Den eukaryote cellen I. Prokaryote celler

Transkript

1 Medisin stadium 1A Geir Slupphaug, IKM Celler finnes i utallige varianter Den eukaryote cellen I Prokaryote celler deles inn i archaebakterier og eubakterier. De er relativt små (1-5 μm) og har en enkel oppbygning: Cellevegg Plasmamembran Celleinnholdet inneholder ikke membranavgrensede organeller Genomene (DNAet) er små og ligger åpent organisert i form av en nukleoid. Denne inneholder gener Prokaryote celler Tarmbakterien Eschericia coli Basert på undersøkelser av gen- og proteinsekvenser, har en funnet ut at de levende organismene en finner i dag, har et felles opphav, og at de første primitive eukaryote celler oppsto for ca 2.7 milliarder år siden 1

2 Hvordan oppsto eukaryote celler? De fleste eukaryote celler er ca 1000 x større (i volum) enn prokaryote celler (lengde: μm). I tillegg inneholder de: Et cytoskjelett - et nettverk av proteinfilamenter som gir mekanisk styrke, sørger for bevegelse, og tjener som transportbånd En cellekjerne som inneholder det genetiske materialet (DNAet), og som er omsluttet av en membran. Dette genomet er mye større enn hos prokaryoter og består av mange, lineære DNA-molekyler En rekke organeller, som f. eks. mitokondrier ( energifabrikker ) Animalske celler har, i motsetning til de fleste prokaryoter og planteceller, ikke en egen cellevegg. De kan derfor endre formen sin og omslutte andre celler og partikler, og ta disse opp ved såkalt fagocytose En tror derfor at primitive forgjengere til eukaryote celler kan ha tatt opp ulike bakterier, og inngått i symbiose med disse. Over tid har bakteriene blitt omdannet til ulike cellulære organeller Fagocytose av bakterien E. coli av en makrofag (eukaryot etecelle ). Bilde tatt ved scanning-elektronmikroskopi (SEM) Samme vist i større forstørrelse ved transmisjonselektronmikroskopi (TEM) Denne såkalte endosymbiont-teorien støttes av at: Mitokondrier har omtrent samme størrelse som bakterier Mitokondrier har sitt eget arvemateriale (DNA) Mitokondrier har en egen type ribosomer (proteinfabrikker) En tror derfor at mitokondrier har oppstått ved opptak av frittlevende oksygenmetaboliserende (aerobe) bakterier Tilsvarende tror en at plantenes kloroplaster har oppstått ved opptak av fotosyntetiserende bakterier (cyanobakterier) En har også funnet at gjennom evolusjonen, har mye av det opprinnelige arvematerialet i mitokondriene (og kloroplastene) blitt flyttet over til cellekjernen. Diameter: Prokaryoter <1-10 μm Eukaryoter μm Cellens byggesteiner ph 7.4 Makromolekyler: 22% proteiner, nukleinsyrer og polysakkarider Uorganiske ioner: Småmolekyler: Na + K + Mg 2+ Ca 2+ Cl mm 140 mm 30 mm 1-2 mm 4 mm 70% vann 3% monosakkarider 2% lipider 0.4% aminosyrer 0.4% nukleotider 2

3 Cellens hovedstrukturer og -funksjoner Animalsk celle Plasma membran Cellekjernen Organeller Lipider proteiner Kjernemembran Nukleoplasma Nukleolus ER Golgi Lysosomer Peroksysomer Mitokondrier Omslutter cellen Regulerer transport inn/ut Kontrollsentral Inneholder den genetiske informasjonen Syntese, transport, modifikasjon Modifikasjon, sortering Nedbrytning Fettomsetning mm. Energifabrikker I II Cytoplasma Cytosol Cytoskjelettet Ribosomer Molekyler Mekanisk struktur, bevegelse Proteinsyntese Div. metabolske reaksjoner Plasmamembranen Fettsyrer Fosfolipid-bilaget gjør plasmamembranen til en viskøs hinne med en hydrofob kjerne, og to hydrofile overflater Plasmamembranen er hovedsakelig bygd opp av fosfolipider. Dette er fettstoffer bygd opp fra glyserol, ved at to fettsyrehaler og en fosfatgruppe har bundet til glyserolmolekylet Triglyserider (triacyl-glyseroler) I membranen finnes det i tillegg en rekke proteiner, samt kolesterol og glykolipider De øvrige membranene i cellen har omtrent samme grunnoppbygning som plasmamembranen, selv om sammensetningen av fosfolipider, proteiner etc. kan variere. Dette gir fosfolipidmolekylet en polar (hydrofil=vannelskende) og en upolar (hydrofob=vannavstøtende) ende Små, upolare molekyler kan diffundere rett gjennom membranen, mens små, polare molekyler og makromolekyler (proteiner og RNA) må passere gjennom porer i membranen Fosfolipider Fosfolipid-bilaget 3

4 Cellekjernen (nucleus( nucleus) Cellekjernen innholder størstedelen av cellens genom (arvematerialet, DNA). Den er cellens kontrollsentral, og er omgitt av en kjernemembran, og kjerneinnholdet kalles nukleoplasma Celler har ulik genomstørrelse Prokaryoter og lavere eukaryoter har ofte et lite DNA-innhold (små genom), mens høyere eukaryoter har genom som kan være flere tusen ganger større Illustration by David S. Goodsell Kjernemembranen SEM-bilde av porene i kjernemembranen. Kjernemembranen inneholder slike porer Kjernemembranen tjener som en barriere for å skille nukleoplasma fra cytoplasma. Den støttes opp av et underliggende fibernettverk som kalles den nukleære lamina Selve membranen består av to lipiddobbeltlag, og det ytterste henger sammen med det endoplasmatiske retikulum (ER) Små, upolare molekyler kan diffundere rett gjennom kjernemembranen, mens små, polare molekyler og makromolekyler (proteiner og RNA) må passere gjennom porer i membranen Kjernemembranen løser seg opp rett før cellene skal dele seg, og gjendannes raskt etter at celledelingen er komplett Denne kontrollen av transport inn/ut av kjernen gjør at eukaryote celler kan finregulere genuttrykket (genekspresjonen) mye mer enn prokaryoter. Ved å begrense tilgangen av proteiner som påvirker genavlesningen (RNAtranskripsjonen), kan bestemte gener skrues av og på. Cellen kan også kontrollere skjebnen til RNAet som dannes fra de aktive genene. Eukaryot RNA kan nemlig omformes (prosesseres) på ulike måter i cellekjernen, før det sendes ut til cytoplasma Computermodell av kjerneporekomplekset. I midten sitter et lokk som kan åpnes og lukkes etter behov 4

5 Aukleære og polynukleære celler Selv om de aller fleste celler har en cellekjerne, kan unormal celledeling føre til at en dattercelle får to kjerner, og den andre ingen. Kromatin Kromatin er et nettverk av DNA og protein som er pakket sammen i lange fibre. Med TEM kan en se tett pakkede områder (heterokromatin) og løst pakkede områder (eukromatin) Det finnes også enkelte celletyper som taper kjernen som en naturlig del av modningen som f. eks. modne røde blodceller erythrocytter. Andre celler vil normalt ha mange cellekjerner som f. eks muskelceller Heterokromatin Eukromatin Nukleolus TEM-bilde av cellekjerne EM-forstørrelse av kromatinfragment viser at det har en perler på en snor - struktur Perler-på en snor -utseendet skyldes at DNAet ligger krøllet rundt store proteinkompleks som kalles histoner. Disse kan igjen organisere seg sammen slik at DNAet blir tett pakket Under celledeling (mitose) blir denne pakkingen så tett at kromosomene blir synlige i mikroskopet. Dette gjør at en kopi av hvert kromosompar lett kan trekkes ut til hver av dattercellene i forbindelse med celledelingen DNA-dobbelhelixen DNA (Deoxy ribonucleic Acid) er bæreren av den genetiske informasjonen. Dobbelhelix-strukturen til DNAet ble kartlagt av Watson/Crick og Franklin i 1953 Selv utenfor mitosen vil ukondenserte kromosomer okkupere distinkte territorier i kjernen Krom 2 Krom 9 5

6 Strukturen til nukleotider Nukleolus Mammalske cellekjerner inneholder 1-4 nukleoli. Disse er hovedsetet for produksjon av ribosomer, som så transporteres ut til cytoplasma Ribosomene i høyere eukaryoter består blant annet av 4 ulike rrnamolekyl, med betegnelsene 5S, 5.8S, 18S og 28S En tror også at nukleolus er viktig for andre funksjoner, som f. eks. RNA-prosessering rrna DNA Elektronmikrografi av kromatin i nukleoli. To rrna-gener avskrives til rrna Bestemte fargeteknikker kan benyttes innen mikroskopien for å synliggjøre ulike cellebestanddeler. Her er en celle farget med et fargestoff som farger DNA blått, og bestemte proteiner i nukleoli, røde RNA RNA (RiboNucleic Acid) har nesten samme grunnstruktur som DNA, bortsett fra at sukkergruppen er ribose, i stedet for deoksyribose og at Tymin (T) er erstattet med Uracil (U). Selv om ikke RNA danner den klassiske dobbelhelixstrukturen, kan basene danne basepar. Ulike RNA-molekyl kan derfor opptre i svært komplekse strukturer. De tre hovedtypene RNA i cellen er: mrna: Budbringer RNA (koder for proteiner) rrna: Ribosomalt RNA (byggesteiner for ribosomer) trna: Transfer-RNA ( bærere av aminosyrer) RNA-molekyler kan danne komplekse strukturer, som i dette trna-molekylet 6

7 Hovedfunksjonen til cellekjernen er å avskrive (transkribere) gener til mrna (messenger-rna). mrnaet transporteres ut til cytoplasma, hvor ribosomene oversetter (translaterer) den genetiske informasjonen og produserer ulike proteiner Denne proteinproduksjonen foregår på ribosomene DNA-mRNA mrna-protein Ribosomer Mammalske celler inneholder ca 5-10 mill. ribosomer. Voksende celler kan produsere opptil ribosomer per minutt! Eukaryote ribosomer er ca 20 nm i diameter, og består av to subenheter, som kalles 40S- og 60S-subenhetene I høyere eukaryoter er disse satt sammen av til sammen 4 ulike rrnamolekyl og en rekke ulike proteiner (65% RNA, 35% protein) De tre største rrna-ene produseres i nukleoli, mens det minste (5S) produseres i kjernen utenfor nukleoli. Proteinene som inngår i oppbyggingen av ribosomene må importeres fra cytoplasma via kjerneporene 60S 40S Ribosomer består av to subenheter Protein RNA Frie ribosomer Ribosomer bundet til endoplasmatisk retikulum (ER). Kalles rough ER (RER) i motsetning til smooth ER (SER) Ribosomer bundet til ER produserer vanligvis proteiner som skal eksporteres ut av cellen (f. eks. antistoffer ut av hvite blodceller - lymfocytter) Frie ribosomer produserer vanligvis proteiner som skal brukes inne i cellen (strukturproteiner, enzymer osv.) 7