Chloroplastų funkcijos, fotosintezės struktūra ir procesas



The chloroplastai Jie yra ląstelių organelių tipas, kurį riboja kompleksinė membranų sistema, būdinga augalams ir dumbliams. Šiuo plastidu yra chlorofilas, pigmentas, atsakingas už fotosintezės procesus, žalias daržovių spalvas ir leidžiantis šių linijų autotrofinį gyvenimą.

Be to, chloroplastai yra susiję su medžiagų apykaitos energijos (ATP - adenozino trifosfato), amino rūgščių, vitaminų, riebalų rūgščių, jų membranų lipidinių komponentų sintezės ir nitritų mažinimu. Ji taip pat atlieka vaidmenį gaminant gynybos medžiagas nuo patogenų.

Šis fotosintetinis organelis turi savo apykaitinę genomą (DNR) ir manoma, kad, kaip ir mitochondrijos, jie kilo iš simbiozės tarp šeimininko ir protėvių fotosintetinių bakterijų..

Indeksas

  • 1 Kilmė
    • 1.1 Endosymbiotikos teorija
  • 2 Bendrosios charakteristikos
  • 3 Struktūra
    • 3.1 Išorinės ir vidinės membranos
    • 3.2 Tilakoidinė membrana
    • 3.3 Tylakoidai
    • 3.4 Stroma
    • 3.5 Genomas
  • 4 Funkcijos
    • 4.1 Fotosintezė
    • 4.2 Biomolekulių sintezė
    • 4.3 Apsauga nuo patogenų
  • 5 Kiti plastidai
  • 6 Nuorodos

Kilmė

Chloroplastai yra organai, pasižymintys labai tolimų organizmų grupių savybėmis: dumbliais, augalais ir prokariotais. Šie įrodymai rodo, kad organelė kilusi iš prokariotinio organizmo, galinčio atlikti fotosintezę.

Apskaičiuota, kad pirmasis eukariotinis organizmas, galintis atlikti fotosintezę, atsirado maždaug prieš 1000 milijonų metų. Įrodymai rodo, kad šį svarbų evoliucinį šuolį sukėlė eukariotinio šeimininko įsigyta cianobakterija. Šis procesas sukėlė skirtingas raudonos, žalios ir augalų dumblių linijas.

Taip pat yra antrinių ir tretinių simbiozės įvykių, kuriuose eukariotų linija sukuria simbiotinį ryšį su kitu laisvai gyvenančiu fotosinteziniu eukariotu.

Evoliucijos eigoje buvo sumažintas tariamos bakterijos genomas ir kai kurie jo genai buvo perkelti ir integruoti į branduolio genomą.

Dabartinių chloroplastų genomo organizavimas panašus į prokarioto genomą, bet turi ir eukariotų genetinės medžiagos atributus..

Endosymbiotikos teorija

Endosymbiotikos teoriją pasiūlė Lynn Margulis knygų serijoje, išleistoje tarp 60 ir 80 metų, tačiau tai buvo idėja, kuri nuo 1900 m..

Ši teorija paaiškina chloroplastų, mitochondrijų ir bazinių kūnų, esančių vėliavoje, kilmę. Remiantis šia hipoteze, šios struktūros buvo kartą laisvi prokariotiniai organizmai.

Nėra daug įrodymų, patvirtinančių bazinių kūnų endosymbiotinę kilmę iš mobiliųjų prokariotų.

Priešingai, yra svarbių įrodymų, patvirtinančių endosymbiotinę mitochondrijos kilmę iš α-Proteobakterijų ir iš cianobakterijų gautų chloroplastų. Aiškiausi ir tvirtiausi įrodymai yra abiejų genomų panašumas.

Bendrosios charakteristikos

Chloroplastai yra labiausiai pastebimi augalų ląstelių plastidai. Jie yra ovalios struktūros, apsuptos membranomis, ir garsiausias autotrofinių eukariotų procesas vyksta jų interjere: fotosintezė. Jie yra dinamiškos struktūros ir turi savo genetinę medžiagą.

Jie paprastai yra augalų lapuose. Tipiška augalų ląstelė gali turėti nuo 10 iki 100 chloroplastų, nors skaičius yra gana kintamas.

Kaip ir mitochondrijose, vienas iš tėvų, o ne abu, iš tėvų palikuoja chloroplastus. Tiesą sakant, šie organeliai yra gana panašūs į mitochondrijas įvairiais aspektais, nors ir sudėtingesni.

Struktūra

Chloroplastai yra dideli organeliai, kurių ilgis yra nuo 5 iki 10 μm. Šios struktūros savybes galima vizualizuoti tradiciniu optiniu mikroskopu.

Jas supa dviguba lipidų membrana. Be to, jie turi trečią vidinių membranų sistemą, vadinamą thylakoid membranomis.

Ši paskutinė membraninė sistema sudaro disko tipo struktūrų rinkinį, žinomą kaip tylakoidus. Tylakoidų sąjunga poliuose vadinama „grana“, ir jie yra tarpusavyje susiję.

Dėl šios trigubos membranų sistemos vidinė chloroplasto struktūra yra sudėtinga ir suskirstyta į tris erdves: tarpmembraninė erdvė (tarp dviejų išorinių membranų), stroma (randama chloroplaste ir už tylakoido membranos) ir paskutinis tylakoido liumenis.

Išorinės ir vidinės membranos

Membranų sistema yra susijusi su ATP generavimu. Kaip ir mitochondrijos membranos, molekulių patekimą į organelę lemia vidinė membrana. Fosfatidilcholinas ir fosfatidilglicerolis yra labiausiai paplitę chloroplastų membranų lipidai.

Išorinė membrana turi porų seriją. Mažos molekulės gali laisvai patekti į šiuos kanalus. Kita vertus, vidinė membrana neleidžia laisvo tokio tipo mažo svorio molekulių tranzito. Norint patekti į molekules, jie turi tai padaryti naudojant konkrečius transporterius, pritvirtintus prie membranos.

Kai kuriais atvejais yra struktūra, vadinama periferine tinklaine, kurią sudaro membranų tinklas, kilęs iš specifinės chloroplasto membranos. Kai kurie autoriai juos laiko unikaliais augalais, turinčiais C4 metabolizmą, nors jie buvo rasti C3 augaluose.

Šių tubulų ir pūslelių funkcija dar nėra aiški. Siūloma, kad jie galėtų prisidėti prie greito metabolitų ir baltymų pervežimo chloroplastuose arba padidinti vidinės membranos paviršių..

Thylakoid membrana

Šioje membraninėje sistemoje vyksta fotosintezės procesuose dalyvaujanti elektronų transportavimo grandinė. Protonai per šią membraną pumpuojami nuo stromos iki tylakoidų vidaus.

Šis gradientas sukelia ATP sintezę, kai protonai nukreipiami atgal į stromą. Šis procesas yra lygiavertis mitochondrijos vidinėje membranoje.

Tylakoido membraną sudaro keturių tipų lipidai: monogalaktosil diacilglicerolis, digalaktozil diacilglicerolis, sulfokinovozilo diacilglicerolis ir fosfatidilglicerolis. Kiekvienas tipas turi specialią funkciją šio skyriaus lipidų dvigubame sluoksnyje.

Tylakoidai

Tylakoidai yra membraninės struktūros, esančios maišeliuose arba plokščiuose diskuose, kurie yra sukrauti į "grana"(Šios struktūros daugiskaita yra granumas). Šie diskai yra 300–600 nm skersmens. Vidinėje tilakoido erdvėje vadinamas lumeniu.

Tylakoidų kamino architektūra vis dar diskutuojama. Siūlomi du modeliai: pirmasis yra spiralinis modelis, kuriame tylakoidai yra sužeisti tarp spiralės formos grūdų.

Priešingai, kitas modelis siūlo bifurkaciją. Ši hipotezė rodo, kad graną sudaro stromos bifurkacijos.

Stroma

Stroma yra želatinis skystis, kuris supa thylakoids ir yra randamas chloroplasto vidiniame regione. Šis regionas atitinka tariamų bakterijų, sukeliančių šio tipo plastidą, citozolį.

Šioje srityje rasite DNR molekulių ir daug baltymų bei fermentų. Konkrečiai, Calvin cikle dalyvaujantys fermentai yra nustatyti anglies dioksido fiksavimui fotosintezės procese. Taip pat galite rasti krakmolo granulių

Stromoje galite rasti chloroplastų chloroplastus, nes šios struktūros sintezuoja savo baltymus.

Genomas

Viena iš ryškiausių chloroplastų savybių yra ta, kad jie turi savo genetinę sistemą.

Chloroplastų genetinę medžiagą sudaro apykaitinės DNR molekulės. Kiekvienas organelis turi kelis šio apykaitinės molekulės egzempliorius nuo 12 iki 16 kb (kilobazių). Jie yra suskirstyti į struktūras, vadinamas nukleoidais ir susideda iš 10-20 plastidų genomo kopijų, kartu su proteinais ir RNR molekulėmis..

Chloroplastų DNR kodai yra maždaug 120–130 genų. Dėl to atsiranda baltymų ir RNR, susijusių su fotosintezės procesais, pvz., I ir II sistemų, ATP sintezės ir vieno Rubisco subvieneto komponentais..

Rubisco (ribulozės-1,5-bisfosfato karboksilazė / oksigenazė) yra svarbiausias fermentų kompleksas Kalvino cikle. Tiesą sakant, ji yra laikoma gausiausiu baltymu planetoje.

Perdavimo RNR ir ribosomos naudojamos RNR pranešimų, kurie yra koduojami chloroplasto genome, vertimui. Ji apima ribosomines RNR 23S, 16S, 5S ir 4.5S ir perdavimo RNR. Ji taip pat koduoja 20 ribosomų baltymų ir tam tikrų RNR polimerazės subvienetų.

Tačiau tam tikri chloroplasto veikimui būtini elementai yra koduojami augalų ląstelės branduoliniame genome.

Funkcijos

Chloroplastai gali būti laikomi svarbiais medžiagų apykaitos centrais augaluose, kuriuose daug biocheminių reakcijų atsiranda dėl plataus fermentų ir baltymų, pritvirtintų prie membranų, kad šie organeliai yra.

Jie turi lemiamą funkciją augalų organizmuose: tai yra vieta, kurioje vyksta fotosintezės procesai, kai saulės spinduliai virsta angliavandeniais, o antrinis produktas - deguonis..

Chloroplastuose vyksta ir antrinių biosintezės funkcijų serija. Toliau išsamiai aptarsime kiekvieną funkciją:

Fotosintezė

Fotosintezė atsiranda dėl chlorofilo. Šis pigmentas randamas chloroplastų viduje, tylakoidų membranose.

Jį sudaro dvi dalys: žiedas ir uodega. Žiedas turi magnio ir yra atsakingas už šviesos absorbciją. Jis gali sugerti mėlyną šviesą ir raudoną šviesą, atspindinčią šviesos spektro žalią plotą.

Fotosintezės reakcijos atsiranda dėl elektronų perdavimo. Iš šviesos gaunama energija suteikia energiją chlorofilo pigmentui (sakoma, kad molekulė yra „sužadinta šviesa“), todėl šių dalelių judėjimas yra tylakoidų membranoje. Chlorofilas savo elektronus gauna iš vandens molekulės.

Šio proceso metu susidaro elektrocheminis gradientas, leidžiantis sintezuoti ATP stromoje. Šis etapas taip pat žinomas kaip „šviesus“.

Antroji fotosintezės dalis (arba tamsioji fazė) atsiranda stromos ir tęsiama citozolyje. Jis taip pat žinomas kaip anglies fiksavimo reakcijos. Šiame etape aukščiau minėtų reakcijų produktai naudojami angliavandenių gamybai iš CO2.

Biomolekulių sintezė

Be to, chloroplastai turi ir kitas specializuotas funkcijas, kurios leidžia augti ir augti.

Šiuo organeliu vyksta nitratų ir sulfatų įsisavinimas, jie turi būtinų fermentų aminorūgščių, fitohormonų, vitaminų, riebalų rūgščių, chlorofilo ir karotinoidų sintezei..

Tam tikruose tyrimuose nustatyta daug organinių rūgščių, susintetintų šia organele. Kirk et al studijavo aminorūgščių gamybą Vicia faba L.

Šie autoriai nustatė, kad gausiausios sintezuotos aminorūgštys buvo glutamatas, aspartatas ir treoninas. Taip pat buvo sintetinti kiti tipai, tokie kaip alaninas, serinas ir glicinas, bet mažesni kiekiai. Taip pat aptiktos likusios trylika aminorūgščių.

Jie sugebėjo išskirti skirtingus genus, kurie dalyvauja lipidų sintezėje. Chloroplastai turi būtinus kelius izoprenoidinių lipidų sintezei, kurie yra būtini chlorofilo ir kitų pigmentų gamybai..

Gynyba nuo patogenų

Augalai neturi išsivysčiusios imuninės sistemos, panašios į gyvūnų. Todėl ląstelių struktūros turi gaminti antimikrobines medžiagas, kad galėtų apsaugoti nuo kenksmingų medžiagų. Šiuo tikslu augalai gali sintezuoti reaktyviąsias deguonies rūšis (ROS) arba salicilo rūgštį.

Chloroplastai yra susiję su šių medžiagų, kurios pašalina į augalus patekusius patogenus, gamybai.

Jie taip pat veikia kaip „molekuliniai jutikliai“ ir dalyvauja įspėjimo mechanizmuose, perduodami informaciją kitiems organeliams.

Kiti plastidai

Chloroplastai priklauso augalų organelių šeimai, vadinamai plastidais arba plastidais. Chloroplastai daugiausia skiriasi nuo kitų plastidų, nes jie turi chlorofilo pigmento. Kiti plastidai yra:

-Chromoplastai: šiose struktūrose yra karotinoidų, yra gėlių ir gėlių. Dėl šių pigmentų daržovių struktūros geltonos, oranžinės ir raudonos spalvos.

-Leukoplastos: šie plastidai neturi pigmentų, todėl jie yra baltos spalvos. Jie tarnauja kaip rezervas ir yra organuose, kurie negauna tiesioginės šviesos.

-Amiloplastai: yra krakmolo ir randami šakniavaisiuose ir gumbavaisiuose.

Plastidai kilę iš struktūrų, vadinamų protoplastidijomis. Vienas iš ryškiausių plastidų bruožų - jų savybė keisti tipą, nors jie jau yra subrendę. Šį pokytį sukelia aplinkosauginiai ar vidiniai įrenginio signalai.

Pavyzdžiui, chloroplastai gali sukelti chromoplastus. Šiam pokyčiui thylakoid membrana skaidosi ir karotinoidai sintezuojami.

Nuorodos

  1. Allen, J. F. (2003). Kodėl Chloroplastai ir Mitochondrija turi genomų. Lyginamoji ir funkcinė genomika, 4(1), 31-36.
  2. Cooperis, G. M (2000). Ląstelė: molekulinis metodas. Antrasis leidimas. „Sinauer Associates“
  3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M., & Chang, W.-J. (2016). Chloroplastų genomai: įvairovė, evoliucija ir taikymas genų inžinerijoje. Genomo biologija, 17, 134.
  4. Gracen, V.E., Hilliard, J.H., Brown, R.H., ir West, S.H. (1972). Periferinis retikulas augalų chloroplastuose, kurie skiriasi CO 2 fiksavimo keliais ir fotoreakcijos. Augalai, 107(3), 189-204.
  5. Gray, M. W. (2017). Lynn Margulis ir endosymbionto hipotezė: po 50 metų. Ląstelės molekulinė biologija, 28(10), 1285-1287.
  6. Jensen, P. E., ir Leister, D. (2014). Chloroplastų evoliucija, struktūra ir funkcijos. F1000Prime ataskaitos, 6, 40.
  7. Kirk, P. R., ir Leech, R. M. (1972). Izoliuotų chloroplastų amino rūgščių biosintezė fotosintezės metu . Augalų fiziologija, 50(2), 228-234.
  8. Kobayashi, K., ir Wada, H. (2016). Lipidų vaidmuo chloroplastų biogenezėje. Į Lipidai augalų ir dumblių vystyme (p. 103-125). Springer, Cham.
  9. Sowden, R. G., Watson, S. J. & Jarvis, P. (2017). Chloroplastų vaidmuo augalų patologijoje. Esė biochemijoje, EBC20170020.
  10. Wise, R. R. ir Hoober, J. K. (2007). Plastidų struktūra ir funkcija. „Springer Science & Business Media“.