Kaj je kloroplast? Kloroplasti: struktura in funkcije

Rastlinski svet je eno glavnih bogastev našega planeta. Zahvaljujoč flori na Zemlji je, da obstaja kisik, ki ga vsi dihamo, obstaja ogromna živilska baza, na kateri je odvisno vse življenje. Rastline so edinstvene v tem, da lahko pretvorijo kemične spojine anorganske narave v organske snovi.

To delajo s fotosintezo. Ta pomemben proces poteka v posebnih rastlinskih organoidih, kloroplasti. To Najmanjši element dejansko zagotavlja obstoj vsega življenja na planetu. Mimogrede, kaj je kloroplast?

Osnovna definicija

Tako imenovane specifične strukture, v katerih se pojavijo fotosintezni procesi, katerih namen je vezati ogljikov dioksid in tvorbo nekaterih ogljikovih hidratov. Stranski proizvod je kisik. So podolgovati organeli, ki dosežejo širino 2-4 μm, njihova dolžina doseže 5-10 μm. Pri nekaterih vrstah zelene alge Včasih so kloroplasti-velikani, podolgovati na 50 mikronov!

Enake alge imajo lahko še eno lastnost: na celici imajo le en organoid te vrste. V kletkah višje rastline najpogosteje je 10-30 kloroplastov. Vendar pa lahko v njihovem primeru obstajajo svetle izjeme. Torej, v palisadi tkanini običajne makhorke je na voljo na 1000 kloroplastih v eni kletki. Zakaj potrebujemo te kloroplaste? Fotosinteza je njihova glavna, vendar ne edina vloga. Za jasno razumevanje njihovega pomena v rastlinskem življenju je pomembno vedeti več vidikov njihovega izvora in razvoja. Vse to je opisano v naslednjem delu članka.

Poreklo kloroplasta

Torej, kaj je kloroplast, smo se naučili. In od kod prihajajo ti organeli? Kako se je zgodilo, da so imele rastline tako edinstven aparat, ki ogljikov dioksid in vodo postanejo zapleteni organske spojine?

Trenutno obstaja prevlada stališče o endosimbiotičnem poreklu teh organoidov med znanstveniki, saj je njihov neodvisni pojav v rastlinskih celicah precej dvomljiv. Znano je, da je lišaj simbioza alg in gliv. Eničelne alge medtem ko živijo v notranjosti glivične celice. Zdaj znanstveniki nakazujejo, da so v dobesedni dobi prodrli fotosintetične cianobakterije rastlinske celice, nato pa delno izgubil "neodvisnost", ki je prenesel večino genom v jedro.

Toda novi organoid je v celoti ohranil svojo glavno značilnost. Gre le za postopek fotosinteze. Vendar je sama naprava, ki je potrebna za izvedbo tega postopka, oblikovana pod nadzorom tako celičnega jedra kot samega kloroplasta. Tako delitev teh organoidov in drugih procesov, povezanih z izvajanjem genetskih informacij na DNA, nadzira jedro.

Dokazi

Relativno pred kratkim hipoteza o prokariotskem izvoru teh elementov v znanstveni skupnosti ni bila zelo priljubljena, mnogi so menili, da je to "izmišljotine amaterjev". Toda po temeljiti analizi nukleotidnih zaporedij v DNA kloroplastov je bila ta predpostavka sijajno potrjena. Izkazalo se je, da so te strukture zelo podobne, celo povezane, DNA bakterijskih celic. Tako je bilo podobno zaporedje ugotovljeno v prostih živih cianobakterijah. Zlasti podobni so bili ATP-sintezni kompleksni geni, pa tudi v "aparatih" transkripcije in prevoda.

Predlagatelji, ki določajo začetek branja genetskih informacij iz DNK in terminal nukleotidnih zaporedij, ki so odgovorni za njegovo prenehanje, kot je organiziran v podobi bakterij. Seveda, so milijarde let evolucijskih transformacij sposobni narediti veliko sprememb v kloroplastih, vendar zaporedje v kloroplastnega genov ostala popolnoma nespremenjena. In to je - neizpodbiten polno dokaz, da je nekoč imel kloroplasti in dejansko prokariontskega prednika. Morda je bilo telo, ki se je zgodila tudi sodobno cianobakterije.

Razvoj kloroplasta iz proplastida

Od organov za odrasle se razvije proplastid. Je majhna, popolnoma brezbarvna organelle, ki ima premera le nekaj mikronov. Obdaja jo gosta dvoslojna membrana, ki vsebuje obročasto DNA, specifično za kloroplast. Notranji membranski sistem teh "prednikov" nima organoidov. Zaradi izjemno majhne velikosti študija je zelo težko, zato so podatki o njihovem razvoju izjemno majhni.

Znano je, da obstaja več takšnih protoplastov v jedru vsake jajčne celice živali in rastlin. Med razvojem zarodka so razdeljeni in preneseni v druge celice. Preprosto je preveriti: genetski znaki, ki so nekako povezani z plastidami, se prenašajo samo na materino linijo.

Notranja membrana protoplastov med razvojem se razvije v organoid. Iz teh struktur rastejo membrane tilakoidov, ki so odgovorne za tvorbo granul in lamel strome organoida. V popolni temi se protostastid začne pretvoriti v predhodnik kloroplasta (etioplast). Za ta primarni organoid je značilen dejstvo, da se znotraj nje nahaja precej zapletena kristalna struktura. Takoj, ko se listič rastlin osvetli, se popolnoma zruši. Po tem se oblikuje "tradicionalna" notranja struktura kloroplasta, ki se tako oblikuje s tilakoidi in lamelami.

Razlike v rastlinah, ki shranjujejo škrob

Vsaka meristemska celica vsebuje več takih proplastidov (njihovo število se spreminja glede na rastlinske vrste in druge dejavnike). Ko se to primarno tkivo začne pretvoriti v list, predhodniki organoidov postanejo kloroplasti. Tako so mladi listi pšenice, ki so dopolnili svojo rast, kloroplasti v količini 100-150 kosov. Stanje je veliko bolj zapleteno glede na tiste rastline, ki so sposobne kopičenja škroba.

Na zalogi tega ogljikovega hidrata se kopičijo v plastidih, ki se imenujejo amiloplasti. Toda kaj imajo ta organoidi na temo našega članka? Konec koncev, gomolji krompirja ne sodelujejo v fotosintezi! Naj pojasnim to vprašanje bolj podrobno.

Ugotovili smo, kakšen je kloroplast, na poti, ki razkriva povezavo tega organoida s strukturami prokariotskih organizmov. Tukaj je situacija podobna: znanstveniki že dolgo ugotovijo, da amiloplasti, kot so kloroplasti, vsebujejo popolnoma isto DNA in so tvorjene iz popolnoma istih protoplastov. Zato jih je treba obravnavati enako. Dejansko je treba amiloplaste šteti za posebno vrsto kloroplasta.

Kako se tvorijo amiloplasti?

Analogijo lahko izdelate med protoplastami in izvornimi celicami. Preprosto povedano, se amiloplasti z določenega mesta začnejo razvijati po nekoliko drugačni poti. Znanstveniki pa so se naučili nekaj zanimivega: uspeli so doseči vzajemno pretvorbo kloroplastov iz krompirjevih listov v amiloplastne (in obratno). Kanonski primer, ki je znan vsem učencem - gomolji krompirja v svetlo zeleni barvi.

Druge informacije o načinih razlikovanja teh organelov

Vemo, da je (in v listih dreves, zelišč in grmovnic v jeseni), je v času zorenja plodov paradižnika, jabolka in nekaterih drugih rastlin proces "razgradnje" ko so kloroplasti v rastlinskih celicah pretvori v kromoplast. Te organeli vsebujejo v svoji sestavi pigmentov, karotenoidov.

Ta preobrazba je posledica dejstva, da so pod določenimi pogoji tilakoidi popolnoma uničeni, po katerih organel pridobi drugo notranjo organizacijo. Tu se vrnemo k vprašanju, ki je bilo obravnavano na samem začetku članka: vpliv jedra na razvoj kloroplastov. To je s pomočjo posebnih proteinov, ki so sintetizirane v citoplazmi celic, ki sproži proces preurejanja organostrukture.

Struktura kloroplasta

Po tem, ko smo govorili o vprašanjih izvora in razvoja kloroplastov, moramo podrobneje preučiti njihovo strukturo. Poleg tega je zelo zanimivo in zasluži ločeno razpravo.

Osnovna struktura kloroplastov je sestavljena iz dveh lipoproteinskih membran, notranjih in zunanjih. Debelina vsake je okoli 7 nm, razdalja med njima je 20-30 nm. Kot pri drugih plastidih notranji sloj oblikujejo posebne strukture, ki štrlijo v organoid. Pri odraslih kloroplastih so naenkrat na voljo dve vrsti takih "navideznih" membran. Prva oblika lamel strome, druga - membrane tilakoidov.

Lamele in tilakoidi

Treba je opozoriti, da obstaja jasna povezava, ki ima membrano kloroplastov s podobnimi formacijami, ki se nahajajo znotraj organoidov. Dejstvo je, da lahko nekatere njene gube segajo od enega stena do drugega (kot pri mitohondriji). Tako lahko lamela tvori bodisi nekakšno vrečo ali razvejano mrežo. Vendar pa se te strukture najpogosteje nahajajo vzporedno med seboj in niso povezane nikakor.

Ne pozabite, da v notranjosti kloroplasta obstajajo membranski tilakoidi. To so zaprti "vreče", ki so razporejeni v obliki sklada. Kot v prejšnjem primeru je med obema stenama votline razdalja 20-30 nm. Palice teh "vrečk" se imenujejo zrna. V vsakem stolpcu je lahko do 50 tilakoidov, v nekaterih primerih pa še več. Ker lahko skupne "dimenzije" takih kupov dosežejo 0,5 μm, jih včasih lahko zaznamo z navadnim svetlobnim mikroskopom.

Skupno število granul, ki jih vsebuje kloroplasti višjih rastlin, lahko doseže do 40-60. Vsak tiakakoid je tako blizu, da je njihova zunanja membrana ena sama ravnina. Debelina sloja na stičišču lahko doseže do 2 nm. Upoštevajte, da so take strukture, ki jih tvorijo sosednji tiakakoidi in lamele, precej pogoste.

Na mestih, kjer so v stiku, obstaja tudi plast, ki včasih doseže enako 2 nm. Tako so kloroplasti (katerih struktura in funkcije so zelo zapletene) niso samo monolitna struktura, ampak nekakšna "država znotraj države". V nekaterih pogledih struktura teh organoidov ni nič manj težka od celotne celične strukture!

Grans so povezani s pomočjo lamele. Vendar pa so votline tilakoidov, ki tvorijo kupe, vedno zaprta in ne komunicirajo z intermembranskim prostorom. Kot lahko vidite, je struktura kloroplastov precej zapletena.

Kateri pigmenti lahko vsebujejo kloroplasti?

Kaj lahko vsebuje strom vsakega kloroplasta? Obstajajo ločene molekule DNA in veliko ribosomov. Zrnca škroba se odlagajo v stromu amiloplastov. Skladno s tem v kromoplastu obstajajo barvilni pigmenti. Seveda obstajajo različni pigmenti kloroplastov, najpogostejši pa je klorofil. Razdeljen je na več vrst:

• Skupina A (modro-zelena). Pojavlja se v 70% primerov, vsebuje ga kloroplasti vseh višjih rastlin in alg.
• Skupina B (rumeno-zelena). Preostalih 30% je tudi v rastlinah in algah višjih vrst.
• Skupine C, D in E so veliko manj pogoste. Obstajajo kloroplasti nekaterih vrst nižjih alg in rastlin.

V rdečih in rjavih morskih algah v kloroplastih ni preveč redko, če imamo popolnoma različne vrste organskih barvil. V nekaterih algah na splošno vsebujejo skoraj vse obstoječe pigmente kloroplastov.

Funkcije kloroplastov

Seveda je njihova glavna funkcija pretvorba svetlobne energije v organske sestavine. Fotosinteza se zgodi v granulah z neposredno udeležbo klorofila. Absorbira energijo sončne svetlobe, pretvarja jo v energijo vzburjenih elektronov. Slednji, ki ima presežek svoje rezerve, odpove presežek energije, ki se uporablja za razpadanje vode in sintetiziranje ATP. Med razpadom vode nastajajo kisik in vodik. Prvi, kot smo že omenili, je stranski proizvod in se sprošča v okolico, vodik pa je povezan s posebnim proteinom, ferredoksinom.

Znova se oksidira, prenaša vodik v redukcijsko sredstvo, ki ga v biokemiji označuje kratica NADPH. Zato je njegova zmanjšana oblika NADP-H2. Preprosto povedano, v procesu fotosinteze sproščajo naslednje snovi: ATP, NADP-H2 in stranski produkt v obliki kisika.

Energijska vloga ATP

Nastali ATP je izredno pomemben, saj je glavni akumulator energije, ki ustreza različnim potrebam celice. NADP-H2 vsebuje redukcijsko sredstvo, vodik in ta spojina lahko po potrebi zlahka doda. Preprosto povedano, to je učinkovito kemično redukcijsko sredstvo: v procesu fotosinteze obstaja veliko reakcij, ki ne morejo preprosto nadaljevati brez njega.

Poleg tega vstopajo v materijo encime kloroplastov, ki delujejo v temi in izven omrežij: kloroplast uporablja hidrogen iz redukcijskega sredstva in energijo ATP za začetek sinteze številnih organskih snovi. Ker se fotosinteza pojavi v pogojih dobrega osvetlitve, se akumulirane spojine v temi uporabljajo za potrebe samih rastlin.

Lahko upravičeno opazite, da je ta postopek v nekaterih pogledih sumljivo podoben dihanju. Kakšna je razlika med fotosintezo? Tabela vam bo pomagala razumeti to vprašanje.

Tako se fotosinteza razlikuje od dihanja. Tabela jasno prikazuje glavne razlike.

Nekateri "paradoksi"

Večina nadaljnjih reakcij se nadaljuje takoj, v stromu kloroplasta. Nadaljnji način sintetiziranih snovi je drugačen. Torej, preprosti sladkorji takoj presegajo organoid, kopičijo v drugih delih celice v obliki polisaharidov, najprej škrob. V kloroplastih pride do odlaganja maščob in predakumulacije njihovih prekurzorjev, ki se nato prevažajo na druga področja celice.

Jasno je treba razumeti, da vse sintezne reakcije zahtevajo veliko količino energije. Edini vir je enaka fotosinteza. To je proces, ki pogosto zahteva toliko energije, da jo je treba prejeti, da uniči snovi, ki so nastale kot posledica prejšnje sinteze! Tako je večina energije, ki se proizvaja v svojem toku, porabljena za izvajanje številnih kemičnih reakcij v sami rastlinski celici.

Le nekaj njegovih deležev se uporablja za neposredno pridobivanje tistih organskih snovi, ki jih rastlina potrebuje za lastno rast in razvoj ali odlaganje v obliki maščob ali ogljikovih hidratov.

Ali so kloroplasti statične?

Na splošno velja, da so celični organeli, vključno s kloroplasti (katerih struktura in funkcije so podrobno opisani pri nas), postavljeni strogo na enem mestu. Ni tako. Kloroplasti se lahko premikajo po celici. Tako v šibki svetlobi pogosto zasedajo položaj blizu najbolj osvetljene strani celice, v pogojih srednje in nizke osvetljenosti, lahko izbirajo določene vmesne položaje, v katerih lahko "ulovijo" večino sončne svetlobe. Ta pojav je bil imenovan "fototaksis".

Kot mitohondriji so kloroplasti precej avtonomni organoidi. Imajo lastne ribosome, sintetizirajo vrsto zelo specifičnih proteinov, ki jih uporabljajo samo njihovi. Obstajajo tudi specifični encimski kompleksi, v katerem se proizvajajo posebni lipidi, potrebni za izdelavo lamelarnih lupin. Smo že govorili o prokariontski izvor teh organelov, vendar je treba dodati, da nekateri znanstveniki menijo, da so kloroplasti dolgoletni potomci nekaterih parazitskih organizmov, ki so najprej postali simbiontih, nato pa v celoti postane sestavni del celice.

Pomen kloroplastov

Za rastline je očitno - gre za sintezo energije in snovi, ki jih uporabljajo rastlinske celice. Vendar je fotosinteza proces, ki zagotavlja stalno kopičenje organskih snovi v svetovnem merilu. Iz ogljikovega dioksida, vode in sončne svetlobe lahko kloroplasti sintetizirajo ogromno število kompleksnih visoko molekularnih spojin. Ta sposobnost je značilna samo za njih, človek pa daleč od ponovitve tega procesa pod umetnimi pogoji.

Celotna biomasa na površju našega planeta dolguje svojemu obstoju majhnim organoidom, ki so v globinah rastlinskih celic. Brez njih brez procesa fotosinteze, ki jo izvajajo na Zemlji, v svojih sodobnih manifestacijah ne bi bilo življenja.

Upamo, da ste se naučili iz tega članka o tem, kaj je kloroplast in kakšna je njegova vloga v rastlinskem organizmu.