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BIO1140 (690)
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KMG BIO1140 Notes

48 Pages
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Department
Biology
Course
BIO1140
Professor
Kathleen Gilmour
Semester
Winter

Description
Intro to Cell Biology 01/10/2014 The Cell is the fundamental unit of life, obviously. Cell Theory I. All organisms consist of one of more cells II. The cell is the basic unit structure for all organisms (Theodor Schwann, Matthias Schleiden) III. All cells arise only from pre­existing cells (i.e. the cell is the basic unit of reproduction) What is a cell? Has a membrane to keep it all together Self­replicating Cytoplasm  Holds the genetic code (DNA/RNA) Needs ATP for energy Can one speak of the cell? Enormous diversity in form, function and size Simple to complex shapes (smooth vs. rough, neurons, etc) 200nm to 13cm; can be very long (spine) (ex, an ostrich egg) shape often reflect function jack­of­all­trades to extreme specialization Similar basic chemistry (unity) Similar chemical composition Metabolism; use of ATP as the cellular energy currency Use of DNA for genetic information Can’t survive on their own without a group of cells unless provided with a specific environment High surface area needed for transport and gas exchange Muscle cells have high levels of mitochondria Size? Prokaryotes: 1­5 micrometers Eukaryotes: 10­30 nanometers Why are cells small? SA:V ratios so that the most amount of things can exchange through the membrane while being able to  have enough volume to be able to contain all the things As the cells get larger, they get less SA:V ratios Rates of diffusion Random Brownian(?) motion As distance get larger, the time of diffusion require gets rapidly larger If you had a 1m cell, it would take 78 days for an oxygen atom to go through membrane Adequate concentrations or synthetic capacity For any biochemical reaction to occur, you need enough of the substrates to achieve the expected result As the cell gets larger, it become near impossible to generate enough substrates to achieve the result Prokaryotic (before the nucleus) Cells: Deal with limitations by staying small Simple structure, therefore can be small; plasma membrane (cell wall), cytoplasm that lack organelles  (cyanobacteria possess photosynthetic membranes), ribosomes, nucleoid, flagellum REVIEW ARCHEANS AND BACTERIA Archeans: Extremophiles; acidic/hot environments etc. salty conditions: halophiles Bacteria: E. coli etc Model organism is E. coli, means it’s primarily used in labs to test, we know the most about this bacteria Pathogenic E. coli is bad, but we do have good E. coli in our guts They divide quickly under perfect conditions, 20 minutes per division Insulin is produced now by E. coli by genetic modification Eukaryotic cells: Protists (single­celled, amoeba), fungi, animalia, plants Much more complex, and has a nucleus With all the extra organelles, they can overcome the issue of larger size. They compartmental reactions in  organelles to achieve efficient SA:V Have transport system (cytoskeleton, motor proteins, microfilaments ▯ much faster than diffusion) Much more efficient at harvesting energy than prokaryotes thanks to mitochondria LEARN ORGANELLES Model Organisms of Eukaryotes: KNOW THEM ON OWN Mouse Most often chosen for biomedical research as substitute for humans Happy to live in high number in small cages Reproduces rapidly, 3 months Zebra fish Developmental biologists/biomedical Has properties that medical researchers want humans to have Regenerate heart cells, we want it External fertilizations, embryos readily accessible Embryos are clear, so you can see what’s happening 48 hours to hatch juveniles reach maturity in 3 months Yeast (fungus; baker’s or brewer’s) Models need to be easy to grow in lab, therefore it is used Metabolic pathways that are more complex Arabidopsis Weed that belongs to mustard family For a plant, it has a relatively small genome Plants usually have really complex genome Nematode Exactly 959 cells in it’s body, and we know pretty much know the structure and pattern of each cell The soil wiggly things Grow in a petrie dish Shares a number of characteristics with human Ages Fruit fly Genetics are well steadied Easy to grow Relatively small vials Reproduce rapidly In many cases, difference in genetics are able to separate the offspring based on different phenotypes  produced (eyes, etc) Endosymbiont Theory: Mitochondria and chloroplasts originated as prokaryotic cells that incorporated into an original host cell  (engulfed it; ate that muthfuckah) Chloroplast from later incorporation of cyanobacterium Evidence: fossil record Prokaryotes exist before eukaryotes, eukaryotes exist suddenly in fossil record Compare mitochondria and chloroplasts to prokaryotic cells Mitochondrion Similar size Double membrane, cristae Circular mDNA; smaller, simpler ribosomes Reproduce by binary fission Chloroplast Conversion of light energy to chemical energy (complex carbohydrates) Similar size Double membrane + thylakoids Circular cpDNA; simpler, smaller ribosomes Reproduce by binary fission Inner membrane is more prokaryotic in structure, outer membrane could have came from host Mitochondria and Chloroplasts shows more sequence homology with prokaryotic cells Endosymbiont seems plausible since there are present day symbiotic relationships, such as: Solar powered sea slug When it feeds on algae, rather than breaking down chloroplasts it incorporates it into its intestine, it will  eventually acquire a green tinge body (rather then brown) that makes use on it to absorb sunlight to use  photosynthesis Called Kleptoplasty Problem: each slug has to make its own symbiotic relationship, rather than passed down. The chloroplast  cells don’t divide, they just function How does Kleptoplasty differ from the endosymbiotic origin of chloroplasts? Doesn’t become genetically passed down (yet, could just be beginning) The sea slug acquires an organelle, compared to the single celled organism that over time became an  organelle Sea slug is multicellular organism and acquires chloroplasts in many cells, compared to the one cell gaining  another one cell The cytosol of Eukaryote cells is no more complex than that of prokaryote cells, the cytoplasm on the other  hand is more complex in Eukaryotes. Cell Membranes 01/10/2014 Fluid Mosaic Model Cell Membranes 01/10/2014 Singer and Nicholson 1972 Fluid lipid molecules in which proteins are embedded and freely float Functions Defines boundaries of the cell itself Selectively permeable ▯ only certain types of molecules can cross the barrier Water soluble molecules have a hard time getting through Localization and organization ▯ scaffolding for biochemical activities (enzymes) Regulation of solute transport In and out of cell and/or organelles Uphill or downhill Eg. Na+ Responses to external signals Could be extracellular fluid, true external environment Cell membrane contains proteins that function as receptors that allow the cell to sense and respond to the  world around it Cell­to­cell communication Anchored through membrane proteins to stay together Recognition, exchange of materials A typical membrane is 50/50 split between protein and lipid, although we can tell difference in membranes  based on the percentages: Cell Membranes 01/10/2014 Inner Mitochondrial membrane 76% protein, 24% lipid Plasma membrane of Schwann cell (myelin sheath) 18% protein, 82% lipid Structure Components are held together in a thin sheet by non­covalent bonds Lipid bilayer­ functions as the permeability bilayer Mosaic of proteins ▯ studded into the membrane held in place by non­covalent interactions and can  typically float around, responsible for specific functions of the membrane (transport proteins, etc) Roughly 10nm thick Combining proteins of cells of mouse and human with different colours, showed that the original cell could  move into the membrane into the other cell and emphasized the fluid nature of the proteins FRAP: Fluorescent Recovery After Photobleaching Bleaching a bald spot can see if it goes back to fluorescent or not intensity of fluorescence Cell Membranes 01/10/2014                                                time The Lipid Bilayer Gorter and Grendel, 1925 Key component of permeability barrier Composition Phosopholipids (amphipathic) Phosphoglycerides Glycerol backbone Hydrophilic head group: phosphate +chlorine, serine, ethanolamine 2  fatty acids; saturated and unsaturated Sphingosine Sphingosine backbone Hydrophilic head group: phosphate + choline, serine, ethanolamine 1  fatty acid Amphipathic molecules are ones that have both polar and non­polar regions on the molecule Cell Membranes 01/10/2014 Hydrophobic (tails) regions are clustered together Glycolipids Single sugars or oligosaccharides Antigens (eg. ABO Blood groups) Recognition signals for cells Found on the outside of membrane and have branches that extend out into the outer environment Sterols (steroids) Derivatives of 4­ringed hydrocarbon skeleton Absent from prokaryotes Cholesterol (animals, some protists) Phytosterols (plants) Ergosterol (fungi) Four rings extend inside the middle of the membrane layers with the hydroxyl (alcohol group) at the ends,  facing the environments The inner mitochondrial membrane and the inner boundary membrane of chloroplasts lack sterols, since  they are derived from prokaryotes Properties of lipid bilayer Assymetric Lipids distributed unequally between the two leaflets Established during membrane biogenesis Flip­flops vs. rotation and lateral diffusion Cell Membranes 01/10/2014 Flip­flop doesn’t happen too often since hydrophilic head would have to pass through core of membrane  (hydrophobic) Typically require an enzyme to have flip­flop, doesn’t happen by chance since not thermodynamically  favourable Sterols are typically distributed equally on both sides Membrane fluidity Can’t be too fluid Numb: membrane becomes too frigid and therefore can’t feel Fluid nature essential for function Fluidity reflects: C chain length and saturation Different lengths, high fluidity Unsaturated (non­single only, double bonds), more fluid Short chain, increase fluidity Head group polarity More polar, pack together nicely, less fluid High PC (non­polar):PE (polar) content will give less fluid membrane Buffering effects of sterols Temperature Colder temps cause membrane to be less fluid Fatty acid chains pack together Warmer temps, more fluid Cell Membranes 01/10/2014 Fatty acid chains grow farther apart, move more Homeoviscous adaptation Alterations in lipid composition to maintain membrane fluidity at different environmental temperatures Eg. Desaturase adds the amount of double bonds (enzyme) to fatty acids to counteract low temperature Eg. Fish going to warm water, it would normally increase fluidity, homeoviscous adaptation respond by ▯  higher PC/PE, lower fluidity Dietary Adjustments of fluidity: Semi­palmated sandpiper Spends winter in south America, arctic in summer, when it travels to south America it goes to Bay of Fundi  stays for two weeks and crosses Atlantic ocean for three days straight, non­stop Bay of Fundi rich in mudshrimp, with high contents of PUFA (Omega­3 fatty acids ▯ Poly unsaturated fatty  acids) and they eat it, and they gain weight As fat stores increased, flight muscle membrane increased Eating PUFA and incorporating them into their flight muscles Makes it easier to get fats into the flight muscles To prove if it was causation or correlation, they took a lazy bird, Quale, and fed it PUFA rich diet. Turned the  couch potato into a “super­bird” with their fat muscles Correlation: both happen to increase Causation: one is increasing because of the other one (dependent) Eg. A protest is moved from warm to cold water, it will decrease the length of the hydrocarbon tails in its  membrane phospholipids and decrease the proportion of phosphatidylcholine relative to  phosphatidylethanolamine. Membrane Proteins The mosaic components The proteins give it its specific functions, such as transport, enzymes, signal transduction,  attachment/recognition Cell Membranes 01/10/2014 3 types: integral, peripheral, lipid­anchored freely floating in the membrane, can move by lateral diffusion mobility is more variable, less mobile when anchored to things inside/outside the cell Integral membrane proteins: Buried in the membrane Go right thru the membrane; transmembrane proteins Have one domain that goes thru the membrane or could have several Amphipathic with one or more hydrophobic region Domains typically alpha­helix of 20­30 hydrophobic aa residues Hydrophilic membranes exposed to outer/inner environment Hydrophobic inside the membrane The only way to get them out of membrane is to break the membrane ▯ hard to study Peripheral membrane proteins: Found on one surface, inner/outer held by non­covalent interactions with membrane lipids, or other  membrane proteins Easy to disrupt, by changing pH, etc ▯ dynamic relationship (on and off membrane easy) Linking proteins that link membrane to cytoskeleton Lipid­anchored proteins: Protein that is covalently attached to lipids Cell Membranes 01/10/2014 Fatty acid anchored Protein that is covalently attached to fatty acid Protein that’s attached to it extends into the cytoplasm (attached to the cytosolic leaflet) G proteins ▯ cell signaling  GPI anchored proteins Glycosylophosphatidylinositol Covalently attached to carbohydrate, which is in turn covalently linked to external surface of cell Can break this bond by enzyme phospholipase C Only found on extracellular surface of cell  Eg. How can you use properties of membrane proteins to distinguished among integral, peripheral, and  GPI­linked Change pH to remove protein, if protein is still there, it is not peripheral Use phospholipase C, if protein comes off it is GPI, if it doesn’t it if integral To isolate the protein, you have to break the membrane to get it out by using a detergent (causes fats to  break up into globules, leaving you with protein of interest) Cant just break membrane apart because you won’t know what kind of protein it is Movement across membranes Relatively small polar molecules can go through membrane, if its too large it can’t get through (glucose) Charged molecules cannot get through (ions) since it carries water with it Membrane proteins can function as channels and carriers that can move solutes that are too large/polar Passive transport: Cell Membranes 01/10/2014 Simple diffusion Facilitated diffusion Active transport (use of ATP) Primary Secondary Pop Quiz: Fluctuating body conditions by changing lipid compositions in order to maintain the ideal membrane fluidity.  Without fluidity in a membrane, cell functions such as cell signal, transporting etc will not be present so the  organism will not survive. The mudshrimp is a particularly omega­3 rich organism, also known as poly unsaturated fatty acids  (PUFA). This matters because we can see the sandpiper eating it before its three day journey across the  ocean, showing that ingesting PUFAs will lead to a more active organism in birds (quale). This is due to the  increase in membrane fluidity, allowing fats to be able to diffuse into the cell. Causation is when one variable is affected and dependent on another variable, whereas correlation is a  piece of data that happens to have two variables that are randomly both in relation A peripheral membrane protein is located on the out or inner cell by non­covalent interactions and can  actively be broken off by something as simple as a pH change, where as a fatty­acid membrane protein has  covalent bonds, and only found on the extracellular part Transmembrane domain, a region of a proteins is where there is a hydrophobic amino acid. 20­30 amino  acid, that has a alpha helix secondary structure. A region of a protein made up of 20­30 alpha helix amino acids that holds proteins into the membrane Passive transport: Movement of the solute in random movements Driven by diffusion gradient (downhill) [abundant ▯ Less abundant] Concentration gradient, partial pressure gradients, electrochemical gradient (ions), osmotic gradient (water) Hypertonic: water moves out of the cell, leaving you with a shrunken cell Hypotonic: water moves into the cell, bloated cell [hippo = fat] Cell Membranes 01/10/2014 Simple diffusion: all, lipophilic molecules Facilitated diffusion: hydrophilic molecules, relies on channels or carrier proteins Partition Coefficient: ratio of solubility in organic solvent to that in water. Use to figure out whether you  expect the molecule to use simple or facilitated diffusion Facilitated Diffusion: Channel proteins Highly selective Leak: always open Gated: opens only when something comes in contact (eg. Voltage­gated, ligand­gated) Aquaporin: allows water to pass through. Even though water can get through the membrane anywhere, it is  slower when it passes by itself without the channel Carrier proteins Binds to a solute and triggers a conformation and shoots it into cell (like a little mouth) Uniporter transports one type a solute, co­transport at least two, and exchangers transport at least two but  in different directions Inhibitors Cell Membranes 01/10/2014 Direction of solute movement driven by gradient Neither facilitated nor simple diffusion show intrinsic directionality, molecules can move in either direction,  as long as its with the diffusion gradient. Active Transport: Molecule moves against gradient, pumping Intrinsic directionality, highly selective Primary active transport ATP hydrolysis (split ATP to ADP) directly linked to movement of molecule (solute) Several types P­type (phosphorylation) Once ATP hydrolyzed, that phosphate group transiently binds to the pump itself to allow it to pump solute  into the area where that solute is more abundant, then the phosphate group leaves (eg. Move cations,  Na+,K+­ATPase) V­type Vacuole pumps Move protons into the gradient, found on vacuoles and can also be found in plasma membrane No reversibly phosphorylated, it hydrolyzes ATP and that’s the end Membrane potential (Vm) Resting Vm is inside negative and reflects Na+ and K+ gradients, leak channels Inside is more negative than outside Potassium more abundant inside, and Na+ outside Excitable cells use changes in Vm as a signal Changes in ion conductance affect Vm Important cause it can be used as a communication signal Venus fly trap, when it catches it that mechanism is a change in membrane potential. Similar to our nerve  cells in action potential Eg. Na+ comes into cell and depolarizes the anions, making the cell less negative Cell Membranes 01/10/2014 A cell is treated with the Na+,K+­ATPase inhibitor ouabain. What happens to Vm? Vm slowly rises to approximately zero as Na+ and K+ gradients are lost If you inhibit the pump, there’s nothing to maintain the ion gradient, so it will enter the cell in its channel and  leave the cell in its channel until an equilibrium was established Secondary active transport Simultaneously transport of two solutes Two transport proteins involved One used normally (primary) then the second protein brings in the solute of interest in the wrong gradient  direction Moving two different solutes, one which is what the solute had been created out of in the gradient, the  second is the solute of interest The second one doesn’t use its own ATP, but the energy established from the primary pump Eg. Kidney cell ▯ Na+ moves in, and also glucose moves uphill into the cell as well. Uphill movement of  glucose is possible only thanks to the addition of Na+ coming in Diabetes, glucose is high in blood than kidney cells, glucose ends up in the urine Signal transduction: conversion of an external signal to a cellular response, significant because it allows the  cell to respond to external signals Cell Membranes 01/10/2014 Protein Kinase transfers an inorganic phosphate to a protein Receptor Tyrosine Kinase transfers an inorganic phosphate to tyrosine and turned on when the receptor is  activated.  Discuss structure/function relationships for G proteins 1. What is the function of G proteins? 2. List structural features of G proteins. 3. Relate structural features of function of G protein G protein is what turns things on inside the cell, the structure is composed of three complexes (alpha, beta  and gamma) and have  Alpha subunit hydrolyzes ATP The G protein is a molecular switch, and it must be turned on. The fact that the GTP binding to the alpha  subunit turns on the molecular switch. Linked to the membrane by a fatty acid anchor allowing it to be in  close proximity to receptor that turns it on.  Recpetor Tyrosine Kinases (Enzyme­coupled receptors) Dimer formation (two) Activation of cytoplasmic tyrosine kinase domain Phosphorylation (tyrosine residues) Activation of target proteins to create elaborate signaling complex Typically to regulate cell growth and proliferation (growth factors) So, basically. The two tyrosine kinase receptors are chilling in a pair, when a stimulus (a molecule attaches  to the extracellular domain, which activates phosphates on either sides of the dimer which brings signaling  proteins to bind to the phosphate and thereby relay the message to the rest of the cell G­protein­coupled receptors Stimulus sends signal to activate the binding site of GTP­binding proteins (G protein) This activates an effector, which produces second messengers which then activates the protein kinases in  order to get the cellular response Cell Membranes 01/10/2014 G proteins are heterotrimers G alpha binds to GTP (or GDP) G beta and gamma form a unit G proteins are molecular switches GTP bound= on GDP bound= off A common G protein signaling pathway uses cAMP as a 2  messenger G protein activates the enzyme adenylyl cyclase cAMP activates protein kinase A ATP ▯ cAMP ▯ (phosphorodiesterase) AMP Eg. Liver glycogen breakdown in the “fight or flight” response G protein coupled receptor, when turned on activates G protein, turns on cAMP and makes protein kinase  A, and phosphorylase kinase to phosphorylate ATP to activate second kinase, then another enzyme to  breakdown glycogen Phosphorylation cascade: complex step­by­step procedure to using lots of phosphorylating and kinases to  produce a cellular response It allows control, if you have multiple steps you can control it at different spots, reducing error. Also, it is  faster and more efficient since it provides amplification (first one activates 1000, second step activates  100,000, third 10,000,000 etc)  Caffeine is a phosphodiesterase inhibitor. How might it affect the liver’s response to adrenaline? If it inhibits the phophodiesterase enzyme, that means that the final step in a G protein signaling pathway  will be shut down, meaning that the final and ultimate goal of the pathway is useless since the cAMP cannot  be made into AMP, so we have a buildup of cAMP, which enhances the liver production response.  Prolonging the cAMP cause an increase in things such as heart rate and prductivity Chemical messenger… EPO; growth factors (receptor tyrosine kinase), adrenaline (G protein­coupled  receptor) Cell Membranes 01/10/2014 Kinase phosphorylates, phosphytase dephosphorylates No 2  messenger for receptor tyrosine kinase Lipid­soluble signals and intracellular receptors 1. Signals enter cells by diffusion (eg. Steroid hormones) 2. Receptors are ligand­activated transcription factors i. Ligand­binding domain ii. DNA­binding domain 3. Regulate gene expression i. Activate receptor binds to a response element 4. Cellular response i. Reflects genes regulated by the response element Cellular Energetics 01/10/2014 Energy is the capacity to do work Biosynthesis Mechanical work (movement in cell, cell movement) Concentration work (active transport) Electrical work (ion transport with generation of membrane potential Generation of heat Generation of bioluminescence Ultimately comes from sunlight through photosynthetic organisms, other organisms take advantage of that  new chemical energy and takes the glucose (carbohydrates) and break it down and use the energy. Cellular respiration: converting chemical energy into ATP Reasons it releases energy when going from ATP to ADP More order to less ordered state, increase in energy Inorganic phosphate and ADP carry negative charges, have to be brought together using a lot of energy so  conversely if you break the bond it will release all the energy required to make it Resonance stabilization (double bond is actually shared everywhere. One Pi by itself is more stable since  the double bond can be shared between all four bonds, where if it is attached to ADP it can only share  between two bonds Glycolysis and Fermentation ATP generation without oxygen Glucose (6­C chain) ▯ pyruvate (two 3­C chains) + 2ATP + 2NADH NAD+ is an energy carrier, transporting electrons Cellular Energetics 01/10/2014 NAD+ to NADH is a reduction The ATP that’s produced its what’s known as substrate­level phosphorylation, refers to the direct transfer of  a phosphate group to ADP Now it depends on if there is oxygen Oxygen present: Go through mitochondrion and go through kreb’s cycle, more efficient Oxygen deficient: Fermentation, Lactate (animals) and Ethanol (plants) Both produce 2ATP Allow for the regeneration of NAD+ Lactate: pyruvate reduced, electrons transfer from NADH to pyruvate to lactate Normally used in skeletal muscle when used in bursts (weights, sprints etc.) Accumulation of lactate causes fatigue Dairy products are the end of lactate fermentation in bacterial cultures Alcoholic fermentation: pyruvate decarboxylated as CO2 and is then reduced by NADH to get ethyl alcohol,  NAD+ gets regenerated Bread produced alcohol but heat gets rid of it, puffs up since CO2 Eg. Goldfish can sustain under anoxic conditions, in skeletal muscle they use alcoholic fermentation  because lactic acid fermentation causes fatigue and they want to continue to be active In the absence of O2 fermentation is essential to regenerate NAD+ so that glycolysis can continue. NAD is an essential vitamin needed to be supplied through diet Cellular Energetics 01/10/2014 Energy is not made by fermentation, there is only the usage and regeneration of NAD+ Pyruvate is not toxic, and unless a lot of H+ are produced then it’s not a problem Glycolysis is the only source of ATP when there is no oxygen Regulation of Glycolysis Match ATP supply to demand Feedback regulation: Goal is maintenance of cellular [ATP]:[AMP] High AMP (adenosinemonophosphate) means not enough energy available ATP itself will affect the rate of glycolysis, if they’re low l
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