Chloroplastové funkce, struktura a proces fotosyntézy



chloroplasty Jedná se o typ buněčných organel vymezených komplexním systémem membrán, charakteristických pro rostliny a řasy. V tomto plastidu je chlorofyl, pigment zodpovědný za procesy fotosyntézy, zelená barva zeleniny a umožňuje autotrofní život těchto linií.

Kromě toho jsou chloroplasty spojeny s tvorbou metabolické energie (ATP - adenosintrifosfát), syntézou aminokyselin, vitamínů, mastných kyselin, lipidových složek jejich membrán a redukcí dusitanů. Má také úlohu při výrobě obranných látek proti patogenům.

Tato fotosyntetická organela má svůj vlastní kruhový genom (DNA) a předpokládá se, že stejně jako mitochondrie pocházejí z procesu symbiózy mezi hostitelem a rodovou fotosyntetickou bakterií..

Index

  • 1 Původ
    • 1.1 Endosymbiotická teorie
  • 2 Obecné charakteristiky
  • 3 Struktura
    • 3.1 Vnější a vnitřní membrány
    • 3.2 Thilakoidní membrána
    • 3.3 Tylakoidy
    • 3.4 Stroma
    • 3.5 Genom
  • 4 Funkce
    • 4.1 Fotosyntéza
    • 4.2 Syntéza biomolekul
    • 4.3 Obrana proti patogenům
  • 5 Další plastidy
  • 6 Odkazy

Původ

Chloroplasty jsou organely, které mají vlastnosti velmi vzdálených skupin organismů: řasy, rostliny a prokaryoty. Tento důkaz naznačuje, že organela pochází z prokaryotického organismu se schopností provádět fotosyntézu.

Odhaduje se, že první eukaryotický organismus, který má schopnost provádět fotosyntézu, vznikl asi před 1000 miliony let. Důkazy ukazují, že tento významný evoluční skok byl způsoben akvizicí cyanobakterií eukaryotickým hostitelem. Tento proces vedl k různým liniím červených, zelených a rostlinných řas.

Stejně tak existují i ​​sekundární a terciární symbiózy, ve kterých linie eukaryontů vytváří symbiotický vztah s jiným volně žijícím fotosyntetickým eukaryotem..

V průběhu evoluce byl genom předpokládané bakterie redukován a některé jeho geny byly přeneseny a integrovány do genomu jádra..

Organizace genomu současných chloroplastů se podobá organizaci prokaryotu, ale má také atributy genetického materiálu eukaryot.

Endosymbiotická teorie

Endosymbiotickou teorii navrhla Lynn Margulis v sérii knih publikovaných v 60. a 80. letech 20. století, ale byla to myšlenka, která fungovala od roku 1900, kterou navrhl Mereschkowsky.

Tato teorie vysvětluje původ chloroplastů, mitochondrií a bazálních těles přítomných v bičíku. Podle této hypotézy byly tyto struktury kdysi prostými prokaryotickými organismy.

Není mnoho důkazů na podporu endosymbiotického původu bazálních těl z mobilních prokaryot.

Na rozdíl od toho existují důležité důkazy podporující endosymbiotický původ mitochondrií z α-Proteobacteria az chloroplastů z cyanobakterií. Nejjasnějším a nejsilnějším důkazem je podobnost mezi oběma genomy.

Obecné vlastnosti

Chloroplasty jsou nejvýraznějším typem plastidů v rostlinných buňkách. Jsou to oválné struktury obklopené membránami a nejznámější proces autotrofních eukaryot se vyskytuje v jejich nitru: fotosyntéza. Jsou to dynamické struktury a mají svůj vlastní genetický materiál.

Obvykle se nacházejí na listech rostlin. Typická rostlinná buňka může mít 10 až 100 chloroplastů, i když počet je poměrně variabilní.

Podobně jako mitochondrie se dědičnost chloroplastů od rodičů k dětem vyskytuje na straně jednoho z rodičů a ne obou. Ve skutečnosti, tyto organelles jsou docela podobné mitochondria v různých aspektech, ačkoli komplexnější.

Struktura

Chloroplasty jsou velké organely o délce 5 až 10 μm. Charakteristiky této struktury mohou být vizualizovány pod tradičním optickým mikroskopem.

Jsou obklopeny dvojitou lipidovou membránou. Kromě toho mají třetí systém vnitřních membrán, tzv. Thylakoidní membrány.

Tento poslední membranózní systém tvoří soubor diskovitých struktur, známých jako tylakoidy. Spojení tylakoidů v pilotách se nazývá "grana" a jsou navzájem spojeny.

Díky tomuto trojitému systému membrán je vnitřní struktura chloroplastu složitá a je rozdělena do tří prostorů: intermembránového prostoru (mezi dvěma vnějšími membránami), stromatu (nalezeného v chloroplastech a mimo tylakoidní membránu) a poslední lumen tylakoidu.

Vnější a vnitřní membrány

Membránový systém souvisí s tvorbou ATP. Stejně jako membrány mitochondrií je to i vnitřní membrána, která určuje průchod molekul do organely. Fosfatidylcholin a fosfatidylglycerol jsou nejhojnějšími lipidy chloroplastových membrán.

Vnější membrána obsahuje řadu pórů. Malé molekuly mohou volně vstupovat těmito kanály. Na druhé straně vnitřní membrána neumožňuje volný průchod tohoto typu molekul s nízkou hmotností. Aby molekuly mohly vstoupit, musí tak učinit prostřednictvím specifických transportérů ukotvených na membráně.

V některých případech existuje struktura nazývaná periferní retikulum, tvořená sítí membrán, pocházejících specificky z vnitřní membrány chloroplastu. Někteří autoři je považují za jedinečné pro rostliny s metabolismem C4, i když byly nalezeny v rostlinách C3.

Funkce těchto tubulů a váčků ještě není jasná. Navrhuje se, že by mohly přispět k rychlému transportu metabolitů a proteinů uvnitř chloroplastu nebo ke zvýšení povrchu vnitřní membrány..

Thylakoidní membrána

V tomto membránovém systému dochází k řetězci přenosu elektronů, který se podílí na fotosyntetických procesech. Protony se přes tuto membránu čerpají ze stromatu do nitra tylakoidů.

Tento gradient vede k syntéze ATP, když protony směřují zpět do stromatu. Tento proces je ekvivalentní procesu, který se vyskytuje ve vnitřní membráně mitochondrií.

Tylakoidní membrána se skládá ze čtyř typů lipidů: monogalaktosyl diacylglycerol, digalaktosyl diacylglycerol, sulfochinovosil diacylglycerol a fosfatidylglycerol. Každý typ má speciální funkci v lipidové dvojvrstvě této sekce.

Tylakoidy

Tylakoidy jsou membranózní struktury ve formě sáčků nebo plochých disků, které jsou naskládány do tvarugrana"(Množné číslo této struktury je. \ T granum). Tyto disky mají průměr 300 až 600 nm. Ve vnitřním prostoru tylakoidu se nazývá lumen.

Architektura svazku tylakoidů je stále diskutována. Jsou navrženy dva modely: první je šroubovicový model, ve kterém jsou tylakoidy navíjeny mezi zrny ve tvaru šroubovice..

Naproti tomu druhý model navrhuje bifurkaci. Tato hypotéza naznačuje, že granu tvoří stromální bifurkace.

Stroma

Stroma je želatinová tekutina, která obklopuje tylakoidy a nachází se ve vnitřní oblasti chloroplastu. Tato oblast odpovídá cytosolu údajných bakterií, které způsobily tento typ plastidu.

V této oblasti najdete molekuly DNA a velké množství proteinů a enzymů. Konkrétně jsou enzymy podílející se na Calvinově cyklu nalezeny pro fixaci oxidu uhličitého ve fotosyntetickém procesu. Najdete zde také škrobové granule

V stromatu najdete chloroplasty chloroplastů, protože tyto struktury syntetizují své vlastní proteiny.

Genom

Jednou z nejvýraznějších vlastností chloroplastů je, že mají svůj vlastní genetický systém.

Genetický materiál chloroplastů se skládá z kruhových molekul DNA. Každá organela má více kopií této kruhové molekuly 12 až 16 kb (kilobáze). Jsou organizovány do struktur nazývaných nukleoidy a skládají se z 10 až 20 kopií plastidového genomu spolu s proteiny a molekulami RNA.

DNA chloroplastu kóduje přibližně 120 až 130 genů. Výsledkem jsou proteiny a RNA související s fotosyntetickými procesy, jako jsou složky fotosystému I a II, ATP syntáza a jedna z podjednotek Rubisco.

Rubisco (ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxyláza / oxygenáza) je klíčovým komplexem enzymů v Calvinově cyklu. Ve skutečnosti je považován za nejhojnější protein na planetě Zemi.

Transferové RNA a ribozomy se používají v translaci RNA zpráv, které jsou kódovány v chloroplastovém genomu. Zahrnuje ribozomální RNA 23S, 16S, 5S a 4,5S a transferovou RNA. Také kóduje 20 ribozomálních proteinů a určité podjednotky RNA polymerázy.

Nicméně určité elementy nezbytné pro fungování chloroplastu jsou kódovány v jaderném genomu rostlinné buňky.

Funkce

Chloroplasty lze považovat za důležitá metabolická centra v rostlinách, kde dochází k mnoha biochemickým reakcím díky širokému spektru enzymů a proteinů ukotvených na membránách, které tyto organely obsahují..

Mají kritickou funkci v rostlinných organismech: jedná se o místo, kde dochází k fotosyntetickým procesům, kde se sluneční světlo přeměňuje na uhlohydráty, přičemž sekundární produkt tvoří kyslík..

Série sekundárních funkcí biosyntézy se také vyskytuje v chloroplastech. Dále probereme podrobně každou funkci:

Fotosyntéza

Fotosyntéza probíhá díky chlorofylu. Tento pigment se nachází uvnitř chloroplastů, v membránách tylakoidů.

Skládá se ze dvou částí: prsten a ocas. Kroužek obsahuje hořčík a je zodpovědný za absorpci světla. Může absorbovat modré světlo a červené světlo, což odráží zelenou plochu světelného spektra.

Fotosyntetické reakce probíhají díky přenosu elektronů. Energie přicházející ze světla dodává energii chlorofylovému pigmentu (molekula se říká, že je "excitována světlem"), což způsobuje pohyb těchto částic v membráně tylakoidů. Chlorofyl dostane své elektrony z molekuly vody.

Výsledkem tohoto procesu je tvorba elektrochemického gradientu, který umožňuje syntézu ATP ve stromatu. Tato fáze je také známá jako "světelná".

Druhá část fotosyntézy (nebo temná fáze) se vyskytuje ve stromatu a pokračuje v cytosolu. To je také známé jako reakce fixace uhlíku. V této fázi se produkty z výše uvedených reakcí používají k výrobě sacharidů z CO2.

Syntéza biomolekul

Kromě toho mají chloroplasty další specializované funkce, které umožňují rozvoj a růst rostliny.

V této organele dochází k asimilaci dusičnanů a sulfátů a mají potřebné enzymy pro syntézu aminokyselin, fytohormonů, vitaminů, mastných kyselin, chlorofylu a karotenoidů.

Některé studie identifikovaly významný počet aminokyselin syntetizovaných touto organelou. Kirk et al studovali produkci aminokyselin v chloroplastech Vicia faba L.

Tito autoři zjistili, že nejhojnější syntetizované aminokyseliny byly glutamát, aspartát a threonin. Byly také syntetizovány jiné typy, jako alanin, serin a glycin, ale v menším množství. Zbývajících třináct aminokyselin bylo také detekováno.

Byly schopny izolovat různé geny, které se podílejí na syntéze lipidů. Chloroplasty mají nezbytné cesty pro syntézu izoprenoidních lipidů, nezbytných pro produkci chlorofylu a dalších pigmentů..

Obrana proti patogenům

Rostliny nemají rozvinutý imunitní systém podobný zvířatům. Buněčné struktury proto musí produkovat antimikrobiální látky, aby se mohly bránit proti škodlivým činitelům. Za tímto účelem mohou rostliny syntetizovat reaktivní formy kyslíku (ROS) nebo kyselinu salicylovou.

Chloroplasty se vztahují k produkci těchto látek, které eliminují možné patogeny vstupující do rostliny.

Podobně fungují jako "molekulární senzory" a účastní se výstražných mechanismů, které sdělují informace dalším organelám.

Další plastidy

Chloroplasty patří do rodiny rostlinných organel nazývaných plastidy nebo plastidy. Chloroplasty se liší hlavně od zbytku plastidů, protože mají chlorofylový pigment. Ostatní plastidy jsou:

-Tyto chromoplasty: tyto struktury obsahují karotenoidy, jsou přítomny v květinách a květinách. Díky těmto pigmentům mají zeleninové struktury žluté, oranžové a červené barvy.

-Leucoplastos: tyto plastidia neobsahují pigmenty, a proto jsou bílé. Slouží jako rezerva a nacházejí se v orgánech, které nepřijímají přímé světlo.

-Amyloplasty: obsahují škrob a nacházejí se v kořenech a hlízách.

Plastidy pocházejí ze struktur nazývaných protoplastidie. Jedním z nejvýraznějších rysů plastidů je jejich vlastnost měnit typ, i když jsou již ve zralém stádiu. Tato změna je vyvolána environmentálními nebo vnitřními signály ze zařízení.

Například chloroplasty jsou schopné vyvolat chromoplasty. Pro tuto změnu se tylakoidní membrána rozpadá a syntetizují se karotenoidy.

Odkazy

  1. Allen, J. F. (2003). Proč Chloroplasty a Mitochondria obsahují Genomy. Srovnávací a funkční genomika, 4(1), 31-36.
  2. Cooper, G. M (2000). Buňka: Molekulární přístup. Druhé vydání. Sinauer Associates
  3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M., & Chang, W.-J. (2016). Chloroplastové genomy: diverzita, vývoj a aplikace v genetickém inženýrství. Biologie genomu, 17, 134.
  4. Gracen, V.E., Hilliard, J.H., Brown, R.H., & West, S.H. (1972). Periferní retikulum v chloroplastech rostlin lišících se cestou fixace CO 2 a fotorezpirací. Závod, 107(3), 189-204.
  5. Gray, M. W. (2017). Lynn Margulis a hypotéza endosymbiontů: o 50 let později. Molekulární biologie buňky, 28(10), 1285-1287.
  6. Jensen, P. E., & Leister, D. (2014). Vývoj, struktura a funkce chloroplastů. F1000Prime Reports, 6, 40.
  7. Kirk, P. R., & Leech, R. M. (1972). Biosyntéza aminokyselin izolovanými chlorplasty během fotosyntézy . Fyziologie rostlin, 50(2), 228-234.
  8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Úloha lipidů v bioplazii chloroplastů. In Lipidy ve vývoji rostlin a řas (str. 103-125). Springer, Cham.
  9. Sowden, R.G., Watson, S.J., & Jarvis, P. (2017). Úloha chloroplastů v patologii rostlin. Eseje v biochemii, EBC20170020.
  10. Wise, R. R., & Hoober, J. K. (2007). Struktura a funkce plastidů. Springer Science & Business Media.