Chloroplasten Funktionen, Struktur und Prozess der Photosynthese

Die Chloroplasten Sie sind eine Art von Zellorganellen, die durch ein komplexes System von Membranen begrenzt sind, das für Pflanzen und Algen charakteristisch ist. In diesem Plastid ist das Chlorophyll, Pigment verantwortlich für die Prozesse der Photosynthese, die grüne Farbe des Gemüses und ermöglichen das autotrophe Leben dieser Linien.

Darüber hinaus sind die Chloroplasten zur Erzeugung von Stoffwechselenergie bezogen (ATP - Adenosintriphosphat), Synthese von Aminosäuren, Vitaminen, Fettsäuren, Lipiden und Komponenten ihrer Membranen Nitritreduktion. Es spielt auch eine Rolle bei der Herstellung von Abwehrstoffen gegen Krankheitserreger.

Dieses photo Organell hat sein eigenes Kreis Genom (DNA) und schlägt vor, dass, wie Mitochondrien, die aus einem Prozess der Symbiose zwischen einem Host und einem Ur photosynthetisches Bakterium.

Index

• 1 Ursprung
  • 1.1 Die endosymbiotische Theorie
• 2 Allgemeine Eigenschaften
• 3 Struktur
  • 3.1 Äußere und innere Membranen
  • 3.2 Thilakoidmembran
  • 3.3 Thylakoide
  • 3.4 Stroma
  • 3.5 Genom
• 4 Funktionen
  • 4.1 Photosynthese
  • 4.2 Synthese von Biomolekülen
  • 4.3 Abwehr von Krankheitserregern
• 5 Andere Plastiden
• 6 Referenzen

Herkunft

Chloroplasten sind Organellen, die Eigenschaften sehr entfernter Gruppen von Organismen haben: Algen, Pflanzen und Prokaryoten. Dieser Befund legt nahe, dass die Organelle aus einem prokaryotischen Organismus mit der Fähigkeit zur Photosynthese stammt.

Es wird geschätzt, dass der erste eukaryotische Organismus mit der Fähigkeit zur Photosynthese vor ungefähr 1.000 Millionen Jahren entstanden ist. Die Beweise zeigen, dass dieser wichtige evolutionäre Sprung durch den Erwerb eines Cyanobakteriums durch einen eukaryotischen Wirt verursacht wurde. Dieser Prozess führte zu verschiedenen Linien von Rot-, Grün- und Pflanzenalgen.

In ähnlicher Weise entstehen Ereignisse sekundäre und tertiäre Symbiose, in der eine Linie von eukaryotischen einer symbiotischen Beziehung mit anderem frei lebenden eukaryotischen photo.

Im Laufe der Evolution wurde das Genom des mutmaßlichen Bakteriums reduziert und einige seiner Gene wurden in das Genom des Zellkerns übertragen und integriert.

Die Organisation des Genoms der gegenwärtigen Chloroplasten ähnelt der eines Prokaryoten, hat aber auch Eigenschaften des genetischen Materials von Eukaryoten.

Die endosymbiotische Theorie

Endosymbiotic Theorie von Lynn Margulis in einer Reihe von Büchern, die zwischen 60 und 80. Jedoch veröffentlicht vorgeschlagen wurde, war es eine Idee, die bereits selbst seit den 1900er Jahren die Handhabung, vorgeschlagen von Mereschkowsky.

Diese Theorie erklärt den Ursprung von Chloroplasten, Mitochondrien und den in den Flagellen vorhandenen Basalkörpern. Nach dieser Hypothese waren diese Strukturen einst freie prokaryotische Organismen.

Es gibt nicht viele Beweise, die den endosymbiotischen Ursprung der Basalkörper aus mobilen Prokaryoten unterstützen.

Im Gegensatz dazu gibt es erhebliche Beweise für die endosymbiotische Ursprung der Mitochondrien aus α-Proteobakterien und Chloroplasten aus Cyanobakterien unterstützen. Der klarste und stärkste Beweis ist die Ähnlichkeit zwischen beiden Genomen.

Allgemeine Eigenschaften

Chloroplasten sind die auffälligste Art von Plastiden in Pflanzenzellen. Sie sind ovale Strukturen, die von Membranen umgeben sind und der berühmteste Prozess der autotrophen Eukaryoten findet in ihrem Inneren statt: Photosynthese. Sie sind dynamische Strukturen und haben ihr eigenes genetisches Material.

Sie befinden sich normalerweise auf den Blättern von Pflanzen. Eine typische Pflanzenzelle kann 10 bis 100 Chloroplasten haben, obwohl die Anzahl ziemlich variabel ist.

Wie bei den Mitochondrien tritt die Vererbung von Chloroplasten von Eltern auf Kinder bei einem der Eltern auf, nicht bei beiden. Tatsächlich sind diese Organellen den Mitochondrien in verschiedenen Aspekten ziemlich ähnlich, obwohl sie komplexer sind.

Struktur

Chloroplasten sind große Organellen, 5 bis 10 μm lang. Die Eigenschaften dieser Struktur können unter einem herkömmlichen optischen Mikroskop sichtbar gemacht werden.

Sie sind von einer doppelten Lipidmembran umgeben. Zusätzlich haben sie ein drittes System von inneren Membranen, die Thylakoidmembranen genannt werden.

Dieses letzte membranöse System bildet eine Gruppe von scheibenartigen Strukturen, die als Thylakoide bekannt sind. Die Vereinigung von Thylakoiden in Haufen wird "Grana" genannt und sie sind miteinander verbunden.

Dank dieses Dreifach-Membransystem, die interne Struktur der Chloroplasten-Komplexes ist und ist in drei Bereiche unterteilt: der Intermembranraum (zwischen der zwei äußeren Membranen), das Stroma (in den Chloroplasten und außerhalb des Thylakoidmembran gefunden) und zuletzt das Lumen des Thylakoids.

Äußere und innere Membranen

Das Membransystem ist mit der Erzeugung von ATP verbunden. Wie die Membranen der Mitochondrien bestimmt auch die innere Membran den Eintritt der Moleküle in die Organelle. Phosphatidylcholin und Phosphatidylglycerol sind die am häufigsten vorkommenden Lipide von Chloroplastenmembranen.

Die äußere Membran enthält eine Reihe von Poren. Kleine Moleküle können durch diese Kanäle ungehindert eintreten. Die innere Membran erlaubt andererseits nicht den freien Durchgang dieser Art von niedermolekularen Molekülen.Damit Moleküle eindringen können, müssen sie dies mithilfe spezifischer Transporter tun, die an der Membran verankert sind.

In einigen Fällen gibt es eine Umfangsstruktur genannt Gitter, durch ein Netzwerk von Membranen gebildet, und zwar von dem inneren Chloroplasten-Membran stammte. Einige Autoren betrachten sie als einzigartig für Pflanzen mit C4-Metabolismus, obwohl sie in C3-Pflanzen gefunden wurden.

Die Funktion dieser Tubuli und Vesikel ist noch nicht klar. Es wird vorgeschlagen, dass sie zum schnellen Transport von Metaboliten und Proteinen im Chloroplasten beitragen oder die Oberfläche der inneren Membran vergrößern können.

Thylakoidmembran

Die Elektronentransportkette, die an photosynthetischen Prozessen beteiligt ist, tritt in diesem Membransystem auf. Die Protonen werden durch diese Membran vom Stroma in das Innere der Thylakoide gepumpt.

Dieser Gradient führt zur Synthese von ATP, wenn die Protonen zurück zum Stroma geleitet werden. Dieser Vorgang entspricht dem in der inneren Membran der Mitochondrien.

Monogalactosyldiglyceride Diacylglycerin, Digalactosyl Diacylglycerin, Sulfochinovosyldiacylglycerin und Phosphatidylglycerin: die Thylakoidmembran wird durch vier Arten von Lipiden gebildet. Jeder Typ hat eine spezielle Funktion innerhalb der Lipiddoppelschicht dieses Abschnitts.

Thylakoide

Die Thylakoide sind membranartige Strukturen in Form von Säcken oder flachen Scheiben, die in einerGrana"(Der Plural dieser Struktur ist Granum). Diese Scheiben haben einen Durchmesser von 300 bis 600 nm. Im Innenraum des Thylakoids heißt Lumen.

Die Architektur des Thylakoid-Stacks wird noch diskutiert. Zwei Modelle werden vorgeschlagen: die erste ist die spiralförmigen Muster, wobei die Thylakoide helikal zwischen Granas gewickelt sind.

Im Gegensatz dazu schlägt das andere Modell eine Bifurkation vor. Diese Hypothese legt nahe, dass die Grana durch Bifurkationen des Stroma gebildet werden.

Stroma

Das Stroma ist die gallertartige Flüssigkeit, die die Thylakoide umgibt und in der inneren Region des Chloroplasten gefunden wird. Diese Region entspricht dem Zytosol der vermeintlichen Bakterien, die diese Art von Plastiden hervorgebracht haben.

In diesem Bereich finden Sie DNA-Moleküle und eine große Menge an Proteinen und Enzymen. Insbesondere werden die am Calvin-Zyklus beteiligten Enzyme für die Fixierung von Kohlendioxid im photosynthetischen Prozess gefunden. Sie können auch Stärkekörner finden

Im Stroma findet man die Chloroplasten der Chloroplasten, da diese Strukturen ihre eigenen Proteine ​​synthetisieren.

Genom

Eine der herausragenden Eigenschaften von Chloroplasten ist, dass sie ein eigenes genetisches System haben.

Das genetische Material der Chloroplasten besteht aus zirkulären DNA-Molekülen. Jede Organelle hat mehrere Kopien dieses kreisförmigen Moleküls von 12 bis 16 kb (Kilobasen). Sie sind in sogenannten Nukleoiden organisiert und bestehen aus 10 bis 20 Kopien des Plastidengenoms, zusammen mit Proteinen und RNA-Molekülen.

Die Chloroplasten-DNA kodiert für ungefähr 120 bis 130 Gene. Diese ergeben sich in Proteinen und RNA im Zusammenhang mit photosynthetischen Prozessen als Komponente von Photosystem I und II, und die ATP-Synthase-Untereinheit Rubisco.

Rubisco (Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase / Oxygenase) ist ein entscheidender Enzymkomplex im Calvin-Zyklus. In der Tat gilt es als das am häufigsten vorkommende Protein auf dem Planeten Erde.

Transfer-RNAs und Ribosomen werden bei der Translation von RNA-Botschaften verwendet, die im Chloroplastgenom kodiert sind. Es umfasst die ribosomalen RNAs 23S, 16S, 5S und 4.5S und transferiert RNA. Es kodiert auch für 20 ribosomale Proteine ​​und bestimmte Untereinheiten der RNA-Polymerase.

Bestimmte Elemente, die für das Funktionieren des Chloroplasten notwendig sind, sind jedoch im Kerngenom der Pflanzenzelle kodiert.

Funktionen

Chloroplasten kann als wichtiges Stoffwechselzentrum in Pflanzen, in denen mehrere biochemischen Reaktionen durch das breite Spektrum an Enzymen und verankerte Proteine ​​in Betracht gezogen werden, diese Organellen enthaltenden Membranen auftreten.

Sie haben eine wichtige Rolle bei der pflanzlichen Organismen: die Stelle, wo die photosynthetische Prozesse, in denen das Sonnenlicht in Kohlenhydrate umgewandelt wird, mit Sauerstoff als Neben auftreten.

Eine Reihe von sekundären Funktionen der Biosynthese tritt auch in Chloroplasten auf. Als nächstes besprechen wir jede Funktion im Detail:

Photosynthese

Die Photosynthese erfolgt dank Chlorophyll. Dieses Pigment findet sich in den Chloroplasten, in den Membranen der Thylakoide.

Es besteht aus zwei Teilen: einem Ring und einem Schwanz. Der Ring enthält Magnesium und ist verantwortlich für die Absorption von Licht. Es kann blaues Licht und rotes Licht absorbieren und reflektiert den grünen Bereich des Lichtspektrums.

Photosynthesereaktionen finden dank der Übertragung von Elektronen statt. Die Energie, die von dem Licht kommt, überträgt Energie auf das Chlorophyllpigment (das Molekül wird als "durch Licht angeregt" bezeichnet), was eine Bewegung dieser Teilchen in der Membran der Thylakoide bewirkt. Chlorophyll erhält seine Elektronen aus einem Wassermolekül.

Dieser Prozess führt zur Bildung eines elektrochemischen Gradienten, der die Synthese von ATP im Stroma ermöglicht. Diese Phase wird auch als "leuchtend" bezeichnet.

Der zweite Teil der Photosynthese (oder Dunkelphase) findet im Stroma statt und setzt sich im Zytosol fort. Es ist auch bekannt als Kohlenstofffixierungsreaktionen. In dieser Stufe werden die Produkte der obigen Reaktionen verwendet, um Kohlenhydrate aus CO zu bilden₂.

Synthese von Biomolekülen

Darüber hinaus haben Chloroplasten andere spezialisierte Funktionen, die die Entwicklung und das Wachstum der Pflanze ermöglichen.

In dieser Organelle erfolgt die Assimilation von Nitraten und Sulfaten, und besitzen die notwendigen Enzyme für die Synthese von Aminosäuren, Phytohormonen, Vitaminen, Fettsäuren, Chlorophyll und Carotinoiden.

In bestimmten Studien wurde eine signifikante Anzahl von Aminosäuren identifiziert, die von dieser Organelle synthetisiert werden. Kirk et al. Untersuchten die Produktion von Aminosäuren in Chloroplasten von Vicia faba L.

Diese Autoren fanden heraus, dass die am häufigsten vorkommenden Aminosäuren Glutamat, Aspartat und Threonin waren. Andere Arten wie Alanin, Serin und Glycin wurden ebenfalls synthetisiert, jedoch in kleineren Mengen. Die restlichen dreizehn Aminosäuren wurden ebenfalls nachgewiesen.

Sie konnten verschiedene Gene isolieren, die an der Synthese von Lipiden beteiligt sind. Chloroplasten besitzen die notwendigen Wege zur Synthese von Isoprenoidlipiden, die für die Produktion von Chlorophyll und anderen Pigmenten essentiell sind.

Abwehr gegen Krankheitserreger

Pflanzen haben kein entwickeltes Immunsystem ähnlich dem von Tieren. Daher müssen zelluläre Strukturen antimikrobielle Substanzen erzeugen, um gegen schädliche Mittel zu schützen. Zu diesem Zweck können Pflanzen reaktive Sauerstoffspezies (ROS) oder Salicylsäure synthetisieren.

Chloroplasten sind mit der Produktion dieser Substanzen verbunden, die mögliche Krankheitserreger, die in die Pflanze gelangen, eliminieren.

Ebenso fungieren sie als "molekulare Sensoren" und nehmen an Warnmechanismen teil, indem sie die Informationen an andere Organellen weitergeben.

Andere Plastiden

Chloroplasten gehören zu einer Familie pflanzlicher Organellen, die Plastiden oder Plastiden genannt werden. Chloroplasten unterscheiden sich hauptsächlich von den übrigen Plastiden, da sie das Chlorophyllpigment besitzen. Die anderen Plastiden sind:

-Die Chromoplasten: Diese Strukturen enthalten Carotinoide, sind in Blumen und Blumen vorhanden. Dank dieser Pigmente haben die Pflanzenstrukturen gelbe, orange und rote Farben.

-Die Leukoplastos: diese Plastiden enthalten keine Pigmente und sind daher weiß. Sie dienen als Reserve und sind in Organen zu finden, die kein direktes Licht erhalten.

-Die Amyloplasten: sie enthalten Stärke und sind in Wurzeln und Knollen gefunden.

Plastiden stammen von Strukturen, die Protoplastidien genannt werden. Eines der auffallendsten Merkmale von Plastiden ist ihre Eigenschaft, den Typ zu ändern, obwohl sie sich bereits in einem ausgereiften Stadium befinden. Diese Veränderung wird durch umweltbedingte oder intrinsische Anzeichen der Pflanze ausgelöst.

Zum Beispiel können Chloroplasten Chromoplasten erzeugen. Für diesen Wechsel zerfällt die Thylakoidmembran und die Carotinoide werden synthetisiert.

Referenzen

1. Allen, J. F. (2003). Warum Chloroplasten und Mitochondrien Genome enthalten. Vergleichende und funktionelle Genomik, 4(1), 31-36.
2. Cooper, G. M (2000). Die Zelle: Molekularer Ansatz. Zweite Ausgabe. Sinauer Mitarbeiter
3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M. & Chang, W.-J. (2016). Chloroplastengenome: Vielfalt, Evolution und Anwendungen in der Gentechnik. Genom-Biologie, 17, 134.
4. Gracen, V. E., Hilliard, J. H., Brown, R. H., und West, S. H. (1972). Peripheres Retikulum in Chloroplasten von Pflanzen mit unterschiedlichen CO 2 -Fixierungswegen und Photorespiration. Pflanze, 107(3), 189-204.
5. Gray, M.W. (2017). Lynn Margulis und die Endosymbiont-Hypothese: 50 Jahre später. Molekularbiologie der Zelle, 28(10), 1285-1287.
6. Jensen, P. E. & Leister, D. (2014). Chloroplastenentwicklung, Struktur und Funktionen. F1000Prime-Berichte, 6, 40.
7. Kirk, P. R. & Leech, R. M. (1972). Aminosäure-Biosynthese durch isolierte Chloroplasten während der Photosynthese. Pflanzenphysiologie, 50(2), 228-234.
8. Kobayashi, K. & Wada, H. (2016). Die Rolle von Lipiden in der Biogenese von Chloroplasten. in Lipide in der Pflanzen- und Algenentwicklung (S. 103-125). Springer, Cham.
9. Sowden, R.G., Watson, S.J., und Jarvis, P. (2017). Die Rolle von Chloroplasten in der Pflanzenpathologie. Essays in Biochemie, EBC20170020.
10. Wise, R.R. & Hoober, J.K. (2007). Die Struktur und Funktion von Plastiden. Springer Wissenschafts- und Wirtschaftsmedien.