Molekyl till vävnad PDF

Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Redogöra för proteiners, kolhydraters, lipiders och nukleinsyrors principiella uppbyggnad, samt förklara hur deras kemiska egenskaper och tredimensionella struktur och förändringar i dessa, bidrar till deras funktioner. PROTEINER Kedjor av aminosyror (20st)...

Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Redogöra för proteiners, kolhydraters, lipiders och nukleinsyrors principiella uppbyggnad, samt förklara hur deras kemiska egenskaper och tredimensionella struktur och förändringar i dessa, bidrar till deras funktioner. PROTEINER Kedjor av aminosyror (20st) bundna med peptidbindning, som avgör proteinets struktur och funktion. Aminosyra Metionin Alanin Valin Leucin Isoleucin Fenylalanin Sidokedja CH2CH2SCH3 CH3 CH(CH3)2 CH2CH(CH3)2 CH(CH3)CH2CH3 CH2(C6H5) fenylgrupp Tryptofan CH2(C8H7N) indolgrupp Histidin Grupp Hydrofob, opolär (alkyl) Hydrofob, opolär (alkyl) Hydrofob, opolär (alkyl) Hydrofob, opolär (alkyl) Hydrofob, opolär (alkyl) Hydrofob, opolär (aromatisk) Hydrofob, opolär (aromatisk) Polär, laddad (basisk, plus) CH2(C3H4N2) (imidazol) (NH+) Lysin CH2CH2CH2CH2NH3+ Polär, laddad (basisk, plus) + Arginin CH2CH2CH2NH-CNH2 H2N Polär, laddad (basisk, plus) Asparaginsyra CH2COOH Polär, laddad (sur, minus) Glutaminsyra CH2CH2COOH Polär, laddad (sur, minus) Serin CH2OH Polär, neutral, oladdad Treonin CH(OH)CH3 Polär, neutral, oladdad Asparagin CH2CONH2 Polär, neutral, oladdad Glutamin CH2CH2CONH2 Polär, neutral, oladdad Tyrosin CH2C6H5OH Polär, neutral, oladdad Glycin H Specialfall (hydrofob, alkyl) Cystein CH2SH Specialfall (polär, oladdad) Prolin Tre stycken CH2 kopplar till Specialfall (hydrofob, alkyl) alfakolet och aminogruppen Grundstrukturen är en karboxylgrupp, en aminogrupp och en funktionell sidogrupp, alla bundna till ett alfa-kol. Den funktionella R-gruppen skiljer aminosyrorna åt och avgör deras egenskaper. Polypeptidkedjan är därefter en ryggrad med en N-terminal, en C-teminal och massa sidogrupper. Primärstruktur – aminosyrasekvensen, stabiliseras av peptidbindningar från N-till Cterminal. Ordningen bestäms av gener. Sekundärstruktur – interaktioner i ryggraden. Peptiden viker och binder sig själv med vätebindingar. α-helix (H binder till en O fyra aminosyror bort) och β-flak (parallell och antiparallell). Tertiärstruktur – veckning inom polypeptiden. Vätebindning, van der waals, disulfidbryggor, hydrofoba interaktioner, dipol-dipol. Disulfidbryggor mellan 2 cysteiners tiolgrupper via oxidation (antioxidanter i cellen förhindrar). Opolär molekyler klumpar ihop sig för att hålla sig borta från vatten. Proteinets konformation påverkas av miljön (salt, vatten, pH) ofta disulfidbrygga och hydrofoba i mitten. Protein har en bestämd aktiv form. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Kvartärstruktur – Interaktion mellan flera olika polypeptider, subenheter. Samma bindningar som i tertiärstruktur. Protstetiska grupper som är organiska grupper som inte är protein, kan kopplas till proteinet. ENZYM protein som katalyserar reaktioner genom att sänka aktiveringsenergin (utan att själv förbrukas). Har mycket hög substratspecifitet. Allosterisk reglering – enzym som har två eller flera bindningsställen som påverkar varandra. Inbindning av aktivator/inhibitor ändrar konformationen negativt eller positivt. När substratet binder till active site i en annan subenhet kallas det kooperativ reglering. Reversibel inhibering – kompetitiv hämning när inhibitorn tävlar mot substratet om samma active-site. Inhibitorn har liknande struktur som substratet, hämning kan hävas om överskott av substratet finns. Icke-kompetitiv hämning när inhibitorn binder till en annan plats än active site. Kan ej hävas av substrattillskott. Feedback-reglering – slutprodukten i en reaktionskedja hämmar/stimulerar de reglerande enzymet tidigare i kedjan. Positiv och negativ feedback. Kovalent modifiering – funktionella grupper tillsätts/tas bort från enzym. T.ex. fosforylering och defosforylering som sköts av kinaser och fosfataser. Zymogenaktivering – irreversibel reaktion när ett inaktivt enzym (zymogen) har ett ”dolt” active-site. Aktiveras genom brytning av bindningar (t.ex. hydrolys). Isoenzymer – varianter av enzym. Katalyserar samma reaktion. Kofaktorer – komponent som behövs för att enzymet ska fungera. T.ex. metalljoner. Apoenzym = ickefunktionellt/inaktivt enzym som saknar sin kofaktor. Holoenzym = funktionellt/aktivt enzym med kofaktor. Kooperativitet – t.ex. i hemoglobin. Då en subenhet bundit sitt substrat, ökar affiniteten för bindning till nästa subenhet, som ökar affiniteten för nästa o.s.v. KOLHYDRATER Monosackarider – (CH2O)n. enklaste kolhydraterna. Ex: glukos, fruktos, galaktos och mannos. Kan vara ketoner (karbonyl mellan två kol) eller aldehyder (R bundet till CHO) beroende på var det dubbelbundna syret sitter. Monosackarider förekommer i både ringform och öppen form. Reaktionen mellan formerna är reversibel. Disackarid – två stycken monosackarider bundna med glykosidbindning. Bindningen uppstår via dehydreringsreaktion (mono + mono = di + vatten). Tex. Maltos (glukos + glukos), sackaros (glukos + fruktos), laktos (glukos + galaktos). Polysackarid – uppbyggda av många sockerrester. Ex. stärkelse, cellulosa och glykogen (alla består av glukos). Glykosidbindning – kovalent bindning som förgrenar socker med en alkohol (polysackarider) eller en amin (adenosin). Alfa-glukos har OH gruppen på kol 1 på motsatt sida som CH2OH. Beta-glukos har OH gruppen på kol 1 på samma sida som CH2OH. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Cellulosa Stärkelse Glykogen Endast beta-1,4-bindningar Endast alfa-bindningar Endast alfa-bindningar Lång ogrenad polymer. Alfa-1,6 ger förgreningar. Alfa-1,6 ger förgreningar. Långa raka kedjor (Kan ej Alfa-1,4 binder samman. Alfa-1,4 binder samman. brytas ned i kroppen) Mer förgrenad än stärkelse. Struktur hos växter Lagrar energi hos växter Lagrar energi hos djur Glykoprotein – korta, grenade kolhydrater kovalent bundna till protein genom glykosylering som antigen kan vara N-länkad eller O-länkad. Viktig i sortering i cellen och proteinets stabilitet/egenskap. LIPIDER Fettsyror – ogrenade, långkedjade karboxylsyror. Lösligheten avtar med längden då molekylen blir mer och mer opolär. Mättade har inga dubbelbindningar och kan packar tätare (högre smältpunkt). Omättade innehåller dubbelbindningar som kan vara cis/trans. Transfetter är långa och raka och har högre smältpunkt än fetter med cis-bindningar. Triglycerider – tre fettsyror till en glycerol via esterbindning (alkohol + syra under vattenavspjälkning). Lagring av fett i kroppen. Fosfolipider – hydrofilt huvud av fosfatgrupp och hydrofoba svansar som utgörs av fettsyror. NUKLEINSYROR Uppbyggd av nukleotider (kvävebas + socker + fosfatgrupp). DNA = deoxiribonnukleinsyra, dubbelsträngad. RNA = ribonnukleinsyra, enkelsträngad. DNA – dubbelhelix med sockerfosfatryggrad. Fosfat binder till 5e kolet på en sockermolekyl och 3e på nästa socker. Kedjorna är antiparallella och bind till varandra via vätebindingar mellan kvävebaser. Kvävebaserna delas in i två klasser: puriner (Adenin och guanin) har två kvävestrukturer/ringar medan pyrimidiner (Tymin och cytosin) utgörs av en ring. G-C binds med tre vätebindingar och är starkare än A-T som binds med två vätebindingar. Fosfatgruppen binder till det femte kolet och bildar 5´-änden. Kedjan kan enbart byggas vidare om 3´-änden är tom (O i fosfatgruppen binder till 3e kolet). 5–3 strängen kallas för den kodande, 3–5 strängen för templatet (det som faktiskt läses av). RNA – mRNA kodar för protein och transporterar den genetiska informationen från cellkärna till cytoplasma. rRNA bygger upp ribosomen och katalyserar proteinsyntes. miRNA reglerar genuttryck. tRNA innehåller antikodon som kopplas till en viss aminosyra. Icke-kodande RNA används vid t.ex. splitsning och genreglering. Enkelsträngat med baserna A, C, G och U. fosfodiesterbindningar i ryggraden som består av fosfat och ribos. Förklara hur cellen tillgodogör sig energi och byggstenar från olika näringskällor, hur energiöverskottet lagras, samt hur katabola och anabola processer integreras och regleras KOLHYDRATMETABOLISM Glykolys – oxidation av glukos i cytoplasman. 10 steg där glukos (6 kol) blir till 2 pyruvat (3 kol). En energikrävande och en energigenererande fas. Höga glukoshalter i blodet stimulerar insulinproduktion som ökar känsligheten hos GLUTs. NAD+ behövs för att hålla glykolysen igång. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 glukos kan ej diff ut Steg 1,3 och 10 är irreversibla och hastighetsreglerande. reglering av glykolysen sker genom 3 enzym. Hexokinas – hämmas av höga koncentrationer Glukos-6-P Till isomer 2 G3P Fosfofruktokinas – hämmas av ATP, vätejoner (mycket mjölksyra) och citrat. Stimuleras av AMP och fruktos-2,6-bisP (bildas av PFK2 som stimuleras av insulin, inhiberas av glukagon) Pyruvatkinas – hämmas av ATP och alanin (aa-nedbrytning) Stimuleras av fruktos-1,6-bisP (feedforward). Aerobt – pyruvat oxideras till acetyl-CoA vilket är en irreversibel reaktion. Katalyseras av pyruvatdehydrogenas i mitokondriens matrix. aktiveras av pyruvat, kalcium (cellaktivitet ökar kalciumnivån = behöver energi) och ADP. Inhiberas av mycket NADH, ATP och acetyl-CoA. Allosterisk reglering (fosforylering) Anaerobt – citronsyracykeln kräver syre. I brist på syre är glykolysen viktig för energiförsörjning. Pyruvat bryts ned till laktat och etanol av laktatdehydrogenas. Detta regenererar NAD+ vilket håller igång glykolysen. Energikrävande fasen → 2 ATP förbrukas via fosforylering. Energigenererande fasen → 2 x 2 ATP + 2 x 1 NADH frisätts Citronsyracykeln – i mitokondriematrix. Kräver syre. Är alltid igång men i olika hastighet beroende av energitillgång. 2x3 NADH (varje bildar 2 ATP), 2x1 FADH2 (varje 2 ATP), 2x1 GTP (varje 1 ATP) och 2x2 CO2. / per glukosmolekyl Tre irreversibla steg som förändrar antalet kolatomer. Reglerar citronsyracykeln. Allosterisk reglering av dessa enzym reglerar hastigheten. Cykeln måste alltid vara igång och kan därmed ej regleras av hormoner. Citratsyntas – hämmas av höga nivåer ATP, citrat, succinyl-CoA och NADH. Stimuleras av ADP. (höga energinivåer nedreglerar). Isocitratdehydrogenas – hämmas av ATP och NADH. Stimuleras av ADP och kalciumjoner (ökar vid kontraktion) Alfa-ketoglutarat-dehydrogenas – hämmas av NADH och acetyl-CoA. Stimuleras av kalciumjoner. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 NADH = nikotinamidadenindinukleotid. FADH2 = flavinadenindinukleotid. Flera olika reaktioner som startar med acetyl-CoA. Vid fasta stiger halten stresshormon (glukagon, adrenalin, kortisol) och fettsyror bryts ned. När man ätit och insulinhalter stiger bryts glukos ned. Acetyl-CoA kan också fås från protein och alkoholnedbrytning. Förbrukning katapleros måste balanseras med syntes anapleros. Glukoneogenes – vid fasta/glukosbrist för att förhindra för lågt blodsocker. Energikrävande reaktion som återbildar glukos. De reaktionssteg som är irreversibla i glykolysen måste ta andra steg med hjälp av andra enzymer. Övriga reaktioner katalyseras av samma enzym som glykolysen. Förbrukar 4 ATP, 2 GTP och 2 NADH. Regleras åt motsatt håll som glykolysen. Fruktos-1,6-bifosfatas – hämmas av fruktos-2,6bisP, insulin och AMP. Stimuleras av citrat och glukagon. Hastighetsbestämmande. PEPCK PEPCK – hämmas av ADP. Stimuleras av stresshormon som glukagon, adrenalin och kortisol. (fosfoenolpyruvatkarboxikinas). Använder GTP. Pyruvatkarboxylas – hämmas av ADP, stimuleras av Acetyl-CoA. (behöver ATP från fettoxidation). Pyruvat till oxalacetat. (oxalacetat ut ur mitokondrien genom malat-shutteln, oxalacetat ↔ malat via malatdehydrogenas). Glykoneogenesen stimuleras av höga koncentraltioner Acetyl-CoA och en aktiv fettförbränning. Bildning av glukos från en icke-kolhydratkälla. Främst i levercellernas mitokondrier. Aminosyror (ej leucin och lysin, Lazy Ls), laktat eller glycerol. Pyruvat till glukos. Främsta glukoskällan efter cirka 12 h fasta. (innan bryts glykogen ned). Laktasdehydrogenas – Laktat omvandlas till pyruvat Alanintranferas - vid längre fasta bryts proteiner ned. Bildar pyruvat från alanin. Hormonkänsligt lipas – bryter ned triglycerider till glycerol och tre fettsyror. Fettsyrorna bryts ned till acetyl-CoA och ATP i b-oxidationen. Glycerolen kan bilda DHAP, dihydroxyacetonfosfat. Skillnaderna mellan glykolys och glukoneogenes: • • • Hexokinas ↔ Glukos-6-fosfatas (sätta dit/ta bort fosfat) glukos och glukos-6-fosfat. PFK1 ↔ fruktos-1,6-bifosfatas (sätta dit/ta bort fosfat) fruktos-6-fosfat och fruktos1,6-biP Pyruvatkinas ↔ pyruvatkarboxylas, malatdehydrogenas, PEPCK (ta bort/sätta dit fosfat) fosfoenolpyruvat och pyruvat. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Glykogensyntes (glykogenes) – bildning av glykogen från glukos för energilagring. Sker när det är höga energinivåer = höga koncentrationer glukos/ATP. Lagras främst i lever och muskler. Kräver energi. För varje glukos som byggs in används UTP vilket är energimässigt lika ATP. Noggrann reglering. 1. Glukos aktiveras genom bildning av glukosenheter. Fosfatgruppen på Glukos-6-P byter plats så att glukos-1-P bildas. katalyseras av fosfoglukomutas. 2. UDP-glukos bildas m.h.a. UTP. Detta kallas för en glukosenhet. 3. (HASTIGHETSREGLERANDE) = UDP-glukos kopplas samman med existerande kedjor av glykogen av glykogensyntas. Resultatet blir glykogen + fri UDP 4. Glykogensyntas bildas α-1,4-bindningar mellan glukosmolekyler. Branching enzyme bildar förgreningar via α-1,6-bindningar. Glykogenin – primer av 8 glukosenheter. Glykogenesens enzymer fungerar bara från en redan existerande kedja. Glykogensyntas – reglerande fosforyleringar. Defosforylerat = aktivt. Insulin startar signalväg som leder till defosforylering. Hämmas av glykogen. Negativ feedback, ju mer glykogen desto mer inaktivt glykogensyntas. Glykogenolys – nedbrytning av glykogen. 1. Glukosfosforylas bryter α-1,4-bindningar. Arbetar ohämmat längs en gren tills det återstår 4 glukosmolekyler till α-1,6-bindningen. 2. Tranferas flyttar 3 av 4 glukosmolekyler till en annan glykogengren. 3. Alfa-1,6-glukosidas (debranching) hydrolyserar alfa-1,6-bindningen. En glukos frisätts. 4. Glukosfosforylas börjar om på nästa gren. Insulin binder till en tyrosinkinasreceptor vilket leder till aktivering av fosfatas och att glykogenfosforylas deaktiveras. Syntes ökar och nedbrytning upphör. Glukagon binder en Gkopplad receptor, cAMP aktiveras PKA som aktiverar glykogenfosforylas samtidigt som glykogensyntas inhiberas. Nedbrytning startar. FETTMETABOLISM Lipolys – fett lagras i adipocyter som triglycerider. Vid svält/fasta/diabetes/fettrik kost används fettsyror som energikälla. Lipolysen betyder nedbrytning av triglycerider till tre fettsyror (transporteras till celler som behöver energi) och glycerol i tre steg. Transporten sker via blodet och fettsyrorna omsluts av lipoproteiner. Lipolys stimuleras av adrenalin som binder till sin receptor, cAMP bildas och aktiverar PKA som aktiverar Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 hormonkänsligt lipas. Insulin hämmar lipolysen då de aktiverar en signalväg som leder till återbildande av AMP. Adipocyt-triglyceridlipas gör om triacylglycerol till diacylglycerol (en fettsyra frigörs). Homronkänsligt-lipas bildar monoacylglycerol (fettsyra 2 frigörs), monoacylglycerollipas gör att sista fettsyran och glycerol frigörs. Enzymer kan fosforylera glycerol som kan bilda dihydroxtacetonfosfat (glykolys). Viktig reaktion för glycerol-fosfatshutteln. (Glycerolkinas gör glycerol till glycerol-3-P med hjälp av ATP. Glycerol-3-fosfatdehydrogenas bildar DHAP med hjälp av NAD+.) Beta-oxidation – oxidation av fettsyror i mitokondriematrix. Fettsyror transporteras in via karnitinmolekyler som finns i cytoplasman. Drivande för citronsyracykeln och elektrontransportkedjan. Höga nivåer NAD+ stimulerar fettförbränning medan höga nivåer NADH hämmar. 1. Aktivering av fettsyran kräver 1 ATP och sker via koppling till CoA. Reaktionen katalyseras av acylCoA-syntetas. 2. Karnitin binder fettsyran och bildar acyl-karnitin. Katalyseras av karnitinacyltransferas I (CPTI) i mitokondriens yttermembran. (karnitin-shutteln). Elektrontransportkedjan Regleras av manoyl-CoA som bildas i fettsyrasyntes och hämmar CPTI. 3. Transport till mitokondriens inre membran via acylkarnitin-translokas. 4. I matrix gör CPT2 (inbäddat i innermembranet) att karnitin släpper och kan passera ut i cytoplasman igen. CoA kopplas på istället. 5. Inne i matrix bryts fettsyran ner genom oxidation. För varje varv av beta-oxidation klyvs en 2-kolrest från Acyl-CoA (klyvning vid kolatom nr 2). Kolresten blir Acetyl-CoA som kan användas i citonsyracykeln. FADH2 och NADH går till elektrontransporten. Oxidationen sker i två steg och i varje cykel bildas 1 NADH, 1 FADH2 och 1 acetyl-CoA. (fettsyror som har 22 kol eller fler förkortas först i peroxisomen). Omega – oxidationen – alternativ oxidation av fettsyror. Vid avsaknad av acyl-CoAdehydrogenas för medellånga fettsyror kan inte beta-oxidationen fullföljas. Istället sker omega-oxidation i ER. resultatet blir fettsyror som oxiderats i bägge ändar = diakarboxylsyror som utsöndras i urinen. Ketonkroppar – vid mycket hög fettförbränning (ex. diabetes) kan inte citronsyracykeln ta upp all Acetyl-CoA. Då produceras ketonkroppar i levern (acetoacetat, aceton, 3-hydroxylbutyrat), som levern ej själv kan använda då det saknas CoA-tranferas. Viktig energikälla för bl.a. hjärtmuskulatur. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Lipogenes – glukos omvandlas till fett när det finns mycket energi. Sker i cytoplasman. 1. Acetyl-CoA omvandlas till malonyl-CoA av acetyl-CoA-karboxylas. kräver 1 ATP. 2. Acetyl-och malonyl-grupper aktiveras genom att binda ACP (acyl-carrier-protein) 3. Manoly-CoA fungerar som byggstenar som byggs på en växande fettsyra. Katalyseras av fettsyrasyntetas. Kräver 2 NADPH. Acetyl-CoA-karboxylas – hämmas av glukagon, adrenalin och stora mängder fettsyror. Stimuleras av insulin och aktiveras av citrat. Ökad mängd citrat i cellen innebär att energi finns och att citronsyracykeln har saktat ned. Palmitoyl-CoA är en 16-kolatomig kedja som sätts ihop. Acetyl-CoA som bildats i mitokondrien behöver ta sig över membranen. AcetylCoA binder till oxalacetat och bildar citrat som kan ta sig över membran. I cytoplasman klyver citratlysas citrat till acetyl-CoA. = citrat-shutteln. Oxalacetat transporteras in i mitokondriematrix igen genom att ombildas till pyruvat (pyruvatkarboxylas ändrar tillbaka, stimuleras av acetyl-CoA). När ”malic enzyme” omformar oxalacetat till pyruvat fås viss NADH som behövs för att bilda fettsyror, resten av energi/väte fås från pentosfosfatvägen. PROTEINMETABOLISM Proteolys – nedbrytning av protein, sker främst i proteasomer som är utbyggda av proteaser som bryter peptidbindningar. Vid svält bryts aminosyror ned. Tranaminering – aminogruppen måste tas bort, första steget är att aminogruppen gruppen flyttas från aminosyran till alfa-ketoglutarat och bildar glutamat. Alfa-ketosyran som blir kvar är ett kolsketett som kan brytas ned och ge energi. Alla aminosyror utom lysin och leucin kan omvandlas till mediärer i citronsyracykeln. De kan också bilda ny glukos i glukoneogenesen. Transaminas katalyserar. Aminogruppen byts en av syremolekylerna i en ketosyra. Aminosyran blir en ketosyran och vice versa. Reversibel reaktion. Ex: alanin + αketoglutarsyra → pyruvat + glutamat. Pyruvaten kan omvandlas till acetyl-CoA av pyruvatdehydrogenas och gå in i citronsyracykeln, eller bli till laktat som omvandlas till pyruvat av laktatdehydrogenas och sedan glukos i glukoneogenesen. Glukosen kan sedan omvandlas till ATP eller pyruvat i glykolysen. α-aminosyra + α-ketoglutarat α-ketosyra + glutamat (glutamat är en salt av glutaminsyra) NH + Oxidativ deaminering – glutamat transporterar aminogruppen till levern (mitokondrien) och donerar aminogruppen i from av ammoniak, glutamatdehydrogenas. Reaktionen genererar 1 NADH. Tar bort väteatomer och aminogruppen t.ex. glutamat blir till alfa-ketoglutarsyra och fri ammoniak. När kroppen behöver aminosyror kan dessa reaktioner byta håll. Resten av aminosyran bryts ned, vissa går direkt till citronsyracyklen, vissa blir ketonkroppar (lysin, leucin) andra blir glukos (alanin, glycin). Ammoniak reagerar med ATP och kolsyra för att bilda karbamoylfosfat. (ammoniak bildar ofta ammonium NH4+ som är väldigt giftigt. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Ureacykeln – ammoniak omvandlas till urea. Kväve tas om hand om. Varje varv i cykeln genererar en urea-molekyl (kostar 4 ATP). Sker över mitokondriens dubbelmembran. Citrulin går från matrix och ut, medan ornitin kan passera från cytosolen in till matrix. Fumarat, aspartat och oxalacetat är intermediärer i citronsyracykeln. Fumarat kan omvandlas till malat, också det en intermediär. 1. karbamoylfosfat slås samman med ornitin och bildar citrulin som lämnar mitokondrien. ornitintranskarbamoylas 2. Ytterligare en aminogrupp tillsätts via aspartat och argininsuccinat bildas. argininsuccinatsyntas 3. Argininosuccinat klyvs till fumarat och arginin. argininosuccinatlyas 4. Arginin spjälkar till ornitin och urea. Ornitin passerar in i matrix och deltar i en ny cykel. arginas Oxaloacetat Karbamoylfosfatsyntas, CPS1 – hastighetsreglerande. Affiniteten för ammoniak bestämmer hastigheten. Via allosterisk reglering binder N-acetylglutamat och aktiverar CPS1. Nacetylglutamat bildas från glutamat och acetyl-CoA. ÖVRIGA METABOLA REAKTIONER Aspartat-malat-shutteln – system för att transportera de elektroner som frisätts under glykolysen in i mitokondrien. NADH kan ej ta glyceraldehyd-3-P malat malat NAD sig till matrix annars. Oxalacetat i cytosolen NAD malatNADH+H oxaloacetat degydrogenas NADH+H reduceras till malat, av malatdehydrogenas 1,3-bisP-glycerat oxaloacetat aspartat aspartat (NADH från glykolys). I matrix omvandlas mitokondriematrix oxalacetat tillbaka och NAD+ blir NADH. Oxalacetat transamineras till aspartat och alfapyruvat ketoglutarsyra. Aspartat går ut i cytosolen reagerar med alfa-ketoglutarsyra och blir oxalacetat. Malat transporteras in och aspartat ut. fruktos-1,6-bisP + + + + Glycerol – fosfat – shutteln – för att glykolysen ska kunna fortgå, samt reglera dess hastighet, måste hela tiden NAD+ bildas. Förser också elektrontransportskedjan med FADH2. DHAP som bildas i glykolysen omvandlas till glycerol-3-P. Detta genererar en NAD+ som kan återanvändas i glykolysen. Glycerol-3-P omvandlas tillbaka till DHAP av enzymet FADH2-glyceroldehydrogenas som finns i mitokondriemembranet. Detta reducerar samtidigt en FAD till FADH2 vilket kan generera ATP i elektrontransportkedjan. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Pentosshunten – alternativ väg för glukos-6-P istället för glykolysen. Viktigt för att skapa NADPH som behövs för fettsyrasyntes och för att bilda ribos-5-P för nukleinsyrasyntes ingen form av ATP förbrukar eller genereras. Oxidativa fasen – två irreversibla steg som drivs av glukos-6-P-dehydrogenas. Båda stegen leder till bildning av NADPH. 1. Glukos-6-P oxideras och bilar 6-P-glukonat. 2. En kolatom klyvs bort och bildar en 5-kol-molekyl som är ett förstadie till Ribos-5-P. Icke-oxidativa fasen – regenererar intermediärer i glykolysen, fruktos-6-P och glyceraldehyd-3-P. detta kan ske om behovet av NADPH i cellen är större än behovet av ribos-5-P. leder till att den oxidativa så småningom kan börja om. Grön = nyckelenzym i det energirika tillståndet. Röd = nyckelenzym under fasta Enzym Process Stimulator Hämmare Hexokinas Glykolys Insulin Glukos-6-fosfat Fosfofruktokinas Glykolys AMP, fruktos2,6bifosfat ATP, citrat Pyrutavkinas Glykolys Fruktos-1,6-bifosfat ATP, alanin Glykogensyntas Glykogensyntes Glukos-6-fosfat, Insulin Glykogen, Glukagon, Adrenalin Pyruvatdehydrogenas Omvandling pyruvat till Acetyl-CoA Insulin, ADP, NAD, pyruvat, Ca2+, CoA ATP, NADH, AcetylCoA AcetylCoAkarboxylas Fettsyrasyntes Acyl-CoA Lipoproteinlipas Upptag av fett Acetyl-CoA, Glukos, NADPH Insulin Enzym Process Stimulator Hämmare Glukos-6-fosfatas Frisättning av glukos Fruktos-1,6-bifosfatas Glukoneogenesen ATP, citrat Fruktos-2,6-bifosfat Pyruvatkarboxylas Glukoneogenesen Acetyl-CoA, alanin Glykogenfosforylas Glykogennedbrytning AMP, Adrenalin, Glukagon Karnitin-acylCoAtransferas 1 Fettsyraoxidation Hormonkänsligt lipas Hydrolys av fett Acyl-CoA Malonyl-CoA Glukagon, Adrenalin Insulin Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 ELEKTRONTRANSPORTKEDJAN – OXIDATIV FOSFORYLERING (syreberoende) Regleras av ATP/ADP-halter. Koenzym Q10 – Ubikvinon. mobilt, hydrofobt och kan färdas i membranet och transportera elektroner. Är ett kolestrolderivat. Bär 2 elektroner och 2 protoner. Inuti membranet. Cytokrom C – hydrofil, mobil, kan bara transportera en elektron i taget över membranet. Cytokromer – proteiner med hem-grupper. Elektronerna transportera i klustren då järn oxideras eller reduceras. Fe3+ (oxiderad, tar upp elektroner) + e- → Fe2+ (reducerad) → Fe3+ + e- (frigör elektroner) 1. Komplex I – NADH dehydrogenas. NADH avger 2 elektroner till komplex-I vilket möjliggör aktiv transport av 4 H+. koenzym Q bildar CoQH2 som bär elektroner till komplex III. 2. Komplex II – succinatdehydrogenas. Samma enzym som i citronsyracykeln som omvandlar succinat till fumarat och bildar en FADH2. I elektrontransportskedjan sker den reversibla reaktionen och FADH2 blir till FAD. Avger 2 elektroner till koenzym Q. Energin som frigörs är för låg för att pumpa åt några väten. 3. Komplex III – cytokrom-c-oxireduktas. Elektroner från CoQH2 transporteras en i taget till cytokrom c via Q-cykeln (en elektron via rieskeproteinet till cyt-C, den andra återanvänds, radikaler bildas). För varje elektronpar pumpas 4 väte ut. 4. Komplex IV – cytokrom C lämnar av elektroner som reagerar med syre och väte från matrix och bildar vatten. O2 + 4 H+ → 2 H2O. 2 väte pumpas ut för varje elektronpar. syre och bildandet av vatten driver elektrontransporten. (kolmonoxid/cyanin gör att syret ej kan ta emot elektroner). 5. Protonerna som byggt upp gradienten kan passera tillbaka till matrix via ATP-syntas, transporten sker genom en stor rotor som kallas F0. Rotationen aktiverar den katalytiska delen F1 som fosforylerar ADP till ATP. ADP och ATP transporteras via en antiport. • • • • Glykolys: 2 NADH, 2 ATP (1 NADH bildar 3 ATP) Pyruvat – acetylCoA: 2 NADH, 2 ATP Citronsyracykeln: 6 NADH, 2 FAHH2, 2 GTP (1 FADH2 bildar 2 ATP) Elektrontransportkedjan producerar 34 av totalt 38 ATP per glukos. UCP (incoupling protein) – frikopplas transportkedjan via protonkanaler (jonfor). Energin lagrad i protongradienten avges som värme, ej ATP. Hastigheten på kedjan skyndas på. Termogenin i bruna fettceller hos bebisar har stor mängd UCP. Redogöra för kromatinets uppbyggnad, hur DNA replikeras och rekombineras i samband med celldelning, samt förklara mekanismer som bidrar till genomets integritet Kromatin – Komplex av DNA, histoner och andra protein. En nukleosom har en kärna av åtta (oktamer) histoner (2 av varje av: H2A, H2B, H3 och H4) där DNA-kedjan är lindad 2 varv runtom. (histoner +laddade, fosfat-). Mellan kärnorna finns linker-DNA som bildar en ”beads-on-a-string” struktur. Kedjan lidar sig runt histon H1 och bildar kromatinfiber som i sin tur lindar sig runt andra proteiner under interfas. Vid celldelning kondenseras kromosomerna. Eukromatin vid aktiv transkription och heterokromatin vid permanent kondensering. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Kromosom – 22 par autosomala, 1 par könskromosomer. Mittpunkten, centromer håller ihop systerkromatider under celldelning. Karyotyp är en bild av den kondenserande kromosomuppsättningen. Telomerer upprepar TTAGG i ändarna av kromosomerna (telomeras kan bygga på). Hayflick-gränsen avgör hur många gånger en cell kan dela sig. Gen – icke-kodande introner och kodande exoner. Cirka 1% av genomet kodar för protein. 10 gånger mer mRNA än exoner (variation). Pseudogener är inaktiva gener. Stor del av genomet kodar RNA Olika typer av gener: proteinkodande (mRNA), tRNA, rRNA, ickeproteinkodande RNA (ncRNA) så som microRNA. En stor del av den repetitiva delen av DNA är transposoner (rörliga dna-element). Replikation – semikonservativ reaktion, det nya dotter-duplexet består dels av en ny del, dels av det gamla templatet. DNA byggs åt olika håll på flera platser samtidigt. Replikation börjar på bestämda platser, origin of replication. 1. Topoisomeras klipper ett jack i DNA strängen som snurrar upp sig. När helikas klipper ökar ”tryck” i kedjan, topisomeras ser till att den ej är så hårt veckad. Gör detta vid ett ”ori”. Sitter kvar under hela replikationen och lagrar energi som fås av att klippa jacket för att sedan kunna använda energin för att stänga det. 2. Prereplikationskomplex fäster där helikas ska klippa. 3. Helikas klipper upp strängen, öppning i dubbelhelixen ”replikationsgaffel” lättare att klippa A-T med två vätebindingar. 4. Single-stranded-bidning-protein (SSB) binder till enkelsträngad kedja för att förhindra att den går ihop. 5. RNA-primas syntetiserar primers (cirka 10 nukleotider lång) som fäster till kedjan 6. DNA-polymeras fäster till primers och adderar en komplementär bas i taget (sliding clamp-protein ser till att polymeraset ej ”glider av”). På ”leadning strands” bygger polymeraset från 5´till 3´utan avbrott. På ”laggning strand” (går från 3´till 5´ räknat från templatet) fästs flera primers med jämna mellanrum och små okazaki-framgent (100–200 nukleotider) byggs upp av polymeraset en i taget. DNA-ligas limmar sedan ihop dessa fragment med varandra. RNA-primern tas bort av ett exonukleas. DNApolymeras fyller igen hålet efter primern. Polymeraset känner igen och lossnar vid SSB. 7. Slutprodukten är två systerkromatider som kan delas upp i mitosen. Under replikationen kan DNA-polymeras korrekturläsa och gå tillbaka om det skett fel. Rekombination - Utbyte av DNA mellan homologa sekvenser i kromosomparen. Sker under profas i meiosen. Överkorsning. Ett synaptonemalt komplex placerar och binder de homologa kromosomparen till varandra. Komplexet dissocierar när profas är över och stora delar av systerkromatiderna kan separera från varandra. Kromosomparen hålls ihop av minst ett chiasma som tillåter icke-systerkromatider att byta material med varandra. Det kan finnas flera chiasman. Chisman och cohesin håller ihop dem tills de separeras i anafas I. DNA-skador – orsaker: mutagener, strålning, UV, bakterie/virus, fel i replikation/reparation/delning. Radikaler från elektrontransporten. Om ej reparation: arrest, apoptos, cancer. • • Pyrimidin-dimer – T (vanligast) och/eller C binder till varandra. (UV-ljus). Depurinering – purinerna A eller G försvinner och lämnar hål. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 • • Deaminering – kvävegrupp tas bort från kvävebaserna. C blir U, metylerat C blir T. Icke-enzymatisk metylering – metylgrupp på A eller G bildar skadliga molekyler som skadar DNA. Aminogruppen byts mot en metylgrupp. Enkelsträngad reparation • • • Base excition repair (BER) – glykosylaser tar bort skadade baser (deaminering) och lämnar ett hål (Ap-site). Nukleas klipper och poylermas fyller igen. Nucelotide excition repair (NER) – tar bort flera nukleotider samtidigt och fyller igen hålet. Mismatch repair (MMR) – rättar fel från replikation. MSH protein upptäcker fel (ryggraden) och rekryterar nukelas. Polymeras och ligas fyller igen hålet. Om det ej funkar har man en 100–1000 högre mutationstakt. Dubbelsträngad reparation – större skador, dubbelsträngsbrott av t.ex. UV-ljus • • Icke-homolog sammanfogning (NHEJ) – DNA-protein-kinas binder till de båda ändarna och rekryterar proteinet artemis som binder och klipper av det enkelsträngade delarna av ändarna så att ”jacket” blir jämnt. DNA-ligas binder ihop sekvensen igen. Detta medför att vissa nukleotider klipps bort och genetisk information förloras. Felbenägen reparation. Homolog rekombination - Systerkromatiden används som mall. Proteinkomplexet MRN binder till ändarna av det skadade DNAt och rekryterar exonukleas som klipper bort 5´ändar (så att strängarna kan korsa varandra). Den ena änden placeras nära den homologa sekvensen på systerkromatiden där den paras och komplementärara baser fogas fast med systerkromatiden som mall. DNA-polymeras syntetiserar nukleotider på ena änden som är komplementära med de på den andra änden. DNA-ligas binder ihop. Denna metod är mer pålitlig än den icke-homologa då ingen genetisk information förloras men kräver att det finns systerkromatider. Mutationer – ovanliga variationer (mindre än 1%). Polymorfi är vanliga variationer. Mutationer i könscellerna kan ärvas. • • • • • SNP – punktmutation. Påverkar en bas. Tysta punktmutationer gör att det blir samma aminosyra (konservativ, synonym). Icke-konservativa/synonyma är nonsens mutationer som kodar för ett stoppkodon eller Missense mutationer som gör att aminosyran byts ut Indel – insertion och deletion. Frameshift mutationer är allvarligast. (antal baspar som inte är 3). Strukturella varianter – (CNV, copy number variation). LINES och SINES. Antalet upprepningar varierar. Ett block kan upprepas många gånger eller så kan flera block bilda upprepande mönster. Påverkar ej fenotyp vad man vet idag. Repeterande sekvenser – tandem reaptes (mikrosatelliter). Upprepningar av korta sekvenser. Antalet upprepningar påverka fenotypen. Kromosommutationer – aneuploidi. Deletion, duplikation, inversion (en bit byter plats). Translokation (överkorsning med en icke-homolog kromosom). Ojämn överkorsning. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Epigenetik – genreglering utan att ändra nukleotidsekvens. Acetylering lossar histonerna, deacetylering gör de svårare att transkribera. Metylering av en metyl lossar dna, medan metylering av 2–3 låser kromatin. Histon-modifieringar. Metylering av DNA t.ex. på platser med mång CG kan C metyleras och genuttrycket minskar. Metylerat C blockerar RNApolymeras/DNA-bindande protein. redogöra för principerna för informationsöverföring från DNA via RNA till protein i den eukaryota cellen, innefattande bildandet av olika slags RNA-molekyler, samt förklara hur genuttryck regleras på olika nivåer en konserverad sekvens dit proteiner binder kallas ofta ”element” eller ”box”. Är det beläget 5´om en gen kallas det ”uppströms element” och om det är beläget 3´om en gen för ”nedströms element”. TRANSKRIPTION gen till mRNA. Olika RNA-polymeras transkriberar olika typer av gener. • • • RNA-polymeras I – transkriberar de flesta rRNA-gener. RNA-polymeras II – alla proteinkodande gener, miRNA, en del ickekodande RNA RNA-polymeras III – tRNA, gener för små RNA, 5s-RNA-genen (liten del rRNA). Initiering – kräver ansamling av generella transkriptionsfaktorer + RNA polymeras (finns också gen-specifika transkriptionsfaktorer). Mellan varje gen finns långa regulatoriska sekvenser. Krävs att kromatinet packas upp och generna blir tillgängliga. 1. TATA-binding-protein (TBP) är en subenhet av TFIID som binder TATA-boxen på promotorn (cirka 25 BP uppströms målgenen). Inducerar en böjning av DNA. 2. Transkriptionsfaktorer + RNA-polymeras bildar ett initiations-komplex. 3. TFIIH (helikas som subenhet) öppnar dubbelhelixen vid startplatsen och frigör polymeras genom att fosforylering. Elongation – transkriptionsfaktorerna släpper från DNA när transkriptionen börjar. Polymeraset rör sig 3´till 5´längst templatet för att bygga mRNA 5´till 3´. Kodande-DNA och Templat-DNA. Terminering – polymeraset defosforyleras (endast defosforylerat polymeras kan initiera transkription). Stoppsekvensen består ofta av två komplementära sekvenser som kommer efter varandra. mRNA bildar en ”loop” och transkriptionen kan ej fortsätta. Enzym som känner igen stoppsekvensen och klyver mRNA. PRE-mRNA MODIFERING I kärnan. Enzymer/proteiner binder till RNA-polymerasets fosforylerade svans och ”åker med”. Gör mRNA mer stabilt, lättare att känna igen och möjligt att kontrollera om fullständigt. • RNA-capping – modifiering av 5’-änden på mRNA. 5’-cappen består av en metylerad guaninmolekyl och adderas redan under transkriptionen. Denna skyddar mRNA från nedbrytning samt underlättar bindning till ribosomer. Cappingen sköts av CEC (Capping Enzyme Complex) vilket endast finns i cellkärnan. (7-metyl-guanosin) Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 • • • Polyadenylering – polyadenylat-polymeras bildar en poly-A-svans på 3´änden. Cirka 100-200 adenin-nukleotider. Ökar stabiliteten och möjliggör export till cytoplasman. RNA-splitsning – introner känns ingen genom specifika sekvenser som finns på gränsen mellan intron/exon. ”small nuclear RNAs (snRNA)” är packade tillsammans med proteiner och bildar ”small nuclear ribon-nukleoprotein (SnRNPs) som utgör kärnan hos spliceosomer som viker RNA, klipper bort introner och binder ihop (Exonjunction-complex EJC) exonerna. Alternativ splitsning skapar variation. Differentiell splitsling kan vävnadspecifik. Finns ej rum för misstag. Transport – Poly-A-binding-proteins och cap-binding-complex märket ut mRNA. Transporteras via kärnporer. TRANSLATION tRNA – formad som en klöver. Innehåller en aminosyra i 3´änden samt ett antikodon. Stabilare än mRNA. mRNAs läsram avgörs av startkodon. De två första positionerna i ett kodon är viktigast, den tredje kallas för wobble-position. Aminoacyl-tRNA-syntetaser binder aminosyror till tRNA. Reaktionen kräver ATP. rRNA – bildas i nukleolen som är en icke-membranavgränsad intranukleär struktur. (polymeras I) Ribosomen – kärna av rRNA och ”påklistrade proteiner”. Stora subenheten katalyserar peptidbindning och lilla matchar kodon. Tre platser: A (aminoacyltRNA), P (peptydyl-tRNA) och E (exit). (EPA vänster till höger). Finns i ER (ut) eller cytosolen. polysomer innebär att flera ribosomer translaterar ett mRNA samtidigt. 1. Initiering – mRNA binder till lilla subenheten. Initiator tRNA basparar med AUG på P-site. stora och lilla delen sätts ihop. En amino-acyl tRNA binder till nästa kodon, första peptidbindningen sker. 2. Elongation – På P-platsen växer peptidkedjan. (den på A bindet till P). lilla subenheten och sedan den stora flyttar ett steg i taget. Nytt tRNA kommer till A medan gammalt tRNA utan aminosyra släpper vid E och kan hämta en ny aminosyra. 3. Termination – stoppkodon (UAA, UAG, UGA). Realse-factors binder till mRNA. Peptidyl-transferas (som binder tRNA till aminosyran) ändrar sin aktivitet och binder istället en vattenmolekyl, polypeptidkedjans C-terminal hydrolyseras. Kedjan frigörs och ribosomen dissocierar. Chaperoner påbörjar veckning. GENREGLERING House-keeping gener uttrycks ständigt i lägre nivåer i alla celler. En repressor stänger av gener (förhindrar ansamling av protein vid promotorn, bindning av polymeras). En aktivator eller enchancer kan vara placera lång från promotorn med hamnar nära p.g.a. veckning. dessa ökar transkription genom protein-protein-interaktioner (rekryterar polymeras). I princip alla gener kräver enchancers. Transkriptom = allt RNA i en cell vid en tidpunkt. Proteom = proteinuppsättning. Viktigaste regleringen sker på transkriptionsnivå (protein-proteininteraktioner). Kontrollnivåerna är: hur ofta en gen transkriberas, kontroll av splitsning/modifiering, reglering av mRNA nedbrytning, reglering av translation och proteinaktivitet. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 • • • • • Regulatoriska sekvenser – uppströms initiations platsen. Mycket specifika proteiner binder till bestämda sekvenser = transkriptionsregulatorer (ofta i dimerer). Binder till ”major groove” och orsakar t.ex. böjning. HLH (helix-lopp-helix) ena helixen läser DNA andra interagerar med protein. Zink-finger. Dimerisering och kombinatorik leder till att ett begränsat antal DNA-bindande-proteiner kan reglera många DNA-regioner. Locus kontroll – regioner som kontrollerar en grupp av proteiner. (t.ex. hemoglobinaffinitet hos spädbarn). Stora avsnitt DNA, innehållande många gener som regleras av regulatoriska sekvenser på avstånd. Hämmar eller stimulerar uppströms eller nedströms. mRNA-stabilitet – långt livslängd för protein som uttrycks i stor mängd. Lång PolyA svans (under 30 känns igen som icke fullständigt och bryts ned). Kromatin – aktivatorer rekryterar enzymer som veckar upp. Histoner har svansar som protein/enzym kan binda till. (ex. histonecetylas som ansamlar transkriptionsfaktorer, lossar histoner). Acetylering av kävebaser försvårar transkription, dekondenserar kromatin, deacetylering har motsatt effekt. Metylering försvårar transkription. miRNA – genreglering posttranslationellt genom bindning till mRNA (påverkar stabilitet och transkription). RISC (RNA-induced-silencing-complex) gör att mRNA bryts ned. RNA-interferens (RNAi) kan leda till degradering av mRNA via basparing som hämmar transkriptionen. dubbelsträngat RNA. redogöra för hur biologiska membraner bildas, olika membrankomponenters påverkan på membranets funktionella egenskaper, samt förklara vilken roll membranflödet i cellen spelar för dess organisation och funktion Membraner finns i ER/golgi/mitokondrier/kärnmembran/plasmamembran och har som funktion att avgränsa cellens utrymmen (bibehålla olika kemiska miljö). Membranlipider – är amfifila med hydrofoba svansar (kolväten, fettsyror) och hydrofila fosfathuvuden. I vattenmiljö bildar de miceller (en svans) eller lipid-dubbellager (två svansar). I ett lipiddubbelskikt finns elektrostatiska interaktioner och vätebindingar mellan de polära grupperna och vatten vid huvudena. Svansarna hålls ihop av hydrofoba interaktioner och van der waals. En vesikel (liposom) är en sfärisk partikel uppbyggd av ett dubbellager fett, vilket innesluter vatten. Typer av membranlipider • • • fosfolipider – derivat av glycerol (glycerol med 3 hydroxyl, två fettsyror, fosfat och en alkohol ex. kolin) eller sfingosin (lång kolvätekedja, en fettsyra (2 netto), en fosfatgrupp och en alkohol). Glykolipider – derivat av sfingosin. En lång fettsyrekedja och en fettsyra kopplat till socker. Kolesterol – steroidskelett, en kortare kolvätekedja, en hydroxylgrupp i den polära änden och en fettsyresvans. Membranfluiditet – ständig rörelse i membranet. rörelsen ökar med förhöjd temperatur. Fluid-mosaic-model. Membraner är asymmetriska och har en smältpunkt Tm som beror av membransammansättningen. Långa fettsyror ger en hög smältpunkt (mer energi för att göra membranet rörligt). Ju fler dubbelbindningar/omättnader som finns, desto lägre smältpunkt. (dubbelbindningar orsakar böjda svansar via cis-bindning). Kolestrol verkar på 2 sätt: vid Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 temperaturer under smältpunkten förhindrar det kristallisering av fettsyrekedjorna genom att placera sig mellan dem och öka fluiditeten. Vid temperaturer över smältpunkten blockerar kolesterol steriskt stora rörelser hos fettsyrekedjorna och minskar fluiditeten. Fosfolipiders biosyntes – I smooth-ER. Små vesiklar knoppas av från ER och kan fusera med andra membran. Syntes sköts av enzymer och inkorporeras på den cystoliska sidan av dubbelmembranet. Scramblases förflyttar slumpmässigt fosfolipider från ena sidan av membranet till den andra (för att de ska växa jämnt). Nybildat membran inkorporeras i golgimembranet där flippaser kan flytta fosfolipider mellan membranets in-och utsida. Detta skapar den asymmetriska strukturen med specifika fosfolipider på insidan och andra på utsidan. Membranproteiner – två typer: integrala som spänner genom hela membranet och perifera som är associerade till intergralprotein/membranlipid på ena sidan. Två strukturer bildas: alfahelix-bunt (hydrofoba kedjorna hos aminosyran pekar ut från alfa-helixen, flera kan sitta tillsammans med sina hydrofila delar inåt och bilda en por) och beta-tunna (snurrar ihop sig, polära grupper är upptagna i vätebindingar och polära sidokedjor vänds inåt). Funktioner: porer/transportörer, receptorer, enzymer. Kolhydrater i membran – sitter på utsidan av cellen. Glykoproteiner och glykolipider. Kolhydrater kopplas på i ER och golgi. De placeras på innermembranet av golgi, knoppas av och transporteras via vesiklar där de senare kan fusera med t.ex. plasmamembranet. redogöra för principer och mekanismer för transmembranös transport samt hur denna påverkar cellens biologiska och elektrofysiologiska egenskaper Elektrokemisk gradient – membranpotentialen påverkar. Positivt laddade molekyler drivs in genom membranet, medan negativa transporteras in långsammare. Insidan av membranet är mer negativt laddat jämfört med utsidan. PASSIV TRANSPORT – med koncentrationsgradient, ingen energi. Diffusion – spontant transport/utbredning av ett ämne i samma riktning som koncentrationsgradienten. Hydrofoba och små molekyler så som steroidhormon och gaser kan diffundera relativt obehindrat. Stora/polära molekyler kan ej diffundera. Osmos – diffusion av vatten. Antingen från hög koncentration av vatten till en lägre eller mellan en hypoton lösning (högre koncentration av ett ämne i cellen än utanför, cellen sväller) och en hyperton lösning (lägre koncentration i cellen än utanför, cellen krymper). Aquaporiner är helix-bunt-protein (6 helixar) som transporterar vatten. Faciliterad diffusion – hjälp av transportörer. Antingen kanaler (alfa-helix-bunt/beta-tunna) eller proteiner som binder molekylen som ska förflyttas och släpper av den på insidan. Vid diffusion via kanaler ökar transporten i förhållande till koncentrationen molekyler, via transportörer finns en maxhastighet då antalet bindningsställen är begränsat. AKTIV TRANSPORT – mot koncentrationsgradient. Kräver energi Kopplade transportörer – transporten av ett visst ämne ger energi åt transporten av ett annat. Uniport = en molekyl transporteras. symport = kopplade transportörer åt samma håll. Antiport = kopplade transportörer åt motsatt håll. Sekundära då ATP används indirekt. Ex. natrium-glukos-SGLT1 symport Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 ATP-drivna pumpar – ATP-aser. Primära då ATP används direkt. Ex. natrium-kaliumpumpen. Celler behöver ha ett högre kaliuminnehåll i cellen än utanför och tvärtom med natrium. För att kontrollera pH, skicka nervsignaler och driva aktiv transport av socker/aminosyror. Inbindning av tre natrium, pumpen fosforyleras från ATP och ändrar form så att natrium kan diffundera på utsidan av cellen, 2 kalium binder in och via defosforylering ändrar pumpen form och kalium släpps in i cellen. EXOCYTOS – ut ur cellen, den sekretoriska vägen. Vesiklar från trans-golgi till plasmamembranet. Konstitutiv väg – förser plasmamembranet med lipider och proteiner. Lösliga proteiner till cellytan som sekreteras. Entré genom denna väg behöver inte någon speciell signalsekvens. Generellt i alla celler. Viktig för att upprätthålla membranstrukturen. Sekretion av vissa extracellulära proteiner. Reglerad väg – i celler som är specialiserade för sekretion. T.ex. hormoner som förvaras i sekretoriska vesiklar som släpps ut vid behov. Del av endomembransystemet och släpps från trans-golgi till plasmamembranet. Där väntar de på extracellulära signaler innan de exocyteras. Proteiner som ska transporteras på detta sätt sorteras i trans-golgi där de aggregerar och packas tätt. ENDOCYTOS – transport in i cellen, via endocytiska vesiklar som förs till endosomer där de kan användas till plasmamembranet eller skickas till lysosomer. T.ex. metaboliter som transporteras direkt från lysosmen till cytosolen. Fagocytos – stora partiklar via fagosomer. Fagocyter bilder pseudopodia och ”sväljer” partiklar. Utförs av specialiserade celltyper. Pinocytos – tar upp vätska via små vesiklar. ”sväljer” membran och plasma. (balans mellan membran som adderas vid exocytos och tas bort vid endocytos). Ospecifikt och slumpmässigt. Viktigt för membranets upprätthållande av storlek. Receptor-medierad-endocytos – makromolekyler binder till receptorer och transporteras in i klatrin-vesiklar. Mycket selektivt. förklara posttranslationella processer som resulterar i att proteiner får sin slutliga struktur och sorteras till olika destinationer Första sorteringen – signalsekvenser. Ofta i N-terminalen. Så fort ett protein börjar bildas exponeras denna. Styr sortering till ER/mitokondrie/peroxisomer/kärna. Protein utan signalsekvens sorteras till cytosolen. Efter att transporten är färdig klyvs signalsekvensen. TRANSMEMBRANÖS TRANSPORT – translokationsmekanismer Cytosol till mitokondrie – signalsekvens: prepeptid med positiva aminosyror. Binder till receptor på yttermembranet och transporteras via TOM-komplexet. Signalsekvensen hålls fast medan peptiden dras genom membranet uppvecklat. In i lumen transporteras det via TIMkomplexet. Signalsekvensen klyvs bort och exponerar veckningssignaler. Chaperoner veckar proteinet i matrix (HSP70 håller proteinet i en viss form, drar in proteinet). posttranslationellt. Kräver ATP. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Cytosol/ER till peroxisomer – signalsekvensen känns igen och transporteras via en translokator (likt till mitokondrien). Proteiner behöver inte veckas upp, kan också ta emot vesiklar. Cytosol till ER – signalsekvens: hydrofoba aminosyror. Två typer av protein: vattenlösliga som transporteras genom hela membranet eller transmembran-protein som transporteras delvis igenom. Signalsekvenser/ribosomer guidas till ER-membranet via en SRP (signal recognition particle) som finns i cytosolen och binder signalsekvensen. Bindningen gör att translationen saknas ned tills inbindning till en SRP-receptor på ER-membranet. SRP släpper och translation fortgår samtidigt som den växande polypeptiden ”dras” via en translokator (Sec61). BiP är ett viktigt chaperonprotein som binder till den växande kedjan inne i ERlumen och förhindrar felaktigt veckning. För transport post-translationellt syntetiseras proteinet, chaperoner binder för att undvika veckning, signalsekvensen känns igen av receptorer, HSP70-chaperoner (BiP) binder till proteintkedjan och drar den in i lumen. BiP fungerar som drivande kraft om ribosomer ej finns tillgängliga. För transmembranprotein (vesikeltransport) avslutas transporten ”mitt i” p.g.a. en stoppsekvens. Hydrofoba signalsekvenser som trivs i membran. Sec61 stöter på en hydrofob stop-transfer-sekvens. GATED TRANSPORT Cytosol till kärnan – signalsekvens: NLS (nuclear lokalization signal) består av basiska/positiva aminosyror lysin/arginin. Binder till en import-receptor interagerar med cystoliska fibriller som sticker ut från kärnporer. Receptorn kan störa bindningen mellan korta aminosyrasekvenser (gel-struktur) och ta sig genom poren. Drivs av GTP-hydrolys utförd av Ran-GTPas. Receptorn binder till proteinet och tar sig genom poren. I kärnan binder RanGTP och frisläpper proteinet. Den tomma receptorn och Ran-GTP tar sig ur kärnan. I cytosolen sker hydrolys och Ran-GDP frisläpps (receptorn binder nytt protein). Sker i cykler. Proteinet transporteras fullständigt veckade. Kärnporer består av proteinkomplex med hoptrasslade polypeptider som förhindrar stora molekyler att röra sig fritt genom. VESIKELTRANSPORT Mellan topologiskt lika organeller. Andra sorteringen: glykosylering. Selektiv process: olika delar av membranet kan fosforyleras, olika adaptorprotein binder in, olika coating-protein. 1. Partikeln/molekyler som ska transporteras binder till sin receptor på membranet. 2. Fosfolipider fosforyleras, vilket bidrar till inbindning av coat-recruitment GTPaser och adaptorprotein (selekterar last/får specifika coat-proteiner att binda). 3. Klatrin är viktigaste höljeproteinet. (COP-1 inom golgi till ER, COP-2 från ER, hjälper till att bukta membran). En klatrin-belagd grop bildas på plasmamembranet cystoliska yta. 4. Ett litet GTP-bindande protein, dynmin ansamlar proteiner som knoppar av vesikeln. 5. Vesiklar transporteras av motor-protein längst cytoskelettet. Rab-proteiner på ytan av vesiklar känns igen av tethering proteins på det cytstoliska målmembranet. När dessa proteinet känt igen en vesikel finns komplementära SNAREs både membranet och vesikeln som ”dockar fast” vesikeln som smälter ihop med membranet. vSNARE på vesikeln och tSNARE på målmembranet. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 Sekretoriska vägen – utgående bana. Från ER ut i cellen/extracellulära miljön. Banan från golgi till endosomer/lysosomer. Endocytotiska vägen – ingående vägen. Banan för intagande och nedbrytning av extracellulära partiklar och molekyler. Coating protein – COP-I inom golgi samt golgi till ER. COP-II från ER till golgi. Klatrin via endocytos, från golgi till lysosomer via endosomer. KDEL = peptidsekvens i t.ex. ER-chaperoner som BiP och calreticulin. KDEL-receptorn fångar upp KDEL-innehållande proteiner i cis-golgi och för dem tillbaka till ER via COP-1medierad-retrograd-transport. (om vesiklar som ej ska sekreteras kommit fel). KDEL = lysinasparaginsyra-glutaminsyra-leucin. MODIFIERING I ENDOPLASMATISKA RETIKULUM N-glykosylering – Den 14-socker långa oligosackariden syntetiseras på en lipid (dolichol) som sitter förankrad i membranet och fungerar som bärare. oligosackariden flyttas från dolichol till asparagin i den växande peptidkedjan katalyserat av oligasaccharyl-transferas (membranbundet, active-site i lumen). oligosackarid-trädet fungerar som en veckningstagg, ser till att proteinet är tillräckligt/korrekt veckat innan det lämnar ER. (Bilden: orange = N-acetylglucosamine, grön = glukos, blå = mannos). Veckning – oligosackariden fungerar som ankare för chaperonerna calnexin (membranbundet) och calreticulin (fritt i ER) som veckar proteinet och ser till att det inte kan lämna ER förens veckningen är klar. Bindning mellan calnexin/calreticulin och glykoproteiner regleras av glukosidaser som kan lägga på en glukos om proteinet ej är färdigveckat så chaperonerna binder till det igen. ERAD – ER-associated degradation. Felveckade/oveckade proteiner märks genom att en mannos-molekyl tas bort av mannosidas. EDEM är en membranbunden receptor som kan känna igen mannos-taggen, och mediera nedbrytning. Proteinet veckas upp av chaperoner, lämnar ER genom retro-translokation. De ubiquineras och bryts ned i proteasomer. UPR – unfolded protein response. Kvalitets-system som triggas när ER blir överbelastat med missformade proteiner. Om antalet felveckade protein är för stort inducerar UPR apoptos. Om det finns väldigt mycket BiP i ER (många oveckade proteiner) släpper BiP sina receptorer och binder till proteiner. När Bip släpper från tre olika sensorer som styr transkriptionsfaktorer (IRE1, PERK, ATF6) ökar syntesen av BiP och andra chaperoner/nedbrytningen via ERAD/antalet proteasomer och proteinsyntesen minskar. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 I ER bildas dessutom disulfidbryggor för att öka stabiliteten hos protein som transporteras mellan miljöer med olika pH. Protein som är ämnade för ER, ska till plasmamembranet, ECM, golgi, lysosomer och endosomer. MODIFIERING I GOLGI Golgiapparaten är membransäckar (cristerne). Ytterligare modifiering av de protein som kommer från ER och sortering till ytterligare destinationer. Proteiner från ER går in genom cis-golgi som är riktat mot kärnan och lämnar genom trans-golgi som är riktat mot plasmamembranet. Transport inom golgi sker via vesiklar. I Golgi sker syntes av GAGs (glukosaminoglykaner). ERGIC = ER-golgi-intermediate-compartment. TGN = trans-golginetwork. Modifiering av N-länkad glykosylering – alla proteiner som kommer till golgi har samma N-länkade olgiosackarider. Dessa modifieras olika och beror på proteinet struktur samt vägen genom golgi. O-länkad glykosylering – addition av en kolhydrat till treorin/serin (OH-grupp på aminosyrorna). Fosfatering av lysosomala protein – protein som är ämnade för lysosomen märks genom fosforylering av en specifik mannos-molekyl på sin N-länkade olgiosackarid. Proteinerna taggas med mannos-6-fosfat och känns igen i trans-golgi av M-6-P-receptorn. Transporteras till lysosomen. UDP-GlcNAc fungerar som bärare av fosfatgruppen och enzymet GlcNAcfosfotransferas flyttar denna fosfatgruppen till mannos LYSOSOMEN – Den sura miljön (pH 5) upprätthålls av en protonpump. Kan bryta ned gamla organeller, restprodukter, främmande extracellulära material och makromolekyler med hjälp av sura hydrolaser. Produkterna (aminosyror, monosackarider m.m.) skickas till cytoplasman för återanvändning. Vesiklar som tas in i cellen genom endocytos utvecklas till tidiga endosomer. Receptorerna som tagit hand om endocytosen lämnar sin last och återvänder till plasmamembranet och en endosom har bildats. Den sena endosomen kan smälta samman med en pre-lysosom och på så sätt få de hydrolaser som behövs och en lysosom har bildats. (protein med mannos-6-fosfat). Autofagocytos när lysosomen tar upp celldelar. Endosom – hålls sur med hjälp av väte-pumpar. Molekyler som endocyteras tas upp i endosomer där de t.ex. släpper från sina receptorer p.g.a. av de sura pHt. Sorterar molekyler. Transcytos när en molekyl skickas till en annan del av membranet ut ur cellen (transporteras genom cellen, in på en sidan och ut på den andra). Peroxisom – oxidativ nedbrytning av t.ex. toxiner. förklara och jämföra olika mekanismer varmed signaler från cellens utsida tas emot, förmedlas och leder till ett cellulärt svar, samt ge exempel på hur signalernas intensitet och varaktighet regleras • • Autokrin – cellen påverkar sina egna receptorer och stimulerar sig själv. Parakrin – påverkar närliggande celler. Via den extracellulära vätskan, ej blodet. Terese Engström Molekyl till vävnad HT18 • Endokrin – påverkar celler på annan plats, t.ex. hormoner släpps ut i blodet. Specialiserade celler. • Kontakt-beroende – direkt kontakt mellan membran och signal för effekt, membranbundna signalmolekyler. Cellerna i kontakt. • Synaptisk – i nervceller via elektriska signaler och neurotransmittorer. Typ av parakrin signalering. Nervtransmission. Receptorer – proteinmolekyl som reagerar på kemisk signal. Via inbindning av ligand fås respons i cellen. Intracellulära för små hydrofoba molekyler (bärarprotein) och extracellulära för större hydrofila. En agonist binder in och aktiverar receptorn. En antagonist binder in och blockerar receptorn (ingen aktivering). Reglering – fosforylering och inbindning av GTP aktiverar signalproteiner medan defosforylering och GTP-hydrolys till GDP inaktiverar dem. Positiv (produkten stimulerar) och negativ (produkten inhibiterar) feedback. Cellen bildar komplex för att öka specifiteten och förhindra ”cross talk” mellan signaler. Signalmolekyler: protein, peptid, hormon, aminosyra, nukleotid, fettsyra. Ce