Cellebiologi, anatomi, fysiologi

vegard bruun wyller

friskogsyk.no

Med E-nøkkel til læringsressurs

2Cellenfriskogsyk.no

«Vi har sett at alle ordnede legemer er bygd opp av sammenliknbare enheter, nemlig celler, og at disse cellene blir dannet og vokser i samsvar med sammenliknbare lover. […] Dersom vi viser at noen av disse enhetene kan skille seg fra organismen og vokse på egen hånd, kan vi konkludere med at hver av de andre enhetene – hver celle – er i besittelse av energi, slik at de kan ta opp nye molekyler og vokse. […] Vi må tilskrive alle celler en selvstendig evne til liv. […] Årsaken til vekst ligger ikke i organismen som helhet, men i de enkelte delene – cellene. At noen celler ikke kan vokse når de skilles fra et ordnet legeme, er en svak innvending mot denne teorien; en bie har selvstendig evne til liv selv om den ikke klarer seg lenge dersom den holdes atskilt fra svermen.»Theodor Schwann (1810–1882), tysk fysiolog og en av grunnleggerne av moderne cellebiologi.

Fritt oversatt fra engelsk.

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 33 20.03.14 09:44

34  Kapittel 2

De fleste har hørt ordet celle, men hva er den presise betydningen? Cellen er den grunnleggende byggesteinen i enhver levende organisme. Alt som lever, består av celler – vi kan si at cellen er den minste levende enhet. Mange planter og dyr, deri­blant mennesker, er bygd opp av millioner av celler, men det finnes også en rekke organismer som består av bare én enkelt celle (for eksempel bakterier). En forståelse av både det friske og det syke mennesket forutsetter grunnleggende kunnskaper i cellebiologi. All bruk av legemidler innebærer for eksempel en påvirkning av ulike celler.

Theodor Schwanns teorier om cellenes funksjoner, som ble fremsatt på midten av 1800­tallet, er langt på vei gyldige fremdeles: Hver celle tar opp molekyler (det vil si kjemiske forbindelser) fra omgivelsene, som dels brukes som bygningsmaterialer slik at cellen kan vokse og dele seg (se 2.2), og dels brukes som energikilde (se 2.3). Disse grunnleggende prosessene påvirker kroppen som helhet: Veksten i barne­årene skyldes for eksempel at kroppen får et stadig høyere antall celler, kombinert med at hver enkelt celle blir større. De fleste sykdommer kan dessuten forklares av forstyrrelser i cellefunksjonen. Når kroppen er syk, er det altså fordi cellene er syke. Døden innebærer at alle cellene i kroppen blir varig ødelagt.

Våre tallrike celler lever imidlertid ikke isolerte liv, men påvirker hverandre og samarbeider til organismens beste. Det finnes blant annet en uttalt «oppgavefor­deling» der ulike celler ivaretar bestemte spesialfunksjoner, på samme måte som arbeiderne, dronene og dronningen har ulike roller i en bikube (se 2.5). Samtidig har alle celler behov for et stabilt tilpasset indre og ytre miljø, og de kan selv bidra til å regulere dette miljøet (se 2.4).

Før vi kan omtale cellens funksjoner i detalj, må vi imidlertid vite hvordan cellen er bygd opp. Det er tema for neste hovedavsnitt.

2.1 Cellens bygning

Hans og Ragnhild Pedersen er begge 36 år gamle. De har vært gift i 11 år og har hele tiden ønsket seg barn, men Ragnhild har ikke blitt gravid til tross for gjentatte anstrengelser og bruk av alle slags «kjerringråd», fra urter til månefaser. Ekteparet opplever situasjonen som trist og frustrerende og ser med misunnelse på venner som får både to og tre barn.

De siste par årene har de begynt å diskutere adopsjon; det er jo nok barn i verden som trenger et trygt og godt hjem. Likevel nøler de. Begge har innerst inne et sterkt ønske om et «eget» barn, et barn som har deres arveegenskaper. De oppsøker derfor nærmeste gynekologiske poliklinikk, der du arbeider, for å høre om helsevesenet har noen løsning på problemet.

Ekteparet Pedersen gjennomgår en utredning som konkluderer med et tilbud om assistert befruktning («prøverørsbefruktning»). Legen som har vært ansvarlig for utredningen, har ikke tid til noen grundig samtale, men forteller kort at «vi tar ut en eggcelle fra moren og lar den smelte sammen med en sædcelle fra faren i et reagens-glass, og etter noen celledelinger tilbakeføres fosteret til morens livmor».

Samtalen gjør ikke ekteparet noe klokere, tvert imot. Forvirret og litt fortvilet spør de deg hva «disse prøverørsgreiene» egentlig går ut på. Hva er en celle? Hva er celle-deling? Har det noe med gener å gjøre? Er det det samme som kloning? Ragnhild Pedersen er nesten på gråten; hun har lest mange skremmende reportasjer i avisen om «fikling med arvestoffet», og noe slikt vil hun ikke være med på.

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 34 20.03.14 09:44

Cellen 35

2.1.1 Oversikt over cellens ulike delerCeller minner om avanserte labyrinterCeller er for små til at vi kan se dem uten å bruke mikroskop. I figur 2.1 ser du to fotografier av celler, tatt gjennom et spesielt kraftig mikroskop (elektronmikro­skop). Vi legger merke til en rekke fremmedartede strukturer; det hele kan minne om en slags avansert labyrint. Hvis du hadde kunnet studere Ragnhild Pedersens eggcelle i samme mikroskop, ville den også sett omtrent slik ut. Figur 2.1 Cellen.

a Skjematisk tegning av en celle med de viktigste organellene. Golgiapparatet, som her er farget lilla, fungerer som en «distribusjonssentral» for cellens proteiner, noe vi ikke kommer nærmere inn på.b Elektronmikroskopisk foto av en celle (hvit blodcelle), tatt med en teknikk som fremstiller overflaten. De fingerliknende utposningene, som er karakteristisk for akkurat denne celletypen, oppstår fordi celleskjelettet spiler ut cellemembranen. Forstørrelsen er ca. 10 000 ganger.c Elektronmikroskopisk foto av en celle, tatt med en teknikk som fremstiller cellens indre. Cellekjernen, mitokondrier og endoplasmatisk retikulum er lett å få øye på; andre organeller er vanskeligere å identifisere.

Endoplasmatisk retikulum

Cellekjernen Lysosom

Ribosomer

Mitokondrium

Golgiapparatet

Cytosol

Cellemembranen

Celleskjelettet

Cellemembranen

MitokondriumCellekjernen

Cellemembranen

Endoplasmatisk retikulum

Figur 2.1 Cellen.a Skjematisk tegning av en celle med de viktigste organellene. Golgiapparatet, som her er farget lilla, fungerer som en «distribusjonssentral» for cellens proteiner, noe vi ikke kommer nærmere inn på.b Elektronmikroskopisk foto av en celle (hvit blodcelle), tatt med en teknikk som fremstiller overflaten. De fingerliknende utposningene, som er karakteristisk for akkurat denne celletypen, oppstår fordi celleskjelettet spiler ut cellemembranen. Forstørrelsen er ca. 10 000 ganger.c Elektronmikroskopisk foto av en celle, tatt med en teknikk som fremstiller cellens indre. Cellekjernen, mitokondrier og endoplasmatisk retikulum er lett å få øye på; andre organeller er vanskeligere å identifisere.

a b

c

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 35 20.03.14 09:44

36  Kapittel 2

Cellemembranen er en flytende hinne som spiles ut av celleskjelettetFigur 2.1 inneholder også en skjematisk tegning av en celle, der vi bare har tatt med de viktigste strukturene. Cellen er omgitt av en hinne, cellemembranen (plasma­membranen), som representerer «veggen» mot omverdenen. Cellemembranen er ikke stiv, men nærmest flytende, og kan best sammenliknes med hinnen i en såpeboble.

Innenfor cellemembranen finner vi en seig væske med konsistens som gelatin med forskjellige partikler i. Denne væsken kalles cytosol. På kryss og tvers i cytosol finner vi et slags reisverk eller rammeverk, celleskjelettet (cytoskjelettet), som også er festet til membranen (tenk på spilene i et telt). Det er dette reisverket som gir cellen mekanisk styrke og en bestemt form. Nerveceller er lange og tynne, mens leverceller er kubiske, noe som skyldes at celleskjelettet spiler ut cellemembranen på ulike måter i disse to celletypene.

Cellekjernen inneholder arvestoffet, mens ribosomene og det endoplasmatiske retikulum er cellens produksjonsapparatFlere forskjellige strukturer flyter fritt i cytosol. De kalles organeller. Den største organellen er cellekjernen, som utgjør et eget «rom i rommet», og som er avgren­set til cytosol med to lag av en membran som ellers er lik cellemembranen. Med jevne mellomrom finnes åpninger eller porer i kjernemembranen, som gjør at store molekyler kan bevege seg lett mellom kjernen og cytosol. Inne i cellekjernen ligger cellens arvestoff, DNA­molekylet. Gener, som Ragnhild Pedersen er spesielt opptatt av, er spesielle områder på DNA, noe vi kommer nærmere inn på i neste hovedavsnitt.

Fra membranen rundt cellekjernen strekker det seg tynne, forgrenede rør som til sammen danner det endoplasmatiske retikulum (retikulum betyr nettverk). Veg­gen i disse rørene er også dannet av membraner av samme type som cellemem­branen.

Ribosomene er små, runde strukturer som finnes både i nær tilknytning til det endoplasmatiske retikulum og fritt i cytosol. Ribosomene og det endoplasmatiske retikulum utgjør de viktigste delene av cellens «produksjonsapparat», som konti­nuerlig forsyner cellen med «byggesteiner» for vedlikehold, vekst og deling.

Cellens energiomsetning foregår i mitokondrieneMitokondriene er cellens energiprodusenter og finnes spredt rundt i cytosol. De fun­gerer altså som cellens kraftstasjoner (se 2.3). Lysosomene, som også ligger spredt, ivaretar nedbrytning av avfallsstoffer. De kan betraktes som cellens renovasjons­anlegg (se 2.4). Både mitokondriene og lysosomene er avgrenset med en membran som tilsvarer cellemembranen.

Cellene i menneskekroppen har væske både rundt seg og inne i segMange enkle organismer lever i vann, slik at cellene alltid er omgitt av væske. Det samme er tilfellet hos mennesket; cellene har altså væske både rundt seg og inne i seg. Ofte bruker vi betegnelsen intracellulærvæske om cytosol, og ekstracellulær-væske om væsken som omgir cellene. Cellemembranen danner skillet mellom og bidrar til å regulere sammensetningen av den ekstracellulære og den intracellulære væsken.

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 36 20.03.14 09:44

Cellen 37

Cellens ulike deler - oversikt

Navn Funksjon – stikkord

Cellemembranen Skiller mellom intracellulærvæsken/cytosol og ekstracellulær-væsken.Regulerer sammensetningen av intracellulærvæsken/cytosol og ekstracellulærvæsken.

Celleskjelettet Gir cellen en bestemt form.Gir cellen mekanisk styrke.

Cellekjernen Inneholder cellens arvestoff – DNA-molekylet.

Endoplasmatisk retikulum Bidrar til produksjon av cellens byggesteiner.

Ribosomer Bidrar til produksjon av cellens byggesteiner.

Mitokondrier Hovedansvarlige for energiomsetningen i cellen.

Lysosomene Hovedansvarlige for nedbrytning av avfallsstoff i cellen.

2.1.2 Cellens plass i kroppens rangordnede oppbygningCellen er bygd opp av makromolekylerMenneskekroppen er oppbygd på en måte som kan beskrives som rangordnet eller hierarkisk. Cellene er i «midten» av dette hierarkiet (figur 2.2). På trinnet nedenfor finner vi makromolekylene: komplekse kjemiske forbindelser som er byggesteiner for alle strukturene i cellen. Makromolekylene er selv bygd opp av mindre mole­kyler, som i sin tur består av atomer bundet sammen på bestemte måter.

Et vev er en ansamling av differensierte cellerCeller kan spesialisere seg i ulike retninger for å ivareta ulike kroppsfunksjoner. Denne spesialiseringen kalles differensiering. Vi snakker for eksempel om nerve­celler og leverceller. Levercellene utgjør de minste levende enhetene i leveren, og leverens funksjon henger sammen med at levercellene er spesialisert for bestemte oppgaver. Nervecellene utgjør byggesteinene i hjernen, ryggmargen og resten av nervesystemet. Også eggceller og sædceller – som ekteparet Pedersen er spesielt opptatt av – er undergrupper av celler med helt bestemte funksjoner.

I en bygning er det ikke alltid de ulike bygningsmaterialene som er viktigst, men de strukturene vi kan bygge opp ved å sette sammen bygningsmaterialene på bestemte måter. Vil vi bygge en murvegg, må vi for eksempel stable murstein oppå hverandre i et bestemt mønster. Det er summen av alle mursteinene som gjør veggen tett og gir den en funksjon. På tilsvarende måte kan vi betrakte kroppen. Tarmens innside og hudens utside er for eksempel kledd av celler som danner sammenhengende «tepper» og der­med fungerer som barrierer. En slik struktur – sammensatt av like, ensartede celler – kaller vi vev. «Teppene» av celler som kler tarmens innside og hudens utside, kalles med et fellesnavn epitelvev. Alt epitelvev består av tett tilheftede celler som kler en overflate og skaper en barriere mot omgivelsene, omtrent som en yttervegg av murstein i et hus.

En høy mursteinsvegg må støttes av bjelker og betong for ikke å falle sammen. Tilsvarende er alt epitelvev i kroppen støttet opp og forankret i andre strukturer ved hjelp av bindevev. De spesialiserte cellene i dette vevet, fibroblastene, produserer lange, trådformede molekyler med høy mekanisk styrke som skilles ut til ekstra­cellulærvæsken. I bindevev har disse ekstracellulære strukturene større betydning for vevets egenskaper enn cellene selv.

Vi omtaler ulike typer av vev nærmere i kapittel 3.

Figur 2.2 Kroppens hierarkiske oppbygning.I dette kapittelet skal vi særlig fokusere på hvordan ulike molekyler kan settes sammen til makromolekyler, som igjen utgjør byggesteinene for cellene. I neste kapittel ser vi nærmere på hvordan celler går sammen og danner vev, mens resten av FRISK behandler de ulike organene og organsystemene.

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 37 20.03.14 09:44

38  Kapittel 2

Atom (karbon (C))Molekyl (fettsyre)

Makromolekyl (lipid)

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

HH

H

C

H

CO

O

Celle

Vev (sylinderepitel)

Organ (tarmen)

Organsystem (fordøyelsesorganene)

Organisme (mennesket)

Figur 2.2 Kroppens hierarkiske oppbygning.I dette kapittelet skal vi særlig fokusere på hvordan ulike molekyler kan settes sammen til makromolekyler, som igjen utgjør byggesteinene for cellene. I neste kapittel ser vi nærmere på hvordan celler går sammen og danner vev, mens resten av FRISK behandler de ulike organene og organsystemene.

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 38 20.03.14 09:44

Cellen 39

Vev bygger opp organer som i sin tur etablerer organsystemerEt organ består av forskjellige typer av vev. Tarmen er for eksempel bygd opp av både epitelvev (innerst mot tarminnholdet), bindevev og annet vev, som til sammen danner et organ med en bestemt funksjon. Igjen kan vi bruke eksempelet med hus­veggen: For at en vegg skal ha den funksjonen vi ønsker, er den satt sammen både av murstein (som gjør den vindtett), sement eller reisverk (som gjør den stødig) og andre strukturer (for eksempel isolasjonsmatter, som hindrer varmetap).

Et organsystem er en samling organer med samme funksjonelle oppgave. For­døyelsessystemet består av leveren, spiserøret, magesekken, tarmen, galleveiene og bukspyttkjertelen. Fordøyelsessystemets funksjon består i å ta opp og omsette næringsstoffer fra maten, og i denne prosessen samvirker alle disse organene.

En organisme består av en samling organsystemer, som til sammen ivaretar alle de funksjoner som er nødvendige for å opprettholde livet. Alle levende skapninger er altså organismer; flere organismer utgjør et samfunn.

Noen organismer består av bare én eller noen få celler og mangler vev, orga­ner og organsystemer. De funksjonene som er nødvendige for å opprettholde livet, ivaretas da av den ene eller de få cellene. Disse organismene kalles laverestående, mens større og mer komplisert bygde planter og dyr – mennesket inkludert – kalles høyerestående.

2.2 Cellevekst og celledeling

«Hvor kommer jeg inn i bildet,» spør Hans Pedersen etter at du har forklart grundig hva en celle er, og hvordan den er bygd opp. «Legen nevnte noe om at befruktningen finner sted i et reagensglass. Men fremdeles må det vel to til for å lage et barn?»

«Du har vist oss hvordan en celle ser ut,» supplerer Ragnhild, «men det forklarer ingen ting i seg selv. Hvordan denne merkelige mikroskopiske labyrinten av en celle kan utvikle seg til et menneske, er mer enn jeg kan fatte.»

Hans Pedersen har rett i at han – eller mer presist en sædcelle fra ham – er nødven­dig for å danne et foster. Betingelsen for at Ragnhild skal bli gravid, er at en eggcelle fra henne smelter sammen med en sædcelle fra Hans. Denne prosessen, som kalles befruktning, gir opphav til én ny celle, en zygote, som er det biologiske utgangspunk­tet for en ny organisme. I befruktningsøyeblikket skapes altså kimen til et nytt liv.

For Hans og Ragnhild Pedersens vedkommende skjer befruktningen i et rea­gensglass («prøverør»), altså utenfor kvinnens kropp. Vanligvis skjer befruktningen i kvinnens indre kjønnsorganer i etterkant av et samleie. Resultatet er imidlertid det samme. Når en eggcelle og en sædcelle smelter sammen til en zygote, likegyldig hvor det skjer, skapes en celle som vil utvikle seg til et menneske hvis den gis et miljø som gjør videre vekst og utvikling mulig. Dette miljøet finnes bare i kvinnens livmor, og prøverørsteknikken forutsetter derfor at fosteret blir plassert i livmoren etter kort tid.

Zygoten inneholder arvestoff (DNA) som dels stammer fra Ragnhild, via eggcel­len, og dels fra Hans, via sædcellen. Fosteret får derfor arvelige egenskaper både fra moren og faren. Detaljene omkring arv kommer vi tilbake til i kapittel 4. Der skal vi også diskutere de bestemte egenskapene ved eggcellen og sædcellen som gjør det mulig for dem i fellesskap å danne en zygote. Andre celler i kroppen vår har ikke disse egenskapene.

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 39 20.03.14 09:44

40  Kapittel 2

Utfordringen i dette kapittelet blir å svare på Ragnhilds spørsmål: Hvordan kan zygoten vokse? Hvordan kan den dele seg? Zygoten er en spesiell celle, men de problemstillingene Ragnhild reiser, gjelder generelt. Alle celler må vedlikeholde seg selv, og de fleste må også kunne vokse og dele seg. I det følgende skal vi derfor bruke zygoten som eksempel på oppgaver som må ivaretas av samtlige celler i men­neskekroppen, og også av alle andre dyre­ og planteceller.

2.2.1 Næringsstoffer og produksjon av makromolekylerKjemiske reaksjoner i cellen omdanner enkle molekyler til kompliserte makromolekylerFigur 2.2 antyder hvordan cellen er bygd opp av makromolekyler, som igjen er bygd opp av molekyler og atomer. Av dette kan vi trekke to slutninger:

• Cellen må ha en stabil tilførsel av små byggesteiner (molekyler og atomer) fra omgivelsene.

• Cellen må disponere et «produksjonsapparat» som kan bruke disse byggestei­nene til å lage de nødvendige makromolekylene, som i sin tur settes sammen til organeller og andre cellestrukturer.

Cellen kan altså sammenliknes med en liten fabrikk: Den tar opp «råvarer» fra ut siden, produserer ulike former for «byggematerialer» av disse «råvarene», og bruker deretter byggematerialene til å fremstille kompliserte cellulære strukturer. Denne prosessen kalles anabolisme.

En viss produksjon trengs for rent vedlikehold av de strukturene som allerede finnes i cellen, blant annet fordi makromolekylene har begrenset holdbarhet. Men den zygoten som skal bli til Pedersen junior, har et produksjonsbehov av en helt annen størrelsesorden. Etter kort tid skal nemlig zygoten gi opphav til to dattercel­ler; disse to cellene skal dele seg og bli til fire celler, som igjen skal dele seg og bli til åtte celler, osv. Celledelingshastigheten synker med alderen. Men også hos et fullt utvokst individ foregår det celledeling i de fleste organer og vev, som erstatning for celler som av en eller annen grunn er gått til grunne.

«Råvarene» som cellen tar opp fra utsiden, kaller vi næringsstoffer. Produksjonen eller syntesen av makromolekyler skjer ved at næringsstoffene inngår i tallrike kje-miske reaksjoner. Cellen styrer og kontrollerer disse reaksjonene.

Hovedgruppene av næringsstoffer er sukker, fettsyrer, aminosyrer og nukleotiderMolekyler kan beskrives ved hjelp av strukturformler som angir hvordan atomene er bundet til hverandre. De viktigste næringsstoffene har en relativt enkel struktur. Hvert molekyl er bygd opp av et lite antall atomer. Dessuten er det med få unntak bare fem forskjellige atomer som inngår i molekylstrukturen, nemlig karbon (C), hydrogen (H), oksygen (O), nitrogen (N) og fosfor (P).

Vi deler næringsstoffene i fire hovedgrupper (figur 2.3):

• Sukker. Det finnes forskjellige sukkerarter, som alle består av en ring av karbonatomer. Til hvert karbonatom (C) er det bundet hydrogenatomer (H) og oksygenatomer (O) i et bestemt mønster. Den mest kjente sukkerarten er glukose (druesukker), og her er karbonringen bygd opp av seks karbonatomer.

@ FRISK figur F2.1

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 40 20.03.14 09:44

Cellen 41

• Fettsyrer. Fettsyrene består av lange kjeder med varierende antall karbon­atomer (C), som igjen er bundet til hydrogenatomer (H). Umettede fettsyrer har en dobbeltbinding mellom to karbonatomer. Dersom det foreligger flere slike dobbeltbindinger, snakker vi om flerumettede fettsyrer.

• Aminosyrer. Det finnes 20 forskjellige aminosyrer. Selv om de har ganske forskjellig struktur, inneholder alle aminosyrer nitrogenatomer (N). Nitrogen­atomer finnes ikke i sukker­ og fettsyremolekyler.

• Nukleotider. Det finnes fem forskjellige nukleotider. De har den mest kom­plekse strukturen av næringsstoffene, og består av en ringstruktur som inneholder nitrogen (N), én eller flere fosfatenheter som inneholder fosfor (P), og en sukkerliknende forbindelse. Den nitrogenholdige ringstrukturen kalles nukleotidens «nitrogenbase».

Innen hver hovedgruppe av næringsstoffer er det variasjon i strukturen til de enkelte molekyleneGrunnstrukturen for byggesteinene i cellene er altså relativt enkel. Innenfor hver av de fire hovedgruppene, særlig sukker og fettsyrer, finnes det imidlertid et utall for­skjellige molekyler, som alle er variasjoner over samme tema. Disse kan igjen rea­gere med hverandre og danne utallige ulike kombinasjoner. Det foregår til enhver tid tusenvis av kjemiske reaksjoner i en celle, og de ulike makromolekylene som dannes, er nærmest ubegrenset i antall.

Figur 2.3 I dette læreverket har de fire hovedgruppene av næringsstoffer fått hvert sitt symbol, som vist til venstre på figuren. Til høyre viser vi eksempler på molekyler innenfor hver hovedgruppe – glukose, palmitinsyre, glycin og cytidinmonofosfat.

@ FRISK fordypning F2.1

Fettsyre (palmitinsyre)

Aminosyre (glycin)

Nukleotid (cytidinmonofosfat)

HH

H

H

HH

HOCC

C

C C

C

HO

HOOH

OH

OH

HCH

HHCH

HCH

HCH

HCH

HCH

HCH

HCH

HCH

HCH

HCH

HCH

HCH

HCH

HCH

CO

OH

HCH

N C

OP

OHHO O

HC

C

H H

C

C C

H N N

O

OH

H

H

CC H

CH

OH

H

COH HH

O

OH

N

Sukker (glukose)

FosfatSukker

Nitrogenbase

Figur 2.3 I dette læreverket har de fire hovedgruppene av næringsstoffer fått hvert sitt symbol, som vist til venstre på figuren. Til høyre viser vi eksempler på molekyler innenfor hver hovedgruppe – glukose, palmitinsyre, glycin og cytidinmonofosfat.

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 41 20.03.14 09:44

42  Kapittel 2

Næringsstoffene tas opp fra ekstracellulærvæskenNæringsstoffene finnes i den ekstracellulære væsken. De molekylene som skal bru­kes til anabolisme, må cellen transportere gjennom cellemembranen, slik at de kan komme i kontakt med det intracellulære produksjonsapparatet.

Ved assistert befruktning («prøverørsbefruktning») må laboratoriepersonellet sørge for at alle de nødvendige næringsstoffene er til stede i den væsken som zygo­ten oppbevares i. Hos et fullt utvokst individ kommer næringsstoffene fra maten; her er det fordøyelsesorganene (tarmkanalen, leveren, bukspyttkjertelen) og sir­kulasjonsorganene (blodet, årene, hjertet) som sørger for at den ekstracellulære væsken rundt hver celle blir tilført næringsstoffer. Planter tar opp næringsstoffer fra jordsmonnet (det er derfor vi gjødsler), mens mikroskopiske, encellede organismer, i likhet med zygoten, tar opp næringsstoffer direkte fra omgivelsene.

Cellen kan regulere innholdet av vann og ioner i ekstracellulærvæsken og intracellulærvæskenDen ekstracellulære og den intracellulære væsken består for det meste av alminne­lig vann. Både opptak av næringsstoffer gjennom cellemembranen og produksjo­nen av makromolekyler inne i cellen forutsetter at næringsstoffene er løst i vann. For cellen er det derfor viktig å kunne holde på vannet og å finregulere den intracel­lulære vannmengden.

Også forskjellige salter er løst i den intracellulære og den ekstracellulære væs­ken; forenklet kan vi si at cellene har saltvann både rundt seg og inne i seg. Et salt består av ioner, og et ion er et atom eller et molekyl med en elektrisk ladning. Når vanlig koksalt (NaCl) løses i vann, får vi en væske som inneholder natriumioner med positiv ladning (Na+) og kloridioner med negativ ladning (Cl­). Disse ionene finner vi både utenfor og inne i cellen, i tillegg til ioner av kalium (K+), kalsium (Ca2+), magnesium (Mg2+) og fosfat (PO4

3­). Konsentrasjonen av ioner er imidlertid forskjellig i den intracellulære og den ekstracellulære væsken, og dette er nøye regulert av cellen. Hvorfor det er slik, skal vi diskutere senere (se 2.4.2).

Kjemiske reaksjoner vil enten kreve eller frigi energiVi har slått fast at makromolekylene dannes ved at næringsstoffene inngår i kjemiske reaksjoner i cellene. Hva betyr egentlig det?

Ved en kjemisk reaksjon endres bindingsforholdet mellom atomene i de opprin­nelige molekylene. To molekyler kan for eksempel gå sammen og danne ett eller flere nye molekyler, eller et molekyl kan spaltes i flere mindre molekyler. I begge tilfeller blir atomene satt sammen på nye måter – noen bindinger blir brutt, andre bindinger blir dannet. Denne prosessen kan vi illustrere med en reaksjonslikning, der kjemiske form­ler angir molekylenes oppbygning før og etter at reaksjonen har funnet sted (figur 2.4).

For alle kjemiske reaksjoner gjelder følgende:

• Antall atomer er det samme før og etter reaksjonen. Atomer kan ikke forsvinne i en kjemisk reaksjon, de kan bare inngå andre bindinger med hverandre.

• Reaksjonen vil enten kreve eller frigi energi. Kjemiske reaksjoner som innebærer at større molekyler bygges opp av mindre byggesteiner (slik som anabolismen i cellen), er som oftest energikrevende reaksjoner. Energi må altså tilføres for at slike reaksjoner skal finne sted, og alle celler har derfor behov for en energi-kilde. Denne kilden omtaler vi nærmere i neste hovedavsnitt.

@ FRISK fordypning F2.2

@ FRISK fordypning F2.3

Figur 2.4 Kjemiske reaksjoner kan illustreres ved reaksjonslikninger. Her har vi vist et enkelt eksempel der to glukosemolekyler reagerer med hverandre slik at det dannes maltose (maltsukker) og vann.

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 42 20.03.14 09:44

Cellen 43

Enzymer og konsentrasjonen av næringsstoffene bestemmer hastigheten på kjemiske reaksjonerEn betingelse for at en kjemisk reaksjon skal finne sted, er at molekylene som skal reagere, kommer i berøring med hverandre. Hvor raskt reaksjonen foregår, avhen­ger av hvor lett det er for molekylene å oppnå slik kontakt. I cellen er to forhold av spesielt stor betydning (figur 2.5):

• Konsentrasjonen av næringsstoffene. Konsentrasjon er definert som mengden av et stoff per volumenhet. Høy konsentrasjon av næringsstoffer i cellen betyr altså at mange molekyler er samlet på lite volum, noe som selvsagt øker sjan­sen for at de skal komme i kontakt med hverandre.

• Tilstedeværelse av enzymer. En katalysator er et stoff som øker hastigheten i en kjemisk reaksjon uten selv å forbrukes. I biologiske systemer kalles katalysato­rer enzymer. Vi kan tenke oss at enzymene virker ved å «holde fast» de mole­kylene som skal reagere med hverandre. Dersom næringsstoffene ikke var blitt fiksert på denne måten, ville de flyte fritt rundt i cellen, og en kjemisk reaksjon ville bare finne sted dersom to molekyler tilfeldigvis støtte på hverandre.

Cellen bruker spesifikke enzymer til å regulere de kjemiske reaksjoneneDe kjemiske reaksjonene i cellen må kontinuerlig kontrolleres og reguleres, akkurat som en kjemisk fabrikk til enhver tid må ha styring med produksjonsprosessene. I cellen foregår det imidlertid tusenvis av reaksjoner samtidig, til forskjell fra den kjemiske fabrikken, som gjerne konsentrerer seg om noen få utvalgte.

Cellens systemer for kontroll og regulering er derfor svært avanserte, og tar utgangspunkt i at alle kjemiske reaksjoner i cellen er katalysert av hvert sitt enzym. Vi sier at enzymene er spesifikke. Denne egenskapen forklares av at hvert enzym har

Figur 2.5 Hastigheten på en kjemisk reaksjon avhenger av enzymer og av konsentrasjonen til de stoffene som skal reagere med hverandre, her symbolisert ved trekanter og kuler.a Konsentrasjonen av både trekanter og kuler er lav, og det er ingen enzymer til stede. Molekylene kommer derfor sjelden i berøring med hverandre, og det dannes få nye kjemiske forbindelser (markert med sirkel).b Konsentrasjonen av trekanter og kuler er høy. Dermed øker sjansen for kontakt mellom molekylene, slik at det raskt dannes nye, kjemiske forbindelser.c Her er konsentrasjonen av trekanter og kuler like lav som i a, men et enzym sørger for å bringe molekylene i berøring med hverandre. Dermed dannes det like mange nye, kjemiske forbindelser som i b.

Figur 2.4 Kjemiske reaksjoner kan illustreres ved reaksjonslikninger. Her har vi vist et enkelt eksempel der to glukosemolekyler reagerer med hverandre slik at det dannes maltose (maltsukker) og vann.

++Sukkermolekyl

(glukose)Sukkermolekyl

(glukose)

Disakkarid (maltose)

Vann

H

H

H

H

HH

HO

C

C

C

C C

C

HO

HOOH

OH

OH

H

H

H

H

HH

HO

C

C

C

C C

C

HO

HOOH

OH

OH

H

H

H

H

HH

HO

C

C

C

C C

C O

HO

HOOH

OH

H

H

H

H

HH

HO

C

C

C

C C

C

HO

OHOH

OH+ H2O+

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 43 20.03.14 09:44

44  Kapittel 2

Figur 2.5 Hastigheten på en kjemisk reaksjon avhenger av enzymer og av konsentrasjonen til de stoffene som skal reagere med hverandre, her symbolisert ved trekanter og kuler.a Konsentrasjonen av både trekanter og kuler er lav, og det er ingen enzymer til stede. Molekylene kommer derfor sjelden i berøring med hverandre, og det dannes få nye kjemiske forbindelser (markert med sirkel).b Konsentrasjonen av trekanter og kuler er høy. Dermed øker sjansen for kontakt mellom molekylene, slik at det raskt dannes nye, kjemiske forbindelser.c Her er konsentrasjonen av trekanter og kuler like lav som i a, men et enzym sørger for å bringe molekylene i berøring med hverandre. Dermed dannes det like mange nye, kjemiske forbindelser som i b.

a b c

EnzymMolekyler som skal reagere med hverandre

Ny kjemisk forbindelse

Figur 2.6 Enzymenes virkemåte. I virkeligheten er forholdene selvsagt mye mer kompliserte enn det en slik skjematisk tegning gir inntrykk av.a Et enzym har «groper» som passer akkurat til de molekylene som skal reagere med hverandre.b Når to forbindelser er bundet til hver sin «grop», kommer de i berøring med hverandre, og kan dermed inngå i en kjemisk reaksjon.c Den nye forbindelsen frigjøres fra enzymet, som dermed er klar til gjenbruk.

a

b

c

Ny kjemisk forbindelse

Molekyler som skal reagere med hverandre

Enzym

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 44 20.03.14 09:44

Cellen 45

en karakteristisk struktur, med «groper» som passer akkurat til de molekylene som skal reagere med hverandre (figur 2.6). Tenk på hvordan en lås hører sammen med en bestemt nøkkel: Bare de nøklene (molekylene) som passer i låsen (enzymet), får anledning til å reagere med hverandre.

Dersom cellen øker produksjonen av et bestemt enzym, går reaksjonen som dette enzymet katalyserer, raskere. Ved å senke produksjonen av et enzym kan cellen i stedet bremse en bestemt reaksjon. Mange enzymer har dessuten den egen­skapen at cellen kan slå dem «av» eller «på».

Enzymene regulerer altså de intracellulære kjemiske reaksjonene. Men hvor­dan regulerer cellene enzymproduksjonen? Dette spørsmålet kommer vi tilbake til nedenfor.

Hovedgruppene av makromolekyler er nukleinsyrer, proteiner, lipider og polysakkariderVi oppsummerer: Zygoten til ekteparet Pedersen er en komplisert kjemisk produk­sjonsfabrikk, der næringsstoffer fra utsiden inngår i utallige kjemiske reaksjoner, slik at det dannes kompliserte makromolekyler. Disse kan deles i fire hovedgrupper (figur 2.7):

• Nukleotidene lenkes sammen i lange kjeder til nukleinsyrer, som i sin tur utgjør cellens arvemateriale, inkludert DNA­molekylet i cellekjernen.

• Aminosyrene lenkes sammen i lange kjeder til proteiner (små proteiner kalles peptider). Proteinene har flere nøkkelfunksjoner:

– Alle enzymer er proteiner. Det er altså proteinene som gjør at cellen kan regulere de intracellulære kjemiske reaksjonene.

– Cellemembranen inneholder proteiner. Noen membranproteiner bidrar til opptak av næringsstoffer fra ekstracellulærvæsken, andre regulerer salt­ og vannmengden i intra­ og ekstracellulærvæsken. En tredje type av mem­branproteiner formidler signaler fra det ekstracellulære til det intracellu­lære rommet.

– Celleskjelettet er bygd opp av proteiner.– Proteiner som skilles ut av cellen, kan fungere som reisverk eller signalstoffer.

Noen proteiner er beregnet for den ekstracellulære væsken som omgir cel­len. Enkelte fungerer som «reisverk» på tilsvarende måte som det intracel­lulære celleskjelettet. Kollagen er et slikt protein, som blant annet bidrar til den store mekaniske styrken i sener og hinner. (En seig biff inneholder mye kollagen!) Andre utskilte proteiner kan fungere som signaler til andre celler og bidra til kommunikasjon mellom cellene.

• Fettsyrene kan forbindes ved hjelp av sukkerarter eller andre små molekyler, slik at de ligger som parallelle kjeder to eller tre sammen. Slike makromoleky­ler kalles lipider (fettstoffer) og inngår i alle cellers membranstrukturer, både selve cellemembranen og membranene som omgir ulike organeller (cellekjer­nen, endoplasmatisk retikulum, mitokondrier, lysosomer). Lipider er dessuten opplagsnæring for cellen.

• Sukkermolekyler lenkes sammen i lange kjeder til polysakkarider, som også utgjør opplagsnæring for cellen. Karbohydrater er et fellesnavn for både enkelt­stående sukkermolekyler og komplekse polysakkarider. Stivelse, som det blant annet finnes mye av i frukt, grønnsaker og kornprodukter, er eksempel på et polysakkarid.

@ FRISK fordypning F2.4Figur 2.6 Enzymenes virkemåte. I virkeligheten er forholdene selvsagt mye mer kompliserte enn det en slik skjematisk tegning gir inntrykk av.a Et enzym har «groper» som passer akkurat til de molekylene som skal reagere med hverandre.b Når to forbindelser er bundet til hver sin «grop», kommer de i berøring med hverandre, og kan dermed inngå i en kjemisk reaksjon.c Den nye forbindelsen frigjøres fra enzymet, som dermed er klar til gjenbruk.

Figur 2.7 De fire hovedgruppene av næringsstoffer gir opphav til hver sin hovedgruppe av makromolekyler. Nukleotider blir til nukleinsyrer, aminosyrer lenkes sammen til proteiner, fettsyrer danner lipider (for eksempel triglyserid, som vi har vist her), og sukker blir til polysakkarider.

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 45 20.03.14 09:44

46  Kapittel 2

I det følgende skal vi først omtale nukleinsyrene og proteinene mer inngående, i forbindelse med gjennomgangen av cellevekst og celledeling. Karbohydratene og lipidene kommer vi nærmere tilbake til senere i kapittelet.

2.2.2 DNA og proteinsyntesenAlle prosessene i cellen styres av det lange og tynne DNA-molekylet, som ligger kveilet opp i cellekjernenHvordan «vet» zygoten hvilke kjemiske reaksjoner som skal settes i gang, og hvilke som skal bremses? Hvordan «vet» den når den skal dele seg i to datterceller? Hvor­dan overføres denne «kunnskapen» fra zygoten til dattercellene, slik at de «vet» når det er tid for en ny deling? Hvorfor kommer Pedersen junior til å likne på sin mor og sin far?

Disse og tilsvarende spørsmål var gjenstand for intens forskning i første halvdel av 1900­tallet. Svaret ble funnet tidlig i 1950­årene: «Koden» eller «oppskriften» som styrer prosessene både i zygoten og i alle celler i kroppen, er knyttet til cellens DNA-molekyl. Det er også DNA­molekylet som er ansvarlig for overføring av arve­lige egenskaper fra foreldre til barn. James Watson og Francis Crick, som i 1953 beskrev hovedprinsippene for hvordan DNA­molekylet er bygd opp og fungerer, fikk senere nobelprisen for sin oppdagelse.

DNA er en forkortelse for det engelske «deoxyribonucleic acid» (på norsk: deok­syribonukleinsyre). Molekylet er svært langt (over en meter!) og svært tynt (en milliondels millimeter), og det ligger kveilet opp i cellekjernen omtrent som et fiskesnøre (figur 2.8).

DNA-molekylet minner om en stige der trinnene dannes av baseparDNA er sammensatt av nukleotider på en slik måte at molekylet minner om en vin­deltrapp eller en spiralformet stige (figur 2.8). Tenker vi oss stigen splittet på langs, midt på trinnene, ser vi at hver halvdel består av en nukleinsyre, altså en kjede av enkeltnukleotider bundet til hverandre i sukker­fosfat­enheten. Når to nukleinsyrer tvinnes om hverandre, oppstår en stigeliknende struktur, der sukker­fosfat­kjedene utgjør sidene i stigen, mens to og to nitrogenbaser går sammen i basepar og danner stigetrinnene.

De fire nitrogenbasene som inngår i DNA-molekylet, gir opphav til fire forskjellige baseparNukleotidene som inngår i DNA­molekylet, kan ha fire ulike nitrogenbaser: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) og tymin (T). Som følge av den kjemiske strukturen kan adenin utelukkende binde seg til tymin, mens cytosin hører sammen med guanin. Dermed er tallet på mulige basepar eller «stigetrinn» i DNA­molekylet også begren­set til fire, nemlig AT, TA, CG og GC (figur 2.8). Sukker­fosfat­enheten er den samme i alle nukleotidene; sidene i stigen er derfor helt identiske og variasjonsløse.

Kjenner vi rekkefølgen av nitrogenbaser på den ene nukleinsyren i DNA (den ene halvparten av stigen), kan vi slutte oss til rekkefølgen av baser på den andre (den komplementære) nukleinsyren. Dette er en logisk følge av at hver nitrogenbase bare

Figur 2.8 DNA-molekylet er svært langt og tynt, og ligger kveilet opp i cellekjernen. Det består av to kjeder av nukleotider satt sammen til en spiralformet «stige». Sukker-fosfat-enhetene utgjør sidene i «stigen», mens to og to nitrogenbaser går sammen i basepar og danner trinnene. Fordi nitrogenbasen cytosin (C) alltid binder seg til guanin (G), mens tymin (T) bestandig går sammen med adenin (A), finnes det bare fire mulige basepar, nemlig CG, GC, TA og AT. (I figur 2.3 lot vi sukkerforbindelsen i et nukleotid ha blågrå farge, mens fosfatgruppen ble tegnet lilla. Her har vi valgt å ikke skille mellom disse to strukturene; hele sukker-fosfat-enheten er derfor tegnet blågrå.)

Figur 2.7 De fire hovedgruppene av næringsstoffer gir opphav til hver sin hovedgruppe av makromolekyler. Nukleotider blir til nukleinsyrer, aminosyrer lenkes sammen til proteiner, fettsyrer danner lipider (for eksempel triglyserid, som vi har vist her), og sukker blir til polysakkarider.

Sukker

Polysakkarid

Lipid (triglyserid)

Fettsyrer

Aminosyrer

Nukleotider

Nukleinsyre

Protein

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 46 20.03.14 09:44

Cellen 47

kan danne stigetrinn med én annen base. Dersom baserekkefølgen på en nuklein­syre for eksempel er AATCGA, vet vi at baserekkefølgen på den komplementære nukleinsyren må være TTAGCT.

Rekkefølgen av nitrogenbaser i DNA fungerer som oppskrifter for alle prosessene i cellenBaserekkefølgen i DNA er ikke tilfeldig. Hele DNA­molekylet fungerer som en kjempemessig «oppskriftsbok» for alle prosesser i cellen, skrevet i kode ved hjelp av bokstavene A, T, C og G.

Ved hjelp av moderne teknologi kan man kartlegge baserekkefølgen i DNA; man klarer altså å skrive av «oppskriftsboken». En slik avskrift er imidlertid temmelig verdiløs dersom man ikke samtidig vet hva baserekkefølgen betyr. Med andre ord: Hvordan klarer cellen selv å bruke den informasjonen som er lagret i DNA? Hvilke mekanismer sikrer at baserekkefølgen faktisk regulerer prosessene i cellene? Eller sagt mer generelt – hva er bindeleddet mellom DNA­strukturen og cellens funk­sjon?

Egenskapene til et protein bestemmes av aminosyrerekkefølgenVi har tidligere omtalt hvordan proteinene ivaretar mange viktige funksjoner i cel­len: Enzymene katalyserer kjemiske reaksjoner, celleskjelettproteinene gir form og mekanisk styrke, proteinene i cellemembranen regulerer blant annet innholdet i ekstra­ og intracellulærvæsken, mens proteiner som skilles ut til omgivelsene kan fungere som signalstoffer.

@ FRISK fordypning F2.5

Figur 2.8 DNA-molekylet er svært langt og tynt, og ligger kveilet opp i cellekjernen. Det består av to kjeder av nukleotider satt sammen til en spiralformet «stige». Sukker-fosfat-enhetene utgjør sidene i «stigen», mens to og to nitrogenbaser går sammen i basepar og danner trinnene. Fordi nitrogenbasen cytosin (C) alltid binder seg til guanin (G), mens tymin (T) bestandig går sammen med adenin (A), finnes det bare fire mulige basepar, nemlig CG, GC, TA og AT. (I figur 2.3 lot vi sukkerforbindelsen i et nukleotid ha blågrå farge, mens fosfatgruppen ble tegnet lilla. Her har vi valgt å ikke skille mellom disse to strukturene; hele sukker-fosfat-enheten er derfor tegnet blågrå.)

A (adenin)G (guanin)

Nitrogenbase

Sukker-fosfat-enhet

C (cytosin)T (tymin)

CellekjernenDNA-molekyl

00 104062 GRMAT Frisk 140301.indb 47 20.03.14 09:44