Il mondo vegetale è una delle principali ricchezze del nostro pianeta. È grazie alla flora sulla Terra che c'è ossigeno che tutti respiriamo, c'è un'enorme base alimentare da cui dipendono tutti gli esseri viventi. Le piante sono uniche in quanto possono convertire i composti chimici inorganici in sostanze organiche.
Lo fanno attraverso la fotosintesi. Questo processo più importante avviene in specifici organelli vegetali, i cloroplasti. Questo elemento più piccolo assicura effettivamente l'esistenza di tutta la vita sul pianeta. A proposito, cos'è un cloroplasto?
Definizione di base
Questo è il nome delle strutture specifiche in cui avvengono i processi di fotosintesi, che mirano al legame dell'anidride carbonica e alla formazione di alcuni carboidrati. Il sottoprodotto è ossigeno. Questi sono organelli allungati, che raggiungono una larghezza di 2-4 micron, la loro lunghezza raggiunge i 5-10 micron. Alcune specie di alghe verdi a volte hanno cloroplasti giganti lunghi 50 micron!
Le stesse alghe possono avereun' altra caratteristica: per l'intera cellula hanno un solo organello di questa specie. Nelle cellule delle piante superiori, molto spesso ci sono entro 10-30 cloroplasti. Tuttavia, nel loro caso, potrebbero esserci notevoli eccezioni. Quindi, nel tessuto della palizzata di un normale shag ci sono 1000 cloroplasti per cellula. A cosa servono questi cloroplasti? La fotosintesi è il loro ruolo principale, ma tutt' altro che unico. Per comprendere chiaramente il loro significato nella vita vegetale, è importante conoscere molti aspetti della loro origine e sviluppo. Tutto questo è descritto nel resto dell'articolo.
L'origine del cloroplasto
Allora, cos'è un cloroplasto, abbiamo imparato. Da dove vengono questi organelli? Com'è possibile che le piante abbiano sviluppato un apparato così unico che converte l'anidride carbonica e l'acqua in composti organici complessi?
Attualmente, tra gli scienziati, prevale il punto di vista dell'origine endosimbiotica di questi organelli, poiché la loro presenza indipendente nelle cellule vegetali è piuttosto dubbia. È noto che il lichene è una simbiosi di alghe e funghi. Le alghe unicellulari vivono all'interno della cellula del fungo. Ora gli scienziati suggeriscono che nell'antichità i cianobatteri fotosintetici penetrassero nelle cellule vegetali e poi persero parzialmente la loro "indipendenza", trasferendo la maggior parte del genoma al nucleo.
Ma il nuovo organoide ha mantenuto in pieno la sua caratteristica principale. Riguarda solo il processo di fotosintesi. Tuttavia, l'apparato stesso, necessario per eseguire questo processo, è formato sottocontrollo sia del nucleo cellulare che del cloroplasto stesso. Pertanto, la divisione di questi organelli e altri processi associati all'implementazione dell'informazione genetica nel DNA sono controllati dal nucleo.
Evidenza
Relativamente di recente, l'ipotesi dell'origine procariotica di questi elementi non era molto diffusa nella comunità scientifica, molti la consideravano "invenzioni di dilettanti". Ma dopo un'analisi approfondita delle sequenze nucleotidiche nel DNA dei cloroplasti, questa ipotesi è stata brillantemente confermata. Si è scoperto che queste strutture sono estremamente simili, persino correlate, al DNA delle cellule batteriche. Quindi, una sequenza simile è stata trovata nei cianobatteri a vita libera. In particolare, i geni del complesso sintetizzatore dell'ATP, così come nelle "macchine" di trascrizione e traduzione, si sono rivelati estremamente simili.
I promotori che determinano l'inizio della lettura delle informazioni genetiche dal DNA, così come le sequenze nucleotidiche terminali responsabili della sua terminazione, sono anche organizzati a immagine e somiglianza di quelli batterici. Naturalmente, miliardi di anni di trasformazioni evolutive potrebbero apportare molti cambiamenti al cloroplasto, ma le sequenze nei geni del cloroplasto sono rimaste assolutamente le stesse. E questa è una prova inconfutabile e completa che i cloroplasti in effetti una volta avevano un antenato procariotico. Potrebbe essere stato l'organismo da cui si sono evoluti anche i cianobatteri moderni.
Sviluppo di cloroplasti da proplastidi
L'organoide "adulto" si sviluppa dai proplastidi. Questo è un piccolo, completamente incoloreun organello largo solo pochi micron. È circondato da una densa membrana a doppio strato che contiene DNA circolare specifico del cloroplasto. Questi "antenati" degli organelli non hanno un sistema di membrana interna. A causa delle loro dimensioni estremamente ridotte, il loro studio è estremamente difficile e quindi ci sono pochissimi dati sul loro sviluppo.
È noto che molti di questi protoplastidi sono presenti nel nucleo di ogni cellula uovo di animali e piante. Durante lo sviluppo dell'embrione, si dividono e vengono trasferiti ad altre cellule. Questo è facile da verificare: i tratti genetici che sono in qualche modo associati ai plastidi vengono trasmessi solo attraverso la linea materna.
La membrana interna del protoplastide sporge nell'organoide durante lo sviluppo. Da queste strutture crescono le membrane tilacoidi, che sono responsabili della formazione di granuli e lamelle dello stroma dell'organoide. Nella completa oscurità, il protopastide inizia a trasformarsi nel precursore del cloroplasto (etioplast). Questo organoide primario è caratterizzato dal fatto che al suo interno si trova una struttura cristallina piuttosto complessa. Non appena la luce colpisce la foglia della pianta, viene completamente distrutta. Successivamente avviene la formazione della "tradizionale" struttura interna del cloroplasto, che è formata solo da tilacoidi e lamelle.
Differenze negli impianti di stoccaggio dell'amido
Ogni cellula del meristema contiene molti di questi proplastidi (il loro numero varia a seconda del tipo di pianta e di altri fattori). Non appena questo tessuto primario inizia a trasformarsi in una foglia, gli organelli precursori si trasformano in cloroplasti. Così,le giovani foglie di grano che hanno completato la loro crescita hanno cloroplasti nella quantità di 100-150 pezzi. Le cose sono un po' più complicate per quelle piante che sono in grado di accumulare amido.
Conservano questo carboidrato in plastidi chiamati amiloplasti. Ma cosa hanno a che fare questi organelli con l'argomento del nostro articolo? Dopotutto, i tuberi di patata non sono coinvolti nella fotosintesi! Consentitemi di chiarire questo problema in modo più dettagliato.
Abbiamo scoperto cos'è un cloroplasto, rivelando lungo la strada la connessione di questo organoide con le strutture degli organismi procarioti. Qui la situazione è simile: gli scienziati hanno da tempo scoperto che gli amiloplasti, come i cloroplasti, contengono esattamente lo stesso DNA e sono formati esattamente dagli stessi protoplastidi. Pertanto, dovrebbero essere considerati nello stesso aspetto. In effetti, gli amiloplasti dovrebbero essere considerati un tipo speciale di cloroplasti.
Come si formano gli amiloplasti?
Si può tracciare un'analogia tra protoplastidi e cellule staminali. In poche parole, gli amiloplasti da un certo punto iniziano a svilupparsi lungo un percorso leggermente diverso. Gli scienziati, tuttavia, hanno appreso qualcosa di curioso: sono riusciti a ottenere la reciproca trasformazione dei cloroplasti dalle foglie di patata in amiloplasti (e viceversa). L'esempio canonico, noto a tutti gli scolari, è che i tuberi di patata diventano verdi alla luce.
Altre informazioni sulle modalità di differenziazione di questi organelli
Sappiamo che nel processo di maturazione i frutti di pomodori, mele e alcune altre piante (e nelle foglie di alberi, erbe e arbusti in autunno)"degradazione", quando i cloroplasti in una cellula vegetale si trasformano in cromoplasti. Questi organelli contengono pigmenti coloranti, carotenoidi.
Questa trasformazione è dovuta al fatto che in determinate condizioni i tilacoidi vengono completamente distrutti, dopodiché l'organello acquisisce una diversa organizzazione interna. Qui torniamo di nuovo alla questione che abbiamo iniziato a discutere all'inizio dell'articolo: l'influenza del nucleo sullo sviluppo dei cloroplasti. È proprio questo, attraverso speciali proteine che vengono sintetizzate nel citoplasma delle cellule, che avvia il processo di ristrutturazione dell'organoide.
Struttura in cloroplasto
Dopo aver parlato dell'origine e dello sviluppo dei cloroplasti, dovremmo soffermarci sulla loro struttura in modo più dettagliato. Inoltre, è molto interessante e merita una discussione a parte.
La struttura di base dei cloroplasti è costituita da due membrane lipoproteiche, interna ed esterna. Lo spessore di ciascuno è di circa 7 nm, la distanza tra loro è di 20-30 nm. Come nel caso di altri plastidi, lo strato interno forma strutture speciali che sporgono nell'organoide. Nei cloroplasti maturi, ci sono due tipi di membrane "tortuose" contemporaneamente. I primi formano lamelle stromali, i secondi formano membrane tilacoidi.
Lamelle e tilacoidi
Va notato che esiste una chiara connessione che la membrana del cloroplasto ha con formazioni simili situate all'interno dell'organoide. Il fatto è che alcune delle sue pieghe possono estendersi da una parete all' altra (come nei mitocondri). Quindi le lamelle possono formare sia una specie di "borsa" che una ramificataRete. Tuttavia, molto spesso queste strutture si trovano parallele tra loro e non sono collegate in alcun modo.
Non dimenticare che all'interno del cloroplasto ci sono anche tilacoidi di membrana. Questi sono "sacchi" chiusi che sono disposti in una pila. Come nel caso precedente, c'è una distanza di 20-30 nm tra le due pareti della cavità. Le colonne di queste "borse" sono chiamate grani. Ogni colonna può contenere fino a 50 tilacoidi e in alcuni casi ce ne sono anche di più. Poiché le "dimensioni" complessive di tali pile possono raggiungere 0,5 micron, a volte possono essere rilevate utilizzando un normale microscopio ottico.
Il numero totale di grani contenuti nei cloroplasti delle piante superiori può arrivare a 40-60. Ogni tilacoide aderisce così strettamente all' altro che le loro membrane esterne formano un unico piano. Lo spessore dello strato alla giunzione può arrivare fino a 2 nm. Si noti che tali strutture, che sono formate da tilacoidi e lamelle adiacenti, non sono rari.
Nei luoghi del loro contatto c'è anche uno strato, che a volte raggiunge gli stessi 2 nm. Pertanto, i cloroplasti (la cui struttura e le cui funzioni sono molto complesse) non sono un'unica struttura monolitica, ma una sorta di "stato nello stato". Per alcuni aspetti, la struttura di questi organelli non è meno complessa dell'intera struttura cellulare!
Granas sono interconnessi proprio con l'aiuto delle lamelle. Ma le cavità dei tilacoidi, che formano pile, sono sempre chiuse e non comunicano in alcun modo con l'intermembrana.spazio. Come puoi vedere, la struttura dei cloroplasti è piuttosto complessa.
Quali pigmenti si possono trovare nei cloroplasti?
Cosa può essere contenuto nello stroma di ogni cloroplasto? Ci sono singole molecole di DNA e molti ribosomi. Negli amiloplasti, è nello stroma che si depositano i grani di amido. Di conseguenza, i cromoplasti hanno pigmenti coloranti lì. Naturalmente, ci sono vari pigmenti cloroplasti, ma il più comune è la clorofilla. È diviso in diversi tipi contemporaneamente:
- Gruppo A (blu-verde). Si verifica nel 70% dei casi, è contenuto nei cloroplasti di tutte le piante superiori e le alghe.
- Gruppo B (giallo-verde). Il restante 30% si trova anche in specie superiori di piante e alghe.
- I gruppi C, D ed E sono molto più rari. Trovato nei cloroplasti di alcune specie di alghe e piante inferiori.
Non è raro che le alghe rosse e marroni abbiano tipi completamente diversi di coloranti organici nei loro cloroplasti. Alcune alghe contengono generalmente quasi tutti i pigmenti cloroplasti esistenti.
Funzioni del cloroplasto
Naturalmente, la loro funzione principale è convertire l'energia luminosa in componenti organici. La fotosintesi stessa si verifica nei grani con la partecipazione diretta della clorofilla. Assorbe l'energia della luce solare, convertendola nell'energia degli elettroni eccitati. Quest'ultimo, avendo la sua scorta in eccesso, sprigiona energia in eccesso, che viene utilizzata per la decomposizione dell'acqua e la sintesi dell'ATP. Quando l'acqua si rompe, si formano ossigeno e idrogeno. Il primo, come abbiamo scritto sopra, è un sottoprodotto e viene rilasciato nello spazio circostante, e l'idrogeno si lega a una proteina speciale, la ferredossina.
Si ossida di nuovo, trasferendo idrogeno a un agente riducente, che in biochimica è abbreviato come NADP. Di conseguenza, la sua forma ridotta è NADP-H2. In poche parole, la fotosintesi produce le seguenti sostanze: ATP, NADP-H2 e un sottoprodotto sotto forma di ossigeno.
Il ruolo energetico dell'ATP
L'ATP formato è estremamente importante, in quanto è il principale "accumulatore" di energia che va ai vari bisogni della cellula. NADP-H2 contiene un agente riducente, l'idrogeno, e questo composto è in grado di cederlo facilmente se necessario. In poche parole, è un efficace agente riducente chimico: nel processo di fotosintesi avvengono molte reazioni che semplicemente non possono procedere senza di essa.
Successivamente entrano in gioco gli enzimi cloroplasti, che agiscono nell'oscurità e all'esterno del gran: l'idrogeno dell'agente riducente e l'energia dell'ATP vengono utilizzati dal cloroplasto per avviare la sintesi di alcune sostanze organiche. Poiché la fotosintesi avviene in condizioni di buona illuminazione, i composti accumulati vengono utilizzati per i bisogni delle piante stesse durante le ore buie della giornata.
Puoi giustamente notare che questo processo è sospettosamente simile alla respirazione in alcuni aspetti. In che modo la fotosintesi è diversa da essa? La tabella ti aiuterà a capire questo problema.
| Articoli di confronto | Fotosintesi | Respirare |
| Quando succede | Solo diurno, alla luce del sole | In qualsiasi momento |
| Dove perde | Cellule contenenti clorofilla | Tutte le cellule viventi |
| Ossigeno | In evidenza | Assorbimento |
| CO2 | Assorbimento | In evidenza |
| Sostanza organica | Sintesi, scissione parziale | Solo diviso |
| Energia | Ingoio | Si distingue |
Questo è il modo in cui la fotosintesi differisce dalla respirazione. La tabella mostra chiaramente le loro principali differenze.
Alcuni "paradossi"
La maggior parte delle ulteriori reazioni avviene proprio lì, nello stroma del cloroplasto. L'ulteriore percorso delle sostanze sintetizzate è diverso. Quindi, gli zuccheri semplici vanno subito oltre l'organoide, accumulandosi in altre parti della cellula sotto forma di polisaccaridi, principalmente amido. Nei cloroplasti si verifica sia la deposizione di grassi che l'accumulo preliminare dei loro precursori, che vengono poi escreti in altre aree della cellula.
Dovrebbe essere chiaramente compreso che tutte le reazioni di fusione richiedono un'enorme quantità di energia. La sua unica fonte è la stessa fotosintesi. Questo è un processo che spesso richiede così tanta energia da dover essere ottenuto,distruggere le sostanze formate a seguito della sintesi precedente! Pertanto, la maggior parte dell'energia che si ottiene nel suo corso viene spesa per eseguire molte reazioni chimiche all'interno della cellula vegetale stessa.
Solo una parte di essa viene utilizzata per ottenere direttamente quelle sostanze organiche che la pianta assume per la propria crescita e sviluppo o deposita sotto forma di grassi o carboidrati.
I cloroplasti sono statici?
È generalmente accettato che gli organelli cellulari, inclusi i cloroplasti (la struttura e le funzioni di cui abbiamo descritto in dettaglio), si trovano rigorosamente in un luogo. Questo non è vero. I cloroplasti possono muoversi all'interno della cellula. Quindi, in condizioni di scarsa illuminazione, tendono a prendere posizione vicino al lato più illuminato della cella, in condizioni di luce media e scarsa, possono scegliere delle posizioni intermedie in cui riescono a “catturare” più luce solare. Questo fenomeno è chiamato "fototassi".
Come i mitocondri, i cloroplasti sono organelli abbastanza autonomi. Hanno i loro ribosomi, sintetizzano un numero di proteine altamente specifiche che vengono utilizzate solo da loro. Esistono anche complessi enzimatici specifici, durante il lavoro di cui vengono prodotti lipidi speciali, necessari per la costruzione di gusci di lamelle. Abbiamo già parlato dell'origine procariotica di questi organelli, ma c'è da aggiungere che alcuni scienziati considerano i cloroplasti antichi discendenti di alcuni organismi parassiti divenuti prima simbionti, e poi completamentesono diventati parte integrante della cellula.
L'importanza dei cloroplasti
Per le piante, è ovvio: questa è la sintesi di energia e sostanze utilizzate dalle cellule vegetali. Ma la fotosintesi è un processo che assicura il costante accumulo di materia organica su scala planetaria. Dall'anidride carbonica, dall'acqua e dalla luce solare, i cloroplasti possono sintetizzare un numero enorme di composti complessi ad alto peso molecolare. Questa capacità è caratteristica solo per loro, e una persona è ancora lontana dal ripetere questo processo in condizioni artificiali.
Tutta la biomassa sulla superficie del nostro pianeta deve la sua esistenza a questi piccoli organelli, che si trovano nelle profondità delle cellule vegetali. Senza di loro, senza il processo di fotosintesi da loro attuato, non ci sarebbe vita sulla Terra nelle sue manifestazioni moderne.
Ci auguriamo che tu abbia imparato da questo articolo cos'è un cloroplasto e qual è il suo ruolo in un organismo vegetale.
