Fungsi Kloroplas, Struktur dan Proses Fotosintesis



The kloroplas Mereka adalah sejenis organel selular yang dibatasi oleh sistem membran yang rumit, ciri-ciri tumbuh-tumbuhan dan alga. Dalam plastid ini adalah klorofil, pigmen yang bertanggungjawab untuk proses fotosintesis, warna hijau sayur-sayuran dan membenarkan kehidupan autotrophik keturunan ini.

Tambahan pula, kloroplas yang berkaitan dengan penjanaan tenaga metabolik (ATP - adenosina trifosfat), sintesis asid amino, vitamin, asid lemak, lipid dan komponen membran mereka pengurangan nitrit. Ia juga mempunyai peranan dalam pengeluaran bahan pertahanan terhadap patogen.

Organel fotosintesis ini mempunyai genom pekelilingnya sendiri (DNA) dan difikirkan bahawa, seperti mitokondria, ia berasal dari proses simbiosis antara tuan rumah dan bakteria fotosintesis nenek moyang.

Indeks

  • 1 Asal
    • 1.1 Teori endosymbiotik
  • 2 Ciri umum
  • 3 Struktur
    • 3.1 Membran luar dan dalaman
    • 3.2 membran Thilacoid
    • 3.3 Thylakoids
    • 3.4 Stroma
    • 3.5 Genome
  • 4 Fungsi
    • 4.1 Photosynthesis
    • 4.2 Sintesis biomolekul
    • 4.3 Pertahanan terhadap patogen
  • 5 plastid lain
  • 6 Rujukan

Asal

Chloroplasts adalah organel yang mempunyai ciri-ciri kumpulan organisma yang sangat jauh: alga, tumbuhan dan prokariote. Bukti ini menunjukkan bahawa organelle berasal dari organisme prokariotik dengan keupayaan untuk melakukan fotosintesis.

Dianggarkan bahawa organisma eukariotik pertama, dengan kapasiti untuk menjalankan fotosintesis, berasal sekitar 1,000 juta tahun yang lalu. Bukti menunjukkan bahawa lonjakan evolusi yang penting ini disebabkan oleh pemerolehan cyanobacterium oleh tuan rumah eukariotik. Proses ini menghasilkan alga merah, hijau dan tumbuhan yang berbeza.

Dengan cara yang sama, ada peristiwa simbiosis sekunder dan tersier di mana garis keturunan eukariota menetapkan hubungan simbiosis dengan eukaryote fotokimia yang hidup bebas.

Semasa proses evolusi, genom bakteria putative telah dikurangkan dan beberapa gennya telah dipindahkan dan digabungkan ke genom nukleus.

Organisasi genom kloroplas semasa menyerupai prokaryote, tetapi juga mempunyai sifat-sifat bahan genetik eukariota.

Teori endosymbiotik

teori Endosymbiotic telah dicadangkan oleh Lynn Margulis dalam siri buku-buku yang diterbitkan di antara 60 dan 80 Walau bagaimanapun, ia adalah satu idea yang sudah mengendalikan sendiri sejak tahun 1900-an, yang dicadangkan oleh Mereschkowsky.

Teori ini menerangkan asal-usul kloroplas, mitokondria dan badan basal yang terdapat di flagella. Menurut hipotesis ini, struktur ini adalah satu-satunya organisma prokariotik yang bebas.

Tidak banyak bukti untuk menyokong asal endosymbiotik badan basal dari prokariot bergerak.

Sebaliknya, terdapat bukti penting yang menyokong mitokondria endosymbiotik daripada α-Proteobakteria dan dari kloroplas dari sianobakteria. Bukti yang paling jelas dan kuat adalah kesamaan antara kedua-dua genom.

Ciri umum

Chloroplasts adalah jenis plastid yang paling mudah dilihat di sel tumbuhan. Mereka adalah struktur lekuk yang dikelilingi oleh membran dan proses eukariota autotrof yang paling terkenal berlaku di pedalaman mereka: fotosintesis. Mereka adalah struktur dinamik dan mempunyai bahan genetik mereka sendiri.

Mereka biasanya terletak di daun tumbuhan. Sel tumbuhan yang tipikal boleh mempunyai 10 hingga 100 kloroplas, walaupun bilangannya agak berubah.

Seperti mitokondria, warisan chloroplasts dari ibu bapa kepada kanak-kanak berlaku pada sebahagian daripada ibu bapa dan tidak kedua-duanya. Malah, organel ini agak mirip dengan mitokondria dalam pelbagai aspek, walaupun lebih rumit.

Struktur

Chloroplasts adalah organel yang besar, 5 hingga 10 μm panjang. Ciri-ciri struktur ini boleh digambarkan di bawah mikroskop optikal tradisional.

Mereka dikelilingi oleh membran lipid berganda. Di samping itu, mereka mempunyai sistem ketiga membran dalaman, yang dipanggil membran thylakoid.

Sistem membran terakhir ini membentuk satu set struktur seperti cakera, yang dikenali sebagai thylakoids. Kesatuan thylakoids dalam buasir disebut "grana" dan mereka terhubung satu sama lain.

Terima kasih kepada sistem membran triple ini, struktur dalaman kloroplas adalah kompleks dan dibahagikan kepada tiga ruang: ruang intermembrane (antara kedua-dua membran luar), stroma (terdapat dalam kloroplas dan di luar membran tilakoid) dan terakhir lumen thylakoid.

Membran luar dan dalaman

Sistem membran adalah berkaitan dengan penjanaan ATP. Seperti membran mitokondria, ia adalah membran dalaman yang menentukan laluan molekul ke organelle. Phosphatidylcholine dan phosphatidylglycerol adalah lipid paling banyak membran kloroplas.

Membran luar mengandungi serangkaian liang. Molekul kecil boleh masuk melalui saluran ini dengan bebas. Membran dalaman, sebaliknya, tidak membenarkan transit bebas dari jenis molekul berat rendah ini. Untuk molekul untuk masuk, mereka mesti melakukannya dengan cara pengangkutan khusus yang berlabuh ke membran.

Dalam beberapa kes terdapat struktur yang dikenali sebagai reticulum periferal, yang dibentuk oleh rangkaian membran, yang berasal dari membran dalaman kloroplas. Sesetengah penulis menganggapnya unik untuk tumbuh-tumbuhan dengan metabolisme C4, walaupun ia telah dijumpai di tumbuh-tumbuhan C3.

Fungsi tubula dan vesikel ini belum jelas. Adalah dicadangkan bahawa mereka dapat menyumbang kepada pengangkutan cepat metabolit dan protein dalam kloroplas atau untuk meningkatkan permukaan membran dalaman.

Membran Thylakoid

Rantai pengangkutan elektron yang terlibat dalam proses fotosintesis berlaku dalam sistem membran ini. Proton dipam melalui membran ini, dari stroma ke pedalaman thylakoids.

Kecerunan ini menghasilkan sintesis ATP, apabila proton diarahkan semula ke stroma. Proses ini bersamaan dengan yang berlaku dalam membran dalaman mitokondria.

Membran tilakoid dibentuk oleh empat jenis lipid: monogalactosyl diacylglycerol, diacylglycerol digalactosyl, sulfoquinovosyl diacylglycerol dan phosphatidylglycerol. Setiap jenis mempunyai fungsi khas dalam lipid bilayer bahagian ini.

Thylakoids

Thylakoids adalah struktur membran dalam bentuk kantung atau cakera rata yang disusun dalam "grana"(Struktur jamak ini adalah granum). Cakera ini mempunyai diameter 300 hingga 600 nm. Dalam ruang dalaman thylakoid dipanggil lumen.

Seni bina thakakoid masih dibahaskan. Dua model dicadangkan: yang pertama adalah model helical, di mana thylakoids dilukai di antara butiran berbentuk heliks.

Sebaliknya, model lain mencadangkan penggabungan. Hipotesis ini menunjukkan bahawa grana dibentuk oleh bromurkasi stromal.

Stroma

Stroma adalah cecair gelatin yang mengelilingi thylakoids dan terdapat di dalam batin kloroplas. Rantau ini sepadan dengan sitosol bakteria yang dikatakan menyebabkan jenis plastid ini.

Di kawasan ini, anda akan mendapati molekul DNA dan sejumlah besar protein dan enzim. Khususnya, enzim yang terlibat dalam kitaran Calvin didapati untuk penentuan karbon dioksida dalam proses fotosintesis. Anda juga boleh mendapatkan granul kanji

Dalam stroma anda boleh mencari kloroplas dari kloroplas, kerana struktur ini mensintesis protein mereka sendiri.

Genome

Salah satu ciri yang paling cemerlang dalam kloroplas adalah bahawa mereka mempunyai sistem genetik mereka sendiri.

Bahan genetik kloroplas terdiri daripada molekul pekeliling DNA. Setiap organelle mempunyai pelbagai salinan molekul bulat ini dengan 12 hingga 16 kb (kilobases). Mereka diorganisasikan menjadi struktur yang dinamakan nukleoid dan terdiri daripada 10 hingga 20 salinan genom plastid, bersama-sama dengan molekul protein dan RNA.

Kod DNA chloroplast untuk kira-kira 120 hingga 130 gen. Ini menghasilkan protein dan RNA yang berkaitan dengan proses fotosintesis seperti komponen fotosistem I dan II, ATP synthase dan salah satu subunit Rubisco.

Rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase) adalah kompleks enzim penting dalam kitaran Calvin. Malah, ia dianggap sebagai protein yang paling banyak di planet Bumi.

Pemindahan RNA dan ribosom digunakan dalam terjemahan mesej RNA yang dikodkan dalam genom chloroplast. Ia termasuk RNA ribosomal 23S, 16S, 5S dan 4.5S dan pemindahan RNA. Ia juga kod untuk 20 protein ribosom dan subunit tertentu polimerase RNA.

Walau bagaimanapun, unsur-unsur tertentu yang diperlukan untuk fungsi kloroplas dikodkan dalam genom nuklear sel tumbuhan.

Fungsi

Chloroplasts boleh dianggap sebagai pusat metabolik penting dalam tumbuh-tumbuhan, di mana tindakbalas biokimia berganda berkat terima kasih kepada spektrum luas enzim dan protein yang berlabuh ke membran yang mengandungi organel ini.

Mereka mempunyai fungsi kritikal dalam organisma tumbuhan: ia adalah tempat proses fotosintesis berlaku, di mana sinar matahari berubah menjadi karbohidrat, dengan oksigen sebagai produk sekunder..

Satu siri fungsi sekunder biosintesis juga berlaku di kloroplas. Selanjutnya kita akan membincangkan secara terperinci setiap fungsi:

Fotosintesis

Fotosintesis berlaku berkat klorofil. Pigmen ini terdapat di dalam kloroplas, dalam membran thylakoids.

Ia terdiri daripada dua bahagian: cincin dan ekor. Cincin ini mengandungi magnesium dan bertanggungjawab untuk penyerapan cahaya. Ia boleh menyerap cahaya biru dan cahaya merah, mencerminkan kawasan hijau spektrum cahaya.

Reaksi fotosintesis berlaku kerana pemindahan elektron. Tenaga yang datang dari cahaya memberikan tenaga kepada pigmen klorofil (molekul dikatakan "teruja dengan cahaya"), menyebabkan pergerakan zarah-zarah ini dalam membran thylakoids. Chlorophyll mendapat elektron daripada molekul air.

Proses ini menghasilkan pembentukan kecerunan elektrokimia yang membolehkan sintesis ATP dalam stroma. Fasa ini juga dikenali sebagai "bercahaya".

Bahagian kedua fotosintesis (atau fasa gelap) berlaku di stroma dan berterusan di sitosol. Ia juga dikenali sebagai reaksi penetapan karbon. Pada peringkat ini, produk dari tindak balas di atas digunakan untuk membina karbohidrat dari CO2.

Sintesis biomolekul

Di samping itu, kloroplas mempunyai fungsi khusus lain yang membolehkan pembangunan dan pertumbuhan tumbuhan.

Dalam organelle ini berlaku asimilasi nitrat dan sulfat, dan mempunyai enzim yang diperlukan untuk sintesis asid amino, phytohormones, vitamin, asid lemak, klorofil dan karotenoid.

Kajian tertentu telah mengenal pasti sebilangan besar asid amino yang disintesis oleh organelle ini. Kirk et al mengkaji pengeluaran asid amino dalam chloroplasts of Vicia faba L.

Penulis mendapati bahawa asid amino disintesis yang paling banyak adalah glutamat, aspartat dan threonine. Jenis lain, seperti alanin, serine dan glisin juga disintesis tetapi dalam kuantiti yang lebih kecil. Baki tiga asid amino yang lain juga dikesan.

Mereka telah dapat mengasingkan gen yang berlainan yang terlibat dalam sintesis lipid. Chloroplasts mempunyai laluan yang diperlukan untuk sintesis lipid isoprenoid, penting untuk pengeluaran klorofil dan pigmen lain.

Pertahanan terhadap patogen

Tumbuhan tidak mempunyai sistem imun yang maju seperti haiwan. Oleh itu, struktur selular mesti menghasilkan bahan antimikrobial untuk dapat mempertahankan terhadap agen berbahaya. Untuk tujuan ini, tumbuhan dapat mensintesis spesies oksigen reaktif (ROS) atau asid salisilik.

Chloroplasts berkaitan dengan pengeluaran bahan-bahan ini yang menghilangkan patogen yang mungkin memasuki kilang.

Begitu juga, mereka berfungsi sebagai "sensor molekul" dan mengambil bahagian dalam mekanisme amaran, menyampaikan maklumat kepada organel lain.

Plastid lain

Chloroplasts tergolong dalam keluarga organel tumbuhan yang dipanggil plastids atau plastids. Chloroplasts berbeza terutamanya dari seluruh plastids kerana mereka mempunyai pigmen klorofil. Plastid lain ialah:

-Chromoplasma: struktur ini mengandungi karotenoid, terdapat dalam bunga dan bunga. Terima kasih kepada pigmen ini, struktur sayuran mempunyai warna kuning, oren dan merah.

-Leucoplastos: plastidios ini tidak mengandungi pigmen dan oleh itu ia berwarna putih. Mereka berfungsi sebagai rizab dan terdapat dalam organ-organ yang tidak menerima cahaya langsung.

-Amiloplas: mengandungi kanji dan terdapat dalam akar dan ubi.

Plastid berasal dari struktur yang dipanggil protoplastidia. Salah satu ciri yang paling menarik dari plastids adalah harta mereka untuk menukar jenis, walaupun mereka sudah berada di peringkat matang. Perubahan ini dicetuskan oleh isyarat alam sekitar atau intrinsik dari kilang.

Sebagai contoh, kloroplas mampu menimbulkan kromoplas. Untuk perubahan ini, membran thylakoid disintegrates dan karotenoid disintesis.

Rujukan

  1. Allen, J. F. (2003). Mengapa Chloroplasts dan Mitokondria Mengandungi Genom. Genomik Perbandingan dan Fungsi, 4(1), 31-36.
  2. Cooper, G. M (2000). Sel: pendekatan molekul. Edisi kedua. Sinauer Associates
  3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M., & Chang, W.-J. (2016). Genom kloroplas: kepelbagaian, evolusi, dan aplikasi dalam kejuruteraan genetik. Genome Biology, 17, 134.
  4. Gracen, V.E., Hilliard, J.H., Brown, R.H., & West, S.H. (1972). Retikulum periferal dalam kloroplas tumbuhan yang berbeza dalam laluan penstabil CO2 dan fotorespirasi. Loji, 107(3), 189-204.
  5. Grey, M. W. (2017). Lynn Margulis dan hipotesis endosymbiont: 50 tahun kemudian. Biologi Molekul Sel, 28(10), 1285-1287.
  6. Jensen, P. E., & Leister, D. (2014). Evolusi, struktur dan fungsi chloroplast. Laporan F1000Prime, 6, 40.
  7. Kirk, P. R., & Leech, R. M. (1972). Biosintesis Asid Amino oleh Chloroplasts terisolasi semasa Photosynthesis . Fisiologi Loji, 50(2), 228-234.
  8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Peranan lipid dalam biogenesis kloroplast. In Lipid dalam Pembangunan Tanaman dan Alga (ms 103-125). Springer, Cham.
  9. Sowden, R. G., Watson, S.J., & Jarvis, P. (2017). Peranan kloroplas dalam patologi tumbuhan. Esei dalam biokimia, EBC20170020.
  10. Wise, R. R., & Hoober, J. K. (2007). Struktur dan fungsi plastid. Sains & Media Perniagaan Springer.