA-reparation och cancer). Viral genetik Cooper sid 37-39, Stryer sid 118 Vetenskaplig litteratur/frågestund Likheter och skillnader mellan prokaryota och eukaryota cellers reparationsmekanismer. Virus allmänna egenskaper (genom, kapsid, hölje) Klassificering och virusfamiljer Virusgenetik: Mutation och rekombination Selektionstryck Fylogeni Fenotypisk blandning Introdultion till biomedicinsk vetenskaplig litteratur med utgångspunkt från aktuella artiklar Beskriva virusspecifika genetiska mekanismer Självständigt läsa och förstå vetenskaplig litteratur inom ämnesområdet. BLOCK 4. EUKARYOT CELLBIOLOGI: CELLENS UPPBYGGNAD OCH TILLVÄXTREGLERING Lärandemål för block 4 Efter avslutad kurs ska studenten kunna: - beskriva cellbiologiska skeenden (interaktion med omgivningen, transport, intracellulär signalering, cellens rörlighet, programmerad celldöd och mikrob-cell interaktion). Moment Nyckelord Mål Cellmembranets arkitektur och egenskaper Stryer sid Principiell uppbyggnad av biologiska membran: membranlipider och membranproteiners struktur och placering i membranet. Barriärfunktionen Membrandomäner Glykokalyx struktur Glykokalyx roll för igenkänning - cell-cell + cellmikrob Cell-cell-interaktioner Celladhesionsmolekyler Studenten ska kunna Beskriva hur den eukaryota cellmembranet är uppbyggt

13 Transport över biologiska membran Stryer kap 13, kompendium Sekretoriska passagen Cooper kap 10 + sid Temadag: Evolution och /eller intelligent design Signaltransduktion Stryer kap 14, kompendium Mitokondriens funktioner Cooper sid sid Passiv transport: - diffusion, - faciliterad transport Transportproteiner: permeaaser (uniport), jonkanaler Drivkrafter: - koncentrationsgradient - elektrokemisk gradient Aktiv transport: - ATP-driven - co-transport Transportproteiner: pumpar, co-transportörer (anti- resp symport) Drivkrafter/Energikällor: ATP-hydrolys, koncentrationsgradient Osmos/osmotiskt tryck Na+ kanalen Na+/K+ pumpen Laktospermeas Bakteriorhodopsin Morfologi och funktion hos organeller och transportformer i de sekretoriska och endocytiska vägarna Postranslationell modifiering av proteiner (glykosylering, myristoylering mm) Proteinsortering (till ER, mitokondrier, kärna, lysosom, membran) Bildande av transportvesiklar vid receptorberoende transport Bildande av transportvesiklar vid receptor-oberoende transport Fusion av transportvesikel med targetorganell Endocytos Mekanism för G-proteinmedierad signalering Fosfoinositid-kaskaden Kalcium som intracellulär messenger Aktivering av receptorer genom bildning av dimerer Mitokondriens uppbyggnad Endosymbiosteorin Det mitokondriella genomet: struktur och funktion Transport över mitokondriens membran Mitokondriens Beskriva mekanismer för transport över cellmembranet Beskriva mekanismer för intracellulär transport och endocytos Diskutera den naturvetenskapliga grunden för medicinsk kunskap Beskriva principer för cellkommunikation via signaltransduktionskaskader Beskriva mitokondriens uppbyggnad och funktioner

14 Cellskelettet/Cellens rörelseförmåga Cooper kap 12 Programmerad celldöd (apoptos) Cooper sid Bakterie-cell interaktioner Kompendium Virus-cell interaktioner Cooper sid 37-39, , 768, kompendium Temadag cancer Cooper sid innermembrans betydelse för den oxidativa fosforyleringen Cellskelettets struktur: aktin, intermediära filament, mikrotubuli uppbyggnad och fuktion Cell junctions Cellskelettets betydelse för cellrörlighet organelltransport, celldelning mm Morfologiska och molekylära kännetecken på apoptos Initiering av apoptos: Kaspaser och och mitokondriens roll vid reglering Trofiska faktorer och cell överlevnad Skillnader mellan apoptos och nekros. Bakterieadhesion och invasion i eukaryota celler Mekanismer för bakteriepåverkan på eukaryota signalsystem Virala attachment proteins VAPs Receptorförhållanden, coreceptorer Penetrationsförhållanden Lytiska virusinfektioner inkl. patogenes på cellulär nivå Onkolatenta virusinfektioner, latens på cellulär nivå, virusorsakad cellulär transformation Beskriva cellskelettets uppbyggnad och funktioner Redogöra för mekanismer för programmerad celldöd och dess reglering, samt apoptosens roll i fysiologiska och patologiska sammanhang Redogöra för mekanismer för bakteriers påverkan på eukaryota celler (bakteriell patogenes) Redogöra för mekanismer för virus påverkan på eukaryota celler (viral patogenes) Förstå och redogöra för de genetiska principerna för tumöruppkomst Följande strukturer ska kunna redogöras för i detalj: Kolesterol Glukos Laktos De 20 aminosyrorna För fölande komponenter ska principiell struktur kunnas: Fria fettsyror Triglycerider

15 Fosfolipider Glykolipider