Kloroplastide funktsioonid, fotosünteesi struktuur ja protsess



The kloroplastid Need on rakulised organellid, mida piiravad komplekssed membraanide süsteemid, mis on iseloomulikud taimedele ja vetikatele. Selles plastiidis on klorofüll, pigment, mis vastutab fotosünteesi protsesside, köögiviljade rohelise värvuse eest ja võimaldab nende liini autotroofilist elu..

Lisaks on kloroplastid seotud metaboolse energia (ATP - adenosiintrifosfaat), aminohapete, vitamiinide, rasvhapete, nende membraanide lipiidkomponentide sünteesiga ja nitritite redutseerimisega. Samuti on see osa kaitsematerjalide tootmisel patogeenide vastu.

See fotosünteetiline organellil on oma ümmargune genoom (DNA) ja arvatakse, et nagu mitokondrid, pärinevad nad peremehe ja esivanemate fotosünteesi bakteri sümbioosist..

Indeks

  • 1 Päritolu
    • 1.1 Endosümbiotiline teooria
  • 2 Üldised omadused
  • 3 Struktuur
    • 3.1 Välised ja sisemised membraanid
    • 3.2. Silikoidne membraan
    • 3.3. Tülakoidid
    • 3.4 Stroma
    • 3.5 Genoom
  • 4 Funktsioonid
    • 4.1 Fotosüntees
    • 4.2 Biomolekulide süntees
    • 4.3 Kaitse patogeenide vastu
  • 5 Muud plastiidid
  • 6 Viited

Päritolu

Kloroplastid on organellid, millel on väga kaugete organismirühmade omadused: vetikad, taimed ja prokarüootid. Need tõendid viitavad sellele, et organell on pärit prokarüootsest organismist, mis on võimeline fotosünteesi läbi viima.

Arvatakse, et esimene eukarüootne organism, mis on võimeline fotosünteesi läbi viima, pärineb umbes 1000 miljonit aastat tagasi. Tõendid näitavad, et see oluline evolutsiooniline hüpe oli tingitud tsüanobakteri omandamisest eukarüootses peremeesorganismis. See protsess tõi kaasa punased, rohelised ja taimede vetikad.

Samamoodi esineb sekundaarseid ja tertsiaarseid sümbioosiüritusi, kus eukarüootide sugupuu loob sümbiootilise suhte teise vabalt elava fotosünteetilise eukarüootiga.

Evolutsiooni käigus on oletatava bakteri genoomi vähendatud ja mõned selle geenid on ülekantud ja integreeritud tuuma genoomi..

Praeguste kloroplastide genoomi organiseerimine sarnaneb prokarüootide genoomiga, kuid omab ka eukarüootide geneetilise materjali omadusi.

Endosümbiotiline teooria

Endosümbiotikumiteooria tegi ettepaneku Lynn Margulis 60. ja 80. aastate vahel ilmunud raamatute seerias, kuid see oli mõte, mis oli töötanud alates 1900ndatest, mida tegi Mereschkowsky..

See teooria selgitab kloroplastide, mitokondrite ja lipu all olevate basaalorganite päritolu. Selle hüpoteesi kohaselt olid need struktuurid kunagi vabad prokarüootsed organismid.

Mobiilse prokarüootide baasorganismide endosümbiotilisest päritolust ei ole palju tõendeid.

Seevastu on olulised tõendid, mis toetavad α-Proteobakterite ja tsüanobakterite kloroplastide mitokondrite endosümbiotilist päritolu. Kõige selgemad ja tugevad tõendid on mõlema genoomi sarnasus.

Üldised omadused

Kloroplastid on taimse raku kõige silmatorkavam tüüp. Need on membraanidega ümbritsetud ovaalsed struktuurid ning nende sisemuses esineb kõige tuntum autotroofsete eukarüootide protsess: fotosüntees. Need on dünaamilised struktuurid ja neil on oma geneetiline materjal.

Need asuvad tavaliselt taimede lehtedel. Tüüpilisel taimerakkul võib olla 10 kuni 100 kloroplastit, kuigi arv on üsna muutuv.

Nagu mitokondrid, tekib vanematelt pärinev klooroplastide pärimine lastest ühe ja mitte mõlema vanema poolt. Tegelikult on need organellid üsna sarnased mitokondritele erinevates aspektides, kuigi keerulisemad.

Struktuur

Kloroplastid on suured organellid, pikkusega 5 kuni 10 μm. Selle struktuuri omadusi saab visualiseerida traditsioonilise optilise mikroskoobi all.

Neid ümbritseb topelt lipiidmembraan. Lisaks on neil kolmas sisemembraanide süsteem, mida nimetatakse tülakoidmembraanideks.

See viimane membraanne süsteem moodustab plaaditaoliste struktuuride komplekti, mida tuntakse tülakoididena. Tülakoidide liitumist vaiades nimetatakse "granaks" ja nad on omavahel ühendatud.

Tänu sellele kolmekordsele membraanide süsteemile on kloroplasti sisemine struktuur keeruline ja jaguneb kolme ruumi: intermembraanne ruum (kahe välismembraani vahel), stroom (leitud kloroplastis ja väljaspool tylakoidmembraani) ja viimane tülakoidi luumen.

Välised ja sisemised membraanid

Membraani süsteem on seotud ATP genereerimisega. Nagu mitokondrite membraanid, määrab molekulide läbipääsu organelle sisemine membraan. Fosfatidüülkoliin ja fosfatidüülglütserool on kloroplasti membraanide kõige enam levinud lipiidid.

Välismembraan sisaldab mitmeid poore. Väikesed molekulid võivad nende kanalite kaudu vabalt siseneda. Seevastu sisemine membraan ei võimalda seda tüüpi väikese kaaluga molekulide vaba transiiti. Molekulide sisenemiseks peavad nad seda tegema membraani külge kinnitatud spetsiifiliste transportijate abil.

Mõnel juhul on olemas struktuur, mida nimetatakse perifeerseks retikulaks, mis on moodustatud membraanide võrgustikust, mis pärineb konkreetselt kloroplasti sisemisest membraanist. Mõned autorid peavad neid ainulaadseteks C4 ainevahetusega taimedele, kuigi neid on leitud C3 taimedes.

Nende tubulite ja vesiikulite funktsioon ei ole veel selge. Tehakse ettepanek, et need võivad aidata kaasa metaboliitide ja valkude kiirele transportimisele kloroplastis või suurendada sisemembraani pinda..

Tülakoidmembraan

Selles membraanisüsteemis toimub fotosünteesiprotsessides osalev elektronide transportimise ahel. Pronone pumbatakse läbi selle membraani, stroomasse kuni tülakoidide sisemusse.

See gradient põhjustab ATP sünteesi, kui prootonid suunatakse tagasi stroma. See protsess on samaväärne mitokondrite sisemisele membraanile.

Tülakoidmembraan koosneb neljast lipiiditüübist: monogalaktosüüldiatsüülglütserool, digalaktosüüldiatsüülglütserool, sulfokinovosüüldiatsüülglütserool ja fosfatidüülglütserool. Igal tüübil on selle lõigu lipiidide kaksikkihi erifunktsioon.

Tülakoidid

Tülakoidid on membraansed struktuurid kotid või lamedad plaadid, mis on paigutatud "grana"(Selle struktuuri mitmuses on granum). Nende ketaste läbimõõt on 300 kuni 600 nm. Tülakoidi siseruumis nimetatakse luumenit.

Tylakoidipinu arhitektuuri arutatakse ikka veel. Pakutakse välja kaks mudelit: esimene on spiraalne mudel, milles tülakoidid on keritud helix-kujuliste terade vahel.

Seevastu pakub teine ​​mudel bifurkatsiooni. See hüpotees viitab sellele, et grana moodustavad stromaalsed bifurkatsioonid.

Stroma

Stroma on tülakoide ümbritsev želatiinne vedelik, mis leidub kloroplasti sisemises piirkonnas. See piirkond vastab väidetavate bakterite tsütosoolile, mis põhjustasid seda tüüpi plastiidi.

Selles valdkonnas leiate DNA molekule ja palju valke ja ensüüme. Täpsemalt leitakse Calvini tsüklis osalevad ensüümid süsinikdioksiidi fikseerimiseks fotosünteesiprotsessis. Leiad ka tärklise graanuleid

Stromas leidub kloroplastide kloroplastid, kuna need struktuurid sünteesivad oma valke.

Genoom

Kloroplastide üks silmapaistvamaid omadusi on see, et neil on oma geneetiline süsteem.

Kloroplastide geneetiline materjal koosneb DNA ümmargustest molekulidest. Igal organellil on selle ringikujulise molekuli mitu eksemplari 12 kuni 16 kb (kilobase). Need on organiseeritud struktuuriks, mida nimetatakse nukleoidideks ja mis koosnevad 10 kuni 20 plastidide genoomi koopiast koos valkude ja RNA molekulidega..

Kloroplastide DNA koodid on umbes 120 kuni 130 geeni. Nende tulemuseks on valgud ja RNA, mis on seotud fotosünteesiprotsessidega, nagu fotosüsteemi I ja II komponendid, ATP süntaas ja üks Rubisco allüksustest.

Rubisco (ribuloos-1,5-bisfosfaat-karboksülaas / oksüdaas) on Calvini tsükli oluline ensüümikompleks. Tegelikult peetakse seda planeedil Maa kõige suuremaks valguks.

RNA-sõnumite, mida kodeeritakse kloroplastide genoomis, translatsioonis kasutatakse RNA ja ribosoome ülekandmist. See hõlmab ribosomaalseid RNA-sid 23S, 16S, 5S ja 4.5S ning ülekand RNA-d. Samuti kodeerib see 20 ribosomaalset valku ja teatud RNA polümeraasi alamühikuid.

Kuid teatud elemendid, mis on vajalikud kloroplasti toimimiseks, on kodeeritud taimeraku tuumagenoomis.

Funktsioonid

Kloroplaste võib pidada olulisteks ainevahetuskeskusteks taimedes, kus mitmed biokeemilised reaktsioonid tekivad tänu laiale ensüümide ja membraanidele kinnitatud valkude spektrile, mida need organellid sisaldavad.

Neil on taimeorganismis kriitiline funktsioon: see on koht, kus toimub fotosünteesiprotsessid, kus päikesevalgus muundatakse süsivesikuteks, kusjuures sekundaarne toode on hapnik..

Kloroplastides esineb ka mitmeid biosünteesi sekundaarseid funktsioone. Seejärel arutame üksikasjalikult iga funktsiooni:

Fotosüntees

Fotosüntees toimub tänu klorofüllile. See pigment on kloroplastide sees, tülakoidide membraanides.

See koosneb kahest osast: rõngas ja saba. Rõngas sisaldab magneesiumi ja vastutab valguse neeldumise eest. See võib neelata sinist valgust ja punast valgust, mis peegeldab valguse spektri rohelist ala.

Fotosünteesireaktsioonid tekivad elektronide ülekandmise tõttu. Valgusest saadav energia annab energia klorofülli pigmendile (molekul on "valgust põhjustatud"), põhjustades nende osakeste liikumist tülakoidide membraanis. Klorofüll saab oma elektronid veemolekulist.

Selle protsessi tulemuseks on elektrokeemilise gradiendi moodustumine, mis võimaldab ATP sünteesi stromas. See etapp on tuntud ka kui "helendav".

Fotosünteesi teine ​​osa (või tume faas) esineb stromas ja jätkub tsütosoolis. Seda tuntakse ka süsiniku sidumise reaktsioonidena. Selles etapis kasutatakse ülaltoodud reaktsioonide saadusi süsivesikute valmistamiseks CO-st2.

Biomolekulide süntees

Lisaks on kloroplastidel ka muid spetsiaalseid funktsioone, mis võimaldavad taime arengut ja kasvu.

Selles organelle esineb nitraatide ja sulfaatide assimileerimine ning neil on vajalikud ensüümid aminohapete, fütohormonide, vitamiinide, rasvhapete, klorofülli ja karotenoidide sünteesiks..

Teatud uuringud on tuvastanud märkimisväärse arvu aminohappeid, mis on sünteesitud selle organelliga. Kirk et al uurisid aminohapete tootmist kloroplastides Vicia faba L.

Need autorid leidsid, et kõige suuremad sünteesitud aminohapped olid glutamaat, aspartaat ja treoniin. Sünteesiti ka teisi tüüpe, nagu alaniin, seriin ja glütsiin, kuid väiksemad kogused. Samuti tuvastati ülejäänud 13 aminohapet.

Nad on suutnud isoleerida erinevaid geene, mis on seotud lipiidide sünteesiga. Kloroplastidel on vajalikke teid isoprenoid-lipiidide sünteesiks, mis on olulised klorofülli ja teiste pigmentide tootmiseks.

Kaitse patogeenide vastu

Taimedel ei ole arenenud immuunsüsteemi, mis on loomadega sarnane. Seetõttu peavad rakustruktuurid tootma mikroobivastaseid aineid, et kaitsta kahjulike ainete eest. Selleks võivad taimed sünteesida reaktiivseid hapniku liike (ROS) või salitsüülhapet.

Kloroplastid on seotud nende ainete tootmisega, mis kõrvaldavad võimalikud taimesse sattuvad patogeenid.

Samuti toimivad nad "molekulaarsetena" ja osalevad häiremehhanismides, edastades teavet teistele organellidele.

Muud plastiidid

Kloroplastid kuuluvad taimede organellide perekonda, mida nimetatakse plastiidideks või plastidideks. Kloroplastid erinevad peamiselt muust plastidist, sest neil on klorofülli pigment. Teised plastid on:

-Kromoplastid: need struktuurid sisaldavad karotenoide, on lilledes ja lilledes. Tänu nendele pigmentidele on köögivilja struktuuridel kollased, oranžid ja punased.

-Leukoplastos: need plastidiosid ei sisalda pigmente ja seetõttu on need valged. Nad on reservid ja neid leidub organites, mis ei saa otsest valgust.

-Amüloplastid: sisaldavad tärklist ja neid leidub juurtest ja mugulatest.

Plastiidid pärinevad protoplastidiateks nimetatud struktuuridest. Üks plastidide silmatorkavamaid omadusi on nende omaduste muutmine, kuigi nad on juba küpses staadiumis. Seda muutust põhjustavad käitise keskkonna- või sisesignaalid.

Näiteks võivad kloroplastid põhjustada kromoplastide teket. Selle muutuse jaoks laguneb tülakoidmembraan ja sünteesitakse karotenoidid.

Viited

  1. Allen, J. F. (2003). Miks kloroplastid ja mitokondrid sisaldavad genoome. Võrdlev ja funktsionaalne genoomika, 4(1), 31-36.
  2. Cooper, G. M (2000). Rakk: molekulaarne lähenemine. Teine väljaanne. Sinauer Associates
  3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M., & Chang, W.-J. (2016). Kloroplastide genoomid: mitmekesisus, areng ja rakendused geenitehnoloogias. Genoomide bioloogia, 17, 134.
  4. Gracen, V. E., Hilliard, J.H., Brown, R.H., & West, S.H. (1972). Perifeerne retikulum taimede kloroplastides, mis erinevad süsinikdioksiidi fikseerimise radadest ja fotorespiratsioonist. Tehas, 107(3), 189-204.
  5. Gray, M. W. (2017). Lynn Margulis ja endosümbionti hüpotees: 50 aastat hiljem. Raku molekulaarbioloogia, 28(10), 1285-1287.
  6. Jensen, P. E., ja Leister, D. (2014). Kloroplastide areng, struktuur ja funktsioonid. F1000Prime aruanded, 6, 40.
  7. Kirk, P. R., ja Leech, R. M. (1972). Aminohappe biosüntees isoleeritud kloroplastide poolt fotosünteesi ajal . Taimede füsioloogia, 50(2), 228-234.
  8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Lipiidide roll kloroplasti biogeneesis. Sisse Lipiidid taime- ja vetikate arengus (lk 103-125). Springer, Cham.
  9. Sowden, R. G., Watson, S.J., & Jarvis, P. (2017). Kloroplastide roll taimepatoloogias. Esse biokeemias, EBC20170020.
  10. Wise, R. R. ja Hoober, J. K. (2007). Plastiidide struktuur ja funktsioon. Springer Science & Business Media.