Biologi 10.–11. klasse: Cellelære og biologiske membraner

Undervisning 2‑4. Biologi 10‑11. klasse.
Forelæsning 1. Celltidori
En celle er et elementært membransystem, som er i stand til selvregulering, selvbevarelse og selvreproduktion.
Cellens struktur og funktioner samt universaliteten i alle celleformer afspejles i celleteorien.

Første postulat i celleteorien:
Alle organismer — undtagen vira — består af celler og produkter af deres livsaktiviteter. Til produkter af livsaktiviteter hører: vævsvæske, lymfe, blod, dvs. organismens indre miljø.

Andet postulat i celleteorien:
Alle celler har principielt lighed med hensyn til deres struktur og funktioner. For eksempel er det karakteristisk for alle celler at have PAK eller cellens overfladeapparat; for alle eukaryote celler er det karakteristisk at have indre membranøse organeller, fx Golgi‑kompleks, ER osv.; alle celler karakteriseres ved matrixprocesser, og alle celler har en anaerob fase af energiudveksling, som udtrykkes i glukoseomsætning eller glykolyse. Fællesskab i struktur og funktioner, som er karakteristisk for celler, vidner om deres homologitet, dvs. om deres fælles oprindelse.

Tredje postulat i celleteorien:
Alle nuværende celler stammer fra deling af allerede eksisterende celler (dette formodede Rudolf Virchow).

Fjerde postulat i celleteorien:
Aktiviteten i en flercellet organisme består af aktiviteterne i de enheder, der udgør den, dvs. cellerne, og der bør tages hensyn til forbindelserne mellem cellerne.

Opgaver.
Lær udenad postulaterne i celleteorien.

Forelæsning 2. Struktur af biomembraner
Biologiske membraner består af protein-, lipid- og kulhydratkomponenter.

Bilipidlagets funktioner:

• Strukturel – denne funktion demonstreres ved virkning af fosfolipaser. For eksempel fjerner fosfolipase A radikaler fra lipider, og cellen lyseres; fosfolipase findes i giften hos mange slanger. Fosfolipase C kan frakoble hoveder fra lipider, hvilket ødelægger bilipidlaget; fosfolipase C findes i toksinet fra koleravibrio.

• Isolerende – bilipidlaget kan kun tillade små ubundne molekyler (alkoholer, H₂O, O₂, CO₂) at trænge igennem, da ladede molekyler fastner i hovedzone og hydrofobe i radikalzonen. Derfor kan bilipidlaget skabe en elektrokemisk koncentrationsgradient for ioner på hver side af membranen. Forskellen mellem gradienterne kaldes potentialet, således opstår på alle celler den såkaldte hvilepotentiale, hvor den ydre side af membranen er delvist positivt ladet, og den indre side delvist negativ. Membranen er polarisert, hvilepotentialet sikrer normalt tryk i cellen. Ved forstyrrelse heraf dør cellen på grund af ujævn vandstrøm.

• Membranlipider regulerer membranernes fluiditet. Hos hvirvelløse dyr afhænger denne parameter af mættetheden af fedtsyre­radikaler, hos hvirveldyr af kolesterol. Derudover kan mange membranproteiner kun fungere i et specifikt proteinmiljø. Fluiditetsparameteren afhænger af mange ydre betingelser, f.eks. temperatur og tryk: ved øget tryk og lavere temperatur bliver membranen stivere; ved lavere tryk og højere temperatur øges fluiditeten. Fluiditet påvirker næsten alle processer i cellen, da den bestemmer transporten af stoffer ind i og ud af cellen, opretholdelse af hvilepotentialet og osmisk tryk. Forstyrrelse i nerveceller kan føre til irreversible konsekvenser, da nerveimpulsledning bliver umulig.

• Ændring af membranernes fluiditet kan anvendes medicinsk. Lokalanæstetika og generelle anæstetika anvendes herved. Lokalanæstetika som novokain, lidokain, anestesin er store hydrofobe molekyler, der kan integrere i bilipidlaget ligesom kolesterol. Disse stoffer sænker fluiditeten og dermed nedsætter impulsledningen, hvilket medfører smertelindring. Generelle anæstetika (f.eks. chloroethen) øger membranernes fluiditet og hæmmer ledning af nerveimpulser, hvilket fører til anæstesie. Virkningen af generelle anæstetika afsluttes hurtigere under forhøjet tryk, hvilket ofte benyttes ved genopvågning i trykkammer (hyperbar kammer). Inertgasser som helium integreres let i membranen. Dykning på stor dybde udsættes for højt tryk, og derfor leveres åndingsblandingen under højt tryk, hvilket mindsker membranfluiditeten. For at modvirke dette kan inertgasser tilsættes åndingsblandingen. Ved abrupt opstigning begynder inertgasser at strømme kraftigt ind i blod og væv; dette fører til tryksyge (kælosyge) med muskelsmerter og forstyrrelse i nervesystemet. For at undgå dette placeres dykkere i trykkammer og trykket sænkes gradvist for at simulere opstigning fra dybde. Membran­fluiditet påvirker membranproteiner; mange enzymer og transportører kan kun fungere med bestemte lipider. For eksempel kan natrium-kaliumpumpen kun fungere i samspil med kolesterol og fosfatidylserin.

Membranproteiner.

1. Modellen “sandwich”
   Denne model forklarede ikke glukose-, aminosyre- eller iontransport, og den forklarede ikke membranens receptoriske funktion, og derfor blev den efterfulgt af en ny model.

2. Lipoprotein-måtte modellen
   Denne model forklarede funktionerne af biologiske membraner og membranproteiner. Ifølge denne teori burde proteiner dominere i membranen. I dag antages det, at mitokondriemembranen er opbygget på denne måde, hvor proteiner udgør ca. 70 % og lipider 30 %.

3. Fluid-mosaikmodellen
   Foreslået efter anvendelse af fryse‑brudmetoden, som viste, at proteiner i bilipidlaget er arrangeret som en mosaik.
   I fluid-mosaikmodellen skelnes tre typer proteiner:

• Integrale proteiner: de trænger igennem bilipidlaget

• Halv‑integrale proteiner: de er nedsænket i bilipidlaget

• Perifere proteiner: de kan interagere med det hydrofile lag af membranlipidernes hoveder

Proteinets position i bilipidlaget afhænger af karakteren af dets domæner. For biologiske membraner er der bestemt bevægelighed af proteiner, som muliggøres af membranernes fluiditet. Proteiner kan bevæge sig lateralt, de kan hæves og sænkes i membranen, men de kan ikke udføre “flip‑flop” skift. Proteinbevægelse skaber asymmetri i membranen med hensyn til proteinmolekyler, hvilket betyder, at man kan danne funktionelle komplekser, som kan dannes og senere opløses ved proteinbevægelse. Dog er proteinbevægelse delvist begrænset af cellens submembrane system.

Svar på spørgsmål.

1. Hvordan kan ændring af membranernes fluiditet anvendes medicinsk?

2. Nævn proteintyperne.

3. Hvilke funktioner udfører bilipidlaget?

Forelæsning 3. Struktur af P.A.K.
PAK er cellens submembransystem, hvor man kan skelne: den ydre membran eller plasmalemma, den indre membran eller glykokalyks, submembranøst støtte‑kontraktivt apparat.

PLASMALEMMA.
Optager den centrale del af PAK, og er bygget efter den typiske fluid-mosaikmodel.

GLYKOKALYKS.
Består hovedsageligt af kulhydratkomponenter: polysaccharider, oligosaccharider, glycoproteiner, glykolipider samt de ydre domæner af integrale, halv-integrale og perifere proteiner. Glykokalyksen udfører markørfunktioner, individualiseringsfunktioner og kan deltage i dannelse af cellekontakter; som derivat af glykokalyksen dannes plantecellernes cellevæg samt bindevævsproteiner som kollagen og elastin. Glykokalyksen kan også have enzymfunktion; et eksempel er hydrolase indlejret i glykokalyksen, som deltager i processer for kantnær fordøjelse.

S.O.S.A.
S.O.S.A. omfatter:

• perifer hyaloplazma

• proteiner i støtte-kontraktivt system

• perifer hyaloplazma adskiller sig fra hoveddelen ved koncentration af enzymkomplekser

Her findes proteiner og enzymer, der fremmer transport gennem membranen; her lokaliseres adenylatcyklase, som indgår i receptoriske systemer med sekundære budbringere; der lokaliseres glykolyse‑enzymer. Desuden findes sekretoriske granuler, som kan udskilles fra cellen efter signal.

Støtte-kontraktivt systemets proteiner omfatter:

• tynde fibriller

• mikro­fibriller

• skeletfibriller

• mikrotubuli

Tynde fibriller.
Den primære struktur og funktioner er ukendte. Det er dog fundet, at tynde filamenter kan opdele cellen i funktionelle rum eller kompartmenter. Tynde fibriller kan bære enzymkomplekser og forskellige organeller (ribosomer, mitokondrier).

Mikrofibriller.

Myosinhovederne har ATPase-aktivitet, hvilket betyder, at ved spaltning af ATP ændrer hovedet konformation. ATP-spaltningen sker i flere trin, og konformationsændringer kan fremkalde bevægelse i leddet. Hvis myosinmolekylet er bundet med hovedet til aktin, vil hovedets bevægelse forårsage bevægelse af myosin langs aktin. Myosinhovedet indeholder et ATP-bindingssted og flere bindingssteder for aktinfilamenter. I ATP-bundet tilstand har hovedet lav affinitet for F‑aktin. ATP-hydrolyse fører til ADP + Pi i ATPase-centret og ændrer hovedets konformation, så det kan binde til aktin. Dette fører til yderligere konformationsændringer, hvor ADP og Pi frigives fra ATPase-centret. I dette øjeblik sker en forskydning af myosinhovedet i forhold til dets hale, og hovedet bevæger sig langs F‑aktin.

Patologier.
Der er opdaget kemiske stoffer, der kan påvirke polymerisering af mikrofibriller, fx metabolitter af visse svampe — cytochalasiner kan binde til G‑aktin. Et sådant kompleks binder til enden af mikrofibrillen og hindrer dens polymerisering, hvilket fører til mikrofibrillernes ødelæggelse. Toksinet fra fluesvamp (phalloidin) interagerer direkte med F‑aktin og forårsager dets superstabilisering. I dette tilfælde mister F‑aktin evnen til intracellulære omstruktureringer. Der findes arvelige patologier forårsaget af defekter i aktinbindende proteiner; et sådant eksempel er Duchennes muskeldystrofi. Årsagen er en genetisk defekt på X-kromosomet, derfor rammes især drenge. Dette medfører muskel svaghed, og mellem 8 og 13 år mister de evnen til at gå og dør af respirationsstop.

Skeletfibriller.

Mikrotubuli.
Er hule proteinstrukturer med diameter 22–25 nm og vægtykkelse ca. 6 nm.
Mikrotubuli består af proteinerne tubuliner. Ofte er assosiative proteiner (MAP‑proteiner) bundet til mikrotubuli.
I cellen findes tre typer tubulin: α, β og γ, hvor α og β udgør ca. 99 %. γ-tubulin findes ikke i mikrotubuli, men i cellecentret og danner MTOC. Det antages, at γ-tubulin initierer mikrotubulær samling. Tubuliner er GTP-bindende proteiner, så i nærvær af GTP og Mg²⁺ aktiveres α- og β-tubulin og danner stabile heterodimerer. I MTOC’er begynder heterodimererne at samles ved tilstedeværelse af GTP og magnesium og interagerer til protofibriller. Der dannes en tubulinmåtte, som kan vokse i længde og ikke bredere end 13 protofibriller. Kantene sammenklæbes og danner et hult rør. Man skelner mellem + og – ender; ved + enden dominerer polymerisering, og ved – enden dominerer depolymerisering. Denne dynamik (samling og nedbrydning) reguleres af specifikke proteiner, og normalt dominerer samling. Processen afhænger af koncentrationen af forskellige substanser, fx calciumioner. Ved høj calciumkoncentration aktiveres depolymerisering. Det antages i dag, at calciumkoncentrationen i cellen er en nøgleregulator for mikrotubulær omstrukturering. Alkohol og plantealkaloidet kolchicin medfører nedbrydning af mikrotubuli.

• Kinesiner

• Dyneiner

• Dynaminer
  Kinesiner bevæger sig kun fra − mod + ende og sikrer transport fra celles centrum mod PAK, kaldet anterograd transport. Translokatoren bevæger sig langs mikrotubuli ved konformationsændringer i hovedet, mens skæftet er bundet til en ikke-membranøs vesikel med stoffet.
  Dette transporttype anvendes til at transportere mediatorer i neuroner og pigmenter i pigmentceller.
  Dyneiner deltager i dannelse af tubulin-dynein systemet, som udfører retrograd transport. Derudover deltager dyneiner i dannelsen af cellers motile strukturer: cilier og flageller.
  Dynaminer har GTPase-aktivitet og understøtter retrograd transport. Dynaminernes funktioner er mindre kendte.
  Den vigtigste funktion af tubulin-translokatorsystemet er at forme cellens motordrevne systemer, som hos alle eukaryoter er bygget efter en fælles skabelon.
  Der findes arvelige patologier forbundet med tubulinstrukturforstyrrelser; de er næsten inkompatible med liv. Men der findes patologi i tubulin-dynein systemet vedrørende direkte cilier og flageller. Struktur af ciliefodret epitel, der beklæder nasopharynx, luftveje og mellemøre, forstyrres, hvilket medfører kronisk bronkitis og otitis. Mænd med immobile ciliesyndrom er ofte sterile.
  

  Alle komponenter i SOSA karakteriseres ved strukturel enhed; filamentære proteiner kan interagere indbyrdes. Fx kan mikro­fibriller bundtes i bundter, som interagerer med mikrotubuli og skeletfibriller. Alle SOSA-komponenter kan interagere med integrale proteiner i plasmalemma, og plasmalemma er strukturelt bundet til glykokalyksen; derfor er PAK karakteriseret ved strukturel enhed.

Opgaver.

1. Hvad er SOSA?

2. I dannelsen af hvilke strukturer deltager ACS?

Svar sendes til e-mail:
[email protected]