A növényvilág bolygónk egyik fő gazdagsága. A Föld flórájának köszönhető, hogy van oxigén, amit mindannyian belélegzünk, van egy hatalmas táplálékbázis, amelytől minden élőlény függ. A növények egyedülállóak abban, hogy képesek szervetlen kémiai vegyületeket szerves anyagokká alakítani.
Ezt fotoszintézissel teszik. Ez a legfontosabb folyamat meghatározott növényi organellumokban, a kloroplasztiszokban játszódik le. Ez a legkisebb elem valójában biztosítja az összes élet létezését a bolygón. Egyébként mi az a kloroplaszt?
Alapdefiníció
Így nevezik azokat a sajátos struktúrákat, amelyekben a fotoszintézis folyamatai végbemennek, és amelyek a szén-dioxid megkötésére és bizonyos szénhidrátok képződésére irányulnak. A melléktermék az oxigén. Ezek hosszúkás organellumok, amelyek szélessége 2-4 mikron, hosszuk eléri az 5-10 mikront. Egyes zöld algafajok néha 50 mikron hosszúságú óriási kloroplasztiszokkal rendelkeznek!
Ugyanazok az algák lehetnekegy másik jellemző: az egész sejtre nézve csak egy organellumjuk van ebből a fajból. A magasabbrendű növények sejtjeiben leggyakrabban 10-30 kloroplasztisz található. Esetükben azonban lehetnek feltűnő kivételek. Tehát a közönséges shag palánkszövetében sejtenként 1000 kloroplaszt található. Mire valók ezek a kloroplasztiszok? A fotoszintézis a fő, de messze nem az egyetlen szerepük. A növények életében betöltött jelentőségük világos megértéséhez fontos ismerni eredetük és fejlődésük számos vonatkozását. Mindezt a cikk további részében ismertetjük.
A kloroplaszt eredete
Szóval, mi az a kloroplaszt, megtudtuk. Honnan származtak ezek az organellumok? Hogyan történhetett, hogy a növények ilyen egyedülálló berendezést fejlesztettek ki, amely a szén-dioxidot és a vizet összetett szerves vegyületekké alakítja?
Jelenleg a tudósok körében ezen organellumok endoszimbiotikus eredetének szempontja az uralkodó, mivel a növényi sejtekben való önálló előfordulásuk meglehetősen kétséges. Köztudott, hogy a zuzmó az algák és a gombák szimbiózisa. Az egysejtű algák a gombasejt belsejében élnek. Ma a tudósok azt sugallják, hogy az ókorban a fotoszintetikus cianobaktériumok behatoltak a növényi sejtekbe, majd részben elvesztették „függetlenségüket”, és a genom nagy részét a sejtmagba helyezték át.
De az új organoid teljes mértékben megőrizte fő jellemzőjét. Ez csak a fotoszintézis folyamatáról szól. Azonban magát a berendezést, amely ennek a folyamatnak a végrehajtásához szükséges, alatt alakítják kimind a sejtmag, mind a kloroplaszt szabályozása. Így ezeknek az organellumoknak a szétválását és a genetikai információ DNS-be való átültetésével kapcsolatos egyéb folyamatokat a sejtmag szabályozza.
Bizonyítékok
Viszonylag a közelmúltban az ezen elemek prokarióta eredetére vonatkozó hipotézis nem volt túl népszerű a tudományos közösségben, sokan "amatőrök találmányainak" tartották. Ám a kloroplasztiszok DNS-ében található nukleotidszekvenciák mélyreható elemzése után ez a feltételezés ragyogóan beigazolódott. Kiderült, hogy ezek a struktúrák rendkívül hasonlóak, sőt rokonok is a baktériumsejtek DNS-ével. Tehát hasonló szekvenciát találtak szabadon élő cianobaktériumokban. Különösen az ATP-szintetizáló komplex génjei, valamint a transzkripció és a transzláció „gépei” bizonyultak rendkívül hasonlónak.
A DNS-ből a genetikai információ leolvasásának kezdetét meghatározó promoterek, valamint a végződéséért felelős terminális nukleotidszekvenciák szintén a bakteriálisak képében és hasonlatosságában szerveződnek. Természetesen a több milliárd éves evolúciós átalakulás sok változást hozhat a kloroplasztiszban, de a kloroplasztisz-génekben lévő szekvenciák teljesen ugyanazok maradtak. Ez pedig cáfolhatatlan, teljes bizonyíték arra, hogy a kloroplasztiszoknak valóban volt egykor prokarióta őse. Lehet, hogy ez az a szervezet, amelyből a modern cianobaktériumok is fejlődtek.
Kloroplaszt fejlesztés proplasztidokból
A "felnőtt" organoid proplasztidokból fejlődik ki. Ez egy kicsi, teljesen színtelencsak néhány mikron átmérőjű organellum. Sűrű kétrétegű membrán veszi körül, amely kloroplasztokra specifikus körkörös DNS-t tartalmaz. Az organellumok ezen „ősei” nem rendelkeznek belső membránrendszerrel. Rendkívül kis méretük miatt vizsgálatuk rendkívül nehézkes, ezért fejlődésükről rendkívül kevés adat áll rendelkezésre.
Ismert, hogy ezek közül a protoplasztidok közül több is jelen van az állatok és növények minden tojássejtjének magjában. Az embrió fejlődése során osztódnak és átkerülnek más sejtekbe. Ezt könnyű ellenőrizni: azok a genetikai tulajdonságok, amelyek valamilyen módon kapcsolódnak a plasztidokhoz, csak az anyai vonalon keresztül terjednek.
A protoplasztid belső membránja a fejlődés során benyúlik az organoidba. Ezekből a struktúrákból tilakoid membránok nőnek ki, amelyek az organoid strómájának szemcséi és lamellák képződéséért felelősek. Teljes sötétségben a protopasztid elkezd átalakulni a kloroplaszt (etioplaszt) prekurzorává. Ezt az elsődleges organoidot az jellemzi, hogy meglehetősen összetett kristályszerkezet található benne. Amint fény éri a növény levelét, az teljesen elpusztul. Ezt követően kialakul a kloroplaszt "hagyományos" belső szerkezete, amelyet csak tilakoidok és lamellák alkotnak.
Keményítőtároló üzemek közötti különbségek
Minden merisztémasejt több ilyen proplasztidot tartalmaz (számuk a növény típusától és egyéb tényezőktől függően változik). Amint ez az elsődleges szövet levélké kezd átalakulni, a prekurzor organellumok kloroplasztiszokká alakulnak. Így,a növekedést befejező fiatal búzalevelek 100-150 darab kloroplasztiszokkal rendelkeznek. A dolgok egy kicsit bonyolultabbak azoknál a növényeknél, amelyek képesek keményítőt felhalmozni.
Ezt a szénhidrátot amiloplasztoknak nevezett plasztidokban tárolják. De mi köze ezeknek az organellumoknak cikkünk témájához? Hiszen a burgonyagumó nem vesz részt a fotoszintézisben! Hadd tisztázzam ezt a kérdést részletesebben.
Kiderítettük, mi az a kloroplaszt, miközben feltártuk ennek az organoidnak a kapcsolatát a prokarióta szervezetek szerkezetével. Itt is hasonló a helyzet: a tudósok már régóta rájöttek, hogy az amiloplasztok, akárcsak a kloroplasztok, pontosan ugyanazt a DNS-t tartalmazzák, és pontosan ugyanazokból a protoplasztidokból képződnek. Ezért ezeket ugyanabban a vonatkozásban kell figyelembe venni. Valójában az amiloplasztokat a kloroplasztok különleges fajtájának kell tekinteni.
Hogyan keletkeznek az amiloplasztok?
Analógiát vonhatunk a protoplasztidák és az őssejtek között. Egyszerűen fogalmazva, az amiloplasztok egy bizonyos ponttól kissé eltérő úton kezdenek fejlődni. A tudósok azonban megtudtak valami érdekeset: sikerült elérniük a burgonyalevélből származó kloroplasztisz kölcsönös átalakulását amiloplasztokká (és fordítva). A kanonikus példa, amelyet minden iskolás ismer, az, hogy a burgonyagumó zöldre vált a fényben.
Egyéb információk ezen organellumok differenciálódási módjairól
Tudjuk, hogy a paradicsom, az alma és néhány más növény termésének érési folyamatában (ősszel a fák, füvek és cserjék leveleiben)"degradáció", amikor a kloroplasztok a növényi sejtben kromoplasztokká alakulnak. Ezek az organellumok színező pigmenteket, karotinoidokat tartalmaznak.
Ez az átalakulás annak a ténynek köszönhető, hogy bizonyos körülmények között a tilakoidok teljesen elpusztulnak, ami után az organellum más belső szerveződést kap. Itt ismét visszatérünk ahhoz a kérdéshez, amelyet már a cikk elején elkezdtünk tárgyalni: az atommag befolyása a kloroplasztiszok fejlődésére. A sejtek citoplazmájában szintetizálódó speciális fehérjék révén ez indítja be az organoid szerkezetátalakítási folyamatát.
Kloroplaszt szerkezet
Miután beszéltünk a kloroplasztiszok eredetéről és fejlődéséről, érdemes részletesebben foglalkoznunk szerkezetükkel. Ráadásul nagyon érdekes, és külön megbeszélést érdemel.
A kloroplasztiszok alapvető szerkezete két lipoprotein membránból áll, a belső és a külső. Mindegyik vastagsága körülbelül 7 nm, a köztük lévő távolság 20-30 nm. Más plasztidokhoz hasonlóan a belső réteg speciális struktúrákat alkot, amelyek az organoidba nyúlnak be. Az érett kloroplasztiszokban egyszerre kétféle ilyen "kanyargós" membrán létezik. Az előbbiek stromalamellákat, az utóbbiak tilakoid membránokat alkotnak.
Lamella és tilakoidok
Meg kell jegyezni, hogy egyértelmű kapcsolat van a kloroplaszt membrán és az organoid belsejében található hasonló képződmények között. A tény az, hogy egyes redői az egyik f altól a másikig terjedhetnek (mint a mitokondriumokban). Tehát a lamellák akár egyfajta "zsákot" vagy elágazót is alkothatnakhálózat. Leggyakrabban azonban ezek a szerkezetek egymással párhuzamosan helyezkednek el, és semmilyen módon nem kapcsolódnak egymáshoz.
Ne felejtse el, hogy a kloroplasztisz belsejében membrántilakoidok is vannak. Ezek zárt "táskák", amelyek egy halomba vannak elrendezve. Az előző esethez hasonlóan az üreg két fala között 20-30 nm távolság van. Ezeknek a "zsákoknak" az oszlopait gabonáknak nevezik. Minden oszlop legfeljebb 50 tilakoidot tartalmazhat, és bizonyos esetekben még több is van. Mivel az ilyen kötegek általános "méretei" elérhetik a 0,5 mikront, néha egy közönséges fénymikroszkóppal is kimutathatók.
A magasabb rendű növények kloroplasztiszában található szemek teljes száma elérheti a 40-60-at. Mindegyik tilakoid olyan szorosan tapad a másikhoz, hogy külső membránjaik egyetlen síkot alkotnak. A rétegvastagság a csomópontnál akár 2 nm is lehet. Vegye figyelembe, hogy az ilyen struktúrák, amelyeket a szomszédos tilakoidok és lamellák alkotnak, nem ritkák.
Az érintkezési helyükön egy réteg is található, amely néha eléri ugyanazt a 2 nm-t. Így a kloroplasztiszok (melyek szerkezete és funkciója igen összetett) nem egyetlen monolitikus szerkezet, hanem egyfajta „állapot az államban”. Bizonyos szempontból ezeknek az organellumoknak a szerkezete nem kevésbé bonyolult, mint a teljes sejtszerkezet!
A gránák pontosan a lamellák segítségével kapcsolódnak egymáshoz. De a tilakoidok üregei, amelyek halmokat alkotnak, mindig zártak, és semmilyen módon nem kommunikálnak az intermembránnal.hely. Amint látja, a kloroplasztiszok szerkezete meglehetősen összetett.
Milyen pigmentek találhatók a kloroplasztiszokban?
Mit tartalmazhat az egyes kloroplasztok strómái? Vannak egyedi DNS-molekulák és sok riboszóma. Az amiloplasztokban a keményítőszemcsék a stromában rakódnak le. Ennek megfelelően a kromoplasztokban vannak színező pigmentek. Természetesen vannak különféle kloroplaszt pigmentek, de a legelterjedtebb a klorofill. Egyszerre több típusra oszlik:
- A csoport (kék-zöld). Az esetek 70%-ában előfordul, minden magasabb rendű növény és alga kloroplasztiszában megtalálható.
- B csoport (sárga-zöld). A fennmaradó 30% magasabb rendű növényekben és algákban is megtalálható.
- A C, D és E csoport sokkal ritkább. Megtalálható néhány alacsonyabb szintű alga- és növényfaj kloroplasztiszában.
Nem ritka, hogy a vörös és barna hínárok kloroplasztiszaiban teljesen eltérő típusú szerves színezékek találhatók. Egyes algák általában szinte az összes létező kloroplaszt pigmentet tartalmaznak.
Kloroplaszt funkciók
Természetesen fő funkciójuk a fényenergia szerves komponensekké alakítása. Maga a fotoszintézis a szemekben, a klorofill közvetlen részvételével megy végbe. A napfény energiáját elnyeli, gerjesztett elektronok energiájává alakítja. Ez utóbbiak a túlzott készlettel többletenergiát bocsátanak ki, amelyet a víz lebontására és az ATP szintézisére használnak fel. Amikor a víz lebomlik, oxigén és hidrogén képződik. Az első, ahogy fentebb írtuk, egy melléktermék, és a környező térbe kerül, és a hidrogén egy speciális fehérjéhez, a ferredoxinhoz kötődik.
Újra oxidálódik, és a hidrogént redukálószerré adja át, amelyet a biokémiában NADP-nek neveznek. Ennek megfelelően redukált formája a NADP-H2. Egyszerűen fogalmazva, a fotoszintézis a következő anyagokat állítja elő: ATP, NADP-H2, és egy melléktermék oxigén formájában.
Az ATP energetikai szerepe
A kialakult ATP rendkívül fontos, mivel ez a fő energia "akkumulátora", amely a sejt különféle szükségleteihez megy. A NADP-H2 redukálószert, hidrogént tartalmaz, és ez a vegyület szükség esetén könnyen leadja azt. Egyszerűen fogalmazva, ez egy hatékony kémiai redukálószer: a fotoszintézis folyamatában sok olyan reakció megy végbe, amely nélküle egyszerűen nem mehet végbe.
Ezután a kloroplaszt enzimek lépnek életbe, amelyek a sötétben és a granon kívül hatnak: a redukálószer hidrogénét és az ATP energiáját a kloroplasztisz felhasználja számos szerves anyag szintézisének elindítására.. Mivel a fotoszintézis jó megvilágítás mellett megy végbe, a felhalmozódott vegyületeket maguk a növények szükségleteinek kielégítésére használják fel a sötét napszakban.
Jogosan észreveheti, hogy ez a folyamat bizonyos szempontból gyanúsan hasonlít a légzéshez. Miben különbözik ettől a fotoszintézis? A táblázat segít megérteni ezt a problémát.
| Összehasonlító tételek | Fotószintézis | Légzés |
| Amikor megtörténik | Csak nappali, napfényben | Bármikor |
| Ahol kiszivárog | Klorofilt tartalmazó sejtek | Minden élő sejt |
| Oxigén | Kiemelés | Abszorpció |
| CO2 | Abszorpció | Kiemelés |
| Szerves anyagok | Szintézis, részleges felosztás | Csak megosztott |
| Energia | Lenyelés | Kiemelkedik |
Így különbözik a fotoszintézis a légzéstől. A táblázat egyértelműen mutatja a fő különbségeket.
Néhány "paradoxon"
A további reakciók többsége ott, a kloroplasztisz strómájában játszódik le. A szintetizált anyagok további útja eltérő. Tehát az egyszerű cukrok azonnal túlmutatnak az organoidokon, és a sejt más részein felhalmozódnak poliszacharidok, elsősorban keményítő formájában. A kloroplasztiszokban a zsírok lerakódása és prekurzoraik előzetes felhalmozódása is megtörténik, amelyek aztán a sejt más területeire választódnak ki.
Egyértelműen meg kell érteni, hogy minden fúziós reakció óriási mennyiségű energiát igényel. Egyetlen forrása ugyanaz a fotoszintézis. Ez egy olyan folyamat, amely gyakran annyi energiát igényel, hogy meg kell szerezni,az előző szintézis eredményeként képződött anyagok tönkretétele! Így a folyamat során nyert energia nagy részét számos kémiai reakció végrehajtására fordítják magában a növényi sejtben.
Csak egy részét használják fel azon szerves anyagok közvetlen kinyerésére, amelyeket a növény saját növekedéséhez és fejlődéséhez vesz fel, vagy zsírok vagy szénhidrátok formájában lerakódik.
A kloroplasztiszok statikusak?
Általánosan elfogadott, hogy a sejtszervecskék, köztük a kloroplasztiszok (melyek szerkezetét és funkcióit részletesen ismertettük), szigorúan egy helyen helyezkednek el. Ez nem igaz. A kloroplasztok mozoghatnak a sejt körül. Gyenge fényviszonyok mellett tehát hajlamosak a cella legmegvilágítottabb oldala közelében elhelyezkedni, közepes és gyenge fényviszonyok között választhatnak néhány köztes pozíciót, amelyben a legtöbb napfényt sikerül „elkapniuk”. Ezt a jelenséget "fototaxisnak" nevezik.
A mitokondriumokhoz hasonlóan a kloroplasztiszok is meglehetősen autonóm organellumok. Saját riboszómáik vannak, számos rendkívül specifikus fehérjét szintetizálnak, amelyeket csak ők használnak. Vannak még speciális enzimkomplexek is, amelyek munkája során speciális lipidek keletkeznek, amelyek a lamellahéjak felépítéséhez szükségesek. Ezeknek az organellumoknak a prokarióta eredetéről már beszéltünk, de hozzá kell tenni, hogy egyes tudósok a kloroplasztiszokat egyes élősködő szervezetek ősi leszármazottainak tartják, amelyek először szimbionták lettek, majd teljesena cella szerves részévé váltak.
A kloroplasztiszok jelentősége
A növények számára ez nyilvánvaló – ez a növényi sejtek által felhasznált energia és anyagok szintézise. De a fotoszintézis egy olyan folyamat, amely biztosítja a szerves anyagok állandó felhalmozódását bolygóméretekben. A kloroplasztiszok szén-dioxidból, vízből és napfényből nagyszámú összetett, nagy molekulájú vegyületet képesek szintetizálni. Ez a képesség csak rájuk jellemző, és az ember még messze van attól, hogy ezt a folyamatot mesterséges körülmények között megismételje.
Bolygónk felszínén található összes biomassza létét ezeknek a legkisebb organellumoknak köszönheti, amelyek a növényi sejtek mélyén találhatók. Nélkülük, az általuk végzett fotoszintézis folyamata nélkül nem létezne élet a Földön a modern megnyilvánulásaiban.
Reméljük, megtanulta ebből a cikkből, hogy mi az a kloroplaszt, és mi a szerepe a növényi szervezetben.
