CLOROPLASTE: CARACTERISTICI, FUNCȚII ȘI STRUCTURĂ - BIOLOGIE - 2025

Cele cloroplastele sunt un tip de celule organite delimitate printr - un sistem complex de membrană, tipic de plante și alge. În această plastidă este clorofila, pigmentul responsabil pentru procesele de fotosinteză, culoarea verde a plantelor și care permite viața autotrofă a acestor linii.

Mai mult, cloroplastele sunt legate de generarea de energie metabolică (ATP - adenozina trifosfat), sinteza aminoacizilor, vitaminele, acizii grași, componentele lipidice ale membranelor lor și reducerea nitriților. De asemenea, are un rol în producerea substanțelor de apărare împotriva agenților patogeni.

Cloroplastelor. De Miguelsierra, de la Wikimedia Commons

Această organă fotosintetică are propriul său genom circular (ADN) și se propune ca, la fel ca mitocondriile, să provină dintr-un proces de simbioză între o gazdă și o bacterie fotosintetică ancestrală.

Origine

Cloroplastele sunt organele care au caracteristici ale unor grupuri de organisme foarte îndepărtate: alge, plante și procariote. Aceste dovezi sugerează că organella provine dintr-un organism procariot cu capacitatea de a se fotosinteza.

Se estimează că primul organism eucariotic, cu capacitatea de a se fotosinteza, a avut originea în urmă cu aproximativ 1 miliard de ani. Dovada indică faptul că acest salt evolutiv major a fost cauzat de achiziția unui cianobacterium de către o gazdă eucariotă. Acest proces a dat naștere unor linii diferite de plante și alge roșii și verzi.

În același mod, sunt propuse evenimente de simbioză secundară și terțiară, în care o linie de eucariote stabilește o relație simbiotică cu un alt eucariot fotosintetic în viață liberă.

Pe parcursul evoluției, genomul bacteriei putative a fost scurtat și o parte din genele sale au fost transferate și integrate în genomul nucleului.

Organizarea genomului cloroplastului actual seamănă cu cea a unui procariot, cu toate acestea are și atribute ale materialului genetic al eucariotelor.

Teoria endosimbiotică

Teoria endosimbiotică a fost propusă de Lynn Margulis într-o serie de cărți publicate între anii 60 și 80. Cu toate acestea, a fost o idee care a existat încă din anii 1900, propusă de Mereschkowsky.

Această teorie explică originea cloroplastelor, mitocondriilor și a corpurilor bazale prezente în flagelli. Conform acestei ipoteze, aceste structuri au fost cândva organisme procariote libere.

Nu există prea multe dovezi care să susțină originea endosimbiotică a corpurilor bazale din procariote motile.

În schimb, există dovezi importante care susțin originea endosimbiotică a mitocondriilor din α-Proteobacterii și ale cloroplastelor din cianobacterii. Cea mai clară și puternică dovadă este asemănarea dintre cei doi genomi.

Caracteristicile generale ale cloroplastelor

Cloroplastele sunt tipul cel mai vizibil de plastide din celulele plantelor. Sunt structuri ovale înconjurate de membrane și în interiorul lor are loc cel mai cunoscut proces de eucariote autotrofe: fotosinteza. Sunt structuri dinamice și au propriul material genetic.

În general sunt localizate pe frunzele plantelor. O celulă vegetală tipică poate avea 10 până la 100 de cloroplaste, deși numărul este destul de variabil.

La fel ca mitocondriile, moștenirea cloroplastelor de la părinți la copii apare de unul dintre părinți și nu de către ambii. De fapt, aceste organule sunt destul de asemănătoare cu mitocondriile în mai multe privințe, deși mai complexe.

Structura (piese)

Cloroplastelor. De Gmsotavio, de la Wikimedia Commons

Cloroplastele sunt organele mari, cu lungimea de 5 până la 10 um. Caracteristicile acestei structuri pot fi vizualizate sub un microscop luminos tradițional.

Sunt înconjurate de o dublă membrană lipidică. În plus, au un al treilea sistem de membrane interne, numite membrane tihakoide.

Acest din urmă sistem membranos formează un set de structuri asemănătoare discului, cunoscute sub numele de tilacoizi. Îmbinarea tilacoidelor în grămezi se numește "grana" și sunt conectate între ele.

Datorită acestui sistem triplu de membrane, structura internă a cloroplastului este complexă și este împărțită în trei spații: spațiul intermembran (între cele două membrane exterioare), stroma (care se găsește în cloroplast și în afara membranei tilacoide) și prin ultimul lumen al tilacoidului.

Membrane exterioare și interioare

Sistemul de membrană este legat de generarea de ATP. La fel ca membranele mitocondriilor, membrana interioară este cea care determină trecerea moleculelor în organelă. Fosfazitolcolina și fosfaditilglicerolul sunt cele mai abundente lipide din membranele cloroplastului.

Membrana exterioară conține o serie de pori. Moleculele mici pot intra liber pe aceste canale. Membrana interioară, din partea sa, nu permite tranzitul liber al acestui tip de molecule cu greutate mică. Pentru ca moleculele să intre, ele trebuie să facă acest lucru cu ajutorul unor transportoare specifice ancorate la membrană.

În unele cazuri există o structură numită reticulul periferic, format dintr-o rețea de membrane, originară din membrana interioară a cloroplastului. Unii autori le consideră unice din plantele cu metabolism C4, deși au fost găsite în plante C3.

Funcția acestor tubuli și vezicule nu este încă clară. Se propune că acestea ar putea contribui la transportul rapid al metaboliților și proteinelor în cloroplast sau la creșterea suprafeței membranei interioare.

Membrana tilacoidă

Membrana tilacoidă. Par Tameeria sur Wikipédia English, prin Wikimedia Commons

Lanțul de transport de electroni implicat în procesele fotosintetice apare în acest sistem cu membrană. Protonii sunt pompați prin această membrană, de la stroma în tilacoizi.

Acest gradient are ca rezultat sinteza ATP, când protonii sunt direcționați înapoi către stroma. Acest proces este echivalent cu cel care apare în membrana internă a mitocondriilor.

Membrana tilacoidă este formată din patru tipuri de lipide: monogalactosil diacilglicerol, digalactosil diacilglicerol, sulfoquinovosil diacilglicerol și fosfatidilglicerol. Fiecare tip îndeplinește o funcție specială în cadrul stratului lipidic din această secțiune.

tilacoid

Tihakoidele sunt structuri membranoase sub formă de saci sau discuri plate care sunt stivuite într-o „grana” (pluralul acestei structuri este granul). Aceste discuri au un diametru de 300 până la 600 nm. Spațiul intern al tilacoidului se numește lumen.

Arhitectura stivei tilacoide este încă dezbătută. Sunt propuse două modele: primul este modelul elicoidal, în care tilacoidele sunt înfășurate între boabele în formă de elix.

În schimb, celălalt model propune o bifurcație. Această ipoteză sugerează că grana sunt formate prin bifurcații ale stromei.

stroma

Stroma este lichidul gelatinos care înconjoară tilacoidele și este localizat în regiunea interioară a cloroplastului. Această regiune corespunde citosolului presupusei bacterii care a generat acest tip de plastidă.

În această zonă se află molecule de ADN și o cantitate mare de proteine ​​și enzime. Mai exact sunt enzimele care participă la ciclul Calvin, pentru fixarea dioxidului de carbon în procesul fotosintetic. Puteți găsi, de asemenea, granule de amidon

Ribozomii cloroplastului se găsesc în stroma, deoarece aceste structuri sintetizează propriile proteine.

genomul

Una dintre cele mai importante caracteristici ale cloroplastelor este că au propriul sistem genetic.

Materialul genetic al cloroplastelor este format din molecule circulare de ADN. Fiecare organelă are mai multe copii ale acestei molecule circulare de 12-16 kb (kilobază). Acestea sunt organizate în structuri numite nucleoide și constau din 10 până la 20 de copii ale genomului plastid, alături de proteine ​​și molecule de ARN.

Coduri ADN cloroplast pentru aproximativ 120 până la 130 de gene. Acestea au ca rezultat proteine ​​și ARN legate de procesele fotosintetice, precum componente ale fotosistemului I și II, ATP sintaza și una dintre subunitățile Rubisco.

Rubisco (ribuloza-1,5-bifosfat carboxilază / oxigenază) este un complex enzimatic crucial în ciclul Calvin. De fapt, este considerată cea mai abundentă proteină de pe planeta Pământ.

ARN-urile de transfer și ribozomale sunt utilizate în traducerea ARN-urilor mesaj care sunt codificate în genomul cloroplastului. Include ARN ribozomal 23S, 16S, 5S și 4.5S și ARN-uri de transfer. De asemenea, codifică 20 proteine ​​ribozomale și anumite subunități de ARN polimerază.

Cu toate acestea, anumite elemente necesare funcționării cloroplastului sunt codificate în genomul nuclear al celulei vegetale.

Caracteristici

Cloroplastele pot fi considerate centre metabolice importante în plante, unde au loc reacții biochimice multiple datorită spectrului larg de enzime și proteine ​​ancorate la membranele pe care le conțin aceste organele.

Au o funcție critică în organismele vegetale: este locul în care au loc procesele fotosintetice, unde lumina solară este transformată în carbohidrați, având oxigenul ca produs secundar.

O serie de funcții secundare biosintetice apar și în cloroplaste. Mai jos vom discuta despre fiecare funcție în detaliu:

Fotosinteză

Fotosinteză (stânga) și respirație (dreapta). Imagine din dreapta luată de la BBC

Fotosinteza apare datorită clorofilei. Acest pigment se găsește în interiorul cloroplastelor, în membranele tilacoidelor.

Este format din două părți: un inel și o coadă. Inelul conține magneziu și este responsabil pentru absorbția luminii. Poate absorbi lumina albastră și lumina roșie, reflectând zona verde a spectrului luminos.

Reacțiile fotosintetice apar datorită transferului de electroni. Energia provenită de la lumină dă energie pigmentului clorofilă (se spune că molecula este „excitată de lumină”), provocând o mișcare a acestor particule în membrana tilacoidă. Clorofila își obține electronii dintr-o moleculă de apă.

Acest proces are ca rezultat formarea unui gradient electrochimic care permite sinteza ATP în stroma. Această fază este cunoscută și sub denumirea de „lumină”.

A doua parte a fotosintezei (sau faza întunecată) apare în stroma și continuă în citosol. Este cunoscută și sub denumirea de reacții de fixare a carbonului. În această etapă, produsele reacțiilor anterioare sunt utilizate pentru a construi carbohidrați din CO ₂ .

Sinteza biomoleculelor

În plus, cloroplastele au alte funcții specializate care permit dezvoltarea și creșterea plantei.

În acest organel are loc asimilarea nitraților și sulfaților și au enzimele necesare pentru sinteza aminoacizilor, fitohormonelor, vitaminelor, acizilor grași, clorofilei și carotenoidelor.

Anumite studii au identificat un număr semnificativ de aminoacizi sintetizați de acest organel. Kirk și colegii săi au studiat producția de aminoacizi în cloroplastele din Vicia faba L.

Acești autori au descoperit că cei mai abundenți aminoacizi sintetizați au fost glutamatul, aspartatul și treonina. Alte tipuri, cum ar fi alanina, serina și glicina, au fost, de asemenea, sintetizate, dar în cantități mai mici. Restul de treisprezece aminoacizi au fost, de asemenea, detectați.

Au fost izolate diferite gene implicate în sinteza lipidelor. Cloroplastele posedă căile necesare pentru sinteza lipidelor izoprenoide, esențiale pentru producerea clorofilei și a altor pigmenți.

Apărare împotriva agenților patogeni

Plantele nu au un sistem imunitar dezvoltat similar cu cel al animalelor. Prin urmare, structurile celulare trebuie să producă substanțe antimicrobiene pentru a se apăra de agenții nocivi. În acest scop, plantele pot sintetiza specii reactive de oxigen (ROS) sau acid salicilic.

Cloroplastele sunt legate de producerea acestor substanțe care elimină posibilii agenți patogeni care intră în plantă.

De asemenea, aceștia funcționează ca „senzori moleculari” și participă la mecanisme de alertă, comunicând informații altor organele.

Alte plastide

Cloroplastele aparțin unei familii de organele vegetale numite plastide sau plastide. Cloroplastele diferă în principal de restul plastidelor, având clorofila pigmentului. Celelalte plastide sunt:

-Cromoplastele: aceste structuri conțin carotenoide, sunt prezente în flori și flori. Datorită acestor pigmenți, structurile plantelor au culori galben, portocaliu și roșu.

-Leukoplaste: aceste plastide nu conțin pigmenți și, prin urmare, sunt albe. Ele servesc drept rezervă și se găsesc în organe care nu primesc lumină directă.

-Amiloplaste: conțin amidon și se găsesc în rădăcini și tuberculi.

Plastidele provin din structuri numite protoplastide. Una dintre cele mai surprinzătoare caracteristici ale plastidelor este proprietatea lor de a schimba tipul, chiar dacă acestea sunt deja într-un stadiu matur. Această schimbare este declanșată de semnale de mediu sau intrinseci de la instalație.

De exemplu, cloroplastele sunt capabile să dea naștere cromoplastelor. Pentru această schimbare, membrana tilacoidă se dezintegrează și sunt sintetizați carotenoizii.

Referințe

1. Allen, JF (2003). De ce cloroplastele și mitocondriile conțin genomuri. Comparativă și funcțională Genomică, 4 (1), 31–36.
2. Cooper, G. M (2000). Celula: abord molecular. A doua editie. Asociații Sinauer
3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M., și Chang, W.-J. (2016). Genomele cloroplastului: diversitate, evoluție și aplicații în inginerie genetică. Genom Biology, 17, 134.
4. Gracen, VE, Hilliard, JH, Brown, RH, & West, SH (1972). Reticul periferic în cloroplastele plantelor care diferă pe căile de fixare a CO 2 și fotorepirație. Plantă, 107 (3), 189-204.
5. Grey, MW (2017). Lynn Margulis și ipoteza endosimbiontului: 50 de ani mai târziu. Biologia moleculară a celulei, 28 (10), 1285–1287.
6. Jensen, PE, & Leister, D. (2014). Evoluția, structura și funcțiile cloroplastului. Rapoarte anterioare F1000, 6, 40.
7. Kirk, PR, & Leech, RM (1972). Biosinteza aminoacizilor prin cloroplastele izolate în timpul fotosintezei. Fiziologia plantelor, 50 (2), 228-234.
8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Rolul lipidelor în biogeneza cloroplastului. În lipide în dezvoltarea plantelor și algei (pp. 103-125). Springer, Cham.
9. Sowden, RG, Watson, SJ și Jarvis, P. (2017). Rolul cloroplastelor în patologia plantelor. Eseuri în biochimie, EBC20170020.
10. Wise, RR, & Hoober, JK (2007). Structura și funcția plastidelor. Springer Media științifică și de afaceri.