Trädet, växtcellen och biokemi

Sidan senast granskad/uppdaterad: 2013-01-16
Förteckning

 1. Trädet

2. Växtcellen

2.1 Cellväggen

2.2 Vakuoler

2.3 Kloroplaster

2.4 Cellkärnan

3. Fotosyntesen

3.1 Ljusreaktionen, elektrontransportkedjan och fotosystem II och I

3.2 Mörkerreaktionen

4. Några av trädens olika användningsområden

4.1 Träd som läkeväxter

4.2 Träden för tillverkning av tvål och tvättmedel

4.3 Träden som träskyddsmaterial

Biokemi är den del inom kemin som studerar olika molekyler och kemiska processer som förekommer i levande organismer.

I detta avsnitt ska vi bland annat ta reda på mera om vad som händer i en levande växtcell och varför till exempel fotosyntesen är så viktig för allt levande på denna jord. En stor del av biokemin handlar även om studier av olika proteiners egenskaper, cellens metabolism, den genetiska koden och kemisk signalering mellan olika celler.

 

Figur 1. Färggranna blad en vacker höstdag*1

1. Trädet

Trädets stam har till uppgift att transportera näringsämnen och vatten till trädkronan genom osmos och genom ytspänning. Längst inne i stammen finns märgen. Denna består främst av döda celler och tillhör de äldre delarna av stammen. Då trädet blir större växer även dess celler snabbt i omfång. Detta leder till att den unga veden får relativt tunna väggar och veden blir då lös. Den lösare delen av veden brukar benämnas vårved och detta syns på trädets årsringar som ljusa ringar.

På hösten bildas den mörkare ringen i trädets stam och brukar kallas för höstved. Höstveden är mera tätvuxen och har hårdare ved på grund av att under hösten tillväxer trädet mycket långsammare. Ibland ses ett parti mörkare årsringar i mitten av stammen på äldre träd. Dessa mörkare partier kallas för kärnved eller inre ved och här finns tätt vuxna celler som är hårdare och starkare byggda. Kärnveden innehåller även stora mängder terpener.

Terpener är en samling kolväteföreningar som det finns tiotusentals varianter av med tusentals olika användningsområden. Ett användningsområde är eteriska oljor då terpener ofta har en tydlig doft. I stammen är terpenerna så tätt packade att ingen vatten- eller näringstransport kan ske. Kärnveden innehåller förutom terpener, harts som ger trädet motståndskraft mot till exempel rötor. Då ingen transport av näringsämnen eller vatten kan ske i kärnveden, sker transporten i den så kallade ytveden som finns utanför kärnveden. Ytveden kallas ibland även för splint eller xylem. Ytvedcellerna är normalt långsmala och ihåliga och dessa innehåller mycket cellulosa. När vedcellerna har vuxit färdigt lagras lignin i väggarna och när cellerna dör förvedas de.

I ytveden finns även vedstrålar. Vedstrålarna lagrar näring och sörjer för gasutbytet i veden via barkens lenticeller eller så kallade barkporer. Vedstrålarna innehåller även levande så kallade parenkymceller och dessa utgör bland annat en kemisk och mekanisk barriär för olika sjukdomsalstrande bakterier. I parenkymcellerna syntetiseras även olika föreningar till exempel oljehartser och här lagras även olika fotosyntesprodukter. Där trädet är grönt finns parenkymceller med kloroplaster innehållande pigmentet klorofyll.

Trädet omges slutligen av ett lager med innerbark och ett lager med ytterbark. Barken innehåller bland annat ämnet betulin som är en naturligt förekommande terpen.*1. I figur 2 ses en genomskärning av en trädstam med dess olika delar utsatta.

Figur 2. Trädstam i genomskärning.

2. Växtcellen

Växtceller innehåller allt som en vanlig eukaryot cell innehåller, men dessutom har de en cellvägg, en eller flera vakuoler samt kloroplaster.

 
Figur 3. Växtcellen *3
Bildkälla

2.1 Cellväggen

Cellväggen består främst av cellulosa, hemicellulosa och lignin samt till en mindre del av hartser och fettsyror. Cellulosa består av långa kedjor glukosmolekyler. Hemicellulosa består av olika sockerarter som glukos, xylos och mannos. Lignin är en högmolekylär aromatisk förening som gör cellen styvare och höjer hållfastheten. Hartser kallas ibland för kåda. Ofta består hartserna av högmolekylära, organiska ämnen med skiftande sammansättning, till stor del bestående av hartssyror. Hartser är vanligen amorfa och kan vara termoplastiska eller härdbara. Vanligen är de lösliga i organiska lösningsmedel men olösliga i vatten. Hartser finns bland annat i veden och trädens växtceller för att undvika att cellerna och trädet drabbas av angrepp från till exempel parasiter. Då träd utsätts för brand lagras speciellt hartser och fenoler in i trädet för att skydda det. *2

Fettsyror är karboxylsyror. De mättade fettsyrorna har den allmänna formeln CH3(CH2)nCOOH, där n vanligtvis är ett tal mellan 2 och 18. Sterol är ett exempel på en lipid som finns i cellväggen och den vanligaste sterolen i växtcellen är sitosterol. 

2.2 Vakuoler

Vakuoler är vätskefyllda blåsor som upptar större delen av växtcellens inre. Vakuolen består främst av vatten. Upp till 90 % av cellens volym kan upptas av vakuolen som hjälper till att upprätthålla trycket inuti cellen.  

2.3 Kloroplaster

Kloroplasterna innehåller det gröna färgämnet, klorofyll och det är här som fotosyntesen sker. Kloroplasterna består av ett inre och ett yttre membran. Inuti kloroplasterna finns det tylakoider som ligger staplade i så kallade grana och inuti dem finns färgpigmentet klorofyll.

Runt tylakoiderna finns en vätska som kallas stroma (se figur 4 och 5).

Figur 4. Parenkymceller med synliga kloroplaster.
Figur 5. Schematisk bild av kloroplasten.

Det gröna färgämnet klorofyll finns i två former, a och b. Dessa absorberar rött och blått ljus, samt reflekterar grönt ljus. Klorofyll är ett opolärt ämne som är uppbyggt av en magnesium-jon omgiven av ett flertal kolringar innehållande kväve. Xantofyll är ett gult pigment som tillhör gruppen karotenoider och finns i alla gröna växter.

Då produktionen av klorofyll vanligtvis är mycket större än produktionen av xantofyll syns inte den gula färgen förrän på hösten. Då har klorofyllet brutits ned och trädet lagrar istället energi i stam och rötter. Xantofyll absorberar precis som klorofyll energi men av andra våglängder. Den röda färgen som kan ses på bladen om hösten kommer från antocyaniner och dessa bildas i trädens löv strax innan de fälls.
Runt om tylakoiderna finns en vätska som kallas för stroma.

 

Klorofyll a och b

1 R=CH3, klorofyll a

2 R=CHO, klorofyll b

Anledningen till att lövträd fäller sina blad på hösten, då dagsljuset minskar, är att om löven innehåller vatten och temperaturen sjunker, kommer vattnet att frysa och ta större plats. Detta skulle skada trädets celler avsevärt.  

Barrträd å andra sidan behåller sina barr året runt. En teori till varför de gör det är att de är anpassade till mer näringsfattiga förhållanden och tuffa yttre omständigheter. Genom att  behålla sina barr året runt kan barrträden snabbt komma i gång med fotosyntesen på våren och därmed binda mer kol som de sedan kan använda sig av då de växer. 

En laboration att separera de olika pigmenten i trädens blad med hjälp av papperskromatografi och spektrofotometri finns under laborationen Grönt är skönt. Ytterligare ett exempel på samma tema finns under laborationen Separation och tunnskiktskromatografi på bladfärgämnen. 

2.4 Cellkärnan

Cellkärnan i cellen innehåller DNA. Ordet DNA kommer ifrån engelskans deoxyribo- nucleic-acid och denna består av tusentals så kallade nukleotider. Varje nukleotid består av en fosfatgrupp och en sockergrupp samt en av fyra möjliga kvävebaser (adenin, tymin, guanin och cytosin). Nukleotiderna sitter sedan ihop med varandra med kovalenta bindningar.

En metod att renframställa DNA kan ses under laborationen Renframställa DNA från lönnblad.

 

Figur 7. DNA-spiral

3. Fotosyntesen

Fotosyntesen sker i trädets gröna delar, mestadels i trädets blad och barr. Inuti växtcellen sker processen i växtcellens kloroplaster. I processen används solljus för att spjälka vatten till syre och protoner. Koldioxid från luften kommer in i bladet genom små öppningar på undersidan av bladen som kallas klyvöppningar. Väl inne i växtcellen omvandlas koldioxid till socker och syrgas med hjälp av energi från solen, men processen är betydligt mer komplicerad än så.

   solljus      +   6CO2      +   6H2O                  C6H12O6         +    6O2(g)

           solljus         koldioxid       vatten                      glukos            syrgas

Två reaktionsmekanismer brukar omtalas: ljusreaktionen och mörkerreaktionen. Den första ljusreaktionen sker i tylakoiderna (Fotosystem I och II). Här ombildas solens energi till ATP. Här binds även vätejoner till vätebärare. I den andra reaktionen som kallas mörkerreaktionen och sker i stroma, tas koldioxid upp och socker bildas. Generellt kan man säga att följande sker under fotosyntesen:

 
 

3.1 Ljusreaktionen, elektrontransportkedjan och fotosystem II och I

Ljusreaktionen börjar med att solljus, fotoner absorberas av klorofyllmolekyler och den absorberade energin leds ner till ett reaktionscentrum, även kallat P680 eller fotosystem II. I fotosystem II omvandlas solljuset till kemisk energi i ett membranprotein i tylakoiderna. Resultatet av detta är att en elektron från reaktionscentrat frigörs.

Den frigjorda elektronen transporteras därefter till en elektronaceptor. Elektronerna transporteras mellan fotosystem II och fotosystem I via ett komplex, cytokrom bf, vars uppgift är att katalysera transporten av elektronerna. Elektronvandringen från P680 till elektronacceptorn bildar en protongradient. Denna gradient driver det som kallas protonpumpen som är en del av bildandet av ATP.

Elektronavgången gör att det uppstår en skillnad i vätejonkoncentrationen på de olika sidorna membranet och det är alltså koncentrationsskillnaden som driver syntesen av ATP till ADP. Denna process är cyklisk och upprepar sig hela tiden så länge det finns tillgång till solljus, vatten och koldioxid.

När P680 avgett en elektron måste en ny elektron tas upp för att kunna absorbera mer solljus för att kunna avge ytterligare en elektron. För att detta ska kunna ske behövs alltså en elektronkälla till P680 och den är vatten.

Elektronerna tas inte från vattnet direkt av P680 utan via ett mangankomplex som i sin tur tar sina elektroner från vatten. Elektronerna tas heller inte en och en från vatten, utan fyra stycken elektroner tas bort från två vattenmolekyler samtidigt. Detta gör att det bildas en syrgasmolekyl och fyra protoner. Elektronerna överförs sedan till elektrontransportkedjan och vätejonerna pumpas till tylakoidens insida. Slutligen kommer elektroner och vätejoner att tillsammans med koenzymet NADP+ att bilda NADPH. Denna reaktion sker i Fotosystem I.

NADPH frigörs i stroman utanför tylakloiderna och NADPH används senare för att binda koldioxid. Reaktionen för fotosystem II, cytokrom bf och fotosystem I kan beskrivas på följande sätt:

2 H2O + 2 NADP+ à O2 + 2 NADPH + 2 H+ 

I Fotosystem I sker alltså en rad olika delreaktioner. Slutresultatet av dessa reaktioner är dock att kolhydrater bildas utav koldioxid och den lagrade solenergin. I fig 9 visas Fotosystemen I och II schematiskt.

 

Figur 9. Fotosyntesen i bild.

3.2 Mörkerreaktionen

Den andra delen av fotosyntesen utspelar sig i kloroplastens inre, stromat. Denna process brukar kalls även för PCR-cykeln, (Photosynthetic Carbon Reduction). Även mörkerreaktionen är alltså delvis cyklisk. Förenklat sagt står mörkerreaktionen för omvandlingen av koldioxid till glukos medan ljusreaktionen står för själva förarbetet av detta.

Mörkerreaktionen börjar med att koldioxid binds till ribulosdifosfat. I efterföljande reaktioner sker en rad omvandlingar där glukos och fruktos bildas under åtgång av ATP och NADPH. Under cykeln tillsätts 2 ATP och 2 NADPH och detta resulterar i att en kolhydrat bildas. Samtidigt återbildas också ribulosdifosfat.

Resultatet av ljusreaktionen och mörkerreaktionen i en växt är alltså att växten tillverkar syrgas och socker utav koldioxid, vatten och energi.

En laboration som bygger på denna process är laborationen om Fotosyntes.

4. Några av trädens olika användningsområden

Vi människor och djur är högst beroende av att ha en livskraftig skog. Människan har inte alltid tagit tillvara på jordens skog på det mest förnuftiga sätt med till exempel skövling av regnskog som resultat. Genom tiderna har dock människan lärt sig att utnyttja material från träden till många olika användningsområden och ändamål. Nedan beskrivs några av dessa.

4.1 Träd som läkeväxter

Under alla tider har människor utnyttjat naturen till att försöka bota krämpor, sår och sjukdomar. Även olika typer av träd har visat sig vara användbara inom detta område. Ett exempel är sälj och säljbark som innehåller acetylsalicylsyra. Ett annat är björk och björkbark som innehåller beulin. Både acetylsalisylsra och betulin sägs kunna lindra olika former av sjukdomstillstånd där acetylsalicylsyra (som finns i läkemedlet Asperin och Magnecyl) exempelvis har effekt på feber, smärta och inflammation. För tre stycken laborationer på temat se laborationerna Björkbark -nyckeln till hälsa?, Framtagning av salicylsyra ur säljbark samt Syntes av Acetylsalicylsyra.

4.2 Träden för tillverkning av tvål och tvättmedel

Tvål och tvättmedel kan tillverkas med aska och fett som bas. Vanligtvis användes aska från björkved. Hett vatten fick rinna genom en säck fylld med björkaska och det vatten som rann ut innehöll lut, i detta fall kaliumkarbonat. Lutet användes därefter för att effektivt tvätta bort smuts och fläckar på kläder och tyg.

Under laborationen Framställning av såpa från björk finns ett exempel på hur man kan tillverka såpa från träd. 

4.3 Träden som träskyddsmaterial

Det mest traditionella av alla träskyddsmaterial är förmodligen tjära. Tjära kan förutom som skydd till olika träföremål användas till hästar som har strålröta. Strålröta är en infektion i hornet i hästens hov. Flera örtsalvor som kan köpas på hälsokostaffärer innehåller ofta tjära och ett gammalt ordspråk säger ”om tjära, brännvin och bastu inte hjälper så leder sjukdomen till döden" *5. Att bränna sin egen tjära i små mängder är relativt lätt, även om det kräver en hel del arbete och tid. I Sverige fanns det tidigare enorma skogar med kådrika tallar som lämpade sig för tjärtillverkning och många av landets bönder kunde tjäna extra slantar på tjärbränningen som sköttes i stora tjärdalar. Till husbehovstjäran hade de dock enklare tjärdalar. För att tillverka din egen tjära i mindre skala se laborationen Tillverkning av tjära.

Källor:
1* Skogens kemi – om massa trä och fibrer, Nils Gösta Vannerberg, Karl Vannerberg - http://runeberg.org/nfcj/0078.htm- nordisk familjebok

2* mattias.edman@miun.se Univ./Institution: Mittuniversitetet – Naturvetenskap
 
 http://proj.formas.se/detail.asp?arendeid=19510

3* Bilden är modifierad från wikipedia

4* Bilden modifierad ur KRCs infobrev nr 51

5* Träden och vi, Kåre Pilström

Texten kan också laddas ned här

Ett samarbete mellan: