Što je kloroplasta? Kloroplaste: struktura i funkcija

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, kloroplastima. Ovaj najmanji element zapravo osigurava postojanje cijelog života na planetu. 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. Ovaj dugi organoid, dostižući širinu od 2-4 mikrona, njihova duljina doseže 5-10 mikrona. U nekim vrstama zelenih algi, ponekad postoje kloroplasti - divovi rastegnuti na 50 mikrona!

Iste alge mogu imati drugu osobitost: na cijeloj ćeliji imaju samo jedan organoid ove vrste. U stanicama viših biljaka obično se nalaze 10-30 kloroplasta. Međutim, u njihovom slučaju mogu postojati svijetli izuzeci. 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 razumjela njihova važnost 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 uređaj koji pretvara ugljični dioksid i vodu u složene organske spojeve?

Trenutno, prevladava stajalište o endosimbiotičkoj podrijetlu tih organoida među znanstvenicima, budući da njihova neovisna pojava u biljnim stanicama je dosta upitna. Poznato je da je lihen simbioza algi i gljivica. Jedinstvene alge žive unutar gljivične stanice. Sada znanstvenici sugeriraju da su se u davnim vremenima fotosintetični cijanobakteri prodirali u biljne stanice, a potom djelomično izgubili "neovisnost", prenoseći većinu genoma u jezgru.

No, novi organoid je sačuvao svoju glavnu značajku u punini. Ovo je upravo proces fotosinteze. Međutim, sam uređaj, koji je neophodan za izvođenje ovog postupka, nastaje pod kontrolom i stanice i samog kloroplasta. Dakle, podjela ovih 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 to smatrali "izmišljotinama amatera". Ali nakon dubinske analize nukleotidnih sekvenci u DNA kloroplasta, ova je pretpostavka bila briljantno potvrđena. Ispalo je da su ove strukture izuzetno slične, čak povezane, DNA bakterijskih stanica. Tako je sličan slijed pronađen u slobodno živim cijanobakterijama. Konkretno, geni ATP-sintetizacijskog kompleksa bili su vrlo slični, kao i u "aparatima" transkripcije i translacije.

Promotori koji određuju početak čitanja genetske informacije iz DNA, kao i terminalnih nukleotidnih sekvenci koji su odgovorni za njegovo prestanak, također su organizirani 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 neosporan i potpun dokaz da su kloroplasti stvarno jednom imali prokariotsku predaka. Možda je to bio organizam iz kojeg su nastali i moderni cijanobakteri.

Razvoj kloroplasta iz proplastide

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 DNA u obliku prstena, specifična za kloroplast. Unutarnji sustav membrane nema tih "predaka" organoida. Zbog iznimno male veličine svoje studije iznimno 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. To je lako provjeriti: genetički znakovi koji su nekako povezani s plastidima prenose se samo na maternici.

Interna membrana protoplasta tijekom razvoja razvija se u organoid. Od tih struktura raste pleksidne membrane, koje su odgovorne za formiranje granuloma i lamela strome organoida. U potpunoj tami, protostastid počinje transformirati u kloroplastični prekursor (etioplast). Ovaj primarni organoid karakterizira činjenica da je u njemu prilično složena kristalna struktura. Čim se list biljke dobije svjetlost, potpuno se sruši. Nakon toga nastaje nastajanje "tradicionalne" unutarnje strukture kloroplasta, koju formiraju takvi kao što su toilakoidi i lamele.

Razlike biljaka koje sadrže škrob

Svaka meristemska stanica sadrži nekoliko takvih proplastida (njihov broj varira ovisno o biljnoj vrsti i drugim čimbenicima). Jednom kada se ovo primarno tkivo počne pretvoriti u list, prekurzori organoida postaju 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 ti organoidi imaju na temu našeg članka? Uostalom, gomolji krumpira ne sudjeluju u fotosintezi! Dopustite mi da detaljnije pojasnimo ovo pitanje.

Otkrili smo što je kloroplast, usput 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 postići međusobnu konverziju kloroplasta iz listova krumpira u amiloplasti (i obratno). Kanonski primjer, poznat svima školskim dječacima - gomolja krumpira u svijetlozelenom zelenilu.

Ostale informacije o načinima razlikovanja tih organoida

Znamo da tijekom zrenja plodova rajčice, jabuka i nekih drugih biljaka (u lišću stabala, trave i grmlja u jesenskom razdoblju) dolazi do procesa "degradacije", kada se kloroplasti u biljnoj stanici transformiraju u kromoplaste. Ovi organoidi sadrže u njihovom sastavu boje pigmenta, karotenoida.

Transformacija je posljedica činjenice da su pod određenim uvjetima, tiakoididi potpuno uništeni, nakon čega organelle stječe još jednu unutarnju organizaciju. Ovdje se vraćamo na pitanje koje se raspravljalo na samom početku članka: utjecaj jezgre na razvoj kloroplasta. Upravo je to, putem posebnih proteina, koje su sintetizirane u citoplazmi stanica, inicira proces rekonstrukcije organometala.

Struktura kloroplasta

Razgovarajući o pitanjima podrijetla i razvoja kloroplasta, moramo razraditi njihovu strukturu. 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 iznosi 20-30 nm. Kao i kod 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 thakikoida.

Lamele i tilakidi

Treba napomenuti da postoji jasna veza koja ima membranu kloroplasta s sličnim formacijama koje se nalaze unutar organoida. Činjenica je da se neki od njegovih nabora mogu protezati od zida do drugog (kao u mitohondriji). Tako lamela može oblikovati bilo kakvu "vreću" ili razgranatu mrežu. Međutim, najčešće su ove strukture međusobno paralelni i ni na koji način nisu povezani.

Nemojte zaboraviti da u kloroplastu postoje i membranski tahikodi. To su zatvorene "torbe", koje su raspoređene u obliku stogova. Kao u prethodnom slučaju, između dvaju zida šupljine nalazi se udaljenost od 20-30 nm. Šipke ovih "vrećica" zovu se zrnca. U svakom stupcu može postojati do 50 thylakoida, 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 žitarica koji se nalaze u kloroplastima viših biljaka može doseći do 40-60. Svaki je tiakakoid tako čvrsto pričvršćen na drugu da njihove vanjske membrane tvore jednu ravninu. Debljina sloja na spoju može doseći do 2 nm. Imajte na umu da su takve strukture, koje su oblikovane susjednim tiakoidima i lamelama, vrlo česte.

Na mjestima gdje su u kontaktu, također postoji 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 je ne manje teška od cijele stanične strukture!

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

Koji pigmenti mogu biti sadržani u kloroplastima?

Što se može sadržavati u stromu svakog kloroplasta? Postoje odvojene DNA molekule i puno ribosoma. Granule škroba se talože 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). Ona se pojavljuje u 70% slučajeva, ona se nalazi 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 sadrže gotovo sve postojeće pigmente kloroplasta.

Funkcije kloroplasta

Naravno, njihova glavna funkcija je pretvoriti svjetlosnu energiju u organske komponente. Sama fotosinteza pojavljuje se u granulama s izravnim sudjelovanjem klorofila. Apsorbira energiju sunčeve svjetlosti, pretvarajući ga u energiju uzbudljivih elektrona. Potonji, koji posjeduje višak svojih rezervi, odustaje od viška energije, koja se koristi za raspadanje vode i sintezu ATP. Tijekom raspada vode stvaraju se 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, budući da 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 djelotvorno kemijsko redukcijsko sredstvo: u procesu fotosinteze postoje mnoge reakcije koje jednostavno ne mogu nastaviti bez nje.

Nadalje, enzimi kloroplasta ulaze u materiju, koji djeluju u mraku i izvan gridova: kloroplast koristi vodik iz redukcijskog sredstva i ATP energiju kako bi započeo 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.

Predmeti za usporedbu	fotosinteza	dah
kada postoji	Samo tijekom dana, na suncu	U bilo kojem trenutku
Gdje je	Stanice koje sadrže klorofil	Sve žive stanice
kisik	namjena	unos
CO2	unos	namjena
Organske tvari	Sinteza, djelomično cijepanje	Samo cijepanje
energija	apsorbira	Dodjeljuje se

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

Neki "paradoksi"

Većina sljedećih reakcija se odmah javlja u stromu kloroplasta. Daljnji put sintetiziranih tvari je drugačiji. Dakle, jednostavni šećeri odmah idu izvan organoida, akumuliraju se u drugim dijelovima stanice u obliku polisaharida, prije svega - škroba. U kloroplastima pojavljuju se i taloženje masti i predkumulacija njihovih prekursora, koji se zatim prenose na druga područja stanice.

Treba jasno razumjeti da su sve reakcije sinteze zahtijeva ogromne količine energije. Njezin jedini izvor je uvijek isti fotosinteza. To je proces koji često zahtijeva toliko energije da ona mora dobiti uništavajući tvari nastale kao rezultat prethodne sinteze! Dakle, najveći dio energije koja se dobiva u svojoj naravno, troši se na obavljanje više kemijskih reakcija unutar stanice biljke.

Samo određeni postotak se koristi za izravnu proizvodnju onih organske tvari koje je biljka uzima za vlastiti rast i razvoj bilo kašnjenja u obliku masti ili ugljikohidrata.

da li kloroplasti su statični?

Smatra se da su staničnih organela, uključujući kloroplasta (strukturi i funkciji koju smo detaljno slikano) su strogo na jednom mjestu. To nije tako. Kloroplasti mogu kretati u kavez. Dakle, u blijedo svjetlo oni imaju tendenciju da zauzme položaj u blizini najviše osvijetljenu stranu stanica, pod uvjetima umjerene do slabog osvjetljenja možete odabrati neki srednji položaj, na kojem je moguće „uhvatiti” najviše sunčeve svjetlosti. Ovaj fenomen se naziva „phototaxis”.

Kao mitohondrijima, kloroplasti su prilično autonomna organele. Oni imaju svoje ribosoma, oni sintetizirali broj visoko specifični proteini koji koriste samo njima. Tu je čak i specifični enzimski kompleksi, koji su proizvedeni u posebnim lipida potrebne za izgradnju lamelni membrane. 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.

značenje kloroplaste

Za biljke, očito je - sinteza energije i materijala koji se koriste u stanicama biljaka. No, fotosinteza - proces koji osigurava stalan akumulacije organske tvari na globalnoj razini. Ugljičnog dioksida, vode i solarne kloroplasti mogu sintetizirati veliki broj složenih makromolekularnim spojevima. Ova sposobnost je svojstvo samo za njih, a čovjek je daleko od taj proces ponavlja in vitro.

Sve biomase na površini našeg planeta duguje svoje postojanje na ovom najmanjih organela koje se nalaze u dubini biljnih stanica. Bez njih, bez njihovog kontinuiranog procesa fotosinteze na Zemlji ne bi bio život u svojim suvremenim manifestacijama.

Nadamo se da ste naučili iz ovog članka da kloroplasta je i koja je njegova uloga u tijelu biljaka.