Växtvärlden är en av vår planets största rikedomar. Det är tack vare floran på jorden som det finns syre som vi alla andas, det finns en enorm matbas som allt levande är beroende av. Växter är unika genom att de kan omvandla oorganiska kemiska föreningar till organiska ämnen.
De gör detta genom fotosyntes. Denna viktigaste process äger rum i specifika växtorganeller, kloroplaster. Detta minsta element säkerställer faktiskt existensen av allt liv på planeten. Förresten, vad är en kloroplast?
Grundläggande definition
Detta är namnet på de specifika strukturer där fotosyntesprocesserna äger rum, vilka syftar till bindning av koldioxid och bildning av vissa kolhydrater. Biprodukten är syre. Dessa är långsträckta organeller, når en bredd av 2-4 mikron, deras längd når 5-10 mikron. Vissa arter av grönalger har ibland jättekloroplaster som är 50 mikron långa!
Samma alger kan haen annan egenskap: för hela cellen har de bara en organell av denna art. I cellerna hos högre växter finns det oftast inom 10-30 kloroplaster. Men i deras fall kan det finnas slående undantag. Så i palisadvävnaden hos vanlig shag finns det 1000 kloroplaster per cell. Vad är dessa kloroplaster till för? Fotosyntes är deras huvudsakliga, men långt ifrån den enda rollen. För att tydligt förstå deras betydelse i växtlivet är det viktigt att känna till många aspekter av deras ursprung och utveckling. Allt detta beskrivs i resten av artikeln.
Ursprunget till kloroplasten
Så, vad är en kloroplast, lärde vi oss. Var kom dessa organeller ifrån? Hur kom det sig att växter utvecklade en så unik apparat som omvandlar koldioxid och vatten till komplexa organiska föreningar?
För närvarande råder, bland forskare, synvinkeln på det endosymbiotiska ursprunget för dessa organeller, eftersom deras oberoende förekomst i växtceller är ganska tveksam. Det är välkänt att lav är en symbios av alger och svampar. Encelliga alger lever inuti svampcellen. Nu föreslår forskare att fotosyntetiska cyanobakterier i forntida tider trängde in i växtceller och förlorade sedan delvis sin "oberoende", och överförde det mesta av genomet till kärnan.
Men den nya organoiden behöll sin huvudfunktion fullt ut. Det handlar bara om processen för fotosyntes. Emellertid är själva apparaten, nödvändig för att utföra denna process, bildad underkontroll av både cellkärnan och själva kloroplasten. Således styrs uppdelningen av dessa organeller och andra processer associerade med implementeringen av genetisk information i DNA av kärnan.
Bevis
Relativt nyligen var hypotesen om det prokaryota ursprunget för dessa element inte särskilt populär i det vetenskapliga samfundet, många ansåg att det var "amatörers uppfinningar." Men efter en djupgående analys av nukleotidsekvenserna i kloroplasternas DNA, bekräftades detta antagande briljant. Det visade sig att dessa strukturer är extremt lika, till och med relaterade, till DNA från bakterieceller. Så en liknande sekvens hittades i frilevande cyanobakterier. Speciellt generna i det ATP-syntetiserande komplexet, såväl som i "maskinerna" för transkription och translation, visade sig vara extremt lika.
Promotorer som bestämmer början av att läsa genetisk information från DNA, såväl som terminala nukleotidsekvenser som är ansvariga för dess avslutning, är också organiserade i bilden och likheten med bakteriella sådana. Naturligtvis kunde miljarder år av evolutionära transformationer göra många förändringar i kloroplasten, men sekvenserna i kloroplastgenerna förblev absolut desamma. Och detta är ett obestridligt, fullständigt bevis på att kloroplaster verkligen en gång hade en prokaryotisk förfader. Det kan ha varit organismen från vilken moderna cyanobakterier också utvecklats.
Klorplastutveckling från proplastider
"Vuxen" organoid utvecklas från proplastider. Detta är en liten, helt färglösen organell som bara är några mikrometer tvärs över. Den är omgiven av ett tätt dubbelskiktsmembran som innehåller kloroplastspecifikt cirkulärt DNA. Dessa "förfäder" till organeller har inget inre membransystem. På grund av deras extremt lilla storlek är deras studie extremt svår, och därför finns det extremt lite data om deras utveckling.
Det är känt att flera av dessa protoplastider finns i kärnan i varje äggcell hos djur och växter. Under embryots utveckling delar de sig och överförs till andra celler. Detta är lätt att verifiera: genetiska egenskaper som på något sätt är förknippade med plastider överförs endast genom moderlinjen.
Protoplastidens inre membran sticker ut i organoiden under utvecklingen. Från dessa strukturer växer tylakoidmembran, som är ansvariga för bildandet av granuler och lameller i organoidens stroma. I fullständigt mörker börjar protopastiden att omvandlas till kloroplastens (etioplast) föregångare. Denna primära organoid kännetecknas av det faktum att en ganska komplex kristallstruktur finns inuti den. Så fort ljus träffar växtens blad är den helt förstörd. Därefter sker bildandet av kloroplastens "traditionella" inre struktur, som bara bildas av tylakoider och lameller.
Skillnader i stärkelselagringsanläggningar
Varje meristemcell innehåller flera av dessa proplastider (deras antal varierar beroende på typ av växt och andra faktorer). Så snart denna primära vävnad börjar omvandlas till ett löv, förvandlas prekursororganellerna till kloroplaster. Så,unga veteblad som har fullbordat sin tillväxt har kloroplaster i mängden 100-150 stycken. Saker och ting är lite mer komplicerade för de växter som kan samla stärkelse.
De lagrar denna kolhydrat i plastider som kallas amyloplaster. Men vad har dessa organeller att göra med ämnet för vår artikel? Potatisknölar är trots allt inte involverade i fotosyntesen! Låt mig förtydliga den här frågan mer i detalj.
Vi fick reda på vad en kloroplast är, och på vägen avslöjade vi sambandet mellan denna organoid och strukturerna hos prokaryota organismer. Här är situationen liknande: forskare har länge funnit att amyloplaster, liksom kloroplaster, innehåller exakt samma DNA och är bildade av exakt samma protoplastider. Därför bör de betraktas i samma aspekt. Faktum är att amyloplaster bör betraktas som en speciell sorts kloroplast.
Hur bildas amyloplaster?
Man kan dra en analogi mellan protoplastider och stamceller. Enkelt uttryckt, amyloplaster från någon punkt börjar utvecklas längs en något annan väg. Forskare lärde sig dock något konstigt: de lyckades uppnå den ömsesidiga omvandlingen av kloroplaster från potatisblad till amyloplaster (och vice versa). Det kanoniska exemplet, känt för varje skolbarn, är att potatisknölar blir gröna i ljuset.
Annan information om sätten för differentiering av dessa organeller
Vi vet att frukterna av tomater, äpplen och några andra växter (och i löven på träd, gräs och buskar på hösten) är i mognadsprocessen."nedbrytning", när kloroplaster i en växtcell förvandlas till kromoplaster. Dessa organeller innehåller färgpigment, karotenoider.
Denna omvandling beror på det faktum att under vissa förhållanden förstörs tylakoiderna helt, varefter organellen får en annan intern organisation. Här återvänder vi igen till frågan som vi började diskutera i början av artikeln: kärnans inflytande på utvecklingen av kloroplaster. Det är det, genom speciella proteiner som syntetiseras i cellernas cytoplasma, som initierar processen att omstrukturera organoiden.
Klorplaststruktur
Efter att ha pratat om kloroplasternas ursprung och utveckling bör vi uppehålla oss mer i detalj vid deras struktur. Dessutom är det väldigt intressant och förtjänar en separat diskussion.
Kloroplasternas grundstruktur består av två lipoproteinmembran, inre och yttre. Tjockleken på var och en är cirka 7 nm, avståndet mellan dem är 20-30 nm. Som i fallet med andra plastider bildar det inre lagret speciella strukturer som sticker ut i organoiden. I mogna kloroplaster finns det två typer av sådana "slingrande" membran samtidigt. De förra bildar stromala lameller, de senare bildar tylakoidmembran.
Lamell och thylakoider
Det bör noteras att det finns ett tydligt samband som kloroplastmembranet har med liknande formationer belägna inuti organoiden. Faktum är att några av dess veck kan sträcka sig från en vägg till en annan (som i mitokondrier). Så lamellerna kan bilda antingen en slags "påse" eller en grenadnätverk. Men oftast är dessa strukturer placerade parallellt med varandra och är inte anslutna på något sätt.
Glöm inte att det inuti kloroplasten också finns membrantylakoider. Dessa är slutna "påsar" som är ordnade i en stapel. Som i det föregående fallet finns det ett avstånd på 20-30 nm mellan de två väggarna i kaviteten. Kolumnerna i dessa "påsar" kallas korn. Varje kolumn kan innehålla upp till 50 tylakoider, och i vissa fall finns det ännu fler. Eftersom de totala "dimensionerna" för sådana staplar kan nå 0,5 mikron, kan de ibland detekteras med ett vanligt ljusmikroskop.
Det totala antalet korn som finns i kloroplaster från högre växter kan nå 40-60. Varje tylakoid fäster så hårt till den andra att deras yttre membran bildar ett enda plan. Skikttjockleken vid korsningen kan vara upp till 2 nm. Observera att sådana strukturer, som bildas av intilliggande tylakoider och lameller, inte är ovanliga.
På kontaktställena finns det också ett lager som ibland når samma 2 nm. Således är kloroplaster (vars struktur och funktioner är mycket komplexa) inte en enda monolitisk struktur, utan ett slags "tillstånd i ett tillstånd". I vissa aspekter är strukturen hos dessa organeller inte mindre komplex än hela cellstrukturen!
Granas är sammanlänkade exakt med hjälp av lameller. Men tylakoidernas håligheter, som bildar staplar, är alltid stängda och kommunicerar inte med intermembranet på något sätt. Plats. Som du kan se är strukturen hos kloroplaster ganska komplex.
Vilka pigment finns i kloroplaster?
Vad kan finnas i varje kloroplasts stroma? Det finns individuella DNA-molekyler och många ribosomer. Hos amyloplaster är det i stroman som stärkelsekorn avsätts. Följaktligen har kromoplaster färgpigment där. Visst finns det olika kloroplastpigment, men det vanligaste är klorofyll. Den är uppdelad i flera typer samtidigt:
- Grupp A (blågrön). Det förekommer i 70 % av fallen, finns i kloroplasterna hos alla högre växter och alger.
- Grupp B (gul-grön). De återstående 30 % finns också i högre arter av växter och alger.
- Grupper C, D och E är mycket sällsynta. Finns i kloroplasterna hos vissa arter av lägre alger och växter.
Det är inte ovanligt att röda och bruna alger har helt olika typer av organiska färgämnen i sina kloroplaster. Vissa alger innehåller i allmänhet nästan alla befintliga kloroplastpigment.
Klorplastfunktioner
Självklart är deras huvudsakliga funktion att omvandla ljusenergi till organiska komponenter. Själva fotosyntesen sker i spannmål med direkt deltagande av klorofyll. Det absorberar energin från solljus och omvandlar den till energin från exciterade elektroner. Den senare, med sin överskottstillförsel, avger överskottsenergi, som används för nedbrytning av vatten och syntes av ATP. När vatten bryts ner bildas syre och väte. Den första, som vi skrev ovan, är en biprodukt och släpps ut i det omgivande utrymmet, och väte binder till ett speciellt protein, ferredoxin.
Det oxiderar igen och överför väte till ett reduktionsmedel, som inom biokemi förkortas NADP. Följaktligen är dess reducerade form NADP-H2. Enkelt uttryckt producerar fotosyntes följande ämnen: ATP, NADP-H2 och en biprodukt i form av syre.
ATP:s energiroll
Den bildade ATP är extremt viktig, eftersom den är den huvudsakliga "ackumulatorn" av energi som går till cellens olika behov. NADP-H2 innehåller ett reduktionsmedel, väte, och denna förening kan lätt ge bort det vid behov. Enkelt uttryckt är det ett effektivt kemiskt reduktionsmedel: i fotosyntesen sker många reaktioner som helt enkelt inte kan fortsätta utan det.
Nästa kommer kloroplastenzymer in i bilden, som verkar i mörker och utanför granen: väte från reduktionsmedlet och energin från ATP används av kloroplasten för att starta syntesen av ett antal organiska ämnen. Eftersom fotosyntes sker under förhållanden med god belysning, används de ackumulerade föreningarna för växternas behov under den mörka tiden på dygnet.
Du kan med rätta lägga märke till att den här processen är misstänkt lik andning i vissa aspekter. Hur skiljer sig fotosyntesen från den? Tabellen hjälper dig att förstå det här problemet.
| Jämförelseobjekt | Fotosyntes | Andning |
| När det händer | Endast dagtid, i solljus | När som helst |
| Där det läcker | Klorofyllinnehållande celler | Alla levande celler |
| Oxygen | Höjdpunkt | Absorption |
| CO2 | Absorption | Höjdpunkt |
| organiskt material | Syntes, partiell uppdelning | Endast Split |
| Energy | Svelger upp | Står ut |
Så här skiljer sig fotosyntes från andning. Tabellen visar tydligt deras huvudsakliga skillnader.
Några "paradoxer"
De flesta av de ytterligare reaktionerna äger rum just där, i kloroplastens stroma. Den vidare vägen för de syntetiserade substanserna är annorlunda. Så enkla sockerarter går omedelbart utöver organoiden och ackumuleras i andra delar av cellen i form av polysackarider, främst stärkelse. I kloroplaster sker både avlagring av fetter och den preliminära ackumuleringen av deras prekursorer, som sedan utsöndras till andra delar av cellen.
Det bör tydligt förstås att alla fusionsreaktioner kräver en enorm mängd energi. Dess enda källa är samma fotosyntes. Detta är en process som ofta kräver så mycket energi att den måste erhållas,förstöra de ämnen som bildades som ett resultat av den tidigare syntesen! Sålunda går det mesta av energin som erhålls under dess förlopp till att utföra många kemiska reaktioner i själva växtcellen.
Bara en del av det används för att direkt få de organiska ämnen som växten tar för sin egen tillväxt och utveckling eller avlagringar i form av fetter eller kolhydrater.
Är kloroplaster statiska?
Det är allmänt accepterat att cellulära organeller, inklusive kloroplaster (vars struktur och funktioner vi har beskrivit i detalj), finns strikt på ett ställe. Det är inte sant. Kloroplaster kan röra sig runt cellen. Så i svagt ljus tenderar de att ta en position nära den mest upplysta sidan av cellen, under förhållanden med medium och svagt ljus kan de välja några mellanliggande positioner där de lyckas "fånga" mest solljus. Detta fenomen kallas "phototaxis".
Precis som mitokondrier är kloroplaster ganska autonoma organeller. De har sina egna ribosomer, de syntetiserar ett antal mycket specifika proteiner som endast används av dem. Det finns till och med specifika enzymkomplex, under vilkas arbete speciella lipider produceras, som krävs för konstruktion av lamellskal. Vi har redan pratat om det prokaryota ursprunget för dessa organeller, men det bör tilläggas att vissa forskare anser att kloroplaster är gamla ättlingar till vissa parasitära organismer som först blev symbionter och sedan helthar blivit en integrerad del av cellen.
Vikten av kloroplaster
För växter är det uppenbart - det här är syntesen av energi och ämnen som används av växtceller. Men fotosyntes är en process som säkerställer en konstant ackumulering av organiskt material på planetarisk skala. Från koldioxid, vatten och solljus kan kloroplaster syntetisera ett stort antal komplexa högmolekylära föreningar. Denna förmåga är karakteristisk endast för dem, och en person är fortfarande långt ifrån att upprepa denna process under konstgjorda förhållanden.
All biomassa på vår planets yta har sin existens att tacka för dessa minsta organeller, som finns i djupet av växtceller. Utan dem, utan den fotosyntesprocess som utförs av dem, skulle det inte finnas något liv på jorden i dess moderna manifestationer.
Vi hoppas att du har lärt dig av den här artikeln vad en kloroplast är och vad dess roll är i en växtorganism.
