Overordnet mål
Semesteret består av 19 uker undervisning og en uke evaluering. De 19 ukene er viet cellebiologi.
Som undervisningsenhet er cellebiologi et relativt nytt fag. I medisinerstudiet ble det først innført som egen blokk i 1991, ved at vi slo sammen elementer fra ulike fagområder som tidligere var undervist hver for seg. Integreringen av ulike fag i et felles semester var en logisk følge av de siste to tiårs store tilfang av ny basal kunnskap der hvert av fagene har konvergert mot et felles fundament. Du vil møte lærere fra ulike fagfelt - anatomi, biokjemi, fysiologi, genetikk, klinisk kjemi, patologi og virologi, samt forskere fra Det norske Radiumhospital. Men selv om de er tilknyttet ulike institutter, driver de forskning med tildels utstrakt overlapping mht til metoder og typer av problemstillinger. I den forstand er de alle cellebiologer.
Det betyr ikke at cellebiologi er et homogent fag. Fremdeles er det naturlig skille ut separate hovedelementer, som metabolismebiokjemi, molekylærbiologi inkl genteknologi, molekylærgenetikk, generell cellebiologi og generell histologi. Faget hviler på kjemi. Vi har flettet noe kjemiundervisning inn i de ulike ukene, men forutsetter at du har solide kjemikunnskaper.
Læringsmål i cellebiologi
Helt frem til vår tid har det virket umulig, nærmest provoserende å prøve å forklare liv, inklusive oss selv og vår bevissthet, som resultat av fenomener grunnlagt på en ren materiell virkelighet, styrt av fysikkens og kjemiens lover. Den vitenskapelige prosess er likevel drevet frem av at det er mulig å finne naturlige forklaringer på selv de mest kompliserte fenomener.Når vi i dag mener å kunne hevde at liv, og alle de fenomener som er knyttet til levende organismer, har naturlige forklaringer og at vi faktisk langt på vei kjenner disse, er ikke dette uttrykk for ekstrem reduksjonisme i betydningen at alt kan utledes av fysisk-kjemiske lover.
Utgangspunktet for våre forklaringer er en hierarkisk ordning av fenomenene, der fenomener på høyere nivåer oppstår som resultat av spesiell organisering av lavere nivåers bestanddeler. Med stikkord kan ulike nivåer f eks angis slik: atomer molekyler makromolekyler supramolekylære komplekser og organeller celler vev organer organismer samfunn av individer. Vi kan finne naturlige forklaringer når vi går ovenfra og nedover i hierarket, men kan vanligvis ikke gå motsatt vei. Som eksempel, når vi nå kjenner strukturen av arvestoffet, DNA, kan vi forklare formering av det ut fra rent fysisk-kjemisk termer, men det var ikke mulig bare med kjennskap til det periodiske system og kjemiens lover å forutsi DNA-strukturen og mekanismene for formering av arvestoff. Det at nye, ofte uforutsigbare, men likefullt naturlige fenomener oppstår som resultat av måten lavere nivåers bestanddeler er organisert på, kalles "tilsynekomst" (eng. emergence).
Hovedmålet i cellebiologisemesteret er at du skal kunne forstå hvordan de mangfoldige fenomener som vi forbinder med liv - vekst, formering, energiomsetning, opptak og avgivelse av nødvendige stoffer, informasjonsoverføring, bevegelse og differensiering - på denne måten har naturlige forklaringer, som "tilsynekomst" ved organiseringen av molekyler. Du skal lære at organiseringen på sin side hviler på to grunnleggende, men enkle prinsipper: på lavere nivå "selvsamling" av molekyler og molekylkomplekser, og på litt høyere nivå det vi kaller "selvorganisering", og du skal lære at den har oppstått gjennom evolusjon ved naturlig seleksjon av selvreplikerende enheter. Ettersom den minste enhet for selvstendig liv er cellen, medfører dette inngående studier av hvordan cellen er bygget opp og fungerer.
Det betyr ikke at vi mener at alle medisinske problemer i siste instans kan henføres til fysikk og kjemi, men at ulike problemer krever ulike typer forklaringer på ulike organiseringsnivåer. Det tjener f eks ingen hensikt å prøve å forklare f eks høydeskrekk ut fra kjemi, mens derimot f eks blodsykdommen sigdcelleanemi bare kan forstås ut fra proteinkjemi. Mange, og etter hvert et økende antall sykdommer, kan i dag forklares på cellulært og molekylært nivå. Videre går f eks mye av en leges praktiske virksomhet ut på behandling med medikamenter, hvilket krever noenlunde sunne oppfatninger av hva vi gjør og av virkningsmekanismer.
En av legens mange roller er humanbiologens. I den rollen har det du lærer i dette semesteret egenverdi. I tillegg skal undervisningen danne fundament for mye av ditt arbeid i senere semestere, med organismens normalbiologi, patologi og sykdomslære, inklusive mikrobiologi.
I det følgende gir vi en oversikt over hva som foregår i semesteret, i form av en relativt sammenhengende beskrivelse. Vi håper at du dermed kan få innsikt i tankegangen bak sammensetningen og rekkefølgen av temaer. Deretter følger en stikkordliste over temaer uke for uke.
Hovedstruktur og faglig innhold
Oversikt over cellebiologiundervisningens innhold
Cellen er den minste enheten for liv, og cellebiologi derfor læren om de grunnleggende livsprosesser. Men hva er egentlig liv? Tross mangfoldet av svært forskjellige livsformer på jorden, har vi stort sett ikke problemer med å skjelne levende organismer fra ikke-levende ting. Hva har så levende vesener felles?
Et stykke på vei kan liv beskrives i rent fysisk-kjemiske termer. Således er alle kjente livsformer karakterisert ved høy grad av kompleksitet, de er basert på molekyler bygget opp av karbonkjeder, finnes kun i vandige løsninger, og nukleinsyrer danner arvestoffet. Selv om listen kunne gjøres lengre og mer fyldestgjørende, føler de fleste av oss intuitivt at denne type karakteristikk er utilstrekkelig, at liv er mer enn fysikk og kjemi, at det i tillegg er ulike funksjonelle egenskaper og målrettede aktiviteter. På andre kloder finnes det muligvis helt andre livsformer. Om vi noensinne møter dem, hvordan skal vi erkjenne dem som levende? Problemstillingen er ikke rent tankespinn; den er aktuell ettersom det er holdepunkter for at liv eksisterer eller har eksistert på Mars. Dessuten kan den danne utgangspunkt for å klarlegge grunnleggende kriterier for liv.
Den mest grunnleggende egenskapen er evnen til reproduksjon. Formeringsevne er imidlertid utilstrekkelig som eneste kriterium; under egnede betingelser har også krystallinske stoffer som vi avgjort ikke vil kalle levende, evne til å mangfoldiggjøre seg. For å skille levende organismer fra ikke-levende krystaller krever vi derfor at levende organismer også skal kunne påvirke og forandre molekyler i omgivelsene for å fremme sin reproduksjon. Dette tilleggskriteriet reflekterer at levende organismer til en viss grad har frigjort seg fra snevre miljøkrav.
Utgangspunkt for moderne biologi er likevel at levende organismer er bygget opp av atomer og molekyler og langt på vei kan beskrives gjennom kjemiens språk, der de funksjonelle egenskapene oppstår som resultat av spesiell organisering av visse typer molekyler. I vidt perspektiv er det således molekylkomplekser som formerer seg. Når det gjelder livet på jorden, er molekylene som formerer seg kjeder av nukleinsyrer, først og fremst deoksyribonukleinsyrer, DNA. Formering av DNA kalles replikasjon. Vi kaller derfor DNA-molekylene replikatorene. De bruker for det meste en annen gruppe molekyler til å påvirke og forandre omgivelsene ved å katalysere kjemiske reaksjoner.
Disse katalysatorene er proteiner, som er kjeder av aminosyrer hektet sammen på basis av informasjon i replikatorene. For å forstå grunnlaget for liv, inklusive oss selv, må vi derfor vite hvordan replikatorene og katalysatorene, dvs nukleinsyrer og proteiner, er bygget opp og virker, og forstå organiseringen av og samspillet mellom dem. Dette samspillet ligger til grunn for alt liv på jorden. Det utgjør derfor semesterets hovedtema og kommer inn i mange av ukene.
Livet ble utviklet i vann og alle grunnleggende funksjoner i cellene er tilpasset vandig miljø. Men for at cellens mange bestanddeler skal holdes sammen til en funksjonell enhet, er det nødvendig å avgrense cellen mot det omgivende vannet. Dette er cellemembranens oppgave. De fleste av cellemembranens molekyler tilhører en gruppe organiske molekyler som vi kaller lipider. Cellemembranen er langt mer enn en passiv pose rundt cellen; proteiner innleiret i membranen sørger bl a for selektivt opptak av næringsstoffer og feste til og kommunikasjon med omgivelsene. Cellemembranens bygning og funksjon behandles i uke 1.
Gjennom serier av kjemiske reaksjoner omdanner katalysatorene molekyler i omgivelsene til byggestener som brukes til å formere replikatorene og katalysatorene. Syntesereaksjonene utgjør en sentral del av levende organismers stoffskifte. Stoffskifte er således et kriterium for liv. Dette kriteriet er ikke selvsagt. Vi har replikasjonsenheter, som til en viss grad også inneholder informasjon om katalysatorer, men som ikke har selvstendig stoffskifte og i stedet snylter på levende organismer og deres stoffskifte. Eksempler er virus, som vi følgelig ikke betegner som levende.
Stoffskiftet bidrar ikke bare til å produsere byggestener, men også til å produsere nødvendig energi for å drive biosyntesereaksjonene. Energibegrepet er imidlertid ikke uproblematisk; det ser vi av den første termodynamiske lov, som sier at den totale energimengde i et lukket system er konstant. Hvordan kan da energi sies å drive kjemiske reaksjoner i bestemte retninger? Svaret gis av den andre termodynamiske loven, som innfører et annet begrep, entropi. Cellens stoffskifte er tema i ukene 2, 3 og 4, som inkluderer kort repetisjon av energi- og entropibegrepene.
Fra livets begynnelse for knapt fire milliarder år siden har det skjedd en utvikling med fremkomst av et enormt antall ulike organismer, hvorav mange er svært komplisert bygget. Denne utviklingen i retning av økt mangfold og kompleksitet kalles evolusjon og reflekterer arvestoffets, replikatorenes, evne til å undergå forandringer, mutasjoner. Mutasjonene gir opphav til variasjon blant replikatorene. Denne variasjonen er i neste omgang årsak til noe ulik evne til overlevelse og formering, som dermed blir gjenstand for "naturlig seleksjon" og evolusjon. Som vi skal se er de fleste mutasjoner skadelige, og cellene har utviklet sofistikerte mekanismer, såkalt DNA-reparasjon, for å rette opp mutasjoner. I uke 5 skal vi studere replikatorenes oppbygning, hvordan de formerer seg og hvordan skader repareres, og i uke 6 og 7 hvordan de inneholder informasjon om proteiners struktur. Skadelige konsekvenser av mutasjoner og kartlegging av mutasjoner behandles også i uke 7. De siste tyve årene er biologien revolusjonert gjennom utvikling av teknologi for å undersøke og manipulere DNA-sekvenser. Genteknologi er tema i uke 8, der vi også ser på genetiske polymorfismer, dvs normal genetisk variasjon i befolkningen.
Det tok mer enn to milliarder år før moderne celler, som utgjør byggestenene i flercellede organismer, oppsto. Disse "nyere" cellene er karakterisert ved at de er delt opp ved hjelp av membraner i kamre med ulike funksjoner. Et av kamrene kalles cellekjerne, derav betegnelsen kjerneholdige eller eukaryote celler. Denne kammerdelingen av celler er tema for uke 9. Som vi skal se i uke 10, har eukaryote celler også et sofistikert indre celleskjelett som danner reisverk og gir opphav til bevegelser av cellen. Som ledd i utvikling av flercellede organismer var det videre nødvendig med ulike mekanismer for å holde celler sammen, dels ved hjelp av ulike cellekontakter, dels ved hjelp av at cellene skaper et ytre reisverk i nærmiljøet. Dette er tema i uke 11. Evolusjonslæren utgjør det teoretiske fundamentet for moderne biologi. Gjennom den kan vi forklare hvordan målrettede aktiviteter og funksjonelle egenskaper kunne oppstå fra ikke-levende materie. Tidligere var evolusjonslæren henvist til observasjoner av ytre former av nålevende og utdødde arter. Variasjon av ytre former gjenspeiler ulik informasjon i replikatorene. Med moderne molekylærbiologiske teknikker kan vi nå studere DNA-molekylenes informasjon direkte og avlede utviklingsforløp og slektskap mellom artene fra dem. Omvendt, når forskerne finner frem til nye sekvenser av DNA og proteiner, er det nødvendig å finne hvor i det molekylære utviklingstreet sekvensene hører hjemme. Dette er en av hovedoppgavene til bioinformatikken, som de senere år har hatt en enorm vekst i kjølvannet av det humane genomprosjektet. Molekylær evolusjon, det humane genomprosjektet og bioinformatikk er temaer i uke 12.
Det tok mer enn tre milliarder års evolusjon å frembringe flercellede organismer, sammensatt av forskjellige celletyper med ulik funksjon. Mens de 12 første ukene vesentlig er viet den enkelte celle, går vi i de siste ukene over til å studere samvirket mellom cellene i flercellede organismer. I uke 13 skal vi se at ulike vev og organer har forskjellige oppgaver i stoffskiftet, og at det er nødvendig å samordne disse oppgavene. Foruten stoffskifteprosesser er også en lang rekke andre oppgaver fordelt mellom ulike vev og organer. En hovedårsak til at evolusjonen tok så lang tid på å frembringe flercellede organismer er at samordningen av de ulike aktivitetene krever sofistikerte systemer for kommunikasjon og regulering. I uke 14 og 15 studerer vi kommunikasjonen mellom cellene i den flercellede organismen, og i uke 16 og 17 regulering av celledeling og -død, samt hvordan reguleringsmekanismene kan svikte slik at vi får ukontrollert vekst, som leder til kreft.
I flercellede organismer er videreføring av replikatorene overlatt til spesialiserte celler, kjønnscellene. De fleste flercellede organismer formerer seg seksuelt, dvs ved sammensmelting av kjønnsceller fra to individer med ulikt kjønn. I uke 18 og 19 skal vi se på hvorfor seksuell formering er så utbredt og følge trinnene fra dannelse av kjønnsceller, via befruktningen til fremvekst av en flercellet organisme med ulike spesialiserte celler, vev og organer. Vi skal også studere prinsipper for differensiering av celler og for morfogenese, dvs hvordan de ulike delene av kroppen utvikles forskjellig. Et av livets undre er nettopp hvordan informasjon i replikatorene kan medføre så presis morfogenese at selv for så kompliserte organismer som mennesket er avkommet nesten tro kopier av opphavet. Nærmest et under er det også at denne kompliserte prosessen så ofte blir vellykket. Av og til skjer det feil, blant annet som følge av skader på replikatorene, ofte ved fordelingen av DNA-molekylene under dannelsen av kjønnscellene. Vi avslutter semesteret med å se på hvordan ulike typer DNA-skader og kromosomfeil kan gi opphav til sykdommer og misdannelser, og hvordan vi på et tidlig tidspunkt kan finne ut om det foreligger skader ved prenatal diagnostikk.
Når vi i dag begynner å få en mer helhetlig forståelse av cellens biologi, og dermed av selve fenomenet liv, skyldes det et eksplosivt kunnskapstilfang i celle- og molekylærbiologi de siste tyve årene. Det er en selvfølge at moderne medisinere tilegner seg tilstrekkelig innsikt i cellebiologiens teoretiske fundament til å få del i denne helhetsforståelsen. Den er i ferd med å revolusjonere vårt syn på liv som fenomen, og dermed også vårt syn på oss selv. Og som vi skal se gjennom eksempler i løpet av semesteret, den er også i ferd med å revolusjonere praktisk medisinsk diagnostikk og terapi.