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) 1
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 10-1000 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. 2
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 3
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. 4
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 α-helix och β-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 5
Några exempel på hur proteiner katalyserar reaktioner 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? 6
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 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 20 000 proteiner, och när man tittar närmare på dem så verkar det finnas bara 2 000 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 10 000 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. 7