Svět rostlin je jedním z hlavních bohatství naší planety. Právě díky flóře na Zemi je kyslík, který všichni dýcháme, existuje obrovská potravinová základna, na které závisí všechno živé. Rostliny jsou jedinečné v tom, že dokážou přeměnit anorganické chemické sloučeniny na organické látky.
Dělají to prostřednictvím fotosyntézy. Tento nejdůležitější proces probíhá ve specifických rostlinných organelách, chloroplastech. Tento nejmenší prvek vlastně zajišťuje existenci veškerého života na planetě. Mimochodem, co je to chloroplast?
Základní definice
Jmenují se specifické struktury, ve kterých probíhají procesy fotosyntézy, jejichž cílem je vázání oxidu uhličitého a tvorba určitých sacharidů. Vedlejším produktem je kyslík. Jedná se o protáhlé organely, dosahující šířky 2-4 mikronů, jejich délka dosahuje 5-10 mikronů. Některé druhy zelených řas mají někdy obří chloroplasty dlouhé 50 mikronů!
Stejné řasy mohou mítdalší rys: pro celou buňku mají pouze jednu organelu tohoto druhu. V buňkách vyšších rostlin je nejčastěji v rozmezí 10-30 chloroplastů. V jejich případě však mohou existovat světlé výjimky. Takže v palisádové tkáni obyčejného shagu je 1000 chloroplastů na buňku. K čemu jsou tyto chloroplasty? Fotosyntéza je jejich hlavní, ale zdaleka ne jedinou rolí. Pro jasné pochopení jejich významu v životě rostlin je důležité znát mnoho aspektů jejich původu a vývoje. To vše je popsáno ve zbytku článku.
Původ chloroplastu
Co je to chloroplast, jsme se dozvěděli. Odkud se tyto organely vzaly? Jak se stalo, že rostliny vyvinuly tak unikátní zařízení, které přeměňuje oxid uhličitý a vodu na složité organické sloučeniny?
V současnosti mezi vědci převládá pohled na endosymbiotický původ těchto organel, protože jejich nezávislý výskyt v rostlinných buňkách je spíše pochybný. Je dobře známo, že lišejník je symbiózou řas a hub. Jednobuněčné řasy žijí uvnitř houbové buňky. Nyní vědci naznačují, že v dávných dobách pronikaly fotosyntetické sinice do rostlinných buněk a poté částečně ztratily svou „nezávislost“a přenesly většinu genomu do jádra.
Ale nový organoid si v plném rozsahu zachoval svůj hlavní rys. Je to jen o procesu fotosyntézy. Samotné zařízení, nezbytné k provedení tohoto procesu, je však vytvořeno podkontrolu jak buněčného jádra, tak samotného chloroplastu. Rozdělení těchto organel a další procesy spojené s implementací genetické informace do DNA jsou tedy řízeny jádrem.
Evidence
Relativně nedávno nebyla hypotéza o prokaryotickém původu těchto prvků ve vědecké komunitě příliš populární, mnozí ji považovali za „vynálezy amatérů“. Ale po hloubkové analýze nukleotidových sekvencí v DNA chloroplastů se tento předpoklad brilantně potvrdil. Ukázalo se, že tyto struktury jsou extrémně podobné, dokonce příbuzné, DNA bakteriálních buněk. Takže podobná sekvence byla nalezena u volně žijících sinic. Zejména geny komplexu syntetizujícího ATP, stejně jako v „strojích“transkripce a translace, se ukázaly být extrémně podobné.
Promotory, které určují začátek čtení genetické informace z DNA, stejně jako koncové nukleotidové sekvence, které jsou zodpovědné za její ukončení, jsou také organizovány v obraze a podobě bakteriálních. Samozřejmě, miliardy let evolučních transformací mohly způsobit mnoho změn v chloroplastech, ale sekvence v genech pro chloroplasty zůstaly naprosto stejné. A to je nezvratný, úplný důkaz, že chloroplasty skutečně kdysi měly prokaryotického předka. Mohl to být organismus, ze kterého se vyvinuly i moderní sinice.
Vývoj chloroplastů z proplastidů
„Dospělý“organoid se vyvíjí z proplastidů. Jedná se o malý, zcela bezbarvýorganela, která má průměr jen několik mikronů. Je obklopena hustou dvojvrstvou membránou, která obsahuje kruhovou DNA specifickou pro chloroplasty. Tito „předchůdci“organel nemají vnitřní membránový systém. Vzhledem k jejich extrémně malé velikosti je jejich studium extrémně obtížné, a proto existuje extrémně málo údajů o jejich vývoji.
Je známo, že několik těchto protoplastidů je přítomno v jádru každé vaječné buňky zvířat a rostlin. Během vývoje embrya se dělí a jsou přenášeny do jiných buněk. To lze snadno ověřit: genetické rysy, které jsou nějakým způsobem spojeny s plastidy, se přenášejí pouze přes mateřskou linii.
Vnitřní membrána protoplastidu během vývoje vyčnívá do organoidu. Z těchto struktur vyrůstají thylakoidní membrány, které jsou zodpovědné za tvorbu granulí a lamel stromatu organoidu. V úplné tmě se protopastid začne přeměňovat na prekurzor chloroplastu (etioplast). Tento primární organoid se vyznačuje tím, že se v něm nachází poměrně složitá krystalická struktura. Jakmile světlo dopadne na list rostliny, je zcela zničen. Poté dochází k vytvoření "tradiční" vnitřní struktury chloroplastu, kterou tvoří právě tylakoidy a lamely.
Rozdíly v závodech na skladování škrobu
Každá meristémová buňka obsahuje několik těchto proplastidů (jejich počet se liší v závislosti na typu rostliny a dalších faktorech). Jakmile se tato primární tkáň začne přeměňovat na list, prekurzorové organely se změní na chloroplasty. Tak,mladé listy pšenice, které dokončily svůj růst, mají chloroplasty v množství 100-150 kusů. U rostlin, které jsou schopny akumulovat škrob, jsou věci trochu složitější.
Uchovávají tento sacharid v plastidech zvaných amyloplasty. Co ale mají tyto organely společného s tématem našeho článku? Hlízy brambor se totiž neúčastní fotosyntézy! Dovolte mi objasnit tento problém podrobněji.
Zjistili jsme, co je chloroplast, a cestou jsme odhalili spojení tohoto organoidu se strukturami prokaryotických organismů. Zde je situace podobná: vědci již dávno zjistili, že amyloplasty, stejně jako chloroplasty, obsahují přesně stejnou DNA a jsou tvořeny přesně stejnými protoplastidy. Proto je třeba je posuzovat ze stejného hlediska. Ve skutečnosti by amyloplasty měly být považovány za zvláštní druh chloroplastu.
Jak se tvoří amyloplasty?
Mezi protoplastidy a kmenovými buňkami lze nakreslit analogii. Jednoduše řečeno, amyloplasty se od určitého okamžiku začnou vyvíjet trochu jinou cestou. Vědci se však dozvěděli kuriózní věc: podařilo se jim dosáhnout vzájemné přeměny chloroplastů z bramborových listů na amyloplasty (a naopak). Kanonický příklad, který zná každý školák, je, že hlízy brambor na světle zezelenají.
Další informace o způsobech diferenciace těchto organel
Víme, že v procesu dozrávání plodů rajčat, jablek a některých dalších rostlin (a na podzim v listech stromů, trav a keřů)„degradace“, kdy se chloroplasty v rostlinné buňce mění na chromoplasty. Tyto organely obsahují barvicí pigmenty, karotenoidy.
Tato transformace je způsobena skutečností, že za určitých podmínek jsou thylakoidy zcela zničeny, načež organela získá jinou vnitřní organizaci. Zde se opět vracíme k problematice, kterou jsme začali probírat hned na začátku článku: vliv jádra na vývoj chloroplastů. Právě prostřednictvím speciálních proteinů, které jsou syntetizovány v cytoplazmě buněk, iniciuje proces restrukturalizace organoidu.
Struktura chloroplastu
Když už jsme mluvili o původu a vývoji chloroplastů, měli bychom se podrobněji zabývat jejich strukturou. Navíc je to velmi zajímavé a zaslouží si samostatnou diskusi.
Základní struktura chloroplastů se skládá ze dvou lipoproteinových membrán, vnitřní a vnější. Tloušťka každého z nich je asi 7 nm, vzdálenost mezi nimi je 20-30 nm. Stejně jako v případě jiných plastidů tvoří vnitřní vrstva zvláštní struktury, které vyčnívají do organoidu. Ve zralých chloroplastech existují dva typy takovýchto „klikatých“membrán najednou. První tvoří stromální lamely, druhé tvoří tylakoidní membrány.
Lamela a tylakoidy
Je třeba poznamenat, že existuje jasné spojení, které má chloroplastová membrána s podobnými útvary umístěnými uvnitř organoidu. Faktem je, že některé jeho záhyby se mohou rozprostírat od jedné stěny ke druhé (jako v mitochondriích). Lamely tedy mohou tvořit buď jakýsi „pytel“nebo rozvětvenýsíť. Nejčastěji jsou však tyto struktury umístěny vzájemně rovnoběžně a nejsou nijak spojeny.
Nezapomeňte, že uvnitř chloroplastu jsou také membránové tylakoidy. Jedná se o uzavřené „pytle“, které jsou uspořádány do stohu. Stejně jako v předchozím případě je mezi dvěma stěnami dutiny vzdálenost 20-30 nm. Sloupce těchto „sáčků“se nazývají zrna. Každý sloupec může obsahovat až 50 thylakoidů a v některých případech je jich i více. Vzhledem k tomu, že celkové "rozměry" takových svazků mohou dosáhnout 0,5 mikronu, mohou být někdy detekovány pomocí běžného světelného mikroskopu.
Celkový počet zrn obsažených v chloroplastech vyšších rostlin může dosáhnout 40-60. Každý tylakoid přilne k druhému tak těsně, že jejich vnější membrány tvoří jednu rovinu. Tloušťka vrstvy na spoji může být až 2 nm. Všimněte si, že takové struktury, které jsou tvořeny sousedními tylakoidy a lamelami, nejsou neobvyklé.
V místech jejich kontaktu je také vrstva, někdy dosahující stejných 2 nm. Chloroplasty (jejichž struktura a funkce jsou velmi složité) tedy nejsou jedinou monolitickou strukturou, ale jakýmsi „stavem ve státě“. V některých aspektech není struktura těchto organel o nic méně složitá než celá buněčná struktura!
Grana jsou přesně propojeny pomocí lamel. Ale dutiny thylakoidů, které tvoří stohy, jsou vždy uzavřené a s mezimembránou nijak nekomunikují.prostor. Jak vidíte, struktura chloroplastů je poměrně složitá.
Jaké pigmenty lze nalézt v chloroplastech?
Co může obsahovat stroma každého chloroplastu? Existují jednotlivé molekuly DNA a mnoho ribozomů. V amyloplastech jsou škrobová zrna uložena ve stromatu. Chromoplasty tedy obsahují barevné pigmenty. Samozřejmě existují různé chloroplastové pigmenty, ale nejčastější je chlorofyl. Dělí se na několik typů najednou:
- Skupina A (modro-zelená). Vyskytuje se v 70 % případů, je obsažen v chloroplastech všech vyšších rostlin a řas.
- Skupina B (žlutozelená). Zbývajících 30 % se také nachází ve vyšších druzích rostlin a řas.
- Skupiny C, D a E jsou mnohem vzácnější. Nachází se v chloroplastech některých druhů nižších řas a rostlin.
Není neobvyklé, že červené a hnědé mořské řasy mají ve svých chloroplastech zcela odlišné typy organických barviv. Některé řasy obecně obsahují téměř všechny existující chloroplastové pigmenty.
Funkce chloroplastu
Samozřejmě, jejich hlavní funkcí je přeměňovat světelnou energii na organické složky. Vlastní fotosyntéza probíhá v zrnech za přímé účasti chlorofylu. Pohlcuje energii slunečního světla a přeměňuje ji na energii excitovaných elektronů. Ty, které mají přebytek, uvolňují přebytečnou energii, která se využívá k rozkladu vody a syntéze ATP. Při rozpadu vody vzniká kyslík a vodík. První, jak jsme psali výše, je vedlejší produkt a uvolňuje se do okolního prostoru a vodík se váže na speciální protein, ferredoxin.
Znovu oxiduje a převádí vodík na redukční činidlo, které se v biochemii označuje zkratkou NADP. V souladu s tím je jeho redukovaná forma NADP-H2. Jednoduše řečeno, fotosyntéza produkuje následující látky: ATP, NADP-H2 a vedlejší produkt ve formě kyslíku.
Energetická role ATP
Vytvořený ATP je extrémně důležitý, protože je hlavním „akumulátorem“energie, která jde k různým potřebám buňky. NADP-H2 obsahuje redukční činidlo, vodík, a tato sloučenina jej v případě potřeby snadno odevzdá. Jednoduše řečeno, je to účinné chemické redukční činidlo: v procesu fotosyntézy probíhá mnoho reakcí, které bez něj prostě nemohou probíhat.
Dále přicházejí na řadu chloroplastové enzymy, které působí ve tmě a mimo ni: chloroplast využívá vodík z redukčního činidla a energii ATP k zahájení syntézy řady organických látek. Vzhledem k tomu, že fotosyntéza probíhá v podmínkách dobrého osvětlení, nashromážděné sloučeniny se používají pro potřeby samotných rostlin během tmavého dne.
Správně si můžete všimnout, že tento proces je v některých aspektech až podezřele podobný dýchání. Jak se od něj liší fotosyntéza? Tabulka vám pomůže pochopit tento problém.
| Porovnávací položky | Fotosyntéza | Dýchání |
| Když se to stane | Pouze ve dne, na slunci | Kdykoli |
| Kam uniká | Buňky obsahující chlorofyl | Všechny živé buňky |
| Kyslík | Highlight | Absorpce |
| CO2 | Absorpce | Highlight |
| Organická hmota | Syntéza, částečné štěpení | Pouze rozdělit |
| Energie | Polykání | Vyniká |
Takto se fotosyntéza liší od dýchání. Tabulka jasně ukazuje jejich hlavní rozdíly.
Některé "paradoxy"
Většina dalších reakcí probíhá přímo tam, ve stromatu chloroplastu. Další cesta syntetizovaných látek je odlišná. Jednoduché cukry tedy okamžitě překračují organoid a hromadí se v jiných částech buňky ve formě polysacharidů, především škrobu. V chloroplastech dochází jak k ukládání tuků, tak k předběžné akumulaci jejich prekurzorů, které jsou následně vylučovány do jiných oblastí buňky.
Mělo by být jasné, že všechny fúzní reakce vyžadují obrovské množství energie. Jeho jediným zdrojem je stejná fotosyntéza. Jedná se o proces, který často vyžaduje tolik energie, že je třeba ji získat,ničení látek vzniklých v důsledku předchozí syntézy! Většina energie, která se v jejím průběhu získá, je tedy vynaložena na provádění mnoha chemických reakcí v samotné rostlinné buňce.
Pouze část se používá k přímému získávání těch organických látek, které rostlina potřebuje pro svůj růst a vývoj, nebo se ukládá ve formě tuků nebo sacharidů.
Jsou chloroplasty statické?
Všeobecně se uznává, že buněčné organely, včetně chloroplastů (jejichž strukturu a funkce jsme podrobně popsali), jsou umístěny přísně na jednom místě. To není pravda. Chloroplasty se mohou pohybovat po buňce. Takže při slabém osvětlení mají tendenci zaujmout polohu poblíž nejvíce osvětlené strany buňky, v podmínkách středního a slabého osvětlení si mohou vybrat nějaké mezipolohy, ve kterých se jim podaří „chytit“nejvíce slunečního světla. Tento jev se nazývá „fottaxe“.
Stejně jako mitochondrie jsou chloroplasty poměrně autonomní organely. Mají vlastní ribozomy, syntetizují řadu vysoce specifických proteinů, které využívají pouze oni. Existují dokonce specifické enzymové komplexy, při jejichž práci vznikají speciální lipidy, které jsou potřebné pro stavbu lamelových schránek. O prokaryotickém původu těchto organel jsme již hovořili, je však třeba dodat, že někteří vědci považují chloroplasty za prastaré potomky některých parazitických organismů, které se nejprve staly symbionty, a poté zcelase staly nedílnou součástí buňky.
Význam chloroplastů
U rostlin je to zřejmé – jde o syntézu energie a látek, které jsou využívány rostlinnými buňkami. Fotosyntéza je ale proces, který zajišťuje neustálé hromadění organické hmoty v planetárním měřítku. Z oxidu uhličitého, vody a slunečního záření dokážou chloroplasty syntetizovat obrovské množství složitých vysokomolekulárních sloučenin. Tato schopnost je charakteristická pouze pro ně a člověk má ještě daleko k tomu, aby tento proces v umělých podmínkách opakoval.
Veškerá biomasa na povrchu naší planety vděčí za svou existenci těmto nejmenším organelám, které se nacházejí v hlubinách rostlinných buněk. Bez nich, bez jimi prováděného procesu fotosyntézy by na Zemi nebyl život v jeho moderních projevech.
Doufáme, že jste se z tohoto článku dozvěděli, co je chloroplast a jaká je jeho role v rostlinném organismu.
