INSIKT Biologi 2
Lena Brynhildsen • Henrik Brändén INSIKT Biologi är ett läromedel anpassat till Gy2011. Läromedlet ger eleven förståelse för biologiska samband, visar spännande inblickar i nya upptäckter och betonar vikten av hållbar utveckling. Till läroboken INSIKT Biologi 2 finns en lärarhandledning innehållande bl.a. laborationsförslag, bedömningsstöd samt övningsmaterial för eleverna. INSIKT Biologi 2 finns även som digitalt läromedel.
ISBN 978-91-27-40959-0
För mer information om INSIKT Biologi, se www.nok.se/laromedel 9 789127 409590
Insikt Biologi 2 Omslag CS5_5.indd 1
Biologi 2 2012-07-06 16.52
Innehåll 1
Celler 7
2
Från cell till individ 45
Livets molekyler 8
Celler som samarbetar 46
Kolhydrater 9 Lipider 10 Proteiner 11 Enzym 12 The induced-fit model 12 Nukleinsyra 13 Nukleotider och deras kompisar 14
Cellernas kommunikation 46
Att vara cell i en flercellig organism 16 Cellmembranets uppbyggnad och funktion 17 Cellmembranets uppbyggnad 17
Djurcellens uppbyggnad 21 Cellkärnan 22 Ribosomen 23 Endoplasmatiska nätverket (ER) 24 Golgiapparaten 25 Lysosomer 26 Peroxisomen 26 Mitokondrien 27 Cellskelettet 27 Mikrotubili 28 Intermediära filament 29 Mikrofilament 29 Kopplingar mellan celler 30 Täta kopplingar (tight junctions) 30 Desmosomer 30 Öppna kopplingar (gap junctions) 30
Transport över membran 31 Diffusion 31 Aktiv transport 34 Kunskaper om kopplad transport räddar liv 35 Transport med hjälp av vesiklar 35 Endocytos påverkar kolesterolhalten i blodet 36 Spänning över cellmembranet 37
Cellens metabolism 38 Glykolysen 39 Citronsyracykel (Krebs cykel) 39 Elektrontransportkedjan 40 Jäsning 41 Utan fungerande andningskedja dör vi 42 Glykolysen – en urtida process? 42 Stegvis nedbrytning hindrar brand 43 Insikter och Fundera vidare 44
4
Kemiska signaler 47 Vad används kemiska signaler till? 47 Kemisk kommunikation hos djur 48 Jästsvamparnas sexliv 48 Att svara på signaler 51 Hur vi känner lukter 53
Olika celltyper och vävnader 55 Muskelceller och muskelvävnad 55 Nervceller och nervvävnad 56 Epitelceller och epitelvävnad 57 Stödjevävnad 58 Vävnader bildar organ 59
Cellspecialisering 60 Hierarkier av reglerande proteiner 60 Tidig embryoutveckling hos bananflugan 61 Stänga av olika delar av arvsmassan 62 Ta emot signaler från cellerna bredvid 62 Bilda ögon med cyklopgenen 64 Vuxna stamceller 65
Cellens död 66 Insikter och Fundera vidare 68
3
Hur människan och andra djur fungerar 69 Att vara en cell bland många 70 Nervsystemet 72 Nervsystemets uppbyggnad hos människor 73 Nervcellen 75 Hur leds nervimpulsen vidare i axonet? 78 MS 79 Samma neurotransmittor kan ge helt olika svar 81 Gasen kväveoxid (NO) fungerar som en neurotransmittor 81 Hur fungerar droger? 82
Hur fungerar nervsystemet? 84 Centrala nervsystemet 84 Dendriter, synapser och minnet 84 Olika typer av smärta 87 Historien om Phineas Gage 91 Hur kan man kartlägga hjärnan? 92
innehåll
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 4
2012-07-10 13.43
Hjärnbalkens betydelse 92 Tonårshjärnan 92 Sinnesorganen 93 Hur kan hjärnan få dig att känna känslor? 93 Att kunna höra 94 Att kunna se 97 Hur ett synintryck uppkommer 100 Färgseende 101 Att känna lukt och smak 101 Varför smakar stark mat hett? 101
Hormonsystemet 103 Hormonsystemet och nervsystemet samarbetar 104 Olika typer av hormoner och hur de frisätts 106 Hur transporteras fettlösliga proteiner...? 107 Frisättning och reglering av hormoner 108
Cirkulationssystemet 114 Ryggradsdjurens cirkulationssystem 115 Människans cirkulationssystem 116 Blodtrycket 120 Lymfsystemet 122 Hur fungerar höghöjdsträning? 123 Störningar i trombocyternas aktivitet... 125
Andning och gasutbyte 126 Att andas med gälar 126 Hur andas insekter? 127 Att andas med lungor 127 Anpassningar för att kunna dyka 132
Matspjälkning 133 Människans matspjälkningskanal 134 Reglering av magsaftsproduktion 136 Var rädd om levern! 137
Rening av blod och urinproduktion 140 Varför är vattenbalansen så viktig? 142 Människans urinvägssystem 142 Hur fungerar dialys? 147 Insikter och Fundera vidare 148
4
Förälskelse och fortplantning 149
Människans fortplantning 150 Puberteten 151 Sexuell mognad och ekonomisk självständighet... 152 Tacka mormor 152 Kvinnans reproduktion 153 Mannens reproduktion 155 Varför finns det inte p-piller för män? 156 Pungen – ett kylskåp 157 Ett barn blir till 157 Ägget och spermien 158
Sexuellt överförbara infektioner 162 Ofrivillig barnlöshet och IVF 163 Säkert sex 163 Några sexuellt överförbara infektioner 164 Smittskyddslagen 165
Sex utan att få barn 166 Aborter 169 Förälskelse och sex? 169 Galen av förälskelse 170 Att svetsas ihop av sex 171 Att älska någon av sitt eget kön 172 Den romantiska kärleken – social konstruktion eller biologisk realitet? 174 Genen som gjorde polygama sorkar monogama 175 Teorin om mannens naturliga otrohet 175 Insikter och Fundera vidare 176
Mikroorganismer, infektioner och försvar 177 5
Mikroorganismernas värld 178 Eukaryota mikroorganismer 178 Malaria 179 Bakterier 180 Bakteriers systematik 183 Arkéer 184 Virus 184
Infektion och försvar 187 Sjukdomsalstrares olika strategier 187 Fysiska barriärer 189 Ospecifikt försvar 189 Specifikt försvar 191 Hur allergier fungerar 196 HIV och AIDS 199 Många olika vita blodkroppar 203 Transplantationsantigen och blodgrupper 204 Influensa 205
Kampen mot infektioner 206 Smittspridning och hygien 206 När läkarna lärde sig tvätta händerna... 208 Vaccinering 210 De vackra mjölkerskorna och det första vaccinet 211 Det svenska vaccinationsprogrammet 212 Antibiotika och antibiotikaresistens 212 Mördarbakterier 215 Infektioners ursprung och spridning 216 Varför segrade européerna... 217 Insikter och Fundera vidare 218
innehåll
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 5
5
2012-07-10 13.43
6
Frisk och sjuk 219
Vem är frisk och vem är sjuk? 220 Dyslektikerna som blev världsbäst på att... 221 Arv, miljö och slump 222 Några vanliga folksjukdomar 223 Hjärtinfarkt och stroke 223 Typ 2-diabetes 225 Cancer 227 Kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL) 230 Autoimmuna sjukdomar 231
Psykisk ohälsa 232 Nedstämdhet och depression 233 Ångestsjukdomar 234 Psykoser och schizofreni 235 Bipolär sjukdom 236 ”Psykisk hälsa är att kunna älska och arbeta” 237 Missbruk och beroende 237
Varför har inte evolutionen befriat oss från sjukdomar? 238 Medicinsk etik 240 Etiska dilemman 240 Tester av läkemedel 241 Insikter och Fundera vidare 242
7
Hur växter och svampar fungerar 243
Växten 244 Växtcellens uppbyggnad 244 Växtens vävnader och organ 248 Hur regleras klyvöppningarnas vatteninnehåll? 252 Växternas näring och energi 252 Även växter kan bli stressade! 253 Rubisco – det enzym som finns i störst mängd i världen 255 Monsterväxter 256 Transport i en växt 257 Abiotiska faktorer som påverkar transpirationen 259 Växternas hormoner 260 Växternas reproduktion 260 Historien bakom upptäckten av växthormoner 261
Svampar 266 Hur svampar är uppbyggda och fungerar 266 Svampar i ekosystemen 268 Svampar i människans tjänst 268 Sex och kloning bland svampar 269 Insikter och Fundera vidare 270
6
Bioteknik – cell- och molekylärgenetiska tekniker 271 8
Vad innebär modern bioteknik 272 Analysera och sekvensbestämma DNA 272 Testa gener 273 Rena fram DNA 274 Genetiska fingeravtryck 275 PCR 277 Gel-elektrofores 278 Sekvensering 279 Sekvensbestämma DNA 281 Klippa och klistra DNA 282 Upptäckten av restriktionsenzymer 282 DNA-analyser reser svåra etiska frågor 283 Fosterdiagnostik 285 PGD 285
Genmodifiering 287 Regler för genmodifierade organismer (GMO) 288 Genmodifierade mikroorganismer 288 Hur man genmodifierar bakterier 289 Genmodifierade växter 290 Hur man genmodifierar växter 291 Debatt om genmodifierad mat 292 Genmodifierade djur 294 Hur man genmodifierar djur 295 Hur man slår ut eller ändrar en gen 296 Att vara eller inte vara genmodifierad 296 DNA-mediciner och gendoping 297 Att avslöja gendoping 298 RNA-interferens 299
Cellodling och embryotekniker 299 Cellodling 299 Henrietta Lacks och läkarna som tog hennes celler... 300 Hur fungerar ett graviditetstest? 301 Antikroppar 301 Att göra monoklonala antikroppar 302 Var finns och bildas olika proteiner? 303 Vuxna stamceller 305 Embryonala stamceller 305 Inducerade pluripotenta stamceller 307 Blanda människa och mus 308 Kloning 308 Insikter och Fundera vidare 311
Register 312 Källförteckning till bilderna 320
innehåll
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 6
2012-07-10 13.43
1 Celler VARFÖR BLIR HUDEN SKRYNKLIG OM MAN LIGGER FÖR LÄNGE I BADKARET?
HUR FÄSTER CELLER TILL VARANDRA I DIN KROPP?
VARFÖR DÖR MAN AV
SYREBRIST?
VARFÖR FÅR MAN MJÖLKSYRA I MUSKLERNA NÄR MAN ANSTRÄNGER SIG HÅRT?
VARIFRÅN KOMMER DEN KOLDIOXID SOM MAN ANDAS UT?
1
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 7
celler
7
2012-07-10 13.43
Livets molekyler Relativ förekomst, procent 70 60 50 människokroppen jordskorpan
40 30 20 10 0
H C O N Ca Na P AI Si övr och och
Mg K
Nukleotider sätts ihop till RNA och aminosyror till proteiner. Dessa molekyler används sedan bl.a. till att bygga upp ribosomer.
8
1
Alla organismer består av celler, en enda eller flera miljarder (t.o.m. flera biljoner). Cellens uppbyggnad skiljer sig åt beroende på om den tillhör en bakterie, arké, svamp, växt eller ett djur. Men vissa strukturer är gemensamma för alla. Alla celler har t.ex. ett cellmembran (plasmamembran), en cytoplasma, DNA och ribosomer och består vanligen till 60–70 % av vatten. Alla celler består huvudsakligen av de fyra grundämnena kol (C), syre (O), väte (H) och kväve (N). Dessutom förekommer flera andra ämnen i mindre mängd. De fyra grundämnena kol, syre, väte och kväve utgör basen i de organiska makromolekyler som bygger upp cellens yttre och inre struktur. Vi kan därför kalla dem för livets molekyler. Fyra huvudgrupper av organiska molekyler tillhör livets molekyler: kolhydrater, lipider, proteiner och nukleinsyror. Bland dessa finns det både små molekyler (t.ex. glukos) och större molekyler, makromolekyler (t.ex. proteiner). Ordet ”makro” betyder stor eller lång och genom att sätta ihop många monomerer (mono = en) med varandra bildas en polymer (poly = många) d.v.s. en makromolekyl. Makromolekylerna bygger upp celler genom att bl.a. ingå i cellmembran, cellväggar och cellorganeller, bilda cellskelett, lagra energi samt utgöra arvsmassan. Utan makromolekyler skulle inga celler och inget liv finnas. Molekyler från olika de grupperna kan också förena sig med varandra: kolhydrater kan t.ex. sitta fästade vid både proteiner och lipider, och lipider vid proteiner. huvudgrupp
exempel på molekyl
Kolhydrater
glukos, sackaros, cellulosa, stärkelse
Lipider
fetter, fosfolipider, steroider
Proteiner
enzymer, receptorer, antikroppar
Nukleinsyra
DNA, RNA
Byggstenar
Makromolekyler
Celldelar
aminosyror och nukleotider
proteiner och RNA
t.ex. ribosom
30 nm
celler
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 8
2012-07-10 13.43
Kolhydrater Kolhydrater kan bestå av allt ifrån en enda sockerenhet, en monosackarid som t.ex. glukos (druvsocker) och fruktos (fruktsocker), till flera sockermolekyler som sitter ihop i stora polysackarider som t.ex. cellulosa. Monosackarider kan sättas ihop till en otrolig mängd olika molekyler med helt olika funktioner. Vi kan ta monosackariden glukos som ett exempel eftersom den har en huvudroll bland livets molekyler. Glukos är ”bränslet” i våra och de flesta andra organismers celler. Glukosen används för att producera de energirika ATP-molekyler som cellen använder för att få energi till olika processer. Om en glukosmolekyl (druvsocker) binder till en fruktosmolekyl (fruktsocker) bildas disackariden sackaros, det vi brukar kalla för strösocker. När vi äter socker bryts denna disackarid ner i vårt matspjälkningssystem och de två monosackariderna frigörs. Växter lagrar energi genom att sätta ihop flera glukosmolekyler, som de bildat under fotosyntesen, till stärkelse (en polysackarid) som växterna använder för att lagra energi. Om glukosmolekylerna sätts ihop på ett annorlunda sätt jämfört med i stärkelse bildas i stället cellulosa, som växten behöver för att bygga upp sin cellvägg. Vi människor kan varken bilda stärkelse eller cellulosa i våra celler, men genom att sätta ihop glukosmolekyler på ytterligare ett annat sätt kan vi i stället bilda glykogen. Glykogen är vår motsvarighet till stärkelse, d.v.s. ett sätt att lagra energi på. Denna polysackarid lagras i våra muskelceller och leverceller. När vi behöver fylla på med glukos i vårt blod, för att ge cellerna energi, bryts glykogenet ner till glukos igen.
CH2OH
6
H 4
HO
5
H OH 3
H
O
OH 1
H
glukos
H
2
OH
Glukosmolekyler är vanligen ringformade i vattenlösning.
När många glukosmolekyler sätts samman bildas en polysackarid.
glykogen förgrening
1
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 9
celler
9
2012-07-10 13.43
Lipider Lipider kan vara uppbyggda på flera olika sätt, men alla är mycket hydrofoba, d.v.s. de löser sig inte i vatten utan är i stället fettlösliga. I gruppen lipider finns allt ifrån fetter, fosfolipider och steroider till vax eller karoten och andra pigmentmolekyler. Hos människan och andra djur fyller lipider en mängd viktiga funktioner, t.ex. uppbyggnad av cellmembranet, energilagring, värmeisolering, signalskickande både mellan och inom celler och som stötdämpare. Fetter tre fettsyror
glycerol
Fett är uppbyggt av en glycerolmolekyl till vilken tre fettsyror bundit.
glycerol Fetter isolerar våra kroppar från kyla, skyddar våra inre organ genom med fosfat ( ) att fungera som stötdämpare och är vårt mest effektiva sätt att lagra energi på. två fettsyror Ett fett består av en glycerolmolekyl som sitter ihop med tre fettsyror. Dessa kan vara antingen mättade (inga dubbelbindningar mellan kolatomerna) eller omättade (en eller flera dubbelbindningar mellan kolatomerna) Mättade fettsyror är raka, medan omättade är svängda eller veckade.
Fosfolipider glycerol med fosfat ( )
tre fettsyror
två fettsyror I en fosfolipid är en av fettsyrorna i en fettmolekyl utbytt mot en fosfatgrupp.
Fosfolipider är livsnödvändiga för alla celler eftersom de utgör huvudbeståndsdelen i cellmembran. Fosfolipiderna har mycket speciella egenskaper p.g.a. att den ena änden är hydrofil och den andra hydrofob. Strukturen liknar ett fett, men en av de tre fettsyrorna som i fett sitter bundna till glycerol har i fosfolipiden bytts ut mot en fosfatmolekyl. Fosfat- och glyceroldelen bildar ett hydrofilt ”huvud” och det två fettsyrorna bildar hydrofoba ”svansar”. Om man blandar fosfolipider med vatten söker de sig genast till varandra och bildar membranbubblor i vattnet bestående av ett dubbelt lager av fosfolipider. Fettsyrasvansarna söker sig till varandra, bort från omgivande vatten med fosfathuvudena ut mot vattenmolekylerna, en formation som liknar ett cellmembran. På detta sätt tror man också att den första cell-liknande strukturen uppkom spontant för kanske 4 miljarder år sedan och senare utvecklades till de cellmembraner som levande organismer har i dag. Steroider
Även steroider hör till gruppen lipider. Steroider består av fyra ringformade kolvätekedjor. Till kolvätekedjorna kan olika kemiska grupper vara bundna och det ger steroider med olika struktur och funktion. Kolesterol är en oerhört viktig steroid i våra kroppar. Förutom att det är en viktig komponent i djurs cellmembran är det också den mo10
1
celler
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 10
2012-07-10 13.43
lekyl som många syntesvägar utgår från när andra viktiga steroider ska bildas. Steroidhormoner, t.ex. könshormoner som östrogener, testosteron och progesteron, bildas från kolesterolmolekylen. Detsamma gäller D-vitamin och gallsalter.
Proteiner Mer är 50 % av det organiska material som tillhör din kropp består av protein. När aminosyror kopplas ihop bildas peptider eller proteiner. Två aminosyror bildar en dipeptid, tre en tripeptid och så vidare. Om det är fler än 50 aminosyror kan peptiden i stället vecklas ihop till ett stabilt, fungerande protein. Förutsatt att det har rätt aminosyrasekvens. Instruktionerna för vilka av de 20 aminosyrorna som ska kopplas ihop och i vilken ordning finns i våra gener. Eftersom olika aminosyrorna har olika egenskaper, vissa kan t.ex. vara hydrofoba medan andra kan vara hydrofila, får aminosyrorna stor påverkan på proteinets sätt att vecka ihop sig och på proteinets egenskaper. Proteiner spelar en mycket viktig roll för levande varelser. Det är vilka proteiner du har som avgör om du är en människa eller en groda. Proteiner styr ditt utseende och humör. Hur kan det komma sig? Svaret är att proteiner kan göra en massa olika saker i cellerna, och utför nästan alla aktiviteter som sker där. Det kan de göra på fyra olika sätt: • De kan binda till något annat och därigenom t.ex. transportera olika ämnen, fungera som signalämnen, fånga upp signalämnen eller reglera vilka gener som ska avläsas.
vattenmiljö
hydrofila aminosyror hydrofoba aminosyror
Utifrån 20 olika aminosyror kan en mängd olika proteiner bildas. Det som skiljer olika proteiner från varandra är vilka och hur många aminosyror de innehåller och i vilken ordning de är sammanlänkade. Antalet och placeringen av de hydrofoba respektive hydrofila aminosyrorna får stor betydelse för hur proteinet veckar ihop sig.
• De kan katalysera kemiska reaktioner, d.v.s. fungera som enzym och t.ex. bryta ner näring i kroppen. • De kan bygga upp trådar, nätverk och strukturer inne i celler, som ger celler deras form och tålighet. De kan även bygga nätverk mellan celler, som hjälper till att hålla olika grupper av celler på plats, ge skelettet sin hårdhet och senor deras styrka och böjlighet. • De kan skapa rörelse, t.ex. i muskler. Alla celler behöver transportproteiner i cellmembranet samt receptorer för att kunna ta upp eller avge olika ämnen och för att kunna kommunicera med sin omgivning. Även enzymer är nödvändiga för allt liv. Utan dessa katalysatorer skulle inte cellens kemiska reaktioner kunna utföras och regleras. Variationen mellan arter och individer beror till stor del på variation i proteininnehåll. Den enorma biologiska mångfald vi har på vår jord beror alltså på vilka olika proteiner som kan bildas i en viss organism. 1
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 11
celler
11
2012-07-10 13.43
Enzym Ett enzym är en biologisk katalysator, och består i de allra flesta fall av ett protein, en lång aminosyrekedja, som lindat ihop sig till en viss form. Som alla katalysatorer kan enzymer bara hjälpa reaktioner att ske som i grunden är energimässigt gynnsamma, de kan bara snabba på reaktionerna. Det gör dem genom att vid sin aktiva yta binda till de substrat, som är utgångsmaterial i reaktionen, men sedan binda ännu bättre till den övergångsform (transition state), som substratet formar på väg mot sin produkt. Därigenom hjälper enzymet substratet att förvandlas till denna övergångsform, varefter övergångsformen av sig själv omvandlas till produkten. Ofta är det frågan om att
substrat
enzymet hjälper bindningar att ändra sig mellan substratets olika atomer. Vid läkemedelsutveckling letar man ofta efter ämnen som stör olika enzymer genom att binda till dem, och därmed blockerar deras arbete. Man kallar sådana ämnen för inhibitorer. Det kan dels vara frågan om ämnen som tävlar med substratet om att binda till den aktiva ytan, men som sedan inte bryts ner utan sitter där och hindrar substratet från att komma på plats. Dels ämnen som binder en annan del av enzymet, och därmed förändrar dess form på ett sådant sätt att substratet inte längre kan fastna vid den aktiva ytan.
övergångsform
produkter
enzym
The induced-fit model Forskare har under lång tid studerat enzymers specificitet. Nobelpristagaren Emil Fischer presenterade på 1890-talet den s.k. Lock-and-Key-modellen. Enligt denna modell skulle strukturen hos substratet passa ihop med strukturen hos enzymets aktiva yta, som nyckeln i ett lås. Ungefär 60 år senare vidareutvecklade en annan forskare, Daniel Koshlan, denna modell till den som nu gäller ”The induced-fit model” (inducerad passform på svenska). Den bygger på det faktum att proteinmolekyler inte är statiska till sin form. Olika faktorer, t.ex. temperatur och pH-värde, kan påverka formen. Även substratets bindning till
12
1
enzymets aktiva yta får proteinet att ändra form, vilket gör att aktiva ytan sluter tätare runt substratet. På så sätt kommer de aminosyror som är verksamma i aktiva ytan närmare substratet och kan skapa bindningar (intermolekylära) som gör att enzymet kan utföra sin katalytiska funktion. Det är alltså inte frågan om en från början perfekt passform, utan det är mer flexibelt jämfört med ”lås-nyckel-modellen”. En enzymatisk reaktion kan därför förhindras när en molekyl som liknar substratet tävlar om platsen vid enzymets aktiva yta och konkurrerar ut substratet. Detta utnyttjar man bl.a. när man utvecklar läkemedel.
celler
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 12
2012-07-10 13.43
Nukleinsyra En cell behöver inte bara ett cellmembran, utan även molekyler som innehåller instruktioner för hur proteinerna i cellen ska se ut. Den första molekyl som kunde bära på dessa instruktioner tros ha varit RNA. Precis som DNA byggs RNA upp av nukleotider, och tre nukleotider kodar tillsammans för en aminosyra. Sedan tror man att den dubbelsträngade DNA-molekylen konkurrerade ut RNA-molekylen när det gällde att fungera som ärftlighetens molekyl. RNA har dock behållit många viktiga funktioner i celler, nämligen att bygga upp ribosomer och fungera som budbärare (mRNA) som beskriver vilka aminosyror som ska kopplas ihop vid ribosomen. Även de molekyler som levererar aminosyrorna till ribosomen (tRNA) är uppbyggda av RNA. Dessutom finns det små RNA-strängar som är inblandade i att reglera genuttryck d.v.s. som kan påverka om ett visst protein bildas eller inte. Mikro-RNA (miRNA) och små interfererande RNA-molekyler (siRNA) är inblandade i denna process, som kallas för RNA-interferens. Dessa små RNA-strängar kan binda till ett mRNA och se till att detta förstörs. Detta utnyttjas bl.a. till att stänga av produktionen av grupper av proteiner, som inte under några omständigheter får bildas i en viss celltyp. Dessutom kan mekanismen ge skydd mot inkräktande virus, vars RNA-molekyler helt enkelt förstörs.
cellkärna DNA
Ett bevis för vårt släktskap? Samma mutation i samma gen har lett till denna vita fläck i pannan på en mus och en människa.
protein mRNA lämnar cellkärnan via en kärnpor
mRNA
ribosom
transkription cytoplasma
C
translation
tRNA molekyler kopplade till aminosyror
När ett visst protein ska bildas i en eukaryot cell skrivs först den gen som kodar för detta protein av (transkriberas) till mRNA. Därefter lämnar mRNA molekylen cellkärnan och sätter sig samman med en ribosom ute i cytoplasman. Den information som mRNA molekylen bär på, d.v.s. vilka aminosyror som ska sättas samman och i vilken ordning, används sedan för att producera proteinet i fråga (translation).
1
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 13
celler
13
2012-07-10 13.43
Nukleotider och deras kompisar Utöver de fyra huvudgrupperna kolhydrater, lipider, proteiner och nukleinsyror finns det även några andra molekyler som har nyckelfunktioner i cellens liv. Nukleotider är inte bara det som bygger upp nukleinsyror, de har även andra viktiga funktioner i en cell. De fungerar som energibärare, de kan förmedla signaler, och de kan genom att förena sig med andra molekyler bilda s.k. koenzymer, molekyler som utan att vara proteiner är löst förenade med enzymer och behövs för att de ska fungera. ATP
Adenosintrifosfat (ATP) är den viktigaste energibärande molekylen i cellen och kan användas för att driva många energikrävande processer. ATP är en nukleotid som består av ett socker (ribos), en kvävebas (adenin) och tre fosfatgrupper. Innehåller molekylen två fosfatgrupper kallas den i stället för ADP (adenosindifosfat), och innehåller den endast en fosfatgrupp kallas den för AMP (adenosinmonofosfat).
P
P
P
adenosin trifosfat(ATP)
H2O + energi P När en ATP molekyl hydrolyseras avges en fosfatmolekyl samtidigt som energi frigörs.
14
1
+
P
P
oorganiskt fosfat adenosin difosfat (ADP)
celler
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 14
2012-07-10 13.43
Bindningen mellan den andra och den tredje fosfatmolekylen i en ATPmolekyl innehåller mycket energi och genom att lossa den tredje fosfatgruppen från molekylen frigörs energi, som kan användas där cellen behöver det just då. Genom att låta en ADP fånga upp energi från en reaktion där energi frigjorts och använda energin till att sätta på en tredje fosfatgrupp på sig själv, bildas återigen ATP och energin kan på så sätt lagras i denna molekyl. Det är dock lagring under mycket kort tid.
ATP syntes kräver energi ATP
Energi som frigjorts vid katabolism
ADP +
ATP hydrolys frigör energi H2O
P
Energi som kan användas i energikrävande processer
Den energi som frigörs vid nedbrytning av organiska molekyler i cellen används för att sätta på en fosfatgrupp på ADP så att ATP bildas. Denna energi kan sedan frigöras för att användas i energikrävande processer i cellen genom att ATP hydrolyseras till ADP. När en ATP-molekyl hydrolyseras avges en fosfatmolekyl samtidigt som energi frigörs.
Koenzymer
NADH och FADH2 är två molekyler som består av nukleotider med andra grupper fästade till sig. De fungerar som koenzymer, och deras funktion är att bära väte, eller snarare att bära elektroner, från de reaktioner där energi utvinns ur organiska molekyler till den s.k. elektrontransportkedjan som förklaras på sidan 40. I denna utnyttjas energin i vätebärarna till att producera ATP-molekyler. Ett annat koenzym som du kommer att träffa på senare i texten heter koenzym A (CoA). Även denna har en nukleotid som huvudbeståndsdel.
1
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 15
celler
15
2012-07-10 13.43
Att vara cell i en flercellig organism Människokroppen består av biljoner celler och kommunikationen mellan dessa celler är det som gör att vi kan tänka, springa och tala. Varje cell lever samtidigt sitt eget liv – den har sin egen ämnesomsättning, kan ta upp och avge ämnen och den kan också reagera på stimuli från omgivningen. För att förstå hur människokroppen (och andra djur) fungerar behöver man därför först lära sig hur celler fungerar, det område inom biologin som kallas för cellbiologi. Cellbiologi berör inte bara biologi, utan även kemi och fysik. De celler som bygger upp en människokropp innehåller 60–70 % vatten och badar dessutom i vatten – en utspädd saltlösning som finns utanför cellerna. Denna vätska kallas för vävnadsvätska eller extracellulär vätska och den tillförs från blodet genom att pressas ut från små, små blodkärl (kapillärer) nära cellerna och tas sedan upp igen till blodet, så att den hela tiden byts ut. Celler hos människor och många andra djur badar på så sätt i en lösning ur vilken de kan ta upp ämnen de behöver, samtidigt som de kan avge avfallsprodukter som tas upp i blodet och transporteras bort. Det är cellmembranet som styr vad cellen tar upp eller avger.
celler vävnadsvätska CO2 näringsämnen
plasma
avfallsprodukter
blodkapillär
O2 röda blodkroppar
Cellerna badar i den extracellulära vätskan. Ur denna kan de ta upp de ämnen de behöver och även avge avfallsprodukter. Blodkapillärer transporterar ämnen till och från den extracellulära vätskan.
16
1
celler
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 16
2012-07-10 13.43
Cellmembranets uppbyggnad och funktion Cellmembranet kallas också för plasmamembran och det har flera viktiga funktioner: avgränsning mot omvärlden, kontroll av in- och uttransport av ämnen, kommunikation mellan cell och omgivning samt bindning till närliggande celler. Cellmembranet är en av förutsättningarna för liv. Utan cellmembran ingen cell. Detta lipidrika skikt avgränsar cellen från omgivande miljö och gör det möjligt att skapa en miljö som skiljer sig från den omgivande miljön. Stora molekyler som enzymer och organeller hålls instängda och salthalt och pH-värde kan regleras i cellen. Eftersom cellmembranet har ett fettälskande och vattenhatande inre kan endast fettlösliga ämnen passera fritt genom membranet. Vattenlösliga ämnen kan däremot endast passera membranet med hjälp av speciella transportproteiner som finns utspridda bland fosfolipiderna. På så sätt kan cellen reglera vad som transporteras in i och ut ur cellen. Vissa proteiner i cellmembranet fungerar som receptorer och gör att cellen kan känna igen och reagera på olika kemiska substanser i miljön. Det gör att cellerna kan kommunicera med varandra. En molekyl som skickas ut av en cell kan binda till en receptor på en annan cell (i närheten eller långt bort) och på så sätt påverka den andra cellens aktivitet. Det finns också proteiner i cellmembranet som gör att celler kan fästa mer eller mindre hårt till varandra och bilda vävnader med olika funktion.
Cellmembranets uppbyggnad Cellmembranet är extremt tunt och man skulle behöva lägga minst 10 000 cellmembran ovanpå varandra för att nå tjockleken på en av sidorna i denna bok. Membranet består huvudsakligen av lipider, men innehåller även mängder av olika typer av proteiner. På lipider och proteiner sitter ofta kolhydrater fästade, och sticker ut från membranet på cellens utsida. Lipider i membranet
Grunden för cellmembranets uppbyggnad är det dubbla lagret av fosfolipider med fettsyrasvansarna riktade mot varandra och de hydrofila ”huvudena” pekande utåt, mot cellens inre och yttre miljö. Fosfolipiderna och de proteiner som är nedsänkta i membranet glider ständigt runt varandra i membranet. Snarare än att vara en fast hinna kan man därför tänka sig membranet som en slags tvådimensionell vätska, där beståndsdelarna flyter omkring. Det gör att cellmembranet kan ändra form och bilda membranblåsor som kan smälta samman 1
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 17
celler
17
2012-07-10 13.43
med andra membranblåsor eller med cellmembranet. Cellmembranet kan vara lättare eller mer trögt flytande vid en viss temperatur beroende på fettsyrornas karaktär. Består fosfolipiderna av veckade, omättade fettsyror hålls de flytande vid en lägre temperatur än om de består av raka, mättade fettsyror. Bindningar som håller ihop de olika fosfolipiderna med varandra består nämligen av de relativt svaga van der Waalskrafterna, som blir ännu svagare när fettsyrasvansarna är veckade (på grund av dubbelbindningarna) eftersom avståndet mellan molekylerna då blir större. Det är anledningen till att ishavsfisk har ovanligt mycket fleromättade fettsyror i sina cellmembraner. Det kalla vattnet skulle ju annars göra att cellmembranen stelnade och att de slutade fungera. Även längden på fettsyrekedjorna påverkar fryspunkten. Ju längre fettsyror, desto större yta för van der Waals-krafter att verka på och desto mer trögflytande cellmembran. Djurcellers cellmembran består förutom av fosfolipider även av kolesterol. Kolesterolet hjälper membranet att hålla sig lagom flytande. Proteiner i membranet
Proteinerna i cellmembranet kan antingen sträcka sig rakt genom hela membranet, eller vara nedsänkta i dess ena sida. I bägge fallen krävs att den yta som är nedsänkt i membranet är hydrofob. Sådana membranproteiner fyller en rad olika funktioner: • Transport av ämnen genom membranet • Enzymaktivitet • Fungera som receptorer • Koppla ihop en cell med andra celler, eller med de nätverk av proteiner utanför, som en cell ofta vilar i eller på (extracellulär matrix) • Förankra de proteinkedjor inne i cellen som bygger upp cellskelettet i membranet
transportproteiner
Modell över cellmembranet hos en djurcell.
18
1
receptor
markör
A
enzym
ihopkoppling
B
celler
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 18
2012-07-10 13.43
Det finns flera olika typer av transportproteiner i cellmembranet och de har olika funktioner. Vissa bildar kanaler i sig själva, där ämnen kan ta sig igenom, och kallas därför kanalproteiner. Andra ändrar form när den molekyl som ska transporteras binder till dem och kan på så sätt hjälpa molekylen genom membranet. Vissa kräver energi för att fungera, andra inte. Du får veta mer om dessa proteiner senare under avsnittet som handlar om transport över membran. En annan typ av proteiner som fi nns i cellmembranet är enzymer. Kemiska reaktioner mellan ämnen sker inte bara i cytoplasman utan även på in- och utsidan av cellmembranet. För att katalysera dessa reaktioner sitter enzymer insprängda bland fosfolipiderna. På utsidan av cellmembranet hos tunntarmsceller fi nns det t.ex. ett enzym som kan bryta ner dipeptider (två aminosyror som sitter ihop) till fria aminosyror, vilka därefter tas upp i cellen med hjälp av ett transportprotein. I cellmembranet finns även proteiner som fungerar som receptorer. Som tidigare nämndes fungerar receptorerna i cellmembranet som mottagare för olika typer av kemiska molekyler. En viss molekyl passar ungefär som nyckeln i ett lås till en viss receptor och detta kan leda till att olika aktiviteter i cellen låses upp. Vissa celler har t.ex. receptorer för Modell över cellmembranet hos en djurcell.
glykoprotein kolhydrat
fibrer i extracellulär matrix (ECM) glykolipid
cellens utsida fosfolipidskikt kolesterol
cellskelett cellens insida
transportproteiner
1
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 19
celler
19
2012-07-10 13.43
en eller flera olika neurotransmittorer i sitt membran och kan därför ta emot signaler från nervsystemet d.v.s. nervimpulser. De flesta celler har receptorer för olika hormoner och andra signalämnen, vilket gör att de kan anpassa sitt beteende efter en rad olika signaler från andra celler i kroppen. Det är stor skillnad på hur många receptorer och vilka typer av receptorer som finns på olika celltyper, och det avgör om och hur mycket cellerna påverkas av ett visst ämne. Proteiner har också en viktig roll när det gäller att stabilisera cellmembranet genom att fungera som ett sorts ankare dit proteintrådar som ger stöd åt cellen kan binda och kopplas ihop. Glykokalyx
En eukaryot cells yta är mer eller mindre täckt av ett kolhydratlager, en s.k. glykokalyx, genom att vissa lipider (glykolipider) och proteiner (glykoproteiner) i cellmembranet är kovalent bundna till sockerkedjor (se bilden av cellmembranet, s. 19). Dessa kedjor kan vara sammansatta på en mängd olika sätt – det kan jämföras med kläder hos olika yrkesgrupper (läkarrock, polisuniform etc.) – och på så sätt kan en cell ”förstå” vilken celltyp den har invid sig. Funktionen hos glykokalyx är att skydda cellen mot mekanisk och kemisk påverkan och den kan också utgöra ett sorts skydd mot ”oönskade” kontakter med attackerande celler. Eftersom kolhydraterna absorberar vatten ger detta cellen en slemmig yta vilket t.ex. gör det mycket lättare för vita blodkroppar att ta sig ut mellan öppningar som finns mellan cellerna som klär blodkapillärernas väggar, på jakt efter bakterier och andra ”inkräktare” i omgivande vävnad. Den glatta ytan på röda blodkroppar minskar risken att de fäster till varandra eller till blodkärlens väggar. Extracellulär matrix (ECM)
Djurceller saknar ju cellvägg, men utanför cellen finns ett skikt av glykoproteiner (proteiner med en sockergrupp) och andra kolhydrat-innehållande molekyler som utsöndras av cellen och som har flera funktioner. Det är en något otydlig gräns mellan det som räknas som glykokalyx och det som räknas som extracellulär matrix. Detta skikt finns alltså utanför cellerna – extracellulärt (se bild på cellmembranet s. 19). Hos vissa celler, t.ex. de som bygger upp senor och brosk, består en stor del av matrixen av kollagen och cellerna är utspridda i kollagenet likt russin i en kaka. Kollagenet binder till cellens yta med hjälp av speciella proteinmolekyler, som fäster till proteintrådar inuti cellen. Kollagen gör vävnaden elastisk så att den kan tänjas utan att cellerna går sönder. 20
1
celler
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 20
2012-07-10 13.43
Röda blodkroppar behåller sin platta form och får ökad hållfasthet genom sin extracellulära matrix. Denna består av proteintrådar (spektrin) som bildar ett stabiliserande nät ovanpå cellmembranet. Människor som har en mutation som gör att spektrin inte ser ut och fungerar som det ska blir anemiska (d.v.s. får blodbrist) eftersom blodkropparna blir mer sfäriska i sin form och lätt går sönder. Den extracellulära matrixen har också visat sig påverka cellers beteende genom att bilda geler med porer som fungerar som ett filter som reglerar vilka molekyler som kan nå cellmembranets yta. Det fungerar antingen genom att porerna binder tillväxtfaktorer och andra ämnen som kan fungera som signaler för cellen, eller genom att porerna blockerar eller underlättar molekylernas rörelse i gelen.
Djurcellens uppbyggnad Flercelliga organismer består av en mängd olika celltyper som är specialiserade på att utföra olika arbetsuppgifter. Det gör att celler inte bara har olika funktion, de kan även se väldigt olika ut. När djurcellen presenteras i läroböcker är det därför en generell bild som ges, d.v.s. bilden av en ”genomsnittlig” djurcell utan några speciella särdrag. Djurceller har ingen cellvägg, till skillnad från växtceller. I stället är det cellmembranet (samt vissa ämnen som utsöndras ur cellen) DJURCELL som utgör det enda skyddet mot omgivningen. cytoplasma Innanför cellmembranet finns en tjock vätska som kallas för cytocellmembran plasma. Cytoplasman består av en mängd ämnen som är lösER ta i vatten. I lösningen sker många av de kemiska reaktioner som äger rum ER med ribosomer i en cell. Cytoplasman ribosomer omger även olika typer av cellorganeller samt s.k. inklusionskroppar. golgiapparat De sistnämnda finns inte i alla celler och består av kemiska substanser som har med just den celltypen att göra. De flesta inklusionskroppar består av lagrad energi, t.ex. glykogen i leverceller och centrioler
DNA
kärnmembran kärna
vakuol
lysosom mitokondrie
1
cellvägg 01_Insikt Biologi 2_120710.indd 21
cellmembran
celler
21
VÄXTCELL 2012-07-10 13.43
fett i fettceller, eller cellprodukter som melanin (pigment) i hudceller eller slem i slemproducerande celler. Vilka är då de typiska cellorganellerna i en djurcell och vilken funktion har de?
Cellkärnan I cellkärnan befinner sig det allra mesta av cellens arvsmassa och den omges av ett dubbelt membran kallat kärnmembran. Kärnmembranet
Kärnmembranet omsluter en geléliknande vätska som kallas nukleoplasma och som innehåller ett nätverk av proteintrådar som ger stöd åt kärnan. Nukleoplasman innehåller även enzymer och nukleotider. På flera ställen kopplas kärnmembranet ihop med det endoplasmatiska nätverket, vilket beskrivs senare i kapitlet. Kärnmembranet innehåller ganska stora porer, kärnporer, vilka underlättar transport av ämnen genom membranet. Det är exempelvis genom dessa porer som en mRNA-molekyl kan ta sig ut för vidare transport till ribosomen där proteinsyntesen sker. DNA
Kärnmembranet omger cellens DNA, arvsmassan. I cellkärnan ligger DNAt lindat kring histonproteiner till trådar som är ungefär 30 nm tjocka, som med ojämna mellanrum är upphängda i proteiner på kärnmembranets insida. Därmed bildas loopar som hänger in i cellkärnan, där man ser att proteiner som regleras gemensamt och används i samma situationer ofta ligger på samma loop. Man talar om den blandning av DNA och proteiner som finns i cellkärnan som kromatin. Kromatinets struktur kan antingen vara mycket tätpackad, och då kommer generna där inte åt att användas. Eller så kan den vara lösare, och då kommer de enzymer fram och kan arbeta, som bildar budbärarRNA så att generna kan utnyttjas. Man talar då om löspackat kromatin. Som vi ska se spelar detta en viktig roll när celler specialiserar sig – de stänger då av olika regioner av sin arvsmassa som de fortsättningsvis inte kommer att behöva genom att göra kromatinet tätpackat. Vid celldelningen upphör cellkärnan att existera. Cellmembranet löses upp, och de olika loopar som kromatinet bildat förs ihop till kroppar, som är så stora att de är synliga i mikroskop. Bara i detta stadium kan man tydligt särskilja våra olika DNA-molekyler (kromosomer) från varandra med ett vanligt ljusmikroskop.
22
1
celler
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 22
2012-07-10 13.43
Nukleoler
När man studerar en eukaryot cell i elektronmikroskop ser man i kärnan ett eller flera mörkfärgade partier. Ett sådant mörkfärgat parti kalllas för en nukleol och bildas runt de regioner på DNA som kodar för ribosomalt RNA (rRNA). Själva nukleolen består till stor del av ribosomalt RNA, som bildats från rRNA-generna och väntar på att transporteras ut ur kärnan till cytoplasman via en kärnpor. I de celler som producerar stora mängder av proteiner syns nukleolerna extra tydligt eftersom dessa celler har ett stort behov av ribosomer. nukleol
cytoplasma
kromatin (kromosomer) ER med ribosomer ER ribosomer kärnmembran
Kärnmembranet omger nukleoplasman som innehåller kromatin och en eller flera nukleoler Kärnporerna underlättar transport av ämnen in och ut ur cellkärnan. . Kärnmembranet har även kontakt med det endoplasmatiska nätverket (ER).
Ribosomen Ribosomerna är platsen för proteinsyntesen. De består av två olika delar, s.k. subenheter, som i sin tur består av RNA-molekyler och proteiner. De två delarna cirkulerar fritt i cytoplasman. När de stöter på ett budbärar-RNA med instruktioner om vilka aminosyror som ska fogas ihop till ett protein fastnar först den ena (lilla) subenheten av ribosomen, sedan den andra. Proteinsyntesen kan nu starta med hjälp av tRNA, som levererar aminosyror och med ribosomens hjälp radar upp dem i rätt ordning längs budbärar-RNA. Om det protein som börjar tillverkas ska exporteras ut ur cellen, sitta i cellmembranet eller arbeta i cellens sopförbränninsganläggningar (lysosomer) kommer ribosomen sedan att fästas till ett stort membrannätverk inne i cellen som kallas endoplasmatiskt retikulum (ER). Man pratar då om ER-bundna ribosomer. Det protein som bildas vid sådana förs in i ER för vidare transport till sin slutdestination. Om proteinet ska befinna sig i cytoplasman eller andra organeller stannar ribosomen kvar i cytoplasman och proteinet bildas i stället där. Man talar då om fria ribosomer. I de fall proteinet
Ribosom Ribosomens två delar består av rRNA och proteiner. Här sker proteinsyntesen.
Endoplasmatisk nätverk
Lysosom
1
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 23
celler
23
2012-07-10 13.43
ska in i en annan organell kommer en kort bit av dess aminosyrakedja (precis i kedjans början) att fungera som ”adresslapp” och se till att proteinet lyfts in i rätt organell, varpå adresslappen klipps bort. Ribosom
Endoplasmatisk nätverk ER består av ett nätverk av membraner som har kontakt med cellkärnans membran. På RER finns även ribosomer och här syntetiseras de proteiner som ska paketeras in i membranblåsor för vidare transport.Lysosom
24
1
Endoplasmatiska nätverket (ER) Många organeller som finns i en eukaryot cell består av membraner och dessa är precis som cellmembranet uppbyggda av fosfolipider. En organell är det endoplasmatiska nätverket som förkortas ER (endoplasmatiskt retikulum). ER består av ett nätverk av membraner som har kontakt med cellkärnans membran. Du kan tänka dig ER som ett förgrenat kanalsystem med vätska inuti. I dessa kanaler kan proteiner transporteras från en del av cellen till en annan. Ungefär hälften av en cells totala membraninnehåll består av ER. ER kan delas upp i två olika former: ER utan ribosomer, s.k. slätt ER (SER = smooth endoplasmic reticulum) och ER med ribosomer, s.k. kornigt ER (RER = rough endoplasmic reticulum). I den del som saknar ribosomer kan ju ingen proteinsyntes ske men här sker i stället lipidmetabolism, d.v.s. syntes och nedbrytning av kolesterol och fett. De fosfolipider som bygger upp cellmembranet och andra membran i cellen bildas alltså i SER och kan fylla på membranen med ”byggmaterial”. När en cell ökar i storlek efter en celldelning måste det ju finnas fosfolipider och kolesterol till cellmembranet. Även steroidhormoner (som testosteron och östrogener) tillhör gruppen lipider, syntetiseras från kolesterol och bildas i SER. Testosteronproducerande celler i testikeln är därför till stor del fyllda med SER. SER tar även hand om giftiga substanser som avgiftas med hjälp av enzymer. I leverceller, som har hand om avgift ning, fi nns därför mycket SER, och personer som dricker stora mängder alkohol har extra mycket SER. SER har också speciella uppgifter i nerv- och muskelceller, där de är inblandade i jontransport. I det korniga endoplasmatiska nätverket (RER) syntetiseras de proteiner som ska exporteras och föras till cellmembran och lysosomer. Inne i ER veckar de snabbt ihop sig till rätt tredimensionell struktur. Många av dem förses därefter med kolhydrater och paketeras sedan i membranblåsor för att transporteras vidare till en annan organell, som heter golgiapparaten.
celler
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 24
2012-07-10 13.43
Golgiapparaten Även golgiapparaten består av membraner, ofta sex böjda, platta membranblåsor (cisterner). På den ena sidan av golgiapparaten anländer membranblåsor med de proteiner som bildats och paketerats i RER. Eftersom både membranblåsorna och golgiapparatens membran består av fosfolipider kan dessa smälta ihop med varandra (fosfolipiderna blandar sig med varandra) och proteinerna i blåsorna kommer då in i golgiapparaten. Här kan proteinerna modifieras (förändras) på olika sätt, t.ex. genom att sockermolekyler, fettsyror, metylgrupper eller fosfatgrupper fästs vid proteinet. Proteinet transporteras genom golgiapparatens säckar i membranblåsor för att slutligen knoppas av från den andra sidan. Hos alla celler bildas dels blåsor som vandrar till cellmembranet och förser detta med nytt byggmaterial och membranproteiner. Dels bildas lysosomer, membranbubblor som stannar i cellen och som innehåller enzymer för nedbrytning. I en del celler, som behöver kunna utsöndra stora mängder av ett visst protein mycket snabbt, bildas dessutom specialiserade s.k. sekretoriska membranblåsor, i vars inre proteinet ifråga packas tätt. Ett stort antal sådana membranblåsor kan sedan ligga nära cellmembranet och vänta på den signal som säger åt cellen att släppa ut innehållet i blåsorna i omgivningen.
cellmembran
ER med ribosomer (RER) ribosom
Lysom
Sekretorisk vesikel Membranblåsor med proteiner
Golgiapparat (cisterner)
Vesikel med byggmaterial till cellmembranet
Golgiapparatens funktion. Membranblåsor med proteiner anländer från RER till golgiapparaten. Proteinerna transporteras sedan i små membranbubblor från cistern till cistern. I andra änden på golgiapparaten knoppas sedan olika typer av vesiklar av; lysosomer, blåsor som transporterar byggmaterial till membranet, samt sekretoriska vesiklar.
1
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 25
celler
25
2012-07-10 13.43
Endoplasmatisk nätverk
Lysosomer
Lysosom Lysosomen består av en membranblåsa som innehåller enzymer som katalyserar nedbrytande reaktioner.
Lysosomer bildas alltså i golgiapparaten och består av en membranblåsa fylld med enzymer som katalyserar nedbrytning av stora molekyler (makromolekyler). Lysosomernas uppgift är också att hålla rent och att återvinna. Gamla, icke-fungerande cellorganeller, t.ex. mitokondrier, kan brytas ner genom att deras membran smälter ihop med lysosomens membran och på så sätt tas in i lysosomen. När den skrotade organellen brutits ner, transporteras avfallsprodukterna ut ur cellen (exocytos) medan användbara byggstenar släpps ut i cytoplasman för att återvinnas. De nedbrytande enzymerna fungerar bäst i det låga pH-värde som råder i en lysosom. Detta är en fördel om en lysosom skulle gå sönder och de nedbrytande enzymerna skulle läcka ut i cytoplasman: eft ersom pH-värdet är högre i cytoplasman fungerar enzymerna sämre där och kan inte bryta ner cellen och dess innehåll. När en cell skadats eller dött börjar dock enzymer från ett stort antal lysosomer läcka ut, vilket gör att cellen bryts ner trots att pH-värdet inte är optimalt för enzymernas aktivitet. Hur detta kan ske har man ännu inte lyckats finna svar på. Lysosomer spelar t.ex. en aktiv roll när muskelvävnad som inte längre används bryts ner. Det kan röra sig om allt från en kroppsbyggare som slutar styrketräna till en nyförlöst mamma vars livmoder (består till stor del av muskler) ska krympa ner till normal storlek efter förlossningen eller ett grodyngel som ska ”tappa” sin svans. Lysosomerna har också en viktig roll när det gäller försvaret mot bakterier och virus. Det finns vita blodkroppar som kan sluka bakterier genom att delar av cellmembranet omsluter bakterien eller viruset, och sluter in den i en membranblåsa, som förs in i blodkroppen. Membranblåsan smälter där ihop med lysosomer och bakterien bryts ner på samma sätt som gamla organeller.
Peroxisomen Peroxisomer är mindre än lysosomer och finns i alla eukaryota celler. De är små membranbubblor som innehåller de enzymer, som behövs för att bryta ner och utvinna energi ur fettsyror. Vid denna reaktion bildas det starkt oxiderande ämnet väteperoxid, som sedan oskadliggörs av enzymet katalas. Man tror att peroxisomerna fi nns till för att stänga in denna process tillsammans med katalas, så att väteperoxiden inte stör resten av cellen. Extra många peroxisomer finns i de celler, t.ex. fettceller, som ofta bryter ner fetter. Även om peroxisomer ser ut som små lysosomer bildas de inte i golgiapparaten. De bildas i stället genom avknoppning från de peroxisomer som redan finns. 26
1
celler
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 26
2012-07-10 13.43
Mitokondrien Mitokondrien är en organell som ofta avbildas som en ubåtsliknande struktur, men mitokondrier kan vara alltifrån korta och tjocka till långa och smala. Som du kanske kommer ihåg från Biologi 1 kursen säger endosymbiosteorin att mitokondrien är en f.d. bakterie som slukades av, och började leva i symbios med, föregångaren till den eukaryota cellen. Ett tecken på att teorin kan vara riktig är att mitokondrien inte bara har ett membran utan två. Det inre membranet har enligt endosymbiosteorin sitt ursprung i bakteriens cellmembran och det yttre membranet kommer från cellmembranet hos den cell som slukade bakterien. Det inre membranet är starkt veckat vilket ger en stor tillgänglig yta för alla de membranförankrade enzymer som behövs i den s.k. elektrontransportkedjan – som ger oss de livsnödvändiga, energibärande ATP-molekylerna (se s. 14). Även den vattenlösning som utgör mitokondriens inre (matrix) innehåller enzymer som behövs för att utvinna energi ur födan vi tar in. Ytterligare bevis för endosymbiosteori är att mitokondrien har sitt eget DNA och innehåller ribosomer av samma typ som de man hittar hos bakterier. DNA-molekylen är också ringformad precis som hos bakterier. Under de energiutvinnande processerna i mitokondrien avgår mycket energi som spillvärme, men en del energi fångDNA as in och används för att bilda ATP-molekyler. Mitokondrien beskrivs därför ofta som cellens kraftverk. De flesta ATP-molekyler bildas just här och används för att driva alla energikrävande processer i cellen. De celler som har högt energibehov, t.ex. muskelceller, har därför extra många mitokondrier.
Mitokondrien består av ett yttre och inre membran. Det inre membranet är starkt veckat vilket ger stort utrymme för de enzymer och övriga proteiner som ingår i elektrontransportkedjan.
ribosomer
yttre membran inre membran
Cellskelettet Cellens organeller flyter inte fritt i cytoplasman. I elektronmikroskop kan man se att organellerna är kopplade till ett nätverk av proteintrådar som kallas cellskelett. Som du säkert förstår innehåller inte celler det vi vanligen menar när vi säger skelett. Cellskelettet består i stället av mycket tunna proteintrådar, men dessa kan liksom vårt skelett och våra muskler ge cellen såväl stöd och form som rörelseförmåga. Cellskelettet har en rad olika funktioner t.ex. cellrörelse, celldelning, transport i cellen, mekaniskt stöd för cellen, arrangemang av organeller i cellen. Cellskelettet består av tre olika typer av trådar, mikrotubuli, intermediära filament och mikrofilament. Både mikrotubuli och mikrofilament kan kopplas till motorproteiner på organeller och vesiklar som på så sätt kan transporteras längs trådarna.
Med hjälp av fluorescensmikroskopi kan man se aktinfilament (röda) i dessa celler (cellkärnor i blått). 1
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 27
celler
27
2012-07-10 13.43
Mikrotubili Mikrotubuli har den största diametern (25 nm) av cellskelettets tre typer av trådar, och de består av proteinmolekyler (tubulin) som sitter ihop två och två. Dessa formar i sin tur en ihålig tubliknande proteintråd. Genom att sätta till och ta bort tubulinmolekylerna kan mikrotubuli förlängas och förkortas. På så sätt kan dessa proteintrådar användas för att förflytta organeller i cellen, t.ex. transport av sekretoriska membranblåsor från golgiapparaten till cellmembranet. Du kanske också kommer ihåg från Biologi 1 kursen att mikrotubuli bygger upp de trådar, som under mitos och meios drar kromosomerna till varsin ände av cellen. Det som händer under denna process är att mikrotubuli hela tiden förkortas (tubulinmolekyler tas bort) och på så sätt förs DNA-molekylerna mot de två polerna i cellen. Hos djurceller utgår bildandet av mikrotubuli vid mitos och meios från en centriol och den del av cytoplasman som omger en centriol kallas för centrosom. Även centriolen består av mikrotubuli. Det finns två centrioler i varje djurcell och inför en celldelning vandrar de till motsatt pol av cellen. Växtoch svampceller verkar däremot klara sig bra utan denna organell. De mikrotubulitrådar som bygger upp den s.k. kärnspolen och fäster till kromosomerna bildas utan närvaro av centrioler hos dessa celler. Mikrotubuli kan även fungera vid transport av organeller, med hjälp av motorproteiner som drivs av ATP. Mikrotubuli fungerar då som en järnvägsräls där järnvägsvagnar (organeller) drivs fram av ett lok (motorproteinet). Vissa celler har cilier eller flageller som är utskott från cellen och som ger upphov till rörelse. Hos eukaryota varelser består dessa av mikrotubuli. Spermien har en flagell som den simmar med. Flagellen har en undulerande rörelse, d.v.s. den får spermien att röra sig i samma riktning som flagellens axel. Cilier som sticker ut från celler på insidan av luftstrupens och äggledarnas väggar rör sig däremot framåt (med stor kraft) och bakåt (med mindre kraft) vinkelrätt mot axeln. På så sätt kan partiklar viftas upp i luftstrupen mot svalget och ägget kan drivas framåt i äggledaren. Slutligen fyller också mikrotubuli en funktion när det gäller att ge cellen stöd och form.
28
1
celler
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 28
2012-07-10 13.43
Intermediära filament Intermediära filament har en diameter på ca 10 nm. Diameterns storlek är mellan den hos mikrotubuli och den hos mikrofilament, därav namnet. Till skillnad från mikrotubuli och mikrofilament kan diametern hos intermediära filament skilja sig åt mellan olika eukaryota celler. Intermediära filament består av mycket långa s.k. fiberproteiner, som är lindade kring varandra på ett sätt som påminner om trådarna i ett rep. Detta ger hög hållfasthet och intermediära filament kan bl.a. användas för att fästa celler till varandra. Vissa intermediära filament, t.ex. keratin, ger stadga och skydd. Det yttersta lagret av huden består av döda hudceller fyllda med keratin. Intermediära filament kan också fungera som ett slags ankare och håller organeller på plats i cellen och hjälper cellen att behålla en viss form.
Mikrofilament Mikrofilament är de tunnaste av de trådar som ingår i cellskelettet och har en diameter på ca 7 nm. Mikrofilament består oftast av proteinet aktin och har flera olika funktioner. De kan fungera som ett slags ankare och hålla vissa typer av transportproteiner på plats i cellmembranet. De kan påverka konsistensen på cytoplasman (många mikrofilament = trögflytande cytoplasma). Dessutom kan de skapa rörelse. Genom att nybilda aktinfibrer i en cells ena ytterkant, som knuffar membranet utåt, samtidigt som fibrerna bryts ner i cellens andra ände kan cellen förflytta sig. Dessutom spelar aktin en viktig roll vid muskelrörelse, genom att bygga upp fibrer som andra proteiner (kallade myosin) tar spjärn mot och drar fram och tillbaka, då de böjer sig. Mikrofilament kan även hjälpa till att ge celler dess form. Tunntarmcellernas utskott, mikrovilli, får stadga eftersom de innehåller mikrofilament. mikrotubili
intermediära filament
25 nm
tubulin dimer
mikrofilament
8–12 nm keratinmolekyler som tvinnats samman
7 nm aktin
1
01_Insikt Biologi 2_120710.indd 29
celler
29
2012-07-10 13.43
INSIKT Biologi 2
Lena Brynhildsen • Henrik Brändén INSIKT Biologi är ett läromedel anpassat till Gy2011. Läromedlet ger eleven förståelse för biologiska samband, visar spännande inblickar i nya upptäckter och betonar vikten av hållbar utveckling. Till läroboken INSIKT Biologi 2 finns en lärarhandledning innehållande bl.a. laborationsförslag, bedömningsstöd samt övningsmaterial för eleverna. INSIKT Biologi 2 finns även som digitalt läromedel.
ISBN 978-91-27-40959-0
För mer information om INSIKT Biologi, se www.nok.se/laromedel 9 789127 409590
Insikt Biologi 2 Omslag CS5_5.indd 1
Biologi 2 2012-07-06 16.52