Što je kloroplast? Kloroplasti: struktura i funkcije

Povrće je jedno od glavnih bogatstava našeg planeta. Zahvaljujući flori na Zemlji da postoji kisik, za koji svi dišemo, postoji ogromna baza hrane na kojoj ovisi cijeli život. Biljke su jedinstvene po tome što mogu pretvoriti kemijske spojeve anorganske prirode u organske tvari.

To čine putem fotosinteze. Ovaj važan proces odvija se u specifičnim biljnim organoidima, kloroplasta. ovo Najmanji element zapravo osigurava postojanje cijelog života na planeti. Usput, što je kloroplast?

Osnovna definicija

Tzv. Specifične strukture u kojima nastaju fotosintetički procesi koji imaju za cilj vezanje ugljičnog dioksida i stvaranje određenih ugljikohidrata. Nusproizvod je kisik. Oni su izduženi orgulje koji dostižu širinu od 2-4 μm, a duljina njih iznosi 5-10 μm. U nekim vrstama zelene alge ponekad postoje kloroplasti-divovi, izduženi na 50 mikrona!

Iste alge mogu imati još jednu osobinu: na cijeloj ćeliji imaju samo jedan organoid ove vrste. U kavezima više biljke najčešće se nalazi 10-30 kloroplasta. Međutim, u njihovom slučaju mogu postojati svijetle iznimke. Dakle, u palinskoj tkanini od uobičajene makhorke dostupan je na 1000 kloroplasta na jednom kavezu. Zašto nam trebaju ti kloroplasti? Fotosinteza je njihova glavna, ali ne i jedina uloga. Da bi se jasno razumjelo njihovo značenje u biljnom životu, važno je znati mnoge aspekte njihova podrijetla i razvoja. Sve ovo je opisano u sljedećem dijelu članka.

Podrijetlo kloroplasta

Dakle, ono što je kloroplast, naučili smo. A odakle su ove orgulje potekle? Kako se dogodilo da biljke imaju takav jedinstveni aparat koji pretvara ugljični dioksid i vodu u kompleks organski spojevi?

Trenutno gledano na endosymbioticno podrijetlo tih organoida prevladava među znanstvenicima, budući da je njihova neovisna pojava u biljnim stanicama dosta upitna. Poznato je da je lihen simbioza algi i gljivica. Jedinstvene alge dok žive unutra gljivične stanice. Sada znanstvenici sugeriraju da su se u davnim vremenima prodirali fotosintetični cijanobakteri biljne stanice, a zatim djelomično izgubio "neovisnost", prenoseći veći dio genoma u jezgru.

Ali novi organoid zadržao je svoju glavnu značajku u punoj mjeri. Ovo je upravo o procesu fotosinteze. Međutim, sam uređaj, koji je neophodan za izvođenje ovog postupka, nastaje pod kontrolom i stanične jezgre i samog kloroplasta. Dakle, podjela tih organoida i drugih procesa povezanih s primjenom genetske informacije o DNA kontrolira jezgra.

dokazi

Relativno nedavno, hipoteza o prokariotskom podrijetlu tih elemenata nije bila vrlo popularna u znanstvenoj zajednici, mnogi su ga smatrali "izmišljotinama amatera". No, nakon dubinske analize nukleotidnih sekvenci u DNA kloroplasta, ta se pretpostavka briljantno potvrđuje. Ispalo je da su ove strukture izuzetno slične, čak povezane, DNA bakterijskih stanica. Tako je sličan slijed pronađen u slobodnim živim cijanobakterijama. Konkretno, ATP-sintetizacijski kompleksni geni bili su vrlo slični, kao i u "aparatima" transkripcije i translacije.

Promotori koji određuju početak čitanja genetske informacije iz DNA, kao i terminalne nukleotidne sekvence koje su odgovorne za njegovo prestanak, također su organizirane na slici i sličnosti bakterijskih sekvenci. Naravno, milijarde godina evolucijske transformacije bile su u mogućnosti napraviti mnogo promjena u kloroplastu, ali sekvence u kloroplastnim genima ostale su apsolutno jednake. A ovo je neosporna, cjelovita dokaza da su kloroplasti zapravo jednom imali prokariotsku predaka. Možda je to bio organizam iz kojeg su nastali i moderni cijanobakteri.

Razvoj kloroplasta iz proplastida

Odrasla organoid se razvija iz proplastida. To je mala, potpuno bezbojna organela koja ima samo nekoliko mikrona promjera. Okružen je gustom dvoslojnom membranom, koja sadrži prstenasto oblikovanu DNA, specifičnu za kloroplast. Unutarnji sustav membrane ovih "predaka" nema organoida. Zbog izuzetno male veličine svoje studije izuzetno je teško, pa su podaci o njihovom razvoju izuzetno mali.

Poznato je da postoji nekoliko takvih protoplasta u jezgri svakog jaja životinja i biljaka. Tijekom razvoja embrija podijeljeni su i preneseni u druge stanice. Lako je provjeriti: genetske znakove koji su nekako povezani s plastidima prenose se samo na maternici.

Interna membrana protoplasta tijekom razvoja razvija se u organoid. Od ove strukture raste tilakoidnog membranu, koji su odgovorni za formiranje Grand Prix i lamela od strome organela. U potpunoj tami, protostastid počinje transformirati u precursor kloroplasta (etioplast). Ovaj primarni organoid karakterizira činjenica da se u njemu nalazi prilično složena kristalna struktura. Čim se list biljke dobije svjetlost, potpuno se sruši. Nakon toga, formiranje „tradicionalnom” unutarnjem ustrojstvu kloroplasta, koji se oblikuje kao vrijeme thylakoids i lamela.

Razlike u biljkama koje pohranjuju škrob

Svaka meristemska stanica sadrži nekoliko takvih proplastida (njihov broj varira ovisno o biljnoj vrsti i drugim čimbenicima). Kad se ovo primarno tkivo počne pretvoriti u list, preteča organoida postaje kloroplasti. Tako mladi listovi pšenice koji su završili rast imaju kloroplast u količini od 100 do 150 komada. Situacija je mnogo složenija s obzirom na one biljke koje su sposobne akumulirati škrob.

Oni akumuliraju zalihe ovog ugljikohidrata u plastidama, koji se nazivaju amiloplasti. Ali što to organoidi imaju na temu našeg članka? Uostalom, gomolji krumpira ne sudjeluju u fotosintezi! Dopustite mi da detaljnije pojasnimo ovo pitanje.

Otkrili smo što kloroplast, na putu, otkriva vezu ovog organoida sa strukturama prokariotskih organizama. Ovdje je slična situacija: znanstvenici su dugo otkrili da amiloplasti, poput kloroplasta, sadrže točno istu DNK i formiraju se iz istog protoplasta. Stoga ih treba tretirati na isti način. Zapravo, amiloplasti se trebaju smatrati posebnim tipom kloroplasta.

Kako se formiraju amiloplasti?

Možete nacrtati analogiju između protoplasta i matičnih stanica. Jednostavno rečeno, amiloplasti se s određene točke počinju razvijati uz malo drugačiji put. Znanstvenici su, međutim, naučili nešto zanimljivo: uspjeli su ostvariti međusobnu konverziju kloroplasta iz listova krumpira u amiloplasti (i obrnuto). Kanonski primjer, poznat svima školskim dječacima - krumpirovim gomoljima u svijetlozelenom zelenilu.

Ostale informacije o načinu diferencijacije ovih organela

Znamo da je tijekom zrenja rajčice voća, jabuke i nekih drugih biljaka (iu lišću drveća, trava i grmlja u jesen) je proces „propadanja”, kada su kloroplasta u biljnim stanicama pretvara u kromoplast. Ovi organoidi sadrže u njihovom sastavu boje pigmenta, karotenoide.

Ova transformacija je posljedica činjenice da su pod određenim uvjetima i tiakoidi potpuno uništeni, nakon čega organelle stječu još jednu unutarnju organizaciju. Ovdje se vraćamo na pitanje koje se raspravljalo na samom početku članka: utjecaj jezgre na razvoj kloroplasta. Upravo to, pomoću posebnih proteina, koje su sintetizirane u citoplazmu stanica, inicira proces preoblikovanja organizacijske strukture.

Struktura kloroplasta

Nakon što smo razgovarali o pitanjima porijekla i razvoja kloroplasta, trebali bismo detaljnije prebivati ​​o njihovoj strukturi. Štoviše, to je vrlo zanimljivo i zaslužuje posebnu raspravu.

Osnovna struktura kloroplasta sastoji se od dvije lipoproteinske membrane, unutarnje i vanjske. Debljina svakog iznosi oko 7 nm, udaljenost između njih je 20-30 nm. Kao u slučaju ostalih plastida, unutarnji sloj stvara posebne strukture koje se protežu u organoid. U zrelim kloroplastima postoje istodobno dvije vrste takvih "sinusnih" membrana. Prvi oblik lamele strome, drugi - membrane thakakoida.

Lamele i tilakoidi

Treba napomenuti da postoji jasan odnos koji ima membranu kloroplasta s sličnim formacijama koje se nalaze unutar organoida. Činjenica je da se neke od nabora mogu protezati od zida do drugog (kao u mitohondriji). Tako lamela može stvoriti bilo vrstu "vrećice" ili razgranatu mrežu. Međutim, najčešće su te strukture međusobno paralelne i nisu povezane ni na koji način.

Ne zaboravite da u kloroplastu postoje membranski tahikodi. To su zatvorene "torbe" koje su raspoređene u obliku stogova. Kao u prethodnom slučaju, između dvaju zidova šupljine nalazi se udaljenost od 20-30 nm. Šipke ovih "vrećica" nazivaju se zrnca. U svakom stupcu može biti do 50 thilloakoida, au nekim slučajevima čak i više. Budući da sveukupne "dimenzije" takvih stackova mogu dosegnuti 0,5 μm, ponekad se mogu otkriti pomoću običnog svjetlosnog mikroskopa.

Ukupni broj granula sadržanih u kloroplastima viših biljaka može doseći do 40-60. Svaki thakloid je tako blisko susjedan da su njihove vanjske membrane jedna jedina ravnina. Debljina sloja na spoju može doseći do 2 nm. Imajte na umu da su takve strukture, koje formiraju susjedni tiakoidi i lamele, vrlo česti.

Na mjestima gdje su u kontaktu, tu je i sloj koji ponekad doseže isti 2 nm. Dakle, kloroplasti (čija je struktura i funkcije vrlo složena) nisu jedna monolitna struktura, već vrsta "države unutar države". U nekim aspektima, struktura tih organoida nije ni manje teška od cijele stanične strukture!

Grane su spojene lamelama. No šupljine tiakakoida, koje stvaraju hrpe, uvijek su zatvorene i ne komuniciraju s intermembranskim prostorom. Kao što vidite, struktura kloroplasta je prilično komplicirana.

Koji pigmenti mogu biti sadržani u kloroplastima?

Što se može sadržavati u stromu svakog kloroplasta? Postoje odvojene DNA molekule i puno ribosoma. Granule škroba pohranjene su u stromu amiloplasta. Prema tome, u kromoplastu postoje pigmenti za boju. Naravno, postoje različiti pigmenti kloroplasta, ali najčešći je klorofil. Podijeljen je u nekoliko vrsta:

• Skupina A (plavo-zelena). To se događa u 70% slučajeva, sadržano je u kloroplastima svih viših biljaka i algi.
• Skupina B (žuto-zelena). U preostalih 30% nalazi se iu biljkama i algama viših vrsta.
• Skupine C, D i E mnogo su manje uobičajene. Postoje kloroplasti nekih vrsta inferiornih algi i biljaka.

U crvenoj i smeđoj algi u kloroplastima, nije previše rijetko da imaju sasvim različite vrste organskih boja. U nekim algama općenito sadrži gotovo sve postojeće pigmente kloroplasta.

Funkcije kloroplasta

Naravno, njihova glavna funkcija je pretvorba svjetlosne energije u organske komponente. Sama fotosinteza događa se u granulama s izravnim sudjelovanjem klorofila. Apsorbira energiju sunčeve svjetlosti, pretvarajući ga u energiju uzbuđenih elektrona. Potonji, koji posjeduju višak svojih rezervi, odustati od viška energije, koji se koristi za raspadanje vode i sintezu ATP. Tijekom raspada vode nastaju kisik i vodik. Prvi, kao što smo već spomenuli, nusproizvod je i pušten u okolni prostor, a vodik je povezan s posebnim bjelančevinama, feredoksinom.

Ponovno se oksidira, prenosi vodik na reducirajući agens, koji je u biokemiji označen kraticom NADPH. Prema tome, njegov reducirani oblik je NADP-H2. Jednostavno rečeno, u procesu fotosinteze, oslobađaju se sljedeće tvari: ATP, NADP-H2 i nusprodukt u obliku kisika.

Energetska uloga ATP-a

Rezultat ATP je iznimno važan, jer je to glavni "akumulator" energije, koji ide različitim potrebama ćelije. NADP-H2 sadrži redukcijsko sredstvo, vodik, a taj spoj može ga lako davati, ako je potrebno. Jednostavno rečeno, to je učinkovito kemijsko redukcijsko sredstvo: u procesu fotosinteze postoje mnoge reakcije koje se ne mogu jednostavno nastaviti bez njega.

Nadalje, enzimi kloroplasta ulaze u materiju, koji djeluju u mraku i izvan grida: kloroplast koristi vodik iz redukcijskog agensa i energija ATP da započne sintezu brojnih organskih tvari. Budući da se fotosinteza javlja u uvjetima dobrog osvjetljenja, akumulirani spojevi u mraku koriste se za potrebe same biljke.

S pravom ćete primijetiti da je ovaj proces u nekim aspektima sumnjičavo sličan disanju. Koja je razlika između fotosinteze? Tablica će vam pomoći da razumijete ovo pitanje.

Tako se fotosinteza razlikuje od disanja. Tablica jasno pokazuje glavne razlike.

Neki "paradoksi"

Većina naknadnih reakcija se nastavlja odmah, u stromu kloroplasta. Daljnji put sintetiziranih tvari je drugačiji. Dakle, jednostavni šećeri odmah prelaze organoid, akumulirajući se u drugim dijelovima stanice u obliku polisaharida, prije svega - škroba. U kloroplastima pojavljuju se i taloženje masti i predakumulacija njihovih prekursora, koji se zatim prenose na druga područja stanice.

Treba jasno shvatiti da sve reakcije sinteze zahtijevaju veliku količinu energije. Jedini je izvor istog fotosinteze. To je proces koji često zahtijeva toliko energije da se mora primiti, uništavajući tvari nastale kao rezultat prethodne sinteze! Dakle, većina energije koja se proizvodi u njenom tijeku potrošena je za provođenje mnoštva kemijskih reakcija unutar same biljke.

Samo se dio svog udjela koristi izravno za dobivanje onih organskih tvari koje biljka preuzima za vlastiti rast i razvoj ili odgađa u obliku masti ili ugljikohidrata.

Jesu li kloroplasti statični?

Općenito se vjeruje da su stanični organeli, uključujući kloroplast (čija je struktura i funkcije detaljno opisana), smješteni isključivo na jednom mjestu. Nije tako. Kloroplasti se mogu kretati po ćeliji. Dakle, u slabom svjetlu oni imaju tendenciju da zauzme položaj u blizini najviše osvijetljenom dijelu stanice, u uvjetima umjereno do slabom osvjetljenju može izabrati neki srednji položaj, na kojem je moguće „uhvatiti” najviše sunčeve svjetlosti. Taj je fenomen bio nazvan "fototaksija".

Poput mitohondrija, kloroplasti su vrlo autonomni organoidi. Imaju vlastite ribosome, sintetiziraju niz visoko specifičnih proteina koji se koriste samo od njih. Postoje čak i specifični enzimski kompleksi, tijekom kojih se proizvode posebni lipidi za izgradnju lamelarnih školjaka. Već smo razgovarali o prokariota podrijetlu tih organela, ali to treba dodati da su neki znanstvenici vjeruju da su kloroplasti dugogodišnji potomci nekih parazitskih organizama, koji se prvi put postali sinonimi, a potom u potpunosti postati sastavni dio stanice.

Važnost kloroplasta

Za biljke je očito - to je sinteza energije i tvari koje koriste biljne stanice. No, fotosinteza je proces koji osigurava kontinuiranu akumulaciju organske tvari na globalnoj razini. Od ugljičnog dioksida, vode i sunčeve svjetlosti, kloroplasti mogu sintetizirati veliki broj složenih molekula visokih molekula. Ova je sposobnost karakteristična samo za njih, a čovjek je daleko od ponavljanja tog postupka pod umjetnim uvjetima.

Cjelokupna biomasa na površini našeg planeta duguje svoje postojanje ovim malenim organoidima koji su u dubinama biljnih stanica. Bez njih, bez procesa fotosinteze koju oni provode na Zemlji, u svojim suvremenim manifestacijama ne bi postojao život.

Nadamo se da ste naučili iz ovog članka o tome što je kloroplast i koja je njegova uloga u biljnom organizmu.