دنیای گیاهان یکی از ثروت های اصلی سیاره ماست. به لطف گیاهان روی زمین است که اکسیژنی وجود دارد که همه ما تنفس می کنیم، یک پایه غذایی عظیم وجود دارد که همه موجودات زنده به آن وابسته هستند. گیاهان از این نظر منحصر به فرد هستند که می توانند ترکیبات شیمیایی معدنی را به مواد آلی تبدیل کنند.
آنها این کار را از طریق فتوسنتز انجام می دهند. این مهم ترین فرآیند در اندامک های گیاهی خاص یعنی کلروپلاست ها انجام می شود. این کوچکترین عنصر در واقع وجود تمام حیات روی این سیاره را تضمین می کند. به هر حال، کلروپلاست چیست؟
تعریف پایه
این نام ساختارهای خاصی است که در آنها فرآیندهای فتوسنتز انجام می شود که هدف آنها اتصال دی اکسید کربن و تشکیل کربوهیدرات های خاص است. محصول جانبی آن اکسیژن است. این اندامک های دراز هستند که عرض آنها به 2-4 میکرون می رسد و طول آنها به 5-10 میکرون می رسد. برخی از گونه های جلبک سبز گاهی اوقات کلروپلاست های غول پیکری به طول 50 میکرون دارند!
همین جلبک ها می توانند داشته باشندویژگی دیگر: برای کل سلول فقط یک اندامک از این گونه دارند. در سلول های گیاهان عالی، اغلب در 10-30 کلروپلاست وجود دارد. با این حال، در مورد آنها، ممکن است استثناهای قابل توجهی وجود داشته باشد. بنابراین، در بافت پالیسید شگ معمولی 1000 کلروپلاست در هر سلول وجود دارد. این کلروپلاست ها برای چیست؟ فتوسنتز نقش اصلی آنها است، اما به دور از تنها نقش است. برای درک واضح اهمیت آنها در زندگی گیاهان، دانستن بسیاری از جنبه های منشأ و رشد آنها مهم است. همه اینها در ادامه مقاله توضیح داده شده است.
منشا کلروپلاست
بنابراین، ما آموختیم که کلروپلاست چیست. این اندامک ها از کجا آمده اند؟ چگونه اتفاق افتاد که گیاهان چنین دستگاه منحصر به فردی ساختند که دی اکسید کربن و آب را به ترکیبات آلی پیچیده تبدیل می کند؟
در حال حاضر، در میان دانشمندان، نقطه نظر منشأ درون همزیستی این اندامک ها غالب است، زیرا وقوع مستقل آنها در سلول های گیاهی نسبتاً مشکوک است. به خوبی شناخته شده است که گلسنگ همزیستی جلبک و قارچ است. جلبک های تک سلولی در داخل سلول قارچ زندگی می کنند. اکنون دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که در زمان‌های قدیم، سیانوباکتری‌های فتوسنتزی به درون سلولهای گیاهی نفوذ می‌کردند و سپس تا حدی «استقلال» خود را از دست دادند و بیشتر ژنوم را به هسته منتقل کردند.
اما ارگانوئید جدید ویژگی اصلی خود را به طور کامل حفظ کرد. این فقط در مورد فرآیند فتوسنتز است. با این حال، خود دستگاه، لازم برای انجام این فرآیند، تحت تشکیل شده استکنترل هم هسته سلول و هم خود کلروپلاست. بنابراین، تقسیم این اندامک‌ها و سایر فرآیندهای مرتبط با اجرای اطلاعات ژنتیکی در DNA توسط هسته کنترل می‌شود.
شواهد
نسبتا اخیراً، فرضیه منشا پروکاریوتی این عناصر در جامعه علمی چندان رایج نبود، بسیاری آن را "اختراع آماتورها" می دانستند. اما پس از تجزیه و تحلیل عمیق توالی های نوکلئوتیدی در DNA کلروپلاست ها، این فرض به طرز درخشانی تایید شد. مشخص شد که این ساختارها بسیار شبیه به DNA سلول های باکتریایی هستند. بنابراین، توالی مشابهی در سیانوباکتری‌های زنده آزاد یافت شد. به طور خاص، ژن‌های کمپلکس سنتز کننده ATP، و همچنین در «ماشین‌های» رونویسی و ترجمه، بسیار مشابه بودند.
مروج‌هایی که شروع خواندن اطلاعات ژنتیکی از DNA را تعیین می‌کنند، و همچنین توالی‌های نوکلئوتیدی پایانی که مسئول خاتمه آن هستند، نیز بر اساس تصویر و شباهت باکتری‌ها سازمان‌دهی شده‌اند. البته، میلیاردها سال دگرگونی تکاملی می‌تواند تغییرات زیادی در کلروپلاست ایجاد کند، اما توالی‌های ژن‌های کلروپلاست کاملاً یکسان باقی ماندند. و این اثبات انکارناپذیر و کاملی است که کلروپلاست ها در واقع زمانی یک اجداد پروکاریوتی داشته اند. این ممکن است ارگانیسمی باشد که سیانوباکتری های مدرن نیز از آن تکامل یافته اند.
توسعه کلروپلاست از پروپلاستیدها
ارگانوئید "بزرگسال" از پروپلاستیدها ایجاد می شود. این یک کوچک، کاملا بی رنگ استاندامکی که فقط چند میکرون قطر دارد. اطراف آن توسط یک غشای دولایه متراکم که حاوی DNA دایره ای مخصوص کلروپلاست است احاطه شده است. این "اجداد" اندامک ها سیستم غشایی داخلی ندارند. به دلیل اندازه بسیار کوچک آنها، مطالعه آنها بسیار دشوار است و بنابراین اطلاعات بسیار کمی در مورد توسعه آنها وجود دارد.
مشخص است که چندین مورد از این پروتوپلاستیدها در هسته هر سلول تخم حیوانات و گیاهان وجود دارد. در طول رشد جنین، آنها تقسیم می شوند و به سلول های دیگر منتقل می شوند. تأیید این امر آسان است: صفات ژنتیکی که به نوعی با پلاستیدها مرتبط هستند فقط از طریق خط مادر منتقل می شوند.
غشاء داخلی پروتوپلاستید در طول تکامل به داخل ارگانوئید بیرون زده است. از این ساختارها، غشاهای تیلاکوئیدی رشد می کنند که مسئول تشکیل گرانول ها و لاملاهای استرومای ارگانوئید هستند. در تاریکی کامل، پروتوپاستید شروع به تبدیل شدن به پیش ساز کلروپلاست (اتیوپلاست) می کند. این ارگانوئید اولیه با این واقعیت مشخص می شود که یک ساختار کریستالی نسبتاً پیچیده در داخل آن قرار دارد. به محض اصابت نور به برگ گیاه، به طور کامل از بین می رود. پس از آن، تشکیل ساختار داخلی "سنتی" کلروپلاست رخ می دهد که فقط توسط تیلاکوئیدها و لاملاها تشکیل می شود.
تفاوت در گیاهان ذخیره نشاسته
هر سلول مریستم حاوی چندین مورد از این پروپلاستیدها است (تعداد آنها بسته به نوع گیاه و عوامل دیگر متفاوت است). به محض اینکه این بافت اولیه شروع به تبدیل به برگ می کند، اندامک های پیش ساز به کلروپلاست تبدیل می شوند. بنابراین،برگ های جوان گندم که رشد خود را کامل کرده اند دارای کلروپلاست به میزان 100-150 قطعه می باشند. همه چیز برای گیاهانی که قادر به جمع آوری نشاسته هستند کمی پیچیده تر است.
آنها این کربوهیدرات را در پلاستیدهایی به نام آمیلوپلاست ذخیره می کنند. اما این اندامک ها چه ربطی به موضوع مقاله ما دارند؟ از این گذشته، غده های سیب زمینی در فتوسنتز نقشی ندارند! اجازه دهید این موضوع را با جزئیات بیشتر روشن کنم.
ما متوجه شدیم که یک کلروپلاست چیست و در طول مسیر ارتباط این ارگانوئید را با ساختار موجودات پروکاریوتی آشکار کردیم. در اینجا نیز وضعیت مشابه است: دانشمندان مدت‌هاست دریافته‌اند که آمیلوپلاست‌ها، مانند کلروپلاست‌ها، دقیقاً حاوی DNA هستند و دقیقاً از همان پروتوپلاستیدها تشکیل می‌شوند. بنابراین باید آنها را از یک جنبه مورد توجه قرار داد. در واقع آمیلوپلاست ها را باید به عنوان نوع خاصی از کلروپلاست در نظر گرفت.
آمیلوپلاست چگونه تشکیل می شود؟
می توان قیاسی بین پروتوپلاستیدها و سلول های بنیادی ترسیم کرد. به عبارت ساده تر، آمیلوپلاست ها از نقطه ای شروع به رشد در مسیر کمی متفاوت می کنند. دانشمندان، با این حال، چیز عجیبی یاد گرفتند: آنها موفق به تبدیل متقابل کلروپلاست ها از برگ سیب زمینی به آمیلوپلاست (و بالعکس) شدند. مثال متعارفی که برای هر دانش آموزی شناخته شده است این است که غده های سیب زمینی در نور سبز می شوند.
اطلاعات دیگر در مورد راه های تمایز این اندامک ها
می دانیم که در فرآیند رسیدن میوه های گوجه فرنگی، سیب و برخی گیاهان دیگر (و در برگ درختان، علف ها و درختچه ها در پاییز)"تجزیه"، زمانی که کلروپلاست ها در یک سلول گیاهی به کروموپلاست تبدیل می شوند. این اندامک ها حاوی رنگدانه های رنگی، کاروتنوئیدها هستند.
این دگرگونی به این دلیل است که تحت شرایط خاص، تیلاکوئیدها به طور کامل از بین می روند و پس از آن اندامک سازمان داخلی متفاوتی پیدا می کند. در اینجا دوباره به موضوعی که در همان ابتدای مقاله شروع به بحث کردیم باز می گردیم: تأثیر هسته بر توسعه کلروپلاست. این است که از طریق پروتئین‌های خاصی که در سیتوپلاسم سلول‌ها سنتز می‌شوند، فرآیند بازسازی ارگانوئید را آغاز می‌کند.
ساختار کلروپلاست
پس از صحبت در مورد منشاء و توسعه کلروپلاست ها، باید در مورد ساختار آنها با جزئیات بیشتری صحبت کنیم. علاوه بر این، بسیار جالب است و جای بحث جداگانه دارد.
ساختار اساسی کلروپلاست ها از دو غشای لیپوپروتئینی داخلی و خارجی تشکیل شده است. ضخامت هر کدام حدود 7 نانومتر، فاصله بین آنها 20-30 نانومتر است. همانطور که در مورد دیگر پلاستیدها، لایه داخلی ساختارهای خاصی را تشکیل می دهد که به داخل ارگانوئید بیرون زده است. در کلروپلاست های بالغ، دو نوع از این غشاهای "پیچ و خم" به طور همزمان وجود دارد. اولی لاملاهای استرومایی و دومی غشای تیلاکوئید را تشکیل می دهند.
لاملا و تیلاکوئید
لازم به ذکر است که ارتباط واضحی که غشای کلروپلاست با تشکیلات مشابه واقع در داخل ارگانوئید دارد وجود دارد. واقعیت این است که برخی از چین های آن می توانند از یک دیوار به دیوار دیگر گسترش یابند (مانند میتوکندری). بنابراین لاملاها می توانند نوعی "کیسه" یا شاخه ای تشکیل دهندشبکه. با این حال، اغلب این ساختارها به موازات یکدیگر قرار دارند و به هیچ وجه به هم متصل نیستند.
فراموش نکنید که در داخل کلروپلاست تیلاکوئیدهای غشایی نیز وجود دارد. اینها "کیسه های" بسته ای هستند که در یک پشته چیده شده اند. مانند حالت قبلی، بین دو دیواره حفره 20-30 نانومتر فاصله وجود دارد. به ستون های این «کیسه ها» دانه می گویند. هر ستون می تواند تا 50 تیلاکوئید داشته باشد و در برخی موارد حتی بیشتر نیز وجود دارد. از آنجا که "ابعاد" کلی چنین پشته هایی می تواند به 0.5 میکرون برسد، گاهی اوقات می توان آنها را با استفاده از یک میکروسکوپ نوری معمولی تشخیص داد.
تعداد کل دانه های موجود در کلروپلاست گیاهان عالی می تواند به ۴۰-۶۰ برسد. هر تیلاکوئید آنقدر محکم به دیگری می‌چسبد که غشاهای بیرونی آنها یک صفحه واحد را تشکیل می‌دهند. ضخامت لایه در محل اتصال می تواند تا 2 نانومتر باشد. توجه داشته باشید که چنین ساختارهایی که توسط تیلاکوئیدها و لاملاهای مجاور تشکیل شده اند، غیر معمول نیستند.
در نقاط تماس آنها نیز یک لایه وجود دارد که گاهی اوقات به همان 2 نانومتر می رسد. بنابراین، کلروپلاست ها (ساختار و عملکرد آنها بسیار پیچیده است) یک ساختار یکپارچه واحد نیستند، بلکه نوعی "حالت در یک حالت" هستند. از برخی جنبه ها، ساختار این اندامک ها کمتر از کل ساختار سلولی نیست!
گراناها دقیقاً با کمک لاملا به هم متصل می شوند. اما حفره های تیلاکوئیدها که پشته ها را تشکیل می دهند، همیشه بسته هستند و به هیچ وجه با غشای میانی ارتباط برقرار نمی کنند.فضا. همانطور که می بینید، ساختار کلروپلاست ها بسیار پیچیده است.
چه رنگدانه هایی را می توان در کلروپلاست ها یافت؟
چه چیزی می تواند در استرومای هر کلروپلاست باشد؟ مولکول های DNA فردی و ریبوزوم های زیادی وجود دارد. در آمیلوپلاست ها، دانه های نشاسته در استروما رسوب می کنند. بر این اساس، کروموپلاست ها دارای رنگدانه های رنگی هستند. البته رنگدانه های کلروپلاست مختلفی وجود دارد، اما رایج ترین آنها کلروفیل است. این به چندین نوع در یک زمان تقسیم می شود:
- گروه A (آبی-سبز). در 70٪ موارد رخ می دهد، در کلروپلاست تمام گیاهان عالی و جلبک ها وجود دارد.
- گروه B (زرد-سبز). 30 درصد باقیمانده نیز در گونه های بالاتر گیاهان و جلبک ها یافت می شود.
- گروه های C، D و E بسیار نادرتر هستند. در کلروپلاست برخی از گونه‌های جلبک‌های پایین‌تر و گیاهان یافت می‌شود.
برای جلبک های دریایی قرمز و قهوه ای غیرمعمول نیست که انواع کاملاً متفاوتی از رنگ های آلی در کلروپلاست خود داشته باشند. برخی از جلبک‌ها معمولاً حاوی تقریباً تمام رنگدانه‌های کلروپلاست موجود هستند.
عملکردهای کلروپلاست
البته وظیفه اصلی آنها تبدیل انرژی نور به اجزای آلی است. خود فتوسنتز در دانه ها با مشارکت مستقیم کلروفیل اتفاق می افتد. انرژی نور خورشید را جذب می کند و آن را به انرژی الکترون های برانگیخته تبدیل می کند. دومی با داشتن منبع اضافی، انرژی اضافی تولید می کند که برای تجزیه آب و سنتز ATP استفاده می شود. هنگامی که آب تجزیه می شود، اکسیژن و هیدروژن تشکیل می شود.اولین، همانطور که در بالا نوشتیم، یک محصول جانبی است و در فضای اطراف آزاد می شود و هیدروژن به پروتئین خاصی، فردوکسین متصل می شود.
دوباره اکسید می شود و هیدروژن را به یک عامل کاهنده منتقل می کند که در بیوشیمی به اختصار NADP نامیده می شود. بر این اساس، شکل کاهش یافته آن NADP-H2 است. به بیان ساده، فتوسنتز مواد زیر را تولید می کند: ATP، NADP-H2، و یک محصول جانبی به شکل اکسیژن.
نقش انرژی ATP
ATP تشکیل شده بسیار مهم است، زیرا "انباشته کننده" اصلی انرژی است که به نیازهای مختلف سلول می رسد. NADP-H2 حاوی یک عامل کاهنده هیدروژن است و این ترکیب قادر است در صورت لزوم به راحتی آن را دفع کند. به عبارت ساده، یک عامل کاهش دهنده شیمیایی موثر است: در فرآیند فتوسنتز، واکنش های زیادی رخ می دهد که بدون آن به سادگی نمی توان ادامه داد.
بعد، آنزیم های کلروپلاست وارد بازی می شوند که در تاریکی و خارج از گرانیت عمل می کنند: هیدروژن از عامل کاهنده و انرژی ATP توسط کلروپلاست برای شروع سنتز تعدادی از مواد آلی استفاده می شود.. از آنجایی که فتوسنتز در شرایط روشنایی خوب اتفاق می افتد، ترکیبات انباشته شده برای نیازهای خود گیاهان در تاریکی روز استفاده می شود.
به درستی می توانید متوجه شوید که این فرآیند از برخی جنبه ها به طرز مشکوکی شبیه تنفس است. فتوسنتز چه تفاوتی با آن دارد؟ جدول به شما در درک این موضوع کمک می کند.
| مقایسه اقلام | فتوسنتز | تنفس |
| وقتی اتفاق می افتد | فقط در طول روز، در نور خورشید | هر زمان |
| جایی که نشت می کند | سلولهای حاوی کلروفیل | همه سلولهای زنده |
| اکسیژن | هایلایت | جذب |
| CO2 | جذب | هایلایت |
| مواد آلی | سنتز، تقسیم جزئی | فقط تقسیم |
| انرژی | بلعیدن | متمایز |
اینگونه است که فتوسنتز با تنفس متفاوت است. جدول به وضوح تفاوت های اصلی آنها را نشان می دهد.
برخی "پارادوکس"
بیشتر واکنش‌های بعدی درست همان جا، در استرومای کلروپلاست انجام می‌شود. مسیر بعدی مواد سنتز شده متفاوت است. بنابراین، قندهای ساده بلافاصله فراتر از ارگانوئیدها می روند و در قسمت های دیگر سلول به شکل پلی ساکاریدها، در درجه اول نشاسته، تجمع می یابند. در کلروپلاست ها، هم رسوب چربی ها و هم تجمع اولیه پیش سازهای آنها اتفاق می افتد که سپس به سایر نواحی سلول دفع می شود.
باید به وضوح درک کرد که همه واکنش های همجوشی به مقدار زیادی انرژی نیاز دارند. تنها منبع آن همین فتوسنتز است. این فرآیندی است که اغلب به انرژی زیادی نیاز دارد که باید به دست آید.از بین بردن مواد تشکیل شده در نتیجه سنتز قبلی! بنابراین، بیشتر انرژی که در مسیر خود به دست می‌آید صرف انجام بسیاری از واکنش‌های شیمیایی در خود سلول گیاهی می‌شود.
فقط مقداری از آن برای به دست آوردن مستقیم آن مواد آلی که گیاه برای رشد و نمو خود مصرف می کند یا به شکل چربی یا کربوهیدرات رسوب می کند استفاده می شود.
آیا کلروپلاست ها ساکن هستند؟
به طور کلی پذیرفته شده است که اندامک های سلولی، از جمله کلروپلاست ها (ساختار و عملکردهای آن ها را به تفصیل توضیح دادیم)، دقیقاً در یک مکان قرار دارند. این درست نیست. کلروپلاست ها می توانند در اطراف سلول حرکت کنند. بنابراین، در نور کم، آنها تمایل دارند در نزدیکی روشن ترین سمت سلول قرار بگیرند، در شرایط نور متوسط و کم، می توانند برخی از موقعیت های میانی را انتخاب کنند که در آنها موفق به گرفتن بیشترین نور خورشید شوند. این پدیده "فتوتاکسی" نامیده می شود.
مانند میتوکندری، کلروپلاست ها اندامک های نسبتاً مستقلی هستند. آنها ریبوزوم های خود را دارند، آنها تعدادی پروتئین بسیار خاص را سنتز می کنند که فقط توسط آنها استفاده می شود. حتی مجتمع های آنزیمی خاصی وجود دارد که در حین کار آنها لیپیدهای خاصی تولید می شود که برای ساخت پوسته های لاملا مورد نیاز است. قبلاً در مورد منشا پروکاریوتی این اندامک ها صحبت کرده ایم، اما باید اضافه کرد که برخی از دانشمندان کلروپلاست ها را از فرزندان باستانی برخی از موجودات انگلی می دانند که ابتدا به همزیستی تبدیل شده اند و سپس کاملاً همزیست شده اند.به بخشی جدایی ناپذیر از سلول تبدیل شده اند.
اهمیت کلروپلاست
برای گیاهان، واضح است - این سنتز انرژی و موادی است که توسط سلول های گیاهی استفاده می شود. اما فتوسنتز فرآیندی است که تجمع مداوم مواد آلی را در مقیاس سیاره ای تضمین می کند. از دی اکسید کربن، آب و نور خورشید، کلروپلاست ها می توانند تعداد زیادی از ترکیبات پیچیده با مولکولی بالا را سنتز کنند. این توانایی فقط برای آنها مشخص است و فرد هنوز از تکرار این روند در شرایط مصنوعی فاصله دارد.
همه زیست توده روی سطح سیاره ما وجود خود را مدیون همین اندامک های کوچک است که در اعماق سلول های گیاهی قرار دارند. بدون آنها، بدون فرآیند فتوسنتز انجام شده توسط آنها، هیچ حیاتی بر روی زمین در مظاهر مدرن آن وجود نخواهد داشت.
امیدواریم از این مقاله یاد گرفته باشید که کلروپلاست چیست و چه نقشی در موجودات گیاهی دارد.
