Svet rastlín je jedným z hlavných bohatstiev našej planéty. Je to vďaka flóre na Zemi, že je tu kyslík, ktorý všetci dýchame, existuje obrovská potravinová základňa, od ktorej závisí všetko živé. Rastliny sú jedinečné v tom, že dokážu premieňať anorganické chemické zlúčeniny na organické látky.
Robia to prostredníctvom fotosyntézy. Tento najdôležitejší proces prebieha v špecifických rastlinných organelách, chloroplastoch. Tento najmenší prvok vlastne zabezpečuje existenciu všetkého života na planéte. Mimochodom, čo je chloroplast?
Základná definícia
Toto je názov špecifických štruktúr, v ktorých prebiehajú procesy fotosyntézy, ktoré sú zamerané na viazanie oxidu uhličitého a tvorbu určitých sacharidov. Vedľajším produktom je kyslík. Sú to predĺžené organely, dosahujúce šírku 2-4 mikrónov, ich dĺžka dosahuje 5-10 mikrónov. Niektoré druhy zelených rias majú niekedy obrovské chloroplasty dlhé 50 mikrónov!
Rovnaké riasy môžu maťďalšia vlastnosť: pre celú bunku majú iba jednu organelu tohto druhu. V bunkách vyšších rastlín sa najčastejšie nachádza 10-30 chloroplastov. V ich prípade však môžu existovať svetlé výnimky. Takže v palisádovom tkanive obyčajného súlože je 1000 chloroplastov na bunku. Na čo sú tieto chloroplasty? Fotosyntéza je ich hlavnou, no zďaleka nie jedinou úlohou. Pre jasné pochopenie ich významu v živote rastlín je dôležité poznať mnohé aspekty ich pôvodu a vývoja. Toto všetko je popísané vo zvyšku článku.
Pôvod chloroplastu
Dozvedeli sme sa teda, čo je chloroplast. Odkiaľ sa vzali tieto organely? Ako sa stalo, že rastliny vyvinuli taký jedinečný prístroj, ktorý premieňa oxid uhličitý a vodu na zložité organické zlúčeniny?
V súčasnosti medzi vedcami prevláda pohľad na endosymbiotický pôvod týchto organel, keďže ich samostatný výskyt v rastlinných bunkách je dosť pochybný. Je dobre známe, že lišajníky sú symbiózou rias a húb. Jednobunkové riasy žijú vo vnútri hubovej bunky. Teraz vedci naznačujú, že v staroveku fotosyntetické sinice prenikli do rastlinných buniek a potom čiastočne stratili svoju „nezávislosť“a preniesli väčšinu genómu do jadra.
Nový organoid si však v plnej miere zachoval svoju hlavnú vlastnosť. Je to len o procese fotosyntézy. Samotné zariadenie, potrebné na uskutočnenie tohto procesu, je však vytvorené podkontrola bunkového jadra aj samotného chloroplastu. Delenie týchto organel a ďalšie procesy spojené s implementáciou genetickej informácie do DNA sú teda riadené jadrom.
Evidence
Relatívne nedávno nebola hypotéza o prokaryotickom pôvode týchto prvkov vo vedeckej komunite príliš populárna, mnohí ju považovali za „vynálezy amatérov“. Ale po hĺbkovej analýze nukleotidových sekvencií v DNA chloroplastov sa tento predpoklad brilantne potvrdil. Ukázalo sa, že tieto štruktúry sú mimoriadne podobné, dokonca príbuzné, s DNA bakteriálnych buniek. Podobná sekvencia sa teda našla u voľne žijúcich siníc. Najmä gény komplexu syntetizujúceho ATP, ako aj v „strojoch“transkripcie a translácie sa ukázali byť mimoriadne podobné.
Promótory, ktoré určujú začiatok čítania genetickej informácie z DNA, ako aj koncové nukleotidové sekvencie, ktoré sú zodpovedné za jej ukončenie, sú tiež usporiadané do obrazu a podoby bakteriálnych. Samozrejme, miliardy rokov evolučných transformácií mohli spôsobiť veľa zmien v chloroplastoch, ale sekvencie v génoch chloroplastov zostali úplne rovnaké. A to je nevyvrátiteľný, úplný dôkaz, že chloroplasty skutočne kedysi mali prokaryotického predka. Možno to bol organizmus, z ktorého sa vyvinuli aj moderné sinice.
Vývoj chloroplastov z proplastidov
„Dospelý“organoid sa vyvíja z proplastidov. Toto je malé, úplne bezfarebnéorganela, ktorá má priemer len niekoľko mikrónov. Je obklopený hustou dvojvrstvovou membránou, ktorá obsahuje kruhovú DNA špecifickú pre chloroplast. Títo „predkovia“organel nemajú vnútorný membránový systém. Vzhľadom na ich extrémne malú veľkosť je ich štúdium mimoriadne náročné, a preto je o ich vývoji extrémne málo údajov.
Je známe, že niekoľko z týchto protoplastidov je prítomných v jadre každej vaječnej bunky zvierat a rastlín. Počas vývoja embrya sa delia a prenášajú sa do iných buniek. Dá sa to ľahko overiť: genetické znaky, ktoré sú nejakým spôsobom spojené s plastidmi, sa prenášajú iba cez materskú líniu.
Vnútorná membrána protoplastidu počas vývoja vyčnieva do organoidu. Z týchto štruktúr vyrastajú tylakoidné membrány, ktoré sú zodpovedné za tvorbu granúl a lamiel strómy organoidu. V úplnej tme sa protopastid začína premieňať na prekurzor chloroplastu (etioplast). Tento primárny organoid sa vyznačuje tým, že sa v ňom nachádza pomerne zložitá kryštalická štruktúra. Len čo svetlo zasiahne list rastliny, je úplne zničená. Potom dochádza k vytvoreniu „tradičnej“vnútornej štruktúry chloroplastu, ktorú tvoria práve tylakoidy a lamely.
Rozdiely v zariadeniach na skladovanie škrobu
Každá meristémová bunka obsahuje niekoľko týchto proplastidov (ich počet sa líši v závislosti od typu rastliny a iných faktorov). Len čo sa toto primárne tkanivo začne premieňať na list, prekurzorové organely sa zmenia na chloroplasty. takzemladé listy pšenice, ktoré dokončili svoj rast, majú chloroplasty v množstve 100-150 kusov. Veci sú trochu komplikovanejšie pre tie rastliny, ktoré sú schopné akumulovať škrob.
Uchovávajú tento sacharid v plastidoch nazývaných amyloplasty. Čo však majú tieto organely spoločné s témou nášho článku? Hľuzy zemiakov sa totiž nezúčastňujú fotosyntézy! Dovoľte mi objasniť tento problém podrobnejšie.
Zistili sme, čo je chloroplast, a zároveň sme odhalili spojenie tohto organoidu so štruktúrami prokaryotických organizmov. Tu je situácia podobná: vedci už dávno zistili, že amyloplasty, podobne ako chloroplasty, obsahujú presne rovnakú DNA a sú tvorené presne z rovnakých protoplastidov. Preto by sa mali posudzovať z rovnakého hľadiska. V skutočnosti by sa amyloplasty mali považovať za špeciálny druh chloroplastov.
Ako vznikajú amyloplasty?
Je možné nakresliť analógiu medzi protoplastidmi a kmeňovými bunkami. Jednoducho povedané, amyloplasty sa od určitého bodu začnú vyvíjať trochu inou cestou. Vedci sa však dozvedeli kurióznu vec: podarilo sa im dosiahnuť vzájomnú premenu chloroplastov z listov zemiakov na amyloplasty (a naopak). Kanonický príklad, ktorý pozná každý školák, je, že hľuzy zemiakov sa na svetle sfarbia do zelena.
Ďalšie informácie o spôsoboch diferenciácie týchto organel
Vieme, že v procese dozrievania plodov paradajok, jabĺk a niektorých iných rastlín (a na jeseň v listoch stromov, tráv a kríkov)„degradácia“, kedy sa chloroplasty v rastlinnej bunke menia na chromoplasty. Tieto organely obsahujú farbiace pigmenty, karotenoidy.
Táto premena je spôsobená skutočnosťou, že za určitých podmienok sú tylakoidy úplne zničené, po čom organela získa inú vnútornú organizáciu. Tu sa opäť vraciame k problematike, ktorú sme začali rozoberať na samom začiatku článku: vplyv jadra na vývoj chloroplastov. Je to práve prostredníctvom špeciálnych proteínov, ktoré sa syntetizujú v cytoplazme buniek, čo iniciuje proces reštrukturalizácie organoidu.
Štruktúra chloroplastu
Keď sme už hovorili o pôvode a vývoji chloroplastov, mali by sme sa podrobnejšie venovať ich štruktúre. Navyše je veľmi zaujímavý a zaslúži si samostatnú diskusiu.
Základná štruktúra chloroplastov pozostáva z dvoch lipoproteínových membrán, vnútornej a vonkajšej. Hrúbka každého z nich je asi 7 nm, vzdialenosť medzi nimi je 20-30 nm. Rovnako ako v prípade iných plastidov, vnútorná vrstva tvorí špeciálne štruktúry, ktoré vyčnievajú do organoidu. V zrelých chloroplastoch existujú dva typy takýchto „kľukatých“membrán naraz. Prvé tvoria stromálne lamely, druhé tvoria tylakoidné membrány.
Lamela a tylakoidy
Treba poznamenať, že existuje jasné spojenie, ktoré má chloroplastová membrána s podobnými útvarmi umiestnenými vo vnútri organoidu. Faktom je, že niektoré jeho záhyby sa môžu rozprestierať od jednej steny k druhej (ako v mitochondriách). Takže lamely môžu tvoriť buď akési "vrece" alebo rozvetvenésiete. Najčastejšie sú však tieto štruktúry umiestnené navzájom paralelne a nie sú žiadnym spôsobom spojené.
Nezabúdajte, že vo vnútri chloroplastu sa nachádzajú aj membránové tylakoidy. Ide o uzavreté „vrecia“, ktoré sú usporiadané do stohu. Rovnako ako v predchádzajúcom prípade je medzi dvoma stenami dutiny vzdialenosť 20-30 nm. Stĺpce týchto „vreciek“sa nazývajú zrná. Každý stĺpec môže obsahovať až 50 tylakoidov a v niektorých prípadoch je ich dokonca viac. Keďže celkové „rozmery“takýchto vrstiev môžu dosiahnuť 0,5 mikrónu, niekedy ich možno zistiť pomocou bežného svetelného mikroskopu.
Celkový počet zŕn obsiahnutých v chloroplastoch vyšších rastlín môže dosiahnuť 40-60. Každý tylakoid priľne k druhému tak tesne, že ich vonkajšie membrány tvoria jednu rovinu. Hrúbka vrstvy v mieste spojenia môže byť až 2 nm. Všimnite si, že takéto štruktúry, ktoré sú tvorené susednými tylakoidmi a lamelami, nie sú nezvyčajné.
V miestach ich kontaktu je aj vrstva, niekedy dosahujúca rovnaké 2 nm. Chloroplasty (ktorých štruktúra a funkcie sú veľmi zložité) teda nie sú jedinou monolitickou štruktúrou, ale akýmsi „stavom v štáte“. V niektorých aspektoch nie je štruktúra týchto organel o nič menej zložitá ako celá bunková štruktúra!
Grany sú precízne prepojené pomocou lamiel. Ale dutiny tylakoidov, ktoré tvoria stohy, sú vždy uzavreté a žiadnym spôsobom nekomunikujú s medzimembránou.priestor. Ako vidíte, štruktúra chloroplastov je pomerne zložitá.
Aké pigmenty možno nájsť v chloroplastoch?
Čo môže obsahovať stróma každého chloroplastu? Existujú jednotlivé molekuly DNA a veľa ribozómov. V amyloplastoch sa škrobové zrná ukladajú do strómy. Chromoplasty teda obsahujú farbiace pigmenty. Samozrejme, existujú rôzne chloroplastové pigmenty, no najbežnejší je chlorofyl. Je rozdelená do niekoľkých typov naraz:
- Skupina A (modro-zelená). Vyskytuje sa v 70% prípadov, je obsiahnutý v chloroplastoch všetkých vyšších rastlín a rias.
- Skupina B (žlto-zelená). Zvyšných 30 % sa nachádza aj vo vyšších druhoch rastlín a rias.
- Skupiny C, D a E sú oveľa zriedkavejšie. Nachádza sa v chloroplastoch niektorých druhov nižších rias a rastlín.
Nie je nezvyčajné, že červené a hnedé morské riasy majú vo svojich chloroplastoch úplne odlišné typy organických farbív. Niektoré riasy vo všeobecnosti obsahujú takmer všetky existujúce chloroplastové pigmenty.
Funkcie chloroplastu
Samozrejme, ich hlavnou funkciou je premieňať svetelnú energiu na organické zložky. Samotná fotosyntéza prebieha v zrnách za priamej účasti chlorofylu. Absorbuje energiu slnečného žiarenia a premieňa ju na energiu excitovaných elektrónov. Ten, ktorý má nadbytočný prísun, uvoľňuje prebytočnú energiu, ktorá sa využíva na rozklad vody a syntézu ATP. Pri rozklade vody vzniká kyslík a vodík. Prvý, ako sme písali vyššie, je vedľajší produkt a uvoľňuje sa do okolitého priestoru a vodík sa viaže na špeciálny proteín, ferredoxín.
Znovu oxiduje, pričom vodík prenáša na redukčné činidlo, ktoré sa v biochémii označuje skratkou NADP. V súlade s tým je jeho redukovaná forma NADP-H2. Jednoducho povedané, fotosyntéza produkuje tieto látky: ATP, NADP-H2 a vedľajší produkt vo forme kyslíka.
Energetická úloha ATP
Vytvorený ATP je mimoriadne dôležitý, pretože je hlavným „akumulátorom“energie, ktorá ide na rôzne potreby bunky. NADP-H2 obsahuje redukčné činidlo, vodík, a táto zlúčenina ho v prípade potreby dokáže ľahko uvoľniť. Jednoducho povedané, je to účinné chemické redukčné činidlo: v procese fotosyntézy dochádza k mnohým reakciám, ktoré bez neho jednoducho nemôžu prebiehať.
Ďalej vstupujú do hry chloroplastové enzýmy, ktoré pôsobia v tme a mimo gran: vodík z redukčného činidla a energiu ATP využíva chloroplast na spustenie syntézy množstva organických látok. Keďže fotosyntéza prebieha v podmienkach dobrého osvetlenia, nahromadené zlúčeniny sa využívajú pre potreby samotných rastlín počas tmy.
Správne si môžete všimnúť, že tento proces je v niektorých aspektoch až podozrivo podobný dýchaniu. Ako sa od nej líši fotosyntéza? Tabuľka vám pomôže pochopiť tento problém.
| Porovnávacie položky | Fotosyntéza | Dýchanie |
| Keď sa to stane | Iba cez deň, na slnku | Kedykoľvek |
| Kam uniká | bunky obsahujúce chlorofyl | Všetky živé bunky |
| Kyslík | Highlight | Absorpcia |
| CO2 | Absorpcia | Highlight |
| Organická hmota | Syntéza, čiastočné štiepenie | Len rozdeliť |
| Energia | Hltanie | Vyniká |
Takto sa líši fotosyntéza od dýchania. Tabuľka jasne ukazuje ich hlavné rozdiely.
Niektoré „paradoxy“
Väčšina ďalších reakcií prebieha práve tam, v stróme chloroplastu. Ďalšia cesta syntetizovaných látok je rôzna. Jednoduché cukry teda okamžite presahujú organoid a hromadia sa v iných častiach bunky vo forme polysacharidov, predovšetkým škrobu. V chloroplastoch dochádza k ukladaniu tukov aj k predbežnému hromadeniu ich prekurzorov, ktoré sa potom vylučujú do iných oblastí bunky.
Malo by byť jasné, že všetky fúzne reakcie vyžadujú obrovské množstvo energie. Jeho jediným zdrojom je rovnaká fotosyntéza. Ide o proces, ktorý si často vyžaduje toľko energie, že ju treba získať,ničenie látok vzniknutých v dôsledku predchádzajúcej syntézy! Väčšina energie, ktorá sa získa v jeho priebehu, sa teda minie na uskutočnenie mnohých chemických reakcií v samotnej rastlinnej bunke.
Len časť sa používa na priame získavanie tých organických látok, ktoré rastlina potrebuje na svoj rast a vývoj, alebo sa ukladá vo forme tukov alebo sacharidov.
Sú chloroplasty statické?
Všeobecne sa uznáva, že bunkové organely vrátane chloroplastov (ktorých štruktúru a funkcie sme podrobne opísali) sú umiestnené striktne na jednom mieste. To nie je pravda. Chloroplasty sa môžu pohybovať po bunke. Takže pri slabom osvetlení majú tendenciu zaujať polohu v blízkosti najviac osvetlenej strany bunky, v podmienkach stredného a slabého osvetlenia si môžu zvoliť nejaké medzipolohy, v ktorých dokážu „zachytiť“najviac slnečného svetla. Tento jav sa nazýva "fototaxi".
Podobne ako mitochondrie, aj chloroplasty sú pomerne autonómne organely. Majú vlastné ribozómy, syntetizujú množstvo vysoko špecifických bielkovín, ktoré využívajú len oni. Existujú dokonca špecifické komplexy enzýmov, pri práci ktorých sa vyrábajú špeciálne lipidy, ktoré sú potrebné na stavbu lamelových škrupín. O prokaryotickom pôvode týchto organel sme už hovorili, no treba dodať, že niektorí vedci považujú chloroplasty za dávnych potomkov nejakých parazitických organizmov, ktoré sa najskôr stali symbiontmi, a potom úplnesa stali neoddeliteľnou súčasťou bunky.
Význam chloroplastov
U rastlín je to zrejmé – ide o syntézu energie a látok, ktoré využívajú rastlinné bunky. Ale fotosyntéza je proces, ktorý zabezpečuje neustále hromadenie organickej hmoty v planetárnom meradle. Z oxidu uhličitého, vody a slnečného žiarenia dokážu chloroplasty syntetizovať obrovské množstvo zložitých vysokomolekulárnych zlúčenín. Táto schopnosť je charakteristická len pre nich a človek má ešte ďaleko k tomu, aby tento proces zopakoval v umelých podmienkach.
Všetka biomasa na povrchu našej planéty vďačí za svoju existenciu týmto najmenším organelám, ktoré sa nachádzajú v hĺbke rastlinných buniek. Bez nich, bez procesu fotosyntézy, ktorý vykonávajú, by na Zemi neexistoval život v jeho moderných prejavoch.
Dúfame, že ste sa z tohto článku dozvedeli, čo je chloroplast a aká je jeho úloha v rastlinnom organizme.
