Хлоропласти Функции, структура и процес на фотосинтеза

на хлоропласти Те са вид клетъчни органели, ограничени от сложна система от мембрани, характерни за растенията и водораслите. В тази пластида е хлорофилът, пигмент, отговорен за процесите на фотосинтеза, зеленият цвят на зеленчуците и позволяващ автотрофния живот на тези линии..

Освен това, хлоропластите са свързани с генерирането на метаболитна енергия (АТР - аденозин трифосфат), синтез на аминокиселини, витамини, мастни киселини, липидни компоненти на техните мембрани и редукция на нитрити. Той също така играе роля в производството на отбранителни вещества срещу патогени.

Тази фотосинтетична органела има свой собствен кръгов геном (ДНК) и се смята, че подобно на митохондриите, те произхождат от процес на симбиоза между гостоприемник и наследствена фотосинтетична бактерия..

индекс

• 1 Произход
  • 1.1. Теория на ендосимбиотиците
• 2 Общи характеристики
• 3 Структура
  • 3.1 Външни и вътрешни мембрани
  • 3.2 Тилоцидна мембрана
  • 3.3 Тилакоиди
  • 3.4 Строма
  • 3.5 Геном
• 4 Функции
  • 4.1 Фотосинтеза
  • 4.2 Синтез на биомолекули
  • 4.3 Защита срещу патогени
• 5 Други пластиди
• 6 Препратки

източник

Хлоропластите са органели, които имат характеристики на много отдалечени групи организми: водорасли, растения и прокариоти. Тези данни показват, че органелите произхождат от прокариотни организми, способни да извършват фотосинтеза.

Смята се, че първият еукариотен организъм, с капацитет за осъществяване на фотосинтеза, е възникнал преди около 1000 милиона години. Доказателствата сочат, че този важен еволюционен скок е причинен от придобиването на цианобактерия от еукариотния гостоприемник. Този процес доведе до различни линии на червени, зелени и растителни водорасли.

По същия начин има и вторични и третични симбиозни събития, при които потомството на еукариотите установява симбиотична връзка с друг свободно-жив фотосинтетичен еукариот.

По време на еволюцията геномът на предполагаемата бактерия е намален и някои от неговите гени са прехвърлени и интегрирани в генома на ядрото..

Организацията на генома на сегашните хлоропласти наподобява тази на прокариот, но има и атрибути на генетичния материал на еукариотите.

Теорията на ендосимбиотиците

Теорията на ендосимбиотиците е предложена от Лин Маргулис в поредица от книги, публикувани между 60-те и 80-те години, но това е идея, която работи от 1900-те години, предложена от Мерешковски..

Тази теория обяснява произхода на хлоропластите, митохондриите и базалните тела, намиращи се в флагелата. Според тази хипотеза, тези структури някога са били свободни прокариотни организми.

Няма много доказателства в подкрепа на ендосимбиотичния произход на базалните тела от мобилни прокариоти.

За разлика от тях, съществуват важни доказателства, подкрепящи ендосимбиотичния произход на митохондриите от α-Proteobacteria и от хлоропластите от цианобактерии. Най-ясното и най-силно доказателство е приликата между двата генома.

Общи характеристики

Хлоропластите са най-видимият вид пластиди в растителните клетки. Те са овални структури, заобиколени от мембрани и най-известният процес на автотрофни еукариоти се среща в техния интериор: фотосинтеза. Те са динамични структури и имат свой генетичен материал.

Те обикновено се намират на листата на растенията. Типичната растителна клетка може да има 10 до 100 хлоропласти, въпреки че броят им е доста променлив.

Подобно на митохондриите, наследяването на хлоропластите от родителите към децата се случва от един от родителите, а не от двете. Всъщност, тези органели са доста сходни с митохондриите в различни аспекти, макар и по-сложни.

структура

Хлоропластите са големи органели с дължина от 5 до 10 μm. Характеристиките на тази структура могат да се визуализират под традиционния оптичен микроскоп.

Те са заобиколени от двойна липидна мембрана. Освен това те имат трета система от вътрешни мембрани, наречени тилакоидни мембрани.

Тази последна мембранна система образува набор от дискообразни структури, известни като тилакоиди. Съединението на тилакоиди в купчини се нарича "grana" и те са свързани помежду си.

Благодарение на тази тройна система от мембрани, вътрешната структура на хлоропласта е сложна и е разделена на три пространства: междумембранното пространство (между двете външни мембрани), стромата (намерена в хлоропласта и извън тилакоидната мембрана) и последния лумен на тилакоида.

Външни и вътрешни мембрани

Мембранната система е свързана с генерирането на АТР. Както мембраните на митохондриите, така и вътрешната мембрана определя преминаването на молекулите в органелите. Фосфатидилхолин и фосфатидилглицерол са най-разпространените липиди на хлоропластните мембрани.

Външната мембрана съдържа серия от пори. Малки молекули могат свободно да влизат през тези канали. Вътрешната мембрана, от друга страна, не позволява свободно преминаване на този тип молекули с ниско тегло. За да влязат молекулите, те трябва да направят това с помощта на специфични транспортери, закрепени към мембраната.

В някои случаи има структура, наречена периферен ретикулум, образувана от мрежа от мембрани, произхождащи именно от вътрешната мембрана на хлоропласта. Някои автори ги считат за уникални за растенията с С4 метаболизъм, въпреки че са открити в C3 растенията.

Функцията на тези тубули и везикули все още не е ясна. Предполага се, че те могат да допринесат за бързото транспортиране на метаболитите и протеините в хлоропласта или да увеличат повърхността на вътрешната мембрана..

Тилакоидна мембрана

Електронната транспортна верига, участваща в фотосинтетични процеси, се среща в тази мембранна система. Протоните се изпомпват през тази мембрана, от стромата до вътрешността на тилакоидите.

Този градиент води до синтез на АТР, когато протоните са насочени обратно към стромата. Този процес е еквивалентен на този, който се среща във вътрешната мембрана на митохондриите.

Тилакоидната мембрана се състои от четири вида липиди: моногалактозилдиацилглицерол, дигалактозилдиацилглицерол, сулфохиновозилдиацилглицерол и фосфатидилглицерол. Всеки тип има специална функция в липидния двуслой на този раздел.

tilacoides

Тилакоидите са мембранни структури под формата на торбички или плоски дискове, които са подредени в единкохинил"(Множественото число на тази структура е. \ T Granum). Тези дискове имат диаметър от 300 до 600 nm. Вътрешното пространство на тилакоида се нарича лумен.

Архитектурата на тилакоидния стек все още се обсъжда. Предлагат се два модела: първият е винтовият модел, в който тилакоидите се навиват между зърна с форма на спирала..

Обратно, другият модел предлага бифуркация. Тази хипотеза предполага, че граната се формира от стромални бифуркации.

стромален

Стромата е желатиновата течност, която заобикаля тилакоидите и се намира във вътрешната област на хлоропласта. Този регион съответства на цитозола на предполагаемите бактерии, които причиняват този вид пластид.

В тази област ще намерите ДНК молекули и голямо количество протеини и ензими. По-конкретно, ензимите, включени в цикъла на Калвин, са намерени за фиксиране на въглероден диоксид в фотосинтетичния процес. Можете също така да намерите гранули от нишесте

В стромата можете да намерите хлоропластите на хлоропластите, тъй като тези структури синтезират собствени протеини.

геном

Една от най-забележителните характеристики на хлоропластите е, че те имат своя собствена генетична система.

Генетичният материал на хлоропластите се състои от кръгови молекули на ДНК. Всяка органела има множество копия на тази кръгова молекула от 12 до 16 kb (килобази). Те са организирани в структури, наречени нуклеоиди и се състоят от 10 до 20 копия на пластидния геном, заедно с протеини и РНК молекули..

Хлоропластната ДНК кодира приблизително 120 до 130 гена. Те водят до протеини и РНК, свързани с фотосинтетични процеси като компонентите на фотосистемите I и II, АТР синтазата и една от подгрупите на Rubisco.

Rubisco (рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза / оксигеназа) е решаващ ензимен комплекс в цикъла на Калвин. Всъщност той се счита за най-богатия протеин на планетата Земя.

Трансферните РНК и рибозомите се използват в транслацията на РНК съобщения, които са кодирани в хлоропластния геном. Той включва рибозомни РНК 23S, 16S, 5S и 4.5S и трансферна РНК. Той също така кодира 20 рибозомни протеина и определени субединици на РНК полимераза.

Въпреки това, някои елементи, необходими за функционирането на хлоропласта, са кодирани в ядрения геном на растителната клетка.

функции

Хлоропластите могат да се разглеждат като важни метаболитни центрове в растенията, където многобройни биохимични реакции се случват благодарение на широкия спектър ензими и протеини, свързани с мембрани, които съдържат тези органели..

Те имат критична функция в растителните организми: това е мястото, където се провеждат фотосинтетични процеси, където слънчевата светлина се превръща в въглехидрати, като кислород като вторичен продукт..

Серия от вторични функции на биосинтеза се среща и в хлоропластите. След това ще разгледаме подробно всяка функция:

фотосинтеза

Фотосинтезата настъпва благодарение на хлорофила. Този пигмент се намира вътре в хлоропластите, в мембраните на тилакоидите.

Състои се от две части: пръстен и опашка. Пръстенът съдържа магнезий и е отговорен за усвояването на светлината. Тя може да абсорбира синя светлина и червена светлина, отразявайки зелената зона на светлинния спектър.

Фотосинтетичните реакции се получават благодарение на трансфера на електрони. Енергията, идваща от светлината, придава енергия на пигмента на хлорофила (за молекулата се казва, че е „възбудена от светлина“), което причинява движение на тези частици в мембраната на тилакоидите. Хлорофилът получава своите електрони от водната молекула.

Този процес води до образуването на електрохимичен градиент, който позволява синтеза на АТР в стромата. Тази фаза е известна още като "светлинен".

Втората част от фотосинтезата (или тъмната фаза) се появява в стромата и продължава в цитозола. Той е известен също като реакции на фиксиране на въглерода. На този етап, продуктите от горните реакции се използват за изграждане на въглехидрати от СО₂.

Синтез на биомолекули

Освен това, хлоропластите имат и други специализирани функции, които позволяват развитието и растежа на растението.

В тази органела възниква усвояването на нитрати и сулфати и притежава необходимите ензими за синтеза на аминокиселини, фитохормони, витамини, мастни киселини, хлорофил и каротеноиди..

Някои изследвания идентифицират значителен брой аминокиселини, синтезирани от тази органела. Кърк и др. Изучават производството на аминокиселини в хлоропластите Vicia faba L.

Тези автори откриват, че най-разпространените синтезирани аминокиселини са глутамат, аспартат и треонин. Други типове, като аланин, серин и глицин, също са синтезирани, но в по-малки количества. Останалите тринадесет аминокиселини също бяха открити.

Те са способни да изолират различни гени, които участват в синтеза на липиди. Хлоропластите притежават необходимите пътища за синтеза на изопреноидните липиди, необходими за производството на хлорофил и други пигменти..

Защита срещу патогени

Растенията нямат развита имунна система, подобна на тази при животните. Следователно, клетъчните структури трябва да произвеждат антимикробни вещества, за да могат да се защитават от вредни вещества. За тази цел растенията могат да синтезират реактивни кислородни видове (ROS) или салицилова киселина.

Хлоропластите са свързани с производството на тези вещества, които премахват възможни патогени, постъпващи в растението.

По същия начин те функционират като "молекулярни сензори" и участват в механизми за предупреждение, предавайки информация на други органели.

Други пластиди

Хлоропластите принадлежат към семейство растителни органели, наречени пластиди или пластиди. Хлоропластите се различават главно от останалите пластиди, защото притежават пигмента на хлорофила. Другите пластиди са:

-Хромопласти: тези структури съдържат каротеноиди, присъстващи в цветя и цветя. Благодарение на тези пигменти растителните структури имат жълт, оранжев и червен цвят.

-Левкопластовете: тези пластиди не съдържат пигменти и следователно са бели. Те служат като резерв и се намират в органи, които не получават директна светлина.

-Амилопластите: съдържат нишесте и се намират в корените и грудките.

Пластидите произхождат от структури, наречени протопластидия. Една от най-забележителните черти на пластидите е тяхната собственост да променят типа, въпреки че вече са в зряла фаза. Тази промяна се задейства от екологични или присъщи сигнали от централата.

Например, хлоропластите са способни да предизвикат възникване на хромопласти. За тази промяна, тилакоидната мембрана се разгражда и каротеноидите се синтезират.

препратки

1. Allen, J.F. (2003). Защо хлоропластите и митохондриите съдържат геноми. Сравнителна и функционална геномика, 4(1), 31-36.
2. Купър, Г. М (2000). Клетката: Молекулен подход. Второ издание. Sinauer Associates
3. Daniell, Н., Lin, C.-S., Yu, M., & Chang, W.-J. (2016 г.). Хлоропластни геноми: разнообразие, еволюция и приложения в генното инженерство. Биология на генома, 17, 134.
4. Gracen, V.E., Hilliard, J.H., Brown, R.H. & West, S.H. (1972). Периферният ретикулум в хлоропластите на растенията, които се различават по пътищата на фиксиране на CO 2 и фотосъпротивлението. растение, 107(3), 189-204.
5. Грей, М. У. (2017). Лин Маргулис и хипотезата за ендосимбионтите: 50 години по-късно. Молекулярна биология на клетката, 28(10), 1285-1287.
6. Jensen, P.E., & Leister, D. (2014). Еволюция, структура и функции на хлоропласта. F1000Представителни доклади, 6, 40.
7. Kirk, P.R. & Leech, R. M. (1972). Аминокиселинна биосинтеза от изолирани хлоропласти по време на фотосинтеза . Физиология на растенията, 50(2), 228-234.
8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Роля на липидите в биогенезата на хлоропласта. в Липиди в развитието на растенията и водораслите (стр. 103-125). Спрингер, Чам.
9. Sowden, R.G., Watson, S.J., & Jarvis, P. (2017). Ролята на хлоропластите в растителната патология. Есета по биохимия, EBC20170020.
10. Wise, R. R., & Hoober, J. K. (2007). Структурата и функцията на пластидите. Springer Science & Business Media.