Kloroplasti – organeli fotosinteze, klorofil in vloga v celici

Kloroplasti so majhni organeli v celicah rastlin in alg. V procesu, imenovanem fotosinteza, absorbirajo svetlobo in proizvajajo sladkor. Sladkor se lahko shrani v obliki škroba. Kloroplasti vsebujejo molekulo klorofila, ki absorbira sončno svetlobo za fotosintezo. Poleg klorofila kloroplast za tvorbo sladkorja uporablja ogljikov dioksid (CO₂) in vodo (H₂O) ter izloča kisik (O₂). Klorofil daje zelenim rastlinam zeleno barvo. Kloroplasti vsebujejo tudi različne rumene in oranžne pigmente, ki pomagajo pri zajemanju fotonov za fotosintezo.

Struktura kloroplastov

Tipičen kloroplast je obdaja dvojna membrana (zunanji in notranji ovoj), med njima pa je medmembranski prostor. V notranjosti je tekočina, imenovana stroma, kjer poteka temeljna (temna) faza fotosinteze — Calvinov cikel. V stroma so tudi lastna DNA kloroplasta, ribosomi in encimi za sintezo nekaterih beljakovin ter shranjevanje škroba.

Notranja membrana tvori ravninske ali diskaste strukture, imenovane tilakoidi. Tilakoidi so razporejeni v kupčkih, imenovanih grana, in medgranularnih lamelah. Na tilakoidnih membranah potekajo svetlobne reakcije fotosinteze (absorpcija svetlobe, prenos elektronov in tvorba ATP in NADPH). Tilakoidni lumen (notranji prostor tilakoidov) ima ključno vlogo pri tvorbi protonskega gradienta, potrebnega za sintezo ATP.

Glavni pigmenti in njihova vloga

Klorofil je glavni pigment, pri čemer sta najpogostejša oblike klorofil a in klorofil b. Poleg klorofilov kloroplasti vsebujejo karotenoide (npr. beta-karoten, lutein) in druge dopolnilne pigmente, ki razširjajo spekter svetlobe, ki jo lahko rastlina izkoristi. Pri nekaterih algah so prisotni tudi fikoobilini (npr. ficoeritrin), ki dajejo rdeče ali modre odtenke in zajamejo dodatne valovne dolžine svetlobe.

Funkcije kloroplastov

Fotosinteza: pretvorba svetlobne energije v kemično energijo (sinapsa sladkorjev) in sproščanje O₂.
Sinhrona tvorba in skladiščenje ogljikovih spojin: proizvodnja sladkorjev ter njihovo shranjevanje kot škrob v stroma.
Biosinteza pomembnih molekul: kloroplasti sodelujejo pri sintezi maščobnih kislin, aminokislin, izoprenojev in nekaterih fosfolipidov.
Vloga v celičnih signalnih poteh: kloroplasti pošiljajo signale, ki vplivajo na izražanje genov v jedru in pomagajo pri prilagajanju na svetlobne pogoje ali stres.
Vpliv na fenotip: preobrazba kloroplastov v druge tipe plastidov (npr. kromoplaste v plodu ali leu koplaste v brezbarvnih tkivih) vpliva na barvo in shranjevanje snovi v rastlinskih organih.

Biološke in evolucijske značilnosti

Velikost kloroplastov je običajno v razponu nekaj mikrometrov (pogosto 4–6 µm premera, odvisno od vrste in vrste celice), število kloroplastov v celici pa se razlikuje po tkivih in svetlobnih pogojih. Kloroplasti imajo lastno krožno DNA, podobno bakterijski, in lastne ribosome — to je ena od glavnih podpore endosimbiotski teoriji, ki pravi, da so se kloroplasti razvili iz fotosintetskih bakterij (npr. cianobakterij), ki so nekoč živele znotraj predhodnikov rastlinskih celic.

Plastidni genom (plastome) običajno nosi dele genetskih informacij za nekatere ključne beljakovine, vendar je večina beljakovin, potrebnih za delovanje kloroplastov, kodirana v jedrnem genomu gostiteljske rastline in se uvozi v kloroplast po sintezi v citosolu.

Dodatne zanimivosti

Kloroplasti se delijo z mehanizmom, ki spominja na bakterijsko binarno delitev; v delitvi sodelujejo proteini (npr. FtsZ), ki so sorodni bakterijskim delitvenim proteinom.
V jesenskem času, ko klorofil razgradi, postanejo vidni rumeni in oranžni karotenoidni pigmenti — zato listi spreminjajo barvo.
Nekatere nekatere vrste protistov ali parazitske rastline izgubljajo fotosintetsko sposobnost; njihovi plastidi so močno spremenjeni ali pa popolnoma izgubljeni.
Kloroplasti se lahko premikajo znotraj celice (fotorelokacija), da optimizirajo zajem svetlobe ali se zaščitijo pred prekomerno svetlobo.

Kratek povzetek procesa fotosinteze

Fotosinteza poteka v dveh glavnih fazah: svetlobne reakcije na tilakoidnih membranah (kjer se svetloba pretvori v ATP in NADPH ter sprosti O₂) in temne reakcije (Calvinov cikel) v stro mi, kjer se CO₂ fiksira in gradi v sladkorje. Po poenostavljeni kemijski enačbi:

6 CO₂ + 6 H₂O + svetloba → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Kloroplasti so torej ključni organeli, brez katerih bi rastline ne morejo pretvoriti sončne energije v kemično obliko – s tem podpirajo življenje na Zemlji in vplivajo na zrak, hrano in ekosisteme.

Shema kloroplasta

Ultrastruktura kloroplasta: 1. zunanja membrana2. medmembranski prostor3. notranja membrana (1+2+3: ovojnica) 4. stroma (tekočina) 5. tilakoidni lumen (notranjost tilakoida) 6. tilakoidna membrana7 . grana (skladovnica tilakoidov) 8. tilakoid (lamela) 9. škrob10. ribosom11. plastidna DNA12. plastoglobula (kapljica lipidov)

Kloroplasti, vidni v celicah Plagiomnium affine

Struktura

Vsak kloroplast obdaja dvostenska polprepustna membrana, ki se skupno imenuje peristrom. V večplastnih skladovnicah so ploščati diskasti tilakoidi. V njih so pigmenti, ki absorbirajo svetlobo, vključno s klorofilom in karotenoidi, ter beljakovine, ki vežejo pigmente. Tako kot mitohondriji tudi kloroplasti vsebujejo lastno DNK in ribosome.

Evolucija

Kloroplasti so ena od številnih različnih vrst organelov v celici. Nastali naj bi kot endosimbiotične cianobakterije. To je prvi predlagal Mereschkowsky leta 1905, potem ko je Schimper leta 1883 opazil, da so kloroplasti zelo podobni cianobakterijam. Skoraj vsi kloroplasti naj bi neposredno ali posredno izvirali iz enega samega endosimbiotskega dogodka.

Podoben izvor imajo tudi mitohondriji, kloroplaste pa najdemo le pri rastlinah in protistah. Pri zelenih rastlinah so kloroplasti obdani z dvema lipidnima membranama. Domnevajo, da ustrezata zunanji in notranji membrani prednika cianobakterije. Kloroplasti imajo svoj genom, ki je veliko manjši od genoma prosto živečih cianobakterij. DNK, ki je ostala, je zelo podobna genomu cianobakterij. Plastidi lahko vsebujejo 60-100 genov, medtem ko cianobakterije pogosto vsebujejo več kot 1500 genov. Veliko manjkajočih genov je zakodiranih v jedrnem genomu gostitelja.

Zdi se, da so se kloroplasti pri nekaterih algah (kot so heterokonti) razvili s sekundarnim dogodkom endosimbioze, pri katerem je evkariontska celica posrkala drugo evkariontsko celico s kloroplasti in tako nastali kloroplasti s tremi ali štirimi membranskimi plastmi. V nekaterih primerih so takšne sekundarne endosimbiente lahko posrkali še drugi evkarionti, tako da so nastali terciarni endosimbionti. V algi Chlorella je samo en kloroplast, ki je zvonaste oblike.

Pri nekaterih skupinah mixotrofnih protistov, kot so dinoflagelati, se kloroplasti ločijo od ujete alge ali diatoma in se začasno uporabijo. Ti klepto (ukradeni) kloroplasti imajo lahko življenjsko dobo le nekaj dni in se nato nadomestijo.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je kloroplast?

O: Kloroplast je majhen organel v celicah rastlin in alg.

V: Kako se imenuje proces, pri katerem kloroplasti absorbirajo svetlobo za proizvodnjo sladkorja?

O: Proces se imenuje fotosinteza.

V: Kakšen je namen klorofila v kloroplastu?

O: Klorofil absorbira sončno svetlobo za fotosintezo.

V: Iz česa kloroplast tvori sladkor in oddaja kisik?

O: Kloroplast uporablja ogljikov dioksid (CO2) in vodo (H2O) za tvorbo sladkorja in izločanje kisika (O2).

V: Kaj daje zelenim rastlinam zeleno barvo?

O: Klorofil daje zelenim rastlinam zeleno barvo.

V: Katere druge pigmente poleg klorofila vsebujejo kloroplasti?

O: Kloroplasti vsebujejo tudi različne rumene in oranžne pigmente, ki pomagajo pri zajemanju fotonov za fotosintezo.

V: Kaj se lahko shrani v obliki škroba, potem ko ga kloroplast proizvede?

O: Sladkor, ki ga proizvedejo kloroplasti, se lahko shrani v obliki škroba.