Funkcije, struktura i proces fotosinteze kloroplasta



kloroplasta Oni su vrsta staničnih organela koje su ograničene složenim sustavom membrana, karakterističnim za biljke i alge. U ovom plastidu je klorofil, pigment odgovoran za procese fotosinteze, zelena boja povrća i dopušta autotrofni život ovih linija.

Osim toga, kloroplasti se odnose na stvaranje metaboličke energije (ATP - adenozin trifosfat), sintezu aminokiselina, vitamina, masnih kiselina, lipidnih komponenti njihovih membrana i redukciju nitrita. Ona također ima ulogu u proizvodnji obrambenih tvari protiv patogena.

Ova fotosintetska organela ima svoj vlastiti kružni genom (DNK) i smatra se da, poput mitohondrija, potječu iz procesa simbioze između domaćina i predaka fotosintetske bakterije..

indeks

  • 1 Podrijetlo
    • 1.1 Teorija endosimbiotike
  • 2 Opće karakteristike
  • 3 Struktura
    • 3.1 Vanjske i unutarnje membrane
    • 3.2 Thilacoid membrana
    • 3.3 Tilakoidi
    • 3.4 Stroma
    • 3.5 Genom
  • 4 Funkcije
    • 4.1. Fotosinteza
    • 4.2 Sinteza biomolekula
    • 4.3 Obrana od patogena
  • 5 Ostale plastide
  • 6 Reference

izvor

Kloroplasti su organele koji imaju karakteristike vrlo udaljenih skupina organizama: alge, biljke i prokariote. Ovi dokazi upućuju na to da su organele nastale iz prokariotskog organizma koji ima sposobnost fotosinteze.

Procjenjuje se da je prvi eukariotski organizam, sa sposobnošću provođenja fotosinteze, nastao prije oko 1.000 milijuna godina. Dokazi pokazuju da je ovaj važan evolucijski skok uzrokovan akvizicijom cijanobakterije od strane eukariotskog domaćina. Taj je proces doveo do različitih linija crvenih, zelenih i biljnih algi.

Isto tako, postoje sekundarni i tercijarni simbiozi u kojima loza eukariota uspostavlja simbiotski odnos s drugim slobodno živim fotosintetskim eukariotom..

Tijekom evolucije smanjen je genom pretpostavljene bakterije i neki od njegovih gena su preneseni i integrirani u genom jezgre..

Organizacija genoma tekućih kloroplasta nalikuje na organizaciju prokariote, ali ima i atribute genetskog materijala eukariota.

Teorija endosimbiotike

Teoriju endosimbiotike predložila je Lynn Margulis u nizu knjiga objavljenih između 60-ih i 80-ih, međutim, to je bila ideja koja je djelovala od 1900-ih, koju je predložio Mereschkowsky.

Ova teorija objašnjava podrijetlo kloroplasta, mitohondrija i bazalnih tijela prisutnih u flagelama. Prema toj hipotezi, te su strukture nekada bile slobodni prokariotski organizmi.

Nema mnogo dokaza koji bi potkrijepili endosimbiotsko podrijetlo bazalnih tijela iz mobilnih prokariota.

Nasuprot tome, postoje važni dokazi koji potiču endosimbiotsko podrijetlo mitohondrija iz α-Proteobacteria i kloroplasta iz cijanobakterija. Najjasniji i najjači dokaz je sličnost između oba genoma.

Opće karakteristike

Kloroplasti su najistaknutija vrsta plastida u biljnim stanicama. Oni su ovalne strukture okružene membranama i najpoznatiji proces autotrofnih eukariota javlja se u njihovoj unutrašnjosti: fotosinteza. Oni su dinamičke strukture i imaju vlastiti genetski materijal.

Oni se obično nalaze na lišću biljaka. Tipična biljna stanica može imati 10 do 100 kloroplasta, iako je broj prilično promjenjiv.

Poput mitohondrija, nasljeđivanje kloroplasta od roditelja prema djeci događa se kod jednog od roditelja, a ne oboje. U stvari, ove organele su vrlo slične mitohondrijama u različitim aspektima, iako su složenije.

struktura

Kloroplasti su velike organele, duljine od 5 do 10 μm. Karakteristike ove strukture mogu se vizualizirati pod tradicionalnim optičkim mikroskopom.

Okruženi su dvostrukom lipidnom membranom. Osim toga, imaju i treći sustav unutarnjih membrana, tilakoidnih membrana.

Ovaj posljednji membranski sustav tvori skup diskastih struktura, poznatih kao tilakoidi. Sjedinjenje tilakoida u gomilama naziva se "grana" i one su međusobno povezane.

Zahvaljujući ovom trostrukom sustavu membrana, unutarnja struktura kloroplasta je složena i podijeljena je na tri prostora: intermembranski prostor (između dvije vanjske membrane), stromu (pronađenu u kloroplastu i izvan tilakoidne membrane) i posljednji lumen tilakoida.

Vanjske i unutarnje membrane

Membranski sustav povezan je s generiranjem ATP-a. Kao i membrane mitohondrija, to je unutarnja membrana koja određuje prolazak molekula u organele. Fosfatidilkolin i fosfatidilglicerol su najrasprostranjeniji lipidi kloroplastnih membrana.

Vanjska membrana sadrži niz pora. Male molekule mogu slobodno ući kroz te kanale. Unutarnja membrana, s druge strane, ne dopušta slobodan prolazak ove vrste molekula male težine. Da bi molekule ušle, moraju to učiniti pomoću specifičnih transportera usidrenih na membranu.

U nekim slučajevima postoji struktura nazvana periferni retikulum, formirana mrežom membrana, koja potječe specifično od unutarnje membrane kloroplasta. Neki autori ih smatraju jedinstvenim za biljke s C4 metabolizmom, iako su pronađene u C3 biljkama.

Funkcija ovih tubula i vezikula još nije jasna. Predloženo je da mogu doprinijeti brzom transportu metabolita i proteina unutar kloroplasta ili povećati površinu unutarnje membrane.

Tilakoidna membrana

Lanac prijenosa elektrona uključen u fotosintetske procese odvija se u ovom membranskom sustavu. Protoni se pumpaju kroz ovu membranu, od strome do unutrašnjosti tilakoida.

Ovaj gradijent rezultira sintezom ATP-a, kada su protoni usmjereni natrag u stromu. Ovaj proces je ekvivalentan onome što se događa u unutarnjoj membrani mitohondrija.

Tilakoidna membrana sastoji se od četiri tipa lipida: monogalaktozil-diacilglicerol, digalaktozil-diacilglicerol, sulfokinovosil-diacilglicerol i fosfatidil-glicerol. Svaki tip ima posebnu funkciju unutar lipidnog dvosloja ovog odjeljka.

tilacoides

Tilakoidi su membranske strukture u obliku vrećica ili ravnih diskova koji su složeni u "cochineal"(Množina ove strukture je. \ T granum). Ovi diskovi imaju promjer od 300 do 600 nm. U unutarnjem prostoru tilakoida se naziva lumen.

Arhitektura stijena tilakoida još se raspravlja. Predložena su dva modela: prvi je helikoidni model u kojem su tilakoidi namotani između zrnastih zrnaca.

Nasuprot tome, drugi model predlaže bifurkaciju. Ova hipoteza sugerira da su grana formirana stromalnim bifurkacijama.

strome

Stroma je želatinozna tekućina koja okružuje tilakoide i nalazi se u unutarnjem području kloroplasta. Ova regija odgovara citosolu navodne bakterije koja je uzrokovala ovu vrstu plastida.

Na ovom području naći ćete molekule DNA i veliku količinu proteina i enzima. Naime, enzimi uključeni u Calvinov ciklus nalaze se za fiksiranje ugljičnog dioksida u fotosintetskom procesu. Također možete pronaći granule škroba

U stromi možete pronaći kloroplaste kloroplasta, jer te strukture sintetiziraju vlastite proteine.

genom

Jedna od najistaknutijih osobina kloroplasta je da imaju vlastiti genetski sustav.

Genetski materijal kloroplasta sastoji se od kružnih molekula DNA. Svaka organele ima više kopija ove kružne molekule od 12 do 16 kb (kilobaza). Oni su organizirani u strukture nazvane nukleidi i sastoje se od 10 do 20 kopija genom plastida, zajedno s proteinima i molekulama RNA..

Kloroplastna DNA kodira za otprilike 120 do 130 gena. To rezultira proteinima i RNA vezanim za fotosintetske procese kao što su komponente fotosustava I i II, ATP sintaza i jedna od Rubisco podjedinica..

Rubisco (ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaza / oksigenaza) je ključni enzimski kompleks u Calvinovom ciklusu. Zapravo, smatra se najobimnijim proteinom na planeti Zemlji.

Prijenos RNA i ribosoma koriste se u prijevodu RNA poruka koje su kodirane u genomu kloroplasta. To uključuje ribosomalne RNA 23S, 16S, 5S i 4.5S i prijenos RNA. Također kodira 20 ribosomskih proteina i određene podjedinice RNA polimeraze.

Međutim, određeni elementi potrebni za funkcioniranje kloroplasta su kodirani u nuklearnom genomu biljne stanice.

funkcije

Kloroplasti se mogu smatrati važnim metaboličkim centrima u biljkama, gdje se višestruke biokemijske reakcije događaju zahvaljujući širokom spektru enzima i proteina vezanih za membrane koje sadrže te organele.

Oni imaju kritičnu funkciju u biljnim organizmima: to je mjesto gdje se odvijaju fotosintetski procesi, gdje se sunčeva svjetlost pretvara u ugljikohidrate, s kisikom kao sekundarnim proizvodom..

Niz sekundarnih funkcija biosinteze također se javlja u kloroplastima. Zatim ćemo detaljno raspraviti svaku funkciju:

fotosinteza

Fotosinteza se događa zahvaljujući klorofilu. Ovaj pigment nalazi se unutar kloroplasta, u membranama tilakoida.

Sastoji se od dva dijela: prstena i repa. Prsten sadrži magnezij i odgovoran je za apsorpciju svjetlosti. Može apsorbirati plavo svjetlo i crveno svjetlo, odražavajući zeleno područje svjetlosnog spektra.

Fotosintetske reakcije nastaju zahvaljujući prijenosu elektrona. Energija koja dolazi iz svjetlosti daje energiju pigmentu klorofila (za molekulu se kaže da je "uzbuđena svjetlom"), što uzrokuje kretanje tih čestica u membrani tilakoida. Klorofil dobiva svoje elektrone iz molekule vode.

Ovaj proces rezultira stvaranjem elektrokemijskog gradijenta koji omogućuje sintezu ATP-a u stromi. Ova faza je također poznata kao "svjetlosna".

Drugi dio fotosinteze (ili tamna faza) pojavljuje se u stromi i nastavlja se u citosolu. Također je poznat i kao reakcija fiksacije ugljika. U ovoj fazi, proizvodi gore navedenih reakcija koriste se za izgradnju ugljikohidrata iz CO2.

Sinteza biomolekula

Osim toga, kloroplasti imaju i druge specijalizirane funkcije koje omogućuju razvoj i rast biljke.

U ovom organelu dolazi do asimilacije nitrata i sulfata, te posjeduju potrebne enzime za sintezu aminokiselina, fitohormona, vitamina, masnih kiselina, klorofila i karotenoida..

Neke studije identificirale su značajan broj aminokiselina koje sintetizira ova organela. Kirk i sur. Proučavali su proizvodnju aminokiselina u kloroplastima Vicia faba L.

Ovi autori su otkrili da su najzastupljenije sintetizirane aminokiseline glutamat, aspartat i treonin. Drugi tipovi, kao što su alanin, serin i glicin, također su sintetizirani, ali u manjim količinama. Otkriveno je i preostalih trinaest aminokiselina.

Uspjeli su izolirati različite gene koji su uključeni u sintezu lipida. Kloroplasti imaju potrebne puteve za sintezu izoprenoidnih lipida, neophodnih za proizvodnju klorofila i drugih pigmenata.

Obrana od patogena

Biljke nemaju razvijen imunološki sustav sličan onome kod životinja. Stoga stanične strukture moraju proizvesti antimikrobne tvari kako bi se mogle braniti od štetnih agensa. U tu svrhu biljke mogu sintetizirati reaktivne vrste kisika (ROS) ili salicilnu kiselinu.

Kloroplasti se odnose na proizvodnju tih tvari koje eliminiraju moguće patogene koji ulaze u biljku.

Isto tako, oni djeluju kao "molekularni senzori" i sudjeluju u mehanizmima uzbune, prenoseći informacije drugim organelima.

Ostale plastide

Kloroplasti pripadaju obitelji biljnih organela nazvanih plastida ili plastida. Kloroplasti se razlikuju uglavnom od ostatka plastida jer posjeduju pigment klorofila. Ostali plastidi su:

-Kromoplasti: ove strukture sadrže karotenoide, prisutne su u cvijeću i cvijeću. Zahvaljujući tim pigmentima, strukture povrća imaju žute, narančaste i crvene boje.

-Leucoplastos: ovi plastidios ne sadrže pigmente i stoga su bijeli. Oni služe kao rezerva i nalaze se u organima koji ne primaju izravno svjetlo.

-Amiloplasti: sadrže škrob i nalaze se u korijenu i gomolju.

Plastidi potječu iz struktura nazvanih protoplastidija. Jedna od najupečatljivijih značajki plastida je njihovo svojstvo mijenjanja tipa, iako su već u zreloj fazi. Ova promjena je potaknuta okolišnim ili intrinzičnim signalima iz postrojenja.

Na primjer, kloroplasti su sposobni za stvaranje kromoplasta. Za tu promjenu, tilakoidna membrana se razgrađuje i karotenoidi se sintetiziraju.

reference

  1. Allen, J.F. (2003). Zašto kloroplasti i mitohondriji sadrže genom. Komparativna i funkcionalna genomika, 4(1), 31-36.
  2. Cooper, G. M (2000). Stanica: Molekularni pristup. Drugo izdanje. Sinauer Associates
  3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M., & Chang, W.-J. (2016). Genomi kloroplasta: raznolikost, evolucija i primjena u genetskom inženjerstvu. Biologija genoma, 17, 134.
  4. Gracen, V.E., Hilliard, J.H., Brown, R.H., & West, S.H. (1972). Periferni retikulum u kloroplastima biljaka koji se razlikuju u putovima fiksacije CO 2 i fotospiranju. biljka, 107(3), 189-204.
  5. Gray, M.W. (2017). Lynn Margulis i hipoteza endosimbionta: 50 godina kasnije. Molekularna biologija stanice, 28(10), 1285-1287.
  6. Jensen, P.E., & Leister, D. (2014). Evolucija, struktura i funkcije kloroplasta. F1000Primjerena izvješća, 6, 40.
  7. Kirk, P.R. & Leech, R.M. (1972). Aminokiselinska biosinteza izoliranih kloroplasta tijekom fotosinteze . Fiziologija biljaka, 50(2), 228-234.
  8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Uloga lipida u biogenezi kloroplasta. u Lipidi u razvoju biljaka i algi (str. 103-125). Springer, Cham.
  9. Sowden, R.G., Watson, S.J., & Jarvis, P. (2017). Uloga kloroplasta u biljnoj patologiji. Eseji iz biokemije, EBC20170020.
  10. Wise, R. R., i Hoober, J. K. (2007). Struktura i funkcija plastida. Springer znanost i poslovni mediji.