Растителният свят е едно от основните богатства на нашата планета. Благодарение на флората на Земята има кислород, който всички дишаме, има огромна хранителна база, от която зависят всички живи същества. Растенията са уникални с това, че могат да превръщат неорганичните химични съединения в органични вещества.
Те правят това чрез фотосинтеза. Този най-важен процес се осъществява в специфични растителни органели, хлоропласти. Този най-малък елемент всъщност осигурява съществуването на целия живот на планетата. Между другото, какво е хлоропласт?
Основна дефиниция
Това е името на специфичните структури, в които протичат процесите на фотосинтеза, които са насочени към свързването на въглеродния диоксид и образуването на определени въглехидрати. Страничният продукт е кислород. Това са удължени органели, достигащи ширина 2-4 микрона, дължината им достига 5-10 микрона. Някои видове зелени водорасли понякога имат гигантски хлоропласти с дължина 50 микрона!
Могат да имат същите водораслидруга особеност: за цялата клетка те имат само един органел от този вид. В клетките на висшите растения най-често има 10-30 хлоропласта. В техния случай обаче може да има поразителни изключения. И така, в палисадната тъкан на обикновената маша има 1000 хлоропласта на клетка. За какво са тези хлоропласти? Фотосинтезата е тяхната основна, но далеч не единствена роля. За да се разбере ясно тяхното значение в живота на растенията, е важно да се знаят много аспекти на техния произход и развитие. Всичко това е описано в останалата част от статията.
Произходът на хлоропласта
И така, какво е хлоропласт, научихме. Откъде са дошли тези органели? Как се случи така растенията да разработят такъв уникален апарат, който превръща въглеродния диоксид и водата в сложни органични съединения?
В момента сред учените преобладава гледната точка за ендосимбиотичния произход на тези органели, тъй като тяхното независимо присъствие в растителните клетки е доста съмнително. Добре известно е, че лишеите са симбиоза на водорасли и гъбички. Едноклетъчните водорасли живеят вътре в гъбната клетка. Сега учените предполагат, че в древни времена фотосинтетичните цианобактерии са проникнали в растителните клетки и след това частично са загубили своята „независимост“, прехвърляйки по-голямата част от генома в ядрото.
Но новият органоид запази основната си характеристика изцяло. Става дума само за процеса на фотосинтеза. Въпреки това, самият апарат, необходим за извършване на този процес, се формира подконтрол както на клетъчното ядро, така и на самия хлоропласт. По този начин, разделянето на тези органели и други процеси, свързани с внедряването на генетична информация в ДНК, се контролират от ядрото.
Доказателство
Сравнително наскоро хипотезата за прокариотния произход на тези елементи не беше много популярна в научната общност, мнозина я смятаха за "изобретения на аматьори". Но след задълбочен анализ на нуклеотидните последователности в ДНК на хлоропластите, това предположение беше брилянтно потвърдено. Оказа се, че тези структури са изключително сходни, дори свързани с ДНК на бактериалните клетки. Така че подобна последователност е открита в свободно живеещите цианобактерии. По-специално гените на АТФ-синтезиращия комплекс, както и в „машините“за транскрипция и транслация, се оказаха изключително сходни.
Промоторите, които определят началото на четенето на генетична информация от ДНК, както и крайните нуклеотидни последователности, които са отговорни за нейното прекратяване, също са организирани по образ и подобие на бактериални. Разбира се, милиарди години еволюционни трансформации биха могли да направят много промени в хлоропласта, но последователностите в хлоропластните гени остават абсолютно същите. И това е неопровержимо, пълно доказателство, че хлоропластите наистина някога са имали прокариотен прародител. Може да е бил организмът, от който са се развили и съвременните цианобактерии.
Развитие на хлоропласти от пропластиди
"Възрастен" органоид се развива от пропластиди. Това е малък, напълно безцветенорганел с диаметър само няколко микрона. Той е заобиколен от плътна двуслойна мембрана, която съдържа специфична за хлоропласта кръгова ДНК. Тези "предци" на органелите нямат вътрешна мембранна система. Поради изключително малкия им размер, тяхното изследване е изключително трудно и поради това има изключително малко данни за тяхното развитие.
Известно е, че няколко от тези протопластиди присъстват в ядрото на всяка яйцеклетка на животни и растения. По време на развитието на ембриона те се делят и се прехвърлят в други клетки. Това е лесно да се провери: генетичните черти, които по някакъв начин са свързани с пластидите, се предават само по майчината линия.
Вътрешната мембрана на протопластида стърчи в органоида по време на развитието. От тези структури израстват тилакоидни мембрани, които са отговорни за образуването на гранули и ламели на стромата на органоида. В пълна тъмнина протопастидът започва да се трансформира в предшественик на хлоропласта (етиопласт). Този първичен органоид се характеризира с факта, че вътре в него е разположена доста сложна кристална структура. Веднага щом светлината удари листата на растението, тя е напълно унищожена. След това настъпва образуването на "традиционната" вътрешна структура на хлоропласта, която се образува само от тилакоиди и ламели.
Разлики в инсталациите за съхранение на нишесте
Всяка меристемна клетка съдържа няколко от тези пропластиди (броят им варира в зависимост от вида на растението и други фактори). Веднага щом тази първична тъкан започне да се трансформира в лист, органелите-предшественици се превръщат в хлоропласти. Така,младите житни листа, които са завършили растежа си, имат хлоропласти в количество от 100-150 броя. Нещата са малко по-сложни за тези растения, които са способни да натрупват нишесте.
Те съхраняват този въглехидрат в пластиди, наречени амилопласти. Но какво общо имат тези органели с темата на нашата статия? В крайна сметка, картофените клубени не участват във фотосинтезата! Позволете ми да изясня този въпрос по-подробно.
Открихме какво е хлоропласт, като по пътя разкрихме връзката на този органоид със структурите на прокариотните организми. Тук ситуацията е подобна: учените отдавна са установили, че амилопластите, подобно на хлоропластите, съдържат абсолютно същата ДНК и се образуват от абсолютно същите протопластиди. Следователно те трябва да се разглеждат в един и същи аспект. Всъщност амилопластите трябва да се разглеждат като специален вид хлоропласт.
Как се образуват амилопластите?
Може да се направи аналогия между протопластидите и стволовите клетки. Просто казано, амилопластите от някакъв момент започват да се развиват по малко по-различен път. Учените обаче научиха нещо любопитно: те успяха да постигнат взаимното превръщане на хлоропластите от картофените листа в амилопласти (и обратно). Каноничният пример, известен на всеки ученик, е, че картофените клубени стават зелени на светлина.
Друга информация за начините на диференциация на тези органели
Знаем, че в процеса на узряване плодовете на домати, ябълки и някои други растения (и в листата на дървета, треви и храсти през есента)"разграждане", когато хлоропластите в растителната клетка се превръщат в хромопласти. Тези органели съдържат оцветяващи пигменти, каротеноиди.
Тази трансформация се дължи на факта, че при определени условия тилакоидите са напълно унищожени, след което органелата придобива различна вътрешна организация. Тук отново се връщаме към въпроса, който започнахме да обсъждаме в самото начало на статията: влиянието на ядрото върху развитието на хлоропластите. Именно той, чрез специални протеини, които се синтезират в цитоплазмата на клетките, инициира процеса на преструктуриране на органоида.
Хлоропластна структура
След като говорим за произхода и развитието на хлоропластите, трябва да се спрем на тяхната структура по-подробно. Освен това е много интересно и заслужава отделна дискусия.
Основната структура на хлоропластите се състои от две липопротеинови мембрани, вътрешна и външна. Дебелината на всеки е около 7 nm, разстоянието между тях е 20-30 nm. Както в случая на други пластиди, вътрешният слой образува специални структури, които стърчат в органоида. В зрелите хлоропласти има два вида такива "извиващи се" мембрани наведнъж. Първите образуват стромални ламели, вторите образуват тилакоидни мембрани.
Ламела и тилакоиди
Трябва да се отбележи, че има ясна връзка, която хлоропластната мембрана има с подобни образувания, разположени вътре в органоида. Факт е, че някои от гънките му могат да се простират от една стена до друга (както в митохондриите). Така че ламелите могат да образуват или вид "торба", или разклоненамрежа. Най-често обаче тези структури са разположени успоредно една на друга и не са свързани по никакъв начин.
Не забравяйте, че вътре в хлоропласта има и мембранни тилакоиди. Това са затворени "торби", които са подредени в купчина. Както и в предишния случай, между двете стени на кухината има разстояние от 20-30 nm. Колоните на тези "торби" се наричат зърна. Всяка колона може да съдържа до 50 тилакоида, а в някои случаи има дори повече. Тъй като общите "размери" на такива купчини могат да достигнат 0,5 микрона, понякога те могат да бъдат открити с помощта на обикновен светлинен микроскоп.
Общият брой на зърната, съдържащи се в хлоропластите на висшите растения, може да достигне 40-60. Всеки тилакоид прилепва толкова плътно към другия, че външните им мембрани образуват една равнина. Дебелината на слоя на кръстовището може да бъде до 2 nm. Имайте предвид, че такива структури, които са образувани от съседни тилакоиди и ламели, не са необичайни.
В местата на контакта им също има слой, понякога достигащ същите 2 nm. По този начин хлоропластите (структурата и функциите на които са много сложни) не са единична монолитна структура, а вид „състояние в държавата“. В някои аспекти структурата на тези органели е не по-малко сложна от цялата клетъчна структура!
Граните са свързани помежду си точно с помощта на ламели. Но кухините на тилакоидите, които образуват купчини, винаги са затворени и не комуникират с интермембраната по никакъв начин.пространство. Както можете да видите, структурата на хлоропластите е доста сложна.
Какви пигменти могат да бъдат намерени в хлоропластите?
Какво може да се съдържа в стромата на всеки хлоропласт? Има отделни ДНК молекули и много рибозоми. В амилопластите именно в стромата се отлагат нишестени зърна. Съответно, там хромопластите имат оцветяващи пигменти. Разбира се, има различни хлоропластни пигменти, но най-често срещаният е хлорофилът. Разделя се на няколко вида наведнъж:
- Група А (синьо-зелено). Среща се в 70% от случаите, съдържа се в хлоропластите на всички висши растения и водорасли.
- Група B (жълто-зелено). Останалите 30% се намират и в по-високи видове растения и водорасли.
- Групи C, D и E са много по-редки. Намира се в хлоропластите на някои видове низши водорасли и растения.
Не е необичайно червените и кафявите водорасли да имат напълно различни видове органични багрила в своите хлоропласти. Някои водорасли обикновено съдържат почти всички съществуващи хлоропластни пигменти.
Хлоропластни функции
Разбира се, основната им функция е да преобразуват светлинната енергия в органични компоненти. Самата фотосинтеза протича в зърната с прякото участие на хлорофила. Той поглъща енергията на слънчевата светлина, превръщайки я в енергията на възбудените електрони. Последните, притежавайки излишния си запас, отделят излишна енергия, която се използва за разлагането на водата и синтеза на АТФ. При разграждането на водата се образуват кислород и водород. Първият, както писахме по-горе, е страничен продукт и се отделя в околното пространство, а водородът се свързва със специален протеин, фередоксин.
Окислява отново, прехвърляйки водород към редуциращ агент, който в биохимията се съкращава като NADP. Съответно неговата редуцирана форма е NADP-H2. Просто казано, фотосинтезата произвежда следните вещества: ATP, NADP-H2 и страничен продукт под формата на кислород.
Енергийната роля на ATP
Образуваният АТФ е изключително важен, тъй като е основният "акумулатор" на енергия, която отива за различните нужди на клетката. NADP-H2 съдържа редуциращ агент, водород, и това съединение може лесно да го отдели, ако е необходимо. Просто казано, това е ефективен химически редуциращ агент: в процеса на фотосинтезата протичат много реакции, които просто не могат да продължат без него.
След това влизат в действие хлоропластните ензими, които действат на тъмно и извън границите: водородът от редуктора и енергията на АТФ се използват от хлоропласта, за да започне синтеза на редица органични вещества. Тъй като фотосинтезата протича в условия на добра осветеност, натрупаните съединения се използват за нуждите на самите растения през тъмното време на деня.
Можете правилно да забележите, че този процес е подозрително подобен на дишането в някои аспекти. Как фотосинтезата е различна от нея? Таблицата ще ви помогне да разберете този проблем.
| Елементи за сравнение | Фотосинтеза | Дишане |
| Когато се случи | Само през деня, на слънчева светлина | По всяко време |
| Къде изтича | Клетки, съдържащи хлорофил | Всички живи клетки |
| Кислород | Открояване | Усвояване |
| CO2 | Усвояване | Открояване |
| Органична материя | Синтез, частично разделяне | Само разделяне |
| Енергия | Поглъщане | Изпъква |
Ето как фотосинтезата се различава от дишането. Таблицата ясно показва основните им разлики.
Някои "парадокси"
Повечето от по-нататъшните реакции протичат точно там, в стромата на хлоропласта. По-нататъшният път на синтезираните вещества е различен. И така, простите захари веднага излизат отвъд органоида, натрупвайки се в други части на клетката под формата на полизахариди, предимно нишесте. В хлоропластите се случва както отлагането на мазнини, така и предварителното натрупване на техните предшественици, които след това се екскретират в други области на клетката.
Трябва ясно да се разбере, че всички реакции на синтез изискват огромно количество енергия. Единственият му източник е същата фотосинтеза. Това е процес, който често изисква толкова много енергия, че трябва да бъде получена,унищожаване на веществата, образувани в резултат на предишния синтез! По този начин по-голямата част от енергията, която се получава при неговото протичане, се изразходва за провеждане на много химични реакции в самата растителна клетка.
Само част от него се използва за директно получаване на онези органични вещества, които растението приема за собствен растеж и развитие или се отлага под формата на мазнини или въглехидрати.
Хлоропластите статични ли са?
Общоприето е, че клетъчните органели, включително хлоропластите (структурата и функциите, които описахме подробно), са разположени строго на едно място. Това не е вярно. Хлоропластите могат да се движат около клетката. Така при слаба светлина те са склонни да заемат позиция близо до най-осветената страна на клетката, в условия на средна и слаба светлина могат да изберат някои междинни позиции, в които успяват да „уловят“най-много слънчева светлина. Това явление се нарича "фототаксис".
Подобно на митохондриите, хлоропластите са доста автономни органели. Те имат свои рибозоми, синтезират редица високоспецифични протеини, които се използват само от тях. Има дори специфични ензимни комплекси, по време на работата на които се произвеждат специални липиди, необходими за изграждането на ламелни черупки. Вече говорихме за прокариотния произход на тези органели, но трябва да се добави, че някои учени смятат хлоропластите за древни потомци на някои паразитни организми, които първо са станали симбионти, а след това напълноса се превърнали в неразделна част от клетката.
Значението на хлоропластите
За растенията е очевидно - това е синтез на енергия и вещества, които се използват от растителните клетки. Но фотосинтезата е процес, който осигурява постоянно натрупване на органична материя в планетарен мащаб. От въглероден диоксид, вода и слънчева светлина хлоропластите могат да синтезират огромен брой сложни високомолекулни съединения. Тази способност е характерна само за тях и човек все още е далеч от повторение на този процес в изкуствени условия.
Цялата биомаса на повърхността на нашата планета дължи своето съществуване на тези най-малки органели, които се намират в дълбините на растителните клетки. Без тях, без процеса на фотосинтеза, осъществяван от тях, нямаше да има живот на Земята в съвременните му проявления.
Надяваме се, че сте научили от тази статия какво представлява хлоропластът и каква е неговата роля в растителния организъм.
