PBL Fall 3: Proteinsyntes
Transkription, translation, genreglering och enzymkatalyse
Cellbiologi🎯 Läringsmål
Transkription
DNA → RNA, RNA-polymerase, promotorer och genreglering
Translation
mRNA → protein, ribosomer, tRNA och den genetiska koden
Genreglering
Transkriptionsfaktorer, enhancers och epigenetiska mekanismer
Enzymkatalyse
CYP-enzymer, Michaelis-Menten kinetik och enzymreglering
Läkemedelsmetabolism
Fas I & II-metabolism, CYP3A4 och läkemedelsinteraktioner
Naturläkemedel
Johannesört, CYP-induktion och kliniska konsekvenser
💡 Studietips
Läs både PBL-materialet och tentamenssammanfattningarna för bästa förståelse. PBL-fallen ger djupare kontext medan sammanfattningarna fokuserar på tentamensrelevant material.
📚 Om detta PBL-fall
Detta fall introducerar proteinsyntes från gen till funktion genom en dramatisk historia om läkemedelsinteraktion. Du kommer att utforska transkription, translation, genregleringoch förstå hur molekylära processer påverkar klinisk medicin.
🎯 Varför detta är viktigt
Proteinsyntes är grunden för all cellulär funktion. Förståelse för molekylära mekanismer är avgörande för att förstå genetiska sjukdomar, läkemedelsverkan och cellbiologi.
👤 Fallbeskrivning: Michaels läkemedelsinteraktion
Akut situation
Michael, 28 år, kommer akut till sjukhuset efter att:
- 🔸 Plötslig kollaps - Medvetslös hemma på morgonen
- 🔸 Hjärtrytmrubbning - Arytmier och kraftig bradykardi
- 🔸 Andningsbesvär - Ytlig, snabb andning
- 🔸 Blåaktig hud - Cyanotiska läppar och fingertoppar
- 🔸 Neurologiska symtom - Förvirring och tremor
⚕️ Bakgrundshistoria
Mediciner:
- Digoxin: För förmaksflimmer (taget i 2 år)
- Johannesört: Självmedicinering för mild depression (börjat för 2 månader sedan)
- Warfarin: Antikoagulation (för stroke-prevention)
Symtomutveckling:
- Vecka 1-4: Känner sig bättre psykiskt från johannesört
- Vecka 5-6: Gradvis försämring av hjärtsymptom
- Vecka 7-8: Ökande trötthet och andfåddhet
- Idag: Akut kollaps
🔍 Akuta fynd
Kritiska värden:
- Digoxin-nivå: 0.8 ng/mL (sub-terapeutisk, normalt 1.0-2.0)
- INR: 1.2 (sub-terapeutisk, normalt 2.0-3.0 på warfarin)
- Hjärtfrekvens: 45 bpm (bradykardi)
- EKG: Oregelbunden rytm, långa pauser
Laboratoriemarkörer:
- Troponin: Lätt förhöjt (hjärtmuskelskada)
- CK-MB: Förhöjt (kardial markör)
- Elektrolyter: Normala nivåer
- Leverenzymer: Förhöjda (CYP-aktivitet)
🤔 Differentialdiagnoser
Läkemedelsinteraktion:
- CYP3A4-induktion - Johannesört ökar enzymaktivitet
- Ökad nedbrytning - Digoxin och warfarin metaboliseras snabbare
- Sub-terapeutiska nivåer - Otillräcklig medicinskt effekt
- Återgång av grundsjukdom - Förmaksflimmer och trombosrisk
Andra orsaker:
- Hjärtinfarkt eller ischemisk hjärtsjukdom
- Elektrolytrubbning eller förgiftning
- Medicinskt non-compliance
- Thyroideadysfunktion
🧬 Transkription: från DNA till RNA
🏗️ DNA-organisation i kärnan
Eukromatin
- Struktur: Löst packat, tillgängligt
- Funktion: Aktiv transkription
- Modifikationer: H3K4me3, acetylering
- Kännetecken: Ljust under mikroskop
Heterokromatin
- Struktur: Tätt packat, otillgängligt
- Funktion: Tyst (silenced) DNA
- Modifikationer: H3K9me3, DNA-metylering
- Kännetecken: Mörkt under mikroskop
⚡ Transkriptionsprocessen
1. Initiation
Promotorsekvenser:
- TATA-box: Kärnpromotor ~25 bp uppströms från TSS
- Initiator (Inr): Runt transkriptionsstartpunkt
- DPE: ~30 bp nedströms
Transkriptionsfaktorer:
- TFIID: Binder TATA-box, innehåller TBP
- TFIIA, TFIIB: Stabiliserar komplexet
- TFIIF: Transporterar RNA polymerase II
- TFIIE, TFIIH: Helikas-aktivitet, öppnar DNA
2. Elongation
RNA Polymerase II:
- Hastighet: ~20-50 nukleotider per sekund
- Processivitet: Syntetiserar långa RNA-molekyler
- Proofreading: 3'-5' exonukleolytisk aktivitet
Elongeringsfaktorer:
- TFIIS: Hjälper vid pausing och arrested
- P-TEFb: Fosforylerar CTD för produktiv elongering
3. Termination
Polyadenylering:
- PAS: AAUAAA-sekvens
- CstF: Klyvningsstimuleringsfaktor
- PAP: Tillägger ~200 A-rester
Transkriptionsavslut:
- Torpedo-modell: 5' → 3' exonukleas degraderar RNA
- Allosteric-modell: Konformationsförändring av RNA pol II
🔧 Translation: från mRNA till protein
📝 mRNA-processering
5'-Capping
Struktur: 7-metylguanosin-cap
Timing: Co-transkriptionellt
Funktioner:
- Skydd mot 5' → 3' exonukleaser
- Kärn-export av mRNA
- Ribosombindning och translationsstart
RNA-splicing
Spliceosom: snRNP-komplex (U1, U2, U4, U5, U6)
Splicing-signaler:
- 5'-splice site: GU-sekvens (donor)
- 3'-splice site: AG-sekvens (acceptor)
- Branch point: Adeninrest ~30 nt uppströms
3'-Polyadenylering
Poly(A)-svans: ~200 adeninnukleotider
Funktioner:
- mRNA-stabilitet
- Ökad translationseffektivitet
- mRNA-lokalisering
PABP: Skapar "closed loop" för efficientare translation
🏭 Proteinsyntes på ribosomer
Liten subenhet (40S)
- 18S rRNA: Strukturellt och katalytiskt
- ~33 ribosomala proteiner
- Funktion: mRNA-bindning och decoding
Stor subenhet (60S)
- 28S, 5.8S, 5S rRNA
- ~49 ribosomala proteiner
- Funktion: Peptidyltransferas-aktivitet
Initiation
Cap-beroende initiation:
- eIF4F-komplex: eIF4E (cap-binding) + eIF4G (scaffold) + eIF4A (helikas)
- 43S pre-initiation complex: 40S + eIF2•GTP•Met-tRNA
- 5' UTR-scanning: Letar efter startkodon (AUG)
- 60S-joining: eIF5B katalyserar 80S-formation
Elongation
Ribosomala bindningsställen:
- A-site (aminoacyl): Inkommande aminoacyl-tRNA
- P-site (peptidyl): Växande peptidkedja
- E-site (exit): Deacylerad tRNA lämnar
Elongeringscykel:
- Aminoacyl-tRNA leverans (eEF1A•GTP)
- Proofreading och GTP-hydrolys
- Peptidyltransfer (ribozym-aktivitet)
- Translokation (eEF2•GTP)
Termination
Stoppkodoner: UAG (amber), UAA (ochre), UGA (opal)
Release factors:
- eRF1: Känner igen alla tre stoppkodoner
- eRF3•GTP: Stimulerar peptidylhydrolys
⚙️ Genreglering och transkriptionell kontroll
🎛️ Regulatoriska DNA-element
Promotorer
Kärnpromotor:
- TATA-box: Positionerar RNA pol II
- Initiator (Inr): Alternativ till TATA
- CAAT-box: ~80 bp uppströms
Proximal promotor:
- GC-box: Sp1-bindningsställe
- Octamer motifs: Oct-1/Oct-2 bindning
Enhancers
Egenskaper:
- Distans-oberoende: Verkar över långa avstånd
- Orientering-oberoende: Båda riktningarna
- Position-oberoende: Flexibel lokalisering
Mekanism:
- DNA-looping för promotor-interaktion
- Mediator-komplex signaltransfer
- Kromatin-remodellering
Silencers
Repression-mekanismer:
- Direkta repressorer: Blockerar transkriptionsfaktorer
- Kromatin-kompaktering: Heterokrematinformation
- DNA-metylering: Långvarig silence
🧬 Epigenetisk reglering
Histonmodifikationer
Aktiverande modifikationer:
- H3K4me3: Transkriptionsstart (TSS-markör)
- H3K36me3: Aktivt transkriberade regioner
- H3K27ac: Aktiva enhancers
Repressiva modifikationer:
- H3K27me3: Polycomb-repression
- H3K9me3: Constitutiv heterokrematinbildning
- H4K20me3: Heterokromatin och DNA-reparation
DNA-metylering
CpG-öar: Cytosin-Guanin dinukleotider
DNA-metyltransferaser:
- DNMT1: Underhållsmetylering under replikation
- DNMT3A/3B: De novo metylering
Funktionella konsekvenser:
- Transkriptionell repression
- X-kromosom-inaktivering
- Genomisk imprinting
🧪 Enzymkatalyse och CYP-system
⚡ Michaelis-Menten kinetik
Grundläggande ekvation
Vmax (maximal hastighet):
Den teoretiska maximala reaktionshastigheten när alla enzym är mättade med substrat
Km (Michaelis konstant):
Substratkoncentration vid Vmax/2. Låg Km = hög affinitet för substrat
kcat (omsättningstal):
Antal substratmolekyler som omsätts per enzym per sekund
kcat/Km (katalytisk effektivitet):
Mått på enzymets övergripande effektivitet
🏭 Cytokrom P450 (CYP) enzymsystem
Generella egenskaper
- Lokalisering: Primärt lever (ER), även tarm, njurar, lungor
- Cofaktorer: NADPH, cytokrom P450 reduktase
- Reaktionstyper: Hydroxylering, epoxidation, dealkylering
- Funktion: Fas I-metabolism av xenobiotika
CYP3A4
- Andel: ~40% av alla CYP-enzymer i lever
- Substrat: >50% av alla läkemedel
- Exempel: Midazolam, nifedipin, cyklosporin, statiner
- Induktorer: Johannesört, rifampin, karbamazepin
- Inhibitorer: Ketokonazol, erytromycin, grapefruktjuice
CYP2D6
- Polymorfism: Hög genetisk variation
- Substrat: Många psykofarmaka och opioider
- Exempel: Kodein, tramadol, metoprolol, fluoxetin
- Särskilt: Ej inducerbar, endast genetisk variation
💊 Michaels fall: CYP3A4-induktion och läkemedelsinteraktion
🌿 Johannesört (Hypericum perforatum)
Molekylär mekanism:
Tidslinje för CYP-induktion
- Vecka 1-2: Gradvis ökning av CYP3A4-mRNA
- Vecka 2-4: Ökad enzymproteinsyntes
- Vecka 4-8: Maximal enzymaktivitet (5-10x normal nivå)
- Efter utsättning: 2-4 veckor för normalisering
Digoxin
Normal metabolism: Huvudsakligen P-glykoprotein-transport
CYP3A4-påverkan: Ökad intestinal och hepatisk clearance
Kliniska konsekvenser:
- Minskad bioverfügbarhet (50-70% reduktion)
- Sub-terapeutiska plasmakoncentrationer
- Återkomst av förmaksflimmer
- Risk för tromboembolism
Hantering: Dosökning eller utsättning av johannesört
Warfarin
Normal metabolism: CYP2C9 (S-warfarin), CYP3A4 (R-warfarin)
CYP3A4-induktion: Ökad clearance av R-warfarin
Kliniska konsekvenser:
- Minskad antikoagulationseffekt
- Sänkt INR (suboptimal 1.2 istället för 2.0-3.0)
- Ökad risk för tromboembolism
- Stroke-risk vid förmaksflimmer
Hantering: Frekvent INR-kontroll och dosjustering
🏥 Klinisk handläggning
Akut behandling:
- Stabilisering: Övervakning, IV-access, EKG-monitorering
- Johannesört: Omedelbar utsättning
- Digoxin: Dosjustering och serumnivåkontroll
- Warfarin: Dosökning baserat på INR-värden
- Trombosprofylax: Tillfällig LMWH tills INR når mål
Långsiktig hantering:
- Patientutbildning: Informera om läkemedelsinteraktioner
- Regelbundna kontroller: Digoxin-nivå och INR-provtagning
- Alternativ för depression: Säkrare antidepressiva
- Medicinlista: Uppdatera och informera vårdteam
🎥 Studievideos: Proteinsyntes och genreglering
Video 1: Proteinsyntes översikt
Grundläggande genomgång av transkription och translation.
Video 2: Genreglering
Transkriptionsfaktorer och enhancers i genuttryck.
Video 3: Avancerad genreglering
Epigenetiska mekanismer och kromatin-modifikationer.
📚 Videostudietips
- Video 1: Grundförståelse för proteinsyntes innan du går vidare
- Video 2-3: Fokusera på hur johannesört påverkar CYP3A4-uttryck
🔄 Fallintegration: Från molekyl till klinik
🌉 Molekylär → Klinisk koppling
Michaels fall illustrerar den direkta kopplingen mellan molekylärbiologiska processer och klinisk medicin.
Genuttryck påverkar läkemedelseffekt
Johannesörts påverkan på CYP3A4-gentranskription leder till förändrad läkemedelsmetabolism
Proteinfunktion bestämmer outcome
Ökad CYP3A4-aktivitet resulterar i subterapeautiska läkemedelsnivåer
Kliniska konsekvenser
Molekylära förändringar manifesteras som livshotande arytmier och trombosrisk
🛡️ Förebyggandestrategier
Systemiska åtgärder:
- Patientutbildning: Informera om naturläkemedelsrisker
- Läkemedelsanamneses: Inkludera naturläkemedel
- Klinisk farmakologi: CYP-interaktionsscreening
- Monitorering: Regelbundna serumnivåkontroller
📖 Fördjupning och tentamensprep
Cellbiologi - Tentamenssammanställning
Komplett genomgång av proteinsyntes, genreglering och enzymkatalyse