Chloroplastové funkcie, štruktúra a proces fotosyntézy



chloroplasty Jedná sa o typ bunkových organel vymedzených komplexným systémom membrán, charakteristických pre rastliny a riasy. V tomto plastide je chlorofyl, pigment zodpovedný za procesy fotosyntézy, zelená farba zeleniny a umožňuje autotrofný život týchto línií.

Okrem toho chloroplasty súvisia s tvorbou metabolickej energie (ATP - adenozíntrifosfát), syntézy aminokyselín, vitamínov, mastných kyselín, lipidových zložiek ich membrán a redukcie dusitanov. Má tiež úlohu pri výrobe obranných látok proti patogénom.

Táto fotosyntetická organela má svoj vlastný kruhový genóm (DNA) a predpokladá sa, že podobne ako mitochondrie pochádzajú z procesu symbiózy medzi hostiteľom a predchodnou fotosyntetickou baktériou..

index

  • 1 Pôvod
    • 1.1 Endosymbiotická teória
  • 2 Všeobecné charakteristiky
  • 3 Štruktúra
    • 3.1 Vonkajšie a vnútorné membrány
    • 3.2 Thilakoidná membrána
    • 3.3 Tylakoidy
    • 3.4 Stroma
    • 3.5 Genóm
  • 4 Funkcie
    • 4.1 Fotosyntéza
    • 4.2 Syntéza biomolekúl
    • 4.3 Obrana proti patogénom
  • 5 Iné plastidy
  • 6 Referencie

zdroj

Chloroplasty sú organely, ktoré majú vlastnosti veľmi vzdialených skupín organizmov: riasy, rastliny a prokaryoty. Tento dôkaz naznačuje, že organela pochádza z prokaryotického organizmu so schopnosťou vykonávať fotosyntézu.

Odhaduje sa, že prvý eukaryotický organizmus, so schopnosťou vykonávať fotosyntézu, vznikol asi pred 1000 miliónmi rokov. Dôkazy naznačujú, že tento významný evolučný skok bol spôsobený akvizíciou cyanobaktérií eukaryotickým hostiteľom. Tento proces umožnil vznik rôznych línií červených, zelených a rastlinných rias.

Podobne existujú aj sekundárne a terciárne symbiózy, v ktorých línia eukaryotov vytvára symbiotický vzťah s iným voľne žijúcim fotosyntetickým eukaryotom.

V priebehu evolúcie bol genóm predpokladanej baktérie redukovaný a niektoré z jeho génov boli prenesené a integrované do genómu jadra.

Organizácia genómu súčasných chloroplastov sa podobá organizmu prokaryota, ale má aj atribúty genetického materiálu eukaryot..

Endosymbiotická teória

Koncepciu endosymbiotiky navrhla Lynn Margulis v sérii kníh vydaných medzi 60. a 80. rokmi, ale bola to myšlienka, ktorá fungovala od 19. storočia, navrhol Mereschkowsky.

Táto teória vysvetľuje pôvod chloroplastov, mitochondrií a bazálnych telies prítomných v bičíku. Podľa tejto hypotézy boli tieto štruktúry kedysi voľné prokaryotické organizmy.

Nie je veľa dôkazov na podporu endosymbiotického pôvodu bazálnych telies z mobilných prokaryot.

Na rozdiel od toho existujú dôležité dôkazy podporujúce endosymbiotický pôvod mitochondrií z a-Proteobaktérií az chloroplastov z cyanobaktérií. Najjasnejším a najsilnejším dôkazom je podobnosť medzi oboma genómami.

Všeobecné charakteristiky

Chloroplasty sú najvýraznejším typom plastidov v rastlinných bunkách. Sú to oválne štruktúry obklopené membránami a najznámejší proces autotrofných eukaryot sa vyskytuje v ich interiéri: fotosyntéza. Sú to dynamické štruktúry a majú svoj vlastný genetický materiál.

Zvyčajne sa nachádzajú na listoch rastlín. Typická rastlinná bunka môže mať 10 až 100 chloroplastov, hoci počet je celkom variabilný.

Podobne ako mitochondrie, dedičstvo chloroplastov od rodičov k deťom sa vyskytuje na strane jedného z rodičov a nie oboch. V skutočnosti sú tieto organely veľmi podobné mitochondriám v rôznych aspektoch, aj keď zložitejšie.

štruktúra

Chloroplasty sú veľké organely dlhé 5 až 10 μm. Charakteristiky tejto štruktúry môžu byť vizualizované pod tradičným optickým mikroskopom.

Sú obklopené dvojitou lipidovou membránou. Okrem toho majú tretí systém vnútorných membrán, nazývaný tylakoidné membrány.

Tento posledný membránový systém tvorí súbor diskovitých štruktúr, známych ako tylakoidy. Spojenie tylakoidov v pilotách sa nazýva "grana" a sú navzájom prepojené.

Vďaka tomuto trojitému systému membrán je vnútorná štruktúra chloroplastu komplexná a je rozdelená do troch priestorov: medzimembránový priestor (medzi dvoma vonkajšími membránami), stroma (nachádzajúca sa v chloroplastoch a mimo tylakoidnej membrány) a posledný lumen tylakoidu.

Vonkajšie a vnútorné membrány

Membránový systém súvisí s tvorbou ATP. Rovnako ako membrány mitochondrií, aj vnútorná membrána určuje priechod molekúl do organely. Fosfatidylcholín a fosfatidylglycerol sú najhojnejšími lipidmi chloroplastových membrán.

Vonkajšia membrána obsahuje sériu pórov. Týmito kanálmi môžu voľne vstupovať malé molekuly. Vnútorná membrána na druhej strane neumožňuje voľný prechod tohto typu molekúl s nízkou hmotnosťou. Aby molekuly mohli vstúpiť, musia tak urobiť pomocou špecifických transportérov ukotvených na membráne.

V niektorých prípadoch existuje štruktúra nazývaná periférne retikulum, tvorené sieťou membrán, pochádzajúcich špecificky z vnútornej membrány chloroplastu. Niektorí autori ich považujú za unikátne pre rastliny s metabolizmom C4, hoci sa našli v rastlinách C3.

Funkcia týchto tubulov a vezikúl ešte nie je jasná. Navrhuje sa, že by mohli prispieť k rýchlemu transportu metabolitov a proteínov v rámci chloroplastu alebo k zvýšeniu povrchu vnútornej membrány..

Thylakoidná membrána

V tomto membránovom systéme dochádza k reťazcu transportu elektrónov, ktorý sa zúčastňuje fotosyntetických procesov. Protóny sa cez túto membránu čerpajú zo strómy do vnútra tylakoidov.

Tento gradient vedie k syntéze ATP, keď sú protóny nasmerované späť do strómy. Tento proces je ekvivalentný procesu, ktorý sa vyskytuje vo vnútornej membráne mitochondrií.

Tylakoidná membrána pozostáva zo štyroch typov lipidov: monogalaktosyldiacylglycerolu, digalaktozyldiacylglycerolu, sulfochinovosil diacylglycerolu a fosfatidylglycerolu. Každý typ má špeciálnu funkciu v lipidovej dvojvrstve tejto časti.

tilacoides

Tylakoidy sú membranózne štruktúry vo forme vrecúšok alebo plochých diskov, ktoré sú naskladané do "".košenila"(Množné číslo tejto štruktúry je. \ T granum). Tieto disky majú priemer 300 až 600 nm. Vo vnútornom priestore tylakoidu sa nazýva lumen.

O architektúre stacku tylakoidov sa stále diskutuje. Navrhujú sa dva modely: prvý je špirálový model, v ktorom sú tylakoidy navinuté medzi zrnami v tvare špirály..

Naopak, druhý model navrhuje rozdvojenie. Táto hypotéza naznačuje, že granu tvoria stromálne bifurkácie.

stromálne

Stroma je želatínová tekutina, ktorá obklopuje tylakoidy a nachádza sa vo vnútornej oblasti chloroplastu. Táto oblasť zodpovedá cytozolu údajných baktérií, ktoré spôsobili tento typ plastidu.

V tejto oblasti nájdete molekuly DNA a veľké množstvo proteínov a enzýmov. Konkrétne, enzýmy zapojené do Calvinovho cyklu sa nachádzajú na fixáciu oxidu uhličitého vo fotosyntetickom procese. Môžete tiež nájsť škrobové granule

V stróme môžete nájsť chloroplasty chloroplastov, pretože tieto štruktúry syntetizujú svoje vlastné proteíny.

genóm

Jednou z najvýraznejších vlastností chloroplastov je, že majú svoj vlastný genetický systém.

Genetický materiál chloroplastov pozostáva z kruhových molekúl DNA. Každá organela má viacnásobné kópie tejto kruhovej molekuly 12 až 16 kb (kilobázy). Sú organizované do štruktúr nazývaných nukleoidy a pozostávajú z 10 až 20 kópií plastidového genómu spolu s proteínmi a molekulami RNA.

Chloroplastová DNA kóduje približne 120 až 130 génov. Výsledkom sú proteíny a RNA súvisiace s fotosyntetickými procesmi, ako sú zložky fotosystému I a II, ATP syntáza a jedna z podjednotiek Rubisco.

Rubisco (ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxyláza / oxygenáza) je rozhodujúcim enzýmovým komplexom v Calvinovom cykle. V skutočnosti je považovaný za najhojnejší proteín na planéte Zem.

Transferové RNA a ribozómy sa používajú pri translácii RNA správ, ktoré sú kódované v chloroplastovom genóme. Zahŕňa ribozomálne RNA 23S, 16S, 5S a 4,5S a transferovú RNA. Kóduje tiež 20 ribozomálnych proteínov a určité podjednotky RNA polymerázy.

Avšak určité elementy potrebné na fungovanie chloroplastu sú kódované v jadrovom genóme rastlinnej bunky.

funkcie

Chloroplasty môžu byť považované za dôležité metabolické centrá v rastlinách, kde dochádza k viacerým biochemickým reakciám vďaka širokému spektru enzýmov a proteínov ukotvených na membránach, ktoré tieto organely obsahujú.

Majú kritickú funkciu v rastlinných organizmoch: je to miesto, kde dochádza k fotosyntetickým procesom, kde sa slnečné svetlo transformuje na sacharidy, pričom sekundárny produkt tvorí kyslík..

Série sekundárnych funkcií biosyntézy sa tiež vyskytujú v chloroplastoch. Ďalej budeme podrobne diskutovať o každej funkcii:

fotosyntéza

Fotosyntéza nastáva vďaka chlorofylu. Tento pigment sa nachádza vo vnútri chloroplastov, v membránach tylakoidov.

Skladá sa z dvoch častí: kruh a chvost. Prsteň obsahuje horčík a je zodpovedný za absorpciu svetla. Môže absorbovať modré svetlo a červené svetlo, ktoré odráža zelenú plochu svetelného spektra.

Fotosyntetické reakcie vznikajú vďaka prenosu elektrónov. Energia prichádzajúca zo svetla privádza energiu do chlorofylového pigmentu (molekula sa označuje ako "excitovaná svetlom"), čo spôsobuje pohyb týchto častíc v membráne tylakoidov. Chlorofyl dostane svoje elektróny z molekuly vody.

Výsledkom tohto procesu je tvorba elektrochemického gradientu, ktorý umožňuje syntézu ATP v stróme. Táto fáza je tiež známa ako "svetelná".

Druhá časť fotosyntézy (alebo tmavej fázy) sa vyskytuje v stróme a pokračuje v cytosóle. Je tiež známa ako reakcie viazania uhlíka. V tomto štádiu sa produkty vyššie uvedených reakcií používajú na výrobu sacharidov z CO2.

Syntéza biomolekúl

Okrem toho, chloroplasty majú ďalšie špecializované funkcie, ktoré umožňujú rozvoj a rast rastliny.

V tejto organele dochádza k asimilácii nitrátov a sulfátov a má potrebné enzýmy na syntézu aminokyselín, fytohormónov, vitamínov, mastných kyselín, chlorofylu a karotenoidov..

Určité štúdie identifikovali významný počet aminokyselín syntetizovaných touto organelou. Kirk a kol. Študovali produkciu aminokyselín v chloroplastoch Vicia faba L.

Títo autori zistili, že najhojnejšie syntetizované aminokyseliny boli glutamát, aspartát a treonín. Syntetizovali sa aj iné typy, ako napríklad alanín, serín a glycín, ale v menších množstvách. Zvyšných trinásť aminokyselín sa tiež detegovalo.

Dokázali izolovať rôzne gény, ktoré sa podieľajú na syntéze lipidov. Chloroplasty majú potrebné cesty na syntézu izoprenoidných lipidov, nevyhnutných na produkciu chlorofylu a iných pigmentov..

Obrana proti patogénom

Rastliny nemajú vyvinutý imunitný systém podobný zvieratám. Bunkové štruktúry preto musia produkovať antimikrobiálne látky, aby sa mohli brániť proti škodlivým činiteľom. Na tento účel môžu rastliny syntetizovať reaktívne formy kyslíka (ROS) alebo kyselinu salicylovú.

Chloroplasty súvisia s výrobou týchto látok, ktoré eliminujú možné patogény vstupujúce do rastliny.

Podobne fungujú ako "molekulárne senzory" a zúčastňujú sa výstražných mechanizmov, ktoré oznamujú informácie iným organelám.

Iné plastidy

Chloroplasty patria do rodiny rastlinných organel nazývaných plastidy alebo plastidy. Chloroplasty sa líšia hlavne od zvyšku plastidov, pretože majú chlorofylový pigment. Ostatné plastidy sú:

-Chromoplasty: tieto štruktúry obsahujú karotenoidy, sú prítomné v kvetoch a kvetoch. Vďaka týmto pigmentom majú zeleninové štruktúry žltú, oranžovú a červenú farbu.

-Leukoplasty: tieto plastidy neobsahujú pigmenty, a preto sú biele. Slúžia ako rezerva a nachádzajú sa v orgánoch, ktoré nedostávajú priame svetlo.

-Amyloplasty: obsahujú škrob a nachádzajú sa v koreňoch a hľúzach.

Plastidy pochádzajú zo štruktúr nazývaných protoplastídia. Jednou z najvýraznejších vlastností plastidov je ich vlastnosť meniť typ, aj keď sú už vo vyspelej fáze. Táto zmena je vyvolaná environmentálnymi alebo vnútornými signálmi zo zariadenia.

Napríklad chloroplasty sú schopné vyvolať chromoplasty. Na túto zmenu sa tylakoidná membrána rozpadne a syntetizujú sa karotenoidy.

referencie

  1. Allen, J. F. (2003). Prečo Chloroplasty a Mitochondria obsahujú Genomy. Porovnávacie a funkčné genomiky, 4(1), 31-36.
  2. Cooper, G. M (2000). Bunka: Molekulárny prístup. Druhé vydanie. Sinauer Associates
  3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M., & Chang, W.-J. (2016). Chloroplastové genómy: diverzita, evolúcia a aplikácie v genetickom inžinierstve. Biológia genómu, 17, 134.
  4. Gracen, V.E., Hilliard, J.H., Brown, R.H., & West, S.H. (1972). Periférne retikulum v chloroplastoch rastlín, ktoré sa líšia v CO 2 fixačných dráhach a fotorezpirácii. rastlina, 107(3), 189-204.
  5. Grey, M. W. (2017). Lynn Margulis a hypotéza endosymbiontov: o 50 rokov neskôr. Molekulárna biológia bunky, 28(10), 1285-1287.
  6. Jensen, P. E., & Leister, D. (2014). Vývoj, štruktúra a funkcie chloroplastov. F1000Prime Reports, 6, 40.
  7. Kirk, P. R., & Leech, R.M. (1972). Biosyntéza aminokyselín izolovanými chlórplastmi počas fotosyntézy . Fyziológia rastlín, 50(2), 228-234.
  8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Úloha lipidov v bioplazme chloroplastov. v Lipidy v rozvoji rastlín a rias (str. 103-125). Springer, Cham.
  9. Sowden, R.G., Watson, S.J., & Jarvis, P. (2017). Úloha chloroplastov v patológii rastlín. Eseje v biochémii, EBC20170020.
  10. Wise, R. R., & Hoober, J. K. (2007). Štruktúra a funkcia plastidov. Springer Science & Business Media.