·
Biokemi og genetik
30778-indhold.indd 1
16/12/15 15.34
Udgivet af Nyt Nordisk Forlag i samarbejde med Dansk Sygeplejer책d
30778-indhold.indd 2
16/12/15 15.34
·
Biokemi og genetik Oluf Nielsen og Mette Juel Bojsen-Møller
nyt nordisk forlag · dansk sygeplejeråd
30778-indhold.indd 3
16/12/15 15.34
Biokemi og genetik 6. udgave © Nyt Nordisk Forlag Arnold Busck 2016 Fagredaktion: cand.scient. Mie Andresen Forlagsredaktion: An-Magritt Erdal
Layout: Carl-H. K. Zakrisson/Polytype Omslag, sats og tryk: AKAPRINT a|s, Aarhus Forsideillustrationer: Shutterstock Tegninger: Birgitte Lerche/Lerches tegnestue Figur 16.1, 16.2, 16.3, 16.7 og 16.8 stammer oprindeligt fra Hasting U & Hougaard J: Det levende menneske. Munksgaard, 2007. Skrift: Swift/Kievit Papir: Profimat 90 g
ISBN: 978-87-17-04441-8 Printed in Denmark 2016 Mangfoldiggørelse af indholdet af denne bog eller dele deraf er i henhold til gældende dansk lov om ophavsret ikke tilladt uden forudgående aftale med forlaget. Dette forbud omfatter enhver form for mangfoldiggørelse, det være sig trykning, duplikering, fotokopiering, båndindspilning, elektronisk lagring m.m. Nyt Nordisk Forlag Arnold Busck A/S Pilestræde 52, 3. sal 1112 København K nnf@nytnordiskforlag.dk • www.nytnordiskforlag.dk
30778-indhold.indd 4
16/12/15 15.34
Indhold Forord 11 Indledning 13 1. Almen kemi 15 Atomer 15 Bindinger 17 Kovalent binding 17 Valens 19 Nonkovalente bindinger 22 Hydrogenbinding 25 Polære molekyler 26 Hydrofile og hydrofobe stoffer 28 Atommasse 28 Molekylemasse 32 Mol 32 Molær koncentration 33 Andre koncentrationsangivelser 33 Syrer, baser og pH 35 Syrer 35 Baser 37 pH 37 Tryk 38 Væsketryk 39 Gastryk 39 Osmotisk tryk 40 Resumé 41 2. Proteiner 42 Aminosyrer 42 Aminosyrernes struktur 43 Essentielle aminosyrer 45 Peptidbinding 45 Proteiner er forskellige 45 Proteiners struktur 47 Sammensatte proteiner 49 Resumé 49
30778-indhold.indd 5
3. Kulhydrater 50 Monosakkarider 50 Glukose 51 Fruktose 51 Galaktose 53 Pentoser 53 Disakkarider 54 Maltose 54 Laktose 54 Sukrose 55 Polysakkarider 55 Stivelse 55 Glykogen 55 Kostfibre 55 Cellulose 56 Pektinfibre 56 Sødemidler 56 Smagen af sødt 57 Kunstige sødemidler 57 Resumé 58 4. Fedtstoffer 59 Fedtsyrer 59 Mættede fedtsyrer 60 Monoumættede fedtsyrer 60 Polyumættede fedtsyrer 61 Essentielle fedtsyrer 61 Glycerider 63 Fosfolipider 65 Steroider 66 Kolesterol 67 Galdesyrer 67 Binyrebarkhormoner og kønshormoner 67 D-vitamin 67 Resumé 67
16/12/15 15.34
6
INDHOLD
5. Vitaminer og mineraler 70 Vitaminer 70 Fedtopløselige vitaminer 71 Vandopløselige vitaminer 71 Vitaminernes funktion 73 D-vitamin 73 E-vitamin 73 K-vitamin 74 B1-vitamin 74 B2-vitamin 75 B3-vitamin 75 B5-vitamin 75 B6-vitamin 75 B12-vitamin 75 Biotin 76 Folinsyre 76 C-vitamin 76 Mineraler 76 Natrium 77 Kalium 77 Calcium 77 Fosfor 77 Jern 78 Zink 78 Kobber 78 Selen 79 Krom 79 Jod 79 Mangan 79 Molybdæn 79 Kobolt 79 Fluor 79 Magnesium 79 Resumé 80 6. Enzymer 81 Enzymers virkemåde 82 Enzymers opbygning 83 Coenzymer og cofaktorer 83 Reaktionshastighed 84 Koncentrationen af substrat 85 Koncentration af virksomt enzym 85
30778-indhold.indd 6
Temperaturen 86 pH 87 Hæmmende faktorer 87 Navngivning af enzymer 89 Resumé 89 7. Cellen 92 En celle er levende 92 Cellens opbygning 92 Cellemembranen 94 Cellemembranens lipider 94 Eikosanoider 95 Cellemembranens proteiner 95 Proteinernes funktion 96 Cellemembranens form 97 Transport gennem cellemembranen 97 Diffusion 98 Ionkanaler 100 Faciliteret diffusion 100 Vandporer 101 Osmose 102 Aktiv transport 103 Pumper 104 Endocytose og eksocytose 104 Organeller 106 Kernen 107 Ribosomer 108 Det endoplasmatiske reticulum 108 Golgiapparatet 109 Lysosomer 109 Mitokondrier 109 Centrosomet 110 Celledeling 110 Stamceller 110 Mitose 111 Meiose 111 Resumé 111 8. Fordøjelsen 114 Fordøjelse i munden 114 Fordøjelse i ventriklen 115 Duodenum 118
16/12/15 15.34
INDHOLD
Kulhydratnedbrydning 119 Proteinnedbrydning 119 Lipidnedbrydning 121 Jejunum og ileum 124 Nedbrydning af kulhydrat 124 Nedbrydning af peptider 124 Absorptionen i tyndtarmen 125 Colon 126 Resumé 129 9. Stofskiftet 132 Energidannelse 133 ATP 133 Anvendelse af kostens kulhydrater 135 Kulhydratforbrænding 135 Kulhydratdeponering 138 Omdannelse til glycerol og fedtsyrer 138 Anvendelse af kostens lipider 139 Anvendelse af triglycerider fra fedtdepoter 140 Fedtsyreforbrænding 140 Glycerol, forbrænding og omdannelse 142 Anvendelse af kostens proteiner 142 Aminosyrernes anvendelse i organismen 142 Opbygning af proteiner 142 Forbrænding af aminosyrer 143 Aminosyrers omdannelse til glukose 144 Forbrænding af alkohol 144 Samlet overblik over forbrænding 144 Stofskiftets regulering 145 Regulering af energiproduktionen 145 Regulering af næringsstoffer i blodet 146 Særlige stofskiftetilstande 151 Faste 152 Stressmetabolisme 153 Resumé 154 10. Leveren 156 Leverens mikroskopiske opbygning 157 Leverens funktioner 157 Omsætning af næringsstoffer 158 Leverens betydning for kulhydratstofskiftet 158
30778-indhold.indd 7
7
Leverens betydning for aminosyrestofskiftet 161 Leverens betydning for lipidstofskiftet 163 Udskille ketonstoffer til blodet 164 Nedbrydning og afgiftning 165 Hæmoglobinnedbrydning 165 Alkoholnedbrydning 166 Nedbrydning af lægemidler og andre stoffer 167 Nedbrydning af hormoner 168 Produktion af stoffer 169 Produktion af kolesterol 169 Produktion af galde 171 Produktion af plasmaproteiner 172 Produktion af hormonforstadiet angiotensinogen 173 Depotfunktion 173 Resumé 173 11. Blodet 175 Plasma 176 Næringsstoffer 176 Affaldsstoffer 177 Salte 177 Plasmaproteiner 178 Stoftransport 178 Stofudveksling mellem blod og vævsvæske 179 Udveksling gennem blod-hjerne-barrieren 179 Blodets celler 180 Erytrocytter 181 Ilttransport 182 Binding af andre stoffer til hæmoglobin 183 Erytrocytdannelse 184 Stoffer, der er nødvendige for normal erytrocytdannelse 185 Erytrocytnedbrydning 186 Leukocytter 187 Granulocytter 188 Monocytter 188 Lymfocytter 188 Trombocytter 188 Hæmostase 189 Lokal karkontraktion 189
16/12/15 15.34
8
INDHOLD
Dannelse af løs trombocytprop (primær hæmostase) 189 Koagulation (sekundær hæmostase) 191 Koagulationsfaktorer 191 Aktivering af koagulationen 192 Dannelse af koagel 193 Fibrinolyse 194 Kontrol af hæmostase 196 Plasmin 196 Heparin 196 Forstyrrelser i koagulationssystemet 196 Venøs stase 196 Phlebitis 197 Aterosklerose 197 Blodtyper 198 AB0- og rhesus D-systemerne 198 Lymfesystemet 199 Milten 200 Thymus 201 Lymfoidt væv 201 Resumé 201 12. Infektionsforsvaret 203 Det uspecifikke og det specifikke forsvar 204 Eget eller fremmed 204 Antigen 204 Det uspecifikke forsvar 205 Leukocytterne i det uspecifikke forsvar 205 Det uspecifikke forsvars stoffer 207 Inflammation 210 Det specifikke forsvar 212 Overblik over det specifikke forsvar 213 Det specifikke forsvars celler 213 Vævstyper 214 Aktivering af T-celler 214 T-cellernes funktion 216 Aktivering af B-celler 216 B-cellernes funktion 217 Antistoffernes funktioner 217 Antistoffernes opbygning 220 Vaccination 224 Resumé 226
30778-indhold.indd 8
13. Respirationen 227 Alveolerne 227 Iltoptagelse 228 Hæmoglobin 229 Ilttransport 231 Kuldioxidtransport 233 CO2-udskillelse 234 Syre-base-regulering 235 Væsketab fra lunger 236 Resumé 237 14. Nyrer og urinveje 238 Nefron 238 Filtration 240 Reabsorption 242 ADH 245 Aldosteron 246 Atrialt natriuretisk peptid 250 Sekretion 250 Urinen 250 Affaldsstoffer i urinen 251 Salte (ioner) i urinen 252 Syre-base-regulering 254 Andre nyrefunktioner 255 Resumé 258 15. Væske-elektrolyt-balance 259 Vand 259 Vandindgift 259 Vandudgift 260 Vandstrømmen gennem kroppen 261 Ioner 263 Kalium 265 Væske-elektrolyt-forstyrrelser 265 Dehydrering 266 Overhydrering 267 Syre-base-regulering 269 Kroppens produktion af syre og base 270 Indtagelse af syre og base 272 Blodets buffersystem 273 Syre-base-regulering i lungerne 275 Syre-base-regulering i nyrerne 276
16/12/15 15.34
9
INDHOLD
Forstyrrelser i syre-base-forholdene 277 Undersøgelser af blodets syre-base-forhold 280 Resumé 281 16. Muskler 282 Skeletmuskulatur 282 Skeletmuskulaturs opbygning 283 Muskelkontraktion 285 Impulsudbredelse i muskler 285 Musklernes stofskifte 287 Fysisk aktivitet 289 Musklerne som kirtel 291 Hjertemuskulatur 292 Glat muskulatur 293 Resumé 293 17. Knogler 294 Knoglernes fysiologi og bestanddele 294 Osteoblaster 295 Osteocytter 295 Osteoklaster 295 Intercellulærsubstans 295 Knoglernes biokemi – calciumstofskiftet 296 Parathyroideahormonet 296 D-vitamin 297 Calcitonin 297 Andre hormoner med indflydelse på knoglestofskiftet 298 Resumé 298 18. Styresystemer 300 Receptorer 300 Regulering af receptorer 302 Nervesystemet 305 Nervesystemets bestanddele 306 Membranpotentialet 307 Impulsudbredelse 308 Synapsen 309 Aksontransport 312 Neurotransmittere 312 Det endokrine system 319 Inddeling af hormoner 319
30778-indhold.indd 9
Peptidhormoners og katekolaminers virkemåde 320 Steroidhormoners og thyroideahormoners virkemåde 320 Hormoners plasmakoncentration 320 Hypothalamus- og hypofysehormoner 321 Kønshormoner 323 Kønshormoner hos manden 324 Kønshormoner hos kvinden 324 Menstruationscyklus 326 Hormoner, der har betydning ved graviditet og fødsel 326 Humant choriongonadotropin, hCG 327 Progesteron 328 Østriol 328 Humant chorionsomatomammotropin, hCS 328 Prolaktin 328 Oxytocin 329 Hormoner fra binyrerne 329 Binyremarven 329 Binyrebarken 331 Kortisol 331 Kønshormoner 332 Resumé 333 19. Klinisk kemi 334 Generelt om blodprøver 334 Analyse af blodet 334 Blodprøvesvar 336 Referenceintervallet 337 Præcision, specificitet og sensitivitet 337 Fejlkilder 337 Blodprøver 338 Koagulationsprøver 338 Levertal 339 Nyretal 339 Syre-base-status 340 Infektionstal 340 Anæmi 341 Blodsukker 341 Resumé 341
16/12/15 15.34
10
INDHOLD
20. Genetik 342 Far, mor og børn 342 Mitose 344 Meiose 344 Genetiske begreber 344 Arvegang og krydsningsskema 345 Resumé 346 21. Kromosomer og meiose 347 Kromosomerne 347 Autosomer 347 Kønskromosomer 348 Centromerer 349 Telomerer 349 Meiose 350 DNA-replikation 350 Parring af kromosomer og overkrydsning 350 Celledelinger 351 Dannelse af kønsceller 353 Resumé 353 22. DNA, gener og proteinsyntese 355 Nukleotider 355 DNA 356 Gener 357 Proteinsyntese 358 Messenger-RNA 358 Transkription, ”fra DNA til RNA” 359 Translation, ”fra RNA til aminosyrer” 360 DNA-replikation 362 Mutationer 363 Resumé 364
30778-indhold.indd 10
23. Arvegang og arvelige sygdomme 365 Autosomale recessive sygdomme 365 Eksempler på sygdomme og arvegang 365 Autosomale dominante sygdomme 367 Eksempler på sygdomme og arvegang 367 X-bundne recessive sygdomme 367 Eksempler på sygdomme og arvegang 368 X-bundne dominante sygdomme 369 Eksempler på sygdomme og arvegang 369 Resumé 369 24. Kromosomafvigelser 370 Forkert antal autosomer 370 For mange autosomer 370 Non-disjunction 371 Forkert antal kønskromosomer 372 For få kønskromosomer 372 For mange kønskromosomer 374 Fostervandsprøve 375 Moderkagebiopsi 375 Blodprøve 375 Resumé 376 Appendiks med formler 377 Stofskiftet 378 Leveren 388 Blodet 390 Appendiks med blodprøveskemaer 391 Register 405
16/12/15 15.34
Forord ”Biokemi og genetik” er en grundbog, der anvendes i sygeplejerskeuddannelsen og andre mellemlange videregående sundhedsuddannelser. Fagene biokemi og genetik er to fag, der i sygeplejerskeuddannelsen ikke er tildelt ret mange ECTS-point. Der er stor sammenhæng mellem de to fag, da mange af de stoffer, der indgår i biokemien, er proteiner, der dannes ud fra generne i cellernes DNA. Det kan derfor være hensigtsmæssigt at samle fagene i én lærebog. Det er i denne lærebog forsøgt i så stort omfang som muligt at integrere biokemien med fysiologien, hvorfor nogen forhåndsviden om fysiologi og anatomi vil være nyttig. Genetikken knytter sig især til proteinkemi og sygdomslære. Målet har været at skrive en bog, der skal kunne læses og forstås ved selvstudium og uden særlige forudsætninger i kemi eller genetik. Dette kan være nødvendigt i en tid, hvor uddannelserne er ramt af besparelser. Det antal undervisningstimer, den enkelte studerende modtager i de naturvidenskabelige fag, har næppe været mindre end nu, mens der er et stigende fokus på sygeplejerskens ansvar i forbindelse med fx farmakologi. Samtidig er forskellige former for e-læring, hvor uddannelsen udbydes som selvstudie, i vækst. Bogen er bygget op med en basal del, en klinisk del og en udvidet teoridel. Den basale del af stoffet strækker sig gennem alle kapitler og er forklaret og beskrevet med mange ord og få formler for at give så stort et overblik som muligt. Den kliniske del er præsenteret i røde tekstbokse, som er placeret relevant i tilknytning til den basale teori. Dette styrker den studerendes kobling af den teoretiske viden med aspekter, som fx sygdomme, symptomer, prøver og læge-
30778-indhold.indd 11
midler, fra sygeplejerskens kliniske praksis. I den udvidede del, som tilsvarende fremstår i blå bokse, gås mere i detaljer, ligesom de fleste af formlerne står her. Dette giver den læser, der har speciel interesse i et emne, mulighed for yderligere fordybelse. Både den kliniske og den udvidede del kan springes over, uden at overblikket mistes. Da både biokemi og genetik er meget omfattende fag, er der foretaget nogle valg med henblik på, hvad der skulle med i en bog for sygeplejestuderende. Disse valg er foretaget på grundlag af den erfaring, vi har efter mange års undervisning inden for sygeplejerskeuddannelsen. Det er bogens mål, at de emner, der berøres, er relevante for en sygeplejerskestuderende. Bogen skal derfor ses som en indføring i fagene, der i omfang står i relation til de få timer, der er tildelt faget i sygeplejerskeuddannelsen. Samtidig kan bogen bruges som opslagsbog. I forhold til den foregående udgave er der foretaget en del ændringer, idet der er øget fokus på den kliniske relevans ved hjælp af mange eksempler. De kliniske eksempler er samlet i tekstbokse gennem hele bogen, og der er tilføjet et appendiks med blodprøveskemaer fra klinikken. Endvidere er der udarbejdet et nyt kapitel om klinisk kemi. Dele af kapitlerne om almen kemi, stofskiftet og blodet er skrevet om og udvidet. Derudover er der foretaget mindre justeringer, især i kapitlet om leveren. Det tungeste formelmateriale, især fra stofskiftet, er samlet i et særskilt appendiks bagest i bogen. Oluf Nielsen og Mette Juel Bojsen-Møller
16/12/15 15.34
Indledning Biokemi er læren om de kemiske reaktioner, der foregår i levende organismer. Bios betyder liv. Kemi er læren om opbygning og nedbrydning af stoffer. Højerestående organismer må bl.a. for at kunne opretholde livet, spise og drikke. I den mad, vi spiser, findes næringsstofferne proteiner, kulhydrater og lipider (fedtstoffer). Desuden findes der vitaminer og mineraler. Proteiner, kulhydrater og lipider er store sammensatte molekyler, som skal nedbrydes til mindre molekyler i mave-tarm-kanalen for at kunne optages fra tarmen. I den menneskelige organisme anvendes proteinerne fra føden til dannelse af de forskellige proteiner, en menneske krop er bygget op af. Proteiner bruges bl.a. til opbygning af celler, hormoner og enzymer samt antistoffer, der medvirker til beskyttelse mod mikroorganismer. Kulhydrater og lipider anvendes hovedsageligt som energikilde, og energien, der frigøres ved nedbrydning af disse, kan bruges til at opbygge og nedbryde stoffer. Desuden anvendes energien til arbejde som fx bevægelse, hjerteslag, respiration, blæretømning og pumpning af stoffer gennem cellemembraner. En del af energien frigøres som varme. Vitaminer og mineraler indgår i mange kemiske reaktioner i kroppen. Hos børn anvendes en del af føden til vækst, men selvom man er udvokset, har man stadig brug for næring, idet der foregår en konstant udskiftning af stoffer og af kroppens celler. Opbygnings- og nedbrydningsprocesser foregår inde i cellerne. For at danne energi til disse
30778-indhold.indd 13
processer kræves ilt, og der dannes affaldsstoffer som kuldioxid, carbamid og ammoniak. Ilten optages fra respirationsluften, og kuldioxiden udskilles med samme. De andre affaldsstoffer udskilles hovedsagelig gennem nyrerne med urinen, men der udskilles også lidt med afføringen. Det er derfor nødvendigt at have et system, der kan transportere ilt og næringsstoffer fra lunger og fordøjelseskanal til cellerne, ligesom det også er nødvendigt at kunne transportere kuldioxid og andre affaldsstoffer væk fra cellerne, for at de kan udskilles i lunger og nyrer. Dette transportsystem udgøres af hjertet og blodkarrene, som sender blod gennem alle dele af kroppen. Det er ligeledes nødvendigt at kunne styre og koordinere de mange processer, så de til enhver tid er tilpasset kroppens behov. Dette sørger nervesystemet og det endokrine system, hormonsystemet, for. Herved opnår kroppen en slags indre ligevægt kaldet homøostase. Mange af de stoffer, der indgår i biokemien er proteiner. Stoffer som antistoffer, der bruges til infektionsbekæmpelse, eller hormonet insulin er proteiner ligesom de mange enzymer, der fremmer mange kemiske processers forløb. Koderne til dannelse af proteiner ligger i genernes DNA. Fejl i DNA’et vil give proteiner med nedsat eller manglende funktion. Da gener nedarves fra forældre til børn, vil de sygdomme, der er knyttet til generne, videreføres fra slægt til slægt. Som det kan ses, hænger vores cellers og organsystemers funktioner sammen, og med denne bog prøver vi at vise nogle af disse sammenhænge.
16/12/15 15.34