*Cooper = The Cell, a Molecular Approach 6th edition (2013) Cooper, G.M. Hausman, R.E. ASM Press, Washington DC

Transkript

1 MÅLBESKRIVNING 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, 7th edition (2011) Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. W.H. Freeman and company, New York *Cooper = The Cell, a Molecular Approach 6th edition (2013) Cooper, G.M. Hausman, R.E. ASM Press, Washington DC Block 1. CELLENS BYGGSTENAR OCH BIOKEMINS VERKTYG Lärandemål för block 1 Efter avslutad kurs ska studenten kunna: - beskriva hur biologiska makromolekyler (proteiner, kolhydrater, lipider, nukleinsyror) är uppbyggda, och förklara sambanden mellan deras struktur och funktion. Moment Nyckelord Mål Studenten ska kunna Cellbiologi och modern medicin: mitokondrien som exempel Introduktion till modern cellbiologi Redogöra översiktligt för det cellbiologiska perspektivet på dagens medicin Lipider: Struktur, syntes och funktion Stryer kap 12 sid , kap 26, sid Aminosyror. Struktur, syntes och funktion Stryer kap 2, kap 24 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 Primära aminosyror: uppbyggnad, isomerer och joniseringstillstånd. De 20 Beskriva lipiders struktur och biologiska funktioner Redogöra för proteiners struktur, och proteinstrukturens beroende

2 Stryer sid , , , 1003, Kolhydrater. Struktur, syntes och funktion Stryer kap 11 sid , sid Från aminosyror till 3D struktur Stryer kap 2, förutom detaljer kring konstruktion av Ramachandran-diagram. aminosyrornas struktur och kemiska egenskaper. Syntes av aminosyror (översiktligt) Aminosyror som precursorer för biomolekyler Kolhydraters struktur: stereokemi, isomeri, ringbildning, glykosidisk bindning Monosackarider: glukos (struktur ska kunnas), galaktos, N- acetylglukosamin, N- acetylgalatosamin, fucos, sialinsyra Disackarider: laktos Galaktosemi Laktosintolerans Glykokonjugat: glykoproteiner (N-linked + O-linked) /glykolipider /proteoglykaner (principiell struktur ska kunnas) Diversitet - AB0systemet 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, betaflak och 'reverse turn'. (Detaljerna kring konstruktion av Ramachandran-diagram 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 'post-translationell modifiering' och de exempel av aminosyrornas egenskaper Beskriva kolhydraters struktur och biologiska roller (Kolhydratmetabolism dvs nedbrytning av kolhydrater för utvinnande av energi ingår inte) Redogöra för proteiners struktur, och proteinstrukturens beroende av aminosyrornas egenskaper

3 Enzymer I Stryer Kap 8. Fokus på förståelse, ej matematiska härledningar. Enzymer II Stryer, Kap 9 som nämns i Stryer. Innebörd av och samband mellan termodynamiska grundbegrepp: entalpi, entropi, fri energi. Aktiveringsenergi, övergångstillstånd, katalys. Enzymer: definition, samband mellan struktur och katalytisk funktion. "Active sites" och deras egenskaper. Kemisk reaktionskinetik: hastighetskonstanter och deras samband med jämviktskonstanten. Enzymkinetik: bildningen av enzym-substratkomplex som intermediär. "Steady-state". Antaganden som ligger till grund för Michaelis-Mentens ekvationer. Michaelis-Mentens parametrar K M och V ma x, och deras innebörd (ej härledning). Innebörden av k cat. Kompetitiva, okompetitiva och non-kompetitiva inhibitorer och deras inverkan på de kinetiska parametrarna. Transition-state analoger som inhibitorer. Redogöra för enzymkinetik och reglering av enzymkatalyserade reaktioner 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.) Att utforska proteiner Stryer kap 3. Ej detaljer i avsnitten 3.2, 3.4 och 3.6. Kofaktorer och deras roll i enzymkatalys. Vitaminer. Kopplade enzymatiska reaktioner som en metod att generera energirika produkter Exempel på enzymkatalyserade reaktioner: Proteaser. Chymotrypsin. Den katalytiska triaden. Nukleaser. RNAs, restriktionsenzymer. Kinaser och fosfataser. Syntaser Oxidoreduktaser Innebörden av begreppet 'proteom'. Skillnader i proteiners kemiska och fysikaliska Beskriva metoder för undersökning av proteiners struktur och funktion

4 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-analys med hjälp av Edman-degradering och andra metoder baserade på proteolys. (Diagonal elektrofores ingår inte). Översiktlig beskrivning av protein-analys 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 ELISAmetoden. 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.

5 Hemoglobin Stryer kap 7 Nukleotider: Struktur, syntes och funktion Stryer sid , kap 25 Proteinreglering: posttranslationella modifieringar och reglerad turnover Stryer sid , Cooper sid 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 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). Fosforylering; Ser/Thekinaser och Tyr-kinaser Fosfataser Reglerad nedbrytning av proteiner (ubiquitinylering och proteasomen). Beskriva hur proteiners funktion är beroende av proteinstrukturen och enskilda aminosyrors egenskaper Beskriva byggstenarna för DNA och RNA Beskriva mekanismer för reglering av proteiners aktivitet samt mekanismer för omsättning av proteiner

6 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 - sammanfatta och jämföra information från vetenskaplig litteratur inom ämnesområdet Moment Nyckelord Mål DNA/RNA struktur och funktion Stryer kap 4, kap 28 sid , kap 29 sid 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. Studenten ska kunna Beskriva - Primärstruktur och sekundärstruktur för DNA och RNA - Den biologiska funktionen för DNA - Funktioner hos RNA Den prokaryota cellen, plasmider och bakteriofager Kompendium, Prokaryota genom och dess replikation Stryer kap 4 sid , kap 28 sid , Cooper kap 6 sid Molekylärbiologiska metoder Cooper sid Stryer kap 5 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 Beskriva det bakteriella genomets organisation Beskriva hur bakteriella genom replikeras Beskriva basala metoder för att karaktärisera och manipulera RNA och DNA

7 Prokaryot transkription och genreglering Stryer kap 29 sid , kap 31, Cooper kap 7 sid och Proteinsyntes Stryer kap 30, Cooper kap 8 sid RNA Mainpulering av genuttryck RNAi-mekanismen Struktur och funktion hos RNA polymeras Operonbegreppet Promotor 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. Beskriva - Överföring av genetisk information från DNA till mrna - Reglering av uttrycket av bakteriella genom Beskriva överföringen av genetisk information från mrna till protein

8 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 cellcykeln och dess reglering, samt hur humana cellers DNA replikeras. - beskriva hur det humana genomet är uppbyggdt och förklara hur uttrycket av gener regleras. - beskriva mekanismer för uppkomst av DNAskador och mutationer, samt mekanismer för reparation av DNAskador. - självständigt läsa och förstå vetenskaplig litteratur inom ämnesområdet. Eukaryot DNA replikation Stryer kap 28, kap 25 sid Cooper kap 6, kap 3 sid 98-99, sid , sid Reglering av eukaryot genexpression Stryer kap 32, Cooper sid , sid , sid Stryer kap 28, Cooper kap 7 Syntes av dntps Replikatorsekvenser (ARS,ori) initieringsproteiner (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. 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 Beskriva hur humana cellers DNA replikeras Beskriva - Den eukaryota kromosomens uppbyggnad - Överföringen av genetisk information från DNA till mrna hos eukaryoter - Regleringen av transkriptionen hos eukaryoter - Modifieringar av eukaryot mrna

9 Rekombination och transposition Stryer kap 28, sid , Cooper sid , sid , sid , sid 37 Det humana genomet Stryer kap 5 sid , (kap 6) Cooper sid , sid , Cellkärnans arkitektur Cooper kap 9+ sid Intro till virologin + Viral genetik Cooper sid 37-38, , Stryer sid 126 innebörd för proteinuttrycket RNA editing Homolog rekombination Site-specifik rekombination och dess betydelse för diversifieringens av immunglobulingener och T- 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. Virus allmänna egenskaper (genom, kapsid, hölje) Klassificering och virusfamiljer Virusgenetik: Mutation och rekombination Reassortment Selektionstryck Fylogeni Beskriva mekanismer för rearrangemang av DNA och dessas betydelse för kontroll av genuttryck i specifika celltyper (immunsystemets diversitet), replikation av retrovirus samt evolutionära betydelse Beskriva det humana genomets uppbyggnad Beskriva cellkärnans uppbyggnad och mekanismer för transport över kärnmembranet Beskriva virusspecifika genetiska mekanismer

10 Virus-cell interaktioner Cooper sid 37-35, , kompendium Den eukaryota cellcykeln Cooper kap 16 Vetenskaplig litteratur/frågestund Fenotypisk blandning Virala attachment proteins VAPs Receptorförhållanden, coreceptorer Penetrationsförhållanden Lytiska virusinfektioner inkl. patogenes på cellulär nivå Onkolatenta virusinfektioner, latens på cellulär nivå, virusorsakad cellulär transformation 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 Introdultion till biomedicinsk vetenskaplig litteratur med utgångspunkt från aktuella artiklar Redogöra för mekanismer för virus påverkan på eukaryota celler (viral patogenes) Beskriva den eukaryota cellcykeln och dess reglering Självständigt läsa och förstå vetenskaplig litteratur inom ämnesområdet.

11 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 Studenten ska kunna Genomisk stabilitet hos eukaryoter Cooper sid Cellmembranets arkitektur och egenskaper Stryer sid Transport över biologiska membran Stryer kap 13, kompendium Mekanismer för uppkomst av DNA skador och mutationer hos prokaryoter och eukaryoter. Molekylära mekanismer för reparation av DNA skador: Base-excision repair Nucleotide-excision repair Mismatch repair Reparation av dubbelsträngsbrott: (homolog rekombination) Koppling mellan transkription och reparation. Likheter och skillnader mellan prokaryota och eukaryota cellers reparationsmekanismer. 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 Passiv transport: - diffusion, - faciliterad transport Transportproteiner: permeaaser (uniport), jonkanaler Drivkrafter: - koncentrationsgradient - elektrokemisk gradient Aktiv transport: - ATP-driven - co-transport Beskriva mekanismer för uppkomst av DNA skador och reparationsmekanismer hos eukaryoter, kopplingen mellan genetisk instabilitet och sjukdom (cancer, åldrande, strålbehandling och cytostatika, ärftliga sjukdomar), insikter i modern cancerteori sambandet DNAreparation och cancer). Beskriva hur den eukaryota cellmembranet är uppbyggt Beskriva mekanismer för transport över cellmembranet

12 Sekretoriska passagen Cooper kap 10 + sid Temadag: Evolution och /eller intelligent design Signaltransduktion Cooper kap 15 Mitokondriens funktioner Cooper sid Cellskelettet/Cellens rörelseförmåga Cooper kap 12 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 innermembrans betydelse för den oxidativa fosforyleringen Cellskelettets struktur: aktin, intermediära filament, mikrotubuli uppbyggnad och fuktion Cell junctions Cellskelettets betydelse för cellrörlighet 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 Beskriva cellskelettets uppbyggnad och funktioner

13 Programmerad celldöd (apoptos) Cooper sid Bakterie-cell interaktioner Kompendium Temadag cancer Cooper kap 18 översiktligt 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 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) Förstå och redogöra för de genetiska principerna för tumöruppkomst Följande strukturer ska kunna redogöras för i detalj: Kolesterol Glukos De 20 aminosyrorna För fölande komponenter ska principiell struktur kunnas: Fria fettsyror Triglycerider Fosfolipider Glykolipider Nukleotider och nukleosider