Chloroplastai: augalų fotosintezės organelės — struktūra ir funkcijos
Sužinokite apie chloroplastų struktūrą ir funkcijas: kaip chlorofilas, CO2 ir H2O kuria cukrų, išskiria O2, kaupina energiją ir lemia augalų pigmentaciją.
Chloroplastai yra mažos organelės augalų ir dumblių ląstelėse. Jos sugeria šviesą ir gamina cukrų, kuris vadinamas fotosintezės procesu. Cukrus gali būti saugomas krakmolo pavidalu. Chloroplastuose yra molekulė chlorofilas, kuris sugeria saulės šviesą fotosintezei. Be chlorofilo, chloroplastas naudoja anglies dioksidą (CO2 ) ir vandenį (H2 O) cukrui gaminti ir išskiria deguonį (O2 ). Chlorofilas suteikia žaliesiems augalams žalią spalvą. Chloroplastuose taip pat yra įvairių geltonos ir oranžinės spalvos pigmentų, padedančių surinkti fotonus fotosintezei.
Struktūra
Chloroplastai yra apgaubti dviem membranomis — išorine ir vidine — ir tarp jų yra tarpas. Viduje yra stroma: pusiau skystas terpės sluoksnis, kuriame vyksta daug biocheminių reakcijų. Stromoje yra chloroplastų DNR, ribosomos ir fermentai. Svarbiausia vidinė struktūra — tilakoidai: plokščios membraninės kišenėlės, kurios sudaro stogelius, vadinamus granomis (granos), bei atskiras tilakoidų erdves (tilakoidų liumenas). Tilakoidų membranos yra vieta, kur vyksta šviesos priklausomos fotosintezės reakcijos.
- Dviguba membrana: apsaugo ir reguliuoja medžiagų mainus.
- Stroma: čia vyksta anglies fiksacija (Calvino ciklas) ir krakmolo kaupimas.
- Tilakoidai ir grana: vieta, kur fotonų energija paverčiama cheminėmis jungtimis (ATP, NADPH) ir kur išskiriamas O2.
- Plastidų DNR ir ribosomos: chloroplastai turi savo genetinę informaciją ir gali sintetinti kai kuriuos baltymus savarankiškai.
Fotosintezės etapai ir pagrindinės funkcijos
Chloroplastų pagrindinė funkcija — paversti šviesos energiją cheminėmis jungtimis ir sintetinti organines medžiagas iš neorganinių. Fotosintezė susideda iš dviejų pagrindinių etapų:
- Šviesos priklausomos reakcijos (tilakoidų membranose): fotonai sugeriami pigmentų kompleksų (pvz., chlorofilų) ir energija naudojama vandens skaidymui (fotolizė), taip išsiskiria O2, susidaro ATP ir redukuotas NADPH.
- Šviesos nepriklausomos reakcijos — Calvino ciklas (stromoje): naudojant ATP ir NADPH anglies dioksidas (CO2) fiksuojamas ir paverčiamas cukriais (pvz., triozėmis), kurie vėliau gali būti perdirbami į ilgesnius angliavandenilius arba saugomi kaip krakmolas.
Be cukraus sintezės, chloroplastai atlieka ir kitas funkcijas: dalyvauja rūgščių ir lipidų biosintezėje, sintetina tam tikrus pigmentus, prisideda prie ląstelės redoks balansų ir signalizacijos, bei kaupia energiją ilgesniam laikui (krakmolo grūdeliai stromoje).
Chlorofilas ir kiti pigmentai
Chloroplastuose esantys pigmentai sugeria skirtingas šviesos bangas. Pagrindinis — chlorofilas (chlorofilas a ir chlorofilas b), kuris sugeria mėlyną ir raudoną šviesą, palikdamas augalus žaliais. Kiti pigmentai — karotinoidai ir ksantofilai — sugeria papildomas bangas, plečia absorbcijos spektrą ir apsaugo nuo fotosintezės sistemos pertekliumi energijos (fotoprotekcija).
Chloroplastų kilmė ir sandara
Dauguma mokslininkų palaiko endosimbiozės teoriją: chloroplastai kilę iš fotosintetinančių cianobakterijų, kurios kažkada įsiterpė į primityvias eukariotų ląsteles ir tapo jų organelėmis. Tai paaiškina chloroplastų dvigubą membraną, jų savą, apskritą DNR ir bakterijai panašias ribosomas.
Kur randami chloroplastai ir kaip jie elgiasi
Daugiausia chloroplastų randama augalų lapų mezofilio ląstelėse, tačiau plastidai aptinkami ir kituose audiniuose (pvz., žieduose, sėklose), kur jie gali turėti skirtingas formas ir funkcijas (pvz., chromoplastai pigmentacijai). Chloroplastai gali judėti ląstelėje (pvz., prisiderinti prie šviesos intensyvumo), taip optimizuodami šviesos sugertį ir apsaugodami nuo perteklinės šviesos.
Faktoriai, lemiantys fotosintezės efektyvumą
- Šviesos intensyvumas ir kokybė: skirtingos šviesos bangos skirtingai veikia fotosintezę.
- CO2 koncentracija: riboja Calvino ciklą esant mažam prieinamumui.
- Temperatūra: veikia fermentų aktyvumą stromoje; per aukšta arba per žema temperatūra mažina procesų efektyvumą.
- Vanduo ir maisto medžiagos: sausrų metu arba esant trūkumams (pvz., azoto) chloroplastų funkcija silpnėja.
Reikšmė ir pritaikymai
Chloroplastai yra gyvybiškai svarbūs visai biosferai: jie palaiko deguonies ciklą ir yra pagrindinis organinių medžiagų (ir maisto grandinės) šaltinis. Žemės ūkyje ir biotechnologijose supratimas, kaip gerinti fotosintezės efektyvumą arba stabilumą (pvz., didinant CO2 panaudojimą ar prisitaikymą prie klimato streso), turi didelę praktinę reikšmę. Taip pat chloroplastų tyrimai naudojami genų inžinerijoje: tam tikri genai gali būti orientuoti į chloroplastus, siekiant pakeisti metabolinius takus ar padidinti produktyvumą.
Santrauka
Chloroplastai yra specializuotos organelės, kurios per fotosintezę paverčia saulės energiją maistu ir deguonimi. Jų sudėtinga struktūra — dvigubos membranos, tilakoidų sistemų ir stromos derinys — leidžia efektyviai vykdyti šviesos priklausomas ir šviesai nepriklausomas reakcijas. Supratimas apie chloroplastų veiklą ir reguliavimą yra svarbus tiek gamtos pažinimui, tiek praktiniams taikymams žemės ūkyje, ekologijoje ir biotechnologijose.
Plagiomnium affine ląstelėse matomi chloroplastai
Chloroplasto ultrastruktūra: 1. išorinė membrana2. tarpmembraninė erdvė3. vidinė membrana (1+2+3: apvalkalas) 4. stroma (skystis) 5. tilakoidų lumenas (tilakoido vidus) 6. tilakoidų membrana7 . grana (tilakoidų krūvelės) 8. tilakoidas (plokštelė) 9. krakmolas10. ribosoma11. plastidinė DNR12. plastoglobulė (lipidų lašas)
Chloroplasto schema
Struktūra
Kiekvieną chloroplastą supa dvigubos sienelės pusiau pralaidi membrana, kuri bendrai vadinama peristromiu. Sluoksniuotose krūvelėse yra plokšti disko formos tilakoidai. Juose yra šviesą sugeriančių pigmentų, įskaitant chlorofilą ir karotinoidus, taip pat pigmentus jungiančių baltymų. Kaip ir mitochondrijose, chloroplastuose taip pat yra savo DNR ir ribosomų.
Evoliucija
Chloroplastai yra vienas iš daugelio skirtingų ląstelės organelių tipų. Manoma, kad jie atsirado iš endosimbiotinių cianobakterijų. Pirmą kartą tokią prielaidą iškėlė Mereschkowsky 1905 m. po to, kai 1883 m. Schimperis pastebėjo, kad chloroplastai labai panašūs į cianobakterijas. Manoma, kad beveik visi chloroplastai tiesiogiai arba netiesiogiai atsirado vieno endosimbiotinio įvykio metu.
Panašios kilmės buvo ir mitochondrijos, tačiau chloroplastai randami tik augaluose ir protistuose. Žaliųjų augalų chloroplastus supa dvi lipidų sluoksnio membranos. Manoma, kad jos atitinka protėvių cianobakterijų išorinę ir vidinę membranas. Chloroplastai turi savo genomą, kuris yra daug mažesnis nei laisvai gyvenančių cianobakterijų. Išlikusi DNR yra labai panaši į cianobakterijų genomą. Plastiduose gali būti 60-100 genų, o cianobakterijose dažnai būna daugiau kaip 1500 genų. Daugelis trūkstamų genų yra užkoduoti šeimininko branduoliniame genome.
Kai kurių dumblių (pvz., heterokontų) chloroplastai, atrodo, išsivystė per antrinį endosimbiozės procesą, kai eukariotinė ląstelė prarijo antrą eukariotinę ląstelę, turinčią chloroplastų, ir taip susiformavo chloroplastai su trimis ar keturiais membranų sluoksniais. Kai kuriais atvejais tokius antrinius endosimbiantus galėjo absorbuoti kiti eukariotai, taip susiformuodami tretiniai endosimbiontai. Dumblyje Chlorella yra tik vienas chloroplastas, kuris yra varpo formos.
Kai kuriose mišriųjų protistų grupėse, pavyzdžiui, dinoflagelatuose, chloroplastai atskiriami nuo pagauto dumblio ar diatomo ir laikinai panaudojami. Šie kleptomaniniai (pavogti) chloroplastai gali tarnauti tik kelias dienas, o paskui jie pakeičiami naujais.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra chloroplastas?
A: Chloroplastas yra maža organelė augalų ir dumblių ląstelėse.
K: Kaip vadinamas procesas, kurio metu chloroplastai sugeria šviesą ir gamina cukrų?
A: Šis procesas vadinamas fotosinteze.
K: Kokia chlorofilo paskirtis chloroplaste?
A: Chlorofilas sugeria saulės šviesą fotosintezei.
K: Ką chloroplastas naudoja cukrui gaminti ir deguoniui išskirti?
A: Chloroplastas naudoja anglies dioksidą (CO2) ir vandenį (H2O), kad susidarytų cukrus ir išsiskirtų deguonis (O2).
K: Kas suteikia žaliesiems augalams žalią spalvą?
A: Žali augalai turi žalią spalvą dėl chlorofilo.
K: Kokių dar pigmentų, be chlorofilo, yra chloroplastuose?
A: Chloroplastuose taip pat yra įvairių geltonos ir oranžinės spalvos pigmentų, padedančių surinkti fotonus fotosintezei.
K: Kas gali būti saugoma krakmolo pavidalu po to, kai jį pagamina chloroplastas?
A: Chloroplastuose pagamintas cukrus gali būti saugomas krakmolo pavidalu.
Ieškoti