Embed Size (px)
Citation preview
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 58
10 Rekombinant DNA-teknologi 62
11 Diverse 65
III Fundamentale biologiske prosesser 68
12 Replikasjon 68
13 Transkripsjon 68
14 Translasjon 68
15 Regulering 68
16 Membrantransport 70
17 Enzymkatalyse 70
2
18 Metabolisme 70
IV Praktiske problemstillinger 71
3
Del I
To do
• Sjekk opp ORF-problemstillingen
– Notater fra Ingvild
– Foiler
– Wikipedia
4
Del II
Oversikt over viktige termer
1 Basis
Definisjon av bioteknologiBioteknologi er et fagfelt innen anvendt biologi som involverer bruk av leven-de organismer og biologiske prosesser i teknologi, medisin og andre disiplinerder bioprodukter trengs.
Fra forelesningsnotatene
Anvendelse av vitenskap og teknologi på levende organismer,samt deler, produkter og modeller av disse, for å endre levendeeller ikke-levende materiale for produksjon av kunnskap, varer ogtjenester.
Bioteknologi dreier seg mest om celler eller deler av dem, men hele organismerkan også i noen sammenhenger ses på som en del av bioteknologien. Detjobbes typisk på cellene eller organismene fra en kjemikers synsvinkel, og detsom observeres blir forsøkt forklart molekylært. Dette leder i mange tilfellerinn i en enorm kompleksitet, noe som har medfært en økende trend motmultidisiplinaritet (biologi, kjemi, bioinformatikk, fysikk, matematikk).
Bioteknologien er med andre ord ikke lenger et rent deskriptivt fag, slikbiologien historisk sett har vært.
ProkaryoterDette innebefatter bakterier og arkebakterier - strukturmessig er prokaryo-tene enklere en eukaryotene. Figur 1 viser en typisk prokaryot celle.
EukaryoterMennesker, dyr og planter er en del av disse. Figur 2 viser en typisk dyrecelleog en typisk plantecelle - begge er eukaryote celler.
Gram-positive og Gram-negativ bakterierTo ulike typer bakterier, skilles med Gram-testen. Her vil Gram-positive bak-terier farges, fordi disse mangler yttermembran, mens Gram-negative bak-terier ikke vil farges. Figur 3 viser forskjellen i cellemembranen hos de totypene bakterier.
5
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
ArchaeaArchaea er en gruppe av encellede organismer som visuelt minner mye ombakterier, men som likevel ligger nærmere eukaryotene når det kommer tilgener og enkelte metabolske ruter - dette gjelder særlig enzymer for tran-skripsjon og translasjon. Andre sider ved biokjemien er helt unik og skillerseg fra både bakterier og eukaryoter. Generelt oppviser archaeaene en storvariasjon i måten de tar opp energi på - alt fra sukker, hydrogengass, amoni-akk og sollys utnyttes av enkelte arter (ikke på en gang!). Archaea har ingencellekjerne eller andre membranbundende organeller i cellene sine.
Ettersom de ofte lever i ekstreme miljø, utnyttes enzymer fra archaea somtåler høye temperaturer og organiske løsemidler ofte i bioteknologi.
EksponensialvekstUnder forutsetning om at det overlever flere bakterier enn det dør ut i hvercelledeling, vil bakteriekolonier typisk følge en eksponensiell vekstkuve, Aeax.Under gode forhold, med riktig temperatur og rikelig med tilførsel av næ-ringsstoffer, er dette typisk oppfylt.
Stasjonær faseDen stasjonære fasen er en del av bakterienes livssyklus. Under stasjonærefasen bremser veksten som følge av at næringsstoffene brukes opp og toksiskeprodukter akkumuleres. Denne fasen nås når bakteriene begynner å brukeopp ressursene som er tilgjengelige for dem. Denne fasen er en konstant verdider frekvensen av bakterievekst er lik frekvensen av bakteriell død - vi haren likevektsituasjon.
Figur 4 viser livssyklusen for en typisk bakterie.
VirusEt virus er et lite smittestoff som utelukkende kan reprodusere inne i levendeceller. Satt på spissen er virus bare en boks med arvestoff - de oppfyller ikkekravene til å bli oppfattet som levende.
Virus infiserer alle typer organismer, fra dyr og planter til bakterier og arke-bakterier. Virus består i hovedsak av tre deler
1. Genetisk materiale (arvestoff), enten i form av DNA eller RNA (enkelt-eller dobbelttrådig)
2. En proteinkapsel som omslutter og beskytter arvestoffet
3. I visse tilfeller et omsluttende lag av lipider som ligger rundt protein-kapselen når viruset er utenfor cellen.
7
Figur 4: Oversikt over en vanlig livssyklus for bakterier
Virus kan spres på mange måter, ofte gjennom sykdomsbærende organismerkalt vektorer - et godt eksempel på dette er mygg (malaria).
Dobbel- og enkelt-trådig DNA/RNA i virusDet finnes virus som har både enkelt- og dobbelstranded DNA eller RNAsom 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 genetiskinformasjon er at disse molekylene både kan dirigere sin egen replikasjon(gjennom komplementær baseparring), og samtidig fungere som en mal forsyntese av proteiner.
BakteriofagEn bakteriofag er et virus som angriper og infiserer bakterier, og er blant devanligste biologiske enheter på jorden. Bakteriofager med ”hale” og dsDNA,kalt Caudovirales, står for 95% av alle bakteriofager rapportert i vitenskapeliglitteratur, og utgjør muligens majoriteten av bakteriofager på planeten - enslik er vist i figur 5
Bakteriofagene er sett på som en mulig behandling mot multiresistente stam-
8
Figur 5: En typisk bakteriofag
mer av mange bakterier (de har lenge blitt brukt i Russland og Øst-Europasom et alternativ til antibiotika).
Universell forfaderDet er overveiende sannsynlig at alt liv stammer fra én enkelt forfader. Detfaktum at alt liv bruker DNA som arvestoff i dag styrker denne teorien. Figur6 illustrerer dette.
Figur 6: Livets tre
OrganellerOrganeller er membraninnlukkede strukturer som finnes i eukaryote celler.
9
Disse strukturene inkluderer blant annet mitokondrier og kloroplaster.
NukleoidEn region i prokaryote celler som inneholder kjernemateriale uten et kjer-nemembran (slik eukaryote celler har). Det genetiske metarialet er lagrether, vanligvis i form av en sirkulær, dobbeltrådig bit med DNA.
SupercoilingI cellen vil DNA-trådene snurre seg opp som følge av mekanisk stress. Det-te er litt som å tvinne en gammeldags telefonledning, og omtales ofte somen “snurr på snurren” (“coiling of a coil”). Vi har både negativ supercoiling(færre rotasjoner per enhetslengde i forhold til relaksert tilstand) og positivsupercoiling (flere rotasjoner per enhetslengde enn i relaksert tilstand).
HistonerHistoner er en del av kromatinproteinene som binder seg til DNA-tråden ieukaryoter og bidrar til pakkingen av DNA til kromosomer. De er små protei-ner som er rike på arginin og/eller lysin, noe som gir dem en positiv ladningslik at de kan binde seg til de negativt ladde fosfatgruppene på utsiden avDNA-dobbelhelixen med ioniske bindinger. Når DNAet skal pakkes viklesDNA-tråden rundt histonene, og kan på denne måten pakkes tett sammen.Histonene kan sees på som trådspoler, der DNAet surres opp - DNA-trådener 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 rundtkjernehistoner, deretter rundt H1-histoner, og videre rundt stillasproteiner
NukleosomerEt nukleosom er et histonkompleks bundet til DNA. Disse nukleosomene pak-ker seg igjen sammen (her er supercoiling sentralt) til stadig større strukturer- sluttproduktet av denne pakkingen er kromosomene.
KromatinI eukaryote celler er DNAet lagret som et protein-DNA-kompleks som kalleset kromatin. Ettersom DNAet må pakkes svært tett i cellene har kromoso-mene behov for proteiner som strukturell støtte.
10
KromosomEt komplett DNA-molekyl kalles et kromosom.
PakkingI eukaryote celler pakkes DNAet i cellekjernen på en spesiell måte ved hjelp avbestemte proteiner, se figur 7. Den ultimate pakkede strukturen som DNAetbefinner seg i ved celledelingen kalles kromosomer. Merk at når DNAet erpakket tett (som i kromosomene) er det ikke tilgjengelig for aktivitet (repli-kasjon eller transkripsjon) - på denne måten kan genregulering oppnås.
GenomOrdet genom brukes vanligvis om den fullstendige genetiske informasjoneni en gitt organisme. Eksempelvis inneholder det humane genom rundt 3.2milliarder basepar (altså 3.2 milliarder basepar per kromosom - ettersomdisse foreligger i par blir det totalt i overkant av 6 milliarder basepar percelle). Den komplette sekvenseringen ble fullført i 2003 gjennom ”The HumanGenome Project”.
MitokondrierCellens energifabrikker. Det er her metabolismen foregår, og produksjonenav ATP finner sted.
Figur 8: Strukturen i en mitokondrie. 1) er det indre membranet, 2) er det ytremembranet, 3) er cristae og 4) er matrisen
KloroplasterDette er organeller som finnes utelukkende i planter, og som deltar i foto-syntesen.
Organelt DNAI eukaryote celler lagres deler av DNAet i organeller som mitokondrier (mi-tokondrielt DNA) og kloroplaster. Mitokondrielt DNA er interessant i for-bindelse med å studere hvordan menneskene har utviklet seg fra en fellesopprinnelse - ettersom dette DNAet stammer rett fra moren, og kun endres
11
gjennom tilfeldig mutasjon, kan det brukes til å kartlegge utviklingen av denmenneskelige rasen. Vår opprinnelse er sporet tilbake til en felles forfader iAfrika, som spredte seg til de andre kontinentene for 50 000 - 100 000 årsiden.
CellekjernenDNAet ligger lagret her. Merk at det bare er eukaryote celler som har celle-kjerne.
CelleveggCelleveggen er et lag som ligger utenpå cellemembranen i visse celler, ogbidrar med beskyttelse og struktur. Både planter, bakterier og visse arke-bakterier kan ha cellevegg - dyreceller har ikke dette. Et eksempel på hvacelleveggen består av er plantenes cellulosebaserte cellevegg.
KjernemembranKjernemembranet er et dobbelt semipermiabelt dobbelt lipidlag som om-slutter det genetiske materialet i eukaryote celler. Dette membranet fungerersom et fysisk skille mellom inneholdet i kjernen (hovedsaklig DNA) og res-ten av cytoplasmaet i cellen. I membranet sitter det såkalte kjerneporer somfasiliterer og regulerer transport av molekyler inn og ut av kjernen.
Indre membranEt indre membran er et lipid bilag i en organell eller en Gram-negativ bakteriesom er innenfor et ytre membran. Rommet mellom indre og ytre membrankalles lumen.
Cytoplasmisk membranTilsynelatende er termen cytoplasmisk membran det samme som en vanligcellemembran.
PlasmamembranTilsynelatende brukes også termen plasmamembran i mange sammenhengerom et vanlig cellemembran. Det er likevel små skilnader; eksempelvis harGram-positive bakterier bare et plasmamembran, mens Gram-negative bak-terier har både at ytre membran og et plasmamembran (de to er adskilt avet periplasmisk rom).
Ytre membranDet ytre membranet omslutter organeller eller Gram-negative bakterier.
Lipid bilagEt lipid bilag er et tynt membran som består av to lag av lipidmolekyler. Slikemembran former en kontinuerlig barriere rundt cellene - cellemembranen i
12
nesten alle levende organismer og i mange virus består av et slikt dobbeltlipidlag. Naturlige bilag består i all hovedsak av fosfolipider, som har ethydrofilt hode og to hydrofobe haler. Dette gjør at de spontant danner etbilag når de utsettes for vann, med de hydrofobe hodene ut mot vannet ogde hydrofile halene inn - se figur 9.
Figur 9: Figuren illustrerer hvordan et lipid bilag dannes når fosfolipider utsettesfor vann
PeptidoglycanEn peptidoglycan er en polymerstruktur som består av både sukker og amino-syrer, og som former en gitteraktig forbindelse som bygger opp celleveggeni bakterier (denne ligger utenfor plasmamembranet). Mengden peptidogly-can er langt større i Gram-positive bakterier enn i Gram-negative (tykkelsener 20-80nm i førstnevnte, mot 7-8nm i sistnevnte). Mengden peptidoglycankan dermed bidra til å klassifisere en bakterie som enten Gram-positiv ellerGram-negativ.
CytosolCytosolen er den intracellulære væsken som finnes inne i celler, og er en kom-pleks mix av vannløste stoff (ioner og molekyler) - vann er hovedingrediensen.Merk at inneholdet i organellene (i eukaryote celler) ikke regnes som en delav cytosolen - man kan si at den delen av cytoplasmaet som ikke er organell-bundet er cytosolen. I prokaryote celler foregår det meste av metabolismen icytosolen, mens i eukaryote celler er det en fordeling mellom metabolisme icytosolen (eksempelvis glykolysen) og metabolisme i organeller (eksempelvissitronsyresyklusen).
CytoplasmaDet totale inneholdet i en eukaryot celle innenfor cellemembranet, utenomcellekjernen, omtales som cytoplasmaet. I prokaryoter regnes alt inneholdeti cellen som en del av cytoplasmaet.
13
FlagellumEn flagellum er en slags haleliknende struktur som stikker ut av cellen i vissepro- og eukaryote celler, og som har som funksjon å drive cellen bortover -den er som en slags molekylær propell.
VevNår det kommer til kroppens oppbygging finner vi vevet på et nivå mellomde enkelte cellene og den komplette organismen. Et vev er en ansamling avceller som har samme opprinnelse (men som ikke nødvendigvis er identiske),som sammen utfører en bestemt funksjon i kroppen. Organer dannes ved ågruppere sammen flere vevgrupper.
MakromolekylerEt makromolekyl er stort molekyl, og er satt sammen av mange mindre mole-kyl ved polymerisering. Eksempel på makromolekyl er glykogen (satt sammenav glukosemonomere) og proteiner (satt sammen av aminosyremonomere).
NukleinsyrerNukleinsyrer er biologiske molekyler som er essensielle for livets eksistens, oginkluderer både RNA og DNA. Sammen med proteinene er nukleinsyrene deviktigste makromolekyler, og finnes i stort omfang i alle levende organismer.Nukleinsyrene er lineære polymerer bygget opp av nukleotider, og har et stortspenn i størrelse - fra 21 nukleotider i siRNA til 247 millioner basepar i storekromosomer (menneskelig kromosom 1 ).
mRNAMessenger RNA (mRNA) transkriberes fra DNA i cellen, og er ansvarlig for åfrakte den genetiske informasjonen fra DNAet til ribosomene, der proteinpro-duksjonen (translasjonen) foregår. I prokaryoter skjer både transkripsjonenog translasjonen samtidig, ettersom arvestoffet foreligger i cytosolen. I euka-ryote celler, derimot, foreligger arvestoffet i cellekjernen, og mRNA frakterden genetiske informasjonen ut av kjernen til ribosomene i cytoplasmaet derproteinproduksjonen foregår.
rRNARibosomalt RNA (rRNA) inngår i ribosomene, der proteinproduksjonen fore-går. De bidrar med katalytisk aktivitet, og er med på å oversette mRNA tilden riktige aminosyresekvensen gjennom interaksjon med tRNA.
tRNATransfer RNA (tRNA) er med på å knytte rett aminosyre til rett kodon itranslasjonsprosessen. De fungerer som bærere av aminosyrer, og gjennominteraksjon med mRNA i ribosomene knyttes aminosyrene sammen i riktig
14
rekkefølge for å danne proteiner.
ProteinerProteiner er polypeptider, som består av kortere eller lengre kjeder av 20ulike aminosyrer (typisk 100-talls antall aminosyrer). Sekvensen av amino-syrene (primærstrukturen) avgjør proteinets romlige utseende (sekundær-,-tertiær og kvartærstrukturen) og dermed den biologiske aktiviteten til pro-teinet. Mange proteiner er enzymer som katalyserer biokjemiske reaksjoner,mens andre inngår som strukturelle enheter eller som signal-, transport ellermuskelproteiner.
Høyre- og venstrehåndshelixEn hvilken som helst helix vil ha en retning, i den forstand at hvis du beve-ger deg langs en tråd i helixen vil du gå enten med eller mot klokken - dettegjelder både dobbelttråder som DNA, men også alfahelixen i proteiners se-kundærstruktur. 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-sheetEn beta-sheet er en flat sekundærstruktur i proteiner som dannes som følgeav hydrogenbindinger mellom C=O- og N-H-gruppene på to nabokjeder avaminosyrer. På denne måten kan flere kjeder av aminosyrer kan dermedforme et flatt ark av polypeptider. Figur 11 viser de to måtene et slikt arkkan dannes - parallelt og antiparallelt.
3D-strukturEt hvert protein har en spesifikk tredimensjonal struktur som er avgjørendefor proteinets funksjon og aktivitet. Eksempelvis vil det aktive setet i et
15
(a) Parallell beta sheet (b) Antiparallell beta sheet
Figur 11: Illustrerer oppbygningen av en beta sheet, samt forskjellen på en parallellog antiparallell utgave
enzym være et resultat av en slik tredimensjonal struktur - på denne måtener strukturen helt avgjørende for at enzymet skal fungere riktig.
Proteinfolding and denaturering
PrimærstrukturPrimærstrukturen i et protein er rekkefølgen av aminosyrene i proteinet.Hvert enkelt protein har en bestemt rekkefølge, som igjen gir ulik tredimen-sjonal struktur og ulik funksjonalitet. Se figur 12
Figur 12: Proteinets struktur
Sekundær- og tertiær struktur i proteinerSekundærstrukturen i et protein beskriver substrukturer som går igjen i opp-byggingen. De to vanligste strukturene er
16
• Alfahelix : Ryggraden av proteinstrukturen er satt sammen som en spi-ralliknende coil, liknende en slags enkelttrådig DNA-helix.
• Beta sheet : I denne strukturen ligger polypeptidkjedene side ved side,og lager et slags flatt ark.
Tertiærstrukturen forteller hvordan den tredimensjonale strukturen til detferdigfoldede proteinet ser ut. Dersom flere slike proteiner er koblet sammentil en større enhet, eksempelvis hemoglobin eller mange allosteriske enzymer.Se figur 12 for en komplett oversikt over primær-, sekundær-, tertiær- ogkvartærstrukturen til et tilfeldig valgt protein.
Strukturelt proteinStrukturelle proteiner bidrar med stivhet og rigiditet til ellers myke og fluid-aktige biologiske komponenter - de fungerer eksempelvis som et slags stillasi cytoskeletten som finnes i alle celler. De fleste slike proteiner har en fiber-karakter (eksempelvis i polymere av proteinene actin og tubulin som byggeropp cytoskelettet). Motorproteiner i musklene er også et viktig eksempel påstrukturelle proteiner.
ReguleringsproteinGjennon selektiv binding til substrat- og signalmolekyler kan proteinene end-re konformasjon, og dermed sin biologiske aktivitet. Dermed kan proteinerbidra til å styre utvikling, vekst og metabolisme i cellen. Slik selektiv gjen-kjennelse tar i bruk svake kjemiske bindinger (hovedsaklig hydrogenbindin-ger), og oppnår dermed fleksibilitet og reversibilitet.
PeptidTermen peptid brukes ofte om et fåtall aminosyrer bundet sammen medpeptidbindinger. Slike bindinger dannes ved en kondensasjonsreaksjon mellomkarboksylgruppen 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).
PolypeptidEt polypeptid er en lang kjede av aminosyrer, knyttet sammen med peptid-bindinger. Proteiner er polypeptider av varierende lengde.
EnzymEt enzym er et (eller en samling av) protein som katalyserer biokjemiskereaksjoner knyttet til et bestemt substratmolekyl (eller en bestemt gruppesubstratmolekyl). Ved å binde seg til substratmolekylet senker enzymet ak-tiveringsenergien for den kjemiske reaksjonen fra reaktant til produkt, ogreaksjonshastigheten øker.
17
(a) Kondensasjon av glysin (b) Dannelse av en peptidbinding
Figur 13: Peptidbindingen
MembranproteinEt membranprotein er et protein som er festet på eller assosiert med membra-net i en celle eller et organell. Mer en halvparten av alle proteiner har en ellerannen form for membraninteraksjon, og er svært viktig i membrantransportog signaltransduksjon. De viktigste gruppene av membranproteiner er trans-portproteiner, strukturelle proteiner og proteiner knyttet til signaltransportog intracellulær kommunikasjon.
Membranutspennende del av et membranproteinDen delen av et membranprotein som ligger inne i cellemembranen kallesden membranutspennende delen. Ettersom det indre miljøet i et cellemem-bran er hydrofobt, inneholder denne delen av proteinet ofte en stor andel avhydrofobe sidegrupper.
EnzymnomenklaturMange enzymer gis trivialnavn ettersom hvilket substrat de interakterer medeller hvilket produkt de danner, med endelsen -ase. Eksempel er ATP synte-tase eller DNA polymerase. En mer formell navnsetting er basert på sekshovedgrupper enzymer (med mange under- og underundergrupper), klassifi-sert 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
RøntgenkrystallografiBrukes til å bestemme fordelingen og plasseringen av atomer i en krystallinskstruktur. Denne teknikken kan for eksempel brukes på proteiner, vitaminerog DNA, og er historisk viktig da den ga de første hintene om DNAetsdobbelhelixstruktur (Watson og Crick brukte denne informasjonen, tatt/låntfra Franklin, når de kom opp med sin revolusjonerende idé om arvestoffetsoppbygning.
NMRNuclear Magnetic Resonance (NMR) er en viktig teknikk for å analysereorganiske strukturer, samt innen medisinsk anvendelse. Her utnyttes atomersom har et netto kjernespinn - dette inkluderer 1H og 13C.
LipiderDenne brede molekylgruppen inneholder blant annet fett, fettsyrer, voks,fettløselige vitaminer og fosfolipider, for å nevne noen forbindelser. Hoved-funksjonen deres i biologisk sammenheng er som energilager, strukturellekomponenter i cellemembranen (fosfolipider) og som viktige signalmolekyl.
Det hender at termen lipid brukes som et synonym til fett, men fett er kunen viktig undergruppe av lipidene som kalles triglyserider.
PolysakkariderPolysakkarider er lange polymere av karbohydratmolekyler dannet av repe-terende enheter av mono- eller disakkardier. Et viktig polysakkarid byggetopp av monomere glukoseenheter er glykogen, et annet er stivelse - begge bru-kestil energilagring (henholdsvis i dyr og planter). Cellulose, som er sværtviktig i oppbygningen av planter, er også et polysakkarid.
CelluloseEt polysakkarid som består av lange kjeder (flere hundre til mange tusenenheter) av sammenknyttede glukosemolekyler. Cellulose er primærkompo-nenten i plantenes cellevegg, og er den vanligste organiske forbindelsen påjorden.
AldoseEn aldose er et monosakkarid som inneholder en aldehydgruppe per molekyl.De fleste ketoser har stereoisomeri, slik at de kan foreligge i en L- eller enD-form. Et eksempel på en ketose er fruktose.
KetoseEn 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
EpimerEpimere er diasteromere molekyl som skiller seg fra hverandre (konfigura-sjonsmessig) med kun ett stereogent senter. Eksempelvis er sukkerene α-glukose og β-glukose epimere.
Sukker i ringform og lineær formAldehyd- eller ketogruppen i rettkjedede monosakkarider kan reagere rever-sibelt med hydroxylgruppen på et annet karbonatom i kjeden, slik at detdannes en hemiacetal eller hemiketal struktur. En slik struktur er en hetro-syklisk ring med en oksygenbro mellom to karbonatomer. Det foreligger enlikevekt mellom ringformen og den lineære formen. Se figur 14.
Figur 14: Monosakkarider, her glukose, kan foreligge i ringform eller lineær form
TriglyseriderEt triglyserid er en ester dannet mellom den treverdige alkoholen glyserol ogtre fettsyrer (lange, upolare karboksylsyrer). Triglyserider er hovedbestand-delen i vegetabilske oljer og animalsk fett. Triglyserider har høyt energiinne-hold (38 kJ/gram, omtrent dobbelt så mye som proteiner eller karbohydra-ter), og spiller således en viktig rolle i metabolismen.
LipopolysakkariderLipopolysakkarider, også kjent som lipoglykaner, er store molekyl som bestårav et lipid og et polysakkarid som er kovalent sammenbundet. De finnes i detytre membranet hos Gram-negative bakterier, og virker som endotoksiner -de fremkaller kraftige immunreaksjoner hos vanlige immunsystem hos dyr.
LipoproteinLipoproteiner er proteiner som har lipider bundet til seg, og mange enzymer,strukturelle proteiner og giftstoffer er lipoproteiner.
20
FosfolipidDe fleste fosfolipider består av et diglyserid, en fosfatgruppe og et enkelt orga-nisk molekyl. De er svært viktige for cellen ettersom de er hovedbestanddelenav cellemembranen, der de former et lipid bilag.
KarbohydraterKarbohydrater består som navnet tilsier av molekyler med kjemisk formelCx(H2O)x, og bør sees på (kjemisk) som polyhydroxyaldehyder og -ketoner.Denne gruppen organiske forbindelser inneholder blant annet monosakkari-der 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 kar-boksylsyregruppe, derav navnet. De har også en sidekjede (-R) som variererfra aminosyre til aminosyre. I biokjemien refererer termen i all hovedsak tilα-aminosyrene, med generisk formel H2NCHRCOOH, der amingruppen erfestet på nabokarbonet til syregruppen. Aminosyrene er essensielle for livetslik vi kjenner det, da disse er byggestenene i proteiner. Det er 22 amino-syrer som naturlig inngår i proteinsyntesen, og 20 av disse kodes for av denuniversale 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 posttranslatoriskemodifikasjoner.
R-grupper i aminosyrerR-gruppene i aminosyrene består av organiske sidegrupper, og varierer i kom-pleksitet og oppbygning. Eksempelvis er sidegruppen en simpel −H i glysintil en stor hetrosyklisk gruppe i tryptofan. Sidegruppenes ulike egenskaper(hydrofobe og ikke-hydrofobe, ioniske og ikke-ioniske, for å nevne noen) ersentrale for funksjonaliteten til proteinene de inngår i.
DisulfidbroEn såkalt disulfidbro er en kovalent binding mellom to svovelatomer i side-gruppene til to molekyler av aminosyren cystein, og er viktig for struktureni proteiner - på tross av at det er relativt få slike bindinger i proteinet. Detteskyldes at de kovalente S − S-bindingene er sterke i forhold til hydrogen-bindingene som i hovedsak holder proteinet sammen - derfor har de storstrukturell betydning. I figur 15 er dannelsen av slike bindinger illustrert.
pKa- og pI-verdier for aminosyrer
21
Figur 15: Dannelsen av en disulfidbro
Ettersom aminosyrene har både en amin- og en syregruppe, har de amfotæreegenskaper. For pH-verdier rundt det nøytrale området (mellom ca. 2.2 og9.4 for snittet av aminosyrer) vil aminosyrene foreligge på såkalt zwitterion-form, det vil si at karboksylgruppen er deprotonert (negativt ladet) mensamingruppen er protonert (positivt ladet). Figur 16 viser hvordan ladnings-fordelingen 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- ogamingruppen) for en gitt aminosyre vil gi en netto ladning på null for dennesyren. Dette punktet kalles et isoelektrisk punkt, og er en generell betegnelsefor når et amfotært molekyl har en natto overflateladning på null. Etter-som pKa-verdiene vil variere fra aminosyre til aminosyre grunnet de ulikeR-gruppene, vil også pI-verdiene variere. Dette kan brukes i eksempelviselektroforese til å skille ulike aminosyrer fra hverandre.
PurinerPuriner er en familie av baser som består av en dobbeltringstruktur, ogomfatter adenosin og guanin. Se figur 17.
Pyrimidiner
22
Figur 17: Oversikt over de ulike basene som inngår i nukleinsyrer, delt inn i purinerog pyrimidiner
Pyrimidinene er en familie av baser som består av en enkeltringstruktur, ogomfatter tymin og cytosin (i DNA) og uracil (i RNA). Merk at tymin eridentisk 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 figur17.
NukleosiderBase + sukker (merk at det er sukkeret som skiller mellom DNA og RNA, itillegg til at tymin er byttet ut med uracil)
NukleotiderBase + sukker + fosfat (merk at det er sukkeret som skiller mellom DNA ogRNA, i tillegg til at tymin er byttet ut med uracil). Figur 18 viser oppbyg-ningen av et nukleotid basert på ribose.
Baser (i nukleinsyrer)En base er en fellesbetegnelse på de kjemiske forbindelsene som utgjør detgenetiske alfabetet. Merk at basene i RNA er de samme som i DNA, bortsettfra at tymin er byttet ut med uracil. Se figur 17 for en oversikt over allebasene. Hydrogenbindingene mellom basene, vist i figur 19, er selve nøkkelentil DNA som genetisk informasjonsbærer. Såkalt Watson-Crick-baseparringgjør 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
Figur 18: Generell oppbygning av et nukleotid, her basert på ribose - i et deoksy-nukleotid, som bygger opp DNA, er -OH-gruppen byttet ut med et hydrogen.
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
RiboseRibose er et monosakkarid - en aldose med kjemisk formel C5H10O5, altså enpentose. Den kan foreligge i to stereoisomere formen, men i naturen er detD-formen som er interessant. Ribose utgjør ryggraden i RNA sammen medfosfat, og er således svært sentral i biokjemien.
DeoksyriboseDeoksyribose er også et monosakkarid, og er identisk med ribose bortsettfra at det mangler en -OH-gruppe (et oksygenatom er fjernet). Deoksyriboseutgjør ryggraden i DNA (sammen med fosfat), og er en essensiell del avarvestoffet.
5’- og 3’-endeHver 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 molekyletrefereres det til de terminale OH-gruppenes posisjon i sukkermolekylet - sefigur 20 for en illustrasjon av dette.
Det er en vanlig konvensjon å skrive DNA-sekvensen fra 5’-hydroxyenden til
24
Figur 20: Viser oppbygningen av DNA og RNA, med polaritet og antiparallelletråder
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 oppbegge trådene i dobbelthelixen, ettersom det er gitt at de to er komplemen-tære og antiparallelle, slik figur 20 viser.
Amino- and karboksyterminal endeOgså aminosyrer har en iboende polaritet - hver enkelt syre har en amin-ende og en karboksylsyre-ende. Dette fører til at polypeptider (og dermedproteiner) har en iboende retning, illustrert i figur 21.
Figur 21: Figuren viser pentapeptidet Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu, og illustrerer hvordankonvensjonen er å starte navngivningen med den aminoterminale enden til venstre,og den karboksylterminale enden til høyre
PeptidbindingEn peptidbinding dannes når en karboksylgruppe kondenserer sammen meden amingruppe og vann spaltes av. Slike bindinger er sentrale i proteiner, dade binder de ulike aminosyrene som proteinet er bygget opp av sammen - sefigur 21, der disse bindingene er markert med gult.
25
NTPNTP er en generisk term for nukleosid trifosfat, der et ribosenukleosid erbundet til tre fosfatgrupper. Adenosin trifosfat (ATP) er den vanligste, og erden sentrale energibæreren i levende organismer. Guanosin trifosfat (GTP)brukes også som energibærer i visse tilfeller, og er en viktig kofaktor i mangeenzymer og proteiner. Generelt sørger NTPer for energitilførsel, og bidrarmed fosfatgrupper for fosforylering.
dNTPdNTP er en generisk term for deoksynukleosid trifosfat, der et deoksyribo-nukleosid er bundet til tre fosfatgrupper.
Kilobase (kb)Kilobase er et lengdemål som brukes om DNA/RNA-molekyl, og svarer til1k basepar (1000 basepar). Ettersom et bp svarer til omtrent 3.4 Å langsen tråd, kan dette målet også overføres til et metrisk mål (selv om dette imange tilfeller er lite hensiktsmessig).
BpBp står for base pair, og indikerer ett enkelt basepar i et DNA/RNA-molekyl(G-C eller A-T i førstnevnte, G-C eller A-U i sistnevnte).
Fosfodiester linkEn fosfodiester link er en sammenkobling av to nukleotider gjennom en dob-bel esterbinding til til en fosfatgruppe. Slike bindinger danner ryggradstruk-turen i DNA-molekylet. Se figur 22.
Figur 22: Sammenkoblingen av to nukleotider gjennom en fosfodiesterbinding dan-ner ryggraden i DNA-molekylet
Major groove minor grooveDNA-dobbelhelixstrukturen inneholder riller, der den ene rillen (major gro-
26
ove, 22 Å) er bredere enn den andre rillen (minor groove, 12 Å). Se figur 23for 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 tran-skripsjonsfaktorer i all hovedsak binde seg til baseparene i DNA i den brederillen.
Figur 23: Major groove og minor groove i et DNA-molekyl
CoilingEn coil er ganske enkelt en serie av løkker, og coiling er dermed oppkrøllingenav en tråd.
SupercoilingDersom du har en dobbelttråd, som i DNA, og snurrer denne ytterligere, vilsupercoiling oppstå. Dette er viktig i forbindelse med pakking av DNA, og måtas hensyn til ved replikasjon og transkripsjon (enzymer kalt topoisomeraserbidrar til å avlaste det mekaniske spennet som oppstår fra supercoiling, ommuliggjør dermed replikasjon og transkripsjon).
Negativ and positiv supercoilingAvhengig av hvilken vei DNA-tråden er supercoilet, snakker vi om negativ ogpositiv supercoiling. I den førstnevnte er det færre snurrer per lengdeenhetenn i den avslappede tilstanden, mens det i den sistnevnte er et økt antallsnurrer per lengdeenhet. Begge tilstander introduserer et økt mekanisk stressi DNA-tråden, og måten å avlaste dette stresset på er å lage en coilet coil(en supercoil).
27
Transmission electron microspcopyI TEM lar man en stråle av elektroner passere gjennom en svært tynn prøve,og måler elektronenes interaksjoner med bestanddelene i prøven. På dennemåten kan man oppnå høyoppløselige bilder av prøven (grunnet den kortede Broglie-bølgelengden til elektronene).
Scanning electron microscopyOgså her brukes en høyenergistråle av elektroner for å skaffe informasjonom en prøve. Man oppnår svært god resolusjon, og kan også få frem tre-dimensjonale bilder av overflaten man studerer som følge av en svært tynnelektronstråle.
Central dogmaForteller oss at informasjonsflyten i hovedsak er fra DNA til RNA til protein.Det finnes visse unntak: i forbindelse med celledelingen kopieres DNAet, såher går informasjonsflyten i en sirkel. Det finnes også enkelte tilfeller av RNAtil DNA (i visse retrovirus som HIV, gjennom enzymet revers transkriptase).
Figur 24 viser denne informasjonsflyten.
Figur 24: The Central Dogma of Molecular Biology
MetabolismMetabolisme betegner generelt de kjemiske reaksjonene i levende organismersom er nødvendige for å opprettholde liv.
AnabolismeAnabolismen handler om oppbygging - cellen produserer mer komplisertestrukturer fra enklere byggestener. Dette koster energi.
KatabolismeKatabolismen handler om nedbryting - cellen bryter ned mer komplisertestrukturer til enkle molekyl, og energi frigjøres.
28
2 Enzymer
EnzymEt enzym er et protein som katalyserer (vanligvis én) bestemt kjemisk reak-sjon. Enzymet forbrukes ikke i reaksjonen, men senker aktiveringsenergienfor en reaksjon ved å lage en alternativ reaksjonsvei (gjennom fjelletanalogi-en). Enzymer er relativt store proteiner, fra 10 kDa for små enzymer til flere100 kDa for større enzymer.
Figur 25: Illustrasjon av et tilfeldig valgt enzym, her menneskelig insulin-nedbrytingsenzym (eng. IDE) kompleksert med beta-amyloid.
KatalyseEnzymer katalyserer kjemiske reaksjoner i kroppen,og er essensielt for livetslik vi kjenner det. Enzymer muliggjør reaksjoner der molekyler som vanlig-vis er stabile konverteres raskt - selv ved lav temperatur, tilnærmet nøytralpH, og lave reaktantkonsentrasjoner. Typisk vil enzymene øke reaksjonsha-tigheten med en faktor 107 til 1014.
Nettopp fordi enzymene er så viktige for livsfunksjonen er det slik at sværtmange giftstoffer fungerer nettopp ved å hemme eller ødelegge sentrale en-zymer i viktige prosesser i cellene - på samme måte som mange legemidlervirker nettopp ved å hemme eller aktivere gitte enzymer for å kontolleresykdom.
Aktivt seteDet stedet på enzymet der katalysen foregår. Er gjerne en geometrisk “kløft”eller “grop” i enzymet, der substratet passer som ”hånd i hanske” (inducedfit-modellen. Omtales også som katalytisk sete.
29
SubstratSubstratet, S, er det molekylet som enzymet, E, danner et kompleks med, ogsom dermed omdannes til produkt, P . Substratet passer som ”hånd i hanske”i det katalytiske sete.
[E] + [S] −−��−− [ES] −−��−− [E] + [P] (2.1)
SubstratspesifisitetI all hovedsak vil hvert enkelt enzym binde seg til kun et enkelt substrat.Dette kalles substratspesifisitet. En hovedregel blir dermed ”Ett enzym, enreaksjon”.
KonformasjonEnzymets konformasjon er viktig for den katalytiske aktiviteten. Konfor-masjonen kan endres når enzymet binder seg til substratet (”Induced fit” imotsetning til ”Lock and key”), men også når andre molekyler/gruper binderseg til enzymet (aktivatorer/inhibitorer).
Fri energiEnzymer endrer ikke en reaksjons frie energi (likevektstilstanden), kun reak-sjonshastigheten. Dette gjøres ved å senke aktiveringsenergien, Ea, gjennomå muliggjøre en alternativ reaksjonsvei.
Transition state (TS)En transition state er en overgangstilstand for et molekyl i en kjemisk reak-sjon, halvveis mellom reaktant og produkt. Se fig. 26
Figur 26: Reaksjonsveien for ukatalysert reaksjon (svart) og den alternative reak-sjonsveien gitt av enzymet (blått)
30
VmaxDen maksimale reaksjonshastigheten - oppnås når enzymet (eller systemet)er mettet med substrat. Sier noe om hvor raskt enzymet jobber. Matematiskkan det skrives som vmax = kcat[E]0, der kcat er hastighetskonstanten forkatalyseprosessen (2. trinn i (2.1)) og [E]0 er enzymkonsentrasjonen.
V0Reaksjonshastigheten målt eksperimentelt over et lite tidsintervall fra tilsatsav substrat. Dersom tidsintervallet er tilstrekkelig lite kan det sees på somden instantane reaksjonshastigheten, lim∆t→0
∆P∆t = vrx
KMBeskriver substartkonsentrasjonen når v0 = Vmax. Man kan også si at KM
sier noe om forholdet mellom reaksjonsraten av ES til P eller S i forhold tildannelsesraten av ES. KM beskriver hvordan v0 avhenger av [S], og hvorbratt Michaelis-Menten-kurven er.
KM må også kunne sies å beskrive hvor raskt en gitt enzymkatalyse når Vmax,altså noe om hvor raskt katalysatoren mettes. Et enzym med KM = 10µMvil mettes raskere enn et enzym med KM = 30µM - kurven vil være brattere,reaksjonshastigheten vil være størst (for samme substratkonsentrasjon) forenzymet med minst KM
Sier noe om hvor raskt enzymet mettes med med substrat.
Merk at KM er en intrinsikk enzymegenskap - den er uavhengig av enzym-konsentrasjonen.
AktiveringsenergiEnergibarrieren som reaktantene må overkomme for at produkter skal blidannet. Katalysatorer generelt (og enzymer spesielt) bidrar til å sente denneenergibarrieren. 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 forå danne et (eller flere) produkt. En energibarriere som må forseres. Er ihovedsak uavhengig av hvorvidt reaksjonen er termodynamisk favoriserbareller ikke.
Michaelis-Menten-likningenLikningen beskriver reaksjonshastigheten som funksjon av substratkonsen-trasjon.
V =[S]Vmax
[S] +Km(2.2)
31
Figur 27: Michaelis-Menten plot
Dersom denne likningen plottes, får vi en hyperbolsk kurve, hvis utseende(stigningstall) avgjøres av KM , og maksimalverdi avgjøres av Vmax.
Viktig merknad : På tross av likheten mellom Michaelis-Menten-kurven oggrafen av mengde produkt dannet mot tid, beskriver ikke disse to det samme!
Monomere and mulitimere proteinerMonomere proteiner består av én enkelt polypeptidkjede, mens multimereproteiner består av to eller flere. De fleste enzymer er multimere proteiner.
AllosteriDersom det aktive setet i et enzym kan påvirkes av binding til et annet delav molekylet (som er sterisk/romlig separert fra det aktive setet), kalles det-te allosteri eller et allosterisk enzym. I all hovedsak er slike enzymer sattsammen av flere proteinunderenheter, og og reaksjonshastigheten som funk-sjon av substratkonsentrasjon vil følge en sigmoidal kurve (i motsetning tilen hyperbolsk Michaelis-Menten-kurve). Allosteri er et svært sentralt kon-sept innen regulering i cellen, for eksempel regulering av metabolske ruter.Jacques Monod, oppdageren av konseptet, har omtalt det som ”. . . livets 2.hemmelighet, etter DNA” ettersom noe så komplisert som en celle eller etflercellulært system neppe kunne eksistert uten.
Merk at et allosterisk enzym i mange tilfeller, spesielt knyttet til reguleringenav metabolismen, mottar mange allosteriske signal. Hvert enkelt av dissekan være delvis aktiverende eller delvis inaktiverende - på denne måten kan
32
systemet fininnstilles til den perfekte balansen er oppnådd.
KoenzymDet koenzym er et molekyl eller en gruppe som er nødvendig for at detgitt enzym skal være aktivt. Dette koenzymet er ikke en integrert del avenzymet, men binder seg (mer eller mindre sterkt) til det aktuelle enzymetog muliggjør aktivitet.
DisulfidbroSlike kovalente S−S-bindingene avgjør i stor grad den romlige struktureni proteiner og dermed også i enzymer, på tross av at det ofte ikke er såmange slike bindinger (eksempelvis fire i enzymet lysozym). Merk at dissebindingene er klart vanligst hos ekstracellulære proteiner.
S−S-bindingene er også grunnen til at tungmetaller, som bly, er giftige forkroppen. Disse metallene ødelegger disulfidbroene (myk kation binder tilmyke anion, jf. uorganisk), og dermed også enzymaktiviteten til mange livs-viktige enzymer.
33
3 Membrantransport
Membraner har generelt en hydrofobt indre - dermed kan ikke hydrofile moleky-ler eller ioner passere ved hjelp av ren diffusjon rett gjennom membranen. Detteproblemet løses med transportproteiner, som er inkorporert i membranen, og somkan frakte molekyler og ioner gjennom. Dette kan være passiv transport (akselerertdiffusjon), der transporten foregår langs en konsentrasjonsgradient. Proteinene kanvære enten åpne porer eller gated channels. Det andre alternativet er aktiv trans-port, der transporten av molekyler/ioner foregår mot en konsentrasjonsgradient.Fri energi brukes for å frakte molekylene eller ionene mot likevekt.
Passiv diffusjonPassiv diffusjon er en entropidrevet prosess der et molekyl eller ion bevegerseg langs sin konsentrasjonsgradient for å jevne ut denne. Dette kan ogsåsees på fra et statistisk synspunkt, der sannsynlighetsbetraktninger tilsier aten flat konsentrasjonsgradient er overveiende sansynlig - dersom denne ikkeer etablert vil molekylene diffundere den ene eller andre veien til den er det.
Figur 28: Illustrerer forskjellen mellom passiv diffusjon og diffusjon med hjelp fraet transportprotein gjennom et membran
34
Fasilitert transportFasilitert transport, også kjent som fasilitert diffusjon er en passiv trans-portmetode gjennom et membran som fasiliteres av transmembrane integraleproteiner. Det er kun små, upolare molekyler (CO2, O2) som kan diffunde-re lett gjennom et lipidmembran - polare molekyl, store molekyl og ionerfraktes alltid gjennom membranen av proteiner som danner transmembranekanaler. Prosessen kan sees på som en slags effektivisert diffusjonsprosess.
Merk at selv om fasilitert diffusjon er mer effektivt enn passiv diffusjon (sefigur 28) er denne prosessen utelukkende drevet av en konsentrasjonsgradient- det kreves ingen input av energi. Dette står i motsetning til aktiv 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 eller kanaler.Et eksempel på et slikt protein er porin
• Endel ionekanaler er såkalt gated channels, det vil si at de kan lukkeog åpne seg på bakgrunn av visse stimuli (eks. pH-endring, binding avligander osv.). Et eksempel på dette er K+-kanalen.
• Enkelte transportproteiner frakter molekyler/ioner gjennom selektiv bin-ding - substratet bindes, og fraktes på denne måten gjennom membra-nen.
Aktiv transportAktiv transport krever tilførsel av arbeid, oftest i form av direkte eller in-direkte hydrolyse av ATP. Grunnen til at aktiv transport krever tilførsel avenergi er fordi molekylene og ionene fraktes mot sine konsentrasjonsgradien-ter (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 muligå utnytte utjevningen av en konsentrasjonsgradient til å drive molekylermot en annen.
En eksempel på en slik aktiv transportprosess er Na+/ K+-pumpen som finnes
i animalske celler. Denne pumper natrium inn i cellen og kalium ut av cellenved å forbruke ATP. Konsentrasjonen av de to inne i cellen (høy [K+], lav
35
[Na+]) er motsatt av den i blodet (lav [K+], høy [Na+]) - derfor trengs detenergi 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: Frakter kun én type molekyl eller ion gjennom mem-branet. Involverer direkte hydrolyse av ATP som energikilde
• Kotransportsystem: System der bevegelse av molekyler med én kon-sentrasjonsgradient brukes til å drive bevegelse mot en annen konsen-trasjonsgradient - merk at energien indirekte fortsatt kommer fra ATP-hydrolyse, som må forbrukes for å opprettholde slike gradientforskjeller.Deles igjen inn i:
– Symport : Molekylene/ionene som fraktes beveger seg i samme ret-ning. Eksempelvis kan bevegelse av Na+ ned en konsentrasjonsgra-dient brukes av andre molekyler som foretar en ”termodynamiskhaiketur” gjennom membranet - merk at transporten finner stedbare når begge komponentene er tilstede. Absorpsjon av glukose ifordøyelsessystemet foregår nettopp etter denne prosessen, der enNa+-konsentrasjonsgradient utnyttes.
– Antiport : Et tilsvarende kotransportsystem som symport, men i etantiportsystem beveger molekylene/ionene som fraktes i motsattretning.
IonekanalEn ionekanal er et transmembranprotein, formet som en kanal eller en pore,
36
som bidrar til transporten av ioner gjennom membranet. Visse ionekanalerer såkalt gated, som innebærer at kanalen kan åpnes/lukkes basert på vissestimuli (elektriske og kjemiske signal, temperaturendring osv.)
IonoforEn ionofor er et lipidløselig molekyl (vanligvis syntetisert av mikroorganis-mer) som brukes til å transportere ioner over det semipermiable doble lipid-laget som utgjør cellemembranen. Ettersom ioner er polare, og lipidlagetsindre er hydrofobt, kan ikke ionene passere ved enkel diffusjon. Et eksempelpå en ionofor forbindelse er crown ether, som kan frakte Na+/K+.
ReseptorEn reseptor er et molekyl som finnes på overflaten av en celle (forankret imembranen) som mottar spesifikke kjemiske signaler fra resten av organis-men organisme. Disse signalene påvirker cellen til en bestemt respons, somfor eksempel celledeling, apoptosis (programmert celledød) eller å tillate vissemolekyler å gå inn eller ut av cellen.
Et molekyl som binder seg til en reseptor kalles en ligand, og kan være etpeptid (korte proteiner) eller andre små molekyl, for eksempel en nevrotrans-mitter, et hormon, et farmasøytisk stoff eller et giftstoff. Hver type reseptorkan kun binde enkelte ligandstrukturer, så hver celle har vanligvis mangeulike reseptorer.
SignaltransduksjonSignaltransduksjon er prosessen der et ekstracellulært signalmolekyl aktive-rer en membranreseptor, som igjen endrer intracellulære molekyler og dermedskaper 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 eksempeler cAMP) inne i cellen, som fremkaller en fysiologisk respons.
I begge trinn kan signalet bli forsterket (kaskadeeffekt), noe som innebærerat ett enkelt signalmolekyl kan fremkalle mye og variert respons i cellen.
37
4 DNA-replikasjon
Foreldretråder (parent strands)Ved DNA-replikasjon blir hver av de to trådene i det originale kromosometbrukt som mal for produksjon av en ny DNA-dobbelttråd. En slik mal kallesen foreldretråd. DNA-replikasjon omtales dermed som semikonservativ, i denforstand at den nye dobbelttråden består av en ny og en gammel enkelt-tråd. Det er vist eksperimentelt (gjennom isotopmerking med 15N) at dennemetoden brukes.
Dattertråder (daugther strands)En DNA-tråd som dannes ved å bruke en parent strand som mal kalles endattertråd. Gjennom komplementær baseparring oppnås det en ny kopi somer identisk med den gamle dobbelttråden.
Replikasjonsutgangspunkt (origin of replication)Når replikasjonen av DNA starter, splittes dobbelttråden først i et såkaltreplikasjonsutgangspunkt. Herfra kan replikasjonen fortsette i en eller beggeretninger.
I bakterier (E. coli) inneholder replikasjonsutgangspunktet en spesiell base-sekvens som er rik på A-T-par, tilsynelatende fordi dette gjør separasjonav de to trådene enklere (A-T danner kun to hydrogenbindinger, mens G-Cdanner tre).
Replikasjonsgaffel (replication fork)En replikasjonsgaffel er det området i DNAet som til en hver tid splittes oppslik at nye baser kan komme inn og danne komplementærbindinger til hverav de to foreldretrådene. Dette aktive området flytter seg bortover DNA-tråden med stor hastighet (omtrent 1000 basepar/sek i E. coli eller omtrent50 basepar/sek i eukaryoter).
Uni- and bidireksjonal replikasjonVanligvis vil det gå en replikasjonsgaffel i hver retning fra replikasjonsut-gangspunktet - dette gjelder stort sett både bakterier (med sitt sirkulæreDNA) og eukaryoter (med sitt lineære DNA). I eukaryoter vil det typiskvære mange replikasjonsgafler som startes samtidig fra ulike replikasjonsut-gangspunkt.
Leading and lagging strandVed DNA-replikasjon vil det oppstå et topologisk problem i replikasjonsgaf-felen. Vi vet at DNAet må skrives i 5� → 3�-retning (leses i 3� → 5�). Dettegår bra for den såkalte leading strand, der denne retningen samsvarer med
38
bevegelsen av DNA polymerase langs tråden. For den andre tråden, derimot,må DNA polymerase tilsynelatende skrive i motsatt retning av bevegelsen.Dette løses ved at lagging strand kopieres diskontinuerlig (bit for bit) i så-kalte Okazakifragment. Det topologiske problemet løses ved at lagging strandloopes rundt til en sirkel slik at kopieringen kan foregå i riktig retning i etkort stykke. Pol III løsner når den krasjer inn i primeren i forrige, og binderseg til en ny primer lagt ut av primase.
OkazakifragmenterDe korte DNA-bitene festet til primerene på lagging strand kalles Okazaki-fragmenter. Disse er i utgangspunktet adskilt, men hullene tettes og RNA-primerene byttes ut med de tilsvarende DNA-basene av Pol I-enzymet. Bitenelimes deretter sammen med ligase.
Figur 30: Replikasjonsgaffelen under DNA-replikasjon - leading strand øverst, lag-ging strand med Okazakifragmenter nederst
DNA polymeraseEnzymet som utfører selve kopieringen av DNAet i replikasjonen kalles DNApolymerase. I prokaryoter (E. coli) er det tre slike polymerasemolekyler, kaltPol I, Pol II og Pol III. Det er Pol III som utfører selve kopieringen.
Merk at DNA polymerase utelukkende kan elognere en såkalt primer - denkan ikke starte denne prosessen på egenhånd. Denne primeren er en kortRNA-molekyl (typisk 20 basepar) som festes til DNA-tråden av et spesieltRNA polymerase-molekyl kalt primase. Merk også at DNA polymerase kunkan legge til et nytt nukleotid på 3’-hydroksyenden - derfor må skrivingen aven ny DNA-tråd alltid foregå i 5� → 3�-retning. Figur 31 illustrerer denneelongeringsprosessen.
HelicaseEnzymet som står for splittingen av dobbelhelixen under DNA-replikasjon
39
Figur 31: DNA polymerase kan kun legge til et nytt nukleotid på 3’-hydroksyenden
Figur 32: DNA-replikasjon. Merk at replikasjonen på lagging strand egentlig foregårved at denne loopes for å få riktig replikasjonsretning.
40
kalles helicase. Det er antatt at helicase brukes ATP-hydrolyse som energi-kilde.
PrimaseDet RNA-polymerase-enzymet som legger ned primere på den DNA-trådensom skal replikeres kalles primase. På leading strand legges det ned én primer,på lagging strand må dette gjøres hyppig.
DNA gyraseDNA gyrase er det enzymet (i E. coli) som fjerner spenningen foran replika-sjonsgaffelen som følge av supercoiling. Måten dette gjøres på er å klippe oppdobbelttråden, slik at et fritt rotasjonspunkt introduseres - dermed avlastesstresset. Tråden limes deretter sammen igjen.
TopoisomeraseSeparasjonen av DNA-dobbelttråden i forbindelse med replikasjon induse-rer positive supercoiler forut for replikasjonsgaffelen. Dersom denne spen-ningen ikke ble fjernet, ville replikasjonen raskt stoppe opp. Gruppen avenzymer kalt topoisomeraser katalyserer fjerningen av denne replikasjonsin-duserte spenningen. Det er to hovedtyper:
1. Type I :
2. Type II :
DNA ligaseDNA ligase limer sammen biter av DNA - i replikasjonssammenheng er liga-ses viktgste jobb å lime sammen
Single-stranded binding proteinDisse proteinene har generell affinitet for basene i DNAet, slik at de kanstabilisere den splittede dobbelttråden som DNA polymerase enda ikke harkommet til.
41
5 Transkripsjon
GeneEt gen er en sekvens av basepar i DNA som koder for en bestemt protein.Hvert gen er igjen bygget opp av kodon, som er tripleter av baser (eks.AGG) som koder for en bestemt aminosyre. Merk at det er stor grad avdegenerasjon(?) i denne koden, da 43 = 64, altså langt mer en de 20 somegentlig trengs for å kode for alle aminosyrene som brukes i proteinsyntesen.
Cistron
RNA polymerase (how many in pro- and eukrayotes?)
TAATA-box
Minus 10 and minus 35 region
Consensus sequence
TranscriptionProsessen der informasjone som ligger lagret i DNAet i cellekjernen overfø-res til mRNA via RNA polymerase. I eukaryote celler dannes først mRNAmed introns, som deretter “splices” ut, og modent mRNA transporteres ut icytoplasmaet.
RNA polymerase kan kun legge til en ny base i 3’-enden av mRNAet - altsåmå byggingen foregå i 5’ → 3’-retning. Dermed må avlesingen (av komple-mentærtråden) foregå i 3’ → 5’-retning.
Transcriptional start point
DNA-smeltingDersom et DNA-molekyl i løsning kuttes opp i mindre, dobbelttrådige biterog deretter varmes opp til en gitt temperatur (ca. 95 ◦C), vil de to trådenei hver DNA-bit dele seg. Dette skyldes at oppvarmingen bryter de svakehydrogenbindingene mellom baseparene som holder de to trådene sammen.Dette utnyttes blant annet i PCR-teknikken.
42
Initiation
Closed complex
Open complex
Binding affinity
Promoter
Promoter clearance
Strong and weak promoter
Accessory proteins
Transcription factors
Transcription bubbleTverrsnitt av RNA polymerase i elongeringsfasen av transkripsjon.
Unwinding and rewinding
Template and non-template strand
TranskripsjonsretningDNA-tråden leses i 3’ → 5’-retning, mens de nye nukleotidene
Transkript
UTR”Un-translated region”. Regioner i mRNA helt i endene - disse blir ikke trans-latert til proteiner (de har først og fremst regulative funksjoner).
NTP channelKanal i RNA polymerasen der nukleotidtrifosfater kommer inn. Se fig. fra
43
Figur 33: Transkripsjonsboblen - tverrsnitt av RNA polymerase mens elongerings-fasen foregår
forelesningsnotatene (transkripsjonsboble).
RNA polymerase composition (subunits)
SigmafaktorEn sigmafaktor (σ-faktor) er en transkripsjoninitieringfaktor i prokaryotersom gjør at RNA polymerase kan binde seg spesifikt til promotorer i etgen. Det er altså en hjelpefaktor for å sette i gang transkripsjon - det finnesmange ulike sigmafaktorer, og ulike sigmafaktorer aktiveres i respons på ulikemiljøforhold.
Merk at denne igangsettingsprosessen er endel mer komplisert i eukaryoteceller.
Sigma 70Housekeeping-sigmafaktor - holder det helt basale i gang i voksne celler,sørger for at de basale proteinene blir dannet.
Termination
House-keeping genGen som koder for basale proteiner - proteiner som er nødvendig for å holdecellen i live. Disse blir transkribert kontinuerlig, slik som for eksempel de
44
genene som koder for enzymene som inngår i glykolysen.
Motsatt finnes det også en rekke gener som kun trengs i visse celler til vissetidspunkt. Disse blir uttrykt gjennom regulert transkripsjon, som styres avproteiner kalt transkripsjonsfaktorer. Transkripsjonsfaktorene, som produse-res i cytoplasmaet, settes igjen i gang når cellen mottar et ekstracellulærtsignal (gjennom et molekyl som for eksempel insulin) om at visse proteinernå trengs. Dette signalet setter i gang en kaskade, som gjennom en serie avaktivering av en sekvens med proteiner (gjennom fosforylering), ender med atet protein beveger seg inn i kjernen og aktiverer den relevante transkripsjons-faktoren. Denne binder seg til en såkalt enhancer region som ligger upstreami forhold til startstedet for transkripsjonen.
Konstitutiv promoterEn promotor som fører til kontinuerlig transkripsjon av et gen - disse hørertypisk til housekeeping-gener.
Indusibel promoterEn promotor som gjør det mulig å kontrollere transkripsjonen av et gitt gen.
Elongering
PolyadenyleringSetter på poly-A-hale (kan være flere hundre nukleotider lang) for at mRNAskal komme seg ut av cellekjernen. Merk at dette kun finner sted i eukaryoteceller.
SplicingI eukaryote celler fjernes de ikke-kodende delene av et gen (intronene) fra detsåklate primære transkriptet før dette sendes ut av cellekjernen som modentmRNA for å translateres. Denne prosessen kalles splicing, og katalyseres ofteav et anzym kalt spliceosom. Merk imidlertid at det også finnes sev-splicendeintroner. Figur 34 illustrerer spliceprosessen.
IntronEt intron er en del av et eukaryot gen som ikke koder for en aminosyresekvens(et protein). I et generelt eukaryot gen er det langt mer av slike ikke-kodendesekvenser enn de sekvensene som faktisk koder for proteiner, kalt exoner.
ExonEt exon er en del av et eukaryot gen som faktisk koder for et protein (enaminosyresekvens). I motsetning til i prokaryote gen er det altså typisk foreukaryote gen at de kodende sekvensene er avbrutt av ikke-kodende sekven-
45
Figur 34: Illustrerer splicing i ovalbumin, hovedproteinet i eggehvite
ser. Disse ikke-kodende intronene blir transkribert, men kuttes deretter utav mRNAet for å danne modent mRNA i en prosess kalt splicing. I det fer-dige mRNAet som forlater cellekjernen er det altså bare en proteinkodendebasesekvens.
46
6 Translasjon
RibosomeCellenes proteinfabrikk.
5S
16S and 23S rRNA
30S
40S
50S
60S
70S and 80S subunits
Shine-Dalgarno (SD) sequenceEn del av mRNA som er rik på G-er, og som 16S-subenheten kjenner igjen.Sekvensen bidrar altså til å rekruttere ribosomet til mRNA for å starte pro-teinsyntesen - posisjonen til SD-sekvensen bidrar til å posisjonere ribosometriktig i forhold til startkodonet. SD-sekvensen ligger upstream for startko-donet (generelt 8 basepar), og forekommer i prokaryote gener. I E. coli erkonsensussekvensen AGGAGGU.
I eukaryote celler kalles den tilsvarende sekvensen for en Kozak-sekvens.
A and P site
Exit site
Charged tRNA
Aminoacyl tRNA
47
Initiation and elongation
Initiation complex
Initiation and release factors
Formylmethionine
Genetic code
StoppkodonEt stoppkodon signaliserer slutten på et gen, og forteller RNA polymeraseat den skal stoppe transkripsjonen her. I DNA er de mulige stop-kodoneneTAG, TAA og TGA.
Synonyme kodonDet er flere kodonsekvenser som koder for samme aminosyre.
Aminoacyl tRNA synthetase
KodonEn samling av tre basepar som koder for en bestemt aminosyre (eventueltstart og stopp) kalles et kodon. Eksempelvis er baserekkefølgen GCU kodenfor aminosyren alanin. Merk at det i de fleste tilfeller er flere kodon som ko-der for samme aminosyre (GCU, GCC, GCA og GCG koder alle for alanin).Dette bidrar til at feil og mutasjoner for mindre innvirkning på translasjons-prosessen, særlig fordi de ulike kodonene som koder for samme aminosyregjerne er rimelig like. Dermed, hvis U i GCU ved en mutasjon/feil skullebyttes ut med en A får vi fortsatt alanin.
AntikodonDen delen av tRNA som passer med det mRNAet som skal translateres.
Start codon/initiation codon
Direction of translation
Phosphorylation
48
Glycosylation
Posttranslatoric modification
Folding
Misfolding
ChaperoneMolekyler som hjelper proteinene å folde seg på rett måte. Dette er essensieltfor at proteinene skal ha den ønskede funksjonen i for eksempel enzymer.
Refolding
49
7 DNA-mutasjon, reparasjon and rekombinasjon
DNA-lesjon
Endonuklease
Exonuklease
Homolog rekombinasjonEn slags “shuffeling”, der biter av DNA byttes ut mellom kromosomene. Na-turlig finner dette sted under meiosen, altså dannelsen av kjønnsceller, ogstår for mye av den naturlige genetiske variasjonen hos levende organismer.
Mismatch-reparasjon
Trådinvasjon
DNA-base-metylering
Definisjon of mutationEndring i baserekkefølgen i DNAet?
50
8 Metabolisme
GlykolysenGlykolysen er det første steget i energifrigjøringen fra glukose. Her brytesglukose (eller glykogen) ned til C3-fragmenter i form av pyruvat, og NAD +reduseres til NADH. Pyruvatmolekylene tas videre opp i mitokondriene oggår inn i Krebs syklus (sitronsyresyklusen), der de til slutt brytes ned tilCO2 + H2O. I tillegg til 2 ATP-molekyler (3 dersom glykogen er utgangs-punktet), men det er altså ikke her hovedproduksjonen av ATP finner sted -dette foregår i elektrontransportkjeden.
Figur 35: Oversikt over hva som skjer med glukosen i ulike forbrenningstilfeller
Merk at dersom det ikke er nok oksygen til stede (anaerob glykolyse), kanikke NADH oksideres tilbake til NAD+ som vanlig i mitokondriene. Da måcellen ty til en reserveløsning, der NADH blir reoksidert gjennom reduksjonav pyruvat til laktat(melkesyre). Pyruvat går dermed ikke inn i Krebs syk-lus (og vi får heller ingen ATP-produksjon fra elektrontransportkjeden) vedanaerob forbrenning - dermed frigjøres kun 2 ATP-molekyler per glukosemo-lekyl totalt.
Glykolysen finner sted i cytoplasmaet i cellene.
51
SitronsyresyklusenDenne foregår i mitokondriene i cellen. Først omdannes pyruvat til acetylcoenzym A, acetyl-CoA gjennom en irreversibel oksidativ karboksylering forå kunne gå inn i syklusen - her dannes i tillegg CO2, og NAD+ oksideres.CoA-molekylet frakter acetylgruppen som en tiolester, og vi kan dermedskrive acetyl-CoA som CH3CO−S−CoA. Dette er en høyenergiforbindelse.
Figur 36: Oversikt over hvor forbrenningen av fett (fettsyrer), proteiner (aminosy-rer) og sukker (glukose) går inn i energiproduksjonsprosessen i cellen
ATP-produksjonATP (adenosintrifosfat) er hoveddrivstoffet til kroppens celler, og brukes tilå drive energikrevende reaksjoner som for eksempel oppbygging av proteiner.ATP produseres ved nedbryting av karbohydrater og fett, samt aminosyrernår disse foreligger i overskudd. Hovedvekten av ATP-produksjonen foregåri elektrontransportkjeden, men det produseres også noe ATP i glykolysen ogKrebs syklus.
KofaktorEn kofaktor er en kjemisk forbindelse (et ikke-protein) som er bundet til etprotein og er nødvendig for proteinets biologiske aktivitet. Disse proteinene
52
Figur 37: Oversikt over hvordan glykolysen, sitronsyresyklusen og elektrontrans-portkjeden er koblet sammen
53
er ofte enzymer, og kofaktorer kan betraktes som hjelpemolekyler som biståri biokjemiske transformasjoner.
Kofaktoren kan være enten organiske (ofte avledet fra vitaminer, som CoA,FAD og NAD+) eller uorganiske (som metallioner, Mg 2+). De kan også klas-sifiseres etter hvor sterkt bundet de er til proteinet
• Koenzymer er løst bundne kofaktorer
• Prostetiske grupper er tett bundne kofaktorer
Et enzym kan ha behov for en eller flere kofaktorer for å fungere. Enzymetalene (inaktivt) kalles et apoenzym, mens det komplette og aktive enzymet(med kofaktor(er)) kalles et holoenzym.
Koenzym A (CoA)CoA er et acyltransportmolekyl. Det omtales også som CoA-SH fordi tiol-gruppen er den aktive delen av molekylet - acylgruppen fraktes som enhøyenergi tiolester. Et eksempel er acetyl-CoA, som ofte skrives som CH3CO−S−CoA.
Før pyruvatmolekylene dannet i glykolysen kan gå inn i sitronsyresyklusen,undergår de irreversibel oksidativ dekarboksylasjon der CO2 frigjøres, et elek-tronpar overføres til NAD+ og acetylgruppen overføres til CoA.
Figur 38: Koenzym A. Legg merke til tiolgruppen til venstre i figuren, som er denaktive gruppen.
NAD/NADHNikotinamid adenin dinukleotid, NAD, er en viktig hydrogen/elektronbæreri cellenes metabolisme. NAD+, som er NAD på oksidert form, fungerer somet koenzym og virker katalytisk gjennom å reduseres og deretter reoksideres- på denne måten fraktes elektroner fra et molekyl til et annet (NADH, NADpå redusert form, frakter også et proton).
54
NADP/NADPHNikotinamid adenin dinukleotidfosfat, NADP, har en struktur som er analogmed den for NAD, bortsett fra at den har en ekstra fosfatgruppe festetpå ett av sukkermolekylene. Den virker som et koenzym i flere anabolskeprosesser (for eksempel i oppbyggingen av lipider og nukleinsyrer), der denfungerer som et reduksjonsmiddel. I tillegg fungerer den som elektronbæreri fotosyntesen i planter. NADPH er NADP på redusert form.
FAD og FADH2Flavin adenin dinukleotid, FAD, er et annet transportmolekyl som frakterelektroner i form av hydrogen. FAD er en prostetisk gruppe, og er såledespermanent bundet til sitt apoenzym.
Figur 39: Viser likevekten mellom oksidert og redusert FAD
ElektrontransportkjedenI elektrontransportkjeden fraktes elektronene fra oksidasjonen av glukose(som tilføres fra elektronbærere NADH og FADH2 - disse oksideres) til oksy-gen. Det reduserte oksygenet reagerer med protoner fra løsningen, og detdannes vann. Gjennom å la protonene bevege seg gjennom en membrandannes det en elektrokjemisk protongradient, som brukes til å drive ATP-produksjonen i ATP syntase. Det er dermed dette steget i glukoseoksida-sjonen som danner mest ATP - ved å la prosessen gå i flere trinn frigjø-res energien i håndterebare mengder, og ATP kan genereres i stedet forvarme (totalreaksjonen, C6H12O6 + 6 O2 −→ 6 CO2 + 6 H2O, frigjør sværtmye energi; ∆G0� = −2820kJ/mol). Ettersom prosessen driver produksjo-nen ADP + Pi −→ ATP kalles den også oksidativ fosforylering.
Prosessen foregår i mitokondriene, i det indre mitokondriemembranet.
EnergiproduksjonI cellen stammer energiproduksjonen, som i hovedsak kan sies å være produk-sjonen av ATP, fra nedbryting av næringsstoffene sukker, fett og aminosyrer(sistnevnte kun ved overskudd). Gjennom koblede biokjemiske reaksjonsru-ter som glykolysen, sitronsyresyklusen og elektrontransportkjeden oksideresdisse næringsstoffene, energi frigjøres og ATP kan produseres.
55
Figur 40: Totaloversikt over energiproduksjonen i cellen
Figur 41: Energiproduksjonen i mitokondriene
56
Oksidativ fosforyleringI elektrontransportkjeden oksideres elektronbærerene NADH og FADH2 slikat ATP kan dannes fra ADP og Pi. Denne prosessen kalles oksidativ fosfory-lering.
Biokjemisk rute (Pathway)En biokjemisk rute er en koblet sekvens av biokjemiske reaksjoner som brukesfor å danne en eller flere produkter. Et eksempel på en slik rute er glykolysen,en metabolsk rute der hovedproduktet pyruvat dannes fra glukose.
57
9 Regulering
OperonEn samling gener som koder for proteiner med liknende funksjon. Det typiskeeksempelet er lac-operonet i E. coli som koder for tre proteiner (enzymer)som bidrar til utnyttelse av sukkeret laktose.
OperatorEn operator kan sees på som en av/på-knapp for genene i et gitt operon.Mer spesifikt er det et DNA-segment der transkripsjonsfaktorer (proteiner)binder seg, og som igjen styret uttrykket av genene i operonet. Det er klassiskdefinert i lac-operonet som DNA-segmentet mellom promotorregionen oggenene i operonet.
RepressorEn repressor er et DNA-bindende protein som regulerer uttrykket av genergjennom å binde seg til genets operator og dermed blokkere bindingen avRNA polymerase til promotoren. På denne måten hindres transkripsjon avgenet, ettersom DNA polymerase ikke får produsert mRNA - genet under-trykkes.
Feed-back-inhiberingDette brukes ofte til å kontrollere anabolske prosesser - ved overskudd av pro-dukt binder disse seg til gitte pacemakerenzymer tidlig i kjeden og inhibererdem. På denne måten stopper produksjonsprosessen opp, og utgangsstoffenekan brukes til noe mer nyttig.
Feed-back-inhibering kan også foregå på transkripsjonsnivå? Ved overpro-duksjon binder produktmolekylet seg til en repressor, som deretter fester segtil operatoren på det gitte genet (genet som produserer enzymene som stårfor oppbyggingen(nedbrytingen) av det/de aktuelle molekylene. På dennemåten kan genet ”slås av” til cellen har bruk for det igjen.
AllosteriAllosteri kan sies å være endringen av et proteins aktive område gjennom bin-ding av et (signal)molekyl til en annen del av proteinet. Bindingen av dettemolekylet endrer proteinets konfirmasjon, og dermed den biologiske aktivi-teten. Generelt er langtvirkende allosteriske effekter spesielt viktig i cellesig-nalisering - endring av strukturen til integrale membranproteiner ”frakter”signaler gjennom cellemembranen.
Et eksempel som er naturlig å nevne i forbindelse med regulering er bindin-gen av laktosemolekyler til repressoren i lac-operatoren. Ved binding endres
58
repressorens konfirmasjon, og den frigjøres fra operatoren - transkripsjon blirdermed muliggjort.
Polycistronisk mRNAEt mRNA som koder for flere proteiner kalles et polycistronisk mRNA. Detmeste mRNA som finnes i bakterier og arche er slik - proteinene det kodesfor har gjerne en relatert funksjon, og reguleres sammen - de er gruppert iet operon.
Det motsatte er monocistronisk mRNA, som er vanligst i eukaryote celler.Her koder ett enkelt mRNA-molekyl for ett enkelt protein.
Positiv regulator
Positiv and negativ regulering
SignalmolekylOfte et molekyl som induserer allosteriske endringer i proteiner eller enzymer- på denne måten endres den biologiske aktiviteten. I sammensatte biologiskmekanismer er det ofte såkalte pacemakerenzymer som påvirkes - på dennemåten kan hele mekanismen kontrolleres ved å kontrollere en ”flaskehals”(ettersom de fleste biologiske prosesser består av flere, ”samlebånd”-aktigetrinn, vil hele prosessen stoppe opp dersom ett enkelt trinn skrus av).
To eksempel på signalmolekyl er insulin i mennesket (signaliserer til leverenat den skal ta opp glukose), eller laktose i E. coli (binder seg til og frigjørrepressoren fra lac-operatoren omtalt tidligere. Merk at førstnevnte er uteluk-kende et signalmolekyl, mens sistnevnte er et næringsstoff som i visse tilfellerogså vil fungere som signalmolekyl.
DifferensieringDet faktum at celler kan oppføre seg ulikt avhengig av miljøet de er i, påtross av samme arvestoff. Det er genregulering som tillater dette - ulike generkommer til uttrykk avhengig av cellens funksjon. Eksempelvis er levercellerog hudceller har samme DNA, men har vidt forskjellig funksjon og oppførsel.
Differensiering vil kun gi mening i multicellulære organismer, og er såledesmest aktuelt for eukaryoter.
FenotypeHvordan genene kommer til uttrykk hos et enkeltindivid. Eksempel kan væreblå øyne, brunt hår eller stor nese.
59
GenotypeGenene til et enkeltindivid. Disse påvirker fenotypen, men er ikke alene an-svarlig for hvordan denne blir (eksempelvis vil miljøet også påvirke dette).
cAMPSyklisk adenosin monofosfat (cAMP) er en 2. budbringer som er viktig i man-ge biologiske prosesser, eksempelvis i signalisering gjennom cellemembranen.cAMP er avledet fra ATP og brukes i intracellulær signaltransduksjon (pro-sessen der et ekstracellulært signalmolekyl aktiverer en membranreseptor,som igjen endrer intracellulære molekyler og skaper en respons til signalet)i mange ulike organismer.
(a) Strukturformel (b) Ball-and-stick
Figur 42: Den molekylære strukturen til cAMP, syklisk adenosin monofosfat.
CRP/CAPCRP står for ”cAMP receptor protein”, og er et reguleringsprotein i bakte-rier. Et annet navn på dette proteinet er ”catabolite gene activator protein”,forkortet CAP.
Dette proteinet binder seg til cAMP, som igjen skaper en konformasjons-endring i proteinet slik at dette kan binde seg til spesielle DNA-sekvenseri promotorregionene til de genene som proteinet kontrollerer. Genene somreguleres av dette proteinet er for det meste involvert i energimetabolisme.
Regulation at the translational level
Positiv modulator
60
En positiv modulator er et signalmolekyl som binder seg til et allosterisk setepå et enzym, og på denne måten øker enzymaktiviteten.
RNA regulators
Regulering gjennom proteininteraksjonDet er i hovedsak to måter proteiner (i hovedsak enzymer) kan reguleres pånår de først er produsert. Det er også mulig å regulere proteinaktivitet påtranskripsjonsnivå eller translasjonsnivå, men dette er en tregere prosess.
1. Allosterisk kontroll : enzymaktiviteten styres ved at såkalte allosteriskemodulatorer (aktivatorer eller inhibitorer) binder seg til visse allosteris-ke seter der de påvirker enzymets konformasjon, og dermed den biolo-giske aktiviteten. Et enkelt protein kan ofte motta flere slike signalerpå en gang, der hvert enkelt signal bidrar til å aktivere eller inhibereproteinet. På denne måten oppnås en svært nøyaktig kontrollmekaniske.Allosterisk kontroll gir også svært rask respons - både av og på.
2. Kontroll gjennom fosforylering (kovalent modifisering): enzymaktivite-ten styres ved å overføre fosforylgrupper fra ATP til visse enzymer - påden måten skapes det en konformasjonsendring i målenzymet, og ak-tiviteten endres. Også enzym-inhiberende proteiner kan aktiveres slik.Den allosteriske kontrollprosessen blir igjen regulert av prosesser utenforcellen, ofte gjennom hormoner (som for eksempel glukagon og epinefrin(adrenalin))
En analogi til organiseringen og oppbyggingen av disse to kontrollprosesseneer hvordan en krigsflåte fungerer. På hvert enkelt skip er det er ordnet hie-rarki som sørger for at skipet til en hver tid fungerer som det skal (allosteriskkontroll), men hva skipet gjør (i form av hvor det seiler, hvem det angripermm.) styres fra overordnet nivå (kontroll gjennom fosforylering).
61
10 Rekombinant DNA-teknologi
Plasmid
Vector
Agar
Antibiotic resistance marker
Restriction endonuclease/restriction enzyme
Palindrome
Sticky ends/overhangsDersom et restriksjonsenzym kutter i samme basesekvens i begge trådene, vildet oppstå såkalte “sticky ends” ettersom trådene har motsatt baserekkefølge.
Autonomous replication
Transformation
Electroporation
Transduction
Conjugation
Transfection
Plasmid copy number
Plasmid loss
62
Cloning
DNA sequencing and synthesis
PCRDette er den såkalte “Polymerase Chain Reaction” der en del av DNAet kanamplifiseres raskt ved hjelp av en spesifikk teknikk.
Primer
ProbeEn bit med DNA for å merke en annen bit med DNA. “Merkelappen” ergjerne merket med en gruppe som gir fosforesens, eventuelt en radioaktivgruppe.
HybridizationDen spontante baseparringen mellom komplementære baser i to enkelttrådigeDNA-molekyler kalles hybridisering. Dersom et dobbelttrådig DNA-molekylsplittes (ved for eksempel oppvarming), og deretter kjøles ned igjen, vil sva-ke hydrogenbindinger mellom de komplementære baseparene sørge for at detigjen dannes dobbelttråder - hybridisering er altså en spontan (termodyna-misk favorisert) prosess ved lave temperaturer.
ORFEn open reading frame (ORF) er en DNA-sekvens som ikke inneholder noestop-kodon i en gitt leseramme. Hvor du starter med å lese den genetiskeinformasjonen vil gi opphav til ulike leserammer - i mRNA er det 3 mulige,i dobbeltrådig DNA er det 6 mulige (3 hver vei).
I bioteknologisk sammenheng er ORFer (særlig lange ORFer) interessantefordi de muliggjør at den gitte sekvensen er et gen, altså at den kan kode foret protein. Legg likevel merke til et en lang ORF alene ikke kan garantereat sekvensen koder for et protein - det er for eksempel ikke sikkert at dentransleres.
Polylinker
SDS PAGE. DNA sequence databases
Gene synthesis
63
BLAST-søkEn algoritme som brukes innen bioinformatikk for å sammenlikne primærbiologisk sekvensinformasjon - eksempelvis aminosyresekvensen i ulike pro-teiner eller nukleotidene i forskjellige DNA-sekvenser. BLAST-søk gjør detmulig for forskere å sammenlikne en gitt sekvens med en database av kjentesekvenser, og deretter identifisere de databasesekvensene som likner på dengitte sekvensen (over et visst terskelnivå).
Annotation
Sequence alignment
cDNA
Reverse transcriptase
Genetic engineering
64
11 Diverse
Grønn bioteknologiEt kallenavn på landbruksbioteknologi, brukes ofte om bioteknologi for mat-produksjon.
Hvit bioteknologiEt kallenavn på industriell bioteknologi.
Rød bioteknologiEt kallenavn på medisinsk bioteknologi.
Blå bioteknologiEt kallenavn på marin bioteknologi.
Microbial ecology
Microbial consortia
Microbial resource management MRM
Chemical oxygen demand COD
Biogas production
Biological wastewater treatment WWT
Retention; activated sludge vs. biofilm
Bioremediation in vitro plant breeding
Suspension cultures of plant cells
Agrobacterium tumefaciens
Ti-plasmid
65
T - DNA
Genetically modified food
Microinjection
Transgenic animals and plants
Cloning of animals
Knock-out mice
Chimeric animals
Pre-natal diagnostic tests
Stem cells
Embryo transfer
Xenotransplantation
Agarose gel electrophoresis of DNA
Protein engineering
Genomics
Transcriptomics
Proteomics
66
Metabolomics
Bioinformatics
Systems biology
Synthetic biology.
67
Del III
Fundamentale biologiske prosesser
12 Replikasjon
Kopiering av DNA med DNA polymerase inne i cellekjernen. Dette gjøres i forbin-delse med celledeling, ettersom cellen da har behov for kopiere opp sitt arvestoffslik at begge dattercellene får det samme arvestoffet (i samme mengde) som denene modercellen.
13 Transkripsjon
Kopiering av den genetiske informasjonen som ligger lagret i DNA over til RNAved hjelp av RNA polymerase. Merk at denne prosessen er noe ulik i eukaryote ogprokaryote celler. Hovedtrekkene (felles) er som følger:
1. Initiering
2. RNA polymerase binder seg til DNAet, og kopierer informasjonen over tilRNA
3. Terminering
14 Translasjon
Overfører den genetiske informasjonen som er transkribert fra DNA til RNA videretil proteiner (den genetiske koden kommer til uttrykk som rekkefølgen av amino-syrene som bygger opp proteinet). Dette foregår i ribosomene, og er en relativtkompisert prosess der mange ulike faktorer inngår.
15 Regulering
Styrer hvordan genene kommer til uttrykk i cellene. Et utmerket eksempel på detteer reguleringen av laktosemetabolismen i E. coli, som er vist i figur 43
68
Figur 43: Viser hvordan produksjonen av nedbrytingsenzymer for laktose settes igang i bakterieceller
Her ser vi at når det ikke er noe laktose i cellen, er repressoren (et allosteriskprotein) bundet til operatoren i lac-operonet, og genene som koder for nedbry-tingsenzymene kommer ikke til uttrykk - RNA polymerase er fysisk hindret fraå transkribere disse. Når laktoseinneholdet i cellen øker vil laktosemolekylene, vildisse binde seg til repressoren, som vil skifte form, og dermed frigjøres fra ope-ratoren. Nå kan RNA polymerase transkribere genene i operonet, og disse kantransleres til proteiner i ribosomene. Dermed kommer nedbrytingen av laktose igang.
Når laktoseinneholdet i cellen igjen faller (enzymene har brutt ned det som er),er det ikke lengre behov for å syntetisere ytterligere nedbrytingsproteiner. Etter-som laktosenivået nå er lavt, vil repressoren igjen binde seg til operatoren, ogtranskripsjonen av lac-operonet opphører.
Slike reguleringsmekanismer gjør at cellen kan bruke ressursene sine fornuftig -det ville være svært lite økonomisk om cellen til en hver tid skulle produsere alleenzymene den kom til å trenge en eller annen gang i løpet av livet.
Merk at regulering i eukaryote celler er mer komplisert, og effektene er tregere ogmindre dramatiske. Her kan eksempelvis hormoner virke som indusere, i tilleggtil næringsstoffer. Et eksempel er inntak av alkohol, som induserer produksjon av
69
visse enzymer i leveren (alkohol dehydrogenase og acetaldehyd dehydrogenase) -hyppig inntak av alkohol vil således øke alkoholtoleransen.
16 Membrantransport
Transport av molekyler og ioner gjennom cellemembranen ved hjelp av integralemembranproteiner. Disse kan enten være transportproteiner (binder seg til mole-kylene/ionene og frakter dem gjennom) eller kanalproteiner.
17 Enzymkatalyse
Nesten alle kroppens prosesser katalyseres av enzymer. Disse proteinene bidrar tilå senke aktiveringsenergien i de kjemiske reaksjonene som foregår i kroppen - påden måten kan disse foregå effektivt ved biologisk temperatur og trykk. Reaksjons-hastigheten kan øke enormt som følge av enzymene - gjerne mange tierpotenser.
18 Metabolisme
Metabolisme betegner generelt de kjemiske reaksjonene i levende organismer somer nødvendige for å opprettholde liv.
70
Del IV
Praktiske problemstillinger
71
![[PPT]Bab 8 BIOTEKNOLOGI - SMAN 1 WANAYASA ... · Web viewBab 8 BIOTEKNOLOGI Bab 8 BIOTEKNOLOGI BIOTEKNOLOGI Pemanfaatan organisme, sistem, atau proses biologis untuk meningkatkan](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/5c80a13909d3f242188d26ea/pptbab-8-bioteknologi-sman-1-wanayasa-web-viewbab-8-bioteknologi-bab.jpg)
