De enkelte ukene

Uken begynner med to forelesninger som gir en oversikt over cellen: hvordan en celle er bygget opp, hva som foregår av prosesser i cellen, hvordan celler deler seg, skaffer seg energi, samt hvordan cellenes arvestoff virker. Dette er temaer som belyses i detalj i resten av semesteret, men der en tidlig oversikt kan være en støtte for innlæringen.

UKE 1Cellen, cellens avgrensing og opptak av stoffer

Lipider

Lipider utgjør en heterogen gruppe organiske molekyler som har til felles at de er lite løselige i vann. En undergruppe er de amfipatiske lipidene, som er lange molekyler med en polar, vannløselig ende og en lengre, apolar, vannuløselig hale. Amfipatiske lipider brukes som såper og detergenter og utgjør lipidlaget i biologiske membraner.

Biologiske membraner

Cellen er avgrenset mot omgivelsene av en membran, celle- eller yttermembranen. Cellens indre er videre delt opp i mindre kamre, avgrenset av tilsvarende membraner. Membranene består av et dobbelt lag amfipatiske lipider, først og fremst fosfolipider, med polare hoder vendt mot vandig miljø på ut- og innside og med apolare haler inn mot midten av membranen. Innleiret i denne lipidfilmen sitter proteiner, som utfører en lang rekke ulike funksjoner. Lipidene og de fleste proteinene flyter sidelengs, der lengden og grad av umettethet av fosfolipidenes fettsyrer er avgjørende for membranenes flytenhet.

Membrantransport

Lipidmembranen danner barriere for diffusjon av vannløselige, men ikke av fettløselige stoffer. Graden av fettløselighet spiller derfor en stor rolle for i hvilken grad stoffer som hormoner eller legemidler kommer inn i cellen. Vannløselige stoffer bringes inn ved hjelp av transportproteiner som sitter innleiret i membranen og danner kanaler eller bærere som oftest er spesifikke for enkelte molekyler. Åpningen av kanalene og aktiviteten til bærerne kan oftest reguleres, og gir dermed cellen mulighet til kontroll over hva som slipper inn. Transporten av stoffer gjennom membranen skyldes vanligvis en konsentrasjonsforskjell, men membranen har også transportproteiner ("pumper") som bruker metabolsk energi for å transportere stoffer motsatt vei. De bygger altså opp en konsentrasjonsforskjell. Den vanligste og viktigste pumpen transporterer kaliumioner inn i cellen og natriumioner ut og sørger for at konsentrasjonen av kalium i cytosol er høy og natrium lav; mens det er motsatt på utsiden. Kroppen bruker en stor del av sin energi i hvile (basalstoffskiftet) til å holde nettopp denne pumpen gående. Ved å spille på aktiviteten til ulike transportproteiner kan cellen regulere sitt volum og holde pH i cytosol tilnærmet konstant.

UKE 2Proteiner, enzymer og enzymkinetikk

Svake kjemiske bindinger

De fleste fenomener i cellen kan tilbakeføres til selektiv binding til eller mellom makromolekyler. Selektiviteten skyldes at deler av overflaten til molekylene er gjensidig komplementære mht form og elektrisk ladning. Vi får dermed en summasjon av mange svake kjemiske bindinger som samlet gir stor bindingskraft (høy affinitet).

Proteiner

Så godt som alle reaksjoner i cellens stoffskifte er katalysert av enzymer. Enzymer er proteiner. De virker som katalysatorer ved å binde "substratet", dvs molekylene som undergår de kjemiske reaksjonene. Bindingen mellom enzym og substrat er eksempel på selektiv binding mellom proteiner og stoffer som bindes til dem (= ligander). Andre eksempler er binding av hormoner til hormonreseptorer, antigener til antistoffer og ligander til membrantransportører. De første katalysatorer var antagelig nukleinsyrer (ribozymer). Proteiner er imidlertid langt mer allsidige enn nukleinsyrer mht de former de kan innta og overflater de kan skape for å danne bindingssteder til ligander, derfor utvikling av proteiner som katalysatorer. For å forstå bindingen av ligander, må vi studere proteiners struktur, hvordan de folder seg og skaper overflater egnet til å binde andre molekyler.

Enzymkinetikk

Enzymkinetikk(= læren om kjemiske reaksjoners hastigheter og hvordan enzymer påvirker dem) er grunnlag for å forstå regulering av metabolismen. Prinsippene vi møter her gjelder også en rekke andre sentrale biologiske fenomener der proteiners binding av ligander er involvert. Mange enzymers aktivitet er gjenstand for regulering gjennom fosforylering (kovalent binding av fosfatgrupper til enzymet) eller ved binding av metabolitter gjennom allosterisk konformasjonsendring av enzymet. Det er spesielt nøkkelezymer i de såkalte forpliktende steg tidlig i eller på forgreningspunkter i reaksjonsveiene som er gjenstand for regulering.

UKE 3Karbohydratmetabolismen og cellulær energi

Termodynamikk

Foruten å sørge for byggestener til produksjon av cellens ulike bestanddeler, skaffer stoffskiftet tilveie den fornødne energi for å drive reaksjonene. Men hva er egentlig energi? Vi minner om at energi er et bokholderbegrep oppfunnet av fysikere og kjemikere for å beregne eller forutsi fysiske og kjemiske reaksjoner, og at energi er definert slik at produksjon og forbruk, dvs samlet energimengde (i et lukket system) er konstant (som i alle skikkelige bokholdersystemer, men her opphøyd til en "naturlov", 1. termodynamiske lov). Hvordan kan vi da si at energi driver reaksjoner? I den 2. termodynamiske lov innføres to nye begreper, entropi og fri energi, som forklaring på drivkraft bak kjemiske reaksjoner. Vi repeterer også kort begrepet entalpi, massevirkningsloven og hvordan vi kan regne på energiomsetning ved kjemiske reaksjoner.

Energistoffskiftet

Sentralt i cellens energiomsetning står to reaksjonsveier kalt henholdsvis sitronsyresyklys og elektrontransportkjeden. Gjennom reaksjonene i sitronsyresyklus omdannes organiske molekyler til CO2, H+-ioner og elektroner. Elektronene bindes til ”elektronfraktere” - de reduserte koenzymene NADH og FADH2. Den sentrale rollen til sitronsyresyklus illustreres ved at her møtes karbohydrat-, aminosyre-, nukleotid- og lipidstoffskiftet.Det kommer lite nyttig kjemisk energi i form av ATP direkte ut av sitronsyresyklus. Mesteparten av energien er oppmagasinert i de reduserte koenzymene NADH og FADH2. Disse gir fra seg elektronene til elektrontransportkjeden, der elektronene vandrer gjennom store multiproteinkomplekser i en kjede av reduksjons-oksidasjonsreaksjoner. Siden fritt oksygen er siste mottager av elektronene, kalles kjeden også respirasjonskjeden. Som vi skal se, er kjeden hovedkilden til det meste av cellens utnyttbare energi, i form av ATP. Sitronsyresyklys og respirasjonskjeden finner sted inne i en organelle som kalles mitokondrier. Det er sammenheng mellom antall mitokondrier i en celle og cellens energibehov; f eks er mitokondrieinneholdet stort i cellene i brunt fettvev, hvis hovedfunksjon er å generere varme.

Sakkarider

er viktige som energikilde, energidepot (glykogen) og strukturelementer i celler og vev (glykolipider, glykoproteiner og glykosaminoglykaner). De danner polymerer, men i motsetning til nukleinsyrer og proteiner har de mange ulike måter å binde monomerene sammen på, slik at vi ved å hekte sammen bare noen få monosakkarider kan få et enormt antall ulike polysakkarider (glykaner).

Glykose

Glykolysen er en av flere ulike reaksjonsveier som fører til produksjon av energi i cellen, og også selve prototypen på en metabolsk reaksjonsvei. Glukose metaboliseres i flere reaksjonstrinn til pyrodruesyre og senere til acetyl-CoA. Vi skal studere trinn og regulering i denne reaksjonsveien grundig, både som eksempel på en reaksjonsvei og fordi den har viktige fysiologiske og kliniske sider. Acetyl-CoA er startpunktet for sitronsyresyklus. I visse celler eller ved oksygenmangel gir glykolysen melkesyre i stedet for pyrodruesyre / acetyl-CoA som sluttprodukt. Vi kaller dette anaerob nedbrytning, i motsetning til aerob, der det er tilstrekkelig oksygen til at respirasjonskjeden kan forløpe. I motsetning til pyrodruesyre, kan laktat ikke omdannes til acetyl-CoA og gå inn i sitronsyresyklus. Vi får dermed opphopning av melkesyre og surgjøring av cellene, med redusert funksjonstilstand og mulighet for skader. Innsikt i disse mekanismene er grunnlag for å forstå hva som skjer under hardt muskelarbeid og når vev pga skade eller sykdom får redusert oksygentilførsel.

UKE 4Lipidmetabolismen

Nedbrytning av fettsyrer

En annen hovedkilde til acetyl-CoA er nedbrytning av lange fettsyrer, gjennom en prosess som kalles beta-oksidasjon. Fettsyrefragmentene (acetyl-CoA) går imidlertid bare inn i sitronsyresyklus dersom det skjer en balansert nedbrytning av glukose og fett. Dersom fettnedbrytning dominerer, som ved langvarig faste eller sukkersyke, dannes istedet ketonlegemer, deriblant aceton. Fettsyrenedbrytning og fragmentenes videre skjebne er dermed sentralt for å forstå patogenetiske mekanismer ved sukkersyke. Nedbrytning av fettsyrer foregår i to organeller, mitokondriene, som vi allerede har møtt, og en organelle som kalles peroksisomer. I peroksisomene nedbrytes spesielle fettsyrer, som ekstra lange eller forgrenede fettsyrer.

Biosyntese av glukose og fettsyrer

Glukose syntetiseres gjennom en reaksjonsvei som kalles glukoneogenesen. Selvom den har mange trinn felles med glykolysen, er den ikke en reversering av denne, ettersom tre av trinnene i glykolysen i praksis er irreversible. Vi skal se på disse trinnene og på hvordan cellen kan regulere glukoneogenese versus glykolyse etter behov. Vi skal også studere fettsyresyntese, som i motsetning til fettsyrenedbrytning foregår utenfor mitokondriene, i cytosol. Ettersom våre celler mangler nødvendige enzymer, er det visse grupper av umettede fettsyrer vi ikke kan syntetisere.

Energidepotene - glykogen og depotfett

Cellene lagrer energi både i form av glykogen og depotfett (triacylglyserol eller triglyserider). Som vi skal se er fett den klart mest effektive måten å lagre energi på, foruten at fett lagret i underhuden har varmeisolerende effekt. Det er imidlertid nødvendig med lagre av glykogen, spesielt i muskel- og leverceller, og at glykogennedbrytningen skjer noe forskjellig i de to celletypene. Disse temaene er vesentlige som grunnlag for å forstå fedme og patogenesen bak ulike hormonforstyrrelser, som bl a sukkersyke.

Pentosefosfatreaksjonsveien

Mens elektroner generert i glykolysen og sitronsyresyklus går inn i elektrontransportkjeden, har en annen reaksjonsvei som hovedoppgave å generere elektroner til bruk ved reduksjonreaksjoner i forbindelse med biosyntese og avgifting av fremmedstoffer. Pentosefosfatveien er i tillegg leverandør av ribose-5-fosfat, som er en viktig byggesten i nukleinsyrene.

Fettvevets oppbygning

Mikroanatomisk oppbygning av fettvev er tema for histologikurset denne uken, sammen med innføring i histologiske metoder. Fett lagres intracellulært i fettceller (adipocytter) i form av triglyserider. Hvitt fettvev består av store adipocytter der triglyseridene er lagret i én stor lipiddråpe i cytosol, og har som hovedfunksjoner å lagre energi samt å isolere mot varmetap. Brunt fettvev genererer varme ved å metablisere fettsyrer, men har en mindre rolle hos mennesker enn enkelte dyrearter.

UKE 5Arvestoffet

DNA - struktur og replikasjon

DNA, det universelle arvestoffet, er grunnlaget for alt liv. I en viss forstand kan vi si at celler og flercellede organismer først og fremst er DNA-replikasjonsmaskiner konstruert etter informasjon i DNA for å formere og videreføre DNA. Byggestenene i DNA kalles nukleotider. Et enkelt nukleotid består av tre deler: en base (adenin, cytosin, guanin eller thymin), pentosen eller femkarbon-sakkaridet deoksyribose og fosforsyre, der femkarbonsakkaridet har bundet en base til C’1-atomet og en fosfatgruppe til C’5-atomet. Nukleotidene er så kjedet sammen i lange polynuklotidtråder, der fosfatgruppen i neste nukleotid er bundet til C’3-atomet i foregående nukleotids deoksyribose. Fra »ryggraden» av alternerende deoksyribose og fosfat stikker basene ut til siden. I DNA er to slike polynukleotidtråder tvunnet om hverandre i en dobbeltspiral, med ryggraden ut mot hver sin side og de flate aromatiske basene inn mot midten, stablet oppå hverandre ved såkalt aromatisk stabling. Fire baser inngår i DNA, og de to kjedene i dobbeltspiralen holdes sammen ved parring av de "komplementære" basene adenin-thymin (A-T) og guanin-cytosin (G-C). Denne parringen basert på hydrogenbindinger er bakgrunn for at det kan lages nøyaktige kopier av DNA, dvs DNA kan fordobles, gjennom en prosess som kalles semikonservativ replikasjon.

Eukaryote celler er kjerneholdige, dvs at deres DNA ligger adskilt fra cytoplasma, omgitt av et kjernehylster. Hylsteret har et stort antall små porer, som tillater trafikk ut og inn av en lang rekke molekyler, mens DNA-molekylene er for store til å passere. Innsiden av kjernehylsteret er tapetsert med den såkalte kjernelamina, som består av en undergruppe av intermediære filamenter (denne gruppen av filamenter gjennomgås i uke 10). I hver av cellekjernene våre ligger vanligvis ett fullt sett med DNA, fordelt på 46 DNA-molekyler. Tilsammen inneholder de seks milliarder basepar, hvilket gir en samlet lengde på to meter. Når vi vet at kjernene ofte ikke har en diameter større enn ca fem mikrometer, gir det seg selv at DNA må pakkes omhyggelig (svarende til å pakke 2 000 km hyssing i et rundt rom på fem meter i diameter). Det er flere nivåer av DNA-pakking, som er viktig for tilgjengeligheten av DNA i forbindelse med avlesing av informasjon. På hvert pakkingsnivå deltar sett av ulike proteiner. Ett DNA-molekyl og tilhørende proteiner kalles et kromosom. Mellom celledelingene kan vi ikke skjelne de enkelte kromosomer fra hverandre; de utgjør et mer (kondensert) eller mindre (ekstendert) flettverk av tråder, kalt kromatin.

I prokaryote celler (som består av to separate superriker eller doméner - eubacteria og archea) finnes ingen kjerne. DNA er dessuten organisert på andre måter enn hos eukaryote organismer, f eks er det ikke assosiert med den viktige gruppen av kjerneproteiner som kalles histoner. Dessuten er DNA-molekylene sirkulære, mens de hos eukaryote er lineære. Mitokondriene, som vi har sett finnes i eukaryote celler, inneholder sitt eget DNA. Dette er sirkulært og ikke pakket med histoner.

Mitose og meiose

I forbindelse med celledeling skjer fordobling av DNA. Det fordoblede DNA fordeles så på to datterceller gjennom en prosess som kalles mitose. Den starter med tettpakking (kondensering) av kromosomene slik at de blir synlig i mikroskopet som adskilte mitosekromosomer, også kalt tokromatid-kromosomer, fordi de er fordoblet, men stadig henger sammen i et område kalt sentromeren. Vi skal studere mekanismene bak DNA-replikasjon og de ulike stadiene i vanlig celledeling. Vi skal også se på reduksjonsdelingen, eller meiose, som skjer ved dannelse av kjønnsceller og som på flere vesentlige trinn skiller seg fra mitose. I interfasen mellom celledelingene ligger kromosomene nær forbundet med kjernelamina. Under mitosen løses kjernehylsteret opp i mange små blærer og delingspindelen organiseres og trekker de to datterkromosomene i hver av de tett kondenserte metafasekromosomene fra hverandre.

DNA-reparasjon

Vårt DNA er kontinuerlig utsatt for ulike typer skader. Hyppigheten anslås til mange tusen DNA-skader i hver enkelt celle hver dag. Det er derfor livsviktig med effektive reparasjonsmekanismer. Vi skal se på ulike typer DNA-skader, hvordan de oppstår og hvordan de repareres.

Nukleotidmetabolisme

RNA er som DNA et polynukleotid, men danner bare en enkelttråd, og bruker femsakkaridet ribose i stedet for deoksyribose og basen uracil i stedet for thymin. De enkelte nukleotidene som inngår i DNA og RNA kan bygges opp gjennom to forskjellige synteseveier, ved nysyntese, dvs fra bunnen av, eller ved gjenbruk av nukleotider eller baser som stammer fra degradering av DNA eller RNA. Folsyre inngår som viktig koenzym i noen av reaksjonene. Folsyreanaloger brukes som antibiotika for å hemme prokaryote cellers nukleotidsyntese og som cellegifter for å hindre eukaryote (dvs våre) cellers nukleotidsyntese. Ved nedbrytning av puriner dannes urinsyre. Serumnivåene av urinsyre er svært høye, antagelig fordi metabolitten har en nyttig rolle som antioksidant (tilsvarende f eks C-vitamin). I for store konsentrasjoner kan imidlertid urinsyre utfelles i leddene og gi urinsyregikt (podagra). Som vi skal se utgjør nukleotidene ikke bare byggestener for DNA og RNA, men også deler av kofaktorer som koenzym A, FAD, NAD og NADP. De er videre viktige for syntese av visse karbohydrater og lipider, og er regulatoriske komponenter i mange stoffskiftereaksjoner.

UKE 6 Proteinsyntese

Transkripsjon og bearbeiding av RNA

Vi har sett at proteiner trengs for å lage puriner, pyrimidiner og nukleotider og for å replikere, reparere og pakke DNA. Proteinene er tilsvarende avhengige av DNA, ettersom de dannes under instruksjon av informasjon i DNA-molekylene. Informasjonsoverføringen fra DNA til protein skjer i to steg. Først dannes en RNA-kopi av DNA-området, dvs genet, som inneholder informasjon om proteinet. Dernest hektes aminosyrer sammen i en rekkefølge spesifisert av baserekkefølgen i RNA-kopien. Det første steget kalles transkripsjon, det andre translasjon. Mellom de to stegene er det innskutt et redigeringssteg, som skyldes at genene er splittet opp i biter med innskutte DNA-biter som ikke koder for proteiner. Disse stumme intragenregionene, eller intronene, må kuttes vekk fra det primære RNA-transkriptet og de kodende bitene, eksonene, spleises sammen. Dette kalles RNA-bearbeiding eller -prosessering og er nødvendig for å lage ferdig budbringer-RNA, mRNA, som kan brukes i neste steg.

Translasjon

Translasjonen skjer også i to steg. Første steg er påhekting av aminosyrer til spesielle RNA-molekyler, tRNA. For hver av de tyve aminosyrene finnes det minst ett spesielt tRNA-molekyl. Enzymer som kalles aminosyre-tRNA-syntetaser sørger for å hekte riktig aminosyre til riktig tRNA-molekyl og dermed for korrekt oversettelse fra ”nukleinsyrespråket”, der baser utgjør tegnene, til ”proteinspråket”, der aminosyrer utgjør tegnene. På et vis er det derfor i dette steget selve translasjonen, dvs oversettelsen mellom de to språkene, skjer. I neste steg hektes aminosyrene sammen ved at tRNA-aminosyrekompleksene avleser baserekkefølgen i mRNA-transkriptene. Dette skjer på ribosomet, et supramolekylært kompleks av proteiner og spesielle RNA-molekyler, rRNA. Hvilke kombinasjoner av baser i DNA/RNA som koder for hvilke aminosyrer er gitt i den genetiske koden. Med noen små unntak, som gjelder mitokondrie-DNA, er koden universell, som tegn på at alt liv på jorden har en felles opprinnelse. Tre baser koder til sammen for en aminosyre. Ettersom vi med fire baser har 64 kombinasjonsmuligheter, kan flere basetripletter kode for samme aminosyre. Dette betyr at vi fra baserekkefølgen kan slutte entydig til aminosyrerekkefølge, men ikke omvendt - koden er degenerert.

Aminosyremetabolismen

Cellene våre kan syntetisere halvparten av aminosyrene som brukes ved translasjonen; de øvrige, kalt essensielle aminosyrer, må tilføres gjennom kosten. Vi skal se kort på syntese og nedbrytning av aminosyrene. Ved behov kan aminosyrer, og dermed proteiner, brukes i energistoffskiftet ved at aminosyrene fores inn i sitronsyresyklus. I motsetning til de fleste sakkarider og lipider inneholder imidlertid aminosyrene nitrogen, som først må fjernes. Vi skal derfor spesielt se på nitrogens skjebne, spesielt på hvordan cellen kvitter seg med nitrogenoverskudd i form av urea.

UKE 7 Proteinsyntese, genregulering, mutasjoner

Translasjonen

Translasjonen er nøkkelen til å forstå samspillet mellom nukleinsyrene (replikatorene) og proteinene (katalysatorene). Her virker mRNA, tRNA, ribosomer og proteinfaktorer sammen for å hekte aminosyrer etter hverandre i riktig rekkefølge. Den første delen av mRNA (5'-UTR) blir ikke translatert, men inneholder informasjon om festing til ribosomet slik at mRNA blir riktig orientert. Ved hjelp av initieringsfaktorer dannes initieringskomplekset, slik at neste fase, elongeringen, kan starte. Ribosomet vandrer deretter langs mRNA-tråden mens det fortløpende setter sammen aminosyrene i en rekkefølge spesifisert av baserekkefølgen i mRNA. Proteinsyntesen stoppes av frigjøringsfaktorer som avleser ett av tre mulige stopp-kodoner. Alle trinnene er gjenstand for regulering og krever energi. Tross de mange proteiner som inngår i ribosomene, ser det ut til å være rRNA-molekylene som utfører de fleste av ribosomets funksjoner, inklusive de katalytiske. Ulike medikamenter, 'cellegifter' og 'antibiotika', hemmer proteinsyntesen på hhv eukaryote og prokaryote ribosomer.

Genregulering

Kroppen vår inneholder mange hundre forskjellige celletyper. Celletypene bestemmes av hvilke proteiner de inneholder. Konsentrasjonen av ulike proteiner kan i prinsippet reguleres på alle trinn vi har gjennomgått på veien fra DNA til protein, og dessuten gjennom regulering av nedbrytning. Den viktigste reguleringsmekanismen er imidlertid transkripsjons- eller genregulering. Forståelse av prinsippene ved genregulering er nødvendig for å skjønne celledifferensiering, vekst og hormonell regulering av genaktivitet. Transkripsjonsregulering utføres i et komplekst samarbeid mellom regulatoriske proteiner, DNA og RNA-polymeraser.

Mutasjoner

Ikke-reparerte, varige forandringer av DNA kalles mutasjoner. DNA-mutasjoner er årsak til ulikhet mellom levende organismer, som igjen er drivkraft bak evolusjon, dvs utvikling av liv og mangfoldet av arter, men er i tillegg årsak til genetiske sykdommer, som samlet utgjør et betydelig helseproblem. Vi har sett at DNA-skader som ikke blir reparert fører til mutasjoner. Mutasjonene kan ha funksjonelle konsekvenser dersom de forandrer genregulatoriske sekvenser, kodende regioner eller ekson-introngrenser. Kunnskap om mutasjoner er nødvendig for å forstå hvordan arvelige sykdommer oppstår og hvordan genene for slike sykdommer kan lokaliseres og identifiseres. De færreste mutasjoner medfører sykdom. Noen kan gi utslag i fenotypisk variasjon, men de fleste er stumme og oppdages bare ved DNA-sekvensering. Individuell variasjon i baserekkefølgen i homologe kromosomer kalles genetiske polymorfismer eller DNA-polymorfismer.

UKE 8Genteknologi og genetisk variasjon

Molekylærbiologiske metoder

På syttitallet ble den molekylærbiologiske revolusjon innledet med oppdagelsen av restriksjonsenzymer og muligheten for å klone DNA. Ti år senere ble polymerase-kjedereaksjonen (PCR) utviklet til en praktisk gjennomførbar metode. Takket være molekylærbiologenes grenseløse oppfinnsomhet, har vi i dag et stort batteri av metoder for å studere DNA. Flere av dem er i dag sentrale verktøy til bruk i medisinsk diagnostikk og forskning og i rettsmedisin. Bruken av metodene vil få stadig større betydning i nær fremtid. Vi må derfor forstå prinsippene for dem og tolkningsproblemer i bruken av dem.

Molekylærgenetikk

Vi har anslagsvis 30 000 gener i vårt genom, men bare 23 kromosompar. Hvert kromosom inneholder derfor flere tusen gener. Da vi studerte meiosen i uke 5, så vi at ikke-homologe paternelle og maternelle kromosomer ble sortert uavhengig av hverandre til dattercellene. I motsetning til gener som ligger på samme kromosom, vil sannsynligheten for at gener som ligger på forskjellige kromosomer nedarves sammen bare være 1/2 (50%). Vi så også at en eller flere overkrysninger var vanlige mellom de parrede, homologe kromosomene, dvs at jo lengre to gener ligger fra hverandre på samme kromosom, jo større er sjansen for at de skiller lag under meiosen. At to ulike gener tenderer til å nedarves sammen, kalles genetisk kobling. Jo nærmere to gener ligger hverandre, jo hyppigere nedarves de sammen, dvs jo tettere er de koplet. For mange genetiske sykdommer kjenner vi foreløpig ikke det sykdomsfremkallende genet. Og selv om vi kjenner det, er de fleste gener så store og mutasjonsmulighetene så mangfoldige at det for den enkelte pasient oftest ikke er praktisk mulig å påvise nøyaktig hvilken mutasjon som foreligger. Koplingsstudier kan imidlertid avsløre genetiske markører som tenderer til å nedarves sammen med sykdommen. Slike markører er derfor svært nyttige i diagnostikk av arvelige sykdommer, og brukes dessuten til genlokalisering i jakten på ukjente sykdomsgener.

Som markører utnyttes spesielle genetiske polymorfismer i områder av DNA som man vet ligger rimelig nær det aktuelle genet. Eksempler er RFLPer, restriksjonsfragment-lengdepolymorfismer, og VNTRer - variable number of tandem repeats. Det er to ulike måter å vise RFLPer på. I den ene kutter vi DNA fra ulike individer med et restriksjonsenzym. Deretter separerer vi det kuttede DNA på gel og sammenlikner båndlengder for bestemte DNA-sekvenser ved en teknikk som kalles southernblotting. Vi vil da kunne se individuelle variasjoner i båndlengder av sekvensene. Alternativt kan vi oppformere deler av DNA ved PCR og kutte de oppformerte bitene med restriksjonsenzymer. Siden undersøkelse av RFLP-mønstre er enkle å gjennomføre, er de blitt viktige verktøy for å kunne forutsi og diagnostisere enkeltgensykdommer.

UKE 9Proteinfordeling, endocytose og blæretrafikk

Proteiners skjebne etter translasjonen

Etter translasjonen får proteiner hjelp til å folde seg av såkalte chaperoner. Deretter gjennomgår mange av dem omfattende modifikasjoner i form av forandring av aminosyrers sidekjeder, påhekting av sakkarider og avkapping av peptidbiter. Endelig må de transporteres til riktig bestemmelsessted. Det er mange ulike adresser, og for at proteiner skal havne andre steder enn i cytosol, må de ha innebygget adresselapper som forteller hvor de skal. Proteiner som skal ende opp inne i organeller eller utenfor cellen må krysse en membran. Dette kan skje enten under proteinsyntesen (kotranslasjonelt) eller etter syntesen (posttranslasjonelt). Kotranslasjonell translokasjon skjer på ribosomer bundet til en organelle som kalles ru endoplasmatisk retikulum (RER). Fra RER transporteres proteinene innesluttet i blærer videre til en distribusjonssentral (golgikomplekset), hvorfra de videreforsendes. Dette er hovedruten til proteiner som skal eksporteres ut av celler eller inn i lysosomer. Som eksempel på et velstudert protein som undergår en rekke modifiseringer og som transporteres ut av cellen, gjennomgåes kollagen. Proteiner som skal inn i kjernen, mitokondrier og peroksisomer syntetiseres derimot på fri ribosomer. Etter syntese må de binde seg til reseptorer på kjerneporene eller på mitokondrie- eller peroksisommembranen. Genetiske defekter i transportmekanismene fører til at ellers normale proteiner ikke når korrekt bestemmelsessted og dermed til feilfunksjon. For eksempel vil manglende lokalisering av fettnedbrytende enzymer i peroksisomer føre til akkumulering av spesielle fettsyrer, med alvorlig sykdom til følge.

Proteinnedbrytning i cytosol

Proteiner har begrenset levetid, som kan være svært forskjellig for ulike proteiner. Vi skal se på faktorer som bestemmer deres levetid, hvordan de blinkes ut for nedbrytning ved påhekting av proteinet ubiquitin og kappes opp i en proteinnedbrytende maskin, proteasomet.

Endocytose og lysosomer

Nedbrytning av proteiner og andre makromolekyler foregår også inne i membranavgrensede blærer, lysosomene. Stoffene som lysosomene bryter ned kan være tatt opp i blærer i cellen ved en prosess som kalles endocytose. Vi har ulike former for endocytose, som ofte deles inn i reseptorformidlet endocytose, fagocytose og pinocytose. Lysosomene er også involvert i nedbrytning av cellens egne bestanddeler etter at de er innesluttet i blærer ved en prosess som kalles autofagocytose.

Blæretrafikk

Maskineriet som deltar i syntese, transport og fordeling av proteiner og som deltar i endocytose og nedbryting i lysosomer, utgjør sentrale organeller i cellen. Vi skal få innblikk i hvordan cellens ultrastruktur er resultat av selvorganisering, gitt at riktige molekyler er tilstede. Dette illustreres gjennom å studere mekanismene bak blæretrafikken. Tilsvarende involverer opptak av bestanddeler fra omgivelsene og forsendelse til lysosomer avsnøring og transport vha blærer. Vi skal se på hvordan denne kontainertransporten foregår, dvs hvordan blærer avsnøres og transporteres til riktig bestemmelsessted for avlevering av innholdet.

Sekresjon og kjertelvev

Ukens histologikurs tar for seg sekresjon, utskillelse av proteiner eller andre produkter fra celler. Endokrine og eksokrine kjertler har ulik oppbygning og ulike roller. Mens eksokrine kjertler har utførselsganger som leder sekretet ut på overflater (hud, slimhinner) skiller endokrine celler ut hormoner som tas opp i små blodkar. Vi studerer spyttkjertler som eksempel på eksokrine kjertler.

UKE 10 Bevegelse, kontraksjon og cytoskjelettet

Tre hovedgrupper filamenter - mikrofilamentene (MF, aktin), intermediære filamenter (IF) og mikrotubuli (MT) - samvirker for å danne reisverk og skape bevegelse i cellene. Reisverket opprettholder cellenes fasong og polarisering og orienterer cellen i forhold til omgivelsene. Det sørger også for organisering av cellens bestanddeler, f eks plassering av kjernen, ER og golgikomplekset.

Mikrofilamenter danner reisverk og frembringer bevegelser av hele cellen, av deler inne i cellen eller av deler av cellens overflate. Bevegelser kan genereres ved at aktinnettverket polymeriserer og depolymeriserer og danner ulike former for aggregater (tette parallelle bunter, løse parallelle bunter eller nettverk). Polymerisering/ depolymerisering og aggregering er regulert av ulike assosierte aktinbindende proteiner. I tillegg kan bevegelse frembringes vha det aktinbindende motorproteinet myosin, som finnes i ulike utgaver. Myosin-I har et hode som bindes til og vandrer langs MF og kort hale som kan bindes til ulike bestanddeler i cellen, inklusive membraner. Dermed kan f eks blærer fraktes gjennom cellen langsetter MF. Myosin-II har lengre haler og polymeriserer i filamenter som kan trekke på MF. Dermed kan hele cellen forkortes, hvilket blant annet er ansvarlig for kontraksjon av muskulatur. I tverrstripede muskelceller og hjertemuskelceller er MF og assosierte proteiner organisert i regelmessige strukturer, sarkomerene, hvor muskelkontraksjonen reguleres av Ca2+-konsentrasjonen i cytosol.

Mikrotubuli danner en anne type cellulært reisverk, som stråler ut fra sentrosomet, en MT-organiserende struktur plassert sentralt i cellen like ved kjernen. På samme måte som MF kan MT også frembringe bevegelser, enten ved polymerisering/depolymerisering regulert av MT-assosierte proteiner eller ved hjelp av motorproteiner. To ulike typer motorproteiner er assosiert med MT, dyneiner og kinesiner. De kan frakte ulike typer last langsetter MT. I sædcellenes haler og i ciliene (flimmerhårene) på overflaten til ulike andre celletyper danner MT en komplisert struktur kalt aksonemet. Denne muliggjør kompliserte viftebevegelser, som bl a sørger for spermienes svømming og for kontinuerlig å drive slimlaget som kler innsiden av luftveiene i retning svelget. MT finnes også i sentriolene, som bl a organiserer delingspindelen under celledeling. Ulike medikamenter kan påvirke polymeriseringen/depolymeriseringen av MT, og dermed arrestere delende celler i metafasen, evt hindre organellers bevegelser inne i cellen.

Intermediære filamenter kan i motsetning til de to foregående typene filamenter ikke frembringe bevegelse. De inndeles i fire undergrupper, hvorav de tre første, keratinfilamentene, vimentin og vimentinrelaterte filamenter og nevrofilamenter, finnes i cytosol, mens den siste, de nukleære laminene, danner et nettverk som kler innsiden av kjernehylsteret. Keratinfilamentene finnes i spesielt store mengder i overhuden og assosierte strukturer som hår og negler, mens vimentin og vimentinrelaterte filamenter først og fremst finnes i bindevevs- og muskelceller. Nevrofilamentene utgjør viktige deler av reisverket i nervecellenes utløpere. De nukleære laminer danner reisverk for kjernehylsteret og holder kromatinløkker festet. Ved fosforylering av de nukleære laminene oppløses kjernehylsteret i forbindelse med celledelingen.

Vevsart Vi har tre ulike hovedtyper av muskelceller: glatt muskulatur, hjertemuskulatur, tverrstripet skjelettmuskulatur, spesialisert for ulike typer bevegelse og belastning. Foruten ulik morfologi og vevsfordeling, utviser de forskjeller i nerveforsyning, elektrisk kobling og evne til å generere de nødvendige elektriske signaler som skal til for å utløse kontraksjon (elektriske signaler gjennomgås i uke 14).

UKE 11Cellens nærmiljø og celleforbindelser

I flercellede organismer er det nødvendig å holde celler sammen i vev og organer. Dette ivaretas gjennom ulike typer adhesjonsmolekyler, gjennom spesialiserte kontakter som utøver ulike funksjoner i vevene, samt ved hjelp av et ytre reisverk rundt cellene (den ekstracellulære matriks - ECM).

Celleadhesjon Celler bindes til hverandre eller til ECM ved hjelp av adhesjonsmolekyler. Bindingen kan være permanent, som for celler i tarmvegg og overhud, eller kortvarig, som for vandrende immunceller. Det store antall ulike celletyper i kroppen gjør det nødvendig med mange ulike typer adhesjonsmolekyler for at vi skal få selektiv binding mellom bestemte celletyper. Adhesjonsmolekylene deles i undergrupper etter tredimensjonal struktur/genetisk slektskap med hverandre. De fire viktiste gruppene kalles hhv kadheriner, integriner, selektiner og Ig-relaterte adhesjonsmolekyler. Vi skal se eksempler på deres betydning for selektiv adhesjon mellom celler og til ECM.

Spesialiserte cellekontakter For å ivareta visse funksjoner er det i tillegg til adhesjonsmolekylene utviklet mer omfattende spesialiserte cellekontakter. Det er tre hovedgrupper av dem. Adherenskontaktene sørger for forsterket mekanisk binding mellom cellene eller til ECM. Transmembranproteiner som inngår i disse kontaktene, er knyttet til cytoskjelettet på innsiden av cellene. De binder dermed cytoskjelettet i adskilte celler sammen til en større funksjonell helhet, og knytter cytoskjelettet til ECM. Okkludensforbindelsen har som oppgave å forsegle mellomrommet mellom celler i såkalte dekkepitel, f eks i det ytterste cellelaget i tarmkanalen. Alt som skal gjennom disse dekkepitelene kan derfor ikke slippe inn mellom cellene, men må passere gjennom cellene. Okkludensforbindelsene bidrar også til å holde den delen av cellemembranen som vender mot overflaten av dekkepitelet (det apikale membrandomenet) adskilt fra den delen som vender vekk (det basolaterale membrandomenet). Endelig sørger spesielle proteinkanaler, kalt nexus eller gap junctions, som går tvers gjennom begge membranene til to tilstøtende celler, for at cellene kan ha direkte og dermed rask kommunikasjon med hverandre.

Nærmiljø, ekstracellulær matriks (ECM) Reisverket rundt celler består av ulike typer fibre som ligger innleiret i en såkalt grunnsubstans. Den største gruppen utgjøres av kollagene fibre. De utgjør samlet en større andel av total proteinmasse enn noen annen gruppe proteiner i kroppen. Det er mange ulike kollagentyper. Noen danner tykke fibrebunter med høy strekkfasthet, f eks i sener, mens andre danner tynnere fibre som utgjør reisverk i vev som er lite utsatt for mekanisk deformasjon, f eks i ulike indre organer. Spesielle FACIT-kollagener regulerer hvor tykke fibrene blir og deres forankring til omgivelsene. Kollagener inngår også i de såkalte basallamina, som bl a adskiller epitel fra underliggende bindevev. Elastiske fibre har, som navnet tilsier, evne til å gjeninnta deres opprinnelige fasong etter at deformasjonskrefter opphører, hvilket er svært nyttig i mange sammenhenger (tenk f eks på huden). Viktige struktureelementer i grunnsubstansen er lange sakkaridkjeder som kalles glykosaminoglykaner (GAG) og, hvis festet til proteiner kalles proteoglykaner (PG). GAG/PG binder store mengder vann og gir grunnsubstansen geleaktig konsistens og gjør at vevet lettere motstår trykkdeformering (spesielt viktig i leddbrusk).

Epitelvev I epitelvev ligger celler helt tett sammen i organiserte strukturer, knyttet sammen av ulike typer forbindelser. I denne uken skal vi spesielt se på undergruppen som kalles dekkepitel og som kler ulike overflater, f eks overhud, tarmoverflaten, innsiden av luftveier og lunger og innsidene av blodårer. Strukturelt har vi mange ulike typer epitel, og som vi skal se er det nøye sammenheng mellom deres struktur og deres funksjon.

Binde- og støttevev Bindevevene er først og fremst karakterisert av substansen mellom cellene, dvs av typer og mengde av fibre og grunnsubstans. Dette gir vevene helt ulike mekaniske egenskaper, f eks stor strekkfasthet, som i fast bindevev i sener, evne til å motstå kompresjon, som i brusk, og evne til å motstå bøye- og skjærekrefter, som i benvev. Som navnet tilsier har disse vevene som oppgave å binde ulike vevselementer sammen og danne reisverk i vev og organer. Vi skal se hvordan komponentene i intercellulærsubstansen gir binde- og støttevevene sine ulike egenskaper (gjennomgås på kurs i uke 12).

UKE 12Evolusjon av cellen og proteiner. Det humane genomet

Hensikten med uken er å sette det vi hittil har lært inn i en utviklingsmessig sammenheng, samt å orientere om det humane genomprosjektet. Delene bindes sammen med temaer om evolusjon av gener og proteiner.

Evolusjon av cellen

Evolusjonslæren utgjør det teoretiske fundament for all biologi. Ikke minst krever forståelse av sammenhenger og prinsipper i cellebiologien resonnementer som bygger på evolusjonslæren. Hovedtemaet for denne uken er hvordan så kompliserte strukturer som cellen kan ha oppstått ved evolusjon. Vi har sett at replikatorene er nødvendige for å danne proteiner, men avhenger av proteiner for å replikeres. Hva kom først, replikatorene eller katalysatorene? På begynnelsen av åttitallet ble det oppdaget at RNA-molekyler kunne ha katalytisk funksjon, som såkalte «ribozymer». Oppdagelsen åpnet muligheten for at det i tidligste fase i livets utvikling eksisterte en «RNA-verden» der RNA kombinerte replikasjonsevne med katalytiske egenskaper. Vi ser muligvis rester av disse antatte funksjonene i selvspleisende introner, rRNAs katalytiske rolle i ribosomet og ved ulike koenzymer der nukleotider inngår som bestanddel. De to andre hovedgruppene av makromolekyler, lipider og sakkarider, antas å ha blitt rekruttert tidlig inn i de gryende kompleksene som ble til liv. Det tette samspillet mellom de ulike typene makromolekyler betyr at det ikke bare er informasjonen innebygget i replikatorene, men også miljøet rundt dem som må overbringes eller "arves" når levende organismer formerer seg. Det er påtakelige sprang eller diskontinuiteter i utviklingen. En av dem er fra prokaryote til eukaryote celler, en annen fra encellede til flercellede organismer. En teori går ut på at sprangene ble muliggjort ved at replikatorene ble stadig mer pålitelige i sin overføring av informasjon (bedret «signal-støy»-ratio) og dermed kunne opprettholde større informasjonsmengder. Elementer som bidrar til dette var overgang fra RNA til DNA, DNA-reparasjon, DNA-metylering og pakking av DNA.

Mekanismer for evolusjon, inklusive seksuell seleksjon

Evolusjon skjer ved endring av allelfrekvenser og dermed av fenotypefrekvenser i populasjonen. De populasjonsgenetiske kreftene eller mekanismene som endrer frekvensene er mutasjoner og seleksjon (i samsvar med darwinismen, eller rettere ny-darwinismen, der genetisk teori er inkorporert i Darwins lære). I tillegg kommer to andre mekanismer; genetisk drift, som vil si frekvensendringer som skyldes tilfeldigheter, og seksuell seleksjon eller ikke-tilfeldig partnervalg (hos menneske f eks valggifte og inngifte). Disse kreftene vil påvirke Hardy Weinberg likevekten. Allerede Darwin gjorde oppmerksom på betydningen av seksuell seleksjon for evolusjon. Den klassiske mendelske bruken av genbegrepet forutsetter forøvrig kjønnet formering. Vi skal derfor også se nærmere på hva sex egentlig er (rent teoretisk sett), hvordan sex har oppstått, fordeler og ulemper ved sex, hva seksuell seleksjon består i og hvilke konsekvenser kjønnet har for reproduksjonsstrategi.

Evolusjon av proteiner og DNA

Mens utviklingslæren tidligere var henvist til observasjoner av ytre former av nålevende og utdødde arter, kan vi nå studere DNA-molekylenes informasjon direkte og avlede utviklingsforløp og slektskap mellom artene fra dem. Forskjellige mutasjonshastigheter i DNA, f eks i mitokondriegenomet og i ulike gener i det nukleære genomet, gir oss «evolusjonsklokker» som tikker med forskjellig hastighet, og som kan brukes til å anslå tidsforløp i arters og menneskets utvikling. Når forskerne finner frem til nye sekvenser av DNA og proteiner, er det nødvendig å finne hvor i det molekylære utviklingstreet sekvensene hører hjemme. Vi skal derfor mer systematisk studere prinsipper for inndeling av proteiner i familier og superfamilier, og se på ulike mekanismer for utvikling av proteiner ved genduplisering og divergens gjennom mutasjoner, kombinering av preeksisterende peptider og ved stokking av moduler eller doméner. Herunder skal vi også se på såkalte mobile genetiske elementer og mulighetene for «horisontal» overføring av gener.

Det humane genomprosjektet

Kunnskap om proteinutvikling er av betydning for å kunne møte informasjonsstrømmen fra det humane genomprosjektet. Dette prosjektet utvikler seg raskt, med forventet avslutning ca år 2005. Resultatene formidles i stor utstrekning i form av informasjon om fellestrekk og slektskap mellom gener og hvordan man kommer frem til slik kategorisering ved sekvensanalyser og statistiske tester. Prosjektet omfatter også kartlegging og sekvensering av flere andre arters genomer. De enorme informasjonsmengdene betyr helt nye utfordringer for innsamling, analyse av og tilgang til data. Store gendatabanker er opprettet og er forbundet i internasjonale nettverk. Behandling av data i dette informasjonssystemet er blitt et nytt fag: biocomputing. Prosjektet har også medført en rivende teknologiutvikling, spesielt med hensyn til automatisert utstyr for DNA-analyser og -sekvensering. Genomprosjektet vil ha vidtrekkende konsekvenser for fremtidens medisin, først og fremst i form av nye diagnostiske og terapeutiske muligheter, men vil også bety en rekke nye etiske, legale og sosiale utfordringer.

UKE 13 Integrert metabolisme

Regulering av enzymnivå

Stoffskiftet har som hovedhensikt å produsere kjemisk energi i form av ATP, samt reduserende forbindelser som NADPH og byggesteiner for biosyntese av cellekomponenter. Det utgjør et komplekst nettverk av enzymatiske reaksjoner hvor regulering av enzymenes aktivitet ved allosteriske interaksjoner og reversible kovalente modifikasjoner spiller avgjørende rolle. Allosterisk kontroll er ofte knyttet til irreversible trinn i en reaksjonskjede ved tilbakemeldingsmekanismer som gir enzymet mulighet for rask endring av aktivitetsnivået. Kovalente modifikasjoner består ofte av på- og avkobling av fosfatgrupper. Ved kovalente modifikasjoner av enzymer/signalstoffer i flere påfølgende ledd innen en signalvei oppnås en kaskadeeffekt som raskt fører til store aktivitetsendringer.

Regulering på gennivå

Syntese og degradering av mange regulatoriske enzymer kontrolleres ved hormonell regulering på DNA-nivå. I motsetning til regulering på enzymnivå, er regulering på gennivået en langsom prosess - mens allosteriske interaksjoner varer fra millisekunder til sekunder og kovalende modifikasjoner fra sekunder til minutter, strekker regulering på gennivå seg ofte over flere timer til flere døgn.

Topografisk kontroll

I motsetning til prokaryoter er den eukaryote celle delt opp i membranavgrensede rom. Denne kammerdelingen muliggjør romlig adskillelse av nedbrytning og nysyntese. Således finner fettsyreoksidasjonen sted i mitokondriene og peroksisomene, mens fettsyresyntesen foregår i cytosol. Høyere eukaryoter er også karakterisert ved at de inneholder organer med ulike metabolske aktiviteter. Dette muliggjør rasjonell og effektiv metabolsk kontroll og funksjonsfordeling.

Regulering av reaksjonsveier

Glykolysen og sitronsyresyklus med elektrontransportkjeden har som hovedfunksjoner å danne ATP og fremstille byggesteiner til biosyntese. Begge reaksjonsveiene er nøye styrt ved allosterisk enzymregulering av energinivået i cellen. I lever og nyre kan glukose syntetiseres via pyruvat. Glykolyse og glukoneogenese er resiprokt regulert via ulik allosteriske effekter av metabolitter på nøkkelenzymer. Syntese og degradering av glykogen går via to forskjellige veier, som er resiprokt regulert slik at syntesen er inaktiv når degraderingen er aktiv og omvendt. Fettsyresyntese og -degradering, som foregår i to ulike rom, er kontrollert av cellens energinivå. Ved lite energi (lav ATP- og høy AMP-konsentrajon) og under aerobe forhold stimuleres fettsyrenedbrytning. Samtidig vil respirasjonskjeden gå for fullt med hurtig regenerering av NAD+ og FAD, to komponenter som er nødvendige for ß-oksidasjonen av fettsyrer. Ved overskudd av karbohydrater vil et forhøyet sitratnivå stimulere acetyl-CoA-karboksylase, et nøkkelenzym i fettsyresyntesen.

Nøkkelsubstanser i metabolismen

Glukose-6-fosfat, pyruvat og acetyl-CoA spiller nøkkelroller ved viktige metabolske veiskiller. Glukose som tas opp i en celle, omdannes raskt til glukose-6-fosfat som enten lagres som glykogen, degraderes til pyruvat gjennom glykolysen eller omdannes til ribose-5-fosfat via pentosefosfat-reaksjonsveien. Hvilken vei som velges er regulert av behovet for energi og byggesteiner. Pyruvat kan reversibelt omdannes til alanin ved en transamineringsreaksjon og til laktat under anaerobe forhold i muskel. Ved omsetning til acetyl-CoA kan pyruvat gå inn i fettsyresyntesen, syntese av kolesterol eller ketonlegemer og via sitronsyresyklus omsettes til CO2. Ved å ta en snartur innom sitronsyresyklus kan pyruvat også omdannes til glukose. Den tredje nøkkelforbindelsen, acetyl-CoA, er i store trekk omtalt i forbindelse med pyruvat. Merk at i pattedyrceller vil omsetningen av acetyl-CoA i glukoneogenese ikke gi nettoutbytte av glukose, slik at vi ikke kan omdanne lipider til karbohydrater. (Mange bakterier og planter kan foreta slik omdanning, via en reaksjonsvei som har mange steg felles med sitronsyresyklus.)

Organinteraksjoner, stabilisering av blodglukose

Nivået av glukose i blodet holdes på et jevnt nivå tross store variasjoner i det daglige karbohydratinntaket. Leveren og de to pankreashormonene insulin og glukagon spiller her en vesentlig rolle. Ved stort inntak av glukose vil leveren som svar på hormonsignaler (insulin) og økt konsentrasjon av blodsukker ta opp og lagre store mengder glukose i form av glykogen. Det høye insulinnivået etter inntak av et karbohydratrikt måltid fører også til økt opptak av glukose i muskel og i fettvev, hvor det lagres som henholdsvis glykogen og lipid. Ved faste, hvor blodglukosen synker, synker insulinnivået mens glukagonnivået øker. Dette fører til at glykogen nedbrytes i leveren og glukose frigjøres, samtidig som fettsyrer fra fettvev overføres til muskel og lever og delvis erstatter glukose som brensel. Diabetes mellitus, som kan skyldes nedsatt insulinproduksjon i pankreas, er karakterisert ved unormal energimetabolisme. Det er økt frigjøring av glukose fra leveren, mens opptaket i andre organer er redusert.

UKE 14 Elektrisk informasjonsoverføring

Eksiterbare membraner

Som vi lærte i uke 1, skjevfordeler cellen natrium- og kaliumioner over membranen ved aktiv, ATP-forbrukende transport, slik at vi får overvekt av kaliumioner på innsiden og natriumioner på utsiden av membranen. Som resultat av skjevfordelingen samt forholdsvis mange åpne kaliumkanaler med passiv lekkasje av kaliumioner ut av cellen oppstår det et membranpotensial, der innsiden av cellemembranen har en negativ ladning på mellom -40 og -90 mV i forhold til utsiden. I noen celler er dette potensialet ustabilt fordi spenningsregulerte ionekanaler forbigående kan åpne seg når membranpotensialet endres litt. Dermed kan det oppstå en selvforsterkende effekt som fører til at membranpotensialet raskt og forbigående blir positivt. Vi kaller dette «eksitasjon», membraner som kan endre den elektriske spenningen på denne måten «eksiterbare membraner», og den kortvarige positive spenningsforskjellen «aksjonspotensialet». Ulike celletyper, bl a nerve- og muskelceller, kan danne aksjonspotensialer. Blir først et aksjonspotensial utløst, sprer det seg hurtig langs cellemembranen, i nervecellene langs aksonet. Spredningen av aksjonspotensialet er grunnlaget for nerveimpulser og all presis informasjonsoverføring i kroppen.

Synaptisk transmisjon

Aksjonspotensialet sprer seg bare langs cellens yttermembran og kan derfor ikke uten videre overføres fra celle til celle. I noen tilfelle skjer dette via nexus (omtalt i uke 11), men vanligvis er ikke nerveceller knyttet til hverandre eller til andre celltyper med slike kontakter. Informasjonen overføres i stedet i spesialiserte områder (synapser) hvor aksjonspotensialet fører til at det frigjøres molekyler, transmitter-substans, som kan binde seg til membranen på neste celle. Transmittersubstansen skilles ut ved eksocytose. Binding av transmittersubstans til reseptorer i neste celle fører i sin tur til åpning av ligandregulerte ionekanaler og påfølgende endring av membranpotensialet i den postsynaptiske membranen. En nervecelle har synaptisk kontakt med mange andre nerveceller. Antall signaler som kommer inn til synapsen og hvilke ionekanaler som åpnes, avgør om signalet bringes videre som et aksjonspotensial i neste celle. Dette er grunnlaget for integrering av nervesignalene i sentralnervesystemet. Bare i forbindelsen mellom nervecelle og muskel vil hvert aksjonspotensial som kommer inn til synapsen føre til et aksjonspotensial og kontraksjon i muskelcellen. Mange bakterietoksiner og andre gifter som vi finner i naturen, virker inn på disse mekanismene for nerveledning og signaloverføring i synapser.

Nerveceller og -vev

Nerveceller er kjennetegnet ved sine lange utløpere; de lengste nervecellene i kroppen er omtrent like lange som oss selv. I denne uken skal vi se på hvordan nervecellene organiseres i spesialisert nervevev, der ulike støtteceller spiller en betydningsfull rolle for nervecellenes aktivitet. Spesielt skal vi studere støtteceller som omgir aksonene, dvs utløperne som leder impulser ut mot andre celler. Ved å vikle seg rundt aksonene danner støttecellene myelinskjeder, som gjør at nerveimpulsene ledes langt raskere langs aksonene.

UKE 15 Kommunikasjon

I en flercellet organisme er kommunikasjon mellom celler nødvendig for regulering av cellers deling, vekst, bevegelser og død, deriblant deres måter å organisere seg på til vev og organer, og for samordning av deres spesialiserte funksjoner. Kommunikasjonen kan skje på tre måter: 1) via løselige signalmolekyler (hormoner/ lokalhormoner/ cytokiner, transmittere) som skilles ut og påvirker andre celler (endokrin, parakrin og synaptisk stimulering) eller samme (type) celle (autokrin stimulering), 2) ved direkte kontakt mellom molekyler bundet til overflaten av celler, og 3) via direkte kommunikasjonskanaler (nexus). I denne uken skal vi konsentrere oss om den første av disse. I uke 13 og 14 studerte vi noen eksempler på slik kommunikasjon (hhv insulin/ glukagon og synaptisk transmisjon). Som vi skal se i denne uken er det stort antall kommunikasjonsveier, som til sammen danner et komplisert informasjonsnettverk. Forstyrrelser i formidlingen av signaler gjennom nettverket spiller en sentral rolle i mange sykdommer, og mange medikamenter griper inn i prosessene.

Signalmolekyler, reseptorer og signaltransduksjon

Det er mange ulike typer løselige signalmolekyler, deriblant proteiner, peptider, aminosyrer, nukleotider, ulike lipider og endog gasser, som NO. De virker ved å binde seg til spesifikke reseptorer på eller i mottagercellen. De deles i to hovedgrupper, de lipidløselige eller hydrofobe, som kan passere cellemembranene, og de hydrofile, som vanligvis ikke kan det. Lipidløselige signalmolekyler bindes vanligvis til intracellulære reseptorer. De fleste signalmolekylene er hydrofile, med reseptorer som sitter på overflaten av mottagercellene (som vi har sett eksempler på ved synaptisk transmisjon). Binding til reseptoren formidler så signaler gjennom membranen inn i cellen. Signalmolekylets affinitet for reseptor varierer for ulike systemer, og reflekterer bl a lokalkonsentrajonene av signalstoffer (f eks er reseptorenes affinitet for transmittersubstanser i synapsene som regel lav, hvilket gjenspeiler at lokalkonsentrajonen av transmittersubstans er høy). Type og konsentrasjon av reseptorer på overflaten av en celle avgjør cellens følsomhet for et signalmolekyl. Etter binding av ligand kan reseptor/ligand-komplekset internaliseres ved endocytose og brytes ned. Dette er en viktig måte å regulere cellens signalfølsomhet på. Overføring av signalet fra utsiden til innsiden av cellen kalles signaltransduksjon. I prinsippet kan transduksjonen formidles gjennom tre ulike systemer: ved påvirkning av ione-kanaler, gjennom G-proteinbundne reseptorer og gjennom enzymbundne reseptorer. Noen celleadhesjonsmolekyler kan utløse signaloverføring på tilsvarende måte.

Sekundære budbringere og proteinfosforylering

På innsiden av membranen og videre inn i cellen formidles signalene videre av såkalte sekundære budbringersystemer. De viktigste er kalsiumioner, syklisk AMP og syklisk GMP, inositoltrifosfat (IP3) og diacylglyserol (DAG). En rekke nøkkelmolekyler i cellen reguleres ved på- eller avhekting av fosfatgrupper til aminosyrene serin/threonin eller tyrosin ved hjelp av proteinkinaser og proteinfosfataser, alternativt ved å skifte ut bundet GDP med GTP, som så kan hydrolyseres til GDP (hvilket er analogt med å hekte på og av en fosfatgruppe). Proteiner med bundet GDP/GTP kalles generelt for G-proteiner. Det finnes to hovedtyper av dem, trimere og monomere. Det finnes til sammen mange tusen ulike proteinkinaser og -fosfataser med ulike spesifisiteter og funksjoner. Mange av disse virker i serie etter hverandre. Siden hver kinase kan påvirke mange nye målproteiner, utløses kaskadereaksjoner med forsterkning i hvert ledd, slik at initialt svake signaler leder til kraftige effekter intracellulært. Signalveier med flere påfølgende ledd betyr også økte muligheter for kontroll med signalene og integrasjon av ulike signalveier. I uke 13 og 14 så vi eksempler på slutteffekter av signalveiene, hhv nedbrytning av glykogen og muskelkontraksjon. Vi kan også få effekter på genekspresjon, ved at signalveiene påvirker aktiviteten til transkripsjonsfaktorer. Spesielt viktig er aktivering/inaktivering av gener for signalreseptorer. Dermed kan signalstoffer påvirke cellers følsomhet for andre signalstoffer, som eksempel på interaksjon mellom ulike signalveier.

UKE 16Celledeling, - differensiering, - skade og - død

Celledeling

Regulering av cellevekst, -differensiering, -deling og -død er nøye avstemte prosesser av grunnleggende betydning for utvikling og vedlikehold av ulike vev. I uke 5 og 6 så vi kort på mitosen og cellesyklus, med replikasjon av DNA og segregering av de replikerte kromosomene til dattercellene. I denne uken skal vi se nærmere på reguleringen av disse prosessene. Kontrollmekanismer regulerer når replikasjons-maskineriet skal settes i gang. Når DNA-replikasjon først er påbegynt er det viktig at alt DNA replikeres, dvs at deling ikke begynner før alt DNA er ferdig fordoblet, og at ingen deler av DNA replikeres mer enn én gang. Begge deler er gjenstand for nøye kontroll. I M-fasen er det kontrollpunkter som regulerer mitosemaskineriet, som bl a hindrer overgang til anafase før alle kromosomene er festet til delingsspindelen og i korrekt posisjon i metafaseplaten. Cellesyklus omfatter også centrosomsyklus, med fordobling og vandring av sentriolene og dannelse av delingspindelen, samt regulering av disse hendelsene. I tillegg dobler celler sin masse og inneholdet av organeller, som så fordeles på dattercellene ved cytokinese, der delingsplanet styres av centrosomenes posisjon. Cellesyklus utgjør dermed et komplekst sett av cytoplasmatiske og nukleær prosesser, som må koordineres nøye. Vår viten om hvordan cellesyklus reguleres har økt sterkt i løpet av de siste årene. Sentralt i reguleringen står cellesyklusregulerte syklinavhengige protein-kinaser (Cdk). Ulike Cdk er aktive i ulike faser av cellesyklus. De aktiveres ved binding av proteiner som kalles sykliner, og av spesielle protein-kinaser og -fosfataser og inhiberes av spesielle hemmere - CKIer. En Cdk er dermed eksempel på hvordan noen proteiner kan integrere informasjon fra flere kilder.

Celledifferensiering

Etter deling kan datterceller utvikle seg i ulike retninger fra hverandre eller fra morcellen og få ulik fenotype og funksjoner. Dersom disse nye egenskapene er stabile og ved eventuell nye delinger overføres til dattercellene, kaller vi dette celledifferensiering. Differensieringen er resultat av ekspresjon av regulatoriske gener. Disse er aktive lenge før cellene får ytre tegn på at de har valgt nye utviklingsretninger. Valg av retning uten at det ennå er kommet synlige kjennetegn på differensiering kalles determinering. Celledifferensiering er spesielt viktig under fosterutvikling og vil derfor ytterligere omtales i uke 19, men foregår også senere i livet i mange vev, f eks i benmarg, tarmepitel, overhud og testikler. I disse vevene finnes det udifferensierte stamceller som foretar asymmetriske celledeling, hvorav en av dattercellene påbegynner differensiering.

Celleskade og celledød

Akutt og kronisk celleskade ytrer seg i ulike morfologiske forandringer av cellene. Kunnskap om disse forandringene er viktig for patologisk diagnostikk. Er celleskaden tilstrekkelig omfattende dør cellen ved en prosess som kalles nekrose. Vi har en annen form for celledød, apoptose, eller programmert celledød. Dette er en fysiologisk form for celledød, dvs den er tilsiktet og hensiktsmessig. I en flercellet organisme er regulering av celledød like viktig som regulering av vekst og deling. Apoptose er da også nøye kontrollert, styrt av ulike signalstoffer og signalveier og er en aktiv, energikrevende prosess. Nekrose og apoptose kan skilles ved hjelp av morfologi og biokjemiske kjennetegn.

UKE 17Kreftuvikling, onkogener og virus

Virus

Virus er mobile genetiske elementer, der arvestoffet utgjøres enten av DNA eller RNA og med en proteinkappe, eller kapsid, rundt. Noen virus har i tillegg en ytre membran. Virus er langt mindre enn celler, men kan likevel formere seg og påvirke omgivelsene til å fremme sin reproduksjon. De har imidlertid ikke eget stoffskifte, men er avhengig av celler for å formere seg og fyller dermed ikke kriteriene for å kunne defineres som levende organismer. Det er tallrike ulike typer av virus. I denne uken skal vi se på generell oppbygging av virus, hvordan de bruker cellen til å formere seg og konsekvensene av dette for cellens biologi. Spesielt skal vi se hvordan DNA dannet ved revers transkripsjon fra noen typer RNA-virus, kalt retrovirus, kan skyte seg inn i vertscellenes DNA og replikeres sammen med dette. Det er flytende overgang mellom virus og andre mobile genetiske elementer, som plasmider, som er viktige ekstrakromosomale genetiske elementer i prokaryote celler, og transposoner/retrotransposoner, som finnes i store mengder i vårt DNA.

Kreftutvikling (karsinogenese)

Mellom 1/4 og 1/3 av befolkningen rammes av kreft, som skyldes at celler unndrar seg normal delingskontroll eller ikke dør når de skal. Kreft forårsakes av skader på DNA, der det kreves samtidig tilstedeværelse av flere mutasjoner i en enkelt celle før den gjennomgår såkalt malign transformasjon. Noen av mutasjonene kan være nedarvet, men de øvrige kommer til som somatiske mutasjoner i løpet av individets liv. Mutasjonene er fremkalt av såkalte mutagene eller karsinogene agens: ulike typer kjemiske stoffer, virus og energirik stråling. Gener som endres i kreftceller og bidrar til utvikling av kreft, deles i to hovedgrupper: protoonkogener og tumor-suppressorgener (bremsegener). Protoonkogener, som f eks ras og myc, koder for proteiner som normalt deltar i signalveiene som regulerer cellevekst og -deling. Ved mutasjoner (f eks punktmutasjoner, amplifikasjoner eller translokasjoner) kan de bli hyperaktive og medføre vedvarende aktivering av signalveier som stimulerer celledeling, uten ekstern stimulering av signalveien. De muterte genene kalles da onkogener. Tumorsuppressorgener, som Rb og p53, blir derimot inaktivert i tumorceller, f eks ved delesjoner eller punktmutasjoner. De spiller normalt sentrale roller i regulering av cellesyklus og induksjon av apoptose. p53 er mutert i omtrent halvparten av alle humane krefttilfelle, og koder for en multifunksjonell transkripsjonsfaktor, som samordner cellulære responser på DNA-skade. Eksempel på at mutasjoner av gener som kontrollerer programmert celledød kan føre til kreft, er bcl-2-genet. Siden DNA-skade og mutasjoner spiller en så sentral rolle i utviklingen av kreft, er det forståelig at defekter i mekanismene for DNA-reparasjon disponerer for utvikling av kreft (sml uke 5). Retrovirus, f eks Rous-sarkomviruset, kan fremkalle kreft ved å bringe med seg onkogener eller ved å forårsake mutasjoner av genomiske protoonkogener og tumorsuppressorgener (i Rous-sarkomviruset er det onkogenet src, som koder for en tyrosin-kinase).

UKE 18Befruktning og differensiering (Embryologi)

Gametdannelse og befruktning

Det biologisk viktigste steget i kjønnet formering utgjøres av meiosen, der kromosomtallet i humane celler reduseres fra 46 (diploid) til haploid (23). Ved overkrysninger og uavhengig fordeling av paternelle og maternelle kromsomer dannes nye kombinasjoner av gener i gametene, som er fellesbetegnelsen på de haploide egg- og sædcellene. Vellykket befruktning av eggcellen krever at sædcellene gjenkjenner eggcellen som målcellen de skal penetrere og at de får brutt ned kransen av follikelceller og membranen, zona pellucida, som omgir egget. Samtidig må egget hindre befruktning av flere enn én spermie. Den befruktede eggcellen kalles zygoten og gir opphav til alle kroppens celler.

Embryogenese

I zygoten utløses et program av raske celledelinger der dattercellene fordeles romlig etter presise mønstre. Mønstrene varierer noe mellom arter som står langt fra hverandre i fylogenesen; vi skal konsentrere beskrivelsen om utviklingen av det humane, dvs pattedyrembryoet. I de første fire ukene utvikles den trelagede fosterskive, med tre "kimlag" av celler oppå hverandre, ekto- meso- og entodermen. Ulike typer vev og organer dannes fra de tre kimlagene, fra ektodermen f eks hud og nervesystemet, fra mesodermen mesteparten av bindevevet, samt blodårer og hjertet, og fra entodermen tarm og assosierte organer som f eks lunge, lever og bukspyttkjertel. Vi skal nøye oss med å se på utviklingen av nevralrøret. I de neste fire ukene, den organogenetiske perioden, er alle større organsystem i prinsippet utviklet.

Morfogenetiske prinsipper

Kanskje den største teoretiske utfordring biologien står overfor i dag er å forklare morfogenesen, dvs hvordan flercellede organismer med sin kompliserte tredimensjonale oppbygging, vokser frem under instruksjon av informasjon kodet i lineære DNA-molekyler. De grunnleggende morfogenetiske prinsipper er felles for alle flercellede dyrearter (metazoa), også mht molekylene og signalsystemene som er involvert. Kunnskap om morfogenese bygger i dag vesentlig på studier av modelldyr, som rundormen Caenorhabditis elegans, bananflue og zebrafisk.

Teratogener

Teratogener vil si faktorer som fremkaller medfødte misdannelser. Mutagene midler, som stråling, virus og kjemiske midler, utgjør en viktig gruppe teratogener, men misdannelser kan også fremkalles på andre måter, f eks ved mangel på vitaminer eller andre sporstoffer og eksponering for stoffer med hormonell virkning eller andre former for forstyrrelse av celldeling, -vandring og -død.

Transgene dyr og «knock-out»-mus

I eksperimentell biologi brukes i stadig økende grad dyr, spesielt mus, som har fått «transplantert» gener inn på embryonalt stamcellestadium, såkalte transgene dyr. Genene kan være satt under kontroll av ulike promotorer, slik at de kan uttrykkes i spesielle vev eller ved tilsetning av ulike stoffer (induserbare promotorer). Man kan på denne måten gjøre funksjonelle studier av genproduktet i intakte organismer. Man kan også studere når i fosterutviklingen ulike promotere aktiveres ved å «transplantere» promotere med »rapporteringsgener» satt inn etter promotoren. Omvendt kan man studere betydningen av ulike genprodukter ved å inaktivere gener, enten kodende region ved f eks å sette inn tidlige stoppkodoner eller ved å setter inn defekte promotere i stedet for den normale varianten. Dette krever at man setter inn det forandrede genet nøyaktig der hvor normalgenet befinner seg, dvs at man foretar såkalt homolog rekombinasjon. Dyr (mus, bananfluer mm) som har fått «slått ut» gener på denne måten, kalles generelt «knock-out» dyr.

UKE 19 Kromosomsykdommer og etikk

Cytogenetikk

Kromosomavvik er årsak til mer enn 50% av spontanaborter, mer enn 5% av dødfødsler og nær 1% av utviklingsavvik hos fødte personer. En type kromosomavvik er et unormalt antall kromosomer. Vi så i uke 5 hvordan kromosomene normalt fordeler seg til kjønnsceller i meiosen. Unormal fordelingen av kromosomene i meiosen kan være årsak til et unormalt antall kromosomer. Ved en annen type kromosomfeil, kan antall kromosomer være normalt, men noen av kromosomene være abnorme. Begge typer kromosomavvik kan føre til kromosomsykdommer, blant andre Down syndrom (tidligere kalt mongolisme). Kromosom-sykdommene er hyppig årsak til psykisk utviklingshemming. Primærlegen har nå et betydelig større ansvar for omsorgen for disse pasientgrupper enn tidligere, og dere vil i denne uken lære om hvordan noen av disse sykdommene oppstår.

Etikk ved genetiske tester

Anvendelse av molekylærgenetikk på mennesket, og håndtering av genetiske sykdommer der det inngår genetiske tester, også kromosomanalyse, er regulert av Lov om medisinsk bruk av bioteknologi. Det er også gitt regler om hvordan man skal forholde seg til familiemedlemmer som har økt risiko for å få en arvelig sykdom, men som ikke selv er klar over det. Kjennskap til denne loven er en forutsetning for at vi som leger skal kunne delta i samfunnsdebatten om dette ømfintlige tema.

Uke 20 Evaluering