Medisin stadium 1A Geir Slupphaug, IKM Cellens hovedstrukturer og -funksjoner Den eukaryote cellen II Animalsk celle Plasma membran Cellekjernen Organeller Lipider proteiner Kjernemembran Nukleoplasma Nukleolus ER Golgi Lysosomer Peroksysomer Mitokondrier Omslutter cellen Regulerer transport inn/ut Kontrollsentral Inneholder den genetiske informasjonen Syntese, transport, modifikasjon Modifikasjon, sortering Nedbrytning Fettomsetning mm. Energifabrikker I II Cytoplasma Cytosol Cytoskjelettet Ribosomer Molekyler Mekanisk struktur, bevegelse Proteinsyntese Div. metabolske reaksjoner Endoplasmatisk retikulum Golgi-komplekset ER er cellens største organell, og kan utgjøre ca 10% av hele celleinnholdet Det er et kontinuerlig membrannettverk bestående av rør og utposninger (cisternae), hvor innsiden av systemet kalles lumen En viktig funksjon i SER (smooth ER) er syntese av lipider og steroider En hovedoppgave til RER (Rough ER) er å importere proteiner som lages på ribosomene på overflaten, og å modifisere disse og sende videre til Golgi-komplekset Denne forsendelsen foregår fra såkalte transitional elements hvor det dannes transportvesikler. Proteiner fra RER transporteres i små vesikler over til Golgi-komplekset Her tømmes innholdet, og proteinene modifiseres videre, sorteres, og sendes ut i vesikler til sine endelige bestemmelsested, f. eks. ut av cellen, til plasmamembranen, eller til lysosomer I tillegg syntetiseres bestemte lipider, som sphingolipider, i Golgi Eksokrine celler fra bukspyttkjertel har vært viktige i kartleggingen av transportmekanismene 1
Lysosomer Lysosomer finnes kun i animalske celler, og er cellenes nedbrytningssentraler. Materiale som blir nedbrutt omfatter makromolekyler som DNA, RNA, proteiner, lipider, karbohydrater. I tillegg kan interne organeller, samt bakterier og annet som er tatt opp utenfra, brytes ned Lysosomer dannes ved avsnøring av vesikler fra Golgi-apparatet, og er omsluttet av en membran Disse vesiklene er fylt med nedbrytningsenzymer Inne i vesiklene er ph lav (ph ~5), og enzymene virker bare ved lav ph. Ellers i cellen er ph 7-7.4. Hvis lysosomene skulle bli ødelagt, vil derfor enzymene ikke begynne å bryte ned cellen ukontrollert Molekyler kan tas opp i cellen som vesikler ved endocytose Disse vesiklene smelter sammen og kalles endosomer Vesikler fra Golgi fylt med nedbrytningsenzymer smelter sammen med endosomene, og tømmer innholdet sitt i disse. Resultatet kalles en lysosom Overgangen mellom early /late endosomer/lysosomer er glidende. Organellene skilles ofte fra hverandre i mikroskopet ved å farge med ulike antistoff mot proteiner som er karakteristiske for hver fase Hele cellulære organeller kan også brytes med på denne måten, noe som kalles autofagi. Tilsvarende kan hele bakterier tas opp ved fagocytose Lysosomer som bryter ned slike store strukturer er betydelig større enn andre lysosomer, og kalles autofagosomer 4 trinn i autofagi Lysosomer (Cathepsin) Tidlige endosomer (LDL/transport) August 2010: Norske forskere oppdager første direkte link mellom autofagi, og induksjon av apoptose (programmert celledød) 2
Mange sykdommer skyldes defekter i lysosomale nedbrytningsenzymer Lysosomer inneholder ca 50 ulike nedbrytningsenzym, som virker på ulike molekyler. Svikt i ett av disse enzymene (som kan skyldes en arvelig mutasjon), kan føre til en rekke ulike lysosomale lagringssykdommer En slik sykdom er Gaucher s sykdom, hvor en enzym som bryter ned glykolipider, er defekt. De fleste pasientene utvikler tidlig skader i lever og milt Peroksysomer De fleste humane celler inneholder ca. 500 peroksysomer. Disse er membranomsluttede organeller som inneholder >50 ulike enzymer. Peroksysomene deltar i en rekke metabolske prosesser, deriblant nedbrytning av fettsyrer, syntese av lipider og kolesterol. Mange av enzymene utfører oksydative reaksjoner bla. detoksifiseringsreaksjoner De kan formeres ved deling, men også nydannes ved knoppskyting fra ER En rekke sykdommer er forbundet med defekter i peroksysomale enzymer (bl. Refsums sykdom) 1 av 100 er bærere av denne gendefekten, og sykdommen rammer ca 1 av 40 000 (US) Mitokondrier Mitokondriene er cellenes energifabrikker. I celler som forbruker mye energi, kan derfor mitokondriene utgjøre hele 25% av volumet i cytoplasma. Som kjernen, er mitokondriene omsluttet av en dobbelmembran (hver med et fosfolipid-dobbellag). Den ytre, membranen består av ca 50% lipid og 50% protein, mens den indre membranen inneholder 20% lipid og hele 80% protein! Den indre membranen inneholder også mange folder, kalt christae, som gir den en stor overflate Etter hvert som næringsmolekyler brytes ned i cellen, føres mellomprodukter inn i mitokondriene for å brytes helt ned til karbondioksyd og vann. Denne prosessen krever oksygen Energien som frigjøres i denne prosessen frigjøres i form av ATP, som kan brukes til å utføre arbeid og syntesereaksjoner i cellen ATP O 2 3
Mitokondriene inneholder også sitt eget genom. Dette er et sirkulært DNA-molekyl, som er mye mindre (20 000x) enn genomet i cellekjernen Dette arvematerialet koder for mange av proteinene og RNAmolekylene som brukes i mitokondriene Resten av proteinene (>1000 ulike) må importeres fra cytosol) Det er kjent en rekke arvelige sykdommer som skyldes mutasjoner i mitokondrie-dna. Siden mitokondriene under befruktningen, kun overføres til avkommet via eggcellen, er slike sykdommer arvet via mor Cytoskjelettet Cytoskjelettet består av et nettverk av proteinfilamenter som strekker seg ut over hele cellen Det utgjør et strukturelt rammeverk som avgjør cellens form og bevegelse, og spiller i tillegg en viktig rolle for bevegelse av molekyler og organeller i cellen Proteiner som inngår i cytoskjelettet danner også mer spesialiserte strukturer I cellen, som centrioler, som er med på å organisere spindelnettverket som trekker på kromosomene under celledelingen Eukaryote celler inneholder 3 typer proteinfilamenter I cytoskjelettet: Mikrofilamenter: 8-9 nm diameter. Polymer av aktinenheter Mikrotubuli: Hule rør, 24 nm diameter. Polymer av α- ogβ-tubulinenheter Intermediærfilamenter: Tau-like filamenter med 10 nm diameter. Kan være sammensatt av ulike proteinsubenheter I ulike kroppsvev. I overflateceller (epitelceller), f. eks i huden, består mange av disse filamentene av keratin Centrosomer Mikrotubuli starter å vokse ut fra centrosomer, som er organisert like ved cellekjernen. Centrosomen inneholder to centrioler, som separeres like før celledelingen, og er med på å organisere spindelnettverket 4
Cytosol I tillegg til ribosomer og cytoskjelett-filamenter, består cytosol av en tyktflytende grunnsubstans som har en høy konsentrasjon av ulike ioner, små molekyler og makromolekyler Tettheten av disse molekylene er svært høy, spesielt proteiner, som kan ha en konsentrasjon på 200-400 mg/ml. Ved slike konsentrasjoner har proteinene en tendens til å danne aggregater og funksjonelle proteinkompleks Vann og ioner En har i de senere år identifisert en rekke sykdommer hvor unormal aggregering av proteiner inne i cellene fører til celleskade og celledød Mange av disse sykdommene har også arvelige komponenter. Eksempler på slike sykdommer er Alzheimers sykdom og Parkinsons sykdom Aggregering av cellulære proteiner kan også skyldes såkalte prioner, og er årsaken til såkalt kugalskap og Creuzfeld-Jacobs sykdom. Metabolitter Cellebiologiske metoder Cellebiologisk forskning har gjennomgått en revolusjonerende utvikling de siste 20 år. Dette skyldes en rekke tekniske fremskritt innen flere områder Betydningen disse fremskrittene vil ha for medisinsk diagnose og behandling er enorm, og kan ikke overvurderes Mikroskopi (nye visualiseringsteknikker, høyere oppløsning) Genteknologi (genisolering, sekvensbestemmelse, rekombinant DNA mm) Cellefraksjonering (renisolering av ulike typer celler, celler i bestemte stadier i cellesyklus, og ulike celleorganeller) Strukturbiologi (tredimensjonal analyse av blant annet proteiner, røntgenkrystallografi, NMR) Enzymologi/proteinidentifikasjon (massespektrometri mm) Bioinformatikk (raskere computere, nye programmer, store databaser) Immunologi (tilgang på tusenvis av kommersielt tilgjengelige antistoff mm) Celledyrking in vitro Osv Mikroskopi Konvensjonell lysmikroskopi Fluorescensmikroskopi 5
Celledyrking Elektronmikroskopi Laser- Konfokalmikroskopi På 50-tallet greide en for første gang å dyrke humane celler utenfor kroppen, i flasker med et næringsmedium som inneholdt en rekke næringsstoffer, salter og vekstfaktorer (hormoner etc). I dag har en utviklet spesialmedia for dyrking av en lang rekke ulike humane celler. Normale humane celler vil bare dele seg et visst antall ganger, før kulturen aldres og dør. Kreftceller vil imidlertid kunne dyrkes i flaske i det uendelige Celler som vokser på bunnen i dyrkingsflaske Cellesortering Ved elektrostatisk cellesortering farges ulike celler i en blanding med ulike farger. Deretter sprøytes de ut gjennom en vibrerende spiss slik at det dannes dråper med én celle i hver. Alt etter fargen, får cellene en ladning. Deretter passerer cellene et elektrisk felt, hvor de separeres Organellfraksjonering Hvis en vil studere egenskaper ved bestemte cellulære organeller, kan disse renses opp ved sentrifugering, etter at cellene først er åpnet ved homogenisering Organeller har forskjellig størrelse og tetthet, og disse kan skilles ved sentrifugering vedstadigøkende hastigheter 6
Genteknologiske metoder En rekke ulike genteknologiske metoder er i daglig bruk i cellebiologisk forskning. En hyppig brukt metode for å visualisere hvordan ulike proteiner transporteres i cellen, er å modifisere selve genet som koder for det aktuelle proteinet, slik at proteinet som lages blir fluorescerende. Hva er stamceller? De fleste cellene i kroppen vår er differensierte. Det vil si at de har nådd en høy grad av spesialisering, og kan ikke utvikle seg til noen andre typer celler. Stamceller er imidlertid ikke spesialiserte, og kan utvikle seg til mange celletyper (de er pluripotente). Gen 1 YFP Gen 1 limes sammen med gen som koder for gult fluorescerende protein Gen 2 BFP Gen 2 limes sammen med gen som koder for blått fluorescerende protein Begge genene settes inn i levende celler, og de tilsvarende proteinene blir produsert (uttrykt) Cellene belyses med UV-lys og observeres i mikroskop Flere sykdommer kan behandles ved erstatning av døde kroppsceller med tilsvarende celler dyrket i laboratoriet. For å unngå immunologisk avstøtning bør disse ideellt stamme fra pasienten selv eller nær slektning (f. eks søsken) En mulighet er å bruke embryonale stamceller (ES-celler). Disse kan isoleres fra tidlige embryo dannet ved befruktning med kjønnsceller fra pasienten selv På grunn av de etiske spørmål dette reiser, pågår det derfor en intens forskning for å kunne isolere stamceller fra voksne personer Flere firma har rapportert at de har isolert stamceller fra beinmarg, som kan utvikle seg til hjerteceller. Hvis dette viser seg riktig, kan det bety en revolusjon innen behandling etter hjerteattakk. Andre mener at voksne stamceller må identifiseres og isoleres fra organet det eventuelt skal brukes i 7
Celledød, apoptose I løpet av et år, mister mennesket celler tilsvarende sin egen kroppsvekt, via en prosess som kalles apoptose Dette er en normal, og strengt regulert prosess som ender opp med fragmentering av cellene Fragmenteringen tiltrekker eteceller (makrofager) som tar opp cellefragmentene via fagocytose Normal celle Apoptotisk celle 8