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
© Copyright 2024