Plantenes livsprosesser, vekst og utvikling
Innledning
"Jeg ble fuld av Glæde og Tak ved Duften av Røtter og Løv, av den fete Os av furuen, som minder om Lukten av Marv; først i Skogen kom alt indeni mig i Stillhet, min Sjæl blev egal og fuld av Magt"
Jeg laa og saa paa Grenene som vaiet sagte i Lufttrækket, den lille Vind arbeidet med sit og bar Blomsterstøv fra Kvist til Kvist og fyldte hvert uskyldig Ar, hele Skogen stod i Henrykkelse".
"Borte i Skogkanten staar Bregner og Stormhat; Melbærlyngen blomstrer og jeg elsker dens smaa Blomster. Tak min Gud, for hver Lyngblomst jeg har set; de har været som smaa Roser paa min Vei og jeg graater av Kjærlighet til dem. Et eller andet Sted i Nærheten er vild Nellik, jeg ser den ikke, men jeg fornemmer dens Duft. Men nu i Nattens Timer har pludselig store, hvite Blomster utfoldet sig i Skogen, deres Ar staar aapne, de aander. Og lodne Tusmørkesværmere Sænker sig ned i deres Blade og bringer hele Planten til at skjælve. Jeg gaar fra den ene til den andre Blomst, de er berusede, det er kjønslig berusede Blomster og jeg ser hvorledes de beruses". Fra Knut Hamsun: Pan
Planter varierer fra mikroskopisk encellete til de største organismene på jorda. Untatt for noen parasitter kan plantene fange opp og lagre solenergi. Det er plantene som sørger for næring til omtrent alt liv på jorda. Menneskene er helt avhengig av land-, skog- og hagebruk og av naturlig vegetasjon. Plantene gir oss mat, klær, husly, møbler, medisiner, papir og musikkinstrumenter. Blomster og vegetasjon gir oss estetisk nytelse. Tømmer, bambus, store blad og siv er byggematerialer. Cellulose kan omdannes til papir, “kunstige” tøyfiber og kan sammen med pektin, stivelse og glukomannaner brukes som fortykningsmidler i næringsmiddelindustri. Plantene gir oss en rekke naturfibre som bomull, lin, jute, hamp og ramie. Kulturplantene, spesielt kornslagene, erteplanter, poteter, bananer, kassava, frukt og bær er mat for milliarder av mennesker. I tillegg til karbohydratene, vesentlig i form av stivelse, gir plantene oss protein med essensielle aminosyrer (bl.a. methionin og lysin), fett med essensielle umettede fettsyrer, vitaminer, antioksidanter (vitamin C, E og flavonoider), sukker, karotenoider, uorganiske makro- og mikronæringsstoffer og organiske syrer. Plantene inneholder tusenvis av sekundærmetabolitter. Mange av disse stoffene danner grunnlaget for nytelsesmidler, krydder og medisiner: kaffe, te, tobakk, sjokolade, tobakk, pepper, muskat, ingefær, kanel, nellik, morfin, og kodein og antikreftmidler som taxol og vinblastin, for å nevne noen. Økt kunnskap om menneskets ernæring har satt søkelyset på kostfiber som kommer fra plantenes cellevegger. Enkelte stoffer får spesiell omtale i mediene. F.eks. resveratrol som er et stilben som finnes i skallet på røde druer og derav i rødvin; og fytoøstrogener f.eks. lignaner som secoisolariciresinol og matairesinol. Imidlertid er mange av de ville plantene svært giftige. Folks interesse for helsebringende remedier har gitt oppkomst av mange useriøse aktører i markedet.
Plantene er tilpasset å kunne tåle forskjellige varierende klimatiske forhold og potensielt sykdomsframkallende organismer. Genetisk like monokulturer med nytteplanter er sterkt utsatt for skadelige insekter, sopp og virus. Rhynia var en plante som eksisterte for 400 millioner år siden. Psilotum, dikotomt forgreinet uten blad og røtter, er en av de mest primitive nålevende plantene. Gjennom Darwinistisk evolusjon med stor grad av polyploidi, rekombinasjon, variasjon og naturlig utvalg, har plantene utviklet seg til det de er i dag, en utvikling uten noe bestemt mål og hensikt.
"Og stundom ser jeg paa Græsset og Græsset ser kanskje paa mig igjen, hvad vet vi? Jeg ser paa et enkelt Græsblad, det skjælver kanske litt, og det synes jeg er noget. Jeg tænker ved mig selv: her staar nu dette Græsblad og skjælver! Og er den en Furu jeg ser paa saa har den kanske en Gren som faar mig til at tænke litt om den ogsaa." Fra Knut Hamsun: Pan
Celler og oppbygning av planten
Alle planter er bygget opp av celler. Celledeling skjer i meristemer. Apikale meristemer i spissen av skudd og røtter gir primær vekst. Gras vokser fra interkalære meristemer i nodiene langs stengelen. Hos tofrøbladete planter og gymnospermer skjer det tykkelsesvekst via laterale meristemer, kalt kambier, som gir sekundær vekst. Vaskulært kambium gir sekundært ledningsvev (xylem og floem) og korkkambium gir korkhud (periderm). Protoderm, grunnmeristem og prokambium differensieres til henholdsvis hudvev, grunnvev og ledningsvev. Enfrøbladete planter har ikke lateral kambievekst og mange av dem er således urtaktige. Palmer og treliljer har imidlertid et primært tykkelsesmeristem i skuddspissen like under bladfestene. Cellene er omgitt av cellevegger består av primærvegg og i området mellom to celler er det en midtlamell. Celleveggene er bygget opp av cellulose som danner mikrofibriller i kryssbinding med hemicellulose. Bindingene kan være hydrogenbindinger, ionebindinger sammen med kalsium, kovalente bindingr, esterbindinger, acetylering eller van der Waals binding. Hemicellulose i primærveggen hos tofrøbladete planter og en del enfrøbladete består mest av xyloglukaner (type I cellevegg). Blant commelinoidene hos enfrøbladene inneholder veggen mest glukuronarabinoxylaner (type II cellevegg), som også inneholder relativt lite pektin og protein. I celleplaten under celledeling, i pollenslangene og ved såring av floem lages det kallose i celleveggen. Hos arter i grasfamilien inneholder veggen mye b-1,3 og 1,4-glukaner (b- glukaner). I tillegg inneholder primærveggen og midtlamellen pektin (homogalakturonan, rhamnogalakturonan og xylogalakturonan). Det finnes protein i celleveggen med stort innhold av aminosyrene prolin, hydroksyprolin eller glycin. Extensin er en gruppe hydroksyprolin rike proteiner i celleveggen. I tillegg kan det finnes proteoglukaner (arabinogalaktan proteiner). Hos arter i meldefamilien og blandt commelinoider inneholder primæreveggen mye hydroksycinnamater som ferulinsyre og p-coumarinsyre. Lukkeceller i spalteåpningene har plassert cellulosefibrillene i veggen på en slik måte at spalten åpner seg når turgortrykket i lukkecellene øker. Hos noen frø i erteplantefamilien inneholder celleveggen opplagsnæring i form av glukomannaner og galaktomannaner, som de bruker i stedet for stivelse. Noen celletyper lager i tillegg en sekundærvegg på innsiden av primærveggen. Fibre og sklereider i styrkevevet har en jevntykk sekundærvegg. Trakeider og vedrørselementer i vedvev (xylem) har ujevne sekundære veggfortykkelser i form av spiraler, ringer eller nett. Sekundærveggen inneholder lignin. Lignin er bygget opp av en polymer av monolignoler (sinapylalkohol, p- coumarylalkohol og coniferylalkohol). Produksjonen av dilignoler er katalysert av peroksidaser eller laccaser med henholdsvis hydrogenperoksid eller oksygen som substrat.
Innenfor celleveggen ligger en plasmamembran (plasmalemma) bygget opp av fosfolipider og protein. Hvis vi sammenligner en plantecelle med en fotball er plasmamembranen fotballblæra som hindres i å briste av den omkringliggende lærkula (celleveggen). Planteceller vokser ved å løsne på strukturen i celleveggen. Dette skjer bl.a. ved ekspansiner som lager brudd i hydrogenbindingene mellom cellulose og kryssbindende hemicellulose, en prosess hvor også plantehormoet auxin deltar (sur vekst hypotesen). Turgortrykk og drag i mikrotubuli kan bestemme formen på cellen. Veksten kan skje jevnt over hele veggen eller i spissen som hos rothår og pollenslanger. Cellulose lages fra cellulase syntase i plasmamembranen. Cellulose syntase ligger som rosetter i membranen og lager cellulose fra UDP-glukose. Genet som koder for cellulose syntase har sekvenslikhet med et gen hos den celluloseproduserende bakterien Acetobacter xylinum. Mikrotubuli som ligger like under plasmamembranen (cortikale mikrotubuli) bestemmer orienteringen av cellulosefibrillene i veggen. Sekretoriske vesikler fra trans Golgi nettverket frakter hemicellulose, glykoproteiner, fett og pektin fram til plasmamembranen og celleveggen ved eksocytose. Plasmamembranen er presset ut mot veggen og hvis det det er for mye plasmamembran vil den pga. veggen bule innover og danne en vesikkel som kan avsnøres. Ved endocytose føres overskudd av membranmateriale tilbake til cellen i form av vesikler dekket med protein clathrin som gir beskjed om hvor de skal i cellen. Når plantecellene deler seg lages det fragmosomer i en fragmoplast og disse inneholder deler av endoplasmatisk retikulum (nettverk) som er med og danner primære plasmodesmata som kobler sammen cytoplasma og membraner i to naboceller. På denne måten blir det meste av cytoplasma i planten en sammenhengende fase. Ved plasmolyse av celler kan man observere at det går tynne cytoplasmatråder (Hechttråder, etter Kurt Hecht som oppdaget disse i 1912) fra protoplasten ut til veggen hvor plasmodesmata danner porefelter. Mellom eldre celler kan det også lages cytoplasmaforbindelser via sekundære plasmodesmata. Sistnevnte skjer også når man poder en plante på en annen. Celler som skal være vanntette eller bli beskyttet mot infeksjon innsettes med kutin eller suberin. Overhuden (epidermis) på de overjordiske delene av planten er dekket av kutin og voks. Cellene i endodermis i røttene og i bladarr etter bladfelling inneholder suberin.
"Luften er fylt av søt duft fra kløveren og engplantene nede på jordene, blandet med en fin krydret av bjørkeløv og hegg, og av og til på en ganske svak luftning kommer det en enda finere og skarpere som et øieblikk vinner over dem alle, duften av timian og kung oppe fra brekkene og fra uren under Skagamohammeren, det er der de holder til disse mest solkjære og varmekjære." Fra Hans Aanrud: Sølve Solfeng.
Inne i cellene er det flere membransystemer og organeller som kan danne egne reaksjonsrom (kompartmenter) som isolerer substrater og reaksjoner fra hverandre. Vakuoler omgitt av en membran, kalt tonoplast, øker volumet av cellene slik at de bl.a. kan fange opp mer sollys i kloroplastene uten å tynne ut cytoplasma som ligger mellom plasmamembranen og tonoplast. Vakuolene kan inneholde sukker, polysakkarider, aminosyrer, organiske syrer, sekundærmetabolitter (flavonoider, fenoler, alkaloider, cyanogene glykosider, glukosinolater etc) og hydrolyttiske enzymer (hydrolaser, proteaser, glukosidaser, nukleaser). Flavonoider i vakuolene i epidermis beskytter plantene mot skadelig UV-stråling. Vakuolene fungerer som et lager med vann, protoner (H+) og oppløste stoffer. Vakuolene er vanligvis sure, men det finnes nøytrale vakuoler som lagrer protein i frø.
Symbiose er en viktig drivkraft i evolusjonen, en hypotese utviklet av biologen Lynn Margulis. Primær og sekundær endosymbiose ga under evolusjonen opphav til eukaryoter som inneholdt plastider og mitokondrier med prokaryot opprinnelse. Plastider er celleorganeller som utvikler seg fra proplastider, og kan være i form av kloroplaster, amyloplaster, kromoplaster, leukoplaster eller etioplaster. Proplastidene deler seg ved fisjon ved at det dannes en avsnøring på midten. Hos angiospermene nedarves plastene maternalt via moren, men hos gymnospermene kan nedarvingen skje paternalt. Pelargonium er eksempel på en art hvor plastidene nedarves biparentalt, dvs. fra begge foreldrene. Alle plastidene er omgitt av to membraner som har forskjellig gjennomtrengelighet for gasser, molekyler og ioner. Alle plastider inneholder sirkulært DNA med prokaryot opprinnelse. Kloroplaster er plastider som utfører fotosyntese i alle grønne plantedeler. De inneholder thylakoidmembraner i grana og stromathylakoider med fotosynesepigmenter (klorofyll og karotenoider) i reaksjonssentere og elektrontransportører (kinoner, cytokromer, jern-svovelproteiner, plastocyanin). Thylakoidmembranene har høyt innhold av galaktolipider og lite fosfolipider. I stroma i kloroplastene ligger enzymene som utfører assimilasjonen av karbondioksid. Det kan være fra 1-100 kloroplaster per celle og opptil en halv million kloroplaster per kvadratmillimeter på bladet. Kloroplaster hos rødalger inneholder i tillegg fykobiliproteiner. I kloroplastene skjer det også biosyntese av klorofyll, aminosyrer og fettsyrer. Det finnes også bakterier som kan drive fotosyntese. Etioplaster hos angiospermer er proplastider som har stoppet utviklingen pga. for lite lys. Protoklorofyllid hoper seg derved opp i membraner i prolamellarlegemer. Kommer det nok lys utvikles etioplastene til kloroplaster. Hos gymnospermer, moser og karsporeplanter kan klorofyll dannes i mørke og slike planter har ikke etioplaster. Amyloplaster inneholder stivelseskorn i stroma og finnes i lagringsorganer i røtter, rotstokker og stengelknoller. Kloroplaster kan lagre stivelse midlertidig. I kolumella i rothetta er det spesielle amyloplaster som virker som statolitter som registrerer retningen i forhold til tyngdekraften. Leukoplaster er fargeløse plastider som lager monoterpener i sekretoriske celler og trikomer (kjertelhår). Tidligere er amyloplaster og leukoplaster vært brukt synonymt. Kromoplaster inneholder karotenoider og gir farge på bl.a. tomater, appelsiner, gulrot. søtpotet og blomster f.eks. smørblomst og løvetann. Kromoplastene inneholder også enzymer for biosyntese av karotenoider lokalisert til membraner. Når bananer, appelsiner og tomater modnes går grønne kloroplaster over til å bli henholdsvis gule eller røde kromoplaster. Når en potet blir grønn omdannes amyloplaster til kromoplaster.
Det kan finnes fra 100-3.000 mitokondrier per celle. Det lages nye mitokondrier via deling. Mitokondriene har variabel form og inneholder sirkulært DNA. Den indre membranen er foldet i cristae som går inn i organellen og inneholder ATP syntase. Den ytre membranen er relativt fritt permeabel for mindre molekyler via poriner (proteinkanaler). Mitokondriene inneholder enzymene for sitronsyresyklus og elektrontransportørene for oksidativ fosforylering.
"Finnskjeggen er det fattigste strå på jord - uten blad og blomst, grå som en vargpels, stri og strittende - i sannhet, den vokser på stengrunn! Den nærer seg av den skrinne livløse jord som såvidt dekker undergrunnens kuplong og kampesten; det ville være ubillig å kreve at den skulle té seg lik roser og liljer i Sarons dal. På den åpne værharde slette må den stå - der sønnenvind og nordenvind kappes om å feie med kjempestore soplimer sneen inn i vierkrattet og enerkjerrene rundt omkring - så barfrosten får fritt spillerom der fra den tidlige høst til den sene vår. Når slåttekarene kommer med sin blankslipte ljå på akselen og brynstokken i belteremmen, går han likegyldig over finnskjeggåsen uten å ofre den en tanke; finnskjegg er bukfyll og beitende mule rører den sjelden eller aldri. Og likevel! Om finnskjeggen ikke sto der på sletten ville fjellet ha vært enda fattigere enn det er - for det er ikke bare nordenvinden som tumler seg på kåsen, huier og huserer høst og vintertid, men også den milde sønnenvind - den med sol i - gjester den --- og da synger finnskjeggen sin stille fattigmannssang". Fra Johan Falkberget: Christianus sextus. I hammerens tegn.
Peroksisomer er organeller omgitt av en membran. De finnes i fotosyntetiserende vev og deltar i fotorespirasjon. I spirende fettfrø er det glyoksysomer som bryter ned fett via b- oksidasjon, og videre til succinat i glyoksylatsyklus. Hos noen nitrogenfikserende planter deltar en type peroksisomer i omdanning av urinsyre til allantoin og allantoinsyre. Alle disse 3 typene organeller kan omsette skadelig hydrogenperoksid ved å overføre elektroner/protoner til oksygen som omdannes til hydrogenperoksid (H2O2). Hydrogenperoksid brytes videre ned av katalase. Hydrogenperoksid kan være potensielt skadelig i cellen og er derfor lokalisert til et eget reaksjonsrom. Peroksisomer lages ved deling av allerede eksisterende peroksisomer. Peroksisomene inneholder verken DN A eller ribosomer.
Kjernen er omgitt av to membraner med kjerneporer atskilt av et perinukleært rom, og inneholder DNA og protein i kromosomer i et nukleoplasma. Nukleolus er et avgrenset område i kjernen som lager ribosomalt RNA. RNA fra kjernen går ut gjennom porene til cytoplasma, og protein som lages i cytoplasma går motsatt vei inn i kjernen. Proteiner som skal fra cytoplasma til kjernen er tagget (merket) med et “kjernesignal”. Cellekjernens yttermembran har bundet ribosomer og er festet til endoplasmatisk retikulum. Lumen i endoplasmatisk retikulum henger sammen med det perinukleære rom. Kjerneporene er komplekse med mange forskjellige nukleoporiner som virker som molekylær sil, og en sentral plugg med transportprotein deltar i transporten.
Tranport i og mellom celler
Inndelingen av cellen i kompartementer omgitt av membraner og størrelsen på en flercellet organisme setter store krav til styringen av transport i og mellom celler. Alle deler av cellen må kunne motstå det molekylære bombardementet via Brownske bevegelser. Transporten skjer via konveksjon og diffusjon forårsaket av konsentrasjonsforskjeller. Langdistansetransport av vann og næringssalter i xylem (vedvev) er drevet av overflatespenning, og gradienter i vannpotensial. Kavitering kan være en beskyttelse mot ytterligere skader ved for stor transpirasjon. Trykkstrøm (massestrøm) i floem (silvev) skyldes forskjeller i osmotisk trykk ved innlastings og utlastingssted. Endoplasmatisk retikulum går igjennom plasmodesmata og danner en sentral sammenpresset stav (desmotubul), og ved eventuell mekanisk skade av cellene kan plasmodesmata tettes igjen med kallose i løpet av kort tid. mRNA og virus kan bli fraktet gjennom plasmodesmata og videre rundt i planten via floemet.
Cytoskjelettet er et nettverk av proteinfilamenter i cytosol og består av mikrotubuli, mikrofilamenter og intermediære filamenter. Cytoskjelettet gir ankerfeste for molekyler og organeller, og ved siden av feste gir det mobilitet i cellen og informasjon om 3-dimensjonal geometri og retning via polaritet. Hode- til hale sammenkobling av proteinsubenheter som danner cytoskjelettet gir en innebygget polaritet og symmetri hvor hver ende er forskjellig. Den dynamiske enden kalles positiv (+) og den lite aktive enden kalles negativ ( -). Mikrotubuli er polymere av a- b-tubulin.og b-tubulin binder GTP som kan hydrolyseres, og mikrotubuli dannes ved å hefte sammen subenheter vha. GTP. a- og b-tubulin lager et hult rør ca. 25 nm i diameter dannet av 11-16 protofilamenter. Mikrofilamenter er aktinfilamenter satt sammen som en polymer av aktin som kan binde og hydrolysere ATP. Aktin danner slanke tynne spiralformete polymere, mens mikrotubuli danner rør. Det er to typer aktin: Løselig/ globulært aktin (G-aktin) og polymert/fibrillært aktin (F-aktin). Intermediære filamenter er tynnere enn mikrotubuli, men tykkere enn mikrofilamenter. Monomerene er stavformet med en lang a-heliks og to a-helikser danner en dimer hvor to stykker gir en tetramer som pakkes som et tvunnet reip. Eksempel er proteinet lamin på innsiden av kjernemembranen, et protein som kan fosforyleres. Kryssbindende proteiner kobler sammen polymerene i cytoskjelettet. Fimbrin lager en samling av aktinfilamenter som får en pluss og minus ende. a-aktinin kobler sammen aktinfilamenter antiparallelt slik at det blir både pluss og minus i hver sin ende. Noen proteiner har til oppgave å stabilisere cytoskjelettet og andre destabiliserer, altså en dynamisk opp- og nedbygging. Kalsium deltar bl.a. i depolymeriseringen av mikrotubuli. Filamenter og mikrotubuli danner veinettet og stiene i cellen, men det er proteiner som gjør selve flyttejobben. Mekanokjemiske proteiner kalles motorproteiner. Eksempler på slike er myosin, dynein og kinesin som alle bruker ATP til drivkraft. Alle har et globulært hode som festes til cytoskjelettet og en stavformet hale som festes til det som skal fraktes. De har forskjellige transportoppgaver. Myosin som er det kraftproduserende enzymet i muskler sammen med aktin, og finnes i mange forskjellige typeklasse, men bare noen få typer i planter. Myosiner har et langt stavformet område med hoder i enden (myosin II). Myosin I har kort hale. Kinesin og dynein bindes til mikrotubuli, og stort sett frakter dyneiner stoffer til minusenden på mikrotubuli, og kinesiner til plussenden. Det er to hovedtyper dyneiner: Aksonemale dyneiner som er motorproteiner i eukaryote cilier og spermceller. Cytoplasmatiske dyneiner finnes i cytoplasma i alle celler. Kinesiner deltar i transporten av vesikler og fungerer som mitotisk spindel i fraktingen av kromosomer under celledelingen. Aktin kan delta i cytoplasmastrømning, et fenomen som er mye studert i internodieceller hos Chara-alger. Vesikler i Golgi-apparatet beveger seg langs aktinfilamenter både i eksocytose og sekresjon. I vesikkeltransporten deltar GTP-bindende proteiner bl.a. GTPaser i Rab-familien. Til vesiklene er det festet et proteinkompeks (v-SNARE) som passer inn i en t-SNARE på “target”-membranen. Kloroplaster kan flytte seg i cellen til lys- eller skyggestilling. Det samme kan kloroplasten i algen Mougeotia, avhengig av lysforholdene. I denne forflytningen deltar også cytoskjelettet. Ved celledelingen i profasen forsvinner de cortikale mikrotubuli som har deltatt i organiseringen av cellulosefibrillene i veggen, men består i preprofasebåndet som etter hvert skal gi ny cellevegg, samtidig som kjernemembranen løses opp i form av vesikler. Den mitotiske spindelen under celledelingen består av mikrotubuli og tilhørende proteiner. Minusenden til spindelen er festet til polen i cellen. Noen av spindlene er festet til kinetochoren på hver sin søsterkromatid på centrosomområdet på kromosomene. Andre spindler med varierende lengde går ut fra cellepolen, uten å synes å være festet til noe spesielt, noen i rask opp- og nedbygging, andre mer stabile. Plantecellene har en bred diffus pol, i motsetning til dyrene som har en sentral pol bygget rundt centrosom bestående av centrioler. Fra metafaseplaten trekker spindelapparatet de sammenpakkete kromosomene til hver sin pol av cellen. Pakkingen av DNA i tykke kromosomer er helt vitalt for at denne mekaniske forflytningen skal skje uten at DNA-heliksen blir skadet. Deretter vokser fragmoplasten (celledelingsorganelle) bestående av aktin, myosin og mikrotubuli ut mot veggen og danner ny vegg mellom de to nye cellene.
- "Tung tok stormen i gamle trær,
- vinteren red over sletten;
- ute stod bondens korn, og kulden
- brøt det skjelvende ned.
- Granen føk full. Men bjerken
- ristede redd hver sneflokk av.
- Alle de lave busker
- bøyedes ned og frøs."
- Fra Bjørnstjerne Bjørnson: Arnljot Gelline
Cellemembranene består av et molekylært dobbeltlag av fosfolipider hvor de hydrofobe fettsyrene vender inn mot midten av membranen og den hydrofile enden vender ut mot cytoplasma. Membranproteiner har en eller flere deler som går igjennom membranen, koblet sammen med løkker på utsiden av membranen. Noen proteiner bl.a. glykoproteiner er mer løselig tilknyttet membranen. I membranene er det selektive ionekanaler hvor drivkraften er forskjellen i elektrokjemisk potensial over membranen. Spenningsavhengige K+-kanaler påvirkes av spenningsnivået i cellen. Vannmolekyler kan bevege seg gjennom membranene selv om de er hydrofobe, men vann går også igjennom spesielle vannkanalproteiner (akvaporiner). Membranene inneholder H+-ATPase (P-ATPase) som bruker ATP til å forflytte protoner over membranen. Protongradienten som skapes brukes til å flytte molekyler over membranen i samtransport f.eks. sukrose-H+-samtransport inn i silrørselementer i floemet. Hos saltvannsalger finnes det en Na+-ATPase. Vakuolemembranen inneholder også en H+- PPase. F-ATPase brukes till å lage ATP vha. av den protodrivende kraft (kjemiosmotisk ATP-syntese). Ca2+ -ATPase har til oppgave å frakte kalsium ut i cytosol. Det finnes minste 4 typer kalsiumkanaler. Kalsiumkonsentrasjonen i cytoplasma er et viktig styringssignal, og kalsiumkanalene påvirkes av flere reguleringsmetabolitter som syklisk ADP ribose (cADP-ribose) eller inositol 1,4,5- trifosfat (IP3). Malat kan fraktes inn i vakuoler gjennom en malatkanal koblet til en gradient i pH, og ut igjen gjennom en bærer.
Proteiner som lages i cytosol på frie ribosomer fraktes til plastider, mitokondrier, plastider, kjerne og peroksisomer. De sorteres og fraktes avhengig av hvilken merkelapp de innehar i form av et signalpeptid. Chaperoner er proteiner som hindrer folding av de nylagete proteinene før de har kommet gjennom proteinkanalene fram til bestemmelsesstedet. Et protein som skal inn i kloroplasten har et signal som slipper det gjennom både ytre og indre kloroplastmembran. Proteiner som skal inn i thylakoidmembranen, f.eks. plastocyanin, må i tillegg ha en tredje adresselapp som viser at de skal til thylakoidene. Histoner, RNA-polymerase, reguleringsproteiner, og til og med DNA-virus som skal inn i cellekjernen, må ha et kjernelokaliseringssignal. Proteiner som skal til cellevegg, vakuoler eller membraner har et signalpeptid i N-terminal ende som gjør at ribosomene binder seg til endoplasmatisk retikulum, og nylaget protein går deretter direkte inn i lumen på vesiklene. For å kunne slippe inn i lumen på endoplasmatisk retikulum må proteinene gjenkjennes av et ribonukleoproteinkompleks (SRP - “signal recognition particle”). Inne i lumen kan det hektes på sukker på proteinet slik at det lages glykoproteiner. N-bundet til amid-N i asparagin eller O-bundet til hydroksylgrupper på serin, threonin eller hydroksyprolin. Proteinene fraktes deretter som kargo i vesiklene fram til bestemmelsesstedet. Mikrosomer er et samlenavn på vesikler fra Golgi, endoplasmatisk retikulum og membraner.
- - "ennom vi kledde fjellet ?" sa
- eneren til furuen på den andre siden.
- "Skulle det være noen, måtte det vel bli vi ",
- sa furuen; den tok seg i skjegget og så
- bortover til bjærken: "Hva mener du?"
- Fra Bjørnstjerne Bjørnson: Arne (1858)
Cellens molekylærbiologi
DNA (“deoxy ribonucleic acid”) og RNA (“ribonucleic acid”) inneholder genetisk informasjon i genomet. Ved transkripsjon oversettes DNA til budbringer RNA (mRNA) og ribosomalt RNA (rRNA). mRNA bundet til ribosomer oversettes til protein ved translasjon.Ved celledeling kopieres DNA ved replikasjon. DNA og RNA er satt sammen av nukleotider (puriner og pyrimidiner). DNA inneholder adenin, thymin, guanin og cytosin med bokstavkodene henholdsvis A, T, G og C. Hos RNA er thymin erstattet med uracil (U). Nukleotidene er festet sammen i en fosfodiesterbinding mellom karbon 5´ i et nukleotid bundet til karbon 3´i den neste. Det er sukkermolekylene som hektes sammen, ribose i RNA eller deoksyribose i DNA. Ribose har en fri hydroksylgruppe i 2´-posisjon som deoksyribose mangler. RNA er mer ustabil enn DNA. DNA danner en dobbelheliks med to antiparallele kjeder med de hydrofobe basene inn mot sentrum av heliksen. A henger sammen med T i 2 hydrogenbindinger, og G henger sammen med C i 3 hydrogenbindinger. Cellulært RNA er enkelttrådet.
DNA replikasjon
DNA replikasjonen består av delprosessene start, forlengelse og avslutning. Replikasjonen starter flere steder på DNA-heliksen, observeres som replikasjonsbobler, og de to trådene atskilles og danner en replikasjonsgaffel katalysert av en ATP-avhengig helicase. DNA polymerase binder seg til deoksyribonukleotidkjeden og kopierer i 5´til 3´-retning. For å kunne begynne trenger imidlertid DNA en primer som lages av en DNA primase (ribonukleotid polymerase). Den ene DNA tråden kopieres kontinuerlig og den andre i diskontinuerlige biter kalt Okazakifragmenter som limes sammen av DNA ligase. RNA primeren fjernes av en ribonuklease (Rnase) og erstattes med DNA. Begge trådene virker som templat (semikonservativ replikasjon) og det leses korrektur under kopieringen. Det finnes 3 forskjellige DNA polymerase. Enden av kromosomet inneholder telomere med repetert DNA. Siden DNA polymerase trenger en primer ville det ha forsvunnet litt av enden av kromosomet ved hver replikasjon hvis disse telomerene ikke hadde vært der. Telomerase opprettholder enkelttrådet hale og unngår at den blir kortere.
Ultrafiolett lys (UV), radioaktiv stråling, alkylerende stoffer og radikaler kan skade DNA. Det finnes flere forskjellige aktive reparasjonssystemer. UV-skader med thymindimere kan repareres av fotoreaktiveringsenzymer. Feil baser kan fjernes av DNA glykosylase eller via DNA polymerase. Reparasjon kan også skje ved homolog rekombinasjon. Homolog rekombinasjon vil si bytte mellom like sekvenser på homologe kromosomer. Dette kan skje ved bytte av sekvenser ved overkrysning eller ved å overføre en DNA-tråd uten bytting. Rekombinasjon under meiosen er viktig for å skape ny variasjon som evolusjonen kan virke på.
DNA eller RNA i virus koder for få gener og utnytter vertscellens gener til å kopiere DNA. RNA-virus har revers transkriptase som lager DNA fra RNA.
- "Undrer meg på hva jeg får se
- over de høye fjelle ?
- Øyet møter nok bare sne.
- Rundt omkring står det grønne tre,
- ville så gjerne over;-
- tro, når det reisen vover ?"
- Fra Bjørnstjerne Bjørnson: Arne (1858)
DNA transkripsjon
Hos eukaryotene lages RNA i cellekjernen av tre forskjellige RNA polymerase. RNA polymerase I lager mest ribosomalt RNA, RNA polymerase II lager mRNA og RNA polymerase III lager overførings RNA (tRNA) og andre typer RNA. RNA kan kategoriseres etter hvordan det sedimenteres i en gradient ved ultrasentrifugering, oppgitt som en sedimentasjonskoeffisient i Svedberg enheter (S). 4S RNA omfatter tRNA og andre mindre RNA. Det finnes minst 20 forskjellige tRNA som kan binde hver sin aminosyre og som kan baseparre med kodoner på mRNA, men flere tRNA kan binde samme aminosyre. tRNA i cellekjerne, kloroplaster og mitokondrier er forskjellige.
Bare den ene tråden virker som templat, og RNA polymerase binder seg først til et område av DNA kalt promoter område oppstrøms for replikasjonsstart og som ofte inneholder spesielle sekvenser som TATA-boks og CAAT-boks. Flere typer transkripsjonsfaktorer (Zn-fingere, leucinzippere, heliks-vending-heliks) binder seg til spesifikke sekvenser på DNA og bestemmer om et gen skal uttrykkes eller ikke. RNA syntetiseres komplementært til minus DNA tråden og beveger seg i 3´ til 5´-retning og lager RNA i 5´til 3´retning. RNA sekvensen blir derved lik pluss-tråden bortsett fra at thymin er erstattes med uracil. Siden DNA inneholder ikkekodende introns må disse fjernes fra det primære transkriptet. RNA virker som et enzym kalt ribozym og kan skjøte og spalte seg selv. At RNA kan replikere seg selv utnyttes av noen virus. Små nukleære RNA (snRNA) deltar i skjøting av pre mRNA til mRNA lokalisert i små ribonukleoproteinpartikler. Det ferdige modifiserte mRNA transkript inneholder i den ene enden en cap som beskytter mot degradering, etterfulgt av et startkodon AUG og et stoppkodon (UAG/UAA/UGA) som atskiller en åpen leseramme. Bakerst er en variabel utranslatert region og det hele avsluttes med en poly-A hale. mRNA utgjør bare en liten andel av den totale mengde RNA i cellen og mRNA har varierende stabilitet.
"Blom i eng er venare enn Salomon med alle hans demantar; og du hev hugnad av blomen, når du brukar han som ein blom. Men segjer du: det er ein demant, og legg han i ringskrinet ditt og gøymer på han og trøyster deg til han som til ein skatt, so er han visna når du tek han fram, og du segjer med deg sjølv: alt er fåfengd". Fra Arne Garborg: Den burtkomne Faderen (1899)
Translasjon
Translasjonen skjer ved at riboproteiner leser av informasjonen på mRNA og oversetter tripletter til aminosyrer i polypeptidkjeden (den genetiske koden). Deretter foldes proteinene i den 3- dimensjonal struktur karakteristisk for hver type protein. Koblingen mellom kodonet og aminosyren skjer via t-RNA som inneholder et antikodon. 2-dimensjonalt ser t-RNA ut som et kløverblad med stammer og løkker, men den 3-dimensjonale strukturen er mer komplisert. Enzymet aminoacyl-tRNA syntetase fester aminosyrer til 3´-enden på tRNA i en ATP avhengig reaksjon. Proteinsyntesen i cytoplasma skjer på ribosomer som til sammen danner polyribosomer som kan lese flere mRNA samtidig. Starten skjer ved at mRNA, elongeringsfaktorer (elF2), met-tRNA, GTP og 40S RNA bindes i et kompleks sammen med 60S RNA og flere andre elongeringsfaktorer (elF1-elF6) som kjenner igjen cap. Startkodonet identifiseres og deretter starter translasjonen på 80S ribosomet i 5´til 3´-retning, og proteinet lages fra den N-terminale aminogruppen til den C-terminale karboksylgruppen. I cytoplasma er mRNA vanligvis monocistronisk.
I plastidene er mRNA polycistronisk med flere leserammer. Proteinet starter med formyl- methionin og 16S RNA i 30S kan i noen tilfeller kjenne igjen en Shine-Dalgarnosekvens ovenfor transkripsjonsstart AUG som hos prokaryotene. Proteiner som lages i kloroplastene og som skal til thylakoidene lages på ribosomer festet til thylakoidmembranene. Imidlertid blir de fleste proteinene i kloroplastene laget i cytoplasma. Proteinsyntesen er regulert av lys, og redoksforholdene i cellen er en av reguleringsfaktorene.
Gener
Det viste seg at Mendels faktorer var gener med forskjellige genutgaver (alleler), dominante eller recessive, og i en populasjon kan det være flere alleler . Den arvelige komponenten i et individ er genotypen og genene nedarves i samlinger/lenkegrupper og mange gener finnes i multigenfamilier f.eks. ribosomale gener og gener som koder for rubisko, lyshøstende klorofyllprotein og lagringsproteiner i frø.Et genkart bestemmer posisjonen til genene, men McClintock viste at stykker av DNA kan flytte seg på kromosomet i form av transposons og retrotransposons, noe som har hatt stor betydning for evolusjonen. Inverterte repeterte sekvenser i hver ende av et transposon gjenkjennes av en transposase som deltar i flyttingen. Retrotransposons flytter via et RNA intermediat. Størrelsen på genomene hos forskjellige organismer varierer mye og det er ingen sammenheng mellom genomstørrelse og en organismes kompleksitet. Årsaken ligger i det variable områdene mellom genene hvor det finnes enkeltkopi og repetert DNA, enten tandemrepetert eller kopiene spredt over hele genomet. Homeoboksproteiner er med å bestemmer utvikling av organer og vev. Det finnes mange vevsspesifikke gener som har uttrykkes i en bestemt type vev. Omgivelsesfaktorer påvirker også genuttrykk. Plantene kan ikke flytte seg og må motta signaler fra omgivelsene som omsettes til responser. DNA er pakket med lange løkker festet til et skjelett og histoner kan påvirke hvor tilgjengelig DNA er. Epigenetisk variasjon (somaklonal variasjon) skyldes ikke endring i DNA-sekvens. Årsaken kan være DNA metylering av cytosin, kosuppresjon eller mRNA stabilitet. Uttrykket av et gen kan også påvirkes av hvilke av foreldrene det kommer fra, og noen gener uttrykkes sterkere hvis de kommer fra moren enn fra faren. I utviklingen av endospermen i frø har to deler maternal opprinnelse og en del paternal. Uttrykket av et allel kan påvirke uttrykket av et annet allel og slike paramutasjoner kan nedarves i meiosen. Utviklingen av en organisme med organer er styrt av et komplisert genprogram, et fagområde kalt utviklingsbiologi. Kompleksiteten i programmet vises bl.a. ved at planten kan forta kontrollert celledød. Slike celledødprosesser skjer i utviklingen av endosperm, aerenkym, trakeider og vedrør, rothetteceller, og ved megasporogenese, degradering av suspensor, og visning av kronblad og pollenblad.
"Han stod fram-ved glaset og såg på blomen, som sprett so vent. "Seg meg," spurde han, "hev blomen sagt deg noko?" "Verdi hev sjæl, segjer blomen til meg." "Det er det han segjer til meg au. Det er eit stort ord!" Fra Arne Garborg: Den burtkomne Faderen (1899)
Bakterier beskytter seg mot fremmed DNA vha. av restriksjonsenzymer. Disse restriksjonsenzymene har gitt molekylærbiologene nye muligheter til å studere hvordan genomet er bygget opp. Kloningsteknikker med forskjellige typer plasmider, enzymer, kunstige bakterie- og gjærkromosomer og DNA mikromatriser (DNA brikker) har skapt en helt ny biologiindustri. Sekvensering av genomer er blitt helautomatisert og gjøres i “fabrikker”. Gensekvenser og gener fra mRNA såkalte EST (“expressed sequence tags”), fra en lange rekke organismer og organismegrupper, havner i genbanker med søkemuligheter som kan hjelpe til med å bestemme hvilken funksjon et gen har.
"Og Løvet gulner end mere, det lier mot Høsten, det er kommet nogen flere Stjærner paa Himlen og Maanen ser fra nu av ut som en Skygge av Sølv som er dyppet i Guld. Det var ingen Kulde, ingenting, bare en sval Stilhet og et strømmende Liv i Skogen. Hvert Træ stod og tænkte. Bærene var modne." Fra Knut Hamsun: Pan