2 Cellers ultrastruktur og funksjon

Transkript

1 2 Cellers ultrastruktur og funksjon N år man skal beskjeftige seg med pasientproblemer som oppstår i den pre- og postoperative fase, så krever dette innsikt i forskjellige aspekter av human medisin. Mange av de fenomener som opptrer i den postoperative fase reflekterer endret cellefunksjon grunnet endret milieu interne hos pasienten. En dypere forståelse av de problemer som oppstår i den pre- og postoperative fase krever derfor innsikt på mange nivåer - fra innsikt i molekylære- og cellebiologiske reaksjonsmåter til innsikt i integrert organfunksjon og endelig forståelse av pasienten som individ og menneske. For å lette ervervelsen av slik mange-fasettert innsikt, er det tjenlig å starte med å repetere hovedtrekkene i cellers generelle struktur og funksjon. Dette fordi mange av begrepene fra cellebiologien er nødvendige å kjenne til for å kunne forstå patofysiologien som utspiller seg hos den enkelte kirurgiske pasient. Kroppens celler består av hoved-komponentene cellemembran, cytoplasma og celleorganeller. Cellemembranen avgrenser cellene mot omverdenen. Celler inneholder en rekke organeller, så som cellekjerne, mitokondrier, endoplasmatiske retikulum, Golgi apparat, og ulike typer cytoplasmatiske vesikler, inkludert lysosomer. Endelig inneholder cytoplasma et skjelett - cytoskjelettet. sies: Før disse strukturene omtales ytterligere skal kort Cellekjernene inneholder arvematerialet i cellen, deoksyribonukleinsyrer (DNA). Mitokondriene er organeller som er spesialiserte på å forbrenne næringsstoffer. De produserer bl.a. adenosin trifosfat (ATP), som er en energi rik forbindelse som understøtter energikrevende prosesser andre steder i cellen. Endoplasmatiske retikulum er sete for syntese av en rekke substanser som fett, protein, membraner osv. Golgikomplekset modifiserer og sorterer proteiner som er syntetisert i endoplasmatiske retikulum og pakker dem inn i vesikler, før de transporteres videre til andre steder i cellen. Cytoplasmatiske vesikler traffikerer mellom cellemembran, Golgiapparat og endoplasmatiske retikulum. Lysosomer er spesialiserte vesikler som fordøyer uønsket fremmedmateriale og brukte cellekomponenter. Cytoskjelettet er struktur proteiner som opprettholder cellens form og, i noen tilfeller, kan bevege cellen. Celledeling og celledød. Celler formerer seg ved celledeling. Noen celler er meget aktive når det gjelder celledeling. Eksempler på dette er tarmepitelceller og bloddannende celler fra benmargen. Andre celler, f.eks. nerveceller, formerer seg ikke etter at sentralnervesystemet er fullt utviklet. Celler har ulik livslengde. Celledød kan være resultat av slitasje, f.eks. tapes hudceller kontinuerlig fra huden ved slitasje, og tarmepitelceller tapes til tarmen. I andre tilfeller går cellene til grunne ved genetisk programmert celledød.

2 CELLEFUNKSJONER Genetisk programmert celledød kalles apoptose. Celler som gjennomgår apoptose skrumper sammen fra et visst tidspunkt av, mister så kontakten med nabocellene samtidig med at DNA materialet i cellekjernen fragmenterer og hele cellen går til grunne. Det er av sentral betydning at nydanning av celler står i balanse med celledød. Forstyrres denne balansen f.eks. ved at apoptose for en celletype uteblir, så vil dette føre til at disse cellenes antall stiger. Svikt i forholdet mellom celledeling og programmert celledød - apoptose - antas å spille en rolle for utvikling av flere typer svulster. Regulering av cellefunksjon. Celler omgies av interstitiell væske. Denne har kjemisk sammensetning omtrent som brakkvann. Tradisjonelt har man vært vant til å tenke på kroppens indre kjemiske miljø som et konstant miljø - «milieu interne»*. Kraftige reguleringsmekanismer sørger * Begrep som stammer fra Claude Bernard, fransk fysiolog, f d Claude Bernard var professor i fysiologi ved Sorbonne universitet, senere ved Museum d histoire naturelle i Paris, Frankrike. Regnes som grunnleggeren av vår tids fysiologi, eksperimentelle patologi, farmakologi og toksikologi.

3 CELLEFUNKSJONER for å holde temperatur, ph, O 2 innhold og elektrolytt konsentrasjoner i væsken rundt celler innen for strengt definerte verdier. Denne relative konstans i det kjemiske miljø rundt celler sikrer normal cellefunksjon. Vi vet nå at cellers funksjon også påvirkes av et stort antall kjemiske signalsubstanser som finnes i det interne miljø og hvis konsentrasjon varierer i tid. Avhengig av hvor signalsubstansene kommer fra snakker vi om parakrin, endokrin eller neurokrin påvirkning av cellefunksjonen av signalsubstanser. Ved parakrin påvirkning reguleres cellefunksjonen av signalsubstanser som skilles ut av en nabocelle. Et eksempel kan være påvirkning av parietalcellene i magesekken av histamin. Histamin skilles ut av mastceller i ventrikkelveggen og igangsetter saltsyresekresjon fra parietalcellene. Ved endokrin påvirkning reguleres cellefunksjonen av hormoner som skilles ut fra fjerntliggende organer. Et eksempel er regulering av vannpermeabiliteten av epitelceller i samlerørene i nyren. Vannpermeabiliteten i samlerørene øker når samlerørene påvirkes av antidiuretisk hormon som skilles ut av celler i hypofyse baklappen. Neurokrin påvirkning av cellefunksjon sees i forbindelse med neurotransmitter substanser, f.eks. reguleres karmuskeltonus av noradrenalin som frisettes fra nærliggende nerveendinger. Cellens oppbygging Cellemembranen. Cellemembranen danner yttergrensen av cellen. Cellemembranen har som primæroppgave å holde cellen sammen. Cellemembranen danner en barriere som hindrer at vann og elektrolytter og andre oppløste stoffer fritt flyter inn og ut av cellen. Barrierefunksjonen skyldes at cellemembranen er bygget opp av hydrofobe substanser, hovedsaklig fosfolipider og cholesterol, som støter vann og vannløselige stoffer fra seg. Cellemembranen har to lag fosfolipider som ligger tettpakket side ved side. Fosfolipider er lange Cellemembran. Cellemembranen består av et dobbeltlag med fosfolipider og inneholder også cholesterol, samt membran-traverserende proteiner og glykoproteiner

4 10 CELLEFUNKSJONER molekyler bestående av 2 fettsyrer, en fosfatgruppe og en alkohol. Som framgår av hosstående figur ligger fettsyredelene av fosfolipidemolekylene i indre og ytre lag av cellemembranen anføttes mot hverandre, mens fosfat delene ligger an mot dels cytoplasma (indre blad) og interstitiell væske (ytre blad). Interponert mellom fosfolipidene i cellemembranen finnes cholesterol. Jo flere cholesterol molekyler som finnes i cellemembranen, dess stivere er den. Cellemembranen slites og blir derfor kontinuerlig reparert. Det skjer ved at små membranområder hentes inn i cellen ved endocytose og erstattes av nydannet membranmateriale som tilføres cellemembranen ved exocytose. Membrankryssende proteiner i cellemembranen: Ionekanaler, ionepumper. Cellemembranen har mange steder innbakt membrankryssende proteiner. Det er flere klasser av slike proteiner. Enkelte av de membrankryssende proteinene har fysikalsk-kjemiske egenskaper som tillater småmolekylære vannløselige stoffer å passere gjennom dem. Svarende til dette danner slike membrankryssende proteiner ionekanaler som er spesialiserte for transport av ulike ioner. Det er mange typer ionekanaler. De varierer med hensyn til hvilke ioner de slipper igjennom cellemembranen: det eksisterer Na + -kanaler, K + -kanaler, Ca 2+ -kanaler, Cl - kanaler. Noen kanaler styres (åpnes/lukkes) av hormoner eller andre signalsubstanser, andre styres av det elektriske membranpotensialet - som f.eks. noen typer Ca 2+ - kanaler. Membrankryssende proteiner kan også danne ionevekslere og ko-transportere. Eksempel på ionevekslere er Na + -H + -ioneveksler, Cl - - /HCO 3 - ioneveksler. Begge spiller en viktig rolle for regulering av cellers ph ved at de tillater transport av H + ioner - (syre) eller HCO 3 (base) over cellemembranen. En annen ioneveksler er Ca 2+ / Na + ione bytteren som transporterer 1 Ca 2+ ion ut av cellen i bytte med 3 Na + ioner fra interstitiell væske. Den er viktig for å holde intracellulær Ca 2+ på et lavt nivå. Denne ionebytteren finnes i stort antall på hjertemuskelceller. Eksempel på ko-transport finner vi i Na + -HCO 3- -ko-transport membranproteinet. Det tillater samtidig transport av Na + - og HCO 3 ioner inn i cellen, altså base import inn i cellen. Slik baseimport er viktig for regulering av ph i cellene. Na + -drevet ko-transport er mulig fordi intracellulær Na + alltid er lav. Den lave Na + konsentrasjonen skyldes aktiviteten til Na +,K + -ATPase som hele tiden pumper Na + ut av cellen. Den lave intracellulære Na + gir en konsentrasjonsgradient for Na + over celle-membranen (Na + konsentrasjonen utenfor cellen er 140 mm, intracellulært er den mm). På grunn av denne bratte konsentrasjons-gradienten for Na + tenderer Na + til å lekke inn i cellen gjennom alle åpninger i cellemembranen som tillater passasje av Na + -ioner. Na + - -HCO 3 ko-transport proteinet tillater Na + og - HCO 3 sammen å lekke inn i cellen, derav navnet ko-transport. Glukose, aminosyrer, fosfat og organiske syrer kan også ko-transporteres med Na + av andre membran-proteiner. I andre tilfeller transporterer membran-proteinene ioner mot en elektrokjemisk gradient under forbruk av ATP. Slike membranproteiner er ionepumper. Viktige eksempler på ionepumper er Na +,K + -ATPase, Ca 2+ - ATPase og H + -ATPase, som pumper henholdsvis Na +, K +, Ca 2+ og H + ioner over cellemembranen. Na +,K + -ATPase - ofte kalt natriumpumpen - er slik innrettet at for hvert ATP som forbrukes, så pumpes 3 Na + ut av cellen i bytte for 2 K + ioner som taes inn fra omkringliggende interstitiell væske. Na +,K + - ATPase er en ioneveksler-pumpe. Na +,K + -ATPase finnes i alle kroppens celler og er ansvarlig for at det i cytoplasma alltid er en høy K + konsentrasjon og lav Na + konsentrasjon. På grunn av aktiviteten til Na +,K + - ATPase er cytoplasma ca. 70 mv elektronegativ i forhold til omkringliggende interstitiell væske. Ca 2+ -ATPase og H + -ATPase er som navnene tilsier, ansvarlige for å pumpe Ca 2+ og H + ioner over cellemembranen under forbruk av ATP.

5 CELLEFUNKSJONER 11 Vann passerer gjennom spesielle vannkanaler i cellemembranen. Vannkanalene kalles også for akvaporiner. Det er flere typer av dem. Vannforflytning skjer når det oppstår en osmotisk gradient mellom cytoplasma og interstitiell væske. Noen få celler mangler vannkanaler; det gjelder først og fremst keratiniserte celler i huden (epidermis), samt epitelceller i visse deler av nyren. Cytoskjelettet. Cytoskjelettet er en samling trådformede proteiner - filamenter - som finnes i cytoplasma. Cytoskjelettet er ansvarlig for opprettholdelse av form og fasong på cellen og er også med på å danne et veinett for organelle trafikk inne i cellen. Cytoskjelettet spiller også en rolle for bevegelser av hele cellen. Cytoskjelettet omfatter 3 typer filamenter: mikrotubuli, intermediære filamenter og mikrofilamenter. Mikrotubuliapparatet. Mikrotubuliapparatet er ett flettverk av lange kjeder av globulære alfa-tubulin og beta-tubulin molekyler som strekker seg gjennom nær sagt hele cytoplasma. Mikrotubuli har en diameter på omkring 25 nanometer. Mikrotubuliapparatet er under stadig ombygging. Syntese skjer ved aggregering av alfa og beta subenheter i ringformete strukturer som påplusses mikrotubulus i den enden der syntesene foregår (+ ende), mens dissosiasjon av alfa og beta enheter bidrar til nedbygging av mikrotubulus i den andre enden. Mikrotubuli danner som nevnt et veinett inne i cellens cytoplasma som celle organellene kan forflytte seg langsefter. Et eksempel på forflytning av organeller er transport av vesikler inneholdende neurotransmittorsubstanser langsefter utløpere fra nerveceller - axoner. En tredje type mikrotubulus subenhet er gamma-tubulin. Den er assosiert centrosomer. Mikrotubuli danner den mitotiske spindel som kromosomene forflytter seg langsefter ved mitose. Små molekylære «motorer», kinesin og dynein, kan ved behov forflytte celleorganeller langsetter mikrotubuliapparatet. Motorene kan også bevege flimmerhår på overflaten av enkelte celler. Mikrotubuli-apparat kan ødelegges av flere typer gifter som hindrer polymeriseringen av tubuliner til mikrotubuli. Noen av disse giftene, f. eks. colcemid, vinkristin, vinblastin, taxol, blir anvendt i kreftbehandling Intermediærfilamenter. Intermediær-filamenter er en samling filamenter med tykkelse 8-14 nanometer hvilket er omtrent midt mellom tykke og tynne filamenter i muskelceller - derav navnet intermediærfilamenter. Det finnes rikelig med intermediærfilamenter omkring cellekjernen. Intermediærfilamenter danner et fleksibelt skjelett i cellen som gir cellen mekanisk styrke mot utvendige, deformerende krefter. Mikrofilamenter. Mikrofilamenter er lange, tynne intracellulære filamenter ca. 4-6 nm diameter. De er bygget opp som polymeriseringsprodukt (F-actin) av små actin monomerer (G-actin). Mikrofilamenter finnes i store mengder i celler og utgjør omkring 15 % av den totale protein mengde som finnes intracellulært. I likhet med mikrotubuli er de gjenstand for remodellering; nysyntese foregår i + enden og depolymerisering og nedbygging i enden. Aktin filamenter interagerer med integrin reseptorer i celle membranen og bidrar til å danne fokale adhesjons komplekser i cellemembranen. Aktin filamenter er særlig veluviklet i stripete skjelett muskelceller. Der spiller de en viktig rolle sammen med et annet kjedemolekyl, myosin. Aktin og myosin filamenter er synlige i et elektronmikroskop: aktin filamentene er tynne, mens myosin filamentene er tykke. I skjelettmuskel celler ligger aktin- og myosinfilamentene ordnet ved siden av hverandre i et karakteristisk mønster. Det kjennetegnes av en høy grad av innbyrdes overlapping og broforbindelser. Graden av overlapping spiller en rolle for den totale lengden av muskelcellen. Overlapper aktin og myosin hverandre i stor grad er muskelcellen kort, dvs kontrahert; er det liten grad av overlapping tilstede, er muskelcellen strukket ut. Aktin og myosin i skjelettmuskulatur er sterkt følsom

6 12 CELLEFUNKSJONER overfor den intracellulære konsentrasjon av Ca 2+. Stiger konsentrasjonen av Ca 2+ inne i muskelcellen - og det vil den gjøre som et resultat av stimulering fra motoriske nerver - så vil Ca 2+ reagere med et protein kalt troponin C som ligger i umiddelbar tilknytning til broforbindelsene mellom aktin og myosin. Som et resultat av reaksjonen mellom troponin C og Ca 2+ påvirkes broforbindelsene og overlappingsgraden mellom aktin og myosin kompleksene øker, dvs. cellen forkortes. Hele muskelcellen kontraherer seg. I glatt muskulatur er myosin kjedene ikke så velutviklede som i skjelett muskelceller. Virkningen av Ca 2+ går her via proteinet calmodulin som i sin tur aktiverer enzymet myosin lett kjede kinase som igjen forandrer myosin slik at det skjer en forkortelses reaksjon med aktin. Aktin og myosin spiller ikke bare en rolle for muskelkontraksjon, men spiller også en rolle når cellene deler seg. Aktin spiller videre en rolle for opprettholdelse av cellers form. Endelig spiller aktin en viktig rolle for mikrovilli. Mikrovilli er minutiøse fingeraktige utbuktninger av cellemembranen. De finnes i stort antall på epitelceller fra tarm og nyre. Mikrovilli bidrar til å øke cellenes overflateareal. Stor cellemembran overflate letter oppgaven å reabsorbere væske og småmolekylære substanser. I hver mikrovillus finnes man en kjerne av 20 til 30 aktin filamenter spunnet sammen med proteinet fimbrin. Molekylære motorer. Celler er utstyrt med små molekylære motorer i form av ulike kda* ATPaser som binder seg til proteiner, organeller eller andre celle bestanddeler som skal fraktes. De forflytter lasten langsefter mikrotubuli eller actin flettverket av intracellulære tråder. Motorene som forflytter last etter mikrotubuli er forskjellig fra de som forflytter last langsefter actin filamenter. Kinesin er et motorprotein som forflytter last langsefter mikrotubuli i alminnelighet i retning mot + (pluss) enden, men det finnes også visse typer kinesiner som befordrer transport i motstatt retning. Spesielle kinesiner er ansvarlig for kromosomforflytning under mitose og meiose. Dyneiner er en annen type mikrotubuli associert motor protein. De transporter gods i retning (minus) enden av mikrotubuli. Myosiner danner kryssforbindelser mellom aktin filamenter og generer krefter som kommer til uttrykk i form av kontraksjon av villi i tarmepitel, celle migrasjon og muskelcelle kontraksjon. Celle organeller Mitokondrier. Mitokondriene er pølseformete små organeller 0.2 til 0.5 um lange som ligger i cytoplasma. De har et utseende likner på bakterier. Man mener at mitokondriene stammer fra primitive bakterier som for lenge, lenge siden inngikk i symbiose med urtidens primitive kjerneholdige cellulære organismer eukaryote celler. Mitokondrier har sitt eget genmateriale og syntetiserer flere av sine egne proteiner. Genene som mitokondriene bærer i sitt indre skiller seg fra gener til cellulære organismer ved at de er små og stort settt mangler intron partier. Mitokondrie DNA foreligger som et dobbelstrenget, sirkelformet DNA, slik som andre bakteriegener også gjør. Mitokondrie genene som finnes i mitokondriene hos mennesker koder for i alt 13 polypeptider. Polypeptidene er i hovedsak er sterkt lipofile komponenter som utgjør deler av de membranbundne protonpumpene (respirasjons enzymene dvs subenheter til NADH, cytochrom b, og ATPase) som eksisterer i mitokondrienes indre. Genene som koder for alle de andre komponentene i mitokondriene finner vi i cellekjernen. De har * Dalton, John, f d Engelsk kjemiker, matematiker og naturfilosof. Lærer ved New College i Manchester. Medlem av Royal Society i London. Gjorde grunnleggende arbeider om luftartene (gasser) og definerte som den første duggpunktet. Han regnes som grunnleggeren av den moderne atomlære og bestemte i 1805 atomvekten av 21 grunnstoff.

7 CELLEFUNKSJONER 13 Figur som viser et sterkt forstørret, elektronmikroskopisk billede av et mitokondrion. Bemerk at mitokondriet har 2 membranskikt: en indre og en ytre mitokondriemembran. Mellomrummet mellom dem betegnes som inter-membranskiktet. Indre membran er sterkt foldet og danner cristae. På cristae ligger respirasjonskjede enzymkompleksene samt "turbinen" F 0 F 1 -ATPase. Se neste figur samt tekst for flere detaljer. øyensynlig migrert dit på et eller annet tidspunkt i utviklingshistorien. Dette betyr at en rekke proteiner som finnes i mitokondriene må importeres efter at de er syntetisert ute i cytosol. Det eksisterer derfor spesielle opptaksmekanismer for proteinimport i mitokondriene som sørger for dette. De fleste av de importerte proteinene havner i mitokondrienes lumen matriks mens enkelte blir liggende i skiktet mellom ytre og indre mitokondriemembran. For eksempel så gjelder dette for enzymet myokinase. Det er også slik at ikke alle mitokondrier er like. Det er vel kjent at det finnes forskjeller på mitokondrier som stammer fra ulike vev. Mitokondrier kan formere seg inne i cellen uavhengig av vertcellens celledeling. For eksempel så øker mitokondriene både i antall og omfang i muskelceller når disse er utsatt for kronisk belastning (trening). Forøvrig gjelder at mitokondrier i overskyggende grad arves fra morens side. Vi kjenner til en rekke arvelige sykdommer som har skyldes feil i mitokondriegenene. Det er beskrevet en serie sjeldne myopatier og encephalopatier som har skyldes feil i mitokondrie DNA. Ganske nylig er funnet at en mutasjon i et mitokondrie gen som koder for et mitokondrie transfer RNA (trna) noen ganger ligger bak d et sykdomsbilde som omfattes av begrepet "metabolsk syndrom", dvs kombinasjonen av høyt blodtrykk, diabetes type II og høyt blodspeil av cholesterol samt overvekt. Mitokondriene er cellenes kraft aggregater. Det er nemlig i mitokondriene at størstedelen av ATP produksjonen foregår. ATP produksjon skjer ved at oksydasjon (forbrenning) av næringsstoffer er knyttet opp til en parallt løpende prosess: fosforylering av ADP til ATP. Sammenkoblingen kalles gjerne for oksydativ fosforylering. Mitokondriene er utstyrt med en dobbeltmembran.

8 14 CELLEFUNKSJONER Figur som skjematisk viser hvorledes respirasjonskjede enzymene ligger gruppert i indre mitokondriemembran. Symbolisert på figuren er at NADH (som oppstår ved oksydasjon av acetyl Co-A) donerer elektroner til NADH-Q reduktase. NADH-Q reduktase inngår i enzymkompleks 1 i respirasjons kjeden. Elektronene sendes så videre bortefter repirasjonskjedekompleksene 2, 3, 4 og fram til siste kompleks cytokrom oksydase som er endestasjon. Her doneres elektronene under kontrollerte betingelser til O 2. I løpet av transporten av elektroner langsefter respirasjonskjeden så frigjøres energi som brukes til å understøtte transport av H + på tvers av membranen. Dette skjer gjennom kompleksene 1, 3 og 5. H + "pumpes" av dem fra matriks og ut i inter-membran skiktet. Dette lager en lokalt høy H + konsentrasjon i dette skiktet. H + lekker derefter tilbake til matriks gjennom ATP syntase komplekset (F 0 F 1 -ATPase). Energi frigjøres under denne tilbakelekkasjen og energien brukes av ATP-syntese komplekset til å bygge opp ATP fra ADP + P som finnes i matriks. Se hovedtekst for mer omtale. Den ytre membran har porer, kalt poriner, som tillater passasjer av relativt store molekyler gjennom membranen. Indre mitokondriemembran er derimot nokså tett for passasje av molekyler og er i tillegg rikelig foldet. Foldene kalles for cristae (se figur). Oksydativ fosforylering er knyttet til hendelser som utspiller seg i mitokondrienes indre membran. På foldene av den indre mitokondriemembranen finner vi enzymene som sørger for oksydering acetyl-koenzyma (sitronsyrecyklus) koblet i serie ved siden av hverandre i 4 store enzymkomplekser ( isfjell ) som ligger og flyter i membranen. Til sammen kalles de 4 kompleksene for respirasjonskjeden. Utgangspunktet for oksydativ fosforylering er substansen acetyl Co-A. Acetyl-CoA oppstår i et av de tidlige trinnene under den trinnvise nedbrytning av energirike næringsemner som glukose, fettsyrer eller aminosyrer. Oksydativ fosforylering kommer så inn i bildet og bryter ned acetyl-co-a til endeproduktene CO 2 og H 2 O. Som ved andre oksydasjonsprosesser så frisetter oksydasjon latent kjemisk energi som ligger i den substansen som blir oksydert. Så også her. Den energien som frigjøres ved oksydasjon av acetyl Co-A fanges opp på finurlig vis og brukes til å syntetisere ATP molekyler fra ADP. ATP molekylene får innebygget et høyt energiinnhold. De eksporteres så fra mitokondriene ut i cytosol. Det høye energinnholdet som bor i ATP-molekylene kan senere frisettes og brukes til å understøtte energikrevende aktiviteteter rundt om i cellen ved hjelp av enzymer (diverse ATPaser) som

9 CELLEFUNKSJONER 15 spalter tilbakedannelsen av ATP til ADP + P. Populært sagt kan man si at ATP er cellenes flybensin. Andre har kalt ATP for cellenes Euro eller cellenes fellesvaluta - kjært barn mange navn! Uten å gå i dybden på detaljene i oksydativ fosforylering, så skal vi allikevel se litt nærmere på noen av de organisatoriske prinsippene ligger til grunn for mitokondrienes oppbygging for å utøve funksjonen med å lage ATP fra ADP. Som nevnt så ligger respirasjonskjede enzymene tett ved siden av hverandre i indre mitokondriemembran. Oksydasjon av acetyl CoA (som kjemisk sett dreier seg om stripping av elektroner som sendes videre til bestemte målmolekyler, NAD + og FADH) generer et overskudd av substansene NADH og FADH 2. NADH og FADH 2 har begge den kjemiske egenskap at de med stor kraft kan avgi elektroner til andre molekyler de måtte komme i kontakt med. Det er akkurat dette som skjer på organisert måte i indre mitokondriemembran. Der ligger de 4 ovenevnte enzymkompleksene ( isfjellene 1,2,3,4) ved siden av hverandre og tar i mot elektroner fra NADH og FADH 2 og sender dem videre til neste isfjell i rekkefølgen fra enzymkompeks 1 ned til 4 med frisetting av kjemisk energi for hvert trinn. Energien som frisettes i løpet denne prosessen fanges opp og brukes til transport av H + fra mitokondrienes matriks ut i skiktet mellom de to mitokondrie membranene, (altså på tvers av indre mitokondriemembran, mens elektronene flyter bortefter membranen), se figur. Høy konsentrasjon av H + i inter-membranskiktet representerer oppbygging av et lokalt reservoar av latent kjemisk energi. Energien som deponeres her kan tilbakevinnes dersom man på kontrollert vis slipper H + gjennom indre mitokondrie membran tilbake til matriks. Det er akkurat dette som skjer! H + tillates å passere gjennom indre mitokondrie membran tilbake til matriks gjennom den membranbundne turbinen F 0 F 1 -ATPase som fanger opp energien i H + tilbakestrømningen. Turbinen genererer ikke strøm, men derimot ATP ved å fosforylere ADP som finnes i matriks. Detaljene er kompliserte og fascinerende, og dette er et av biologiens store underverk! Det vises til spesiallitteratur for nærmere detaljer. Det ATP som blir syntetisert av "turbinen" F 0 F 1 - ATPase ved fosforylering av ADP oppstår i matriks. Derfra eksporteres det ut til cytosol i bytte med ADP ved hjelp av et adenin nukleotide bæremolekyl. ATP er vedvarende etterspurt av forskjellige cellulære prosesser. Ikke uventet så befinner mitokondriene seg derfor gjennomgående i de partiene av cellen der ATP forbruket er størst. Det aller nærmeste forbrukssted for ATP fra produksjonsstedet kan rett og slett være skiktet mellom ytre og indre mitokondriemembran. I dette skiktet finner vi flere enzymer som katalyserer prosesser som involverer ATP. Myokinase er allerede nevnt. Her er videre andre enzymer som kreatin kinase og en serie nukleoside difosfat kinaser. Felles for alle disse er at de ved høye lokale konsentrasjoner av ATP slik som ved høygradig av oksydativ fosforylering kan drive reaksjoner som holder orden på høy energi fosfat forbindelser i cellen. Myokinase katalyserer omdannelsen av AMP + ATP til 2 ADP, dvs eliminerer lav energiforbindelsen AMP og redder denne fra fullstendig nedbrytning. Sagt på en annen måte: myokinase er viktig for hushholderering av adenin nukleotider i cellen. Kreatin kinase katalyserer syntesen av kreatin fosfat. Denne reaksjonen består i at kreatin + ATP omdannes til kreatin-fosfat (en energirik forbindelse som lagres særlig i muskulatur) + ADP. Kreatin kinase katalyserer selvfølgelig reaksjonen begge veier, så det er mengdeforholdet mellom reaktantene som bestemmer hvilken vei reaksjonen går. Nukleoside difosfat kinaser er enzymer som overfører høy-energi fosfat bindingen i ATP i mitokondriene til diverse nukleoside difosfater med dannelse av ditto energirike trifosfater i cytosol. Slike trifosfater, eksempelvis cytidin difosfat (CDP), uridin difosofat (UDP), guanosin difosfat (GDP) inngår alle sammen i diverse biosyntetiske reaksjoner i cellen. Det er ovenfor nevnt at gjennomgangsprinsippet for oksydativ fosforylering er at elektroner doneres fra FADH og NADH 2 til en serie på i alt 4 koblete

10 16 CELLEFUNKSJONER Intracellulær vesikkelstransport. Vesikkeltransport nyttes til eksport av materiale syntetisert i endoplasmatiske retikulum. Eksportveien går via Golgi komplekset hvor eksportproduktene modnes, pakkes og adresseres til enten exocytose ut av cellen eller til celle-internt bruk. enzymkomplekser fram til endestasjon O 2. Ved det siste trinnet, som er møtet mellom elektronene og O 2, så oppstår det en vanskelig situasjon, biologisk sett. Nettoprosessen som her foregår er at 2H + + 1/2O 2 +2e - omdannes til H 2 O. Dette skjer ved at cytochrom oksydase overfører 2 elektroner til O 2. Nå er det slik at overføringen bare kan skje for ett og ett singelt elektron ad gangen. Når O 2 aksepterer ett singelt elektron slik som ved første trinn i prosessen, så omdannes O 2 et til et høyreaktivt "fritt" oksygenradikal O 2-! Det er av stor betydning at dette radikalet ikke slipper løs, fordi da vil det kunne ødelegge ganske mye cellemaskineri ved peroksydering! Enzymet cytokrom oksydase er heldigvis utstyrt med et bimetallisk domene som holder det reaktive oksygenradikalet stramt på plass i et jerngrep mellom en heme-gruppe (som inneholder jern) og et kopper atom, inntil begge de single elektronene er på plass og hele reaksjonen gitt ovenfor er fullført: 2H + + 1/2O 2 +2e - = H 2 O. H 2 O forlater så cytokrom oksidase uten noe bråk! Som man vil skjønne av dette så er oksygeneringsreaksjoner potensielt farlige fordi det ligger en iboende fare hos dem at de kan generere frie oksygenradikaler dersom ikke alt går ordnet for seg. Det kan faktisk oppstå ukontrollerte tilstander på dette punkt i forbindelse med reperfusjon av anaerobt vev. I slike situasjoner kan det skje at single elektroner reagerer med molekylært oksygen i uregulerte, nonenzymatiske kjemiske reaksjoner. En serie frie oksygen radikaler kan da oppstå. De har alle sammen en uttalt evne til å skade allehånde celle bestanddeler, inklusive genmaterialet, proteiner og lipider. Mer om dette i et senere kapitel. Til slutt skal nevnes at ved tilstander som avstedkommer mitokondrie stress så som f.eks. ved produksjon av frie radikaler eller ved patologisk høy intracellulær kalsium ione konsentrasjon så kan mitokondriene rett og slett kollapse. Det som da skjer er at det danner seg en svær pore i mitokondriemembranen som tillater fri passasje av små molekyler inn i mitokondriene. Dette er fatalt for dem og de går i stykker. Når de går i stykker så frisetter de proteaser som i sin tur starter opp cellens apoptoseprogram! Et par detaljbemerkninger her: 1) cyclosporin A som alle vet ble isolert fra lav fra Hardangervidda og som nå brukes som immunosuppressivt middel, blokkerer

11 CELLEFUNKSJONER 17 Golgi kompleks. Golgikomplekset er en organelle som er mellomstasjon for modifisering og sortering av proteiner som er syntetisert i endoplasmatiske retikulum. Etter at sortering er gjort, blir proteinene pakket inn i vesikler og så transportert videre til de endelige bestemmelsesstedene i cellen. poredannelse i mitokondriemembranen (uten at dette har noe å gjøre medikamentets immunosupprimerende virkning), 2) proto-onkogenet bcl-2 er et protein som sitter på ytre mitokondriemembran. Bcl-2 motvirker poredannelse og bremser apoptoseprosessen, og dette tenderer til å favorisere overlevelse av skadete og cancrøse celler. Bcl-2 finnes oppregulert hos en del cancerformer som kjennetegnes av kjemoterapi resistens og resistens mot strålebehandling. Endoplasmatiske retikulum. Endoplasmatiske retikulum er en komplisert membranstruktur som finnes i cytoplasma. Membraner som hører til det endoplasmatiske retikulum inntar flere former. Noen er små kulerunde strukturer - vesikler - andre er rørformete strukturer - tubulovesikler og atter andre er sekkeformete strukturer - sacculer. Endoplasmatiske retikulum har flere funksjoner. De viktigste funksjonene er syntese av proteiner og lipider. Den delen av endoplasmatiske retikulum som er viet proteinsyntese kalles for det kornete endoplasmatiske retikulum. Betegnelsen referer til det faktum at man ved eletronmikroskopi ser små korn - ribosomer - sittende spredd på membranen i denne delen av det endoplasmatiske retikulum. Den kornete delen av endoplasmatiske retikulum er særlig velutviklet i acinærcellene i pankreas. Acinærcellene i pankreas er spesialiserte kjertelceller som skiller ut store mengder fordøyelsesenzymer. Den glatte delen av endoplasmatiske retikulum er best utviklet i celler som er aktive i lipidsyntese, f.eks. leverceller og celler i binyrebarken. Golgi kompleks. Golgikompleks* ligger nær opptil den kornete delen av endoplasmatiske retikulum. Golgikomplekset har en sammensatt form. Det består av en samling avflatede sekkeformige membranstrukturer, kalt cisterner. I omkringliggende cytoplasma sees mange små vesikler Golgikomplekset modifiserer og sorterer proteiner som er syntetisert i endoplasmatiske retikulum og pakker * Golgi, Camillo. Italiensk patolog, f d Professor i patologi og rektor ved Universitetet i Pavia, Italia. Tildelt Nobelprisen i medisin i 1906 sammen Santiago Ramón y Cajal for sine studier av finstrukturen av sentralnervesystemet.

12 18 CELLEFUNKSJONER dem inn i vesikler før de transporteres videre til andre steder i cellen. I noen tilfeller kan proteinene pakkes inn som sekretgranula i vesikler. Sekretgranula kan senere tømmes ut av cellen ved exocytose. Enzymsekresjon fra pankreas er et godt eksempel på slik exocytose av sekretgranula. Mer om dette senere. Lysosomer. Lysosomer er små vesikkelformete organeller og inneholder diverse enzymer. De lysosomale enzymene har evne til å bryte ned makromolekyler av ulike slag, så som proteiner, komplekse kullhydrater, glykosider og polysakkharider, DNA og RNA. Vakuolære H + -ATPaser i lysosom-membranen er ansvarlig for å pumpe H + ioner inn i lysosomen slik at ph i lysosomenes indre er lav - omkring ph 5.0. Det er 2 typer lysosomer: primære og sekundære lysosomer. De primære lysosomene er små og er utstyrt med det enzymapparat som er nevnt ovenfor, men inneholder ikke makromolekyler. Sekundære lysosomer er større, har ofte en ujevn form og inneholder makromolekyler i ulike nedbrytningsstadier. De sekundære lysosomene oppstår ved sammensmeltning av primære lysosomer og endocyterte vesikler. Endocyterte vesikler er vesikler som dannes ved invaginasjon og avsnøring av et mindre parti av cellemembranen og omtales senere. Endocyterte vesikler bringer med seg ekstracellulært materiale inn i cellen for degradering. Sekundære lysosomer kan også inneholde intracellulære organeller som skal degraderes/skiftes ut. Optimalt ph for de lysosomale enzymene er omkring 5.0. Lysosom membranen er permeabel for små molekyler som aminosyrer og monosakkharider. Det betyr at aminosyrer og monosakkharider som frisettes ved hydrolyse av makromolekyler i lysosomene diffunderer ut i cytoplasma hvor de kan brukes om igjen av cellen. Centrosomer. Centrosomer befinner seg i nærheten av cellekjernen Centrosomer består av 2 centrioler som er omgitt av et amorft materiale. Centrioler ser ut som 2 korte cylindre som ligger inntil hverandre i 90 vinkel. Centrosomene er mikrotubuliorganiserende centre. De spiller en sentral rolle i syntese av den mitotiske spindel i forbindelse med celledeling. Celle adhesjonsmolekyler. Celler er festet til enten til en underliggende basalmembran eller knyttet til hverandre ved hjelp av spesielle celle adhesjonsmolekyler. Celle adhesjonsmolekyler kan deles inn i 4 kategorier: (1) integriner som er heterodimerer som binder seg til ulike reseptorer; (2) adhesjonsmolekyler av IgG superfamilien av immunglobuliner; (3) cadheriner, som er kalsiumavhengige adhesjonsmolekyler som binder seg til homofile molekyler på andre celler; (4) selektiner, som har lektin-liknende domener som binder karbohydrater. Intercellulære kontaktpunkter. Intercellulære kontaktpunkter er gjerne av to typer: (1) tight junction (også kalt zonula occludens); (2) desmosomer; (3) zonula adherens; (4) hemi-desmosomer og (5) gap junctions. Tight junction finnes gjerne i den apikale delen av cellen og er viktige strukturer i epitel som tarmepitel og nyreepitel. Tight junction tillater passasje av vann og småmolekylære substanser; men i varierende grad avhengig av hva epitel det dreier seg om. Tight junction er også viktig på den måten at den danner grensen mellom apikale og basolaterale domener av cellemembranen. Implisitt i dette ligger at tight junction danner en barriere som sørger for sekvestrering av ulike typer membranbundne reseptorer og -transportere til henholdsvis den apikale og den basolaterale delen av cellemembranen. Gap junctions er områder av cellemembranen der cellemembranen mellom to celler ligger i tett apposisjon og boltet til hverandre med proteiner kalt connexoner. Connexoner danner 2nm diameter tynne kanaler mellom celler. Kanalene tillater passasje av vann og oppløste stoffer opp til molekylvekt omkring Det følger av dette at gap junction muliggjør rask forflytning av elektriske signaler (som er knyttet til ione forflytninger) mellom celler. Diameteren på kanalene

13 CELLEFUNKSJONER 19 Skjematisk oversikt over cellekjernen med nærliggende ru endoplasmatiske retikulum. Modent mrna migrer ut fra cellekjernen gjennom kjernemembranporer og dirigerer proteinsyntesen i ribosomene som er innbakt i det ru endoplasmatiske retikulum. reguleres av Ca 2+ konsentrasjonen. synlige i et vanlig lysmikroskop. Cellekjernen Arvematerialet. Cellekjernen er den største organelle i cellen. Den har en diameter på mellom 3 og 8 um avhengig av celletype. Cellekjernen har en dobbeltmembran. Den ytre membranen henger sammen med endoplasmatiske retikulum og inneholder ribosomer. Cellekjernemembranen har porer som tillater passasje av makromolekyler mellom cellekjernen og cytosol. Cellekjernen har også et kjernelegeme, nukleolus, som er sete for ribosom syntese. Cellekjernen lagrer arvematerialet. Arvematerialet består av DNA (deoxyribonucleic acid). Sammen med en spesiell type proteiner kalt histoner danner DNA såkalte kromatin fibre. Organisering av kromatinfibrene avhenger av cellens tilstand. Hos celler i celledeling danner kromatinfibrene på et bestemt tidspunkt i delingen strukturer som kalles kromosomer. De er DNA er kjedemolekyler som inneholder en lang rekke gener. Et gen er en kjemisk kode eller oppskrift for dannelse av et protein. Et protein er et langt kjedemolekyl - en polypeptidkjede. Genet definerer aminosyresekvensen i proteinet, dvs i hvilken orden aminosyrer skal ligge i polypeptidkjeden. Aminosyresekvensen gir proteinet dets karakteristiske fysikalsk-kjemiske egenskaper. Det konvensjonelle syn er at den genetiske kode koder for i alt 20 forskjellige aminosyrer. Nå eksisterer det riktignok flere enn 20 ulike aminosyrer i kroppen, fordi en del aminosyrer oppstår ved såkalt posttranslasjons modifikasjon. Med dette menes at de oppstår ved kjemisk modifikasjon av en moder-aminosyre, slik f. eks. glutamin oppstår ved binding av en ekstra aminogruppe til glutamat. I senere år er man klar over at antallet aminosyrer som

14 20 CELLEFUNKSJONER Skjematisk framstilling av en cellekjerne med innhold. Om man vil, kan man se på cellekjernen som cellens administrasjonssenter der ulike departementer og basis tjenester er lagt inn. Cellekjernen omsluttes av en dobbeltlaget kjernemembran. Det ytre laget av cellekjernemembranen står i kontinuitet med det ru endoplasmatiske retikulum som på sin side er spettet med ribosomer. Det indre laget av kjernemembranen betegnes kjerne lamina. På flere steder i cellmembranen er det åpninger, kjerneporer, som gjør det mulig for substanser (beskjeder) å passere inn og ut av cellekjernen. Mange substanser (beskjeder) skal inn og ut: det kan dreie seg om signalsubstanser, hormoner, transkripsjonsfaktorer, mrna etc. Inne i kjerneplasma finnes kromosomene tett pakket i kromosomterritorier. Aktive gener dvs slike som er gjenstand for pågående transkripsjon - finner man på overflaten av kromosom territoriene der pakkingen er løsere. Hos noen celler finnes kondensert kromatin heterokromatin - like innenfor kjerne lamina. Heterokromatinet tror man er inaktivt hva transkripsjon angår. Pcg legemer (polycomb group) ligger i nærheten av heterokromatin og har en eller annen funksjon relatert til represjon av gentranskripsjon. Pre-mRNA spleisefaktorer er lokalisert i kjerne spettflekker. Disse er dynamiske strukturer, dvs de kan bevege seg omkring inne i cellekjernen. Transkripsjonsområder finnes i tallrike områder inne i cellekjernen, som små interkromatin granulae aggregater. I mange celler er pre-mrna spleising lokalisert i en eller flere Cajal' legemer og satelitter til Cajal legemer (Gem). Cajal legemer og Gem spiller en rolle for biogenese av snrnp (små nukleære ribonukleoprotein partikler) og traffikering av snorna (små nukleolære RNA) til nukleolus. Nukleolus er stedet for biogenese og sammenkobling av ribosomer. Opt domener har liknende funksjon og sees nær nukleolus i celler i G1 fase (forsvinner i S fase). De perinukleære kompartmentene og SAM68 kjernelegemer finnes i cancer celler. Man tror de har å gjøre med pre-mrna prosessering å gjøre. PML legemer (for: ProMyelocytisk Leukemi) spiller en rolle i regulering av gen transkripsjon. er kodet for i den genetiske kode er 22 og ikke 20 slik som vanligvis angies. De to ekstra aminosyrene man nå vet er kodet for er seleno-cystein og pyrrolysin. Selenocystein kodes av kodonet UGA som også er ett av de to kjente stopp-kodoner (som stanser mrna translasjon), mens pyrrolysin kodes av UAG som er det andre kjente stopp-kodon som stanser mrna translasjon. Det samlete arvemateriale i cellekjernen bestemmer cellenes og individets tallrike egenskaper. Alle * y Cajal, Santiago Ramon. Spansk, f.1852 d Professor i histologi og anatomi, Madrid. Nobelprisvinner i fysiologi/medisin 1906.

15 CELLEFUNKSJONER 21 kjerneholdige celler i kroppen har det samme komplette genmateriale, men ulike celler uttrykker ulike gener i forskjellig grad. Gen ekspresjonen hos den enkelte celle bestemmer hvilken form og funksjon en celle har, eller sagt med andre ord: type spesialisering av cellen. Noen celler vil være spesialisert til å være nerveceller, andre er spesialisert til å være muskelceller eller tarmepitelceller o.s.v. Hva som bestemmer hva slags genekspresjon celler har kjenner vi ikke fullt ut. Vi vet imidlertid at mange sykdomsprosesser er ledsaget av endret genekspresjon i celler. Intranukleære reseptorer. Ovenfor har vært nevnt at en rekke hormoner og signalsubstanser - som med en sekkebetegnelse kalles ligander - bindes til reseptorer på cellemembranen og utløser en kjemisk kaskadereaksjon intracellulært rundt reseptor. Dette resulterer i intracellulær frigjøring av budbringermolekyler som så igangsetter et cellerespons. Ligander som følger dette mønster er i de fleste tilfeller vannløselige - hydrofile - molekyler. En del hormoner er imidlertid dominerende fettløselige,dvs lipofile molekyler. Eksempler er kortikosteroider, vitamin D, og retinoider (substanser i vitamin A gruppen). Disse krysser lett den lipidrike cellemembranen selv om det ikke eksisterer noen cellemembran reseptor for dem. For slike ligander eksisterer det derimot reseptorer i cellekjernen. Intranukleære hormonreseptorer, i tillegg til å binde hormon, binder seg også til DNA og spiller en viktig rolle for regulering av gentranskripsjon. Protein syntese. DNA, transkripsjon og translasjon av gener. Arvestoffet i cellen har den kjemiske betegnelsen DNA. DNA er lange spiralformete molekyler beliggende i cellekjernen og foreligger i to og to eksemplarer tvunnet tett om hverandre, som såkalt «dobbelt helix». Den genetiske kode ligger i DNAs innhold av basesekvenser på de lange DNA spiralmolekylene. Den genetiske kode er «skrevet» med 4 baser: adenin (A), guanin (G), cytosin (C), og thymin (T). Den minste enhet i den genetiske koden er sekvenser på 3 og 3 baser - en trippelsekvens av baser kalles et kodon. Det eksisterer i alt 64 forskjellige typer kodoner. 61 av kodonene brukes til å kode for 22 aminosyrer. De resterende 3 kodoner er såkalt stopp kodoner (se nedenfor). DNA i cellekjernen koder for omkring gener. Kortere eller lengere sekvenser av DNA molekylene i cellekjernen blir etter behov kopiert eller transkribert til mrna (forkortelse for «messenger ribonucleic acid») og forlater cellekjernen for å dirigere proteinsyntesen i ribosomene. Når modent mrna er ferdigdannet migrerer det derfor ut av cellekjernen og binder seg til ribosomer. mrna er i likhet med DNA et kjedemolekyl, og ribosomene «leser» seg nedover basesekvensene på mrna kjeden og mottar derved instruks om hvordan syntetisere det protein som angjeldende mrna koder for. Altså: et gen er et segment av DNA. Det transkriberes til en mrna kopi som så i tur dirigerer ribosomenes protein syntese. mrna blir i cytoplasma en kort periode. Derefter brytes det ned. Transkripsjon av DNA til RNA katalyseres av et RNA polymerase. Det er flere typer RNA, mrna er en av dem. Gentranskripsjon fra DNA starter på spesielle steder i DNA molekylet, tett opptil den såkalte promotor regionen. Idet RNA polymerase binder seg til DNA, løses DNA dobbeltspiralen opp ved at den detorkveres og RNA polymerase «spaserer» så nedover den detorkverte delene av DNA molekylet og leser basekoden på DNA og lager en RNA kopi. Den første kopien kalles en kjernerna. Denne modifiseres så videre til modent mrna. RNA koden likner DNA koden, men skiller seg fra denne ved at basen uridin erstatter thymidin i DNA. De andre basene er felles for DNA og RNA. Transkripsjon starter ved at RNA polymerase binder seg til en del av DNA som ligger kort oppstrøms (5 enden) for selve genet nemlig den såkalte promotor regionen. Denne delen av DNA kjeden inneholder ofte en TATA sekvens (kalt TATA boks) og den har som oppgave å sikre at transkripsjonen starter på riktig punkt. Lengre nedstrøms (mot 3 enden) finnes

16 22 CELLEFUNKSJONER ofte ulike regulatoriske elementer som innvirker på gentranskripsjonen. Transkripsjonen stanser når RNA polymerase kommer fram til et parti på DNA hvor det er kodet inn et stoppsignal. RNA polymerase avslutter da syntesen av RNA og løser seg fra DNA. DNA gjenopptar så sin opprinnelige dobbeltspiralform. Omdannelse av kjerne RNA til modent mrna involverer flere trinn hvor en del RNA sorteres vekk. Det er slik at DNA inneholder lengere partier som ikke kopieres over i modent mrna. Et parti som ikke kopieres kalles for en intron. De segmentene av DNA som kopieres til moden mrna heter exoner. Det er et noe forbausende faktum at exoner utgjør bare omkring 3% av genomet, mens de resterende 97% av DNA utgjøres av introner. Syntese av mrna fra kjernerna skjer ved genspleising, dvs. exoner spleises sammen til ett produkt, modent mrna, mens intronene ikke brukes. Gentranskripsjon er underlagt kontroll av ulike transkripsjonsfaktorer. Transkripsjonsfaktorer er tallrike og er selv genprodukter. En type transkripsjonsfaktorer er definert av såkalte immediate-early gener så som c-fos og c-jun som koder for c-fos og c-jun. Disse produktene binder seg til en spesifikk DNA regulatorisk sekvens kalt AP-1. Mange transkripsjonsfaktorer har karakteristiske DNA-bindende motiver; to motiver er det såkalte zink finger motiv og leucine zipper ( glidelås ) motiv. DNA kjedene er uhyrlig lange de beregnet til å være omkring 2 meter lange dersom man strekker dem ut i lengderetningen. DNA kjedene ligger tett sammenpakket i cellekjernen. Cellekjernen har ikke større diameter enn cirka 10 um. Det tett sammenpakkete DNA i cellekjernen inngår i det som kalles kromatin. Kromatin består av DNA som med regelmessige mellomrom er kveilet rundt komplekser som inneholder en kjerne av 4 ulike såkalte histon proteiner. Sammen med DNA danner disse strukturene nukleosomer. Nukleosomer er knyttet til hverandre via broer av 20 til 60 basepar lenke-dna slik at det oppstår et arrangement som likner på perler på en snor. Sammenpakkingen er ikke slutt med dette! Perlekjeden kan balle seg ytterligere sammen for til slutt å danne tett sammenpakkete, store nøster se figur. Graden av sammenpakkingen får konsekvenser for i hvilken grad DNA et er tilgjengelig for transkripsjon. Mens DNA på nukleosomene er åpent tilgjengelig for transkripsjon, så er DNA i de store sammenpakkete nøstene utilgjengelig og lukket for transkripsjon. Man kjenner til faktorer som favoriserer kromatin nøstedannelse altså lukking av kromatin. Disse faktorene vil i realiteten kneble de gener som pakkes i nøstet. Omvendt, så finnes det faktorer som pakker opp lukkete kromatin nøster og disse vil virke som potensielle aktivatorer av genekspresjon (åpne opp for DNA transkripsjon). Hvordan dette i detalj er regulert vet vi ennå ikke, men prosessen spiller en rolle i modning og spesialisering av celler på den måten at spesialiserte celler kun uttrykker et selektert utvalg av gener beroende i at mye av DNA er låst ned i lukket kromatin. Det spektrum av gener som befinner seg i det åpne kromatinet dikterer så cellenes fenotype. Mens kopiering av DNA til RNA kalles for gen transkripsjon, så kalles syntese av protein fra mrna for gen translasjon. Ved translasjon av den genetiske kode skjer oversetting av en kodet instruks for syntese av en polypeptidkjede fra mrna i ribbosomet. Det ligger ikke nødvendigvis noen automatikk i translasjon av gener. I de senere år er man nemlig blitt klar over flere mekanismer som kan gripe inn og kraftig forstyrre translasjonen av gener. En slik mekanisme er RNA interferering (RNAi). Fenomenet kalles også for PSTGS (post translational gene silencing PSTGS). RNAi eller PSTGS består i at korte fragmenter av eksogent komplementært RNA hybridiserer med mrna slik at mrna budskapet blokkeres! Det som skjer i slike tilfeller er følgende. Når dobbeltstrenget RNA (dsrna) fra omverdenen av en eller annen grunn krysser cellemembranen (for eksempel som resultat av virus infeksjon), så blir inntrenger dsrna molekylene angrepet av et ribonuclease enzym

17 CELLEFUNKSJONER 23 Åpent og lukket kromatin. Figuren viser skjematisk DNA i to grader av pakking: åpent kromatin og lukket kromatin. Mens åpent kromatin er tilgjengelig for transkripsjonsmaskineriet, så er lukket kromatin ikke det. Overgang fra åpent til lukket kromatin stimuleres av samspill mellom såkalte trithorax gruppe [TrxG] av gen aktivatorer, (så som medlemmer av SWI/SNF ATP-avhengige kromatin remodellerings faktorer og HATS [N-histone acetyltransferases]) som åpner opp lukkete kromatin fibre under forbruk av ATP. Omvendt, stimulerer faktorene av gruppen Polycomb gen-repressorer [PcG] (H1, nhp1, PCC ) til tett pakking av og lukking av kromatin. På denne måten oppnås at en mengde gener parkeres på sidelinjen og forblir stumme.- Vi vet lite om hvilke faktorer som kontrollerer PcG nivået i celler. Det knytter seg atskillig interesse i å forstå samspillet mellom TrxG og PcG i stamcelleforskning og cancerforskning kalt Dicer. Dicer spalter dem i mindre fragmenter (22 basepar) kalt sirna (silencing RNA). sirna fragmentene, som kan være enten enkelt-strenget eller dobbelt-strenget, knytter seg så spontant til en gruppe proteiner og danner et såkalt RISC (RNA-induced silencing complex). Aktivert RISC har den egenskapen at det hybridiserer med komplementært mrna som måtte finnes inne i cellen. Dersom dette skjer så blir mrna budskapet snappet opp og blokkert (se figur). Dette medfører funksjonell knock-out for det genet som mrna et stammer fra. PSTGS eller RNAi er et prinsipp som man er i full gang med å utnytte eksperimentelt til å lage knock-out av definerte gener. Mest interessant av alt, PSTGS åpner muligheten til å konstruere raffinert, spesifikk gen terapi. Slik terapi har allerede vært gjort på forsøksdyr og vil ventelig snart bli satt i gang på pasienter (ett aktuelt eksempel: Huntingdon s sydom). Et annet prinsipp for å hemme gen translasjon er DNA metylering. DNA metylering skjer ved at metylgrupper kobles til cytosin i DNA molekylet. Derved hindres oppkobling av transkripsjonsmaskineri til DNA i dette området. Når celler deler seg ved mitose så skilles de doble DNA kjedene fra hverandre og det syntetiseres to nye, komplementære DNA kjeder ved hjelp av DNA polymerase. Celle deling omfatter også syntese av repeterte DNA sekvenser i enden av kromosomene telomerene. Dette besørges av enzymet telomerase. Uten telomerase-mediert syntese av repeterte sekvenser i telomerene vil cellen tape slike sekvenser ved hver celledeling, slik at når en celle har delt seg ganger så vil den bli senil og dø en programmert celledød apoptose. Celler med høy telomerase aktivitet kan i teorien dele seg langt flere ganger enn dette. Høy telomerase aktivitet sees ved enkelte typer cancer. Proteinsyntese foregår ved komplisert samspill mellom forskjellige transfer RNA (trna) og ribosomet. trna er RNA molekyler som binder aminosyrer og bringer dem enkeltvis til ribosomene for bruk i protein syntese. Proteinsyntesen starter ved at ribosomet griper fatt i et mrna, leser startkoden og «spaserer» derefter bortover mrna molekylet samtidig som det «leser» koden for hvilke aminosyrer som skal inngå i polypeptidet. I tur og orden hentes så aminosyre/

18 24 CELLEFUNKSJONER gifter. Antibiotika av typen tetracykliner og streptomycin blokkerer selektivt proteinsyntese i bakterier, mens cycloheximid blokkerer proteinsyntesen både i bakterier og mennesker. Protein nedbrytning. Figur som skjematisk viser RNA interferering, også kalt post translasjons gene "stumming" - PSTGS (post translational gene silencing). Se hosstående tekst for nærmere omtale. trna komplekser inn til ribosomet og aminosyren de inneholder hektes på enden av den etterhvert voksende peptidkjeden, mens trna resirkulerer tilbake til cytoplasma. Proteinsyntesen avsluttes når ribosomet har nådd fram til en stopp kodon. mrna og polypeptidkjeden frigjøres da fra ribosomet. Det tar omkring fra et halvt til noen minutter å lage et proteinmolekyl. Flere ribosomer kan være igang med proteinsyntese fra et og samme mrna. Mange proteiner som syntetiseres produseres med et signal peptid i forkant av molekylet. Dette har som funksjon å lede proteinet inn i endoplasmatiske reticulum hvor det er gjenstand for post translasjons modifikasjon. Proteinsyntesen kan stanses av medisiner og Det skjer kontinuerlig en oppbygging og nedbrytning av proteiner i kroppen. Nedbrytning av proteiner er godt organisert. I utgangspunktet kan man dele organismens proteinforråd inn i to hovedkategorier: fremmedprotein og egetprotein. Fremmedprotein har sterk tendens til å utløse en immunrespons. For å unngå dette, blir derfor alt fremmedproteinn vi inntar gjennom gastrointestinaltraktus immun-utestengt fra kroppen ved hjelp av diverse mekanismer og raskt degradert i tarmene ved spalting av proteolytiske enzymer. Når det gjelder kroppens egenproteiner så kan de inndeles i to underkategorier: 1. ekstracellulære proteiner og 2. intracellulære proteiner. Ekstracellulære proteiner slike som koagulasjonsfaktorer, immunglobuliner, albumin, peptid hormoner etc. blir alle tatt opp i celler ved pinocytose eller reseptor-mediert endocytose. Ved hjelp av disse to prosessene blir de ekstracellulære proteinene fraktet innover i cellen i små vesikler som til slutt smelter sammen med lysosomer. I de fusjonsvesiklene (sekundær-lysosomer) som oppstår blir proteinene degradert av lysosomale enzymer. Gjennom hele denne prosessen blir proteinene overhodet ikke eksponert for cytosol, men forblir ekstracellulært gjennom hele transportkjeden fram til degradering. Protein degradering i sekundærlysosomer er uspesifikk og foregår med omtrent samme hastighet uavhengig av hva slags protein man snakker om. Nedbrytning av ekstracellulære proteiner skjer forøvrig uavhengig av nedbrytningen av intracellulære proteiner. Denne form for proteinnedbrytning står i skarp kontrast til nedbrytningen av de intracellulære proteinene. Nedbrytning av intracellulære proteiner er presist regulert og varierer ettersom hva slags protein vi snakker om. Levetid for intracellulære proteiner strekker

19 CELLEFUNKSJONER 25 seg fra noen få minutter (f.eks. tumor suppresssor proteinet p53) til flere dager (f.eks. muskelproteinene actin og myosin). Nedbrytning av intracellulære proteiner foregår ikke segregert i egne celleorganeller, men skjer i selve cytosol. Sentralt i denne degraderingen står et protein ubiquitin. Ubiquitin er et protein som brukes til å tagge intracellulære proteiner som skal destrueres. Sagt på en annen måte: ubiquitinering gjør proteinene som er destinert for nedbygging gjenkjennbare for proteosomer som finnes i cytoplasma. Ubiquitinering av proteiner er en energikrevende kaskadereaksjon som løper helt til angjeldende protein er blitt polyubiquitinert. Proteasomer er enzymkomplekser som har som oppgave å bryte ned ubiquitin-taggete proteiner (se forøvrig avsnitt om cachexi i kapitel 13). Polyubiquitinerte proteiner blir fanget opp av proteasomene og spaltet opp i små peptider, mens ubiquitin proteinet blir frisatt og gjort tilgjengelig for ny bruk i cellen. Proteasomer kan sees på som en slags kompostkvern i cellen som tygger opp avfall (les: ubiquitin merkede proteiner). Det knytter seg interesse til å utvikle medisiner som hemmer proteasom funksjonen. Man ser for seg at hemning av proteasomer i celler vil kunne føre til celledød pga opphopning av søppel i form av ubiquitinerte proteiner. Det prøves nå ut medisiner som hemmer proteasomer i behandling av pasienter med malignt myelom. Tankegangen er at myelomceller tåler dårligere enn normale celler det stress som intracellulær opphopning av ubiquitinerte proteiner representerer. Mye er ennå ukjent når det gjelder protein nedbrytning. For eksempel så vet vi ikke hvorfor enkelte intracellulære proteiner er ekstremt stabile med lang levetid, mens andre proteiner har kort levetid. Videre: hvorfor blir noen proteiner bare brutt ned til spesielle tidspunkt i cellecyklus, mens andre proteiner kun nedbrytes som resultat av ekstracellulære celle stimuli, men er forøvrig er ganske stabile. Vi vet ennå lite om hvilke faktorer som igangsetter ubiquitiniseringsprosessen. Ubiqutin-mediert proteolyse spiller en rolle for et mangfold av basale celleprosesser. Eksempelvis er ubiqutin-mediert proteolyse involvert i regulering av celle cyklus og celledeling, celle differensiering, celleresponser til ekstracellulære stimuli og stress, modulering av celle overflate reseptorer, ionekanaler, DNA reparasjon etc., etc. Svarende til dette har man derfor god grunn til å tro at svikt i ubiquitinering av proteiner spiller en rolle i forbindelse med ulike cancerformer inklusivt alminnelige cancere som colorectalcancer, brystcancer, prostatacancer, samt en rekke andre sykdommer. Exocytose og endocytose. Når et protein er ferdig syntetisert skal det bringes videre til sitt forbruksted. Enten kan et protein sendes inn i en sekretorisk vei, eller det bli værende i cytoplasma eller inngå i en eller annen organelle. Informasjon om hvor det skal sendes, ligger kodet i det segmentet av polypeptidkjeden som kalles en signalsekvens eller signalpeptid. Endoplasmatiske retikulum syntetiserer fortrinnsvis sekretoriske proteiner. Det endoplasmatiske retikulum pakker de nysyntetiserte proteinene inn i vesikler som sendes til Golgi apparatet. I Golgi apparatet settes kjemiske sorterings signal på proteinet. Sorteringssignalet gir proteinet en adresse som bestemmer dets videre transport. Det er flere muligheter: videre transport kan lede til exocytose, eller til lagringsvesikler eller til lysosomer. Exocytose beskriver en prosess der vesikler transporteres ut til cellemembranen og smelter sammen med denne. Det er to typer exocytose: konstitutiv og regulert exocytose. Konstitutiv exocytose er en del av cellens rutinefunksjon. Den konstitutive exocytose kan f. eks. gå ut på å erstatte slitasjeskadete deler av cellemembranen og å erstatte membranproteiner av ulike slag. Konstitutiv exocytose sørger også for eksport av albumin og koagulasjonsfaktorer fra leverceller. Exocytose som er underlagt ekstern kontroll kalles regulert exocytose. Eksempler på regulert exocytose er hormonregulert enzymsekresjon fra acinære

20 26 CELLEFUNKSJONER Endocytose. Figuren viser detaljene ved endocytose mekanismer slik vi i dag kjenner dem. Endocytose skjer ved at en serie clathrin molekyler samler seg på innsiden av cellemembranen og danner en kurv som så trekker det nærliggende partiet av cellemembranen i dypet. På et visst tidspunkt snøres så forbindelsen mellom fordypningen og resten av celle overflaten av. Endocytose av et parti av cellemembranen inn i cellen er da et faktum. Clathrin aggregerer til mikrodomener på innsiden av cellemembranen som kjennetegnes av et rikt innhold av PIP 2 (fosfoinositol fosfat). Diverse andre proteiner som AP-2, AP180 (adaptor protein) og det homologe CALM (clathrin assembly lymphoid myeloid leukemia protein) samt epsin aggregerer også til det samme området. Dynamin, som er enda et annet protein, tiltrekkes også av PIP 2. Dynamin effektuerer overskjæring av halsen som forbinder det endocyterte parti av cellemembranen med celleoverflaten. Når vesikkelen er endocytert så defosforyliseres PIP 2 på vesikkelen. Clathrin og de andre faktorene nevnt ovenfor dissosierer da vekk. De kan da brukes om igjen til endocytose av nye partier av cellemembranen. celler i pankreas. Når hormonet cholecystokinin stimulerer acinære pankreasceller, exocyterer lagringsvesikler inneholdende sekretgranula til acinus i kjertelen og tømmer ut sitt innhold av lagrete fordøyelsesenzymer. Membranfusjonen som skjer mellom exocyterende vesikkel og cellemembranen er en komplisert prosess. Den involverer medvirkning av spesialiserte dokkingproteiner. Endocytose. Endocytose er det motsatte av exocytose. Mens exocytose er sammensmeltning av en vesikkel med cellemembranen, så er endocytose en prosess der cellemembranen bukter seg inn og danner en vesikkel som så avsnøres fra cellemembranen og trekkes inn i cellen. Endocytose begynner i spesialiserte områder av cellemembranen så som clathrin kledde fordypninger. Clathrin er et protein som danner et nettverk på innsiden av fordypningen og formidler kraften som brukes til å trekke cellemembranen inn i cellen. Mange membranbundne reseptormolekyler er lokalisert nettopp til clathrin kledde fordypninger. Clathrin kledde fordypninger danner grunnlaget for selektivt opptak av substanser, ligander, fra omverdenen via reseptormediert endocytose. En ligand er et stoff som bindes til en reseptor. F.eks. vil liganden cholesterol bindes til LDL-reseptoren (low density lipoproteinreseptoren) og derefter endocyteres. Denne prosessen er hovedmekanismen hvorved celler tar opp cholesterol fra blodbanen. Mangler LDL-reseptoren pga genetisk