Molekylærbiologi og biokemi - teori og metode, 4. udgave, 2017 by Praxis

Molekylærbiologi og biokemi – teori og metode

Molekylærbiologi og biokemi – teori og metode behandler fagets grundlæggende teorier sammen med principperne for mange af de metoder, der anvendes i biokemiske og molekylærbiologiske laboratorier. Bogen er primært skrevet med sigte på laborantuddannelsen og laboranfagene biokemi og molekylærbiologi og som støtte i andre naturvidenskabelige uddannelser.

af en række repetitionsspørgsmål. Bogen er rigt illustreret. Denne 4. udgave har blandt andet fået to nye emner – røntgenkrystallografi, af Johan G. Olsen, og Real-Time-PCR, af Inger Dahl Krabbe. Vejledende løsninger samt supplerende materialer kan du finde ved at søge efter bogen på praxis.webshop.dk

Teori og metode

Hvert kapitel indeholder teori og laboratorietekniske metoder og afsluttes

Molekylærbiologi og biokemi

ternes efteruddannelse, men kan benyttes af alle, der skal introduceres til

Bodil Stilling · Inger Dahl Krabbe · Margit Mølgård Hvilsom

Molekylærbiologi og biokemi Teori og metode 4. udgave

Molekylærbiologi og biokemi – teori og metode er skrevet af Bodil Stilling, Inger Dahl Krabbe og Margit Mølgård Hvilsom.

Bodil Stilling, cand.scient. i biokemi Har 20 års erfaring som underviser på laborant- og procesteknologuddannelserne og på htx. Har desuden arbejdet i 19 år som laborant på Carlsberg Forskningscenter. Inger Dahl Krabbe, cand.scient. i biologi Underviser på Erhvervsakademi Sjælland på Campus Roskildes laborantuddannelse og teknonom-, diplom- og efteruddannelser. Har mange års erfaring med udvikling af efteruddannelseskurser for laboranter, især inden for genteknologi. Margit Mølgård Hvilsom, cand.scient. i biologi, lektor Underviser til daglig på Professionshøjskolen Metropol på laborant- og professionsbacheloruddannelsen. Har en række videnskabelige publikationer bag sig.

ISBN 978-87-571-2879-6

978-87-571-2879-6

Molekylaerbiologi_omslag_tryk_2.indd 1

praxis.dk

varenr. 44049-1

PRAXIS — Nyt Teknisk Forlag

21-03-2017 11:22:30

Bodil Stilling · Inger Dahl Krabbe · Margit Mølgård Hvilsom

Molekylærbiologi og biokemi Teori og metode

PRAXIS – Nyt Teknisk Forlag

Molekylærbiologi og biokemi – Teori og metode 4. udgave, 1. oplag 2017 © PRAXIS – Nyt Teknisk Forlag 2017 Forlagsredaktør: Sine Zambach, sza@praxis.dk Grafisk tilrettelæggelse og dtp: Dorthe Møller Omslag og dtp: Anne von Holck Tegninger: Dorthe Møller og Ib Søndergaard Fotos: Forfatterne, Novozymes, lektor, ph.d. Ditlev E. Brodersen samt Colourbox Tryk: PNB Print ISBN: 978-87-571-2879-6 e-ISBN: 978-87-571-3384-4

Varenummer: 44049-1 Ekstramateriale og vejledende løsninger kan findes ved at søge efter bogen på webshop.praxis.dk Bogen er sat med Minion Pro Bogen er trykt på 115 g Arctic silk Alle rettigheder ifølge gældende lov om ophavsret forbeholdes. Kopiering fra denne bog må kun finde sted på institutioner, der har en aftale om kopiering med Copydan Tekst & Node, og kun inden for aftalens rammer. Hovedreglen er: højst 20 sider af en bog til samme hold/klasse pr. studerende pr. undervisningsår. Og kopier må ikke genbruges. Kopier skal tilføjes kildeangivelse: Forfatter, titel og forlag. Se mere på www.copydan.dk

PRAXIS – Nyt Teknisk Forlag Ny Vestergade 17 1471 København K info@praxis.dk www.praxis.dk Ekspedition: PRAXIS, +45 63 15 17 00

Forord Den foreliggende bog, Molekylærbiologi og Biokemi – Teori og metode, er primært udarbejdet med henblik på undervisning af laborantstuderende og efteruddannelse af laboranter. Det er imidlertid vores håb, at bogen også kan finde anvendelse på andre uddannelser, hvor molekylærbiologi og biokemi indgår i pensum. Bogen er en mindre revision af 3. udgaven fra 2014. Hvert kapitel består af et teoriafsnit efterfulgt af et afsnit om metoder. Alle kapitler slutter med en række repetitionsopgaver, som gør bogen velegnet til selvstudium. Løsningsforslagene kan man finde på bogens hjemmeside: nyttf.dk/biokemi Bogens egenart findes i metodeafsnittene. Laboranternes arbejde er jo praktisk arbejde i laboratoriet. Derfor har vi valgt at kalde afsnittene som handler om laboratorieteknikker og metoder for “Praktisk arbejde”. Her gennemgås principperne for langt de fleste gængse analysemetoder i det biokemiske og molekylærbiologiske laboratorium. Kapitlerne 8-10 beskriver nucleinsyrerne. Her har vi valgt at anbringe metoderne særskilt i kapitel 11, da mange genteknologiske metoder kræver kenskab til hele paletten af teori. Der er ikke beskrevet metoder i de sidste tre kapitler, der beskriver metabolisme, nitrogenstofskiftet og fotosyntesen. Analysemetoder for disse emner er mindre vigtige i laborantuddannelsen. Vi har anvendt IUPAC-nomenklatur som fortolket af Kemisk Ordbog (Nyt Teknisk Forlag, 2008). Vi tre forfattere har forskellige talenter, viden og kompetencer, som vi har udnyttet: Inger Dahl Krabbe har haft ansvaret for de genteknologiske kapitler 8-11, og kapitlerne er skrevet med inspiration fra de øvrige forfattere. Inger Dahl Krabbe har desuden sammen med Bodil Stilling fornyet og opdateret de fleste metodeafsnit. Margit Mølgård Hvilsom

har fungeret som uundværlig inspirator, idemager til formler, skemaer og indhold. Bodil har med assistance fra begge medforfattere revideret de øvrige afsnit og været tovholder på bogen. Men vi har fået hjælp fra mange, og vi takker hermed Mette Nielsen og Anne Wolf på Erhvervsakademi Sjælland, Campus Roskilde og Bo Greve, Torben Skou og Jan S. Knudsen på Professionshøjskolen Metropol for diskussioner, gennemlæsning og uundværlige rettelser. Også tak til studerende Anders Westermann Møller og Nicklas Sepstrup Sørensen på laborantuddannelsen på Erhvervsakademi Sjælland, Campus Roskilde for gelfotos til kapitel 11. Desuden en særlig tak til lektor Niels Grunnet, Biomedicinsk Institut, Afd. for Celle- og Metabolismeforskning KU, for gennemgang af kapitlerne 12 og 13, til Christina Lunde, Novozymes, for gennemgang af kapitel 14 og til Sten Aastrup, Novozymes, for gode diskussioner og udarbejdelse af boks 6.1. Tak til Ture Damhus for diskussion af kemisk nomenklatur. Den særlige tak gælder også Ebbe Tørring, som har læst korrektur og i øvrigt fungeret som en yderst kompetent sproglig konsulent. Til 4.-udgaven desuden tak til Iben Lykke Pedersen for kritisk gennemlæsning og til Johan G. Olsen for boks 3.4 om Røntgenkrystallografi, figur 3.1 og omhyggelig gennemlæsning af kapitel 3. Bogen har fået sit smukke og særlige udtryk, fordi vi har haft en meget dygtig og engageret tegner og layouter, Dorthe Møller fra Nyt Teknisk Forlag. Dorthe har fanget ideen bag de mange illustrationer med et enestående talent for naturvidenskab, så stor tak til Dorthe. Januar 2017 Forfatterne

Indhold 1. Introduktion til biomolekyler og celler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Biomolekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Celler ..............................9 Bakterier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Eukaryoter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Multicellulære organismer . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Praktisk arbejde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2. Grundlæggende kemiske begreber 30 Kemiske bindinger, vand, kemisk energi . . . . 30 Kort om atomer og grundstoﬀer . . . . . . . . . . . 30 Boks 2.1: Kemiske symboler og modeller . . . . 32 Kemiske bindinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Vands øvrige egenskaber . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Boks 2.2. Beregning af pH . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Isomeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Boks 2.3 Pasteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Boks 2.4 RS-systemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Kemisk energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Praktisk arbejde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Fremstilling af en buﬀer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Elektroforese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Spektrofotometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3. Proteiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Aminosyrerne, proteinernes byggesten. . . . . . 73 Aminosyrernes individuelle egenskaber . . . . . 77 Essentielle aminosyrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Resumé af aminosyrernes egenskaber . . . . . . . 80 Peptider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Boks 3.1 Peptidhormoner . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Proteinstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Boks 3.2 Strukturproteiner . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Kvaternær struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Boks 3.3 Prioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Strukturforudsigelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Glycosylering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Proteiner og ligander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Praktisk arbejde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Denaturering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Proteiners opløselighed . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Saltfældning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Afsaltning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Spektrofotometriske metoder . . . . . . . . . . . . . 110 Kromatografi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 SDS-polyacrylamid gelelektroforese (SDS-PAGE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Aminosyreanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Sekvens- og strukturanalyser . . . . . . . . . . . . . 121 Boks 3.4 Røntgenkrystallografi . . . . . . . . . . . 122 Introduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Krystallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Røntgendiﬀraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Strukturløsning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Faseproblemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4. Immunologi og immunkemi . . . . .130

Det uspecifikke immunforsvar . . . . . . . . . . . . 131 Det specifikke immunforsvar . . . . . . . . . . . . . 133 Immunoglobuliner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Immunisering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Boks 4.1 Fem klasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Praktisk arbejde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Boks 4.2 At måle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Boks 4.3 Immunologiske hurtigmetoder: . . . 161 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

5. Enzymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166

Katalysatorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Enzym og substrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Boks 5.1 Industrielle enzymer . . . . . . . . . . . . 171 Reaktionshastighed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Boks 5.2 Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Behandling af eksperimentelle data . . . . . . . . 181 Enzymhæmning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Navngivning og klassificering af enzymer . . 185 Cofaktorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Metalioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Coenzymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Praktisk arbejde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Enzym Assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

6. Carbohydrater . . . . . . . . . . . . . . .204 Opbygning af carbohydrater . . . . . . . . . . . . . . 204 Monosaccharider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Mutarotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Tautomeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

Monosaccharidernes derivater . . . . . . . . . . . . 218 Glycosidbindingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Oligosaccharider. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Polysaccharider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Boks 6.1 Bløde kostfibre . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Glycoproteiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Praktisk arbejde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Oligosaccharider og polysaccharider . . . . . . 238 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

7. Lipider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .244 Fedtsyrebaserede lipider. . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Boks 7.1 Hvad hedder det? . . . . . . . . . . . . . . . 246 Triacylglyceroler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Boks 7.2 Sæbe og andre detergenter . . . . . . . 253 Phosphoglycerider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Sphingolipider og ceramider . . . . . . . . . . . . . 255 Boks 7.3 Blodtyper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Cellemembraner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Isoprenoider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Fedtopløselige vitaminer . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Praktisk arbejde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

8. Nucleinsyrer . . . . . . . . . . . . . . . .272 Nucleotider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 DNA’s organisering i cellerne . . . . . . . . . . . . . 284 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

9. Replikation . . . . . . . . . . . . . . . . .292 DNA-polymeraser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Template-DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Primere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Nucleotider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Boks 9.1 Energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Forløb af replikation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Prokaryot replikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Eukaryot replikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Oversigt: Replikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 DNA repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 DNA mismatch repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Skader som følge af UV-lys. . . . . . . . . . . . . . . 300 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

10. Proteinsyntese . . . . . . . . . . . . . .306 Proteinsyntese i prokaryote celler . . . . . . . . . 307 Transskription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Trin i translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 Proteinsyntese i eukaryote celler . . . . . . . . . . 330 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

11. Genteknologiske metoder . . . . . .342 Denaturering og renaturering af DNA . . . . . 343 Oprensning af DNA fra celler . . . . . . . . . . . . . 345 Agarosegelelektroforese . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 Skæring af DNA med restriktionsenzymer . 353 Restriktionsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 Boks 11.1 DNA-profilanalyse . . . . . . . . . . . . . 367 Kloningsteknik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 Boks 11.2 Anvendelse af prober ved Real-Time PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 Trin i DNA-kloning i E. coli . . . . . . . . . . . . . . 376 Boks 11.3 Ekspressionskloning . . . . . . . . . . . 385 DNA-sekventering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 DNA-hybridiseringsteknik . . . . . . . . . . . . . . . 390 Microarrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

12. Metabolisme Carbohydrater og triacylglyceroler . .400 Carbohydraters metabolisme . . . . . . . . . . . . . 400 Boks 12.1 Sødhed og sødestoﬀer . . . . . . . . . . 412 Opbygning af carbohydrat . . . . . . . . . . . . . . . 430 Resumé af carbohydratmetabolisme . . . . . . . 433 Triacylglycerolernes metabolisme . . . . . . . . . 434 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

13. Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . .450 Fordøjelse af proteiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 Aminosyremetabolisme . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

14. Fotosyntese . . . . . . . . . . . . . . . .462 Kloroplaster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 Lysprocessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 Lysprocessens reaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . 466 Mørkeprocessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472 Opgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

Ordliste Stikord

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .473 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .487

1 Introduktion til biomolekyler og celler

MOLEKYLÆRBIOLOGI OG BIOKEMI – TEORI OG METODE

Introduktion til biomolekyler og celler De levende organismer er opbygget af tusindvis af mere eller mindre komplekse molekyler, som vi her kalder biomolekyler. Biokemien er den videnskab, som beskriver, hvordan de levende organismers fantastiske egenskaber opstår med udgangspunkt i biomolekylerne. Det er livets kemi. Helt overordnet beskriver biokemien: • Biomolekyler • Levende organismers mikrostruktur • Livets processer Molekylærbiologi er den del af biologien, som omfatter struktur og funktion af levende organismers molekyler, især proteiner og nucleinsyrer, og deres rolle i forbindelse med celledeling og overførsel af genetisk information. Molekylærbiologien beskæftiger sig også med manipulation og analyse af DNA i forskellige sammenhænge, fx ved konstruktion af genetisk modificerede organismer, kortlægning og analyser af gener og diagnostik af sygdomme.

Biomolekyler Selv om der er utallige forskellige levende organismer, er de molekyler, som de er opbygget af, de samme. I alle levende organismer findes de fire store klasser af biomolekyler: • Proteiner • Carbohydrater • Lipider • Nucleinsyrer og en række mindre meget forskellige molekyler, der tilsammen danner grundlaget for livet.

1. Introduktion til biomolekyler og celler

Proteiner, carbohydrater og nucleinsyrer har det tilfælles, at de er polymere stoffer (biopolymerer). Det betyder, at de består af relativt små og ensartede molekyler, der er bundet sammen af kemiske bindinger, der er ens, og som er karakteristiske for hver af klasserne. De små molekyler, som danner grundlaget for de polymere stoffer, kaldes monomerer. Det er karakteristisk for alle biopolymererne, at de har en veldefineret struktur, så længe de optræder i levende organismer. Når en organisme dør, ødelægges stoffernes struktur. Vi skal i de følgende kapitler se på opbygning, struktur og funktion af de forskellige stofklasser.

Celler Den mindste enhed i enhver levende organisme er cellen. Planter og dyr er sat sammen af mange celler, de kaldes derfor multicellulære organismer. En isoleret plante- eller dyrecelle har ikke nogen selvstændig eksistens. Cellerne i de multicellulære organismer er forskellige, man bruger udtrykket, at de er differentierede, de arbejder sammen og er afhængige af hinanden. Mikroorganismer kan derimod bestå af en eneste celle, som er fritlevende (fig. 1.6). På trods af forskellene er cellerne opbygget af de samme elementer. Alle celler har en membran, der udgør deres overflade. Deres indre består af en tyktflydende væske, cytoplasma. Cytoplasmaet består af en vandig opløsning, som kaldes cytosol, og forskellige partikler med specifikke funktioner, som er opslæmmet i cytosolen. Cytosolen er en koncentreret opløsning, der indeholder enzymer, RNA, coenzymer og forskellige ioner. Det bemærkelsesværdige er den store lighed i indholdet af alle celler, selv om der er mange forskelle i størrelse og former. Celler kan klassificeres som enten prokaryote (pro = før, karyon = cellekerne, dvs. celler uden cellekerne) eller eukaryote (eu = ægte, karyon = cellekerne, dvs. celler med cellekerne). Biologisk (taksonomisk) hører cellerne til i tre store grupper, som kaldes domæner: • Bacteria • Archaea • Eukarya

MOLEKYLÆRBIOLOGI OG BIOKEMI – TEORI OG METODE

Bacteria og Archaea kaldes henholdsvis bakterier og arkæer, og begge grupper er den prokaryote celletype. De er alle encellede organismer. De lever overalt: i jord, i vand, i vævet på andre levende eller døde organismer. Arkæer lever fortrinsvis i ekstreme miljøer, hvor andre organismer ikke kan leve, fx i kogende kilder, på oceanernes bund, i stærkt sure eller salte søer. Deres plasmamembraner adskiller sig fra plasmamembranen hos bakterier og eukaryote organismer. Eukarya kaldes eukaryoter, og alle flercellede organismer er eukaryote. Men der findes også encellede eukaryoter, fx protister, encellede gærsvampe og alger. Eukaryote celler adskiller sig fra de prokaryote ved deres størrelse og deres indhold af organeller. Organeller er relativt store partikler i cellerne, der hver for sig er omgivet af egne membraner. Eukaryoter kan atter underinddeles, som det fremgår af figur 1.1 Domænerne underinddeles i riger. Alle levende organismer

Bacteria

Archaea

bakterier

arkæer

Eukarya

dyreriget

planteriget

svampe

protister

Figur 1.1 Systematisk klassifikation af levende organismer De levende organismer klassificeret efter deres opbygning i tre domæner: Bakterier, arkæer og eukaryoter. Eubakterier omfatter de egentlige bakterier. Alle domæner underinddeles yderligere i riger.

1. Introduktion til biomolekyler og celler

De levende organismer kan også inddeles efter, hvor de får deres energi fra (fig. 1.2). Der er fototrofe organismer, som får deres energi fra lys, og der er kemotrofe organismer, der får deres energi fra oxidation af kemiske forbindelser. Denne inddeling går helt på tværs af den systematiske inddeling, som er vist i figur 1.1. Alle levende organismer

kemotrofe

fototrofe

planter

bakterier

dyr

svampe

Figur 1.2 Klassifikation efter energikilder Organismerne kan klassificeres i henhold til deres energikilde. Denne klassificering går på tværs af domænerne. Det ses fx, at der både er fototrofe og kemotrofe bakterier.

bakterier

Dobbelt lag af phospholipider

Opbygning af celler Det er fælles for alle celler, at de er omgivet af en membran, kaldet plasmamembranen. Denne afgrænser cellen fra omverdenen. Uden på plasmamembranen har en del celler en cellevæg, som vi ser på, når vi behandler disse celletyper. Alle biologiske membraner, undtagen arkæernes, består af et dobbelt lag af phospholipider (kap. 7). Phospholipider er amfifile molekyler, der har en lang hydrofob (=vandskyende) hale og et hydrofilt (=vandelskende) hoved. Denne særlige opbygning gør, at phospholipiderne i vandige opløsninger danner vesikler (fig. 1.3). I en vesikel er en lille dråbe vand isoleret fra det vand, der omgiver vesiklen. Cellen er således en vesikel, hvor cytoplasmaet er isoleret fra omgivelserne. Det dobbelte lag af phospholipider udgør en sej, smidig og tæt ”hud” som kaldes enhedsmembranen. Ved cellens normale temperatur er plasmamembranen halvt flydende. Den er uigennemtrængelig for ioner og store polære molekyler. Vand kan godt trænge gennem membranen; man mener, det er fordi, vandmolekylerne er så små, at de smutter forbi de hydrofobe haler. Upolære molekyler kan passere membranen. Det gælder både små molekyler som CO2 og O2 og større molekyler som steroidhormoner (kap. 7).

Vandholdig hulhed

Figur 1.3 En vesikel En celle er principielt en vesikel. En lille væskedråbe, cytoplasma, er omgivet af en membran, som er opbygget af et dobbelt lag af phospholipider. Membranen isolerer cytoplasmaet fra omgivelserne.

MOLEKYLÆRBIOLOGI OG BIOKEMI – TEORI OG METODE

En celle skal kommunikere med omverdenen. Derfor skal der være molekyler indlejret i plasmamembranen, som kan udføre sådanne opgaver. Proteiner (kap. 3) har de egenskaber, der skal til. En plasmamembran består altså af et dobbelt lipidlag, hvori der er indlejret en række proteinmolekyler (fig. 1.4). I figuren ses bl.a. en proteinkanal (3). Sådanne kanaler er ofte selektive, idet de kun lader bestemte stoffer passere, og mange er i stand til at åbne og lukke sig. Man kalder denne konstruktion af en cellemembran for en flydende mosaik. Plasmamembranen er forskellig på indersiden og ydersiden. NH2 P

Dobbelt lipidlag 1

5 COOH

Figur 1.4 Et udsnit af en plasmamembran med indlejrede proteiner 1), 2) og 3) viser, hvordan tre forskellige proteiner indlejres hen over membranen. Protein nr. 3 danner en kanal, hvor cellen kan udveksle stoffer med omgivelserne. 4) er et protein, som er indlejret i den ene halvdel af dobbeltmembranen. 5) og 6) viser proteiner, der er bundet til fedtsyrer, som udgør deres anker i membranen. Plasmamembranen er således forskellig på indersiden og ydersiden.

Cytoplasma udgør hele celleindholdet på nær cellekernen hos eukaryote celler. Det består af cytosolen, næringsdepoter og forskellige partiker. Cytosolen er væskedelen med opløste stoffer. Alle celler indeholder et eller flere kromosomer.

1. Introduktion til biomolekyler og celler

Kromosomer er opbygget af DNA og indeholder bl.a. opskrifter på de proteiner, som cellen kan fremstille. Kromosomerne udgør cellens arvemasse. Det vil sige, at når en celle deler sig, får hver af de to nye celler en komplet kopi af kromosomerne. Ribosomer er store komplekser, der er opbygget af proteiner og RNA. De er molekylære maskiner, der bygger proteiner. Opskrifterne på proteinerne ankommer til ribosomet som mRNA fra cellekernen, og energien leveres af byggestenene nuclosid-5’-triphosphater (kap. 2 og 10).

Bakterier Bakterier er små encellede, prokaryote organismer. Deres udstrækning er almindeligvis 1-10 µm, og de kan have mange forskellige former (fig. 1.5). Her ser vi generelt på bakterier (fig. 1.6). Bakteriesystematik er et omfattende emne, så hvis man vil vide mere om dette, henvises til litteratur om mikrobiologi.

Figur 1.5 Forskellige bakterier har forskellige former Kugleformede bakterier kaldes "kokker". De kan lejres som enkelte bakterier, som kæder eller som klaser. Cylinderformede bakterier kaldes stave. De kan lejre sig enkeltvis eller som kæder. De kan desuden have udvækster af flageller og pili. Spiralsnoede bakterier kaldes skrueformede. Selv om bakterierne morfologisk (dvs. efter deres ydre form) er forskellige, gælder for alle, at de har et indre som vist i figur 1. 6.

MOLEKYLÆRBIOLOGI OG BIOKEMI – TEORI OG METODE

Cytoplasma

Pili

Bakteriekromosom DNA Plasmid Ribosom

Flageller

Granula Slimlag Envelope Cellevæg Plasmamembran

Figur 1.6 Bakteriecellen Opbygning og indhold af en stavformet bakteriecelle med pili og flageller. Overfladerne varierer mellem de forskellige klasser, men indholdet er nogenlunde det samme.

Bakterierne har en cellevæg, der er placeret udenfor cytoplasmamembranen. Cellevæggen er en stiv struktur opbygget af et mere eller mindre tykt netværk af carbohydrater og peptider (fig. 6.35 og 6.36). Cellevæggen giver bakterien dens form og beskytter den mod påvirkninger fra omverdenen. Nogle bakterier har desuden en slimkapsel udenpå cellevæggen. Denne kapsel består af glycoproteiner (kap. 6). I løbet af evolutionen har nogle bakterier mistet deres cellevæg. Sådanne bakterier kaldes mycoplasma. Mycoplasma er meget små, kun omkring 0,1µm. Bakterier kan have en eller flere flageller. En flagel er en proteinfiber, som kan rotere, så cellen med dens hjælp kan bevæge sig. Pili (flertal af pilus = et hår) er stive udvækster, som visse bakterier er i besiddelse af. Pili bruges til at hæfte bakterier til overflader. En særlig slags pili er sexpili, som bruges til at udveksle arvemateriale mellem to bakterieceller. Bakteriers kromosom er en supercoiled ringformet struktur (fig. 8.16 og 8.18). Det område i bakteriecellen, hvor kromosomet er placeret, kaldes nucleoid. Kromosomet ligger i cytoplasmaet i tæt forbindelse

1. Introduktion til biomolekyler og celler

med cytoplasmamembranen, ofte i forbindelse med et område af membranen, som er krænget ind i cellen. Sådan en struktur kaldes et mesosom. Mange bakterier indeholder desuden plasmider, der ligesom kromosomet består af nucleinsyrer og ligesom kromosomet indeholder arveanlæg (ganske få i forhold til antallet af arveanlæg i kromosomet). Cytoplasmaet indeholder desuden ribosomer, der er små legemer, opbygget af nukleinsyrer og proteiner; ribosomer fremstiller proteiner (kap. 10). Store molekyler som enzymer kan ikke passere cytoplasmamembranen. Men ved hjælp af forskellige mekanismer kan enzymer frigives til omgivelserne, hvor de nedbryder næringsstoffer udenfor cellen til mindre molekyler, der så er i stand til at passere membranen. Den videre fordøjelse sker derefter ved hjælp af enzymer, der befinder sig i cytoplasmaet.

Eukaryoter Opbygningen af de eukaryote celler er kompliceret sammenlignet med opbygningen af de prokaryote celler. Eukaryote celler er først og fremmest meget større, 10-100 µm i diameter. Visse celler kan dog være meget større, fx er nerveceller i hvaler og giraffer mange meter lange. Den store størrelse kræver en langt højere grad af organisering af cellen. Eukaryote organismer kan både være encellede og multicellulære. Eksempelvis er amøber, visse alger og gærceller eukaryote encellede organismer, og de er ikke differentierede. Højere planter og dyr er multicellulære med differentierede celler. I dyrecellerne opretholdes cellens struktur af et system af proteinfibre og rør, som kaldes cellens cytoskelet. En del eukaryoter er selvbevægelige, fx sædceller, makrofager og amøber. Sædceller har en flagel, som ligner bakterieflageller. Makrofager og amøber bevæger sig vha. bevægelser i cytoskelettet. Mange dyreceller er indlejret i en proteinmatrix, som de selv har produceret. Plantecellerne opretholder deres struktur vha. en stiv cellevæg, som er opbygget af carbohydrater (kap. 6).

MOLEKYLÆRBIOLOGI OG BIOKEMI – TEORI OG METODE

Organeller Eukaryote celler indeholder en række organeller, som er afgrænsede legemer med specialiserede funktioner. Organeller afgrænses mod resten af cellen med cellemembraner, på samme måde som cellen selv afgrænses mod omverdenen af plasmamembranen. De stoffer, der er indlejret i organellernes membraner, er forskellige fra de stoffer, der er indlejret i plasmamembranen. Både planter og dyr er eukaryote, men de adskiller sig fra hinanden på forskellige områder. De grønne planteceller indeholder fx kloroplaster (grønkorn) (se kap. 14), som er de organeller, hvor sollys, CO2 og vand omsættes til sukker. Plantecellerne er desuden omgivet af en stiv cellevæg, det er dyreceller ikke. I figur 1.7 ses tegningerne af en plantecelle og en dyrecelle. Organellerne, som beskrives i det følgende, ses på figuren. Figur 1.7 Eukaryote celler a) Typisk dyrecelle b) Typisk plantecelle

Plasmamembran Peroxisom

Cytoplasma Cellekerne Nukleolus Ribosomer ER Vesikler Golgiapparat Lysosom Centrioler

Mitokondrie

Flagel

Typisk bakteriecelle i samme målestok

Mitokondrie

Plasmamembran

Cytoplasma

Peroxisom Kloroplast Ribosomer Golgiapparat

Vakuole

ER Cellekerne Nukleolus Cellevæg

Molekylærbiologi og biokemi – teori og metode

Teori og metode

Hvert kapitel indeholder teori og laboratorietekniske metoder og afsluttes

Molekylærbiologi og biokemi

ternes efteruddannelse, men kan benyttes af alle, der skal introduceres til

Bodil Stilling · Inger Dahl Krabbe · Margit Mølgård Hvilsom

Molekylærbiologi og biokemi Teori og metode 4. udgave

Molekylærbiologi og biokemi – teori og metode er skrevet af Bodil Stilling, Inger Dahl Krabbe og Margit Mølgård Hvilsom.

ISBN 978-87-571-2879-6

978-87-571-2879-6

Molekylaerbiologi_omslag_tryk_2.indd 1

praxis.dk

varenr. 44049-1

PRAXIS — Nyt Teknisk Forlag

21-03-2017 11:22:30