Chloroplasty: organely fotosyntézy rastlín a rias — funkcia a význam
Objavte chloroplasty: ako zelené organely s chlorofylom premieňajú svetlo, CO2 a vodu na cukor a kyslík — kľúč k fotosyntéze, energii a životu rastlín a rias.
Chloroplasty sú malé organely vnútri buniek rastlín a rias. Absorbujú svetlo na výrobu cukru v procese nazývanom fotosyntéza. Cukor sa môže ukladať vo forme škrobu. Chloroplasty obsahujú molekulu chlorofyl, ktorá absorbuje slnečné svetlo na účely fotosyntézy. Okrem chlorofylu chloroplast využíva na tvorbu cukru oxid uhličitý (CO2 ) a vodu (H2 O) a uvoľňuje kyslík (O2 ). Chlorofyl dáva zeleným rastlinám zelenú farbu. Chloroplasty obsahujú aj rôzne žlté a oranžové pigmenty, ktoré pomáhajú zachytávať fotóny pri fotosyntéze.
Stavba chloroplastu
Chloroplasty sú ohraničené dvojnou membránou. Vnútri sa nachádza polotekuté matrix nazývané stroma, ktoré obsahuje enzýmy potrebné pre syntézu cukrov, vlastnú DNA a ribozómy. V strome sú uložené aj inklúzie škrobu a ďalšie látky. Hlavnou funkčnou štruktúrou sú thylakoidy — ploché membránové vaky, ktoré sa často vrství do hromád nazývaných grana (singulár: granum). Thylakoidné membrány nesú pigmentové komplexy a proteíny fotosystémov, ktoré zabezpečujú zachytávanie svetla a prenos elektrónov.
Ako prebieha fotosyntéza
Fotosyntéza má dve hlavné etapy:
- Svetelné (závislé) reakcie — prebiehajú v membránach thylakoidov. Pigmenty (napr. chlorofyl a karotenoidy) pohlcujú fotóny, aktivujú sa fotosystémy (PSII a PSI) a spúšťa sa reťazec prenosu elektrónov. Energia z fotónov je premenená na chemickú energiu vo forme ATP a redukčného činidla NADPH. Pri tejto fáze sa štiepi voda (H2O) a vzniká kyslík (O2).
- Temnostné (nezávislé) reakcie — Calvinov cyklus — prebiehajú v strome. Pomocou ATP a NADPH sa fixuje CO2 do organických zlúčenín a tvorí sa triozofosfát (G3P), ktorý je prekurzorom sacharidov (glukózy, sacharózy) a škrobu.
Pigmenty a spektrálne vlastnosti
Hlavným pigmentom je chlorofyl a (a do istej miery chlorofyl b), ktoré absorbujú prevažne červené a modré spektrum svetla a odrážajú zelené svetlo, čo vysvetľuje farbu rastlín. Okrem nich chloroplasty obsahujú žlté a oranžové karotenoidy (pigmenty, ktoré pomáhajú zachytávať fotóny pri fotosyntéze), ktoré rozširujú spektrum absorbovaného svetla a zároveň chránia bunku pred poškodením pri nadbytku svetla (fotoprotekcia).
Význam pre rastliny, ekosystémy a človeka
Chloroplasty sú kľúčové pre život na Zemi:
- Produkujú organické látky — základ potravy pre rastliny a pre všetky heterotrofné organizmy (živočíchy, huby, mnohé mikroorganizmy).
- Uvoľňujú kyslík — fotosyntézou zásobujú atmosféru kyslíkom potrebným pre dýchanie mnohých organizmov.
- Fixujú uhlík — pomáhajú cirkulácii uhlíka v biosfére a majú dopad na globálny klimatický systém.
- V poľnohospodárstve a biotechnológiách sa chloroplasty skúmajú pre zvyšovanie výnosov plodín, produkciu užitočných látok a ako systém pre exprimovanie cudzích proteínov.
Druhy plastidov a adaptácie
Chloroplasty patria do skupiny plastidov. V závislosti od funkcie môžu plastidy prechádzať medzi typmi: chromoplasty (obsahujú farebné pigmenty v kvetoch a plodoch), amyloplasty (ukladajú škrob v koreňoch a hľuzách) alebo etioplasty (nevyvinuté plastidy v tmavých podmienkach). Chloroplasty sa môžu v bunke presúvať a meniť svoj tvar podľa potreby zachytávania svetla a ochrany pred poškodením.
Pôvod a delenie
Podľa endosymbiotickej teórie chloroplasty vznikli z prehistorických siníc (cyanobaktérií), ktoré sa dostali do vnútra pravekých eukaryotických buniek a vytvorili symbiotický vzťah. Chloroplasty si zachovali vlastnú DNA a mechanizmus delenia, podobný prokaryotickému delenie (binárne štiepenie).
Výskum a aplikácie
V súčasnosti sa skúma napríklad genetické inžinierstvo chloroplastov na zvýšenie účinnosti fotosyntézy, zlepšenie odolnosti rastlín voči stresom, či výroba liekov a vakcín priamo v rastlinných tkanivách. Taktiež sa rozvíja oblasť umelé fotosyntézy, ktorá sa inšpiruje mechanizmom chloroplastov pri vývoji nových zdrojov obnoviteľnej energie.
Chloroplasty sú teda nielen biologickými „fotovoltaickými bunkami“ rastlín a rias, ale aj kľúčovým článkom ekosystémov a predmetom intenzívneho vedeckého záujmu s veľkým potenciálom pre aplikácie v poľnohospodárstve, energetike a medicíne.
Chloroplasty viditeľné v bunkách Plagiomnium affine
Ultraštruktúra chloroplastu: 1. vonkajšia membrána2. medzimembránový priestor3. vnútorná membrána (1+2+3: obal) 4. stroma (tekutina) 5. tylakoidný lúmen (vnútro tylakoidu) 6. tylakoidná membrána7 . grana (hromady tylakoidov) 8. tylakoid (lamela) 9. škrob10. ribozóm11. plastidiálna DNA12. plastoglobula (kvapka lipidov)
Schéma chloroplastu
Štruktúra
Každý chloroplast je obklopený dvojstennou polopriepustnou membránou, ktorá sa spoločne nazýva peristromium. Vo vrstevnatých zásobníkoch sú ploché diskovité tylakoidy. Obsahujú pigmenty pohlcujúce svetlo vrátane chlorofylu a karotenoidov, ako aj bielkoviny, ktoré tieto pigmenty viažu. Podobne ako mitochondrie, aj chloroplasty obsahujú vlastnú DNA a ribozómy.
Vývoj
Chloroplasty sú jedným z mnohých typov organel v bunke. Predpokladá sa, že vznikli ako endosymbiotické cyanobaktérie. Prvýkrát to navrhol Mereschkowsky v roku 1905 po pozorovaní Schimpera v roku 1883, že chloroplasty sa veľmi podobajú siniciam. Predpokladá sa, že takmer všetky chloroplasty pochádzajú priamo alebo nepriamo z jednej endosymbiotickej udalosti.
Podobný pôvod majú aj mitochondrie, ale chloroplasty sa vyskytujú len u rastlín a protist. U zelených rastlín sú chloroplasty obklopené dvoma lipidovými membránami. Predpokladá sa, že zodpovedajú vonkajšej a vnútornej membráne predkov cyanobaktérií. Chloroplasty majú vlastný genóm, ktorý je oveľa menší ako genóm voľne žijúcich cyanobaktérií. DNA, ktorá zostala, vykazuje jasné podobnosti s genómom cyanobaktérií. Plastidy môžu obsahovať 60 - 100 génov, zatiaľ čo sinice často obsahujú viac ako 1 500 génov. Mnohé z chýbajúcich génov sú zakódované v jadrovom genóme hostiteľa.
Zdá sa, že v niektorých riasach (ako sú heterokonty) sa chloroplasty vyvinuli sekundárnou endosymbiózou, pri ktorej eukaryotická bunka pohltila druhú eukaryotickú bunku obsahujúcu chloroplasty a vytvorila chloroplasty s tromi alebo štyrmi vrstvami membrán. V niektorých prípadoch mohli byť takéto sekundárne endosymbionty pohltené inými eukaryotami, čím vznikli terciárne endosymbionty. V riase Chlorella sa nachádza len jeden chloroplast, ktorý má zvonovitý tvar.
U niektorých skupín mixotrofných protist, ako sú dinoflageláty, sa chloroplasty oddeľujú od zachytenej riasy alebo diatomu a dočasne sa používajú. Tieto klepto (ukradnuté) chloroplasty môžu mať životnosť len niekoľko dní a potom sa nahradia.
Otázky a odpovede
Otázka: Čo je to chloroplast?
Odpoveď: Chloroplast je malá organela vo vnútri buniek rastlín a rias.
Otázka: Ako sa nazýva proces, pri ktorom chloroplasty absorbujú svetlo na výrobu cukru?
Odpoveď: Tento proces sa nazýva fotosyntéza.
Otázka: Na čo slúži chlorofyl v chloroplaste?
Odpoveď: Chlorofyl absorbuje slnečné svetlo na fotosyntézu.
Otázka: Čo používa chloroplast na tvorbu cukru a vylučovanie kyslíka?
Odpoveď: Chloroplast používa oxid uhličitý (CO2) a vodu (H2O) na tvorbu cukru a vylučovanie kyslíka (O2).
Otázka: Čo dáva zeleným rastlinám zelenú farbu?
Odpoveď: Chlorofyl dáva zeleným rastlinám zelenú farbu.
Otázka: Aké ďalšie pigmenty obsahujú chloroplasty okrem chlorofylu?
Odpoveď: Chloroplasty obsahujú aj rôzne žlté a oranžové pigmenty, ktoré pomáhajú zachytávať fotóny pri fotosyntéze.
Otázka: Čo môže byť uložené vo forme škrobu po tom, ako ho vyrobí chloroplast?
Odpoveď: Cukor vyrobený chloroplastmi sa môže uskladniť vo forme škrobu.
Prehľadať