De plantenwereld is een van de belangrijkste rijkdommen van onze planeet. Het is dankzij de flora op aarde dat er zuurstof is die we allemaal inademen, er is een enorme voedselbasis waarvan alle levende wezens afhankelijk zijn. Planten zijn uniek omdat ze anorganische chemische verbindingen kunnen omzetten in organische stoffen.
Ze doen dit door middel van fotosynthese. Dit belangrijkste proces vindt plaats in specifieke plantorganellen, chloroplasten. Dit kleinste element zorgt eigenlijk voor het bestaan van al het leven op aarde. Trouwens, wat is een chloroplast?
Basisdefinitie
Dit is de naam van de specifieke structuren waarin de processen van fotosynthese plaatsvinden, die gericht zijn op de binding van koolstofdioxide en de vorming van bepaalde koolhydraten. Het bijproduct is zuurstof. Dit zijn langwerpige organellen, met een breedte van 2-4 micron, hun lengte bereikt 5-10 micron. Sommige soorten groene algen hebben soms gigantische chloroplasten die 50 micron lang zijn!
Dezelfde algen kunnen hebbeneen ander kenmerk: voor de hele cel hebben ze slechts één organel van deze soort. In de cellen van hogere planten zijn er meestal binnen 10-30 chloroplasten. In hun geval kunnen er echter opvallende uitzonderingen zijn. Dus in het palissadeweefsel van gewone shag zijn er 1000 chloroplasten per cel. Waar zijn deze chloroplasten voor? Fotosynthese is hun belangrijkste, maar verre van de enige rol. Om hun betekenis in het plantenleven goed te begrijpen, is het belangrijk om veel aspecten van hun oorsprong en ontwikkeling te kennen. Dit alles wordt beschreven in de rest van het artikel.
De oorsprong van de chloroplast
Dus, wat is een chloroplast, hebben we geleerd. Waar komen deze organellen vandaan? Hoe kwam het dat planten zo'n uniek apparaat ontwikkelden dat kooldioxide en water omzet in complexe organische verbindingen?
Op dit moment heerst onder wetenschappers het standpunt van de endosymbiotische oorsprong van deze organellen, aangezien hun onafhankelijke voorkomen in plantencellen nogal twijfelachtig is. Het is algemeen bekend dat korstmos een symbiose is van algen en schimmels. Eencellige algen leven in de paddestoelcel. Nu suggereren wetenschappers dat in de oudheid fotosynthetische cyanobacteriën in plantencellen zijn binnengedrongen en vervolgens gedeeltelijk hun "onafhankelijkheid" verloren, waardoor het grootste deel van het genoom naar de kern werd overgebracht.
Maar de nieuwe organoïde behield zijn hoofdkenmerk volledig. Het gaat gewoon over het proces van fotosynthese. Het apparaat zelf, dat nodig is om dit proces uit te voeren, wordt echter gevormd ondercontrole van zowel de celkern als de chloroplast zelf. De verdeling van deze organellen en andere processen die verband houden met de implementatie van genetische informatie in DNA worden dus gecontroleerd door de kern.
Bewijs
De hypothese van de prokaryotische oorsprong van deze elementen was relatief recent niet erg populair in de wetenschappelijke gemeenschap, velen beschouwden het als 'uitvindingen van amateurs'. Maar na een grondige analyse van de nucleotidesequenties in het DNA van chloroplasten, werd deze veronderstelling op briljante wijze bevestigd. Het bleek dat deze structuren sterk lijken op, zelfs verwant zijn aan het DNA van bacteriële cellen. Een vergelijkbare sequentie werd dus gevonden in vrijlevende cyanobacteriën. Met name de genen van het ATP-synthetiserende complex, evenals in de "machines" van transcriptie en translatie, bleken extreem vergelijkbaar te zijn.
Promotors die het begin bepalen van het lezen van genetische informatie uit DNA, evenals terminale nucleotidesequenties die verantwoordelijk zijn voor de beëindiging ervan, zijn ook georganiseerd in het beeld en de gelijkenis van bacteriële. Natuurlijk kunnen miljarden jaren van evolutionaire transformaties veel veranderingen in de chloroplast aanbrengen, maar de sequenties in de chloroplast-genen bleven absoluut hetzelfde. En dit is onweerlegbaar, volledig bewijs dat chloroplasten inderdaad ooit een prokaryotische voorouder hadden. Het kan het organisme zijn waaruit ook moderne cyanobacteriën zijn geëvolueerd.
Chloroplastontwikkeling van proplastiden
"Volwassen" organoïde ontwikkelt zich uit proplastiden. Dit is een kleine, volledig kleurlozeeen organel dat maar een paar micron groot is. Het is omgeven door een dicht dubbellaags membraan dat chloroplast-specifiek circulair DNA bevat. Deze "voorouders" van organellen hebben geen intern membraansysteem. Vanwege hun extreem kleine omvang is hun studie extreem moeilijk en daarom zijn er extreem weinig gegevens over hun ontwikkeling.
Het is bekend dat verschillende van deze protoplastiden aanwezig zijn in de kern van elke eicel van dieren en planten. Tijdens de ontwikkeling van het embryo delen ze zich en worden ze overgebracht naar andere cellen. Dit is gemakkelijk te verifiëren: genetische eigenschappen die op de een of andere manier met plastiden worden geassocieerd, worden alleen via de moederlijn overgedragen.
Het binnenmembraan van de protoplastide steekt tijdens de ontwikkeling uit in de organoïde. Uit deze structuren groeien thylakoïde membranen, die verantwoordelijk zijn voor de vorming van korrels en lamellen van het stroma van de organoïde. In volledige duisternis begint de protopastide te transformeren in de voorloper van de chloroplast (etioplast). Deze primaire organoïde wordt gekenmerkt door het feit dat er zich een vrij complexe kristallijne structuur in bevindt. Zodra er licht op het blad van de plant v alt, wordt deze volledig vernietigd. Daarna vindt de vorming van de "traditionele" interne structuur van de chloroplast plaats, die alleen wordt gevormd door thylakoïden en lamellen.
Verschillen in opslaginstallaties voor zetmeel
Elke meristeemcel bevat verschillende van deze proplastiden (hun aantal varieert afhankelijk van het type plant en andere factoren). Zodra dit primaire weefsel in een blad begint te veranderen, veranderen de voorloperorganellen in chloroplasten. Dus,jonge tarwebladeren die hun groei hebben voltooid, hebben chloroplasten in een hoeveelheid van 100-150 stuks. De zaken liggen iets gecompliceerder voor die planten die zetmeel kunnen accumuleren.
Ze slaan deze koolhydraten op in plastiden die amyloplasten worden genoemd. Maar wat hebben deze organellen te maken met het onderwerp van ons artikel? Aardappelknollen zijn immers niet betrokken bij fotosynthese! Laat me dit probleem in meer detail verduidelijken.
We ontdekten wat een chloroplast is, terwijl we de verbinding van deze organoïde met de structuren van prokaryotische organismen onthulden. Hier is de situatie vergelijkbaar: wetenschappers hebben lang ontdekt dat amyloplasten, net als chloroplasten, precies hetzelfde DNA bevatten en uit exact dezelfde protoplastiden worden gevormd. Daarom moeten ze in hetzelfde aspect worden beschouwd. In feite moeten amyloplasten worden beschouwd als een speciaal soort chloroplast.
Hoe worden amyloplasten gevormd?
Je kunt een analogie trekken tussen protoplastiden en stamcellen. Simpel gezegd, amyloplasten beginnen zich vanaf een bepaald punt op een iets ander pad te ontwikkelen. Wetenschappers leerden echter iets merkwaardigs: ze slaagden erin om de onderlinge transformatie van chloroplasten van aardappelbladeren in amyloplasten (en vice versa) te bewerkstelligen. Het canonieke voorbeeld, bekend bij elk schoolkind, is dat aardappelknollen groen worden in het licht.
Andere informatie over de manieren van differentiatie van deze organellen
We weten dat tijdens het rijpen van de vruchten van tomaten, appels en sommige andere planten (en in de bladeren van bomen, grassen en struiken in de herfst)"degradatie", wanneer chloroplasten in een plantencel veranderen in chromoplasten. Deze organellen bevatten kleurpigmenten, carotenoïden.
Deze transformatie is te wijten aan het feit dat onder bepaalde omstandigheden de thylakoïden volledig worden vernietigd, waarna het organel een andere interne organisatie krijgt. Hier komen we weer terug op de kwestie die we aan het begin van het artikel begonnen te bespreken: de invloed van de kern op de ontwikkeling van chloroplasten. Het is het, via speciale eiwitten die worden gesynthetiseerd in het cytoplasma van cellen, dat het proces van herstructurering van de organoïde initieert.
Chloroplast structuur
Nu we het hebben gehad over de oorsprong en ontwikkeling van chloroplasten, moeten we dieper ingaan op hun structuur. Bovendien is het erg interessant en verdient het een aparte discussie.
De basisstructuur van chloroplasten bestaat uit twee lipoproteïnemembranen, binnen en buiten. De dikte van elk is ongeveer 7 nm, de afstand tussen hen is 20-30 nm. Net als bij andere plastiden vormt de binnenste laag speciale structuren die uitsteken in de organoïde. In volwassen chloroplasten zijn er twee soorten van dergelijke "kronkelige" membranen tegelijk. De eerste vormen stromale lamellen, de laatste vormen thylakoïde membranen.
Lamella en thylakoïden
Opgemerkt moet worden dat er een duidelijk verband is dat het chloroplastmembraan heeft met vergelijkbare formaties in de organoïde. Het feit is dat sommige van zijn plooien zich van de ene wand naar de andere kunnen uitstrekken (zoals in mitochondriën). Dus de lamellen kunnen ofwel een soort "zak" of een vertakt vormennetwerk. Meestal bevinden deze structuren zich echter parallel aan elkaar en zijn ze op geen enkele manier met elkaar verbonden.
Vergeet niet dat er zich in de chloroplast ook membraanthylakoïden bevinden. Dit zijn gesloten "zakjes" die in een stapel worden gerangschikt. Net als in het vorige geval is er een afstand van 20-30 nm tussen de twee wanden van de holte. De kolommen van deze "zakken" worden granen genoemd. Elke kolom kan tot 50 thylakoïden bevatten, en in sommige gevallen zelfs meer. Aangezien de totale "afmetingen" van dergelijke stapels 0,5 micron kunnen bereiken, kunnen ze soms worden gedetecteerd met een gewone lichtmicroscoop.
Het totale aantal korrels in de chloroplasten van hogere planten kan oplopen tot 40-60. Elke thylakoïde hecht zo stevig aan de andere dat hun buitenste membranen een enkel vlak vormen. De laagdikte op de junctie kan oplopen tot 2 nm. Merk op dat dergelijke structuren, die worden gevormd door aangrenzende thylakoïden en lamellen, niet ongewoon zijn.
Op de plaatsen van hun contact is er ook een laag, die soms dezelfde 2 nm bereikt. Zo zijn chloroplasten (waarvan de structuur en functies zeer complex zijn) geen enkele monolithische structuur, maar een soort "staat binnen een staat". In sommige opzichten is de structuur van deze organellen niet minder complex dan de hele celstructuur!
Grana's zijn precies met elkaar verbonden met behulp van lamellen. Maar de holten van thylakoïden, die stapels vormen, zijn altijd gesloten en communiceren op geen enkele manier met het intermembraan.ruimte. Zoals je kunt zien, is de structuur van chloroplasten behoorlijk complex.
Welke pigmenten zitten er in bladgroenkorrels?
Wat kan er in het stroma van elke chloroplast zitten? Er zijn individuele DNA-moleculen en veel ribosomen. In amyloplasten worden zetmeelkorrels in het stroma afgezet. Dienovereenkomstig hebben chromoplasten daar kleurpigmenten. Natuurlijk zijn er verschillende chloroplastpigmenten, maar de meest voorkomende is chlorofyl. Het is verdeeld in verschillende typen tegelijk:
- Groep A (blauw-groen). Het komt in 70% van de gevallen voor, zit in de bladgroenkorrels van alle hogere planten en algen.
- Groep B (geel-groen). De overige 30% komt ook voor in hogere planten- en algensoorten.
- Groepen C, D en E zijn veel zeldzamer. Gevonden in de bladgroenkorrels van sommige soorten lagere algen en planten.
Het is niet ongebruikelijk dat rood en bruin zeewier totaal verschillende soorten organische kleurstoffen in hun chloroplasten hebben. Sommige algen bevatten over het algemeen bijna alle bestaande chloroplastpigmenten.
Chloroplast functies
Natuurlijk is hun belangrijkste functie het omzetten van lichtenergie in organische componenten. Fotosynthese zelf vindt plaats in granen met de directe deelname van chlorofyl. Het absorbeert de energie van zonlicht en zet het om in de energie van geëxciteerde elektronen. Deze laatste, met zijn overaanbod, geven overtollige energie af, die wordt gebruikt voor de afbraak van water en de synthese van ATP. Als water afbreekt, ontstaan zuurstof en waterstof. De eerste, zoals we hierboven schreven, is een bijproduct en komt vrij in de omringende ruimte, en waterstof bindt zich aan een speciaal eiwit, ferredoxine.
Het oxideert opnieuw en brengt waterstof over in een reductiemiddel, dat in de biochemie wordt afgekort als NADP. Dienovereenkomstig is de gereduceerde vorm NADP-H2. Simpel gezegd produceert fotosynthese de volgende stoffen: ATP, NADP-H2 en een bijproduct in de vorm van zuurstof.
De energierol van ATP
De gevormde ATP is uiterst belangrijk, omdat het de belangrijkste "accumulator" van energie is die naar de verschillende behoeften van de cel gaat. NADP-H2 bevat een reductiemiddel, waterstof, en deze verbinding kan het indien nodig gemakkelijk weggeven. Simpel gezegd, het is een effectief chemisch reductiemiddel: tijdens het proces van fotosynthese vinden er veel reacties plaats die gewoon niet zonder kunnen.
Vervolgens komen chloroplast-enzymen in het spel, die in het donker en buiten de gran werken: waterstof uit het reductiemiddel en de energie van ATP worden door de chloroplast gebruikt om de synthese van een aantal organische stoffen te starten. Aangezien fotosynthese plaatsvindt bij goede verlichting, worden de verzamelde verbindingen gebruikt voor de behoeften van de planten zelf tijdens de donkere tijd van de dag.
Je kunt terecht opmerken dat dit proces verdacht veel lijkt op het inademen van sommige aspecten. Waarin verschilt fotosynthese ervan? De tabel zal u helpen dit probleem te begrijpen.
| Vergelijkingsitems | Fotosynthese | Ademen |
| Als het gebeurt | Alleen overdag, in zonlicht | Altijd |
| Waar het lekt | Chlorofyl bevattende cellen | Alle levende cellen |
| Zuurstof | Markeren | Absorptie |
| CO2 | Absorptie | Markeren |
| Organische stof | Synthese, gedeeltelijke splitsing | Alleen splitsen |
| Energie | Slikken | Opvallend |
Zo verschilt fotosynthese van ademhaling. De tabel laat duidelijk hun belangrijkste verschillen zien.
Enkele "paradoxen"
De meeste verdere reacties vinden daar plaats, in het stroma van de chloroplast. Het verdere pad van de gesynthetiseerde stoffen is anders. Simpele suikers gaan dus onmiddellijk verder dan de organoïde en hopen zich op in andere delen van de cel in de vorm van polysachariden, voornamelijk zetmeel. In chloroplasten vinden zowel de afzetting van vetten als de voorlopige accumulatie van hun voorlopers plaats, die vervolgens worden uitgescheiden naar andere delen van de cel.
Het moet duidelijk zijn dat alle fusiereacties een enorme hoeveelheid energie vereisen. De enige bron is dezelfde fotosynthese. Dit is een proces dat vaak zoveel energie kost dat het moet worden gewonnen,het vernietigen van de stoffen die zijn gevormd als gevolg van de vorige synthese! Het grootste deel van de energie die daarbij wordt verkregen, wordt dus besteed aan het uitvoeren van vele chemische reacties in de plantencel zelf.
Slechts een deel ervan wordt gebruikt om direct die organische stoffen te verkrijgen die de plant nodig heeft voor zijn eigen groei en ontwikkeling of afzettingen in de vorm van vetten of koolhydraten.
Zijn chloroplasten statisch?
Het is algemeen aanvaard dat cellulaire organellen, inclusief chloroplasten (waarvan we de structuur en functies in detail hebben beschreven), zich strikt op één plaats bevinden. Dit is niet waar. Chloroplasten kunnen door de cel bewegen. Dus bij weinig licht hebben ze de neiging om een positie in te nemen in de buurt van de meest verlichte kant van de cel, in omstandigheden van gemiddeld en weinig licht kunnen ze een aantal tussenliggende posities kiezen waarin ze erin slagen het meeste zonlicht te "vangen". Dit fenomeen wordt "fototaxis" genoemd.
Net als mitochondriën zijn chloroplasten vrij autonome organellen. Ze hebben hun eigen ribosomen, ze synthetiseren een aantal zeer specifieke eiwitten die alleen door hen worden gebruikt. Er zijn zelfs specifieke enzymcomplexen, tijdens het werk waarvan speciale lipiden worden geproduceerd, die nodig zijn voor de constructie van lamellenschalen. We hebben het al gehad over de prokaryotische oorsprong van deze organellen, maar er moet aan worden toegevoegd dat sommige wetenschappers chloroplasten beschouwen als oude afstammelingen van enkele parasitaire organismen die eerst symbionten werden en daarna volledigzijn een integraal onderdeel van de cel geworden.
Het belang van chloroplasten
Voor planten is het duidelijk - dit is de synthese van energie en stoffen die door plantencellen worden gebruikt. Maar fotosynthese is een proces dat zorgt voor de constante accumulatie van organisch materiaal op planetaire schaal. Uit koolstofdioxide, water en zonlicht kunnen chloroplasten een groot aantal complexe hoogmoleculaire verbindingen synthetiseren. Dit vermogen is alleen voor hen kenmerkend, en een persoon is nog verre van het herhalen van dit proces in kunstmatige omstandigheden.
Alle biomassa op het oppervlak van onze planeet dankt zijn bestaan aan deze kleinste organellen, die zich in de diepten van plantencellen bevinden. Zonder hen, zonder het proces van fotosynthese dat door hen wordt uitgevoerd, zou er geen leven op aarde zijn in haar moderne manifestaties.
We hopen dat je uit dit artikel hebt geleerd wat een chloroplast is en wat zijn rol is in een plantaardig organisme.
