cellefunksjoner

2
Cellers ultrastruktur og funksjon
N år
man skal beskjeftige seg med
energi rik forbindelse som understøtter
pasientproblemer som oppstår i den pre- og
energikrevende prosesser andre steder i
postoperative fase, så krever dette innsikt i forskjellige
cellen.
aspekter av human medisin. Mange av de fenomener
·
Endoplasmatiske retikulum er sete for syntese
som opptrer i den postoperative fase reflekterer endret
av en rekke substanser som fett, protein,
cellefunksjon grunnet endret “milieu interne” hos
membraner osv.
pasienten. En dypere forståelse av de problemer som
·
Golgikomplekset modifiserer og sorterer
oppstår i den pre- og postoperative fase krever derfor
proteiner som er syntetisert i endoplasmatiske
innsikt på mange nivåer - fra innsikt i molekylære- og
retikulum og pakker dem inn i vesikler, før de
cellebiologiske reaksjonsmåter til innsikt i integrert
transporteres videre til andre steder i cellen.
organfunksjon og endelig forståelse av pasienten
·
Cytoplasmatiske vesikler traffikerer mellom
som individ og menneske. For å lette ervervelsen av
cellemembran, Golgiapparat og endo-
slik mange-fasettert innsikt, er det tjenlig å starte med
plasmatiske retikulum.
å repetere hovedtrekkene i cellers generelle struktur
·
Lysosomer er spesialiserte vesikler som
og funksjon. Dette fordi mange av begrepene fra
fordøyer uønsket fremmedmateriale og brukte
cellebiologien er nødvendige å kjenne til for å kunne
cellekomponenter.
forstå patofysiologien som utspiller seg hos den enkelte
kirurgiske pasient.
Kroppens celler består av hoved-komponentene
·
Cytoskjelettet er struktur proteiner som
opprettholder cellens form og, i noen tilfeller,
kan bevege cellen.
cellemembran, cytoplasma og celleorganeller.
Cellemembranen avgrenser cellene mot omverdenen.
Celledeling og celledød.
Celler inneholder en rekke organeller, så som
cellekjerne, mitokondrier, endoplasmatiske retikulum,
Celler formerer seg ved celledeling. Noen celler
Golgi apparat, og ulike typer cytoplasmatiske vesikler,
er meget aktive når det gjelder celledeling. Eksempler
inkludert lysosomer. Endelig inneholder cytoplasma et
på dette er tarmepitelceller og bloddannende celler
skjelett - cytoskjelettet.
fra benmargen. Andre celler, f.eks. nerveceller,
Før disse strukturene omtales ytterligere skal kort
sies:
·
·
formerer seg ikke etter at sentralnervesystemet er
fullt utviklet.
Cellekjernene inneholder arvematerialet i
Celler har ulik livslengde. Celledød kan være
cellen, deoksyribonukleinsyrer (DNA).
resultat av slitasje, f.eks. tapes hudceller kontinuerlig fra
Mitokondriene er organeller som er spesialiserte
huden ved slitasje, og tarmepitelceller tapes til tarmen.
på å forbrenne næringsstoffer. De produserer
I andre tilfeller går cellene til grunne ved genetisk
bl.a. adenosin trifosfat (ATP), som er en
programmert celledød.
CELLEFUNKSJONER
Genetisk programmert celledød kalles apoptose.
forholdet mellom celledeling og programmert celledød
Celler som gjennomgår apoptose skrumper sammen
- apoptose - antas å spille en rolle for utvikling av flere
fra et visst tidspunkt av, mister så kontakten med
typer svulster.
nabocellene samtidig med at DNA materialet i
cellekjernen fragmenterer og hele cellen går til
Regulering av cellefunksjon.
grunne.
Det er av sentral betydning at nydanning av celler
Celler omgies av interstitiell væske. Denne har
står i balanse med celledød. Forstyrres denne balansen
kjemisk sammensetning omtrent som brakkvann.
f.eks. ved at apoptose for en celletype uteblir, så vil
Tradisjonelt har man vært vant til å tenke på kroppens
dette føre til at disse cellenes antall stiger. Svikt i
indre kjemiske miljø som et konstant miljø - «milieu
interne»*. Kraftige reguleringsmekanismer sørger
* Begrep som stammer fra Claude Bernard, fransk fysiolog, f. 1813 – d. 1878. Claude Bernard var professor i fysiologi ved
Sorbonne universitet, senere ved Museum d’histoire naturelle i Paris, Frankrike. Regnes som grunnleggeren av vår tids
fysiologi, eksperimentelle patologi, farmakologi og toksikologi.
CELLEFUNKSJONER
for å holde temperatur, pH, O2 innhold og elektrolytt
antidiuretisk hormon som skilles ut av celler i hypofyse
konsentrasjoner i væsken rundt celler innen for strengt
baklappen.
definerte verdier. Denne relative konstans i det kjemiske
miljø rundt celler sikrer normal cellefunksjon.
Vi vet nå at cellers funksjon også påvirkes av et stort
antall kjemiske signalsubstanser som finnes i det interne
Neurokrin påvirkning av cellefunksjon sees i
forbindelse med neurotransmitter substanser, f.eks.
reguleres karmuskeltonus av noradrenalin som frisettes
fra nærliggende nerveendinger.
miljø og hvis konsentrasjon varierer i tid. Avhengig
av hvor signalsubstansene kommer fra snakker vi
Cellens oppbygging
om parakrin, endokrin eller neurokrin påvirkning av
cellefunksjonen av signalsubstanser.
Cellemembranen.
Ved parakrin påvirkning reguleres cellefunksjonen
av signalsubstanser som skilles ut av en nabocelle.
Cellemembranen danner yttergrensen av cellen.
Et eksempel kan være påvirkning av parietalcellene
Cellemembranen har som primæroppgave å holde
i magesekken av histamin. Histamin skilles ut
cellen sammen. Cellemembranen danner en barriere
av mastceller i ventrikkelveggen og igangsetter
som hindrer at vann og elektrolytter og andre oppløste
saltsyresekresjon fra parietalcellene.
stoffer fritt flyter inn og ut av cellen. Barrierefunksjonen
Ved endokrin påvirkning reguleres cellefunksjonen
skyldes at cellemembranen er bygget opp av
av hormoner som skilles ut fra fjerntliggende organer.
hydrofobe substanser, hovedsaklig fosfolipider og
Et eksempel er regulering av vannpermeabiliteten av
cholesterol, som støter vann og vannløselige stoffer
epitelceller i samlerørene i nyren. Vannpermeabiliteten
fra seg. Cellemembranen har to lag fosfolipider som
i samlerørene øker når samlerørene påvirkes av
ligger tettpakket side ved side. Fosfolipider er lange
Cellemembran. Cellemembranen består av et dobbeltlag med fosfolipider og inneholder også cholesterol , samt membran-traverserende proteiner og glykoproteiner
10
CELLEFUNKSJONER
molekyler bestående av 2 fettsyrer, en fosfatgruppe
ioner fra interstitiell væske. Den er viktig for å holde
og en alkohol. Som framgår av hosstående figur ligger
intracellulær Ca2+ på et lavt nivå. Denne ionebytteren
fettsyredelene av fosfolipidemolekylene i indre og ytre
finnes i stort antall på hjertemuskelceller. Eksempel
lag av cellemembranen anføttes mot hverandre, mens
på ko-transport finner vi i Na+-HCO3--ko-transport
fosfat delene ligger an mot dels cytoplasma (indre
membranproteinet. Det tillater samtidig transport av
blad) og interstitiell væske (ytre blad). Interponert
Na+ og HCO3- ioner inn i cellen, altså base import inn
mellom fosfolipidene i cellemembranen finnes
i cellen. Slik baseimport er viktig for regulering av pH
cholesterol. Jo flere cholesterol molekyler som finnes
i cellene.
i cellemembranen, dess stivere er den.
Na+ -drevet ko-transport er mulig fordi intracellulær
Cellemembranen slites og blir derfor kontinuerlig
Na+ alltid er lav. Den lave Na+ konsentrasjonen skyldes
reparert. Det skjer ved at små membranområder hentes
aktiviteten til Na+,K+-ATPase som hele tiden pumper
inn i cellen ved endocytose og erstattes av nydannet
Na+ ut av cellen. Den lave intracellulære Na+ gir en
membranmateriale som tilføres cellemembranen ved
konsentrasjonsgradient for Na+ over celle-membranen
exocytose.
(Na+ konsentrasjonen utenfor cellen er 140 mM,
intracellulært er den 10-20 mM). På grunn av denne
Membrankryssende proteiner i cellemembranen:
bratte konsentrasjons-gradienten for Na+ tenderer
Na+ til å lekke inn i cellen gjennom alle åpninger i
cellemembranen som tillater passasje av Na+ -ioner.
Ionekanaler, ionepumper. Cellemembranen har
Na+-HCO3-
ko-transport proteinet tillater Na+ og
mange steder innbakt membrankryssende proteiner.
HCO3- sammen å lekke inn i cellen, derav navnet
Det er flere klasser av slike proteiner. Enkelte av de
ko-transport. Glukose, aminosyrer, fosfat og organiske
membrankryssende proteinene har fysikalsk-kjemiske
syrer kan også ko-transporteres med Na+ av andre
egenskaper som tillater småmolekylære vannløselige
membran-proteiner.
stoffer å passere gjennom dem. Svarende til dette
I andre tilfeller transporterer membran-proteinene
danner slike membrankryssende proteiner ionekanaler
ioner mot en elektrokjemisk gradient under forbruk av
som er spesialiserte for transport av ulike ioner.
ATP. Slike membranproteiner er ionepumper. Viktige
Det er mange typer ionekanaler. De varierer
eksempler på ionepumper er Na+,K+-ATPase , Ca2+-
med hensyn til hvilke ioner de slipper igjennom
ATPase og H+-ATPase, som pumper henholdsvis Na+,
cellemembranen: det eksisterer Na+ -kanaler, K+
K+, Ca2+ og H+
ioner over cellemembranen.
-kanaler, Ca -kanaler, Cl kanaler. Noen kanaler
Na ,K -ATPase - ofte kalt natriumpumpen - er slik
styres (åpnes/lukkes) av hormoner eller andre
innrettet at for hvert ATP som forbrukes, så pumpes
signalsubstanser, andre styres av det elektriske
3 Na+ ut av cellen i bytte for 2 K+ ioner som taes
membranpotensialet - som f.eks. noen typer Ca2+-
inn fra omkringliggende interstitiell væske. Na+,K+-
kanaler.
ATPase er en ioneveksler-pumpe. Na+,K+-ATPase
2+
-
+
+
Membrankryssende proteiner kan også danne
finnes i alle kroppens celler og er ansvarlig for at det
ionevekslere og ko-transportere. Eksempel på
i cytoplasma alltid er en høy K+ konsentrasjon og lav
ionevekslere er Na +-H +-ioneveksler, Cl -/HCO 3- -
Na+ konsentrasjon. På grunn av aktiviteten til Na+,K+-
ioneveksler. Begge spiller en viktig rolle for regulering
ATPase er cytoplasma ca. 70 mV elektronegativ i forhold
av cellers pH ved at de tillater transport av H ioner
til omkringliggende interstitiell væske.
+
(syre) eller HCO3 (base) over cellemembranen. En
Ca2+-ATPase og H+-ATPase er som navnene
annen ioneveksler er Ca2+/ Na+ ione bytteren som
tilsier, ansvarlige for å pumpe Ca2+ og H+ ioner over
transporterer 1 Ca2+ ion ut av cellen i bytte med 3 Na+
cellemembranen under forbruk av ATP.
-
CELLEFUNKSJONER
Vann passerer gjennom spesielle vannkanaler
11
flimmerhår på overflaten av enkelte celler.
i cellemembranen. Vannkanalene kalles også for
Mikrotubuli-apparat kan ødelegges av flere
akvaporiner. Det er flere typer av dem. Vannforflytning
typer gifter som hindrer polymeriseringen av
skjer når det oppstår en osmotisk gradient mellom
tubuliner til mikrotubuli. Noen av disse giftene, f. eks.
cytoplasma og interstitiell væske. Noen få celler mangler
colcemid, vinkristin, vinblastin, taxol, blir anvendt i
vannkanaler; det gjelder først og fremst keratiniserte
kreftbehandling
celler i huden (epidermis), samt epitelceller i visse
deler av nyren.
Intermediærfilamenter. Intermediær-filamenter er
en samling filamenter med tykkelse 8-14 nanometer
hvilket er omtrent midt mellom tykke og tynne filamenter
Cytoskjelettet.
i muskelceller - derav navnet intermediærfilamenter.
Det finnes rikelig med intermediærfilamenter omkring
Cytoskjelettet er en samling trådformede proteiner
cellekjernen. Intermediærfilamenter danner et fleksibelt
- filamenter - som finnes i cytoplasma. Cytoskjelettet
skjelett i cellen som gir cellen mekanisk styrke mot
er ansvarlig for opprettholdelse av form og fasong på
utvendige, deformerende krefter.
cellen og er også med på å danne et veinett for organelle
Mikrofilamenter. Mikrofilamenter er lange, tynne
trafikk inne i cellen. Cytoskjelettet spiller også en rolle
intracellulære filamenter ca. 4-6 nm diameter. De er
for bevegelser av hele cellen. Cytoskjelettet omfatter 3
bygget opp som polymeriseringsprodukt (F-actin) av
typer filamenter: mikrotubuli, intermediære filamenter
små actin monomerer (G-actin). Mikrofilamenter finnes
og mikrofilamenter.
i store mengder i celler og utgjør omkring 15 % av den
Mikrotubuliapparatet.
Mikrotubuliapparatet
totale protein mengde som finnes intracellulært. I likhet
er ett flettverk av lange kjeder av globulære alfa-tubulin
med mikrotubuli er de gjenstand for remodellering;
og beta-tubulin molekyler som strekker seg gjennom
nysyntese foregår i + enden og depolymerisering og
nær sagt hele cytoplasma. Mikrotubuli har en diameter
nedbygging i – enden. Aktin filamenter interagerer
på omkring 25 nanometer. Mikrotubuliapparatet er under
med integrin reseptorer i celle membranen og
stadig ombygging. Syntese skjer ved aggregering av
bidrar til å danne fokale adhesjons komplekser i
alfa og beta subenheter i ringformete strukturer som
cellemembranen.
påplusses mikrotubulus i den enden der syntesene
Aktin filamenter er særlig veluviklet i stripete
foregår (+ ende), mens dissosiasjon av alfa og beta
skjelett muskelceller. Der spiller de en viktig rolle
enheter bidrar til nedbygging av mikrotubulus i den
sammen med et annet kjedemolekyl, myosin. Aktin og
andre enden. Mikrotubuli danner som nevnt et veinett
myosin filamenter er synlige i et elektronmikroskop:
inne i cellens cytoplasma som celle organellene kan
aktin filamentene er tynne, mens myosin filamentene
forflytte seg langsefter. Et eksempel på forflytning
er tykke.
av organeller er transport av vesikler inneholdende
I skjelettmuskel celler ligger aktin- og
neurotransmittorsubstanser langsefter utløpere fra
myosinfilamentene ordnet ved siden av hverandre i et
nerveceller - axoner. En tredje type mikrotubulus
karakteristisk mønster. Det kjennetegnes av en høy grad
subenhet er gamma-tubulin. Den er assosiert
av innbyrdes overlapping og broforbindelser. Graden
centrosomer. Mikrotubuli danner den mitotiske
av overlapping spiller en rolle for den totale lengden av
spindel som kromosomene forflytter seg langsefter
muskelcellen. Overlapper aktin og myosin hverandre
ved mitose.
i stor grad er muskelcellen kort, dvs kontrahert; er
Små molekylære «motorer», kinesin og dynein,
kan ved behov forflytte celleorganeller langsetter
mikrotubuliapparatet. Motorene kan også bevege
det liten grad av overlapping tilstede, er muskelcellen
strukket ut.
Aktin og myosin i skjelettmuskulatur er sterkt følsom
12
CELLEFUNKSJONER
overfor den intracellulære konsentrasjon av Ca2+.
som forflytter last langsefter actin filamenter. Kinesin er
Stiger konsentrasjonen av Ca inne i muskelcellen
et motorprotein som forflytter last langsefter mikrotubuli
- og det vil den gjøre som et resultat av stimulering fra
i alminnelighet i retning mot + (pluss) enden, men
motoriske nerver - så vil Ca reagere med et protein
det finnes også visse typer kinesiner som befordrer
kalt troponin C som ligger i umiddelbar tilknytning til
transport i motstatt retning. Spesielle kinesiner er
broforbindelsene mellom aktin og myosin. Som et
ansvarlig for kromosomforflytning under mitose og
resultat av reaksjonen mellom troponin C og Ca
2+
meiose. Dyneiner er en annen type mikrotubuli
påvirkes broforbindelsene og overlappingsgraden
associert motor protein. De transporter gods i retning
mellom aktin og myosin kompleksene øker, dvs. cellen
– (minus) enden av mikrotubuli. Myosiner danner
forkortes. Hele muskelcellen kontraherer seg.
kryssforbindelser mellom aktin filamenter og generer
2+
2+
I glatt muskulatur er myosin kjedene ikke så
krefter som kommer til uttrykk i form av kontraksjon
velutviklede som i skjelett muskelceller. Virkningen
av villi i tarmepitel, celle migrasjon og muskelcelle
av Ca går her via proteinet calmodulin som i sin
kontraksjon.
2+
tur aktiverer enzymet myosin lett kjede kinase som
igjen forandrer myosin slik at det skjer en forkortelses
Celle organeller
reaksjon med aktin.
Aktin og myosin spiller ikke bare en rolle for
Mitokondrier. Mitokondriene er pølseformete små
muskelkontraksjon, men spiller også en rolle når cellene
organeller 0.2 til 0.5 um lange som ligger i cytoplasma.
deler seg. Aktin spiller videre en rolle for opprettholdelse
De har et utseende likner på bakterier. Man mener
av cellers form. Endelig spiller aktin en viktig rolle for
at mitokondriene stammer fra primitive bakterier
mikrovilli.
som for lenge, lenge siden inngikk i symbiose med
Mikrovilli er minutiøse fingeraktige utbuktninger av
cellemembranen. De finnes i stort antall på epitelceller
urtidens primitive kjerneholdige cellulære organismer
– eukaryote celler.
fra tarm og nyre. Mikrovilli bidrar til å øke cellenes
Mitokondrier har sitt eget genmateriale og
overflateareal. Stor cellemembran overflate letter
syntetiserer flere av sine egne proteiner. Genene som
oppgaven å reabsorbere væske og småmolekylære
mitokondriene bærer i sitt indre skiller seg fra gener til
substanser. I hver mikrovillus finnes man en kjerne
cellulære organismer ved at de er små og stort settt
av 20 til 30 aktin filamenter spunnet sammen med
mangler intron partier. Mitokondrie DNA foreligger
proteinet fimbrin.
som et dobbelstrenget, sirkelformet DNA, slik som
andre bakteriegener også gjør. Mitokondrie genene
Molekylære motorer.
som finnes i mitokondriene hos mennesker koder
for i alt 13 polypeptider. Polypeptidene er i hovedsak
Celler er utstyrt med små molekylære motorer i
er sterkt lipofile komponenter som utgjør deler av
form av ulike 100-150 kDa* ATPaser som binder seg til
de membranbundne protonpumpene (respirasjons
proteiner, organeller eller andre celle bestanddeler som
enzymene dvs subenheter til NADH, cytochrom b,
skal fraktes. De forflytter lasten langsefter mikrotubuli
og ATPase) som eksisterer i mitokondrienes indre.
eller actin flettverket av intracellulære tråder. Motorene
Genene som koder for alle de andre komponentene
som forflytter last etter mikrotubuli er forskjellig fra de
i mitokondriene finner vi i cellekjernen. De har
* Dalton, John, f. 1766 – d. 1844. Engelsk kjemiker, matematiker og naturfilosof. Lærer ved New College i Manchester. Medlem
av Royal Society i London. Gjorde grunnleggende arbeider om luftartene (gasser) og definerte som den første “duggpunktet”.
Han regnes som grunnleggeren av den moderne atomlære og bestemte i 1805 atomvekten av 21 grunnstoff.
CELLEFUNKSJONER
13
Figur som viser et sterkt forstørret, elektronmikroskopisk billede av et mitokondrion. Bemerk at mitokondriet har 2 membranskikt:
en indre og en ytre mitokondriemembran. Mellomrummet mellom dem betegnes som inter-membranskiktet. Indre membran
er sterkt foldet og danner cristae. På cristae ligger respirasjonskjede enzymkompleksene samt "turbinen" F0F1-ATPase. Se
neste figur samt tekst for flere detaljer.
øyensynlig migrert dit på et eller annet tidspunkt i
overskyggende grad arves fra morens side.
utviklingshistorien. Dette betyr at en rekke proteiner
Vi kjenner til en rekke arvelige sykdommer som
som finnes i mitokondriene må importeres efter at de er
har skyldes feil i mitokondriegenene . Det er beskrevet
syntetisert ute i cytosol. Det eksisterer derfor spesielle
en serie sjeldne myopatier og encephalopatier som
opptaksmekanismer for proteinimport i mitokondriene
har skyldes feil i mitokondrie DNA. Ganske nylig
som sørger for dette.
er funnet at en mutasjon i et mitokondrie gen som
De fleste av de importerte proteinene havner
koder for et mitokondrie transfer RNA (tRNA) noen
i mitokondrienes lumen – matriks – mens enkelte
ganger ligger bak d et sykdomsbilde som omfattes av
blir liggende i skiktet mellom ytre og indre
begrepet "metabolsk syndrom", dvs kombinasjonen av
mitokondriemembran. For eksempel så gjelder dette
høyt blodtrykk, diabetes type II og høyt blodspeil av
for enzymet myokinase.
cholesterol samt overvekt.
Det er også slik at ikke alle mitokondrier er like.
Mitokondriene er cellenes “kraft aggregater”.
Det er vel kjent at det finnes forskjeller på mitokondrier
Det er nemlig i mitokondriene at størstedelen av ATP
som stammer fra ulike vev.
produksjonen foregår. ATP produksjon skjer ved at
Mitokondrier kan
formere seg inne i cellen
oksydasjon (forbrenning) av næringsstoffer er knyttet
uavhengig av vertcellens celledeling. For eksempel
opp til en parallt løpende prosess: fosforylering av ADP
så øker mitokondriene både i antall og omfang
til ATP. Sammenkoblingen kalles gjerne for “oksydativ
i muskelceller når disse er utsatt for
fosforylering”.
kronisk
belastning (trening). Forøvrig gjelder at mitokondrier i
Mitokondriene er utstyrt med en dobbeltmembran.
14
CELLEFUNKSJONER
Figur som skjematisk viser hvorledes respirasjonskjede enzymene ligger gruppert i indre mitokondriemembran. Symbolisert
på figuren er at NADH (som oppstår ved oksydasjon av acetyl Co-A) donerer elektroner til NADH-Q reduktase. NADH-Q
reduktase inngår i enzymkompleks 1 i respirasjons kjeden. Elektronene sendes så videre bortefter repirasjonskjedekompleksene 2, 3, 4 og fram til siste kompleks cytokrom oksydase som er endestasjon. Her doneres elektronene under kontrollerte
betingelser til O2. I løpet av transporten av elektroner langsefter respirasjonskjeden så frigjøres energi som brukes til å
understøtte transport av H+ på tvers av membranen. Dette skjer gjennom kompleksene 1, 3 og 5. H+ "pumpes" av dem fra
matriks og ut i inter-membran skiktet. Dette lager en lokalt høy H+ konsentrasjon i dette skiktet. H+ lekker derefter tilbake til
matriks gjennom ATP syntase komplekset (F0F1-ATPase). Energi frigjøres under denne tilbakelekkasjen og energien brukes
av ATP-syntese komplekset til å bygge opp ATP fra ADP + P som finnes i matriks. Se hovedtekst for mer omtale.
Den ytre membran har porer, kalt poriner, som
de tidlige trinnene under den trinnvise nedbrytning av
tillater passasjer av relativt store molekyler gjennom
energirike næringsemner som glukose, fettsyrer eller
membranen. Indre mitokondriemembran er derimot
aminosyrer. Oksydativ fosforylering kommer så inn i
nokså tett for passasje av molekyler og er i tillegg
bildet og bryter ned acetyl-Co-A til endeproduktene
rikelig foldet. Foldene kalles for cristae (se figur).
CO2 og H2O. Som ved andre oksydasjonsprosesser
Oksydativ fosforylering er knyttet til hendelser som
så frisetter oksydasjon latent kjemisk energi som
utspiller seg i mitokondrienes indre membran. På
ligger i den substansen som blir oksydert. Så også
foldene av den indre mitokondriemembranen finner vi
her. Den energien som frigjøres ved oksydasjon av
enzymene som sørger for oksydering acetyl-koenzymA
acetyl Co-A fanges opp på finurlig vis og brukes til å
(sitronsyrecyklus) koblet i serie ved siden av hverandre
syntetisere ATP molekyler fra ADP. ATP molekylene får
i 4 store enzymkomplekser (“isfjell”) som ligger og flyter
innebygget et høyt energiinnhold. De eksporteres så fra
i membranen. Til sammen kalles de 4 kompleksene for
mitokondriene ut i cytosol. Det høye energinnholdet som
respirasjonskjeden.
bor i ATP-molekylene kan senere frisettes og brukes
Utgangspunktet for oksydativ fosforylering er
til å understøtte energikrevende aktiviteteter rundt om
substansen acetyl Co-A. Acetyl-CoA oppstår i et av
i cellen ved hjelp av enzymer (diverse ATPaser) som
CELLEFUNKSJONER
15
spalter tilbakedannelsen av ATP til ADP + P. Populært
underverk! Det vises til spesiallitteratur for nærmere
sagt kan man si at ATP er cellenes “flybensin”. Andre
detaljer.
har kalt ATP for cellenes Euro eller cellenes fellesvaluta
- kjært barn mange navn!
Det ATP som blir syntetisert av "turbinen" F0F1ATPase ved fosforylering av ADP oppstår i matriks.
Uten å gå i dybden på detaljene i oksydativ
fosforylering, så skal vi allikevel se litt nærmere på
Derfra eksporteres det ut til cytosol i bytte med ADP
ved hjelp av et adenin nukleotide bæremolekyl.
noen av de organisatoriske prinsippene ligger til
ATP er vedvarende etterspurt av forskjellige
grunn for mitokondrienes oppbygging for å utøve
cellulære prosesser. Ikke uventet så befinner
funksjonen med å lage ATP fra ADP. Som nevnt så
mitokondriene seg derfor gjennomgående i de partiene
ligger respirasjonskjede enzymene tett ved siden av
av cellen der ATP forbruket er størst.
hverandre i indre mitokondriemembran. Oksydasjon
Det aller nærmeste forbrukssted for ATP fra
av acetyl CoA (som kjemisk sett dreier seg om
produksjonsstedet kan rett og slett være skiktet mellom
stripping av elektroner som sendes videre til bestemte
ytre og indre mitokondriemembran. I dette skiktet
målmolekyler, NAD og FADH) generer et overskudd
finner vi flere enzymer som katalyserer prosesser som
av substansene NADH og FADH2. NADH og FADH2
involverer ATP. Myokinase er allerede nevnt. Her er
har begge den kjemiske egenskap at de med stor
videre andre enzymer som kreatin kinase og en serie
kraft kan avgi elektroner til andre molekyler de måtte
nukleoside difosfat kinaser. Felles for alle disse er at
komme i kontakt med.
de ved høye lokale konsentrasjoner av ATP slik som
+
Det er akkurat dette som skjer på organisert måte i
ved høygradig av oksydativ fosforylering kan drive
indre mitokondriemembran. Der ligger de 4 ovenevnte
reaksjoner som holder orden på høy energi fosfat
enzymkompleksene (“isfjellene” 1,2,3,4) ved siden av
forbindelser i cellen.
hverandre og tar i mot elektroner fra NADH og FADH2
Myokinase katalyserer omdannelsen av AMP + ATP
og sender dem videre til neste “isfjell” i rekkefølgen fra
til 2 ADP, dvs eliminerer lav energiforbindelsen AMP og
enzymkompeks 1 ned til 4 med frisetting av kjemisk
redder denne fra fullstendig nedbrytning. Sagt på en
energi for hvert trinn. Energien som frisettes i løpet
annen måte: myokinase er viktig for hushholderering av
denne prosessen fanges opp og brukes til transport
adenin nukleotider i cellen. Kreatin kinase katalyserer
av H fra mitokondrienes matriks ut i skiktet mellom
syntesen av kreatin fosfat. Denne reaksjonen består i at
de to mitokondrie membranene, (altså på tvers av
kreatin + ATP omdannes til kreatin-fosfat (en energirik
indre mitokondriemembran, mens elektronene flyter
forbindelse som lagres særlig i muskulatur) + ADP.
bortefter membranen), se figur. Høy konsentrasjon av
Kreatin kinase katalyserer selvfølgelig reaksjonen
H i inter-membranskiktet representerer oppbygging
begge veier, så det er mengdeforholdet mellom
av et lokalt reservoar av latent kjemisk energi.
reaktantene som bestemmer hvilken vei reaksjonen går.
Energien som deponeres her kan tilbakevinnes
Nukleoside difosfat kinaser er enzymer som overfører
dersom man på kontrollert vis slipper H gjennom
høy-energi fosfat bindingen i ATP i mitokondriene
indre mitokondrie membran tilbake til matriks. Det er
til diverse nukleoside difosfater med dannelse av
+
akkurat dette som skjer! H tillates å passere gjennom
ditto energirike trifosfater i cytosol. Slike trifosfater,
indre mitokondrie membran tilbake til matriks gjennom
eksempelvis cytidin difosfat (CDP), uridin difosofat
den membranbundne “turbinen” F0F1-ATPase som
(UDP), guanosin difosfat (GDP) inngår alle sammen i
fanger opp energien i H tilbakestrømningen. Turbinen
diverse biosyntetiske reaksjoner i cellen.
+
+
+
+
genererer ikke strøm, men derimot ATP ved å fosforylere
Det er ovenfor nevnt at gjennomgangsprinsippet
ADP som finnes i matriks. Detaljene er kompliserte
for oksydativ fosforylering er at elektroner doneres
og fascinerende, og dette er et av biologiens store
fra FADH og NADH2 til en serie på i alt 4 koblete
16
CELLEFUNKSJONER
Intracellulær vesikkelstransport. Vesikkeltransport nyttes til eksport av materiale syntetisert i endoplasmatiske retikulum.
Eksportveien går via Golgi komplekset hvor eksportproduktene modnes, pakkes og adresseres til enten exocytose ut av
cellen eller til celle-internt bruk.
enzymkomplekser fram til “endestasjon” O2. Ved det
frie oksygenradikaler dersom ikke alt går ordnet for
siste trinnet, som er møtet mellom elektronene og O2,
seg. Det kan faktisk oppstå ukontrollerte tilstander på
så oppstår det en vanskelig situasjon, biologisk sett.
dette punkt i forbindelse med reperfusjon av anaerobt
Nettoprosessen som her foregår er at 2H + 1/2O2
vev. I slike situasjoner kan det skje at single elektroner
+2e omdannes til H2O. Dette skjer ved at cytochrom
reagerer med molekylært oksygen i uregulerte, non-
oksydase overfører 2 elektroner til O2. Nå er det slik at
enzymatiske kjemiske reaksjoner. En serie frie oksygen
overføringen bare kan skje for ett og ett singelt elektron
radikaler kan da oppstå. De har alle sammen en uttalt
ad gangen. Når O2 aksepterer ett singelt elektron slik
evne til å skade allehånde celle bestanddeler, inklusive
som ved første trinn i prosessen, så omdannes O2’et
genmaterialet, proteiner og lipider. Mer om dette i et
til et høyreaktivt "fritt" oksygenradikal O2 ! Det er av
senere kapitel.
+
-
-
stor betydning at dette radikalet ikke slipper løs, fordi
Til slutt skal nevnes at ved tilstander som
da vil det kunne ødelegge ganske mye cellemaskineri
avstedkommer mitokondrie stress så som f.eks.
ved peroksydering! Enzymet cytokrom oksydase er
ved produksjon av frie radikaler eller ved patologisk
heldigvis utstyrt med et bimetallisk domene som holder
høy intracellulær kalsium ione konsentrasjon så kan
det reaktive oksygenradikalet stramt på plass i et
mitokondriene rett og slett kollapse. Det som da skjer er
jerngrep mellom en heme-gruppe (som inneholder jern)
at det danner seg en svær pore i mitokondriemembranen
og et kopper atom, inntil begge de single elektronene
som tillater fri passasje av små molekyler inn i
er på plass og hele reaksjonen gitt ovenfor er fullført:
mitokondriene. Dette er fatalt for dem og de går i stykker.
2H + 1/2O2 +2e = H2O. H2O forlater så cytokrom
Når de går i stykker så frisetter de proteaser som i sin
oksidase uten noe bråk!
tur starter opp cellens apoptoseprogram!
+
-
Som man vil skjønne av dette så er
Et par detaljbemerkninger her: 1) cyclosporin A som
oksygeneringsreaksjoner potensielt farlige fordi det
alle vet ble isolert fra lav fra Hardangervidda og som
ligger en iboende fare hos dem at de kan generere
nå brukes som immunosuppressivt middel, blokkerer
CELLEFUNKSJONER
17
Golgi kompleks. Golgikomplekset er en organelle som er mellomstasjon for modifisering og sortering av proteiner som
er syntetisert i endoplasmatiske retikulum. Etter at sortering er gjort, blir proteinene pakket inn i vesikler og så transportert
videre til de endelige bestemmelsesstedene i cellen.
poredannelse i mitokondriemembranen (uten at dette
som er viet proteinsyntese kalles for det kornete
har noe å gjøre medikamentets immunosupprimerende
endoplasmatiske retikulum. Betegnelsen referer til
virkning), 2) proto-onkogenet bcl-2 er et protein som
det faktum at man ved eletronmikroskopi ser små
sitter på ytre mitokondriemembran. Bcl-2 motvirker
korn - ribosomer - sittende spredd på membranen i
poredannelse og bremser apoptoseprosessen, og
denne delen av det endoplasmatiske retikulum. Den
dette tenderer til å favorisere overlevelse av skadete
kornete delen av endoplasmatiske retikulum er særlig
og cancrøse celler. Bcl-2 finnes oppregulert hos en
velutviklet i acinærcellene i pankreas. Acinærcellene
del cancerformer som kjennetegnes av kjemoterapi
i pankreas er spesialiserte kjertelceller som skiller ut
resistens og resistens mot strålebehandling.
store mengder fordøyelsesenzymer. Den glatte delen
av endoplasmatiske retikulum er best utviklet i celler
Endoplasmatiske retikulum. Endoplasmatiske
retikulum er en komplisert membranstruktur som
som er aktive i lipidsyntese, f.eks. leverceller og celler
i binyrebarken.
finnes i cytoplasma. Membraner som hører til det
Golgi kompleks. Golgikompleks* ligger nær opptil
endoplasmatiske retikulum inntar flere former. Noen
den kornete delen av endoplasmatiske retikulum.
er små kulerunde strukturer - vesikler - andre er
Golgikomplekset har en sammensatt form. Det består av
rørformete strukturer - tubulovesikler og atter andre
en samling avflatede sekkeformige membranstrukturer,
er sekkeformete strukturer - sacculer.
kalt cisterner. I omkringliggende cytoplasma sees
Endoplasmatiske retikulum har flere funksjoner.
mange små vesikler
De viktigste funksjonene er syntese av proteiner
Golgikomplekset modifiserer og sorterer proteiner
og lipider. Den delen av endoplasmatiske retikulum
som er syntetisert i endoplasmatiske retikulum og pakker
* Golgi, Camillo. Italiensk patolog, f. 1843 – d. 1915. Professor i patologi og rektor ved Universitetet i Pavia, Italia. Tildelt
Nobelprisen i medisin i 1906 sammen Santiago Ramón y Cajal for sine studier av finstrukturen av sentralnervesystemet.
18
CELLEFUNKSJONER
dem inn i vesikler før de transporteres videre til andre
organiserende centre. De spiller en sentral rolle i
steder i cellen. I noen tilfeller kan proteinene pakkes inn
syntese av den mitotiske spindel i forbindelse med
som sekretgranula i vesikler. Sekretgranula kan senere
celledeling.
tømmes ut av cellen ved exocytose. Enzymsekresjon
Celle adhesjonsmolekyler.
Celler er festet
fra pankreas er et godt eksempel på slik exocytose av
til enten til en underliggende basalmembran eller
sekretgranula. Mer om dette senere.
knyttet til hverandre ved hjelp av spesielle celle
Lysosomer. Lysosomer er små vesikkelformete
adhesjonsmolekyler. Celle adhesjonsmolekyler
organeller og inneholder diverse enzymer. De lysosomale
kan deles inn i 4 kategorier: (1) integriner som er
enzymene har evne til å bryte ned makromolekyler av
heterodimerer som binder seg til ulike reseptorer;
ulike slag, så som proteiner, komplekse kullhydrater,
(2) adhesjonsmolekyler av IgG superfamilien av
glykosider og polysakkharider, DNA og RNA. Vakuolære
immunglobuliner; (3) cadheriner, som er kalsium-
H -ATPaser i lysosom-membranen er ansvarlig for å
avhengige adhesjonsmolekyler som binder seg til
pumpe H ioner inn i lysosomen slik at pH i lysosomenes
homofile molekyler på andre celler; (4) selektiner,
indre er lav - omkring pH 5.0.
som har lektin-liknende domener som binder
+
+
Det er 2 typer lysosomer: primære og sekundære
karbohydrater.
lysosomer. De primære lysosomene er små og er
Intercellulære kontaktpunkter. Intercellulære
utstyrt med det enzymapparat som er nevnt ovenfor,
kontaktpunkter er gjerne av to typer: (1) tight junction
men inneholder ikke makromolekyler. Sekundære
(også kalt zonula occludens); (2) desmosomer; (3)
lysosomer er større, har ofte en ujevn form og inneholder
zonula adherens; (4) hemi-desmosomer og (5) gap
makromolekyler i ulike nedbrytningsstadier. De
junctions.
sekundære lysosomene oppstår ved sammensmeltning
Tight junction finnes gjerne i den apikale delen
av primære lysosomer og endocyterte vesikler.
av cellen og er viktige strukturer i epitel som tarmepitel
Endocyterte vesikler er vesikler som dannes ved
og nyreepitel. Tight junction tillater passasje av vann
invaginasjon og avsnøring av et mindre parti av
og småmolekylære substanser; men i varierende
cellemembranen og omtales senere. Endocyterte
grad avhengig av hva epitel det dreier seg om. Tight
vesikler bringer med seg ekstracellulært materiale
junction er også viktig på den måten at den danner
inn i cellen for degradering. Sekundære lysosomer
grensen mellom apikale og basolaterale domener av
kan også inneholde intracellulære organeller som skal
cellemembranen. Implisitt i dette ligger at tight junction
degraderes/skiftes ut. Optimalt pH for de lysosomale
danner en barriere som sørger for sekvestrering av ulike
enzymene er omkring 5.0.
typer membranbundne reseptorer og -transportere til
Lysosom membranen er permeabel for små
molekyler som aminosyrer og monosakkharider. Det
henholdsvis den apikale og den basolaterale delen av
cellemembranen.
betyr at aminosyrer og monosakkharider som frisettes
Gap junctions er områder av cellemembranen
ved hydrolyse av makromolekyler i lysosomene
der cellemembranen mellom to celler ligger i tett
diffunderer ut i cytoplasma hvor de kan brukes om
apposisjon og “boltet” til hverandre med proteiner kalt
igjen av cellen.
connexoner. Connexoner danner 2nm diameter tynne
Centrosomer. Centrosomer befinner seg i
kanaler mellom celler. Kanalene tillater passasje av
nærheten av cellekjernen Centrosomer består av
vann og oppløste stoffer opp til molekylvekt omkring
2 centrioler som er omgitt av et amorft materiale.
1000. Det følger av dette at gap junction muliggjør rask
Centrioler ser ut som 2 korte cylindre som ligger inntil
forflytning av elektriske signaler (som er knyttet til ione
hverandre i 90° vinkel. Centrosomene er mikrotubuli-
forflytninger) mellom celler. Diameteren på kanalene
CELLEFUNKSJONER
19
Skjematisk oversikt over cellekjernen med nærliggende ru endoplasmatiske retikulum. Modent mRNA migrer ut fra cellekjernen gjennom kjernemembranporer og dirigerer proteinsyntesen i ribosomene som er innbakt i det ru endoplasmatiske
retikulum.
reguleres av Ca2+ konsentrasjonen.
synlige i et vanlig lysmikroskop.
Cellekjernen
Arvematerialet.
Cellekjernen er den største organelle i cellen.
DNA er kjedemolekyler som inneholder en
Den har en diameter på mellom 3 og 8 um avhengig
lang rekke gener. Et gen er en kjemisk kode eller
av celletype. Cellekjernen har en dobbeltmembran.
oppskrift for dannelse av et protein. Et protein er
Den ytre membranen henger sammen med
et langt kjedemolekyl - en polypeptidkjede. Genet
endoplasmatiske retikulum og inneholder ribosomer.
definerer aminosyresekvensen i proteinet, dvs i
Cellekjernemembranen har porer som tillater passasje
hvilken orden aminosyrer skal ligge i polypeptidkjeden.
av makromolekyler mellom cellekjernen og cytosol.
Aminosyresekvensen gir proteinet dets karakteristiske
Cellekjernen har også et kjernelegeme, nukleolus,
fysikalsk-kjemiske egenskaper. Det konvensjonelle syn
som er sete for ribosom syntese.
er at den genetiske kode koder for i alt 20 forskjellige
Cellekjernen lagrer arvematerialet. Arvematerialet
aminosyrer. Nå eksisterer det riktignok flere enn 20
består av DNA (deoxyribonucleic acid). Sammen med
ulike aminosyrer i kroppen, fordi en del aminosyrer
en spesiell type proteiner kalt histoner danner DNA
oppstår ved såkalt posttranslasjons modifikasjon. Med
såkalte kromatin fibre. Organisering av kromatinfibrene
dette menes at de oppstår ved kjemisk modifikasjon
avhenger av cellens tilstand. Hos celler i celledeling
av en moder-aminosyre, slik f. eks. glutamin oppstår
danner kromatinfibrene på et bestemt tidspunkt i
ved binding av en ekstra aminogruppe til glutamat. I
delingen strukturer som kalles kromosomer. De er
senere år er man klar over at antallet aminosyrer som
20
CELLEFUNKSJONER
Skjematisk framstilling av en cellekjerne med innhold. Om man vil, kan man se på cellekjernen som cellens administrasjonssenter
der ulike departementer og basis tjenester er lagt inn.
Cellekjernen omsluttes av en dobbeltlaget kjernemembran. Det ytre laget av cellekjernemembranen står i kontinuitet med det
ru endoplasmatiske retikulum som på sin side er spettet med ribosomer. Det indre laget av kjernemembranen betegnes
kjerne lamina. På flere steder i cellmembranen er det åpninger, kjerneporer, som gjør det mulig for substanser (beskjeder)
å passere inn og ut av cellekjernen. Mange substanser (beskjeder) skal inn og ut: det kan dreie seg om signalsubstanser,
hormoner, transkripsjonsfaktorer, mRNA etc.
Inne i kjerneplasma finnes kromosomene tett pakket i kromosomterritorier. Aktive gener – dvs slike som er gjenstand for
pågående transkripsjon - finner man på overflaten av kromosom territoriene der pakkingen er løsere. Hos noen celler
finnes kondensert kromatin – heterokromatin - like innenfor kjerne lamina. Heterokromatinet tror man er inaktivt hva
transkripsjon angår. Pcg legemer (polycomb group) ligger i nærheten av heterokromatin og har en eller annen funksjon
relatert til represjon av gentranskripsjon.
Pre-mRNA spleisefaktorer er lokalisert i kjerne spettflekker. Disse er dynamiske strukturer, dvs de kan bevege seg omkring
inne i cellekjernen. Transkripsjonsområder finnes i tallrike områder inne i cellekjernen, som små interkromatin granulae
aggregater. I mange celler er pre-mRNA spleising lokalisert i en eller flere Cajal' legemer og satelitter til Cajal legemer (Gem).
Cajal legemer og Gem spiller en rolle for biogenese av snRNP (små nukleære ribonukleoprotein partikler) og traffikering
av snoRNA (små nukleolære RNA) til nukleolus. Nukleolus er stedet for biogenese og sammenkobling av ribosomer. Opt
domener har liknende funksjon og sees nær nukleolus i celler i G1 fase (forsvinner i S fase).
De perinukleære kompartmentene og SAM68 kjernelegemer finnes i cancer celler. Man tror de har å gjøre med pre-mRNA
prosessering å gjøre. PML legemer (for: ProMyelocytisk Leukemi) spiller en rolle i regulering av gen transkripsjon.
er kodet for i den genetiske kode er 22 og ikke 20 slik
translasjon), mens pyrrolysin kodes av UAG som er
som vanligvis angies. De to ekstra aminosyrene man
det andre kjente stopp-kodon som stanser mRNA
nå vet er kodet for er seleno-cystein og pyrrolysin.
translasjon.
Selenocystein kodes av kodonet UGA som også er
ett av de to kjente stopp-kodoner (som stanser mRNA
Det samlete arvemateriale i cellekjernen bestemmer
cellenes og individets tallrike egenskaper.
Alle
* y Cajal, Santiago Ramon. Spansk, f.1852 – d. 1934. Professor i histologi og anatomi, Madrid. Nobelprisvinner i fysiologi/medisin 1906.
CELLEFUNKSJONER
21
kjerneholdige celler i kroppen har det samme komplette
baser - en trippelsekvens av baser kalles et kodon.
genmateriale, men ulike celler uttrykker ulike gener i
Det eksisterer i alt 64 forskjellige typer kodoner. 61
forskjellig grad. Gen ekspresjonen hos den enkelte
av kodonene brukes til å kode for 22 aminosyrer. De
celle bestemmer hvilken form og funksjon en celle har,
resterende 3 kodoner er såkalt stopp kodoner (se
eller sagt med andre ord: type spesialisering av cellen.
nedenfor).
Noen celler vil være spesialisert til å være nerveceller,
andre er spesialisert til å være muskelceller eller
DNA i cellekjernen koder for omkring 30.000
gener.
tarmepitelceller o.s.v. Hva som bestemmer hva slags
Kortere eller lengere sekvenser av DNA molekylene
genekspresjon celler har kjenner vi ikke fullt ut. Vi vet
i cellekjernen blir etter behov kopiert eller transkribert til
imidlertid at mange sykdomsprosesser er ledsaget av
mRNA (forkortelse for «messenger ribonucleic acid»)
endret genekspresjon i celler.
og forlater cellekjernen for å dirigere proteinsyntesen
Intranukleære reseptorer. Ovenfor har vært
i ribosomene. Når modent mRNA er ferdigdannet
nevnt at en rekke hormoner og signalsubstanser
migrerer det derfor ut av cellekjernen og binder seg til
- som med en sekkebetegnelse kalles ligander -
ribosomer. mRNA er i likhet med DNA et kjedemolekyl,
bindes til reseptorer på cellemembranen og utløser
og ribosomene «leser» seg nedover basesekvensene
en kjemisk kaskadereaksjon intracellulært rundt
på mRNA kjeden og mottar derved instruks om hvordan
reseptor. Dette resulterer i intracellulær frigjøring
syntetisere det protein som angjeldende mRNA koder
av budbringermolekyler som så igangsetter et
for.
cellerespons. Ligander som følger dette mønster er i
Altså: et gen er et segment av DNA. Det
de fleste tilfeller vannløselige - hydrofile - molekyler. En
transkriberes til en mRNA kopi som så i tur dirigerer
del hormoner er imidlertid dominerende fettløselige,dvs
ribosomenes protein syntese. mRNA blir i cytoplasma
lipofile molekyler. Eksempler er kortikosteroider, vitamin
en kort periode. Derefter brytes det ned.
D, og retinoider (substanser i vitamin A gruppen). Disse
Transkripsjon av DNA til RNA katalyseres av et
krysser lett den lipidrike cellemembranen selv om det
RNA polymerase. Det er flere typer RNA, mRNA er en
ikke eksisterer noen cellemembran reseptor for dem.
av dem. Gentranskripsjon fra DNA starter på spesielle
For slike ligander eksisterer det derimot reseptorer i
steder i DNA molekylet, tett opptil den såkalte promotor
cellekjernen. Intranukleære hormonreseptorer, i tillegg
regionen. Idet RNA polymerase binder seg til DNA, løses
til å binde hormon, binder seg også til DNA og spiller
DNA dobbeltspiralen opp ved at den detorkveres og RNA
en viktig rolle for regulering av gentranskripsjon.
polymerase «spaserer» så nedover den detorkverte
delene av DNA molekylet og leser basekoden på DNA
Protein syntese.
og lager en RNA kopi. Den første kopien kalles en
DNA, transkripsjon og translasjon av gener.
kjerneRNA. Denne modifiseres så videre til modent
mRNA. RNA koden likner DNA koden, men skiller seg
Arvestoffet i cellen har den kjemiske betegnelsen
DNA. DNA er lange spiralformete molekyler beliggende i
cellekjernen og foreligger i to og to eksemplarer tvunnet
tett om hverandre, som såkalt «dobbelt helix».
fra denne ved at basen uridin erstatter thymidin i DNA.
De andre basene er felles for DNA og RNA.
Transkripsjon starter ved at RNA polymerase binder
seg til en del av DNA som ligger kort oppstrøms (5’
Den genetiske kode ligger i DNAs innhold av
enden) for selve genet – nemlig den såkalte promotor
basesekvenser på de lange DNA spiralmolekylene.
regionen. Denne delen av DNA kjeden inneholder
Den genetiske kode er «skrevet» med 4 baser: adenin
ofte en TATA sekvens (kalt TATA boks) og den har
(A), guanin (G), cytosin (C), og thymin (T). Den minste
som oppgave å sikre at transkripsjonen starter på
enhet i den genetiske koden er sekvenser på 3 og 3
riktig punkt. Lengre nedstrøms (mot 3’ enden) finnes
22
CELLEFUNKSJONER
ofte ulike regulatoriske elementer som innvirker på
slik at det oppstår et arrangement som likner på “perler
gentranskripsjonen.
på en snor”. Sammenpakkingen er ikke slutt med
Transkripsjonen stanser når RNA polymerase
dette! Perlekjeden kan balle seg ytterligere sammen
kommer fram til et parti på DNA hvor det er kodet inn
for til slutt å danne tett sammenpakkete, store nøster
et stoppsignal. RNA polymerase avslutter da syntesen
– se figur.
av RNA og løser seg fra DNA. DNA gjenopptar så sin
opprinnelige dobbeltspiralform.
Graden av sammenpakkingen får konsekvenser for
i hvilken grad DNA’et er tilgjengelig for transkripsjon.
Omdannelse av kjerne RNA til modent mRNA
Mens DNA på nukleosomene er åpent tilgjengelig for
involverer flere trinn hvor en del RNA sorteres vekk.
transkripsjon, så er DNA i de store sammenpakkete
Det er slik at DNA inneholder lengere partier som
nøstene utilgjengelig og lukket for transkripsjon .
ikke kopieres over i modent mRNA. Et parti som ikke
Man kjenner til faktorer som favoriserer kromatin
kopieres kalles for en intron. De segmentene av DNA
nøstedannelse – altså lukking av kromatin. Disse
som kopieres til moden mRNA heter exoner. Det er et
faktorene vil i realiteten “kneble” de gener som pakkes
noe forbausende faktum at exoner utgjør bare omkring
i nøstet. Omvendt, så finnes det faktorer som pakker
3% av genomet, mens de resterende 97% av DNA
opp lukkete kromatin nøster og disse vil virke som
utgjøres av introner.
potensielle aktivatorer av genekspresjon (åpne opp for
Syntese av mRNA fra kjerneRNA skjer ved
DNA transkripsjon). Hvordan dette i detalj er regulert
genspleising, dvs. exoner spleises sammen til
vet vi ennå ikke, men prosessen spiller en rolle i
ett produkt, modent mRNA, mens intronene ikke
modning og spesialisering av celler på den måten at
brukes.
spesialiserte celler kun uttrykker et selektert utvalg av
Gentranskripsjon er underlagt kontroll av ulike
gener beroende i at mye av DNA er låst ned i lukket
transkripsjonsfaktorer. Transkripsjonsfaktorer er tallrike
kromatin. Det spektrum av gener som befinner seg i
og er selv genprodukter. En type transkripsjonsfaktorer
det åpne kromatinet dikterer så cellenes fenotype.
er definert av såkalte “immediate-early” gener så som
Mens kopiering av DNA til RNA kalles for gen
c-fos og c-jun som koder for c-FOS og c-Jun. Disse
transkripsjon, så kalles syntese av protein fra mRNA
produktene binder seg til en spesifikk DNA regulatorisk
for gen translasjon. Ved translasjon av den genetiske
sekvens kalt AP-1. Mange transkripsjonsfaktorer har
kode skjer oversetting av en kodet instruks for syntese
karakteristiske DNA-bindende motiver; to motiver
av en polypeptidkjede fra mRNA i ribbosomet.
er det såkalte zink finger motiv og leucine zipper
(“glidelås”) motiv.
Det ligger ikke nødvendigvis noen automatikk i
translasjon av gener. I de senere år er man nemlig blitt
DNA kjedene er uhyrlig lange – de beregnet til
klar over flere mekanismer som kan gripe inn og kraftig
å være omkring 2 meter lange dersom man strekker
forstyrre translasjonen av gener. En slik mekanisme
dem ut i lengderetningen. DNA kjedene ligger tett
er RNA interferering (RNAi). Fenomenet kalles også
sammenpakket i cellekjernen. Cellekjernen har ikke
for PSTGS (post translational gene silencing PSTGS).
større diameter enn cirka 10 um.
RNAi eller PSTGS består i at korte fragmenter av
Det tett sammenpakkete DNA i cellekjernen inngår
i det som kalles kromatin. Kromatin består av DNA
eksogent komplementært RNA hybridiserer med mRNA
slik at mRNA budskapet blokkeres!
som med regelmessige mellomrom er kveilet rundt
Det som skjer i slike tilfeller er følgende. Når dobbelt-
komplekser som inneholder en kjerne av 4 ulike såkalte
strenget RNA (dsRNA) fra omverdenen av en eller
histon proteiner. Sammen med DNA danner disse
annen grunn krysser cellemembranen (for eksempel
strukturene nukleosomer. Nukleosomer er knyttet til
som resultat av virus infeksjon), så blir inntrenger
hverandre via broer av 20 til 60 basepar lenke-DNA
dsRNA molekylene angrepet av et ribonuclease enzym
CELLEFUNKSJONER
23
Åpent og lukket kromatin. Figuren viser skjematisk DNA i to grader av pakking: åpent kromatin og lukket kromatin.
Mens åpent kromatin er tilgjengelig for transkripsjonsmaskineriet, så er lukket kromatin ikke det. Overgang fra åpent til
lukket kromatin stimuleres av samspill mellom såkalte trithorax gruppe [TrxG] av gen aktivatorer, (så som medlemmer
av SWI/SNF ATP-avhengige kromatin remodellerings faktorer og HATS [N-histone acetyltransferases]) som åpner opp
lukkete kromatin fibre under forbruk av ATP. Omvendt, stimulerer faktorene av gruppen Polycomb gen-repressorer [PcG]
(H1, nHP1, PCC ) til tett pakking av og lukking av kromatin. På denne måten oppnås at en mengde gener parkeres på
sidelinjen og forblir stumme.- Vi vet lite om hvilke faktorer som kontrollerer PcG nivået i celler. Det knytter seg atskillig
interesse i å forstå samspillet mellom TrxG og PcG i stamcelleforskning og cancerforskning
kalt “Dicer”. Dicer spalter dem i mindre fragmenter
Når celler deler seg ved mitose så skilles de doble
(22 basepar) kalt siRNA (silencing RNA). siRNA
DNA kjedene fra hverandre og det syntetiseres to
fragmentene, som kan være enten enkelt-strenget eller
nye, komplementære DNA kjeder ved hjelp av DNA
dobbelt-strenget, knytter seg så spontant til en gruppe
polymerase. Celle deling omfatter også syntese av
proteiner og danner et såkalt RISC (RNA-induced
repeterte DNA sekvenser i enden av kromosomene
silencing complex). Aktivert RISC har den egenskapen
– telomerene. Dette besørges av enzymet telomerase.
at det hybridiserer med komplementært mRNA som
Uten telomerase-mediert syntese av repeterte
måtte finnes inne i cellen. Dersom dette skjer så blir
sekvenser i telomerene vil cellen tape slike sekvenser
mRNA “budskapet” snappet opp og blokkert (se figur).
ved hver celledeling, slik at når en celle har delt seg
Dette medfører funksjonell “knock-out” for det genet
40-60 ganger så vil den bli “senil” og dø en programmert
som mRNA’et stammer fra.
celledød – apoptose. Celler med høy telomerase
PSTGS eller RNAi er et prinsipp som man er i full
aktivitet kan i teorien dele seg langt flere ganger enn
gang med å utnytte eksperimentelt til å lage knock-out
dette. Høy telomerase aktivitet sees ved enkelte typer
av definerte gener. Mest interessant av alt, PSTGS
cancer.
åpner muligheten til å konstruere raffinert, spesifikk gen
Proteinsyntese foregår ved komplisert samspill
terapi. Slik terapi har allerede vært gjort på forsøksdyr
mellom forskjellige transfer RNA (tRNA) og ribosomet.
og vil ventelig snart bli satt i gang på pasienter (ett
tRNA er RNA molekyler som binder aminosyrer og
aktuelt eksempel: Huntingdon’s sydom).
bringer dem enkeltvis til ribosomene for bruk i protein
Et annet prinsipp for å hemme gen translasjon
syntese. Proteinsyntesen starter ved at ribosomet
er DNA metylering. DNA metylering skjer ved at
griper fatt i et mRNA, leser startkoden og «spaserer»
metylgrupper kobles til cytosin i DNA molekylet. Derved
derefter bortover mRNA molekylet samtidig som det
hindres oppkobling av transkripsjonsmaskineri til DNA
«leser» koden for hvilke aminosyrer som skal inngå
i dette området.
i polypeptidet. I tur og orden hentes så aminosyre/
CELLEFUNKSJONER
24
gifter. Antibiotika av typen tetracykliner og streptomycin
blokkerer selektivt proteinsyntese i bakterier, mens
cycloheximid blokkerer proteinsyntesen både i bakterier
og mennesker.
Protein nedbrytning.
Det skjer kontinuerlig en oppbygging og nedbrytning
av proteiner i kroppen. Nedbrytning av proteiner er godt
organisert. I utgangspunktet kan man dele organismens
proteinforråd inn i to hovedkategorier: “fremmedprotein”
og “egetprotein”. Fremmedprotein har sterk tendens
til å utløse en immunrespons. For å unngå dette,
blir derfor alt fremmedproteinn vi inntar gjennom
gastrointestinaltraktus immun-utestengt fra kroppen
ved hjelp av diverse mekanismer og raskt degradert
i tarmene ved spalting av proteolytiske enzymer. Når
det gjelder kroppens egenproteiner så kan de inndeles
i to underkategorier: 1. ekstracellulære proteiner og
2. intracellulære proteiner. Ekstracellulære proteiner
slike som koagulasjonsfaktorer, immunglobuliner,
albumin, peptid hormoner etc. blir alle tatt opp i celler
ved pinocytose eller reseptor-mediert endocytose. Ved
Figur som skjematisk viser RNA interferering, også kalt
post translasjons gene "stumming" - PSTGS (post translational gene silencing). Se hosstående tekst for nærmere
omtale.
hjelp av disse to prosessene blir de ekstracellulære
proteinene fraktet innover i cellen i små vesikler
som til slutt smelter sammen med lysosomer. I de
fusjonsvesiklene (sekundær-lysosomer) som oppstår
tRNA komplekser inn til ribosomet og aminosyren
blir proteinene degradert av lysosomale enzymer.
de inneholder hektes på enden av den etterhvert
Gjennom hele denne prosessen blir proteinene
voksende peptidkjeden, mens tRNA resirkulerer
overhodet ikke eksponert for cytosol, men forblir
tilbake til cytoplasma. Proteinsyntesen avsluttes når
“ekstracellulært” gjennom hele transportkjeden fram
ribosomet har nådd fram til en stopp kodon. mRNA
til degradering. Protein degradering i sekundær-
og polypeptidkjeden frigjøres da fra ribosomet.
lysosomer er uspesifikk og foregår med omtrent samme
Det tar omkring fra et halvt til noen minutter å lage
hastighet uavhengig av hva slags protein man snakker
et proteinmolekyl. Flere ribosomer kan være igang med
om. Nedbrytning av ekstracellulære proteiner skjer
proteinsyntese fra et og samme mRNA.
forøvrig uavhengig av nedbrytningen av intracellulære
Mange proteiner som syntetiseres produseres
proteiner.
med et signal peptid i forkant av molekylet. Dette har
Denne form for proteinnedbrytning står i skarp
som funksjon å lede proteinet inn i endoplasmatiske
kontrast til nedbrytningen av de intracellulære
reticulum hvor det er gjenstand for post translasjons
proteinene. Nedbrytning av intracellulære proteiner er
modifikasjon.
presist regulert og varierer ettersom hva slags protein vi
Proteinsyntesen kan stanses av medisiner og
snakker om. Levetid for intracellulære proteiner strekker
CELLEFUNKSJONER
25
seg fra noen få minutter (f.eks. tumor suppresssor
et mangfold av basale celleprosesser. Eksempelvis
proteinet p53) til flere dager (f.eks. muskelproteinene
er ubiqutin-mediert proteolyse involvert i regulering
actin og myosin). Nedbrytning av intracellulære proteiner
av celle cyklus og celledeling, celle differensiering,
foregår ikke segregert i egne celleorganeller, men skjer
celleresponser til ekstracellulære stimuli og stress,
i selve cytosol. Sentralt i denne degraderingen står et
modulering av celle overflate reseptorer, ionekanaler,
protein ubiquitin. Ubiquitin er et protein som brukes til
DNA reparasjon etc., etc. Svarende til dette har
å “tagge” intracellulære proteiner som skal destrueres.
man derfor god grunn til å tro at svikt i ubiquitinering
Sagt på en annen måte: ubiquitinering gjør proteinene
av proteiner spiller en rolle i forbindelse med ulike
som er destinert for nedbygging gjenkjennbare for
cancerformer inklusivt alminnelige cancere som
proteosomer som finnes i cytoplasma. Ubiquitinering
colorectalcancer, brystcancer, prostatacancer, samt
av proteiner er en energikrevende kaskadereaksjon
en rekke andre sykdommer.
som løper helt til angjeldende protein er blitt polyubiquitinert.
Exocytose og endocytose.
Proteasomer er enzymkomplekser som har som
oppgave å bryte ned ubiquitin-taggete proteiner (se
Når et protein er ferdig syntetisert skal det bringes
forøvrig avsnitt om cachexi i kapitel 13). Polyubiquitinerte
videre til sitt forbruksted. Enten kan et protein sendes inn
proteiner blir fanget opp av proteasomene og spaltet
i en sekretorisk vei, eller det bli værende i cytoplasma
opp i små peptider, mens ubiquitin proteinet blir frisatt
eller inngå i en eller annen organelle. Informasjon om
og gjort tilgjengelig for ny bruk i cellen.
hvor det skal sendes, ligger kodet i det segmentet av
Proteasomer kan sees på som en slags
“kompostkvern” i cellen som tygger opp avfall (les:
polypeptidkjeden som kalles en signalsekvens eller
signalpeptid.
ubiquitin merkede proteiner). Det knytter seg interesse til
Endoplasmatiske retikulum syntetiserer fortrinnsvis
å utvikle medisiner som hemmer proteasom funksjonen.
sekretoriske proteiner. Det endoplasmatiske retikulum
Man ser for seg at hemning av proteasomer i celler vil
pakker de nysyntetiserte proteinene inn i vesikler
kunne føre til celledød pga opphopning av “søppel”
som sendes til Golgi apparatet. I Golgi apparatet
i form av ubiquitinerte proteiner. Det prøves nå ut
settes kjemiske sorterings signal på proteinet.
medisiner som hemmer proteasomer i behandling av
Sorteringssignalet gir proteinet en adresse som
pasienter med malignt myelom. Tankegangen er at
bestemmer dets videre transport. Det er flere
myelomceller tåler dårligere enn normale celler det
muligheter: videre transport kan lede til exocytose,
stress som intracellulær opphopning av ubiquitinerte
eller til lagringsvesikler eller til lysosomer.
proteiner representerer.
Exocytose beskriver en prosess der vesikler
Mye er ennå ukjent når det gjelder protein
transporteres ut til cellemembranen og smelter sammen
nedbrytning. For eksempel så vet vi ikke hvorfor
med denne. Det er to typer exocytose: konstitutiv og
enkelte intracellulære proteiner er ekstremt stabile
regulert exocytose. Konstitutiv exocytose er en del
med lang levetid, mens andre proteiner har kort
av cellens rutinefunksjon. Den konstitutive exocytose
levetid. Videre: hvorfor blir noen proteiner bare brutt
kan f. eks. gå ut på å erstatte slitasjeskadete deler av
ned til spesielle tidspunkt i cellecyklus, mens andre
cellemembranen og å erstatte membranproteiner av
proteiner kun nedbrytes som resultat av ekstracellulære
ulike slag. Konstitutiv exocytose sørger også for eksport
celle stimuli, men er forøvrig er ganske stabile. Vi
av albumin og koagulasjonsfaktorer fra leverceller.
vet ennå lite om hvilke faktorer som igangsetter
ubiquitiniseringsprosessen.
Ubiqutin-mediert proteolyse spiller en rolle for
Exocytose som er underlagt ekstern kontroll kalles
regulert exocytose. Eksempler på regulert exocytose
er hormonregulert enzymsekresjon fra acinære
26
CELLEFUNKSJONER
Endocytose. Figuren viser detaljene ved endocytose mekanismer slik vi i dag kjenner dem. Endocytose skjer ved at en serie
clathrin molekyler samler seg på innsiden av cellemembranen og danner en “kurv” som så trekker det nærliggende partiet
av cellemembranen i dypet. På et visst tidspunkt snøres så forbindelsen mellom fordypningen og resten av celle overflaten
av. Endocytose av et parti av cellemembranen inn i cellen er da et faktum.
Clathrin aggregerer til mikrodomener på innsiden av cellemembranen som kjennetegnes av et rikt innhold av PIP2 (fosfoinositol
fosfat). Diverse andre proteiner som AP-2, AP180 (adaptor protein) og det homologe CALM (clathrin assembly lymphoid
myeloid leukemia protein) samt epsin aggregerer også til det samme området. Dynamin, som er enda et annet protein,
tiltrekkes også av PIP2. Dynamin effektuerer overskjæring av “halsen” som forbinder det endocyterte parti av cellemembranen
med celleoverflaten. Når vesikkelen er endocytert så defosforyliseres PIP2 på vesikkelen. Clathrin og de andre faktorene
nevnt ovenfor dissosierer da vekk. De kan da brukes om igjen til endocytose av nye partier av cellemembranen.
celler i pankreas. Når hormonet cholecystokinin
Endocytose begynner i spesialiserte områder av
stimulerer acinære pankreasceller, exocyterer
cellemembranen så som clathrin kledde fordypninger.
lagringsvesikler inneholdende sekretgranula til
Clathrin er et protein som danner et nettverk på innsiden
acinus i kjertelen og tømmer ut sitt innhold av lagrete
av fordypningen og formidler kraften som brukes til å
fordøyelsesenzymer.
trekke cellemembranen inn i cellen.
Membranfusjonen som skjer mellom exocyterende
Mange membranbundne reseptormolekyler er
vesikkel og cellemembranen er en komplisert prosess.
lokalisert nettopp til clathrin kledde fordypninger.
Den involverer medvirkning av spesialiserte dokking-
Clathrin kledde fordypninger danner grunnlaget for
proteiner.
selektivt opptak av substanser, ligander, fra omverdenen
Endocytose. Endocytose er det motsatte av
via reseptormediert endocytose. En ligand er et stoff
exocytose. Mens exocytose er sammensmeltning av
som bindes til en reseptor. F.eks. vil liganden cholesterol
en vesikkel med cellemembranen, så er endocytose en
bindes til LDL-reseptoren (low density lipoprotein-
prosess der cellemembranen bukter seg inn og danner
reseptoren) og derefter endocyteres. Denne prosessen
en vesikkel som så avsnøres fra cellemembranen og
er hovedmekanismen hvorved celler tar opp cholesterol
trekkes inn i cellen.
fra blodbanen. Mangler LDL-reseptoren pga genetisk
CELLEFUNKSJONER
27
Figur som skjematisk viser kaveoler og kaveole-mediert endocytose. Se tekst for nærmere omtale.
feil vil individet ha høye cholesterolspeil i blod og
endocytose via avsnøring clathrin kledde fordypninger
være utsatt for utbredt arteriosklerose og risikere tidlig
av cellemembranen omfatter transport mot lysosomer
hjerteinfarkt. Andre liknende eksempler er opptak av
og nedbrytning av det endocyterte materialet av
liganden jern-transferrin til reseptor, samt binding og
lysosomale enzymer, så forer kaveole-mediert
opptak av liganden vitamin B12 til epitelceller i ileum.
endocytose ikke inn materiale mot lysosomene. Sett
Endocyterte vesikler fra clathrin-kledde fordypninger i
fra patogene mikrober eller virus sitt ståsted er det
cellemembranen traffikerer intracellulært mot lysosomer
derfor en fordel å invadere celler via kaveole-mediert
og smelter sammen med disse på et visst tidspunkt.
endocytose fordi de da slipper å eksponeres for det
Lysosomer er utstyrt med vakuolære H -ATPaser. Disse
aggressive, sure intralysosomale kjemiske miljø!
+
pumper H ioner inn i lysosomenes indre og surgjør
Kaveoler er flaske-formete fordypninger av
dette kraftig. Nå er det slik at bindingen mellom ligand
cellemembranen. Cellemembranen er her lokalt
og reseptor er pH sensitiv og glipper ved lav pH. Det
anriket med hensyn på innhold av glyko-sfingolipider
betyr at når de endocytiske vesiklene fusjonerer med
og cholesterol. De inneholder ofte også proteinet
lysosomene så oppløses bindingen mellom ligand
caveolin. Kaveoler er nær beslektet med de såkalte
og reseptor på grunn av den lave pH som oppstår i
“lipid-flåter” (lipid rafts). Hvorfor celler har caveoler i
fusjonsproduktet. Den frigjorte liganden blir degradert,
cellemembranen er ikke fullt ut forstått. Man tror at de
mens reseptormolekylet enten kan degraderes i samme
spiller en rolle i forbindelse med cholesterol transport
omgang eller pakkes inn i transportvesikler og bringes
og substanser over endotel. Videre synes de å ha en
tilbake til cellemembranen for ny bruk.
rolle i forbindelse med signalering via diverse immun- og
+
Endocytose via kaveole-mediert endocytose.
vekstfaktor reseptorer. I tillegg vet vi at en del patogener
Endocytose av ekstracellulært materiale kan også skje
og deres toksiner betjener seg av kaveole-mediert
via kaveole-mediert endocytose. Mens reseptormediert
endocytose for å komme seg inn i celler. For eksempel
CELLEFUNKSJONER
28
taes tuberkel basiller opp i celler via kaveole-mediert
av de beskjeder som skal formidles er av kjemisk natur,
endocytose. Når tuberkelbasillene er vel inne i cellen
det være seg i form av signalproteiner, hormoner, eller
framprovoserer de aggregering av intracellulære
ioner som Ca2+. Til å fange opp signalene utenfra er
proteiner fra vertcellen på vesikkelmembranens utside
celler utstyrt med ulike celle reseptorer som så formidler
som forhindrer fusjon av den endocyterte vesikkelen
beskjed langsetter ulike intracellulære signalveier.
med lysosomer. På den måten unngår tuberkelbasillen
Kjemiske signaler kan utløse forandringer i celle
cytotoksisk angrep av lysosomale enzymer. Noe
funksjon på ulike måter. Eksempelvis kan signaler føre
liknende skjer med colibakterier og den intracellulære
til åpning eller lukking av ionekanaler i cellemembranen.
parasitten Toxoplasma gondii og malariaparasitten
Dette skjer med kaliumkanaler i myokard ved adrenerg
Plasmodium falciparum, samt toksinene fra Vibrio
stimulering. I andre tilfeller kan signalformidling dreie
cholerae og Helicobacter pylorii. HIV virus (human
seg om aktivering av membranbundet fosfolipase C
immunodeficiency virus) traffikerer gjennom celler
med intracellulær produksjon av diacylglycerol og
(transcytose) etter først å ha skaffet seg innpass i cellene
inositol trifosfat og andre inositol fosfater slik man
ved å binde seg til reseptorer på kaveolene.
ser ved noradrenalin stimulering av alfa1–adrenerge
reseptorer. Hormoner av typen steroider, thyreoidea
Fagocytose.
hormon og vitamin A retinoider kan virke inn på
intranukleære eller cytoplasmatiske reseptorer og
Fagocytose er en spesiell form for endocytose som
øke transkripsjonen av mRNA. Enn videre kan
fanger inn mikropartikler fra omkringliggende væske.
hormonstimulering – f. eks. med noradrenalin via beta1-
Fagocyterende celle sender først ut pseudopodier og
adrenerge reseptorer øke intracellulært cyklisk AMP.
omslutter mikropartikkelen. Deretter trekkes partikkelen
Annen type hormonstimulering kan føre til frisetting av
inn i cellen og pakkes inn i en vesikkel, fagosom,
cyklisk GMP – eksempelvis utløst av atrialt natriuretisk
som senere smelter sammen med en lysosom for
hormon og NO. Ytterligere eksempler er økning av
å til sammen å danne en fagolysosom. Lysosomale
tyrosinase aktivitet av den intracytoplasmatiske delen
enzymer bryter så ned det fagocyterte materialet.
av hormonreseptorer som skjer ved ligandstimulering
Granulocytter og makrofager er spesialiserte,
av insulin reseptor og reseptor for epidermal vekst
fagocyterende celler. Follikkelceller i thyreoidea
faktor samt plate-derivert vekst faktor. Endelig kan
kjertelen fagocyterer og spalter thyroglobulin lagret i
reseptorstimulering føre til økt serin eller threonin
thyreoidea folliklene og frisetter hormonene thyroxin
kinase aktivitet som ved reseptor stimulering med
og trijodothyronin.
transformerende vekst faktor beta og mitogen aktiverte
Fagocytose er av sentral betydning for kroppens
immunforsvar og dette utdypes videre i kapitel om
immunforsvaret.
protein kinaser (MAPK).
I forbindelse med signal transduksjon så kaller man
gjerne den ekstracellulære ligand som stimulerer cellen
for “første budbringer”. De intracellulære mediatorene
Intracellulær signal transduksjon.
som frisettes ved stimulering av en membranbunden
reseptor kalles på sin side for “andre budbringer” etter
Mennesket er i høyeste grad en flercellet organisme.
de engelske utrykkene “second messengers”. Second
For at vi skal fungere som samspilt celleorganisasjon
messengers avstedkommer ulike type endringer –
trengs det et stabilt nettverk for formidling av ulike
mange av dem av forbigående natur, men kan også føre
beskjeder både innen det intracellulære miljø, og fra
til endringer i transkripsjonen av ulike gener, da gjerne
det ekstracellulære miljø til det intracellulære miljø; enn
via å øke transkripsjon av genene som koder for c-Fos
videre for formidling av beskjeder celler i mellom. Mange
og c-Jun. C-Fos og c-Jun er to transkripsjonsfaktorer
CELLEFUNKSJONER
29
G-proteiner er signaltransducere som formidler signaler fra mange ulike hormoner, neurotransmittere, kjemokiner og en rekke
autokrine og parakrine faktorer innover i cellene. De ekstracellulære signalene (ligandene) fanges opp av en rekke forskjellige
G-protein tilknyttede reseptorer som så stimulerer G-proteinene. Disse videresender signalene nedefter et komplisert nett
av intracellulære signalveier. Nettverket kontrollerer i sum metabolske enzymer, ione kanaler, ionetransportere, og andre
bestanddeler av cellemaskineriet og griper inn i prosesser som gentranskripsjon, motilitet, kontraktilitet og sekresjon. De
sistnevnte responsene influerer på integrerte funksjoner så som embryonal utvikling, gonade utvikling, læring og hukommelse
og individ homeostase.
som modulerer transkripsjonen av en serie gener.
regulatoriske proteiner av G protein signalering som er
i stand til å akselerere dannelsen av GDP.
G proteiner.
Små G proteiner spiller en rolle for mange
En hovedsignalvei som brukes til å omsette et signal
celle funksjoner. En familie, Rab familien, regulerer
til biologisk effekt går via G proteiner. G proteiner er
omløpshastigheten på vesikkeltrafikk inne i cellen.
som navnet sier proteiner som binder GTP. G proteiner
En annen familie, Rho/Rac, innvirker på interaksjoner
er kjemisk sett å betrakte som guanosin ekvivalenten
mellom cytoskjelett og celle membranen. En tredje
til ATP. Når et signal treffer et G protein så bytter G
familie, Ras familien, regulerer cellevekst ved å
protein GDP med GTP. GTP-protein komplekset er
modulere signalering mellom cellemembranen og
det biologisk aktive som som formidler signal effekt.
cellekjernen.
GTP-protein kompleksene er ustabile fordi de har en
En annen familie G proteiner er de såkalte
innebygget GTPase aktivitet. Derfor brytes de etter
heterotrimere G proteiner. Som navnet antyder
noen tid spontant ned til GDP-protein kompleks hvilket
så er disse satt sammen av 3 subenheter: alfa, beta
bringer G protein tilbake til “hvile” tilstanden. GTPase
og gamma, med henholdsvis 16, 6 og 12 gener
aktiviteten er gjenstand for regulering av en familie ulike
for hver. Bordet er med andre ord duket for mange
30
CELLEFUNKSJONER
kombinasjoner. De vanligste kombinasjonene er samlet
Guanyl cyclase
i 4 familier kalt henholdsvis Gs, Gi/o, Gq/11 og G12/13.
Guanyl cyclaser er en famile av enzymer som
Heterotrimere G proteiner formidler signaler fra mer
katalyserer dannelsen av cyklisk GMP (cGMP). De
enn 100 reseptorer.
finnes både i membranbunden form og i løsbar,
Serpentin reseptorer. Alle heterotrimere G
intracellulær form. Til den førstnevnte gruppen
protein-koblete reseptorer vi kjenner pr i dag har 7
hører reseptor for atrialt natriuretisk hormon; til den
membrankryssende sløyfer. Som gruppe kalles de
siste gruppen hører former som aktiveres av NO
derfor for serpentin reseptorer (etter serpentin, latinsk
(nitrogenoksyd). NO kalles også noen ganger for
for slange)
endotel-derivert relaksasjons faktor (EDRF) og er kjent
Inositol trifosfat og diacylglyserol som “second
messenger” molekyler.
for å spille en viktig rolle for regulering av kartonus. NO
spiller også en rolle for synapse transmisjon i CNS.
Inositol trifosfat (IP3) er ofte involvert i
signaltransduksjon som kjennetegnes av at det skjer
Vekst faktorer.
en momentan økning av intracellulær Ca når ligand
Vekstfaktorer er viktige proteiner og kan
binder seg til cellemembranen. Når ligand binding skjer
grovsorteres i 3 grupper. En gruppe karakteriseres
så oppstår det typisk via Gq en aktivering av enzymet
ved at de fremmer celledeling og utvikling av celler.
fosfolipase C på innsiden av cellemembranen. Denne
Eksempler på dette er: nerve vekst faktor, insulin-
aktiveringen fører til hydrolyse av fosfatidylinositol
liknende vekst faktor, epidermal vekst faktor. Den
4,5-difosfat (PIP2), en bestanddel av indre skikt av
andre gruppen er cytokiner. Cytokiner produseres av
cellemembranen, med frisetting av IP3 og diacylglyserol
makrofager og lymfocytter og har viktige funksjoner i
(DAG) som følge. DAG blir værende i cellemembranen,
regulering av immun responser. En tredje gruppe er de
men IP3 diffunderer innover i cytosol og utløser frislipp
såkalte cellekoloni-stimulerende faktorer som regulerer
av Ca fra endoplasmatiske retikulum. DAG er også
produksjon av røde og hvite blodlegemer.
2+
2+
et second messenger molekyl; det aktiverer protein
kinase C.
Mange av disse faktorene stimulerer reseptorer
som krysser cellemembranen og som på innsiden av
cellemembranen har et tyrosin kinase domene. Ved
Cyclisk AMP.
ligandbinding fosforyleres så tyrosin kinase delen
Cyklisk AMP er en annen viktig “second messenger”.
av reseptoren. Cytokin reseptorer og cellekoloni-
Det dannes fra ATP av enzymet adenyl cyclase. Cyklisk
stimulerende faktorer har ikke tyrosin kinase på sin
AMP aktiverer protein kinase A som lik protein kinase C
cytoplasmatisk hale, men initierer allikevel tyrosin
katalyserer fosforylering av intracellulære proteiner. Et
kinase aktivitet via andre mellomledd. I noen tilfeller
eksempel på dette er effekten av cyklisk AMP på protein
dreier dette seg om aktivering av såkalte Janus tyrosin
kinase A i lever. Protein kinase A driver produksjon
kinaser (JAK) som fosforylerer såkalte signal transducer
av fosforylase a som igjen driver nedbrytningen av
og aktivator (STAT) proteiner. JAK-STAT signalveien
leverglykogen til glukose 1-fosfat. Protein kinase A
benyttes blant andre av vekst hormon.
kan også gå inn i cellekjernen og fosforylere et cAMP-
Ytterligere en familie reseptorer binder
responsivt element-bindende protein (CREB) som er
transformerende vekst faktor alfa (TGFalfa). Denne
en transkripsjonsfaktor.
type reseptorer utviser serin-threonin kinase aktivitet
Cyklisk AMP brytes ned av fosfodiesterase.
og utøver sin virkning via såkalte SMAD proteiner som i
Fosfodiesterase hemmes av kaffein og theofyllin.
fosforylert tilstand migrerer inn i celle nukleus og virker
Disse stoffene øker hormon og transmittor effekter
som transkripsjonsfaktorer.
som normalt medieres av cAMP.
I det hele så er signatransduksjon – hvordan et
CELLEFUNKSJONER
31
signal som ankommer cellen fra omverdenen omsettes
over fra normal hviletilstand fram til celledeling kalles
i biologisk respons - et uhyre komplisert felt. Det foregår
cellecyklus. I cellecyklus er følgende faser definert:
mye forskning på området. Området er viktig sett fra et
·
medisinsk synspunkt fordi det er godt håp om at man
med nye kunnskaper om signaltransduksjon vil kunne
cellen vokser nå i størrelse
·
definere nye former for medikamentell behandling av
menneskelig sykdom.
G1 fase (G for ”gap”): dette er en vekst fase;
S fase (stasjonær fase): i denne fasen
dupliseres antallet kromosomer
·
G2 fase: nå vokser cellen ytterligere og
forbereder seg på celledeling
Celle cyklus, forstyrrelser i cellecyklus og
utvikling mot cancer.
·
M fase (mitose fase): cellen og cellekjernen
deler seg i to og danner to celler; modercelle
og dattercelle.
Celler gjennomlever flere faser fram mot det punkt
Overgang fra den ene fase til den neste reguleres
i tid da de deler seg i to ved celledeling. Celledeling er
av cycliner, som er proteiner som spesifikt regulerer
en presist regulert prosess som er avhengig av mange
hver faseovergang. På en eller annen måte som ikke er
faktorer. Celler varierer sterkt med hensyn på i hvilken
fullt klarlagt rapporterer disse cyclinene til cellen at de
grad deler seg. I sentralnervesystemet skjer det få
riktige betingelsene for faseovergang er tilstede; både
celledelinger av neuronene etter at de er blitt fullt
i miljøet rundt cellen og inne i cellen. Det siste krever
utviklet, mens det i beinmarg skjer en stadig celledeling
at cellen har fullført de programmene som hver enkelt
av hemopoietiske stamceller som gir opphav til røde
fase rommer. På figuren er tegnet inn de tre viktigste
og hvite blodlegemer - gjennom hele livet.
cyclinene cyclin E, cyclin A og cyclin B.
Progresjonen som celler gjennomlever når de går
Når et cyclin stimulerer en celle til faseovergang så
Figur som skjematisk viser cellecyklus. Man skiller mellom 4 faser i en cellecyklus: G1 (Gap 1), S fase (fasen for DNA
syntese), G2 (Gap2) og endelig M fase der cellen deler seg ved mitose. Progresjon fra en fase til neste skjer under medvirkning av cycliner. Cycliner virker via cyclin-avhengige kinaser som finnes inne i cellen. Disse fosforylerer intracellulære
proteiner som har som oppgave å styre cellecyklus progresjon. Cyclinene kan i sin tur hemmes av spesielle proteiner. P21
er en slik kraftig cyclin hemmer. P21 er i stand til å stanse cellecyklus progresjon i en hvilken som helst fase ved å danne
en inaktiverende binding med cyclinene (se tekst). Celler kan tre ut av cellecyklus ved å gjennomgå programmert celledød
- apoptose.
32
CELLEFUNKSJONER
virker det via såkalte cyclin-avhengig kinase CDK (cyclin
i stabilitetsgener fører til opphopning av mutasjoner i
dependent kinase). Cyclinet binder seg til sin spesifikke
cellen, men dette gir i seg selv ingen vekstfordel som
CDK. Binding mellom cyclin og CDK aktiverer CDK.
sådan for cellen. Mutasjoner i stabilitetsgener kan sies
Aktivert CDK fosforylerer så en rekke intracellulære
å være som situasjonen med en bilmekaniker som ikke
proteiner som er direkte involvert i celledelingen. Disse
kan jobben sin: Bilen blir feilreparert og potensielt farlig
proteinene er konstitutivt uttrykt inne i cellen og venter
å bruke etter besøk på verksted!
på signalering fra cyclin-CDK for å tre i aksjon.
Onkogener er muterte gener som er konstitutivt
Det finnes naturlig forekommende inhibitorer av
aktive, i motsetning til de opprinnelige vill-type genene
cycliner. Fordi inaktiverende mutasjoner av genene til
de har mutert fra som altså ikke er konstitutivt aktive.
disse inhibitorene fremmer cancer utvikling så kalles
En mutasjon i et onkogen er som når gasspedalen
genene for tumor suppressor gener, underforstått at
henger seg opp i en gammel bil, bilen kjører i full fart
de ved å kode for hemmere av celle cyklus progresjon
videre (mot cancer), uavhengig av om føreren tar vekk
undertrykker tilløp til tumor dannelse.
foten fra gasspedalen! En mutasjon i en av allelene
Man kan si at det er tre prinsipielt forskjellige typer
av gener som typisk er involvert i uvikling av cancer:
1. tumor suppressor gener
2. mutator gener (vaktmester gener)
3. onkogener
Mutasjoner i onkogener og tumor suppressor gener
kan alle sammen drive cancer prosessen ved at de
gir cellene som innehar mutasjonen en konkret vekst
fordel. Mutasjoner i mutatorgener, derimot, fører kun
til at det hoper seg opp med mutasjoner i cellen (og
noen av dem kan selvfølgelig være farlige).
Man kan utdype forskjellene mellom de 3 typene
gener noe videre slik:
Tumor suppressor gener driver utvikling mot
cancer ved at mutasjoner i dem reduserer den biologiske
aktiviteten på genet. For å illustrere hva hva slags
følger dette har, så har det vært trukket følgende
sammenlikning fra dagliglivet: en mutasjon i et tumor
suppressor gen er å betrakte som svikt i bremsen på
en bil: det hjelper ikke å tråkke på bremsepedalen
for bilen kjører like fort videre (mot cancer)! Generelt
gjelder det at det må mutasjoner til i begge alleler av
et tumor suppressor gen for at det skal gi en vekst
fordel til cellen som bærer mutasjonen.
Mutator gener eller vaktmester gener er gener
som reparerer feil i forbindelse med DNA replikasjon,
kromosom separasjon og rekombinasjon. Mutasjoner
for et onkogen er gjerne tilstrekkelig til å gi cellen som
bærer mutasjonen en vekst fordel.
1. Tumor suppressor gener
P53
En viktig cyclin inhibitor – tumor suppressor gen
- er p53. Dette fungerer sammen med p16 og p21 som
bremse på cellecyklus utvikling. Dersom en celles DNA
er skadet på en eller annen måte så trer p53 i aksjon
og aktiverer p21 protein som er en kraftig virkende
cellecyklus-blokker og ”fryser” cellen i hvilken som
helst fase den måtte befinne seg i. p16 blokkerer kun
cyclin E. Det vil si at det stopper utviklingen av cellen
i retning celledeling ganske tidlig, før duplikasjon av
DNA har begynt. Sagt på en annen måte: p16 parkerer
cellen i vekstfasen og tillater kun cellevekst, men
ikke duplisering av arvestoff og andre forberedelse til
celledeling. Det er verd å merke seg at p53 ikke er
nødvendig for normal celledeling.
Mutasjoner i p53 ligger bak mange cancerformer.
Dersom en mutasjon fører til tap av funksjon for p53,
så vil celler forsåvidt fortsette å dele seg normalt, men
de vil ikke kunne respondere på stoppsignaler som er
ment å gi cellen tid til gen reparasjon. Konsekvensen
av dette kan blant annet sees i p53 defekte mus; de
dør alle sammen etter 3 – 4 måneder av cancer. Mer
enn halvparten av menneskelige cancere er assosiert
med defekt p53.
CELLEFUNKSJONER
33
Smad 4.
en del av dette enzymkomplekset. Ved inaktiverende
Smad4 er en tumor suppressor som virker innen
mutasjoner i mutator gen(er) hoper alle slags mutasjoner
TGFb signalvei (Transforming Growth Factor beta).
seg opp i genomet fordi ”korrekturlesing” ikke lenger
TGFb er en familie proteiner som spiller en viktig rolle
skjer som normalt.
i forbindelse med regulering av celleproliferasjon,
Mismatch reparasjons gener (MMR).
differensiering, vevsarkitektur, ekstracellulær matriks
MMR koder for proteiner som reparerer feil i DNA
dannelse og apoptose. TGFb som befinner seg
som er oppstått ved genreplikasjon. Når det foreligger
ekstracellulært binder seg til TGF-b reseptor på
en feil eller mutasjon så oppstår det en deformering av
celleoverflaten og bindingen utløser signalering i
DNA strengen svarende til posisjonen der mutasjonen
retning cellekjernen via diverse smad, hvorav smad4
er lokalisert. Deformeringen skyldes manglende
er det proteinet som migrerer inn i cellekjernen og
bindingsaffinitet til moder DNA strengen på dette punkt.
binder seg til regulatoriske proteiner som dirigerer
Mismatch reparasjons proteiner retter opp slike feil.
gen transkripsjonen av de genene som er under
Det gjøres ved at det mutante genet kappes ut og det
kontroll av TGFb (se figur i kapitel 9). Inaktiverende
så skjøtes inn en ny, korrekt DNA sekvens. Mismatch
mutasjoner i SMAD4 sees særlig ved senstadium og
reparasjonsgen er slik innrettet at det bare korrigerer
metastaserende stadium colorectal cancer. Mutasjoner i
det mutante genet og aldri den komplementære,
SMAD4 kan også forårsake juvenil polyposis coli. Dette
”korrekte” DNA kjeden. Er det derimot oppstått en defekt
er en sykdom som kjennetegnes av hamartomatøse
i genet som koder for mismatch reparasjons proteinet
polypper i tarmtraktus og markert økt risiko for å utvikle
så fører dette til en markert tendens til opphopning av
GI cancer.
mutasjoner. Inaktiverende mutasjoner av mismatch
DCC.
reparasjonsgener, først og fremst MSH2 eller MLH1,
DCC står for Deleted in Colon Cancer). DCC
er underliggende årsak til tilstanden hereditær non-
gen produkt aktiviserer caspase-3 og induserer
polypose colon cancer (HNPCC).
programmert celledød - apoptose- DCC er med
andre ord et tumor suppressor gen som kontrollerer
3. Onkogener.
programmert celledød. Mutasjoner av DCC tumor
Ras protein
suppressor genet sammen med p53 og k-ras er til
Ras protein er en reseptor som overfører eksterne
stede i de fleste tilfeller av coloncancer. Dette viser
vekstfaktor signaler til cellens indre. Dette skjer på
at slik cancere gjerne er et sluttresultat av en serie
den måten at eksterne vekstfaktorer binder seg til ras
mutasjoner som leirer seg oppå hverandre (mer om
reseptor i cellemembranen. Ras reseptor er av natur
det i senere kapitel som omtaler utvikling av colorectal
et GTP bindende protein. Når en vekstfaktor ras binder
cancer). Inaktiverende mutasjoner av DCC fører til svikt
seg til ras reseptor så pulser ras-GTP signaler innover i
i programmert celledød.
cellen med beskjed om celledeling. Ras-GTP bindingen
DCC er ikke bare involvert i utvikling av
brytes imidlertid spontant ned med avspaltning av GDP
coloncancer, men spiller også en rolle i utvikling av
+ fosfat hvorefter ras går tilbake til hviletilstanden; dvs
cancer i magesekken, pankreas, øsofagus, prostata,
en tilstand der ingen signaler formidles innover i cellen
urinblæren, brystkreft, testikkelkreft, neuroblastomer
vedrørende celledeling. Mutasjoner i ras kan føre til
og gliomer samt visse former for leukemi.
dannelse av såkalte ras onkogener. Ras onkogener
2. Mutator gen.
fører til at ras-GTP ikke lenger dekomponerer spontant,
I forbindelse med duplikasjoner av gener forut for
men blir værende i permanent positiv signal modus.
celledelingsprosessen, korrekturleses datter genene av
Cellen oversvømmes da med signaler om celledeling.
DNA polymerase enzymkomplekset. Mutator gen(er) er
Konsekvensen blir ukontrollert celledeling. Dette er
34
CELLEFUNKSJONER
gjerne et tidlig trinn i utvikling av en cancer. K-Ras
raske celledelinger til følge.
som er et slikt onkogent medlem av Ras gene familien,
BRCA1.
opptrer ofte i colorectalcancere.
BRCA står for Breast Cancer. Dette er et anti-
APC (Adenomatosis Polyposis Coli).
onkogen og mutasjoner i genet predisponerer kvinner
APC proteinet er et protein som bistår i nedbrytning
for brystcancer og ovarialcancer. Man regner at omkring
av beta-catenin. Det sistnevnte er et protein som er
0.5% av kvinner har mutasjoner i BRCA1. I likhet med
lokalisert i celleadhesjons kontaktpunkter der det finnes
andre tumor suppressor gen så trengs mutasjoner i
samlokalisert med alfa-catenin. ”Overflødig” beta-
begge kopiene av BRCA1 for at det skal utvikle seg
catenin – dvs beta-catenin som ikke finnes samlokalisert
noen cancer.
med alfa-catenin brytes raskt ned. Denne nedbrytningen
står APC, sammen med diverse andre proteiner, for.
Gene array i studier av gen ekspresjon.
Mer om beta-catenin nedenfor
beta -catenin
Gene array er en undersøkelsesmetode som gjør
Cateniner spiller en viktig rolle i celle til celle kontakt.
det mulig å identifisere hvilke gener som er uttrykt i
Dette skjer ved at alfa- og beta-cateniner sveiser
et gitt celle materiale. Med denne metoden kan man
sammen intracellulære actin filamenter og cadheriner.
semikvantitativt måle uttrykksgraden av et høyt antall
De sistnevnte er celle adhesjonsmolekyler som binder
gener i en og samme prosedyre.
celler sammen i vev. Spesielt for b-cateninet er at det
Når man skal måle genekspresjon med gene array
i tillegg har en funksjon i intracellulær signalering;
metoden så starter man med å ekstrahere mRNA fra det
innen den såkalte Wnt signalveien. I denne signalveien
vevet/cellene som skal undersøkes. Dernest omdanner
finnes blant annet c-Myc proteinet. C-Myc som er en
man det ekstraherte mRNA til komplementær cDNA
kraftig stimulator av cellevekts og celleproliferasjon
ved revers transkribering. Revers transkribering foregår
(se ovenfor). APC protein binder som sagt normalt
ved hjelp av enzymet revers transkriptase. Grunnen
b-catenin og bryter det ned. Mutasjoner i APC genet
til at man velger å lage cDNA fra prøven er at mRNA
fører derfor gjerne til defekt nedbrytning at b-catenin
er ustabilt og fort ødelegges, mens cDNA er stabilt.
slik at c-Myc produseres i store mengder og forårsaker
Revers transkribering er forøvrig et fenomen som
høygradig celleproliferasjon og utvikling i retning cancer
retrovirus bruker når de skriver seg inn i genomet til
(se ovenfor).
vertsorganismen (pasienten).
Myc.
Det transkriberte cDNAmerkes så – enten radioaktivt
Myc protein er en transkripsjonsfaktor som har
eller med fluroriserende fargestoff. Mikromatriseplater
som funksjon å skru på et knippe av ulike gener som
som brukes i gene array undersøkelser er påtrykt
regulerer celledeling. Noen ganger kan det imidlertid
små flekker med cDNA fra kjente gener (såkalte
oppstå feil under genduplikasjon på den måten at det
prober). Posisjonen av hver probe er eksakt definert
oppstår mangedobling av myc. Slik overproduksjon
på mikromatriseplaten. Teknikken går så ut på å måle i
fører til sterk stimulering av celledeling og kan også
hvilken grad cDNA fra prøven man ønsker å undersøke
være et tidlig trinn i utvikling av en cancer.
spontant binder seg (hybridiserer) til det cDNA probene
Myc overdose kan også oppstå ved at myc
på mikromatrisen. Ved å scanne array matrisen for
translokerer til et annet kromosom og legger seg rett
radioaktivitet eller fluoriserende flekker etter at den har
bak en promotor region til et annet gen som normalt
vært eksponert for merket cDNA, kan man detektere
er høygradig uttrykt i cellen. Posisjonert på denne
i hvilken utstrekning cDNA fra prøven har hybridisert
måten vil myc genet være gjenstand for kontinuerlig
til cDNA på arrayet.
transkripsjon og cellen oversvømmes av myc med
Det er mulig i dag å kjøpe array inneholdende prober
CELLEFUNKSJONER
35
Gene array. Figuren viser resultantbildet som framkommer etter computerisert 2 x scanning av en mikromatrise plate etter
at man har hybridisert Cy3- og Cy5-merket cDNA framstilt fra mRNA fra 2 sett celler (1 eksperimental og 1 kontroll) med
definerte cDNA sekvenser på platen. Bildet som vises er en superponering av de framkomne fluorescensbildene av Cy3
og Cy5 fluorescens. Cy3 og Cy5 fluorescens avleses hver for seg under belysning av mikromatrisen med laserlys av egnet
bølgelengde. Fargene som er gjengitt på figuren er computerisrte pseudofarger og ikke reelle fluorescensfarger. Ulike mRNA
som var tilstede i høyere konsentrasjoner i eksperimental cellepopulasjonen gjengies i rødt, mens de som hadde lavere
konsentrasjon enn kontroll gjengies i grønt på resultantbildet. Gule flekker indikerer at mRNA forelå i samme konsentrasjon
i eksperimental- og kontroll celletyper (rød pseudofarge + grønn pseudofarge = gul pseudofarge). Metoden gir bare semikvantitative estimater.
over alle kjente menneskelige gener og “open reading
granulocytt eller en insulin-produserende beta-celle
frames” (ORF). Med ORF menes DNA sekvenser som
fra pankreas kan man skaffe innsikt i hvilke gener som
man mener sannsynlig koder for et protein, men hvor
ligger til grunn for disse ulike cellenes differensiering. Et
man ennå ikke kjenner proteinet eller hvor man ennå
annet anvendelsesområde for gene array studier er å
ikke har funnet et korresponderende mRNA.
identifisere aberrante genutrykk som ligger til grunn for
Det framgår av dette at man i gene array har en
en kreftutvikling. Vi vet at cancerceller har avvikende gen
teknikk der man kan måle hva gener som har avvikende
ekspresjonsmønstere fra de normale cellene i vevet de
genekspresjon i to cellepopulasjoner man ønsker å
utgår fra. Endelig kan vi bruke gene array metodikk til
undersøke. Slike sammenliknende undersøkelser kan
å analysere hvorledes celler responderer på endringer
så vise at det er et relativt lite antall mRNA som har
i miljøet, samt hvilke genreguleringsmekanismer som
avvikende ekspresjon. Kunnskap om hvilke mRNA
er ligger til grunn for celle cyklus variasjon: celle DNA
dette er, vil så danne grunnlag for hypotesedannelse
replikasjon, mitose, apoptose.
mhp de bakenforliggende geners rolle i å bestemme
cellenes egenart og funksjonstilstand.
Gene array undersøkelser egner seg for flere ulike
problemstillinger. For eksempel er gene array et nyttig
Man kan også se på genekspresjon mønsteret
som framkommer ved hybridisering som et genetisk
“fingeravtrykk” av en gitt celletype som karakteriserer
celletypen eller cancerformen.
verktøy til å identifisere hvilke gener som ligger til grunn
Om noen tid vil man ganske sikkert ved hjelp av
for en celles fenotype – egenart. Ved å identifisere hvilke
gene array teknikk finne fram til genekspresjon mønstre
gener som aktivt uttrykkes i en hjertemuskelcelle, en
som er karakteristiske for ulike sykdommmer. Med andre
36
CELLEFUNKSJONER
ord, man kan forvente at vi vil få en ganske annerledes
kromosomet. Det eksisterer en omforenet nomenklatur
dyp innsikt i sykdomsmekanismer, som vil strekke seg
for posisjonsangivelse på kromosomer basert på
helt ned til det molekylære nivå! Det er videre rimelig
disse tverrstripe mønstrene. I neste kapitel er vist
å tro at gene array teknologien over tid vil føre til nye
en skjematisk oversikt over lokaliseringen av en del
sykdomsklassifikasjoner, skreddersying av behandling
kjente genetiske “feil” i kromosommaterialet i de
til sykdommens molekylære profil og sannsynligvis
ulike kromosomene som er årsak til et mangfold av
også nye sykdoms-begreper.
sykdommer hos mennesker.
Genetisk betinget sykdom.
Perspektiver
Man kjenner i dag til en rekke genetisk betingede
Nå er det ofte slik at ettersom man får mer detaljert
sykdommer. I noen tilfeller er den genetiske bakgrunn
innsikt i en biologisk mekanisme, så blir de opprinnelige
fullt klarlagt på den måten at sykdommen skyldes feil
enkle forklaringene utilstrekkelige. Man oppdager at
(mutasjon) i et gen som koder for et protein. Fravær
den mekanismen man står overfor er mer sammensatt
av funksjonsdyktig protein er den direkte årsak til
enn det man opprinnelig trodde. Så gjelder også for
sykdommen. Et eksempel på slik genetisk betinget
arvemekanismer, deres relasjon til gener og hvordan
sykdom er cystisk fibrose. Ved cystisk fibrose foreligger
gener regulerer protein syntesen. I det som er beskrevet
det feilkoding i genet som koder for en kloridkanal.
ovenfor, så er det tegnet et bilde av at gener er unike
Kloridkanalen er normalt rikt uttrykt i luftveisepitel
DNA sekvenser som transkriberes til mRNA-strenger
og i epitel som kler bukspyttkjertelgangene. Når
som så i sin tur translateres til proteiner. Proteinsyntesen
kloridkanalen er defekt, er slimhinnen på begge
omfatter trinnvis oppbygging av protein, aminosyre for
steder ute av stand til på normalt vis å skille ut vandig,
aminosyre, i henhold til den koden som er definert i
beskyttende sekret og pasienten får svarende til
mRNA’et. Videre er det tegnet et bilde av at kromosomer
dette, residiverende luftveisinfeksjoner og kronisk
er lange kjedemolekyler som inneholder gener spredd
pankreatitt. I andre tilfeller av genetisk betinget sykdom
langsefter kjedemolekylet som perler på en snor.
er årsakssammenhengen mer infløkt. Mutasjon i ett
Bildet er imidlertid mer sammensatt enn dette. For
eller flere gener er med på å bidra til å øke risikoen
det første, det eksisterer et fenomen som kalles alternativ
for sykdom.
genspleising. Det kan skje når et gen transkriberes til
Det eksisterer kromosomkart over alle kromosomene
mRNA. DNA molekyler inneholder som kjent partier
hos mennesket der man har markert hvor i kromosomene
med kodende og ikke-kodende DNA sekvenser. Bare
de sykdomsframkallende muterte genene befinner
de kodende sekvensene ender opp i mRNA. De ikke
seg. Slike kromosomkart (karyotyper) representerer
kodende sekvensene – som er temmelig lange – kuttes
en skjematisk avbildning av kromosomene slik
ut, mens de kodende sekvensene transkriberes og
de framstår i metafasen av mitosen. Dersom man
spleises sammen til endeproduktet mRNA. I hvilken
farger kromosomer på dette tidspunkt i cellecyklus
innbyrdes rekkefølge de kodende sekvensene ender
med f.eks. Giemsa* farge, vil man se karakteristiske
opp i mRNA molekylet kan variere. Dette kalles altenativ
tverrstriper på kromosomet. Disse tverrstripene
spleising. Altså: et gen kan gi opphav til ulike mRNA som
brukes som landemerker for posisjonsangivelse på
skiller seg fra hverandre ved ulik rekkefølge av mRNA
* Giemsa, Gustav. 1867 – 1948. Tysk. Professor ved Hamburger Institut für Schiffs- und Tropenkrankheiten, Hamburg
universitet. Beskrev i 1902 en metode for farging av malariaparasitter som var datidens metoder helt overlegen.
CELLEFUNKSJONER
sekvensene (transkriberte introner) i det endelige mRNA
produkt. Svarende til dette blir translasjonsproduktene
også forskjellige – dvs proteinene som blir syntetisert
på basis av de ulike mRNA spleiseproduktene.
Et annet fenomen er at transkripsjonen av et gen
ikke alltid er begrenset til det ene genet, men kan
fortsette videre gjennom DNA sekvenser som koder
for andre, helt annerledes proteiner.Med andre ord,
det kan oppstå protein fusjonsprodukter fra flere gener.
Man antar at noe slik som 4-5 % av DNA områder
som man tradisjonelt har betraktet som atskilte gener
transskriberes på denne måten. Det ser derfor ut som
om proteinoppskriftene som er kodet i DNA ikke har
klart definerte grenser slik vi har vært vant til å tro (altså
definerte av start og stopp sekvenser).
Enda et fenomen rokker ved den klassiske
oppfatning av gener: celler lager store mengder av
RNA molekyler som ikke koder for proteiner i det hele
tatt! Man har også funnet ut at noe RNA kan formidle
biologisk arve-informasjon fra en generasjon til en
annen – uavhengig av DNA (epigenetisk arv). Eksempel:
siRNA (silencing RNA) som hybridiserer med DNA og
funksjonelt slår ut angjeldende DNA sekvens.
Dette reiser til syvende og sist spørsmålet om hva er
definisjonen på et gen, gitt erkjennelsen av at biologisk
arveinformasjon ikke er ekskusivt definert av DNA. Man
ser idag omseggripende erkjennelse av at det humane
genom er å oppfatte som et langt sammenhengende
biologisk budskap snarerer enn et budskap som er
oppstykket i atskilte elementer som ligger ordnet etter
hverandre som perler-på-en-snor .
37
38
CELLEFUNKSJONER
Hva bør du kunne etter å ha lest dette kapitlet?
·
du bør vite hva DNA, RNA, mRNA er, hva et
I dette kapitlet er det gitt en oppsummering av en del
gen er, hva en intron er, hva en exon er, hva
momenter vedrørende cellers ultratruktur og funksjon.
gentranskripsjon og gentranslasjon betyr, hva
Etter å ha lest kapitlet bør du kunne dette:
som menes med uttrykket “promotor regionen”
på et gen.
·
·
gjenkjenne alle strukturer som er listet opp i
oversiktsfiguren 1.
·
vite hva signalpeptid er for noe
vite hvilke hovedfunksjoner som er tillagt de
·
kjenne til hovedtrekkene i nedbrytning av
ulike organellene på figuren
·
kunne redegjøre i grove trerkk for hvordan
proteiner
·
cellemembraner er bygget opp
·
kjenne til prinsippet om at cellemembraner har
kjenne til hovedtrekkene ved exocytose og
endocytose
·
vite hva som menes med begrepet “signal
innbakt en rekke forskjellige membranproteiner
transduksjon” og gjenkjenne
som står for et mangfold av funksjoner som
budbringermolekylene som er listet opp.
navnene på
dels går ut på ione transport over cellemembranen, dels på substratopptak og dels på
·
signalformidling fra omverdenen
kjenne til regulering av cellecyklus i grove trekk
og kunne tegne opp en figur som viser cyklus
progresjon fra G1 fram til M fase med angivelse
·
være godt kjent med at mitokondriene med
av hvilke cykliner og cyklin-avhengige kinaser
forbruk av surstoff forbrenner glukose og fett-
som kan stanse celle cyklus progresjon
syrer til endeproduktene CO2 og vann med
dannelse av ATP fra ADP samt produksjon
·
kjenne til hva et tumor suppressor gen er,
av spillvarme. Denne forbrenningen omfatter
hva et onkogen er, hva et mutator gen er i
selvfølgelig ikke generering av om noen form
forbindelse med cellers utvikling mot cancer
for åpen flamme, men derimot om flyt av den
kjemiske prosessen “oksydativ fosforylering”.
·
vite hva cDNA er
·
vite hva oligonukleotide microarray er for noe
Du bør kunne tegne opp på et papir grunntrekkene av hvordan oksydativ fosforylering er
organisert i mitokondriene
·
du bør kjenne til grunntrekkene ved cellekjernen, hva den inneholder og at den står i
kommunikasjon med det “ru” endoplasmatiske
retikulum
·
du bør vite hvilken funksjon som er henlagt til
det ru endoplasmatiske retikulum
og hva slike microarray brukes til