Die Pflanzenwelt ist einer der größten Reichtümer unseres Planeten. Dank der Flora auf der Erde gibt es Sauerstoff, den wir alle atmen, es gibt eine riesige Nahrungsbasis, von der alle Lebewesen abhängen. Pflanzen sind insofern einzigartig, als sie anorganische chemische Verbindungen in organische Substanzen umwandeln können.
Sie tun dies durch Photosynthese. Dieser wichtigste Prozess findet in bestimmten Pflanzenorganellen, den Chloroplasten, statt. Dieses kleinste Element sichert tatsächlich die Existenz allen Lebens auf dem Planeten. Übrigens, was ist ein Chloroplast?
Grundlegende Definition
So heißen die spezifischen Strukturen, in denen die Prozesse der Photosynthese ablaufen, die auf die Bindung von Kohlendioxid und die Bildung bestimmter Kohlenhydrate abzielen. Das Nebenprodukt ist Sauerstoff. Dies sind längliche Organellen, die eine Breite von 2-4 Mikrometern erreichen, ihre Länge erreicht 5-10 Mikrometer. Einige Arten von Grünalgen haben manchmal riesige Chloroplasten, die 50 Mikrometer lang sind!
Dasselbe können Algen habenein weiteres merkmal: sie haben für die ganze zelle nur ein organell dieser art. In den Zellen höherer Pflanzen befinden sich meistens 10-30 Chloroplasten. Allerdings kann es in ihrem Fall eklatante Ausnahmen geben. Im Palisadengewebe einer gewöhnlichen Shag gibt es also 1000 Chloroplasten pro Zelle. Wozu dienen diese Chloroplasten? Die Photosynthese ist ihre wichtigste, aber bei weitem nicht die einzige Rolle. Um ihre Bedeutung im Pflanzenleben klar zu verstehen, ist es wichtig, viele Aspekte ihrer Entstehung und Entwicklung zu kennen. All dies wird im Rest des Artikels beschrieben.
Der Ursprung der Chloroplasten
Also, was ist ein Chloroplast, haben wir gelernt. Woher kamen diese Organellen? Wie kam es, dass Pflanzen einen so einzigartigen Apparat entwickelten, der Kohlendioxid und Wasser in komplexe organische Verbindungen umwandelt?
Gegenwärtig überwiegt unter Wissenschaftlern der Standpunkt des endosymbiotischen Ursprungs dieser Organellen, da ihr unabhängiges Vorkommen in Pflanzenzellen eher zweifelhaft ist. Flechten sind bekanntlich eine Symbiose aus Algen und Pilzen. In der Pilzzelle leben einzellige Algen. Jetzt vermuten Wissenschaftler, dass photosynthetische Cyanobakterien in der Antike in Pflanzenzellen eingedrungen sind und dann teilweise ihre „Unabhängigkeit“verloren haben und den größten Teil des Genoms in den Zellkern übertragen haben.
Aber das neue Organoid behielt seine Haupteigenschaft vollständig bei. Es geht nur um den Prozess der Photosynthese. Die zur Durchführung dieses Verfahrens notwendige Vorrichtung selbst ist jedoch darunter ausgebildetKontrolle sowohl des Zellkerns als auch des Chloroplasten selbst. Somit werden die Teilung dieser Organellen und andere Prozesse, die mit der Implementierung genetischer Informationen in DNA verbunden sind, vom Zellkern gesteuert.
Beweise
Vor relativ kurzer Zeit war die Hypothese des prokaryotischen Ursprungs dieser Elemente in der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht sehr populär, viele hielten sie für "Erfindungen von Amateuren". Aber nach einer eingehenden Analyse der Nukleotidsequenzen in der DNA von Chloroplasten wurde diese Annahme glänzend bestätigt. Es stellte sich heraus, dass diese Strukturen der DNA von Bakterienzellen sehr ähnlich, ja sogar verwandt sind. So wurde eine ähnliche Sequenz in frei lebenden Cyanobakterien gefunden. Insbesondere die Gene des ATP-Synthesekomplexes sowie der „Maschinen“der Transkription und Translation erwiesen sich als äußerst ähnlich.
Promotoren, die den Beginn des Ablesens genetischer Informationen aus der DNA bestimmen, sowie endständige Nukleotidsequenzen, die für deren Beendigung verantwortlich sind, sind ebenfalls nach dem Bild und der Ähnlichkeit von Bakterien organisiert. Natürlich konnten Milliarden von Jahren evolutionärer Transformationen viele Veränderungen am Chloroplasten bewirken, aber die Sequenzen in den Chloroplastengenen blieben absolut gleich. Und das ist ein unwiderlegbarer, vollständiger Beweis dafür, dass Chloroplasten tatsächlich einmal einen prokaryotischen Vorfahren hatten. Es könnte der Organismus gewesen sein, aus dem sich auch moderne Cyanobakterien entwickelt haben.
Entwicklung von Chloroplasten aus Proplastiden
"Erwachsenes" Organoid entwickelt sich aus Proplastiden. Dies ist ein kleiner, völlig farbloserein Organell, das nur wenige Mikrometer groß ist. Es ist von einer dichten Doppelschichtmembran umgeben, die Chloroplasten-spezifische zirkuläre DNA enthält. Diese "Vorfahren" von Organellen haben kein internes Membransystem. Aufgrund ihrer extrem geringen Größe ist ihre Erforschung äußerst schwierig, und daher gibt es äußerst wenige Daten über ihre Entwicklung.
Es ist bekannt, dass mehrere dieser Protoplastiden im Kern jeder Eizelle von Tieren und Pflanzen vorhanden sind. Während der Entwicklung des Embryos teilen sie sich und werden auf andere Zellen übertragen. Dies ist leicht zu überprüfen: genetische Merkmale, die irgendwie mit Plastiden assoziiert sind, werden nur über die Mutterlinie weitergegeben.
Die innere Membran des Protoplastids ragt während der Entwicklung in das Organoid hinein. Aus diesen Strukturen wachsen Thylakoidmembranen, die für die Bildung von Körnern und Lamellen des Stromas des Organoids verantwortlich sind. In völliger Dunkelheit beginnt sich das Protoplastid in den Vorläufer des Chloroplasten (Etioplast) umzuwandeln. Dieses primäre Organoid zeichnet sich dadurch aus, dass sich in seinem Inneren eine recht komplexe Kristallstruktur befindet. Sobald Licht auf das Blatt der Pflanze trifft, wird es vollständig zerstört. Danach erfolgt die Bildung der "traditionellen" inneren Struktur des Chloroplasten, die nur aus Thylakoiden und Lamellen besteht.
Unterschiede bei Stärkespeicheranlagen
Jede Meristemzelle enthält mehrere dieser Proplastiden (ihre Anzahl variiert je nach Pflanzenart und anderen Faktoren). Sobald sich dieses Primärgewebe in ein Blatt zu verwandeln beginnt, verwandeln sich die Vorläuferorganellen in Chloroplasten. So,Junge Weizenblätter, die ihr Wachstum abgeschlossen haben, haben Chloroplasten in einer Menge von 100-150 Stück. Bei den Pflanzen, die Stärke anreichern können, ist die Sache etwas komplizierter.
Sie speichern dieses Kohlenhydrat in Plastiden, die Amyloplasten genannt werden. Doch was haben diese Organellen mit dem Thema unseres Artikels zu tun? Schließlich sind Kartoffelknollen nicht an der Photosynthese beteiligt! Lassen Sie mich dieses Problem näher erläutern.
Wir haben herausgefunden, was ein Chloroplast ist, und ganz nebenbei die Verbindung dieses Organoids mit den Strukturen prokaryotischer Organismen enthüllt. Hier ist die Situation ähnlich: Wissenschaftler haben längst herausgefunden, dass Amyloplasten wie Chloroplasten genau dieselbe DNA enth alten und aus genau denselben Protoplastiden gebildet werden. Daher sollten sie unter dem gleichen Aspekt betrachtet werden. Tatsächlich sollten Amyloplasten als eine besondere Art von Chloroplasten betrachtet werden.
Wie entstehen Amyloplasten?
Man kann eine Analogie zwischen Protoplastiden und Stammzellen ziehen. Einfach ausgedrückt beginnen sich Amyloplasten ab einem gewissen Punkt auf einem etwas anderen Weg zu entwickeln. Die Wissenschaftler haben jedoch etwas Merkwürdiges gelernt: Sie haben es geschafft, die gegenseitige Umwandlung von Chloroplasten aus Kartoffelblättern in Amyloplasten (und umgekehrt) zu erreichen. Das kanonische Beispiel, das jedem Schulkind bekannt ist, ist, dass Kartoffelknollen im Licht grün werden.
Weitere Informationen über die Differenzierungswege dieser Organellen
Wir wissen, dass bei der Reifung der Früchte von Tomaten, Äpfeln und einigen anderen Pflanzen (und im Herbst in den Blättern von Bäumen, Gräsern und Sträuchern)"Abbau", wenn sich Chloroplasten in einer Pflanzenzelle in Chromoplasten verwandeln. Diese Organellen enth alten Farbpigmente, Carotinoide.
Diese Transformation ist darauf zurückzuführen, dass die Thylakoide unter bestimmten Bedingungen vollständig zerstört werden, woraufhin die Organelle eine andere innere Organisation annimmt. Hier kehren wir wieder zu dem Thema zurück, das wir ganz am Anfang des Artikels diskutiert haben: den Einfluss des Zellkerns auf die Entwicklung von Chloroplasten. Durch spezielle Proteine, die im Zytoplasma der Zellen synthetisiert werden, wird der Prozess der Umstrukturierung des Organoids eingeleitet.
Struktur des Chloroplasten
Nachdem wir über den Ursprung und die Entwicklung der Chloroplasten gesprochen haben, sollten wir uns genauer mit ihrer Struktur befassen. Darüber hinaus ist es sehr interessant und verdient eine separate Diskussion.
Die Grundstruktur von Chloroplasten besteht aus zwei Lipoproteinmembranen, einer inneren und einer äußeren. Die Dicke beträgt jeweils etwa 7 nm, der Abstand zwischen ihnen beträgt 20–30 nm. Wie bei anderen Plastiden bildet die innere Schicht spezielle Strukturen, die in das Organoid hineinragen. In reifen Chloroplasten gibt es gleichzeitig zwei Arten solcher "gewundener" Membranen. Erstere bilden Stromalamellen, letztere bilden Thylakoidmembranen.
Lamelle und Thylakoide
Es sollte beachtet werden, dass es eine klare Verbindung zwischen der Chloroplastenmembran und ähnlichen Formationen im Inneren des Organoids gibt. Tatsache ist, dass sich einige seiner F alten von einer Wand zur anderen erstrecken können (wie in Mitochondrien). So können die Lamellen entweder eine Art "Tasche" oder eine Verzweigung bildenNetzwerk. Meistens liegen diese Strukturen jedoch parallel zueinander und sind in keiner Weise verbunden.
Vergessen Sie nicht, dass sich im Inneren des Chloroplasten auch Membranthylakoide befinden. Dies sind geschlossene "Taschen", die in einem Stapel angeordnet sind. Wie im vorherigen Fall besteht zwischen den beiden Wänden der Kavität ein Abstand von 20–30 nm. Die Säulen dieser "Taschen" werden Körner genannt. Jede Säule kann bis zu 50 Thylakoide enth alten, in manchen Fällen sogar noch mehr. Da die Gesamtabmessungen solcher Stapel 0,5 Mikrometer erreichen können, können sie manchmal mit einem gewöhnlichen Lichtmikroskop erkannt werden.
Die Gesamtzahl der in den Chloroplasten höherer Pflanzen enth altenen Körner kann 40-60 erreichen. Jedes Thylakoid haftet so fest an dem anderen, dass ihre äußeren Membranen eine einzige Ebene bilden. Die Schichtdicke am Übergang kann bis zu 2 nm betragen. Beachten Sie, dass solche Strukturen, die von benachbarten Thylakoiden und Lamellen gebildet werden, nicht ungewöhnlich sind.
An den Stellen ihres Kontakts gibt es auch eine Schicht, die manchmal die gleichen 2 nm erreicht. Somit sind Chloroplasten (deren Struktur und Funktionen sehr komplex sind) keine einzelne monolithische Struktur, sondern eine Art „Staat im Staat“. In einigen Aspekten ist die Struktur dieser Organellen nicht weniger komplex als die gesamte Zellstruktur!
Granas werden mit Hilfe von Lamellen präzise miteinander verbunden. Aber die Hohlräume von Thylakoiden, die Stapel bilden, sind immer geschlossen und kommunizieren in keiner Weise mit der Zwischenmembran. Platz. Wie Sie sehen können, ist die Struktur von Chloroplasten recht komplex.
Welche Pigmente sind in Chloroplasten enth alten?
Was kann im Stroma jedes Chloroplasten enth alten sein? Es gibt einzelne DNA-Moleküle und viele Ribosomen. In Amyloplasten werden Stärkekörner im Stroma abgelagert. Dementsprechend haben Chromoplasten dort Farbpigmente. Natürlich gibt es verschiedene Chloroplastenpigmente, aber das häufigste ist Chlorophyll. Es ist in mehrere Typen gleichzeitig unterteilt:
- Gruppe A (blau-grün). Es kommt in 70 % der Fälle vor, ist in den Chloroplasten aller höheren Pflanzen und Algen enth alten.
- Gruppe B (Gelb-Grün). Die restlichen 30 % finden sich auch in höheren Pflanzenarten und Algen.
- Gruppen C, D und E sind viel seltener. Gefunden in den Chloroplasten einiger niederer Algen- und Pflanzenarten.
Es ist nicht ungewöhnlich, dass Rot- und Braunalgen völlig unterschiedliche Arten von organischen Farbstoffen in ihren Chloroplasten enth alten. Einige Algen enth alten im Allgemeinen fast alle vorhandenen Chloroplastenpigmente.
Chloroplastenfunktionen
Natürlich besteht ihre Hauptfunktion darin, Lichtenergie in organische Bestandteile umzuwandeln. Die Photosynthese selbst findet in Körnern unter direkter Beteiligung von Chlorophyll statt. Es absorbiert die Energie des Sonnenlichts und wandelt sie in die Energie angeregter Elektronen um. Letztere geben aufgrund ihres Überangebots überschüssige Energie ab, die für die Zersetzung von Wasser und die Synthese von ATP verwendet wird. Beim Zerfall von Wasser entstehen Sauerstoff und Wasserstoff. Das erste ist, wie wir oben geschrieben haben, ein Nebenprodukt und wird in den umgebenden Raum freigesetzt, und Wasserstoff bindet an ein spezielles Protein, Ferredoxin.
Es oxidiert erneut und überträgt Wasserstoff auf ein Reduktionsmittel, das in der Biochemie mit NADP abgekürzt wird. Dementsprechend ist seine reduzierte Form NADP-H2. Einfach ausgedrückt, produziert die Photosynthese die folgenden Substanzen: ATP, NADP-H2 und ein Nebenprodukt in Form von Sauerstoff.
Die Energierolle von ATP
Das gebildete ATP ist äußerst wichtig, da es der Hauptenergiespeicher ist, der für die verschiedenen Bedürfnisse der Zelle benötigt wird. NADP-H2 enthält ein Reduktionsmittel, Wasserstoff, und diese Verbindung kann es bei Bedarf leicht abgeben. Einfach ausgedrückt ist es ein wirksames chemisches Reduktionsmittel: Im Prozess der Photosynthese laufen viele Reaktionen ab, die ohne es einfach nicht ablaufen können.
Als nächstes kommen Chloroplasten-Enzyme ins Spiel, die im Dunkeln und außerhalb des Gran agieren: Wasserstoff aus dem Reduktionsmittel und die Energie von ATP werden von den Chloroplasten genutzt, um die Synthese einer Reihe organischer Substanzen zu starten. Da die Photosynthese bei guter Beleuchtung stattfindet, werden die angesammelten Verbindungen während der dunklen Tageszeit für die Bedürfnisse der Pflanzen selbst verwendet.
Du kannst richtig feststellen, dass dieser Vorgang dem Einatmen in einigen Aspekten verdächtig ähnlich ist. Wie unterscheidet sich die Photosynthese davon? Die Tabelle hilft Ihnen, dieses Problem zu verstehen.
| Vergleichsartikel | Photosynthese | Atmung |
| Wenn es passiert | Nur tagsüber, im Sonnenlicht | jederzeit |
| Wo es leckt | Chlorophyllh altige Zellen | Alle lebenden Zellen |
| Sauerstoff | Hervorheben | Absorption |
| CO2 | Absorption | Hervorheben |
| Organische Stoffe | Synthese, Teilsp altung | Nur Split |
| Energie | Schlucken | Hervorragend |
So unterscheidet sich die Photosynthese von der Atmung. Die Tabelle zeigt deutlich ihre Hauptunterschiede.
Einige "Paradoxien"
Die meisten weiteren Reaktionen finden genau dort statt, im Stroma des Chloroplasten. Der weitere Weg der synthetisierten Substanzen ist unterschiedlich. Einfache Zucker gehen also sofort über das Organoid hinaus und reichern sich in anderen Teilen der Zelle in Form von Polysacchariden, hauptsächlich Stärke, an. In Chloroplasten kommt es sowohl zur Ablagerung von Fetten als auch zur vorläufigen Anreicherung ihrer Vorstufen, die dann in andere Bereiche der Zelle ausgeschieden werden.
Es sollte klar sein, dass alle Fusionsreaktionen eine enorme Energiemenge benötigen. Seine einzige Quelle ist die gleiche Photosynthese. Dies ist ein Prozess, der oft so viel Energie erfordert, dass sie gewonnen werden muss,Zerstörung der durch die vorherige Synthese gebildeten Substanzen! Daher wird der größte Teil der dabei gewonnenen Energie für die Durchführung vieler chemischer Reaktionen innerhalb der Pflanzenzelle selbst aufgewendet.
Nur ein Teil davon wird verwendet, um direkt jene organischen Substanzen zu gewinnen, die die Pflanze für ihr eigenes Wachstum und ihre Entwicklung aufnimmt oder in Form von Fetten oder Kohlenhydraten ablagert.
Sind Chloroplasten statisch?
Es ist allgemein anerkannt, dass Zellorganellen, einschließlich Chloroplasten (deren Struktur und Funktionen wir ausführlich beschrieben haben), streng an einem Ort lokalisiert sind. Es ist nicht so. Chloroplasten können sich in der Zelle bewegen. Bei schwachem Licht neigen sie dazu, eine Position in der Nähe der am stärksten beleuchteten Seite der Zelle einzunehmen, bei mittleren und schwachen Lichtverhältnissen können sie einige Zwischenpositionen wählen, in denen sie es schaffen, das meiste Sonnenlicht „einzufangen“. Dieses Phänomen wird "Phototaxis" genannt.
Chloroplasten sind wie Mitochondrien ziemlich autonome Organellen. Sie haben ihre eigenen Ribosomen, sie synthetisieren eine Reihe hochspezifischer Proteine, die nur von ihnen verwendet werden. Es gibt sogar spezifische Enzymkomplexe, bei deren Arbeit spezielle Lipide produziert werden, die für den Aufbau von Lamellenschalen benötigt werden. Wir haben bereits über den prokaryotischen Ursprung dieser Organellen gesprochen, aber es sollte hinzugefügt werden, dass einige Wissenschaftler Chloroplasten als ur alte Nachkommen einiger parasitärer Organismen betrachten, die zuerst zu Symbionten wurden und dann vollständigsind zu einem festen Bestandteil der Zelle geworden.
Die Bedeutung der Chloroplasten
Für Pflanzen ist es offensichtlich - dies ist die Synthese von Energie und Stoffen, die von Pflanzenzellen verwendet werden. Aber die Photosynthese ist ein Prozess, der die ständige Ansammlung organischer Materie im planetaren Maßstab sicherstellt. Chloroplasten können aus Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht eine Vielzahl komplexer hochmolekularer Verbindungen synthetisieren. Diese Fähigkeit ist nur für sie charakteristisch, und eine Person ist noch weit davon entfernt, diesen Vorgang unter künstlichen Bedingungen zu wiederholen.
Alle Biomasse auf der Oberfläche unseres Planeten verdankt ihre Existenz diesen kleinsten Organellen, die sich in den Tiefen der Pflanzenzellen befinden. Ohne sie, ohne den von ihnen durchgeführten Prozess der Photosynthese, gäbe es kein Leben auf der Erde in seinen modernen Erscheinungsformen.
Wir hoffen, dass Sie aus diesem Artikel erfahren haben, was ein Chloroplast ist und welche Rolle er in einem Pflanzenorganismus spielt.
