9789144072340 by Smakprov Media AB

Charlotte Erlanson-Albertsson | Cellbiologi

Charlotte Erlanson-Albertsson är professor i medicinsk och fysiologisk kemi vid Lunds universitet. Hon har under flera år varit ansvarig för kursen i cellbiologi vid läkarutbildningen, gett kurser i samma ämne för biomedicinska analytiker samt deltagit i undervisningen för blivande tandläkare och sjuksköterskor. Hennes forskning handlar om energiomsättningen i kroppen med fokus på balansen mellan energiintag och energiförbrukning.

Cellbiologi Denna bok är en starkt komprimerad lärobok i cellbiologi. Bokens syfte är att, utan för mycket detaljer, skapa en förståelse för cellens uppbyggnad och funktion. En viktig ambition är också att förankra cellbiologin i vardagsmedicinen, med återkommande exempel på hur en felaktig molekyl kan ge en felaktig funktion som återspeglas i synliga symtom hos patienten. Samtliga kapitel avslutas med kortfattade kapitelsammanfattningar. För att åskådliggöra cellens egenskaper i relation till de molekyler och strukturer som bygger upp den, innehåller boken rikligt med illustrationer.

Cellbiologi

Cellbiologi vänder sig till studenter inom biovetenskapliga och biomedicinska utbildningar, dvs. läkare, sjuksköterskor, tandläkare och farmacevter inom grundutbildning eller påbyggnadsutbildning. Boken lämpar sig också för studier av allmän cellbiologi.

Art.nr 35586

Charlotte Erlanson-Albertsson www.studentlitteratur.se

978-91-44-07234-0_01_over.indd 1

2013-02-05 11.00

Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares begränsade rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt Bonus Presskopias skolkopieringsavtal, är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsa nordnarens huvudman eller Bonus Presskopia. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare. Denna trycksak är miljöanpassad, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 35586 ISBN 978-91-44-07234-0 Upplaga 1:1 © Författaren och Studentlitteratur 2013 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Omslagslayout: Jens Martin/Signalera Omslagsbild: Niklas Hofvander Illustrationer: Niklas Hofvander Kemiska strukturer: Ulf Ellervik Printed by Pozkal, Poland 2013

978-91-44-07234-0_01_book.indd 2

2013-01-24 13:21

Innehåll

Förord 7 K apitel 1

Cellens uppbyggnad 9

Prokaryota celler 10 Eukaryota celler 10 K apitel 2

Cellens molekyler 13

Kolhydrater 13 Fetter 16 Fettsyror 16 Triacylglycerol 17 Fosfolipider 17 Steroider 17 Aminosyror 17 Proteiner 18 Nukleotider 18 ATP (adenosintrifosfat) 19 Nukleinsyror 21 Enzymer 21 K apitel 3

Plasmamembran 23

Uppbyggnad 23 Fosfolipider 24 Kolesterol 24 Proteiner 24 Membrantransport 25

978-91-44-07234-0_01_book.indd 3

2013-01-24 13:21

Innehåll

K apitel 4

Kärnan 29

Struktur 29 Funktion 30 DNA-replikation 30 DNA-transkription 32 Bildning av mRNA 34 Uttransport av mRNA 35 K apitel 5

Cytoplasman 37

Proteinsyntes 37 Initiering 38 Elongering 38 Avslutning 38 K apitel 6

Lysosom och proteaosom 41

Lysosomen 41 Proteaosom 43 K apitel 7

Mitokondrien 45

Struktur 45 Funktion 45 Elektrontransport 46 Syntes av ATP 48 Urkoppling 50 Fria syreradikaler 51 Evolution av energi 51 K apitel 8

Kloroplaster 53

Struktur 53 Funktion 54 Elektrontransport med hjälp av solljusenergi 54 Bildning av organiska molekyler genom fixering av koldioxid 55 K apitel 9

Peroxisomen 59

Struktur 59 Funktion 60

978-91-44-07234-0_01_book.indd 4

2013-01-24 13:21

Innehåll

K apitel 10

Cellens energibildning 61

Energiutvinning 62 Glykolysen 63 Fettsyraförbränningen 65 Oxidation av aminosyror 67 Citronsyracykeln 69 Lagring av energi 71 Glykogen 71 Fett 72 Biosyntes av andra molekyler 74 K apitel 11

Cellens sortering: det endoplasmatiska retiklet och Golgi-apparaten 77

Det endoplasmatiska retiklet (ER) 78 Struktur 78 Funktion 78 Golgi-apparaten 80 Struktur 80 Funktion 81 Transport till kärnan, mitokondrien, kloroplasten och peroxisomen 83 K apitel 12

Cellens signalering 85

Signalmolekyler 85 Receptorer 86 G-proteinkopplade receptorer 86 Second messengers 87 Cykliskt AMP 87 IP3 och DAG 88 Ca 2+ 89 Cykliskt GMP 90 Kvävemonoxid 90 Katalytiska receptorer 90 Tyrosinkinas-receptorn 90 Fosfatidyl-inositol-3-kinas 91 Ras 91 Enzymbundna receptorer 93 Jonkanal-kopplade receptorer 93 Intracellulära receptorer 93 Cross-talk 95 © F ö r fat ta r e n o c h S t u d e n t l i t t e r at u r

978-91-44-07234-0_01_book.indd 5

2013-01-24 13:21

Innehåll

K apitel 13

Cellens delning 97

Cellcykeln 97 Checkpoints 98 Kontroll av cellcykeln 98 Suppressorgener 99 Apoptos 100 Yttre faktorer 100 Mitos 100 K apitel 14

Cytoskelettet och extracellulärmatrix 105

Cytoskelettet 105 Mikrotubuli 105 Intermediärfilament 106 Mikrofilament 107 Cell-cell-adhesion 107 Tight junctions 108 Adherens junctions 109 Desmosomer 109 Gap junctions 109 Hemidesmosomer 109 Basalmembran 109 Extracellulärmatrix 110 Kollagen 110 Polysackarider 111 Integriner 112

Sakregister 115

978-91-44-07234-0_01_book.indd 6

2013-01-24 13:21

Förord

Cellen är den minsta beståndsdelen i levande organismer. Den har uppkommit genom delning allt sedan tidens begynnelse. Samtidigt finns det mekanismer som antyder en anpassning. Cellen är alltså en fascinerande konstruktion och därtill mycket komplex. I följande bok har ambitionen varit att förenkla beskrivningen av cellen och ändå framställa den i sin komplexitet. Texten är därför starkt komprimerad. Det finns rikligt med bilder, som förhoppningsvis ska underlätta lärandet. Boken är avsedd för vårdrelaterade utbildningar, både på grundnivå och på vidareutbildningar. Den fungerar även som en kortfattad lärobok för utbildning av läkare och tandläkare, liksom för biologer. Texten är på svenska och ambitionen är att använda de svenska termerna i så hög utsträckning som möjligt. För en del termer används den engelska termen, vilket är en eftergift. Jag hoppas att den tilltänkte studenten har användning för boken och blir fascinerad av cellen i all sin finurlighet. Jag vill varmt tacka mina medarbetare, Alexandra Ellervik, förläggare, som stimulerat och drivit på hela projektet med all sin kunnighet både inom cellbiologi och lärobokstänkande, Niklas Hofvander, tecknare, som tecknat de oerhört vackra och tydliga bilderna av en cell, samt Ulf Ellervik, professor i kemi, som tecknat de kemiska strukturerna. Lund den 1 november 2012 Charlotte Erlanson-Albertsson

978-91-44-07234-0_01_book.indd 7

2013-01-24 13:21

978-91-44-07234-0_01_book.indd 8

2013-01-24 13:21

Kapitel 3

Plasmamembran

Plasmamembranen omger alla celler. Dess funktion är att skydda cellen, reglera in- och uttransport av ämnen, reglera cellens immunförsvar samt kommunicera med omgivningen.

Uppbyggnad Plasmamembranen är uppbyggd av fosfolipider, kolesterol och proteiner (figur 3a). Fosfolipider bildar ett dubbelskikt, vilket är grunden för membranstrukturen. Spontant bildas en vesikel kallad liposom. Förmågan att bilda liposomer beror på att fosfolipider är amfifila, dvs. att de har en hydrofob del och en hydrofil del. De hydrofoba delarna orienterar sig mot varandra, medan de hydrofila delarna orienterar sig från varandra och mot en vattenyta. Vatten styr strukturen hos fosfolipidmolekylerna genom sin hydrofoba effekt. Orienteringen av lipidmolekylerna sker på ett sätt som sparar energi. En liposom existerar bara i en vattenlösning. Kolhydrater

Fosfolipider

Dubbelskikt Proteiner Hydrofil Hydrofob

Kolesterol

Figur 3a Plasmamembranen består av fosfolipider som bildar ett dubbelskikt genom sin geometriska struktur med hydrofila grupper mot ytan och hydrofoba fettsyrakedjor mot insidan. I plasmamembranen finns proteiner, som antingen går igenom membranen eller sitter som ytproteiner. Kolhydrater befinner sig på utsidan och är ofta igenkänningsmolekyler för cellen. Kolesterol sitter mellan fosfolipiderna och tätar plasmamembranen.

978-91-44-07234-0_01_book.indd 23

2013-01-24 13:21

Kapitel 3 Plasmamembran

Fosfolipider Fosfolipider är uppbyggda av fettsyror (figur 3a). Sammansättningen av fettsyrorna bestämmer konsistensen hos plasmamembranen, det som kallas fluiditet. Fleromättade fettsyror ger en mer flytande konsistens, dvs. gör att molekyler i plasmamembranen lättare tar sig fram. Plasmamembraner har därför en hög andel fleromättade fettsyror jämfört med fett i fettväven. Plasmamembraner från olika djur har en relativt konstant sammansättning. Renframställt fett är lagringsfett och ofta mera mättat än det som finns i plasmamembraner. Fettet i plasmamembraner anses vara nyttigare då det motverkar hjärt-kärlsjukdomar. Plasmamembraner finns i cellrik vävnad, t.ex. i grönsaker och kött.

Kolesterol Kolester finns i alla plasmamembraner, där dess uppgift är att stabilisera och täta membranet (figur 3a). Kolesterol är en steroid, som har en mycket låg löslighet i vatten. Växtceller har en annan steroidmolekyl, kallad sitosterol, med motsvarande funktion. Celler som saknar kolesterol spricker lätt. Det mesta kolesterolet i människokroppen syntetiseras (5–10 gram), medan en mindre mängd (500 mg) tillförs via födan. En kost med låg halt av kolesterol leder till en ökad endogen syntes, vilket gör det svårt att via födan reglera kolesterolnivån i blodet. Kolesterol är olösligt och transporteras därför i kroppen bundet till lipoproteinpartiklar, kallade det goda respektive det dåliga kolesterolet. Det goda kolesterolet (HDL) för kolesterolet från perifer vävnad till levern, medan det dåliga kolesterolet (LDL) för kolesterolet från levern till perifer vävnad. Syntesen av kolesterol sker framför allt i levern, men även i tarmen.

Proteiner Proteiner i plasmamembranen är av två typer, perifera och interna eller transmembranära (figur 3a). De perifera proteinerna är lösliga i vatten och sitter förankrade till plasmamembranen via svaga bindningar. De går lätt att extrahera från plasmamembranen. Sådana proteiner har uppgiften att markera cellens tillhörighet. De interna eller transmembranära proteinerna är en större grupp. Dessa proteiner sitter förankrade i plasmamembranen via hydrofoba bindningar. De är svåra att extrahera från plasmamembranen med vattenlösningar. Istället måste detergenter användas. Dessa proteiner är receptorer för olika hormoner, kanalproteiner för transport av ämnen över plasmamembranen samt adhesionsproteiner, som har till uppgift att förankra cellen till sin omgivning (figur 3b).

978-91-44-07234-0_01_book.indd 24

2013-01-24 13:21

Kapitel 3 Plasmamembran

Receptorer

Transportproteiner

Adhesionsproteiner

Cytosol

Figur 3b De transmembranära proteinerna har flera olika uppgifter. En uppgift är att fungera som receptorer för hormon, där receptorn förmedlar ett intracellulärt svar. En annan uppgift är som transportprotein för passage ut och in genom cellen av olika molekyler. En tredje uppgift är att fungera som adhesionsproteiner, vilka förankrar cellen till sin omgivning.

Plasmamembranen reglerar upptaget av ämnen in i cellen samt utgör sätet för cellsignalering och celladhesion.

Membrantransport Membraners hydrofoba miljö skapar en barriär som skyddar mot att polära och laddade molekyler passerar membranen. Små hydrofoba molekyler, som syre och koldioxid, passerar plasmamembranen utan svårighet (figur 3c).

Hydrofoba molekyler

O2 CO2

Polära små

H2O Urea

Polära större

Glukos

Laddade

H+, Na+ K+, Ca2+

Figur 3c Passage av ämnen genom plasmamembranen. Hydrofoba och vissa små polära molekyler passerar plasmamembranen, medan större polära och alla laddade molekyler behöver särskilda bärarproteiner.

978-91-44-07234-0_01_book.indd 25

2013-01-24 13:21

Kapitel 3 Plasmamembran

Oladdade små molekyler som urea, glycerol och etanol passerar också plasmamembranen. De sprider sig till kroppens alla celler. Det är därför som etanol snabbt sprids i kroppen efter konsumtion. Polära större molekyler, som glukos, behöver transportörer för att kunna passera genom plasmamembranen, liksom aminosyror och nukleotider (figur 3c). Detsamma gäller positivt eller negativt laddade molekyler eller joner, som Na+, K+, Ca 2+ och Mg2+. Förutom särskilda transportörer behöver dessa laddade molekyler energi för att ta sig igenom plasmamembranen. Man talar om aktiv transport (figur 3d). Det finns två typer av transportproteiner, bärarproteiner och kanalproteiner (figur 3d). Bärarproteiner känner igen en specifik ligand på den ena sidan av membranen, ändrar sin konformation och släpper ut liganden på den andra sidan. Kanalproteiner bildar kanaler tvärs igenom plasmamembranen, som öppnas eller stängs. Transporten genom kanalproteiner går mycket fortare än den som förmedlas av bärarproteiner (figur 3d). Den drivande kraften för en transport beror på flera olika faktorer. Finns det en koncentrationsskillnad så vandrar liganden över membranet, drivet av denna skillnad i koncentration. Man talar om passiv diffusion (figur 3d). Detta sker t.ex. i leverceller i samband med en måltid när glukoskoncentrationen är hög i blodet. Ibland måste en transport ske mot en koncentrationsskillnad. Under dessa betingelser krävs extra energi. Denna energi fås från kopplade transporter eller från ATP. Man talar om en aktiv transport (figur 3d). När glukos absorberas i tarmcellen efter en måltid sker detta med hjälp av en kopplad transport med Na+. Man talar om en Na/glukos-symport (figur 3d).

Molekyler

Kanalprotein

Bärarprotein Energi

Plasmamembran Cytosol

Passiv diffusion

Passiv transport

Aktiv transport

Uniport Symport Antiport

Figur 3d Transport genom plasmamembranen sker genom passiv eller aktiv transport. Passiv transport använder sig av kanalproteiner eller bärarproteiner, medan aktiv transport endast sker med hjälp av bärarproteiner och kräver energi. Transporten av en molekyl kallas uniport, medan transporten av två molekyler i samma riktning benämns symport och i motsatt riktning antiport. © F ö r fat ta r e n o c h S t u d e n t l i t t e r at u r

978-91-44-07234-0_01_book.indd 26

2013-01-24 13:21

Kapitel 3 Plasmamembran

När K+-joner pumpas in i cellen, som redan har en hög K+-koncentration sker detta med hjälp av ATP. Samtidigt pumpas Na+ ut ur cellen i en s.k. Na/K-symport (figur 3d). När lysosomen pumpar vätejoner in i organellen sker detta mot en koncentrationsgradient, varför ATP måste användas. Detta är exempel på en uniport (figur 3d). Vatten passerar genom plasmamembranet via särskilda vattenkanaler, s.k. akvaporiner. De hjälper till att upprätthålla ett jämnt tryck i cellerna och är inblandade i en rad fysiologiska processer. De finns i röda blodkroppar, salivkörtlar, hjärnan samt i njurar. En rad sjukdomar beror på en bristande funktion hos akvaporiner. En sådan är diabetes insipidus som leder till dygns urinmängder på upp till 20 liter, beroende på att vattnet inte reabsorberas i njuren. Då finns det för få akvaporiner. Växter använder akvaporiner för att ta upp vatten genom rötterna och förse växten med vatten. Sammanfat tning: Plasmamembran

• Plasmamembranen omger cellen och reglerar passage in i och ut ur cellen. • Består av fosfolipider, kolesterol och protein. • Fosfolipider förmedlar fluiditet och kolesterol stabilitet. • Proteiner har specifika funktioner som receptorer, transportproteiner eller adhesionsprotiener. • Plasmamembranen styr cellens funktion och är därför ofta säte för läkemedel.

978-91-44-07234-0_01_book.indd 27

2013-01-24 13:21

Charlotte Erlanson-Albertsson | Cellbiologi

Cellbiologi

Art.nr 35586

Charlotte Erlanson-Albertsson www.studentlitteratur.se

978-91-44-07234-0_01_over.indd 1

2013-02-05 11.00