Overordnet m?l
Semesteret best?r av 19 uker undervisning og en uke evaluering. De 19 ukene er viet cellebiologi.
Som undervisningsenhet er cellebiologi et relativt nytt fag. I medisinerstudiet ble det f?rst innf?rt som egen blokk i 1991, ved at vi slo sammen elementer fra ulike fagomr?der som tidligere var undervist hver for seg. Integreringen av ulike fag i et felles semester var en logisk f?lge av de siste to ti?rs store tilfang av ny basal kunnskap der hvert av fagene har konvergert mot et felles fundament. Du vil m?te l?rere fra ulike fagfelt - anatomi, biokjemi, fysiologi, genetikk, klinisk kjemi, patologi og virologi, samt forskere fra Det norske Radiumhospital. Men selv om de er tilknyttet ulike institutter, driver de forskning med tildels utstrakt overlapping mht til metoder og typer av problemstillinger. I den forstand er de alle cellebiologer.
Det betyr ikke at cellebiologi er et homogent fag. Fremdeles er det naturlig skille ut separate hovedelementer, som metabolismebiokjemi, molekyl?rbiologi inkl genteknologi, molekyl?rgenetikk, generell cellebiologi og generell histologi. Faget hviler p? kjemi. Vi har flettet noe kjemiundervisning inn i de ulike ukene, men forutsetter at du har solide kjemikunnskaper.
L?ringsm?l i cellebiologi
Helt frem til v?r tid har det virket umulig, n?rmest provoserende ? pr?ve ? forklare liv, inklusive oss selv og v?r bevissthet, som resultat av fenomener grunnlagt p? en ren materiell virkelighet, styrt av fysikkens og kjemiens lover. Den vitenskapelige prosess er likevel drevet frem av at det er mulig ? finne naturlige forklaringer p? selv de mest kompliserte fenomener.N?r vi i dag mener ? kunne hevde at liv, og alle de fenomener som er knyttet til levende organismer, har naturlige forklaringer og at vi faktisk langt p? vei kjenner disse, er ikke dette uttrykk for ekstrem reduksjonisme i betydningen at alt kan utledes av fysisk-kjemiske lover.
Utgangspunktet for v?re forklaringer er en hierarkisk ordning av fenomenene, der fenomener p? h?yere niv?er oppst?r som resultat av spesiell organisering av lavere niv?ers bestanddeler. Med stikkord kan ulike niv?er f eks angis slik: atomer molekyler makromolekyler supramolekyl?re komplekser og organeller celler vev organer organismer samfunn av individer. Vi kan finne naturlige forklaringer n?r vi g?r ovenfra og nedover i hierarket, men kan vanligvis ikke g? motsatt vei. Som eksempel, n?r vi n? kjenner strukturen av arvestoffet, DNA, kan vi forklare formering av det ut fra rent fysisk-kjemisk termer, men det var ikke mulig bare med kjennskap til det periodiske system og kjemiens lover ? forutsi DNA-strukturen og mekanismene for formering av arvestoff. Det at nye, ofte uforutsigbare, men likefullt naturlige fenomener oppst?r som resultat av m?ten lavere niv?ers bestanddeler er organisert p?, kalles "tilsynekomst" (eng. emergence).
Hovedm?let i cellebiologisemesteret er at du skal kunne forst? hvordan de mangfoldige fenomener som vi forbinder med liv - vekst, formering, energiomsetning, opptak og avgivelse av n?dvendige stoffer, informasjonsoverf?ring, bevegelse og differensiering - p? denne m?ten har naturlige forklaringer, som "tilsynekomst" ved organiseringen av molekyler. Du skal l?re at organiseringen p? sin side hviler p? to grunnleggende, men enkle prinsipper: p? lavere niv? "selvsamling" av molekyler og molekylkomplekser, og p? litt h?yere niv? det vi kaller "selvorganisering", og du skal l?re at den har oppst?tt gjennom evolusjon ved naturlig seleksjon av selvreplikerende enheter. Ettersom den minste enhet for selvstendig liv er cellen, medf?rer dette inng?ende studier av hvordan cellen er bygget opp og fungerer.
Det betyr ikke at vi mener at alle medisinske problemer i siste instans kan henf?res til fysikk og kjemi, men at ulike problemer krever ulike typer forklaringer p? ulike organiseringsniv?er. Det tjener f eks ingen hensikt ? pr?ve ? forklare f eks h?ydeskrekk ut fra kjemi, mens derimot f eks blodsykdommen sigdcelleanemi bare kan forst?s ut fra proteinkjemi. Mange, og etter hvert et ?kende antall sykdommer, kan i dag forklares p? cellul?rt og molekyl?rt niv?. Videre g?r f eks mye av en leges praktiske virksomhet ut p? behandling med medikamenter, hvilket krever noenlunde sunne oppfatninger av hva vi gj?r og av virkningsmekanismer.
En av legens mange roller er humanbiologens. I den rollen har det du l?rer i dette semesteret egenverdi. I tillegg skal undervisningen danne fundament for mye av ditt arbeid i senere semestere, med organismens normalbiologi, patologi og sykdomsl?re, inklusive mikrobiologi.
I det f?lgende gir vi en oversikt over hva som foreg?r i semesteret, i form av en relativt sammenhengende beskrivelse. Vi h?per at du dermed kan f? innsikt i tankegangen bak sammensetningen og rekkef?lgen av temaer. Deretter f?lger en stikkordliste over temaer uke for uke.
Hovedstruktur og faglig innhold
Oversikt over cellebiologiundervisningens innhold
Cellen er den minste enheten for liv, og cellebiologi derfor l?ren om de grunnleggende livsprosesser. Men hva er egentlig liv? Tross mangfoldet av sv?rt forskjellige livsformer p? jorden, har vi stort sett ikke problemer med ? skjelne levende organismer fra ikke-levende ting. Hva har s? levende vesener felles?
Et stykke p? vei kan liv beskrives i rent fysisk-kjemiske termer. S?ledes er alle kjente livsformer karakterisert ved h?y grad av kompleksitet, de er basert p? molekyler bygget opp av karbonkjeder, finnes kun i vandige l?sninger, og nukleinsyrer danner arvestoffet. Selv om listen kunne gj?res lengre og mer fyldestgj?rende, f?ler de fleste av oss intuitivt at denne type karakteristikk er utilstrekkelig, at liv er mer enn fysikk og kjemi, at det i tillegg er ulike funksjonelle egenskaper og m?lrettede aktiviteter. P? andre kloder finnes det muligvis helt andre livsformer. Om vi noensinne m?ter dem, hvordan skal vi erkjenne dem som levende? Problemstillingen er ikke rent tankespinn; den er aktuell ettersom det er holdepunkter for at liv eksisterer eller har eksistert p? Mars. Dessuten kan den danne utgangspunkt for ? klarlegge grunnleggende kriterier for liv.
Den mest grunnleggende egenskapen er evnen til reproduksjon. Formeringsevne er imidlertid utilstrekkelig som eneste kriterium; under egnede betingelser har ogs? krystallinske stoffer som vi avgjort ikke vil kalle levende, evne til ? mangfoldiggj?re seg. For ? skille levende organismer fra ikke-levende krystaller krever vi derfor at levende organismer ogs? skal kunne p?virke og forandre molekyler i omgivelsene for ? fremme sin reproduksjon. Dette tilleggskriteriet reflekterer at levende organismer til en viss grad har frigjort seg fra snevre milj?krav.
Utgangspunkt for moderne biologi er likevel at levende organismer er bygget opp av atomer og molekyler og langt p? vei kan beskrives gjennom kjemiens spr?k, der de funksjonelle egenskapene oppst?r som resultat av spesiell organisering av visse typer molekyler. I vidt perspektiv er det s?ledes molekylkomplekser som formerer seg. N?r det gjelder livet p? jorden, er molekylene som formerer seg kjeder av nukleinsyrer, f?rst og fremst deoksyribonukleinsyrer, DNA. Formering av DNA kalles replikasjon. Vi kaller derfor DNA-molekylene replikatorene. De bruker for det meste en annen gruppe molekyler til ? p?virke og forandre omgivelsene ved ? katalysere kjemiske reaksjoner.
Disse katalysatorene er proteiner, som er kjeder av aminosyrer hektet sammen p? basis av informasjon i replikatorene. For ? forst? grunnlaget for liv, inklusive oss selv, m? vi derfor vite hvordan replikatorene og katalysatorene, dvs nukleinsyrer og proteiner, er bygget opp og virker, og forst? organiseringen av og samspillet mellom dem. Dette samspillet ligger til grunn for alt liv p? jorden. Det utgj?r derfor semesterets hovedtema og kommer inn i mange av ukene.
Livet ble utviklet i vann og alle grunnleggende funksjoner i cellene er tilpasset vandig milj?. Men for at cellens mange bestanddeler skal holdes sammen til en funksjonell enhet, er det n?dvendig ? avgrense cellen mot det omgivende vannet. Dette er cellemembranens oppgave. De fleste av cellemembranens molekyler tilh?rer en gruppe organiske molekyler som vi kaller lipider. Cellemembranen er langt mer enn en passiv pose rundt cellen; proteiner innleiret i membranen s?rger bl a for selektivt opptak av n?ringsstoffer og feste til og kommunikasjon med omgivelsene. Cellemembranens bygning og funksjon behandles i uke 1.
Gjennom serier av kjemiske reaksjoner omdanner katalysatorene molekyler i omgivelsene til byggestener som brukes til ? formere replikatorene og katalysatorene. Syntesereaksjonene utgj?r en sentral del av levende organismers stoffskifte. Stoffskifte er s?ledes et kriterium for liv. Dette kriteriet er ikke selvsagt. Vi har replikasjonsenheter, som til en viss grad ogs? inneholder informasjon om katalysatorer, men som ikke har selvstendig stoffskifte og i stedet snylter p? levende organismer og deres stoffskifte. Eksempler er virus, som vi f?lgelig ikke betegner som levende.
Stoffskiftet bidrar ikke bare til ? produsere byggestener, men ogs? til ? produsere n?dvendig energi for ? drive biosyntesereaksjonene. Energibegrepet er imidlertid ikke uproblematisk; det ser vi av den f?rste termodynamiske lov, som sier at den totale energimengde i et lukket system er konstant. Hvordan kan da energi sies ? drive kjemiske reaksjoner i bestemte retninger? Svaret gis av den andre termodynamiske loven, som innf?rer et annet begrep, entropi. Cellens stoffskifte er tema i ukene 2, 3 og 4, som inkluderer kort repetisjon av energi- og entropibegrepene.
Fra livets begynnelse for knapt fire milliarder ?r siden har det skjedd en utvikling med fremkomst av et enormt antall ulike organismer, hvorav mange er sv?rt komplisert bygget. Denne utviklingen i retning av ?kt mangfold og kompleksitet kalles evolusjon og reflekterer arvestoffets, replikatorenes, evne til ? underg? forandringer, mutasjoner. Mutasjonene gir opphav til variasjon blant replikatorene. Denne variasjonen er i neste omgang ?rsak til noe ulik evne til overlevelse og formering, som dermed blir gjenstand for "naturlig seleksjon" og evolusjon. Som vi skal se er de fleste mutasjoner skadelige, og cellene har utviklet sofistikerte mekanismer, s?kalt DNA-reparasjon, for ? rette opp mutasjoner. I uke 5 skal vi studere replikatorenes oppbygning, hvordan de formerer seg og hvordan skader repareres, og i uke 6 og 7 hvordan de inneholder informasjon om proteiners struktur. Skadelige konsekvenser av mutasjoner og kartlegging av mutasjoner behandles ogs? i uke 7. De siste tyve ?rene er biologien revolusjonert gjennom utvikling av teknologi for ? unders?ke og manipulere DNA-sekvenser. Genteknologi er tema i uke 8, der vi ogs? ser p? genetiske polymorfismer, dvs normal genetisk variasjon i befolkningen.
Det tok mer enn to milliarder ?r f?r moderne celler, som utgj?r byggestenene i flercellede organismer, oppsto. Disse "nyere" cellene er karakterisert ved at de er delt opp ved hjelp av membraner i kamre med ulike funksjoner. Et av kamrene kalles cellekjerne, derav betegnelsen kjerneholdige eller eukaryote celler. Denne kammerdelingen av celler er tema for uke 9. Som vi skal se i uke 10, har eukaryote celler ogs? et sofistikert indre celleskjelett som danner reisverk og gir opphav til bevegelser av cellen. Som ledd i utvikling av flercellede organismer var det videre n?dvendig med ulike mekanismer for ? holde celler sammen, dels ved hjelp av ulike cellekontakter, dels ved hjelp av at cellene skaper et ytre reisverk i n?rmilj?et. Dette er tema i uke 11. Evolusjonsl?ren utgj?r det teoretiske fundamentet for moderne biologi. Gjennom den kan vi forklare hvordan m?lrettede aktiviteter og funksjonelle egenskaper kunne oppst? fra ikke-levende materie. Tidligere var evolusjonsl?ren henvist til observasjoner av ytre former av n?levende og utd?dde arter. Variasjon av ytre former gjenspeiler ulik informasjon i replikatorene. Med moderne molekyl?rbiologiske teknikker kan vi n? studere DNA-molekylenes informasjon direkte og avlede utviklingsforl?p og slektskap mellom artene fra dem. Omvendt, n?r forskerne finner frem til nye sekvenser av DNA og proteiner, er det n?dvendig ? finne hvor i det molekyl?re utviklingstreet sekvensene h?rer hjemme. Dette er en av hovedoppgavene til bioinformatikken, som de senere ?r har hatt en enorm vekst i kj?lvannet av det humane genomprosjektet. Molekyl?r evolusjon, det humane genomprosjektet og bioinformatikk er temaer i uke 12.
Det tok mer enn tre milliarder ?rs evolusjon ? frembringe flercellede organismer, sammensatt av forskjellige celletyper med ulik funksjon. Mens de 12 f?rste ukene vesentlig er viet den enkelte celle, g?r vi i de siste ukene over til ? studere samvirket mellom cellene i flercellede organismer. I uke 13 skal vi se at ulike vev og organer har forskjellige oppgaver i stoffskiftet, og at det er n?dvendig ? samordne disse oppgavene. Foruten stoffskifteprosesser er ogs? en lang rekke andre oppgaver fordelt mellom ulike vev og organer. En hoved?rsak til at evolusjonen tok s? lang tid p? ? frembringe flercellede organismer er at samordningen av de ulike aktivitetene krever sofistikerte systemer for kommunikasjon og regulering. I uke 14 og 15 studerer vi kommunikasjonen mellom cellene i den flercellede organismen, og i uke 16 og 17 regulering av celledeling og -d?d, samt hvordan reguleringsmekanismene kan svikte slik at vi f?r ukontrollert vekst, som leder til kreft.
I flercellede organismer er videref?ring av replikatorene overlatt til spesialiserte celler, kj?nnscellene. De fleste flercellede organismer formerer seg seksuelt, dvs ved sammensmelting av kj?nnsceller fra to individer med ulikt kj?nn. I uke 18 og 19 skal vi se p? hvorfor seksuell formering er s? utbredt og f?lge trinnene fra dannelse av kj?nnsceller, via befruktningen til fremvekst av en flercellet organisme med ulike spesialiserte celler, vev og organer. Vi skal ogs? studere prinsipper for differensiering av celler og for morfogenese, dvs hvordan de ulike delene av kroppen utvikles forskjellig. Et av livets undre er nettopp hvordan informasjon i replikatorene kan medf?re s? presis morfogenese at selv for s? kompliserte organismer som mennesket er avkommet nesten tro kopier av opphavet. N?rmest et under er det ogs? at denne kompliserte prosessen s? ofte blir vellykket. Av og til skjer det feil, blant annet som f?lge av skader p? replikatorene, ofte ved fordelingen av DNA-molekylene under dannelsen av kj?nnscellene. Vi avslutter semesteret med ? se p? hvordan ulike typer DNA-skader og kromosomfeil kan gi opphav til sykdommer og misdannelser, og hvordan vi p? et tidlig tidspunkt kan finne ut om det foreligger skader ved prenatal diagnostikk.
N?r vi i dag begynner ? f? en mer helhetlig forst?else av cellens biologi, og dermed av selve fenomenet liv, skyldes det et eksplosivt kunnskapstilfang i celle- og molekyl?rbiologi de siste tyve ?rene. Det er en selvf?lge at moderne medisinere tilegner seg tilstrekkelig innsikt i cellebiologiens teoretiske fundament til ? f? del i denne helhetsforst?elsen. Den er i ferd med ? revolusjonere v?rt syn p? liv som fenomen, og dermed ogs? v?rt syn p? oss selv. Og som vi skal se gjennom eksempler i l?pet av semesteret, den er ogs? i ferd med ? revolusjonere praktisk medisinsk diagnostikk og terapi.