Planteverdenen er en af vores planets vigtigste rigdomme. Det er takket være floraen på Jorden, at der er ilt, som vi alle indånder, der er en enorm fødegrundlag, som alle levende ting er afhængige af. Planter er unikke ved, at de kan omdanne uorganiske kemiske forbindelser til organiske stoffer.
De gør dette gennem fotosyntese. Denne vigtigste proces finder sted i specifikke planteorganeller, kloroplaster. Dette mindste element sikrer faktisk eksistensen af alt liv på planeten. Forresten, hvad er en kloroplast?
Grundlæggende definition
Dette er navnet på de specifikke strukturer, hvori fotosynteseprocesserne finder sted, som er rettet mod bindingen af kuldioxid og dannelsen af visse kulhydrater. Biproduktet er ilt. Disse er aflange organeller, når en bredde på 2-4 mikron, deres længde når 5-10 mikron. Nogle arter af grønne alger har nogle gange kæmpe kloroplaster, der er 50 mikron lange!
De samme alger kan haveet andet træk: for hele cellen har de kun et organel af denne art. I cellerne af højere planter er der oftest inden for 10-30 kloroplaster. Men i deres tilfælde kan der være slående undtagelser. Så i palisadevævet af almindelig shag er der 1000 kloroplaster pr. celle. Hvad er disse kloroplaster til? Fotosyntese er deres vigtigste, men langt fra den eneste rolle. For klart at forstå deres betydning i plantelivet er det vigtigt at kende mange aspekter af deres oprindelse og udvikling. Alt dette er beskrevet i resten af artiklen.
Oprindelsen af kloroplasten
Så, hvad er en kloroplast, lærte vi. Hvor kom disse organeller fra? Hvordan skete det, at planter udviklede et så unikt apparat, der omdanner kuldioxid og vand til komplekse organiske forbindelser?
I øjeblikket er synspunktet for disse organellers endosymbiotiske oprindelse blandt videnskabsmænd fremherskende, da deres uafhængige forekomst i planteceller er ret tvivlsomt. Det er velkendt, at lav er en symbiose af alger og svampe. Encellede alger lever inde i svampecellen. Nu foreslår videnskabsmænd, at fotosyntetiske cyanobakterier i oldtiden trængte ind i planteceller og mistede derefter delvist deres "uafhængighed" og overførte det meste af genomet til kernen.
Men den nye organoid beholdt sin hovedfunktion fuldt ud. Det handler kun om processen med fotosyntese. Imidlertid er selve apparatet, der er nødvendigt for at udføre denne proces, dannet underkontrol af både cellekernen og selve kloroplasten. Således styres opdelingen af disse organeller og andre processer forbundet med implementeringen af genetisk information i DNA af kernen.
Bevis
Relativt for nylig var hypotesen om den prokaryote oprindelse af disse elementer ikke særlig populær i det videnskabelige samfund, mange betragtede det som "amatørers opfindelser." Men efter en dybdegående analyse af nukleotidsekvenserne i chloroplasternes DNA blev denne antagelse geni alt bekræftet. Det viste sig, at disse strukturer er ekstremt ens, endda relateret til, bakteriecellers DNA. Så en lignende sekvens blev fundet i fritlevende cyanobakterier. Især generne i det ATP-syntesekompleks, såvel som i "maskinerne" til transskription og translation, viste sig at være ekstremt ens.
Promotorer, der bestemmer starten på at læse genetisk information fra DNA, såvel som terminale nukleotidsekvenser, der er ansvarlige for dets terminering, er også organiseret i billedet og ligheden af bakterielle. Selvfølgelig kunne milliarder af års evolutionære transformationer foretage mange ændringer af kloroplasten, men sekvenserne i kloroplastgenerne forblev absolut de samme. Og dette er et uigendriveligt, komplet bevis på, at kloroplaster faktisk engang havde en prokaryot forfader. Det kan have været den organisme, som moderne cyanobakterier også udviklede sig fra.
Kloroplastudvikling fra proplastider
"Voksen" organoid udvikler sig fra proplastider. Dette er en lille, fuldstændig farveløsen organel, der kun er et par mikrometer på tværs. Det er omgivet af en tæt dobbeltlagsmembran, der indeholder chloroplast-specifikt cirkulært DNA. Disse "forfædre" til organeller har ikke et indre membransystem. På grund af deres ekstremt lille størrelse er deres undersøgelse ekstremt vanskelig, og derfor er der ekstremt få data om deres udvikling.
Det er kendt, at flere af disse protoplastider er til stede i kernen af hver ægcelle hos dyr og planter. Under udviklingen af embryonet deler de sig og overføres til andre celler. Dette er let at verificere: genetiske egenskaber, der på en eller anden måde er forbundet med plastider, overføres kun gennem moderens linje.
Protoplastidets indre membran rager ind i organoiden under udvikling. Fra disse strukturer vokser thylakoidmembraner, som er ansvarlige for dannelsen af granulat og lameller af organoidens stroma. I fuldstændig mørke begynder protopastidet at forvandle sig til forløberen for kloroplasten (etioplast). Denne primære organoid er kendetegnet ved, at en ret kompleks krystallinsk struktur er placeret inde i den. Så snart lys rammer plantens blad, er den fuldstændig ødelagt. Derefter sker dannelsen af den "traditionelle" indre struktur af kloroplasten, som er dannet netop af thylakoider og lameller.
Forskelle i stivelsesopbevaringsanlæg
Hver meristemcelle indeholder flere af disse proplastider (deres antal varierer afhængigt af plantetypen og andre faktorer). Så snart dette primære væv begynder at omdannes til et blad, bliver forstadieorganellerne til kloroplaster. Så,unge hvedeblade, der har fuldført deres vækst, har kloroplaster i mængden af 100-150 stk. Tingene er lidt mere komplicerede for de planter, der er i stand til at akkumulere stivelse.
De lagrer dette kulhydrat i plastider kaldet amyloplaster. Men hvad har disse organeller at gøre med emnet for vores artikel? Kartoffelknolde er jo ikke involveret i fotosyntesen! Lad mig præcisere dette spørgsmål mere detaljeret.
Vi fandt ud af, hvad en kloroplast er, og undervejs afslørede denne organoids forbindelse med strukturerne af prokaryote organismer. Her er situationen den samme: Forskere har længe fundet ud af, at amyloplaster ligesom kloroplaster indeholder nøjagtig det samme DNA og er dannet af nøjagtig de samme protoplastider. Derfor bør de betragtes i samme aspekt. Faktisk bør amyloplaster betragtes som en speciel form for kloroplast.
Hvordan dannes amyloplaster?
Man kan drage en analogi mellem protoplastider og stamceller. Kort sagt begynder amyloplaster fra et tidspunkt at udvikle sig ad en lidt anden vej. Forskere lærte imidlertid noget mærkeligt: de formåede at opnå den gensidige omdannelse af kloroplaster fra kartoffelblade til amyloplaster (og omvendt). Det kanoniske eksempel, som ethvert skolebarn kender, er, at kartoffelknolde bliver grønne i lyset.
Andre oplysninger om måderne til differentiering af disse organeller
Vi ved, at i færd med at modne frugterne af tomater, æbler og nogle andre planter (og i bladene på træer, græsser og buske om efteråret)"nedbrydning", når kloroplaster i en plantecelle bliver til kromoplaster. Disse organeller indeholder farvepigmenter, carotenoider.
Denne transformation skyldes, at thylakoiderne under visse forhold ødelægges fuldstændigt, hvorefter organellen får en anden indre organisation. Her vender vi igen tilbage til det spørgsmål, som vi begyndte at diskutere helt i begyndelsen af artiklen: kernens indflydelse på udviklingen af kloroplaster. Det er det, gennem specielle proteiner, der syntetiseres i cytoplasmaet af celler, der initierer processen med at omstrukturere organoiden.
Kloroplaststruktur
Efter at have t alt om oprindelsen og udviklingen af kloroplaster, bør vi dvæle mere detaljeret ved deres struktur. Desuden er det meget interessant og fortjener en separat diskussion.
Kloroplasternes grundstruktur består af to lipoproteinmembraner, indre og ydre. Tykkelsen af hver er omkring 7 nm, afstanden mellem dem er 20-30 nm. Som i tilfældet med andre plastider danner det indre lag særlige strukturer, der stikker ud i organoiden. I modne kloroplaster er der to typer af sådanne "slyngede" membraner på én gang. De førstnævnte danner stromale lameller, de sidstnævnte danner thylakoidmembraner.
Lamel og thylakoider
Det skal bemærkes, at der er en klar sammenhæng, som kloroplastmembranen har med lignende formationer placeret inde i organoiden. Faktum er, at nogle af dens folder kan strække sig fra en væg til en anden (som i mitokondrier). Så lamellerne kan enten danne en slags "pose" eller en forgrenetnetværk. Men oftest er disse strukturer placeret parallelt med hinanden og er ikke forbundet på nogen måde.
Glem ikke, at der inde i kloroplasten også er membranthylakoider. Det er lukkede "poser", der er arrangeret i en stak. Som i det foregående tilfælde er der en afstand på 20-30 nm mellem de to vægge i hulrummet. Søjlerne i disse "poser" kaldes korn. Hver kolonne kan indeholde op til 50 thylakoider, og i nogle tilfælde er der endnu flere. Da de overordnede "dimensioner" af sådanne stakke kan nå 0,5 mikron, kan de nogle gange detekteres ved hjælp af et almindeligt lysmikroskop.
Det samlede antal korn indeholdt i kloroplasterne fra højere planter kan nå op på 40-60. Hver thylakoid klæber så tæt til den anden, at deres ydre membraner danner et enkelt plan. Lagtykkelsen ved krydset kan være op til 2 nm. Bemærk, at sådanne strukturer, som er dannet af tilstødende thylakoider og lameller, ikke er ualmindelige.
På de steder, hvor de er i kontakt, er der også et lag, som nogle gange når de samme 2 nm. Kloroplaster (hvis strukturen og funktionerne er meget komplekse) er således ikke en enkelt monolitisk struktur, men en slags "tilstand i en tilstand". I nogle aspekter er strukturen af disse organeller ikke mindre kompleks end hele den cellulære struktur!
Granas er sammenkoblet præcist ved hjælp af lameller. Men hulerne i thylakoider, som danner stakke, er altid lukkede og kommunikerer ikke med intermembranen på nogen måde.plads. Som du kan se, er strukturen af kloroplaster ret kompleks.
Hvilke pigmenter kan findes i kloroplaster?
Hvad kan være indeholdt i hver kloroplasts stroma? Der er individuelle DNA-molekyler og mange ribosomer. I amyloplaster er det i stromaen, at stivelseskorn aflejres. Følgelig har kromoplaster farvepigmenter der. Selvfølgelig findes der forskellige kloroplastpigmenter, men det mest almindelige er klorofyl. Den er opdelt i flere typer på én gang:
- Gruppe A (blå-grøn). Det forekommer i 70 % af tilfældene, er indeholdt i kloroplasterne fra alle højere planter og alger.
- Gruppe B (gul-grøn). De resterende 30 % findes også i højere arter af planter og alger.
- Grupper C, D og E er meget sjældnere. Findes i kloroplasterne hos nogle arter af lavere alger og planter.
Det er ikke ualmindeligt, at røde og brune tang har helt forskellige typer organiske farvestoffer i deres kloroplaster. Nogle alger indeholder generelt næsten alle eksisterende kloroplastpigmenter.
Kloroplastfunktioner
Selvfølgelig er deres hovedfunktion at omdanne lysenergi til organiske komponenter. Selve fotosyntesen forekommer i korn med direkte deltagelse af klorofyl. Det absorberer sollysets energi og omdanner det til energien fra ophidsede elektroner. Sidstnævnte, der har sin overskydende forsyning, afgiver overskydende energi, som bruges til nedbrydning af vand og syntese af ATP. Når vand nedbrydes, dannes ilt og brint. Den første er, som vi skrev ovenfor, et biprodukt og frigives til det omgivende rum, og brint binder sig til et særligt protein, ferredoxin.
Det oxiderer igen og overfører brint til et reduktionsmiddel, som i biokemi er forkortet til NADP. Følgelig er dens reducerede form NADP-H2. Kort sagt producerer fotosyntesen følgende stoffer: ATP, NADP-H2 og et biprodukt i form af oxygen.
ATP's energirolle
Den dannede ATP er ekstremt vigtig, da det er den vigtigste "akkumulator" af energi, der går til cellens forskellige behov. NADP-H2 indeholder et reduktionsmiddel, hydrogen, og denne forbindelse er i stand til nemt at give det væk, hvis det er nødvendigt. Kort sagt er det et effektivt kemisk reduktionsmiddel: I fotosynteseprocessen finder der mange reaktioner sted, som simpelthen ikke kan fortsætte uden.
Dernæst kommer kloroplastenzymer i spil, som virker i mørke og uden for gran: brint fra reduktionsmidlet og energien fra ATP bruges af kloroplasten til at starte syntesen af en række organiske stoffer. Da fotosyntese sker under forhold med god belysning, bruges de akkumulerede forbindelser til planternes behov i den mørke tid på dagen.
Du kan med rette bemærke, at denne proces i nogle aspekter minder mistænkeligt om vejrtrækning. Hvordan adskiller fotosyntesen sig fra den? Tabellen hjælper dig med at forstå dette problem.
| Sammenligningselementer | Fotosyntese | Breathing |
| Når det sker | Kun dagtid, i sollys | Anytime |
| Hvor det lækker | Klorofylholdige celler | Alle levende celler |
| Oxygen | Højdepunkt | Absorption |
| CO2 | Absorption | Højdepunkt |
| organisk stof | Syntese, delvis opsplitning | kun Split |
| Energy | Slukning | Skelner sig ud |
Det er sådan, fotosyntese adskiller sig fra respiration. Tabellen viser tydeligt deres vigtigste forskelle.
Nogle "paradokser"
De fleste af de yderligere reaktioner finder sted lige der, i kloroplastens stroma. Den videre vej for de syntetiserede stoffer er anderledes. Så simple sukkerarter går umiddelbart ud over organoiden og akkumuleres i andre dele af cellen i form af polysaccharider, primært stivelse. I kloroplaster sker både aflejring af fedtstoffer og den foreløbige ophobning af deres forstadier, som derefter udskilles til andre områder af cellen.
Det skal klart forstås, at alle fusionsreaktioner kræver en enorm mængde energi. Dens eneste kilde er den samme fotosyntese. Dette er en proces, der ofte kræver så meget energi, at den skal opnås,ødelægge de stoffer, der er dannet som følge af den tidligere syntese! Det meste af den energi, der opnås i dets forløb, bruges således på at udføre mange kemiske reaktioner i selve plantecellen.
Kun noget af det bruges til direkte at opnå de organiske stoffer, som planten tager til sin egen vækst og udvikling eller aflejrer sig i form af fedtstoffer eller kulhydrater.
Er kloroplaster statiske?
Det er almindeligt accepteret, at cellulære organeller, inklusive kloroplaster (hvor strukturen og funktionerne vi har beskrevet i detaljer), er placeret strengt på ét sted. Det er ikke sandt. Kloroplaster kan bevæge sig rundt i cellen. Så i svagt lys har de en tendens til at tage en position nær den mest oplyste side af cellen, under forhold med medium og lavt lys kan de vælge nogle mellemstillinger, hvor de formår at "fange" mest sollys. Dette fænomen kaldes "phototaxis".
Ligesom mitokondrier er kloroplaster ret autonome organeller. De har deres egne ribosomer, de syntetiserer en række meget specifikke proteiner, som kun bruges af dem. Der er endda specifikke enzymkomplekser, under arbejdet med hvilke der produceres specielle lipider, som er nødvendige til konstruktion af lamelskaller. Vi har allerede t alt om den prokaryote oprindelse af disse organeller, men det skal tilføjes, at nogle videnskabsmænd anser kloroplaster for at være gamle efterkommere af nogle parasitære organismer, der først blev symbionter og derefter fuldstændigt.er blevet en integreret del af cellen.
Vigtigheden af kloroplaster
For planter er det indlysende - dette er syntesen af energi og stoffer, der bruges af planteceller. Men fotosyntese er en proces, der sikrer konstant ophobning af organisk stof på planetarisk skala. Fra kuldioxid, vand og sollys kan kloroplaster syntetisere et stort antal komplekse højmolekylære forbindelser. Denne evne er kun karakteristisk for dem, og en person er stadig langt fra at gentage denne proces under kunstige forhold.
Al biomasse på vores planets overflade skylder sin eksistens til disse mindste organeller, som er placeret i dybet af planteceller. Uden dem, uden fotosynteseprocessen udført af dem, ville der ikke være noget liv på Jorden i dens moderne manifestationer.
Vi håber, du har lært af denne artikel, hvad en kloroplast er, og hvad dens rolle er i en planteorganisme.
