Hloroplasti un hlorofils: fotosintēzes organellas augos un aļģēs
Uzzini, kā hloroplasti un hlorofils vada fotosintēzi augos un aļģēs — gaismas absorbcija, CO2 pārveide cukurā, skābekļa ražošana un pigmentu loma.
Hloroplasti ir mazas organellas, kas atrodamas augu un aļģu šūnās. Tās absorbē gaismu, lai saražotu cukurus procesā, ko sauc par fotosintēzi. Radītie cukuri var tikt uzglabāti gan kā ciete, gan pārvietoti citām šūnām. Hloroplasti satur molekulu hlorofilu, kas galvenokārt absorbē saules gaismu un nodrošina fotosintēzes sākumu. Papildus hlorofilam hloroplastos tiek izmantots oglekļa dioksīds (CO2) un ūdens (H2O) cukura veidošanai, kā arī izdalīts skābeklis (O2) — tas viss ir fotosintēzes rezultāts. Tieši hlorofils piešķir zaļajiem augiem to raksturīgo zaļo krāsu, bet hloroplastos sastopami arī dažādi dzelteni un oranži pigmenti, kas palīdz uztvert plašāku spektru fotonus fotosintēzes procesā.
Hloroplastu uzbūve un iekšējā organizācija
Hloroplastiem ir divkārša membrāna — ārējā un iekšējā plazmatiskā membrāna — kas ieskauj tilakoīdu sistēmu un stroma šķidrumu. Tilakoīdi ir plakanas, membrānveida struktūras, kuras sakraujot veido granas. Tilakoīdu membrānā atrodas fotosintētiskie pigmenti un proteīni, kas nodrošina gaismas fāzi (elektronu plūsmu, ATP un NADPH ražošanu). Stromā norisinās tumšā fāze jeb Kalvina cikls, kur tiek fiksēts CO2 un sintezēti ogļhidrāti. Hloroplasti satur arī savu DNS un ribosomas, kas liecina par to autonomo spējīgu proteīnu sintēzi un parāda sakari ar endosimbiozes teoriju.
Hlorofils un citi pigmenti
Galvenais fotosintētiskais pigments ir hlorofils, kas eksistē galvenokārt divās formās — hlorofils a un hlorofils b — ar nedaudz atšķirīgām absorbcijas īpašībām. Hlorofili absorbē galvenokārt sarkano un zilo gaismas daļu, bet atstāj zaļu, kas arī padara augus zaļus. Palīgpigmenti, piemēram, karotinoīdi (dzelteni un oranži) un ksantofili, paplašina uztveramo gaismas spektru un aizsargā fotosistēmas no pārmērīga gaismas radītā oksidatīvā stresa. Aļģēm un citiem fotosintētiskiem organismiem var būt arī speciālas pigmentu klases — piemēram, fikobiliproteīni sarkanajām aļģēm vai fukoksantīns brūnajām aļģēm — kas ļauj izmantot citus spektra reģionus.
Fotosintēzes galvenie posmi hloroplastos
- Gaismas fāze (tilakoīdu membrānās): fotoni aktivizē pigmentu kompleksus, notiek ūdens fotolīze (H2O → O2 + H+ + e−), tiek veidots ATP un reducējošais equivalents NADPH.
- Kalvina cikls (stromā): CO2 tiek fiksēts un pārvērsts trīskarbonātos ogļhidrātos, izmantojot ATP un NADPH; centrālais fermentu komplekss ir Rubisco.
- Rezultātā veidojas trioses fosfāti, no kuriem šūna var sintezēt glikozi, saharozi vai uzkrāt cieti ilgtermiņa uzglabāšanai.
Bioloģiskā un ekoloģiskā nozīme
Hloroplasti un tajos notiekošā fotosintēze nodrošina atmosfēras skābekli un ir galvenais biomasas avots, uz kura balstās praktiski visi ekosistēmu pārtikas tīkli. Augiem un aļģēm fotosintēze ļauj pārvērst saules enerģiju par ķīmisko, kas ir kritiski svarīgi lauksaimniecībā, klimata regulācijā un kosmoss pētījumos (piemēram, CO2 samazināšana).
Citas īpašības un pielietojums
Hloroplasti parasti ir izmēros no 2 līdz 10 µm, un vienā šūnā var būt no dažiem līdz vairākiem simtiem hloroplastu atkarībā no auga veida un šūnas specifikas. Tie spēj dalīties neatkarīgi no šūnas dalīšanas, un augi regulē to skaitu, izmēru un izkārtojumu atkarībā no gaismas apstākļiem (piemēram, hloroplastu kustība uz vai prom no gaismas avota). Cilvēki izmanto zināšanas par hloroplastu darbību biotehnoloģijā — piemēram, uzlabojot fotosintētisko efektivitāti, ražojot biomasu vai sintezējot specifiskas vielas in planta.
Īsumā, hloroplasti ir specializētas organellas ar sarežģītu iekšējo arhitektūru un daudzpusīgām funkcijām: tie uztver gaismas enerģiju, pārvērš to ķīmiskajā formā, fiksē CO2 un ražo barības vielas un O2, kas uztur dzīvību uz Zemes.
Plagiomnium affine šūnās redzamie hloroplasti
Hloroplasta ultrastruktūra: 1. ārējā membrāna2. starpmembrānu telpa3. iekšējā membrāna (1+2+3: apvalks) 4. stroma (šķidrums) 5. tilakoīda lūmenis (tilakoīda iekšpuse) 6. tilakoīda membrāna7 . grana (tilakoīdu kaudzes) 8. tilakoīds (plāksnīte) 9. ciete10. ribosoma11. plastīdu DNS12. plastoglobula (lipīdu pilieni).
Hloroplasta shēma
Struktūra
Katru hloroplastu ieskauj dubultsienu puscaurlaidīga membrāna, ko kopā sauc par peristromu. Slāņainajos slānīšos atrodas plakanas diska formas tilakoīdi. Tās satur gaismu absorbējošus pigmentus, tostarp hlorofilu un karotinoīdus, kā arī olbaltumvielas, kas saista pigmentus. Tāpat kā mitohondrijos, arī hloroplastos ir sava DNS un ribosomas.
Evolūcija
Hloroplasti ir viens no daudzajiem šūnu organellu veidiem. Tiek uzskatīts, ka tās radušās kā endosimbiotiskas cianobaktērijas. Pirmo reizi šādu pieņēmumu izteica Mereschkowsky 1905. gadā pēc Schimpera 1883. gadā veiktā novērojuma, ka hloroplasti ļoti līdzinās cianobaktērijām. Tiek uzskatīts, ka gandrīz visi hloroplasti tieši vai netieši ir radušies vienas endosimbiozes rezultātā.
Arī mitohondriju izcelsme ir līdzīga, bet hloroplasti ir sastopami tikai augos un protaudzēkļos. Zaļajos augos hloroplastus ieskauj divas lipīdu slāņu membrānas. Tiek uzskatīts, ka tās atbilst senču cianobaktēriju ārējai un iekšējai membrānai. Hloroplastiem ir savs genoms, kas ir daudz mazāks nekā brīvi dzīvojošām cianobaktērijām. DNS, kas ir saglabājusies, ir nepārprotami līdzīga cianobaktēriju genomam. Plastīdi var saturēt 60-100 gēnus, savukārt cianobaktērijas bieži satur vairāk nekā 1500 gēnu. Daudzi no trūkstošajiem gēniem ir kodēti saimnieka kodola genomā.
Dažās aļģēs (piemēram, heterokontos) hloroplasti, šķiet, ir attīstījušies sekundārā endosimbiozes procesā, kad eikarītiska šūna uzsūc otru eikarītisku šūnu, kas satur hloroplastus, veidojot hloroplastus ar trim vai četriem membrānas slāņiem. Dažos gadījumos šādus sekundāros endosimbiontus var būt uzsūkuši citi eikarioti, tādējādi veidojot terciāros endosimbiontus. Aļģē Chlorella ir tikai viens hloroplasts, kas ir zvanveida.
Dažās mixotrofu protistu grupās, piemēram, dinoflagelātos, hloroplasti tiek atdalīti no notvertās aļģes vai diatomijas un uz laiku izmantoti. Šo klepto (nozagto) hloroplastu kalpošanas laiks var būt tikai dažas dienas, un pēc tam tie tiek nomainīti.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir hloroplasts?
A: Hloroplasts ir neliela organoleta augu un aļģu šūnās.
J: Kā sauc procesu, kurā hloroplasti absorbē gaismu, lai ražotu cukuru?
A: Šo procesu sauc par fotosintēzi.
J: Kāds ir hlorofila mērķis hloroplastos?
A: Hlorofils absorbē saules gaismu fotosintēzes vajadzībām.
J: Ko hloroplasts izmanto, lai veidotu cukuru un izdalītu skābekli?
A: Hloroplasts izmanto oglekļa dioksīdu (CO2) un ūdeni (H2O), lai veidotu cukuru un izdalītu skābekli (O2).
J: Kas piešķir zaļajiem augiem zaļo krāsu?
A: Hlorofils piešķir zaļajiem augiem zaļo krāsu.
J: Kādus citus pigmentus papildus hlorofilam satur hloroflasti?
A: Hloroplasti satur arī dažādus dzeltenus un oranžus pigmentus, kas palīdz uztvert fotonus fotosintēzes procesā.
J: Ko hloroplasts var uzglabāt cietes veidā pēc tam, kad to ir saražojis hloroplasts?
A: Hloroplastu saražoto cukuru var uzglabāt cietes veidā.
Meklēt