Rastlinski svet je eno glavnih bogastev našega planeta. Zahvaljujoč rastlinstvu na Zemlji obstaja kisik, ki ga vsi dihamo, obstaja ogromna hranilna baza, od katere so odvisna vsa živa bitja. Rastline so edinstvene po tem, da lahko pretvarjajo anorganske kemične spojine v organske snovi.
To počnejo s fotosintezo. Ta najpomembnejši proces poteka v posebnih rastlinskih organelah, kloroplastih. Ta najmanjši element dejansko zagotavlja obstoj vsega življenja na planetu. Mimogrede, kaj je kloroplast?
Osnovna definicija
To je ime specifičnih struktur, v katerih potekajo procesi fotosinteze, ki so usmerjeni v vezavo ogljikovega dioksida in tvorbo določenih ogljikovih hidratov. Stranski produkt je kisik. To so podolgovate organele, ki dosežejo širino 2-4 mikronov, njihova dolžina doseže 5-10 mikronov. Nekatere vrste zelenih alg imajo včasih velikanske kloroplaste, ki so dolgi 50 mikronov!
Ista alga lahko imaše ena lastnost: za celotno celico imajo samo en organel te vrste. V celicah višjih rastlin je najpogosteje znotraj 10-30 kloroplastov. Vendar pa lahko v njihovem primeru obstajajo presenetljive izjeme. Torej je v palisadnem tkivu navadnega vražja 1000 kloroplastov na celico. Za kaj so ti kloroplasti? Fotosinteza je njihova glavna, a še zdaleč edina vloga. Da bi jasno razumeli njihov pomen v življenju rastlin, je pomembno poznati številne vidike njihovega izvora in razvoja. Vse to je opisano v nadaljevanju članka.
Izvor kloroplasta
Torej, kaj je kloroplast, smo izvedeli. Od kod so prišli ti organeli? Kako se je zgodilo, da so rastline razvile tako edinstveno napravo, ki pretvarja ogljikov dioksid in vodo v kompleksne organske spojine?
Trenutno med znanstveniki prevladuje stališče o endosimbiotičnem izvoru teh organelov, saj je njihovo samostojno pojavljanje v rastlinskih celicah precej dvomljivo. Znano je, da je lišaj simbioza alg in gliv. Enocelične alge živijo v celici gob. Zdaj znanstveniki predlagajo, da so v starih časih fotosintetične cianobakterije prodrle v rastlinske celice in nato delno izgubile svojo "neodvisnost" in prenesle večino genoma v jedro.
Toda novi organoid je v celoti ohranil svojo glavno lastnost. Gre le za proces fotosinteze. Vendar pa je sam aparat, potreben za izvedbo tega postopka, oblikovan podnadzor nad celičnim jedrom in samim kloroplastom. Tako delitev teh organelov in druge procese, povezane z implementacijo genetskih informacij v DNK, nadzoruje jedro.
Dokazi
Relativno nedavno hipoteza o prokariontskem izvoru teh elementov v znanstveni skupnosti ni bila zelo priljubljena, mnogi so jo smatrali za "izume amaterjev". Toda po poglobljeni analizi nukleotidnih zaporedij v DNK kloroplastov je bila ta domneva sijajno potrjena. Izkazalo se je, da so te strukture izjemno podobne, celo povezane z DNK bakterijskih celic. Torej je bilo podobno zaporedje ugotovljeno pri prostoživečih cianobakterijah. Zlasti so se izkazali za izjemno podobni geni kompleksa za sintezo ATP, pa tudi v "strojih" transkripcije in prevajanja.
Promotorji, ki določajo začetek branja genetskih informacij iz DNK, pa tudi končna nukleotidna zaporedja, ki so odgovorna za njeno prekinitev, so organizirani tudi po podobi in podobnosti bakterijskih. Seveda bi lahko milijarde let evolucijskih transformacij povzročile številne spremembe na kloroplastu, vendar so zaporedja v genih kloroplasta ostala popolnoma enaka. In to je neizpodbitni, popoln dokaz, da so kloroplasti nekoč res imeli prokariontskega prednika. Morda je bil to organizem, iz katerega so se razvile tudi sodobne cianobakterije.
Razvoj kloroplasta iz proplastidov
"Odrasli" organoid se razvije iz proplastidov. To je majhna, popolnoma brezbarvnaorganela, ki ima premer le nekaj mikronov. Obdan je z gosto dvoslojno membrano, ki vsebuje krožno DNK, specifično za kloroplast. Ti "predniki" organelov nimajo notranjega membranskega sistema. Zaradi njihove izjemno majhne velikosti je njihovo preučevanje izjemno težko, zato je podatkov o njihovem razvoju izjemno malo.
Znano je, da je več teh protoplastidov prisotnih v jedru vsake jajčne celice živali in rastlin. Med razvojem zarodka se delijo in prenašajo v druge celice. To je enostavno preveriti: genetske lastnosti, ki so nekako povezane s plastidi, se prenašajo samo po materini liniji.
Notranja membrana protoplastida med razvojem štrli v organoid. Iz teh struktur rastejo tilakoidne membrane, ki so odgovorne za nastanek zrnc in lamel strome organoida. V popolni temi se protopastid začne spreminjati v predhodnika kloroplasta (etioplasta). Za ta primarni organoid je značilno, da se znotraj njega nahaja precej zapletena kristalna struktura. Takoj, ko svetloba zadene list rastline, je popolnoma uničen. Po tem pride do tvorbe "tradicionalne" notranje strukture kloroplasta, ki jo tvorijo samo tilakoidi in lamele.
Razlike v obratih za shranjevanje škroba
Vsaka meristemska celica vsebuje več teh proplastidov (njihovo število se razlikuje glede na vrsto rastline in druge dejavnike). Takoj, ko se to primarno tkivo začne spreminjati v list, se predhodne organele spremenijo v kloroplaste. torejmladi listi pšenice, ki so končali svojo rast, imajo kloroplaste v količini 100-150 kosov. Za tiste rastline, ki so sposobne kopičiti škrob, so stvari nekoliko bolj zapletene.
Ta ogljikov hidrat hranijo v plastidih, imenovanih amiloplasti. Toda kaj imajo ti organeli opraviti s temo našega članka? Konec koncev, gomolji krompirja ne sodelujejo pri fotosintezi! Naj to vprašanje razjasnim bolj podrobno.
Ugotovili smo, kaj je kloroplast, ob tem pa razkrili povezavo tega organoida s strukturami prokariontskih organizmov. Tukaj je situacija podobna: znanstveniki so že dolgo ugotovili, da amiloplasti, tako kot kloroplasti, vsebujejo popolnoma enako DNK in so nastali iz popolnoma enakih protoplastidov. Zato jih je treba obravnavati z enakega vidika. Pravzaprav je treba amiloplaste obravnavati kot posebno vrsto kloroplasta.
Kako nastanejo amiloplasti?
Lahko potegnemo analogijo med protoplastidi in matičnimi celicami. Preprosto povedano, amiloplasti se od neke točke začnejo razvijati po nekoliko drugačni poti. Znanstveniki pa so izvedeli nekaj radovednega: uspelo jim je doseči medsebojno preoblikovanje kloroplastov iz listov krompirja v amiloplaste (in obratno). Kanonični primer, ki ga pozna vsak šolar, je, da krompirjevi gomolji na svetlobi postanejo zeleni.
Druge informacije o načinih diferenciacije teh organelov
Vemo, da v procesu zorenja plodov paradižnika, jabolk in nekaterih drugih rastlin (in jeseni v listih dreves, trav in grmovnic)"razgradnja", ko se kloroplasti v rastlinski celici spremenijo v kromoplaste. Ti organeli vsebujejo barvne pigmente, karotenoide.
Ta preobrazba je posledica dejstva, da se pod določenimi pogoji tilakoidi popolnoma uničijo, nakar organela pridobi drugačno notranjo organizacijo. Tu se spet vračamo k vprašanju, ki smo ga začeli obravnavati na samem začetku članka: vpliv jedra na razvoj kloroplastov. Prav s posebnimi beljakovinami, ki se sintetizirajo v citoplazmi celic, sproži proces prestrukturiranja organoida.
struktura kloroplasta
Ko smo govorili o nastanku in razvoju kloroplastov, se moramo podrobneje posvetiti njihovi zgradbi. Poleg tega je zelo zanimivo in si zasluži ločeno razpravo.
Osnovno strukturo kloroplastov sestavljata dve lipoproteinski membrani, notranja in zunanja. Debelina vsakega je približno 7 nm, razdalja med njima je 20-30 nm. Tako kot v primeru drugih plastidov notranja plast tvori posebne strukture, ki štrlijo v organoid. V zrelih kloroplastih sta naenkrat dve vrsti takšnih "zavitih" membran. Prvi tvorijo stromalne lamele, drugi tvorijo tilakoidne membrane.
Lamela in tilakoidi
Upoštevati je treba, da obstaja jasna povezava, ki jo ima membrana kloroplasta s podobnimi formacijami, ki se nahajajo znotraj organoida. Dejstvo je, da se nekatere njegove gube lahko raztezajo od ene stene do druge (kot v mitohondrijih). Tako lahko lamele tvorijo bodisi nekakšno "vrečo" ali razvejanoomrežje. Vendar pa se te strukture najpogosteje nahajajo vzporedno ena z drugo in niso na noben način povezane.
Ne pozabite, da so znotraj kloroplasta tudi membranski tilakoidi. To so zaprte "vrečke", ki so razporejene v kup. Tako kot v prejšnjem primeru je med obema stenama votline razdalja 20-30 nm. Stolpci teh "vrečk" se imenujejo zrna. Vsak stolpec lahko vsebuje do 50 tilakoidov, v nekaterih primerih pa jih je celo več. Ker lahko skupne "dimenzije" takšnih skladov dosežejo 0,5 mikrona, jih je včasih mogoče zaznati z običajnim svetlobnim mikroskopom.
Skupno število zrn, ki jih vsebujejo kloroplasti višjih rastlin, lahko doseže 40-60. Vsak tilakoid se tako tesno oprime drugega, da njihove zunanje membrane tvorijo eno samo ravnino. Debelina plasti na stičišču je lahko do 2 nm. Upoštevajte, da takšne strukture, ki jih tvorijo sosednji tilakoidi in lamele, niso redke.
Na mestih njihovega stika je tudi plast, ki včasih doseže enaka 2 nm. Tako kloroplasti (katerih zgradba in funkcije so zelo zapleteni) niso ena sama monolitna struktura, ampak nekakšna "država v državi". V nekaterih pogledih struktura teh organelov ni nič manj zapletena kot celotna celična struktura!
Grane so med seboj povezane natančno s pomočjo lamel. Toda votline tilakoidov, ki tvorijo sklade, so vedno zaprte in na noben način ne komunicirajo z intermembrano.prostor. Kot lahko vidite, je struktura kloroplastov precej zapletena.
Katere pigmente lahko najdemo v kloroplastih?
Kaj lahko vsebuje stroma vsakega kloroplasta? Obstajajo posamezne molekule DNK in številni ribosomi. V amiloplastih se v stromi odlagajo škrobna zrna. V skladu s tem imajo kromoplasti tam barvne pigmente. Seveda obstajajo različni pigmenti kloroplastov, vendar je najpogostejši klorofil. Razdeljen je na več vrst hkrati:
- Skupina A (modro-zelena). Pojavlja se v 70 % primerov, vsebovan je v kloroplastih vseh višjih rastlin in alg.
- Skupina B (rumeno-zelena). Preostalih 30 % najdemo tudi v višjih vrstah rastlin in alg.
- Skupine C, D in E so veliko redkejše. Najdemo ga v kloroplastih nekaterih vrst nižjih alg in rastlin.
Ni neobičajno, da imajo rdeče in rjave morske alge v svojih kloroplastih popolnoma različne vrste organskih barvil. Nekatere alge na splošno vsebujejo skoraj vse obstoječe kloroplastne pigmente.
Funkcije kloroplasta
Seveda je njihova glavna funkcija pretvarjanje svetlobne energije v organske sestavine. Sama fotosinteza poteka v zrnih z neposredno udeležbo klorofila. Absorbira energijo sončne svetlobe in jo pretvarja v energijo vzbujenih elektronov. Slednji s svojo presežno zalogo oddajajo odvečno energijo, ki se uporablja za razgradnjo vode in sintezo ATP. Ko voda razpade, nastaneta kisik in vodik. Prvi je, kot smo zapisali zgoraj, stranski produkt in se sprošča v okoliški prostor, vodik pa se veže na posebno beljakovino, feredoksin.
Spet oksidira in vodik prenese v redukcijsko sredstvo, ki je v biokemiji skrajšano kot NADP. V skladu s tem je njegova reducirana oblika NADP-H2. Preprosto povedano, fotosinteza proizvaja naslednje snovi: ATP, NADP-H2 in stranski produkt v obliki kisika.
Energijska vloga ATP
Nastali ATP je izjemno pomemben, saj je glavni "akumulator" energije, ki gre za različne potrebe celice. NADP-H2 vsebuje redukcijsko sredstvo, vodik, in ta spojina ga lahko zlahka odda, če je potrebno. Preprosto povedano, je učinkovito kemično redukcijsko sredstvo: v procesu fotosinteze potekajo številne reakcije, ki brez njega preprosto ne morejo potekati.
Naprej nastopijo encimi kloroplasta, ki delujejo v temi in izven grana: vodik iz redukcijskega sredstva in energijo ATP uporablja kloroplast za začetek sinteze številnih organskih snovi.. Ker fotosinteza poteka v pogojih dobre osvetlitve, se nakopičene spojine porabijo za potrebe rastlin v temnem času dneva.
Upravičeno lahko opazite, da je ta proces v nekaterih pogledih sumljivo podoben dihanju. Kako se fotosinteza razlikuje od nje? Tabela vam bo pomagala razumeti to vprašanje.
| Primerjevalni predmeti | fotosinteza | Dihanje |
| Ko se zgodi | Samo podnevi, ob sončni svetlobi | Kadarkoli |
| Kje pušča | Celice, ki vsebujejo klorofil | Vse žive celice |
| kisik | Poudarek | Absorpcija |
| CO2 | Absorpcija | Poudarek |
| organske snovi | Sinteza, delna delitev | Samo razdelitev |
| Energija | požiranje | Izstopa |
Tako se fotosinteza razlikuje od dihanja. Tabela jasno kaže njihove glavne razlike.
Nekaj "paradoksov"
Večina nadaljnjih reakcij poteka prav tam, v stromi kloroplasta. Nadaljnja pot sintetiziranih snovi je drugačna. Tako preprosti sladkorji takoj presežejo organoid in se kopičijo v drugih delih celice v obliki polisaharidov, predvsem škroba. V kloroplastih se zgodi tako odlaganje maščob kot predhodno kopičenje njihovih predhodnikov, ki se nato izločijo v druga področja celice.
Jasno je treba razumeti, da vse fuzijske reakcije zahtevajo ogromno energije. Njegov edini vir je ista fotosinteza. To je proces, ki pogosto zahteva toliko energije, da jo je treba pridobiti,uničenje snovi, ki so nastale kot posledica prejšnje sinteze! Tako se večina energije, ki se pridobi pri njegovem poteku, porabi za izvajanje številnih kemičnih reakcij v sami rastlinski celici.
Le nekaj se ga uporablja za neposredno pridobivanje tistih organskih snovi, ki jih rastlina vzame za lastno rast in razvoj ali odlaga v obliki maščob ali ogljikovih hidratov.
Ali so kloroplasti statični?
Na splošno velja, da se celične organele, vključno s kloroplasti (katere strukturo in funkcije smo podrobno opisali), nahajajo strogo na enem mestu. To ni res. Kloroplasti se lahko premikajo po celici. Tako se pri šibki svetlobi nagibajo k položaju blizu najbolj osvetljene strani celice, v pogojih srednje in šibke svetlobe pa lahko izberejo nekaj vmesnih položajev, v katerih uspejo »uloviti« največ sončne svetlobe. Ta pojav se imenuje "fototaksija".
Tako kot mitohondriji so kloroplasti precej avtonomni organeli. Imajo lastne ribosome, sintetizirajo številne visoko specifične beljakovine, ki jih uporabljajo samo oni. Obstajajo celo specifični encimski kompleksi, med delovanjem katerih nastajajo posebni lipidi, ki so potrebni za gradnjo lamelnih lupin. O prokariotskem izvoru teh organelov smo že govorili, vendar je treba dodati, da nekateri znanstveniki menijo, da so kloroplasti starodavni potomci nekaterih parazitskih organizmov, ki so najprej postali simbionti, nato pa popolnomaso postali sestavni del celice.
Pomen kloroplastov
Za rastline je očitno – to je sinteza energije in snovi, ki jih uporabljajo rastlinske celice. Toda fotosinteza je proces, ki zagotavlja stalno kopičenje organske snovi na planetarnem merilu. Iz ogljikovega dioksida, vode in sončne svetlobe lahko kloroplasti sintetizirajo ogromno kompleksnih visokomolekularnih spojin. Ta sposobnost je značilna samo zanje in človek je še daleč od tega, da bi ta proces ponovil v umetnih pogojih.
Vsa biomasa na površini našega planeta svoj obstoj dolguje tem najmanjšim organelom, ki se nahajajo v globinah rastlinskih celic. Brez njih, brez procesa fotosinteze, ki ga izvajajo sami, ne bi bilo življenja na Zemlji v njegovih sodobnih oblikah.
Upamo, da ste se iz tega članka naučili, kaj je kloroplast in kakšna je njegova vloga v rastlinskem organizmu.
