Что содержится в хлоропластах
Что такое хлоропласты?
Одним из главных видов пластид являются хлоропласты. Их определение очень важно в такой науке как биология. За счет пигмента хлорофилла, который преобладает в них, хлоропласты имеют зеленый цвет. Главная их функция – это фотосинтез, но об этом мы поговорим позже более детально.
Хлоропласты – это органоиды, которые могут содержаться в клетке в разном количестве. К примеру, в одних растениях в каждой клетке содержится сотни их штук, а в некоторых водорослях – всего лишь один хлоропласт, причем очень странной формы.
Давайте же более детально разберемся, что такое хлоропласты и как они появляются в клетках. Развиваются они в некоторых клетках из пропластид, а в других ранее существующие делятся надвое, и появляются новенькие.
Высшие растения имеют хлоропласты больших размеров – около 5 мкм.
Хлоропласты: где находятся и из чего состоят
Хлоропласты состоят из таких частей:
Мембрана служит для защиты хлоропластов от разных факторов. А тилакоид имеет форму приплюснутого диска. Их может быть много в клетке. Тилакоиды объединяются в стопки, образуя собой граны. Последние связаны между собой своеобразными нитями под названием ламеллы.
Также в составе хлоропластов присутствует жидкость, называемая стромой. В ней содержатся РНК и ДНК и другие части, которые выполняют важную задачу – обеспечение полуавтономности хлоропласта. Кроме того, при избытке углеводов в составе стромы иногда образуется сахар в виде крахмала. Он позже используется растением для дыхания или производства целлюлозы.
Хлоропласты и их функции
Давайте же разберемся, какую функцию выполняют хлоропласты. Эти внутриклеточные органеллы осуществляют фотосинтез. Все растения могут производить кислород только при помощи этих частиц. Хлоропласты – это в биологии один из самых важных органоидов, так как они выполняют синтез глюкозы и воды при помощи солнечной энергии. Хлорофиллы – зеленые тельца – улавливают энергию солнца. Но как из этого получается кислород? На самом деле это всего лишь побочный эффект фотосинтеза.
К слову, этот процесс проходит в несколько этапов, и сам по себе является достаточно сложным.
Что касается хлорофилла, то это основный пигмент, без которого фотосинтез невозможен. В разных клетках он содержится в разных формах. Кроме того, в фотосинтезе принимают участие каротиноиды, пигменты другого вида.
Хлорофилл имеет головку и длинное кольцо. Солнечную энергию улавливает именно головкой. Когда солнечный свет поступает к ней, электроны возбуждаются, отделяются от хлорофиллов.
Хлоропласты: другие функции
Хлоропласты одновременно с фотосинтезом принимают участие и в других, менее важных задачах. Зеленые пластиды (так еще называются хлоропласты), собирают и хранят нужные вещества. Эти вещества необходимы для производства энергии, так необходимой для растения.
Итак, хлоропласты – это частицы клетки, которые имеют собственную ДНК, отвечают за производство энергии и участвуют в фотосинтезе.
Хлоропласты
Хлоропласты являются одним из видов пластид. Хлоропласты имеют зеленый цвет за счет преобладающего в них пигмента хлорофилла. Основная их функция — фотосинтез.
Количество данных органоидов в клетке варьирует. У некоторых водорослей в клетках содержится одни большой хлоропласт, часто причудливой формы. У высших растений их множество, особенно в мезофильной ткани листьев, где количество может достигать сотни штук на клетку.
У высших растений размер органоида около 5 мкм, форма округлая слегка вытянутая в одном направлении.
Хлоропласты в клетках развиваются из пропластид или путем деления надвое ранее существующих.
Строение хлоропласта
В строении хлоропластов выделяют внешнюю и внутреннюю мембраны, межмембранное пространство, строму, тилакоиды, граны, ламеллы, люмен.
Тилакоид представляет собой ограниченное мембраной пространство в форме приплюснутого диска. Тилакоиды в хлоропластах объединяются в стопки, которые называют гранами. Граны связаны между собой удлиненными тилакоидами — ламеллами.
Полужидкое содержимое хлоропласта называется стромой. В ней находятся его ДНК и РНК, рибосомы, обеспечивающие полуавтономность органоида (см. Симбиогенез).
Также в строме находятся зерна крахмала. Они образуются при избытке углеводов, образовавшихся при фотосинтетической активности. Жировые капли обычно формируются из мембран разрушающихся тилакоидов.
Функции хлоропластов
Основная функция хлоропластов — это фотосинтез — синтез глюкозы из углекислого газа и воды за счет солнечной энергии, которая улавливается хлорофиллом. В качестве побочного продукта фотосинтеза выделяется кислород. Однако процесс этот сложный и многоступенчатый, при котором синтезируются и побочные продукты, использующиеся как в самом хлоропласте, так и в остальных частях клетки.
Основным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл. Он существует в нескольких разных формах. Кроме хлорофилла в фотосинтезе принимают участие пигменты каротиноиды.
Пигменты локализованы в мембранах тилакоидов, здесь протекают световые реакции фотосинтеза. Кроме пигментов здесь присутствуют ферменты и переносчики электронов. Хлоропласты стараются расположиться в клетке так, чтобы их тилакоидные мембраны находились под прямым углом к солнечному свету.
Хлорофилл состоит из длинного углеводного кольца и порфириновой головки. Хвост гидрофобен и погружен в липидный слой мембран тилакоидов. Головка гидрофильна и обращена к строме. Энергия света поглощается именно головкой, что приводит к возбуждению электронов.
Электрон отделяется от молекулы хлорофилла, который после этого становится электроположительным, т. е. оказывается в окисленной форме. Электрон принимается переносчиком, которые передает его на другое вещество.
Разные виды хлорофилла отличаются между собой несколько различным спектром поглощения солнечного света. Больше всего в растениях хлорофилла А.
В строме хлоропласта происходят темновые реакции фотосинтеза. Здесь находятся ферменты цикла Кальвина и другие.
Функциональные особенности
Строение хлоропласта изучается школьниками в 6 классе на уроках биологии. К особенностям клеток относится наличие в строме рибосомы, ДНК, РНК. В мембране присутствует вещество, способное придать растениям соответствующий цвет. Для хлорофилла характерен зеленый оттенок, а для каротиноида:
Значение хлорофилла для растений заключается в возможности осуществления процесса фотосинтеза. С учётом строения биологи выделяют 4 типа хлорофилла: a, b, c, d. Первые два содержатся в растениях на суше и зеленых водорослях. Типы a и c считаются растительными компонентами диатомовых, d и a — красных водорослей.
Для хлорофилла характерно поглощение солнечной энергии с последующей передачей иным молекулам. Разрушение зеленого вещества наблюдается в конце жизненного цикла органоида в результате резкого изменения светового дня и значения температуры. Часть хлоропластов превращается в хромопласты. Это приводит к изменению внутренней информации, пожелтению и опадению листьев.
Принципы классификации
Пластиды делятся на три вида: лейкопласты (бесцветные), хлоропласты (окрашенные в зеленый цвет), хромопласты (имеют разные оттенки). На протяжении жизни клетки способны превращаться друг в друга. Лейкопластам свойственно переходить в хлоропласты, а последние за счёт появления бурых и прочих пигментов — в хромопласты, пластоглобулы.
Внешне зеленые вещества покрыты липидной и белковой мембранами. Полужидкая строма с тилакоидами (компартменты, ограниченные мембраной) считается основным веществом, в состав которого входят граны с каналами. Первые компоненты представлены в виде плоских круглых мешочков, расположенных перпендикулярно поверхности двухмембранных органоидов (ДО).
Уникальность их структуры заключается в хранении зеленого пигмента (хлорофилл). Главная функция хлоропластов связана с участием в фотосинтетическом явлении. В их состав входят жиры, зерна (митохондрия, пропластида), крахмал.
На долю липидов приходится до 30%. Они представлены тремя группами:
К другим компонентам, входящим в состав хлоропласта, относятся углеводы. Они представлены в виде продуктов фотосинтеза. До 25% приходится на долю минералов. Ферменты могут выполнять двойную функцию: катализацию различных реакций, обеспечение биосинтеза белков.
Внутренняя структурированность хлоропластов зависит от функциональных нагрузок, физиологического состояния. Молодые клетки размножаются за счет деления, а зрелые обладают выраженной системой гран. Если они стареют, происходит разрыв тилакоидов, распадается хлорофилл. Осенью деградация приводит к появлению хромопластов.
Главная роль хлоропластов в фотосинтезе обеспечена их способностью пассивно двигаться в клетках, увлекаемых током цитоплазмы. Веществу свойственно собирать свет и активно перемещаться с одного места на другое. При интенсивном свете оно поворачивается ребром к яркому солнцу, выстраиваясь вдоль стенок, которые параллельны лучам.
Если освещение слабое, схема движения хлоропластов следующая: они перемещаются на стенки, обращённые к солнцу, поворачиваясь наибольшей поверхностью. Когда освещение среднее, клетки занимают соответствующее положение. От условий освещения зависит то, какие пигменты хлоропластов появятся.
Для пластид и митохондрий свойственна полуавтономная степень. Кроме фотосинтеза, в первых компонентах происходит биосинтез белка. Так как они содержат в себе ДНК, поэтому принимают активное участие в наследственном комплексе: передача признаков, цитоплазматические свойства.
Описание хромопластов
К пластидам высших растений относятся хромопласты. Они имеют незначительные размеры. Для внутриклеточных органелл характерен разный окрас: красный, желтый, коричневый. Он придает соответствующий цвет осенью, плодам и цветкам, что необходимо для привлечения опылителей и животных, разносящих семена продолжительные расстояния.
Структура ткани похожа на иные пластиды. Внутренняя оболочка развита слабее внешней. У некоторых представителей она может отсутствовать. В каротиноидах (жирорастворимые пигменты) происходит накапливание кристаллов. Для определения точных функций вещества изучается таблица с формами хромопластов:
Их роль в жизни растений до конца не выяснена. Ученые предполагают, что пигменты участвуют в окислительных и восстановительных процессах, необходимых для размножения и физиологического развития клеток.
Строение лейкопластов
В органоидах этого типа накапливаются питательные компоненты. Лейкопласты имеют 2 оболочки: внутреннюю и внешнюю. На свету им свойственно превращаться в хлоропласты, но в привычном состоянии органоиды бесцветны. Основная их форма — шаровидная. Размещены они в мягких частях растений:
С учетом накапливаемого вещества лейкопласты классифицируются на следующие виды: амилопласты, элайопласты, протеинопласты. В первую группу входят органоиды с крахмалом, находящиеся в каждом растении. Если лейкопласт полностью заполнен крахмалом, он называется крахмальным зерном. Для элайопластов характерно продуцирование и запас жиров, а для протеинопластов — скопление белковых веществ.
Лейкопласты обладают ферментной субстанцией, что способствует ускоренному протеканию химических реакций. В отрицательном жизненном периоде, когда не происходит фотосинтез, они расщепляют полисахариды на простые углеводы. Так как в луковицах содержится много органоидов, поэтому им свойственно переносить длительную засуху, жару, низкую температуру. После выполнения своих функций они становятся хромопластами.
Симбиотическая теория
Чтобы выяснить механизм появления пластид, митохондрий и других органоидов, рассматривается теория эндосимбиоза. Ее суть заключается в совместной и взаимовыгодной жизни органеллы с клеткой. Впервые теорию предложил Шимпер в 1883 году. В 1867 ученые работали над двойственной природой лишайников.
Биолог Фамицын, учитывая теорию Шимпера, предположил, что хлоропласты, как лишайники и водоросли, относятся к симбионтам. Ученые доказали, что митохондрии — аэробные бактерии, которые не размножаются за пределами клеток. Общие свойства, характерные для митохондрий и пластид:
В ДНК пластид и митохондрий, в отличие от аналогичных структур прокариот, нет интронов. А в ДНК хлоропластов закодирована информация о некоторых белках, остальные данные находятся в ядре клетки. В результате эволюции часть генетического материала из генома перешло в ядро, поэтому хлоропласты и митохондрии не размножаются независимо.
Археи и бактерии не склонны к фагоцитозу. Они питаются только осмотрофно. Множественные биологические и химические исследования указывают на химерную сущность бактерий. Ученые не выяснили, как сливаются организмы из нескольких доменов. В условиях современности выявлены организмы, которые содержат в себе другие клетки в качестве эндосимбионтов. Они отличаются от первичных эукариотов тем, что не интегрируются в одно целое, не имеют своей индивидуальности.
Интересным организмом считается Mixotricha paradoxa. Чтобы двигаться, она использует 250 000 бактерий, которые фиксируются на ее поверхности. Митохондрии у этого организма вторично потеряны. Внутри находятся сферические аэробные микроорганизмы, которые заменяют органеллы.
Хлоропласт
Что такое хлоропласт
Хлоропласты (греч. «хлоро» – зеленый, «пластос» – вылепленный) – это пластиды, которые содержатся в растительных клетках. Пластидами называют мембранные органоиды растительных клеток, в которых осуществляется синтез различных веществ. Под органоидами, или органеллами подразумевают маленькие клеточные структуры.
Выделяют три вида пластид: лейкопласты, хромопласты и хлоропласты. Лейкопласты содержатся в семенах и клубнях растений и не имеют окраса, хромопласты – в клетках цветов, плодов и листьев, придают им яркую окраску, привлекающую насекомых-опылителей. Хлоропласты содержатся в зеленых органах растений. Хлоропласты, хромопласты и лейкопласты способны переходить друг в друга. В конце вегетации растения разрушается хлорофилл и хлоропласты утрачивают свой зеленый цвет, затем переходят в хромопласты. При позеленении клубней картофеля лейкопласты переходят в хлоропласты.
С помощью хлоропластов солнечный свет преобразуется в энергию. Этот процесс называют фотосинтезом. При фотосинтезе хлоропласты растительных клеток с помощью солнечного света из воды и углекислого газа синтезируют глюкозу.
Хлоропласты являются органеллами в клетках растений и представляют собой особые структуры в клетках с определенным набором функций. Так, главная функция хлоропластов – важнейший биологический процесс фотосинтез.
Клетки животных и человека не нуждаются в хлоропластах, так как эти организмы получают энергию от употребляемой пищи, а не от солнечного света.
Характеристика хлоропластов
Для хлоропластов характерна овальная форма, реже – форма лент, чаши даже звезд. Также они отличаются и размерами. Некоторые хлоропласты занимают большую часть клетки, в то время как другие ничтожно малы по сравнению с размерами самой клетки. В основном этот показатель составляет 20-30 %.
Доказано, что в 1 кв. мм листа сосредоточено около полумиллиона хлоропластов.
Цвет хлоропластам и растениям придают пигменты. В частности, такой пигмент как хлорофилл придает зеленый цвет растениям. В процессе фотосинтеза именно хлоропласты выделяют хлорофилл, благодаря которому листья и стебли растений, а также водоросли имеют зеленый цвет.
Хлорофилл, упакованный белковыми и фосфолипидными молекулами, обладает способностью эффективно поглощать солнечную энергию, а затем передавать ее другим молекулам. Крое хлорофилла не существует других структур, способных обеспечивать протекание фотосинтеза.
Хлоропластам присущи собственная ДНК и рибосомы для изготовления белков с РНК.
Помимо хлорофилла хлоропласты содержат еще и каратиноиды. Чаще всего хлоропласты имеют форму выпуклой двухсторонней линзы диаметром 4-5 мкм и толщину 2-4 мкм. Длина хлоропластов достигает 10 мкм. Примечательно, что у некоторых видов зеленых водорослей длина хлоропластов составляет 50 мкм.
Особенности хлоропластов
Численность хлоропластов в клетках живых организмов различна. Например, в клетках водорослей может содержаться всего 1-2 крупных хлоропласта, а клетках сложных растений – до нескольких сотен. Среднее количество хлоропластов в клетке составляет 30-60 шт.
Хлоропласты способны передвигаться внутри клетки, выбирая наиболее удобное положение для максимального поглощения солнечного света. Другими словами, хлоропласты в клетке всегда тянутся к свету.
Хлоропластам собственно воспроизведение независимо от остальной части клетки.
Днем хлоропласты выстраиваются вдоль стенок, а ночью перемещаются к низу клетки.
В хлоропластах содержатся различные пигменты хлорофилла. В зависимости от растений выделяют:
Строение хлоропласта
Строение хлоропласта довольно-таки сложное. Оно одинаково для всех зрелых хлоропластов высших растений. В зависимости от нагрузки клеток, возраста хлоропластов, их физиологического состояния различна их структурированность.
Внешняя часть хлоропласта покрыта защитной гладкой внешней мембраной. Во внешней мембране располагается внутренняя мембрана, которая осуществляет контроль над молекулами, проходящими в хлоропласт и наружу. Мембраны играют роль защитного барьера в клетках от воздействия неблагоприятных факторов. Внешняя и внутренняя мембраны с жидкостью между ними представляют собой оболочку хлоропласта.
Тело хлоропласта состоит из стромы, или матрикса – белковой гидрофильной полужидкой массы, в которой плавают различные структуры, например, тилакоиды, ламеллы, граны, люмел. При слиянии парных ламелей образуется диск в виде круглого мешочка – тилакоида. Тилакоиды объединяются в граны. Через строму проходят параллельными рядами особые двухмембранные пластины – ламеллы, или длинные тилакоиды. Хлорофилл содержится в тилакоидах. Ламелла стромы напоминает полый плоский мешок или сеть разветвленных каналов. Именно в строме, или матриксе хлоропласта, заполняющей собой его внутреннее пространство, находятся такие важные молекулы, как ДНК и РНК (рибосомальная молекула), и рибосомы, а также зерна крахмала. Зерна крахмала являются временным хранилищем продуктов фотосинтеза.
Хлорофилл представляет собой длинный углеводный хвост и порфириновую головку. Солнечный свет поглощается именно головкой хлорофилла. При его поступлении к головке происходит возбуждение электронов и их отделение от хлорофиллов.
Оболочка хлоропласта
Наружная мембрана хлоропласта гладкая, в то время как внутренняя мембрана имеет складчатую структуру с гранами внутри. Мембранами названы липопротеиновые структуры, состоящие из липидов и белков. Мембраны отделяют содержимое клетки от внешней среды и регулируют обмен веществ между окружающей средой и клеткой. Пространство между мембранами заполнено стромой.
Хлорофилл, пигменты и ферменты, находящиеся в мембранах, образуют мембранную систему. Она состоит из множества мешочков, названных тилакоидами.
Функции и роль хлоропластов
Бесспорно, что самая важная и первоочередная функция хлоропластов – это осуществление фотосинтеза. Фотосинтез возможен только при наличии хлоропласта в клетках и тканях растения.
Процесс синтезирования глюкозы из воды и углекислого газа сопровождается выделением жизненно необходимого кислорода. Хлоропласты способный усваивать углекислоту. Немаловажно, что в процессе фотосинтеза кислород выступает его побочным продуктом.
Кроме хлорофилла в мембранах тилакоидов содержатся ферменты и переносчики электронов.
Хлоропласты одновременно с фотосинтезом участвуют и в других важных процессах. Один из них – сбор и накопление нужных веществ для производства необходимой растениям энергии. Так, в хлоропластах в виде капель откладываются жиры.
Очень важно, что хлоропласты имеют собственную ДНК.
Кроме того, хлоропласты связаны с производством веществ, которые устраняют патогенны, попадающие в растение.
Cодержимое хлоропласта
Внутри хлоропласта содержатся молекулы ДНК, граны и рибосомы. Гранами названы складчатые образования, которые состоят из тилакоидов. Внешне они похожи на моменты, сложенные в стопку толщиной 0,5 мкм. Граны располагаются в шахматном порядке и соединены друг с другом мостиками. Они увеличивают площадь внутренней мембраны для того, чтобы расположить на ней максимальное количество ферментов фотосинтеза.
В мембранах тилакоидов между слоями молекул липидов и белков находится важный зеленый пигмент – хлорофилл. Мембранные тилакоиды напоминают по форме плоские замкнутые мешки в форме диска. Число тилакоидов на одну грану неодинаковое. Тилакоиды в гране тесно сближены друг с другом. Полости камер тилакоидов всегда замкнуты и не переходят в камеры межмембранного пространства ламелл стромы.
Рибосомы ответственны за биосинтез белка из аминокислот. Это микроскопические круглые органеллы, в состав которых входят две субчастицы, не имеющие мембранного строения. Рибосомы содержатся как в клетках растений, так и в клетках животных.
Признаки хлоропластов
Образование хлоропластов
Хлоропласты образуются из пропластид – маленьких бесцветных частиц в виде небольших пузырьков, отделенных от ядра. Пропластиды окружены двойной мембраной и молекулой ДНК.У пропластид отсутствует внутренняя мембранная система. Они способны делиться и передаваться от клетки к клетке.
В процессе образования хлоропласта из пропластиды внутренняя мембрана ее оболочки врастает внутрь пластиды. Начинают развиваться мембраны тилакоидов, которые, в свою очередь, создают граны и ламеллы стромы.
Так в темноте формируется этиопласт со структурой в виде кристаллической решетки. Под воздействие света она разрушается и формируется структура, состоящая из ламелл стромы и тилакоидов гран.
При формировании зеленого листа пропластиды путем деления преобразуются в хлоропласты.
Фотосинтез в хлоропластах
Фотосинтез – один из важнейших биологических процессов, лежащий в основе всей жизни нашей планеты. Именно благодаря этому процессу все живые организмы могут получать кислород, а значит – могут и дышать. Растения способны самостоятельно создавать полезные органически вещества, которые необходимы им для осуществления жизнедеятельности. Бесспорно, органические вещества, которые создают растения, это единственный источник жизни растений и животных, которые перерабатывают готовые органические вещества. Благодаря кислороду, который выделяется в процессе фотосинтеза, дышат все живые организмы на Земле.
Процесс фотосинтеза состоит из световой и темновой фаз.
С помощью фотосинтеза клетки, содержащие хлорофилл, под воздействием солнечной энергии образуют из неорганических веществ органические. Хлорофилл накапливает солнечную энергию в специальной молекуле аденозинтрифосфате, или АТФ. Именно АТФ аккумулирует энергию, необходимую для различных нужд клетки. Световая фаза может протекать только на мембранах тилакоидов и только на свету. В результате фоторазложения воды выделяется кислород.
Затем АТФ в сочетании с углекислым газом и водой вырабатывает глюкозу, необходимую для пищи растений. Темновая фаза протекает в строме хлоропластов, причем как на свету, так и в темноте. Поглощенный углерод восстанавливается, что сопровождается образованием углеводов и прочих органических соединений.
Интенсивность фотосинтеза прямо пропорциональна поглощению света хлорофиллом.
Таким образом, биологическая роль фотосинтеза заключается в преобразовании солнечной энергии в химическую энергию, присущую органическим соединениям.
Благодаря фотосинтезу из производимого кислорода образуется озоновый слой. Он защищает все живое на нашей планете от ультрафиолетовой радиации. Кислород поддерживает состав атмосферы и предотвращает рост объема углекислого газа. Доказано, что без фотосинтеза запасы кислорода на Земле хватило бы примерно на 3000 лет.