Kloroplasztiszok: mi az, hogyan működnek és szerepük a fotoszintézisben
Ismerje meg a kloroplasztiszok működését és szerepüket a fotoszintézisben: hogyan nyelik el a fényt, alkotnak cukrot és termelnek oxigént.
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.
A Plagiomnium affine sejtjeiben látható kloroplasztiszok
Kloroplasztiszok ultrastruktúrája: 1. külső membrán2 . intermembrán tér3 . belső membrán (1+2+3: burkolat) 4. stroma (folyadék) 5. tilakoid lumen (tilakoid belseje) 6. tilakoid membrán7 . grana (tilakoidok halmaza) 8. tilakoid (lamella) 9. keményítő10 . riboszóma11 . plasztid DNS12 . plasztoglobulus (lipidek cseppje)
A kloroplasztisz ábrája
Szerkezet
Minden egyes kloroplasztiszt kettős falú, félig áteresztő membrán veszi körül, amelyet együttesen peristromiumnak neveznek. A réteges halmokban lapos, korong alakú tilakoidok találhatók. Ezek fényelnyelő pigmenteket, köztük klorofillt és karotinoidokat, valamint a pigmenteket megkötő fehérjéket tartalmaznak. A mitokondriumokhoz hasonlóan a kloroplasztiszok is tartalmaznak saját DNS-t és riboszómákat.
Evolúció
A kloroplasztiszok egyike a sejtben található számos különböző típusú organellának. Úgy gondolják, hogy endoszimbionta cianobaktériumokból származnak. Ezt először Mereschkowsky vetette fel 1905-ben, miután Schimper 1883-ban megfigyelte, hogy a kloroplasztiszok nagyon hasonlítanak a cianobaktériumokra. Úgy gondolják, hogy szinte minden kloroplasztisz közvetlenül vagy közvetve egyetlen endoszimbiózisból származik.
A mitokondriumok is hasonló eredetűek, de kloroplasztiszok csak a növényekben és a protistákban találhatók. A zöld növényekben a kloroplasztiszokat két lipidrétegű membrán veszi körül. Úgy gondolják, hogy ezek megfelelnek az ősi cianobaktérium külső és belső membránjának. A kloroplasztiszoknak saját genomjuk van, amely sokkal kisebb, mint a szabadon élő cianobaktériumoké. A megmaradt DNS egyértelmű hasonlóságot mutat a cianobaktérium genommal. A plasztidok 60-100 gént tartalmazhatnak, míg a cianobaktériumok gyakran több mint 1500 gént. A hiányzó gének közül sokat a gazdaszervezet nukleáris genomja kódol.
Úgy tűnik, hogy egyes algákban (például a heterokontafélékben) a kloroplasztiszok az endoszimbiózis másodlagos eseménye révén alakultak ki, amikor egy eukarióta sejt elnyelt egy második, kloroplasztiszokat tartalmazó eukarióta sejtet, és így három vagy négy membránréteggel rendelkező kloroplasztiszok jöttek létre. Egyes esetekben az ilyen másodlagos endoszimbiontákat maguk is bekebelezhették más eukarióták, és így harmadlagos endoszimbiontákat alkottak. A Chlorella algában csak egy kloroplasztisz van, amely harang alakú.
A mixotróf protiszták egyes csoportjaiban, például a dinoflagellátákban a kloroplasztiszokat leválasztják egy befogott algáról vagy diatómáról, és ideiglenesen felhasználják. Ezeknek a klepto (lopott) kloroplasztiszoknak csak néhány napos élettartamuk lehet, és ezután kicserélik őket.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a kloroplasztisz?
V: A kloroplasztisz egy kis szervecske a növények és algák sejtjeiben.
K: Hogy hívják azt a folyamatot, amelynek során a kloroplasztiszok elnyelik a fényt, hogy cukrot állítsanak elő?
V: A folyamatot fotoszintézisnek nevezik.
K: Mi a célja a klorofillnak a kloroplasztiszban?
V: A klorofill elnyeli a napfényt a fotoszintézishez.
K: Mit használ egy kloroplasztisz a cukor kialakításához és az oxigén leadásához?
V: A kloroplasztisz szén-dioxidot (CO2) és vizet (H2O) használ cukor előállításához és oxigén (O2) leadásához.
K: Mi adja a zöld növények zöld színét?
V: A klorofill adja a zöld növények zöld színét.
K: Milyen más pigmenteket tartalmaznak még a klorofillon kívül a kloroplasztiszok?
V: A kloroplasztiszok különböző sárga és narancssárga pigmenteket is tartalmaznak, hogy segítsék a fotoszintézishez szükséges fotonok befogását.
K: Mi tárolható keményítő formájában, miután a kloroplasztiszok elkészítették?
V: A kloroplasztiszok által előállított cukor keményítő formájában tárolható.
Keres