Modern biologi för icke-biologer, 6 hp

Transkript

1 Modern biologi för icke-biologer, 6 hp 04 December 2009 (Modern Biology for non-biologists) Arbetar du i projekt inom fysik, kemi, teknik och biologi och tycker att du har för dåliga kunskaper inom grundläggande cellbiologi, genteknik och biokemi? Under andra halvan av hösten 2009 kommer en kurs anpassad för dig att ges. Målgruppen för kursen är icke-biologer, antingen doktorander eller personer som arbetar på företag inom Medicinsk Teknik eller liknande. Förkunskaperna är ungefär naturvetenskapligt program på gymnasiet (helt OK om det är ett tag sedan). Gästföreläsare från Linköpings universitet, Per Hammarström, Peter Nilsson, Pentti Tengvall, m.fl. som ger anknytning till framstående forskning. Kursen omfattar 10 dagar med 6 timmar undervisning per dag (kl 9-16, se schema på nästa sida). Kursen är anpassad för deltagare från företag och från andra orter. Kursen kommer att börja den 21 oktober och avslutas med en skriftlig tentamen den 14 december (6 hp innebär 4 veckors heltidsstudier netto) Kursen ges denna gång på svenska med engelsk kurslitteratur. Litteratur: Essential Cell Biology (av Alberts), ny upplaga som kom i april Till denna ingår en lysande CD med snygga animeringar av t.ex. replikationen. Kursen är finansierad av VR (Forum Scientium) och Vinnova (AgoraLink). Undervisningen kommer att oftast att vara i B-huset och Fysikhuset, Campus Valla. Vi räknar med att bli deltagare. Lista med innehåll finns på nästa sida. Välkomna! Therése Klingstedt och Stefan Klintström Kontakt: Stefan Klintström Tel E-post: stekl@ifm.liu.se

2 Innehållsförteckning Schedule...3 Rekommenderade övningsuppgifter:...4 Rekommenderade filmer:...4 Delar av boken som ej tas upp i denna kurs:...5 Länkar...5 Replikation...6 Transkription + Translation = Proteinsyntes...7 Bilaga - Genetiska koden...8 2

3 Schedule Huvuddelar Underrubriker Person Datum (Normalt kl 9-16) Introduction to the Cell Basic genetic mechanisms Methods Internal organization of the cell Cells in their social context Introduction to Cells Chemical components of cells Energy, Catalysis and Biosynthesis Protein Structure and Function DNA and Chromosomes DNA Replication, Repair and Recombination From DNA to Protein Protein misfolding, amyloid formation and disease Control of Gene Expression How Genes and Genomes evolve Analyzing Genes and Genomes PCR, Real-time PCR, Sequencing, Western blot Membrane Structure Membrane Transport How cells obtain Energy from Food Energy generation in Mitochondria and Chloroplasts Intracellular Compartments and Transport Cell Communication Cytoskeleton Cell Division Cycle and Cell Death Sex and Genetics Tissues, Stem Cells and Cancer Proteins and cells at surfaces Biomaterials Visualizing Cells Cell sorting Conjugated luminescent polymers and cells SK SK SK SK SK SK SK PH TK TK TK SK SK SK SK TK TK TK TK TK TK PT PN PN PN Wednesday 21 okt Brahe (E328) Wednesday 28 okt (kl 9-15) Röntgen (P404) Tuesday 3 nov Brahe (E328) Wednesday 4 nov Bikupan (3B:616) Monday 16 nov Brahe (E328) Tuesday 17 nov Brahe (E328) Monday 23 nov Odén (221:223) Monday 30 nov Brahe (E328) Questions SK+TK Wednesday 9 dec Odén (221:223) Exam SK+TK Monday 14 dec Brahe (E328) SK = Stefan Klintström TK = Therése Klingstedt PH = Per Hammarström PN = Peter Nilsson PT = Pentti Tengvall 3

4 Rekommenderade övningsuppgifter: Kap 1: 5, 7, 9, 10, 13, 15, 17, 18 Kap 2: 7, 10, 15, 16, 17, 20 Kap 3: 1, 5, 9, 10, 14, 15 Kap 4:1, 5, 6, 7, 9, 10, 12, 14, 16, 21 Kap 5: 1, 6, 9, 16 Kap 6: 2, 3, 5, 8 (A-D), 9, 12, 13, 14, 17 Kap 7: 3, 5, 7, 8, 9, 11, 13, 16, 17 Kap 8: 8.1, 4-6, 8, 10, 11 Kap 9: 1-2, 4, 9, Kap 10: 1, 8-9, 12, 16 Kap 11: 2, 3, 4, 8, 9, 11, 14, 19 Kap 12: 6, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15, 16 Kap 13-1, 4, 8, (9), 10, 11, 12, 16 Kap 14-1, 2, 4, 8, 9, 10, 13, 16, 17, 22 Kap 15: 2, 3, 5, 6, 9, 13, 15, 16, 18, 22 Kap 16: 2, 3, 4, 5, 6, 11, 13, 16, 18, 24 Kap 17: 1, 2, 11, 15, 16, 18, 22 Kap 18: 2, 3, 5, 10, 13, 17, 23, 28, 30 Kap 19: 1, 4, 7, 9, 10, 11, 16, 17, 19 Kap 20: 3, 7, 12, 14, 15, 16, 19 Rekommenderade filmer: Kap 1: 1, 3, 4 Kap 2: 4 Kap 4: 7 Kap 5: 1 och 2 Kap 6: 1, 4 och 5 Kap 7: 2, 8, 7, 10 Kap 12: 5, 6 Kap 14: 3, 4 4

5 Delar av boken som ej tas upp i denna kurs: Kap 2: sid extensivt på egen hand Kap 3: sid Kap 6: sid , Kap 7: och halva 240, Hoppa över sid Hoppa över Länkar Nobelpriset i kemi 2009 Ribosomen Nobelpriset i medicin 2009 Telomeras 5

6 Replikation DNA-förlaga 3 5 Primas (ett RNA polymeras som sätter dit en primer av RNA) DNA Polymeras (III) bygger på med nytt DNA A nuclease + a repair polymerase (DNA Polymeras I) tar bort RNA primern och sätter dit DNA DNA Polymeras I fyller på ända framtill sista bindningen som den inte klarar Ligas limmar ihop den sista fosfatesterbindningen

7 Transkription + Translation = Proteinsyntes 5 - GCA GTG AAC 3 Konventionen är att man skriver med 5 -änden först I cellkärnan (transkription): 3 - CAA GTG ACG - 5 DNA avläses GUU CAC UGC - 3 mrna tillverkas 5 3 I ribosomen (translation, i cytoplasman): 5 - GUU CAC UGC - 3 mrna avläses i ribosomen 5 3 amino-val-his-cys-karboxy Protein tillverkas amino karboxy 7

8 Bilaga - Genetiska koden Första pos Andra pos Tredje pos U C A G Phe Ser Tyr Cys U U Phe Ser Tyr Cys C Leu Ser Stop Stop A Leu Ser Stop Trp G Leu Pro His Arg U C Leu Pro His Arg C Leu Pro Gln Arg A Leu Pro Gln Arg G Ile Thr Asn Ser U A Ile Thr Asn Ser C Ile Thr Lys Arg A Met Thr Lys Arg G Val Ala Asp Gly U G Val Ala Asp Gly C Val Ala Glu Gly A Val Ala Glu Gly G 8

9 Kapitel 1-4 Kapitel 1 Introduction to Cells Fig 1-1 Komplexa levande organismer Några få grundämnen C + O + H Kolhydrater och fetter + N + S Proteiner + P Nukleinsyror (DNA och RNA) + spårämnen, metaller, vitaminer, mm Trots att levande organismer ser mkt olika ut så är cellernas funktioner till allra största delen gemensamma. (Husmus människa 80% av generna är gemensamma) Biochemical Pathways (på väggen) visar komplexiteten, men också hur samma pusselbitar (molekyler el delar av molekyler) används om och om igen. Fig Olika celltyper (utdelat figure som symboliserar sambandet mellan olika organsimer) DNA All info finns i varje cell Alfabet med fyra bokstäver A, T, G, C Fig 1-2 Det centrala dogmat DNA RNA Protein Proteiner byggs upp av 20 aminosyror Fig 1-29 Alla celler har utvecklats från samma urcell för ca 3,5 miljarder år sedan Fem kungadömen och Tre domäner Cellen är en samling molekyler inneslutna i ett membran. Inneslutningen innebär att cellen inte förlorar viktiga produkter som den lagt ner mkt energi för att tillverka. (Vi tar inte upp några detaljer för Arkae) 9

10 Panel 1-2 och Fig 1-24 Prokaryoter, encelliga, har ingen avgränsad cellkärna utan DNA-molekylen/erna simmar omkring fritt. Dom har heller inga mitokondrier, men motsvarande enzymsystem finns. Eukaryoter, encelliga och flercelliga, har avgränsad cellkärna, har mitokondrier, vissa har kloroplaster, har även andra cellorganeller Gemensam grund för alla celler? Hur kan så komplexa celler som eukaryoter utvecklas? Symbios mellan två eller flera organismer Exempel: Lavar är en symbios mellan en svamp och en alg Rotsystemet till vissa ärtväxter är i symbios med anaeroba kvävefixerande bakterier Människor och ca 1 kilo bakterier (E. Coli) i tarmarna Fig 1-19 En ursprunglig eukaryot inkorporerar ett antal mindre, aeroba bakterier och kan på så sätt få ut mer energi genom att bryta nner molekyler till CO2 och H2O mha O2. Dessa utvecklas sedan till mitokondrier. Fig 1-21 Andra inkorporerade cyanobakterier som kunde ta vara på solenergi. Dessa utvecklades sedan till kloroplaster. Starka indikationer Mitokondrier och kloroplaster har eget DNA och kan syntetisera RNA och protein själva. Det finns inte en fullständig mall för tillverkning av mitokondrier i cellkärnan. Var kommer då alla mitokondrier från? Från ägget! Vi ärver alltså bara mitokondrier från mamman. Visualisering av celler Fig 1-6 Visar olika storlekar Panel 1-1 Visar olika metoder, Ljusmikroskop, Faskontrast, Interferens, Fluorescense, Konfokal, TEM, SEM Movie 1-3 och 1-4 Cytoskelettet gör att celler kan roar sig. Eukaryoter är ggr store än prokaryoter. I resten av kursen kommer vi att försöka förklara hur celler fungerar genom att titta på de ingående delarna och hur de samarbetar. Vi kommer att se hur cellens genom styr allt. 10

11 Kapitel 2 Chemical components Table 2-1 Bindningstyper (sid 47) Fig 2-11 Kovalenta bindningar Enkla kan rotera Dubbla kan ej rotera Fig 2-12 Polära kovalenta bindningar som t.ex. vatten där syreatomen drar åt sig elektroner från väteatomerna och därför blir delvis negativt laddad. Väteatomerna blir följdaktigt delvis positivt laddade. Fig 2-13 Jonbindningar kan hålla ihop stora molekyler Van der Waals krafter Panel 2-7 sid 76 Hydrofoba interaktioner Panel 2-7 sid 77 Vätebindningar krafter Panel 2-7 sid 76 Fig 2-14 Protoner flyttar sig hela tiden i vattenlösningar Fig 2-15 Olika molekylfamiljer Fig 2-16 Glukos Glukos lagras som stärkelse (växter), glykogen (djur) Fig 2-18 Fettsyror är amfipatiska, dvs både hydrofoba och hydrofila Fig 2-19 Fett = triacylglycerol (esterbindning) Fig 2-20 Fosfolipid. Bildar dubbellager för att slippa interagera med vatten Aminosyror Panel 2-5 sid 72 och 73 Fig 2-22 Enbart L-formen av aminosyrorna 11

12 Chapter 3 Energy, Catalysis and Biosynthesis Fig 3-1 Metabola pathways Enzymer är avgörande Fig 3-2 Katabola och metabola pathways Fotosyntes 6 CO2 + 6 H2O + solljus C6H12O6 (glukos) + 6 O2 Fig 3-8 och fig 3-9 Fig 3-11b Katabolism innebär att molekyler oxideras Anabolism innebär att molekyler reduceras Enzymer är katalysatorer De kan inte få energimässigt ofördelaktiga reaktioner att ske! De kan bara få reaktionerna att gå snabbare! Detta åstadkoms genom att aktiveringsenergin sänks fig 3-17 Kopplade reaktioner Icek spontana reaktioner kan fås att ske genom att koppla dem till en spontan reaktion. Exempel Etanol blir Acetaldehyd samtidigt som NAD+ blir NADH. Hjälpmolekyler Coenzymer NADH - bär elektroner och protoner FADH2 - bär elektroner och protoner CoA (coenzym A) - bär på två kolatomer (i en acetylgrupp) Energi ATP bär på två fosfatgrupper där bindningarna innehåller mkt energi. Dessa fyra olika hjälpmolekyler har stora likheter Se fig 3-32, fig 3-34, fig 3-36 men mest mina handritade figurer Varför dessa stora onödiga delar i molekylen? Se min separata overhead. 12

13 Chapter 4 Proteinstruktur och funktion För att förstå hur Gener fungerar Muskler drar ihop sig Nerver leder elektricitet Embryon utvecklar sig Så måste vi förstå hur proteiner fungerar! Och för att förstå hur dom fungerar så måste vi förstå hur de ser ut! Exempel på proteiner Panel 4-1 Fig 4-2 och 4-3 Panel 2-5 Fig 4-4 Visar hur ickekovalenta krafter håller ihop makromolekyler Olika protein kan veckas nästan hur som helst, men ett bestämt protein kan (oftast) bara veckas på ett sätt! Proteiner veckas till den form som har lägst energi Fig 2-5 Per Hammarström kommer att berätta om vad som händer när proteiner veckas fel. Proteiners struktur Ofta består ett protein av flera domäner. Varje domän veckas till en kompakt tredimensionell struktur. I proteinerna kan två viktiga mönster ses -helix och -flak fig 4-10 Dessa sägs beskriva sekundärnivån av ett proteins struktur. Primärstrukturen är aminosyrasekvensen (som i sig bestämmer alla de andra nivåerna) Tertiärstrukturen beskriver hur alla proteinets atomer är fördelade i 3D-rymden. Den kvartära strukturen beskriver hur proteiner som består av flera polypeptidkedjor sitter ihop. Se fig 4-19 och 4-20 Movie 4-5 Diskutera också fosters hemoglobinmolekyler Extracellulära proteiner som behöver vara litet mer robusta har ofta flera svavelbryggor, se fig 4-26 och Movie 4-6 Några exempel på hur proteiner katalyserar reaktioner 13

14 Fig 4-28 och 4-30 Bindningarna är mkt selektiva. 3D-passning. Ej antikroppar Hur kontrolleras enzymer? De flesta är inte aktiva hela tiden. T.ex. så finns trypsin som vi använder för att bryta ner proteiner i en inaktiv form kallad trypsinogen. Denna aktiveras mkt snabbt när den behövs. Enzymers aktivitet regleras också genom att molekyler eller grupper bbinder in eller interagerar med det. Ofta används sk feed-back inhibering 4-34 Odla celler Många, men inte alla, celler kan odlas. Detta gör det lättare att studera dem. Och det är väldigt praktiskt när man vill studera ett visst protein. I princip så gör man som följer: Stoppa in en gen, som kodar för proteinet, i lämplig cell Låt cellerna producera proteinet Döda cellerna Rena fram proteinet Proteomik I proteomic tar man reda på vilka proteiner som finns i en viss cell vid en viss tidpunkt. Man tar också reda på i vilka koncentrationer de finns, och om proteinerna är aktiva eller inaktiverade. Man studerar också vilka molekyler som interagerar med vilka andra molekyler. Genomik I genomik tar man reda på vilka gener som finns, och hur de samspelar med varandra. Man tar också reda på vilka gener som är aktiva vid en viss tidpunkt genom att mäta hur mkt av ett visst mrna som finns. Varför behövs då proteomik? Borde det inte räcka med genomik? Nej, antalet mrna-molekyler som kodar för ett visst protein ger ändå inte med säkerhet hur många proteinmolekyler som bildas eftersom translationen kan vara variera. Det beror också på hur snabbt 14

15 mrna-molekylen bryts ner. Därefter kan proteiner modiferas på olika sätt, t.ex. vara inaktiva. Hur länge proteinet finns kvar påverkas också av hur snabbt det bryts ner. Det verkar alltså återigen som att ju mer vi vet om cellbiologi desto mer komplicerad blir bilden. Men det finns en liten ljusning och det är när vi tittar på proteiners form. Vi har nu 3D för ca proteiner, och när man tittar närmare på dem så verkar det finnas bara olika proteindomäner. Vi har nu 3D för 800 av dessa domäner. Vi hoppas att mha denna kunskap så småningom kunna förutsäga form och funktion direkt från aminosyrasekvens (eller från gensekvens). Även när vi har denna kunskap så kommer det att vara mkt komplicerat att kartlägga hur kanske olika proteiner samarbetar i en mänsklig cell. Efter detta kommer Per Hammarström in och gör en repetition av hur ett protein framställs from genen. Därefter pratar han om felveckning av proteiner och dess koppling till sjukdom. Chapter 5-7 Introduction Double helix, Watson and Crick + Maria Bolin + fig 5-2 On Feb. 28, 1953, Francis Crick walked into the Eagle pub in Cambridge, England, and, as James Watson later recalled, announced that "we had found the secret of life." Actually, they had. That morning, Watson and Crick had figured out the structure of deoxyribonucleic acid, DNA. And that structure a "double helix" that can "unzip" to make copies of itself confirmed suspicions that DNA carries life's hereditary information. Nobelpris 1962 The sentence "This structure has novel features which are of considerable biological interest" may be one of science's most famous understatements. (Ms June Johnson ) Content Chapter 5 DNA and Chromosomes Structure and function Eukaryotic chromosomes (Regulation) 15

16 Chapter 6 Replication, Repair and Recombination Replication Repair (Homologous recombination) (Mobile genetic elements and Viruses) Chapter 7 From DNA to Protein From DNA to RNA transcription From RNA to Protein - translation Chapter 5 Fig 5.1 Chromosomes visible as cell divide Fig 5-2 DNA-molekylen Socker-fosfatryggrad (rita på tavlan) Riktning. 5 -ändan först. NH3-ändan först. Motriktade Fyra baser Vätebindningar, 2 resp 3 Dubbelhelix Ritkning och detaljer fig 5-6 Film 5-1 Nucleobase Nucleoside Nucleotide Major and minor groove fig 5-7 Genome = total genetic information carried by a cell or organism (or the DNA-molecule) Hela mänskliga genomet skulle fylla 1000 böcker som denna. Varje mänsklig cell innehåller ca 2 m DNA uppdelat på 2*23 kromosomer. Cellkärnan är bara 5-8 mikrometer i diameter. Måste packas väl, men ändå kunna läsas av. Packas samman till chromatintråd mha speciella proteiner. Bakterier har typiskt bara en cirkulär kromosom. 16

17 Människa har 3, nukleotidpar per haploid cell. Förenklat En gen ger ett protein fig 5-9 Fördelningen av gener på de två strängarna fig 5-13 En enkel bakterie har ca 500 gener. Människan har ca gener. Prokaryoter har nästan inget överflödigt DNA utan i princip bara gener. Eukaryoter har stora mängder junk DNA. (vi vet inte vad det är bra till) (Obs! Vissa växter och amöbor har mkt större genom än människan.) Människan har 46 kromosomer, men vissa hjortdjur har bara 6, och vissa karpfiskar har 100. Mkt nära arter kan ha mkt olika antal kromosomer fig 5-14 Genomen och kromosomerna har bildats genom ett stort antal slumpartade händelser. De arter som finns kvar är de som överlevde. De allra allra flesta dog med en gång, resten ganska snart. Cellcykeln fig 5-15 (Kromosomdelning fig 5-16 (bra förklaring! Blir ofta missförstånd)) Replication origin fig 5-16 Telomerer (årets medicinpris) fig 5-16 återkommer i kap 6 Packning av DNA Histoner, små hårda positivt laddade proteiner fig miljoner st i en cell Packning fig 5-22 Låsning med H1 fig 5-24 Alltihop fig 5-25 Histonerna är oerhört konserverade genom evolutionen. Bara två ändrade aminosyror mellan ko och ärta. Förändringar i kromatinstruktur kan ärvas, Epigenetik. Film

18 Chap 6 Replication Fig 7-1 (The Central Dogma) Noggrant system för att kopiera och reparera DNA-molekylerna Kopiering upp till 1000 baser per sekund (bakterier) 100 baser per sekund (människor) För en djurcell kan det ta 8 timmar och endast en till två baser blir fel. Börjar vid en eller flera Replication origins Fig 6-5 Replication Forks fig 6-9 DNA polymeras Replikation i färg Film 6-1 Replikationsgaffeln är osymmetrisk Fig 6-11 och 6-12 Primas (RNA polymeras) Replikation i färg Helicase and single-strand binding proteins Fig 6-17 Movie 6-5 först och sedan 6-4 (Telomeras Fig 6-18 Nobelpris Medicin 2009) Utanför kursen DNA Repair och Homologous combination Människa schimpans 5 milj år 98% identiska Människa val milj år, många kromosomer som är mkt lika. Fig 6-28 Virus Fig 6-36 och fig 6-38 Kan vara gjorda av enkelsträngat eller dubbelsträngat RNA eller DNA. Chap. 7 From DNA to Protein Transcription and Translation + Origin of Life The Central Dogma Fig 7-1 Genuttrycket Fig 7-2 Vad skiljer RNA och DNA? Transskription Transskriptionen Fig 7-6 och 7-7 (Nobelpris Kemi 2006) 18

19 Movie 7-2 I prokaryoter så börjar nästa RNA-molekyl transkriberas innan nästa är klar Fig 7-8 Flera sorters RNA, i denna kurs mrna, rrna, trna, snrna, mirna Table 7-1 Start och Stopp Fig 7-9 Båda DNA-strängarna innehåller gener Fig 7-11 mrna bildas i eukaryoter inne i kärnan Fig 7-14 Exoner och Introner 7-17 Splicing fig 7-20 Alternative splicing och exonshuffling fig 7-21 plus mina två overhead Jämförelse pro- och eukaryot transskription Fig 7-23 Troligen har prokaryoter rationaliserat bort introner. Min skiss på tavlan av mrna, trna, rrna, ribosom och protein Translation Tripletter Genetic Code Min overhead Några få undantag hos mitokondriedna, några svampar och protozoer Översättningen görs mha trna Fig 7-28 I bakterier 31 st olika trna. Wobbling. Kontroll och koppling görs av aminoacyl-trna synthetase Fig 7-29 Ribosomen (Nobelpris Kemi 2009, publicerat 2000) läser av mrna, ser till att rätt trna basparar, och kopplar ihop aminosyrorna till en polypeptid Fig 7-32 (D) Ca 2 aminosyror per sekund hos eukaryoter och upp till 40 st per sekund hos prokaryoter. Ribosomen består till två tredjedelar av mrna och en tredjedel protein. Det är mrna som är de aktiva delarna. Processen består av fyra steg Fig 7-33 Movie 7-8 Startsignal. Initiator trna är inte detsamma som vanliga metionin-trna. Starten måste vara mkt noggrann!!! Stoppsignal. Speciella proteiner Release factors binder till stoppcodon. Chaperons normalt. Syntesen av ett protein tar typiskt någonstans mellan 20 sek och några minuter. Movie 7-7 I prokaryoter så translaterar flera ribosomer samma mrna 19

20 Movie 7-10 Nedbrytning av tillverkade proteiner. Vissa proteiner skall ha kort livstid. Andra proteiner är felveckade eller skadade. Dessa måste förstöras snabbt. Sammanfattning Fig 7-40 plus min sammanfattning Posttranskriptional modifications Fig 7-41 Hur uppstod livet? Nukleinsyror krävs för att sätta ihop proteiner Och Proteiner krävs för att styra och katalysera tillverkningen av nukleinsyror. Omöjligt! RNA-världen Fig

21 Kapitel Var är vi i kursen??? Kap 1-4 Celler, aminosyror, proteiner, enzymer Kap 5-7 DNA, Kromosomer, replikation, transkription, translation Kap 8-10 Gener och genom, kontroll, utveckling, analys av Kap Membraner, struktur, transport Kap Kemisk energi från mat, mitokondrier (kloroplaster) Kap Celler, transporter inuti, kommunikation mellan, cytoskelettet, delning Kap Sex, genetik, vävnad, stamceller, cancer Kap 11 Membrane structure Utan membran skulle det inte finnas några celler, och alltså inte något liv! Selektiv barriär Fig 11-1 Ca 50 Ångström tjockt Fig 11-4 Lipid bilayer (dubbellager) Selektiva kanaler släpper in mat och ut restprodukter Fig 11-2 Receptorproteiner tar emot signaler från omgivningen Membranets flexibilitet gör att cellen kan röra på sig Fosfolipid fig 11-5 Fosfatidylkolin fig 11-6 Amfipatiska Jämför huvud Fosfatidylserin (fig 11-7) Fosfatidyletanolamin (fig 11-10) Glykolipider Dubbellagret är självförslutande och formar en sfär spontant fig Inom membranet kan fosfolipider röra sig fritt i två dimensioner som en vätska. Denna vätska är mer flytande om det finns mycket omättade (med dubbelbindningar) fettsyror (rapsolja), medan membran med mycket mättade fettsyror är fastare (smör). Membranet är osymmetriskt med glykolipider endast på utsidan fig Olika funktioner hos membranproteiner fig De är förankrade i membranet på olika sätt fig

22 Bakterierodopsin fungerar som en protonpump fig Retinal tar upp en foton och ändrar då konfirmation. Detta sätter igång en process där en proton hoppar genom en kanal från aminosyra till aminosyra till den till sist lämnar cellen på utsidan av membranet. Retinal ändrar sedan tillbaka till ursprungliga konfirmationen genom att ta upp en proton från insidan. Vi har retinal i våra synceller. Cellmembranet förstärks av fibrösa proteiner som binder till insidan av membranet, cell cortex. Utsidan av eukaryota celler täcks av ett kolhydratskikt. Fig Detta byggs upp av glykolipider och membranbundna glykoproteiner. Kolhydratskiktet skyddar det ömtåliga cellmembranet. Och det identifierar vilken celltyp det är. Och fungerar som receptorer. Rekommenderade frågor kap 11: 2, 3, 4, 8, 9, 11, 14, 19 22

23 Kap 12 Membrane Transport Vissa molekyler kan diffundera genom cellmembranet, medan andra inte kan det fig 12-2 Två typer av membranproteiner som hjälper till med transport över cellmembranet fig 12-3 Transporterare Endast de molekyler som binder in till proteinet Kanaler alla de molekyler som är tillräckligt små och har rätt laddning Passiv transport med koncentrationsgradienten, kanaler och många transporterare fig 12-6 Aktiv transport energi tillförs, kan gå mot koncentrationsgradienten, dessa transporterare kallas ofta för pumpar fig 12-4 Koncentrationsgradient + potentialskillnad = elektrokemisk gradient fig 12-7 Insidan av cellmembranet har en negativ laddning, och utsidan har en positiv fig 12-7 Hög konc Na + på utsidan medför hög elektrokemisk gradient Hög konc K + på insidan medför låg elektrokemisk gradient Aktiv transport på tre olika sätt fig 12-8 Ett exempel är Na + -K + -pumpen fig Tre Na + binder på insidan 2. ATP avger energi i form av en fosfatgrupp till pumpen 3. Detta medför att pumpen ändrar konfiguration Na + avges på utsidan 4. 2 st K + binder in 5. Pumpen avger sin fosfatgrupp 6. Pumpen återgår till ursprungliga formen K + avges på insidan Vi får två koncentrationsskillnader och en potentialskillnad som alla tre kan användas som energi. En cykel går på ca 10 millisekunder. Om någon av jonerna saknas som kommer pumpen att stanna, vilket medför att inget ATP används i onödan. 23

24 Jonkanaler är jonselektiva Exempel K + -kanalen fig Hur kan K + -kanalen släppa igenom K + -jonen, men inte Na + -jonen som är mindre? Movie 12.5 Skippa patch-clamp om ni inte är speciellt intresserade. De flesta jonkanaler kan öppnas och stängas selektivt. Tre sorter fig Styrs t.ex. genom förändringar i membranpotentialen = voltage-gated Inbindning av en molekyl = ligand-gated Mekanisk kraft = stress-gated. T.ex. hårcellerna i örat. Movie 12.6 Hur fungerar nervceller? Över ett cellmembran finns en vilopotential på -20 till -200 millivolt. Denna uppstår genom att vi mha Na-K-pumpen har ett överskott av K + -joner inuti cellen. Detta överskott av positiva joner balanseras av negativt laddade organiska molekyler, t.ex. proteiner. I cellmembran finns gott om K-kanaler som i snitt till stor del är öppna. K + -joner strömmar då ut. Men då får vi ett underskott av positiv laddning på insidan som gör att det blir svårt för K + -jonerna att fortsätta att diffundera ut. På millisekunder får vi en jämvikt. Det är detta som gör att vi får en negativ vilopotential. Nervsignalen 1. Om vi lägger på en spänning så att membranpotentialen stiger från -60 mv till -40 mv så öppnas voltage-gated Na + -kanaler i cellmembranet så att Na + strömmar in i cellen eftersom vi har ett överskott på utsidan. 2. Detta höjer membranpotentialen ytterligare vilket gör att ännu fler Na-kanaler öppnas. Snabbt når vi en elektrokemisk jämvikt med en potential om +40 mv. 3. I detta läge inaktiveras och stängs Na-kanalerna. Fig Eftersom vi har en positiv laddning på insidan så kommer K-joner att börja strömma ut genom ständigt öppna K-kanaler. Dessutom öppnas ytterligare voltage-gated K-kanaler. 5. Därigenom så återställs membranpotentialen. Men behöver återställa Na/K-balansen. Detta gör Na-Kpumpen. Fig Sammanfattning fig 12-39B 24

25 Överföring till nästa nerv- eller muskelcell 1. Då nervsignalen, depolariseringen, når nervändan så öppnas voltage-gated Ca 2+ -kanaler. 2. Då Ca 2+ strömmar in i nervändan så kommer vesiklar fyllda med neurotransmittormolekyler att sammansmälta med nervmembranet och avge sina molekyler till synapsklyftan. Fig Neurotransmittorn diffunderar över klyftan, ca 200 nm. 4. Den binder sedan till en ligand-gated jonkanal i nästa nervcell. Detta gör att vi får en ändrad membranpotential som gör att voltage-gated jonkanaler öppnas. Fig Kap 13 How cells obtain energy from food Vi koncentrerar oss på nedbrytning av glukos till CO 2 och H 2 O. Katabolism. Oxidation. Start fig 13-1 Nedbrytningen sker i tre steg fig från makromolekyl till mindre subenheter (stärkelse till glukos) 2. från glukos till acetyl-coa = glykolysen + ett steg i mitokondrien 3. a. citronsyracykeln b. elektrontransportkedjan c. oxidativ fosforylering Glykolysen bildar: fig 13-3 (Obs! inga detaljer) 2 pyruvat -2 ATP + 2*2 ATP = + 2 ATP 2*1 NADH Om O 2 finns så fortsätter dessa molekyler till mitokondrien och blir massa energi. Om inget O 2 finns så kan ändå glykolysen fortsätta fig 13-4 a) Fermentation (bakterier, muskler) Pyruvat omvandlas till mjölksyra samtidigt som NADH regenereras till NAD + b) Fermentation (jäst) Pyruvat omvandlas till acetaldehyd som blir etanol samtidigt som NADH regenereras till NAD + Fulöl 25

26 Om O 2 finns så pumpas pyruvat in mitokondrien där det omvandlas till en CO 2, en NADH plus en acetyl- CoA. Acetyl-CoA går sedan in i citronsyracykeln fig där vi får 1 GTP, 3 NADH och 1 FADH 2 för varje varv. Om vi utgår från glukos (6C) så får vi två pyruvat (3C) som ger 2 acetyl-coa (2C). Vi måste alltså ta citronsyracykeln två varv för att se hur mkt energi vi fått så långt. Summering av hur mkt energi en glukosmolekyl ger kommer i kapitel 14. Hoppa över sid Kap 14 Energy generation in mitochondria and chloroplasts Energin i NADH och FADH 2 omvandlas till ATP i två steg fig Elektrontransportkedjan pumpar protoner genom mitokondriens inre membran 2. Protongradienten används som energi för att tillverka ATP Mitokondrien fig Yttre och inre (mkt veckat och tätt) membran. Den grå mitten kallas matrix. 2. Pyruvat pumpas in och görs om till acetyl-coa 3. Citronsyracykeln ger NADH och FADH 2 4. Högenergielektroner avges till elektrontransportkedjan 5. Protoner pumpas ut ur mitokondriens matrix 6. Protongradienten används av ATPas för att tillverka ATP 7. ATP transporteras ut ur mitokondrien Elektrontransportkedjan fig 14-9 ATPas fig Movie 14-3 och 14-4 Kan gå åt båda håll fig Table 14-1 sid 465 Sammanfattar att vi får ca 30 ATP per glukos Hur mkt ATP gör vi av med per dag? Mitt papper om hur mkt ATP kostar? Vad är energieffektiviteten? Around 40% (sid 475) 26

27 Hoppa över Sammanfattning C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + 30 ATP (40%) + värme (60%) 6 CO H 2 O + ljusenergi C 6 H 12 O O 2 + värme Kloroplasten fig Jämförelse med mitokondrien fig Ljusa och mörka stegen fig Skillnad mellan NADPH och NADH fig 3-34 Ljusa reaktionen H 2 O + ljusenergi ATP + NADPH+ O 2 (mer detaljer kommer) Mörka reaktionen CO 2 + ATP + NADPH C 6 H 12 O 6 + värme Ljusa reaktionen fig och De bildade ATP och NADPH kan inte exporteras från stroma ut ur kloroplasten. Istället produceras socker i den mörka reaktionen fig (ej detaljer) Sockret antingen lagras som stärkelse eller används för att producera ATP i växtens mitokondrier. Kloroplasternas och mitokondriernas ursprung Nya bildas genom att de delar sig på samma sätt som bakterier gör fig De har egna system för replikation, transkription och translation Men, speciellt för mitokondrien så har de flesta gener flyttats över till cellkärnan. Livets ursprung 1. De första pro- och eukaryoterna kan ha använt geokemiskt producerade organiska molekyler och producerat ATP mha anaerob fermentation 27

28 2. Slutprodukten blir då t.ex. mjölksyra. Den omgivande miljön blir då sur. Även cytosolen påverkas. De celler som då har ett system som kan pumpa ut protoner får en fördel. 3. Två varianter av protonpumpar, elektrontransportkedjan resp ATPas fig Med båda systemen så kan elektrontransportkedjan användas för att pumpa ut protoner och ATPas för att göra ATP. Detta ger då dessa organismerna en stor fördel. 5. Fotosyntes. Gröna svavelbakterier. Använder H 2 S för att mha ljusenergi tillverka NADPH. 6. Cyanobakterier. Använder H 2 O istället för H 2 S. Och ett andra fotosystem. Genom detta så började organiskt material att ansamlas, och O 2 bildas! Fig Nya organismer bildades som blev bra på att använda organiskt material och O 2 8. Och så småningom också organismer som inte längre kunde göra fotosyntes 9. Primitiva eukaryoter inneslöt de organismer som så småningom utvecklades till mitokondrier och kloroplaster 10. Så småningom utvecklades flercelliga organismer Den nu levande organism som man tror mest liknar en ursprunglig organism är en metanproducerande arkebakterie som lever vid varma källor på stora djup. Den använder H 2, CO 2 och N 2 som näring, och producerar CH 4 (via NH 3 ). Den har ingen tillgång till ljusenergi eller O 2. Den har elektrontransportkedja och ATPas. Rekommenderade frågor kap 14-1, 2, 4, 8, 9, 10, 13, 16, 17, 22 28