Funkcje chloroplastów, struktura i proces fotosyntezy



The chloroplasty Są rodzajem organelli komórkowych ograniczonych przez złożony system błon, charakterystyczny dla roślin i glonów. W tym plastydzie znajduje się chlorofil, pigment odpowiedzialny za procesy fotosyntezy, zielony kolor warzyw i pozwalający na autotroficzne życie tych linii..

Ponadto chloroplasty są związane z wytwarzaniem energii metabolicznej (ATP - adenozynotrifosforan), syntezą aminokwasów, witamin, kwasów tłuszczowych, składników lipidowych ich błon i redukcją azotynów. Odgrywa również rolę w produkcji substancji obronnych przeciwko patogenom.

Ta fotosyntetyczna organelle ma swój własny kolisty genom (DNA) i uważa się, że podobnie jak mitochondria, powstały one w procesie symbiozy między gospodarzem a przodkową bakterią fotosyntetyczną.

Indeks

  • 1 Pochodzenie
    • 1.1 Teoria endosymbiotyczna
  • 2 Ogólna charakterystyka
  • 3 Struktura
    • 3.1 Membrany zewnętrzne i wewnętrzne
    • 3.2 Membrana Thilacoid
    • 3.3 Tylakoidy
    • 3.4 Stroma
    • 3.5 Genom
  • 4 funkcje
    • 4.1 Fotosynteza
    • 4.2 Synteza biomolekuł
    • 4.3 Obrona przed patogenami
  • 5 Inne plastydy
  • 6 referencji

Pochodzenie

Chloroplasty są organellami, które mają cechy bardzo odległych grup organizmów: glonów, roślin i prokariotów. Dowody te sugerują, że organelle pochodzą z organizmu prokariotycznego o zdolności do fotosyntezy.

Szacuje się, że pierwszy organizm eukariotyczny, zdolny do przeprowadzenia fotosyntezy, powstał około 1000 milionów lat temu. Dowody wskazują, że ten ważny skok ewolucyjny został spowodowany nabyciem sinic przez gospodarza eukariotycznego. Proces ten doprowadził do powstania różnych linii alg czerwonych, zielonych i roślinnych.

W ten sam sposób zachodzą zdarzenia związane z symbiozą wtórną i trzeciorzędową, w których linia eukariontów ustanawia symbiotyczną relację z innym wolno żyjącym eukariontem fotosyntetycznym.

W trakcie ewolucji genom domniemanej bakterii został zredukowany, a niektóre z jego genów zostały przeniesione i zintegrowane z genomem jądra.

Organizacja genomu obecnych chloroplastów przypomina prokarionta, ale ma również cechy materiału genetycznego eukariontów.

Teoria endosymbiotyczna

Teoria endosymbiotyczna została zaproponowana przez Lynn Margulis w serii książek opublikowanych w latach 60. i 80. Jednak był to pomysł, który działał od początku XX wieku, zaproponowany przez Mereschkowsky'ego.

Teoria ta wyjaśnia pochodzenie chloroplastów, mitochondriów i podstawowych ciał obecnych w wiciach. Zgodnie z tą hipotezą struktury te były kiedyś wolnymi organizmami prokariotycznymi.

Nie ma wielu dowodów na poparcie endosymbiotycznego pochodzenia ciał podstawnych z ruchomych prokariotów.

W przeciwieństwie do tego, istnieją ważne dowody potwierdzające endosymbiotyczne pochodzenie mitochondriów z α-proteobakterii i chloroplastów z cyjanobakterii. Najczystszym i najsilniejszym dowodem jest podobieństwo między obydwoma genomami.

Ogólna charakterystyka

Chloroplasty są najbardziej widocznym rodzajem plastydów w komórkach roślinnych. Są to owalne struktury otoczone błonami i najsłynniejszy proces autotroficznych eukariontów występuje w ich wnętrzu: fotosynteza. Są to dynamiczne struktury i mają swój własny materiał genetyczny.

Zazwyczaj znajdują się na liściach roślin. Typowa komórka roślinna może mieć 10 do 100 chloroplastów, chociaż liczba ta jest dość zmienna.

Podobnie jak mitochondria, dziedziczenie chloroplastów od rodziców do dzieci występuje u jednego z rodziców, a nie u obu. W rzeczywistości te organelle są bardzo podobne do mitochondriów w różnych aspektach, choć bardziej złożone.

Struktura

Chloroplasty to duże organelle o długości od 5 do 10 μm. Cechy tej struktury można wizualizować za pomocą tradycyjnego mikroskopu optycznego.

Są otoczone podwójną błoną lipidową. Ponadto mają trzeci system błon wewnętrznych, nazywany membranami tylakoidowymi.

Ten ostatni system błoniasty tworzy zestaw struktur podobnych do dysku, znanych jako tylakoidy. Połączenie tylakoidów w stosach nazywa się „grana” i są one ze sobą połączone.

Dzięki temu potrójnemu systemowi membran wewnętrzna struktura chloroplastu jest złożona i jest podzielona na trzy przestrzenie: przestrzeń międzybłonową (między dwiema błonami zewnętrznymi), zręby (występujące w chloroplastach i poza błoną tylakoidową) i ostatnie światło tylakoidu.

Membrany zewnętrzne i wewnętrzne

System membranowy jest związany z generowaniem ATP. Podobnie jak błony mitochondriów, to wewnętrzna błona determinuje przejście cząsteczek do organelli. Fosfatydylocholina i fosfatydyloglicerol są najliczniej występującymi lipidami błon chloroplastowych.

Zewnętrzna membrana zawiera szereg porów. Małe cząsteczki mogą swobodnie wchodzić przez te kanały. Wewnętrzna membrana, z drugiej strony, nie pozwala na swobodny tranzyt tego typu cząsteczek o niskiej masie. Aby cząsteczki mogły się dostać, muszą to zrobić za pomocą specyficznych transporterów zakotwiczonych w membranie.

W niektórych przypadkach istnieje struktura zwana siateczką obwodową, utworzona przez sieć błon, pochodzących w szczególności z wewnętrznej błony chloroplastu. Niektórzy autorzy uważają je za unikalne dla roślin o metabolizmie C4, chociaż znaleziono je w roślinach C3.

Funkcja tych kanalików i pęcherzyków nie jest jeszcze jasna. Proponuje się, aby mogły one przyczynić się do szybkiego transportu metabolitów i białek w chloroplastach lub do zwiększenia powierzchni wewnętrznej błony.

Błona tylakoidowa

Łańcuch transportu elektronów zaangażowany w procesy fotosyntetyczne zachodzi w tym systemie membranowym. Protony są pompowane przez tę membranę, od zrębu do wnętrza tylakoidów.

Ten gradient powoduje syntezę ATP, gdy protony są kierowane z powrotem do zrębu. Proces ten jest równoważny z tym, który zachodzi w wewnętrznej błonie mitochondriów.

Błona tylakoidowa składa się z czterech typów lipidów: monogalaktozylo diacyloglicerolu, digalaktozylo diacyloglicerolu, sulfochinowosilu diacyloglicerolu i fosfatydyloglicerolu. Każdy typ ma specjalną funkcję w dwuwarstwie lipidowej w tej sekcji.

Tylakoidy

Tylakoidy są błoniastymi strukturami w postaci woreczków lub płaskich dysków ułożonych w „grana„(Liczba mnoga tej struktury to granum). Dyski te mają średnicę od 300 do 600 nm. W przestrzeni wewnętrznej tylakoidu nazywa się światło.

Architektura stosu tylakoidów jest nadal przedmiotem dyskusji. Proponowane są dwa modele: pierwszy to model spiralny, w którym tylakoidy są nawinięte między ziarnami w kształcie helisy.

Natomiast drugi model proponuje rozwidlenie. Hipoteza ta sugeruje, że grana są tworzone przez rozwidlenia zrębu.

Stroma

Zrąb jest żelatynowym płynem, który otacza tylakoidy i znajduje się w wewnętrznym obszarze chloroplastu. Region ten odpowiada cytozolowi rzekomych bakterii, które spowodowały ten rodzaj plastydu.

W tym obszarze znajdziesz cząsteczki DNA i dużą ilość białek i enzymów. Konkretnie, enzymy biorące udział w cyklu Calvina znajdują się do utrwalania dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy. Można również znaleźć granulki skrobi

W zrębie można znaleźć chloroplasty chloroplastów, ponieważ te struktury syntetyzują własne białka.

Genom

Jedną z najbardziej wyjątkowych cech chloroplastów jest to, że mają swój własny system genetyczny.

Materiał genetyczny chloroplastów składa się z okrągłych cząsteczek DNA. Każda organelle ma wiele kopii tej okrągłej cząsteczki o wielkości od 12 do 16 kb (kilobaz). Są zorganizowane w struktury zwane nukleoidami i składają się z 10 do 20 kopii genomu plastydowego, wraz z białkami i cząsteczkami RNA.

DNA chloroplastów koduje około 120 do 130 genów. W rezultacie powstają białka i RNA związane z procesami fotosyntezy, takimi jak komponenty fotosystemu I i II, syntaza ATP i jedna z podjednostek Rubisco.

Rubisco (karboksylaza rybulozo-1,5-bisfosforanowa / oksygenaza) jest kluczowym kompleksem enzymów w cyklu Calvina. W rzeczywistości jest uważany za najbardziej obfite białko na Ziemi.

Transfer RNA i rybosomy są wykorzystywane do translacji komunikatów RNA, które są kodowane w genomie chloroplastu. Obejmuje rybosomalne RNA 23S, 16S, 5S i 4,5S oraz transfer RNA. Koduje także 20 białek rybosomalnych i pewne podjednostki polimerazy RNA.

Jednak pewne elementy niezbędne do funkcjonowania chloroplastu są kodowane w genomie jądrowym komórki roślinnej.

Funkcje

Chloroplasty można uważać za ważne ośrodki metaboliczne w roślinach, w których wiele reakcji biochemicznych zachodzi dzięki szerokiemu spektrum enzymów i białek zakotwiczonych w błonach, które zawierają te organelle.

Mają krytyczną funkcję w organizmach roślinnych: jest to miejsce, w którym zachodzą procesy fotosyntezy, gdzie światło słoneczne jest przekształcane w węglowodany, z tlenem jako produktem wtórnym..

Szereg drugorzędnych funkcji biosyntezy występuje również w chloroplastach. Następnie omówimy szczegółowo każdą funkcję:

Fotosynteza

Fotosynteza zachodzi dzięki chlorofilowi. Ten pigment znajduje się wewnątrz chloroplastów, w błonach tylakoidów.

Składa się z dwóch części: pierścienia i ogona. Pierścień zawiera magnez i jest odpowiedzialny za absorpcję światła. Może absorbować niebieskie światło i czerwone światło, odbijając zielony obszar widma światła.

Reakcje fotosyntetyczne zachodzą dzięki transferowi elektronów. Energia pochodząca ze światła przekazuje energię pigmentowi chlorofilowemu (mówi się, że cząsteczka jest „wzbudzana przez światło”), powodując ruch tych cząstek w błonie tylakoidów. Chlorofil otrzymuje elektrony z cząsteczki wody.

Proces ten powoduje powstanie gradientu elektrochemicznego, który umożliwia syntezę ATP w zrębie. Ta faza jest również znana jako „świetlna”.

Druga część fotosyntezy (lub fazy ciemnej) występuje w zrębie i trwa w cytozolu. Znany jest również jako reakcje wiązania węgla. Na tym etapie produkty powyższych reakcji są wykorzystywane do budowania węglowodanów z CO2.

Synteza biomolekuł

Ponadto chloroplasty mają inne wyspecjalizowane funkcje, które umożliwiają rozwój i wzrost rośliny.

W tej organelli występuje przyswajanie azotanów i siarczanów i posiadają niezbędne enzymy do syntezy aminokwasów, fitohormonów, witamin, kwasów tłuszczowych, chlorofilu i karotenoidów.

Niektóre badania zidentyfikowały znaczną liczbę aminokwasów syntetyzowanych przez tę organellę. Kirk i in. Badali produkcję aminokwasów w chloroplastach Vicia faba L.

Autorzy ci stwierdzili, że najbardziej obficie syntetyzowanymi aminokwasami były glutaminian, asparaginian i treonina. Zsyntetyzowano także inne typy, takie jak alanina, seryna i glicyna, ale w mniejszych ilościach. Wykryto także pozostałe trzynaście aminokwasów.

Udało im się wyizolować różne geny biorące udział w syntezie lipidów. Chloroplasty posiadają niezbędne drogi syntezy lipidów izoprenoidowych, niezbędnych do produkcji chlorofilu i innych pigmentów.

Obrona przed patogenami

Rośliny nie mają rozwiniętego układu immunologicznego podobnego do zwierząt. Dlatego struktury komórkowe muszą wytwarzać substancje przeciwdrobnoustrojowe, aby mogły bronić się przed szkodliwymi czynnikami. W tym celu rośliny mogą syntetyzować reaktywne formy tlenu (ROS) lub kwas salicylowy.

Chloroplasty są związane z produkcją tych substancji, które eliminują ewentualne patogeny wchodzące do rośliny.

Podobnie działają jako „czujniki molekularne” i uczestniczą w mechanizmach ostrzegania, przekazując informacje innym organellom.

Inne plastydy

Chloroplasty należą do rodziny organelli roślinnych zwanych plastydami lub plastydami. Chloroplasty różnią się głównie od pozostałych plastydów, ponieważ zawierają pigment chlorofilowy. Inne plastydy to:

-Chromoplasty: te struktury zawierają karotenoidy, są obecne w kwiatach i kwiatach. Dzięki tym pigmentom struktury warzywne mają kolor żółty, pomarańczowy i czerwony.

-Leukoplasty: te plastydia nie zawierają pigmentów i dlatego są białe. Służą jako rezerwa i znajdują się w organach, które nie otrzymują bezpośredniego światła.

-Amyloplasty: zawierają skrobię i znajdują się w korzeniach i bulwach.

Plastidy pochodzą ze struktur zwanych protoplastidiami. Jedną z najbardziej uderzających cech plastydów jest ich właściwość zmiany typu, chociaż są one już w fazie dojrzałej. Ta zmiana jest wywoływana przez sygnały środowiskowe lub wewnętrzne z zakładu.

Na przykład chloroplasty mogą powodować powstawanie chromoplastów. Dla tej zmiany błona tylakoidowa rozpada się i karotenoidy są syntetyzowane.

Referencje

  1. Allen, J. F. (2003). Dlaczego chloroplasty i mitochondria zawierają genomy. Genomika porównawcza i funkcjonalna, 4(1), 31-36.
  2. Cooper, G. M (2000). Komórka: podejście molekularne. Druga edycja. Sinauer Associates
  3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M. i Chang, W.-J. (2016). Genomy chloroplastów: różnorodność, ewolucja i zastosowania w inżynierii genetycznej. Biologia genomu, 17, 134.
  4. Gracen, V.E., Hilliard, J.H., Brown, R.H. i West, S.H. (1972). Retikulum obwodowe w chloroplastach roślin różniących się ścieżkami wiązania CO 2 i fotooddychaniem. Roślina, 107(3), 189-204.
  5. Gray, M. W. (2017). Lynn Margulis i hipoteza endosymbiont: 50 lat później. Molekularna biologia komórki, 28(10), 1285-1287.
  6. Jensen, P. E. i Leister, D. (2014). Ewolucja, struktura i funkcje chloroplastów. Raporty F1000Prime, 6, 40.
  7. Kirk, P. R., i Leech, R. M. (1972). Biosynteza aminokwasów przez izolowane chloroplasty podczas fotosyntezy . Fizjologia roślin, 50(2), 228-234.
  8. Kobayashi, K. i Wada, H. (2016). Rola lipidów w biogenezie chloroplastów. W Lipidy w rozwoju roślin i alg (str. 103-125). Springer, Cham.
  9. Sowden, R. G., Watson, S.J. i Jarvis, P. (2017). Rola chloroplastów w patologii roślin. Eseje z biochemii, EBC20170020.
  10. Wise, R. R. i Hoober, J. K. (2007). Struktura i funkcja plastydów. Springer Science & Business Media.