Biologi 2 – Cellens livssyklus og proteiner

Lastet opp i kategorien Biologi 2 den 07.02.2012

 

Oppbygning av DNA-molekylet

Et nukleotid består av deoksyribose, et fosfation og en nitrogenbase (enten adenin, tymin, cytosin eller guanin). Disse nukleotidene er bundet til hverandre med kovalente bindinger (mellom deoksyribosene) og danner DNA-tråd. To DNA-tråder går sammen og danner en dobbelspiral kalt dobbelheliks (DNA-molekylet). Nitrogenbasene i begge trådene peker inn mot sentrum av molekylet. Hvert base er hydrogenbundet til en annen base på den andre DNA-tråden.  Adenin og Tymin er komlementære baser, og pares alltid sammen, mens Cytosin og Guanin er komplementære baser.

 

Beskrivelse og sammenheng mellom

Eukaryote celler Prokaryote celler
DNA inne i kjernen Har ikke cellekjerne, DNA ligger samlet i et bestemt område i cytosol
Mitokondrier og kloroplaster har eget DNA
DNA organiseres lineært, inneholder mange gener DNA er organisert i en ring, cellens eneste kromosom
Planter og dyr Bakterier, plasmider

 

Et gen koder for et produkt som har en funksjon i organismen. Et gen koder for et genprodukt og ikke en egenskap. Gen er et bestemt avsnitt av DNA-molekylet som koder for et protein og andre molekyler (for eksempel rRNA og tRNA). Koden ligger i DNA-sekvenser som kalles ekstoner. Bestemte gener har bestemte lokus på kromosomet. Baserekkefølgen i eksonen bestemmer koden. DNA-sekvensene i genet som ikke koder for et protein kalles introner.

DNA som ligger mellom genene er viktig i regulering av hvilke gener som skal være aktive. DNA-metylering er en prosess som regulerer genaktiviteten. Prosessen forekommer hos de fleste planter og dyr (eukaryote celler). Det blir festet en metylgruppe (-CH3) til flere cytosin-nitrogenbaser i genet. Gen med mange metylgrupper er ofte inaktive og blir ikke uttrykt som proteiner. Se øverst side 107.

Diploide organismer er de fleste dyr og planter og de inneholder diploide kroppsceller. Diploide celler inneholder dobbelt sett av homologe kromosomer som utgjør kromosompar. Et av parrene kommer fra mor og et fra far, som inneholder samme gener (nesten identisk baserekkefølge).

Kromosomene består av autosomer og kjønnskromosomer. Mennesket har 44 autosomer og to kjønnskromosomer. Halvparten fra mor, resten fra far.

 

Cellens livssyklus

Cellens livssyklus deles inn i en interfase og en delingsfase. Under interfasen vokser cellen og kopierer seg og DNA kveiles. Under delingsfasen deler cellen seg enten ved mitose eller meiose. Cellens livssyklus kontrolleres av cellens eget kontrollsystem.

Under interfasen kveiles ett DNA-molekyl rundt et proteinskjelett av histoner (åtte små proteiner) og danner ett kromosom som er tynn og lang.

I det siste nivået (det finnes fire) av kveilingen av DNA, før cellene skal dele seg, blir DNA-molekylet tykk og kort og finnes i to kopier, kalt søsterkromatider. Søsterkromatidene henger sammen i et bestemt område kalt sentromér, da ligner kromosomet på et kryss, hvor høyre ben og arm er en søsterkromatid, og venstre ben og arm er den andre.

DNA-replikasjon i eukaryote celler (interfase).

Kopiering av DNA – semikonservativ replikasjon

  1. Proteinskjelletet (histoner) som DNA-molekylet er kveilet rundt fjernes. Da pakkes DNA opp slik at det ikke lenger er i kromosomform. Enzymet helikase bryter hydrogenbindingene mellom basene slik at vi får to DNA-enkelttråder. Dette skjer på ulike steder i molekylet.
  2. Enzymet DNA-polymerase hydrogenbinder løse nukleotider (fra andre ødelagte celler, maten og det som var der fra før) til komplementære baser på hver av DNA-trådene.

Enzymet ligase danner fosfodiester-binding mellom fosfat og OH-gruppen på sukkret i et nukleotid, og binder de to DNA-frafmentene til hverandre.

De to nye dobbelheliksene bindes til histoner og kveiles opp på hvert sitt proteinskjelett.

  1. Resultat: to like DNA-molekyler, dobbelthelikser som er bundet til hverandre i sentroméren.

 

  1. Det kan settes inn gal base slik at baserekkefølgen blir annerledes, og det blir mutasjon. DNA-polymerase vil rette på feilen umiddelbart, men en rekke DNA-reparasjonsenzymer vil også komme etter og korrekturlese det nylagde DNAet.

Delingsfase – Mitose

En vanlig celledeling. Kromosomtallet og gen i de to dattercellene er identisk med morcellen.

Tar for meg et DNA-molekyl. Det har skjedd en vellykket DNA-replikasjon og de to DNA-molekylene har kveilet seg rundt et proteinskjelett av histoner og er i kromosomform med søsterkromatidene bundet sammen.

  1. Søsterkromatidene kveiles ytterligere opp og henger sammen i sentromér. I cellekjernen dannes det spindeltråder.
  2. Cellekjernemembranen oppløses. Spindeltråd fester seg til sentroméren i kromosomen. Kromosomen plasserer seg enkeltvis i midten av cellen.
  3. Spindeltrådene forkortes og trekker de to søsterkromatidene til hver sin ende.
  4. Spindeltrådene forsvinner og det dannes to nye cellekjernemembraner på hver sin ende. De to søsterkromatidene er i hver sin cellekjerne. Noe av kveilingen løses opp.

Etter mitose kommer cytokinese. Cellene separeres fysisk. Dannes to nye diploide celler (kromosomer i par, en fra mor, en fra far) med identisk DNA som opphavscellen. Disse nye cellene går inn i DNA-replikasjon, og forsetter syklusen.

I diploide celler finnes det dobbelt sett av kromosomer som inneholder gener som koder for samme protein. Et sett er homolog og utgjør et kromosompar. Mennesker har diploide kroppsceller som inneholder 46 kromsomer.

I haploide celler finnes det bare en utgave av et kromosomer. Kjønnsceller er haploide og inneholder 23 kromosomer.

Meiose – reduksjonsdeling, Diploide celler i spesialiserte organer deler seg til haploide celler (kromosomene er ikke i par, ikke homologe) for å kunne danne kjønnsceller.

Alle celler i kroppen inneholder alle 46 kromosomene. I spesialiserte diploidceller foregår meiosen. Her halverer cellen kromosomtallet og danner haploide kjønnsceller. En celle blir til fire kjønnsceller med forskjellige genkombinasjoner.

Kjønnsceller har bare ett enkelt sett med kromosomer, de er haploide. Dvs. En sædcelle og en eggcelle er haploide. Men disse går sammen og lager en zygote som er diploid (to haploide celler går sammen og danner et homologt kromosompar).

Først skjer det er en DNA-replikasjon (se ovenfor). Hvert kromosom blir delt i to identiske kromatider som henger sammen av sentroméren.

  1. I det siste nivået (det finnes fire) av kveilingen av DNA, blir DNA-molekylet tykk og kort og synlig i mikroskopet.
  2. Søsterkromatider til far og søsterkromatidene til mor danner sammen et homolog kromosompar. Kromosomparet legger seg inntil hverandre (her er det mulighet for overkrysning). I cellekjernen dannes det spindeltråder. (profase I)
  3. Cellekjernemembranen oppløses. Spindeltråd fester seg til sentroméren i kromosomene. De homologe kromosomene beveger seg parvis mot midten av cellen, og  ligger rett overfor hverandre.
  4. Spindeltrådene forkortes og trekker de to homologe kromosomene til hver sin ende.
  5. Spindeltrådene forsvinner og det dannes to nye cellekjernemembraner på hver sin ende. De to homologe kromosomene er i hver sin cellekjerne.
  6. Cellene separeres fysisk, og blir til to haploide celler. Disse går begge i gang med mitose. Videre tar jeg for meg kun den ene cellen, men samme prosess skjer i begge cellene.
  7. I cellekjernen dannes det spindeltråder.
  8. Cellekjernemembranen oppløses. Spindeltråd fester seg til sentroméren i kromosomen. Kromosomen plasserer seg i midten av cellen.
  9. Spindeltrådene forkortes og trekker de to søsterkromatidene til hver sin ende.
  10. Spindeltrådene forsvinner og det dannes to nye cellekjernemembraner på hver sin ende. De to søsterkromatidene er i hver sin cellekjerne. Noe av kveilingen løses opp.

Cytokinese: Cellen deler seg fysisk i to, det samme skjer med den andre haploide cellen, og vi får fire haploide kjønnsceller, der to og to er idebtisk like. Disse er kjønnsceller og har halvparten av kromosomene til den celle det ble startet med.

 

Sammenligning mellom meiose og mitose

  1. I mitose er det kun én deling, mens i meiose er det to delinger.
  2. I meiose er det en mulighet for overkrysning, mens det ikke er det i mitose.
  3. I mitose er resultatet to diploide celler, mens det i meiose er fire haploide celler. Resultatcellene i mitosen er genetisk like opphavscellen, mens i meiosen er de genetisk forkjellige fra opphavscellen og fra hverandre.

 

Forklare hvordan genetisk variasjon oppstår

  1. Tilfeldig fordeling av kromosomene: Ved befrukting blandes gener fra to ulike celler. Nye kombinasjoner av gener oppstår, og den nye generasjonen blir genetisk ulik opphavet.

Under meiose hos et menneske. Et kjønnscelle har 22 autosomer og ett kjønnskromosom (X eller Y). To kromosomer fra et kromosompar fordeles uavhengig av hverandre. Da finnes det 223 ulike kombinasjonsmuligheter av kromosomene i et kjønnscelle. Ved befrukting møter én sædcelle én eggecelle. Dette gir 223 x 223 = 246 mulige kombinasjoner av kromosomene når et menneskebarn blir til.

  1. Overkrysning: Under profase I i meiosen ligger homologe kromosomer (for eksempel XX) tett inntil hverandre. Her kan kromosombiter mellom homologe kromosomer utveksles, ofte er det mellom gener som sitter langt fra hverandre på kromosomet. Ved hjelp av en rekke enzymer kan kromatidene kuttes tilfeldig, men identisk fra hver av de homologe kromosomene. Deretter kobles kromatidbitene sammen igjen på kryss og tvers.  Kromosomparet XY vil ikke kunne krysses fordi de ikke er homologe.

Overkrysning kan føre til en rekombinasjon av arveanlegget hvis det homologe kromosomparet har heterozygot genpar. Dvs at begge kromosomene som danner par inneholder ulik genvariant Avkommet får kromosomer som er sammensatt av deler fra begge foreldre, og avkommet kalles en rekombinant. Hvert kromosom i rekombinantens kjønnscelle vil være en blanding av de to opprinnelige kromosomene i opphavscellen.

  1. Under DNA-replikasjon kan det oppstå mutasjoner slik at det gir en liten genetisk variasjon. Mutasjon oppstår ved at det settes inn feil base i den nye tråden. Det lages da en DNA med en annen baserekkefølge enn den opprinnelige. Informasjonen i genet vil da forandres.

Også i kjønnet formering vil mutasjoner under dannelsen av kjønnsceller kunne gi genetisk variasjon.

 

Proteiner

Oppbygning av RNA-polymerase

RNA-polymerase (IKKE DNA-polymerase) er et enzym som består av flere enheter med hver sin oppgave. Én del binder seg til genet som skal kopieres, en annen del bryter hydrogenbindingene i DNA-molekylet og en tredje del lager en RNA-tråd

RNA-tråd

RNA er bygd opp av nukleotider kovalentbundet til hverandre. Men nukleotidene består av ribose (et annet sukkermolekyl enn DNA-nukleotid, ikke deoksyribose), et fosfation og en nitrogenbase hvor basen tymin er byttet ut med uracil.

Proteinsyntese – dannelse av et protein

Tar for meg eukaryote celle.

  1. Transkripsjon:dannes en kopi av genet
    1. Enzymet RNA-polymerase fester seg til et bestemt DNA-sekvens, gen og bryter hydrogenbindingene der.
    2. RNA-polymerase tar for seg for eksempel venstre DNA-tråd. Enzymet lager en RNA-tråd (mRNA) ved å hente frie RNA-nukleotider fra cellekjernen og kovaletbinde de sammen slik at de er komplementære til DNA-tråden. Men hvis DNA-tråden har basen adenin, vil RNA-polymerase hente RNA-nukleotidet med basen uracil. mRNA vil være lik den høyre DNA-tråden bortsett fra at basen T i DNA-tråden er U i mRNA.
    3. På slutten av DNA-sekvensen er det et signal som forteller RNA-polymerase at transkripsjonen skal avsluttes. Enzymet løsner da den voksende mRNA fra DNA-tråden. Og DNA-molekylet lukker seg igjen.
    4. Enzymet spleisom kutter på begge sider av intronene i mRNA og spleiser eksonene (de med kode) sammen igjen.
    5. De riktig spleisede mRNA slipper ut av cellekjernemembranen til cytosol.
    6. Translasjon:produksjon av proteiner på ribosomene
      1. Enzymet tRNA-syntetase i cytosol gjenkjenner antikodonet til tRNA og binder det sammen med korrekt aminosyre (fra nedbrutte proteiner i cellen).
      2. Samtidig beveger et ribosom seg langs mRNA til det treffer et kodon (tre baser, base-triplett som koder for et aminosyre) som inneholder et startsignal, startkodon.
      3. Ribosomet gjenkjenner startkodonet på mRNA og henter en tRNA med komplementære antikodon.
      4. Kodonet på mRNA gjenkjennes av antikodonet på tRNA, og de baseparer ved at de komplementære basene bindes sammen i hydrogenbinding.
      5. Det er plass til to og to kodoner av mRNA i et robosom.
      6. rRNA i ribosomet gjør at aminosyrene på de to tRNA-ene (som er hydrogenbundet til mRNA kodonene i ribosomet) bringes så tett sammen at det dannes peptidbinding mellom aminosyrene.
      7. Den første tRNA går tilbake ut til cytosol, og mRNA beveger seg videre bortover. Da er det plass til en kodon til.
      8. tRNA med komplementær antikodon til den nye mRNA kodonen hentes. Aminosyren som er festet til de to tRNA-ene (som er i robosomet) danner en binding, slik at det nå er tre aminosyrer som er bundet til hverandre.
      9. Det dannes kjeder av aminosyrer som kalles polypeptidkjeder.
      10. Og slik fortsetter det til ribosomet registrerer en stoppsignal. Stoppkodonet fester en stoppfaktor til seg og løsner alle komponentene fra hverandre.

 

Regulerung av proteindannelsen

1. Regulering av transkripsjonen

Generelle transkripsjonsfaktorer i cellekjernen binder seg til en promotor. En promotor er en sekvens foran alle gener som forteller at her skal transkripsjonen starte. Deretter fester RNA-polymerase promotoren. RNA-polymerase starter transkripsjonen av genet.

Spesifikke transkripsjonsfaktorer fester seg til andre DNA-områder (enten enhancere eller silencere) som virker sammen med promotoren. En enhancer/silencer ligger på et DNA-sekvens foran genet. En spesifikk transkripsjonsfaktor binder seg til de. Hvis den S.transkripsjonsfaktoren binder seg til en enhancer, hjelper den generelle transkripsjonsfaktoren til å feste seg til promotoren. Den g.transkripsjonsfaktoren binder seg nå lettere igjen til RNA-polymerase og transkripsjonen er forsterket og kan starte. Hvis den s. Transkripsjonsfaktoren derimot er binder seg til silencer, vil den forhindre at transkripsjonen starter.

Hvis cellen vil at det skal dannes nye celler binder veksthormoner seg til reseptorer i cellemembraner. Det skjer flere reaksjoner i cellen som ender opp med å aktivere transkripsjonsfaktoren. Prosessen ender opp med at proteinet som dannes får cellen til å dele seg.

2. Nedbrytning av m-RNA

Enzymet RNA-ase i cytosol bryter ned m-RNA. Jo lenger et mRNA er i cytosol, jo flere polypetider vil bli translert i ribosomer.

3. Regulering av translasjonen

Translasjonsfaktorer er en del av ribosomet. De sørger for at translasjonen starter ved at mRNA fester seg riktig på ribosomet, ved å bringe riktig tRNA til mRNA og ved å bringe stoppfaktoren til mRNA når det er tid for det.

4. Metylering

DNA-metylering er en prosess som regulerer genaktiviteten. Prosessen forekommer hos de fleste planter og dyr (eukaryote celler). Det blir festet en metylgruppe (-CH3) til flere cytosin-nitrogenbaser i genet. Gen med mange metylgrupper er ofte inaktive og blir ikke uttrykt som proteiner. Se øverst side 107.

5. Mellomrommet mellom genene i DNA-molekylet…

…regulerer genaktiviteten.

Aminosyrer

Menneskecellen kan lage 11 forskjellige aminosyrer, 9 (essensielle aminosyrer) må vi få gjennom mat. Gir proteinet en spesiell egenskap og en spesifikk struktur. a-aminosyre har en aminogruppe (NH3) knyttet på den venstre siden av et sentralt C-atom og karboksylgruppe (COOH) knyttet på den høyresiden. På grunn av syren (COOH) og basen (NH3) opptrer aminosyrer som amfotære stoffer. Det er også knyttet et H-atom over C-atomet, mens det er knyttet en sidegruppe (R) under. Det er sidegruppen som gjør aminosyrer forskjellige.

R-gruppene har ulike polaritet, og det er dette som styrer foldingen av aminosyren. Det finnes ikke-polare R-grupper, uladete polare R-grupper og polare R-grupper.

Proteinenes strukturnivå

Aminosyrer binder seg sammen og danner peptidbindinger. Et proteiner kan være bygd opp av en polypeptidkjede eller flere (typisk med 100 til 600 aminosyrer). Proteiners struktur finnes i fire forskjellige nivåer og er avhengig av aminosyresammensetningen og R-gruppene i aminosyrene. R-gruppene i en aminosyre danner en binding med en annen R-gruppe i en annen aminosyre.

Primærstrukturen: Den rekkefølgen aminosyerene kommer etter hverandre på. Det blir bestemt av den gitte baserekkefølgen i mRNA. Primærstrukturen er grunnleggende for de andre strukturene.

Sekundærstrukturen: eks. Har en a-heliks (spiral, keratin) eller b-konformasjon (sikksakk, silke) struktur på grunn av  hydrogenbindinger (med O-atomet i COOH og H-atomet i NH3) mellom ulike aminosyrer i polypetidet.

 

Tertiær: består av flere sekundærstrukturer som kjemisk bundet (kuleformet, enzymer).

Kvartiærstruktur: organisasjonen av ulike polypeptider i et molekyl i forhold til hverandre. Hemoglobin består av fire polypetidkjeder.


Modifisering (sluttdannelsen) og transport av proteiner i cellen

Sortering av proteiner: Nylagde proteiner blir transportert av vesikler fra ER til golgioaparatet. Her blir proteinene samlet i gruppe med like destinasjoner. Hver gruppe blir samlet i en vesikkel, og transportert videre dit de skal.

Modifisering av proteiner: Spesifikke enzymer 1 sørger for typiske og viktige bindinger (som for eksempel disulfid-bindinger) mellom aminosyrer i et protein. Spesifikke enzymer 2 sørger for at de aller fleste aminosyrene enten er på en cis-form eller en trans-form. Hovedgruppe av enzymer 3 veileder for rettmessig folding av de forskjellige polypeptidkjedene i et protein.

 Enzymer – regulering – virkemåte

Enzymer (biologiske katalysatorer) er en gruppe proteiner med tertiærstruktur. Enzymer har som oppgave å sørge for at kjemisk reaksjoner skjer kontrollert og slik at det skjer raskere enn ellers.

Når man tilsetter et enzym i en reaksjon øker reaksjonshastigheten ved at aktiveringsenergien for reaksjonen senkes (det skal mindre energi til for at reaksjonen skal skje). Dette skjer fordi enzymer er spesifikke for noen få spesielle stoffer, de har ett eller flere aktive seter, fordi subtratene er løst festet til det aktive setet og fordi ferdige produktet frigjøres.

Enzymet selv blir ikke forandret eller ”brukt opp”.

Enzymer + Subtrater -> ES kompleks = Enzym + Produkter

Regulering av enzymaktiviteten

En konkurrerende hemmer sitter på det aktive setet i stedet for et subtrat slik at ingenting skjer.

Ikke-konkurrerende hemmer fester seg til et annet sted i enzymet og endrer på strukturen til det aktive setet slik at subtratet ikke vil passe like bra.

Nervegasser – hemmer enzymer irreversibelt.

Allosteriske enzymer – de forandrer seg selv slik at de er i aktiv form når det er behov for de, og i inaktiv form når det ikke er behov for de. Cellen gjør noen enzymer inaktive når det ikke er behov for dem ved å forandre formen ved hemming eller aktivering.

pH, temperatur og mengde subtrat og enzym påvirker alle enzymer. Når det er overskudd av enten syre eller base kan syre- eller basekomponenten reagere med deler av enzymet og forandre på ladningen til enzymet, og enzymets evne til å tiltrekke seg subtrater ødelegges. Hvis pH-en avviker stort fra pH-optimum, vil enzymet denaturer, den tertiæresturkturen blir ødelagt. Enzymet vil også denaturer hvis temperaturoptimum avviker stort fra temperaturen, men reaksjoner går raskere ved høyere temperaturer. En denaturereing er irreversibel.

Ved å øke konsentrasjonen eller temperaturen kan man også påvirke reaksjonshastigheten.

no