Świat roślin jest jednym z głównych bogactw naszej planety. To dzięki florze na Ziemi jest tlen, którym wszyscy oddychamy, istnieje ogromna baza pokarmowa, od której zależą wszystkie żywe istoty. Rośliny są wyjątkowe, ponieważ mogą przekształcać nieorganiczne związki chemiczne w substancje organiczne.
Robią to poprzez fotosyntezę. Ten najważniejszy proces zachodzi w określonych organellach roślinnych, chloroplastach. Ten najmniejszy element faktycznie zapewnia istnienie wszelkiego życia na planecie. Przy okazji, czym jest chloroplast?
Podstawowa definicja
To nazwa specyficznych struktur, w których zachodzą procesy fotosyntezy, mające na celu wiązanie dwutlenku węgla i tworzenie niektórych węglowodanów. Produktem ubocznym jest tlen. Są to wydłużone organelle, osiągające szerokość 2-4 mikronów, ich długość sięga 5-10 mikronów. Niektóre gatunki zielonych alg czasami mają gigantyczne chloroplasty o długości 50 mikronów!
Te same glony mogą miećinna cecha: dla całej komórki mają tylko jedną organellę tego gatunku. W komórkach roślin wyższych najczęściej znajduje się 10-30 chloroplastów. Jednak w ich przypadku mogą istnieć uderzające wyjątki. Tak więc w tkance palisadowej zwykłego kudły znajduje się 1000 chloroplastów na komórkę. Do czego służą te chloroplasty? Fotosynteza jest ich główną, ale nie jedyną rolą. Aby jasno zrozumieć ich znaczenie w życiu roślin, ważne jest poznanie wielu aspektów ich pochodzenia i rozwoju. Wszystko to zostało opisane w dalszej części artykułu.
Pochodzenie chloroplastu
Więc, co to jest chloroplast, dowiedzieliśmy się. Skąd wzięły się te organelle? Jak to się stało, że rośliny opracowały tak wyjątkowy aparat, który zamienia dwutlenek węgla i wodę w złożone związki organiczne?
Obecnie wśród naukowców dominuje punkt widzenia endosymbiotycznego pochodzenia tych organelli, gdyż ich samodzielne występowanie w komórkach roślinnych jest raczej wątpliwe. Powszechnie wiadomo, że porosty to symbioza glonów i grzybów. Wewnątrz komórki grzyba żyją jednokomórkowe glony. Teraz naukowcy sugerują, że w czasach starożytnych fotosyntetyczne cyjanobakterie wnikały do komórek roślinnych, a następnie częściowo utraciły swoją „niezależność”, przenosząc większość genomu do jądra.
Ale nowy organoid w pełni zachował swoją główną cechę. Chodzi tylko o proces fotosyntezy. Jednak sama aparatura, niezbędna do przeprowadzenia tego procesu, jest utworzona podkontrola zarówno jądra komórkowego, jak i samego chloroplastu. Tak więc podział tych organelli i inne procesy związane z wprowadzaniem informacji genetycznej do DNA są kontrolowane przez jądro.
Dowód
Stosunkowo niedawno hipoteza prokariotycznego pochodzenia tych pierwiastków nie była zbyt popularna w środowisku naukowym, wielu uważało ją za „wynalazki amatorów”. Ale po dogłębnej analizie sekwencji nukleotydów w DNA chloroplastów to założenie zostało doskonale potwierdzone. Okazało się, że struktury te są niezwykle podobne, a nawet spokrewnione z DNA komórek bakteryjnych. Tak więc podobną sekwencję znaleziono u wolno żyjących sinic. W szczególności geny kompleksu syntetyzującego ATP, a także „maszyn” transkrypcji i translacji okazały się niezwykle podobne.
Promotory, które determinują rozpoczęcie odczytywania informacji genetycznej z DNA, a także końcowe sekwencje nukleotydowe, które są odpowiedzialne za jego terminację, są również zorganizowane w obraz i podobieństwo bakteryjnych. Oczywiście miliardy lat transformacji ewolucyjnych może spowodować wiele zmian w chloroplastach, ale sekwencje w genach chloroplastów pozostały absolutnie takie same. I to jest niepodważalny, kompletny dowód na to, że chloroplasty rzeczywiście miały kiedyś prokariotycznego przodka. Być może był to organizm, z którego wyewoluowały również współczesne sinice.
Rozwój chloroplastów z proplastidów
Organoid „dorosły” rozwija się z proplastydów. To jest mały, całkowicie bezbarwnyorganelli o średnicy zaledwie kilku mikronów. Jest otoczony gęstą dwuwarstwową błoną zawierającą koliste DNA specyficzne dla chloroplastów. Ci „przodkowie” organelli nie mają wewnętrznego systemu błon. Ze względu na ich niezwykle małe rozmiary, ich badanie jest niezwykle trudne, a zatem istnieje bardzo mało danych na temat ich rozwoju.
Wiadomo, że kilka z tych protoplastydów jest obecnych w jądrze każdej komórki jajowej zwierząt i roślin. Podczas rozwoju zarodka dzielą się i są przenoszone do innych komórek. Łatwo to zweryfikować: cechy genetyczne, które są w jakiś sposób związane z plastydami, są przekazywane tylko przez linię matczyną.
Wewnętrzna błona protoplastydu wystaje do organoidu podczas rozwoju. Z tych struktur wyrastają błony tylakoidów, które są odpowiedzialne za tworzenie granulek i blaszek zrębu organoidu. W całkowitej ciemności protopastid zaczyna przekształcać się w prekursora chloroplastu (etioplastu). Ten pierwotny organoid charakteryzuje się tym, że znajduje się w nim dość złożona struktura krystaliczna. Gdy tylko światło padnie na liść rośliny, zostaje on całkowicie zniszczony. Następnie powstaje „tradycyjna” wewnętrzna struktura chloroplastu, którą tworzą właśnie tylakoidy i blaszki.
Różnice w magazynach skrobi
Każda komórka merystemu zawiera kilka takich proplastidów (ich liczba różni się w zależności od rodzaju rośliny i innych czynników). Gdy tylko ta pierwotna tkanka zaczyna przekształcać się w liść, prekursorowe organelle zamieniają się w chloroplasty. Więc,młode liście pszenicy, które zakończyły swój wzrost, mają chloroplasty w ilości 100-150 sztuk. Sprawy są nieco bardziej skomplikowane dla tych roślin, które są w stanie akumulować skrobię.
Przechowują ten węglowodan w plastydach zwanych amyloplastami. Ale co te organelle mają wspólnego z tematem naszego artykułu? W końcu bulwy ziemniaka nie biorą udziału w fotosyntezie! Pozwólcie, że wyjaśnię tę kwestię bardziej szczegółowo.
Odkryliśmy, czym jest chloroplast, po drodze ujawniając związek tego organoidu ze strukturami organizmów prokariotycznych. Tutaj sytuacja jest podobna: naukowcy od dawna odkryli, że amyloplasty, podobnie jak chloroplasty, zawierają dokładnie to samo DNA i powstają z dokładnie tych samych protoplastydów. Dlatego należy je rozpatrywać w tym samym aspekcie. W rzeczywistości amyloplasty należy traktować jako szczególny rodzaj chloroplastów.
Jak powstają amyloplasty?
Można narysować analogię między protoplastydami a komórkami macierzystymi. Mówiąc najprościej, amyloplasty od pewnego momentu zaczynają się rozwijać po nieco innej ścieżce. Naukowcy dowiedzieli się jednak czegoś ciekawego: udało im się osiągnąć wzajemną przemianę chloroplastów z liści ziemniaka w amyloplasty (i odwrotnie). Kanonicznym przykładem, znanym każdemu uczniowi w szkole, jest to, że bulwy ziemniaka zmieniają kolor na zielony w świetle.
Inne informacje o sposobach różnicowania tych organelli
Wiemy, że w procesie dojrzewania owoców pomidorów, jabłek i niektórych innych roślin (oraz w liściach drzew, traw i krzewów jesienią)„degradacja”, gdy chloroplasty w komórce roślinnej zamieniają się w chromoplasty. Te organelle zawierają pigmenty barwiące, karotenoidy.
Ta transformacja wynika z faktu, że w pewnych warunkach tylakoidy ulegają całkowitemu zniszczeniu, po czym organelle nabierają innej organizacji wewnętrznej. W tym miejscu ponownie wracamy do zagadnienia, o którym zaczęliśmy dyskutować na samym początku artykułu: wpływu jądra komórkowego na rozwój chloroplastów. To właśnie poprzez specjalne białka syntetyzowane w cytoplazmie komórek inicjuje proces przebudowy organoidu.
Struktura chloroplastu
Mówiąc o pochodzeniu i rozwoju chloroplastów, powinniśmy bardziej szczegółowo przyjrzeć się ich budowie. Co więcej, jest bardzo ciekawa i zasługuje na osobną dyskusję.
Podstawowa struktura chloroplastów składa się z dwóch błon lipoproteinowych, wewnętrznej i zewnętrznej. Grubość każdego z nich to około 7 nm, odległość między nimi to 20-30 nm. Podobnie jak w przypadku innych plastydów, warstwa wewnętrzna tworzy specjalne struktury, które wystają w organoid. W dojrzałych chloroplastach istnieją jednocześnie dwa rodzaje takich „krętych” błon. Te pierwsze tworzą lamele zrębu, drugie tworzą błony tylakoidów.
Lamella i tylakoidy
Należy zauważyć, że istnieje wyraźny związek między membraną chloroplastową a podobnymi formacjami znajdującymi się wewnątrz organoidu. Faktem jest, że niektóre jego fałdy mogą rozciągać się od jednej ściany do drugiej (jak w mitochondriach). Tak więc lamele mogą tworzyć rodzaj „torby” lub rozgałęzionejsieć. Najczęściej jednak struktury te są usytuowane równolegle do siebie i nie są w żaden sposób połączone.
Nie zapominaj, że wewnątrz chloroplastu znajdują się również tylakoidy błonowe. Są to zamknięte „worki”, które są ułożone w stos. Podobnie jak w poprzednim przypadku, odległość między dwiema ściankami wnęki wynosi 20-30 nm. Kolumny tych „worków” nazywane są ziarnami. Każda kolumna może zawierać do 50 tylakoidów, aw niektórych przypadkach nawet więcej. Ponieważ ogólne „wymiary” takich stosów mogą osiągnąć 0,5 mikrona, czasami można je wykryć za pomocą zwykłego mikroskopu świetlnego.
Całkowita liczba ziaren zawartych w chloroplastach roślin wyższych może osiągnąć 40-60. Każdy tylakoid przylega tak ściśle do drugiego, że ich zewnętrzne błony tworzą jedną płaszczyznę. Grubość warstwy na złączu może wynosić do 2 nm. Zauważ, że takie struktury, które tworzą sąsiednie tylakoidy i blaszki, nie są rzadkością.
W miejscach ich kontaktu znajduje się również warstwa, czasami sięgająca tych samych 2 nm. Zatem chloroplasty (których struktura i funkcje są bardzo złożone) nie są pojedynczą strukturą monolityczną, ale rodzajem „stanu w państwie”. W niektórych aspektach struktura tych organelli jest nie mniej złożona niż cała struktura komórkowa!
Granasy są połączone precyzyjnie za pomocą lameli. Ale wnęki tylakoidów, które tworzą stosy, są zawsze zamknięte i w żaden sposób nie komunikują się z błoną międzybłonową.przestrzeń. Jak widać struktura chloroplastów jest dość złożona.
Jakie pigmenty można znaleźć w chloroplastach?
Co może być zawarte w zrębie każdego chloroplastu? Istnieją pojedyncze cząsteczki DNA i wiele rybosomów. W amyloplastach to w zrębie osadzają się ziarna skrobi. W związku z tym chromoplasty mają tam pigmenty barwiące. Oczywiście istnieją różne pigmenty chloroplastowe, ale najczęstszym jest chlorofil. Jest podzielony na kilka typów jednocześnie:
- Grupa A (niebiesko-zielona). Występuje w 70% przypadków, jest zawarty w chloroplastach wszystkich roślin wyższych i alg.
- Grupa B (żółto-zielona). Pozostałe 30% znajduje się również w wyższych gatunkach roślin i algach.
- Grupy C, D i E są znacznie rzadsze. Znajduje się w chloroplastach niektórych gatunków niższych alg i roślin.
Nie jest niczym niezwykłym, że wodorosty czerwone i brązowe mają w swoich chloroplastach całkowicie różne rodzaje barwników organicznych. Niektóre glony zawierają na ogół prawie wszystkie istniejące pigmenty chloroplastowe.
Funkcje chloroplastów
Oczywiście ich główną funkcją jest przekształcanie energii świetlnej w składniki organiczne. Sama fotosynteza zachodzi w ziarnach z bezpośrednim udziałem chlorofilu. Pochłania energię światła słonecznego, zamieniając ją na energię wzbudzonych elektronów. Te ostatnie, mając nadmiar podaży, wydzielają nadmiar energii, która jest wykorzystywana do rozkładu wody i syntezy ATP. Kiedy woda się rozpada, powstaje tlen i wodór. Pierwsza, jak pisaliśmy powyżej, jest produktem ubocznym i jest uwalniana do otaczającej przestrzeni, a wodór wiąże się ze specjalnym białkiem, ferredoksyną.
Utlenia się ponownie, przenosząc wodór do środka redukującego, który w biochemii jest określany skrótem NADP. W związku z tym jego zredukowaną formą jest NADP-H2. W uproszczeniu fotosynteza wytwarza następujące substancje: ATP, NADP-H2 oraz produkt uboczny w postaci tlenu.
Rola energetyczna ATP
Uformowany ATP jest niezwykle ważny, ponieważ jest głównym „akumulatorem” energii, która trafia na różne potrzeby komórki. NADP-H2 zawiera środek redukujący, wodór, i ten związek jest w stanie łatwo go oddać, jeśli to konieczne. Mówiąc najprościej, jest to skuteczny chemiczny środek redukujący: w procesie fotosyntezy zachodzi wiele reakcji, które po prostu nie mogą zajść bez niego.
Następnie do gry wchodzą enzymy chloroplastowe, które działają w ciemności i poza granicami: wodór z czynnika redukującego i energia ATP są wykorzystywane przez chloroplast w celu rozpoczęcia syntezy szeregu substancji organicznych. Ponieważ fotosynteza zachodzi w warunkach dobrego oświetlenia, nagromadzone związki są wykorzystywane na potrzeby samych roślin w porze ciemności.
Słusznie możesz zauważyć, że w niektórych aspektach ten proces jest podejrzanie podobny do oddychania. Czym różni się od niej fotosynteza? Tabela pomoże Ci zrozumieć ten problem.
| Porównania elementów | Fotosynteza | Oddychanie |
| Kiedy to się stanie | Tylko w dzień, w słońcu | Kiedykolwiek |
| Gdzie wycieka | Komórki zawierające chlorofil | Wszystkie żywe komórki |
| Tlen | Podświetl | Wchłanianie |
| CO2 | Wchłanianie | Podświetl |
| Materiały organiczne | Synteza, częściowy podział | Tylko podział |
| Energia | Połykanie | Wyróżnia się |
W ten sposób fotosynteza różni się od oddychania. Tabela wyraźnie pokazuje ich główne różnice.
Niektóre "paradoksy"
Większość dalszych reakcji zachodzi właśnie tam, w zrębie chloroplastu. Dalsza droga syntezowanych substancji jest inna. Tak więc cukry proste natychmiast wychodzą poza organoid, gromadząc się w innych częściach komórki w postaci polisacharydów, przede wszystkim skrobi. W chloroplastach zachodzi zarówno odkładanie tłuszczów, jak i wstępna akumulacja ich prekursorów, które są następnie wydalane do innych obszarów komórki.
Należy jasno zrozumieć, że wszystkie reakcje syntezy jądrowej wymagają ogromnej ilości energii. Jej jedynym źródłem jest ta sama fotosynteza. Jest to proces, który często wymaga tak dużej ilości energii, że trzeba ją pozyskać,niszczenie substancji powstałych w wyniku poprzedniej syntezy! W ten sposób większość energii, którą uzyskuje się w jego przebiegu, jest zużywana na przeprowadzenie wielu reakcji chemicznych w samej komórce roślinnej.
Tylko niektóre z nich są wykorzystywane do bezpośredniego pozyskiwania substancji organicznych, które roślina pobiera do własnego wzrostu i rozwoju lub odkładania się w postaci tłuszczów lub węglowodanów.
Czy chloroplasty są statyczne?
Powszechnie przyjmuje się, że organelle komórkowe, w tym chloroplasty (których strukturę i funkcje szczegółowo opisaliśmy), są zlokalizowane ściśle w jednym miejscu. To nie jest prawda. Chloroplasty mogą poruszać się po komórce. Tak więc przy słabym oświetleniu mają tendencję do zajmowania pozycji w pobliżu najbardziej oświetlonej strony komórki, w warunkach średniego i słabego oświetlenia mogą wybrać pewne pozycje pośrednie, w których udaje im się „złapać” najwięcej światła słonecznego. Zjawisko to nazywa się „fototaksją”.
Podobnie jak mitochondria, chloroplasty są dość autonomicznymi organellami. Posiadają własne rybosomy, syntetyzują szereg wysoce specyficznych białek, które są używane tylko przez nich. Istnieją nawet specyficzne kompleksy enzymatyczne, podczas których pracy powstają specjalne lipidy potrzebne do budowy otoczek lameli. Mówiliśmy już o prokariotycznym pochodzeniu tych organelli, ale należy dodać, że niektórzy naukowcy uważają chloroplasty za starożytnych potomków niektórych organizmów pasożytniczych, które najpierw stały się symbiontami, a następnie całkowiciestały się integralną częścią komórki.
Znaczenie chloroplastów
Dla roślin to oczywiste - jest to synteza energii i substancji, które są wykorzystywane przez komórki roślinne. Ale fotosynteza to proces, który zapewnia stałą akumulację materii organicznej w skali planetarnej. Z dwutlenku węgla, wody i światła słonecznego chloroplasty mogą syntetyzować ogromną liczbę złożonych związków wielkocząsteczkowych. Ta umiejętność jest charakterystyczna tylko dla nich, a człowiekowi daleko jeszcze do powtórzenia tego procesu w sztucznych warunkach.
Cała biomasa na powierzchni naszej planety zawdzięcza swoje istnienie tym najmniejszym organelli, które znajdują się w głębi komórek roślinnych. Bez nich, bez prowadzonego przez nie procesu fotosyntezy, nie byłoby życia na Ziemi w jego współczesnych przejawach.
Mamy nadzieję, że z tego artykułu dowiedziałeś się, czym jest chloroplast i jaka jest jego rola w organizmie roślinnym.
