Lumea plantelor este una dintre principalele bogății ale planetei noastre. Datorită florei de pe Pământ, există oxigen pe care toți îl respirăm, există o bază alimentară uriașă de care depind toate ființele vii. Plantele sunt unice prin faptul că pot transforma compușii chimici anorganici în substanțe organice.
Ei fac asta prin fotosinteză. Acest proces cel mai important are loc în organele vegetale specifice, cloroplastele. Acest cel mai mic element asigură de fapt existența întregii vieți de pe planetă. Apropo, ce este un cloroplast?
Definiție de bază
Acesta este denumirea structurilor specifice în care au loc procesele de fotosinteză, care au ca scop legarea dioxidului de carbon și formarea anumitor carbohidrați. Produsul secundar este oxigenul. Acestea sunt organite alungite, atingând o lățime de 2-4 microni, lungimea lor ajunge la 5-10 microni. Unele specii de alge verzi au uneori cloroplaste gigantice care au 50 de microni lungime!
Aceleași alge le pot aveao altă caracteristică: pentru întreaga celulă au un singur organel din această specie. În celulele plantelor superioare, cel mai adesea există 10-30 de cloroplaste. Cu toate acestea, în cazul lor, pot exista excepții izbitoare. Așadar, în țesutul de palisadă al corifanului obișnuit există 1000 de cloroplaste pe celulă. Pentru ce sunt aceste cloroplaste? Fotosinteza este rolul lor principal, dar departe de singurul. Pentru a înțelege clar semnificația lor în viața plantelor, este important să cunoaștem multe aspecte ale originii și dezvoltării lor. Toate acestea sunt descrise în restul articolului.
Originea cloroplastului
Deci, ce este un cloroplast, am aflat. De unde provin aceste organite? Cum s-a întâmplat ca plantele să dezvolte un aparat atât de unic care transformă dioxidul de carbon și apa în compuși organici complecși?
În prezent, printre oamenii de știință, punctul de vedere al originii endosimbiotice a acestor organite predomină, deoarece apariția lor independentă în celulele vegetale este destul de îndoielnică. Este bine cunoscut faptul că lichenul este o simbioză între alge și ciuperci. Algele unicelulare trăiesc în interiorul celulei ciupercii. Acum, oamenii de știință sugerează că, în antichitate, cianobacteriile fotosintetice au pătruns în celulele plantelor și apoi și-au pierdut parțial „independența”, transferând cea mai mare parte a genomului în nucleu.
Dar noul organoid și-a păstrat pe deplin caracteristica principală. Este vorba doar despre procesul de fotosinteză. Cu toate acestea, aparatul în sine, necesar pentru realizarea acestui proces, este format subcontrolul atât al nucleului celular, cât și al cloroplastului în sine. Astfel, împărțirea acestor organite și alte procese asociate cu implementarea informațiilor genetice în ADN sunt controlate de nucleu.
Dovezi
Relativ recent, ipoteza originii procariote a acestor elemente nu a fost foarte populară în comunitatea științifică, mulți o considerau „invenții ale amatorilor”. Dar după o analiză aprofundată a secvențelor de nucleotide din ADN-ul cloroplastelor, această presupunere a fost confirmată cu brio. S-a dovedit că aceste structuri sunt extrem de asemănătoare, chiar legate, cu ADN-ul celulelor bacteriene. Deci, o secvență similară a fost găsită în cianobacteriile cu viață liberă. În special, genele complexului de sinteză a ATP, precum și în „mașinile” de transcripție și traducere, s-au dovedit a fi extrem de asemănătoare.
Promotorii care determină începerea citirii informațiilor genetice din ADN, precum și secvențele terminale de nucleotide care sunt responsabile de terminarea acesteia, sunt, de asemenea, organizați în imaginea și asemănarea celor bacteriene. Desigur, miliarde de ani de transformări evolutive ar putea aduce multe modificări cloroplastei, dar secvențele din genele cloroplastei au rămas absolut aceleași. Și aceasta este o dovadă de nerefuzat și completă că, într-adevăr, cloroplastele au avut cândva un strămoș procariot. Este posibil să fi fost organismul din care au evoluat și cianobacteriile moderne.
Dezvoltarea cloroplastelor din proplastide
Organoid „adult” se dezvoltă din proplastide. Acesta este un mic, complet incolorun organel care are doar câțiva microni diametru. Este înconjurat de o membrană dublu stratificată densă care conține ADN circular specific cloroplastelor. Acești „strămoși” de organele nu au un sistem intern de membrană. Datorită dimensiunilor lor extrem de mici, studiul lor este extrem de dificil și, prin urmare, există extrem de puține date despre dezvoltarea lor.
Se știe că mai multe dintre aceste protoplastide sunt prezente în nucleul fiecărei celule ou de animale și plante. În timpul dezvoltării embrionului, ei se divid și sunt transferați către alte celule. Acest lucru este ușor de verificat: trăsăturile genetice care sunt cumva asociate cu plastidele sunt transmise numai prin linie maternă.
Membrana interioară a protoplastidei iese în organoid în timpul dezvoltării. Din aceste structuri cresc membranele tilacoide, care sunt responsabile de formarea granulelor și lamelelor stromei organoidului. În întuneric complet, protopastidul începe să se transforme în precursorul cloroplastei (etioplast). Acest organoid primar se caracterizează prin faptul că în interiorul său se află o structură cristalină destul de complexă. De îndată ce lumina atinge frunza plantei, aceasta este complet distrusă. După aceea, are loc formarea structurii interne „tradiționale” a cloroplastului, care este formată doar din tilacoizi și lamele.
Diferențe între plantele de depozitare a amidonului
Fiecare celulă meristemă conține mai multe dintre aceste proplastide (numărul lor variază în funcție de tipul de plantă și de alți factori). De îndată ce acest țesut primar începe să se transforme într-o frunză, organelele precursoare se transformă în cloroplaste. Asa de,frunzele tinere de grâu care și-au încheiat creșterea au cloroplaste în cantitate de 100-150 bucăți. Lucrurile sunt puțin mai complicate pentru acele plante care sunt capabile să acumuleze amidon.
Ei stochează acest carbohidrat în plastide numite amiloplaste. Dar ce legătură au aceste organele cu subiectul articolului nostru? La urma urmei, tuberculii de cartofi nu sunt implicați în fotosinteză! Permiteți-mi să clarific această problemă mai detaliat.
Am aflat ce este un cloroplast, dezvăluind pe parcurs legătura acestui organoid cu structurile organismelor procariote. Aici situația este similară: oamenii de știință au aflat de mult timp că amiloplastele, ca și cloroplastele, conțin exact același ADN și sunt formate din exact aceleași protoplastide. Prin urmare, ele ar trebui luate în considerare în același aspect. De fapt, amiloplastele ar trebui considerate ca un tip special de cloroplast.
Cum se formează amiloplastele?
Se poate face o analogie între protoplastide și celule stem. Mai simplu spus, amiloplastele de la un moment dat încep să se dezvolte pe o cale ușor diferită. Oamenii de știință au învățat însă ceva curios: au reușit să realizeze transformarea reciprocă a cloroplastelor din frunzele de cartof în amiloplaste (și invers). Exemplul canonic, cunoscut de fiecare școlar, este că tuberculii de cartofi devin verzi la lumină.
Alte informații despre modalitățile de diferențiere a acestor organite
Știm că în procesul de coacere fructele roșiilor, merelor și altor plante (și în frunzele copacilor, ierburilor și arbuștilor toamna)„degradare”, când cloroplastele dintr-o celulă vegetală se transformă în cromoplaste. Aceste organite conțin pigmenți coloranți, carotenoizi.
Această transformare se datorează faptului că, în anumite condiții, tilacoizii sunt complet distruși, după care organelul capătă o altă organizare internă. Aici revenim din nou la problema pe care am început să o discutăm chiar de la începutul articolului: influența nucleului asupra dezvoltării cloroplastelor. Acesta este, prin proteine speciale care sunt sintetizate în citoplasma celulelor, cea care inițiază procesul de restructurare a organoidului.
Structura cloroplastului
După ce am vorbit despre originea și dezvoltarea cloroplastelor, ar trebui să ne oprim asupra structurii lor mai detaliat. În plus, este foarte interesant și merită o discuție separată.
Structura de bază a cloroplastelor constă din două membrane lipoproteice, interioară și exterioară. Grosimea fiecăruia este de aproximativ 7 nm, distanța dintre ele este de 20-30 nm. Ca și în cazul altor plastide, stratul interior formează structuri speciale care ies în organoid. În cloroplastele mature, există două tipuri de astfel de membrane „tortuoase” simultan. Primele formează lamele stromale, cele din urmă formează membrane tilacoide.
Lamele și tilacoizi
De remarcat că există o legătură clară pe care membrana cloroplastică o are cu formațiuni similare situate în interiorul organoidului. Cert este că unele dintre pliurile sale se pot extinde de la un perete la altul (ca în mitocondrii). Deci lamelele pot forma fie un fel de „pungă”, fie un ramificatreţea. Cu toate acestea, cel mai adesea aceste structuri sunt situate paralele între ele și nu sunt conectate în niciun fel.
Nu uitați că în interiorul cloroplastului există și tilacoizi membranari. Acestea sunt „saci” închise care sunt aranjate într-o stivă. Ca și în cazul precedent, între cei doi pereți ai cavității există o distanță de 20-30 nm. Coloanele acestor „pungi” se numesc boabe. Fiecare coloană poate conține până la 50 de tilacoizi, iar în unele cazuri sunt chiar mai mulți. Deoarece „dimensiunile” generale ale unor astfel de stive pot ajunge la 0,5 microni, acestea pot fi uneori detectate folosind un microscop cu lumină obișnuită.
Numărul total de boabe conținute în cloroplastele plantelor superioare poate ajunge la 40-60. Fiecare tilacoid aderă atât de strâns la celăl alt încât membranele lor exterioare formează un singur plan. Grosimea stratului la joncțiune poate fi de până la 2 nm. Rețineți că astfel de structuri, care sunt formate din tilacoizi și lamele adiacente, nu sunt neobișnuite.
În locurile contactului lor există și un strat, uneori ajungând la același 2 nm. Astfel, cloroplastele (a căror structură și funcții sunt foarte complexe) nu sunt o singură structură monolitică, ci un fel de „stare în cadrul unei stări”. În unele aspecte, structura acestor organite nu este mai puțin complexă decât întreaga structură celulară!
Granele sunt interconectate tocmai cu ajutorul lamelelor. Dar cavitățile tilacoidelor, care formează stive, sunt întotdeauna închise și nu comunică în niciun fel cu intermembrana.spaţiu. După cum puteți vedea, structura cloroplastelor este destul de complexă.
Ce pigmenți se găsesc în cloroplaste?
Ce poate fi conținut în stroma fiecărui cloroplast? Există molecule individuale de ADN și mulți ribozomi. În amiloplaste, în stromă se depun boabele de amidon. În consecință, cromoplastele au pigmenți de colorare acolo. Desigur, există diverși pigmenți de cloroplast, dar cel mai comun este clorofila. Este împărțit în mai multe tipuri simultan:
- Grupa A (albastru-verde). Apare în 70% din cazuri, este conținută în cloroplastele tuturor plantelor superioare și algelor.
- Grupa B (galben-verde). Restul de 30% se găsește și în speciile superioare de plante și alge.
- Grupurile C, D și E sunt mult mai rare. Găsit în cloroplastele unor specii de alge și plante inferioare.
Nu este neobișnuit ca algele marine roșii și maro să aibă tipuri complet diferite de coloranți organici în cloroplastele lor. Unele alge conțin în general aproape toți pigmenții de cloroplast existenți.
Funcții cloroplast
Desigur, funcția lor principală este de a converti energia luminoasă în componente organice. Fotosinteza în sine are loc în boabe cu participarea directă a clorofilei. Absoarbe energia luminii solare, transformând-o în energia electronilor excitați. Acesta din urmă, având surplusul său de aprovizionare, eliberează excesul de energie, care este utilizat pentru descompunerea apei și sinteza ATP. Când apa se descompune, se formează oxigen și hidrogen. Primul, așa cum am scris mai sus, este un produs secundar și este eliberat în spațiul înconjurător, iar hidrogenul se leagă de o proteină specială, ferredoxina.
Se oxidează din nou, transferând hidrogenul unui agent reducător, care în biochimie este abreviat NADP. În consecință, forma sa redusă este NADP-H2. Mai simplu spus, fotosinteza produce următoarele substanțe: ATP, NADP-H2 și un produs secundar sub formă de oxigen.
Rolul energetic al ATP
ATP-ul format este extrem de important, deoarece este principalul „acumulator” de energie care merge la diferitele nevoi ale celulei. NADP-H2 conține un agent reducător, hidrogen, iar acest compus este capabil să-l cedeze cu ușurință dacă este necesar. Pur și simplu, este un agent reducător chimic eficient: în procesul de fotosinteză au loc multe reacții care pur și simplu nu pot avea loc fără el.
În continuare, intră în joc enzimele cloroplastice, care acționează în întuneric și în afara granului: hidrogenul din agentul reducător și energia ATP sunt folosite de cloroplast pentru a începe sinteza unui număr de substanțe organice.. Deoarece fotosinteza are loc în condiții de iluminare bună, compușii acumulați sunt utilizați pentru nevoile plantelor înseși în timpul întuneric al zilei.
Puteți observa pe bună dreptate că acest proces este suspect de asemănător cu respirația în unele aspecte. Cum este fotosinteza diferită de ea? Tabelul vă va ajuta să înțelegeți această problemă.
| Articole de comparație | fotosinteză | Respirație |
| Când se întâmplă | Numai în timpul zilei, în lumina soarelui | Oricand |
| Unde se scurge | celule care conțin clorofilă | Toate celulele vii |
| Oxigen | Evidențiere | Absorbție |
| CO2 | Absorbție | Evidențiere |
| Materie organică | Sinteză, divizare parțială | Numai împărțit |
| Energie | Înghițire | Iese în evidență |
Așa diferă fotosinteza de respirație. Tabelul arată clar principalele diferențe ale acestora.
Câteva „paradoxuri”
Majoritatea reacțiilor ulterioare au loc chiar acolo, în stroma cloroplastului. Calea ulterioară a substanțelor sintetizate este diferită. Deci, zaharurile simple trec imediat dincolo de organoid, acumulându-se în alte părți ale celulei sub formă de polizaharide, în primul rând amidon. În cloroplaste au loc atât depunerea grăsimilor, cât și acumularea preliminară a precursorilor acestora, care sunt apoi excretați în alte zone ale celulei.
Ar trebui să se înțeleagă clar că toate reacțiile de fuziune necesită o cantitate enormă de energie. Singura sa sursă este aceeași fotosinteză. Acesta este un proces care necesită adesea atât de multă energie încât trebuie obținut,distrugând substanțele formate în urma sintezei anterioare! Astfel, cea mai mare parte a energiei care este obținută în cursul său este cheltuită pentru realizarea multor reacții chimice în interiorul celulei plantei în sine.
Numai o parte din el este folosită pentru a obține direct acele substanțe organice pe care planta le ia pentru propria sa creștere și dezvoltare sau le depune sub formă de grăsimi sau carbohidrați.
Cloroplastele sunt statice?
Este în general acceptat că organelele celulare, inclusiv cloroplastele (a căror structură și funcții am descris-o în detaliu), sunt localizate strict într-un singur loc. Nu este adevarat. Cloroplastele se pot mișca în jurul celulei. Așadar, la lumină slabă, au tendința de a lua o poziție în apropierea celei mai iluminate laturi a celulei, în condiții de lumină medie și slabă, pot alege niște poziții intermediare în care reușesc să „prindă” cea mai mare lumină solară. Acest fenomen se numește „fototaxie”.
La fel ca mitocondriile, cloroplastele sunt organite destul de autonome. Au propriii lor ribozomi, sintetizează o serie de proteine foarte specifice care sunt folosite doar de ei. Există chiar și complexe enzimatice specifice, în timpul cărora se produc lipide speciale, care sunt necesare pentru construcția cochiliilor lamelelor. Am vorbit deja despre originea procariotă a acestor organite, dar trebuie adăugat că unii oameni de știință consideră cloroplastele ca fiind descendenți antici ai unor organisme parazite care au devenit mai întâi simbioți, apoi complet.au devenit o parte integrantă a celulei.
Importanța cloroplastelor
Pentru plante, este evident - aceasta este sinteza energiei și a substanțelor care sunt folosite de celulele plantelor. Dar fotosinteza este un proces care asigură acumularea constantă de materie organică la scară planetară. Din dioxid de carbon, apă și lumina soarelui, cloroplastele pot sintetiza un număr mare de compuși complecși cu molecule în alte. Această abilitate este caracteristică doar pentru ei, iar o persoană este încă departe de a repeta acest proces în condiții artificiale.
Toată biomasa de pe suprafața planetei noastre își datorează existența acestor mai mici organele, care sunt situate în adâncurile celulelor vegetale. Fără ele, fără procesul de fotosinteză efectuat de ei, nu ar exista viață pe Pământ în manifestările sale moderne.
Sperăm că ați învățat din acest articol ce este un cloroplast și care este rolul acestuia într-un organism vegetal.
