Ce este un cloroplast? Chloroplaste: structură și funcții

Lumea legumelor este una dintre principalele bogății ale planetei noastre. Este datorită florei de pe Pământ că există oxigen, pe care toți îl respiram, există o bază alimentară uriașă pe care depinde toată viața. Plantele sunt unice prin faptul că pot transforma compuși chimici de natură anorganică în substanțe organice.

Ei fac acest lucru prin fotosinteza. Acest proces important are loc în anumite organoide de plante, cloroplaste. acest Cel mai mic element asigură de fapt existența întregii vieți pe planetă. Apropo, ce este un cloroplast?

Definiție de bază

Așa-numitele structuri specifice în care apar procese fotosintetice care vizează legarea dioxidului de carbon și formarea anumitor carbohidrați. Un produs secundar este oxigenul. Acestea sunt organele alungite ajungând la o lățime de 2-4 μm, lungimea lor ajungând la 5-10 μm. La unele specii algele verzi uneori există giganți de cloroplasți, alungiți la 50 de microni!

Aceleași alge pot avea o altă caracteristică: pe întreaga celulă au doar un organoid din această specie. În cuști plante superioare cel mai adesea există 10-30 de cloroplaste. Cu toate acestea, în cazul lor pot exista excepții excepționale. Deci, într-o țesătură palisadă de machorka obișnuită este disponibilă pe 1000 de cloroplaste pe o cușcă. De ce avem nevoie de aceste cloroplaste? Fotosinteza este principalul lor rol, dar nu singurul. Pentru a înțelege în mod clar importanța lor în viața plantelor, este important să cunoaștem multe aspecte ale originii și dezvoltării lor. Toate acestea sunt descrise în următoarea parte a articolului.

Originea cloroplastiei

Deci, ceea ce este cloroplastul, am învățat. Și de unde provin aceste organele? Cum sa întâmplat ca plantele să aibă un aparat unic care transformă dioxidul de carbon și apa în complexe compuși organici?

În prezent, printre oamenii de știință vedere originea endosymbiotic a acestor organite predominante, ca și apariția lor independentă în celulele vegetale este destul de îndoielnic. Este bine cunoscut faptul că lichenul este o simbioză a algelor și ciupercii. Algae unicelulare în timp ce trăiesc în interior celule fungice. Acum, oamenii de stiinta sugereaza ca, in timpuri imemoriale, cianobacteriile fotosintetice au pătruns celulele de plante, și apoi a pierdut parțial "independența", transferând cea mai mare parte a genomului în nucleu.

Dar noul organoid și-a păstrat caracteristica principală în măsură deplină. Acesta este doar procesul de fotosinteză. Totuși, aparatul propriu-zis, care este necesar pentru a realiza acest proces, este format sub controlul nucleului celular și al cloroplastului în sine. Astfel, divizarea acestor organoizi și alte procese asociate cu implementarea informațiilor genetice despre ADN sunt controlate de nucleu.

evidență

Relativ recent, ipoteza unei origini procariote a acestor elemente nu a fost prea popular în comunitatea științifică, mulți au considerat ca „FABRICATIONS amatori.“ Dar, după o analiză aprofundată a secvențelor de nucleotide din ADN-ul cloroplastelor, această ipoteză a fost confirmată în mod strălucit. Sa dovedit că aceste structuri sunt foarte asemănătoare, chiar și cele legate de ADN-ul celulelor bacteriene. Astfel, o secvență similară a fost găsită în cianobacteriile care trăiesc liber. În special, genele complexe de sinteză a ATP au fost extrem de similare, precum și în "aparatele" de transcriere și translație.

Promotorii care determină începutul citirii informațiilor genetice din ADN, precum și secvențele nucleotidice terminale care sunt responsabile pentru încetarea acesteia sunt, de asemenea, organizate în imaginea și asemănarea secvențelor bacteriene. Desigur, miliarde de ani de transformări evolutive au fost capabili de a face mai multe modificări la cloroplast, dar secvența în genele de cloroplaste a rămas absolut neschimbat. Și aceasta este o dovadă incontrolabilă și completă că cloroplastele aveau odată un strămo procaritar. Poate că a fost un organism din care au provenit și cianobacteriile moderne.

Dezvoltarea cloroplastiei din proplastida

Un organoid adult se dezvoltă dintr-o proplastidă. Este o organelle mică, complet incoloră, care are numai câțiva microni în diametru. Este înconjurată de o membrană densă cu două straturi, care conține ADN în formă de inel, specific pentru cloroplast. Sistemul de membrane interne aceste "strămoși" nu au organoizi. Datorită dimensiunii extrem de mici a studiului lor este extrem de dificilă și, prin urmare, datele privind dezvoltarea lor sunt extrem de mici.

Se știe că mai multe astfel de protoplaști există în nucleul fiecărui ovul de animale și plante. În timpul dezvoltării embrionului, ele sunt divizate și transferate în alte celule. Este ușor de verificat: semnele genetice care sunt într-o anumită legătură cu plastidele sunt transmise numai pe linia maternă.

Membrana internă a protoplastelor în timpul dezvoltării se dezvoltă în organoid. Din aceste structuri cresc membranele de thylakoide, care sunt responsabile pentru formarea granulelor și lamelelor din stratul organoidului. În întuneric total, protostastida începe să se transforme în precursorul cloroplastiei (etioplast). Acest organoid primar se caracterizează prin faptul că în interiorul acestuia se află o structură cristalină destul de complexă. De îndată ce frunza plantei devine lumină, se prăbușește complet. După aceasta, se formează structura internă "tradițională" a cloroplastei, care se formează, așa cum a fost, prin thylacoide și lamele.

Diferențe în plantele care stochează amidonul

Fiecare celula meristemică conține mai multe astfel de proplastide (numărul acestora variază în funcție de speciile de plante și de alți factori). Odată ce acest țesut primar începe să se transforme într-o frunză, precursorii organoidelor devin cloroplaste. Astfel, frunzele tinere de grâu care și-au terminat creșterea au cloroplaste într-o cantitate de 100-150 bucăți. Situația este mult mai complicată în ceea ce privește plantele care sunt capabile să acumuleze amidon.

Ei acumulează un stoc de acest carbohidrat în plastide, numite amiloplaste. Dar ce au organoizii pe tema articolului nostru? La urma urmei, tuberculii de cartofi nu participă la fotosinteză! Permiteți-mi să clarific această întrebare în detaliu.

Am constatat că cloroplast, dezvăluind întâmplător legătura între acest organelle cu structurile de organisme procariote. Aici situația este similară: oamenii de știință au descoperit de mult ca amiloplaști ca cloroplaste conțin exact același ADN, și sunt formate din exact același protoplastid. Prin urmare, ele trebuie tratate în același mod. De fapt, amiloplastele ar trebui considerate ca un tip special de cloroplast.

Cum se formează amiloplastele?

Puteți face o analogie între protoplaste și celulele stem. Pur și simplu, amiloplastele dintr-un anumit punct încep să se dezvolte de-a lungul unei căi ușor diferite. Oamenii de știință, cu toate acestea, au învățat ceva interesant: au reușit să realizeze conversia reciprocă a cloroplastelor de frunze de cartof în amiloplaști (și vice-versa). Exemplul canonic, cunoscut fiecărui elev școlar - tuberculi de cartofi în verde deschis.

Alte informații despre modalitățile de diferențiere a acestor organele

Știm că în timpul coacerii fructelor de tomate, mere și alte plante (și în frunze de copaci, ierburi și arbuști în toamna) este procesul de „degradare“ atunci când cloroplaste în celulele de plante sunt transformate în cromoplaste. Aceste organoide conțin în compoziția lor pigmenți coloranți, carotenoizi.

Această transformare se datorează faptului că, în anumite condiții, tilacoidele sunt complet distruse, după care organele dobândesc o altă organizare internă. Aici revenim la întrebarea care a fost discutată chiar la începutul articolului: influența nucleului asupra dezvoltării cloroplastelor. Acesta este, prin intermediul unor proteine ​​speciale, sintetizate în citoplasma celulelor, care inițiază procesul de rearanjare a organostructurii.

Structura cloroplastului

Vorbind despre problemele legate de originea și dezvoltarea cloroplastelor, ar trebui să ne ocupăm mai mult de structura lor. Mai mult decât atât, este foarte interesant și merită o discuție separată.

Structura de bază a cloroplastelor este formată din două membrane lipoproteinice, interne și externe. Grosimea fiecăruia este de aproximativ 7 nm, distanța dintre ele este de 20-30 nm. Ca și în cazul altor plastide, stratul interior formează structuri speciale care ies în organoid. În cloroplastele mature, există simultan două tipuri de astfel de membrane "sinuoase". Lamele de prima formă ale stratului, al doilea - membranele tilacoidelor.

Lamele și tălacoidele

Trebuie remarcat faptul că există o relație clară, care are o membrană de cloroplaste cu formațiuni similare care se află în interiorul organoidului. Faptul este că unele dintre pliurile sale se pot extinde de la un perete la altul (ca în mitocondriile). Astfel, lamelele pot forma fie un fel de "sac", fie o rețea ramificată. Totuși, cel mai adesea aceste structuri sunt localizate paralel unul cu altul și nu sunt conectate în nici un fel.

Nu uitați că în interiorul cloroplastului există tilacoizi membranari. Acestea sunt "pungi" închise, care sunt aranjate sub forma unui teanc. Ca și în cazul precedent, există o distanță de 20-30 nm între cei doi pereți ai cavității. Barele acestor "pungi" se numesc boabe. În fiecare coloană pot exista până la 50 de tilacoide, iar în unele cazuri există și mai multe. Deoarece "dimensiunile" globale ale acestor stive pot ajunge la 0,5 μm, uneori pot fi detectate folosind un microscop de lumină obișnuit.

Numărul total de granule care sunt conținute în cloroplastele plantelor superioare poate ajunge până la 40-60. Fiecare tilacoid este atât de apropiat de celălalt încât membranele exterioare formează un singur plan. Grosimea stratului la joncțiune poate ajunge până la 2 nm. Rețineți că astfel de structuri, care sunt formate de către tilacoide adiacente și lamele, sunt destul de comune.

În locurile în care sunt în contact, există, de asemenea, un strat care uneori ajunge la aceleași 2 nm. Astfel, cloroplastele (a căror structură și funcții sunt foarte complexe) nu sunt o singură structură monolitică, ci un fel de "stare în stat". În unele aspecte, structura acestor organoizi nu este mai puțin dificilă decât întreaga structură celulară!

Grupele sunt conectate prin intermediul lamelelor. Dar cavitățile tylakoidelor, care formează stive, sunt întotdeauna închise și nu comunică cu spațiul inter-membranar. După cum puteți vedea, structura cloroplastelor este destul de complicată.

Ce pigmenți pot fi conținute în cloroplaste?

Ce poate fi conținut în stratul fiecărui cloroplast? Există molecule de ADN separate și o mulțime de ribozomi. Granulele de amidon sunt depozitate în stratul de amiloplaste. Prin urmare, în cromoplast există pigmenți de colorare. Desigur, există pigmenți diferiți de cloroplaste, dar cea mai comună este clorofila. Acesta este împărțit în mai multe tipuri:

• Grupa A (albastru-verde). Apare în 70% din cazuri, este conținută în cloroplastele din toate plantele și algele superioare.
• Grupa B (galben-verde). În restul de 30% se regăsesc și în plantele și algele speciilor superioare.
• Grupurile C, D și E sunt mult mai puțin frecvente. Există cloroplaste ale unor specii de alge inferioare și plante.

În algele de culoare roșie și brună în cloroplaste, nu este prea rar să existe complet diferite tipuri de coloranți organici. În unele alge, în general, conțin aproape toți pigmenții existenți de cloroplaste.

Funcțiile cloroplastelor

Desigur, funcția lor principală este transformarea energiei luminoase în componente organice. Fotosinteza însăși are loc în granulele cu participarea directă a clorofilei. Absortează energia soarelui, transformându-l în energia electronilor excitați. Acesta din urmă, care deține un exces de rezerva, renunță la excesul de energie, care este folosit pentru a descompune apa și a sintetiza ATP. În timpul descompunerii apei se formează oxigen și hidrogen. Primul, așa cum am menționat deja mai sus, este un produs secundar și este eliberat în spațiul din jur, iar hidrogenul este asociat cu o proteină specială, ferredoxină.

El din nou oxidat prin trecerea agentului reducător de hidrogen, care este abreviată în NADP biochimie. În consecință, forma sa redusă este NADP-H2. Pur și simplu pune, în procesul de fotosinteză se eliberează următoarele substanțe: ATP, NADP-H2 și un produs secundar sub forma de oxigen.

Rolul energetic al ATP

ATP-ul rezultat este extrem de important, deoarece este principalul "acumulator" de energie, care merge la nevoile diferite ale celulei. NADP-H2 conține un agent reducător, hidrogen, iar acest compus este capabil să-l dea cu ușurință, dacă este necesar. Pur și simplu, este un agent eficient de reducere a substanțelor chimice: în procesul de fotosinteză există multe reacții care nu pot pur și simplu să se desfășoare fără ea.

Mai mult, în cazul enzimelor provin din cloroplast care operează în întuneric și gran este hidrogen de ATP reducătorului și energie cloroplastidiană utilizate pentru a începe sinteza unui număr de substanțe organice. Deoarece fotosinteza are loc în condiții de iluminare bună, compușii acumulate sunt folosite pentru nevoile plantelor ei înșiși în întuneric.

Puteți observa pe bună dreptate că acest proces în unele aspecte este suspicios similar cu respirația. Care este diferența dintre fotosinteză? Tabelul vă va ajuta să înțelegeți această întrebare.

Acesta este modul în care fotosinteza diferă de respirație. Tabelul prezintă în mod clar principalele diferențe.

Unele "paradoxuri"

Majoritatea reacțiilor ulterioare se desfășoară imediat, în stratul cloroplastului. Modul suplimentar al substanțelor sintetizate este diferit. De exemplu, zaharuri simple imediat dincolo de organite se acumulează în alte părți ale celulei sub formă de polizaharide, în principal - amidon. În cloroplaste apare ca depunerea de grăsimi și o acumulare preliminar precursori ai acestora, care sunt apoi de ieșire la alte celule din zonă.

Ar trebui să fie clar că toate reacțiile de sinteză necesită o cantitate imensă de energie. Singura sa sursă este aceeași fotosinteză. Acesta este un proces care adesea necesită atât de multă energie încât trebuie primită, distrugând substanțele formate ca rezultat al sintezei anterioare! Astfel, cea mai mare parte a energiei produse în cursul său este cheltuită pentru realizarea unei multitudini de reacții chimice în interiorul celulei vegetale.

Numai o parte din partea sa este utilizată pentru a obține în mod direct acele substanțe organice pe care planta le ia pentru propria lor creștere și dezvoltare sau amânare sub formă de grăsimi sau carbohidrați.

Cloroplastele sunt statice?

Se crede că organite celulare, inclusiv cloroplastele (structura și funcția pe care am detaliat pictat) sunt strict într-un singur loc. Nu e așa. Cloroplaste se poate deplasa în jurul valorii de cușcă. Astfel, în lumina slabă ele tind să ocupe o poziție apropiată de partea cea mai luminată a celulei, în condiții de lumină scăzută până la moderată poate alege o anumită poziție intermediară, la care este posibil să se „prinde“ cel mai lumina soarelui. Acest fenomen se numește „phototaxis“.

La fel ca mitocondriile, cloroplastele sunt organite destul de autonome. Ei au propriile lor ribozomi, au sintetizat un număr de proteine ​​foarte specifice, care sunt utilizate numai de către aceștia. Există chiar și un enzime complexe specifice, care sunt produse la lipide speciale necesare pentru construirea membranelor lamelare. Am vorbit deja despre originea procariotă a acestor organite, dar trebuie adăugat că unii cercetători cred că cloroplaste vechii descendenți ai unor organisme parazitare, care a devenit primul simbionți, iar apoi a devenit complet o parte integrantă a celulei.

Importanța cloroplastelor

Pentru plante, este evident - este sinteza energiei și a substanțelor care sunt utilizate de celulele de plante. Dar fotosinteza este un proces care asigură acumularea continuă a materiei organice la scară globală. Din dioxidul de carbon, apa și lumina soarelui, cloroplastele pot sintetiza un număr imens de compuși complexi cu înaltă moleculă. Această abilitate este caracteristică numai pentru ei, iar omul este departe de a repeta acest proces în condiții artificiale.

Întreaga biomasă de pe suprafața planetei noastre își datorează existența acestor mici organoizi care se află în adâncurile celulelor de plante. Fără ei, fără procesul de fotosinteză efectuat de ei pe Pământ, nu ar exista viață în manifestările sale moderne.

Sperăm că ați aflat din acest articol despre ceea ce este cloroplastul și despre rolul său în organismul plantelor.