Biljni svijet jedno je od glavnih bogatstava našeg planeta. Zahvaljujući flori na Zemlji postoji kisik koji svi udišemo, postoji ogromna baza hrane o kojoj ovisi sva živa bića. Biljke su jedinstvene po tome što mogu pretvoriti anorganske kemijske spojeve u organske tvari.
Oni to rade fotosintezom. Ovaj najvažniji proces odvija se u specifičnim biljnim organelama, kloroplastima. Ovaj najmanji element zapravo osigurava postojanje cijelog života na planeti. Usput, što je kloroplast?
Osnovna definicija
Ovo je naziv specifičnih struktura u kojima se odvijaju procesi fotosinteze koji su usmjereni na vezanje ugljičnog dioksida i stvaranje određenih ugljikohidrata. Nusproizvod je kisik. To su izdužene organele, koje dosežu širinu od 2-4 mikrona, njihova duljina doseže 5-10 mikrona. Neke vrste zelenih algi ponekad imaju divovske kloroplaste duge 50 mikrona!
Iste alge mogu imatijoš jedna značajka: za cijelu stanicu imaju samo jednu organelu ove vrste. U stanicama viših biljaka najčešće se nalazi unutar 10-30 kloroplasta. Međutim, u njihovom slučaju mogu postojati upečatljive iznimke. Dakle, u palisadnom tkivu obične shag nalazi se 1000 kloroplasta po stanici. Čemu služe ovi kloroplasti? Fotosinteza im je glavna, ali daleko od jedine uloge. Da bismo jasno razumjeli njihov značaj u biljnom životu, važno je poznavati mnoge aspekte njihova nastanka i razvoja. Sve je to opisano u nastavku članka.
Porijeklo kloroplasta
Dakle, što je kloroplast, naučili smo. Odakle su ove organele? Kako se dogodilo da su biljke razvile tako jedinstveni aparat koji pretvara ugljični dioksid i vodu u složene organske spojeve?
Trenutno među znanstvenicima prevladava stajalište o endosimbiotskom podrijetlu ovih organela, budući da je njihova neovisna pojava u biljnim stanicama prilično sumnjiva. Poznato je da je lišaj simbioza algi i gljivica. Jednostanične alge žive unutar stanice gljive. Sada znanstvenici sugeriraju da su u davna vremena fotosintetske cijanobakterije prodrle u biljne stanice, a zatim djelomično izgubile svoju "neovisnost", prenoseći većinu genoma u jezgru.
Ali novi organoid zadržao je svoju glavnu značajku u potpunosti. Riječ je samo o procesu fotosinteze. Međutim, sam aparat, neophodan za izvođenje ovog procesa, formira se ispodkontrolu i stanične jezgre i samog kloroplasta. Dakle, podjelu ovih organela i druge procese povezane s implementacijom genetskih informacija u DNK kontrolira jezgra.
Dokazi
Relativno nedavno, hipoteza o prokariotskom podrijetlu ovih elemenata nije bila jako popularna u znanstvenoj zajednici, mnogi su je smatrali "izumima amatera". No, nakon dubinske analize nukleotidnih sekvenci u DNK kloroplasta, ova je pretpostavka briljantno potvrđena. Pokazalo se da su te strukture iznimno slične, čak i povezane, s DNK bakterijskih stanica. Dakle, sličan slijed pronađen je u slobodnoživućim cijanobakterijama. Konkretno, geni kompleksa za sintezu ATP-a, kao i u "strojevima" transkripcije i prevođenja, pokazali su se vrlo sličnima.
Promotori koji određuju početak čitanja genetskih informacija iz DNK, kao i terminalni nukleotidni slijedovi koji su odgovorni za njegov završetak, također su organizirani po slici i sličnosti bakterijskih. Naravno, milijarde godina evolucijskih transformacija mogle bi napraviti mnoge promjene na kloroplastu, ali sekvence u genima kloroplasta ostale su apsolutno iste. A ovo je nepobitni, potpuni dokaz da su kloroplasti doista nekada imali prokariotskog pretka. Možda je to bio organizam iz kojeg su se razvile i moderne cijanobakterije.
Razvoj kloroplasta iz proplastida
"Odrasli" organoid se razvija iz proplastida. Ovo je mala, potpuno bezbojnaorganela prečnika samo nekoliko mikrona. Okružena je gustom dvoslojnom membranom koja sadrži kružnu DNK specifičnu za kloroplast. Ovi "preci" organela nemaju unutarnji membranski sustav. Zbog njihove iznimno male veličine, njihovo proučavanje je iznimno teško, pa stoga postoji iznimno malo podataka o njihovom razvoju.
Poznato je da je nekoliko ovih protoplastida prisutno u jezgri svake jajne stanice životinja i biljaka. Tijekom razvoja embrija dijele se i prenose u druge stanice. To je lako provjeriti: genetske osobine koje su nekako povezane sa plastidima prenose se samo majčinom linijom.
Unutarnja membrana protoplastida strši u organoid tijekom razvoja. Iz tih struktura rastu tilakoidne membrane koje su odgovorne za stvaranje granula i lamela strome organoida. U potpunom mraku protopastid se počinje pretvarati u preteču kloroplasta (etioplasta). Ovaj primarni organoid karakterizira činjenica da se unutar njega nalazi prilično složena kristalna struktura. Čim svjetlost udari u list biljke, ona je potpuno uništena. Nakon toga dolazi do formiranja "tradicionalne" unutarnje strukture kloroplasta, koju tvore samo tilakoidi i lamele.
Razlike u postrojenjima za skladištenje škroba
Svaka meristemska stanica sadrži nekoliko ovih proplastida (njihov broj varira ovisno o vrsti biljke i drugim čimbenicima). Čim se ovo primarno tkivo počne transformirati u list, prekursorske organele pretvaraju se u kloroplaste. Tako,mladi listovi pšenice koji su završili svoj rast imaju kloroplaste u količini od 100-150 komada. Stvari su malo složenije za one biljke koje su sposobne akumulirati škrob.
Oni pohranjuju ovaj ugljikohidrat u plastide zvane amiloplasti. Ali kakve veze te organele imaju s temom našeg članka? Uostalom, gomolji krumpira ne sudjeluju u fotosintezi! Dopustite mi da razjasnim ovaj problem detaljnije.
Saznali smo što je kloroplast, usput otkrivajući povezanost ovog organoida sa strukturama prokariotskih organizama. Ovdje je situacija slična: znanstvenici su odavno otkrili da amiloplasti, poput kloroplasta, sadrže potpuno istu DNK i da su formirani od potpuno istih protoplastida. Stoga ih treba promatrati u istom aspektu. Zapravo, amiloplaste treba smatrati posebnom vrstom kloroplasta.
Kako nastaju amiloplasti?
Može se povući analogija između protoplastida i matičnih stanica. Jednostavno rečeno, amiloplasti se od nekog trenutka počinju razvijati malo drugačijim putem. Znanstvenici su, međutim, naučili nešto zanimljivo: uspjeli su postići međusobnu transformaciju kloroplasta iz listova krumpira u amiloplaste (i obrnuto). Kanonski primjer, poznat svakom školarcu, jest da gomolji krumpira postaju zeleni na svjetlu.
Ostale informacije o načinima diferencijacije ovih organela
Znamo da u procesu sazrijevanja plodova rajčice, jabuke i nekih drugih biljaka (i u lišću drveća, trava i grmova u jesen)"degradacija", kada se kloroplasti u biljnoj stanici pretvaraju u kromoplaste. Ove organele sadrže pigmente za bojenje, karotenoide.
Ova transformacija nastaje zbog činjenice da su pod određenim uvjetima tilakoidi potpuno uništeni, nakon čega organela dobiva drugačiju unutarnju organizaciju. Ovdje se opet vraćamo na pitanje o kojem smo počeli raspravljati na samom početku članka: utjecaj jezgre na razvoj kloroplasta. Upravo to, putem posebnih proteina koji se sintetiziraju u citoplazmi stanica, pokreće proces restrukturiranja organoida.
struktura kloroplasta
Nakon što smo govorili o nastanku i razvoju kloroplasta, trebali bismo se detaljnije zadržati na njihovoj građi. Štoviše, vrlo je zanimljiv i zaslužuje posebnu raspravu.
Osnovna struktura kloroplasta sastoji se od dvije lipoproteinske membrane, unutarnje i vanjske. Debljina svake je oko 7 nm, a udaljenost između njih je 20-30 nm. Kao iu slučaju drugih plastida, unutarnji sloj tvori posebne strukture koje strše u organoid. U zrelim kloroplastima postoje dvije vrste ovakvih "krivučastih" membrana odjednom. Prvi formiraju stromalne lamele, a drugi tvore tilakoidne membrane.
Lamela i tilakoidi
Treba napomenuti da postoji jasna veza koju membrana kloroplasta ima sa sličnim formacijama smještenim unutar organoida. Činjenica je da se neki od njegovih nabora mogu protezati od jednog zida do drugog (kao u mitohondrijima). Dakle, lamele mogu formirati ili neku vrstu "vrećice" ili razgranatemreža. Međutim, najčešće se te strukture nalaze paralelno jedna s drugom i nisu ni na koji način povezane.
Ne zaboravite da se unutar kloroplasta nalaze i membranski tilakoidi. Riječ je o zatvorenim "vrećicama" koje su složene u hrpu. Kao iu prethodnom slučaju, između dvije stijenke šupljine postoji razmak od 20-30 nm. Stupci ovih "vreća" nazivaju se žitaricama. Svaki stupac može sadržavati do 50 tilakoida, au nekim slučajevima ih ima i više. Budući da ukupne "dimenzije" takvih hrpa mogu doseći 0,5 mikrona, ponekad se mogu otkriti pomoću običnog svjetlosnog mikroskopa.
Ukupan broj zrna sadržanih u kloroplastima viših biljaka može doseći 40-60. Svaki tilakoid tako čvrsto prianja uz drugi da njihove vanjske membrane čine jednu ravninu. Debljina sloja na spoju može biti do 2 nm. Imajte na umu da takve strukture, koje tvore susjedni tilakoidi i lamele, nisu neuobičajene.
Na mjestima njihovog dodira također postoji sloj, koji ponekad doseže istih 2 nm. Dakle, kloroplasti (čija su struktura i funkcije vrlo složene) nisu jedna monolitna struktura, već neka vrsta “država u državi”. U nekim aspektima, struktura ovih organela nije ništa manje složena od cjelokupne stanične strukture!
Grane su međusobno povezane upravo uz pomoć lamela. Ali šupljine tilakoida, koje tvore hrpe, uvijek su zatvorene i ni na koji način ne komuniciraju s intermembranom.prostor. Kao što vidite, struktura kloroplasta je prilično složena.
Koji se pigmenti mogu naći u kloroplastima?
Što može biti sadržano u stromi svakog kloroplasta? Postoje pojedinačne molekule DNK i mnogi ribosomi. U amiloplastima se u stromi talože škrobna zrna. U skladu s tim, kromoplasti tamo imaju pigmente za bojenje. Naravno, postoje razni pigmenti kloroplasta, ali najčešći je klorofil. Podijeljen je u nekoliko tipova odjednom:
- Grupa A (plavo-zelena). Javlja se u 70% slučajeva, nalazi se u kloroplastima svih viših biljaka i algi.
- Grupa B (žuto-zelena). Preostalih 30% također se nalazi u višim vrstama biljaka i algi.
- Skupine C, D i E su puno rjeđe. Nalazi se u kloroplastima nekih vrsta nižih algi i biljaka.
Nije neuobičajeno da crvene i smeđe morske alge imaju potpuno različite vrste organskih boja u svojim kloroplastima. Neke alge općenito sadrže gotovo sve postojeće pigmente kloroplasta.
Funkcije kloroplasta
Naravno, njihova glavna funkcija je pretvaranje svjetlosne energije u organske komponente. Sama fotosinteza se događa u zrnu uz izravno sudjelovanje klorofila. Apsorbira energiju sunčeve svjetlosti, pretvarajući je u energiju pobuđenih elektrona. Potonji, imaju višak opskrbe, daju višak energije, koja se koristi za razgradnju vode i sintezu ATP-a. Kada se voda razgradi, nastaju kisik i vodik. Prvi je, kao što smo gore napisali, nusproizvod i oslobađa se u okolni prostor, a vodik se veže na poseban protein, feredoksin.
Opet oksidira, prenoseći vodik u redukcijsko sredstvo, koje se u biokemiji skraćeno naziva NADP. Sukladno tome, njegov reducirani oblik je NADP-H2. Jednostavno rečeno, fotosinteza proizvodi sljedeće tvari: ATP, NADP-H2 i nusproizvod u obliku kisika.
Energetska uloga ATP-a
Nastali ATP je izuzetno važan, jer je glavni "akumulator" energije koja ide na različite potrebe stanice. NADP-H2 sadrži redukcijsko sredstvo, vodik, i ovaj spoj ga može lako odbaciti ako je potrebno. Jednostavno rečeno, učinkovito je kemijsko redukcijsko sredstvo: u procesu fotosinteze odvijaju se mnoge reakcije koje se jednostavno ne mogu odvijati bez njega.
Dalje stupaju u igru enzimi kloroplasta koji djeluju u mraku i izvan grana: vodik iz redukcijskog agensa i energiju ATP-a koristi kloroplast kako bi pokrenuo sintezu niza organskih tvari. Budući da se fotosinteza odvija u uvjetima dobrog osvjetljenja, nakupljeni spojevi koriste se za potrebe samih biljaka tijekom tamnog doba dana.
S pravom možete primijetiti da je ovaj proces u nekim aspektima sumnjivo sličan disanju. Po čemu se fotosinteza razlikuje od nje? Tablica će vam pomoći razumjeti ovaj problem.
| Uporedne stavke | fotosinteza | Disanje |
| Kada se to dogodi | Samo danju, na suncu | U bilo koje vrijeme |
| Gdje curi | stanice koje sadrže klorofil | Sve žive stanice |
| kisik | Istaknite | Apsorpcija |
| CO2 | Apsorpcija | Istaknite |
| Organska tvar | Sinteza, djelomično cijepanje | Samo podijeliti |
| Energija | Gutanje | Ističe se |
Po tome se fotosinteza razlikuje od disanja. Tablica jasno pokazuje njihove glavne razlike.
Neki "paradoksi"
Većina daljnjih reakcija odvija se upravo tamo, u stromi kloroplasta. Daljnji put sintetiziranih tvari je drugačiji. Dakle, jednostavni šećeri odmah nadilaze organoid, akumulirajući se u drugim dijelovima stanice u obliku polisaharida, prvenstveno škroba. U kloroplastima dolazi do taloženja masti i preliminarnog nakupljanja njihovih prekursora, koji se zatim izlučuju u druga područja stanice.
Treba jasno shvatiti da sve reakcije fuzije zahtijevaju ogromnu količinu energije. Njegov jedini izvor je ista fotosinteza. Ovo je proces koji često zahtijeva toliko energije da se mora dobiti,uništavajući tvari nastale kao rezultat prethodne sinteze! Dakle, većina energije koja se dobije u njegovom tijeku troši se na provođenje mnogih kemijskih reakcija unutar same biljne stanice.
Samo dio se koristi za izravno dobivanje onih organskih tvari koje biljka uzima za vlastiti rast i razvoj ili se taloži u obliku masti ili ugljikohidrata.
Jesu li kloroplasti statični?
Općenito je prihvaćeno da se stanične organele, uključujući kloroplaste (čiju smo strukturu i funkcije detaljno opisali), nalaze strogo na jednom mjestu. Ovo nije istina. Kloroplasti se mogu kretati po stanici. Dakle, pri slabom osvjetljenju teže zauzeti položaj blizu najosvijetljene strane ćelije, u uvjetima srednjeg i slabog osvjetljenja mogu birati neke međupoložaje u kojima uspijevaju „uhvatiti“najviše sunčeve svjetlosti. Taj se fenomen naziva "fototaksija".
Poput mitohondrija, kloroplasti su prilično autonomne organele. Imaju svoje ribosome, sintetiziraju niz visoko specifičnih proteina koje koriste samo oni. Postoje čak i specifični kompleksi enzima, tijekom čijeg rada se proizvode posebni lipidi koji su potrebni za izgradnju lamelnih školjki. Već smo govorili o prokariotskom podrijetlu ovih organela, ali treba dodati da neki znanstvenici kloroplaste smatraju drevnim potomcima nekih parazitskih organizama koji su prvo postali simbionti, a potom i potpunopostali su sastavni dio ćelije.
Važnost kloroplasta
Za biljke je očito - to je sinteza energije i tvari koje koriste biljne stanice. Ali fotosinteza je proces koji osigurava stalno nakupljanje organske tvari na planetarnoj razini. Od ugljičnog dioksida, vode i sunčeve svjetlosti, kloroplasti mogu sintetizirati ogroman broj složenih visokomolekularnih spojeva. Ova sposobnost je karakteristična samo za njih, a osoba je još daleko od ponavljanja ovog procesa u umjetnim uvjetima.
Sva biomasa na površini našeg planeta duguje svoje postojanje ovim najmanjim organelama, koje se nalaze u dubinama biljnih stanica. Bez njih, bez procesa fotosinteze koji provode oni, ne bi bilo života na Zemlji u njegovim modernim manifestacijama.
Nadamo se da ste iz ovog članka naučili što je kloroplast i koja je njegova uloga u biljnom organizmu.
