Co je to chloroplast? Chloroplasty: struktura a funkce

Zeleninový svět je jedním z hlavních bohatství naší planety. Díky květině na Zemi je kyslík, který všichni dýcháme, existuje obrovská potravinová základna, na které závisí celý život. Rostliny jsou jedinečné, protože mohou přeměňovat chemické sloučeniny anorganické povahy na organické látky.

Dělají to prostřednictvím fotosyntézy. Tento důležitý proces probíhá u konkrétních organoidů rostlin, chloroplasty. Toto Nejmenší prvek skutečně zajišťuje existenci veškerého života na planetě. Mimochodem, co je to chloroplast?

Základní definice

Takzvané specifické struktury, ve kterých dochází k fotosyntétickým procesům, které jsou zaměřeny na vazbu oxidu uhličitého a tvorbu určitých sacharidů. Vedlejším produktem je kyslík. Jsou to prodloužené organely dosahující šířky 2-4 μm, jejich délka dosahuje 5-10 μm. U některých druhů zelené řasy někdy jsou chloroplasty - obři, prodlouženi o 50 mikronů!

Stejné řasy mohou mít další rys: u celé buňky mají pouze jednu organoid tohoto druhu. V klecích vyšší rostliny nejčastěji je 10-30 chloroplastů. V jejich případě však mohou existovat jasné výjimky. Takže v palisádové tkanině obvyklé makhorky je k dispozici 1000 chloroplastů na jedné kleci. Proč potřebujeme tyto chloroplasty? Fotosyntéza je jejich hlavní, ale ne jediná role. Aby bylo jasně pochopeno jejich význam v životě rostlin, je důležité znát mnoho aspektů jejich původu a vývoje. To vše je popsáno v následující části článku.

Původ chloroplastu

Takže, co je chloroplast, jsme se naučili. A odkud pocházejí tyto organely? Jak se stalo, že rostliny měly takové unikátní zařízení, které mění oxid uhličitý a vodu na složité organické sloučeniny?

V současné době patří mezi vědci převládající pohled na endosymbiotic původu těchto organel, jako jejich nezávislý výskyt v rostlinných buňkách je velmi pochybné. Je dobře známo, že lichen je symbióza řas a hub. Jednobuněčná řasa zatímco žijí uvnitř houbové buňky. Nyní vědci naznačují, že v době nepaměti pronikají fotosyntetické sinice rostlinné buňky, a pak částečně ztratila "nezávislost", přenášející většinu genomu do jádra.

Ale nový organoid si zachoval svůj hlavní rys v plném rozsahu. Jedná se pouze o proces fotosyntézy. Ovšem samotné zařízení, které je nezbytné k provádění tohoto procesu, je vytvořeno pod kontrolou jak buněčného jádra, tak samotného chloroplastu. Rozdělení těchto organoidů a dalších procesů spojených s implementací genetické informace o DNA je tedy řízeno jádrem.

Důkazy

Relativně nedávno, hypotéza prokaryotické původ těchto prvků nebyl příliš populární ve vědecké komunitě, mnoho považovat ji za „výmysly amatéry.“ Ale po hloubkové analýzy nukleotidových sekvencí v DNA chloroplastů, tento předpoklad byl brilantní potvrzení proběhl. Ukázalo se, že tyto struktury jsou extrémně podobné, dokonce příbuzné, DNA bakteriálních buněk. Tak podobná sekvence byla nalezena u volně žijících sinic. Zejména se ukázalo, že je velmi podobné geny ATP-syntetizující komplex, stejně jako v „zařízení“, transkripce a translace.

Promotory, které definují počátek čtení genetické informace z DNA a terminál nukleotidových sekvencí, které jsou zodpovědné za jeho ukončení, jak je uspořádáno v obrazu bakteriální. Samozřejmě miliardy let evolučních proměn byli schopni dělat mnoho změn v chloroplastech, ale sekvence chloroplastů genech zůstalo naprosto beze změny. A je to - nevyvratitelný plný důkaz, že chloroplasty a ve skutečnosti jednou měl prokaryotické předka. Možná to byl organismus, ze kterého vznikly také moderní sinicomy.

Vývoj chloroplastu z proplastidy

Dospělý organoid se vyvíjí z proplastidu. Jedná se o malou, zcela bezbarvou organelu, která má průměr jen několika málo mikronů. Je obklopena hustou dvouvrstvou membránou, která obsahuje prstencovitou DNA specifickou pro chloroplast. Vnitřní membránový systém těchto "předků" nemá žádné organoidy. Vzhledem k extrémně malé velikosti jejich studia je velmi obtížné, a proto jsou údaje o jejich vývoji velmi malé.

Je známo, že v jádru každého vajíčka zvířat a rostlin existuje několik takových protoplastů. Během vývoje embrya jsou rozděleny a přeneseny do jiných buněk. Je snadné ověřit, že genetické znaky, které jsou nějakým způsobem spojeny s plastidami, jsou přenášeny pouze na mateřské lince.

Vnitřní membrána protoplastů se během vývoje rozvíjí do organoidu. Z těchto struktur rostou membrány tylakoidů, které jsou odpovědné za tvorbu granulí a lamel stromu organoidu. V úplné tmě se protostastid začne přeměňovat na prekurzor chloroplastu (etioplast). Tento primární organoid je charakterizován skutečností, že v něm je umístěna poměrně složitá krystalická struktura. Jakmile list rostliny svítí, úplně se zhroutí. Potom se vytvoří "tradiční" vnitřní struktura chloroplastu, kterou tvoří tylakoidy a lamely.

Rozdíly v rostlinách skladujících škrob

Každá meristemická buňka obsahuje několik takových proplastidů (jejich počet se mění v závislosti na druhů rostlin a dalších faktorech). Jakmile se tato primární tkáň začne převádět na list, prekurzory organoidů se stávají chloroplasty. Takže mladé listy pšenice, které dokončily růst, mají chloroplasty v množství 100 až 150 kusů. Situace je mnohem komplikovanější, pokud jde o ty rostliny, které jsou schopné hromadit škrob.

Akumulují zásobu tohoto sacharidu v plastidách, které se nazývají amyloplasty. Co však mají tyto organoidy na téma našeho článku? Konopné hlízy se na fotosyntéze nepodílejí! Dovolte mi objasnit tuto otázku podrobněji.

Zjistili jsme, co je chloroplast na cestě, odhaluje spojení tohoto organoidu se strukturami prokaryotických organismů. Zde je situace podobná: vědci zjistili, že dlouhá amyloplastů jsou chloroplasty obsahují přesně stejnou DNA, a jsou vytvořeny z přesně stejným protoplastid. Proto by se s nimi mělo zacházet stejným způsobem. Ve skutečnosti by amyloplasty měly být považovány za zvláštní typ chloroplastu.

Jak se tvoří amyloplasty?

Můžete vyvodit analogii mezi protoplasty a kmenovými buňkami. Jednoduše řečeno, amyloplastů v určitém okamžiku začnou vyvíjet v poněkud odlišným způsobem. Vědci se však naučili něco zajímavého: podařilo se jim dosáhnout vzájemné přeměny chloroplastů bramborových listů v amyloplastů (a naopak). Canonicity příklad známo, že každé dítě školou povinné - bramborové hlízy na světle zelenou.

Další informace o způsobech rozlišování těchto organel

Víme, že během zrání plodů rajčat, jablek a některých dalších rostlin (i v listech stromů, bylin a keřů na podzim), je proces „degradaci“, když chloroplasty v rostlinných buňkách jsou transformovány do chromoplastů. Tyto organoidy obsahují ve svém složení pigmenty barviva, karotenoidy.

Tato transformace je způsobena skutečností, že za určitých podmínek jsou tylakoidy úplně zničeny, po které organel získává další vnitřní organizaci. Zde se vracíme k otázce, která byla projednána na samém začátku článku: vliv jádra na vývoj chloroplastů. To znamená, že speciální proteiny, které jsou syntetizovány v cytoplasmě buněk, organel iniciuje proces justování.

Struktura chloroplastu

Když jsme mluvili o problémech vzniku a rozvoje chloroplastů, měli bychom se podrobněji zabývat jejich strukturou. Navíc je to velmi zajímavé a zaslouží si samostatnou diskusi.

Základní struktura chloroplastů se skládá ze dvou lipoproteinových membrán, vnitřních i vnějších. Tloušťka každého z nich je asi 7 nm, vzdálenost mezi nimi je 20-30 nm. Stejně jako v případě jiných plastid tvoří vnitřní vrstva speciální struktury, které vystupují do organoidu. U zralých chloroplastů jsou najednou dva typy takových "sinuózních" membrán. První tvarové lamely stromy, druhé - membrány tylakoidů.

Lamely a tylakoidy

Je třeba poznamenat, že existuje jasný vztah, který má membránu chloroplastů s podobnými formacemi, které se nacházejí uvnitř organoidu. Faktem je, že některé jeho záhyby se mohou rozšířit z jedné stěny na druhou (jako v mitochondriích). Takže lamely mohou vytvářet buď jakousi "sáčku" nebo rozvětvenou síť. Nejčastěji jsou však tyto struktury umístěny paralelně a nejsou v žádném případě spojeny.

Nezapomeňte, že uvnitř chloroplastu jsou membránové tylakoidy. Jedná se o uzavřené "sáčky", které jsou uspořádány ve formě stohu. Stejně jako v předchozím případě je mezi dvěma stěnami dutiny vzdálenost 20-30 nm. Tyče těchto "sáčků" se nazývají zrna. V každém sloupci může být až 50 tylakoidů a v některých případech ještě více. Vzhledem k tomu, že celkové "rozměry" takových stohů dosahují 0,5 μm, mohou být někdy detekovány pomocí běžného světelného mikroskopu.

Celkový počet granulí obsažených v chloroplastů vyšších rostlin může dosáhnout až 40-60. Každý tylakoid je tak těsně vedle sebe, že jejich vnější membrány tvoří jednu rovinu. Tloušťka vrstvy na spoji může dosáhnout až 2 nm. Všimněte si, že takové struktury, které tvoří sousední tylakoidy a lamely, jsou zcela běžné.

Na místech, kde jsou v kontaktu, je také vrstva, která někdy dosahuje stejných 2 nm. Chloroplasty (jejichž struktura a funkce jsou velmi složité) tedy nejsou jedinou monolitickou strukturou, nýbrž jakousi "stavem v rámci státu". V některých aspektech je struktura těchto organoidů o nic méně obtížná než celá buněčná struktura!

Žlaby jsou spojeny pomocí lamel. Ale dutiny tylakoidů, které tvoří komíny, jsou vždy uzavřeny a nekomunikují s meziprostorovým prostorem. Jak můžete vidět, struktura chloroplastů je poměrně komplikovaná.

Jaké pigmenty mohou být obsaženy v chloroplastu?

Co může být obsaženo v stromu každého chloroplastu? Existují oddělené molekuly DNA a mnoho ribozomů. Granule škrobu jsou uloženy v stromu amyloplastů. Podle toho jsou v chromoplastech přítomny barvicí pigmenty. Samozřejmě existují různé pigmenty chloroplastů, ale nejčastější je chlorofyl. Je rozdělen na několik typů:

• Skupina A (modrozelená). Vyskytuje se v 70% případů, je obsažen v chloroplastů všech vyšších rostlin a řas.
• Skupina B (žlutá-zelená). Zbývajících 30% se vyskytuje také u rostlin a řas vyšších druhů.
• Skupiny C, D a E jsou mnohem méně časté. Existují chloroplasty některých druhů podřadných řas a rostlin.

V červených a hnědých mořských řasách v chloroplastů není příliš vzácné, že mají zcela odlišné typy organických barviv. V některých řasách obecně obsahují téměř všechny existující pigmenty chloroplastů.

Funkce chloroplastů

Samozřejmě, jejich hlavní funkcí je přeměna světla na organické komponenty. Samotná fotosyntéza se vyskytuje v granulích s přímou účastí chlorofylu. Absorbuje energii slunečního světla a přeměňuje ji na energii vzrušených elektronů. Ten, který má nadbytek své rezervy, se vzdává nadbytečné energie, která se používá k rozkladu vody a syntetizování ATP. Během rozkladu vody vzniká kyslík a vodík. Za prvé, jak jsme již zmínili, to je vedlejší produkt a vylučovaný do okolního prostoru, a vodíku je spojena s konkrétním proteinem, ferredoxin.

Je opět oxidován, přenáší vodík na redukční činidlo, které je v biochemii označováno zkratkou NADPH. Jeho redukovaná forma je tedy NADP-H2. Jednoduše řečeno, v procesu fotosyntézy se uvolňují následující látky: ATP, NADP-H2 a vedlejší produkt ve formě kyslíku.

Energetická role ATP

Výsledný ATP je nesmírně důležitý, protože je hlavním "akumulátorem" energie, který jde do rozmanitých potřeb buňky. NADP-H2 obsahuje redukční činidlo, vodík a tato sloučenina je schopna v případě potřeby snadno dodat. Jednoduše řečeno, jedná se o účinné chemické redukční činidlo: v procesu fotosyntézy existuje mnoho reakcí, které nemohou jednoduše pokračovat bez ní.

Dále vstupují enzymy chloroplastů do hmoty, které působí ve tmě a mimo mřížky: vodík z redukčního činidla a energie ATP jsou používány chloroplastem k zahájení syntézy řady organických látek. Vzhledem k tomu, že fotosyntéza nastává za podmínek dobrého osvětlení, akumulované sloučeniny v tmě se používají pro potřeby samotných rostlin.

Správně si můžete všimnout, že tento proces je v některých aspektech podezřele podobný dýchání. Jaký je rozdíl mezi fotosyntézou? Tabulka vám pomůže pochopit tuto otázku.

Tak se fotosyntéza liší od dýchání. Tabulka jasně ukazuje hlavní rozdíly.

Některé "paradoxy"

Většina následných reakcí probíhá okamžitě v stromu chloroplastu. Další způsob syntetizovaných látek je jiný. Jednoduché cukry tedy ihned přesahují organoid, které se hromadí v jiných částech buňky ve formě polysacharidů, především škrobu. U chloroplastů dochází jak k ukládání tuků, tak k předběžné akumulaci jejich prekurzorů, které jsou pak transportovány do jiných oblastí buňky.

Mělo by být zřejmé, že všechny syntetické reakce vyžadují obrovské množství energie. Jeho jediným zdrojem je totéž fotosyntéza. To je proces, který často vyžaduje tolik energie, že musí být přijata, ničit látky tvořené v důsledku předchozí syntézy! Takže většina energie, která se v jejím průběhu vyrábí, se vynakládá na provádění mnoha chemických reakcí uvnitř samotné rostlinné buňky.

Pouze část jeho podílu se používá k přímému získání těch organických látek, které rostlina převezme pro vlastní růst a vývoj nebo odkládá ve formě tuků nebo sacharidů.

Jsou chloroplasty statické?

Obecně se předpokládá, že buněčné organely, včetně chloroplastů (jejichž struktura a funkce jsou podrobně popsány našimi), jsou umístěny striktně na jednom místě. Není to tak. Chloroplasty se mohou pohybovat kolem buňky. Tak, v slabém světle mají tendenci zaujmout polohu u nejvíce osvětlené straně buňky, za podmínek mírné až nízké světla může zvolit určitou střední pozici, na které je možné „háček“ nejvíce sluneční světlo. Tento jev se nazýval "fototaxa".

Stejně jako mitochondrie, chloroplasty jsou zcela autonomní organely. Mají vlastní ribozomy, že syntetizované množství vysoce specifických proteinů, které jsou používány pouze jimi. K dispozici je i pro specifické enzymové komplexy, které jsou vyráběny na zvláštních lipidů potřebných pro výstavbu lamelárních membrán. Již jsme mluvili o prokaryotické původu těchto organel, ale je třeba dodat, že někteří učenci věří, že chloroplasty dlouhodobí potomci některých parazitických organismů, které se poprvé stala symbionts, a poté jej zcela stanou nedílnou součástí buňky.

Význam chloroplastů

U rostlin je zřejmé - jde o syntézu energie a látek, které jsou používány rostlinnými buňkami. Ale fotosyntéza je proces, který zajišťuje trvalou akumulaci organické hmoty v globálním měřítku. Z oxidu uhličitého, vody a slunečního světla mohou chloroplasty syntetizovat obrovské množství komplexních vysokomolekulárních sloučenin. Tato schopnost je pro ně charakteristická a člověk zdaleka neopakuje tento proces za umělých podmínek.

Celá biomasa na povrchu naší planety vděčí své existenci těm drobným organoidům, které jsou v hlubinách rostlinných buněk. Bez nich, bez procesu fotosyntézy, kterou provádějí oni na Zemi, by v jeho moderních projevech nebyl žádný život.

Doufáme, že jste se z tohoto článku dozvěděli, co je chloroplast a jaká je jeho role v rostlinném organismu.