TBT Bioteknologi Notater til eksamen

Transkript

1 TBT Bioteknologi Notater til eksamen Kjetil Sonerud sonerud@stud.ntnu.no 4. juni

2 Innhold I To do 4 II Oversikt over viktige termer 5 1 Basis 5 2 Enzymer 29 3 Membrantransport 34 4 DNA-replikasjon 38 5 Transkripsjon 42 6 Translasjon 47 7 DNA-mutasjon, reparasjon and rekombinasjon 50 8 Metabolisme 51 9 Regulering Rekombinant DNA-teknologi Diverse 65 III Fundamentale biologiske prosesser Replikasjon Transkripsjon Translasjon Regulering Membrantransport Enzymkatalyse 70 2

3 18 Metabolisme 70 IV Praktiske problemstillinger 71 3

4 Del I To do Sjekk opp ORF-problemstillingen Notater fra Ingvild Foiler Wikipedia 4

5 Del II Oversikt over viktige termer 1 Basis Definisjon av bioteknologi Bioteknologi er et fagfelt innen anvendt biologi som involverer bruk av levende organismer og biologiske prosesser i teknologi, medisin og andre disipliner der bioprodukter trengs. Fra forelesningsnotatene Anvendelse av vitenskap og teknologi på levende organismer, samt deler, produkter og modeller av disse, for å endre levende eller ikke-levende materiale for produksjon av kunnskap, varer og tjenester. Bioteknologi dreier seg mest om celler eller deler av dem, men hele organismer kan også i noen sammenhenger ses på som en del av bioteknologien. Det jobbes typisk på cellene eller organismene fra en kjemikers synsvinkel, og det som observeres blir forsøkt forklart molekylært. Dette leder i mange tilfeller inn i en enorm kompleksitet, noe som har medfært en økende trend mot multidisiplinaritet (biologi, kjemi, bioinformatikk, fysikk, matematikk). Bioteknologien er med andre ord ikke lenger et rent deskriptivt fag, slik biologien historisk sett har vært. Prokaryoter Dette innebefatter bakterier og arkebakterier - strukturmessig er prokaryotene enklere en eukaryotene. Figur 1 viser en typisk prokaryot celle. Eukaryoter Mennesker, dyr og planter er en del av disse. Figur 2 viser en typisk dyrecelle og en typisk plantecelle - begge er eukaryote celler. Gram-positive og Gram-negativ bakterier To ulike typer bakterier, skilles med Gram-testen. Her vil Gram-positive bakterier farges, fordi disse mangler yttermembran, mens Gram-negative bakterier ikke vil farges. Figur 3 viser forskjellen i cellemembranen hos de to typene bakterier. 5

6 Figur 1: Typisk prokaryot celle. (a) Dyrecelle (b) Plantecelle Figur 2: Eksempel på en typisk eukaryot dyrecelle og plantecelle Figur 3: Membraner hos (a) Gram-positiv og (b) Gram-negativ bakterie. 6

7 Archaea Archaea er en gruppe av encellede organismer som visuelt minner mye om bakterier, men som likevel ligger nærmere eukaryotene når det kommer til gener og enkelte metabolske ruter - dette gjelder særlig enzymer for transkripsjon og translasjon. Andre sider ved biokjemien er helt unik og skiller seg fra både bakterier og eukaryoter. Generelt oppviser archaeaene en stor variasjon i måten de tar opp energi på - alt fra sukker, hydrogengass, amoniakk og sollys utnyttes av enkelte arter (ikke på en gang!). Archaea har ingen cellekjerne eller andre membranbundende organeller i cellene sine. Ettersom de ofte lever i ekstreme miljø, utnyttes enzymer fra archaea som tåler høye temperaturer og organiske løsemidler ofte i bioteknologi. Eksponensialvekst Under forutsetning om at det overlever flere bakterier enn det dør ut i hver celledeling, vil bakteriekolonier typisk følge en eksponensiell vekstkuve, Ae ax. Under gode forhold, med riktig temperatur og rikelig med tilførsel av næringsstoffer, er dette typisk oppfylt. Stasjonær fase Den stasjonære fasen er en del av bakterienes livssyklus. Under stasjonære fasen bremser veksten som følge av at næringsstoffene brukes opp og toksiske produkter akkumuleres. Denne fasen nås når bakteriene begynner å bruke opp ressursene som er tilgjengelige for dem. Denne fasen er en konstant verdi der frekvensen av bakterievekst er lik frekvensen av bakteriell død - vi har en likevektsituasjon. Figur 4 viser livssyklusen for en typisk bakterie. Virus Et virus er et lite smittestoff som utelukkende kan reprodusere inne i levende celler. Satt på spissen er virus bare en boks med arvestoff - de oppfyller ikke kravene til å bli oppfattet som levende. Virus infiserer alle typer organismer, fra dyr og planter til bakterier og arkebakterier. Virus består i hovedsak av tre deler 1. Genetisk materiale (arvestoff), enten i form av DNA eller RNA (enkelteller dobbelttrådig) 2. En proteinkapsel som omslutter og beskytter arvestoffet 3. Ivissetilfelleretomsluttendelagavlipidersomliggerrundtproteinkapselen når viruset er utenfor cellen. 7

8 Figur 4: Oversikt over en vanlig livssyklus for bakterier Virus kan spres på mange måter, ofte gjennom sykdomsbærende organismer kalt vektorer -et godt eksempel på dette er mygg(malaria). Dobbel- og enkelt-trådig DNA/RNA i virus Det finnes virus som har både enkelt- og dobbelstranded DNA eller RNA som arvestoff (ikke i samme virus!) Disse forkortes som følger ssdna: single stranded DNA dsdna: double stranded DNA ssrna: single stranded RNA dsrna: double stranded RNA Grunnen til at DNA (og RNA) fungerer så godt som bærer av genetisk informasjon er at disse molekylene både kan dirigere sin egen replikasjon (gjennom komplementær baseparring), og samtidig fungere som en mal for syntese av proteiner. Bakteriofag En bakteriofag er et virus som angriper og infiserer bakterier, og er blant de vanligste biologiske enheter på jorden. Bakteriofager med hale og dsdna, kalt Caudovirales,står for 95%av alle bakteriofager rapportert i vitenskapelig litteratur, og utgjør muligens majoriteten av bakteriofager på planeten - en slik er vist i figur 5 Bakteriofagene er sett på som en mulig behandling mot multiresistente stam- 8

9 Figur 5: En typisk bakteriofag mer av mange bakterier (de har lenge blitt brukt i Russland og Øst-Europa som et alternativ til antibiotika). Universell forfader Det er overveiende sannsynlig at alt liv stammer fra én enkelt forfader. Det faktum at alt liv bruker DNA som arvestoff i dag styrker denne teorien. Figur 6illustrererdette. Figur 6: Livets tre Organeller Organeller er membraninnlukkede strukturer som finnes i eukaryote celler. 9

10 Disse strukturene inkluderer blant annet mitokondrier og kloroplaster. Nukleoid En region i prokaryote celler som inneholder kjernemateriale uten et kjernemembran (slik eukaryote celler har). Det genetiske metarialet er lagret her, vanligvis i form av en sirkulær, dobbeltrådig bit med DNA. Supercoiling IcellenvilDNA-trådenesnurresegoppsomfølgeavmekaniskstress.Dette er litt som å tvinne en gammeldags telefonledning, og omtales ofte som en snurr på snurren ( coiling of a coil ). Vi har både negativ supercoiling (færre rotasjoner per enhetslengde i forhold til relaksert tilstand) og positiv supercoiling (flere rotasjoner per enhetslengde enn i relaksert tilstand). Histoner Histoner er en del av kromatinproteinene som binder seg til DNA-tråden i eukaryoter og bidrar til pakkingen av DNA til kromosomer. De er små proteiner som er rike på arginin og/eller lysin, noe som gir dem en positiv ladning slik at de kan binde seg til de negativt ladde fosfatgruppene på utsiden av DNA-dobbelhelixen med ioniske bindinger. Når DNAet skal pakkes vikles DNA-tråden rundt histonene, og kan på denne måten pakkes tett sammen. Histonene kan sees på som trådspoler, der DNAet surres opp - DNA-tråden er snurret rundt histonene 1,67 ganger. Figur 7 viser hvordan DNA pakkes i eukaryote celler. Figur 7: Pakking av DNA i eukaryote celler - først snurres DNA-tråden rundt kjernehistoner, deretterrundth1-histoner, ogvidererundtstillasproteiner Nukleosomer Et nukleosom er et histonkompleks bundet til DNA. Disse nukleosomene pakker seg igjen sammen (her er supercoiling sentralt) til stadig større strukturer -sluttproduktetavdennepakkingenerkromosomene. Kromatin IeukaryotecellererDNAetlagretsometprotein-DNA-komplekssomkalles et kromatin. Ettersom DNAet må pakkes svært tett i cellene har kromosomene behov for proteiner som strukturell støtte. 10

11 Kromosom Et komplett DNA-molekyl kalles et kromosom. Pakking IeukaryotecellerpakkesDNAeticellekjernenpåenspesiellmåtevedhjelpav bestemte proteiner, se figur 7. Den ultimate pakkede strukturen som DNAet befinner seg i ved celledelingen kalles kromosomer. Merk at når DNAet er pakket tett (som i kromosomene) er det ikke tilgjengelig for aktivitet (replikasjon eller transkripsjon) - på denne måten kan genregulering oppnås. Genom Ordet genom brukes vanligvis om den fullstendige genetiske informasjonen i en gitt organisme. Eksempelvis inneholder det humane genom rundt 3.2 milliarder basepar (altså 3.2 milliarder basepar per kromosom - ettersom disse foreligger i par blir det totalt i overkant av 6 milliarder basepar per celle). Den komplette sekvenseringen ble fullført i 2003 gjennom The Human Genome Project. Mitokondrier Cellens energifabrikker. Det er her metabolismen foregår, og produksjonen av ATP finner sted. Figur 8: Strukturen i en mitokondrie. 1) er det indre membranet, 2) er det ytre membranet, 3)ercristae og 4) er matrisen Kloroplaster Dette er organeller som finnes utelukkende i planter, og som deltar i fotosyntesen. Organelt DNA IeukaryotecellerlagresdeleravDNAetiorganellersommitokondrier(mitokondrielt DNA) og kloroplaster. Mitokondrielt DNA er interessant i forbindelse med å studere hvordan menneskene har utviklet seg fra en felles opprinnelse - ettersom dette DNAet stammer rett fra moren, og kun endres 11

12 gjennom tilfeldig mutasjon, kan det brukes til å kartlegge utviklingen av den menneskelige rasen. Vår opprinnelse er sporet tilbake til en felles forfader i Afrika, som spredte seg til de andre kontinentene for år siden. Cellekjernen DNAet ligger lagret her. Merk at det bare er eukaryote celler som har cellekjerne. Cellevegg Celleveggen er et lag som ligger utenpå cellemembranen i visse celler, og bidrar med beskyttelse og struktur. Både planter, bakterier og visse arkebakterier kan ha cellevegg - dyreceller har ikke dette. Et eksempel på hva celleveggen består av er plantenes cellulosebaserte cellevegg. Kjernemembran Kjernemembranet er et dobbelt semipermiabelt dobbelt lipidlag som omslutter det genetiske materialet i eukaryote celler. Dette membranet fungerer som et fysisk skille mellom inneholdet i kjernen (hovedsaklig DNA) og resten av cytoplasmaet i cellen. I membranet sitter det såkalte kjerneporer som fasiliterer og regulerer transport av molekyler inn og ut av kjernen. Indre membran Et indre membran er et lipid bilag i en organell eller en Gram-negativ bakterie som er innenfor et ytre membran. Rommet mellom indre og ytre membran kalles lumen. Cytoplasmisk membran Tilsynelatende er termen cytoplasmisk membran det samme som en vanlig cellemembran. Plasmamembran Tilsynelatende brukes også termen plasmamembran i mange sammenhenger om et vanlig cellemembran. Det er likevel små skilnader; eksempelvis har Gram-positive bakterier bare et plasmamembran, mens Gram-negative bakterier har både at ytre membran og et plasmamembran (de to er adskilt av et periplasmisk rom). Ytre membran Det ytre membranet omslutter organeller eller Gram-negative bakterier. Lipid bilag Et lipid bilag er et tynt membran som består av to lag av lipidmolekyler. Slike membran former en kontinuerlig barriere rundt cellene - cellemembranen i 12

13 nesten alle levende organismer og i mange virus består av et slikt dobbelt lipidlag. Naturlige bilag består i all hovedsak av fosfolipider, som har et hydrofilt hode og to hydrofobe haler. Dettegjøratdespontantdanneret bilag når de utsettes for vann, med de hydrofobe hodene ut mot vannet og de hydrofile halene inn - se figur 9. Figur 9: Figuren illustrerer hvordan et lipid bilag dannes når fosfolipider utsettes for vann Peptidoglycan En peptidoglycan er en polymerstruktur som består av både sukker og aminosyrer, og som former en gitteraktig forbindelse som bygger opp celleveggen i bakterier (denne ligger utenfor plasmamembranet). Mengden peptidoglycan er langt større i Gram-positive bakterier enn i Gram-negative (tykkelsen er 20-80nm i førstnevnte, mot 7-8nm i sistnevnte). Mengden peptidoglycan kan dermed bidra til å klassifisere en bakterie som enten Gram-positiv eller Gram-negativ. Cytosol Cytosolen er den intracellulære væsken som finnes inne i celler, og er en kompleks mix av vannløste stoff (ioner og molekyler) - vann er hovedingrediensen. Merk at inneholdet i organellene (i eukaryote celler) ikke regnes som en del av cytosolen - man kan si at den delen av cytoplasmaet som ikke er organellbundet er cytosolen. I prokaryote celler foregår det meste av metabolismen i cytosolen, mens i eukaryote celler er det en fordeling mellom metabolisme i cytosolen (eksempelvis glykolysen) ogmetabolismeiorganeller(eksempelvis sitronsyresyklusen). Cytoplasma Det totale inneholdet i en eukaryot celle innenfor cellemembranet, utenom cellekjernen, omtales som cytoplasmaet. Iprokaryoterregnesaltinneholdet icellensomendelavcytoplasmaet. 13

14 Flagellum En flagellum er en slags haleliknende struktur som stikker ut av cellen i visse pro- og eukaryote celler, og som har som funksjon å drive cellen bortover - den er som en slags molekylær propell. Vev Når det kommer til kroppens oppbygging finner vi vevet på et nivå mellom de enkelte cellene og den komplette organismen. Et vev er en ansamling av celler som har samme opprinnelse (men som ikke nødvendigvis er identiske), som sammen utfører en bestemt funksjon i kroppen. Organer dannes ved å gruppere sammen flere vevgrupper. Makromolekyler Et makromolekyl er stort molekyl, og er satt sammen av mange mindre molekyl ved polymerisering. Eksempel på makromolekyl er glykogen (satt sammen av glukosemonomere) og proteiner (satt sammen av aminosyremonomere). Nukleinsyrer Nukleinsyrer er biologiske molekyler som er essensielle for livets eksistens, og inkluderer både RNA og DNA. Sammen med proteinene er nukleinsyrene de viktigste makromolekyler, og finnes i stort omfang i alle levende organismer. Nukleinsyrene er lineære polymerer bygget opp av nukleotider,ogharetstort spenn i størrelse - fra 21 nukleotider i sirna til 247 millioner basepar i store kromosomer (menneskelig kromosom 1 ). mrna Messenger RNA (mrna) transkriberes fra DNA i cellen, og er ansvarlig for å frakte den genetiske informasjonen fra DNAet til ribosomene, der proteinproduksjonen (translasjonen) foregår.i prokaryoter skjer både transkripsjonen og translasjonen samtidig, ettersom arvestoffet foreligger i cytosolen. I eukaryote celler, derimot, foreligger arvestoffet i cellekjernen, og mrna frakter den genetiske informasjonen ut av kjernen til ribosomene i cytoplasmaet der proteinproduksjonen foregår. rrna Ribosomalt RNA (rrna) inngår i ribosomene, der proteinproduksjonen foregår. De bidrar med katalytisk aktivitet, ogermedpååoversettemrnatil den riktige aminosyresekvensen gjennom interaksjon med trna. trna Transfer RNA (trna) er med på å knytte rett aminosyre til rett kodon i translasjonsprosessen. De fungerer som bærere av aminosyrer, og gjennom interaksjon med mrna i ribosomene knyttes aminosyrene sammen i riktig 14

15 rekkefølge for å danne proteiner. Proteiner Proteiner er polypeptider, som består av kortere eller lengre kjeder av 20 ulike aminosyrer (typisk 100-talls antall aminosyrer). Sekvensen av aminosyrene (primærstrukturen) avgjør proteinets romlige utseende (sekundær-, -tertiær og kvartærstrukturen) og dermed den biologiske aktiviteten til proteinet. Mange proteiner er enzymer som katalyserer biokjemiske reaksjoner, mens andre inngår som strukturelle enheter eller som signal-, transport eller muskelproteiner. Høyre- og venstrehåndshelix En hvilken som helst helix vil ha en retning, idenforstandathvisdubeveger deg langs en tråd i helixen vil du gå enten med eller mot klokken - dette gjelder både dobbelttråder som DNA, men også alfahelixen i proteiners sekundærstruktur. DNA i sin vanlige form er en høyrehåndshelix. Se figur?? for en illustrasjon av konseptet. Figur 10: Illustrerer forskjellen på en høyre- og venstrehåndshelix Beta-sheet En beta-sheet er en flat sekundærstruktur i proteiner som dannes som følge av hydrogenbindinger mellom C=O- og N-H-gruppene på to nabokjeder av aminosyrer. På denne måten kan flere kjeder av aminosyrer kan dermed forme et flatt ark av polypeptider. Figur 11 viser de to måtene et slikt ark kan dannes - parallelt og antiparallelt. 3D-struktur Et hvert protein har en spesifikk tredimensjonal struktur som er avgjørende for proteinets funksjon og aktivitet. Eksempelvis vil det aktive setet i et 15

16 (a) Parallell beta sheet (b) Antiparallell beta sheet Figur 11: Illustrerer oppbygningen av en beta sheet, samt forskjellen på en parallell og antiparallell utgave enzym være et resultat av en slik tredimensjonal struktur - på denne måten er strukturen helt avgjørende for at enzymet skal fungere riktig. Proteinfolding and denaturering Primærstruktur Primærstrukturen i et protein er rekkefølgen av aminosyrene i proteinet. Hvert enkelt protein har en bestemt rekkefølge, som igjen gir ulik tredimensjonal struktur og ulik funksjonalitet. Se figur 12 Figur 12: Proteinets struktur Sekundær- og tertiær struktur i proteiner Sekundærstrukturen i et protein beskriver substrukturer som går igjen i oppbyggingen. De to vanligste strukturene er 16

17 Alfahelix :Ryggradenavproteinstrukturenersattsammensomenspiralliknende coil, liknende en slags enkelttrådig DNA-helix. Beta sheet: Idennestrukturenliggerpolypeptidkjedenesidevedside, og lager et slags flatt ark. Tertiærstrukturen forteller hvordan den tredimensjonale strukturen til det ferdigfoldede proteinet ser ut. Dersom flere slike proteiner er koblet sammen til en større enhet, eksempelvis hemoglobin eller mange allosteriske enzymer. Se figur 12 for en komplett oversikt over primær-, sekundær-, tertiær- og kvartærstrukturen til et tilfeldig valgt protein. Strukturelt protein Strukturelle proteiner bidrar med stivhet og rigiditet til ellers myke og fluidaktige biologiske komponenter - de fungerer eksempelvis som et slags stillas i cytoskeletten som finnes i alle celler. De fleste slike proteiner har en fiberkarakter (eksempelvis i polymere av proteinene actin og tubulin som bygger opp cytoskelettet). Motorproteiner i musklene er også et viktig eksempel på strukturelle proteiner. Reguleringsprotein Gjennon selektiv binding til substrat- og signalmolekyler kan proteinene endre konformasjon, og dermed sin biologiske aktivitet. Dermed kan proteiner bidra til å styre utvikling, vekst og metabolisme i cellen. Slik selektiv gjenkjennelse tar i bruk svake kjemiske bindinger (hovedsaklig hydrogenbindinger), og oppnår dermed fleksibilitet og reversibilitet. Peptid Termen peptid brukes ofte om et fåtall aminosyrer bundet sammen med peptidbindinger.slikebindingerdannesvedenkondensasjonsreaksjonmellom karboksylgruppen på den ene aminosyren og aminogruppen på den andre - dette resulterer i et amid. Peptider har en aminoende og en karboksylende (unntaket er sykliske peptider). Polypeptid Et polypeptid er en lang kjede av aminosyrer, knyttet sammen med peptidbindinger. Proteiner er polypeptider av varierende lengde. Enzym Et enzym er et (eller en samling av) protein som katalyserer biokjemiske reaksjoner knyttet til et bestemt substratmolekyl (eller en bestemt gruppe substratmolekyl). Ved å binde seg til substratmolekylet senker enzymet aktiveringsenergien for den kjemiske reaksjonen fra reaktant til produkt, og reaksjonshastigheten øker. 17

18 (a) Kondensasjon av glysin (b) Dannelse av en peptidbinding Figur 13: Peptidbindingen Membranprotein Et membranprotein er et protein som er festet på eller assosiert med membranet i en celle eller et organell. Mer en halvparten av alle proteiner har en eller annen form for membraninteraksjon, og er svært viktig i membrantransport og signaltransduksjon. Deviktigstegruppeneavmembranproteinerertransportproteiner, strukturelle proteiner og proteiner knyttet til signaltransport og intracellulær kommunikasjon. Membranutspennende del av et membranprotein Den delen av et membranprotein som ligger inne i cellemembranen kalles den membranutspennende delen. Ettersom det indre miljøet i et cellemembran er hydrofobt, inneholder denne delen av proteinet ofte en stor andel av hydrofobe sidegrupper. Enzymnomenklatur Mange enzymer gis trivialnavn ettersom hvilket substrat de interakterer med eller hvilket produkt de danner, med endelsen -ase. Eksempel er ATP syntetase eller DNA polymerase. En mer formell navnsetting er basert på seks hovedgrupper enzymer (med mange under- og underundergrupper), klassifisert etter den typen kjemisk reaksjon de katalyserer 1. EC 1: Oxidoreductaser 2. EC 2: Transferaser 3. EC 3: Hydrolaser 4. EC 4: Lyaser 5. EC 5: Isomeraser 6. EC 6: Ligaser 18

19 Røntgenkrystallografi Brukes til å bestemme fordelingen og plasseringen av atomer i en krystallinsk struktur. Denne teknikken kan for eksempel brukes på proteiner, vitaminer og DNA, og er historisk viktig da den ga de første hintene om DNAets dobbelhelixstruktur (Watson og Crick brukte denne informasjonen, tatt/lånt fra Franklin, når de kom opp med sin revolusjonerende idé om arvestoffets oppbygning. NMR Nuclear Magnetic Resonance (NMR) er en viktig teknikk for å analysere organiske strukturer, samt innen medisinsk anvendelse. Her utnyttes atomer som har et netto kjernespinn -detteinkluderer 1 H og 1 3C. Lipider Denne brede molekylgruppen inneholder blant annet fett, fettsyrer, voks, fettløselige vitaminer og fosfolipider, for å nevne noen forbindelser. Hovedfunksjonen deres i biologisk sammenheng er som energilager, strukturelle komponenter i cellemembranen (fosfolipider) og som viktige signalmolekyl. Det hender at termen lipid brukes som et synonym til fett, menfetterkun en viktig undergruppe av lipidene som kalles triglyserider. Polysakkarider Polysakkarider er lange polymere av karbohydratmolekyler dannet av repeterende enheter av mono- eller disakkardier. Et viktig polysakkarid bygget opp av monomere glukoseenheter er glykogen,etanneterstivelse -beggebrukestil energilagring (henholdsvis i dyr og planter). Cellulose, som er svært viktig i oppbygningen av planter, er også et polysakkarid. Cellulose Et polysakkarid som består av lange kjeder (flere hundre til mange tusen enheter) av sammenknyttede glukosemolekyler. Cellulose er primærkomponenten i plantenes cellevegg, og er den vanligste organiske forbindelsen på jorden. Aldose En aldose er et monosakkarid som inneholder en aldehydgruppe per molekyl. De fleste ketoser har stereoisomeri, slik at de kan foreligge i en L- eller en D-form. Et eksempel på en ketose er fruktose. Ketose En ketose er et monosakkarid som inneholder en ketogruppe per molekyl. Alle aldoser har stereoisomeri, slik at de kan foreligge i en L- eller en D-form. Både ribose og glukose er aldoser. 19

20 Epimer Epimere er diasteromere molekyl som skiller seg fra hverandre (konfigurasjonsmessig) med kun ett stereogent senter. Eksempelvis er sukkerene α- glukose og β-glukose epimere. Sukker i ringform og lineær form Aldehyd- eller ketogruppen i rettkjedede monosakkarider kan reagere reversibelt med hydroxylgruppen på et annet karbonatom i kjeden, slik at det dannes en hemiacetal eller hemiketal struktur. En slik struktur er en hetrosyklisk ring med en oksygenbro mellom to karbonatomer. Det foreligger en likevekt mellom ringformen og den lineære formen. Se figur 14. Figur 14: Monosakkarider, her glukose, kan foreligge i ringform eller lineær form Triglyserider Et triglyserid er en ester dannet mellom den treverdige alkoholen glyserol og tre fettsyrer (lange, upolare karboksylsyrer). Triglyserider er hovedbestanddelen i vegetabilske oljer og animalsk fett. Triglyserider har høyt energiinnehold (38 kj/gram, omtrent dobbelt så mye som proteiner eller karbohydrater), og spiller således en viktig rolle i metabolismen. Lipopolysakkarider Lipopolysakkarider, også kjent som lipoglykaner, er store molekyl som består av et lipid og et polysakkarid som er kovalent sammenbundet. De finnes i det ytre membranet hos Gram-negative bakterier, og virker som endotoksiner - de fremkaller kraftige immunreaksjoner hos vanlige immunsystem hos dyr. Lipoprotein Lipoproteiner er proteiner som har lipider bundet til seg, og mange enzymer, strukturelle proteiner og giftstoffer er lipoproteiner. 20

21 Fosfolipid De fleste fosfolipider består av et diglyserid, en fosfatgruppe og et enkelt organisk molekyl. De er svært viktige for cellen ettersom de er hovedbestanddelen av cellemembranen, der de former et lipid bilag. Karbohydrater Karbohydrater består som navnet tilsier av molekyler med kjemisk formel C x (H 2 O) x,ogbørseespå(kjemisk)sompolyhydroxyaldehyderog-ketoner. Denne gruppen organiske forbindelser inneholder blant annet monosakkarider som glukose og ribose, men også polysakkarider som stivelse og glykogen. Merk at termen sakkarid og karbohydrat er synonyme i biokjemien. Aminosyrer (L- og D-form) En aminosyre er et molekyl som inneholder både en amingruppe og en karboksylsyregruppe, derav navnet. De har også en sidekjede (-R) som varierer fra aminosyre til aminosyre. I biokjemien refererer termen i all hovedsak til α-aminosyrene, med generisk formel H 2 NCHRCOOH,deramingruppener festet på nabokarbonet til syregruppen. Aminosyrene er essensielle for livet slik vi kjenner det, da disse er byggestenene i proteiner. Det er 22 aminosyrer som naturlig inngår i proteinsyntesen, og 20 av disse kodes for av den universale genetiske koden. Alle aminosyrer (utenom glysin) kan foreligge i to stereoisomere former, L- og D-form. I proteinsyntesen i ribosomene er det kun L-formen som brukes, men i visse proteiner kan D-formen introduseres gjennom posttranslatoriske modifikasjoner. R-grupper i aminosyrer R-gruppene i aminosyrene består av organiske sidegrupper, og varierer i kompleksitet og oppbygning. Eksempelvis er sidegruppen en simpel H i glysin til en stor hetrosyklisk gruppe i tryptofan. Sidegruppenes ulike egenskaper (hydrofobe og ikke-hydrofobe, ioniske og ikke-ioniske, for å nevne noen) er sentrale for funksjonaliteten til proteinene de inngår i. Disulfidbro En såkalt disulfidbro er en kovalent binding mellom to svovelatomer i sidegruppene til to molekyler av aminosyren cystein, og er viktig for strukturen iproteiner-påtrossavatdeterrelativtfåslikebindingeriproteinet.dette skyldes at de kovalente S S-bindingene er sterke i forhold til hydrogenbindingene som i hovedsak holder proteinet sammen - derfor har de stor strukturell betydning. I figur 15 er dannelsen av slike bindinger illustrert. pka- og pi-verdier for aminosyrer 21

22 Figur 15: Dannelsen av en disulfidbro Ettersom aminosyrene har både en amin- og en syregruppe, har de amfotære egenskaper. ForpH-verdierrundtdetnøytraleområdet(mellomca.2.2og 9.4 for snittet av aminosyrer) vil aminosyrene foreligge på såkalt zwitterionform, detvilsiatkarboksylgruppenerdeprotonert(negativtladet)mens amingruppen er protonert (positivt ladet). Figur 16 viser hvordan ladningsfordelingen varierer med ph. Figur 16: Ladning på en generisk aminosyre som funksjon av ph. Merk at R- gruppen har innvirkning på det isoelektriske punktet. Den ph-verdien som ligger midt mellom de to pka-verdiene (for syre- og amingruppen) for en gitt aminosyre vil gi en netto ladning på null for denne syren. Dette punktet kalles et isoelektrisk punkt, ogerengenerellbetegnelse for når et amfotært molekyl har en natto overflateladning på null. Ettersom pka-verdiene vil variere fra aminosyre til aminosyre grunnet de ulike R-gruppene, vil også pi-verdiene variere. Dette kan brukes i eksempelvis elektroforese til å skille ulike aminosyrer fra hverandre. Puriner Puriner er en familie av baser som består av en dobbeltringstruktur, og omfatter adenosin og guanin. Se figur 17. Pyrimidiner 22

23 Figur 17: Oversikt over de ulike basene som inngår i nukleinsyrer, delt inn i puriner og pyrimidiner Pyrimidinene er en familie av baser som består av en enkeltringstruktur, og omfatter tymin og cytosin (i DNA) og uracil (i RNA). Merk at tymin er identisk med uracil, rent bortsett fra at tymin har en ekstra metylgruppe. Dette er med på å stabilisere DNA rent kjemisk (i forhold til RNA). Se figur 17. Nukleosider Base + sukker (merk at det er sukkeret som skiller mellom DNA og RNA, i tillegg til at tymin er byttet ut med uracil) Nukleotider Base + sukker + fosfat (merk at det er sukkeret som skiller mellom DNA og RNA, i tillegg til at tymin er byttet ut med uracil). Figur 18 viser oppbygningen av et nukleotid basert på ribose. Baser (i nukleinsyrer) En base er en fellesbetegnelse på de kjemiske forbindelsene som utgjør det genetiske alfabetet. Merk at basene i RNA er de samme som i DNA, bortsett fra at tymin er byttet ut med uracil. Se figur 17 for en oversikt over alle basene. Hydrogenbindingene mellom basene, vist i figur 19, er selve nøkkelen til DNA som genetisk informasjonsbærer. Såkalt Watson-Crick-baseparring gjør at A utelukkende binder seg til T, og G utelukkende binder seg til C. På denne måten kan hver av de to trådene i DNA-molekylet fungere som en 23

24 Figur 18: Generell oppbygning av et nukleotid, her basert på ribose - i et deoksynukleotid, sombyggeroppdna,er-oh-gruppenbyttetutmedethydrogen. mal for et nytt DNA-molekyl under replikasjon. (a) Binding mellom A-T (b) Binding mellom G-C Figur 19: Hydrogenbindinger mellom A-T og G-C Ribose Ribose er et monosakkarid - en aldose med kjemisk formel C 5 H 10 O 5,altsåen pentose. Den kan foreligge i to stereoisomere formen, men i naturen er det D-formen som er interessant. Ribose utgjør ryggraden i RNA sammen med fosfat, og er således svært sentral i biokjemien. Deoksyribose Deoksyribose er også et monosakkarid, og er identisk med ribose bortsett fra at det mangler en -OH-gruppe (et oksygenatom er fjernet). Deoksyribose utgjør ryggraden i DNA (sammen med fosfat), og er en essensiell del av arvestoffet. 5 - og 3 -ende Hver av trådene i alle DNA-molekyl (og RNA-molekyl) har en polaritet - de har en bestemt retning. Når vi snakker om 5 - og 3 -enden av molekylet refereres det til de terminale OH-gruppenes posisjon i sukkermolekylet - se figur 20 for en illustrasjon av dette. Det er en vanlig konvensjon å skrive DNA-sekvensen fra 5 -hydroxyenden til 24

25 Figur 20: Viser oppbygningen av DNA og RNA, med polaritet og antiparallelle tråder 3 -hydroxyenden (altså 5 -enden til venstre, 3 -enden til høyre), slik at 5 - CATGTA-3 kan skrives som CATGTA. Merk at vi ikke trenger å skrive opp begge trådene i dobbelthelixen, ettersom det er gitt at de to er komplementære og antiparallelle, slik figur 20 viser. Amino- and karboksyterminal ende Også aminosyrer har en iboende polaritet - hver enkelt syre har en aminende og en karboksylsyre-ende. Detteførertilatpolypeptider(ogdermed proteiner) har en iboende retning, illustrert i figur 21. Figur 21: Figuren viser pentapeptidet Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu, og illustrerer hvordan konvensjonen er å starte navngivningen med den aminoterminale enden til venstre, og den karboksylterminale enden til høyre Peptidbinding En peptidbinding dannes når en karboksylgruppe kondenserer sammen med en amingruppe og vann spaltes av. Slike bindinger er sentrale i proteiner, da de binder de ulike aminosyrene som proteinet er bygget opp av sammen - se figur 21, der disse bindingene er markert med gult. 25

26 NTP NTP er en generisk term for nukleosid trifosfat, der et ribosenukleosid er bundet til tre fosfatgrupper. Adenosin trifosfat (ATP) er den vanligste, og er den sentrale energibæreren i levende organismer. Guanosin trifosfat (GTP) brukes også som energibærer i visse tilfeller, og er en viktig kofaktor i mange enzymer og proteiner. Generelt sørger NTPer for energitilførsel, og bidrar med fosfatgrupper for fosforylering. dntp dntp er en generisk term for deoksynukleosid trifosfat, der et deoksyribonukleosid er bundet til tre fosfatgrupper. Kilobase (kb) Kilobase er et lengdemål som brukes om DNA/RNA-molekyl, og svarer til 1k basepar (1000 basepar). Ettersom et bp svarer til omtrent 3.4 Å langs en tråd, kan dette målet også overføres til et metrisk mål (selv om dette i mange tilfeller er lite hensiktsmessig). Bp Bp står for base pair, ogindikererettenkeltbaseparietdna/rna-molekyl (G-C eller A-T i førstnevnte, G-C eller A-U i sistnevnte). Fosfodiester link En fosfodiester link er en sammenkobling av to nukleotider gjennom en dobbel esterbinding til til en fosfatgruppe. Slike bindinger danner ryggradstrukturen i DNA-molekylet. Se figur 22. Figur 22: Sammenkoblingen av to nukleotider gjennom en fosfodiesterbinding danner ryggraden i DNA-molekylet Major groove minor groove DNA-dobbelhelixstrukturen inneholder riller, der den ene rillen(major gro- 26

27 ove, 22Å)erbredereenndenandrerillen(minor groove, 12Å).Sefigur23 for en illustrasjon av de to. De to rillene tillater binding til basene i DNA - disse er langt mer tilgjengelig i den største av rillene. Eksempelvis vil transkripsjonsfaktorer iallhovedsakbindesegtilbasepareneidnaidenbrede rillen. Figur 23: Major groove og minor groove i et DNA-molekyl Coiling En coil er ganske enkelt en serie av løkker, og coiling er dermed oppkrøllingen av en tråd. Supercoiling Dersom du har en dobbelttråd, som i DNA, og snurrer denne ytterligere, vil supercoiling oppstå. Dette er viktig i forbindelse med pakking av DNA, og må tas hensyn til ved replikasjon og transkripsjon (enzymer kalt topoisomeraser bidrar til å avlaste det mekaniske spennet som oppstår fra supercoiling, om muliggjør dermed replikasjon og transkripsjon). Negativ and positiv supercoiling Avhengig av hvilken vei DNA-tråden er supercoilet, snakker vi om negativ og positiv supercoiling. I den førstnevnte er det færre snurrer per lengdeenhet enn i den avslappede tilstanden, mensdetidensistnevnteeretøktantall snurrer per lengdeenhet. Begge tilstander introduserer et økt mekanisk stress idna-tråden,ogmåtenåavlastedettestressetpåerålageencoiletcoil (en supercoil). 27

28 Transmission electron microspcopy I TEM lar man en stråle av elektroner passere gjennom en svært tynn prøve, og måler elektronenes interaksjoner med bestanddelene i prøven. På denne måten kan man oppnå høyoppløselige bilder av prøven (grunnet den korte de Broglie-bølgelengden til elektronene). Scanning electron microscopy Også her brukes en høyenergistråle av elektroner for å skaffe informasjon om en prøve. Man oppnår svært god resolusjon, og kan også få frem tredimensjonale bilder av overflaten man studerer som følge av en svært tynn elektronstråle. Central dogma Forteller oss at informasjonsflyten i hovedsak er fra DNA til RNA til protein. Det finnes visse unntak: i forbindelse med celledelingen kopieres DNAet, så her går informasjonsflyten i en sirkel. Det finnes også enkelte tilfeller av RNA til DNA (i visse retrovirus som HIV, gjennom enzymet revers transkriptase). Figur 24 viser denne informasjonsflyten. Figur 24: The Central Dogma of Molecular Biology Metabolism Metabolisme betegner generelt de kjemiske reaksjonene i levende organismer som er nødvendige for å opprettholde liv. Anabolisme Anabolismen handler om oppbygging -cellen produserer mer kompliserte strukturer fra enklere byggestener. Dette koster energi. Katabolisme Katabolismen handler om nedbryting -cellen bryter ned mer kompliserte strukturer til enkle molekyl, og energi frigjøres. 28

29 2 Enzymer Enzym Et enzym er et protein som katalyserer (vanligvis én) bestemt kjemisk reaksjon. Enzymet forbrukes ikke i reaksjonen, men senker aktiveringsenergien for en reaksjon ved å lage en alternativ reaksjonsvei (gjennom fjelletanalogien). Enzymer er relativt store proteiner, fra 10 kda for små enzymer til flere 100 kda for større enzymer. Figur 25: Illustrasjon av et tilfeldig valgt enzym, her menneskelig insulinnedbrytingsenzym (eng. IDE) kompleksert med beta-amyloid. Katalyse Enzymer katalyserer kjemiske reaksjoner i kroppen,og er essensielt for livet slik vi kjenner det. Enzymer muliggjør reaksjoner der molekyler som vanligvis er stabile konverteres raskt - selv ved lav temperatur, tilnærmet nøytral ph, og lave reaktantkonsentrasjoner. Typisk vil enzymene øke reaksjonshatigheten med en faktor 10 7 til Nettopp fordi enzymene er så viktige for livsfunksjonen er det slik at svært mange giftstoffer fungerer nettopp ved å hemme eller ødelegge sentrale enzymer i viktige prosesser i cellene - på samme måte som mange legemidler virker nettopp ved å hemme eller aktivere gitte enzymer for å kontollere sykdom. Aktivt sete Det stedet på enzymet der katalysen foregår. Er gjerne en geometrisk kløft eller grop i enzymet, der substratet passer som hånd i hanske (induced fit-modellen. Omtalesogsåsomkatalytisk sete. 29

30 Substrat Substratet, S, erdetmolekyletsomenzymet,e, danneretkompleksmed,og som dermed omdannes til produkt, P.Substratetpassersom håndihanske idetkatalytiske sete. [E] + [S] [ES] [E] + [P] (2.1) Substratspesifisitet Iallhovedsakvilhvertenkeltenzymbindesegtilkun et enkelt substrat. Dette kalles substratspesifisitet. En hovedregel blir dermed Ett enzym, en reaksjon. Konformasjon Enzymets konformasjon er viktig for den katalytiske aktiviteten. Konformasjonen kan endres når enzymet binder seg til substratet ( Induced fit i motsetning til Lock and key ), men også når andre molekyler/gruper binder seg til enzymet (aktivatorer/inhibitorer). Fri energi Enzymer endrer ikke en reaksjons frie energi (likevektstilstanden), kun reaksjonshastigheten. Dette gjøres ved å senke aktiveringsenergien, E a,gjennom åmuliggjøreenalternativreaksjonsvei. Transition state (TS) En transition state er en overgangstilstand for et molekyl i en kjemisk reaksjon, halvveis mellom reaktant og produkt. Se fig. 26 Figur 26: Reaksjonsveien for ukatalysert reaksjon (svart) og den alternative reaksjonsveien gitt av enzymet (blått) 30

31 V max Den maksimale reaksjonshastigheten - oppnås når enzymet (eller systemet) er mettet med substrat. Sier noe om hvor raskt enzymet jobber. Matematisk kan det skrives som v max = k cat [E] 0,derk cat er hastighetskonstanten for katalyseprosessen (2. trinn i (2.1)) og [E] 0 er enzymkonsentrasjonen. V 0 Reaksjonshastigheten målt eksperimentelt over et lite tidsintervall fra tilsats av substrat. Dersom tidsintervallet er tilstrekkelig lite kan det sees på som P den instantane reaksjonshastigheten, lim t 0 = v t rx K M Beskriver substartkonsentrasjonen når v 0 = V max. Man kan også si at K M sier noe om forholdet mellom reaksjonsraten av ES til P eller S i forhold til dannelsesraten av ES. K M beskriver hvordan v 0 avhenger av [S], oghvor bratt Michaelis-Menten-kurven er. K M må også kunne sies å beskrive hvor raskt en gitt enzymkatalyse når V max, altså noe om hvor raskt katalysatoren mettes. Et enzym med K M =10µM vil mettes raskere enn et enzym med K M =30µM - kurven vil være brattere, reaksjonshastigheten vil være størst (for samme substratkonsentrasjon) for enzymet med minst K M Sier noe om hvor raskt enzymet mettes med med substrat. Merk at K M er en intrinsikk enzymegenskap -deneruavhengigavenzymkonsentrasjonen. Aktiveringsenergi Energibarrieren som reaktantene må overkomme for at produkter skal bli dannet. Katalysatorer generelt (og enzymer spesielt) bidrar til å sente denne energibarrieren. På den måten vil flere produkter bli dannet per tidsenhet, og reaksjonen går raskere. Den energien som trengs for at to (eller flere) reaktanter skal reagere for å danne et (eller flere) produkt. En energibarriere som må forseres. Er i hovedsak uavhengig av hvorvidt reaksjonen er termodynamisk favoriserbar eller ikke. Michaelis-Menten-likningen Likningen beskriver reaksjonshastigheten som funksjon av substratkonsentrasjon. V = [S]V max [S]+K m (2.2) 31

32 Figur 27: Michaelis-Menten plot Dersom denne likningen plottes, får vi en hyperbolsk kurve, hvis utseende (stigningstall) avgjøres av K M,ogmaksimalverdiavgjøresavV max. Viktig merknad: På tross av likheten mellom Michaelis-Menten-kurven og grafen av mengde produkt dannet mot tid, beskriver ikke disse to det samme! Monomere and mulitimere proteiner Monomere proteiner består av én enkelt polypeptidkjede, mens multimere proteiner består av to eller flere. De fleste enzymer er multimere proteiner. Allosteri Dersom det aktive setet i et enzym kan påvirkes av binding til et annet del av molekylet (som er sterisk/romlig separert fra det aktive setet), kalles dette allosteri eller et allosterisk enzym. I all hovedsak er slike enzymer satt sammen av flere proteinunderenheter, og og reaksjonshastigheten som funksjon av substratkonsentrasjon vil følge en sigmoidal kurve (i motsetning til en hyperbolsk Michaelis-Menten-kurve). Allosteri er et svært sentralt konsept innen regulering icellen,foreksempelreguleringavmetabolskeruter. Jacques Monod, oppdageren av konseptet, har omtalt det som...livets 2. hemmelighet, etter DNA ettersom noe så komplisert som en celle eller et flercellulært system neppe kunne eksistert uten. Merk at et allosterisk enzym i mange tilfeller, spesielt knyttet til reguleringen av metabolismen, mottar mange allosteriske signal. Hvert enkelt av disse kan være delvis aktiverende eller delvis inaktiverende - på denne måten kan 32

33 systemet fininnstilles til den perfekte balansen er oppnådd. Koenzym Det koenzym er et molekyl eller en gruppe som er nødvendig for at det gitt enzym skal være aktivt. Dette koenzymet er ikke en integrert del av enzymet, men binder seg (mer eller mindre sterkt) til det aktuelle enzymet og muliggjør aktivitet. Disulfidbro Slike kovalente S S-bindingene avgjør i stor grad den romlige strukturen iproteinerogdermedogsåienzymer,påtrossavatdetofteikkeerså mange slike bindinger (eksempelvis fire i enzymet lysozym). Merk at disse bindingene er klart vanligst hos ekstracellulære proteiner. S S-bindingene er også grunnen til at tungmetaller, som bly, er giftige for kroppen. Disse metallene ødelegger disulfidbroene (myk kation binder til myke anion, jf.uorganisk),ogdermedogsåenzymaktivitetentilmangelivsviktige enzymer. 33

34 3 Membrantransport Membraner har generelt en hydrofobt indre - dermed kan ikke hydrofile molekyler eller ioner passere ved hjelp av ren diffusjon rett gjennom membranen. Dette problemet løses med transportproteiner, som er inkorporert i membranen, og som kan frakte molekyler og ioner gjennom. Dette kan være passiv transport (akselerert diffusjon), der transporten foregår langs en konsentrasjonsgradient. Proteinene kan være enten åpne porer eller gated channels. Det andre alternativet er aktiv transport, der transporten av molekyler/ioner foregår mot en konsentrasjonsgradient. Fri energi brukes for å frakte molekylene eller ionene mot likevekt. Passiv diffusjon Passiv diffusjon er en entropidrevet prosess der et molekyl eller ion beveger seg langs sin konsentrasjonsgradient for å jevne ut denne. Dette kan også sees på fra et statistisk synspunkt, der sannsynlighetsbetraktninger tilsier at en flat konsentrasjonsgradient er overveiende sansynlig - dersom denne ikke er etablert vil molekylene diffundere den ene eller andre veien til den er det. Figur 28: Illustrerer forskjellen mellom passiv diffusjon og diffusjon med hjelp fra et transportprotein gjennom et membran 34

35 Fasilitert transport Fasilitert transport, også kjent som fasilitert diffusjon er en passiv transportmetode gjennom et membran som fasiliteres av transmembrane integrale proteiner. Det er kun små, upolare molekyler (CO 2,O 2 ) som kan diffundere lett gjennom et lipidmembran - polare molekyl, store molekyl og ioner fraktes alltid gjennom membranen av proteiner som danner transmembrane kanaler. Prosessen kan sees på som en slags effektivisert diffusjonsprosess. Merk at selv om fasilitert diffusjon er mer effektivt enn passiv diffusjon (se figur 28) er denne prosessen utelukkende drevet av en konsentrasjonsgradient -detkrevesingeninputavenergi.dettestårimotsetningtilaktiv transport. Akselererer diffusjonen - likevekt oppnås raskere Kan kun jevne ut konsentrasjonsgradienter (ikke sette dem opp) Krever ingen tilførsel av fri energi Proteinene som fasiliterer passiv transport kalles ofte porer ellerkanaler. Et eksempel på et slikt protein er porin Endel ionekanaler er såkalt gated channels, det vil si at de kan lukke og åpne seg på bakgrunn av visse stimuli (eks. ph-endring, binding av ligander osv.). Et eksempel på dette er K + -kanalen. Enkelte transportproteiner frakter molekyler/ioner gjennom selektiv binding - substratet bindes, og fraktes på denne måten gjennom membranen. Aktiv transport Aktiv transport krever tilførsel av arbeid, oftest i form av direkte eller indirekte hydrolyse av ATP. Grunnen til at aktiv transport krever tilførsel av energi er fordi molekylene og ionene fraktes mot sine konsentrasjonsgradienter (fra steder med høy kons. steder med lav kons.) Analogi: Som å bevege vann opp en bakke Frakter molekyler mot en konsentrasjonsgradient Krever tilførsel av fri energi (eks. i form av ATP). Merk at det er mulig åutnytteutjevningenavenkonsentrasjonsgradienttilådrivemolekyler mot en annen. En eksempel på en slik aktiv transportprosess er Na + / K + -pumpen som finnes ianimalskeceller.dennepumpernatriuminnicellenogkaliumutavcellen ved å forbruke ATP. Konsentrasjonen av de to inne i cellen (høy [K + ], lav 35

36 [Na + ]) er motsatt av den i blodet (lav [K + ], høy [Na + ]) - derfor trengs det energi for å forflytte ionene mot sine konsentrasjonsgradienter. Vi skiller mellom tre system for aktiv transport (se figur 29) Figur 29: De ulike typene aktiv transport - uniport, symport og antiport Uniportsystem: Frakterkunéntypemolekylelleriongjennommembranet. Involverer direkte hydrolyse av ATP som energikilde Kotransportsystem: Systemderbevegelseavmolekylermedénkonsentrasjonsgradient brukes til å drive bevegelse mot en annen konsentrasjonsgradient - merk at energien indirekte fortsatt kommer fra ATPhydrolyse, som må forbrukes for å opprettholde slike gradientforskjeller. Deles igjen inn i: Symport: Molekylene/ionene som fraktes beveger seg i samme retning. Eksempelvis kan bevegelse av Na + ned en konsentrasjonsgradient brukes av andre molekyler som foretar en termodynamisk haiketur gjennom membranet - merk at transporten finner sted bare når begge komponentene er tilstede. Absorpsjon av glukose i fordøyelsessystemet foregår nettopp etter denne prosessen, der en Na + -konsentrasjonsgradient utnyttes. Antiport: Et tilsvarende kotransportsystem som symport, men i et antiportsystem beveger molekylene/ionene som fraktes i motsatt retning. Ionekanal En ionekanal er et transmembranprotein, formet som en kanal eller en pore, 36

37 som bidrar til transporten av ioner gjennom membranet. Visse ionekanaler er såkalt gated, som innebærer at kanalen kan åpnes/lukkes basert på visse stimuli (elektriske og kjemiske signal, temperaturendring osv.) Ionofor En ionofor er et lipidløselig molekyl (vanligvis syntetisert av mikroorganismer) som brukes til å transportere ioner over det semipermiable doble lipidlaget som utgjør cellemembranen. Ettersom ioner er polare, og lipidlagets indre er hydrofobt, kan ikke ionene passere ved enkel diffusjon. Et eksempel på en ionofor forbindelse er crown ether, somkanfraktena + /K +. Reseptor En reseptor er et molekyl som finnes på overflaten av en celle (forankret i membranen) som mottar spesifikke kjemiske signaler fra resten av organismen organisme. Disse signalene påvirker cellen til en bestemt respons, som for eksempel celledeling, apoptosis (programmert celledød) eller å tillate visse molekyler å gå inn eller ut av cellen. Et molekyl som binder seg til en reseptor kalles en ligand, og kan være et peptid (korte proteiner) eller andre små molekyl, for eksempel en nevrotransmitter, et hormon, et farmasøytisk stoff eller et giftstoff. Hver type reseptor kan kun binde enkelte ligandstrukturer, så hver celle har vanligvis mange ulike reseptorer. Signaltransduksjon Signaltransduksjon er prosessen der et ekstracellulært signalmolekyl aktiverer en membranreseptor, som igjen endrer intracellulære molekyler og dermed skaper en respons. Det er to stadier i denne prosessen: 1. Et signalmolekyl aktiverer en bestemt reseptor på cellemembranen 2. Dette signalet videreføres av en såkalt second messenger (et eksempel er camp) inne i cellen, som fremkaller en fysiologisk respons. I begge trinn kan signalet bli forsterket(kaskadeeffekt), noe som innebærer at ett enkelt signalmolekyl kan fremkalle mye og variert respons i cellen. 37

38 4 DNA-replikasjon Foreldretråder (parent strands) Ved DNA-replikasjon blir hver av de to trådene i det originale kromosomet brukt som mal for produksjon av en ny DNA-dobbelttråd. En slik mal kalles en foreldretråd. DNA-replikasjonomtalesdermedsomsemikonservativ, iden forstand at den nye dobbelttråden består av en ny og en gammel enkelttråd. Det er vist eksperimentelt (gjennom isotopmerking med 15 N)atdenne metoden brukes. Dattertråder (daugther strands) En DNA-tråd som dannes ved å bruke en parent strand som mal kalles en dattertråd. Gjennomkomplementær baseparring oppnås det en ny kopi som er identisk med den gamle dobbelttråden. Replikasjonsutgangspunkt (origin of replication) Når replikasjonen av DNA starter, splittes dobbelttråden først i et såkalt replikasjonsutgangspunkt. Herfrakanreplikasjonenfortsetteienellerbegge retninger. Ibakterier(E. coli) inneholderreplikasjonsutgangspunktetenspesiellbasesekvens som er rik på A-T-par, tilsynelatende fordi dette gjør separasjon av de to trådene enklere (A-T danner kun to hydrogenbindinger, mens G-C danner tre). Replikasjonsgaffel (replication fork) En replikasjonsgaffel er det området i DNAet som til en hver tid splittes opp slik at nye baser kan komme inn og danne komplementærbindinger til hver av de to foreldretrådene. Dette aktive området flytter seg bortover DNAtråden med stor hastighet (omtrent 1000 basepar/sek i E. coli eller omtrent 50 basepar/sek i eukaryoter). Uni- and bidireksjonal replikasjon Vanligvis vil det gå en replikasjonsgaffel i hver retning fra replikasjonsutgangspunktet - dette gjelder stort sett både bakterier (med sitt sirkulære DNA) og eukaryoter (med sitt lineære DNA). I eukaryoter vil det typisk være mange replikasjonsgafler som startes samtidig fra ulike replikasjonsutgangspunkt. Leading and lagging strand Ved DNA-replikasjon vil det oppstå et topologisk problem i replikasjonsgaffelen. Vi vet at DNAet må skrives i 5 3 -retning (leses i 3 5 ). Dette går bra for den såkalte leading strand, derdenneretningensamsvarermed 38