Funkcije, struktura in proces fotosinteze kloroplastov



The kloroplasti So vrsta celičnih organelov, ki jih omejuje kompleksen sistem membran, značilnih za rastline in alge. V tem plastidu je klorofil, pigment odgovoren za procese fotosinteze, zelena barva zelenjave in omogoča avtotrofno življenje teh rodov..

Poleg tega so kloroplasti povezani z nastankom metabolične energije (ATP - adenozin trifosfat), sintezo aminokislin, vitaminov, maščobnih kislin, lipidnih komponent njihovih membran in zmanjšanjem nitritov. Prav tako ima vlogo pri proizvodnji obrambnih snovi proti patogenom.

Ta fotosintetična organela ima svoj krožni genom (DNK) in misli se, da so, tako kot mitohondriji, izvirali iz procesa simbioze med gostiteljsko in predniki fotosintetične bakterije..

Indeks

  • 1 Izvor
    • 1.1 Endosimbiotična teorija
  • 2 Splošne značilnosti
  • 3 Struktura
    • 3.1 Zunanje in notranje membrane
    • 3.2 Thilacoid membrana
    • 3.3 Tilakoidi
    • 3.4 Stroma
    • 3.5 Genom
  • 4 Funkcije
    • 4.1 Fotosinteza
    • 4.2 Sinteza biomolekul
    • 4.3 Zaščita pred patogeni
  • 5 Druge plastide
  • 6 Reference

Izvor

Kloroplasti so organeli, ki imajo značilnosti zelo oddaljenih skupin organizmov: alg, rastlin in prokariotov. Ti dokazi kažejo, da je organel izviral iz prokariontskega organizma, ki je sposoben izvajati fotosintezo.

Ocenjuje se, da je prvi evkariontski organizem, ki je sposoben izvajati fotosintezo, nastal pred približno 1000 milijoni let. Dokazi kažejo, da je ta pomemben evolucijski preskok povzročil pridobitev cianobakterije s strani evkariontskega gostitelja. Ta proces je privedel do različnih linij rdečih, zelenih in rastlinskih alg.

Enako velja za sekundarne in terciarne simbioze, v katerih rodnost evkariontov vzpostavlja simbiotski odnos z drugo prosto živečim fotosintetičnim evkariontom..

Med evolucijo se je genom domnevne bakterije zmanjšal in nekateri njegovi geni prenesli in integrirali v genom jedra..

Organizacija genomov trenutnih kloroplastov je podobna kot pri prokariotski, a ima tudi atribute genetskega materiala evkariontov.

Endosimbiotična teorija

Endosimbiotično teorijo je predlagala Lynn Margulis v seriji knjig, objavljenih med 60-im in 80-im letom, vendar je bila ideja, ki je delovala že od 19. stoletja, predlagal Mereschkowsky.

Ta teorija pojasnjuje izvor kloroplastov, mitohondrijev in bazalnih teles, ki so prisotni v flagelah. Po tej hipotezi so bile te strukture nekoč prosti prokariontski organizmi.

Ni veliko dokazov, ki bi podpirali endosimbiotično poreklo bazalnih teles iz mobilnih prokariotov.

Nasprotno pa obstajajo pomembni dokazi, ki podpirajo endosimbiotični izvor mitohondrijev iz α-Proteobacteria in iz kloroplastov iz cianobakterij. Najjasnejši in najmočnejši dokaz je podobnost med obema genoma.

Splošne značilnosti

Kloroplasti so najbolj opazne vrste plastidov v rastlinskih celicah. So ovalne strukture, obdane z membranami in najbolj znan proces avtotrofnih evkariontov v njihovi notranjosti: fotosinteza. So dinamične strukture in imajo svoj genetski material.

Ponavadi se nahajajo na listih rastlin. Tipična rastlinska celica ima lahko 10 do 100 kloroplastov, čeprav je število zelo spremenljivo.

Tako kot mitohondriji se dedovanje kloroplastov od staršev do otrok pojavlja pri enem od staršev in ne pri obeh. Pravzaprav so te organele podobne mitohondrijem v različnih pogledih, čeprav so bolj kompleksne.

Struktura

Kloroplasti so velike organele, dolžine 5 do 10 μm. Značilnosti te strukture je mogoče vizualizirati s tradicionalnim optičnim mikroskopom.

Obdani so z dvojno lipidno membrano. Poleg tega imajo tretji sistem notranjih membran, imenovanih tilakoidne membrane.

Ta zadnji membranski sistem tvori niz diskastih struktur, znanih kot tilakoidi. Zveza tilakoidov v pilotih se imenuje "grana" in so med seboj povezani.

Zahvaljujoč temu trojnemu sistemu membran je notranja struktura kloroplasta kompleksna in je razdeljena na tri prostore: intermembranski prostor (med dvema zunanjima membranama), stroma (najdeno v kloroplastu in zunaj tilakoidne membrane) in zadnja lumen tilakoida.

Zunanje in notranje membrane

Membranski sistem je povezan z generacijo ATP. Tako kot membrane v mitohondrijih je tudi notranja membrana tista, ki določa prehod molekul v organele. Fosfatidilholin in fosfatidilglicerol sta najbolj razširjena lipida kloroplastnih membran.

Zunanja membrana vsebuje vrsto por. Majhne molekule lahko prosto vstopajo skozi te kanale. Po drugi strani notranja membrana ne dopušča prostega prehoda te vrste molekul majhne teže. Za vstopanje molekul morajo to storiti s pomočjo posebnih transporterjev, ki so pritrjeni na membrano.

V nekaterih primerih obstaja struktura, imenovana periferni retikulum, ki jo tvori mreža membran, ki izvirajo specifično iz notranje membrane kloroplasta. Nekateri avtorji jih obravnavajo kot edinstvene za rastline s presnovo C4, čeprav so jih našli v rastlinah C3.

Funkcija teh tubulov in mehurčkov še ni jasna. Predlaga se, da lahko prispevajo k hitremu transportu metabolitov in beljakovin v kloroplastu ali da povečajo površino notranje membrane..

Tilakoidna membrana

V tem membranskem sistemu poteka veriga prenosa elektronov, vključena v fotosintetske procese. Protoni se črpajo skozi to membrano, od strome do notranjosti tilakoidov.

Ta gradient ima za posledico sintezo ATP, ko so protoni usmerjeni nazaj k stromi. Ta proces je enakovreden tistemu, ki se pojavi v notranji membrani mitohondrijev.

Tilakoidna membrana je sestavljena iz štirih vrst lipidov: monogalaktozil-diacilglicerol, digalaktozil-diacilglicerol, sulfokinovosil-diacilglicerol in fosfatidilglicerol. Vsak tip ima posebno funkcijo znotraj lipidnega dvosloja tega odseka.

Thylakoids

Tilakoidi so membranske strukture v obliki vrečk ali ploščatih plošč, ki so zložene vgrana"(V množini te strukture je. \ T granum). Ti diski imajo premer 300 do 600 nm. V notranjem prostoru tilakoida se imenuje lumen.

Arhitektura tilakoidnega sklada se še vedno razpravlja. Predlagana sta dva modela: prvi je vijačni model, v katerem so tilakoidi naviti med vijačnimi zrni..

Nasprotno pa drugi model predlaga razcepitev. Ta hipoteza kaže, da se grana oblikuje s stromalnimi bifurkacijami.

Stroma

Stroma je želatinasta tekočina, ki obdaja tilakoide in se nahaja v notranji regiji kloroplasta. Ta regija ustreza citosolu domnevnih bakterij, ki so povzročile to vrsto plastidov.

Na tem področju boste našli molekule DNA in veliko količino beljakovin in encimov. Natančneje, encimi, ki sodelujejo v Calvinovem ciklu, najdemo za fiksacijo ogljikovega dioksida v procesu fotosinteze. Najdete lahko tudi škrobne granule

V stromi lahko najdete kloroplaste kloroplastov, saj te strukture sintetizirajo lastne beljakovine.

Genome

Ena najpomembnejših lastnosti kloroplastov je, da imajo svoj genetski sistem.

Genetski material kloroplastov je sestavljen iz krožnih molekul DNK. Vsak organel ima več kopij te krožne molekule od 12 do 16 kb (kilobaze). Organizirani so v strukture, imenovane nukleoide, in vsebujejo 10 do 20 kopij genomov plastidov, skupaj z beljakovinami in molekulami RNA..

Kloroplastna DNA kodira približno 120 do 130 genov. Posledica tega so beljakovine in RNA, povezane s fotosintetičnimi procesi, kot so komponente fotosistema I in II, sintaza ATP in ena od podskupin Rubisco..

Rubisco (ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaza / oksigenaza) je ključni encimski kompleks v Calvinovem ciklu. Pravzaprav velja za najbolj bogat protein na planetu Zemlja.

Prenosne RNA in ribosomi se uporabljajo pri prevajanju RNA sporočil, ki so kodirana v genomu kloroplasta. Vključuje ribosomske RNA 23S, 16S, 5S in 4.5S in prenos RNA. Prav tako šifrira 20 ribosomskih proteinov in določene podenote RNA polimeraze.

Vendar pa so nekateri elementi, potrebni za delovanje kloroplasta, kodirani v jedrskem genomu rastlinske celice.

Funkcije

Kloroplasti se lahko štejejo za pomembne presnovne centre v rastlinah, kjer se zaradi širokega spektra encimov in proteinov, vezanih na membrane, ki jih vsebujejo te organele, pojavijo številne biokemične reakcije..

Imajo kritično funkcijo v rastlinskih organizmih: to je kraj, kjer potekajo fotosintezni procesi, kjer se sončna svetloba pretvori v ogljikove hidrate, s kisikom kot sekundarnim produktom..

V kloroplastih se pojavlja tudi vrsta sekundarnih funkcij biosinteze. V nadaljevanju bomo podrobno razpravljali o vsaki funkciji:

Fotosinteza

Fotosinteza se pojavi zaradi klorofila. Ta pigment najdemo v kloroplastih, v membranah tilakoidov.

Sestavljen je iz dveh delov: obroča in repa. Prstan vsebuje magnezij in je odgovoren za absorpcijo svetlobe. Lahko absorbira modro svetlobo in rdečo svetlobo, ki odseva zeleno območje svetlobnega spektra.

Fotosintetske reakcije se pojavijo zaradi prenosa elektronov. Energija, ki prihaja iz svetlobe, daje energijo klorofilnemu pigmentu (molekula je »navdušena z svetlobo«), kar povzroča gibanje teh delcev v membrani tilakoidov. Klorofil dobi svoje elektrone iz molekule vode.

Rezultat tega procesa je tvorba elektrokemičnega gradienta, ki omogoča sintezo ATP v stromi. Ta faza je znana tudi kot "svetleča".

Drugi del fotosinteze (ali temna faza) se pojavi v stromi in se nadaljuje v citosolu. Znana je tudi kot reakcija fiksiranja ogljika. V tej fazi se izdelki zgornjih reakcij uporabljajo za tvorbo ogljikovih hidratov iz CO2.

Sinteza biomolekul

Poleg tega imajo kloroplasti druge specializirane funkcije, ki omogočajo razvoj in rast rastline.

V tem organelu pride do asimilacije nitratov in sulfatov ter imajo potrebne encime za sintezo aminokislin, fitohormonov, vitaminov, maščobnih kislin, klorofila in karotenoidov..

Nekatere študije so odkrile veliko število aminokislin, ki jih sintetizira ta organel. Kirk et al so proučevali proizvodnjo aminokislin v kloroplastih Vicia faba L.

Avtorji so ugotovili, da so najbolj sintetizirane aminokisline glutamat, aspartat in treonin. Druge vrste, kot so alanin, serin in glicin, so prav tako sintetizirali, vendar v manjših količinah. Odkrili so tudi preostalih trinajst aminokislin.

Sposobni so bili izolirati različne gene, ki sodelujejo pri sintezi lipidov. Kloroplasti imajo potrebne poti za sintezo izoprenoidnih lipidov, nujnih za proizvodnjo klorofila in drugih pigmentov.

Zaščita pred patogeni

Rastline nimajo razvitega imunskega sistema, podobnega tistemu pri živalih. Zato morajo celične strukture proizvajati protimikrobne snovi, da se lahko zaščitijo pred škodljivimi snovmi. V ta namen lahko rastline sintetizirajo reaktivne kisikove vrste (ROS) ali salicilno kislino.

Kloroplasti so povezani s proizvodnjo teh snovi, ki odpravljajo morebitne patogene, ki vstopajo v obrat.

Prav tako delujejo kot "molekularni senzorji" in sodelujejo v mehanizmih opozarjanja in sporočajo informacije drugim organelom.

Druge plastide

Kloroplasti spadajo v družino rastlinskih organelov, imenovanih plastide ali plastide. Kloroplasti se večinoma razlikujejo od ostalih plastidov, ker imajo klorofilni pigment. Drugi plastidi so:

-Kromoplasti: te strukture vsebujejo karotenoide, ki so prisotni v cvetju in cvetju. Zaradi teh pigmentov imajo rastlinske strukture rumene, oranžne in rdeče barve.

-Leukoplasti: ti plastidios ne vsebujejo pigmentov in so zato beli. Služijo kot rezerva in se nahajajo v organih, ki ne prejemajo neposredne svetlobe.

-Amiloplasti: vsebujejo škrob in se nahajajo v koreninah in gomoljih.

Plastidi izvirajo iz struktur, imenovanih protoplastidija. Ena izmed najbolj presenetljivih lastnosti plastidov je njihova lastnost, da spremenijo tip, čeprav so že v zreli fazi. To spremembo sprožijo okoljski ali notranji signali naprave.

Na primer, kloroplasti lahko povzročijo nastanek kromoplastov. Za to spremembo se tilakoidna membrana razgradi in karotenoidi se sintetizirajo.

Reference

  1. Allen, J. F. (2003). Zakaj kloroplasti in mitohondriji vsebujejo genome. Primerjalna in funkcionalna genomika, 4(1), 31-36.
  2. Cooper, G. M (2000). Celica: Molekularni pristop. Druga izdaja. Sinauer Associates
  3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M., & Chang, W.-J. (2016). Genomi kloroplasta: raznolikost, evolucija in aplikacije v genskem inženirstvu. Biologija genoma, 17, 134.
  4. Gracen, V.E., Hilliard, J.H., Brown, R.H., & West, S.H. (1972). Periferni retikulum v kloroplastih rastlin, ki se razlikujejo po poti fiksacije CO 2 in fotospiranju. Rastlina, 107(3), 189-204.
  5. Gray, M. W. (2017). Lynn Margulis in hipoteza endosimbionta: 50 let kasneje. Molekularna biologija celice, 28(10), 1285-1287.
  6. Jensen, P. E., & Leister, D. (2014). Razvoj, struktura in funkcije kloroplasta. F1000Primejna poročila, 6, 40.
  7. Kirk, P.R., & Leech, R. M. (1972). Aminokislinska biosinteza izoliranih kloroplastov med fotosintezo . Rastlinska fiziologija, 50(2), 228-234.
  8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Vloga lipidov v biogenezi kloroplasta. V Lipidi v razvoju rastlin in alg (str. 103-125). Springer, Cham.
  9. Sowden, R. G., Watson, S.J., & Jarvis, P. (2017). Vloga kloroplastov v rastlinski patologiji. Eseji iz biokemije, EBC20170020.
  10. Wise, R. R., in Hoober, J. K. (2007). Struktura in funkcija plastidov. Springer znanost in poslovni mediji.