A kloroplasztiszok a növények és az algák sejtjeinek belsejében található kis organellumok. Fényt nyelnek el, hogy a fotoszintézisnek nevezett folyamat során cukrot állítsanak elő. A cukor keményítő formájában tárolható. A kloroplasztiszok a klorofill molekulát tartalmazzák, amely a fotoszintézishez szükséges napfényt elnyeli. A klorofillon kívül a kloroplasztisz szén-dioxidot (CO2 ) és vizet (H2 O) használ cukor előállítására, és oxigént (O2 ) bocsát ki. A klorofill adja a zöld növények zöld színét. A kloroplasztiszok különböző sárga és narancssárga pigmenteket is tartalmaznak, amelyek a fotoszintézishez szükséges fotonok befogását segítik.
Felépítés és belső szerkezet
A kloroplasztiszokat két membrán határolja (külső és belső), belső terük a stroma, amelyben a genetikai anyag (kis DNS-molekulák), riboszómák és a szénhidrátok feldolgozásához szükséges enzimek találhatók. A stromában vannak a gránumok (pörgeteg-szerű halmazok), ezek síkszerű membránzsákokból, a tilakoidokból épülnek fel. A tilakoid membránon helyezkednek el a fotoszintetikus pigmentkomplexek és a fotokémiai rendszerek (PSII, PSI).
Hogyan működnek a kloroplasztiszok (a fotoszintézis fő lépései)
- Fényelnyelés: a klorofill és a karotinoidok elnyelik a napfényt. A beérkező fotonok energiája elektronok gerjesztését váltja ki a fotokémiai komplexekben.
- Fényreakciók (tilakoid membránon): az elektronok mozognak az elektrontranszport-láncon, közben protonok pumpálódnak a tilakoid belsejébe, protongradiens jön létre. Ennek köszönhetően működik az ATP-szintáz, amely ATP-t termel. Ugyanakkor NADP+ redukálódik NADPH-vá. A víz fotolízise során keletkező elektronok pótolják a fotokémiai rendszerekből távozó elektronokat, és közben O2 szabadul fel.
- Sötét reakciók / Calvins-ciklus (stromában): az ATP és a NADPH energiáját és redukciós erejét felhasználva a Rubisco enzim katalizálja a CO2 beépítését szerves molekulákba, végül szőlőcukor (glükóz) és más szénhidrátok képződnek. Ezek tárolódhatnak keményítőként.
Fontos pigmentek és szerepük
A legfontosabb pigment a klorofill (klorofill a és b), ezek adják a növények zöld színét és elsősorban a kék és vörös fényt használják fel. A kloroplasztiszokban találhatók még a karotinoidok (pl. karotinok, xantofillek), amelyek a kiterjesztett fényelnyelést szolgálják, és védelmet adnak a fény okozta oxidatív károsodás ellen. Egyes algákban további pigmentek (pl. fikoeritrin) fordulnak elő, amelyek más hullámhosszakat fognak be.
Szerepük a növény életében és ökológiai jelentőség
A kloroplasztiszok a földi élet alapját képezik: a fotoszintézis során termelt organikus anyagok és az O2 biztosítják az ökoszisztémák energia- és oxigénforrását. A növények növekedéséhez, fejlődéséhez és regenerációjához szükséges szénvázat a kloroplasztiszok által előállított szénhidrátok adják. Emellett a kloroplasztiszok részt vesznek egyéb anyagcsere-folyamatokban is, például zsírsavak és bizonyos aminosavak szintézisében.
Szám, osztódás és fejlődés
Sejttípustól és fejlettségtől függően egy-egy növényi sejtben néhánytól több száz kloroplasztisz is lehet. A kloroplasztiszok osztódni képesek saját módjukon (hasonlóan baktériumokhoz), és a fejlődés során a proplastidokból alakulnak ki. Sok kloroplasztisz-összetevő kódolása azonban a sejtmagban található génekben van; ezek fehérjéit a citoplazmában szintetizálják és beimportálják a kloroplasztiszokba.
Evolúciós eredet
A legelfogadottabb elmélet szerint a kloroplasztiszok ún. endoszimbionta eredetűek: ősi fotoszintetizáló baktériumok (valószínűleg cianobaktériumok) kerülték be egy protoeukarióta sejtet, majd ezzel szimbiózis alakult ki, és idővel a baktérium belső organellummá alakult. Ezt alátámasztja a kloroplasztiszok kis, kerek DNS-e és bizonyos baktériumszerű biokémiai vonások.
Megfigyelhető jelenségek és gyakorlati érdekességek
- Téli/őszi színek: a levél klorofilltartalmának csökkenésekor előtűnnek a sárga-narancs karotinoidok, ami az őszi lombszíneződés jellegzetessége.
- Akklimatizáció: erős fény vagy árnyék hatására a kloroplasztiszok mennyisége és pigmentösszetétele változhat, hogy optimalizálják a fényhasznosítást.
- Biotechnológia: a kloroplasztiszgenomok és a fotoszintetikus hatékonyság módosítása kutatási és mezőgazdasági célokra intenzíven vizsgált terület.
Összefoglalva, a kloroplasztiszok a növényi és algasejtek alapvető energiatermelő organellumai: fényt alakítanak át kémiai energiává, biztosítva a szénalapú anyagcserét és az oxigéntermelést, amelyek elengedhetetlenek az élethez a Földön.
