Planteverdenen er en av planetens viktigste rikdommer. Det er takket være floraen på jorden at det er oksygen som vi alle puster inn, det er en enorm matbase som alt levende er avhengig av. Planter er unike ved at de kan omdanne uorganiske kjemiske forbindelser til organiske stoffer.
De gjør dette gjennom fotosyntese. Denne viktigste prosessen finner sted i spesifikke planteorganeller, kloroplaster. Dette minste elementet sikrer faktisk eksistensen av alt liv på planeten. Hva er forresten en kloroplast?
Grunnleggende definisjon
Dette er navnet på de spesifikke strukturene som fotosynteseprosessene foregår i, som er rettet mot binding av karbondioksid og dannelse av visse karbohydrater. Biproduktet er oksygen. Disse er langstrakte organeller, når en bredde på 2-4 mikron, deres lengde når 5-10 mikron. Noen arter av grønnalger har noen ganger gigantiske kloroplaster som er 50 mikron lange!
De samme algene kan haen annen funksjon: for hele cellen har de bare ett organell av denne arten. I cellene til høyere planter er det oftest innen 10-30 kloroplaster. Men i deres tilfelle kan det være slående unntak. Så i palisadevevet til vanlig shag er det 1000 kloroplaster per celle. Hva er disse kloroplastene til? Fotosyntese er deres hovedrolle, men langt fra den eneste rollen. For å tydelig forstå deres betydning i plantelivet, er det viktig å kjenne til mange aspekter av deres opprinnelse og utvikling. Alt dette er beskrevet i resten av artikkelen.
Kloroplastens opprinnelse
Så, hva er en kloroplast, lærte vi. Hvor kom disse organellene fra? Hvordan skjedde det at planter utviklet et så unikt apparat som omdanner karbondioksid og vann til komplekse organiske forbindelser?
For tiden råder blant forskere synspunktet om den endosymbiotiske opprinnelsen til disse organellene, siden deres uavhengige forekomst i planteceller er ganske tvilsom. Det er velkjent at lav er en symbiose av alger og sopp. Encellede alger lever inne i soppcellen. Nå antyder forskere at fotosyntetiske cyanobakterier i antikken trengte inn i planteceller, og mistet deretter delvis sin "uavhengighet", og overførte det meste av genomet til kjernen.
Men den nye organoiden beholdt sitt hovedtrekk fullt ut. Det handler bare om prosessen med fotosyntese. Imidlertid er selve apparatet, som er nødvendig for å utføre denne prosessen, dannet underkontroll av både cellekjernen og selve kloroplasten. Delingen av disse organellene og andre prosesser knyttet til implementeringen av genetisk informasjon i DNA kontrolleres av kjernen.
Bevis
Relativt nylig var hypotesen om den prokaryote opprinnelsen til disse elementene ikke veldig populær i det vitenskapelige miljøet, mange anså det som "amatørers oppfinnelser." Men etter en dyptgående analyse av nukleotidsekvensene i DNAet til kloroplaster, ble denne antagelsen strålende bekreftet. Det viste seg at disse strukturene er ekstremt like, til og med relatert, til DNA fra bakterieceller. Så en lignende sekvens ble funnet i frittlevende cyanobakterier. Spesielt genene til det ATP-syntesekomplekset, så vel som i "maskinene" for transkripsjon og translasjon, viste seg å være ekstremt like.
Promotorer som bestemmer starten på lesing av genetisk informasjon fra DNA, så vel som terminale nukleotidsekvenser som er ansvarlige for avslutningen, er også organisert i bildet og likheten til bakterielle. Selvfølgelig kunne milliarder av år med evolusjonære transformasjoner gjøre mange endringer i kloroplasten, men sekvensene i kloroplastgenene forble helt de samme. Og dette er ugjendrivelig, fullstendig bevis på at kloroplaster faktisk en gang hadde en prokaryot stamfar. Det kan ha vært organismen som moderne cyanobakterier også utviklet seg fra.
Klorplastutvikling fra proplastider
"Voksen" organoid utvikler seg fra proplastider. Dette er en liten, helt fargeløsen organell som bare er noen få mikron på tvers. Den er omgitt av en tett tolagsmembran som inneholder kloroplastspesifikt sirkulært DNA. Disse "forfedrene" til organeller har ikke et indre membransystem. På grunn av deres ekstremt lille størrelse er studien deres ekstremt vanskelig, og derfor er det ekstremt lite data om utviklingen deres.
Det er kjent at flere av disse protoplastidene finnes i kjernen til hver eggcelle hos dyr og planter. Under utviklingen av embryoet deler de seg og overføres til andre celler. Dette er enkelt å verifisere: genetiske egenskaper som på en eller annen måte er assosiert med plastider, overføres bare gjennom morslinjen.
Den indre membranen til protoplastiden stikker inn i organoiden under utvikling. Fra disse strukturene vokser thylakoidmembraner, som er ansvarlige for dannelsen av granuler og lameller i organoidens stroma. I fullstendig mørke begynner protopastidet å forvandle seg til forløperen til kloroplasten (etioplast). Denne primære organoiden er preget av det faktum at en ganske kompleks krystallinsk struktur er plassert inne i den. Så snart lyset treffer plantens blad, blir den fullstendig ødelagt. Etter det oppstår dannelsen av den "tradisjonelle" indre strukturen til kloroplasten, som bare dannes av tylakoider og lameller.
Forskjeller i stivelseslagringsanlegg
Hver meristemcelle inneholder flere av disse proplastidene (antallet deres varierer avhengig av plantetype og andre faktorer). Så snart dette primære vevet begynner å forvandle seg til et blad, blir forløperorganellene til kloroplaster. Så,unge hveteblader som har fullført sin vekst har kloroplaster i mengden 100-150 stykker. Ting er litt mer komplisert for de plantene som er i stand til å samle stivelse.
De lagrer dette karbohydratet i plastider som kalles amyloplaster. Men hva har disse organellene å gjøre med emnet for artikkelen vår? Potetknoller er tross alt ikke involvert i fotosyntesen! La meg avklare dette problemet mer detaljert.
Vi fant ut hva en kloroplast er, og underveis avslørte vi forbindelsen mellom denne organoiden og strukturene til prokaryote organismer. Her er situasjonen lik: Forskere har lenge funnet ut at amyloplaster, som kloroplaster, inneholder nøyaktig samme DNA og er dannet av nøyaktig de samme protoplastidene. Derfor bør de vurderes i samme aspekt. Faktisk bør amyloplaster betraktes som en spesiell type kloroplast.
Hvordan dannes amyloplaster?
Man kan trekke en analogi mellom protoplastider og stamceller. Enkelt sagt, amyloplaster fra et tidspunkt begynner å utvikle seg langs en litt annen vei. Forskere lærte imidlertid noe merkelig: de klarte å oppnå gjensidig transformasjon av kloroplaster fra potetblader til amyloplaster (og omvendt). Det kanoniske eksempelet, kjent for alle skolebarn, er at potetknoller blir grønne i lyset.
Annen informasjon om måtene for differensiering av disse organellene
Vi vet at i ferd med å modne fruktene til tomater, epler og noen andre planter (og i bladene til trær, gress og busker om høsten)"nedbrytning", når kloroplaster i en plantecelle blir til kromoplaster. Disse organellene inneholder fargepigmenter, karotenoider.
Denne transformasjonen skyldes at under visse forhold blir thylakoidene fullstendig ødelagt, hvoretter organellen får en annen intern organisasjon. Her kommer vi igjen tilbake til problemet som vi begynte å diskutere helt i begynnelsen av artikkelen: innflytelsen av kjernen på utviklingen av kloroplaster. Det er det, gjennom spesielle proteiner som syntetiseres i cytoplasmaet til cellene, som setter i gang prosessen med å restrukturere organoiden.
Kloroplaststruktur
Etter å ha snakket om opprinnelsen og utviklingen til kloroplaster, bør vi dvele mer detaljert ved deres struktur. Dessuten er den veldig interessant og fortjener en egen diskusjon.
Den grunnleggende strukturen til kloroplaster består av to lipoproteinmembraner, indre og ytre. Tykkelsen på hver er omtrent 7 nm, avstanden mellom dem er 20-30 nm. Som for andre plastider danner det indre laget spesielle strukturer som stikker inn i organoiden. I modne kloroplaster er det to typer slike "krøllede" membraner på en gang. De førstnevnte danner stromale lameller, de siste danner thylakoidmembraner.
Lamell og thylakoider
Det skal bemerkes at det er en klar sammenheng som kloroplastmembranen har med lignende formasjoner plassert inne i organoiden. Faktum er at noen av foldene kan strekke seg fra en vegg til en annen (som i mitokondrier). Så lamellene kan enten danne en slags "pose" eller en forgrenetNettverk. Imidlertid er disse strukturene oftest plassert parallelt med hverandre og er ikke koblet sammen på noen måte.
Ikke glem at inne i kloroplasten er det også membranthylakoider. Dette er lukkede "poser" som er ordnet i en stabel. Som i forrige tilfelle er det en avstand på 20-30 nm mellom de to veggene i hulrommet. Søylene til disse "posene" kalles korn. Hver kolonne kan inneholde opptil 50 thylakoider, og i noen tilfeller er det enda flere. Siden de totale "dimensjonene" til slike stabler kan nå 0,5 mikron, kan de noen ganger oppdages ved hjelp av et vanlig lysmikroskop.
Det totale antallet korn som finnes i kloroplastene til høyere planter kan nå 40-60. Hver thylakoid fester seg så tett til den andre at deres ytre membraner danner et enkelt plan. Lagtykkelsen i krysset kan være opptil 2 nm. Merk at slike strukturer, som er dannet av tilstøtende thylakoider og lameller, ikke er uvanlig.
På kontaktstedene deres er det også et lag, noen ganger når de samme 2 nm. Dermed er kloroplaster (hvis strukturen og funksjonene er svært komplekse) ikke en enkelt monolittisk struktur, men en slags "tilstand i en stat". I noen aspekter er strukturen til disse organellene ikke mindre kompleks enn hele cellestrukturen!
Granas er sammenkoblet nøyaktig ved hjelp av lameller. Men hulrommene til thylakoider, som danner stabler, er alltid lukket og kommuniserer ikke med intermembranen på noen måte.rom. Som du kan se, er strukturen til kloroplaster ganske kompleks.
Hvilke pigmenter finnes i kloroplaster?
Hva kan inneholdes i stromaet til hver kloroplast? Det er individuelle DNA-molekyler og mange ribosomer. Hos amyloplaster er det i stroma at stivelseskorn avsettes. Følgelig har kromoplaster fargepigmenter der. Selvfølgelig finnes det ulike kloroplastpigmenter, men det vanligste er klorofyll. Den er delt inn i flere typer samtidig:
- Gruppe A (blå-grønn). Det forekommer i 70 % av tilfellene, finnes i kloroplastene til alle høyere planter og alger.
- Gruppe B (gul-grønn). De resterende 30 % finnes også i høyere arter av planter og alger.
- Grupper C, D og E er mye sjeldnere. Finnes i kloroplastene til noen arter av lavere alger og planter.
Det er ikke uvanlig at røde og brune tang har helt forskjellige typer organiske fargestoffer i kloroplastene. Noen alger inneholder generelt nesten alle eksisterende kloroplastpigmenter.
Kloroplastfunksjoner
Selvfølgelig er hovedfunksjonen deres å konvertere lysenergi til organiske komponenter. Selve fotosyntesen skjer i korn med direkte deltagelse av klorofyll. Den absorberer energien til sollys og konverterer den til energien til opphissede elektroner. Sistnevnte, med sin overflødige forsyning, avgir overflødig energi, som brukes til nedbryting av vann og syntese av ATP. Når vann brytes ned, dannes oksygen og hydrogen. Den første, som vi skrev ovenfor, er et biprodukt og slippes ut i det omkringliggende rommet, og hydrogen binder seg til et spesielt protein, ferredoksin.
Det oksiderer igjen, og overfører hydrogen til et reduksjonsmiddel, som i biokjemi er forkortet til NADP. Følgelig er dens reduserte form NADP-H2. Enkelt sagt produserer fotosyntesen følgende stoffer: ATP, NADP-H2 og et biprodukt i form av oksygen.
energirollen til ATP
Den dannede ATP er ekstremt viktig, ettersom den er den viktigste "akkumulatoren" av energi som går til cellens ulike behov. NADP-H2 inneholder et reduksjonsmiddel, hydrogen, og denne forbindelsen kan enkelt gi det bort om nødvendig. Enkelt sagt er det et effektivt kjemisk reduksjonsmiddel: i prosessen med fotosyntese finner det mange reaksjoner sted som rett og slett ikke kan fortsette uten det.
Deretter spiller kloroplastenzymer inn, som virker i mørket og utenfor granen: hydrogen fra reduksjonsmidlet og energien til ATP brukes av kloroplasten for å starte syntesen av en rekke organiske stoffer. Siden fotosyntesen skjer under forhold med god belysning, brukes de akkumulerte forbindelsene til plantenes behov i løpet av den mørke tiden på dagen.
Du kan med rette legge merke til at denne prosessen er mistenkelig lik pusting i noen aspekter. Hvordan er fotosyntese forskjellig fra det? Tabellen vil hjelpe deg å forstå dette problemet.
| Sammenligningsartikler | Fotosyntese | Breathing |
| Når det skjer | Bare dagtid, i sollys | Anytime |
| Hvor det lekker | Klorofyllholdige celler | Alle levende celler |
| Oxygen | Høydepunkt | Absorpsjon |
| CO2 | Absorpsjon | Høydepunkt |
| Organisk materie | Syntese, delvis splitting | kun splitt |
| Energy | Svelge opp | Skiller seg ut |
Det er slik fotosyntese skiller seg fra respirasjon. Tabellen viser tydelig de viktigste forskjellene deres.
Noen "paradokser"
De fleste av de videre reaksjonene finner sted akkurat der, i kloroplastens stroma. Den videre veien til de syntetiserte stoffene er annerledes. Så enkle sukkerarter går umiddelbart utover organoiden, og akkumuleres i andre deler av cellen i form av polysakkarider, først og fremst stivelse. I kloroplaster skjer både avsetning av fett og den foreløpige akkumuleringen av deres forløpere, som deretter skilles ut til andre områder av cellen.
Det skal være klart forstått at alle fusjonsreaksjoner krever enormt mye energi. Dens eneste kilde er den samme fotosyntesen. Dette er en prosess som ofte krever så mye energi at den må skaffes,ødelegge stoffene som er dannet som følge av forrige syntese! Dermed brukes mesteparten av energien som oppnås i løpet av dets løp på å utføre mange kjemiske reaksjoner i selve plantecellen.
Bare noe av det brukes til direkte å skaffe de organiske stoffene som planten tar for sin egen vekst og utvikling eller avleirer i form av fett eller karbohydrater.
Er kloroplaster statiske?
Det er generelt akseptert at cellulære organeller, inkludert kloroplaster (hvor strukturen og funksjonene vi har beskrevet i detalj), er plassert på ett sted. Dette er ikke sant. Kloroplaster kan bevege seg rundt i cellen. Så i lite lys har de en tendens til å innta en posisjon nær den mest opplyste siden av cellen, i forhold med middels og lite lys kan de velge noen mellomposisjoner der de klarer å "fange" mest sollys. Dette fenomenet kalles "phototaxis".
I likhet med mitokondrier er kloroplaster ganske autonome organeller. De har sine egne ribosomer, de syntetiserer en rekke svært spesifikke proteiner som bare brukes av dem. Det er til og med spesifikke enzymkomplekser, under arbeidet med hvilke spesielle lipider produseres, som kreves for konstruksjon av lamellskall. Vi har allerede snakket om den prokaryote opprinnelsen til disse organellene, men det bør legges til at noen forskere anser kloroplaster for å være eldgamle etterkommere av noen parasittiske organismer som først ble symbionter, og deretter helthar blitt en integrert del av cellen.
Betydningen av kloroplaster
For planter er det åpenbart - dette er syntesen av energi og stoffer som brukes av planteceller. Men fotosyntese er en prosess som sikrer konstant akkumulering av organisk materiale på planetarisk skala. Fra karbondioksid, vann og sollys kan kloroplaster syntetisere et stort antall komplekse høymolekylære forbindelser. Denne evnen er karakteristisk bare for dem, og en person er fortsatt langt fra å gjenta denne prosessen under kunstige forhold.
All biomasse på overflaten av planeten vår skylder sin eksistens til disse minste organellene, som befinner seg i dypet av planteceller. Uten dem, uten prosessen med fotosyntese utført av dem, ville det ikke vært liv på jorden i dens moderne manifestasjoner.
Vi håper du har lært av denne artikkelen hva en kloroplast er og hvilken rolle den er i en planteorganisme.
