The Cell

1. The Cell • Kurslitteratur: Purves, Sadava, Orians & Heller; LIFE The Science of Biology (6. el 7. upplagan) • Kap. 2-7 • Nätupplaga hittas på adressen www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

2. Innehåll • Inledning • Små molekyler • Stora molekyler • Cellen • Cellmembranen • Energi, enzymer och metabolism • Metaboliska processer i cellen

3. 1. Inledning Från atomer till biosfären: Atom  Molekyl  Cell  Vävnad  Organ  Organism  Population  Samhälle  Ekosystem  Biosfär Fig. 1.6 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

4. 2 Små molekyler • All materia består av atomer • Atomer är alltid neutralt laddade (har lika många protoner som elektroner) Fig. 2.2 Heliumatomen www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

5. Ett grundämne består av samma slags atomer • Viktigaste grundämnen i människas kropp: kol, väte, kväve, syre, fosfor och svavel (98 % av biomassan) • Atomer identifieras på basen av hur många protoner de har = atomnummer • Alla atomer förutom ”vanligt” väte har en eller flera neutroner i sin kärna • Summan av protoner och neutroner i en atoms kärna = massnummer

6. Isotoper Fig 2.4 • Samma grundämne men olika antal neutroner, dvs. olika massnummer och olika vikt • Normalt förekommer isotoperna i ett visst förhållande till varandra • Ett ämnes atomvikt är medeltal av isotopernas atomvikter med hänsyn till deras förekomst • Ex. H atomvikt = 1,008 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

7. Elektroner • Står för reaktiviteten hos ett ämne • Alla kemiska reaktioner uppstår genom ett utbyte av elektroner • Elektronorbital: det utrymme där en elektron förekommer åtminstone 90% av tiden • Elektroner snurrar alltid runt sin egen axel, medsols eller motsols • En given orbital kan fyllas med två elektroner med motsatt spinn

8. Orbitaler bildar olika lager runt kärnan Fig. 2.7 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

9. Kemiska bindningar • Genom att dela på elektroner kan två atomer länkas samman • En molekyl består alltid av två eller flera atomer • Kovalent bindning = när två atomer delar lika på elektroner • Enkel bindning = ett par e delas (2 e) • Dubbelbindning = två par e delas (4 e) • Trippelbindning = tre par e delas (6 e) • H, C, O och N bildar de starkaste kovalenta bindningarna, viktiga i levande material

10. Fig. 2.8 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

11. Molekyler • Består av flera atomer som hålls samman genom kemiska bindningar • Grundämnesmolekyl = samma slags atomer • Kemisk förening = olika slags atomer • Molekylformeln visar hur många atomer av varje ämne det finns i molekylen • Skrivs nere till höger, ex. Metan CH4 består av 1 kolatom och 4 väteatomer • Strukturformeln berättar hur atomerna är bundna till varandra

12. Molekylvikt = summan av atomvikterna • Molekylvikten ger den relativa storleken hos en molekyl Fig. 2.9 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

13. Joner och jonbindningar • Många ämnen joniseras i vatten, dvs. bindningarna mellan atomerna bryts och atomerna blir elektriskt laddade = joner • Katjoner = joner med positiv laddning • Anjoner = joner med negativ laddning • Ex. HCl i vatten  H+ + Cl- (stabila jonerty bådas yttre skal är fyllda) • Grupper med atomer kan också bilda joner • Ex. NH4+, SO42-

14. Ex. NaCl består av Na+ och Cl- joner Bindningarna bygger på elektrisk attraktion, atomerna delar egentligen inte på elektronerna utan ena jonen har e-paret hela tiden Löser sig lätt i vatten Jonbindningar bryts lättare än kovalenta bindningar • Joner med motsatt laddning attraherar varandra = jonbindningar Fig. 2.13 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

15. Vatten, H2O • Den biologiskt viktigaste föreningen • Ingen organism kan leva ett biologiskt aktivt liv utan vatten • Vatten löser många ämnen • De biologiskt intressanta reaktionerna sker i vatten • Deltar också i många viktiga reaktioner • Vatten kan joniseras (i mycket liten grad) H2O  H+ + OH- • Dessa joner deltar i många viktiga kemiska reaktioner

16. Polaritet • I polära molekyler är laddningen inte jämnt fördelad i den kovalenta bindningen • Ex. I H2O dras e-paret mera till syreatomen (syre är mera elektronegativt, ty syre har 8 protoner, medan H har endast 1 var) • Syre får då en negativ delladdning medan vätena får positiva delladdningar • Polariteten gör vattnet till ett bra lösningsmedel • Metan är icke polärt, e-paret är jämnt fördelat mellan atomerna. Fig. 2.11 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

17. Vätebindningar • Pga. vattnets polaritet blir vattenmolekylerna attraherade till varandra • 1/10 av de kovalenta bindningarnas styrka • Spelar en stor roll vid bildandet av stora molekyler, t.ex. proteiner och DNA Fig. 2.12 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

18. Interaktioner mellan icke polära molekyler • Uppstår när oladdade molekyler kommer så nära varandra att deras elektronmoln kommer i kontakt med varandra • Elektronerna hos en molekyl attraheras då svagt av kärnorna i den andra molekylens atomer • Kallas van der Waals-interaktion • Viktiga i stora molekyler

19. Hydrofob interaktion • När icke polära molekyler förs samman i t.ex vatten för att minimera kontakten med vatten, t.ex.olja i vatten bildar droppar • Hydrofob = skyr vatten • Hydrofil = tycker om vatten

20. Kemiska reaktioner • När atomer går samman eller molekyler byter bindningar med andra molekyler sker en kemisk reaktion • Under reaktionens gång sker en uppspjälkning av de kemiska bindningarna och nya bildas • Vid reaktioner sker energiförändringar • Exoterm reaktion = energi frigörs (spontan) • Endoterm reaktion = energi binds (energi måste tillföras för att reaktionen skall ske) • Ex. förbränning av propan C3H8 + 5 02 3 CO2 + 4 H20 + energi

21. Fig. 2.15 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

22. Organiska föreningar • Innehåller alltid kol • De enklaste organiska föreningarna är kolväten • Metan CH4 • Etan CH3-CH3 • Propan CH3-CH2-CH2 • Dessa är mättade kolväten, har endast enkelbindningar • Omättade kolväten har en dubbelbindning och kan reagera med väte • Ex. CH2=CH2 + H2 CH3-CH3 • Fleromättade kolväten har flera dubbelbindningar • Kolväten är brännbara, oljiga och icke polära (löser sig inte i vatten)

23. Funktionella grupper • Hydroxylgrupp –OH = alkohol • Karbonylgrupp • Aldehyd –CHO • Keton –COR (–COCH3) • Socker innehåller –OH och karbonylgrupp • Karboxylgrupp –COOH = syra • Aminogrupp –NH2 = amin (baser) • –SH grupp; viktig i proteiner • Fosfatgrupp –O–PO32- ; viktiga i reaktioner som överför energi Fig. 2.20 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

24. 3 Stora molekyler • Makromolekyler • Fyra olika: proteiner, nukleinsyror, kolhydrater och lipider • Har en molekylvikt över 1000 • Är polymerer = bildas genom att många små molekyler (monomerer) går samman • En oligomer innehåller endast några få monomerer • Makromolekyler bildas av monomerer i kondensations- och dehydreringsreaktioner • Ex. A-H + B-OH  A-B + H2O • Vatten spjälks bort • Energi måste tillföras

25. Fig. 3.3 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

26. Proteiner • Bildas av aminosyror (aa) • Proteiner har många viktiga uppgifter i kroppen: • Finns i membraner (utgör kanaler) • Finns i huden, ben och senor • Viktiga för immunförsvaret • Enzymer • Det är proteiner i muskelceller som står för kontraktionen

27. Aminosyror • innehåller en karboxylgrupp och en aminogrupp bundna till samma kolatom (kallas -kol). Till samma kol är även en H-atom och en sidokedja (R) bunden. • 20 olika aminosyror utgör byggstenarna för proteiner • Är alla lika förutom ifråga om sidokedjan, som är olika hos alla • Aminosyror är samtidigt både syror och baser • Sidokedjorna står för de kemiska egenskaperna, dvs. de är de reaktiva grupperna • Inbördes rangordning hos sidokedjorna bestämmer proteinets 3D struktur • Olika sidokedjor: • 5 elektriskt laddade (hydrofila), både + och - • 5 oladdade men polära (hydrofila) • 7 opolära (hydrofoba) • 3 specialfall (normalt hydrofoba)

28. Tab 3.2 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

29. Två leucinsidokedjor kan bilda en disulfidbrygga som är en kovalent bindning • Disulfidbindningen är viktig i många proteiner Fig. 3.4 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

30. Peptidbryggor • Binder samman aa-monomererna till polymerer (=proteiner) • Karboxylgryppen hos en aa reagerar med aminogruppen hos en annan aa, vatten spjälks bort och det bildas en peptidbrygga Fig. 3.5 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

31. En linjär polymer av aa kallas för polypeptid • Ett protein består av en eller flera polypeptider • I ena ändan av en polypeptid finns en fri aminogrupp = N-ändan • I den andra ändan av polypeptiden finns en fri karboxylgrupp = C-ändan • Proteinerna har en riktning • Ex. N-glycin-alanin-C olika N-alanin-glycin-C

32. Proteinstrukturens nivåer • Primärstruktur • Den exakta sekvensen av aa i en linjär polypeptid • Sekundärstuktur • Består av reguljära, upprepade mönster hos olika delar av polypeptidkedjan • -helix (en högervriden spiral), -plattor, trippelhelix • Tertiärstruktur • Det slutgiltiga utseendet hos en polypeptidkedja • Kvartiärstruktur • Hos proteiner med en eller flera polypeptidkedjor • Beskriver hur dessa kedjor förhåller sig till varandra

33. www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/ Fig. 3.6

34. Kolhydrater (H-C-OH) • Det finns tre grupper av kolhydrater: • Monosackarider • Enkla socker, består av en monomer • Glukos (C6H12O6), fruktos, mannos, galaktos • Pentossocker (har 5 kolatomer): • Ribos, finns i RNA • Deoxyribos, finns i DNA • Disackarider • Består av 2 monosackarider • De binds kovalent till varandra genom en glykosidbindning (-O-) • Maltos C12H22O11 består av 2 glukos - H2O • Sackaros, består av glukos + fruktos • Laktos, består av glukos + galaktos

35. Fig 3.15 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

36. Polysackarider • Kan bestå av upp till 1000 olika glukosenheter • Stärkelse och cellulosa • Glykogen • Fungerar som energireserv i lever och muskler • Kan brytas ner till glukosmonomerer, då frigörs energi

37. Fig. 3.16

38. Lipider • Olösliga i vatten, löser sig i organiska (opolära) lösningsmedel, t.ex. Eter • Frigör stora mängder energi när de bryts ner • Fosfolipiderna är viktiga i cellmembraner • Fungerar som barriärer för polära ämnen såsom joner, socker och aminosyror • Lagrar energi i form av fett • Isolerar nerver

39. Triglycerider • enkla lipider • Fetter = fasta vid rumstemperatur • Oljor = flytande vid rumstemperatur • Består av två slags byggstenar: 3 fettsyror och en glycerolmolekyl • Fettsyra = Karboxylsyror med långa kolvätekedjor • Glycerol = en liten alkohol med 3 -OH grupper • Typiska fettsyror: Palmintrinsyra och stearinsyra (mättade) samt lineolsyra (fleromättad)

40. Fig. 3.18 Syntes av en triglycerid www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

41. Fosfolipider • Bildas av en glycerol-molekyl, två fettsyror och en fosfatgrupp • Fosfatgruppen är laddad = hydrofil grupp • Fettsyrorna är hydrofoba • Viktiga i biologiska membraner där de bildar ett dubbellager av lipider Fig 3.21 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/ Fig. 3.20

42. Karotener • Ljusabsorberande pigment • Ex. -karoten (deltar i fotosyntesen) • I en människa kan en molekyl av -karoten brytas ner till två vitamin A molekyler. Av vitamin A kan vi sedan göra pigmentet rhodopsin som är viktigt för synen • Färgar bl.a. morötter och tomater • Steroider • Aromatiska • Ex. Hormoner; fungerar som kemiska signaler i kroppen • Ex. Testosteron, kortison • De flesta lipider kan tillverkas i kroppen men en del måste intagas med födan

43. Nukleinsyror • DNA = deoxyribonukleinsyra • En stor polymer som innehåller instruktioner för att tillverka proteiner (utgör det genetiska materialet) • RNA = ribonukleinsyra • Tolkar och utför instruktionerna i DNA • Nulkeinsyror bildas av nukleotider • Nukleotiderna består av ett pentossocker, en fosfatgrupp och en kväveinnehållande bas • I DNA och RNA finns fem olika nukleotider, baserna skiljer sig åt

44. Fig. 3.24 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

45. Ryggraden hos RNA och DNA består av alternerande socker och fosfat, baserna pekar ut från kedjan • Nukleotiderna binds samman med fosfodiesterbindningar mellan socker hos en nukleotid och fosfat hos nästa • De flesta RNA består av en enkel kedja • DNA består av en dubbelkedja • De två polynukleotidkedjorna hålls samman genom vätebindningar mellan baserna • Kedjorna är antiparallella, har olika riktning

46. www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/ Fig. 3.25

47. Baserna i DNA = adenin, cytosin, guanin och thymin • adenin=thymin, cytosinguanin • Purinbaser: adenin och guanin (stora baser) • Pyrimidinbaser: thymin och cytosin (små baser) • Genom att en bas endast kan para sig med en annan specifik bas får vi samma storlek på basparen, vilket möjliggör en effektiv kopiering av DNA-kedjorna • Baserna i RNA: adenin, guanin, cytosin och uracil • När RNA kopierar DNA binder (RNA) adenin till thymin (DNA) uracil till adenin guanin till cytosin cytosin till guanin

48. DNA molekylen bildar en dubbelhelix • Ser alltid likadan ut • Är en informativ molekyl som lätt kan kodas Fig. 3.27 www.whfreeman.com/thelifewirebridge2/

49. 4 Cellen • Grunden för allt liv • Består av mindre enheter = organeller • Alla levande organismer består av celler och en cell kan endast bildas genom att en modercell delar på sig • Cellernas utseende och storlek varierar med funktionen • Cellernas gemensamma karaktärer: • Upptar och omvandlar energi • Överför den genetiska informationen i DNA till proteiner • Separerar oförenliga biokemiska reaktioner m h a olika strukturer • Omges av en plasmamembran • Det finns två celltyper: prokaryota och eukaryota

50. Prokaryota organismer • Finns inom rikena Eubakterier och Ärkebakterier • Består av en cell som saknar kärna och inre membranombundna strukturer • Cellen består av (alla har): • En plasmamembran som separerar cellen från omgivningen och bestämmer vad som kommer in i cellen och vad som far ut • Nukleoid(er) som innehåller DNA • Cytoplasma fylld med ribosomer, de utför proteinsyntesen. I cytoplasman finns även enzymer och andra av cellens kemiska föreningar