forelesningskompendiet - Tor Gjerrestad bruker ikke
forelesningskompendiet - Tor Gjerrestad bruker ikke
forelesningskompendiet - Tor Gjerrestad bruker ikke
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Bio-100C<br />
forelesninger i cellebiologi<br />
Arild Ernstsen<br />
Institutt for biologi<br />
Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet<br />
©Arild Ernstsen 1994-2003
0.1 KORT HISTORISK INNFØRING<br />
0: INNLEDNING<br />
Den tidligste historia til cellebiologien er nøye knyttet til utviklinga av lysmikroskopet.<br />
Menneskets øye har en oppløsningsevne på 0.1–0.2 mm; alt for dårlig til å skille ut enkeltceller<br />
i biologisk materiale. Omkring 1590 lagde de hollandske brillemakerne Francis og<br />
Zacharias Janssen et mikroskop som kunne forstørre om lag ti ganger. En av de første som<br />
bruke denne nye teknologien til å se på biologisk materiale var den engelske fysikeren<br />
Robert Hooke (1635–1703), som introduserte begrepet celle i 1665 i sitt klassiske verk<br />
Micrographia. Han studerte tynne snitt av kork i et selvlaget mikroskop og oppdaget at<br />
korken var satt sammen av en rekke hulrom atskilt med vegger. Det han så var døde og tomme<br />
celler omgitt av en fortykket cellevegg. Hooke mikroskoperte også andre plantedeler, og<br />
beskrev levende celler som «porer eller celler fylt med saft». Hookes observasjoner ble utvidet<br />
av en rekke personer på slutten av 1600-tallet, spesielt av den hollandske kjøpmannen<br />
Anton van Leeuwenhoek (1632–1723). Som hobby slipte han linser, og konstruerte datidas<br />
beste mikroskoper – de kunne faktisk forstørre 275 ganger. Han studerte alt han kom over,<br />
og beskrev sine oppdagelser i mer enn 200 lange brev til The British Royal Society i London.<br />
Etter van Leeuwenhoek kom en lang periode med liten utvikling av cellebiologien, først og<br />
fremst pga. manglende evne til å forbedre mikroskopene. På begynnelsen av 1800-tallet lærte<br />
man seg å korrigere linsefeil ved hjelp av akromatiske linser, og kunne derved øke oppløsningsevnen<br />
betraktelig på mikroskopene. På Hookes tid var det lett å se at planteceller var<br />
omgitt av en relativt tykk vegg, men mikroskopet kunne <strong>ikke</strong> skjelne membranene som omgir<br />
dyreceller. Likheten i struktur mellom planter og dyr ble først oppdaget av Theodor<br />
Schwann (1810–82) på 1830-tallet. Han studerte bruskvev hos dyr og fant strukturer som<br />
«eksakt liknet på den cellulære struktur hos planter». Schwann var heldig som studerte<br />
bruskvev, siden det har et materiale (brusk) mellom cellene som kan minne om cellevegger.<br />
Når han først var på sporet tok det <strong>ikke</strong> lenge før han kunne slutte at alt dyrevev er bygd opp<br />
av celler. Sammen med Matthias Schleiden (1804–81), som allerede hadde nådd samme<br />
konklusjon for alle undersøkte plantevev, formulerte Schwann i 1939 grunnlaget for celleteorien<br />
– at alle organismer er bygget opp av en eller flere celler med kjerne, og at celler er den<br />
funksjonelle enheten for liv. Noen år senere, i 1855, publiserte Rudolf Virchov (1821–1902)<br />
den berømte fullstendige celleteori:<br />
1. Alle levende organismer er bygd opp av celler med kjerne.<br />
2. Celler er den funksjonelle enheten for liv.<br />
3. Celler oppstår bare ved deling fra allerede eksisterende celler.<br />
Ingen av cellas enkeltdeler kan altså utvikle seg til en ny celle. Dette var en meget viktig<br />
erkjennelse, og står i skarp motsetning til teorien om spontan generasjon (spontan avl, latin<br />
«generatio spontanea») som stammet helt tilbake fra Aristoteles, og som hadde blitt bifalt av<br />
så store tenkere som Newton og Descartes. På 1600-tallet – i den eksperimentelle vitenskapens<br />
aller første tid – ga Jan Helmont (1580–1644) ei tilforlatelig oppskrift på hvordan<br />
mus oppsto fra brød og ei gammel skjorte hvis de ble lagt i ei mørk tønne i tre uker. Det livgivende<br />
stoffet var menneskesvette! For å overbevise eventuelle skeptikere (de var det nok<br />
<strong>ikke</strong> mange av, den største var kanskje han selv – derfor eksperimentet) dissekerte han musene<br />
og fastslo at de var identiske med mus som var oppdrettet i fangenskap.<br />
©Arild Ernstsen 1994-2003
innledning<br />
Helmonts noe tvilsomme ettermæle er <strong>ikke</strong> helt rettferdig. Han bidro sterkt til<br />
forståelsen av plantenes ernæring, og han kalles med en viss rett «biokjemiens<br />
far». Begrepet «gass», i vitenskapelig forstand, er hans. Han identifiserte<br />
karbondioksyd og viste at gassen dannes ved kullforbrenning og fermentering<br />
av druesaft.<br />
Italieneren Francesco Redi (1626–97) bidro til å avlive spontan-generasjonsteorien i 1668,<br />
men det tok nesten 200 år før den fullstendig avgikk ved døden. Redi satte opp følgende eksperiment:<br />
Han tok noen krukker med kjøtt. Halvparten dekket han til med ett klede, mens<br />
de andre fikk stå åpne. Han observerte at «makk» (dvs. fluelarver) bare utviklet seg i<br />
krukkene som hadde stått åpne og aldri i de tildekkede krukkene. Han resonnerte da at hadde<br />
makkene oppstått spontant skulle de ha blitt dannet i alle krukkene. Redi er en av de første vi<br />
kjenner som utførte et biologisk vitenskapelig eksperiment i vår forstand. I forsøksoppsettet<br />
sitt inkluderte han det vi kaller et kontrolleksperiment, nemlig de tildekkede krukkene. Når<br />
det gjaldt mikroorganismer var det vanskeligere å motbevise teorien om spontangenerasjon.<br />
Selv etter kraftig koking kunne det oppstå forråtnelse i dyre- og planteekstrakter. Vi vet i dag<br />
at dette skyldes at man <strong>ikke</strong> klarte å beskytte de avkjølte ekstraktene mot mikroorganismer i<br />
lufta og ved at sporedannende bakterier overlever koking.<br />
Lazzaro Spallanzani (1729–99) oppdaget at kjøttkraft som ble forseglet i glass<br />
mens det kokte, <strong>ikke</strong> råtnet.<br />
John Needham (1713–81) argumenterte mot Spallanzanis forsøk: Krafta såvel<br />
som lufta rundt den, var oppvarmet så mye at den var uegnet for liv. Spallanzani<br />
viste at så <strong>ikke</strong> er tilfelle med krafta – ved å bryte forseglinga. Argumentet<br />
om lufta kunne han derimot aldri svare sk<strong>ikke</strong>lig på. Altså: Liv kan<br />
kanskje oppstå forutsatt at det finnes frisk luft tilgjengelig.<br />
Louis Pasteur (1822–95) utviklet sk<strong>ikke</strong>lige steriliseringstekn<strong>ikke</strong>r, og avviste omsider den<br />
langlivede teorien også når det gjaldt mikroorganismer.<br />
Pasteurisering er <strong>ikke</strong> en sterilteknikk, men senker bakterieinnholdet – særlig i<br />
matvarer. Pasteurs navn er også bevart i andre sammenhenger.<br />
Men, tvunget av en annen toneangivende fransk biolog – Felix Pouchet (1800–72), måtte han<br />
gjøre det ene raffinerte forsøket etter det andre før doktrinen om spontan generasjon i 1864<br />
ble lagt død for godt, og celleteoriens tredje sats var endelig demonstrert.<br />
Dette høres jo deilig moderne og rasjonelt ut: tenkingas og sannhetas triumf<br />
over mystisismen. Egentlig og paradoksalt nok, var det vel nærmest det motsatte.<br />
Det eneste fornuftige for den kritisk søkende 1700-tallsforskeren var å<br />
tru på spontangenerasjon. Alternativet var å godta ei enkeltstående, overnaturlig<br />
skaperhandling. Det finnes ingen tredje mulighet. Spontan generasjon<br />
var ei «filosofisk nødvendighet» som en <strong>ikke</strong> kunne bortforklare uten å<br />
kompromitere sitt intellekt. Dette dilemma gjelder vel fortsatt, men store<br />
forskere lyser seg gjennom sine karrierer lykkelig uvitende om det. Det sier<br />
litt om filosofiens og vitenskapsteoriens sørgelige tilstand i det 20. århundre.<br />
– 2 –
innledning<br />
I et slikt logisk vakuum er det kanskje <strong>ikke</strong> særlig dristig å hevde at spontan<br />
generasjonsteorien fortsatt står seg godt. Vel nok er kanskje <strong>ikke</strong> betingelsene<br />
for dannelse av liv til stede i dag (<strong>ikke</strong> minst på grunn av konkurranse<br />
fra allerede eksisterende livsformer), men under andre forhold i ei<br />
forgangen tid må det ha skjedd spontan generasjon. Alternativet er like problematisk<br />
å forholde seg til for oss som det var for Descartes…<br />
Under siste halvdel av 1800-tallet kom biologenes interesse i første rekke til å rette seg mot<br />
cellekjerna – som første gang var blitt beskrevet i 1831 av botanikeren Robert Brown<br />
(1773–1858); han med «brownske bevegelser». På denne tida var det oppdaget fargestoffer<br />
som festet seg sterkt til kjerneinnholdet i cella. Dermed ble kjerna lett synlig i lysmikroskopet.<br />
Ved denne fargetekn<strong>ikke</strong>n var det mulig å observere kjerna under deling, og da ble<br />
kromosomene («fargede legemer») oppdaget. Kromosomene er bærerne av cellas arvelige<br />
egenskaper, og blir spesielt godt synlige ved farging under en kort periode under celledelinga.<br />
Eduard Strasburger (1844–1912) viste i 1880 at nye kjerner bare kan dannes gjennom deling<br />
av eksisterende kjerner og at den fysiske basis for arveegenskapene ligger i kjerna.<br />
Strasburger differensierte også protoplasma (et begrep som hadde blitt brukt siden Schwanns<br />
dager) i cytoplasma og nukleoplasma.<br />
Gregor Mendel (1822–84) viste matematisk ved hjelp av krysningsforsøk<br />
med erteplanter hvordan egenskapene blir nedarvet, men arbeidene hans<br />
gikk i glømmeboka inntil de ble gjenoppdaget 40 år senere.<br />
Ved en samlet innsats i vårt århundre av cytologer, mikrobiologer, biokjemikere, fysiologer,<br />
kjemikere, fysikere o.a., har en i dag et nokså detaljert bilde av cellas indre struktur og av de<br />
prosessene som foregår i ei celle. Celler kan være svært ulike i form og størrelse. Men den<br />
moderne biologiske forskninga har vist at tross disse store forskjellene i utseende, er det en<br />
stor grad av likhet i cellenes indre oppbygning. Cellebiologene skiller mellom bare to hovedtyper<br />
av celler; den prokaryote og den eukaryote. Dette er utvilsomt det viktigste skillet i<br />
den biologiske verden. Prokaryote celler finner en hos bakterier og blågrønnalger (cyanobakterier),<br />
mens eukaryote celler utgjør alle andre levende organismer.<br />
Når det gjelder de kjemiske byggesteinene er enheten i den biologiske verden nesten<br />
fullkommen. Bakterieceller, soppceller, planteceller eller dyreceller er i hovedtrekkene satt<br />
sammen av de samme kjemiske byggesteinene. Denne likheten kan tyde på at alt liv på<br />
jorden har et felles opphav.<br />
I alle celler er de arvelige egenskapene, genene, knyttet til kjempemolekylet (makromolekylet)<br />
deoksyribonukleinsyre, forkortet DNA. I interfasen foreligger DNA som lange<br />
tråder – maksimalt utstrukket. Under kjernedelinga kveiles de lange DNA-trådene tett<br />
sammen. Det er disse tette buntene som kommer til syne som kromosomer ved farging av<br />
celler under deling. I DNA-molekylenes spesielle struktur ligger all den informasjon lagret,<br />
som skal til for å danne ei celle. I genetikkdelen vil en komme inn på hvordan DNA lagrer<br />
denne informasjonen og hvordan DNA gir «beskjed» om hvordan hvert enkelt enzym i ei<br />
celle skal settes sammen. Enzymenes oppgave i cella er å katalysere de ulike kjemiske reaksjonene<br />
som utgjør cellas stoffskifte – metabolisme (et begrep innført av Schwann). Også<br />
på dette punktet er likheten i den biologiske verden svært stor. De fundamentale stoffskifte-<br />
– 3 –
innledning<br />
prosessene, som f.eks. respirasjon og energiomsetning, biosyntese av proteiner, karbohydrater<br />
og fett er så godt som identiske i alle celler.<br />
0.2 CELLENES STØRRELSE OG FORM<br />
Definisjon av noen størrelser:<br />
m mm µm nm Å<br />
meter (m) 10 0 10 3 10 6 10 9 10 10<br />
1 1000 1000000 1000000000 10000000000<br />
millimeter (mm) 10 –3 10 0 10 3 10 6 10 7<br />
0.001 1 1000 1000000 10000000<br />
micrometer (µm) 10 –6 10 –3 10 0 10 3 10 4<br />
0.000001 0.001 1 1000 10000<br />
nanometer (nm) 10 –9 10 –6 10 –3 10 0 10 1<br />
0.000000001 0.000001 0.001 1 10<br />
Ångström (Å) 10 –10 10 –7 10 –4 10 –1 10 0<br />
0.0000000001 0.0000001 0.0001 0.1 1<br />
Øvre grense for størrelse av ei celle vil – litt forenklet – være begrenset av stoffskiftehastigheta<br />
og forholdet mellom overflate og volum. Ved høy stoffskiftehastighet må<br />
stoffer transporteres raskere inn og ut av cella enn når stoffskiftet går langsommere. Dersom<br />
cella blir for stor, vil de sentrale delene kunne få for liten tilgang av nødvendige forbindelser,<br />
f.eks. oksygen, eller skadelige avfallsprodukter i cella vil <strong>ikke</strong> kunne utskilles raskt nok.<br />
Opptakshastigheta vil blant annet være bestemt av cellas overflateareal. Er cella kuleformet,<br />
vil volumet øke med 3. potens (V = 4<br />
3 p r 3 ) mens overflata øker med 2. potens (A = 4 p r 2 ) av<br />
det diameteren øker med. Når cella vokser vil altså volumet av cellemassen i forhold til<br />
overflata bli stadig større, og dermed vil stofftilgangen til cellas indre bli dårligere. Etter<br />
dette resonnementet vil celler med lav stoffskiftehastighet kunne bli større enn celler med høy<br />
stoffskiftehastighet. Dette holder stort sett stikk.<br />
Røde blodlegemer – celler som har som oppgave å transportere oksygen rundt i<br />
organismen – har ei flattrykt form. Det gir et høyt overflateareal i forhold til<br />
volumet, og dette er en fordel for den funksjonen disse celle har.<br />
Eggceller er ofte store og runde. Det samsvarer bra med at de har et moderat<br />
stoffskifte.<br />
Volumet av cella må altså <strong>ikke</strong> bli større enn at stoffutvekslinga kan foregå. Blir cella større<br />
må den dele seg og derved oppnå et bedre overflate:volum-forhold – ellers vil den dø.<br />
Det er cellekjerna som dirigerer og kontrollerer de forskjellige prosessene i cytoplasma.<br />
Dette skjer ved at det sendes «kjemiske budskap» fra kjerna til cytoplasma om hvilke prosesser<br />
som skal settes i gang. Også dette setter en grense for cellas størrelse, fordi budskapet<br />
<strong>ikke</strong> vil nå fram dersom cytoplasma blir for stort – og dermed transportveien for informasjon<br />
fra kjerna for lang.<br />
– 4 –
innledning<br />
Enkelte sopper, som har centimeterlange trådformete celler (hyfer), har løst<br />
problemet med overføring av informasjon ved at mange kjerner ligger fordelt<br />
langs hele hyfen.<br />
Nedre grense for cellenes størrelse er bestemt av tykkelsen på den ytre membranen og av<br />
det minste volum som trengs for å få plass til alt «utstyret» for selvstendig liv, dvs. DNA,<br />
enzymer og enzymsynteseapparatet (ribosomer), og vann for å løse alt dette i. Membranen<br />
er 70-100 Å tykk og kan danne ei kule med diameter på 300-400 Å (0.03 µm). Med det nødvendige<br />
innhold vil den teoretiske minimumsstørrelsen for ei celle være om lag 0.05 µm. De<br />
minste celler som er beskrevet (mykoplasma) er dobbelt så store som dette – 0.1 µm (som regel<br />
er de 0.2-0.3 µm).<br />
Dersom cella <strong>ikke</strong> er omgitt av en fast vegg, vil forma være bestemt av ytre påvirkninger –<br />
slik som hos amøbene. Men også i slike tilfelle kan cellene selv forandre si form, f.eks. ved å<br />
danne utposninger (pseudopodier). Amøbene kan bevege seg på fast underlag ved hjelp av<br />
pseudopodiene. De fleste encellete organismer er imidlertid omgitt av en stiv vegg, som gir<br />
cella dens bestemte ytre utseende – som fastlagt i dens arvelige egenskaper. Variasjonen i<br />
ytre utforming hos ulike encellete organismer er imponerende stor, og enkelte alger kan ha<br />
utrulig kunstferdige ytre skjeletter.<br />
I flercellete organismer vil cellenes form være delvis bestemt av mekanisk påvirkning fra<br />
omkringliggende celler. Den befruktede eggcella (zygoten) er kulerund. Når den deler seg i<br />
2, 4, 8, 16 celler o.s.v., vil hele cellemassen i de første fasene bli formet som ei kule, og<br />
dermed vil enkeltcellene få ei form som tilsvarer utsnitt av ei kule. Men alle de forskjellige<br />
cellene en finner hos dyr og planter er bare i ubetydelig grad formet av mekaniske påvirkninger.<br />
Cellenes form innen en flercellet organisme er hovedsakelig bestemt av arvelige<br />
egenskaper. Paradokset er at alle celler i en organisme er dannet fra den befruktete eggcella<br />
ved gjentatte celledelinger, og alle cellene i organismen inneholder derfor nøyaktig det samme<br />
genetiske materiale som zygoten. Hvorfor blir cellene da så ulike i form og funksjon?<br />
I noen få tilfeller innebærer spesialisering at celler kvitter seg med arvemateriale.<br />
Et ekstremt eksempel er røde blodceller hos pattedyr – de taper<br />
hele kjerna i løpet av spesialiseringa.<br />
Spesialisering skyldes koordinerte og varige endringer i genuttrykk (engelsk «gene expression»),<br />
og tap eller ervervelse av gener. Gener og grupper av gener aktiveres eller inaktiveres<br />
av indre såvel som ytre stimuli. Disse mekanismene behandles grundig under genetikkdelen<br />
av kurset.<br />
Den store forskjellen i størrelse og form til tross: celler er allikevel forbausende like i<br />
oppbygning. Som nevnt deler vi inn alle levende organismer i to grupper etter cellenes<br />
organisering:<br />
1) Prokaryote – «før kjerne» – navnet henspiller på at arvematerialet <strong>ikke</strong> er avgrenset av en<br />
kjernemembran. Klassifiseringa av prokaryote organismer er noe omstridt og under stadig<br />
revidering. For øyebl<strong>ikke</strong>t ser det ut til at de fleste lærebøker deler inn i eubakterier og<br />
archaebakterier. Tidligere ble også mykoplasma og cyanobakterier (blågrønnalger) nevnt<br />
på dette nivået, men i moderne klassifisering vurderes de som undergrupper av eubakterier.<br />
– 5 –
innledning<br />
2) Alle andre organismer (dyr, planter og andre mikroorganismer enn bakterier/cyanobakterier)<br />
er eukaryote – «egentlig kjerne» – med celler som er oppdelt i indre rom og underavdelinger<br />
av et nettverk av membransystemer.<br />
Virus er <strong>ikke</strong> levende celler, men partikler som kan reprodusere seg under gitte betingelser.<br />
En av disse betingelsene er tilgang på ribosomer fra ei vertcelle. Virus er altså obligate<br />
parasitter.<br />
Utenfor verten består de fleste virus av ei proteinkappe som omslutter nukleinsyrer<br />
(DNA eller RNA). Kompleksiteten varierer fra ei kjerne med ett nukleinsyremolekyl omgitt<br />
av én type protein til partikler med over 50 ulike kappeproteiner. Noen få virus som angriper<br />
dyreceller (f.eks. virus som forårsaker influensa, herpes og kusma) har en ytre membran som<br />
stammer fra vertcellas plasmamembran.<br />
Nukleinsyremolekylene kan være lineære eller sirkulære (hva det innebærer vil bli<br />
forståelig lenger ut i kurset), de kan forkomme som enkelttråd eller dobbelttråd, og de kan<br />
være RNA eller DNA. Virus som <strong>bruker</strong> planteceller som reproduksjonsmedium har bare<br />
RNA, men bakterie- og dyrevirus kan ha enten DNA eller RNA.<br />
Et av de mest undersøkte virus er TMV – tobakkmosaikkviruset (i alle fall før HIVeksplosjonen).<br />
Kappa er en spiral av 2130 like kopier av et proteinmolekyl som består av 158<br />
aminosyrer. Innenfor kappa ligger et enkelttrådet RNA-molekyl (TMV er jo et plantevirus)<br />
bestående av 6000 nukleotider (byggesteinene for genetisk informasjon, jfr. 1.3.1). TMV er<br />
altså et temmelig enkelt virus.<br />
Virus som infiserer bakterier kalles bakteriofager og er som regel komplekse. Best<br />
studert er nok er fag-gruppa «T-even» som angriper Escherichia coli – tarmbakterien.<br />
T-fagene fikk sin betegnelse av en gruppe forskere som i 1939 ga seg i kast<br />
med bakteriofag-reproduksjon i E. coli. T står for «type» og det er sju av<br />
dem – T-1 til T-7. De er alle «beslektet», men særlig T-2, T-4 og T-6 viser<br />
mange likhetstrekk. Derav det fancy navnet T-even (even (engelsk) =<br />
like[tall]).<br />
I en slik T-fag er proteinkappa mer forseggjort enn i f.eks. TMV. DNA-kjerna er omsluttet<br />
av et hode. Til hodet er det festet en hale som består av flere proteiner; en krage, ei<br />
sylindrisk kappe («stilk»), ei festeplate og seks halefibre (jfr. fig 17.3 i Campbell).<br />
Halefibrene gjenkjenner overflatestrukturer på E. coli og festeplata binder viruset til<br />
bakterien. Hode og hale trekker seg sammen og DNA injiseres inn i bakterien, mens<br />
proteinkappa blir igjen på utsida.<br />
Virusets DNA avleses ved hjelp av bakteriens enzymapparat til mRNA. Bakteriens<br />
ribosomer tar hand om mRNAet og produserer de enzymer som trengs<br />
for oppformering av virus-DNAet og de strukturelle proteiner som inngår i<br />
viruskappa. Bakteriecella gjøres om til en effektiv fabrikk for nye virus, og<br />
100 eller 1000 nye virus kan settes sammen før virus-DNA gir ordre om at<br />
bakteriecelleveggen skal løses opp og de nye nye virusene frigjøres.<br />
Utenfor vertcella er virus klart <strong>ikke</strong> levende. De kan krystalliseres og lagres som et annet<br />
kjemikalium. Sannsynligvis er virus en del av et kromosom som en gang fantes i ei levende<br />
celle; ei celle som nå er redusert til et sett av kodet informasjon som gjør det mulig å pro-<br />
– 6 –
innledning<br />
dusere nye partikler av samme sort. Virus har en meget stor grad av spesifisitet i valg av vert<br />
– de brukes til å typebestemme bakterier.<br />
Prokaryote celler forekommer i mange former og størrelser. Mykoplasma er de minste<br />
levende organismene vi kjenner (diameter gjerne ca. 0.3 µm, men cellene er ofte avlange).<br />
De ligner mye på egentlige bakterier, men mangler cellevegg. Mykoplasma inneholder nukleinsyrer<br />
nok til å produsere omlag 750 ulike proteiner. De parasitterer på dyre- og planteceller<br />
(i det siste tilfellet kalles de ofte spiroplasma). Mange av de sjukdommene som framkalles<br />
av mykoplasma ble tidligere tilskrevet virus – fordi mykoplasma er usynlig i lysmikroskopet.<br />
Bakterier er større enn mykoplasma, gjerne 1–10 µm (mer ekstremt: 0.5–20 µm). Vi skal<br />
<strong>ikke</strong> her gå inn på inndeling av bakterier, bare si at et klassifiseringskriterium som<br />
tradisjonellt har hatt stor betydning, og som i stor grad har nedfelt seg i nomenklaturen, er<br />
bakterienes form. Kokker er runde; vibrioner er bøyde/bønneformete (noen arter i Vibrioslekta<br />
er kjent som fiskepatogene bakterier; vibriose, hitrasjuke); baciller er stavformete;<br />
mens spiriller er avlange/trådformete.<br />
Noen få (om en ser stort på det) bakterier er patogene for dyr, og enda færre er<br />
plantepatogene. De fleste bakterier bryter ned organisk materiale til CO2 og H2O – eller et<br />
stykke på vei. Bakteriemengden i naturen er enorm – de veier mye mer enn alle andre organismegrupper<br />
til sammen. Over 95% av plantenes primærproduksjon brytes ned og resirkuleres<br />
av bakterier, mens dyr og glupske menneskelige overkonsumenter fortærer en<br />
forsvinnende liten del.<br />
En generasjon defineres som tida mellom hver deling (1→2→4→8…). I raskt voksende<br />
bakteriekulturer kan generasjonstida være nede i 20 minutter. Med ei slik generasjonstid vil<br />
én enkelt bakterie etter 10 timer gi opphav til 10 10 bakterier som tilsvarer omlag 20 mg, etter<br />
20 timer 20 kg, etter 30 timer 2 x 10 12 kg, og etter 40 timer noe sånt som 30 x 10 6 x jordas<br />
masse. Før det kommer så langt er heldigvis matforrådet brukt opp. De aller fleste bakterier<br />
på jorda lever i mer eller mindre konstant sult – med en aktivitet som ligger langt under deres<br />
stoffskiftepotensiale.<br />
Noen bakterier er primærprodusenter – de danner organisk materiale fra CO2 og lys. De<br />
kan deles inn i to prinsipielle typer: de som <strong>bruker</strong> H2O som elektrondonor (cyanobakterier)<br />
og de som <strong>bruker</strong> H2S (svovelbakterier). De første driver sin produksjon under aerobe forhold<br />
(tilgang på O2), mens svovelbakteriene lever anaerobt (under fravær av O2). Cyanobakteriene<br />
har altså en fotosyntese som likner svært på den vi finner hos planter. Mange bakterier<br />
kan dessuten benytte atmosfærisk nitrogen i sin primærproduksjon. Denne formen for<br />
stoffskifte, der N2 omdannes til NH4 + og andre organisk handterlige former, kalles nitrogenfiksering<br />
og forekommer bare hos prokaryoter. At enkelte planter er i stand til å nyttiggjøre<br />
seg denne egenskapen gjennom samliv med bakterier, er ei anna historie.<br />
Enkelte cyanobakterier, som kan fiksere CO2 og N2, lever altså bare på luft og lys (vel,<br />
nesten – de trenger selvsagt vann og noen mineralstoffer). De er de første levende<br />
organismer som etablerer seg i områder som har vært utsatt for f.eks. vulkanutbrudd og<br />
isbreer. Slike pioner-organismer danner den første organiske hinne på underlaget som gir<br />
grobunn for videre etableringer med andre organismetyper. Vi husker kanskje også at<br />
cyanobakterier inngår sammen med sopp i den symbiosen vi kaller lav.<br />
Eukaryote celler vil fylle det aller meste av dette kurset (en del av genet<strong>ikke</strong>n vil dog<br />
beskjeftige seg med prokaryoter). Men vi vil stort sett tenke i en verden av enkeltceller uten<br />
– 7 –
innledning<br />
å hefte for mye ved hvilke organismer de tilhører – enkeltcellete eller flercellete, sopp,<br />
planter eller dyr.<br />
0.3 LITT OM KJEMISKE REAKSJONER<br />
0.3.1 TERMODYNAMIKK OG BIOLOGISKE REAKSJONER<br />
Dette avsnittet er ei fragmentarisk og overflatisk tilnærming til de fysiske energilovene og<br />
deres betyding for biokjemiske reaksjoner. Termodynam<strong>ikke</strong>ns 1. lov sier at energi hverken<br />
kan bli skapt eller gå tapt. Den samme dynam<strong>ikke</strong>ns 2. lov presiserer at når produktene (C<br />
og D) i reaksjonen<br />
A + B → C + D<br />
inneholder mindre «fri energi» enn reaktantene (A og B), så er det fordi noe av denne energien<br />
er blitt til varmeenergi. Fri energi, G, er den energien i et system (f.eks. A og B) som er<br />
tilgjengelig for å gjøre arbeid under visse definerte betingelser mht til det fysiske miljøet (den<br />
mystiske bokstaven G honorerer J. Willard Gibbs, 1839–1903). Slik energi kan være «plassert»<br />
f.eks. i kjemiske bindinger eller i sollysets fotoner. Endring i fri kjemisk energi, ∆G, er<br />
definert som<br />
∆G = Gprodukter – Greaktanter<br />
Dersom ∆G er negativ (G større i reaktantene enn i produktene) vil reaksjonen «i prinsippet»<br />
skje spontant – den er eksergonisk. I motsatt fall må systemet (reaktantene) tilføres energi<br />
for at reaksjonen skal finne sted, reaksjonen er endergonisk – uten ekstern hjelp vil reaksjonen<br />
gå «mot venstre» dersom alle stoffene er til stede i like mengder. ∆G er en tilstandsfunksjon,<br />
den avgjøres utelukkende av energien i start- og sluttstoffene. Hvordan reaksjonen skjer<br />
og hvilke mellomprodukter som eventuelt forekommer, tas <strong>ikke</strong> i betraktning. ∆G er videre<br />
gitt ved ligninga<br />
∆G = ∆H – T∆S<br />
der ∆H representerer reaksjonens varmeutveksling (entalpi): eksoterme reaksjoner frigjør<br />
varme (∆H0).<br />
Biokjemikere er <strong>ikke</strong> så nøye på det; de blander begrepene og snakker gjerne om eksoterme<br />
prosesser når de mener eksergoniske. De kan de med en viss rett gjøre, for entropi-bidraget<br />
(fra ∆S) har <strong>ikke</strong> så himla stor betydning for totalligninga. Entropien har å bestille med systemets<br />
orden. Naturen prøver som kjent å glatte ut alle ujevnheter (jfr. 2.3.1), å skape størst<br />
mulig uorden. Positive ∆S-verdier, altså når reaksjonen forårsaker økt uorden, bidrar til negativ<br />
∆G og favoriserer altså reaksjonen.<br />
I praksis er det slett <strong>ikke</strong> enkelt å bruke ∆G til å si noe om hvordan en reaksjon vil forløpe<br />
in vivo – i den levende cella. Noen av de fysiske forutsetningene som influerer på ∆Gverdien<br />
er greie nok: trykket i de fleste celler er 1 atmosfære og temperaturen er noenlunde<br />
konstant i varmblodige organismer. Men pH i akkurat den delen av cella der reaksjonen er<br />
lokalisert, kjenner en <strong>ikke</strong> alltid. Konsentrasjonene av reaktanter og produkter er også nesten<br />
umulig å fastslå nøyaktig, og de varierer ofte mye over kort tid, delvis som følge av<br />
reaksjonen selv, og delvis på grunn av transport inn og ut av cella. I tabellverk har en forsøkt<br />
å standardisere til 25°C, pH 7 og konsentrasjoner på 1 M av alle reaksjonsdeltakere. Men<br />
disse tabellverdiene for ∆G°´ gir sjelden mer enn et godt fingerpek om de virkelige energiforholdene.<br />
– 8 –
innledning<br />
Reaksjonens likevektskonstant, Keq er definert som produktkonsentrasjon pr. reaktantkonsentrasjon<br />
når reaksjonen er i likevekt – når A og B danner C og D like fort som A og<br />
dannes fra C og D:<br />
A + B ↔ C + D ⇒ Keq =<br />
– 9 –<br />
[C] [D]<br />
[A] [B]<br />
Når en reaksjon har en høy Keq-verdi, betyr det at det er mye C og D i forhold til A og B ved<br />
reaksjonslikevekt. Det betyr igjen at reaksjonsførløpet «mot høyre» skjer villig vekk. Det er<br />
en matematisk sammenheng mellom Keq og DG: Keq = 1 (like mye reaktanter som produkter)<br />
gir ∆G = 0 (reaksjonen er hverken endergonisk eller eksergonisk); Keq = 10 gir ∆G = –5.7<br />
kJ/mol (reaksjonen er eksergonisk); Keq = 1000 gir ∆G = –17.1 kJ (reaksjonen er sterkt<br />
eksergonisk); Keq = 0.001 (nesten ingen produkter i forhold til reaktanter) gir ∆G = 17.1 kJ<br />
(reaksjonen er sterkt endergonisk). Vi kommer i dette kurset <strong>ikke</strong> til å legge så stor vekt på<br />
de rent kvantitative sidene ved dette formelmakeriet, men særlig i forbindelse med glykolysen<br />
(5.1) vil vi bruke ∆G- og Keq-verdier mer kvalitativt til å si noe om hvilken vei reaksjoner vil<br />
gå, og hvordan cella kan bruke en eksergonisk reaksjon til å drive en endergonisk.<br />
0.3.2 REDOKS-REAKSJONER<br />
De fleste biokjemiske reaksjonene vi møter i dette kurset er enten oksidasjoner eller<br />
reduksjoner, eller kanskje aller helst begge deler: redoks-reaksjoner. La oss nærmere på<br />
disse begrepene. H2 og toverdig jern (Fe 2+ ) lar seg begge oksidere:<br />
H:H → 2H + + 2e –<br />
Fe2+ → Fe3+ + e –<br />
Oksidasjon er rett og slett fjerning av elektroner. Et annet eksempel (tegn gjerne opp formler<br />
og tell elektroner!):<br />
alkohol → syre + 2e – + 2H + (eventuelt samlet som 2H)<br />
I biologiske systemer innebærer oksidering ofte også dehydrogenering – så også i tilfellet<br />
ovenfor. På samme måte er reduksjon (tilførsel av elektroner) ofte sammenfallende med<br />
hydrogenering. Nesten alltid er det to elektroner (og eventuelt to protoner som overføres);<br />
svært sjelden bare ett (dog bare ett i deler av den viktige elektrontransportkjeden – se 7.3.1).<br />
Disse eksemplene er bare halvreaksjoner. Det er alltid slik at en reduksjon er koplet til en<br />
oksidasjon. Dvs. at i oksidasjonen av en forbindelse vil de frigjorte elektronene/protonene/hydrogenene<br />
brukes til å redusere et annet stoff – de slippes normalt <strong>ikke</strong> «løs» uten videre; til<br />
det er de alt for verdifulle. I eksempelet nedenfor er oksidasjonen av jern koplet til reduksjonen<br />
av oksygen:<br />
2Fe2+ → 2Fe3+ + 2e –<br />
1<br />
2 O2 + 2H + + 2e – → H2O<br />
summert: 2Fe2+ + 1<br />
2 O2 +2H + → 2Fe3+ + H2O<br />
Generelt gjelder for biologiske reaksjoner:<br />
XH2 + Y → X + YH2
innledning<br />
Elektronakseptoren – Y – vil ofte være en kofaktor (5.1.3). Et par slike kofaktorer som vi<br />
senere skal støte på både titt og ofte er NAD (nikotinamid adenin dinukleotid) og FAD<br />
(flavin adenin dinukleotid)…<br />
NAD + + 2H ↔ NADH + H +<br />
FAD + 2H ↔ FADH2<br />
De henter og bringer elektroner og protoner for et utall andre donorer og akseptorer:<br />
XH2 + NAD + ↔ X + NADH + H +<br />
YH2 + FAD ↔ Y + FADH2<br />
Ved hjelp av disse kofaktorene kan altså hydrogen flyttes, f.eks. fra A til B:<br />
AH2 + NAD + → A + NADH + + H +<br />
NADH + + H + + B → BH2 + NAD +<br />
Kort og godt: oksidasjon reduksjon<br />
fjerner e – legger til e –<br />
legger til O fjerner O<br />
fjerner H legger til H<br />
frigjør energi lagrer energi<br />
– 10 –
1: KJEMISKE BYGGESTEINER OG MAKROMOLEKYLER<br />
I kjemiske forbindelser er det sterke kovalente bindinger som stort sett holder atomene sammen<br />
i molekyler. I biologisk sammenheng er dessuten svake kjemiske <strong>ikke</strong>-kovalente bindinger<br />
viktige. Slike bindinger har under 1<br />
10 av energien i kovalente bindinger (bindingsenergien<br />
i H2 er 103 kcal/mol): hydrogenbindinger (4-5 kcal/mol), van der Waals bindinger<br />
(1-2 kcal/mol), hydrofobe interaksjoner (1-3 kcal/mol). Hydrogenbindinger er elektrostatiske<br />
krefter mellom nøytrale polare molekyler, som f.eks. H2O. Ionebindinger, derimot,<br />
oppstår mellom ladete molekyler.<br />
I store biologiske molekyler kan det inngå et stort antall slike svake bindinger. Til sammen<br />
er de i sterk grad med på å stabilisere den romlige strukturen til f.eks. proteiner og nukleinsyrer,<br />
men lokalt i molekylet er de lette å bryte i forbindelse med nødvendige forandringer.<br />
Slike forandringer er drivkrafta i mange biologiske prosesser.<br />
De dominerende grunnstoffene i biologiske molekyler er C, O, H, N, P og S. Karbon står<br />
helt sentralt – det danner ryggraden i nesten alle biologiske molekyler. De viktigste byggesteinene<br />
i cella er makromolekylene som danner de fysiske strukturene. Vi opererer med fire<br />
hovedtyper molekyler som vi skal gå gjennom i tur og orden: karbohydrater<br />
(sukkerstoffer), lipider (fettstoffer), nukleinsyrer og proteiner. Disse fire stoffgruppene er<br />
byggesteinene for alle celler og inngår i de faste strukturene. I tillegg kommer en mengde<br />
lavmolekylære forbindelser som er løst i cellene og som er med på å avgjøre hvordan de<br />
skal fungere.<br />
1.1 KARBOHYDRATER<br />
1.1.1 GRUNNLEGGENDE KJEMI OG NOMENKLATUR<br />
Karbohydrater inneholder grunnstoffene karbon (C), hydrogen (H) og oksygen (O) i forholdet<br />
1:2:1 – (CH2O)n hvor 3≤n≤7 (det finnes et par uvesentlige unntak der n=8 og 9). Det finnes<br />
unntak fra denne støkiometriske regelen, men for vårt formål duger den lenge. (I formelen<br />
CH2O ligger navnet: karbo[C]hydrat[H2O])<br />
n-verdien brukes som ett (av flere) system for å navngi karbohydratene:<br />
n=3: trioser; n=4: tetroser; n=5: pentoser; n=6: heksoser; n=7: heptoser. De mest sentrale<br />
sukkerartene i biokjemien er trioser, pentoser og særlig heksoser.<br />
Et annet navngivingssystem tar utgangspunkt i karbohydratenes kjemiske egenskaper: de kan<br />
nesten uten unntak klassifiseres som aldehyder eller ketoner. F.eks. disse enkle triosene:<br />
H O<br />
H<br />
C<br />
H C OH<br />
H C OH<br />
C O<br />
H C OH H C OH<br />
H<br />
H<br />
glyceraldehyd dihydroksyaceton<br />
en aldose en ketose<br />
– 11 –
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
Glyseraldehyd er en aldose, mens dihydroksyaceton er en ketose (disse to forbindelsene vil<br />
vi komme tilbake til i time 16 eller 17). Vi legger merke til at begge forbindelsene har<br />
summeformelen C3H6O3. De er strukturelle isomerer. Glyseraldehyd har et asymmetrisk<br />
karbonatom. Det betyr at molekylet kan forekomme i to utgaver – D- og L-glyseraldehyd.<br />
Denne formen for isomeri kalles stereoisomeri. Det asymmetriske C-atomet har fire ulike<br />
grupper knyttet til seg. Det betyr at molekylet romlig (geometrisk) kan arrangeres på to ulike<br />
måter, som <strong>ikke</strong> kan inter-konverteres. Vi har å gjøre med to optisk isomere former. De er<br />
speilbilder av hverandre; det er umulig å vri og vende D-forma til L-form (uten å bryte<br />
bindinger). Isomerien er «optisk» fordi krystaller eller løsninger med rene former (D eller L)<br />
vil bryte lyset i hver si retning. D- (dextrorotarisk) betyr at lyset dreies mot høyre, L- (levorotarisk)<br />
betyr at lyset dreies mot venstre.<br />
En aldose med fire karbonatomer vil ha to asymmetriske C-er og 2 2 =4 mulige stereoisomeriske<br />
konfigurasjoner. På samme måte finnes det 2 3 =8 aldoser med fem karbonatomer<br />
(hvorav tre vil være asymmetriske), og 2 4 =16 sekskarbon-aldoser (fire asymmetriske karbonatomer).<br />
For å slippe altfor mange D-er og L-er etter hverandre har en valgt i gi egne navn til<br />
alle disse karbohydrater. Unntaket er de som varierer med hensyn til konfigurasjonen rundt<br />
det asymmetriske karbonatomet som ligger lengst bort fra aldehydgruppa. I heksosene er det<br />
karbonatom nr. 5. De karbohydratene som har samme konfigurasjon som D-glyseraldehyd på<br />
dette karbonet, vil være D-former; motsatt konfigurasjon gir L-former.<br />
I naturen forkommer nesten bare D-formene av karbohydrater (NB: dette gjelder altså<br />
karbohydrater, og <strong>ikke</strong> f.eks. aminosyrer der det er L-formene som dominerer), så når vi snakker<br />
om glukose mener vi i de aller fleste tilfeller D-glukose. I oppløst tilstand vil det for karbohydratene<br />
med 5 til 7 karbonatomer, f.eks. glukose, innstille seg en likevekt mellom<br />
kjedeform og ringform. Ringforma dannes ved en reaksjon internt i glukosekjeden, ved at<br />
det dannes et intramolekylært hemiacetal («halvacetal»).<br />
R C<br />
O<br />
H<br />
+ HO R' R C<br />
OH<br />
OR'<br />
aldehyd alkohol hemiacetal<br />
Ringforma dominerer, men hvert enkelt molekyl veksler så ofte mellom de to formene at også<br />
kjemiske reaksjoner som forutsetter kjedeforma, vil skje raskt. Denne seks-ringen kalles<br />
pyranose (nok et bidrag til den forvirrende karbohydratnomenklarturen!) – etter likheten med<br />
heteroaromaten pyran.<br />
Emil Fischer (1852–1919) har mye av æra (sammen med noen uvanlig hardt<br />
drevne «medarbeidere») for at strukturene til glukose, fruktose og mange<br />
andre karbohydrater ble oppklart på slutten av 1800-tallet. Arbeidet avtvinger<br />
fortsatt stor respekt – med enkle hjelpemidler løste han de mest innfløkte<br />
stereokjemiske spørsmål. Han fikk nobels kjemipris for 1902 – for<br />
sine arbeider med karbohydrater, puriner og enzymer.<br />
På samme måte dannes det intramolekylært hemiketal i fruktose, som er en ketose, og femringen<br />
kalles furanose – etter furan. Fruktose kan forresten også danne en pyranose-ring.<br />
– 12 –<br />
H
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
R<br />
R' C + HO R''<br />
O<br />
keton alkohol hemiketal<br />
– 13 –<br />
R'<br />
R<br />
C OR''<br />
OH<br />
Når ringen dannes oppstår det i hemiacetaler og hemiketaler ytterligere et asymmetrisk<br />
karbonatom, C-1 – det som normalt tegnes lengst til høyre i ringen. Hydroksygruppa kan<br />
befinne seg under eller over ringplanet. Disse to isomere formene kaller vi hhv. α- (under)<br />
og β-anomerer, og denne typen isomeri betegnes som anomeri.<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
HO<br />
Så egentlig veksler D-glukose mellom tre former: kjedeform, α-D-glukopyranose og β-D-glukopyranose.<br />
Walter Norman Haworth (1883–1950), som ble sir Norman etter at han vant<br />
nobelprisen i 1937, foreslo en projeksjon av karbohydratenes ringform som<br />
fortsatt brukes. Karbonatomene som inngår i ringen tegnes <strong>ikke</strong>, mens alle<br />
substituentene angis fullt ut og med retning i forhold til planet.<br />
Slike karbohydratringer kan opptre én og én, eller de kan slutte seg sammen til mer<br />
komplekse sukkerarter. Enkeltringer kalles monosakkarider, to ringer bundet sammen kalles<br />
disakkarider; tre danner et trisakkarid etc. Kjeder som består av noen få sukkermolekyler<br />
kalles oligosakkarider – grensene for «noen få» er <strong>ikke</strong> rigorøst definert, men er vel gjerne 3<br />
og ca. 10. Kjeder – lineære eller forgreinete – av mange sukkermolekyler benevnes polysakkarider.<br />
Dersom bare én sukkerart inngår snakker vi gjerne om homopolysakkarider, mens ei<br />
lenke av to eller flere ulike monosakkarid-enheter kalles et heteropolysakkarid.<br />
1.1.2 MONOSAKKARIDER<br />
CH 2 OH<br />
Haworth-projeksjonen er ei forenkling, for<br />
det er nok dessverre enda ei form for «isomeri»<br />
som vi bør kjenne til. Pyranoser kan<br />
forekomme i to romlige arrangementer,<br />
stol- og båtkonformasjon, som f.eks. for<br />
D-glukose.<br />
O<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
HO<br />
CH 2 OH<br />
H OH H OH<br />
α-D-glukose β-D-glukose<br />
HO<br />
CH2OH O HO HO<br />
HO<br />
OH<br />
OH HO<br />
HOH2C stolform båtform<br />
Årsaken er innlysende: bindingene fra et mettet karbonatom peker ut mot de fire hjørnene i et<br />
tetraeder, og kan derfor <strong>ikke</strong> klemmes ned på et flatt papir.<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
O<br />
OH
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
Det er litt vanskelig å se alle subtilitetene i ei todimensjonal framstilling, substituentene vil<br />
enten st<strong>ikke</strong> opp/ned (aksialt) eller rett ut fra planet i en gitt del av molekylet (ekvatorialt).<br />
Grupper som befinner seg aksialt på samme side av planet vil hindre hverandre sterisk, mens<br />
det er god plass for gruppene som er posisjonert ekvatorialt. I tilfellet β-D-glukose (β-Dglukopyranosid)<br />
vil alle de aksiale posisjonene være opptatt av H-atomer når molekylet er på<br />
stolform. Da vil de større hydroksylgruppene befinne seg i de mer romslige ekvatorialposisjonene.<br />
Denne glukose-konformasjonen er sterisk mer gunstig enn båt-konformasjonen.<br />
Furanose-ringen, som består av fem atomer – fire C- og ett O-atom, har såkalt konvoluttkonformasjon<br />
(«envelope form»). Fire atomer (hvorav O og de to C-ene som ligger<br />
nærmest O) danner en plan struktur og det femte st<strong>ikke</strong>r opp av planet som lukkeklaffen på en<br />
konvolutt.<br />
CH2OH OH OH OH<br />
O OH<br />
HOH2C H HO<br />
O CH2OH H<br />
CH2OH konvoluttform av β-D-fruktose<br />
OH H<br />
Haworth-projeksjon av β-D-fruktose<br />
Det finnes flere mulige konvoluttløsninger (ulike C-er st<strong>ikke</strong>r ut) og furanosekonformasjonen<br />
er derfor mer fleksibel enn pyranosenes (og særlig glukoses) temmelig fastlåste stolform.<br />
Glukose (druesukker) har ei særstilling i cellas biokjemiske nettverk – det vil vi få terpet<br />
sk<strong>ikke</strong>lig inn i løpet av kurset. Her er noen andre monosakkarider som det kan være godt å<br />
ha hørt navnet på:<br />
OH O<br />
H<br />
OH H<br />
H<br />
H OH<br />
α-D-galaktose<br />
H<br />
OH<br />
CH 2OH<br />
CH 2OH<br />
O<br />
H OH H<br />
H<br />
N-acetylglukosamin<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
NH<br />
C O<br />
CH 3<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
COOH<br />
O<br />
H OH H<br />
H OH<br />
glukuronsyre<br />
CH 2OPO 3<br />
O<br />
H OH H<br />
H OH<br />
glukose-6-fosfat<br />
– 14 –<br />
2–<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
CH 2OH<br />
CH 2OH<br />
O<br />
H OH H<br />
H<br />
glukosamin<br />
O<br />
H OH H<br />
H OH<br />
glukose-1-fosfat<br />
H<br />
NH 2<br />
OH<br />
H<br />
2–<br />
OPO3
OH O<br />
H<br />
OH H<br />
H<br />
H OH<br />
α-D-galaktose<br />
H<br />
OH<br />
CH 2OH<br />
CH 2OH<br />
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
O<br />
H OH H<br />
H<br />
N-acetylglukosamin<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
NH<br />
C O<br />
CH 3<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
COOH<br />
O<br />
H OH H<br />
H OH<br />
glukuronsyre<br />
CH 2OPO 3<br />
O<br />
H OH H<br />
H OH<br />
glukose-6-fosfat<br />
– 15 –<br />
2–<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
CH 2OH<br />
CH 2OH<br />
O<br />
H OH H<br />
H<br />
glukosamin<br />
O<br />
H OH H<br />
H OH<br />
glukose-1-fosfat<br />
H<br />
NH 2<br />
OH<br />
H<br />
2–<br />
OPO3 Galaktose er som glukose en heksose på aldehydform. Det skiller seg fra glukose bare i<br />
orienteringa av hydroksygruppa på karbonatom nummer 4. Galaktose er kanskje viktigst som<br />
komponent i visse glykoproteiner – altså proteiner med påhekta karbohydrater, og inngår<br />
dessuten i disakkaridet laktose (melkesukker).<br />
Fruktose (fruktsukker) er det viktigste av heksosene med ketogruppe, og det finnes særlig<br />
mye av det i planter. Det deltar i den generelle energimetabolismen (jfr. 6.1.2), og inngår<br />
sammen med glukose som en del av det viktige disakkaridet sukrose (rørsukker, 1.1.3).<br />
CH 2 OH<br />
C<br />
H C OH<br />
H<br />
C<br />
O<br />
OH<br />
CH 2 OH<br />
ribulose<br />
OH O H OH O H<br />
H H<br />
H H<br />
H<br />
OH<br />
Ribulose er en pentose med keto-gruppe på C-2, og det dannes derfor ingen ringer (4-ringer<br />
forekommer <strong>ikke</strong> i karbohydratkjemien). Ribulose i fosforylert form spiller en sentral rolle i<br />
fotosyntesen (8.3.1).<br />
Ribose er aldoseanalogen til ribulose, og er altså også en pentose. Som furanosering inngår<br />
ribose i RNA, mens den deoksiderte formen 2-deoksyribose er den del av DNA (1.3.1).<br />
Deoksyribose er et eksempel på karbohydrat som <strong>ikke</strong> følger den generelle formelen<br />
(CH2O)n. Og det finnes «verre» eksempler! For å gjøre det enklest mulig skal vi her bare<br />
vise noen varianter av glukose (se også 4.4.1):<br />
Glukuronsyre er en oksidert form av glukose der hydroksygruppa på C-6 er erstattet med ei<br />
karboksylsyregruppe.<br />
Glukosamin har ei aminogruppe på C-2 (i stedet for hydroksygruppa), og er på samme måte<br />
som galaktose en viktig karbohydratkomponent i enkelte glykoproteiner.<br />
OH<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
ribose 2-deoksyribose
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
N-Acetylglukosamin er en videre substituert form av glukosamin, der ei acetylgruppe<br />
(CH3CO) er bundet til aminogruppa.<br />
Disse litt aparte karbohydratvariasjonene inngår gjerne i spesielle heteropolysakkarider i<br />
celleveggene i bakterier, sopp og planter, og er av underordnet betydning for dette kurset<br />
(f.eks. polymeriserer acetylglukosamin gjennom β-1,4-bindinger til kitin som danner skall i<br />
reker, krabbe og flere insekter).<br />
Ei viktigere gruppe for oss er fosforylerte karbohydrater. Om vi fortsatt holder oss til<br />
glukose-slektninger er det særlig glukose-1-fosfat og glukose-6-fosfat som er viktige, og vil<br />
vil møte dem senere i forelesningsrekka. Fosfatholdige forbindelser er generelt energirike, og<br />
når glukose er fosforylert – har fått hengt på ei fosfatgruppe – er det tilført energi i forhold til<br />
det «nakne» glukosemolekylet. Dette er et viktig moment i cellas energimetabolisme og i<br />
forbindelse med syntese av glukosepolymerer.<br />
1.1.3 DI- OG OLIGOSAKKARIDER<br />
Monosakkarider kan knyttes sammen ved kondensasjon – avspalting av vann. Gjennom<br />
slike glukosidiske bindinger «fryses» den anomere forma fast i α- eller β-posisjon. Vi får<br />
f.eks. ei α-1,4-glykosidisk binding, eller ei β-1,4-glykosidisk binding – den siste med 180°<br />
dreining mellom hvert sukkermolekyl for å oppnå den posisjon som tillater kondensasjon. 1-<br />
og 4-tallene i bindingsbetegnelsen sier oss at bindinga går fra C-1 i det første sukker molekylet<br />
(det som er frosset i α- eller β-posisjon) til C-4 i det andre molekylet.<br />
Gluko- involverer glukose eller noe som likner glukose, mens prefikset glyko-<br />
brukes om noe som angår sukker generelt.<br />
Noen disakkarider:<br />
maltose glukose α-1,4 glukose<br />
isomaltose glukose α-1,6 glukose<br />
cellobiose glukose β-1,4 glukose<br />
gentiobiose glukose β-1,6 glukose<br />
trehalose glukose α-1,1 glukose<br />
laktose galaktose β-1,4 glukose<br />
sukrose glukose α-1,2-β-fruktose<br />
Av disse er alle unntatt sukrose såkalte<br />
reduserende sukker.<br />
– 16 –<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
CH 2 OH<br />
H<br />
O<br />
H OH H<br />
CH 2 OH<br />
H OH H<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
O H<br />
OH<br />
O<br />
H<br />
HO<br />
H<br />
maltose<br />
CH 2 OH<br />
O<br />
H OH H<br />
H OH<br />
H2O CH2OH H<br />
O<br />
H OH H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
CH 2OH<br />
H OH H<br />
O H<br />
H OH<br />
isomaltose<br />
CH 2OH<br />
H OH H<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
OH<br />
H<br />
H<br />
H O H<br />
CH2OH trehalose<br />
O H<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
O<br />
CH 2<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
OH<br />
H<br />
CH2OH H<br />
H<br />
OH<br />
O<br />
H<br />
O H OH H<br />
H<br />
OH<br />
H OH<br />
OH<br />
CH2OH OH O<br />
H<br />
OH H<br />
H<br />
OH<br />
CH 2OH<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
H<br />
H<br />
– 17 –<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
O<br />
H<br />
CH2OH O<br />
H<br />
O<br />
sukrose<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
CH 2OH<br />
O<br />
H OH H<br />
H OH<br />
cellobiose<br />
CH 2OH<br />
H<br />
H<br />
O<br />
H OH H<br />
H<br />
H OH<br />
laktose<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
OH<br />
CH2OH Reduserende sukker inneholder ei fri aldehyd- eller ketogruppe. De reduserer<br />
f.eks. Cu 2+ til Cu + – noe som brukes i en enkel indikatortest. For at et karbohydrat<br />
skal være reduserende må det foreligge på kjedeform med fri aldehyd-<br />
eller ketogruppe.<br />
1.1.4 POLYSAKKARIDER<br />
Polysakkarider er den vanligste formen for reservenæring i cellene hos både planter og dyr.<br />
Hos planter vil det ofte være den eneste forma for opplagsnæring. Dyr har gjerne polysakkarider<br />
som et lett tilgjengelig energilager, mens fett kan brukes når polysakkaridene er oppbrukt.<br />
Den vanligste reservenæringen i planter er stivelse, som er satt sammen av bare glukosemolekyler<br />
bundet med α-1,4-glukosidiske bindinger. Pga. bindingsvinkelen i α-1,4-bindingene<br />
vil stivelsemolekylet være formet som en spiral med relativt stor diameter. Glukosidiske<br />
bindinger kan i prinsippet dannes mellom hvilke som helst OH-grupper og i stivelse kan vi<br />
også finne noen α-1,6-bindinger. Uforgreinet stivelse (med bare α-1,4-bindinger) kalles<br />
amylose og består vanligvis av 100–300 glukoseenheter (15–50 kilodalton). Forgreinete<br />
molekyler (altså noen α-1,6-bindinger i tillegg til alle α-1,4-bindingene) kalles amylopektin.
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
I amylopektin vil det for hver 8–9 glukosemolekyl være festet ei sidekjede som gjerne er på<br />
15–25 glukoseenheter (typiske molekyler veier 500–1000 kilodalton). I noen arter vil en bare<br />
finne amylose, men andre vil ha ulike grader av amylopektin-innblanding.<br />
Glykogen er dyrecellenes analog til stivelse. Og egentlig er det samme stoff som amylopektin:<br />
en glukosepolymer med α-1,4- og α-1,6-bindinger. Forskjellen mellom glykogen og<br />
amylopektin ligger i molekylstørrelsen. Glykogen kan bestå av opp til 100,000 glukoseenheter,<br />
mer enn 15000 kilodalton. Dessuten er graden av forgreining større enn i amylopektin.<br />
Glykogen forekommer i særlig store mengder i leverceller.<br />
Polysakkarider har også viktige strukturelle funksjoner i planter. Plantecellas form og<br />
mekaniske styrke skriver seg fra polysakkarider – i dyreceller er det proteiner som har disse<br />
funksjonene. Særlig viktige er de polysakkaridene som inngår i celleveggen – i første rekke<br />
cellulose og pektin.<br />
Cellulose består som stivelse og glykogen bare av glukose, men glukoseenhetene er hektet<br />
sammen med β-1,4-bindinger. Disse uforgreinete molekylene er <strong>ikke</strong> spiralspunnet, men<br />
danner lange, rette (vel, snarere zikzakete) kjeder, som er innbyrdes stabilisert gjennom intermolekylære<br />
hydrogenbindinger og danner bunter med stor strekkfasthet (4.4.1).<br />
Sukkerartene som inngår i pektin («limet» som holder plantecellene sammen) er galakturonsyre<br />
og rhamnose. Pektinet består i første rekke av polygalakturonsyre og rhamnogalakturonaner.<br />
Begge disse polymerene er lineære, men på de siste kan i tillegg forekomme<br />
sidekjeder av ulik lengde. Rhamnogalakturonanene har derfor en mye mer heterogen<br />
struktur enn polygalakturonsyre – de er eksempler på heteropolysakkarider. (Se for øvrig<br />
avsnittet om celleveggen, 4.4.)<br />
Vi har bare nevnt noen av de «viktigste» karbohydratene – viktige i den forstand at de finnes<br />
i relativt store mengder. Men mange sukkerstoffer har essensielle funksjoner i cella selv<br />
om de forekommer i mindre konsentrasjoner. Stadig karakteriseres det nye karbohydrater – i<br />
mikroorganismer, planter og dyr – som finnes i små mengder (ofte helt ned i hormonkonsentrasjoner)<br />
og antakelig er viktige i samspillet mellom celler fra forskjellige organismer (infeksjon/forsvar)<br />
og mellom celler i en og samme organisme (differensiering/kommunikasjon).<br />
1.2 LIPIDER<br />
Lipidene er ei svært uensartet gruppe av biologiske molekyler som det er umulig å definere<br />
på en enkel måte. Den kanskje beste definisjonen baserer seg på løselighet. Lipidene løser<br />
seg lettere i <strong>ikke</strong>-polare løsemidler (f.eks. eter, kloroform, benzen) enn i vann.<br />
Lipidenes dårlige løselighet i vann henger sammen med at den overveiende delen av lipidmolekylene<br />
består av <strong>ikke</strong>-polare grupper som gir forbindelsene en hydrofob karakter (de<br />
«liker» <strong>ikke</strong> vann; hydrofile forbindelser, derimot, «liker» vann). Disse dominerende delene<br />
av lipidmolekylene er gjerne hydrokarbonliknende strukturer. Dette er, som vi senere skal se,<br />
meget viktige egenskaper i cellene. Av flere grunner:<br />
1. Lipidene ordner seg i vannavstøtende barrierer – membraner – som avgrenser<br />
cella fra omgivelsene, og danner ulike «rom» inne i cella.<br />
2. Lipidlagene inne i cella skaper de nødvendige omgivelser for kjemiske reaksjoner<br />
som <strong>ikke</strong> kan foregå i vandige løsninger; f.eks. elektronoverføringer i fotosyntesen<br />
og respirasjonen.<br />
– 18 –
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
3. Lipidene har en viktig rolle som energikilde og lagres i store mengder i spesielle<br />
celler som energiressurs.<br />
Mengden av lipider varierer svært mellom ulike vev, organer og organismer. I poteter er det<br />
0.2% – i enkelte nøttekjerner 70%.<br />
1.2.1 NØYTRALE LIPIDER/TRIGLYSERIDER (OLJER OG FETT)<br />
Nesten alle nøytrale lipider er satt sammen av alkoholen glyserol og forskjellige lange<br />
fettsyrer. Glyserol har tre alkoholgrupper som kan forestres av fettsyrene, men vi skal først<br />
se litt på selve syrene.<br />
Fettsyrene består av lange uforgreinede rekker av C-atomer, med ei karboksylsyregruppe i<br />
den ene enden. De fleste naturlig forekommende fettsyrer har et like antall C-atomer. Selv<br />
om vi finner noen få med oddetall i alle organismer, utgjør de alltid bare en liten del av det<br />
totale fettsyreinnholdet.<br />
Fettsyresyntesen skjer ved at acetyl-CoA (som vi skal få høre mye om senere)<br />
donerer si acetylgruppe (CH3CO) til ei stadig voksende karbonkjede. Ettersom<br />
acetylgruppa består av to karbonatomer, vil den ferdige fettsyra inneholde<br />
et like tall C-er.<br />
Kjedelengda varierer fra 4 til 24 C-atomer – 16 til 18 C-atomer dominerer, men lengder<br />
mellom 14 og 22 er også vanlige. Noen sentrale fettsyrer:<br />
palmitinsyre CH3(CH2)14COOH, totalt C16H32O2<br />
stearinsyre CH3(CH2)16COOH, totalt C18H36O2<br />
oljesyre CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH, C18H34O2<br />
Palmitinsyre (et litt mer «offisielt» navn er n-heksadekansyre) og stearinsyre (n-oktadekansyre)<br />
dominerer i mange biologiske systemer, uten at en riktig vet hvorfor. Når vi har<br />
maksimalt antall hydrogenatomer på karbonkjeden, snakker vi om mettede fettsyrer.<br />
Umettede fettsyrer inneholder ei eller flere dobbeltbindinger. Oljesyra (cis-9-oktadekansyre)<br />
ovenfor er et eksempel. Mettede fettsyrer har en rett «hale», men ei dobbeltbinding fører til<br />
en knekk på halen. Disse knekkene gjør at umettede fettsyrer er mindre organisert i pakkinga<br />
i biologiske strukturer (membraner) og derfor mer «flytende» ved fysiologiske temperaturer.<br />
Et forenklet system for å holde fettsyre fra hverandre er å betegne dem med to<br />
tall. Palmitinsyre har f.eks. tallkoden 16:0, stearinsyre 18:0, og oljesyre<br />
18:1. Det første tallet indikerer antall C-atomer i syra, og det andre tallet<br />
viser til antall dobbeltbindinger.<br />
Forestring er dannelse av en ester gjennom reaksjon mellom ei syre og en primær<br />
eller sekundær alkohol.<br />
RCOOH + R’OH → RCOOR’ + H2O<br />
Glyserol har tre hydroksygrupper (OH-grupper) og kan derfor danne triglyserider (moderne<br />
språkbruk tilsier egentlig at vi burde kalle dem triacylglyseroler, men gammel vane er vond å<br />
– 19 –
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
vende…). De tre fettsyrene i et triglyserid kan være like (enkle triglyserider) eller<br />
forskjellige (sammensatte triglyserider, som er det vanlige). Vi kan derfor få et meget stort<br />
antall kombinasjoner mellom fettsyrer og glyserol. Hos fisk finner vi minst 20 ulike fettsyrer<br />
bundet til glyserol. Dette gir mer enn 1500 kombinasjonsmuligheter. Hver art har som regel<br />
en karakteristisk fettsyresammensetning som varierer noe med diett, alder og årstid.<br />
Essensielle fettsyrer er fettsyrer som pattedyr må få tilført gjennom kosten for<br />
at de skal utvikle seg normalt. Det finnes minst tre slike: arakidonsyre<br />
(20:4), linolensyre (18:3) og linolsyre (18:2). Egentlig behøver vi bare den<br />
siste av dem – vi kan nemlig omdanne den til de andre. Disse tre fettsyrene<br />
er flerumettede og gunstige i kostholdet. Vanlig margarin er behandlet slik at<br />
den <strong>ikke</strong> inneholder umettede fettsyrer, mens soyamargarin er spesielt rik på<br />
linolsyre.<br />
Viskositeten til fettsyrene (dvs. hvor flytende de er som væsker – økende viskositet vil si mer<br />
seigtflytende) og glyseridene øker med lengda på halen. Triglyserider som er flytende ved<br />
biologiske temperaturer kalles oljer, de som er halvfaste og faste stoffer kalles fett.<br />
Mesteparten av oljene og fettet er lagret inne i cellene. Dette er den mest konsentrerte forma<br />
for lagret energi. Voks, som er estere av svært lange fettsyrer og glyserol (og andre<br />
alkoholer) er fast og finnes vanligvis på utsida og overflata av cellene. Her danner de et<br />
beskyttende lag mot f.eks. vanntap eller mot infeksjon av andre organismer.<br />
Fettherding (fetthydrering, fetthydrogenering) reduserer dobbeltbindingene i<br />
umettede triglyserider. Industrielt varmes oljen opp til omlag 200°C ved 2-<br />
10 atm. trykk i nærvær av n<strong>ikke</strong>l som katalysator. Prosessen stoppes når<br />
oljen er blitt til fett med den ønskede hardhet. Gjennom videre raffinering av<br />
produktet får en margarin – men altså <strong>ikke</strong> av den helt gunstige sorten…<br />
Triglyserider er vanligvis <strong>ikke</strong> byggesteiner i membraner. De brukes som et konsentrert<br />
energilager og inneholder faktisk dobbelt så mye energi pr vektenhet som karbohydrater og<br />
proteiner. Ved behov brytes triglyseridene ned til glyserol og frie fettsyrer. Fettsyrene transporteres<br />
med blodet (ved hjelp av at transportprotein) til de vev eller organer som trenger energitilførsel.<br />
Der brytes fettsyrene ned i en prosess som kalles β-oksidasjon (fettsyreoksidasjon)<br />
og som utvinner ATP – cellenes «energivaluta».<br />
Nøytrale lipider forekommer i store mengder i de reproduktive delene (pollen og frø) av<br />
mange plantearter og nyttiggjøres som matressurs av det voksende embryoet.<br />
Såper er metallsalter (som regel Na eller K) av fettsyrer. Når et triglyserid<br />
kokes i lut (forsåpning) dannes glyserol og tre «såpe-anioner». I analytisk<br />
sammenheng kan reaksjonen brukes til å finne ut hvilke fettsyrer som inngår i<br />
et triglyserid, men den gir ingen informasjon om syrene innbyrdes plassering<br />
(binding til C-atom nummer 1, 2 eller 3 i glyserol – posisjon 1 og 3 er forresten<br />
identiske). Såpenes nyttige egenskaper skyldes at ett og samme molekyl<br />
kombinerer ei lang hydrokarbonkjede, som løser opp fettforbindelser, med ei<br />
polar syregruppe, som gir stor løselighet i vann.<br />
– 20 –
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
Dersom en ønsker å kjenne posisjonene til de enkelte fettsyrene i et sammensatt<br />
triglyserid, kan en bruke en lipase (navnet indikerer et enzym som degraderer<br />
fett) fra bukspyttkjertelen som bare bryter ned esterbindingene i posisjon 1 og<br />
3. Resultatet er et monoglyserid med fettsyra festet til C-2 i glyserolmolekylet,<br />
og dette glyseridet kan så hydrolyseres med lut.<br />
1.2.2 FOSFOLIPIDER<br />
Fosfolipidene er svært viktige som strukturelementer i cellemembraner, men finnes bare i<br />
små mengder i lipiddepoter. Fosfolipidene likner på triglyseridene. I de mest vanlige fosfolipidene<br />
er triglyseridstrukturen forandret ved at ei av fettsyrene er erstattet med ei fosfatgruppe.<br />
Disse fosfolipidene kalles fosfoglyserider. Fosfatgruppa er alltid knyttet til ei av<br />
endekarbonene i glyserol – og det fosfatsubstituerte karbonatomet gis nummer 3. Fosfatgruppa<br />
er i sin tur bundet til en annen kjemisk gruppe – ofte en nitrogenholdig alkohol.<br />
Fosfatgruppa danner altså ei «bru» mellom nitrogen-alkoholen og glyserol. Glyserol med<br />
fosfatgruppe og to fettsyrer benevnes fosfatidyl.<br />
Fosfatidylkolin er en av hovedkomponentene i cellemembraner. Siden fettsyra på C-atom<br />
nr. 1 og 2 kan variere, representerer fosfatidylkolin ei gruppe av molekyler. Et annet navn på<br />
fosfatidylkolin er lecithin.<br />
fosfatidylserin<br />
fosfatidylkolin<br />
fosfatidyletanolamin<br />
– 21 –<br />
C O CH<br />
H 2C O P O<br />
O<br />
O<br />
C O<br />
–<br />
O<br />
O<br />
CH 2<br />
C O CH<br />
H 2C O P O<br />
O –<br />
O<br />
O<br />
O<br />
C O CH 2<br />
C O CH<br />
H 2C O P<br />
O<br />
O<br />
–<br />
O<br />
O<br />
+<br />
NH 3<br />
CH 2 CH<br />
COO –<br />
CH 3<br />
CH 2 CH 2<br />
+<br />
N CH 3<br />
CH 2 CH 2<br />
Andre viktige fosfoglyserider er fosfatidyletanolamin, fosfatidylserin (også glyserider med<br />
andre aminosyrer kan påtreffes, men serinversjonen forekommer klart hyppigst) og fosfatidylinositol.<br />
De to siste inneholder <strong>ikke</strong> alkoholer og fosfatidylinositol har heller <strong>ikke</strong> noe<br />
nitrogenatom (inositol er heksahydroksy-sykloheksan – en sukkerbeslektet alkohol med ringstruktur).<br />
Fosfolipidene har en tosidig løselighet ved at alkohol/fosfat-gruppa er polar og hydrofil,<br />
mens fettsyrekjeden derimot er upolar og hydrofob. Molekylet har altså en hydrofil og en<br />
hydrofob ende. Den hydrofile enden kan også ha en netto ladning ved fysiologisk pH (fosfatgruppa<br />
er negativt ladet ved pH 7). I fosfatidylkolin og fosfatidylserin inneholder det polare<br />
«hodet» et zwitterion (dipolart ion), mens fosfatidyletanolamin – selv om det <strong>ikke</strong> har et<br />
zwitterion – kan opptre i ulike (positive eller negative) ioniserte eller ladete former.<br />
O<br />
C<br />
O<br />
CH 2<br />
CH 3<br />
+<br />
NH 3
1.2.3 SFINGOLIPIDER<br />
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
Sfingolipidene likner på fosfolipidene, men inneholder sfingosin (dyr) eller fytosfingosin<br />
(planter) i stedet for glyserol. I animalske organismer forekommer disse lipidene særlig i<br />
hjerne- og nervevev.<br />
HO<br />
HO<br />
NH 3 +<br />
sfingosin<br />
HO<br />
O<br />
HO<br />
N<br />
...<br />
H ceramid<br />
De vanligste sfingolipidene i dyr er de såkalte sfingomyelinene, der sfingosin er bundet til ei<br />
fettsyre (denne konstruksjonen kalles ceramid) og videre til fosfor pluss kolin. Sfingomyelinenes<br />
egenskaper er mer eller mindre sammenfallende med fosfatidylkolins – de har ingen<br />
netto ladning i den polare delen.<br />
H 3 C<br />
CH 3<br />
+<br />
N<br />
CH 3<br />
HO<br />
H<br />
O<br />
CH2OH O<br />
H<br />
OH H<br />
H<br />
OH<br />
O<br />
P<br />
O –<br />
H<br />
O<br />
O<br />
HO<br />
HO<br />
O<br />
N<br />
sfingomyelin<br />
N<br />
O<br />
galaktosylcerebrosid<br />
Ei anna gruppe sfingolipider er glykosfingolipidene – enklere og vanligere kalt glykolipider<br />
– der sfingomyelinenes fosforylkolin er erstattet med et sukkermolekyl. Til denne gruppa<br />
hører cerebrosidene som inneholder galaktose eller glukose. Galaktosylcerebrosid finnes<br />
særlig i plasmamembranen i nerveceller, mens glukosylcerebrosid inngår i plasmamembranen<br />
i andre celletyper. Cerebrosidstrukturen er <strong>ikke</strong> entydig definert. Fettsyra består av 24 C-atomer,<br />
men den kan inneholde enten ei dobbeltbinding eller ei hydroksygruppe. Ytterligere en<br />
cerebrosidvariasjon kalles sulfatider. De har ei sulfatgruppe bundet til galaktosen.<br />
– 22 –<br />
...<br />
...
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
H 3C<br />
C<br />
O<br />
H<br />
NH O<br />
R<br />
H H<br />
OH<br />
OH<br />
H<br />
– 23 –<br />
COOH<br />
OH<br />
H<br />
H<br />
R=<br />
C OH<br />
C OH<br />
CH2OH sialinsyre<br />
Glykolipidenes sukkerkomponent er ofte oligosakkarider, med opptil 15 monosakkaridenheter<br />
– enten av nøytrale sukker eller av ladete forbindelser, som f.eks. sialinsyre (N-acetylneuraminsyre).<br />
Disse mer komplekse sfingolipidene kalles gangliosider (opp mot 50 ulike<br />
er beskrevet) og det er spesielt mye av dem i membranene i hjernevev – opp til 10% av<br />
membranfettet.<br />
1.2.4 STEROIDER OG KAROTENOIDER<br />
Til nå har vi sett på lipider der fettsyrer inngår i strukturen. Det finnes noen stoffgrupper med<br />
lipidkarakter som <strong>ikke</strong> inneholder fettsyrer. Karotenoider (også kalt tetraterpener) finnes i<br />
planter (forekomster i dyr skriver seg mest sannsynlig fra diettinntak) og består i de fleste tilfeller<br />
av 40 karbonatomer med konjugerte bindingssystemer (vekslende enkelt- og dobbeltbindinger).<br />
De har funksjoner bl.a. knyttet til strålingsabsorpsjon (fotosyntese, UV-beskyttelse).<br />
Steroider finnes i såvel dyr som planter (steroler er steroider med ei eller flere OH-grupper,<br />
altså alkoholer). Gruppa er heterogen både med hensyn til struktur (slett <strong>ikke</strong> bare forbindelser<br />
med fettkarakter) og funksjon (bl.a. fungerer flere steroider som hormoner i animalske<br />
celler – særlig kjønnshormoner). Vi skal her bare nevne det viktigste: kolesterol.<br />
HO<br />
CH 3<br />
CH 2<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
kolesterol<br />
CH 3<br />
kolecalciferol (vitam in D ) 3<br />
HO<br />
Kolesterol består av 27 karbonatomer og har «tosidig» løselighet: i vann på grunn av ei hydroksylgruppe,<br />
og i fett på grunn av et upolart ringsystem. Kolesterol forekommer derfor i<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
CH 3
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
membranene til eukaryote celler, særlig i plasmamembranen. Det er også startmaterial for<br />
biosyntese av gallesyrer, steroidhormoner og vitamin D.<br />
Så viktig er kolesterol at det har «fått» mer enn et dusin nobelpriser. Først ute<br />
var tyskeren Adolf Windaus (1876–1959) med kjemiprisen i 1928. Han<br />
brukte omlag 30 år på å uteske strukturen. På veien slumpet han bort i mange<br />
andre steroider, bl.a. D-vitaminene.<br />
1.3 NUKLEINSYRER<br />
Nukleinsyrene ble første gang isolert fra cellekjerner – derav navnet (nukleus = kjerne). De<br />
er høymolekylære syrer som styrer cellas lagring og overføring (meiose og mitose) av<br />
genetisk informasjon, og iverksetting av arvegodsets direktiver (transkripsjon og translasjon)<br />
til biologisk handling. De to hovedforbindelsene er deoksyribonukleinsyre (DNA) og<br />
ribonukleinsyre (RNA). DNA og RNA skiller seg fra hverandre når det gjelder såvel kjemi<br />
som den rolle de spiller i cella. Begge er linære polymerer av nukleotider, der nukleotidenes<br />
rekkefølge er essensielle for syrenes rolle som informasjonsbærere.<br />
DNA er informasjonslageret, mens RNA skrives av fra DNA i flere ulike former, mRNA,<br />
tRNA og rRNA som samvirker under oversettelsen av den genetiske informasjonen til et<br />
funksjonelt protein.<br />
1.3.1 GENERELL NOMENKLATUR OG KJEMI<br />
Som navnene indikerer består en av de kjemiske forskjellene mellom de to typene av nukleinsyrer<br />
i at RNA inneholder sukkerarten ribose, mens DNA inneholder en nær slektning, deoksyribose<br />
(merk nummereringa!).<br />
5' CH2OH O<br />
4'<br />
H<br />
H<br />
3'<br />
OH<br />
H<br />
H<br />
2'<br />
OH<br />
OH<br />
CH2OH O<br />
1'<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
β-D-ribose β-D-deoksyribose<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
– 24 –<br />
5<br />
4<br />
6<br />
N<br />
3<br />
N 1<br />
2<br />
N<br />
N<br />
3<br />
pyrimidin purin<br />
1<br />
2<br />
6<br />
5<br />
4<br />
N 7<br />
8<br />
N 9<br />
H<br />
I tillegg til sukkeret, og langt viktigere, inneholder nukleinsyrene et antall organiske baser<br />
avledet fra purin og pyrimidin. (Merk nummereringa, selv om den <strong>ikke</strong> er fullt så viktig som<br />
i karbohydratdelen.) Purinbasene er adenin (A) og guanin (G), mens cytosin (C), thymin<br />
(T) og uracil (U) er derivater av pyrimidin. Thymin forekommer kun i DNA, mens uracil<br />
bare finnes i RNA – de andre basene finnes i begge nukleinsyrene. (Dessuten forekommer<br />
det noen sjeldne baser som elegant kan tillate oss å glemme). Sukkermolekylene (ribose/deoksyribose)<br />
er bundet til basene med β-glukosidiske bindinder. I begge syrene inngår dessuten<br />
fosfatgrupper; det er de som står for A-en i DNA og RNA – A for «acid», fosfat er surt<br />
ved fysiologisk pH.<br />
Som sagt er nukleinsyrene polymerer av nukleotider. Men først bør vi kanskje definere et<br />
annet begrep: nukleosid. Nukleosider er kombinasjoner av baser (puriner eller pyrimidiner)
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
og karbohydrater (ribose eller deoksyribose). Koplinga er mellom ribosens karbon nummer 1<br />
og nitrogenet i 9- eller 1-posisjon i hhv. purin- eller pyrimidinbasen.<br />
Nukleosidene produseres <strong>ikke</strong> gjennom sammenkopling av fritt sukker og fri<br />
base. De syntetiseres fra de korresponderende nukleotider – ved frakopling<br />
av fosfat. Det er nukleotidene (med fosfat) som er sluttproduktet i syntesen<br />
fra enkle småmolekylære byggesteiner, og i den prosessen inngår ribosefosfat.<br />
Mye mer om dette på genetikkdelen av kurset…<br />
Nukleosidene har navn etter de basene de er avledet av: adenin → adenosin, cytosin →<br />
cytidin, guanin → guanosin, thymin → thymidin, uracil → uridin. Nukleotidene er altså<br />
monofosforylerte nukleosider. De betyr at det på sukkerkarbon nummer 5 sitter ei fosfatgruppe.<br />
Det finnes også nukleosid-di-fosfater og nukleosid-tri-fosfater, med energirike<br />
fosfoanhydridbindinger mellom ytterligere ei eller to kjedekopla fosfogrupper i 5-posisjon.<br />
Nomenklaturen er grei nok: tre bokstaver der den første (A, G, C, T eller U) gir nukleosidet<br />
(A kan altså bety både «adenin» og «adenosin», o.s.v.), den andre (M, D eller T) angir graden<br />
av fosforylering (mono-, di-, tri-), og den tredje (P) ganske enkelt står for fosfat. Når det er<br />
tale om deoksyribose-baserte forbindelser, settes det en liten «d» foran trebokstavkoden:<br />
dAMP, dCTP, etc. Nukleotidene, monomerene, er byggesteinene i nukleinsyrene, polymerene.<br />
RNA:<br />
DNA:<br />
base<br />
ribose<br />
nukleotid<br />
O<br />
O<br />
P O<br />
O –<br />
O<br />
nukleotid<br />
– 25 –<br />
nukleosid<br />
deoksyribose O P O deoksyribose O P O deoksyribose O P O<br />
O –<br />
base<br />
ribose<br />
O<br />
O<br />
P O<br />
O –<br />
nukleosid<br />
base<br />
ribose<br />
O<br />
O –<br />
O<br />
O<br />
P O<br />
Ryggraden utgjøres av sukker og fosfat og bindingene – fosfodiesterbindingene – mellom<br />
fosfatgruppene og (deoksy)ribosemolekylenes 3- og 5-karbon. Vi har allerede nevnt noen av<br />
skilnadene mellom DNA og RNA. DNA-sukkeret er deoksyribose, mens RNA inneholder<br />
ribose; og DNA har thymin i stedet for RNAs uracil, mens de øvrige basene er felles. Vi skal<br />
alt nå være oppmerksom på at nukleinsyrene har to ender, eller – dersom molekylet er ringformet<br />
– to retninger. Vi snakker om 3’- og 5’-endene. Når informasjonen på DNA-molekylet<br />
leses, skjer det i retninga fra 5’ til 3’ – og retninga kalles noe slangaktig for «nedstrøms»<br />
(downstream, motsatt: upstream, «oppstrøms»).<br />
O –<br />
O<br />
O –
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
Vi skal se på noen andre forskjeller mellom de to typene av polynukleotider, DNA og<br />
RNA; men hovedbehandlinga av dette stoffet tas på genetikkdelen.<br />
1.3.2 DNA<br />
Hvilke biologer vil huskes fra dette århundret – på samme måte som Linné og Darwin fra de<br />
to foregående? Et godt tips vil nok være James Watson (1928–) og Francis Crick (1916–).<br />
For noen dagers pusling med pappmodeller på skrivebordet – satt litt på spissen. De klarte å<br />
forene alle kjente data om DNAs kjemiske og fysikalske egenskaper til en strukturmodell<br />
som i det alt vesentlige har gyldighet fortsatt. De oppdaget at DNA <strong>ikke</strong> kommer som enkeltforpakning.<br />
To og to DNA-polymerer går sammen; DNA er et dobbeltmolekyl av to spiraler<br />
som er viklet rundt en felles akse. Det er H-bindinger mellom basene som binder de to<br />
nukleotidstrengene sammen. Av romlige grunner, vil adenin bare kunne danne H-binding<br />
med thymin, og guanin bare med cytosin. Derfor vil adenin på den ene strengen alltid være<br />
paret med thymin på den andre, og tilsvarende for guanin og cytosin.<br />
5'<br />
O<br />
O –<br />
O P<br />
O<br />
CH 2<br />
H<br />
H<br />
O<br />
O<br />
H<br />
O<br />
O P O –<br />
CH 2<br />
H<br />
O<br />
O P O –<br />
O<br />
CH 2<br />
H<br />
H<br />
H<br />
O<br />
H<br />
O<br />
3'<br />
H<br />
H<br />
H<br />
O<br />
CH 3<br />
T<br />
N<br />
H<br />
H<br />
H<br />
N<br />
O<br />
H<br />
N<br />
N<br />
O<br />
N<br />
H<br />
H<br />
N<br />
H<br />
N<br />
N<br />
H<br />
H<br />
– 26 –<br />
O<br />
N<br />
N<br />
H<br />
A<br />
N<br />
H N T<br />
N<br />
N<br />
N<br />
A<br />
O<br />
H<br />
H<br />
CH 3<br />
H<br />
O<br />
H<br />
H<br />
H<br />
O H<br />
N<br />
H<br />
G<br />
N H N C<br />
N<br />
N<br />
N H O<br />
H<br />
3'<br />
O<br />
H<br />
O<br />
O<br />
H<br />
H<br />
H<br />
CH 2<br />
O<br />
P<br />
O<br />
H<br />
O<br />
O<br />
O –<br />
H<br />
CH 2<br />
O<br />
P<br />
O<br />
H<br />
O<br />
O –<br />
H<br />
CH 2<br />
O<br />
P<br />
O<br />
5'<br />
O –
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
Adenin er komplementær base til thymin, og guanin komplementær base til cytosin. I hvert<br />
av disse to parene inngår altså en pyrimidinbase og en purinbase. Plassen tillater <strong>ikke</strong> at to<br />
purinbaser koples sammen, mens to «små» pyrimidinbaser kommer så langt fra hverandre at<br />
det <strong>ikke</strong> oppstår noen elektrostatisk attraksjon. Mellom adenin og cytosin, og mellom thymin<br />
og guanin, er det strengt romlige kravet oppfylt – det dreier seg i begge tilfelle om purin-pyrimidin-par<br />
– men det kan <strong>ikke</strong> etableres H-bindinger. De elektrostatiske forhold tilsier tvertimot<br />
at disse basene vil frastøte hverandre. Slike romlige betraktninger kommer dårlig fram<br />
på en todimensjonal figur. Dobbeltstrengen er egentlig en dobbeltspiral (dobbeltheliks). De<br />
to kjedene er antiparallelle (de løper i motsatte retninger – merk 5’-3’-retningene) og komplementære<br />
(til hver A hører det en T, til hver C en G). Hver «tvinning» er 3.4 nm lang, og<br />
består av ca. 10 basepar. Ryggradene av sukker og fosfat inneholder polare hydroksylgrupper<br />
og er hydrofile. De vender ut fra dobbelheliksen og interagerer slik mest mulig med det vandige<br />
miljøet som DNA befinner seg i. De aromatiske purin og pyrimidinbasene har mindre<br />
affinitet for vann – de er hydrofobe – og orienterer seg innover og kan danne de parene som<br />
vi har sett er så viktige.<br />
1.3.3 RNA<br />
RNA-strukturen er også avhengig av baseparing – men i mye mindre grad. RNA er en<br />
enkeltstående polynukleotid, altså ingen dobbeltspiral à la DNA. Baseparing forekommer<br />
derfor bare mellom komplementære områder av den samme polymeren, og bidrar dermed til å<br />
gi RNA dens form. Denne typen av basepar-avhengig struktur er sk<strong>ikke</strong>lig forstått bare for<br />
tRNA.<br />
Det finnes altså tre typer av RNA,<br />
1. mRNA – meldings-RNA («messenger» RNA): avskrifter av genene på DNA som<br />
sendes fra kjerne og ut i cytosol der de brukes som «oppskrifter» for proteinsyntesen.<br />
mRNA har gjerne molekylvekter fra 100 000 til 1 000 000, og det er én type<br />
mRNA for hvert protein.<br />
2. rRNA – ribosom-RNA: skrives av DNA (i nukleolene 3.1.3), transporteres ut i<br />
cytosol og danner (sammen med proteiner) ribosomene som fører sammen aminosyrene<br />
i den rekkefølgen som mRNA foreskriver. rRNA forekommer i noen få<br />
varianter, med molekylvekter rundt 1 000 000.<br />
3. tRNA – transport-RNA («transfer» RNA): føres også ut i cytosol etter at det er<br />
skrevet av DNA. Til tRNA bindes aminosyrene som skal koples sammen under<br />
proteinsyntesen, og derfor finnes det ei eller flere ulike tRNA for hver av de 20<br />
aminosyrene som inngår i proteiner. Molekylvektene er i størrelsesorden 25 000.<br />
1.4 PROTEINER<br />
Proteiner er ei svært kompleks gruppe av nitrogenholdige forbindelser. De inngår i de aller<br />
fleste cellestrukturer. Ei gruppe proteiner, enzymene, har evnen til å katalysere kjemiske<br />
reaksjoner. Med (stort sett) ett spesifikt enzym for hver enkelt kjemisk reaksjon i cella, må<br />
hver celle ha et stort antall ulike enzymer som har hver sin katalytiske funksjon.<br />
– 27 –
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
Det meste av proteinet i en organisme som mennesket er likevel såkalte strukturelle proteiner<br />
– de gir vev som hud, muskler, bein, sener, hår, nagler sin karakteristiske substans.<br />
Om du henger opp en menneske til tørk (og dermed fjerner 80% vann), er det aller meste som<br />
tynger i stroppa proteiner, og selvfølgelig litt fett. Eksempler på strukturelle proteiner:<br />
kollagen (bein, sener, leddband, hud), keratin (hår, hud, negler; fjær, nebb, klør hos fugler og<br />
krypdyr), fibroin (silke), myosin og aktin (begge i muskler).<br />
1.4.1 AMINOSYRENE<br />
Proteinene er makromolekyler – polymerer – med aminosyrer som monomerer. Det finnes<br />
omlag 100 aminosyrer i naturen (de fleste bare i planter), men vi regner med bare 20 ulike<br />
aminosyrer i proteiner. Den generelle aminosyreformelen:<br />
NH 2<br />
R C H<br />
COOH<br />
– 28 –<br />
der R kan være 20 ulike substituenter.<br />
Navnet følger logisk av aminogruppa og syregruppa. Dessuten har vi sidegruppa<br />
(sidekjeden). Vi støter av og til på begrepet α-aminosyre som mer eller mindre synonymt<br />
med aminosyre. Det betyr at aminogruppa henger på α-karbonet, regnet fra karboksylsyregruppa.<br />
Dersom den er festa til et eventuelt neste karbonatom, snakker vi om β-aminosyrer<br />
(etc.: γ, δ).<br />
I den generelle formelen har vi tegnet et uladet molekyl – aminogruppa er <strong>ikke</strong> protonisert<br />
og syregruppa er <strong>ikke</strong> dissosiert. I denne forma forekommer aminosyrer bare i læreboka og<br />
på tavla. Men det er i vann de trives best – og vann har en eller annen pH-verdi. Ved midlere<br />
pH-verdier, fra ca. 4 til ca. 9, er begge gruppene mer eller mindre ladet. Ved pH under 4 blir<br />
syregruppa protonisert til –COOH, og ved pH over 9 taper ammoniumgruppa et hydrogen,<br />
og blir til ei aminogruppe. Disse egenskapene gjør aminosyrene til det vi kaller zwitterioner<br />
(tysk for hybrid-ioner, dipolare ioner). Dobbeltionet medfører selvsagt generelt stor vannløselighet,<br />
selv om sidekjeden også har mye å si. Aminosyrer i krystallinsk form er også<br />
zwitter-ioner.<br />
Vi ser fortsatt bort fra R-en, og det gjør vi enklest ved å se på den aminosyra som <strong>ikke</strong> har<br />
noen R: glycin – dvs. R er et kovalent bundet hydrogenatom, et null i elektrisk sammenheng.<br />
Ved lav pH vil glycin altså være positivt ladet og vandre mot katoden i et elektrisk felt. Ved<br />
høy pH vil den være negativt ladet og vandre mot anoden. Ved å justere pH i løsninga vil vi<br />
se at når pH er 6.1, vil glycin <strong>ikke</strong> migrere i det hele tatt. Denne pH-verdien er aminosyras<br />
isoelektriske punkt. Isoelektrisk punkt for aminosyrer er selvsagt sterkt avhengig av hvilke<br />
funksjonelle grupper som finnes på sidekjeden. Generelt: Ved syregrupper (asparaginsyre,<br />
glutaminsyre): isoelektrisk punkt ved lav pH; ved basiske grupper (lysin, arginin): isoelektrisk<br />
punkt ved høy pH. Isoelektrisk punkt er også en viktig fysikalsk egenskap ved hele proteiner,<br />
som vi nyttiggjør oss av til proteinseparasjon (elektroforese, ionebytterkromatografi).<br />
α-Karbonet i aminosyra (unntatt glycin) er asymmetrisk (1.1.1). Det finnes altså to mulige<br />
stereoisomere former av alle aminosyrer: L og D. I naturen forekommer det ei og anna D-syre,<br />
i noen bakterier inngår sågar noen D-aminosyrer i proteiner (som er giftige for andre bakterier
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
og brukes som antibiotika). Men i eukaryote organismer er alle aminosyrene i proteiner av<br />
L-typen.<br />
Til nå har vi snakket om aminosyrer som om det nærmest skulle være en enkelt kjemisk<br />
forbindelse. Det er det slett <strong>ikke</strong>. De 20 R-ene er vidt forskjellige.<br />
Aminosyrene kan klassifiseres etter sidegruppene på mange måter, f.eks. alifatiske/aromatiske/heterosykliske,<br />
eller neutrale/sure/basiske. Men ei mer fruktbare gruppering er i hhv<br />
upolare, polare og elektrisk ladete. Elektrisk ladet vil si at ved fysiologisk pH (dvs. i levende<br />
celler: pH ca. 7 i dyreceller, noe lavere i planteceller) har syra ei netto ladning (i tillegg<br />
til de to på ammonium og karboksyl som slår hverandre ut). Med den kvasikjemiske kunnskap<br />
som gjennomsnittsbiologer har, finner vi ut at de upolare R-ene er hydrofobe – fettlignende<br />
– mens de polare og ladete gruppene er hydrofile – de liker best i selskap med vann.<br />
upolare R-grupper:<br />
polare, uladete R-grupper:<br />
glycin (gly)<br />
H<br />
serin (ser)<br />
CH 2 OH<br />
alanin (ala)<br />
valin (val)<br />
leucin (leu)<br />
isoleucin (ile)<br />
metionin (met)<br />
fenylalanin (phe)<br />
tryptofan (trp)<br />
CH 3<br />
CH CH3 CH3 CH2 CH CH3 CH3 CH CH3 CH2 CH3 CH2 CH2 S CH3 CH 2<br />
CH 2<br />
Hver aminosyre har en trebokstavkode<br />
(f.eks. val, ser,<br />
asp) som for de fleste er de tre<br />
første bokstavene i trivialnavnet.<br />
Mye brukt er også én-bokstavkoden<br />
(f.eks. V, S, D) som<br />
er plassbesparende ved oppramsing<br />
av lange aminosyresekvenser.<br />
R<br />
N<br />
H<br />
NH 2<br />
C<br />
H<br />
H<br />
– 29 –<br />
treonin (thr)<br />
cystein (cys)<br />
tyrosin (tyr)<br />
asparagin (asn)<br />
glu tam in (gln )<br />
ladete R-grupper:<br />
asparaginsyre (asp)<br />
glu taminsyre (glu )<br />
lys in (lys)<br />
NH 2<br />
C<br />
arginin (arg)<br />
histidin (his)<br />
R<br />
COOH COOH<br />
L-form D-form<br />
CH 2 C O<br />
CH CH 3<br />
OH<br />
CH 2 SH<br />
CH 2<br />
CH 2 C O<br />
NH 2<br />
CH 2 CH 2 C O<br />
O –<br />
NH 2<br />
OH<br />
CH 2 CH 2 C O<br />
O –<br />
+<br />
CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 NH 3<br />
NH<br />
CH 2 CH 2 CH 2 NH C +<br />
NH 3<br />
CH 2<br />
HN<br />
NH<br />
+
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
Menneskekroppen er selv i stand til å produsere 10 av de 20 aminosyrene, mens vi må få tilført<br />
de 10 andre gjennom kosten (eller piller). De 10 som vi <strong>ikke</strong> lager selv kalles essensielle<br />
aminosyrer: arg, his, ile, leu, lys, met, phe, thr, trp og val (arginin utelates ofte fra denne<br />
lista. Egenproduksjonen er tilstrekkelig i voksne mennesker, men dekker <strong>ikke</strong> behovet i raskt<br />
voksende barn). Lysin og metionin finnes lite av i de fleste kulturplanter, til tross for intens<br />
foredling etter at en ble klar over forholdet. De er til gjengjeld vanlig i fiskeprotein.<br />
Et par aminosyrer bryter litt med den generelle formelen:<br />
COO –<br />
H2N +<br />
H2N +<br />
OH<br />
prolin (pro) hydroksyprolin (hyp)<br />
– 30 –<br />
COO –<br />
Prolin regnes med blant de 20 ordinære aminosyrene og den er upolar. Hydroksyprolin faller<br />
litt utenfor det gode selskap, den dannes nemlig fra prolin etter at den er satt inn i proteinet.<br />
Proteinene som inneholder hydroksyprolin er heller fåtallige: kollagen pluss noen celleveggproteiner<br />
i planter. Kollagen inneholder også litt hydroksylysin som likeledes tilveiebringes<br />
fra lysin på den ferdigproduserte peptidkjeden.<br />
1.4.2 PEPTIDBINDINGA<br />
I proteiner er aminosyrene bundet<br />
sammen med peptidbindinger til kjeder.<br />
Peptidbindinga dannes ved kon-<br />
H<br />
+<br />
H3N C<br />
O<br />
C OH H N<br />
H<br />
C<br />
O<br />
C OH H N<br />
H<br />
C<br />
densasjon mellom karboksylgruppa i<br />
ei aminosyre og aminogruppa i den<br />
R1 H R2 H R3 neste. Så ryggraden i et protein består<br />
altså av en kjede der C og N repeteres<br />
i sekvensen NCCNCCNCC… etc.<br />
Proteinsyntesen er en temmelig kom-<br />
H3N C C N C C N C COO<br />
plisert prosess, der cella er i stand til å<br />
sette sammen hvert enkelt proteinmolekyl<br />
med en helt unik rekkefølge<br />
av aminosyrer. (Dette blir behandlet i<br />
genetikkdelen av kurset.)<br />
Et dipeptid er satt sammen av to aminosyrer, et tripeptid av tre (som i figuren på neste<br />
side), etc. Et polypeptid er en kjede av mange aminosyrer, gjerne mer enn hundre. Et protein<br />
kan være en enkelt slik polypeptid-kjede, men ofte er proteinene satt sammen av flere<br />
polypeptider hvor de enkelte kjedene er holdt sammen av disulfid-bruer eller av <strong>ikke</strong>kovalente<br />
bindinder.<br />
–<br />
H2O H2O +<br />
H O H O H<br />
R1 H R2 H R3 kondensasjon (dehydrering) av aminosyrer til peptid<br />
COO –
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
Proteiner har molekylvekter fra om lag 10 000 til noen millioner dalton (dvs. fra om lag<br />
100 til titusentalls aminosyrer). De største proteinene er alltid sammensatt av flere polypeptider.<br />
Enkle polypeptid-kjeder har vanligvis molekylvekter under 40 000.<br />
I den ene enden av peptidkjeden er det ei fri aminogruppe, mens det i den andre enden er ei<br />
fri karboksylgruppe. Aminosyra som har aminogruppa fri kalles den aminoterminale aminosyra,<br />
mens den som står i den andre enden av peptidkjeden, og altså har karboksylgruppa fri,<br />
kalles den karboksylterminale aminosyra. Vi definerer den aminoterminale enden som begynnelsen<br />
av en peptidkjede og karboksylenden som slutten. Det betyr at to aminosyrer, f.eks.<br />
lysin og alanin, kan danne to forskjellige dipeptider. Hver av de to aminosyrene kan være<br />
hhv aminoterminal og karboksylterminal og peptidet som begynner med lysin er forskjellig<br />
fra peptidet som begynner med alanin – og har selvfølgelig andre egenskaper.<br />
1.4.3 PROTEINSTRUKTUR<br />
Proteinstruktur (og faktisk også proteinfunksjon) er lettere å begripe om en forstår den som et<br />
hierarki av strukturer: primær-, sekundær-, tertiær- og kvartær struktur. Denne måten å<br />
betrakte struktur på ulike nivåer vil forhåpentligvis komme fram etter hvert.<br />
primær struktur<br />
Tjue byggesteiner muliggjør et nærmest uendelig antall forskjellige rekkefølger (sekvenser)<br />
av aminosyrer i en lineær polymer – noe som igjen betyr at det er mulig å få nærmest<br />
uendelig variasjon i proteinenes egenskaper. Aminosyre-sekvensen i et protein kalles<br />
proteinets primære struktur. Sekundære-, tertiære- og kvartære strukturer kommer mer<br />
eller mindre som en konsekvens av proteinets primære struktur.<br />
sekundær struktur<br />
Valensvinkler og hydrogenbindinger (H-bindinger) mellom aminosyrer som ligger nær<br />
hverandre, gjør at peptidkjeden vil tvinnes til en høyredreid spiral, α-heliks. H-bindingene<br />
vil i første rekke oppstå mellom =CO (karbonyl) og =NH (imino) gruppene, og stabiliteten er<br />
størst når alle disse gruppene er involvert i bindinger. Det er tilfelle når α-heliksen har 3.6<br />
aminosyrer pr. omdreining. Da vil hver peptidbinding være H-bundet ved at karbonylgruppa<br />
attraheres «nedover» og iminogruppa «oppover». Denne spiralstrukturen utgjør den vanligste<br />
sekundære strukturen i proteiner, og ble oppdaget av den legendariske kjemikeren Linus<br />
Pauling (1901–1994) i 1951. Slike spiralmønstre finner vi igjen i andre polymerer også, både<br />
karbohydrater og nukleinsyrer. α-Heliksen finner vi igjen i regioner av enzymer – det vil si at<br />
deler av enzymmolekylet tvinner seg på dette viset, mens andre forhold ofte har større betydning<br />
for den romlige utforming av andre deler av enzymet og for den totale enzymstruktur.<br />
Det skal vi se på etterhvert.<br />
En annen sekundærstruktur er β-flaket («β pleated sheet»). Der er det <strong>ikke</strong> H-bindinger<br />
mellom karbonyl- og iminogrupper i samme proteinkjede, men mellom grupper i kjeder som<br />
ligger ved sida av hverandre. Også her er H-bindingsgraden i proteinryggraden maksimal,<br />
alle iminogrupper og alle karbonylgrupper er involvert.<br />
Mange strukturelle proteiner foreligger i β-forma. Det gjelder f.eks. β-keratin som med<br />
visse variasjoner over et grunntema er hovedproteinet i så forskjellige saker som silke, edder-<br />
– 31 –
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
koppnett, og fjær, nebb, klør hos fugler. I mange fiberstrukturer, inkludert hår, er derimot αspiralen<br />
vanligst. Kollagen er tre sammentvinnete α-spiraler.<br />
tertiær struktur<br />
Så langt har vi <strong>ikke</strong> beskjeftiget oss med de enkelte aminosyrene i proteinkjeden – sekundærstrukturene<br />
er et resultat av interaksjoner mellom peptidbindingene, uten at R-gruppene<br />
spiller inn. Dersom det bare fantes et par eller et fåtall aminosyrer, ville det meste om proteinstruktur<br />
være sagt i og med sekundærstrukturen. Men med 20 ulike aminosyrer er det<br />
opplagt at det må skje kjemiske interaksjoner også mellom sidekjedene i polymeren. Det typiske<br />
proteinet er en α-heliks med flere «knekker», slik at totalbildet likner mer på ei kule enn<br />
på ei kjede. Det gjelder for enzymer, antistoffer, blodproteiner o.fl. Slik folding – forårsaket<br />
av samspill mellom R-gruppene (knekken forekommer ofte i forbindelse med aminosyra prolin)<br />
– utgjør proteinets tertiære struktur. Denne prosessen er en av flere spontane organiseringer<br />
av makromolekyler i biologien («self assembly»). Proteinfoldinga skjer altså spontant<br />
og suksessivt etter hvert som det nyproduserte proteinet tyter ut av ribosomet – syntesemaskinen<br />
som behandles på genetikkdelen.<br />
Noen sidegrupper er hydrofobe – upolare; pseudokjemisk sett er de <strong>ikke</strong> overdynget med<br />
elektroner, og har heller ingen elektronknapphet. De misliker vann og vil prøve å finne hverandre<br />
i hydrofobe lommer inne i den foldete proteinkjeden. Andre grupper er hydrofile. De<br />
vil helst st<strong>ikke</strong> ut av det sammenfoldete proteinet, der de dels finner hverandre, og framfor alt<br />
finner det vannet de er så glade i. Slike hydrofobe/hydrofile interaksjoner gir proteinet<br />
dets naturlige konformasjon. Dersom proteinet denatureres vil dette foldemønstret<br />
ødelegges (koking, tørking, utsalting, løsing i annet løsemiddel enn vann). Når proteinet<br />
føres tilbake til sitt naturlige element, vann med noenlunde fysiologisk surhetsgrad, vil det<br />
(for noen proteiner, i alle fall) renatureres til sitt naturlige foldemønster – til sin<br />
tertiærstruktur.<br />
De fleste proteiner som er foldet gjennom hydrofobe og<br />
hydrofile interaksjoner, vil være ytterligere stabilisert ved kjemiske<br />
bindinger mellom R-gruppene. Disse bindingene kan være<br />
både kovalente og <strong>ikke</strong>-kovalente; noen eksempler: Hbindinger<br />
er vanlig også her – på dette nivå altså hovedsakelig<br />
mellom sidegrupper. Ionebindinger er også vanlige, særlig de<br />
mellom karboksylsyregrupper og aminogrupper. De mest forekommende<br />
kovalente bindingene er de såkalte disulfidbruene<br />
(svovelbruer, cysteinbruer). De dannes der to eksemplarer av<br />
aminosyra cystein møtes. Cystein er ei av bare to aminosyrer<br />
som inneholder svovel – den andre er metionin – og bare cystein<br />
har et fritt og reaksjonsvillig S-atom i enden av sidekjede (–CH2–<br />
SH). Svovelbruer dannes ved at to cystein på peptidstrengen som<br />
er brakt nær hverandre gjennom den naturlige foldeprosessen, oksideres (2H fjernes) og<br />
bindes til hverandre. (Svovelbruer kan også etableres mellom cysteinmolekyler i to<br />
forskjellige peptidkjeder).<br />
– 32 –<br />
O<br />
H<br />
H<br />
O<br />
O<br />
H<br />
H<br />
O<br />
C<br />
N<br />
C<br />
C<br />
H<br />
C<br />
H<br />
SH<br />
HS<br />
R R<br />
2H<br />
C<br />
N<br />
C<br />
C<br />
H<br />
C<br />
H<br />
S<br />
R R<br />
dannelse av disulfidbru<br />
S<br />
H<br />
C<br />
H<br />
H<br />
C<br />
H<br />
N<br />
C<br />
C<br />
N<br />
N<br />
C<br />
C<br />
N<br />
H<br />
O<br />
H<br />
H<br />
H<br />
O<br />
H<br />
H
kjemiske byggesteiner og makromolekyler<br />
Slike globulære proteiner er normalt foldet svært kompakt, og det er <strong>ikke</strong> mange vannmolekylene<br />
som klarer å presse seg til proteinklumpens indre. Foldemønstret er unikt – to<br />
proteiner er aldri like – men som sagt svært reproduserbart, alle molekyler av et bestemt protein<br />
ser helt like ut.<br />
Det relative bidraget av hhv. sekundære og tertiære strukturelle trekk i totalkonformasjonen<br />
varierer sterkt fra protein til protein. Svært grovt kan vi snakke om to klasser av<br />
proteiner etter den romlige strukturen: fibrøse og globulære proteiner. Skillet baserer seg på<br />
den ulike graden av sekundærstrukturelle trekk sammenliknet med tertiærstrukturelle trekk.<br />
Fibrøse proteiner har mye sekundærstruktur (enten α-heliks eller β-flak) intakt; noe som gir<br />
et molekylet med et ordnet totalbilde, og mange strukturelle gjentak. Slike proteiner har<br />
gjerne strukturelle funksjoner; de inngår cellevegger, hud, hår o.l. Ofte består de av et fåtall<br />
ulike aminosyrer. I kollagen – som utgjør innpå halvparten av proteinmassen i menneskekroppen<br />
– er glycin den dominerende aminosyra, dessuten inneholder det uvanlig mye prolin<br />
og hydroksyprolin. Det overrasker vel <strong>ikke</strong> at disse tre aminosyrene alle er <strong>ikke</strong>-essensielle;<br />
kroppen lager dem selv.<br />
Globulære proteiner har sin form pga. de interaksjoner som vi har sett på som karakteristiske<br />
for tertiære strukturer. De har mindre regioner med sekundærstruktur, men mange<br />
områder der kjeden gjør mer tilfeldige krumspring. Enzymer og antistoffer er eksempler på<br />
globulære proteiner.<br />
kvartær struktur<br />
Vi bør nevne nok et nivå i den hierarkiske organiseringa av enzymstruktur – den såkalte<br />
kvartære strukturen. Et selvstendig protein som består av en peptidkjede (det normale) sies<br />
å være monomerisk. To samvirkende kjeder: dimerisk (etc. tri, tetra, penta; samlebeteking:<br />
multimeriske). Når et funksjonelt protein – dette dreier seg i første rekke om enzymer – er<br />
multimerisk, kalles den enkelte proteinkjede en «subunit», underenhet. Et tetramerisk protein<br />
kan bestå av fire ulike proteinkjeder, men mer vanlig er det at de fire subenhetene er identiske<br />
eller at to og to er like. På samme måte som for tertiærfoldinga etableres den kvartære<br />
strukturen gjennom «self assembly». Subenhetene holdes sammen av det samme krefter som<br />
opprettholder den tertiære strukturen, dvs. at såvel H-bindinger, som ionebindinger og sågar<br />
svovelbruer kan inngå.<br />
konjugerte proteiner<br />
I noen proteiner, først og fremst en lang rekke enzymer, inngår det materiale som <strong>ikke</strong><br />
kommer fra aminosyrer. Disse såkalte prostetiske grupper er små organiske molekyler eller<br />
metallioner (f.eks. av jern eller kopper). Proteinmolekylet uten si prostetiske gruppe kalles<br />
apoproteinet, mens hele greia er et konjugert protein, eller – dersom det dreier seg om et<br />
enzym – et holoenzym. Den prostetiske gruppa i et enzym er lokalisert til det katalytisk<br />
aktive området, og er essensiell for aktivitet.<br />
– 33 –
2: MEMBRANER<br />
Forskjeller mellom de ulike typer av biologiske membraner (enkle/doble, indre/ytre, etc.) vil<br />
bli behandlet sammen med cellas indre strukturer. Dette avsnittet vil se på membranene med<br />
mer generelle øyne. Dessuten tar vi en tur innom celleveggen – som påtreffes utenfor<br />
membranen i planteceller.<br />
2.1 MEMBRANFUNKSJONER<br />
Cellemembranene fyller mange ulike, men relaterte, funksjoner. De…<br />
1. avgrenser (definerer) og deler opp (kompartmentaliserer) cella,<br />
2. huser flere spesif<strong>ikke</strong> funksjoner (membranbundne enzymer),<br />
3. spiller viktige roller i celle-til-celle kommunikasjon, og i oppfanging av eksterne<br />
signal – kjemiske eller fysiske,<br />
4. kontrollerer transport av stoffer inn og ut av cella og organellene, og virker<br />
dermed som svært selektive filtre.<br />
Transport over membraner skal vi ta opp i større bredde mot slutten av dette kapittelet (2.3),<br />
mens de andre funksjonene får nøye seg med en mer summarisk gjennomgang her<br />
innledningsvis.<br />
2.1.1 AVGRENSING<br />
Den ytre membranen, den som definerer cella i forhold til omgivelsene – det være seg om de<br />
er andre celler eller et vandig miljø, kalles plasmamembranen. Navnet skriver seg fra den<br />
tida da plasma var ordet for celleinnholdet; det vi i dag kaller cytoplasma eller kanskje mer<br />
korrekt cytosol. Plasmamembranen er altså cellas grensebarriere mot det ugjestmilde ytre. I<br />
eukaryote celler finner vi dessuten flere intracellulære membraner som kompartmentaliserer<br />
cella. De omgir f.eks. mitokondrier og kloroplaster (organellemembraner), nødvendige<br />
underavdelinger for hhv. respirasjon og fotosyntese – prosesser som drives av energi<br />
skapt av ionegradienter over intracellulære membraner, eller de er med på å danne de mer<br />
eller mindre sammenhengende membrannettverkene som utgjør det endoplasmatiske<br />
retikulum og Golgi-apparatet.<br />
2.1.2 LOKALISERING AV SPESIFIKKE FUNKSJONER<br />
På eller helst innbakt i membranene finner vi mange spesif<strong>ikke</strong> molekyler eller strukturer som<br />
styrer spesif<strong>ikke</strong> prosesser (enzymer, transportproteiner, pigmenter etc). Eksempler er de<br />
«energifabr<strong>ikke</strong>ne» som er lokalisert i den indre mitokondriemembranen og i kloroplastens<br />
thylakoidmembran. Mange enzymer er membranbundne, f.eks. i det endoplasmatiske retikulum,<br />
i lysosomer og i peroksisomer.<br />
– 34 – ©Arild Ernstsen 1994-2003
membraner<br />
Enzymer som er bundet til membranen i en organelle er ofte til nytte når en skal<br />
isolere organellen fra cytoplasma. Enzymet sur fosfatase finnes f.eks. bare i<br />
lysosomer. Når cellene er knust og lysosomene skal isoleres fra «suppa» av<br />
cellekomponenter gjennom en serie av rensesteg, benytter en denne egenskapen<br />
til å teste renheta av ulike fraksjoner og av sluttproduktet. Bare det<br />
materialet som viser sur fosfatase-aktivitet bearbeides videre; fraksjoner uten<br />
aktivitet kastes – de inneholder <strong>ikke</strong> lysosomer.<br />
2.1.3 OPPFANGING OG GJENKJENNING AV YTRE SIGNALER<br />
Celler må være i stand til raskt å reagere på endringer i miljøet. Og det er naturlig at<br />
membranen har viktige funksjoner når det gjelder å detektere slike signaler. Signalet kan<br />
enten slippes uforandret inn i cellas indre, eller – kanskje mer vanlig – forbli utenfor cella,<br />
der det binder seg til reseptorer som genererer sekundære signaler («second messengers») til<br />
cellas indre. Membraner spiller også viktige roller når celler skal gjenkjenne hverandre – ei<br />
levercelle vil jo helst omgi seg med andre leverceller.<br />
Alle disse funksjonene avhenger sterkt av membranenes kjemiske sammensetning og<br />
strukturelle egenskaper. Vi skal se litt nærmere på hva en membran er for noe.<br />
2.2 MEMBRANSTRUKTUR<br />
2.2.1 HISTORISK OVERSIKT<br />
Vår forståelse av biologiske membraner har utviklet seg gradvis – vel, til dels sprangvis –<br />
gjennom de siste hundre år. La oss bruke denne prosessen som et lite eksempel på hvordan<br />
vitenskapelig erkjennelse utvikles, og hvordan forskere kommer videre ved å bygge på<br />
forgjengernes arbeid. Dette lille resymeet inneholder også et godt eksempel på hvilken<br />
avgjørende rolle slumpen kan spille i vitenskapen.<br />
Membraner er så tynne at en trenger elektronmikroskop for å se noen detaljer. Det er<br />
derfor rimelig at all tidlig forskning måtte baseres på indirekte metoder. Charles E Overton,<br />
som kom med de fleste av sine bidrag i 1890-årene, forsøkte å si noe om membraners<br />
oppbygning ut fra hvordan ulike stoffer er i stand til å trenge gjennom dem. Han fant at fettløselige<br />
stoffer hadde lettere for å krysse membraner, enn vannløselige. Membraners<br />
løselighetsegenskaper indikerte altså at de har en lipofil (fettelskende) karakter – oljeaktig –<br />
og Overton foreslo sågar ei blanding av kolesterol og fosfolipider (lecithiner); noe som etter<br />
forholdene var svært godt «gjettet»!<br />
Et titalls år senere kom Irving Langmuir, Irving (1881–1957) med sin «lipid monolayer»teori.<br />
Han mente at langkjedede fettsyrer utgjorde hovedkomponenten i membranene (men<br />
<strong>ikke</strong> nødvendigvis som selvstendige substanser). Membranfettet ble først løst i benzen (eller<br />
andre upolare, organiske løsemiddel) og benzenet ble plassert oppe på ei vannflate (fett på<br />
vann). Når benzenet fordampet, formet fettsyrene(?) et enkelt lag, med den hydrofile enden<br />
ned i vannet og den lipofile enden st<strong>ikke</strong>nde opp.<br />
– 35 –
membraner<br />
Så gikk det 20 år før to nederlendere, E Gorter og F Grendel, blandet seg i diskusjonen.<br />
De gjorde et genialt lite eksperiment. I sitt mikroskop kunne de se blodceller – de har<br />
omtrent samme størrelse, diameteren er ca. 7 µm, og er vel tilnærmet runde. De kunne altså<br />
estimere overflatearealet på cellene (ca. 100 µm2), de kunne enkelt telle hvor mange celler de<br />
hadde, og de kunne bruke Langmuirs metode for å ekstrahere membranfettet og spre det<br />
utover ei vannflate. Det enkle laget med fett var omtrent dobbelt så stort som den totale overflata<br />
på de cellene de hadde ekstrahert. Altså: lipidlaget er <strong>ikke</strong> enkelt i membranene, det er<br />
dobbelt! («lipid bilayer»). Genialt, men Gorter og Grendel hadde flaks. De brukte aceton til<br />
ekstrahering – og aceton løser bare ut 2<br />
3 av fettet. De gjorde også en annen feil. Blodcellemålingene<br />
ble utført med celler som hadde tørket på objektglasset. Da krymper cellene. 100<br />
µm2 var altså bare 2<br />
3 av den egentlige snittverdien for røde blodlegemer i mennesker – den er<br />
ca. 145 µm2. De to feilene utliknet altså hverandre. Flaks! Hadde de nøyd seg med å gjøre<br />
en feil, hadde de kanskje funnet at lipidlaget var noe midt mellom enkelt og dobbelt – og vært<br />
like langt.<br />
Det doble lipidlaget var en bra modell, men den hadde sine svakheter – særlig når det<br />
gjaldt permeabilitet og elektrisk motstand. Hvordan skulle en f.eks. forklare at glukose lett<br />
vandrer inn i cellene, mens det nesten identiske galaktose <strong>ikke</strong> tas opp? Det høres nesten ut<br />
som om noe enzymliknende skulle være involvert. Enzymer skiller jo mellom så små<br />
forskjeller. Ioner passerer dessuten membraner mye raskere enn det de skulle, dersom det<br />
dreide seg om rene «lipid bilayers». Det ble altså klart at det måtte være noe mer der enn<br />
dobbeltlaget. Man var etter hvert blitt i stand til å isolere og kjemisk karakterisere<br />
membranene; og de viste seg å inneholde proteiner i tillegg til lipidene. I 1935 foreslo Hugh<br />
Davson og James Danielli en protein-lipid-«sandwich» – det doble lipidlaget skulle på<br />
begge sider være dekt av et proteinlag. Denne Davson-Danielli-modellen ble senere (1954)<br />
raffinert med hydrofile proteinkanaler gjennom fettlagene – polare porer som gjorde det<br />
lettere å forklare mange permeabilitetsfenomener. Vi skal dessuten være klar over at «fett»<br />
<strong>ikke</strong> lenger var enkle fettsyrer – nå var lipid-komponenten identifisert som fosfolipider.<br />
Fosfolipider danner faktisk dobbeltlag spontant når de slippes i vann, og denne delen av modellen<br />
holder vann, bokstavelig talt, den dag i dag.<br />
Davson og Daniellis membranmodell ble stort sett bekreftet da man fikk tilgang til<br />
høyoppløsende elektronmikroskopi utover 1950-tallet, og den så ut til å gjelde <strong>ikke</strong> bare for<br />
plasmamembranen, men også for membranene rundt de ulike organeller. (Tidligere hadde en<br />
måtte nøye seg med lysmikroskopet, som har en oppløsningsevne på 0.2 µm – større enn<br />
tykkelsen på en membran, og sågar på flere av cellas organeller). Denne universaliteten i<br />
membranstruktur fikk i 1960 David Robertson til å framsette en modell for en såkalt<br />
enhetsmembran – «unit membrane». Den består av et lipid «bilayer» – to hydrofile soner<br />
med en hydrofob sone mellom – og proteiner på lipidoverflatene, innover og utover. Så langt<br />
stemte dette med observasjonene, men alt var fortsatt <strong>ikke</strong> helt riktig. Vel, «enhet» og<br />
«enhet», det er et noe varierende begrep dersom en ser på membraner fra ulike celle- eller<br />
organelletyper. Tykkelsen varierer og framforalt protein/fett-forholdet: fra 0.25 i enkelte<br />
nerveceller til 4 i visse bakterier. I mitokondriene er dette forholdet 1.2 i den ytre membranen,<br />
sammenliknet med 3.6 i den indre – altså tre ganger så høyt i innermembranen som<br />
produserer ATP, og som trenger mange enzymer til det. Slike variasjoner stemmer <strong>ikke</strong> med<br />
det en ser i elektronmikroskopet. «Jernbaneskinnene» er omtrent like tykke i membraner som<br />
– 36 –
membraner<br />
har svært ulikt proteininnhold, og det rimer dårlig med ideen at proteinene ligger som ei<br />
kappe utenpå lipidlaget. Slike proteiner burde dessuten være tråd- eller plateformede. Da en<br />
ble i stand til å isolere membranproteiner, så en at de fleste av dem var runde, globulære.<br />
Membranmodellen måtte altså omorganiseres nok en gang. I 1972 kom Jonathan Singer<br />
og Garth Nicolson med den foreløpig siste, og får vi tru: endelige modellen – flytende<br />
mosaikk-modellen («fluid mosaic model»). Mosaikkmønsteret dannes av proteiner som flyter<br />
i lipidlagene. Ved å flytte proteinene fra overflata og inn i lipidet, har en fått en modell som<br />
mye lettere kan forklare mange at de prosessene som er assosiert med membraner – prosesser<br />
som vi skal se på etter hvert. I 1975 ble strukturen av et membranprotein påvist for første<br />
gang av Richard Henderson og Nigel Unwin. I en bakterie fant de et protein, tvunnet som<br />
en α-heliks, og foldet slik at det går gjennom membranen hele sju ganger. Senere har det vist<br />
seg at de fleste undersøkte membranproteiner har liknende egenskaper – de «bukter» seg flere<br />
ganger gjennom membranen. De delene som ligger innesluttet i lipidlagene er hydrofobe,<br />
mens de porsjonene av proteinstrengen som st<strong>ikke</strong>r ut av membranen – som kommer i<br />
kontakt med vannet utenfor eller inne i cella – er overveiende hydrofile.<br />
Modellen gjelder som sagt fortsatt, med den lille modifikasjon at de såkalte perifere<br />
proteinene <strong>ikke</strong> ser ut til å være særlig vanlige – dersom de eksisterer i det hele tatt.<br />
Membranproteinene er sannsynligvis uten unntak integrerte, det vil si at de går gjennom hele<br />
membranen og har hydrofile ender st<strong>ikke</strong>nde ut på begge sider.<br />
2.2.2 KJEMISK SAMMENSETNING<br />
Vi forlater historieoversikta og ser litt nærmere på hva vi i dag vet om den kjemiske<br />
sammensetninga til membraner.<br />
Lipider<br />
Lipidene utgjør gjerne fra 30 til 60% av membranene – resten er i hovedsak protein og litt<br />
karbohydrater. De er altså generelt kjennetegnet ved at de i tillegg til sin egentlige fettkarakter,<br />
også har en hydrofil ende. Den hydrofobe enden må være så lang at den kan danne<br />
et lipid-dobbeltlag, dvs. mer enn 12 karbonenheter, gjerne 16-18. Og den må <strong>ikke</strong> være så<br />
lang at den blir stiv og uløselig. Løseligheten er dessuten avhengig av dobbeltbindinger – jo<br />
flere (liten metningsgrad) jo større løselighet. Bøyene gjør at fettkjedene blir løsere – mindre<br />
tett – pakket, noe som øker løseligheten – fluiditeten (jfr. dyretalg kontra soyaolje, begge er<br />
triglyserider med 16-18 karbon lange fettsyrer). Vi skal kort se på de viktigste, og henviser<br />
til det som ble sagt om lipider tidligere (1.2). Vi kan – en smule forenklet – snakke om<br />
følgende fire grupper: fosfolipider, sfingolipider, glykolipider og kolesterol.<br />
Fosfolipidene fosfatidylkolin, fosfatidyletanolamin og fosfatidylserin finnes i de aller<br />
fleste membraner og danner lipid-dobbeltlaget. Fosfatidylinositol er involvert i signaloverføring<br />
i cella, ved at den frigjør inositol-trifosfater – en viktig «second messenger».<br />
Sfingolipidene forekommer særlig i pattedyr, der de aktiviserer visse membranbundne<br />
enzymer.<br />
– 37 –
membraner<br />
Glykolipidene i animalske celler er som regel dannet fra sfingolipidene ved at den polare<br />
gruppa er byttet ut med et monosakkarid som galaktose (i visse hjerneceller) eller et mer<br />
sammensatt oligosakkarid. I planter og bakterier er det vanligere at det polare «hodet» i<br />
enkelte fosfolipider er erstattet med et sukker (mono-, di- eller oligosakkarid) som er direkte<br />
bundet til ei endestilt hydroksygruppe i glyserol; i f.eks. kloroplastmembranene dominerer<br />
glykolipider der sukkerkomponenten er et monosakkarid (glukose eller galaktose).<br />
Kolesterol forekommer i de fleste membraner – unntakene er den indre mitokondriemembran<br />
og de fleste bakteriemembraner. Kolesterol styrker og tetter membraner. Et dobbeltlag som<br />
inneholder mye kolesterol, er opptil 10 ganger mindre permeabelt for små, vannløselige<br />
molekyler enn et uten kolesterol.<br />
Proteiner<br />
Vi skal <strong>ikke</strong> behandle disse i detalj. Også proteinene bidrar gjerne med 30-60% av membranvekta,<br />
alt avhengig av hvilken membran vi ser på. Mange membranproteiner har med<br />
transport av stoffer over membranen å gjøre – særlig av hydrofile forbindelser og ioner.<br />
Flere er enzymer, ofte assosiert med energimetabolismen, som vi skal se senere. På yttersida<br />
av membranen finner vi ofte reseptorproteiner, som gjenkjenner og videreformidler (feks.<br />
inositol-trifosfat) kjemiske signaler (hormoner er eksempel på slike signaler). En fjerde funksjon<br />
har proteiner som former og stabiliserer membranstrukturen.<br />
Karbohydrater<br />
Karbohydrater utgjør gjerne 2-10% av membranene i eukaryote celler (eks. røde blodceller:<br />
protein 52%, lipider 40%, sukker 8%). Sukkermolekyler opptrer <strong>ikke</strong> i fri form men inngår i<br />
glykolipider, som vi har sett, og i glykoproteiner (til asparagin, serin, arginin eller threonin i<br />
proteinet er det festet et oligosakkarid). Sukkermolekylene er nesten alltid orientert mot<br />
membranens ytterside, enten de inngår i glykolipider eller i glykoproteiner. Der deltar de i<br />
det celle-til-celle-samspillet som binder sammen celler til flercellete organismer, eller gir<br />
antistoff-antigen-reaksjoner.<br />
Asymmetri<br />
Vi har nevnt at karbohydratene særlig finnes på utsida av membranene. Det er flere slike<br />
eksempler på at membraner er asymetriske. Lateral diffusjon (sidelengs) av f.eks.<br />
fosfolipider foregår svært raskt, opptil en hel cellediameter på ett sekund! Transvers<br />
diffusjon («flip-flop»), derimot, er en svært treg prosess – det kan gå flere timer eller sågar<br />
uker mellom hver gang et lipidmolekyl flytter seg fra ytterlaget til innerlaget. Det betyr at det<br />
er mulig å opprettholde en asymmetrisk membran når den først er skapt gjennom celledelinga.<br />
For igjen å bruke røde blodceller som eksempel, så forekommer det mest<br />
sfingomyelin og fosfatidylkolin i det ytre lipidlaget i plasmamembranen, mens fosfatidylserin<br />
og fosfatidyletanolamin særlig finnes i innerlaget. Kolesterol er likt fordelt, mens altså<br />
sukkerholdige forbindelser sitter i ytterlaget.<br />
– 38 –
2.3 MEMBRANTRANSPORT<br />
membraner<br />
Membraner avgrenser altså cella fra omgivelsene. De hindrer at stoffer diffunderer fritt inn<br />
og ut av cella. De sørger for at spesielle funksjoner og kjemiske reaksjoner kan foregå i dertil<br />
egnede deler av cella, der det samtidig finnes «råstoff» for prosessene – substratmolekyler,<br />
ioner, enzymer. Membranene kontrollerer opptak og utskilling av næringsstoffer/avfallsstoffer,<br />
ioner, gasser, vann etc. Dette er mulig fordi membraner har ulik permeabilitet (evne til<br />
gjennomtrenging) for ulike stoffer; noen slippes gjennom, andre stenges ute eller inne.<br />
Men membraner er altså <strong>ikke</strong> bare enkle barrierer mot fri gjennomstrømming. De har<br />
evnen til nøye å regulere transporten av bestemte stoffer inn og ut av cella, eller inn og ut av<br />
organeller. Vi skal se på ulike mekanismer og modeller for hvordan dette kan tenkes å<br />
foregå. Som vi skal se er det flere ulike måter stoffer kan passere membranen på. Noen<br />
stoffer beveger seg i forhold til konsentrasjonsgradienter, fra høy konsentrasjon til liten.<br />
Prosessen kalles passiv transport. Små uladete molekyler, som vann, oksygen og<br />
karbondioksid, forflytter seg over membraner gjennom diffusjon, men større molekyler,<br />
f.eks. glukose, trenger hjelp av bæremolekyler («carriers») til en såkalt fasilitert diffusjon.<br />
Både diffusjon og fasilitert transport er former for passiv transport. Begrepet aktiv transport<br />
er nemlig forbeholdt den type transport som foregår mot en konsentrasjonsgradient (eller ladningsgradient).<br />
Slik transport utføres av enzymsystemer og krever ofte energi i form av ATP.<br />
Ioner passerer som regel membraner på denne måten. Store molekyler, f.eks. proteiner, kan<br />
«krysse» membraner i en prosess kalt endocytose (inn i cella, mens eksocytose er transport<br />
ut av cella) – der det som skal tas opp omsluttes av en del av plasmamembranen og det<br />
dannes en vakuole. Dette vil behandles under endomembransystemet (3.2).<br />
2.3.1 PASSIV TRANSPORT<br />
Ved passiv membrantransport kreves <strong>ikke</strong> energi for at stoffer skal passere membranhinderet.<br />
Vi deler inn i to undertyper av passiv transport.<br />
Diffusjon<br />
De minste molekyler som har betydning for cellas funksjoner er H2O, CO2 og O2. Membraner<br />
er tilstrekkelig permeable for slike molekyler; de trenger ingen form for hjelp. Disse<br />
småmolekylære stoffene passerer membranene gjennom diffusjon fra områder med høy<br />
konsentrasjon til områder med mindre konsentrasjon. (Entropien i systemet økes – likhet og<br />
blanding tilstrebes). Men membranen er et stort hinder likevel; vannmolekyler forflytter seg<br />
10 000 ganger langsommere over en membran enn det de ville bli transportert ved fri<br />
diffusjon. Tre forhold har betydning for hvor lett et molekyl vil diffundere over en membran:<br />
størrelse, polaritet og ionisering.<br />
Diffusjon er klart størrelsesavhengig. Når molekyler blir såpass store som et monosakkarid,<br />
f.eks. glukose, representerer membranen et for stort hinder – de kan <strong>ikke</strong> diffundere gjennom<br />
den. Diffusjon er også avhenging av molekylets polaritet. Et eksempel: glyserol (CH2OH-<br />
CHOH-CH2OH) beveger seg 0.01 mm/t i et membrantest-system, mens verdiene for glykol<br />
(CH2OH-CH2OH) og etanol (CH3-CH2OH) er hhv. 0.5 og 10 mm/t. Glykol og etanol er<br />
nesten like store. Så her er polariteten avgjørende.<br />
I forlengelse av polaritetsbetraktningene er det naturlig at membraner er svært lite<br />
gjennomtrengelige for ioniserte forbindelser. Elektrisk ladete forbindelser er lite løselige i<br />
– 39 –
membraner<br />
fett, og ioner er derfor <strong>ikke</strong> istand til å diffundere gjennom lipid-dobbeltlaget. De må finne<br />
andre løsninger…<br />
Fasilitert diffusjon<br />
Forbindelser som <strong>ikke</strong> oppfyller kravene til membrandiffusjon, kan likevel komme inn i det<br />
gode selskap. De vil i mange tilfeller passere membranen gjennom såkalt fasilitert diffusjon<br />
(fasilitert transport). Fasilitert transport drives av de samme krefter som enkel diffusjon –<br />
konsentrasjonsgradienter – og bevegelsen skjer fra høy til lav konsentrasjon. Men nå avhjelpes<br />
diffusjonen av såkalte «carrier»-molekyler, bæremolekyler.<br />
Disse hjelpemolekylene er proteiner, og har ofte svært spesifikk funksjon – de hjelper bare<br />
en enkelt forbindelse over membranen. De gode hjelperne kalles gjerne transport-proteiner<br />
eller permeaser. «Ase»-endelsen er ellers stort sett forbeholdt enzymer, men kan faktisk forsvares<br />
også her, ettersom transporten ligner på en enzymkatalysert prosess. På samme måte<br />
som for enzymer skjer det ei binding mellom proteinet og stoffet som transporteres (analogt<br />
til substratet). Og mens enzymer endrer substratet kjemisk, flytter permeasen det over membranen.<br />
Så en diffusjon som var umulig, får sin «aktiveringsenergi» redusert av bæremolekylet,<br />
akkurat som en kjemisk reaksjon muliggjøres av et enzym.<br />
Transportproteinet binder seg slik til molekylet som skal transporteres, at det polare<br />
området på molekylet skjermes for det lipofile indre av membranen. De lager så og si en<br />
«hydrofil kanal» gjennom membranen. Undersøkte bæremolekyler har alle vist seg å strekke<br />
seg gjennom hele membrantverrsnittet, og det stemmer jo bra med en slik modell. Ellers<br />
kjennetegnes slike «carriers» ved at de transporterer sitt spesielle molekyl like lett ut som inn<br />
av membranen. Fasilitert transport er ofte koplet, f.eks. symport: et stoff flyttes ut samtidig<br />
som – og ved hjelp av samme transportprotein – et annet flyttes inn (f.eks. ADP inn og ATP<br />
ut av mitokondrier).<br />
2.3.2 AKTIV TRANSPORT<br />
Passiv transport, enten den er enkel eller fasilitert diffusjon, er alltid retningsbestemt til å gå<br />
med en konsentrasjonsgradient – fra høy til lav konsentrasjon. Aktiv transport involverer<br />
transport av forbindelser mot konsentrasjonsgradienter (eller elektrokjemiske ladningsgradienter).<br />
Det kreves energi for å få det i stand. Pumpa (vi snakker gjerne om «pumper» i forbindelse<br />
med aktiv transport) må altså kople transporten med en reaksjon som utvinner energi.<br />
Denne energigivende prosessen er ofte hydrolyse av høyenergetiske fosfatbindinger (ATP<br />
→ ADP). Aktiv transport har tre beslektede hovedfunksjoner:<br />
1. Opptak av næringsstoffer som bare finnes i små konsentrasjoner utenfor cella.<br />
2. Utskilling av avfallsstoffer og ioner (Na +) selv om konsentrasjonen av disse er<br />
større utenfor enn inne i cella.<br />
3. Opprettholder konstante og optimale konsentrasjoner av uorganiske ioner, særlig<br />
viktige er K +, Ca2+ og H +.<br />
Alle tre er aspekter av en hovedoppgave: å holde det indre miljøet i cella så konstant som<br />
mulig. Passiv transport utjevner forskjeller mellom de to sidene av membranen. Aktiv trans-<br />
– 40 –
membraner<br />
port er en måte å skape konsentrasjonsforskjeller over membraner – forskjeller som bokstavelig<br />
talt betyr liv eller død.<br />
Passiv transport er to-veis – det samme stoffet vandrer i prinsipp like gjerne i den ene som i<br />
den andre retning (konsentrasjonsbestemt). Aktiv transport er alltid en-veis. Et aktivt transportsystem<br />
som fører en forbindelse inn i cella, vil aldri kunne brukes til å føre den samme<br />
forbindelsen ut av cella. Derimot vil transport av et stoff ut kunne koples med transport av et<br />
annet stoff inn i cella. To ulike stoffer kan også transporteres samme vei i en og samme<br />
operasjon i et transportsystem. Disse formene for transport kalles ko-transport eller koplet<br />
transport. Det finnes mange ulike transport-systemer. De skiller seg mht. energikilde, mht.<br />
om stoffet modifiseres kjemisk under transporten (fosforylert), og mht. former for ko-transport.<br />
Ytterligere kompliserende er det at det finnes flere tilfeller der ett og samme stoff transporteres<br />
på flere måter. Det siste gjelder særlig bakterier. F.eks. har Escherichia coli, tarmbakterien,<br />
minst fem måter å transportere galaktose inn i cella på.<br />
Enkel- og koplet transport<br />
Den enkleste formen for pumper er de som transporterer et stoff/ion og samtidig <strong>bruker</strong> ATP<br />
som drivkraft (f.eks. 2xCa 2+, 1xATP → 1xADP). Men det er vanligere at to ulike forbindelser<br />
transporteres av den samme pumpa i en og samme prosess – altså ko-transport. Av slik<br />
transport finnes det som antydet to slag: den der de to stoffene går i samme retning<br />
(symport), og den der de går i motsatte retninger (antiport). I noen tilfelle vil begge forbindelsene<br />
transporteres mot konsentrasjons-/elektrokjemiske gradienter, men det er også mulig<br />
at et av stoffene flyttes med og det andre mot gradienten. I slike tilfeller vil den passive<br />
transporten kunne drive det aktive opptaket. I animalske systemer er det vanlig med såkalt<br />
natrium-koplet transport (natrium ko-transport). (I andre organismer (bakterier, planter), er<br />
det vanligere med proton-koplet transport.) Det vil si at passivt opptak av Na + er koplet med<br />
opptak eller utskilling av et annet stoff. Et eksempel er symport av glukose, der Na +traf<strong>ikke</strong>n<br />
inn i cella driver glukose-opptak via det samme proteinet. Et slikt protein må ha to<br />
aktive seter, ett for natrium og ett for glukose. Når Na + binder seg til sitt sete, vil bæremolekylets<br />
affinitet for glukose øke. Den ekstracellulære Na +-konsentrasjonen er som regel mye<br />
større en den intracellulære. Slik symport av glukose krever altså <strong>ikke</strong> direkte energitilførsel<br />
i form av ATP-spalting, men vi skal se at den likevel avhenger av en energikrevende prosess.<br />
En slik lekkasje av Na + inn i cella er selvfølgelig <strong>ikke</strong> bra. Derfor har celler satt inn noen<br />
av sine beste transportapparater til nettopp å kvitte seg med Na +. Na + er jevnt over en<br />
hemmer av enzymaktiviet. Gjerne de samme enzymer som får stimulert sin aktivitet av K +,<br />
som cella derfor forsøker å holde en høy konsentrasjon av – mens «utekonsentrasjonen» ofte<br />
er svært lav. Disse gradientene av kalium og natrium mellom yttersia og innersia er svært<br />
viktige i mange sammenhenger, <strong>ikke</strong> minst i neurofysiologi. I et kvilende dyr brukes derfor<br />
gjerne en tredjedel av energien til å opprettholde disse gradientene.<br />
Natrium-kalium-pumpa er et enzym som sørger for å opprettholde disse gradientene.<br />
Pumpa er en ATPase som spalter ATP til ADP og uorganisk fosfat. For hver ATP som<br />
forbrukes transporteres 3 Na + ut av cella og 2 K + inn i cella. Proteinets E1-form tar opp Na +<br />
på innsida, mens E2-konformasjonen tillater opptak av K + på utsida. I E1-form stimulerer<br />
– 41 –
membraner<br />
Na + fosforylering (med ATP) av enzymet, noe som stabiliserer det i E2-form. I E2-forma vil<br />
K + stimulere defosforylering, og stabilisere enzymet i E1-form.<br />
Fosforylering<br />
Det transporterte molekylet blir i noen transportsystemer forandret kjemisk. Et eksempel fra<br />
Escherichia coli: glukose tas opp fra utsida som fritt sukker, men når det slippes ut på<br />
innsida er det fosforylert. Fosfatgruppa skaffes til veie ved at fosfoenolpyrodruesyre (PEP)<br />
defosforyleres til pyrodruesyre:<br />
Glukoseute + COOH-COPO3 2-=CH2, → Glukose-6-fosfatinne + COOH-CO-CH3<br />
Dermed holdes nivået av glukose inne i cella på et lavt nivå, og opptaket kan skje med<br />
konsentrasjonsgradienten.<br />
– 42 –
3: CELLEORGANISERING:<br />
KJERNA OG ENDOMEMBRANSYSTEMET<br />
I denne gjennomgangen av cellas indre deler vil vi stort sett holde oss til eukaryote celler (og<br />
i noen grad forsøke å få fram skilnadene mellom plante- og dyreceller). Den eukaryote cella<br />
har et svært komplekst organisasjonsnivå sammenliknet med den prokaryote – først og fremst<br />
fordi underavdelingene i cella huser ulike funksjoner. Det finnes selvsagt <strong>ikke</strong> noe slikt som<br />
«den typiske celle»; spesialiseringene og varisjonene er mange. Men de aller fleste eukaryote<br />
celler er faktisk såpass «like» at det har mye for seg med en generell gjennomgåelse av deres<br />
indre strukturer.<br />
Vi anser oss ferdige med innpakninga (cellevegg og plasmamembran) og konsentrerer oss om<br />
kjerna og cytoplasma. Cytoplasma defineres noe forskjellig fra lærebok til lærebok, fra lærer<br />
til lærer, – og for mitt vedkommende, faktisk fra forelesning til forelesning. Den definisjonen<br />
som ser ut til å være rådende for tida, og som jeg stort sett forsøker å holde meg til, sier at<br />
cytoplasma er alt innenfor plasmamembranen minus kjerne (og – i planter – vakuoler).<br />
Cytoplasma omfatter altså det endoplasmatiske retikulum, golgi-apparatet, ribosomer og<br />
organeller som mitokondrier, kloroplaster, lysosomer og peroksisomer; faktisk regnes også<br />
kjernemembranen til cytoplasma. Tidligere (og beklageligvis fortsatt) blandes cytoplasma<br />
sammen med begrepet cytosol, den flytende enzymsuppa (m.m.!) som utgjør resten av celleinnholdet<br />
når alle «konkrete» strukturer er fjernet. Denne løselige cellematriksen ble<br />
tidligere antatt å inneholde om lag 25% protein. I de senere årene har en forstått at disse<br />
proteinene <strong>ikke</strong> bare er enzymer – nok en cellekomponent har blitt «definert ut av» cytosol:<br />
cytoskjelettet.<br />
3.1 CELLEKJERNA<br />
Kjerna er hele cellas kontrollsenter. Her ligger en komplett utgave av organismens arvemateriale<br />
– genom – omsluttet av en kjernemembran. Kjerna er det mest karakteristiske trekk ved<br />
eukaryote celler – den membranbundne kjerna er jo selve definisjonen på eukaryot liv.<br />
Kjernemembranen som skiller cytoplasma fra nukleoplasma, hører egentlig naturlig sammen<br />
med det indre membransystemet, men vi behandler den likevel i dette avsnittet.<br />
Genetikkdelen vil ta for seg nukleinsyredynam<strong>ikke</strong>n – meiose, mitose, replikasjon, transkripsjon,<br />
translasjon – i alle sine raffinerte enkeltheter. Her skal vi holde oss til de strukturelle<br />
forhold og bare ta opp noen grunnleggende begreper og definisjoner.<br />
3.1.1 KJERNEMEMBRANEN<br />
Membransystemet som omgir kjerna kalles på engelsk «the nuclear envelope», et begrep<br />
som forsøker å fange opp det faktum at vi har å gjøre med to membraner – indre og ytre<br />
kjernemembran – med et perinukleært rom mellom dem. Begge membranene er «enhetsmembraner»<br />
av doble fosfolipidlag, 7-8 nm tykke. Avstanden mellom membranene er 20-40<br />
nm (mer ekstremt 10-70 nm). Forholdvis lite er kjent om det væskefylte rommet mellom<br />
membranene og om funksjonen til dette perinukleære rommet, men det er kontinuitet mellom<br />
dette området og cisternene i ER og golgi, så sannsynligvis ligner det det indre rommet i disse<br />
membrankompleksene. Det er også sannsynlig, men <strong>ikke</strong> s<strong>ikke</strong>rt – og slett <strong>ikke</strong> i alle celler,<br />
– 43 – ©Arild Ernstsen 1994-2003
kjerna og endomembransystemet<br />
at den ytre kjernemembranen er festet til plasmamembranen via proteinfilamenter. Slik forankring<br />
hindrer at kjerna deiser fritt rundt i cella (jfr. 3.4.3).<br />
I elektronmikroskopet framtrer kjernemembranen nærmest som en tesil – den er<br />
gjennomhullet av kjerneporer. Disse sylindriske kanalene er 9 nm i diameter, går gjennom<br />
begge membranene og forbinder altså nukleoplasma med cytosol. Rundt selve åpninga er det<br />
et kompleks av assosierte strukturer (til sammen inngår det et hundretall ulike proteiner), slikt<br />
at diameteren på ei pore er om lag 80 nm. Størrelsen på komplekset er altså ca. 5000 nm 2,<br />
mens åpninga er på 50 nm 2. Poretettheta varierer fra 4 til 50 pr µm 2 – avhengig av celletype.<br />
Det innebærer at fra 2 til 25% av kjernemembranens overflate er dekket av porekompleksene<br />
(betydelig mindre om vi bare regner med den egentlige åpninga). Ei gjennomsnittlig<br />
dyrecelle har 10-12 porer pr µm 2, eller totalt 3000 til 4000 på hele kjernemembranen.<br />
De to membranene i «konvolutten» møtes i porene, så membrankomponenter kan eventuelt<br />
utveksles, mellom de to – og mellom yttermembranen og ER. Dermed kan kjernemembranen<br />
utvides og trekkes sammen etter behov.<br />
Kjerneporenes oppbygning er <strong>ikke</strong> helt ut klarlagt (skyldes bl.a. prepareringsartefakter og<br />
variasjoner mellom ulike celletyper), og vi skal her bare berøre den meget overflatisk.<br />
Porekomplekset består først og fremst av en annulus (ring) av åtte protein-«korn». Disse<br />
kornene st<strong>ikke</strong>r ut på begge sider av membranene (yttermembranens ytterside og innermembranens<br />
innerside) og det virker derfor som om det dreier seg om 2 x 8 proteinlegemer. I<br />
noen fikserte preparater er det dessuten mulig å observere et «korn» midt i poreåpninga. Det<br />
er sannsynligvis en part<strong>ikke</strong>l (f.eks. en ribosomal subenhet) på vei ut fra kjerna.<br />
Porene er porter som slipper kjerneprodukter ut i cytosol (f.eks. mRNA og enkeltbitene til<br />
ribosomene), mens DNA stenges inne og store organeller og cytoplasmadeler holdes effektivt<br />
ute. Ribosomale subenheter og mRNA (som transporteres ut pakket sammen med proteiner i<br />
noe som kalles ribonukleoprotein-partikler) er så store at de temmelig s<strong>ikke</strong>rt må befordres<br />
gjennom porene på en aktiv måte.<br />
3.1.2 NUKLEOPLASMA<br />
Nukleoplasma er den seigtflytende matriksen innenfor kjernemembranen. Her finner vi<br />
kromatinet som består av DNA og proteiner som er assosiert med DNA (kromosomale proteiner).<br />
Ellers består nukleoplasma av alle de enzymene som skal til for replikasjon av DNA,<br />
syntese av de ulike formene av RNA (transkripsjon), «post-transkripsjonal» bearbeiding, pakking<br />
og transport av RNA.<br />
Kromatin er DNA slik det foreligger i (den forholdsvis lange) perioden mellom<br />
celledelinger. I forbindelse med celledelinga trekker DNA-trådene seg sammen til den svært<br />
kondenserte forma vi kjenner som kromosomer – med artsspesifikt antall. Selv om «kromosom»<br />
er en betegnelse med mikroskopihistorisk sus som kanskje bør forbeholdes DNA under<br />
celledeling, brukes ordet i dag også om kromatin i interfase – mellom to delinger. Kromosom<br />
betyr da de DNA-molekylene som inneholder den lagrete genetiske informasjonen i ei<br />
kjerne (eller i en bakterie eller et virus, eller for den del, en celleorganelle). Kromatinet består<br />
av omtrent like mye protein som DNA, pluss en liten skvett RNA. Det meste av proteinet er<br />
histoner: Kuler som danner kjerner i nøster av opptvunnet DNA. Disse nøstene arrangeres<br />
videre sammen i komplekse tredimensjonale DNA-strukturer. Litt DNA er alltid så kondensert<br />
at det er synlig i lysmikroskopet; såkalt heterokromatin – til forskjell fra eukro-<br />
– 44 –
kjerna og endomembransystemet<br />
matin som gjennomgår de omtalte vekslinger. Eukromatin består altså av aktive, transkriberbare<br />
gener, mens heterokromatin er inaktive gener som <strong>ikke</strong> transkriberes. Hva som er<br />
hetero- og eukromatin kan variere mht organismens utviklingsstadium.<br />
3.1.3 NUKLEOLER<br />
Alle kjerner inneholder noen forholdsvis store objekter med stor tetthet. De kalles nukleoler<br />
og er cellas «ribosom-fabrikk». Her finnes enzymapparatet som syntetiserer, modifiserer og<br />
pakker rRNA og ribosomalt protein til ribosomale subenheter. Hver nukleole er knyttet til en<br />
del (som regel i en ende) av et kromosom som inneholder gener for rRNA. På et slikt DNAområde<br />
(kalles «nucleolus organizer region») kan det finnes hundrevis (i planteceller endog<br />
tusenvis) av kopier av rRNA-genene. I ei diploid menneskecelle er det 10 slike DNAregioner,<br />
men det er <strong>ikke</strong> 10 nukleoler. Som regel er det bare en nukleole – de ti slår seg<br />
sammen til en stor og effektiv enhet for ribosom-produksjon.<br />
Nukleolenes størrelse varierer med celletype og med aktivitetsnivå. I celler med høy<br />
proteinsyntese trengs det mange ribosomer, og nukleolene er derfor store – de kan utgjøre så<br />
mye som en fjerdedel av kjernas totalvolum.<br />
3.1.4 PLANTECELLEKJERNER<br />
Det meste som gjelder for kjerner flest, gjelder også for kjernene i planteceller. Mens pattedyr<br />
gjerne har et genom på 3 milliarder basepar (i haploide kjønnsceller) varierer<br />
genomstørrelsen hos planter svært; fra 70 millioner bp i Arabidopsis thaliana (dette lille<br />
genomet har gjort Arabidopsis til plantegenet<strong>ikke</strong>ns svar på Escherichia coli og Drosophila<br />
melanogaster) til 200 milliarder i enkelte bartrær. I planter med stort genom er det forholdsvis<br />
mye repetitivt DNA. Mens unikt DNA koder for gener som translateres til proteiner,<br />
inneholder det repetitive DNAet instruksjoner om genomets organisering og om uttrykking av<br />
gener. Men her er mye ukjent og det kommer til å skje litt av hvert med vår viten i årene<br />
framover.<br />
3.2 ENDOMEMBRANSYSTEMET<br />
I 1974 kom J James Morré og H H Mollenhauer fram med en tanke som har mye for seg,<br />
og som siden har fått mange tilhengere. De foreslo konseptet om det indre membransystemet,<br />
endomembransystemet («the endomembrane system»), som forener mange<br />
organeller og strukturer som tidligere i for stor grad var blitt sett på hver for seg. Kjernemembranen,<br />
ER, Golgi-apparatet og lysosomene (med flere, faktisk også plasmamembranen,<br />
dersom en definerer litt vidt – men da er jo endo-poenget borte) henger sammen, enten ved<br />
direkte fysisk membrankontinuitet, eller gjennom overføring av membrandeler via såkalte<br />
vesikler. Likevel varierer struktur og funksjon mellom de ulike delene. Det indre membransystemet<br />
samvirker i svært mange prosesser – f.eks. i produksjon, transport og sekresjon<br />
av materiale som eksportes ut av cella.<br />
Vi skal først se heller tradisjonelt på de enkelte delene av dette membransystemet, for å få<br />
unnagjort noen strukturelle definisjoner. Deretter er det mest hensiktsmessig å se på de<br />
– 45 –
kjerna og endomembransystemet<br />
funksjonelle sidene av ER og golgi under ett. ER og golgi er svært dynamisk både strukturelt<br />
og funksjonelt, og derfor er det slett <strong>ikke</strong> enkelt å formidle vår grunnleggende viten om disse<br />
celledelene på et forståelig vis…<br />
3.2.1 DET ENDOPLASMATISKE RETIKULUM<br />
Det endoplasmatiske retikulum (ER) kan normalt <strong>ikke</strong> sees i lysmikroskop selv om det fyller<br />
opp mye av det cytoplasmatiske rommet i cella. Først med elektronmikroskopet (fra 1950tallet)<br />
ble det intrikate mønsteret av intracellulære membraner oppdaget. Det latininspirerte<br />
navnet er en sk<strong>ikke</strong>lig pusteøvelse, det betyr ganske enkelt nettverk (reticulum) inne i (cyto)plasma,<br />
så kortforma ER brukes nesten overalt.<br />
ER er et (i alle fall delvis) sammenbundet membransystem av vesikler (selvstendige<br />
membranomsluttede kuler), rør og flattrykte skiver. Skivene – de såkalte cisterner –<br />
dominerer. Membranene skiller innholdet i ER-systemet fra resten av cella; det betyr at<br />
cytoplasma er delt i to avdelinger. Dette indre ER-rommet – ER-lumen – er dessuten<br />
kontinuerlig med det perinukleære rommet rundt kjerna (denne forbindelsen har <strong>ikke</strong> noe med<br />
porene i kjernemembranen å gjøre – de er sambandet mellom nukleoplasma og cytosol). Det<br />
er derfor mulig å se på ER som et kommuninasjonssystem mellom kjerna og cellas ytre deler<br />
– men det er mye mer enn det…<br />
ER-membranen er tynnere enn plasmamembranen – 5-6 nm. Den inneholder mer protein<br />
(i forhold til lipider) enn plasmamembranen, og den inneholder <strong>ikke</strong> kolesterol; lipiddelen<br />
består nesten utelukkende av fosfolipider. Proteinene er for en stor del ER-spesif<strong>ikke</strong>,<br />
membranbundne enzymer som cytokrom b5 reduktase, cytokrom c reduktase og glukose-<br />
6-fosfatase.<br />
De finnes to typer ER: slett («smooth») og ru («rough»). I ru ER (rER) sitter det<br />
ribosomer på membranens utside (den sida som vender ut mot cytosol). Det er videre<br />
morfologiske skilnader mellom de to formene for ER. Svært skjematisk kan vi si at slett ER<br />
(sER) er rørformet, mens ru ER forekommer som flattrykte poser. De to typene er dessuten<br />
plassert ulikt: ru ER ligger gjerne nærmest kjerna.<br />
ER kan <strong>ikke</strong> isoleres intakt. Når cella homogeniseres (knuses) og ER brytes<br />
ned i små fragmenter, vil imidlertid disse småbitene spontant danne vesikler<br />
(membranomsluttede kuler), mikrosomer. Mikrosomene vil ha glatt eller<br />
ribosomholdig membran alt etter hvilken form for ER fragmentet stammet<br />
fra. De to typene av mikrosomer kan separeres gjennom sentrifugering, og er<br />
svært nyttige redskaper når en skal studere ERs funksjoner.<br />
3.2.2 GOLGI-APPARATET<br />
Et golgi-legeme (engelsk «Golgi body», «Golgi stack», «Golgi complex») er en serie av 5-10<br />
flattrykte membranskiver stablet opp på hverandre – innholdet i hver skive er skilt fra cytosol.<br />
For planteceller kalles en slik struktur et diktyosom. Alle golgi-legemer (diktyosomer) sett<br />
under ett i ei celle kalles golgi-apparatet. Det er litt forvirring i navngivinga på dette<br />
området – enklest er det i grunnen å bruke betegnelsen «golgi», og heller presisere om en<br />
mener én eller alle stablene, når det er nødvendig med et slikt skille. Størrelsen på golgi-<br />
– 46 –
kjerna og endomembransystemet<br />
apparatet – dvs. antall og størrelse på golgi-legemene – varierer sterkt fra celletype til celletype,<br />
og med den enkelte celles metabolske aktivitet.<br />
Navnet skriver seg fra italieneren Camillo Golgi (1843–1926) som beskrev<br />
strukturene i 1896, men de ble akseptert og forstått først langt inn på 1950tallet.<br />
Golgi var nevrolog (men syslet òg med malaria og politikk) og fikk<br />
nobelprisen i medisin i 1906.<br />
Golgi ligner <strong>ikke</strong> så lite på slett ER og dannes også fra ER, men det er ingen fysisk kontinuitet<br />
mellom de to strukturene. Hver stabel har to sider – cis og trans. Vesikler blir brutt<br />
løs fra ER, fusjonerer med cis-sida, og bygger på golgi ved at ves<strong>ikke</strong>lmembran smelter<br />
sammen med golgi-membranen og ves<strong>ikke</strong>linnholdet adderes til golgis indre. Samtidig frigjøres<br />
det vesikler fra «bunnen» av stabelen (trans-sida) for transport til andre destinasjoner,<br />
slik at størrelsen (antallet skiver) holder seg noenlunde konstant. Også mellom hvert skivelag<br />
skjer transporten via vesikler. Som vi snart skal se, sysler golgi med saker «underveis» mellom<br />
cis- og trans-enden, og de to sidene er biokjemisk forskjellige: Cis-sida ligner ER-membranen,<br />
mens membranen i trans-golgi minner mye om plasmamembranen. Golgi er en<br />
sentral for produksjon, lagring, sortering og utsending av flere stoffgrupper, og det er spesielt<br />
godt utviklet i celler som er spesialisert for sekresjon av stoffer til f.eks. blodbanen.<br />
3.2.3 PROTEINTRAFIKK I ER OG GOLGI<br />
ER og golgi «samarbeider» om syntese av flere stoffgrupper, og sørger for at synteseproduktene<br />
havner der de skal. Vi skal konsentrere oss om proteinene, med noen sideblikk til<br />
lipider og karbohydrater.<br />
Veien fra gen til protein behandles i genetikkdelen av kurset. Her skal vi – nesten bokstavelig<br />
talt – samle opp de løse trådene etter translasjonsprosessen på ribosomene. Proteinene<br />
produseres på ribosomer som enten forekommer løse i cytosol eller er festet til ER, og disse<br />
to «poolene» av ribosomer representerer ei intracellulær sortering av proteiner: Cytosoltranslasjonen<br />
gir proteiner som finnes løst i cytosol, mens ER-translasjonen styrer proteiner<br />
inn i det indre membransystemet (kotranslasjonal import). De proteinene som frigjøres i<br />
cytosol vil enten gjøre jobben sin der eller de vil bli importert av kjerna, mitokondrier,<br />
kloroplaster eller peroksisomer (posttranslasjonal import).<br />
mitokondrium<br />
peroksisom<br />
ribosom<br />
cytosol ER<br />
kjerne<br />
kloroplast<br />
lysosom<br />
– 47 –<br />
golgi<br />
plasmamembran<br />
sekresj.<br />
ves<strong>ikke</strong>l
kjerna og endomembransystemet<br />
Proteinene som lages på ru ER havner i ER-lumen, i golgi, og videre i enten lysosomer, i<br />
plasmamembranen eller i sekresjonsvesikler for eksport ut av cella. Men sammenkoplinga av<br />
de første aminosyrene på den voksende peptidkjeden skjer mens mRNA og ribosom farter<br />
fritt rundt i cytosol. Først når peptidet er blitt 20-30 aminosyrer langt, festes komplekset til<br />
ER. Denne innledende, aminoterminale peptidbiten inneholder nemlig en signalsekvens som<br />
passer sammen med sin spesielle reseptor på utsida av ER-membranen.<br />
Mens signalsekvensen leter etter sin reseptor på ER-membranen stopper<br />
translasjonen ved at en «part<strong>ikke</strong>l» blander seg inn i prosessen. Den kalles<br />
SNR («signal recognition particle») og består av protein og RNA. Når det er<br />
etablert kontakt mellom proteinsyntese-komplekset og ER, og peptidet er<br />
styrt inn i ER-lumen, løsner SNR og translasjonen fortsetter.<br />
Proteiner som importes «posttranslasjonalt» av f.eks. mitokondrier og<br />
peroksisomer har en aminoterminal «target-sekvens» (analog med signalsekvensen)<br />
som gir direktiver om hvor proteinet skal og som hjelper det med å<br />
komme gjennom organellemembranene. Importen i mitokondriet finner sted<br />
i spesielle punkter der de to membranene (5.2) har fysisk kontakt med<br />
hverandre, slik at begge membranene forseres i én enkelt operasjon. Vel inne<br />
i mitokondriets matriks blir proteinet kvitt target-sekvensen ved hjelp av en<br />
peptidase.<br />
Signalsekvensen er hydrofob og kan derfor lett «tres» gjennom membranen og inn i ERlumen.<br />
Etter hvert som mRNA og ribosomet skjøter på stadig flere aminosyrer – og det skjer<br />
utenfor membranen – så vokser peptidet innenfor membranen. Signalsekvensen fjernes tidlig<br />
av en peptidase som ligger på lur i lumen, og det nysyntetiserte proteinet kan spontant folde<br />
seg til sin tredimensjonale struktur, bl.a. vil det dannes disulfidbruer. Nå er det effektivt<br />
forvart inne i endomembransystemet, og kan eventuelt bearbeides før det sendes videre.<br />
Som nevnt vil alle proteiner som skal til plasmamembranen gå veien om ER. Mange av<br />
disse proteinene er glykosylert – de er glykoproteiner (2.2.2) – og den innledende glykosyleringa<br />
skjer i ER. Til tross for at oligosakkarid-delen i glykoproteiner forekommer med<br />
endeløse variasjoner, er den i utgangspunktet identisk på alle glykoproteinene som lages i ER.<br />
Den er alltid festet til asparagin i proteinet og den er bygd opp av to molekyler Nacetylglukosamin<br />
(1.1.2), ni mannose og tre glukose.<br />
M<br />
M M<br />
Asn N N M M G<br />
M M G<br />
M G<br />
M<br />
Protein med oligosakkarid etter<br />
glykosylering i ER<br />
N = N-acetylglukosamin,<br />
M = mannose, G = glukose<br />
– 48 –
kjerna og endomembransystemet<br />
Glykosylering øker hydrofiliteten og hindrer dermed at proteinet vandrer ut gjennom ERmembranen.<br />
Videre kan sukkerpåhenget være med på å fremme rett folding av proteinet og<br />
beskytte det mot proteolytisk nedbryting. Multimere proteiner får som regel sin kvartære<br />
struktur (subenhetene forenes) allerede i ER-lumen.<br />
Etter syntese og eventuell foreløpig glykosylering blir proteinene transportert fra ER til<br />
golgi. Denne transporten skjer med vesikler som knoppes av ER og «bæres» av cytoskjelettet<br />
over til golgi der vesiklene «smelter sammen med» cis-enden. Transporten er<br />
energikrevende (ATP-avhengig, sannsynligvis fordi cytoskjelettet med kinesin-motorer er<br />
involvert – jfr. 4.3.4). Vesiklene – både de som kommer fra ER og de som senere knoppes av<br />
trans-golgi – har ei kappe av klatrin (de kalles på engelsk «coated vesicles»). Klatrin er et<br />
forholdsvis stort protein (molekylvekt 180 000) som danner sekskantete plater. Platene settes<br />
sammen omtrent som lærstykkene i en fotball, og danner ei kule som omgir den membranavsnørte<br />
vesiklen. Akkurat som fotballer kan tråkles sammen av et varierende antall<br />
lærheksagoner, kan vesiklene omgis av ulike antall klatrin-plater: Ves<strong>ikke</strong>lstørrelsen er<br />
fleksibel og bestemmes av dette antallet. Klatrinets rolle for ves<strong>ikke</strong>ltransporten er fortsatt<br />
noe uklar.<br />
Alle proteinene skal jo <strong>ikke</strong> ut av ER. Noen må pent holde seg i ER-lumen.<br />
Disse er «merket» ved at den karboksylterminale enden består av aminosyrene<br />
lysin-asparaginsyre-glutaminsyre-leucin (leucin er C-ende). Denne<br />
sekvensen st<strong>ikke</strong>r ut av proteinene og gjenkjennes av reseptorer, som sørger<br />
for at proteinene holdes tilbake i ER. Proteiner som feilaktig er sendt ut av<br />
ER, kan i noen tilfeller faktisk returneres.<br />
Etter at transportvesiklenes innhold er tømt «gjennom» golgimembranen blir det modifisert i<br />
golgi. Sakkarid-enheter blir fjernet fra glykoproteiner og nye blir hengt på; de tre glukosene<br />
«nederst til høyre» ble forresten pillet av allerede i ER-lumen (det samme kan skje med noen<br />
mannose-enheter). Deler av proteinkjeder kan også kuttes vekk. De fleste proteiner (inkludert<br />
glykoproteiner) forlater ER som inaktive forstadier; først etter barbering og frisering i<br />
golgi får de si endelige, aktive form. Ved hjelp av immunologiske metoder er det mulig å se<br />
hvordan de ulike skivene i golgistabelen, fra cis til trans, deler på arbeidet. Fjerning av<br />
sukkermolekyler fra grunnstrukturen i glykoproteiner (N2M9G3 – se ovenfor) skjer som regel<br />
i cis-golgi, mens addering av nye karbohydratenheter til oligosakkaridet foregår i trans-skivene.<br />
Polysakkarider blir syntetisert i golgi (det mest notable unntaket er cellulose – 4.4.1,<br />
4.4.2). I forgreinete molekyler (f.eks. amylopektin) settes «ryggraden» sammen i cis-, mens<br />
sidegreinene bygges på i trans-golgi.<br />
Celleveggproteinet ekstensin (4.4.1) fikk sine prolin-enheter hydroksylert i ER;<br />
dette proteinet er jo rikt på hydroksyprolin (1.4.1). I golgi blir mange av hydroksyprolin-enhetene<br />
glykosylert med pentosen arabinose.<br />
Før produktene av golgis synteser og bearbeidelser sendes videre, blir de konsentrert.<br />
Reseptorer i trans-golgi fanger inn det som skal sendes videre. Reseptorene klumper seg så<br />
– 49 –
kjerna og endomembransystemet<br />
sammen i et lite område – sannsynligvis helt ute i «bremmen» av den ytterste skiva. Vesikler<br />
snøres av, kles med klatrin, og sendes til korrekt destinasjon – det være seg lysosom eller<br />
plasmamembran. Det ser <strong>ikke</strong> ut til å finnes en reseptor for hver kjemisk forbindelse som<br />
skal sendes videre. Naturen har (i alle fall i noen tilfeller) effektivisert slik at flere stoffer kan<br />
sendes med den samme ves<strong>ikke</strong>len så lenge de har samme adresse. Reseptorene i trans-golgi<br />
kjenner igjen visse «merkelapper», som regel oligosakkarider. Ellers ulike forbindelser kan<br />
dermed fanges inn av den samme type reseptor, fordi de er utstyrt med likelydende<br />
adresselapper (jfr. 3.3.1). Også i vesikler som skipes fra golgi kan lasta bearbeides.<br />
«Farlige» forbindelser som skal brukes utenfor cella blir endelig klargjort inne i ves<strong>ikke</strong>len.<br />
Det klassiske eksempelet (om enn <strong>ikke</strong> så farlig) er proteinet insulin som produseres i<br />
pankreas – bukspyttkjertelen. Det blir lastet inn i ves<strong>ikke</strong>len som proinsulin, der «prodelen»<br />
av molekylet blir kappet av (av en protease som følger med på lasset), før aktivt<br />
insulin tømmes ut i blodbanen. Et annet pankreas-produkt – trypsin, en tarm-protease som<br />
brukes i fordøyelsen – blir først «aktivert» etter at den har forlatt produksjonscella.<br />
Omdannelsen fra inaktivt trypsinogen til trypsin skjer først i tarmen.<br />
ER er sete for syntesen av fosfolipider – den skjer særlig i membranen av slett ER, men<br />
også i ru ER. Alle de involverte enzymene er integret i ER-membranen, med de aktive delene<br />
av enzymene vendt ut mot cytosol. Resultatet av syntesen er fosfolipidmolekyler som<br />
innlemmes i det ytre lipidlaget i membranen. Likevekten i antall lipidmolekyler mellom<br />
cytosol-sida og lumen-sida opprettholdes av et spesielt transportprotein – «flippase» – som<br />
flytter fosfatidylkolin (men <strong>ikke</strong> de andre fosfolipidene (fosfatidylserin, fosfatidyletanolamin,<br />
fosfatidylinositol) mellom de to sidene av membranen. Membranen får altså en ujevn<br />
fordeling av de ulike fosfolipidene, og denne to-sidigheten kan etterspores i alle de andre av<br />
cellas membraner som dannes fra ER-membranen, <strong>ikke</strong> minst i plasmamembranen. Vesikler,<br />
eventuelt via golgi, frakter membrankomponenter til lysosomer og plasmamembran, delvis<br />
som ves<strong>ikke</strong>linnhold, men framforalt som ves<strong>ikke</strong>lmembraner. Ved at membraner faktisk<br />
transporteres som membraner, kan det holdes nøye kontroll med hva som blir hhv inn- og<br />
utside i den endelige membranen. Glykolipider produseres i ER med lipiddelen inkorporert i<br />
membranen og karbohydratdelen på lumensida, modifiseres i golgi (i noen tilfeller blir alt av<br />
karbohydrater hektet på i golgi) der sakkaridene fortsatt befinner seg i lumen, og havner til<br />
slutt i plasmamembranen med sukkerbitene på utsida. Lignende inn/ut-kontroll gjelder for<br />
membran-integrerte glykoproteiner.<br />
Transport fra ER til organeller som <strong>ikke</strong> inngår i det indre membransystemet – i første rekke<br />
mitokondrier, peroksisomer og kloroplaster – skjer <strong>ikke</strong> ved hjelp av vesikler. Fosfolipider<br />
til membranene i disse organellene blir fraktet fra ER av spesielle «overføringsproteiner»<br />
som plukker ett og ett lipidmolekyl fra det ytre laget av én membran, og «driver»<br />
gjennom cytosol til en organelle der molekylet stappes på plass – også her i membranens ytre<br />
lipidlag. Disse cytosolløselige transportproteinene er spesif<strong>ikke</strong>: Et frakter fosfatidylkolin<br />
mens et annet flytter fosfatidylserin (etter ankomst til destinasjonsorganellen blir eventuelt<br />
noe av fosfatidylserinet dekarboksylert til fosfatidyletanolamin). Det er <strong>ikke</strong> kjent om overføringsproteinene<br />
er underlagt regulering mht. hvor de skal transportere fra og til, eller om de<br />
jobber mer tilfeldig, med det nettoresultat at fosfolipider flyttes fra produksjonsområder med<br />
høy konsentrasjon (ER) til voksende forbruksområder med lavere konsentrasjon (f.eks.<br />
mitokondrier og peroksisomer).<br />
– 50 –
3.2.4 EKSOCYTOSE OG ENDOCYTOSE<br />
kjerna og endomembransystemet<br />
Vi har sett hvordan proteiner produsert i ER beveger seg videre til golgi og derfra til<br />
lysosomer eller ut av cella – alt ved hjelp av vesikler. Overføringa fra ves<strong>ikke</strong>l til plasmamembranens<br />
utside skjer gjennom en prosess som kalles eksocytose. (Selv om navnet henspiller<br />
på selve dette siste overføringssteget – ekso, ut; cyto, celle – er ER-vesiklenes fusjon<br />
med golgi og ves<strong>ikke</strong>lgangen mellom golgiskivene, helt parallelle med eksocytose). Den<br />
komplementære prosessen, opptak av ekstracellulært materiale ved at litt av plasmamembranen<br />
snøres av og danner ei membranblære inne i cella, kalles endocytose. Ekso- og<br />
endocytose sørger for transport av makromolekyler og partikulært materiale over plasmamembranen.<br />
Eksocytosen er <strong>ikke</strong> ennå forstått i detalj – særlig er gjenkjenningsmekanismene mellom<br />
sekresjonsvesiklene og plasmamembranen fortsatt obskure, men det er klart at proteinreseptorer<br />
er involvert.<br />
En skiller gjerne mellom tre typer endocytose:<br />
1. fagocytose – «celle-spising» – der faste partikler, også bakterier, tas opp av cella.<br />
2. pinocytose – «celle-drikking» – opptak av uspesifisert vann med oppløste stoffer.<br />
3. reseptormediert endocytose – som brukes til selektivt opptak av enkelte forbindelser,<br />
og er den vanligste og viktigste formen for endocytose i dyreceller.<br />
Fagocytose praktiseres nesten bare av spesialiserte celler i flercellete organismer; i pattedyr i<br />
visse kvite blodceller (makrofager og leukocytter) der bakterier og andre ubudne gjester får<br />
unngjelde. Ellers er fagocytose særlig kjent fra amøber og andre protister, samt noen primitive<br />
flercellete dyr, der prosessen er et middel til å ta opp næring. Kontakt mellom plasmamembranen<br />
og det ekstracellulære legemet får membranen til å folde seg inn. Part<strong>ikke</strong>len<br />
omsluttes etter hvert helt av membranen, og det snøres av en vakuole som fusjonerer med et<br />
primært lysosom (3.2.5).<br />
Pinocytose forekommer i flere celletyper enn fagocytose: kvite blodceller, nyreceller,<br />
tarmepitel, planterøtter, m.fl. Prosessen starter sannsynligvis ved at reseptorer på plasmamembranens<br />
ytterside kjenner igjen stoffer som cella «ønsker å ta opp». Innbuktinga fanger<br />
s<strong>ikke</strong>rt opp noe av den tiltrengte forbindelsen, men samtidig mye annet – framforalt vann.<br />
Pinocytose er kanskje rett og slett en måte å etterfylle vann på, diffusjon er tross alt en<br />
temmelig treg prosess.<br />
Reseptor-mediert endocytose brukes til å ta opp helt bestemte, som regel store molekyler,<br />
som <strong>ikke</strong> har egne «carriers» for membrantransport (jfr. 2.3). Reseptorer for stoffet som skal<br />
endocyteres ligger samlet i områder av membranen som er svakt nedsenket – eller kanskje er<br />
det slik at reseptorene samles og gropdanninga begynner først etter at det er dannet ligander,<br />
dvs. foreninger mellom reseptor og det molekylet som skal transporteres. Ligandene blir i<br />
alle fall hopet opp i et konsentrert område av membranoverflata (i noen tilfeller dannes det<br />
disulfidbruer mellom de enkelte reseptormolekylene, for å understreke samholdet) og plasmamembranen<br />
buktes mer og mer inn, til de snøres av på vanlig manér. Gropene er på «baksida»,<br />
altså på cytosolsida av plasmamembranen, dekket av et klatrin-lag («coated pits»).<br />
Sannsynligvis har klatrin noe med invagineringa og avknoppinga å gjøre. Den frigjorte vakuolen<br />
strippes nemlig raskt for klatrinet, som resirkuleres tilbake til plasmamembranen for å<br />
– 51 –
kjerna og endomembransystemet<br />
brukes til nye endocytoser. Vakuolens skjebne avhenger av hva den inneholder. Ofte blir<br />
flere endocytotiske vakuoler «slått sammen» til et endosom. Enkeltvakuoler eller endosomer<br />
kan smelte sammen med lysosomer, men de som dannes gjennom reseptor-mediert<br />
endocytose vil nok heller styres til den organellen der det er behov for det aktuelle stoffet.<br />
3.2.5 LYSOSOMER<br />
Lysosomene er omgitt av en enkelt membran. De er gjerne om lag 0.5 µm i diameter (eller<br />
litt mindre) og oppstår fra ER og golgi, men har helt selvstendige oppgaver. Disse organellene<br />
er først og fremst cellas avdeling for hydrolytisk nedbryting av makromolekyler – enten<br />
brakt inn som mat utenfra, eller slike som er blitt overflødige i cella. Den eldre tolkinga av<br />
lysosomer som cellas «selvmordspiller» har i dag mindre betydning.<br />
Lysosomene er altså cellas måte å lagre og bruke hydrolaser på. Disse enzymene er<br />
farlige for cella dersom de slippes fri – de skjelner selvsagt <strong>ikke</strong> mellom f.eks. proteiner som<br />
har en funksjon i cella og proteiner som er importert som mat. Lysosomene møter de krav<br />
som må stilles til oppbevaring og anvendelse av disse potente enzymene. Hydrolasene i<br />
lysosomer er «sure» – dvs. at de har optimal aktivitet rundt pH 5. Ei forholdsvis fersk liste<br />
grupperer de lysosomale hydrolasene som (minst) fem ulike fosfataser, fire proteaser, to<br />
nukleaser, seks lipaser, tolv glukosidaser og en sulfatase. Det skulle rekke for å tygge opp<br />
det meste som kan tenkes å befinne seg i et lysosom.<br />
Hydrolasene produseres av ER og golgi, og pakkes i primære lysosomer som knoppes av<br />
fra trans-golgi. Sannsynligvis foreligger enzymene i inaktive former før de er vel forvart i<br />
lysosomene. Under syntesen på kornet ER eller i golgi merkes enzymene med adresselappen<br />
«lysosom». Den er et oligosakkarid som inneholder den sjeldne sukkerarten mannose-6fosfat.<br />
O –<br />
O<br />
P<br />
O –<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
CH 2<br />
H<br />
mannose-6-fosfat<br />
– 52 –<br />
O<br />
H OH OH<br />
I golgi vil alle proteiner som er «merket» med dette sakkaridet bli gjenkjent av en spesiell<br />
reseptor som samler dem og pakker dem i vesikler som blir til lysosomer, eller sendes til<br />
allerede eksisterende lysosomer. I golgi eller de ferdige primære lysosomene modifiseres<br />
glykoproteinene til aktive hydrolaser.<br />
Et primært lysosom kan brukes på fire ulike måter: heterofagi, autofagi, autolyse og<br />
ekstracellulær nedbrytning…<br />
Heterofagi er den best kjente lysosomfunksjonen. I cytosol smelter det primære lysosomet<br />
sammen med membran-bundne vakuoler som inneholder mat eller makromolekyler og er<br />
dannet gjennom endocytose. Fusjonsproduktet kalles heterofagisk lysosom (sekundært<br />
H<br />
H<br />
OH
kjerna og endomembransystemet<br />
lysosom) og det er her at nedbrytingsprosessene skjer. Småmolekylære produkter av denne<br />
fordøyelsen vil ta seg over lysosommembranen og ut i cytosol, der de kan nyttiggjøres i<br />
energimetabolismen eller som byggesteiner i nye makromolekyler. I encellete dyr er det<br />
vanlig at lysosomet deretter «tømmes» gjennom plasmamembranen. Men i celler flest finnes<br />
det trulig ingen slik mekanisme, og opphoping av gamle lysosomer er en av årsakene til at<br />
celler eldes.<br />
Autofagi er temmelig analogt med heterofagi, men her dannes det sekundære lysosomet<br />
<strong>ikke</strong> ved fusjon med en vakuole som inneholder ekstracellulært materiale, men med ei såkalt<br />
autofagisk vakuole som oppstår ved at glatt ER pakker inn intracellulære strukturer, f.eks. et<br />
mitokondrion. Et slikt sekundært lysosom kalles et autofagisk lysosom. Autofagi er altså et<br />
system for å ta hand om cellekomponenter som er blitt skadet eller på annet vis skal<br />
«erstattes». Det produseres kontinuerlig nye organeller som mitokondrier og kloroplaster,<br />
mens de gamle destrueres slik at bestanddelene kan resirkuleres. I sultende celler vil<br />
organeller konsumeres ved autofagi i større grad enn det produseres nye, men det er<br />
selvfølgelig grenser for hvor lenge et slikt ubalansert forhold kan fortsette.<br />
Ved autolyse tømmes lysosomets innhold av hydrolytiske enzymer inne i cella – det<br />
holdes <strong>ikke</strong> lenger s<strong>ikke</strong>rt innesperret bak lysosommembranen. Enzymene dreper cella ved å<br />
bryte ned dens indre strukturer. I flercellete organismer spiller autolyse en rolle ved<br />
utviklinga av visse organer og vev. Rumpetrollets hale forsvinner ved at cellene ødelegges på<br />
denne måten.<br />
Primære lysosomer kan også tømme innholdet sitt ut av cella gjennom exocytose, på<br />
samme måte som sekresjonsvesikler. Slik bruk av lysosomale enzymer til ekstracellulær<br />
nedbryting av makromolekyler er heller sjelden, og avgjort den minst viktige lysosomfunksjonen.<br />
Lysosomet ble oppdaget i 1955 av Christian de Duve (1917–); først i animalske<br />
celler, og senere i planter og sopp. På 1960-tallet klarte den skarpøyde<br />
belgieren å finne nok en organelle – peroksisomet. Slikt blir det nobelpriser<br />
av. Han fikk medisinutgaven i 1974.<br />
– 53 –
4: CELLEORGANISERING:<br />
CYTOSKJELETTET OG ANDRE ORGANELLER<br />
Ved siden av lysosomene og transportvesiklene som opererer i forbindelse med ER, golgi,<br />
exo- og endocytose, inneholder cella lignende strukturer som i langt større grad enn vesiklene<br />
lever «et selvstendig liv»; først og fremst peroksisomer og vakuoler. I likhet med lysosomene<br />
tilbyr disse organellene egnede lokaler for spesielle og ofte «farlige» biokjemiske reaksjoner.<br />
Mitokondrier (7.1) og kloroplaster (8.1) behandles i forbindelse med de viktige prosessene<br />
som finner sted der, hhv. sitronsyresyklus og fotosyntese. Ribosomer hører naturlig inn under<br />
genetikkdelen, og blir <strong>ikke</strong> behandlet her. Av cellas «indre strukturer» gjenstår da bare<br />
cytoskjelettet.<br />
4.1 PEROKSISOMER<br />
Peroksisomenes størrelse er sammenlignbar med lysosomenes, selv om den nok kan variere<br />
litt mer (0.2-2.0 µm i diameter). Og på samme måte som lysosomene har de enkel membran<br />
og tilsynelatende ingen indre strukturer. De ble tidligere (mens de ennå bare var små flekker<br />
på elektronmikroskopiske bilder) kalt «microbodies», og dette navnet henger til en viss grad<br />
igjen også i ferskere litteratur. Alle proteinene i disse organellene syntetiseres i cytosol før<br />
de importeres gjennom reseptorproteiner i peroksisommembranen. Proteiner som skal inn i<br />
peroksisomene har en bestemt sekvens av tre aminosyrer (ser-lys-leu) nær den karboksylterminale<br />
enden. Denne veksten forutsetter sannsynligvis et det også importeres membranproteiner.<br />
Når peroksisomet blir for stort, deler det seg i to.<br />
Funksjonene varierer ganske mye med organisme og vev (hos dyr finnes det særlig mange<br />
peroksisomer i lever- og nyreceller), men en viktig oppgave er forbundet med produksjon og<br />
nedbryting av den svært giftige forbindelsen hydrogenperoksid, H2O2. Mange oksidaser<br />
overfører elektroner (og hydrogen) fra substratet til oksygen, og danner derved peroksid som<br />
et biprodukt:<br />
RH2 + O2 → R + H2O2<br />
Slike reaksjoner er lagt til peroksisomene der enzymet katalase tar hand om peroksid:<br />
2 H2O2 → 2 H2O + O2<br />
Katalase kan utgjøre så mye som 15% av peroksisomets totale proteininnhold. Enzymets<br />
subenheter syntetiseres i cytosol og transporteres inn i peroksisomet der de settes sammen til<br />
det funksjonelle enzymet – som også inneholder hem som prostetisk gruppe.<br />
En annen viktige peroksisom-funksjon er avgifting av toksiske forbindelser. Igjen er det<br />
katalase som gjør jobben. Katalase kan nemlig også virke peroksidativt:<br />
R’H2 + H2O2 → R’ + 2 H2O<br />
R’H2 kan være f.eks. metanol, etanol, formaldehyd, nitriter og fenoler – giftige stoffer som<br />
altså uskadeliggjøres samtidig med at cella blir kvitt hydrogenperoksid. Peroksisomene huser<br />
dessuten, sammen med mitokondriene, cellas fettsyreoksidering.<br />
I planteceller finner en derfor to spesialutgaver av peroksisomer. Blad-peroksisomer<br />
(som <strong>ikke</strong> bare forekommer i blad, men i alle grønne plantedeler) befinner seg alltid nær<br />
– 54 – ©Arild Ernstsen 1994-2003
cytoskjelettet og andre organeller<br />
kloroplaster, noe som viser det nære biokjemiske sambandet mellom de to typene av<br />
organeller (i dette samarbeidet inngår dessuten mitokondriene). Disse peroksisomene spiller<br />
en viktig rolle i fotorespirasjonen og vil bli behandlet i forbindelse med fotosyntesen (kap.<br />
6). Det andre spesialtilfellet av peroksisomer er glyoksysomene som finnes i fettlagrende<br />
plantedeler, særlig i frødeler som endosperm og frøblad. I disse organellene er glyoksalsyresykelen<br />
lokalisert; den er en «slektning» av sitronsyre-sykelen (5.3). Det fører for langt å<br />
detaljbehandle disse biokjemiske spissfindighetene, men essensen er at glyoksysomene (i<br />
nært samarbeid med mitokondriene) er med på å bryte ned fettsyrer til mer omsettelige<br />
former for energi. Felles for prosessene i blad-peroksisomene og glyoksysomene er rimeligvis<br />
at de utvikler hydrogenperoksid.<br />
4.2 VAKUOLER<br />
Vakuoler er membranomsluttede organeller av varierende størrelse. De brukes til lagring og<br />
transport av stoffer. Ettersom skillet mellom dyre- og plantevakuoler er forholdsvis markert,<br />
behandles de her hver for seg.<br />
Vakuoler i dyreceller er <strong>ikke</strong> helt enkle å definere, hverken strukturelt eller funksjonelt.<br />
Ulike forfattere legger ulik betydning i begrepet. Overgangen mellom vesikler og vakuoler er<br />
flytende, men i alle fall fire kriterier kan brukes i forsøket på i skille dem. Vakuoler har<br />
gjerne lenger levetid enn vesikler; vakuoler fungerer mer som lager enn som transportenhet;<br />
vakuoler er oftest større enn vesikler; og vakuoler beveger seg langsommere enn vesikler<br />
(mens vesikler kan forflytte seg raskt ved hjelp av cytoskjelettet, er vakuoler mer eller mindre<br />
stillestående). Generelt passer nok disse vakuole-karakterist<strong>ikke</strong>ne best på organeller som<br />
oppstår gjennom endocytose (jfr. 3.2.5 – heterofagi), mens vesiklene har sin opprinnelse i ER<br />
og golgi.<br />
Vakuoler i planteceller er lettere å definere og har noen flere funksjoner. Det henger bl.a.<br />
sammen med at planteceller mangler lysosomer, men særlig med vakuolenes betydning for<br />
flercellete planters form.<br />
Vann og vanntrykk virker inn på cellevekst, celleform og plantens totale morfologi, der<br />
mye dreier seg om vakuolen, dens størrelse og dens forhold til cytoplasma. I unge<br />
plantedeler, der cellene bare har primærvegg, er det vann som holder plantens fasong intakt –<br />
vann og vakuolene.<br />
Vakuolen ble tidligere betraktet som noe statisk og dødt, med få funksjoner og minimal<br />
metobolsk aktivitet. Dette inntrykket har endret seg noe i det siste. Fra gammelt av vet en at<br />
vakuolen er cellas redskap for å regulere størrelsen, i den grad veggene tillater det. Litt<br />
skarpt, men upresist formulert – og uten å gå cytoskjelettet i næringa – kan vi kanskje si at det<br />
er cellas muskel. Ved å regulere vannmendgen i vakuolen kan trykket mot veggen endres<br />
(turgortrykk). Turgortrykket kan sammenliknes med lufttrykket i bildekk eller i en undervannsbåt.<br />
I voksende celler er det størrelsesøkning i vakuolene som besørger krafta som presser<br />
ut den unge, myke celleveggen (celleveggen løses løses litt ekstra opp før denne prosessen<br />
ved at den tilføres protoner fra cytosol). Vakuole-justeringer forklarer forholdsvis raske<br />
cellebevegelser, f.eks. ved åpning og lukking av spalteåpninger (stomata) og blomster- og<br />
bladbevegelser i forhold til lys og temperatur.<br />
I unge celler er det mange små vakuoler. Etter hvert som cella blir eldre går disse sammen<br />
og danner til slutt en stor vakuole. Denne vakuolen kan utgjøre så mye som 90% av volumet<br />
– 55 –
cytoskjelettet og andre organeller<br />
av ei moden celle. Cytoplasmaet finner vi bare som ei ganske tynn hinne, presset ut mot<br />
celleveggen. Strenger av cytoplasma kan gå gjennom store vakuoler – disse strengene er<br />
alltid omsluttet av vakuolemembranen, som i plantebiologisk terminologi kalles tonoplast.<br />
Vi har sagt at vakuolen inneholder vann, men vi skjønner lett at det <strong>ikke</strong> kan dreie seg om<br />
rent vann. Det skulle stride mot de mest grunnleggende prinsipper for osmose. Tvertimot<br />
<strong>bruker</strong> cella disse prinsippene i fullt monn. Et generelt høyt innhold av oppløste stoffer<br />
muliggjør det høye vanninnholdet. Ioner, særlig K +, pumpes inn eller ut av vakuolen (alt<br />
etter behov), vann følger osmotisk med, og vakuolestørrelsen, og dermed turgortrykket,<br />
reguleres.<br />
Vakuolen lager mye rart. Den inneholder Ca 2+ og PO4 3–, som det til tider kan være<br />
knapphet på og som dessuten er toksisk ved store konsentrasjoner i cytoplasma. Og den inneholder<br />
framfor alt H +. Når ei celle utsettes for lav pH, øker H +-konsentrasjonen i vakuolen,<br />
mens den holder seg uforandret i cytosol. Vakuolen er rik på enzymer, særlig såkalt lytiske<br />
enzymer som bryter med såvel protein (proteaser), som nukleinsyrer (ribonukleaser) og<br />
polysakkarider (glykosidaser). Disse enzymene har viktige roller når cella dør og skal brytes<br />
ned og resirkuleres (nærmest som for lysosomer), men også under mer normalt stoffskifte i<br />
levende celler. Videre finner en i vakuolen krystaller, fibriller, partikler eller dråper av rene<br />
stoffer (alt fra organiske syrer til proteiner, sukkere, kalsiumoksalat m.m.). I enkelte tilfeller<br />
er det stoffer løst i vakuolen som gir plantedeler (særlig blomster) sterke farger (farger kan<br />
også skyldes kromoplaster, jfr. 8.1).<br />
Enkelte andre metabolske prosesser er også lokalisert til vakuolen. Dette gjelder bl.a. visse<br />
steg i sukkeromsetninga og det siste steget i syntesen av etylen-gass, en regulator av plantevekst<br />
og -utvikling.<br />
4.3 CYTOSKJELETTET<br />
Cytoskjelettet er en forholdsvis ny oppdagelse i eukaryote celler (det finnes overhodet <strong>ikke</strong> i<br />
prokaryoter); det aller meste av vår viten skriver seg fra de siste 30 år, og særlig det siste<br />
tiåret har det kommet mye nytt – men mye er fortsatt dunkelt. Cytoskjelettet har viktige<br />
funksjoner forbundet med celleform, cellebevegelse og celledeling. Det er med på å plassere<br />
og forflytte organeller inne i cella, og har «noe å gjøre med» plassering av ribosomer og enzymer<br />
i cytosol.<br />
Cytoskjelett-nettverket fyller det meste av cytosol og består av de tre komponentene<br />
mikrotubuli, mikrofilamenter og intermediære filamenter. Hver av disse komponentene<br />
har sin karakteristiske størrelse, struktur og fordeling i cella, men alle tre er proteiner – store<br />
multimere konstruksjoner, oppbygd av proteinmonomerer. «Skjelett» henspiller på funksjonen<br />
som et rammeverk, «stillas», for cella og dens innhold. Men betegnelsen må <strong>ikke</strong> få oss til<br />
å tru at vi har å gjøre med noe statisk og passivt. Cytoskjelettet er snarere cellas «muskel»,<br />
det er dynamisk og foranderlig: Proteinmonomerene kan raskt føyes til eller fjernes fra eksisterende<br />
strukturer. Til cytoskjelett-proteinene kan det dessuten være koplet andre «hjelpeproteiner»;<br />
proteiner som binder sammen cytoskjelett-deler og beveger dem i forhold til<br />
hverandre; eller proteiner som binder andre cellestrukturer og forflytter dem i forhold til<br />
cytoskjelettet.<br />
– 56 –
4.3.1 MIKROTUBULI<br />
cytoskjelettet og andre organeller<br />
Proteinet i mikrotubuli (entall: -tubulus) er tubulin som forekommer i to like, men <strong>ikke</strong> helt<br />
identiske former, α- og β-tubulin, som begge har en globulær tertiærstruktur med diameter på<br />
ca. 5 nm (molekylvekta er om lag 55 000 for begge). De to formene er kovalent sammenbundet<br />
til et dimerisk protein, og denne dimeren brukes til å bygge opp lineære strukturer –<br />
protofilamenter – der tubulin-kulene ligger som perler på ei rett snor, vekselvis α og β. 13<br />
protofilamenter er videre samarrangert som rette, hule rør med en ytre og indre diameter på<br />
hhv 25 og 15 nm. Alle dimerne som utgjør protofilamentene er orientert likt, dvs at mikrotubuli<br />
alltid har α-tubulin i den ene enden og β-tubulin i den andre: vi sier at mikrotubuli har<br />
polaritet – en pluss-ende og en minus-ende. Mikrotubuli er den tykkeste av de tre cytoskjelett-komponentene.<br />
Lengda varierer svært, fra mindre enn 200 nm til 25 µm.<br />
Sentrioler er små sylindriske byggverk av mikrotubuli, ca. 200 nm i diameter og 400 nm<br />
lange. Sylinderen dannes av ni grupper som hver består av tre «sammenklistrete» mikrotubuli<br />
(til sammen 27 mikrotubuli). De ni gruppene holdes i posisjon av andre proteiner.<br />
Sentriolene opptrer parvis – som oftest er de to sylindrene orientert vinkelrett på hverandre,<br />
som en «T» eller «L». Basallegemer som utgjør «grunnmuren» i cilier er en spesialisert<br />
form av enkeltstående sentrioler. Forsåvidt kan også selve ciliene sies å være sentrioler –<br />
ettersom disse «cellehårene» (særlig forekommende i epitelceller) er bygd rundt en konstruksjon<br />
som består av ni grupper av mikrotubuli. Men her har hver gruppe bare to mikrotubuli<br />
(sannsynligvis dannes ciliene ved at to av de tre mikrotubuliene i hver av basallegemets<br />
ni grupper, vokser utover), og det finnes dessuten to mikrotubuli plassert sentralt i den nikantete<br />
sylinderen. I eukaryote celler er det ingen store forskjeller mellom cilier og flageller<br />
– vi kaller det cilier når det finnes mange av dem på hver celle, og flageller når de er<br />
begrenset til én eller to – f.eks. spermcellehalen.<br />
Flageller og cilier har veldefinerte lengder (flageller er gjerne lengre enn cilier); de er faste<br />
strukturer som, når de først er dannet, følger cella resten av livet, uten ytterligere forlenginger<br />
eller forkortinger. Det er <strong>ikke</strong> tilfellet med cytoplasmatiske mikrotubuli. Nær cellekjerna<br />
ligger det mikrotubuli-organiserende senteret – også kalt «cellesenteret» eller sentrosomet.<br />
I sentrosomet inngår det et T-formet sentriole-par og en obskur «sky» av mer<br />
ubestemmelig proteinmateriale; i planteceller mangler forresten sentriolene, sentrosomet<br />
består bare av proteinskyen. Dersom vi eksperimentelt ødelegger alle mikrotubuli i ei celle<br />
(det finnes gifter som kan gjøre dette helt selektivt), vil vi se at nye mikrotubuli dannes fra<br />
sentrosomet. Fra sentrosomet stråler det ut ca. 250 mikrotubuli (tallet ser ut til å være likt fra<br />
celle til celle, men kan variere fra art til art). Minus-endene er forankret i sentrosomet, mens<br />
pluss-endene kan rekke helt ut til cellas perifere deler. Voksende mikrotubuli bygges på i<br />
pluss-endene (kanskje skjer det også en liten vekst i de sentrosom-festede endene).<br />
Forkorting av mikrotubuli foregår ved at tubulinkuler fjernes fra pluss-enden; all lengdedynamikk<br />
er altså forbundet med den samme enden. Men kontrollert frakopling av tubulinenheter<br />
er neppe den vanlige nedbrytningsmåten. Det er mer sannsynlig at en hel<br />
mikrotubulus ramler sammen i én kortvarig, «katastrofal» prosess (enten ved rask avskalling<br />
fra pluss-enden eller ved brudd over hele fjøla). «Levetida» for mikrotubuli er kanskje så<br />
kort som 10 minutter, fra oppbygginga starter i sentrosomet til tubulinkjeden rekker ut til<br />
plasmamembranen – og brekker i stykker. I mikrotubuli som tiltenkes et lengre liv blir sannsynligvis<br />
pluss-enden låst på et eller annet vis, slik at nedbrytning hindres.<br />
– 57 –
cytoskjelettet og andre organeller<br />
Oppbygging av mikrotubuli er en energikrevende prosess. Til αβ-dimeren er det bundet to<br />
molekyler GTP (guanosintrifosfat) – som energimessig er likeverdig med ATP. Når dimeren<br />
henges på en voksende mikrotubulus, hydrolyseres ei energirik fosfoesterbinding på den ene<br />
GTPen (den blir følgelig til GDP). Denne energien brukes faktisk <strong>ikke</strong> til å binde dimeren til<br />
den eksisterende tubulin-polymeren. Den brukes til å styre dimeren, slik at den festes i rett<br />
posisjon – f.eks. «ny» α mot «gammel» β, og <strong>ikke</strong> α mot α. Det er altså polariteten i mikrotubuli<br />
som er så livsviktig at cella <strong>bruker</strong> energi på sikre at den opprettholdes. Etter depolymerisering<br />
av mikrotubuli, må de frie tubulinkulene – nå med én GDP og én GTP – fosforyleres<br />
av ATP, slik at de får to GTPer, og er klare til å bygges på en voksende mikrotubulus.<br />
Før celledelinga brytes det meste av cytoplasmiske mikrotubuli ned, sentriole-paret replikeres,<br />
og de to resulterende datter-sentrosomene – hver med ett sentriole-par – vandrer til hver<br />
si side av kjerna, der de legger seg utenfor kjernemembranen og utgjør polene for det mitotiske<br />
spindel. Fra hvert av disse sentrosomene vil det «vokse ut» mikrotubuli i alle retninger,<br />
men de som <strong>ikke</strong> har retning mot kjerna vil raskt brytes ned. Mikrotubuli som vokser mot<br />
kjerna (der kjernemembranen nå desintegrerer og blottlegger de replikerte kromosomene) blir<br />
selektivt stabilisert i pluss-enden, og danner det «spindelvevet» som fester seg til kromosomene<br />
og drar dem ut til polene, dvs. dattercellene.<br />
4.3.2 MIKROFILAMENTER<br />
Også mikrofilamentene består av globulære protein-enheter. Proteinet består av 375 aminosyrer,<br />
har ei molekylvekt på om lag 42 000, og kalles aktin – og filamentene benevnes derfor<br />
ofte aktinfilamenter (globulært, fritt aktin benevnes G-aktin, mens aktin som deltar i<br />
filamenter kalles F-aktin). Aktinkulene danner to kjeder som er tvunnet om hverandre i en<br />
dobbeltspiral med 13.5 aktinmonomerer pr. omdreining og en diamenter på om lag 7 nm.<br />
Mikrofilamentene er altså betydelig tynnere enn mikrotubuli.<br />
Mikrofilamentene er polare, med pluss- og minus-ender. På samme måte som for<br />
mikrotubuli sørger hydrolyse av ei fosfoesterbinding – her i ATP – for at G-aktinet plasseres<br />
i rett posisjon på F-aktinet. Påbygging av filamentene skjer i pluss-enden, mens fjerning av<br />
aktinkuler er begrenset til minus-enden. ATP-molekylet er tett bundet (dog <strong>ikke</strong> kovalent) til<br />
G-aktin. ADPet sitter fortsatt på etter at aktinet er innkorporert i filamentet, og etter at kula<br />
er frigjort i minus-enden, må det fosforyleres for at G-aktinet skal kunne polymeriseres nok<br />
en gang.<br />
Mange dyreceller – som jo mangler cellevegg – har like under plasmamembranen en cellecortex<br />
(«cellebark»). Den er et tredimensjonalt nettverk av mikrofilamenter som styrker og<br />
gir form til celleoverflata. Flere proteiner, det mest kjente heter filamin, spleiser sammen og<br />
kryssbinder mikrofilamentene i cortex.<br />
Mikrofilamentene former mikrovilli – utposinger på celleoverflata, særlig i animalske -<br />
celler. De er særlig vel utviklet og tallrike i absorpsjonsvev, f.eks. i de delene av epitelceller<br />
som vender ut mot tarmkanalen, der det finnes tusenvis av mikrovilli som øker overflatearealet<br />
10-20 ganger (mikrovilli må <strong>ikke</strong> forveksles med villi, tarmtotter, store strukturer<br />
som består av mange celler). Men de finnes også i andre celler, der de er med på å regulere<br />
celleform og er involvert i endocytose. I hver mikrovillus er det en «bunt» mikrofilamenter<br />
– 58 –
cytoskjelettet og andre organeller<br />
som holdes tett sammen av villin og andre proteiner. Filamentene er dessuten protein-festet<br />
til plasmamembranen (pluss-enden, ytterst) og til celle-cortex (minus-enden).<br />
4.3.3 INTERMEDIÆRE FILAMENTER<br />
De intermediære filamentene har fått sitt navn av to grunner: de har en tykkelse som ligger<br />
mellom mikrotubuli og mikrofilamenter, og de ser i mange sammenhenger ut til å være<br />
plassert fysisk mellom mikrotubli og mikrofilamenter, som forbindende bru-strukturer.<br />
Intermediære filamenter er mer stabile enn de to andre cytoskjelettkomponentene. Det<br />
henger sammen med strukturen: De er nemlig ekte fibrøse proteiner, <strong>ikke</strong> sammensatt av<br />
globulære enheter som de andre. Det er et visst rom for variasjon mellom filamenter fra ulike<br />
vev i én og samme organisme, men et typisk intermediært filament er bygd opp omtrent slik<br />
(dette krever en smule visuell forestillingsevne): To peptidkjeder tvunnet rundt hverandre<br />
finner sammen med to likesinnede og danner et protofilament – som altså er en tetramer, det<br />
består av fire peptidkjeder. Protofilamentene er 48 nm lange. De hektes på hverandre, ende<br />
mot ende, til sk<strong>ikke</strong>lig lange filamenter (opp til noen µm); og flere protofilamenter tvinnes<br />
sammen til spiralstrukturer – åtte protofilamenter pr. ferdigkonstruert intermediært filament<br />
ser ut til å være vanligst. Diameteren til et slikt intermediært filament er ca. 10 nm, og med<br />
kalkulatorens hjelp finner vi at den består av 2x2x8=32 peptidkjeder. Totaltallet av peptidkjeder<br />
i filamentet er selvfølgelig bestemt av lengda, og den kan variere mye. Men i ferdig<br />
produserte filamenter er lengda fastlagt, der skjer neppe noen på- og avkoplinger av subenheter,<br />
slik som med tubulin og aktin.<br />
Innenfor kjernemembranen ligger det et lag av tett sammenvevde intermediære filamenter<br />
– lamina, mer slangaktig kalt «kjerneskjelettet» (karyoskeleton). Den gir kjerna den karakteristiske<br />
runde forma og beskytter det delikate kjerneinnholdet mot mekanisk skade. Intermediære<br />
filamenter gjennom kjerneporene forbinder lamina med cytoskjelettet i cytosol, og<br />
forankrer på den måten kjerna på en fast plass i cella – som regel nær sentrum i animalske<br />
celler. Proteinet i kjernelamina, som kalles lamin, er likt i alle cellene i en organisme, og<br />
varierer dessuten lite mellom ulike arter. Men andre intermediære filamenter, de som finnes i<br />
cytoplasma, er vevsspesif<strong>ikke</strong> – proteinene i dem er karakteristiske for én type celler. I dyreceller<br />
regner en med fem slag intermediære filamenter (i tillegg til lamin). Keratin finnes<br />
særlig i epitelceller i hud og kroppens hulrom, vimentin forekommer i bindevev, desmin i<br />
muskelceller, nevrofilament-protein i nerveceller, og glialfilament-protein (glial fibrillary<br />
acidic protein) i de isolasjonscellene som ligger rundt nervene (det er nok riktigere å snakke<br />
om fem «familier» av proteiner; det er f.eks. beskrevet ca. 50 ulike keratiner).<br />
Vevsspesif<strong>ikke</strong> filamenter har vist seg å være nyttig i kreftdiagnostisering.<br />
Effektiv behandling er ofte avhengig av at en kjenner kreftcellenes opprinnelse.<br />
Kreftceller beholder den typen intermediære filamenter som fantes i det<br />
vevet der den ukontrollerte celledelinga startet, og opprinnelsen kan dermed<br />
forholdsvis enkelt bestemmes med immunologiske metoder.<br />
– 59 –
cytoskjelettet og andre organeller<br />
4.3.4 CYTOSKJELETTETS FUNKSJONER<br />
Til cytoskjelettet er det naturlig å regne flere typer av spesialiserte motormolekyler som<br />
sammen med mikrotubuli og mikrofilamenter skaper bevegelser på molekylnivå. Disse<br />
bevegelsene kan koordineres til å produsere bevegelser på cellenivå (f.eks. ved endocytose),<br />
og i enkelte tilfeller kan slike bevegelser synkroniseres i flere celler slik at det skjer en<br />
totalbevegelse på vevsnivå (f.eks. muskler). De viktigst motormolekylene er proteinene myosin,<br />
kinesin og dynein (igjen er det nok riktigere å snakke om grupper av proteiner; i stedet<br />
for dynein brukes ofte termen «dynein-lignende forbindelser»). Myosin virker sammen med<br />
mikrofilamentene, mens mikrotubuli motoriseres av kinesin og dynein.<br />
Myosin i muskelceller har filamentstruktur og ligger langs mikrofilamentene, med sidearmer<br />
som kan binde seg til aktinet. De to filament-typene kan gli innbyrdes, og denne glidebevegelsen<br />
besørges av myosin-armene og ATP. Når ATP bindes til en arm endrer den retning<br />
og når ATP hydrolyseres til ADP og Pi (som begge fortsatt er festet til armen) «griper<br />
den tak i» aktin-filamentet som ligger inntil myosinet. Glidebevegelsen skjer når armen igjen<br />
forandrer retning – og det gjør den når ADP og Pi frigjøres. Når denne bevegelsen koordineres<br />
i mange spesialiserte celler (svært lange og med flere kjerner), hver med tykke bunter av<br />
aktin- og myosinfilamenter, kan den nesten flytte fjell…<br />
Myosin brukes også til bevegelige mikrofilamenter i «vanlige» celler. Dette myosinet har<br />
neppe den samme filamentstrukturen som muskel-myosin; det forekommer sannsynligvis som<br />
langt mindre molekyler, minimyosin. ATP-generert bevegelse av denne type myosin driver<br />
såkalt cytoplasmastrømming, dvs retningsbestemt strøm av cytosol (og tildels organeller) i<br />
planteceller (og enkelte dyreceller). I store planteceller med en vakuole som fortrenger hele<br />
cytoplasma ut mot celleveggen, vil intracellulær diffusjon over «større» avstander være ineffektiv.<br />
Cytoplasmastrømminga sirkulerer celleinnholdet. Strømmen er så kraftig (75 µm pr.<br />
sekund er rapportert i enkelte storcellete alger) at det indre membransystemet «blafrer», og<br />
det dannes <strong>ikke</strong> stillestående bakevjer. Detaljene om hvordan mikrofilamentene og myosin<br />
klarer denne biffen er <strong>ikke</strong> kjent.<br />
Det meste av transportoppgavene inne i cella utføres av mikrotubuli med et par gode<br />
hjelpere: kinesin og dynein. Disse to motorene ligner på den lille utgaven av mikrofilamentmotoren<br />
myosin. De bindes til mikrotubuli og – ved hjelp av en reseptor – til objektet som<br />
skal transporteres: en ves<strong>ikke</strong>l eller en organelle. Motorene er ATPaser, og ved hjelp av<br />
ATP-hydrolyse gjennomgår de konformasjonsendringer som får dem til å vandre langs en<br />
mikrotubulus, alt mens de holder lasta i den andre enden. Transport mot pluss-enden dirigeres<br />
av kinesin, mens forflytninger mot minus-enden (det vil stort sett si mot sentrum av<br />
cella) besørges av dynein.<br />
Mikrotubuli er videre involvert i organiseringa av det endoplasmatiske retikulum. ERcisternene<br />
er hengt opp på «gardinstenger» av mikrotubuli med kinesin som «gardinkroker».<br />
Orienteringa langs mikrotubuli kan i enkelte tilfeller følges helt fra sentrosomet til cellas<br />
perifere deler. Gardin-analogien innebærer også at ER trekkes utover i cella på kinesinkrokene,<br />
mot pluss-enden på mikrotubulus. Et lignende oppheng ser ut til å finnes for golgiapparatet,<br />
men der virker det som krokene er av dynein.<br />
Selv om det er mulig å tilskrive mange definerte funksjoner til hver av de tre cytoskjelettkomponentene,<br />
er det også klart at mikrotubuli, mikrofilamenter og intermediære filamenter<br />
virker sammen for å løse oppgaver i cella. I mange tilfeller kan det se ut som mikrotubuli har<br />
– 60 –
cytoskjelettet og andre organeller<br />
en overordnet rolle i forhold til mikrofilamenter og intermediære filamenter (ved å påvirke<br />
deres posisjon og funksjon).<br />
Cytosol er fylt av et tredimensjonalt nettverk der alle tre filament-typene inngår; lenket<br />
sammen med bindingsverk av andre, for det meste ukjente, proteiner (vi vet likevel at mange<br />
av disse proteinene er beslektet med myosin, kinesin og dynein). Innvevd i dette nettet ligger<br />
organellene. I dyreceller er nettet best utviklet i de sentrale delene av cella, og det er også her<br />
forekomsten av organeller, særlig mitokondrier, er størst. I cellas mer perifere områder dominerer<br />
de membranforankrete mikrofilamentene som danner cortex.<br />
Det meste av vår viten om cytosols biokjemi stammer fra arbeid med homogeniserte celler,<br />
ekstrakter der alle enzymer og kjemiske forbindelser renses ut av sine eventuelle «sammenhenger»<br />
for å testes in vitro –i reagensrøret. Nyere forskning viser at mange enzymer som vi<br />
har sett på som løst i cytosol, kan være bundet til cytoskjelettet. Det er sannsynlig at cytoskjelettet<br />
sørger for å effektivisere den innbyrdes plasseringa av enzymene i enkelte synteseveier,<br />
nærmest etter et samlebandprinsipp, ved at produktet fra en enzymreaksjon langes<br />
videre til neste enzym der det brukes som substrat, uten at det løses i cytosol. Dette gjelder<br />
f.eks. flere av enzymene i glykolysen.<br />
4.4 CELLEVEGGER<br />
Cellevegger finnes i, eller snarere rundt, alle planteceller unntatt pollen, noen eggceller, og i<br />
endospermceller i frø. Dessuten finnes de i sopp, prokaryoter og endel encellete dyr. Vi skal<br />
her nøye oss med å se på plantecelleveggen. De gir cellene rigiditet og styrke, og spiller også<br />
en viktig rolle i cellas (og hele plantens) beskyttelse mot patogene mikroorganismer. Men, og<br />
det er det viktig å være klar over, veggen representerer ingen barriere for vann, ioner eller<br />
oppløste stoffer. Denne helt nødvendige barrieren utgjøres av plasmamembranen. Veggen<br />
ble tidligere sett på som et slags dødt sekret som <strong>ikke</strong> riktig hørte med til cella; men etter<br />
hvert som en har blitt klar over at det skjer flere fysikalske og kjemiske prosesser i veggen,<br />
har det blitt vanligere å se på den som en integrert del av cella. De variasjonene vi ser på<br />
cellenivå med hensyn til spesialisering for å ivareta spesielle funksjoner, vises også på<br />
veggen. Spesialiserte funksjoner medfører nesten alltid at celleveggen er modifisert, men her<br />
vil vi forsøke å se på ei slags homogen idealtilstand – «den typiske celleveggen».<br />
4.4.1 VEGGSTRUKTUR<br />
Unge deler av planten er gjerne bøyelige og <strong>ikke</strong> fullt så rigide som eldre deler. Dette er<br />
egenskaper som lar seg forklare med egenskaper hos celleveggene. Primære cellevegger finner<br />
vi i unge celler – celler som fortsatt vokser. Veggen må derfor kunne gi etter når cella blir<br />
større. Den primære celleveggen er gjerne 1-3 µm tykk og består, i ei «typisk» plantecelle, av<br />
cellulose (≈30%), pektin (≈35%), hemicellulose (≈25%) og protein (opptil 10%) – veldig<br />
grovt og skjematisk sett. Primærveggen er plastisk, heller enn elastisk (som kitt, <strong>ikke</strong><br />
gummi). Dvs. at den kan tøyes og strekkes slik at cella blir større, men etter en større slik<br />
strekking kan den <strong>ikke</strong> finne tilbake til si opprinnelige form.<br />
Den viktigste av komponentene i primærveggen er cellulose; lange, lineære kjeder av<br />
glukose (8-15 000 enheter), lenket sammen med β-1,4 glukosidiske bindinger (1.1.4). Disse<br />
bindindene gjør at kjedene blir flate, og det dannes lett hydrogenbindinger mellom kjeder som<br />
– 61 –
cytoskjelettet og andre organeller<br />
er stablet ovenpå hverandre. 40-70 av disse kjedene er gjerne bundet sammen til en bunt som<br />
benevnes mikrofibrill. Mikrofibrillene er omlag 5 nm i diameter og kan være så lange som 5<br />
µm. Cellulosefibrillene er egentlig krystallinske og derfor tørre i forhold til resten av celleveggen.<br />
De andre veggkomponentene (pektin, hemicellulose og litt protein) danner et mer ustrukturert<br />
pakkematriale rundt fibrillene. Porene i dette materialet er så store at vann og andre<br />
småmolekylære forbindelser fritt kan diffundere gjennom dem. Pektin og hemicellulose er<br />
<strong>ikke</strong> helt veldefinert kjemisk; en snakker faktisk heller om pektiner og hemicelluloser, for å<br />
få fram at det er en viss variasjon i stukturen til disse veggkomponentene – variasjon selvsagt<br />
fra art til art, men også fra molekyl til molekyl i den samme veggen. Pektiner er også polysakkarider,<br />
altså bygd opp av sukkermonomerer. Sukkerartene er galakturonsyre (en sukkersyre,<br />
dvs. oksidert) og rhamnose (en 6-deoksy-heksose, dvs. redusert).<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
COOH<br />
H<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
OH<br />
galakturonsyre rhamnose<br />
De to vanligste polymerene som inngår i pektinet er polygalakturonsyre – β-1,4-bundne<br />
kjeder av galakturonsyre – som danner spiralstrukturer, og rhamnogalakturonaner – der<br />
galakturonsyra er spedd opp med rhamnose. Disse siste polymerene er også lineære, men de<br />
har knekkpunkter ved rhamnosene (1,2-bundet), og på disse rhamnosemolekylene kan det i<br />
tillegg være hengt nye kjeder av ulik lengde og av diverse sukker. Rhamnogalakturonanene<br />
har derfor en mye mer heterogen struktur enn polygalakturonsyre.<br />
Hemicelluloser er også ei heterogen gruppe av forholdsvis kortkjedete polysakkarider. En<br />
vanlig form er xyloglukan, som består av β-1,4-bundet glukose (som i cellulose), med xylose<br />
bundet til enkelte av glukoseenhetenes 3-karbon. Til xylosemolekylene kan det igjen være<br />
bundet andre sukkerarter (som galaktose og fukose). Så hemicelluloser er polysakkaridkjeder<br />
med korte oligosakkarid-kjeder st<strong>ikke</strong>nde ut.<br />
Det viktigste proteinet kalles ekstensin og er egentlig et glykoprotein; det vil si at det til<br />
enkelte av aminosyrenes sidekjeder er hengt på sukkermolekyler. Dette proteinet er svært rikt<br />
på den forholdsvis sjeldne aminosyra hydroksyprolin. Ei anna gruppe av glykoproteiner i<br />
veggen er lektiner, som har å gjøre med cellas evne til å kjenne igjen fremmede molekyler,<br />
og derved oppdage f.eks. sykdomsframkallende (patogene) mikroorganismer.<br />
Denne primære celleveggen finnes altså i alle celler, og variasjonene er <strong>ikke</strong> så forferdelig<br />
store. De fleste kjemiske og strukturelle modifikasjoner for å fylle spesialiserte funksjoner<br />
berører i første rekke den sekundære celleveggen. Disse spesialiserte funksjonene er ofte så<br />
sterkt knyttet til veggen at resten av cella er død og borte: bare veggen står igjen. Sekundære<br />
vegger har som regel funksjoner knyttet til støtte og avstiving av planten eller noen av dens<br />
organer – når slike funksjoner krever et apparat som er sterkere enn væskefylte celler med<br />
primærvegg.<br />
H<br />
– 62 –<br />
OH<br />
CH 3<br />
H OH<br />
H<br />
O<br />
OH<br />
H<br />
H<br />
OH
cytoskjelettet og andre organeller<br />
Ligninstrukturen er vanskelig å studere fordi den varierer (to molekyler er aldri<br />
helt like) og fordi lignin er kovalent bundet til cellulose og de andre polysakkaridene<br />
i celleveggen. Variasjonene skyldes først og fremst syntesemåten.<br />
Lignin består av tre nær beslektete aromatiske alkoholer: para-kumarylalkohol,<br />
sinapylalkohol og koniferylalkohol.<br />
OH<br />
p -kumarylalkohol<br />
HO O<br />
NH 2<br />
– 63 –<br />
HO O<br />
fenylalanin kanelsyre<br />
OH<br />
CH 3O<br />
OH<br />
koniferylalkohol<br />
OH<br />
OH<br />
sinapylalkohol<br />
OH<br />
CH 3O OCH 3<br />
I bartrær (konifere planter) er det særlig mye koniferylalkohol, mens løvtrær og<br />
tofrøbladete urter har mer av sinapylalkohol (fra Sinapis, sennep). Disse<br />
alkoholene er kryssbundet sammen i komplekse nettverk. Alkoholene dannes<br />
fra aminosyra fenylalanin og inngår dessuten i den store gruppa av plantesubstanser<br />
som med et fellesnavn kalles fenoler, og som har mange funksjoner<br />
og effekter. Den videre syntese fra de fenoliske byggesteinene skjer<br />
ved hjelp av peroksidaser, oksidative enzymer med forholdvis liten grad av<br />
spesifisitet (4.1.2) som gjerne kan handtere et spekter av organiske substrater.<br />
Reaksjonene er kompliserte, men kan skisseres omtrent som følger: O2 blir<br />
redusert med NADH til H2O2 (hydrogenperoksid), og samtidig blir to hydrogenatomer<br />
fjernet fra to OH-grupper i de aktuelle alkoholene. Hydrogenatomene<br />
avgifter peroksidet og danner to molekyler H2O. De reaktive fenolradikalene<br />
polymeriserer spontant til lignin, og danner også kovalente bindinger<br />
med sukkerenheter i andre veggkomponenter.<br />
Sekundærveggen anlegges altså i celler som har fått sin endelige form – etter at denne veggen<br />
er på plass vil <strong>ikke</strong> cella kunne ekspandere. Og den anlegges innenfor den primære<br />
veggen. På grunn av sammensetninga er den <strong>ikke</strong> så plastisk som primærveggen. Det
cytoskjelettet og andre organeller<br />
skyldes for det første at den inneholder mer cellulose enn primærveggen. For det andre, og<br />
det er nok viktigere, inneholder den mye (normalt ca. 30%) lignin. Lignin gjør matriksen<br />
rundt cellulosen hardere; særlig for motstand mot det store trykkforskjellene som oppstår i<br />
vev som transporterer vann fra rot til blad og blomst. Det betyr at ligninet også gjør sekundærveggen<br />
ugjennomtrengelig for vann. Dessuten inneholder celleveggen en midtlamell,<br />
som avgrenser celle-til-celle. Den består av hovedsakelig av pektin. På grunn av de negative<br />
ladningene i galakturonsyre vil pektin trekke til seg mye vann og kationer, bl.a. Ca 2+ som vil<br />
kryssbinde pektinkjedene. Pektin er følgelig klebrig og geleaktig, og vel egnet til å hefte<br />
celler sammen. Vi ekstraherer pektin, særlig fra umoden frukt, for å bruke det i gele, syltetøy<br />
o.l.<br />
4.4.2 VEGGSYNTESE<br />
Veggsyntesen er to-delt. Cellulose syntetiseres i plasmamembranen, mens alle matrikskomponentene<br />
(pektin, hemicellulose, extensin, lignin) sannsynligvis produseres av golgiapparatet<br />
(3.2.2), før de transporteres i vesikler til plasmamembranen der vesiklene tømmes<br />
og bygger på veggen. Glykoproteinene lages delvis i det endoplasmatiske retikulum (ER,<br />
3.2.1) og overføres til golgi for modifikasjon. Denne modifikasjonen innebærer sannsynligvis<br />
påhenging av sukkermolekyler og omdanning av prolin til hydroksyprolin.<br />
Cellulosen produseres altså i plasmamembranen, og den lages som ferdige fibriller. Syntesen<br />
skjer i såkalte rosetter. Disse rosettene er komplekser av seks molekyler av enzymet<br />
cellulose syntase som er ordnet i en ring. Hver komponent i denne seks-ringen st<strong>ikke</strong>r ut på<br />
begge sider av membranen. Råstoffet for cellulosesyntesen er <strong>ikke</strong> glukose som sådan, men<br />
den aktiverte formen 1-UDP-glukose. Denne energiaktiviserte formen dannes fra glukose-1-P<br />
og UTP (syntesen avgir 2 Pi). UDP-glukose finnes i cytosol, hentes inn av syntasen, som sender<br />
ut ferdige cellulosekjeder på utsida av membranen, dvs. til veggen. Disse cellulosekjedene<br />
går allerede på dette stadium sammen og danner mikrofibriller, som altså<br />
inneholder om lag 50 enkeltkjeder.<br />
Uten at en ennå kjenner detaljene er det klart at cytoskjelettet, i alle fall mikrotubuli<br />
og kanskje også mikrofilamenter, er involvert i cellulosesyntesen.<br />
Muligens fungerer mikrotubuli som en slags «skinner» for syntaserosettene,<br />
slik at de kan bevege seg gjennom plasmamembranen etter hvert som mikrofibrillene<br />
vokser. Nær membranen er det nemlig vanlig å finne at<br />
mikrotubuli er orientert parallelt med veggens cellulosefibriller.<br />
Cellulose-syntase, enten som enkeltenzymer eller som ferdige rosetter, lages trulig i golgi og<br />
ves<strong>ikke</strong>ltransportes til plasmamembranen.<br />
4.4.3 PLASMODESMATA<br />
Celleveggene er <strong>ikke</strong> tette. De er fullt gjennomtrengelige for vann og små molekyler –<br />
faktisk temmelig store molekyler for den del. Avstanden mellom mikrofibrillene er stort sett<br />
om lag 5 nm og et monosakkarid er <strong>ikke</strong> større en ca. 1 nm. Men vann og oppløste stoffer<br />
slipper selvfølgelig <strong>ikke</strong> gjennom plasmamembranen sånn uten videre. Området utenfor<br />
– 64 –
cytoskjelettet og andre organeller<br />
plasmamembranen, dvs. celleveggen og tomrom mellom cellene benevnes ofte apoplasten,<br />
mens rommet innenfor membranen kalles symplasten. Ut fra det vi har sagt til nå kan en jo<br />
få det inntrykket at symplasten er identisk med protoplasten i den enkelte celle; at hver celle<br />
disponerer over en uavhengig og løsrevet del av denne symplasten. Men det er <strong>ikke</strong> tilfelle.<br />
I «normale» levende celler er det symplastisk forbindelse mellom cellene. Denne forbindelsen<br />
besørges vi plasmodesmata (entall: plasmodesma). Det er rimelig at de spiller en stor<br />
rolle for kommunikasjon og fordeling mellom cellene, men en kjenner foreløpig temmelig få<br />
detaljer om funksjonene, ut over at de må ha med transport av vann og oppløste stoffer.<br />
Gjennom plasmodesmata går det selvfølgelig mange ganger raskere enn over to membraner<br />
og et dobbelt lag cellevegg (celler med plasmodesmata har normalt bare primærvegg).<br />
Litt om strukturen: Plasmodesmata anlegges allerede ved celledelinga. Rester av mitotisk<br />
spindel skaper forstyrrelser (det er s<strong>ikke</strong>rt mer planmessig enn som så) i vesiklenes sammensmelting<br />
med membranen og dermed blir den nyanlagte veggen <strong>ikke</strong> helt homogen. Etter<br />
hvert som det avsettes mer veggmateriale opprettholdes disse hullene som tunneler gjennom<br />
veggen. ER-resten finnes der fortsatt, den går midt gjennom tunellen som et rør, desmotubule,<br />
som står i forbindelse med ER på begge sider av veggen. Hullet – fra kant til kant – kalles<br />
annulus (jfr. kjerneporer 3.1.1).<br />
Det er viktig å være klar over at plasmamembranen danner et kontinuerlig hele fra celle til<br />
celle. Når vi dessuten vet at det finnes mange plasmodesmata, opp til 10 000 pr. celle i<br />
spesielle tilfeller, betyr det faktisk at en stor del av ei celles plasmamembranen befinner seg i<br />
plasmodesmata – så mye som halvparten i enkelte beregninger.<br />
– 65 –
5: ENZYMER<br />
Enzymer er proteiner med spesifikk katalytisk aktivitet. De påskynder eller gjør mulig de<br />
aller fleste kjemiske prosesser i levende celler.<br />
Spesifikk henspeiler på at enzymet deltar i kun én bestemt reaksjon (eller reaksjonstype),<br />
mens katalytisk betyr at enzymet øker reaksjonshastigheta uten at<br />
det selv forbrukes eller endres i prosessen.<br />
Begrepet enzym – av gresk en (i) og zyme (surdeig) – ble første gang brukt av<br />
tyskeren Wilhelm Kühne i 1878 om katalytisk aktive substanser som før<br />
hadde blitt kalt fermenter.<br />
Ganske nylig ble det oppdaget RNA-molekyler, ribozymer, som tilfredstiller kravene til<br />
spesifisitet og katalyse i enzym-definisjonen. Foreløpig er de bare funnet å være med i noen<br />
få prosesser i nukleinsyremetabolismen og proteinsyntesen. De har altså mer kuriøs interesse<br />
for dette kurset, men vi kan jo merke oss at to forhold <strong>ikke</strong> lenger er hva de var: Alle<br />
enzymer er <strong>ikke</strong> lenger proteiner… og: Det er <strong>ikke</strong> så s<strong>ikke</strong>rt at det var høna (proteinet) som<br />
kom først da livet oppsto på jorda – kanskje var det egget (RNA, arvestoffet).<br />
5.1 ENZYMFUNKSJON<br />
5.1.1 KATALYSE<br />
Selv sterkt eksergoniske prosesser går normalt <strong>ikke</strong> spontant i cellene (jfr. 0.4). Uten<br />
katalytisk bistand, må terskelen, aktiveringsenergien, forseres ved hjelp av termiske bevegelser<br />
i reaktantmolekylene (fra varmeenergi absorbert fra omgivelsene). Og denne bevegelsesenergien<br />
er som regel så liten (bare noen få molekyler i «populasjonen» har fart nok) at<br />
den aktuelle kjemiske reaksjonen forløper uendelig langsomt. Men dette er selvfølgelig<br />
aldeles utmerket for levende organismer, som slipper at alle tenkelige (og ofte farlige) reaksjoner<br />
skjer spontant og ukontrollert. Enzymene senker aktiveringsenergien. Dermed vil<br />
flere molekyler tilfredsstille minimumskravet til bevegelsesenergi, og reaksjonen vil gå<br />
raskere – for de fleste enzymkatalyserte reaksjoner 10 3 – 10 6 ganger hurtigere enn<br />
ukatalysert. I en «typisk» reaksjon vil hvert enzymmolekyl ta hand om 100 – 1000 reaktantmolekyler<br />
pr. sekund, og gjennom ulike reguleringsmekanismer tilpasses reaksjonshastigheta<br />
til et tempo som er til å leve med for cella. Katalase hører til de mest effektive enzymene: på<br />
ett sekund spalter ett enzymmolekyl 40 000 000 molekyler H2O2! Katalase har et jernatom i<br />
si prostetiske gruppe og hydrogenperoksid-spalting kan forsåvidt også katalyseres av frie<br />
jernatomer. Men de 40 000 000 H2O2-molekylene ville holde ett enkelt jernatom beskjeftiget<br />
i hundrevis av år.<br />
Mellom substrater (så kaller vi reaktantene i enzymkatalyserte reaksjoner) og produkter<br />
kan vi tenke oss ei overgangsform (engelsk transition state), et «aktivt kompleks». Aktiveringsenergien<br />
for reaksjonen er forbundet med denne overgangsforma. Enzymer (og andre<br />
katalysatorer) danner sammen med de reagerende stoffene et nytt «aktivt kompleks» med lavere<br />
aktiveringsenergi.<br />
– 66 – ©Arild Ernstsen 1994-2003
enzymer<br />
Enzym + Substrat1 + Substrat2<br />
↓<br />
Enzym-substrat-kompleks<br />
↓<br />
Enzym + Produkt(er)<br />
Poenget med enzymkatalyse er altså at det koster mindre å komme til dette komplekset enn til<br />
det «aktive komplekset» av frie reaktanter (eventuelt reaktanter hjulpet av uorganiske<br />
katalysatorer).<br />
5.1.2 DET AKTIVE SETE<br />
Kompleksdannelsen mellom enzym og substrat skjer i enzymets aktive sete (engelsk «active<br />
site», oversettes også som aktivt senter; noen enzymer kan forresten ha flere aktive seter).<br />
Dette forholdsvis begrensete området av enzymmolekylet er ofte ei innbukting, en lomme, i<br />
den globulære proteinstrukturen. I det aktive setet bringes reaktantene så nær hverandre og i<br />
slike posisjoner i forhold til hverandre, at bindinger kan dannes. Molekyler som skal deles<br />
blir vridd eller bøyd slik at bindinger lettere kan ryke. En tidlig modell for hvordan dette kan<br />
skje, er den såkalte lock-and-key-modellen, som sier at substratet passer inn i det aktive setet<br />
som nøkkelen passer i låsen. Men i de tilfeller en har hatt mulighet til å strukturbestemme<br />
aktive seter (særlig med røntgenkrystallografi) har en sett at dette slett <strong>ikke</strong> er tilfelle. Og<br />
proteiner er så fleksible at aktive seter neppe kan ha den rigide strukturen en forbinder med<br />
en lås. Da har nok induced-fit-modellen mer for seg. Den hevder at enzym og substrat i utgangspunktet<br />
<strong>ikke</strong> har komplementære former, men at substratet, etter den innledende kontakt<br />
med enzymet, forårsaker konformasjonsendringer i det aktive setet, endringer som optimaliserer<br />
kontakten og interaksjonsmulighetene mellom enzym og substrat. Substratet har affinitet<br />
for enzymet, det «finner seg til rette» i det aktive setet. For å markere forskjellen i forhold<br />
til nøkkel-lås-modellen, sier en gjerne at substratet passer i det aktive setet som handa passer i<br />
hansken. Reaktantene bindes altså først til det aktive setet, og deretter endres enzymet slik at<br />
reaktantene tvinges sammen på en måte som nesten aldri skjer i fri løsning – og reaksjonen<br />
finner sted. Reaksjonsproduktene har liten affinitet for det aktive setet, og diffunderer bort<br />
fra enzymet.<br />
Aminosyrene i det aktive setet har sidegrupper som kan binde substratet og manipulere<br />
med elektronfordelinger og bindinger (f.eks. syre- eller basekatalyse, nukleofile eller elektrofile<br />
eliminasjoner eller addisjoner). Reaktive grupper i proteinet kan være –OH i serin, –SH i<br />
cystein (<strong>ikke</strong> alle inngår i disulfidbruer), imidazolringen i histidin, eller –COO – og –NH3 + i<br />
de ioniserbare sidegruppene.<br />
Enzymenes substratspesifisitet henger selvfølgelig sammen med behovet for «match»<br />
mellom substratet og de reaktive gruppene i det aktive setet. I mange tilfeller må denne overensstemmelsen<br />
være absolutt, det finnes intet slingringsmonn. Men det er slett <strong>ikke</strong> uvanlig<br />
at et enzym som har en «hovedkatalyse» å ta seg av, kan lures til gjøre andre småjobber på si:<br />
Det skiller <strong>ikke</strong> riktig mellom det naturlige substratet og forbindelser som ligner. Men da<br />
dreier det seg som regel som stoffer som normalt <strong>ikke</strong> kommer i kontakt med enzymet pga.<br />
den cellulære kompartmentaliseringa, eller stoffer som forekommer i svært lave konsentrasjo-<br />
– 67 –
enzymer<br />
ner. Normalt vil affiniteten for det «egentlige» substratet under alle omstendigheter være<br />
størst.<br />
Noen enzymer – særlig slike som arbeider med syntese eller nedbrytning av polymerer,<br />
f.eks. proteiner – har gruppespesifisitet; de godtar en hel rekke substrater, så lenge de har<br />
noen veldefinerte felles strukturtrekk. Proteasene trypsin (i tarmen) og thrombin (blodkoagulering)<br />
hydrolyserer alt de kommer over, men de stiller likevel visse krav. Trypsin kutter<br />
peptidbindinger mellom lysin eller arginin på den ene sida og hvilken som helst aminosyre på<br />
den andre sida av bindinga. Thrombin er mer spesifikk: Det hydrolyserer bare bindinger<br />
mellom karbonylgruppa i arginin og iminogruppa i glycin. I dette siste tilfellet er det jo<br />
egentlig tale om absolutt substratspesifisitet. Det er kun peptidbindinga mellom arginin og<br />
glycin som passer inn i det aktive setet, resten av proteinmolekylet er for så vidt uinteressant.<br />
5.1.3 KOFAKTORER<br />
I noen enzymatiske reaksjoner etableres <strong>ikke</strong> den katalyserende forbindelsen direkte mellom<br />
protein og reaktant. Slike enzymer trenger hjelp av en kofaktor for å skape kontakt mellom<br />
aktivt sete og substrat. Kofaktorene fungerer ofte som elektronakseptorer ettersom ingen av<br />
sidegruppene på aminosyrene egner seg særlig godt til denne oppgaven. Kofaktorer kan være<br />
små uorganiske stoffer, som regel metallioner, eller organiske molekyler av litt varierende<br />
størrelse (molekylvekt dog sjelden mer enn noen hundre). Organiske kofaktorer kalles koenzymer.<br />
Kofaktorer kan være fritt forekommende i løsning, og delta i reaksjonen på linje med<br />
substratene – det betyr at ett kofaktor-molekyl kan «betjene» flere enzym-molekyler etter tur.<br />
En slik kofaktor (f.eks. NAD), som kun er bundet til enzymet i reaksjonsøyebl<strong>ikke</strong>t, kan også<br />
sees på som et kosubstrat. Andre enzym-kofaktor-systemer er mer intime: kofaktoren<br />
holdes fast av enzymet (kovalent, eller med andre bindinger) også i periodene mellom hver<br />
gang enzymet deltar i reaksjonen. Kofaktoren er i så fall ei prostetisk gruppe (1.4.3).<br />
Mange av de organiske kofaktorene, koenzymene, består av et vitamin, et nukleotid og<br />
eventuelt noen ekstra fosfatgrupper. «Vitaminer» er sekkebetegnelse for ei heterogen gruppe<br />
av forbindelser med forholdsvis lav molekylvekt som organismen <strong>ikke</strong> kan produsere selv, og<br />
følgelig må få tilført gjennom maten. De fleste av menneskets vitaminer finnes i alminnelig<br />
plantekost. Vitaminenes livsviktige betydning henger nesten alltid sammen med deres funksjon<br />
som deler av koenzymer i biologiske reaksjoner. Koenzymet nikotinamid adenin dinukleotid<br />
(NAD) er et aldri så lite unntak – hele molekylet, inkludert nikotinamid-gruppa<br />
(oppe til høyre i figuren), kan syntetiseres også i animalske celler. Men siden NAD opptrer i<br />
annenhver setning i kap. 6 og 7 (dessuten gjør ekstrafosforylerte varianten NADP mye av seg<br />
i kap. 8), lar vi det tjene som eksempel på hva en kofaktor kan bidra med.<br />
– 68 –
P<br />
O<br />
O<br />
H<br />
enzymer<br />
H 2N<br />
CH 2<br />
OH OH<br />
*<br />
NAD + (nikotinamid adenin dinukleotid)<br />
i NADP + er hydroksylgruppa<br />
merket med * fosforylert<br />
H 2N<br />
HO<br />
HO<br />
O<br />
C<br />
H<br />
OH<br />
O<br />
P<br />
O<br />
H<br />
+<br />
N<br />
O<br />
H 3C C COOH<br />
CH 2<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
N<br />
H<br />
O<br />
O<br />
C<br />
NH 2<br />
N<br />
O<br />
– 69 –<br />
H<br />
OH<br />
H<br />
melkesyre pyrodruesyre<br />
H<br />
H 2N<br />
+<br />
N<br />
H<br />
N<br />
N<br />
H<br />
O<br />
R<br />
R<br />
NAD + NADH<br />
C<br />
H<br />
H<br />
N<br />
H<br />
O<br />
H<br />
H<br />
+ H +<br />
H 3C C COOH<br />
NAD og NADP – de fellessymboliseres gjerne som NAD(P) – er hydrogenoverførende koenzymer<br />
(dvs. de flytter elektroner og protoner mellom kjemiske forbindelser).<br />
Nikotinamid-gruppa veksler mellom oksidert (NAD +) og redusert tilstand (NADH), som i<br />
eksemplet på forrige side.<br />
Andre hydrogenoverførende koenzymer er FAD og FMN (jfr. 7.3.1) som inneholder vitaminet<br />
riboflavin (et B-vitamin). Noen enzymer får hjelp av gruppeoverførende koenzy-
enzymer<br />
mer, f.eks. koenzym A (CoA) som flytter acylgrupper (RCO –), f.eks. acetyl: CH3CO–.<br />
Struktruelt ligner CoA på NAD og FAD – adenin, ribose og fosfat inngår, pluss enda et Bvitamin,<br />
pantotensyre, som har ei sulfhydrylgruppe ytterst. Et annet gruppeoverførende<br />
koenzym er biotin, som er så sterkt assosiert med de aktuelle enzymene, at det må regnes<br />
som ei prostetisk gruppe. Det flytter karboksylgrupper (–COOH) og CO2 (f.eks. i reaksjonen<br />
fra pyrodruesyre til oksaleddiksyre – se figuren i 5.4). Folsyre flytter C1-enheter, f.eks. metyl-<br />
(–CH3) og hydroksymetylgrupper (–CH2OH). Strikt sett er også ATP et gruppeoverførende<br />
koenzym, det kan faktisk overføre ei av flere grupper: fosfat (Pi), pyrofosfat (PPi),<br />
AMP (ved at PPi spaltes av) eller adenosin (ved at både Pi og PPi spaltes av).<br />
5.1.4 INDUSTRIELL ANVENDELSE AV ENZYMER<br />
Enzymenes spesifisitet og katalytiske effektivitet gjør at de kostnadseffektivt kan utføre<br />
meget spesielle kjemiske prosesser uten mange av de biproduktene som vanlig kjemisk<br />
industriproduksjon er belemret med. Prosessene er lettere å kontrollere, de foregår nesten<br />
alltid ved «menneskelige» forhold mht trykk, temperatur og pH, og enzymene og de aller<br />
fleste ønskete og uønskete produkter er nedbrytbare i naturen. Enzymatiske prosesser<br />
tilfredsstiller derfor den trenden som forlanger bærekraftige løsninger.<br />
De siste 30 år har den viktigste (i kommersiell mening) bruken av enzymer vært som<br />
bestanddel i såper (jfr. motebegrepet biologiske detergenter). Det er særlig proteaser som<br />
fjerner ekkelheter som gras, blod, egg og svette. Nylig har mor også fått hjelp av lipaser til å<br />
løse opp sausflekker, oljer og leppestift (de siste tar kanskje far selv…). Amylaser fjerner<br />
potet og spaghetti-rester og har også brukbart tak på sjokoladesøl.<br />
Detergenter er dessuten ofte tilsatt ulike cellulaser som jobber med mikrofibrillene i<br />
bomullstekstiler og derved frisker opp fargemønster, mykgjør klærne og fjerner skittpartikler<br />
som er blitt «fanget» i fibrillnettverket. Alle disse enzymene effektiviserer vasken av såvel<br />
tekstiler som middagstallerkener, og bør derfor bidra til mindre forbruk av vann og energi.<br />
Enzymer brukes også i flere steg under produksjonen av bomullstøy. Før farging blir<br />
tøyene bleiket, som regel med hydrogenperoksid, H2O2. Peroksid er svært reaktivt og må<br />
fjernes fullstendig etter bleikinga for at det <strong>ikke</strong> skal ødelegge de påfølgende fargeprosessene.<br />
Tradisjonelt blir de fjernet med uorganiske reduksjonsmidler, men doseringa er hårfin og all<br />
kjemikaliebruken er jo heller <strong>ikke</strong> bra for arbeidernes helse og for miljøet rundt utslippsrøret.<br />
Løsninga er selvfølgelig et enzym – en aldri så liten dose katalase spalter hydrogenperoksid.<br />
«Steinvaskede» olabukser ble tidligere gn<strong>ikke</strong>t med pimpstein etter farging, noe som <strong>ikke</strong><br />
bare bleiket stoffet, men også gikk ut over stoffkvaliteten. Prosessen er nå erstattet med «biostoning»;<br />
der fargestoffet (indigo) fjernes av en spesiell cellulase. Tøyene skades <strong>ikke</strong>, det<br />
kreves enklere maskiner, det utvikles <strong>ikke</strong> steinstøv i fabrikklokalene, og likevel får countrygutta<br />
det de vil ha. Med tida slipper en både bleiking, farging og avfarging: genmodifiserte<br />
bomullsplanter som produserer blå fibre er underveis, og snart følger nok resten av fargekartet…<br />
Enzymer har i de siste år redusert behovet for kjemikalier på mange andre industrielle<br />
områder, f.eks. til bleiking av papirmasse (enzymer er i ferd med å erstatte klor), og til<br />
garving og andre behandlinger av dyrehuder (tidligere tiders hundemøkk er byttet ut med renframstilte<br />
proteaser). Litt mindre moralsk er det kanskje at enzymer kan brukes til å gjøre<br />
– 70 –
enzymer<br />
bygg spiselig for kylling. Broilerindustriens mål er å produsere størst mulig kyllinger på<br />
kortest mulig tid, og fôret veier tyngst på utgiftssida. To tredjeparter av dietten er korn,<br />
særlig mais og hvete. Bygg er billigere, men de dumme krekene kan <strong>ikke</strong> spalte β-glukaner,<br />
et av de vanligste polysakkaridene i disse frøene. Glukanene legger seg dessuten rundt<br />
amyloplastene (stivelseskornene) slik at heller <strong>ikke</strong> stivelsen blir sk<strong>ikke</strong>lig fordøyd. Mye av<br />
bygg-maten kommer ut i andre enden, fortsatt med plenty av energi for bakterier og sopp som<br />
selvsagt <strong>ikke</strong> er velkomne gjester i buret. Griske amerikanere har derfor funnet ut at om de<br />
gir bygg sammen med et β-glukan-hydrolyserende enzym (isolert fra en mikroorganisme)<br />
utnyttes næringa i frøene fullt ut, og kyllingene skiter penger i stedet.<br />
Enzymer har mer velkjente tradisjoner i forbindelse med brygging og vinlegging, og finner<br />
stadig nye anvendelser i næringsmiddel- og farmasøytisk industri. Eksemplene er tallrike,<br />
men vi stopper her…<br />
5.2 ENZYMREGULERING<br />
Enzymene regulerer cellas biokjemiske prosesser, men også enzymene må holdes i øret. De<br />
kan <strong>ikke</strong> få drive med sitt for full fart i det uendelige; enzymaktiviteten må reguleres. En<br />
måte å gjøre dette på, er rett og slett å variere mengden enzym. Selv om enzymer som sådan<br />
er upåvirket av de reaksjonene de katalyserer, vil de på samme måte som andre proteiner stadig<br />
denatureres og brytes ned. Denne inaktiveringa kan oppveies av nysyntese av enzymer.<br />
Et signal (f.eks. et hormon som utløses pga. underskudd på katalyseproduktet fra ett bestemt<br />
enzym) kan «slå på» genet som koder for det aktuelle enzymet, og enzymet lages fra cellas<br />
forråd av aminosyrer. Balansen mellom produksjon og degradering – turnover – av<br />
enzymer, utgjør en viktig del av reguleringa av biokjemiske prosesser.<br />
Aktiviteten påvirkes av de fysikalske forholdene i cella. De aller fleste enzymene har<br />
størst aktivitet ved visse, spesielt gunstige verdier, optima, mht temperatur, pH og<br />
saltkonsentrasjon. F.eks. har storparten av enzymene hos mennesket sitt temperatur-optimum<br />
ved ca. 37°C. Under og (i særlig grad) over denne temperaturen vil enzymet jobbe mindre<br />
effektivt. De optimale pH-verdiene for pattedyr-enzymer ligger ofte mellom 6 og 8 (planteenzymer<br />
har gjerne noe lavere pH-optima); men noen tarmenzymer fungerer naturlig nok best<br />
ved svært lav pH, f.eks. pepsin, som har sitt optimum ved pH 2! Proteinstrukturen – spesielt<br />
den tertiære – påvirkes av pH fordi de ladete sidegruppene vil ta opp eller støte fra seg<br />
hydrogen. Det skal nok forholdsvis store pH-endringer til, før det skjer drastiske saker med<br />
det globulære foldingsmønsteret (denaturering). Men i det aktive setet vil selv små pHjusteringer<br />
kunne gi store utslag for nettopp de aminosyrene som har kontakt med substratet.<br />
Det viser seg at det er enzymer med ioniserbare R-grupper på de «kritiske» aminosyrene i det<br />
aktive setet, som har de snevreste pH-optima.<br />
Enzymer kan hemmes (inhiberes) av kjemiske forbindelser. Slik enzyminhibering kan<br />
senke aktiviteten eller stoppe den fullstendig. Noen enzymhemmere (-inhibitorer) kan sette<br />
enzymmolekylet permanent ut av spill eller endog ødelegge det – hemminga er i så fall<br />
irreversibel.<br />
– 71 –
enzymer<br />
Mange gifter er irreversible enzyminhibitorer. Nervegasser blokkerer aktiviteten<br />
til acetylkolinesterase, et viktig enzym for nerve- og muskelceller. Noen<br />
av disse nervegiftene binder seg kovalent til hydroksygruppa på et serinmolekyl<br />
i det aktive setet, slik at substratet aldri slipper inn. Cyanid (CN –)<br />
hemmer cytokrom oksidase (jfr. kap. 7) og resirasjonen bråstopper.<br />
Ved reversibel hemming danner inhibitoren svakere bindinger med enzymet – bindinger<br />
som kan brytes slik at enzymmolekylet igjen gir seg i kast med substratet. Flere begreper:<br />
Reversibel hemming kan være kompetitiv eller non-kompetitiv. I den kompetitive varianten<br />
konkurrerer inhibitoren og enzymets naturlige substrat om å få binde seg til det aktive<br />
setet. I stedet for det normale forløpet med enzym-substrat-kompleks som ramler fra<br />
hverandre til produkt og fritt enzym,<br />
E + S → ES → E + P<br />
er det inhibitoren som koser seg i enzymets varme fang.<br />
E + I → EI<br />
Den kompetitive inhibitoren ligner så mye på substratet (som regel er det tilstrekkelig at deler<br />
av molekylstrukturene er noenlunde identiske) at enzymet tar feil – den er en substratanalog.<br />
Men den ligner samtidig såpass lite at enzymet <strong>ikke</strong> makter å gjøre noe med den. Bindinga er<br />
svak og med tid og stunder (for <strong>ikke</strong> å si millisekunder) vil inhibitoren diffundere ut av det<br />
aktive setet<br />
EI → E + I<br />
og enzymet er klar for et nytt stevnemøte, denne gang kanskje med et substratmolekyl. Ved å<br />
øke substratkonsentrasjonen kan vi, in vitro, eller cella, in vivo, konkurrere ut inhibitoren; jo<br />
flere substratmolekyler i forhold til hemmermolekyler, desto større sjanse er det for at<br />
enzymet skal plukke rett.<br />
Non-kompetitive hemmere slåss <strong>ikke</strong> om gunsten til det aktive setet. De binder seg til<br />
enzymet på et annet sted og endrer konformasjonen – også i det aktive setet – slik at enzymet<br />
får redusert affinitet for substratet. Denne siste formen for hemmer kan sies å være en allosterisk<br />
effektor – den påvirker enzymet allosterisk: latin for et annet sted. Allosterisk<br />
enzymregulering kan også være positiv; i tillegg til den nevnte hemmeren, som kalles en<br />
negativ modulator, finnes det nemlig også positive modulatorer som aktiverer enzymet.<br />
Disse modulatorene (effektorene) binder seg <strong>ikke</strong>-kovalent til et modulator-sete (effektorsete)<br />
som altså <strong>ikke</strong> er identisk med det aktive setet. Modulatorene påvirker enzymkonfigurasjonen<br />
slik at det aktive setet får større (positiv modulering) eller mindre (negativ modulering)<br />
appetitt på substratet.<br />
En biokjemisk «pathway» fra et lett tilgjengelig substrat (S) til et viktig sluttprodukt (P),<br />
f.eks. ei aminosyre som skal brukes til proteinsyntese, går normalt via flere mellomprodukter<br />
(A, B, C) som er mer eller mindre unike for den aktuelle synteseveien:<br />
S → A → B → C → P<br />
Uten regulering av enzymene vil forrådet av S tømmes, og P vil akkumulere i langt større<br />
konsentrasjoner enn nødvendig. S vil dessuten i mange tilfeller være utgangsstoff for mange<br />
andre lignende synteseveier, som vil stoppe opp når S-poolen reduseres. Så for sitt eget<br />
– 72 –
enzymer<br />
beste må cella være i stand til å avstemme produksjonen av P etter behovet. Og det gjør den<br />
ofte ved å la P være en negativ allosterisk modulator av ett eller flere av enzymene i<br />
synteseveien, som regel det aller første (fra S til A). Dette kalles endeprodukt-inhibering –<br />
«feedback inhibition». Mye P (dvs. <strong>ikke</strong> behov for mer) stopper produksjonen på det mest<br />
effektive punktet, før noen av mellomprodukter dannes. I det samme metabolismeskjemaet<br />
kan vi også tenke oss S som en positiv modulator, men da bør vi helst tenke oss ruta fra S til<br />
P som en nedbrytningsvei, og <strong>ikke</strong> en syntesevei. For mens synteseveier gjerne hemmes av<br />
sluttproduktet, blir det innledende (eller et par av de første) enzymene i nedbrytningsveier<br />
stimulert av den forbindelsen som skal brytes ned (her S), f.eks. et stoff som blir giftig ved for<br />
store konsentrasjoner. Dette kalles substrat-aktivering (eller det litt mer uoversettelige<br />
«precursor activation»; «precursor» = forløper, det som kommer foran).<br />
5.3 ENZYMKINETIKK<br />
Enzymkinetikk er det kvantitative studiet av enzymkatalysen og hvordan den påvirkes av<br />
fysisk-kjemiske forhold, f.eks. pH, temperatur, og konsentrasjoner av enzym, substrater,<br />
produkter, inhibitorer og modulatorer.<br />
Enzymreaksjonens hastighet (engelsk «rate»), v, øker når substratkonsentrasjonen, [S],<br />
øker og enzymkonsentrasjonen, [E], holdes konstant. v-økninga er hyperbolsk, <strong>ikke</strong> lineær.<br />
Ved høy [S] nærmer v seg sin maksimale verdi, vmax. Alle tilgjengelige enzymmolekyler<br />
jobber med maksimal effektivitet, og ny tilførsel av substrat kan derfor <strong>ikke</strong> øke hastigheta –<br />
produktet kan <strong>ikke</strong> dannes fortere enn det allerede gjør (uten at det tilsettes mer enzym).<br />
Enzymet er mettet. Plottet av [S] mot v kalles en metningskurve.<br />
v<br />
V max<br />
1/2 V max<br />
K M<br />
Denne type substratmetning er karakteristisk for enzymkatalyserte reaksjoner; den<br />
forekommer <strong>ikke</strong> ved <strong>ikke</strong>-katalyserte kjemiske reaksjoner.<br />
Tyskerne Leonor Michaelis og Maud Menten utledet i 1913 (13 år før urease ble<br />
krystallisert som det aller første rene enzymet!) hoveddelen av det formelverket som ennå i<br />
dag skremmer vannet av noviser uti enzymologien. Vi skal <strong>ikke</strong> her grave oss for djupt ned i<br />
det (på lab-kurset er det likevel ingen vei utenom), bare skrape litt i overflata. Teoriverket tar<br />
utgangspunkt i ei ligning vi allerede har sett:<br />
– 73 –<br />
[S]
enzymer<br />
k1 k3<br />
E + S ↔<br />
k2<br />
ES → E + P<br />
der k-ene står for hastighetskonstantene for de enkelte delreaksjonene. Likevekta ES ↔ E +<br />
P er nesten alltid skjøvet svært langt mot høyre, så langt at vi kan betrakte den som<br />
irreversibel: ES → E + P. Michaelis-konstanten er definert som:<br />
KM =<br />
[E] [S]<br />
[ES]<br />
KM er en likevektskonstant som uttrykker affiniteten mellom enzymet og substratet. Matematiske<br />
fiksfakserier, som vi altså jumper over her, gir oss forholdet mellom v, KM og [S]:<br />
v = Vmax [S]<br />
KM + [S]<br />
Vi forutsetter at Vmax oppnås når alt enzym er bundet til substrat, dvs. foreligger som ES.<br />
Videre formelmanipuleringer gir oss et praktisk anvendelig uttrykk for Michaelis-konstanten:<br />
KM = [S] ( Vmax<br />
v<br />
– 1)<br />
Etter en smule fundering ser vi at KM er lik substratkonsentrasjonen når reaksjonen går halvparten<br />
så raskt som den maksimalt kan gå. [S] har en full kontroll med in vitro, og Vmax og v<br />
bestemmes ganske lett. Det betyr at den viktige enzymparameteren KM kan måles for isolerte<br />
enzymer. Den gjelder for ett enzym med ett substrat (de enzymene som handtere flere<br />
substrater har ulike KM-verdier for hvert enkelt substrat). Og den gjelder uavhengig av<br />
enzymkonsentrasjon: Forholdet (Vmax/v) er nemlig det samme, uansett [E].<br />
Den skisserte måten å bestemme KM på har sine svakheter. Det er <strong>ikke</strong> så lett så<br />
bestemme Vmax fra en metningskurve – verdien nås jo aldri, kurven nærmer seg den<br />
asymptotisk. Dessuten forekommer det ofte at enzymet hemmes av høye [S]-verdier<br />
(substrathemming), slik at metningskurven når «taket» lenge før den reelle Vmax. Ved å<br />
trikse litt mer med ligningene…<br />
1 KM<br />
v<br />
=<br />
Vmax ⎣ ⎢⎡<br />
1 ⎤ 1<br />
[S]<br />
⎥ +<br />
⎦ Vmax<br />
og plotte 1/[S] mot 1/v, får vi en lineær funksjon med stigningskoeffisient KM/Vmax. Denne<br />
kurven kalles et Lineweaver-Burk-plott.<br />
– 74 –
1/v<br />
–1/K M<br />
enzymer<br />
– 75 –<br />
1/V max<br />
Kurven krysser y-aksen i 1/Vmax når [S] = 0, og x-aksen i –1/KM når 1/v = 0, og KM kan bestemmes<br />
med større nøyaktighet enn tilfellet var med metningskurven (de negative 1/[S]verdiene<br />
er ekstrapolert). Ved substrathemming vil punktene som ligger nærmest y-aksen avvike<br />
fra den rette linja, slik som antydet gjennom den krumme linja på figuren, men det er<br />
likevel mulig å interpolere seg fram til Vmax og KM.<br />
Michaelis-konstanten forteller altså noe om bindinga mellom enzym og substrat: Jo lavere<br />
KM desto større affininet.<br />
5.4 ENZYMKLASSIFISERING<br />
Enzymenes navngiving er en smule forvirrende. Tradisjonelt fikk de navn etter substratet<br />
supplert med endinga -ase, f.eks. urease som spalter urea, eller rene trivialnavn som de tidlig<br />
beskrevne tarmenzymene trypsin og pepsin. En internasjonal kommisjon som begynte sitt<br />
arbeid i 1955 (og som stadig foretar revideringer) har fordelt enzymene på seks grupper på<br />
grunnlag av de reaksjonene de katalyserer. Det vil si at enzymegenskaper som struktur,<br />
molekylvekt, kofaktorer, pH-optimum, løselighet osv. <strong>ikke</strong> betyr noe som helst for<br />
klassifiseringa. De seks gruppene:<br />
1 Oksido-reduktaser: katalyserer oksidasjons-/reduksjonsprosesser (redoks-prosesser).<br />
Gruppa inkluderer bl.a. dehydrogenaser, reduktaser, oksidaser, oksygenaser og peroksidaser.<br />
Hydrogen-/elektron-akseptor kan være molekylært O2, men oftere kofaktorer som<br />
NAD + eller FAD.<br />
2 Transferaser: flytter funksjonelle grupper mellom molekyler. F.eks. utveksler aminotransferaser<br />
(også kalt transaminaser) amino- og oksogrupper mellom ketosyrer og aminosyrer.<br />
På lignende vis sjonglerer fosfotransferaser med P-holdige grupper.<br />
3 Hydrolaser: tilfører vann og spalter bl.a. ester-, glykosid- eller peptidbindinger.<br />
4 Lyaser: adderer grupper til dobbeltbindinger eller fjerner grupper under dannelse av dobbeltbindinger.<br />
Litt mer generelt og intetsigende: Lyaser katalyserer spalting og dannelse<br />
av kovalente bindinger.<br />
5 Isomeraser: besørger strukturelle eller «geometriske» endringer internt i et molekyl.<br />
6 Ligaser: kalles også syntetaser. De danner kovalente bindinger mens de samtidig<br />
spalter energirike bindinger (i f.eks. ATP).<br />
1/[S]
enzymer<br />
Hver av hovedgruppene deles inn i undergrupper, som igjen er systematisert i underundergrupper,<br />
alt etter hvilke reaksjonstyper det er tale om. Som et siste nivå (under underundergruppene!)<br />
nummereres enzymene fortløpende. Systemet har altså fire nivåer, og alle enzymer<br />
kan katalogiseres ved hjelp av fire tall.<br />
Figuren på neste side viser seks enzymkatalyserte reaksjoner med tilhørende enzymnummer;<br />
én representant for hver av de seks hovedgruppene: melkesyre dehydrogenase<br />
(1.1.1.28), alanin transaminase (alanin aminotransferase, 2.6.1.12), karboksypeptidase<br />
(3.4.2.1), pyrodruesyre dekarboksylase (4.1.1.1), alanin racemase (5.1.1.1) og pyrodruesyre<br />
karboksylase (6.4.1.1).<br />
Navnene over er <strong>ikke</strong> helt samsvar med det offisielle nomenklatursystemet. 1.1.1.28 «heter»<br />
egentlig D-melkesyre: NAD oksidoreduktase, 2.6.1.12: L-alanin: 2-oksosyre aminotransferase,<br />
3.4.2.1: peptidyl-L-aminosyre hydrolase, 4.1.1.1: 2-oksosyre karboksy-lyase<br />
(kan altså ha flere substrater), 5.1.1.1: alanin racemase (faktisk!), 6.4.1.1: pyrodruesyre:karbondioksid<br />
ligase. Det er kanskje <strong>ikke</strong> så vanskelig å begripe at disse navnene har<br />
mest «seremoniell» bruk. De er entydige, bevares, men uhandterlige i daglig tale og skrift.<br />
Derfor brukes stort sett enzymnavn i tråd med det første settet (à la melkesyre<br />
dehydrogenase) – de er sjelden til å misforstå. Disse praktiske trivialnavnene inneholder som<br />
regel substratet + reaksjonstype.<br />
Peptid<br />
O<br />
C<br />
CH 3 O<br />
N C C<br />
H H<br />
OH<br />
H 3 C C<br />
acetaldehyd<br />
O<br />
H<br />
3.4.2.1<br />
H 2 O<br />
4.1.1.1<br />
CO 2<br />
CH 3 O<br />
H<br />
5.1.1.1<br />
H 2 N C C<br />
H 2N C C<br />
OH<br />
H<br />
CH 3<br />
L-alanin D -alanin<br />
2.6.1.12<br />
H 3 C<br />
O<br />
C C<br />
pyrodruesyre<br />
1.1.1.28<br />
H 3 C<br />
OH<br />
C C<br />
H<br />
melkesyre<br />
– 76 –<br />
O<br />
2-oksoglutarsyre<br />
OH<br />
O<br />
glutaminsyre<br />
6.4.1.1<br />
CO 2<br />
NADH<br />
OH<br />
NAD +<br />
O<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
O<br />
C CH 2 C<br />
O<br />
oksaleddiksyre<br />
C<br />
OH
6: ANAEROB ENERGIMETABOLISME<br />
Levende organismer trenger energi. Energi til å opprettholde kroppstemperaturen, til vekst,<br />
til bevegelse, og energi til ganske enkelt å holde organismen intakt: celledeling, osmotisk<br />
likevekt, avfallshandtering, oksygentransport etc. – prosesser som må foregå selv om<br />
organismen er i ro.<br />
Energien hentes ved å frigjøre og nyttiggjøre seg den kjemiske bindingsenergien som ligger<br />
lagret i organisk materiale, bl.a. karbohydrater, protein og fett. Først brytes makromolekyler<br />
ned til mer handterlige enheter: polysakkarider (f.eks. stivelse) til monosakkarider<br />
(f.eks. glukose), protein til aminosyrer, fett til fettsyrer og glyserol, osv. Denne innledende<br />
nedbrytinga foregår i tarmen og kalles fordøyelse, og den frigir forholdsvis lite energi.<br />
Fordøyelsen skjer hovedsakelig ved hydrolyse – bindinger spaltes ved tilførsel av vann.<br />
Dette betyr at det meste av energien er bibeholdt i de enkelte sukker-, aminosyre- eller<br />
fettsyremolekylene. Disse små molekylene kan lettere tas opp av cellene. Vel inne i cellene<br />
blir de gjerne brutt videre ned – katabolisme – som regel til molekyler som består av to til<br />
fire karbonatomer. Disse små enhetene kan så anvendes til prinsippielt to prosesser. For det<br />
første kan de brukes til å bygge opp organismens eget forråd av f.eks. sukker og aminosyrer,<br />
og i neste instans, makromolekyler. Dette kalles anabolisme og er energikrevende prosesser.<br />
For det andre kan de kataboliseres videre til små, uorganiske molekyler som CO2, H2O, NH3.<br />
I disse små molekylene er det lagret mye mindre energi enn det var i utgangsstoffene. Det<br />
betyr at det under nedbrytningsprosessene frigjøres energi som enten kan brukes direkte<br />
(f.eks. som varme) eller lagres i spesielle energibærende molekyler (i første rekke ATP) for å<br />
brukes (litt) senere. Katabolisme og anabolisme kalles med en felles betegnelse metabolisme.<br />
Vi skal <strong>ikke</strong> gå gjennom energiutnyttelsen av alle klassene av energilagrende forbindelser,<br />
men kommer til å konsentrere oss om karbohydratene, som høyst skjematisk forbrennes slik:<br />
CH2O + O2 → CO2 + H2O + Energi<br />
(vi skal se at oksygenet <strong>ikke</strong> alltid er nødvendig).<br />
Etter hvert skal vi i ganske stor detalj se på hvordan dette skjer i cellene.<br />
Til å begynne med må vi gjennom en liten bunke begreper og definisjoner. Kjemotrofe<br />
organismer (også heterotrof brukes) lever på kjemisk energi. Denne kjemiske energien er<br />
skaffet til veie ved at fototrofe (autotrofe) organismer, i første rekke planter og cyanobakterier,<br />
har bundet lysenergi i kjemiske bindinger/strukturer – eksempelvis vårt lille karbohydrat<br />
CH2O:<br />
CO2 + H2O + Energi → O2 + CH2O<br />
Vi kommer tilbake til fotosyntesen senere (kap. 8) og skal til å begynne med forholde oss til<br />
den motsatte reaksjonen: respirasjonen, prosessen som utnytter energien som ligger lagret i<br />
kjemiske forbindelser. Respirasjonsprosessen deles gjerne inn i glykolyse, sitronsyresyklus,<br />
elektrontransport og oksidativ fosforylering. Vi tar dem etter tur, med noen avst<strong>ikke</strong>re<br />
underveis.<br />
– 77 – ©Arild Ernstsen 1994-2003
6.1 GLYKOLYSEN<br />
anaerob energimetabolisme<br />
6.1.1 GLUKOSE SOM SUBSTRAT I ENERGIMETABOLISMEN<br />
De fleste kjemotrofe organismer <strong>bruker</strong> organisk materiale som energikilde. Noen forunderlige<br />
mikroorganismer kan leve av å oksidere jern og lignende, men det blir litt for spesielt i<br />
denne sammenhengen. For oss rekker det lenge med å se på sukker, fett og protein som råstoff<br />
for energimetabolismen. Vi forenkler her i utgangspunktet ytterligere ved å konsentrere<br />
oss om glukose, som er et karbohydrat (altså på formelen [CH2O]n) med seks karbon:<br />
C6H12O6. (Vi kommer litt tilbake til fett og protein – dvs. fettsyrer og aminosyrer som<br />
energikilde – men vil i det alt overveiende konsentrere oss om glukose). Glukose forekommer<br />
i to utgaver: ringform og kjedeform (1.1). Under normale fysiologiske betingelser er det<br />
mye mer av ringforma enn av kjeden, men ved å bruke kjedestrukturen er det lettere å se hva<br />
som skjer med molekylet, rent kjemisk.<br />
Når vi konsentrerer oss om glukose, er det ingen tilfeldighet. Glukose er det viktigste sukkeret<br />
i dyreblod, og det inngår i sukrose – transportsukkeret i planter. Under nedbryting av<br />
glukose oppstår det forbindelser som også dannes fra andre næringsmidler – så den biokjemiske<br />
«pathwayen» vi skal se på, er på en måte all metabolismes hovedvei med veikryss der<br />
produkter av fett- og proteinmetabolisme også kommer inn.<br />
Glukose er en meget god energilagrer, og energiinnholdet, 670 kcal pr. mol (for reaksjonen<br />
C6H12O6 + O2 → 6 CO2 + 6 H2O, tallet er uavhengig av om stoffet forbrennes biologisk<br />
eller i en ovn; noen kilder <strong>bruker</strong> verdien 686 kcal/mol), er egentlig for stort for å drive<br />
de fleste reaksjoner. Så energien i glukosemolekylet veksles inn i mer anvendelige energisjetonger:<br />
ATP, som frigjør ca. 7.3 kcal pr. mol når det spaltes i ADP og Pi, fosforsyre.<br />
Denne innvekslinga skjer ved at oksidasjonen av glukose <strong>ikke</strong> foretas i ett steg, men i mange<br />
små, strengt enzymkontrollerte etapper – hvorav noen resulterer i utvinning av ATP eller av<br />
koenzymer som senere reinvesteres i ATP. ATP brukes deretter til å drive et utall av cellas<br />
prosesser.<br />
respirasjonen gir ATP: ADP + Pi → ATP<br />
energikrevende reaksjoner <strong>bruker</strong> ATP: ATP → ADP + Pi<br />
Oksidasjon av glukose innebærer at noe blir redusert – altså at noe tar imot elektroner og/eller<br />
hydrogen. I den generelle ligninga for oksidasjon av karbohydrat er denne<br />
elektronakseptoren O2. Bare når O2 er elektronakseptor kan det fulle energipotensialet i<br />
glukosen utnyttes. Vi kaller denne forma for aerob nedbryting av glukose – «respirasjon». I<br />
visse organismer, og under enkelte forhold også i respirerende organismer, brytes glukose<br />
ned uten tilgang på O2. Denne forma for anaerob nedbryting av glukose kalles<br />
fermentering. Ved fermentering benytter cellene en annen elektronakseptor enn O2. Vi<br />
kommer tilbake til detaljene etter hvert, men det er lurt å være klar over allerede nå at full forbrenning<br />
med oksygen som elektronmottaker, gir mye større energiutbytte enn fermentering.<br />
– 78 –
6.1.2 REAKSJONENE I GLYKOLYSEN<br />
anaerob energimetabolisme<br />
Den innledende nedbrytninga av glukose til pyrodruesyre, glykolysen, er uten tvil den mest<br />
utbredte biokjemiske reaksjonssekvens. Den forekommer i cytoplasmaet i nesten hver eneste<br />
levende celle – anaerob eller aerob, prokaryot eller eukaryot. Glykolysen krever <strong>ikke</strong> O2.<br />
Den videre nedbryting av pyrodruesyre til CO2 og H2O skjer i mitokondriene, og det er til<br />
denne prosessen at O2 er absolutt nødvendig.<br />
Glykolysen var en av de første stoffskifteveiene («metabolic pathways») som ble klarlagt.<br />
Det skjedde på 1930-tallet, og glykolysen kalles alternativt «the Embden-Meyerhof pathway»<br />
etter forskerne som bidro mest. En stoffskiftevei er en serie reaksjonstrinn, der hver enkeltreaksjon<br />
er katalysert av et spesifikt enzym, og der produktet i én reaksjon brukes som substrat<br />
i den neste.<br />
Glykolysis er avledet av gresk glykys (søt, sukker) og lysis (oppløsning, spalting)<br />
og betyr bokstavelig «sukkerspalting». Navnet viser i utgangspunktet<br />
bare til ett av de ti stegene som inngår i denne metabolismeveien, reaksjonen<br />
som splitter et C6-molekyl til to C3-molekyler, men brukes altså i dag som<br />
fellesbetegnelse på reaksjonsserien fra glukose til pyrodruesyre.<br />
Vi ser på de fire første stegene helt skjematisk først. Å telle karbonatomer er viktig om en<br />
skal holde oversikten i energimetabolismen.<br />
Det første som skjer er at glukose fosforyleres ved at ATP bidrar med ei av sine fosfatgrupper<br />
– og energien forbundet med den; slikt at reaksjonen er sterkt eksergonisk. Omvandlinga<br />
fra glukose til glukose-6-fosfat skjer svært så spontant. Enzymet kalles<br />
heksokinase. Glukose fosforyleres altså raskt når det kommer inn i cella, og det er bra for en<br />
effektiv glykolyse – <strong>ikke</strong> minst fordi sukkeret hindres i å lekke ut av cella igjen. Den fosforylerte<br />
forma slipper nemlig <strong>ikke</strong> gjennom membranen.<br />
For å forstå litt mer av reaksjonene i glykolysen, kan det være nyttig først å<br />
konsentrere seg om enzymenes «etternavn» – de forteller nemlig hva som<br />
skjer med reaktantene (derfor er denne delen av navnene understreket i dette<br />
avsnittet). To kinaser med ulike substrater, og derfor ulike «fornavn», katalyserer<br />
jo to helt analoge reaksjoner.<br />
To steg senere fosforyleres vårt C6-molekyl i den andre enden. Men det kan vanskelig skje<br />
med glukose, som er en aldose – et sukker på aldehyd-form (det er altså dobbelt nyttig å se på<br />
sukkermolekylet som ei kjede). Karbonylgruppa i enden av sukkermolekylet må altså først<br />
flyttes lenger inn på kjeden; slik at vi står igjen med en ketose – et sukker på keton-form.<br />
Denne ketosen er fruktose-6-fosfat, som dannes fra glukose-6-fosfat av fosfoglukoisomerase.<br />
– 79 –
2–<br />
O 3 P<br />
HO<br />
O<br />
O OH H OH OH H<br />
C C C C C C<br />
H H OH H H<br />
glu kose<br />
ATP<br />
H<br />
ADP<br />
O OH H OH OH H<br />
C C C C C C<br />
H H OH H H H<br />
glu kose-6-fosfat<br />
H<br />
O<br />
H<br />
OH OH H<br />
C C C C C C<br />
H<br />
H<br />
OH H H H<br />
fruktose-6-fosfat<br />
ATP<br />
ADP<br />
O H OH OH H<br />
C C C C C C<br />
H OH H H H<br />
fruktose-1,6-bisfosfat<br />
OH<br />
2–<br />
O PO3 2–<br />
O PO3 2–<br />
O PO3 – 80 –<br />
Fosforylering av glukose og isomerisering<br />
til fruktose-6-fosfat er et godt eksempel på<br />
koplete reaksjoner (men samtidig et like<br />
bra eksempel på dårlig oversetting; det<br />
engelske uttrykket «coupled reactions» får<br />
fram den dualiteten [couple = par] som<br />
tapes i dette forsøket på oversetting). Den<br />
kinase-katalyserte reaksjonen er sterkt eksergonisk,<br />
med en Keq-verdi på over 600.<br />
Isomerase-reaksjonen er svakt endoterm,<br />
med en K-verdi på omlag 0.5. Disse to<br />
reaksjoner har en felles intermediær forbindelse,<br />
glukose-6-fosfat. Etter hvert som<br />
det dannes store mengder (forholdsvis!) av<br />
glukosefosfatet, vil noe av det omdannes til<br />
fruktosefosfat, selv om likevektskonstanten<br />
er ugunstig. Reaksjonsretningene er altså<br />
konsentrasjonsavhengige. Etter ei tid vil<br />
det innstille seg ei tilstand der begge Kverdiene<br />
balanserer rundt sine likevektspunkt.<br />
Begge reaksjonene vil da stoppe.<br />
I cella vil det imidlertid alltid fylles på med glukose og ATP, og fruktose-6-fosfat vil alltid<br />
fjernes gjennom fosforylering til fruktose-1,6-bisfosfat. Enzymet i denne reaksjonen er<br />
fosfofruktokinase – nok engang i en sterkt eksergonisk reaksjon der et molekyl ATP forbrukes.<br />
Hva er forskjellen mellom di-fosfat og bis-fosfat; begge inneholder jo to fosfatgrupper?<br />
I et difosfat er fosfatgruppene koplet til hverandre og videre til<br />
«mor-molekylet» (f.eks. adenosin i ADP) gjennom ei binding; i et bisfosfat er<br />
de to fosfatgruppene bundet til hver sin posisjon på hovedmolekylet (f.eks.<br />
fruktose i fruktose-1,6-bisfosfat. Tilsvarende skiller en tri- fra tris-. Denne<br />
nomenklaturregelen syndes det mye mot, også i denne teksten… Noen navn<br />
er så innarbeidet med den gamle, «gale» varianten, at de nok vil bli stående<br />
(f.eks. dihydroksyacetonfosfat).<br />
Nå er vi klar for den egentlige «glykolysen». Enzymet aldolase kløyver fruktose-bisfosfat på<br />
midten (den omvendte reaksjonen er en aldolkondensasjon, derav navnet). Produktene av<br />
aldolasereaksjonen er dihydroksyacetonfosfat (DHAP) og fosfoglyseraldehyd (PGAL;<br />
glyseraldehydfosfat). Vi har altså to 3-karbon-enheter som ligner på hverandre. Men bare
anaerob energimetabolisme<br />
aldo-forbindelsen kan brukes direkte videre i glykolysen. Ketonet har forsåvidt andre anvendelsesområder<br />
også (fettsyntese), men vil ofte trenges som energiråstoff. Fosfotrioseisomerase<br />
omdanner DHAP til PGAL.<br />
Vi summerer energistatusen så langt. Den er <strong>ikke</strong> særlig oppmuntrende:<br />
glukose + 2 ATP → 2 PGAL + 2 ADP<br />
2–<br />
O 3P<br />
O<br />
H O H OH OH H<br />
C C C C C C<br />
H OH H H H<br />
fruktose-1,6-bisfosfat<br />
H O H<br />
2–<br />
O3P O C C C OH<br />
H H<br />
dihydroksyacetonfosfat<br />
Pi<br />
– 81 –<br />
O PO 3<br />
2–<br />
O OH H<br />
C C C O PO3 H H H<br />
glyseraldehydfosfat<br />
(fosfoglyseraldehyd)<br />
NAD +<br />
NADH H<br />
O OH H<br />
2–<br />
C C C O PO3 2–<br />
O3P O H H<br />
bisfosfoglysersyre<br />
+<br />
+<br />
ADP<br />
ATP<br />
O OH H<br />
2–<br />
C C C O PO3 HO H H<br />
3-fosfoglysersyre<br />
Vi har investert to ATP-molekyler (to fosfatbindinger), uten å oppnå annet enn å dele molekylet<br />
– dvs. bare forberedende reaksjoner til energihøstinga i andre halvdel av glykolysen.<br />
Nå kommer vi til en komplisert prosess – egentlig en trippelprosess der to enzymer er involvert.<br />
Fosfoglyseraldehydet oksideres først til [fosfoglysersyre] av PGAL dehydrogenase<br />
med NAD + som koenzym. Denne syra er egentlig bare en intermediær forbindelse – den<br />
slipper aldri enzymet og forekommer derfor <strong>ikke</strong> i «fri tilstand». Oksidasjonen frigjør nemlig<br />
så mye energi at noe av den (i tillegg til alt som er lagret i det reduserte NADH) kan brukes til<br />
å fosforylere syregruppa, med uorganisk fosfat (Pi), slik at det endelige enzymproduktet blir<br />
bisfosfoglysersyre.<br />
2–
O OH H<br />
C C C O PO3 HO H H<br />
3-fosfoglysersyre<br />
2–<br />
PO3 O O H<br />
C C C OH<br />
HO H H<br />
2-fosfoglysersyre<br />
H 2 O<br />
O<br />
O<br />
2–<br />
PO3 C C CH2 HO H<br />
fosfoenolpyrodruesyre<br />
ADP<br />
ATP<br />
O O<br />
C C CH3 HO<br />
pyrodruesyre<br />
2–<br />
– 82 –<br />
Den frigjorte energien fra oksidasjonen<br />
brukes også til å danne vår første ATP, fra<br />
ADP og fosfatgruppa på syregruppa i<br />
bisfosfoglysersyre. Energien i denne bindinga<br />
er så stor at det kan «tappes» ut en<br />
ATP (∆G = –11.8 kcal pr. mol), mens energien<br />
i P-bindinga i motsatt ende av molekylet<br />
bare er: ∆G = –3.3 kcal/mol. Den ytterste<br />
bindinga i ATP har en ∆G-verdi på<br />
7.3 kcal pr. mol. Etter at fosfogruppa er<br />
borte sitter vi igjen med fosfoglysersyre<br />
(PGA). Enzymets navn henspiller på den<br />
omvendte reaksjonen: PGA kinase.<br />
ATP kan dannes på et par ulike måter.<br />
Denne kalles substratfosforylering (eller<br />
substrat-nivå-fosforylering) – ADP fosforyleres<br />
(og blir til ATP) ved hjelp av energi<br />
i substratet i reaksjonen (her difosfoglysersyre).<br />
(Vi skal senere se på oksidativ fosforylering<br />
og fotofosforylering; andre måter<br />
å danne ATP på).<br />
Så langt har glykolysen gitt oss:<br />
glukose + 2 ATP → 2 PGA + 2 ATP + 2 NADH<br />
ATP-ene kansellerer hverandre ut – så nettovinsten er de to reduserte NAD-koenzymene.<br />
Ikke noe dårlig utbytte som vi vil forstå etter hvert.<br />
Fosfatbindinga i 3-PGA «inneholder for lite energi» til å danne en ATP fra ADP og Pi.<br />
Fosfoglyseromutase flytter P-gruppa fra karbon nr. 3 til nr. 2. Den nye forbindelsen er 2fosfoglysersyre<br />
(2-PGA). Men fortsatt er bindingsenergien for liten til at 2-PGA kan brukes<br />
som et energirikt substrat i en substratfosforylering.<br />
Enolase spalter fra vann og omarrangerer molekylet til fosfoenolpyrodruesyre (PEP).<br />
Energien i P-bindinga er nå –14.8 kcal/mol – og det rekker lenge for å produsere en ATP.<br />
Energien skyldes delvis fosfobindinga i seg selv, men den var jo nettopp for liten… Det er<br />
plasseringa av fosfogruppa som er hele cruxet. Om vi tenker oss molekylet uten fosfat, vil<br />
det kunne foreligge i to former, keto- og enol-form. Denne typen isomeri kalles tautomeri:<br />
O<br />
HO<br />
C<br />
O<br />
C<br />
CH 3<br />
O<br />
HO<br />
C<br />
OH<br />
C<br />
CH 2
anaerob energimetabolisme<br />
Keto-forma er den mest stabile, den har minst fri energi. Derfor er likevekta normalt skjøvet<br />
langt over i keto-retninga. Men fosfogruppa «arresterer» molekylet i den energirike enolforma.<br />
Dette faktum gjør at pyrodruesyrekinase (navnet angir revers-reaksjonen) kan danne<br />
pyrodruesyre mens noe av energien konserveres gjennom produksjon av et molekyl ATP.<br />
Summert så langt:<br />
glukose + 2 NAD + + 2 ADP + 2 Pi<br />
↓<br />
2 pyrodruesyre + 2 NADH + 2 H + + 2 ATP + 2 H2O<br />
Vi har faktisk vunnet ut energi av vårt glukosemolekyl. Men, det er et stort aber her:<br />
NADH… Cella har et svært begrensa forråd av NAD/NADH. Når glykolysen går ei stund –<br />
og ender i pyrodruesyre – vil forrådet være brukt opp og reaksjonsserien stopper opp. Vi<br />
trenger altså å levere elektronene fra NADH til en annen elektronakseptor som er villig til å la<br />
seg redusere. Da vil NAD + kunne entre glykolysen på sitt sted igjen – oksidert og med apetitt<br />
på elektroner (og H +). Under aerobe forhold vil dette <strong>ikke</strong> være noe problem – i alle fall<br />
<strong>ikke</strong> for eukaryote celler. O2 tar i siste instans hand om elektroner og protoner, og NADH<br />
oksideres til NAD +.<br />
6.2 FERMENTERING<br />
Under anaerobe forhold må NAD + regeneres på annet vis. Og hva er vel mer effektivt enn å<br />
la pyrodruesyre – sluttproduktet i glykolysen – agere som elektronakseptor. Og det er<br />
nettopp det som skjer – i en av flere varianter – som alle kalles fermentering (fermentativt<br />
stoffskifte). Det kanskje mest forekommende sluttproduktet er melkesyre som dannes direkte<br />
fra pyrodruesyre, med NADH som koenzym.<br />
O O<br />
C C<br />
HO<br />
pyrodruesyre<br />
CH 3<br />
NADH<br />
H<br />
O OH<br />
C C<br />
HO H<br />
melkesyre<br />
+<br />
+ NAD +<br />
Enzymet er melkesyre dehydrogenase, og prosessen har navn etter produktet og kalles<br />
melkesyrefermentering. Den forekommer i mange bakterier – brukes bl.a. kommersielt ved<br />
framstillinga av diverse oster, surmelk og yoghurt. Og den forekommer i animalske celler –<br />
særlig muskelceller – når oksygentilførselen <strong>ikke</strong> lenger holder tritt med forbruket. Melkesyra<br />
transporteres til levra, der glukose gjendannes i en prosess som mer eller mindre er den<br />
omvendte av glykolysen: glukoneogenesen.<br />
muskel blod lever<br />
glukose<br />
glukose<br />
melkesyre melkesyre<br />
– 83 –<br />
CH 3
anaerob energimetabolisme<br />
Fra levra transporteres glukose tilbake til den verkende muskelen som kan tyne ut enda noen<br />
ATP.<br />
Fermenteringsprosessene ble først forstått av Pasteur som brukte det treffende<br />
uttrykket «la vie sans l’air».<br />
Beslektet med melkesyrefermentering er alkoholfermentering, som særlig forekommer i gjærsopp.<br />
Denne fermenteringa foregår i to steg. Først ei dekarboksylering som danner acetaldehyd<br />
og CO2 fra pyrodruesyre; enzym: pyrodruesyre dekarboksylase. Deretter reduksjon<br />
av aldehydet til etanol samtidig som NAD + gjenvinnes; enzym: alkohol dehydrogenase.<br />
O O<br />
C C<br />
CH 3<br />
HO<br />
pyrodruesyre<br />
CO 2<br />
O<br />
C CH3 H<br />
acetaldehyd<br />
– 84 –<br />
NADH<br />
H +<br />
+ NAD +<br />
HO<br />
H<br />
C CH 3<br />
H<br />
etanol<br />
Alkoholfermentering brukes som vi vet i baking, brygging og vinlegging. I baking er det<br />
CO2 som kommer til nytte. Gassen hever deigen og gjør den «luftig», mens alkoholen delvis<br />
klemmes ut under eltinga, og delvis fordamper i ovnen. Den gode lukta av bakverk er rett og<br />
slett spritdamp. I ølbrygging er vi interessert i både CO2 og alkoholen. Gassen gir kolsyre<br />
(skum) til ølet, og etanolen har eventuelt andre fordeler. Ved vinlegging er det bare etanolen<br />
som er av egentlig interesse, men karbondioksiden sørger for et anaerobt miljø. Dersom det<br />
kommer O2 til vinsatsen, blir etanolen oksidert av bakterier til eddiksyre…<br />
H<br />
H 3C C<br />
OH H 3C C<br />
H<br />
Noen andre, mindre viktige fermenteringsprodukter:<br />
propionsyre (sveitserost): CH3CH2COOH<br />
smørsyre (harskt smør): CH3CH2CH2COOH<br />
aceton: CH3OCH3<br />
iso-propanol: (CH3)2CHOH<br />
O 2<br />
H 2O<br />
<br />
<br />
Summert har vi to fermenteringsligninger:<br />
melkesyreferm.: glukose + 2 ADP + 2 Pi → 2 melkesyre + 2 ATP + 2 H2O<br />
alkoholferm.: glukose + 2 ADP + 2 Pi → 2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O<br />
O<br />
OH
7: AEROB ENERGIMETABOLISME<br />
Til nå har vi bare sett på anaerob nedbryting av glukose. Hele glykolysen såvel som<br />
fermenteringsreaksjonene skjer i cytoplasma uten å kreve O2. Vi skal nå bevege oss over på<br />
aerobe prosesser. Prosesser som i eukaryote celler utelukkende skjer i mitokondriene. Vi<br />
skal se at denne måten å hente ut energi på er mye mer effektiv enn glykolysen og det<br />
fermentative stoffskiftet. Vi har jo sett at et glukosemolekyl bare gir opphav til 2 ATPmolekyler.<br />
Dette er bare en liten del av den energien som potensielt finnes lagret i glukose.<br />
Det er selvfølgelig <strong>ikke</strong> mulig å tappe ut alt og lagre det i små ATP-pakker. Mye energi<br />
forsvinner som varme – til å drive reaksjonene. Men 2 ATP tilsvarer bare omlag 14.5 kcal av<br />
de 670 kcal/mol som finnes i glukose – og det er bare litt over 2%! Vi har lært oss til å<br />
oppfatte naturen som mer effektiv og økonomisk enn som så.<br />
Dessuten kan <strong>ikke</strong> endeproduktene i fermenteringsprosessene – etanol og melkesyre –<br />
brukes som startmateriale av fototrofe organismer. Så bakterier og andre celler fullfører <strong>ikke</strong><br />
«sin del» – de kjemotrofe organismenes del – av den sykliske energi- og kjemistrømmen som<br />
vi snakket om tidligere. Da snakket vi om respirasjon som «det motsatte» av fotosyntese.<br />
Glykolyse og fermentering er <strong>ikke</strong> respirasjon. Respirasjonen er gitt ved ligninga: Glukose +<br />
O2 → H2O + CO2, der altså O2 inngår – og endeproduktene kan spises av planter. Men<br />
glykolysen (<strong>ikke</strong> fermenteringa av pyrodruesyre) inngår som en del av den totale respirasjonen.<br />
Vi kommer nå til den videre del. For allerede nå å anskueliggjøre effektiviteten, kan<br />
vi røpe at mens glykolysen produserte 2 ATP pr. glukose, blir det produsert ytterlige 34 ATP<br />
i den videre respirasjonen.<br />
7.1 MITOKONDRIET<br />
Pyrodruesyre transporteres nå inn i mitokondriene – <strong>ikke</strong> for ingenting kalt cellas kraftverk.<br />
Resten av respirasjonsreaksjonene skjer på eller innenfor den indre mitokondriemembranen.<br />
Mitokondrion betyr trådforma part<strong>ikke</strong>l, og navnet henspeiler på at organellen er avlang.<br />
Den er omsluttet av to membraner. Den ytterste er glatt (<strong>ikke</strong> foldet), og faktisk permeabel for<br />
alle molekyler mindre enn 10 000 dalton. Det er i praksis alle molekyler av interesse for de<br />
reaksjoner som foregår i energimetabolismen i mitokondriet. Denne høye permeabiliteten<br />
skyldes hydrofile kanaler dannet av proteinet porin. Så yttermembranen representerer <strong>ikke</strong><br />
noen permeabilitetsbarriere, og har heller <strong>ikke</strong> mange assosierte enzymfunksjoner. Rommet<br />
mellom den ytre og den indre mitokondriemembranen kan derfor sees på som en fortsettelse<br />
av cytoplasma.<br />
Innermembranen er derimot sterkt foldet; innfoldingene kalles cristae (entall: crista; noen<br />
har forsøkt å fornorske til «krista»…). Disse cristae øker membranoverflata svært mye.<br />
Mengden av cristae er avhengig av hvor mye energi mitokondriet trenger å lage; dvs. i<br />
hvilken celletype det befinner seg. I plantemitokondrier er det generelt <strong>ikke</strong> så mange cristae,<br />
mens dyreceller i f.eks. muskler, hjerte og nyrer har flust av dem. Celler i flygemusklene hos<br />
fugler har mitokondrier med særlig mange og velutvikla cristae. Et annet eksempel er mitokondrier<br />
i halene på sædceller. På denne indre membranen skjer elektontransport og ATPsyntese<br />
(7.3).<br />
– 85 – ©Arild Ernstsen 1994-2003
aerob energimetabolisme<br />
Innenfor innermembranen finner vi matriksen – som <strong>ikke</strong> er helt vandig, men mer ligner<br />
en gel pga. av den høye konsentrasjonen av enzymer. Her finnes alle enzymene for reaksjonene<br />
i krebs-syklus (unntatt ravsyre dehydrogenase-komplekset, som ligger i selve innermembranen)<br />
og fettsyreoksidasjonen (7.2) med mye mer. I matriksen finnes videre DNA (av prokaryot<br />
type, dvs. sirkulært) og ribosomer (også de av prokaryot størrelse), som gjør mitokondriene<br />
i stand til å syntetisere en del av de proteinene de behøver. I noen undersøkte dyreceller<br />
produseres om lag et dusin polypeptider og proteiner fra dette DNAet. Mitokondrier finnes<br />
altså bare i eukaryote celler, og en teori går ut på de opprinnelig var bakterier som ble tatt<br />
opp av «den første» eukaryote cella. Denne endosymbiose-teorien har i dag stor tilslutning.<br />
Mitokondriene varierer i antall fra celletype til celletype. I noen encellete dyr er det bare<br />
et eller noen få mitokondier, i plante- og dyreceller som er spesialisert på energiproduksjon<br />
kan det være noen få tusen av dem. De er gjerne 0.5 til 1 µm i diameter og 1-3 µm (i sjeldne<br />
tilfeller 10 µm) lange. Altså omtrent så store som en typisk bakterie.<br />
I elektronmikroskopet er det mulig å se noen forholdsvis store korn på innsida av innermembranen.<br />
Det er de såkalte F0F1-kompleksene, der ATP-syntesen finner sted. Men de<br />
skal vi komme tilbake til.<br />
Det får rekke om mitokondriestruktur inntil videre. Vi kommer senere tilbake til innermembranen<br />
og de prosesser som skjer der. Nå til biokjemi.<br />
7.2 SITRONSYRESYKLUS OG FETTSYREOKSIDASJON<br />
Vi holder i mente at vi fortsatt holder på med delreaksjoner i det som skal ende opp i<br />
summeligninga: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O. Og det neste som skal skje med det<br />
som er igjen av vårt glukosemolekyl, er at det skal gjennom en syklisk serie av reaksjoner.<br />
C3-molekylet pyrodruesyre kvitter seg med et karbonatom i form av CO2 (dekarboksylering),<br />
og den resterende C2-enheten henges på et C4-molekyl, slik at vi står med et C6-molekyl. I<br />
en serie redoks-reaksjoner utvinnes nå energirike, reduserte kofaktorer (NADH og FADH2)<br />
og C6-enheten dekarboksyleres to ganger slik at vi står igjen med et C4-fragment som<br />
fullfører sirkelen ved å fusjonere med en ny C2-bit fra pyrodruesyre. Denne sykliske reaksjonsserien<br />
smykker seg med en rekke navn: krebs-syklus, sitronsyre-syklusen (etter den<br />
første C6-forbindelsen, sitronsyre) eller trikarboksylsyre-syklusen (TCA cycle; fordi<br />
sitronsyre har hele tre karboksylsyregrupper). I denne teksten foretrekkes «sitronsyresyklus»,<br />
men det varieres noen ganger med den slangpregete kortforma «krebs».<br />
Hans Krebs (1900–1981) føyde på 1930-tallet sammen br<strong>ikke</strong>ne i den puslespillslignende<br />
reaksjonsserien – først i heimlandet Tyskland, deretter som<br />
flyktning i England. Han kom også med tunge bidrag til forståelsen av<br />
melkesyrefermentering og nedbrytninga av aminosyrer, bl.a. urea-syklusen,<br />
og ble i 1953 belønnet med nobelprisen i medisin.<br />
Vi skal følge den videre skjebna til pyrodruesyre etter at den har kommet inn i mitokondriematriksen.<br />
Innermembranen forseres forresten ved hjelp av transportproteinet pyrodruesyre<br />
translokase som «symporterer» dissosiert pyrodruesyre, pyruvat, og et proton. Vi behandlet<br />
glykolysen ganske omstendelig – både fordi den er «viktig» i kraft av å være universell (den<br />
– 86 –
aerob energimetabolisme<br />
forekommer i nesten alle levende celler), fordi den er oversiktlig(?), og fordi den inneholder<br />
illustrerende eksempler på flere sentrale biokjemiske reaksjons-typer. I det videre skal vi heller<br />
forsøke å konsentrere oss om visse «nøkkelreaksjoner».<br />
7.2.1 OKSIDATIV OMDANNING AV PYRODRUESYRE TIL ACETYL-COA<br />
Den første reaksjonen er viktig nok, selv om den skjer utenfor den egentlige syklusen –<br />
reaksjonen er heller en forberedelse til sitronsyre-syklus. Og reaksjonen er komplisert, den er<br />
snarere en serie av tett koplete reaksjoner.<br />
HS CoA CO2 O<br />
H3C C COOH<br />
pyrodruesyre<br />
– 87 –<br />
O<br />
H3C C S CoA<br />
acetyl-CoA<br />
NAD +<br />
NADH H +<br />
+<br />
Pyrodruesyre dekarboksyleres (CO2 fjernes) og den resterende C2-enheta hektes på CoA<br />
(5.1.3). Vi kan for oversiktens skyld tenke oss et intermediært aldehyd, som så koples til<br />
koenzymet i noe som er en oksidering – se på C nr. 2 i pyrodruesyre, bru-Cen i acetyl-CoA.<br />
Samtidig blir NAD + redusert til NADH. Reaksjonen katalyseres av pyrodruesyre dehydrogenase<br />
som er et multienzymkompleks – det vil si at flere enzymer (i dette tilfellet tre stykker,<br />
pluss to som har med reguleringa av reaksjonen å gjøre) og kofaktorer (fem ulike!) jobber<br />
sammen etter et slags transportbandprinsipp: produktet i den ene reaksjonen langes videre til<br />
enzym som brukes det som substrat. Ingen av mellomproduktene diffunderer dermed fra<br />
komplekset og ut i matriks, noe som selvsagt kraftig forsterker den katalytiske effektiviteten.<br />
Komplekset er over 30 nm i diameter, større enn et ribosom.<br />
7.2.2 SITRONSYRE-SYKLUSEN<br />
Acetyl-CoA entrer så syklusen ved å gi fra seg de to acetylkarbonene til oksaleddiksyre.<br />
Disse to karbonatomene er den eneste netto tilførsel av karbon i syklusen. Resultatet av<br />
reaksjonen er sitronsyre (den første C6-forbindelsen) og fritt CoA, og den katalyseres av sitronsyre<br />
syntase. Denne aldolkondensajonen (jfr. aldolase-reaksjonen i glykolysen) er sterkt<br />
endergonisk, og dessuten er det nesten alltid veldig lite oksaleddiksyre i cella. Men<br />
reaksjonen er koplet med den irreversible, og dermed svært eksergoniske, hydrolysen av<br />
tioesterbindinga mellom acetylgruppa og svovelmolekylet i acetyl-CoA (tio- av gresk<br />
«theion», svovel).<br />
Sitronsyre omdannes til isositronsyre, dvs. at ei av hydroksylgruppene flyttes som en<br />
forberedelse til kommende oksidasjoner. Sitronsyre er nemlig en tertiær alkohol (hydroksylgruppa<br />
sitter på et karbonatom som er bundet til tre andre karboner), mens isositronsyre er en<br />
sekundær alkohol (binding til to karboner og en hydrogen). Og tertiære alkoholer kan <strong>ikke</strong><br />
oksideres, det er <strong>ikke</strong> nok tilgjengelige valenser på karbonet… Enzymet er akonitase<br />
(akonitat hydratase) som har fått navnet fra reaksjonens mellomstasjon, aconitat, en forbindelse<br />
som normalt <strong>ikke</strong> slipper løs fra enzymet.
aerob energimetabolisme<br />
C6-forbindelsen er nå klargjort til den første oksidasjonen og den første dekarboksyleringa.<br />
Isositronsyre dehydrogenase oksiderer hydroksylgruppa til ei ketogruppe,<br />
mellomproduktet oksalravsyre. Karboksylsyregruppa «på midten» ramler deretter spontant<br />
av som CO2. Resultatet av denne brutaliteten er α-keto-glutarsyre (synonymt med 2-oksoglutarsyre),<br />
og reaksjonen er irreversibel (men det finnes måter å regulere aktiviteten av<br />
isositronsyre dehydrogenase på). Oksidasjonen frigjør så mye energi at NAD + kan reduseres<br />
til NADH (+ H +). Det er NAD + selv som fungerer som hydrogenakseptor, uten noen<br />
mellomhender. Vi har altså lurt ut enda litt mer anvendbar energi og vi har blitt kvitt enda<br />
ett karbonatom (egentlig to – for vi må <strong>ikke</strong> glemme at syklusen går to runder, pga to pyrodruesyre,<br />
for hvert glukosemolekyl).<br />
α-Ketoglutarsyre ligner på pyrodruesyre. De er begge ketosyrer. Det som nå skjer med αketoglutarsyra<br />
er ganske likt det som nettopp skjedde med pyrodruesyra: Den dekarboksyleres,<br />
oksideres og bindes til CoA. α-Ketoglutarsyre dehydrogenase, som klarer av denne<br />
sammensatte oppgaven, minner også mye om pyrodruesyre dehydrogenase. De er begge<br />
multienzymkomplekser som består av tre samarbeidende enzymer (men ketoglutarsyre dehydrogenase-komplekset<br />
mangler de to ekstra reguleringsproteinene som finnes i pyrodruesyre<br />
dehydrogenase). C4-enheten som er resultatet av dekarboksyleringa koples altså til CoA; det<br />
dannes ravsyre-CoA (suksinyl-CoA). Energien fra oksidasjonen av ketogruppa i αketoglutarat<br />
til tioesterfunksjonen i ravsyre-CoA «betaler» for syntesen – påhektinga av CoA,<br />
men det finnes dessuten energimidler til den samtidige reduksjonen av NAD +. α-Ketoglutarsyre-reaksjonen<br />
er et viktig kontrollpunkt i krebs, den hemmes av høye konsentrasjoner av<br />
produktene, NADH og ravsyre-CoA, og den stimuleres av Ca 2+.<br />
Tidligere så vi at bindingsenergien i tioesteren acetyl-CoA ble brukt til å drive en syntese<br />
(av sitronsyre). Tioesterbindinga i ravsyre-CoA brukes til substratfosforylering. Ravsyre-<br />
CoA spaltes i CoA og fri ravsyre (suksinat), og bindingsenergien tas vare på ved at det<br />
dannes guanosintrifosfat (GTP) fra GDP og Pi. Enzymet kalles ravsyre-tiokinase (eller<br />
ravsyre-CoA-syntestase).<br />
GTP dannes i de fleste dyr (særlig pattedyr) mens det i planter dannes ATP.<br />
Dyr kan bruke GTP til å lage ATP, enzymet nukleotid-difosfat kinase flytter<br />
nemlig om på den ytterste fosfatgruppa mellom ulike nukleotider, f.eks.:<br />
GTP + ADP ↔ GDP + ATP<br />
Dette enzymet finnes det imidlertid lite av i mitokondriene, det meste er i<br />
cytosol. Derfor brukes nok GTPene direkte som energikilde for reaksjoner<br />
som foregår i mitokondriet – av GTP-spesif<strong>ikke</strong> enzymer. Kun slik er det<br />
mulig å holde «poolen» av GDP på et nivå som hindrer at krebs stopper opp<br />
og ravsyre-CoA akkumulerer. Denne smule resonnement gjelder altså kun<br />
dyreceller.<br />
Sitronsyresyklusen startet med at en C4-forbindelse smeltet sammen med et C2-fragment. Vi<br />
står nå med en C4-forbindelse: ravsyre. Men før vi fullfører syklusen, vil vi gjerne tappe ut<br />
litt mer energi av den. Det er nemlig mulig å oksidere ravsyre – opptil flere ganger. Først<br />
oksideres den (det fjernes to hydrogen) til røyksyre (fumarsyre) av ravsyre dehydrogenase.<br />
– 88 –
aerob energimetabolisme<br />
Denne oksidasjonen frigjør såpass lite energi at det <strong>ikke</strong> rekker til å redusere NAD +, men det<br />
holder lenge til å danne FADH2 fra FAD. Koenzymet FAD (flavin-adenin-dinukleotid) og<br />
dets forhold til ravsyre dehydrogenase (som inngår i enzymkomplekset ravsyre-ubiquinon<br />
reduktase!) diskuteres nærmere i 7.3.1 i forbindelse med kompleks II.<br />
Malonsyre, COOH-CH2-COOH, er en kompetitiv hemmer av ravsyre dehydrogenase.<br />
Enzymet klarer nemlig <strong>ikke</strong> riktig å skille malonsyre fra ravsyre,<br />
COOH-CH2-CH2-COOH, så substratanalogen blokkerer reaksjonen og får<br />
ravsyre, α-keto-glutarat og sitronsyre(!) til å akkumulere i mitokondriet.<br />
Dette eksemplet på kompetitiv inhibering er nå klassisk, og det spilte en viktig<br />
rolle da Krebs og Co kartla reaksjonene i syklusen.<br />
COOH<br />
HO C H<br />
H C H<br />
COOH<br />
eplesyre<br />
H 2O<br />
H<br />
O HS<br />
H3C C S CoA<br />
acetyl-CoA<br />
CoA<br />
H<br />
COOH<br />
C H<br />
HO C COOH<br />
COOH<br />
H C H<br />
C O<br />
COOH<br />
H C H H2O sitronsyre<br />
COOH<br />
oksaleddiksyre<br />
COOH<br />
C H<br />
C<br />
COOH<br />
røyksyre<br />
FADH 2<br />
NADH + H +<br />
NAD +<br />
ADP<br />
ATP<br />
FAD<br />
GTP GDP<br />
COOH O S CoA<br />
C<br />
H C H<br />
H C H<br />
H C H<br />
H C H<br />
COOH<br />
ravsyre<br />
COOH<br />
ravsyre-CoA<br />
HS CoA<br />
– 89 –<br />
+ H +<br />
NADH<br />
H 2O<br />
COOH<br />
H C H<br />
C COOH<br />
H C H2O COOH<br />
akonitinsyre<br />
NADH +<br />
NAD +<br />
H +<br />
NAD +<br />
CO 2<br />
HS CoA<br />
COOH<br />
H C H<br />
H C COOH<br />
HO C H<br />
COOH<br />
isositronsyre<br />
COOH<br />
H C H<br />
H C H<br />
C O<br />
COOH<br />
α-ketoglutarsyre<br />
CO 2
aerob energimetabolisme<br />
Fumarase hydratiserer røyksyre, dvs. tilfører vann, og danner eplesyre (malat); enzymet<br />
kalles også røyksyre hydratase. Dette er en forberedelse til nok en oksidasjon. Eplesyras<br />
hydroksylgruppe oksideres av eplesyre dehydrogenase til oksaleddiksyre, og vi er endelig<br />
framme ved begynnelsen igjen! Denne siste reaksjonen frigjør redusert koenzym, NADH. De<br />
to siste reaksjonene (fumarase og eplesyre dehydrogenase) er reversible, med Keq-verdier nær<br />
1. Reaksjonen mellom eplesyre og oksaleddiksyre minner for øvrig mye om en annen reaksjonen<br />
mellom ei hydroksysyre og ei ketosyre: fermenteringa av pyrodruesyre til melkesyre.<br />
Summeligning for pyrodruesyreoksidasjon og krebs:<br />
2 pyrodruesyre + 2 ADP + 2 Pi + 8 NAD + +2 FAD + 6 H2O<br />
↓<br />
6 CO2 + 2 ATP + 8 NADH + 8 H + + 2 FADH2<br />
Eller, om vi summerer opp hele glukosenedbrytninga så langt:<br />
C6H12O6 + 4 ADP + 4 Pi + 10 NAD + + 2 FAD + 2 H2O<br />
↓<br />
6 CO2 + 4 ATP + 10 NADH + 10 H + + 2 FADH2<br />
Om vi sammenligner med totalligninga for respirasjonen, så har vi fått våre seks CO2, men vi<br />
har fortsatt <strong>ikke</strong> brukt noe molekylært oksygen – og det var jo det som skulle være poenget<br />
med respirasjonen. Vi har heller <strong>ikke</strong> fått dannet så gresselig mye ATP, bare dobbelt så mye<br />
som det glykolysen alene bidro med. For å få inn O2 og ut mer ATP, må vi begi oss inn i det<br />
som kalles elektontransportkjeden og den oksidative fosforylering (5.4).<br />
Sitronsyresyklusen er så effektiv at 1 mg oksaleddiksyre i løpet av fire små<br />
timer klarer å ta hand om acetyl-CoA fra 1 kg (!) glukose.<br />
Det er kanskje et lite poeng å merke seg at de to karbonatomene som «fylles på» syklusen<br />
gjennom acetyl-CoA <strong>ikke</strong> er de samme som de som fjernes i form av CO2. Men<br />
nettobalansen er +2–2=0, okke som.<br />
7.2.3 FETT SOM ENERGIKILDE<br />
Acetyl-CoA og mange av krebs-forbindelsene står i et velutviklet ledtog med mye av cellas<br />
øvrige stoffskifte – katabolisme såvel som anabolisme. Fettsyrer og aminosyrer kan brytes<br />
ned til forbindelser som inngår i energimetabolismen: f.eks. acetyl-CoA (fra både fett og<br />
protein), pyrodruesyre, α-keto-glutarsyre, ravsyre-CoA, røyksyre og oksaleddiksyre (alle fra<br />
protein). Etter at proteiner er hydrolysert kan de frie aminosyrene enten brukes til å bygge<br />
nye proteiner eller de kan «ved behov» deamineres (aminogruppa fjernes) og styres inn i<br />
glykolysen eller sitronsyresyklusen. Noen aminosyrer trenger bare små modifikasjoner for å<br />
hoppe inn i energimetabolismen: alanin skal f.eks. bare gi aminogruppa til ei α-keto-syre for<br />
å bli pyrodruesyre (jfr. kap. 5). Andre må behandles mer omfattende: leucin og tryptofan<br />
metaboliseres i hhv 7 og 11 steg før de begge ender opp som CoA. Forbindelser i glykolysen<br />
og krebs kan selvfølgelig også «tappes ut» for å brukes til syntese av bio-molekyler av ymse<br />
slag (ravsyre-CoA brukes f.eks. til syntese av hem, som inngår i hemoglobin og cytokromer,<br />
– 90 –
aerob energimetabolisme<br />
jfr. 7.3). Vi glemmer dette virvaret og konsentrerer oss heller litt om den noe mer rettlinjete<br />
forbrenninga av fett.<br />
Hos pattedyr og andre vertebrater består mye av energiforrådet av triglyserider (1.2.1).<br />
Det meste av energien som brukes i hjerte, nyre, lever og kvilende muskler, kommer fra<br />
denne kilden. Og fastende dyr, f.eks. de som overvintrer i hi, lever utelukkende på energi fra<br />
nedbrytning av triglyserider.<br />
Hydrolyserende enzymer (lipaser) spalter triglyseridene til glyserol og frie fettsyrer. For<br />
lagringsfettets vedkommende skjer dette inne i cellene, for fett som kommer fra mat<br />
hovedsakelig i tarmen, før hydrolyseproduktene tas opp av epitelcellene. Glyserol kan finne<br />
flere anvendelser i cella, men det vanlige er at glyserol kinase <strong>bruker</strong> én ATP til å danne<br />
glyserolfosfat – fosfatgruppa er endestilt. Deretter blir det sentrale karbonet oksidert av<br />
glyserolfosfat dehydrogenase, som <strong>bruker</strong> NAD + som koenzym. Resultatet er dihydroksyacetonfosfat,<br />
som glir rett inn i glykolysen, og NADH som jo har verdi i seg selv. De frie<br />
fettsyrene blir aktivert med CoA av enzymet tiokinase (det finnes flere tiokinaser, spesialisert<br />
mht til fettsyrenes lengder), her eksemplifisert med palmitinsyre:<br />
palmitinsyre<br />
palmityl-CoA<br />
– 91 –<br />
ATP<br />
C<br />
O<br />
+<br />
OH<br />
H 2O<br />
AMP + PPi O<br />
C<br />
S CoA<br />
HS CoA<br />
Pi + Pi Palmityl-CoA er ei aktivert fettsyre, dvs. et eksempel på acyl-CoA. «Acyl» betegner ei<br />
gruppe på den generelle formen CH3(CH2)nCO–. Den enkleste formen er CH3CO–, altså<br />
n=0, den husker vi heter acetyl; n=14 gir altså palmityl, n=16 stearyl, og n=12 myristyl (husk<br />
at antallet karbon er n+2). Syntesen av acyl-CoA er svært endergonisk. Den må derfor<br />
koples til kløyving av to energirike fosfoesterbindinger. Spaltinga av ATP til AMP og<br />
pyrofosfat, PPi, følges nemlig av den fosfatase-katalyserte spaltinga av PPi til to Pi. Alle<br />
disse prosessene foregår i cytosol. Videre oksidering av fettsyrene skjer i mitokondriet.<br />
Transporten dit er heller komplisert: CoA byttes ut med med en «passerseddel», carnitin,<br />
(CH3)3N ⊕CH2CH(OH)CH2COOH,<br />
som via hydroksylgruppa henges på fettsyrenes karboksylgruppe. Men når fettsyrene er vel<br />
inne i mitokondriet er CoA på plass igjen, og nå underkastes acyl-CoA en serie reaksjoner<br />
som ligner mye på det som vederfares substratene i krebs: de tre første reaksjonene er helt<br />
analoge med sekvensen ravsyre → røyksyre →eplesyre →oksaleddiksyre. Det hele kalles βoksidasjon<br />
– gresken indikerer at oksidasjonen skjer to karbonatomer (α, β, γ, δ etc) unna<br />
karboksylsyregruppa. Vi <strong>bruker</strong> igjen palmitinsyre som eksempel: se figuren på neste side.
aerob energimetabolisme<br />
Den siste spaltinga kalles tiolyse, det er svovel som spalter, <strong>ikke</strong> vann som i hydrolyse.<br />
Resultatet av anstrengelsene er klart nok. Vi har fått acetyl-CoA (som kan gå rett inn i krebs),<br />
FADH2 og NADH (som vi om litt skal se er godt som gull), og vi har fortsatt acyl-CoA – riktignok<br />
to karbon kortere (myristyl-CoA), men fortsatt aktivert, og det betyr at vi <strong>ikke</strong> trenger<br />
å investere flere ATP for å kjøre β-oksidasjonen en ny runde. Palmityl-CoA, som består av<br />
16 karbonatomer, vil i sju oksidasjonsrunder brytes ned til åtte acetyl-CoA; totaloksidasjonen,<br />
inkludert aktiveringa, kan uttrykkes slik:<br />
CH3(CH2)COOH + ATP + 8 CoA + 7 FAD + 7 NAD + + 7 H2O<br />
↓<br />
8 CH3CO-CoA + AMP + 2 Pi + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H +<br />
Umettede fettsyrer trenger i noen tilfeller spesialbehandling, det samme gjør de forholdsvis<br />
sjeldne syrene med oddetall antall karbon; de ender etter den siste tiolysen opp som<br />
propionyl-CoA (CH3CH2CO-CoA).<br />
palmityl-CoA FAD<br />
FADH 2<br />
H 2 O<br />
NAD +<br />
NADH + H +<br />
HS<br />
CoA<br />
– 92 –<br />
OH<br />
O<br />
C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
O<br />
S CoA<br />
O<br />
S CoA<br />
O<br />
S CoA<br />
O<br />
S CoA<br />
O<br />
O<br />
C<br />
S<br />
+ H3C CoA<br />
C<br />
S CoA<br />
myristyl-CoA acetyl-CoA
aerob energimetabolisme<br />
7.3 ELEKTRONTRANSPORT OG OKSIDATIV FOSFORYLERING<br />
Etter glykolysen og Krebs-syklus sitter vi igjen med 4 molekyler ATP fra ett glukosemolekyl.<br />
Glukose inneholder 670 kcal/mol, mens ATP står i 7.3; altså har vi utvunnet 29.2 av de<br />
potensielle 670 kilokaloriene – dvs. mindre enn 5%! Men vi har mer i reserve – mye mer! I<br />
forbindelse med det fermentative stoffskiftet snakket vi om at redusert koenzym, NADH,<br />
måtte regenereres for at glykolysen <strong>ikke</strong> skulle gå i stå. Det måtte finnes villige elektronakseptorer.<br />
Dette resonnementet gjelder i enda større grad når krebs-syklus har spyttet ut<br />
alle sine reduserte kofaktorer i mitokondriene. Vi har sett at i forbindelse med fermentering<br />
fungerer pyrodruesyre som elektronakseptor, som oksidasjonsmiddel, for NADH. I det<br />
aerobe energistoffskiftet avhendes elektronene til oksygen.<br />
Reoksidering av kofaktorene gjennom overføring av elektroner til O2, kalles – <strong>ikke</strong> så<br />
originalt, heldigvis – for elektrontransport. Denne prosessen er vevd sammen med ATPdannelsen<br />
i mitokondriene – som kalles oksidativ fosforylering. Som sagt, disse prosessene<br />
henger intimt sammen med hverandre – og forsåvidt med Krebs-syklus, men her får vi nesten<br />
ta dem etter tur…<br />
7.3.1 ELEKTRONTRANSPORTKJEDEN<br />
Dersom elektroner og protoner ble levert fra de reduserte kofaktorene og direkte til O2 i ett<br />
eneste jafs, ville det bli frigitt mye energi. Prosessen er altså sterkt eksergonisk, –52 kcal for<br />
NADH og nesten like mye, –43 kcal pr. mol, for FADH2. Men, som vi har sett under glykolysen,<br />
naturen forsøker å rasjonalisere med ressursene. Elektronene i de reduserte kofaktorene<br />
leveres derfor <strong>ikke</strong> direkte til molekylært oksygen, men til en kjede av elektronbærere.<br />
NADH og FADH2 er begge rike på reduksjonskraft. Denne parameteren måles<br />
kvantitativt som reduksjonspotensial (som er direkte relatert til ∆G), og for<br />
hvert medlem i kjeden har man bestemt den nøyaktige verdien. Vår framstilling<br />
holder seg unna disse blånøye tallene.<br />
I denne kjeden, elektrontransportkjeden (det greieste begrepet, men den omtales ofte som<br />
respirasjonskjeden eller mer svulstig «den respiratoriske elektrontransportkjede»), er reduksjonspotensialet<br />
slik mellom hvert påfølgende ledd at elektronene vandrer kontrollert ned en<br />
«stige» der de stegvis gir fra seg energi. For elektronene som kommer fra NADH er tre av<br />
disse energistegene så store at de kan brukes til å danne ATP. FADH2-elektronene gir bare<br />
opphav til to ATP. ATP-dannelsen er, som vi skal se, likevel bare indirekte koplet til disse<br />
frigjøringene av energi.<br />
Elektrontransportkjeden er lokalisert til den indre av de to mitokondriemembranene. De<br />
aller fleste av elektronbærerne er proteiner med prostetiske grupper som oscillerer mellom<br />
redusert og oksidert tilstand. For enkelthets skyld, men også fordi det sannsynligvis er slik de<br />
fysisk opptrer i membranen, grupperes noen av disse bærerne sammen i komplekser. Man<br />
opererer med kompleks I, II, III og IV. Disse kompleksene ser ut til å være forholdsvis<br />
stasjonære; de flytter seg lite i membranen, hverken i inn/ut-dimensjonen eller horisontalt. I<br />
tillegg til kompleksene finnes et par mobile elektronbærere, koenzym Q (Q) og cytokrom c,<br />
som flytter elektroner mellom kompleksene. Et forsøk på å anskueliggjøre sammenhengen<br />
– 93 –
aerob energimetabolisme<br />
mellom disse elektronbærerne kunne fortone seg omtrent slik (elektronstrømmen går fra<br />
venstre mot høyre):<br />
NADH H +<br />
+ NAD +<br />
FADH 2<br />
I<br />
II<br />
FAD<br />
Q<br />
cyt<br />
III IV<br />
c<br />
– 94 –<br />
O2 H +<br />
1/2 + 2<br />
NADH er den første elektrondonoren. Å gjenvinne oksidert kofaktor, NAD +, for at reaksjonene<br />
i glykolyse og krebs skal kunne fortsette å gå, er jo halve vitsen med dette styret.<br />
Elektronakseptoren i denne første reaksjonen er kompleks I, som også lyder det litt fyldigere<br />
navnet NADH-ubiquinon reduktase – et navn som viser til hele kompleksreaksjonen fra<br />
NADH til Q. Kompleksene er som sagt ei forenkling; de består av mange proteiner/enzymer.<br />
Navnet forteller hvor elektronene hentes (NADH) og hvor de leveres (ubiquinon).<br />
H 3C<br />
H 3C<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
H<br />
O<br />
P<br />
O<br />
CH 2<br />
C<br />
C<br />
C<br />
CH 2<br />
N<br />
N<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
N O<br />
NH<br />
HO<br />
O<br />
FMN i oksidert (t.v.) og redusert form<br />
H<br />
H<br />
H<br />
O<br />
P<br />
O<br />
CH 2<br />
C<br />
C<br />
C<br />
CH 2<br />
N<br />
N<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
H 2O<br />
N O<br />
Tidligere brukte en det <strong>ikke</strong> fullt så deskriptive navnet NADH dehydrogenase, som altså bare<br />
forteller om den første delreaksjonen: at elektronene plukkes fra NADH som dehydrogeneres<br />
(oksideres) og det dannes NAD +. Den aktive gruppa, selve elektronoverføreren, i kompleks I<br />
er flavin mononukleotid (FMN), som ligner svært på FAD (i FAD inngår adenin og ribose<br />
koplet til fosfatgruppa). Riboflavin inngår i begge og vekslinga mellom redusert og oksidert<br />
flavin er helt lik. Vi ser av FMN-strukturene at det <strong>ikke</strong> bare er elektroner som overføres –<br />
også protoner er på vandring, men det er viktig å ha klart for seg at <strong>ikke</strong> alle stegene i<br />
H 3C<br />
H 3C<br />
H<br />
H<br />
O<br />
NH
aerob energimetabolisme<br />
transportkjeden involverer protonforflytninger. FMN mottar to elektroner pluss ett proton fra<br />
NADH og fyller på med ytterligere ett proton fra matriks. Redusert FMN (FMNH2) reoksideres<br />
ved at de to protonene sendes ut til intermembranrommet (de forlater altså kjeden<br />
allerede her; detaljene om hvordan dette skjer er høyst usikre, og støkiometrien er heller <strong>ikke</strong><br />
helt s<strong>ikke</strong>r – det flyttes kanskje mer enn to protoner for hver NADH-oksidasjon!) mens elektronene<br />
sendes ett og ett til et FeS-senter i kompleks I. All elektrontransport etter FMN<br />
foregår forresten med enkeltelektroner. FeS-senteret (jfr «boksen» om cytokromer) skal vi<br />
<strong>ikke</strong> dvele for mye ved, vi kan nøye oss med å oppfatte det som leddet som girer om fra toelektron-<br />
til én-elektron-transport. Fra FeS-senteret går elektronene videre til koenzym Q<br />
som i oksidert form kalles ubiquinon (on-ending fordi det er et keton). To elektroner pr.<br />
molekyl, sammen med to protoner som hentes fra matriks, reduserer koenzymet til<br />
ubiquinol-forma (ol for alkohol). Koenzym Q mottar (og sender fra seg) elektronene ett og<br />
ett, selv om det skal to elektroner til for å fullføre reaksjonen.<br />
H 3CO<br />
HO<br />
OCH 3<br />
H 2C CH 3<br />
H3C CH<br />
C x10<br />
CH 2<br />
H<br />
redusert koenzym Q<br />
(ubiquinol)<br />
OH<br />
– 95 –<br />
H 3C<br />
H 3CO<br />
O<br />
H 2C<br />
CH<br />
C x10<br />
CH 2<br />
H<br />
OCH 3<br />
CH 3<br />
oksidert koenzym Q<br />
(ubiquinon)<br />
Før vi følger elektronene videre fra koenzym Q, må vi gå tilbake et lite steg for å få med oss<br />
kompleks II. I forbindelse med krebs sa vi at oksidasjonen ravsyre → røyksyre reduserte<br />
FAD til FADH2, og betraktet kofaktoren isolert – på linje med NAD. Det er forsåvidt greit<br />
nok, men vi kan like gjerne si at hele denne reaksjonen katalyseres av kompleks II, også kalt<br />
ravsyre-ubiquinon reduktase. Komplekset ligger altså trygt forankret i innermembranen,<br />
har FAD som ei prostetisk gruppe, og benevnes ofte ravsyre dehydrogenase etter den første<br />
delreaksjonen: oksidasjonen av ravsyre (jfr. NADH dehydrogenase ovenfor). Men akkurat<br />
som tilfellet var med kompleks I, ender elektronene fra kompleks II opp hos ubiquinon.<br />
FADH2 leverer til et FeS-senter (også her) som befordrer elektronene videre til ubiquinon.<br />
Kompleks II flytter <strong>ikke</strong> protoner gjennom membranen. Energiutbyttet ved oksidasjon av<br />
ravsyre er simpelthen for lite til det. Vi kan heller tenke oss – for «oversiktens» skyld<br />
ettersom det er ei forenkling – at protonene i FADH2 sendes til ubiquinon, som ellers henter<br />
dem fra matriks (resultat blir i alle fall det samme).<br />
O
aerob energimetabolisme<br />
FAD er koenzym i et par andre enzymkomplekser som vi har nevnt tidligere:<br />
pyrodruesyre dehydrogenase og α-keto-glutarsyre dehydrogenase. I<br />
disse tilfellene gis elektronene videre fra FADH2 til matriks-løst<br />
NAD +, i stedet for til ubiquinon. FAD skiller seg fra NAD + ved at det<br />
er tett bundet til det enzymet det jobber sammen med. Vi bør vel kalle<br />
det ei prostetisk gruppe, mens NAD + kan betraktes som et ko-substrat.<br />
Koenzym Q mottar elektroner fra kompleks I og II og donerer dem til kompleks III.<br />
(Koenzym Q deltar dessuten i mange andre av mitokondriets reaksjoner). Koenzymet er altså<br />
en «selvstendig» enhet, <strong>ikke</strong> bundet til noen proteiner, som takket være sin lipofile karakter<br />
beveger seg temmelig uhindret i membranen. Framfor alt dupper det opp og ned i membranen,<br />
mellom innsida og utsida. Reduksjonen av ubiquinon, mottak av elektroner fra<br />
kompleks I eller II og protoner fra matriks, skjer på matrikssida av membranen. Ubiquinol<br />
vandrer så til membranens cytosolside og oksideres tilbake til ubiquinon ved at de to protonene<br />
dyttes ut i intermembranrommet mens elektronene avgis (ett om gangen) til kompleks III.<br />
Ubiquinon beveger seg deretter tilbake til matrikssida. På samme måte som for de tidligere<br />
kompleks-kollegane avslører det fulle navnet, ubiquinol-cytokrom c reduktase, hva som er<br />
hhv. elektron-donor og -akseptor i hver «ende» av kompleks III. Inkludert i kompleks III<br />
finner vi igjen et FeS-senter, som tar imot elektronene fra ubiquinol, to typer cytokrom b, som<br />
utfører en komplisert syklisk reaksjon uten betydning for oss, og cytokrom c1, som sender<br />
elektronene videre fra kompleks III til sin nære slektning cytokrom c.<br />
Cytokrom c er et lite protein som flyter forholdsvis fritt omkring i innermembranens<br />
cytosolside. Det gir elektronene videre til kompleks IV, alias cytokrom c oksidase, det siste<br />
egentlige medlemmet i denne lange kjeden. Komplekset består av to cytokromer, a og a3 og<br />
er et protein som pumper protoner gjennom membranen fra matriks. Mekanismen bak denne<br />
pumpefunksjonen er dårlig forstått, men det flyttes omtrent ett proton pr. elektron, altså to<br />
protoner for hver NADH (eller FADH2) som initierer elektrontransporten.<br />
Elektronene ender til slutt opp i molekylært oksygen: To elektroner og to protoner (fra<br />
matriks) reduserer «et halvt» molekyl O2 til H2O. Ei mer balansert ligning, med «hele»<br />
molekyler og elementærpartikler:<br />
O2 + 4 H + + 4 e – → 2 H2O<br />
Kompleks IV <strong>bruker</strong> altså H + til to atskilte prosesser: (1) to protoner (pr. NADH) skysses ut<br />
av mitokondriet pr. NADH, og (2) to protoner (pr. NADH) bindes til O2.<br />
Begge disse prosessene bidrar til å bygge opp en protongradient over innermembranen:<br />
Det er mer protoner på cytosolsida enn inne i matriks; intermembranrommet er surere enn<br />
matriks. For hver NADH som gir sine to «løse» elektroner til kompleks I pumpes det 6<br />
protoner ut av matriks: to av kompleks I, to av koenzym Q og to av kompleks IV. For hvert<br />
molekyl FADH2 (eller ravsyre om man vil) er det tilsvarende tallet 4 protoner; kompleks II<br />
pumper jo ingen.<br />
Regnestykket er <strong>ikke</strong> fullt så enkelt, men de seks (eller fire) protonene er en nyttig<br />
tommelfingerstøkiometri å ta med seg inn i diskusjonen av den oksidative fosforylering.<br />
Sannsynligvis er det slik at kompleks I flytter mer enn to protoner, mens koenzym Q pumper<br />
noe mindre enn to (pga. et innviklet samarbeid med kompleks III som vi har forbigått i<br />
– 96 –
aerob energimetabolisme<br />
stillhet). Dessuten styrkes altså gradienten av at kompleks IV henter protoner fra matriks for<br />
å redusere O2.<br />
Cytokromer – av cyto (celle) og chromo (farge) – er proteiner som inneholder<br />
hem som prostetisk gruppe. Det finnes tre typer cytokromer, a, b og c (det er<br />
vanlig å kursivere betegnelsene), der hemgruppas struktur varierer litt mellom<br />
typene (variasjonen inkluderer bindinga mellom hem og apoproteinet).<br />
Dessuten skiller en ut noen «undertyper», f.eks. c1 og a3. Inndelinga skjer på<br />
grunnlag av absorpsjonsspektra, stoffenes evne til å fange inn lys av ulike<br />
bølgelengder. Forskjellene er særlig lette å måle i det gule og oransje<br />
området av spekteret; f.eks. har cytokrom a sterk absorpsjon ved 600 nm,<br />
mens cytokrom b har en tilsvarende «topp» ved 560 og cytokrom c ved 555<br />
nm. Slike spektrale egenskaper benyttes også til å klassifisere andre naturlige<br />
forbindelser, f.eks. pigmenter som klorofyller og karotenoider (8.2).<br />
H 3C<br />
CH 3<br />
CH<br />
N N<br />
– 97 –<br />
CH 3<br />
CH<br />
Fe<br />
N N<br />
H3C CH3 CH2 CH2 CH 2<br />
S<br />
cys<br />
CH2 CH2 COOH COOH<br />
cys<br />
CH 2<br />
S<br />
CH 3<br />
hemgruppa i cytokrom c<br />
Cytokromenes elektrontransporterende egenskaper henger sammen med jernatomets<br />
veksling mellom to oksidasjonsnivåer: redusert (Fe 2+) og oksidert<br />
(Fe 3+). I oksidert tilstand kan de ta opp ett elektron (de betyr at for hvert<br />
NADH – som leverer to elektroner – må to cytokrom-molekyler involveres i<br />
hvert senere ledd). Dette elektronet sk<strong>ikke</strong>s videre til neste elektronbærer<br />
samtidig som Fe 2+ reoksideres til Fe 3 og klargjøres til ny innsats.<br />
Også flere av de andre elektronbærere <strong>bruker</strong> jern som redoks-aktiv bestanddel.<br />
Disse proteinene har såkalte FeS-sentre, elektronbærende strukturer bygd<br />
opp rundt jern og svovel, og finnes i både kompleks I, II og III.<br />
I kompleks IV inngår også kopper i tillegg til jern. Pendlinga mellom Cu + og<br />
Cu 2+ bidrar til redoks-egenskapene til cytokrom a og a3.
7.3.2 OKSIDATIV FOSFORYLERING<br />
aerob energimetabolisme<br />
Det var lenge ei gåte (og det er det nok til en viss grad ennå) hvordan de suksessive reduksjonene<br />
og oksidasjonene av proteinkomponentene i mitokondiemembranen kunne være koplet<br />
til dannelsen av ATP – dvs. til en dehydreringsreaksjon mellom ADP og Pi. Det ble ei stund<br />
lett etter reaksjoner, lokalisert til de stegene i elektrontransportkjeden som man visste var forbundet<br />
med ATP-dannelse, som lignet på de substratfosforyleringer vi kjenner fra glykolysen.<br />
En lokkende modell var glykolysereaksjonen fra 3-fosfoglyseraldehyd til 3-fosfoglysersyre,<br />
via den svært energirike mellomforbindelsen 1,3-difosfoglysersyre – en reaksjon som produserer<br />
ATP. Men noen slik direkte forbindelse mellom elektrontransporten og ATP-syntesen<br />
ble aldri funnet. Det store gjennombruddet kom med den såkalte kjemiosmose-teorien. Denne<br />
teorien forklarer at det arbeidet som blir utført ved hjelp av den energien som frigjøres i<br />
elektrontransportkjeden er forflytting av protoner ut av matriks, som fortalt i 7.3.1. Energien<br />
konserveres i en elektrokjemisk gradient mellom innermembranens ut- og innside. Gradienten<br />
kan beskrives som ei «proton-bevegelig kraft» (proton motive force), den gjør at protoner<br />
beveger seg tilbake til matriks. Og det er denne tilbakeføringa av H + – fra intermembranrommet,<br />
gjennom innermembranen, til matriks – som er drivkrafta i ATP-syntesen.<br />
ATP dannes fra ADP og uorganisk fosfat, Pi, i F0F1-kompleksene (kalles også kompleks<br />
V), som <strong>ikke</strong> bidrar til H +-gradienten men for<strong>bruker</strong> den. F0 ligger inne i innermembranen og<br />
transporterer H + inn i matriks. Ved enden av F0 sitter F1 som små knopper på membranens<br />
matriksside. F1 er selve det ATP-syntetiserende enzymet (eller snarere: enzymkomplekset) –<br />
en ATPase. ATPaser er i flere andre cellulære sammenhenger enzymer som spalter ATP.<br />
Men alle kjemiske reaksjoner har en likevektskonstant og er i prinsippet reversible, også den<br />
sterkt endergoniske ATP-hydrolysen. Protonstrømmen gjennom F0 tilfører energien som skal<br />
til for å kjøre ATPase-reaksjonen i revers: kondensasjonen mellom ADP og Pi. Dersom protongradienten<br />
fjernes vil ATPasen spalte ATP. Det skjer med isolerte F1-enheter in vitro.<br />
Likevekta for reaksjonen ATP + H2O → ADP + Pi er godt forskjøvet mot høyre; det er jo<br />
nettopp derfor ATP er så gjev en sak for cella. Begrepet oksidativ fosforylering kopler fosforylering<br />
av ADP med det som skjer i elektrontransporten, oksidering av NADH og til slutt<br />
forbruk av oksygen.<br />
F-ene i F0F1 står for «coupling factors» og henspiller på koplinga av mitokondriets<br />
oksidative prosesser til fosforyleringa av ADP. Den første F-en gis som<br />
regel en «null» som indeks. Det skyldes nok «smitte» fra ettallet i F1. For<br />
historisk sett er indeksen en «o» for oligomycin, en antibiotisk forbindelse<br />
som binder seg til kanalen og hindrer protontransport og dermed ATP-dannelse.<br />
Både F0 og F1 er svært komplekse proteiner som består av mange subenheter. I<br />
bakterier er F0-kanalen en sylinder av 10-12 stavformete enheter (benevnt c)<br />
som holdes inntil hverandre av et par andre proteiner (a og b). F1 er en rosettformet<br />
heksamer (bestående av tre α- og tre β-enheter) som bindes til F0<br />
med ytterligere tre proteiner (γ, δ og ε). Til sammen altså mer enn 20 subenheter!<br />
F0F1-kompleksene i eukaryote cellers mitokondrier ligner svært på<br />
bakterienes, men i alle fall F0-delen ser ut til å være enda mer sammensatt…<br />
– 98 –
aerob energimetabolisme<br />
Det er <strong>ikke</strong> riktig klart (og enda mindre enkelt å forklare) hvordan denne «proton motive<br />
force» kan overføres til energi i form av kjemiske bindinger, men dette er et av mest aktive<br />
forskningsfelt innen dagens biokjemi. Det kan virke som om protonstrømmen rent fysisk<br />
tvinger sammen ADP og Pi, som hver for seg er sterkt bundet til F1, slik at de kan koples til<br />
hverandre i det aktive setet. Det er forresten flere aktive seter på hver F1. For hver ATP som<br />
dannes må to protoner passere gjennom F0F1-komplekset. Tallet er, som alle disse gradientrelaterte<br />
forholdene, omtrentlig. Men målinger i mange typer celler viser at det holder seg<br />
temmelig konstant.<br />
Teoretisk består protongradienten av to elementer: et elektrisk (elektrostatisk) potensial<br />
pga forskjellen i ladning mellom de to sidene av membranen, og et kjemisk potensial som<br />
følge av ulik proton-konsentrasjon, dvs. pH-forskjellen. Ei forenklet ligning for «the proton<br />
motive force», ∆p (som igjen er ei forenkling av ∆G):<br />
∆p = ∆ψ + k . ∆pH<br />
der ∆ψ er det elektriske membranpotensialet og k er en konstant som for «normale» forhold<br />
er ca. 0.06V. I mitokondrier er pH-forskjellen mellom ut- og innside nesten alltid mindre enn<br />
1, noe som gir k∆pH < 0.06V. Typiske verdier for ∆p ligger rundt 0.2V. Det betyr at det<br />
største bidraget til ∆p kommer fra det elektriske membranpotensialet (gjerne ca. 80%) og <strong>ikke</strong><br />
fra pH-forskjellen.<br />
ATP produseres i matriks, mens det meste av energibehovet som skal dekkes av ATP<br />
skriver seg fra reaksjoner i helt andre deler av cella. ATP må følgelig transporteres ut av<br />
mitokondriet. Samtidig må ADP flyttes inn for å holde nukleotid-konsentrasjonen i balanse.<br />
Disse to transportoppgavene løses «antiportisk» av adeninnukleotid translokase, som<br />
sender ut én ATP for hver ADP som hentes inn i matriks. ATP har ei netto minusladning mer<br />
enn ADP (hhv ATP4- og ADP3–). Det betyr at denne transporten tærer på ladningselementet<br />
av protongradienten – det flyttes «minuser» ut. Eller med andre ord: Protongradienten driver<br />
også transporten av ATP ut av mitokondriet.<br />
Pi transporteres inn i mitokondriet (til erstatning for det som bindes til ADP og fjernes som<br />
ATP) i en symportmekanisme med H +. Pi har ei enkelt minusladning, så denne transportsystemet<br />
er elektrisk sett i likevekt, men det <strong>bruker</strong> av konsentrasjonselementet av protongradienten.<br />
Begge disse transportsystemene (ATP/ADP og Pi/H +) er altså med på å jevne ut<br />
protongradienten – de er med andre ord energikrevende.<br />
Kjemiosmoseteorien ble lansert i 1961 av den britiske biokjemikeren Peter D<br />
Mitchell (1920–92). Den ga han kjemi-nobelprisen i 1978. Mitchell har<br />
foreslått begrepene «protisitet» og «protonisk potensial» (som analogier til<br />
elektrisitet og elektrisk potensial) for å understreke likheten mellom en elektrisk<br />
krets og protonenes runddans i og omkring mitokondriemembranen,<br />
men kollegaer og lærebokforfattere har <strong>ikke</strong> fulgt opp ordbruken… Termen<br />
«kjemiosmose» er vel <strong>ikke</strong> helt relevant når vi har sett at det meste av<br />
energien i gradienten kan tilskrives «elektrokjemi». Mitchell var selv klar<br />
over dette, men han mente at et navn som «elektrokjemiosmoseteorien» var<br />
verre å få tak på enn selve hypotesen!<br />
– 99 –
7.3.3 ENERGI-REGNSKAP<br />
aerob energimetabolisme<br />
Innermembranen er <strong>ikke</strong> permeabel for NADH, og det finnes heller <strong>ikke</strong> noe transportsystem<br />
for dette stoffet. Men elektronene i denne reduserte kofaktoren kan likevel leveres til<br />
elektrontransportkjeden; på en av i alle fall to mulige måter. I hjerte-, nyre- og leverceller har<br />
mitokondriene et eget transportapparat for å flytte elektroner fra NADH inn i matriks. Denne<br />
elektronferga, NAD transhydrogenase, napper de løse elektronene fra NADH (danner NAD +)<br />
på utsida av membranen og overfører dem til NAD + (danner NADH) på innsida. Det «nye»<br />
NADH-molekylet i matriks kan nå interagere med kompleks I på vanlig vis (og besørge<br />
forflytting av seks H +).<br />
Andre celler (f.eks. i muskel og hjerne) har et annet, mindre effektivt, overføringssystem<br />
for elektronene i NADH dannet i cytosol. Elektronene taper så mye energi under transporten<br />
gjennom membranen at de <strong>ikke</strong> lenger kan plukkes opp av NAD +. De går direkte til<br />
koenzym Q og det pumpes derfor bare fire H + for hver cytosolisk NADH i disse cellene;<br />
utbyttet er altså likt med det som kommer fra kompleks II/FADH2-elektronene. De to<br />
NADHene fra glykolysen bidrar derfor bare med to ATP hver i muskel- og hjerneceller, mens<br />
de gir samme utbytte som «krebs-NADHer», tre ATP hver, i hjerte, lever og nyrer.<br />
Tabularisk kan vi nå sette opp utbyttet av NADH, FADH2 og ATP for ett molekyl glukose<br />
slik:<br />
fra glykolyse fra acetyl-CoA fra krebs tot. fra glukose<br />
NADH (2) 2 6 8<br />
↓<br />
FADH2 2 2 4<br />
ATP 2 2 4<br />
Ut fra det som nettopp ble sagt om cytosolisk NADH, skjønner vi at denne tabellen gjelder<br />
for muskelceller (for hjerteceller kan vi regne 10 NADH og 2 FADH2). Vår<br />
tommelfingerregel sier at energien i ett molekyl NADH pumper 6 protoner, mens FADH2<br />
hjelper 4 protoner ut av matriks. Videre vet vi at det trengs 2 protoner til å danne ett molekyl<br />
ATP. Det gir oss:<br />
8 NADH ⇒ 48 H + ⇒ 24 ATP<br />
4 FADH2 ⇒ 16 H + ⇒ 8 ATP<br />
32 ATP fra de reduserte koenzymene pluss 4 dannet direkte, gir til sammen 36 ATP fra hvert<br />
glukosemolekyl som forbrennes fullstendig. Vi har her «glemt» at protongradienten også<br />
brukes til transportoppgaver (ATP, ADP, Pi, og andre som vi <strong>ikke</strong> har nevnt, bl.a. Ca 2+).<br />
Men mange målinger viser at denne verdien kan være ganske realistisk. Transportomkostningene<br />
er <strong>ikke</strong> så store, eller kanskje er protonpumpene (kompleks I, Q etc) mer effektive<br />
enn man har regnet med?<br />
Energien i ATP, dvs. i den ytterste fosfoesterbindinga, er 7.3 kcal pr. mol. 36 ATP svarer<br />
dermed til 263 kcal, og det er faktisk så mye som 39% av de 670 kcal som fantes i ett mol<br />
glukose. Svært få industrielle prosesser kan oppvise en tilsvarende effektivitet.<br />
– 100 –
8: FOTOSYNTESE<br />
Det er vel ingen overdrivelse å påstå at livet på jorda i siste instans avhenger av fotosyntesen,<br />
prosessen som omdanner strålingsenergien i sollysets fotoner til elektrisk energi og videre til<br />
kjemisk energi. Fotosyntetiserende organismer <strong>bruker</strong> lysenergien til å bygge opp organiske<br />
forbindelser som <strong>ikke</strong> kan produseres uten tilførsel av energi. Energien lagret i disse forbindelsene<br />
kan senere brukes av planten til å drive ulike prosesser i cellene, eller den kan<br />
nyttiggjøres av andre organismer – også slike som <strong>ikke</strong> sysler med fotosyntese. Den<br />
generelle og forenklede fotosyntese-ligninga<br />
6 CO2 + 6 H2O + lysenergi → C6H12O6 + 6 O2<br />
rommer mange delreaksjoner, og er sterkt endergonisk (∆G = 670 kcal/mol). Vi deler gjerne<br />
fotosyntesen inn i to hoveddeler: lysreaksjonen og mørkereaksjonen. Lysreaksjonen er<br />
som navnet indikerer lysavhengig og den er i det alt vesentlige <strong>ikke</strong>-enzymatisk (selv om vi<br />
skal se at lysreaksjonens elektrontransport involverer enzymlignende proteiner).<br />
Mørkereaksjonen er <strong>ikke</strong> lysavhengig og den skjer enzymatisk. De to delprosessene kan<br />
forsåvidt betraktes som uavhengige av hverandre, og vi skal behandle dem etter tur. Men<br />
først skal vi se litt på organellen som huser disse prosessene.<br />
8.1 KLOROPLASTEN<br />
Fotosyntesen i grønne planter finner sted i kloroplastene. Her fanges lysfotonene inn av<br />
spesialiserte pigmenter, og i kloroplastenes indre membransystemer ligger apparatet for<br />
energiomdanninga.<br />
Kloroplasten er en plastid – en fellesbetegnelse for flere planteorganeller med dobbelmembran.<br />
I tillegg til kloroplastene finner vi amyloplaster, de såkalte «stivelsekorn», som<br />
lagrer stivelse og som særlig finnes i plantedeler som <strong>ikke</strong> driver fotosyntese, leukoplaster,<br />
som styrer med fettmetabolisme og -lagring, kromoplaster, som inneholder pigmenter som<br />
gir farge til blomster og frukter, og etioplaster, som må betraktes som forstadier for aktive<br />
kloroplaster i plantedeler som <strong>ikke</strong> er lyseksponert; de inneholder protoklorofyll og utvikler<br />
seg til klorofyllholdige kloroplaster når de belyses. Alle disse plastidene – inkludert kloroplastene<br />
– utvikler seg fra proplastider i unge, udifferensierte planteceller.<br />
Antall kloroplaster kan variere mye fra celletype til celletype, men de finnes i alle<br />
eukaryote fototrofe organismer. Vanlige tall er 20-50 stykker pr. celle, men enkelte<br />
algeceller kan inneholde så lite som én kloroplast. Kloroplastene er ofte skive- eller<br />
linseformede, og betydelig større enn mitokondriene (opptil 50 ganger større volum) – gjerne<br />
5-10 µm lange og 2-4 µm tykke.<br />
Rommet innenfor den doble membranen kalles stroma, og her skjer mørkereaksjonen.<br />
Stroma fylles i stor grad opp av et system av foldete membraner – thylakoidmembraner.<br />
Thylakoidmembranene deler kloroplastens indre i to: stroma og thylakoidlumen. I eller<br />
«over» (det er delvis snakk om transport og gradienter) disse membranene foregår lysreaksjonen.<br />
Thylakoidmembraner som ligger «utstrakt» i stroma, kalles gjerne stroma-thylakoider<br />
eller lameller, for å skille dem fra grana-thylakoider. Grana (entall: granum) er<br />
kompakte stabler av thylakoider – gjerne et dusin eller flere skiver, plassert tett i tett på hver-<br />
– 101 – ©Arild Ernstsen 1994-2003
fotosyntese<br />
andre. Grana er forbundet med stroma-thylakoider, slik at thylakoidlumen danner et kontinuerlig<br />
hele. Det er <strong>ikke</strong> riktig klart hvordan thylakiodsystemet forholder seg til den indre av<br />
de to ytterste membranene, men trulig henger de sammen.<br />
Vi bør med én gang legge merke til noen anatomiske og funksjonelle paralleller mellom<br />
mitokondriet og kloroplasten:<br />
1. matriks i mitokondriet svarer til kloroplastens stroma<br />
2. mitokondriets innermembranen svarer til thylokoidmembranen<br />
3. intermembranrommet i mitokondriet er analogt med thylakoidlumen.<br />
Analogien understrekes av at thylakoidene, på samme måte som mitokondriets innermembran,<br />
er utstyrt med ATP-syntaser (CF0CF1-kompleks, tilsvarende F0F1-kompleksene i mitokondriene)<br />
med «hodet» vendt ut mot stroma. På samme måte som mitokondriene har også<br />
kloroplastene ribosomer og DNA av prokaryot type – med tilhørende endosymbiose-teori (jfr.<br />
7.1).<br />
Fotonene fanges og energien i dem sendes videre i to pigmentsystemer i thylakoidmembranenen<br />
som kalles fotosystem I (PSI) og fotosystem II (PSII). Begge systemene har såkalte<br />
antenner og reaksjonssenter.<br />
H 3C<br />
H3C H<br />
O<br />
H C CH2 N N<br />
N<br />
HH<br />
CH3O O<br />
Mg<br />
O<br />
klorofyll a<br />
N<br />
CH 3<br />
O<br />
– 102 –<br />
O<br />
CH i klorofyll b<br />
CH 2CH 3<br />
antennen<br />
Fotoninnfangingsapparatet består av 100-vis av molekyler av klorofyll a og klorofyll b samt<br />
diverse karotenoider. Disse pigmentene dekker ulike områder av lysspekteret. Til sammen<br />
absorberer de godt innenfor den blå og den røde delen (karotenoidene absorberer nesten bare<br />
blått lys), mens grønt lys slipper gjennom eller reflekteres.<br />
CH 3
fotosyntese<br />
reaksjonssenteret<br />
Reaksjonssenteret består av to molekyler klorofyll a med noen assosierte proteinmolekyler.<br />
På grunn av de kjemiske omgivelsene vil klorofyll a-molekylene i reaksjonssentrene i PSI og<br />
PSII ha maksimal absorbsjon av rødt lys ved litt ulike bølgelengder (hhv 700 og 680 nm).<br />
Sentrene kalles følgelig P700 (for PSI) og P680 (for PSII).<br />
8.2 LYSREAKSJONEN<br />
Den lysavhengige reaksjonen starter i PSII (alt skjer selvsagt i ytterst integrerte sammenhenger<br />
– men for «log<strong>ikke</strong>ns» skyld starter vi i PSII…). Etter foton-innfanging vil energien<br />
sluses til PSIIs senter der ett elektron i klorofyll a-molekylet vil eksiteres. I stedet for å<br />
ramle tilbake til si grunntilstand (som elektroner stort sett gjør) vil dette elektronet fanges opp<br />
av et elektrontransportsystem som ligner det vi finner i mitokondriets innermembran. Dette<br />
elektrontransportsystemet har to funksjoner: (1) å danne en protongradient à la den i mitokondriet<br />
– mye H + inne i thylakoidlumen og lite ute i stroma (denne gradienten brukes til<br />
ATP-syntese); (2) å danne NADPH (og H +) fra NADP +.<br />
NADP + er et koenzym som inngår i mange biokjemiske reaksjoner. Det ligner<br />
svært på NAD +: NADP + har tre fosfatgrupper – ei er koplet til karbon nr 2 på<br />
ett av ribosemolekylene (se 5.1.3) – mens NAD + nøyer seg med de to som<br />
danner bru mellom ribosemolekylene (karbon 5 til karbon 5). NADP + inngår<br />
i fotosyntesen, men er på ingen måte begrenset til kloroplaster eller planteceller.<br />
Generelt kan det sies at NADPH brukes mest til reduktive biosyntetiske<br />
formål, mens NADH brukes til å danne ATP.<br />
Resultatet av lysreaksjonen er altså NADPH og ATP – og begge skal brukes i mørkereaksjonen.<br />
Nå litt om elektrontransporten som leder til dette resultatet.<br />
P680 – det oksyderte reaksjonssenteret – vil umiddelbart erstatte elektronet, og gjør det<br />
ved å plukke et elektron fra vann (via et Mn-protein). For at vannet skal spaltes, må det<br />
frarøves to elektroner – to P680 må altså oksideres, eventuelt kan vi tenke oss at samme P680<br />
kjører to runder.<br />
H2O → 2 e – + 2 H + + 1/2 O2<br />
Vannet finnes i lumen. Etter spalting blir protonene værende der, og brukes til å bygge opp<br />
den omtalte gradienten, mens elektronene altså går til PSII, og oksygengassen diffunderer ut<br />
til beste for heterotrofe, aerobe organismer – og for de prosessene som også i planter finner<br />
sted i mitokondriene.<br />
Tilbake til det eksiterte elektronet i PSII: det «løftes» (i energimessig sammenheng nesten<br />
bokstavelig) til elektronakseptoren plastoquinon (PQ). (Her forenkler vi litt: den aller første<br />
elektronakseptoren bærer det feiende flotte navnet feofytin og er et lett modifisert klorofyll amolekyl,<br />
men elektronene langes raskt videre til det mer interessante PQ.) PQ ligner strukturelt<br />
forskrekkelig på mitokondriemembranens koenzym Q. Og på samme måte som Q transporterer<br />
PQ protoner over membranen. Vi forestiller oss at PQ er på stromasida når det mottar<br />
elektronet. Det plukker et proton fra stroma for å utligne ladninga og det mobile koenzymet<br />
vandrer så til lumensida der protonet frigjøres og elektonet leveres til et cytokrom og vi-<br />
– 103 –
fotosyntese<br />
dere til plastocyanin (PC). PC er et forholdsvis lite protein som har en viss mobilitet i<br />
lumensidas membranoverflate. Det gir elektronet videre til første og beste P700 det finner –<br />
reaksjonssenteret i PSI. Dette reaksjonssenteret må være oksidert; på samme måte som for<br />
PSII ved at lysenergi har eksitert et elektron som er tatt hand om av en elektronakseptor – i<br />
dette tilfellet heter den ferredoksin (FD), et lavmolekylært FeS-holdig protein som ligger på<br />
stromasida av membranen. Uten at det skjer noen protonpumping ender elektronet hos ferredoksin-NADP<br />
+ reduktase, et protein/enzym med FAD som prostetisk gruppe, som danner<br />
NADPH fra NADP +. To elektroner transporteres pr. NADP +-molekyl og nøytraliteten opprettholdes<br />
ved at ett proton fra stroma inngår i reduksjon. Dette bidrar til protongradienten<br />
over thylakoidmembranen.<br />
NADP + + H + + 2e – → NADPH<br />
H +-gradienten får sitt bidrag: det blir ett proton mindre i stroma. Elektronene i sluttreaksjonen<br />
besørges av jernmolekylet i FD:<br />
2FD(Fe2+) → 2FD(Fe3+) + 2e- Sett under ett vandrer det altså elektroner fra vann (i thylakoidlumen) via PSII, feofytin, PQ,<br />
cytokrom, PC, PSI, FD til NADP + (i stroma). Vannspalting, protonpumping og NADP +reduksjon<br />
skaper en H +-gradient som utnyttes av CF0CF1-komplekset til å danne ATP i<br />
stroma.<br />
Disse prosessene kalles <strong>ikke</strong>-syklisk fotofosforylering (navnet skriver seg fra ei tid da en<br />
<strong>ikke</strong> visste at elektrontransport og ADP-fosforylering var separate prosesser) og danner ATP<br />
og NADPH i omtrent like store mengder. Mørkereaksjonen krever imidlertid omtrent 50%<br />
mer ATP enn NADPH. Syklisk fotofosforylering er sannsynligvis utviklet for å justere dette<br />
misforholdet.<br />
I den sykliske prosessen deltar <strong>ikke</strong> PSII. Elektronene vandrer fra det eksiterte PSI til FD<br />
– som «vanlig». Men i stedet for å redusere FAD (i NADP-reduktase) tar elektronene nå en<br />
annen vei: til PQ, og derfra tilbake til PSI. Veien mellom FD og PQ er <strong>ikke</strong> helt klarlagt, men<br />
poenget er greit nok. PQ ferger H + inn i lumen og det kan dannes ATP uten at NADP + reduseres<br />
til NADPH.<br />
ATP-syntesen i CF0CF1-komplekset (CF for «chloroplast coupling factor») er helt analog<br />
med den som skjer i mitokondrienes F0F1-kompleks. CF0 er protonslusa, kanalen gjennom<br />
membranen fra thylakoidlumen til stroma, mens CF1 er selve ATP-syntasen, part<strong>ikke</strong>lstrukturen<br />
som st<strong>ikke</strong>r ut fra membranen på stromasida. ATP dannes altså i stroma – hendig, ettersom<br />
det er der den trengs i mørkereaksjonen. pH-skilnaden mellom stroma og lumen er<br />
betydelig større enn mellom matriks og intermembranrommet i mitokondriene. Verdier på<br />
hhv 8 og 5 (eller sågar ned mot 4) er normale, dvs ∆pH=3. Derfor er H +-konsentrasjonen<br />
viktigere enn ladninga for ∆p (jfr. 7.3.2) i kloroplastene, som altså skiller seg fra<br />
mitokondriene i så måte.<br />
Et ubalansert summasumarum for lysreaksjonen blir altså omtrent slik:<br />
lys + H2O + NADP + + ADP + Pi → O2 + NADPH + ATP<br />
– 104 –
8.3 MØRKEREAKSJONEN<br />
fotosyntese<br />
I den <strong>ikke</strong>-lysavhengige delen av fotosyntesen brukes den korttidslagrede kjemiske energien<br />
fra lysreaksjonen til å bygge energirike strukturer av mer bestandig karakter: karbohydrater.<br />
Ei ubalansert cirka-ligning:<br />
NADPH + ATP + CO2 → NADP + + ADP + Pi + (CH2O)<br />
Utgangspunktet for dette byggeprosjektet er karbondioksid – den fullstendig oksiderte, og<br />
derfor energifattigste, formen av karbon. Begrepet «mørkereaksjon» brukes gjerne<br />
synonymt med CO2-assimilasjon eller karbonfiksering. Disse siste begrepene viser nok<br />
mer til den aller første reaksjonen på den mørke sida av fotosyntesen: selve bindinga av CO2<br />
til et organisk molekyl.<br />
Melvin Calvin (1911–97) kaller reaksjonene beskjedent «the carbon cycle».<br />
Mange av reaksjonene og de deltakende forbindelsene i syklusen ble først beskrevet<br />
av Calvin rundt 1950. Han brukte et enkelt forsøksoppsett: Flytende<br />
kulturer av den encellete grønnalgen Chlorella, dyrket i nærvær av radioaktiv<br />
karbondioksid ( 14CO2), ble belyst i en nøyaktig målt, kort tidsperiode (fra<br />
millisekunder til noen få sekunder). Litt av kulturen ble så (også med nøyaktig<br />
tidsregistrering) dryppet ned i kokende alkohol for å stoppe alle enzymatiske<br />
reaksjoner. Celleinnholdet ble ekstrahert og analysert med to-dimensjonal<br />
tynnsjiktkromatografi; stoffene i prøvene ble separert fra hverandre og<br />
framkom som flekker i ulike posisjoner på ei glassplate med et tynt lag av<br />
silika eller cellulose. Ved å følge tidsforløpet for de radioaktive flekkenes<br />
tilsynekomst og størrelse (dvs. stoffmengde), kunne Calvin si hvilke forbindelser<br />
som ble dannet og i hvilken rekkefølge. Den innledende reaksjonen<br />
(C5 + C1 → 2C3) voldte han mye besvær… Calvin ble belønnet med<br />
nobelprisen i kjemi for 1961.<br />
De samlede mørkereaksjonene benevnes like ofte Calvin-syklus, et navn som gir fortjent<br />
honnør til en stor plantefysiolog, og dessuten spiller på reaksjonenes sykliske natur. Syklusen<br />
har flere stadier: (1) karboksylering (CO2-fiksering), (2) reduksjon (av syre til aldehyd,<br />
dvs til karbohydrat) og (3) regenerering av CO2-akseptoren. Som et fjerde stadium kan vi<br />
regne sidegreina der det (4) tappes ut karbon som brukes til å danne glukose og andre<br />
sukkerarter. Sluttpoenget med fotosyntesen er jo å produsere kjemisk energi i form av<br />
karbohydrater. Derfor skal vi forsøke å holde regnskap med karbonatomene slik at vi ender<br />
opp med et utbytte på ett molekyl glukose. Da må vi mate syklusen med seks karbonatomer –<br />
følgelig starter vi med seks molekyler CO2. Vi skal se kort på hvert av de fire stegene i<br />
mørkereaksjonen.<br />
8.3.1 KARBOKSYLERING AV RuBP<br />
Det CO2-fangende enzymet heter ribulose-1,5-bisfosfat karboksylase/oksygenase, og som<br />
navnet antyder er det et karbohydrat-fosfat som har æra av å fungere som kosubstrat:<br />
ribulose-1,5-bisfosfat er en pentose med ei fosfatgruppe i hver ende.<br />
– 105 –
6<br />
P<br />
6<br />
•<br />
CO 2<br />
3<br />
fotosyntese<br />
••••• P ••••• P<br />
P 6<br />
RuBP ustabilt mellomprodukt<br />
6 ATP<br />
••• 10<br />
PGAL<br />
P<br />
6 ADP<br />
4 P i<br />
12<br />
12 ATP<br />
12 NADPH<br />
– 106 –<br />
•<br />
••• P<br />
PGA<br />
2<br />
12 ••• P<br />
PGAL<br />
12 ADP + 12 P i<br />
12 NADP +<br />
•••<br />
4<br />
P<br />
2<br />
PGAL<br />
•••••• P<br />
1<br />
P<br />
sukkerfosfat<br />
i<br />
(glukose eller fruktose)<br />
Karbonregnskap for Calvin-syklusens fire stadier<br />
De lange navnene er såpass ukurante for tunga at forkortinger har tvunget seg<br />
fram. Ribulose-1,5-bisfosfat er mer kjent under aliaset RuBP, og det svulstige<br />
enzymnavnet kondenseres gjerne til RuBisCO. Den doble funksjonsbetegninga<br />
(CO for karboksylase og oksygenase) vil diskuteres i 8.4.<br />
RuBisCO er <strong>ikke</strong> bare verdens «viktigste» protein pga av den katalyserte prosessens<br />
betydning; det er også det proteinet som forekommer i størst mengde<br />
på jorda.<br />
Resultatet av fusjonen mellom RuBP og CO2 er en ustabil C6-forbindelse som øyebl<strong>ikke</strong>lig<br />
ramler i stykker til to identiske molekyler, nemlig C3-syra 3-fosfoglysersyre (PGA), en<br />
gammel bekjent fra glykolysen.<br />
1
fotosyntese<br />
P<br />
P<br />
O<br />
O<br />
H C H<br />
H C H<br />
CO2 H C OH<br />
C O<br />
COOH<br />
H C OH<br />
COOH<br />
H C OH<br />
H<br />
H C H<br />
2O H C OH<br />
H C H<br />
O<br />
O<br />
P<br />
P<br />
RuBisCO er nesten identisk i alle høyere planter og består av 16 sub-enheter: 8 store (hver<br />
med molekylvekt på 56 000) og 8 små (med 14 000 i molekylvekt) – til sammen veier hvert<br />
RuBisCO-molekyl om lag 560 000 dalton. De 8 store sub-enhetene danner en sirkel, med et<br />
aktivt sete i overgangen mellom hver sub-enhet; RuBisCO har altså åtte aktive seter. Fire<br />
små sub-enheter på hver side av denne sirkelen – som bunn og lokk – stabiliserer komplekset.<br />
Den store sub-enheten kodes av DNA i kloroplasten, mens DNA i kjerna ligger til grunn for<br />
den lille sub-enheten (mer om denne arbeidsdelinga på genetikk-delen av kurset).<br />
8.3.2 REDUKSJON TIL PGAL<br />
Ved hjelp av NADPH og ATP (fra lysreaksjonen) blir PGA omdannet til 3-fosfoglyseraldehyd<br />
(PGAL), som vi også husker fra kap. 6:<br />
P<br />
NADPH<br />
O ATP ADP<br />
H +<br />
+ NADP +<br />
P<br />
P<br />
O<br />
O<br />
H<br />
C H<br />
H C OH<br />
C<br />
O OH<br />
PGA<br />
H<br />
C H<br />
H C OH<br />
C<br />
O O P<br />
1,3-bisfosfoglycersyre<br />
– 107 –<br />
Pi<br />
H<br />
C H<br />
H C OH<br />
C<br />
O H<br />
PGAL<br />
Vi ser at disse reaksjonene faller sammen med et lite utsnitt av glykolysen – men reversert!<br />
Summeligninga for fotosyntesen er jo «den omvendte» av respirasjonsligninga. Og mange av<br />
delreaksjonene i fotosyntesen er bakover-varianter av de vi så i kap. 6.<br />
Av 6 RuBP og 6 CO2 dannes det 12 PGAL som brukes til to ting: gjendanning av RuBP<br />
(8.3.3) og produksjon av glukose (8.3.4).
8.3.3 REGENERERING AV RuBP<br />
2<br />
2<br />
• •<br />
• P<br />
• • • • • P<br />
2<br />
2<br />
fotosyntese<br />
• • • P<br />
2 • • • P<br />
2<br />
2<br />
2<br />
• • • P<br />
• • • • • P<br />
• • • • • • P<br />
2 P i<br />
• • • • P<br />
Regenerering av C 5 -forbindelser fra C 3 -forbindelser<br />
(stadium 3 i mørkereaksjonen)<br />
viser «innsatsen», viser «utbyttet»<br />
Hele 10 av de 12 PGA-molekylene kastes ut i en biokjemisk runddans som involverer C3-,<br />
C4-, C5-, C6- og C7-forbindelser. Enkelthetene faller utenfor vårt ambisjonsnivå, men vi<br />
koster på oss figuren over, som viser naturens evne til å få det til å swinge. Resultatet av det<br />
hele er viktig nok: det dannes 6 molekyler ribulose-5-fosfat som fosforyleres av ATP til<br />
RuBP. Av 10x3C=30C har vi fått 6x5C=30C!<br />
8.3.4 HØSTING AV SUKKERFOSFATER<br />
2<br />
2<br />
– 108 –<br />
2<br />
• • • P<br />
• • • • • • • P<br />
2 P i<br />
• • • • • P<br />
Av seks fikserte CO2-molekyler dannes det to PGAL som kan fjernes fra Calvin-syklus. Det<br />
skjer vanligvis ved at den ene PGAL isomeriseres til dihydroksyacetonfosfat (jfr. glykolysen),<br />
som forbindes med det gjenværende PGAL av aldolase. Produktet er selvfølgelig (vi<br />
kjenner jo igjen reaksjonen fra glykolysen) fruktose-1,6-bisfosfat. Gjennom defosforyleringer<br />
og isomeriseringer dannes det videre fruktose- og glukosefosfater som brukes til å<br />
bygge oligo- (særlig sukrose) og framforalt polysakkarider (stivelse som energilager, og<br />
eventuelt cellulose dersom planten er i vekst og trenger nytt veggmateriale).
fotosyntese<br />
8.4 FOTORESPIRASJON OG C4-PLANTER<br />
8.4.1 FOTORESPIRASJON<br />
Da cyanobakteriene en gang for riktig lenge siden fant opp fotosyntesen var det mye CO2 i<br />
atmosfæren. RuBisCO ble konstruert og raffinert i et miljø som nesten helt manglet O2. Men<br />
i fotosyntesens suksess lå også kimen til et ekkelt problem for mange av dagens planter. Den<br />
utvikler nemlig O2, og RuBisCO har vanskelig for å skille O2 fra det egentlige substratet,<br />
CO2. Oksygen er en kompetitiv hemmer av RuBisCO. Enzymet er <strong>ikke</strong> bare en<br />
karboksylase, men også en oksygenase. Affiniteten for CO2 (KM = 12 µM) er mye større enn<br />
for O2 (KM = 250 µM) og CO2 løser seg bedre enn O2 i stroma, men hva hjelper vel det når<br />
atmosfæren inneholder inneholder 700 ganger mer O2 enn CO2 (hhv 21 og 0.03%). Under<br />
normale forhold betyr dette at sånn circa hver fjerde gang RuBisCO tar tak i det det «trur» er<br />
et CO2-molekyl, så griper det feil. RuBP blir <strong>ikke</strong> karboksylert, men oksygenert, og når det<br />
resulterende mellomproduktet ramler sønder, dannes det <strong>ikke</strong> to molekyler PGA, men ett<br />
molekyl PGA og ett molekyl fosfoglykolsyre:<br />
P<br />
P<br />
O<br />
O<br />
H C H H C H<br />
O2 C O<br />
COOH<br />
H C OH<br />
COOH<br />
H C OH H C OH<br />
H C H H C H<br />
O<br />
O<br />
P<br />
P<br />
Fosfoglykolsyra er giftig og blir omdannet til PGA i en syklisk reaksjonssekvens som involverer<br />
peroksisomet og mitokondriet, i tillegg til kloroplasten. I denne syklusen konverteres to<br />
molekyler fosfoglykolsyre til ett PGA og ett CO2; det betyr at pr. to O2 som reagerer med<br />
RuBP, «sløses det bort» ett CO2. Det forbrukes også én ATP pr. PGA som dannes på denne<br />
omstendelige måten. CO2-utviklinga, som skjer i mitokondriet, minner om noe annet vi har<br />
hørt om som skjer samme sted, og denne likheten har (sammen med O2-forbruket) gitt navn<br />
til hele kalabaliken som starter med RuBisCOs feilgrep: fotorespirasjonen.<br />
Fotorespirasjonen er særlig stor når planten utsettes for sterkt sollys, sterk varme, eller<br />
tørke (som regel kommer alle disse ulykkene samtidig). For å unngå uttørking må planten<br />
stenge spalteåpningene, «åndingshullene» som slipper gasser ut og inn av bladene. CO2 inne<br />
i bladet brukes opp (i mørkereaksjonen) og O2 produseres (i lysreaksjonen). Utvekslinga<br />
med atmosfærens gasser er altså blokkert, og RuBisCO utsettes for et ugunstig høyt O2/CO2forhold<br />
– og plukker følgelig feil gassmolekyl stadig oftere.<br />
– 109 –
fotosyntese<br />
Er fotorespirasjon utelukkende et problem for planten, eller kan det tenkes at<br />
den har ei fysiologisk betydning? Mange har spekulert omkring dette, og ei<br />
forklaring kan lyde omtrent slik: Under forhold med høy lysintensitet vil<br />
fotosystemene jobb hardt, og skape en sterk protongardient. Etter hvert vil<br />
det finnes for lite ADP i stroma til å «ta unna» denne gradienten. Fotorespirasjonen<br />
for<strong>bruker</strong> ATP i stroma, og regenerer dermed ADP slik at protonstrømmen<br />
gjennom CF0CF1-kompleksene kan fortsette. Dessuten vil det<br />
CO2-molekylet som frigjøres i mitokondriet etter hvert diffundere til kloroplasten<br />
der det kan «fikseres» på normal måte.<br />
6.4.2 C4-PLANTER OG CAM-PLANTER<br />
Selv om fotorespirasjonen kan tenkes å ha en viss egenverdi, er den i det store og hele<br />
«uønsket», og mange planter har utviklet måter å omgå uvesenet på. Dette har skjedd<br />
forholdsvis sent i utviklingshistoria, kanskje for 10-25 millioner år siden, da CO2-konsentrasjonen<br />
i atmosfæren var særlig lav. En av grunnene til at vi kan antyde ei slik tidfesting er at<br />
to arter som ellers er svært nære slektninger, kan ha løst fotorepirasjonsproblemet på ulike<br />
måter – eller den ene har <strong>ikke</strong> forsøkt å løse det i det hele tatt. Ettersom RuBisCO ser ut til å<br />
være vanskelig å forbedre (det er eldgammelt og mer eller mindre identisk over hele planteriket)<br />
går bekjempelsen av fotoresirasjonen ut på å forbedre arbeidsvilkårene for RuBisCO.<br />
C4-plantene <strong>bruker</strong> et annet enzym enn RuBisCO til å fange CO2. Resultatet av denne<br />
fangsten er en C4-forbindelse. I den vanlige fotosyntesen er det jo PGA, en C3-forbindelse,<br />
og derfor kalles «normale» planter C3-planter. Det finnes flere C4-varianter (nok et hint om<br />
at det fylogentisk sett dreier seg om ei «moderne» tilpasning som har skjedd flere ganger uavhengig<br />
av hverandre), men vi begrenser oss til den vanligste – og enkleste…<br />
CO2 bindes til fosfoenolpyrodruesyre (PEP) av PEP karboksylase, et enzym med stor<br />
affinitet for CO2, som dessuten overhodet <strong>ikke</strong> besværes av O2 – den store spesifisiteten for<br />
CO2 gjør at det nærmest kan tyne ut de siste CO2-molekylene som finnes i bladet. Resultatet<br />
av denne karboksyleringa er oksaleddiksyre, som så reduseres til eplesyre av NADPH.<br />
P CO<br />
NADPH<br />
2<br />
+ NADP+<br />
+ H<br />
O<br />
H O<br />
H OH<br />
O OH<br />
O<br />
OH<br />
O<br />
H2C C C<br />
C C C C<br />
C C C C<br />
OH O<br />
OH<br />
O<br />
OH<br />
H<br />
H<br />
H2O P<br />
PEP i oksaleddiksyre eplesyre<br />
Disse to reaksjonene skjer i de ytre delen av C4-plantens blad, i mesofyllcellene, den første i<br />
cytosol, den andre i kloroplasten. Og nå kommer det store: eplesyre transporteres fra mesofyllet<br />
til celler som ligger litt lenger inn i bladet, rundt ledningsstrengene («nervene», som<br />
frakter vann fra rota, og fotosynteseprodukter til forbruks- og lagringsområder i andre deler<br />
av planten). Disse kalles slireceller («bundle sheath»-celler, dvs noe slikt som celler som<br />
danner ei «slire» rundt «bunten» av ledningsvev). Her, inne i kloroplasten, dekarboksyleres<br />
og oksideres (det dannes NADPH) eplesyre til pyrodruesyre. Frigjort CO2 bindes så til<br />
RuBP av RuBisCO, på vanlig manér. Det betyr at C4-opplegget er et rent tillegg til den ordi-<br />
– 110 –
fotosyntese<br />
nære C3-metabolismen; et tillegg som romlig skiller den primære CO2-innfanginga fra<br />
RuBisCO-reaksjonen og Calvin-syklus. Noe av poenget er å kjøre RuBisCO-reaksjonen i et<br />
O2-fritt miljø i slirecelle-kloroplastene. I disse kloroplastene utvikles det nemlig <strong>ikke</strong> O2 i<br />
lysreaksjonen! – den opereres kun i den sykliske varianten, dvs at vannspaltinga i PSII <strong>ikke</strong><br />
finner sted.<br />
Etter dekarboksyleringa fraktes pyrodruesyre tilbake til kloroplasten i ei mesofyll-celle, der<br />
den fosforyleres i en reaksjon som <strong>bruker</strong> to ATP. Resultatet er PEP som er klar til å hente<br />
inn ett nytt molekyl CO2.<br />
2 ADP 2 Pi OH<br />
O<br />
H<br />
C C<br />
OH<br />
H<br />
eplesyre<br />
C C<br />
NADP +<br />
O<br />
OH<br />
H +<br />
NADPH<br />
+<br />
CO 2<br />
til<br />
Calvinsyklus<br />
H 3 C<br />
– 111 –<br />
ATP<br />
ATP<br />
+ P<br />
O<br />
i<br />
O<br />
C C<br />
OH<br />
pyrodruesyre<br />
AMP+ PPi H 2 O<br />
P<br />
O<br />
H 2 C C C<br />
All denne transporten fram og tilbake mellom mesofyll- og slireceller er slett så <strong>ikke</strong><br />
energikrevende som det høres ut. Den går nemlig via plasmodesmata, og de eneste membraner<br />
som må forseres er kloroplastmembranene.<br />
De fleste C4-plantene er enfrøbladete, f.eks. gras som mais og sukkerrør, og de fleste hører<br />
hjemme i tropene. Biokjemisk beslektet med C4-plantene er de såkalte CAM-plantene, som<br />
også stort sett vokser på de varmeste breddegradene. Forkortinga står for «crassulacean acid<br />
metabolism» og viser til den planteslekta der fenomenet først ble beskrevet. Til CAMplantene<br />
hører i første rekke kaktus og andre sukkulenter, samt orkideer og liljer. Disse<br />
plantene skiller i tid de prosessene som C4-plantene skiller i rom. Alle reaksjonene skjer<br />
altså i mesofyllet, «bladkjøttet». Om natta når temperaturen er lav, kan de tillate seg å holde<br />
spalteåpningene åpne. CO2 diffunderer inn og fanges av PEP karboksylase. Det dannes<br />
eplesyre akkurat som i C4-plantene. Eplesyra lagres i vakuolen. Når dagen og varmen<br />
kommer, stenges spalteåpningene for å redusere vanntapet gjennom transpirasjon.<br />
Lysreaksjonen skaffer til veie ATP og NADPH, CO2 frigjøres fra eplesyre og fikseres av<br />
RuBisCO, og den vanlige mørkereaksjonen går sin gang. Dekarboksylering av akkumulert<br />
eplesyre holder CO2-konsentrasjonen høy, og reduserer fotorespirasjonen til et minimum.<br />
Men forrådet av eplesyre rekker dessverre bare til noen få timers bruk, så CAM-tilpasninga er<br />
på langt nær så «vellykket» som C4-plantenes.<br />
CO2-fiksering med PEP karboksylase er <strong>ikke</strong> noe alternativ til RuBisCO og Calvin-syklus;<br />
den gir jo ingen netto karbonvinst. I C4-plantene brukes den til å transportere CO2 til et<br />
gunstig sted for Calvin-syklus. Og i CAM-plantene brukes den til å lagre CO2 i påvente av et<br />
gunstig tidspunkt for Calvin-syklus.<br />
PEP<br />
O<br />
OH