Эволюция и самоорганизация химических систем. Макромолекулы и зарождение органической жизни

Эволюция и самоорганизация химических систем. Макромолекулы и зарождение органической жизни

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Фундаментальной Биологии и Биотехнологии

Кафедра Медицинской биологии

РЕФЕРАТ

Строение и функции хлоропласта

Преподаватель   _____________.10.13   Голованова Т.И.

подпись

Студент     ББ11-02Б  ________    .10.13   Шангина Ю.С.

подпись

   Красноярск 2013

Содержание

1 Общее понятие пластид……………………………………………………3

2 Хлоропласт………………………………………………………………....4

2.1. Строение хлоропласта……………………………………………5

2.2 Фотосинтетические пигменты……………………………………6

2.3 Генетический аппарат хлоропластов…………………………….8

2.4 Функции хлоропластов……………………………………………9

Список используемой литературы…………………………………………11

1 Общее понятие пластид

Пластида - самореплицирующаяся цитоплазматическая органелла, встречающаяся у фотосинтезирующих эукариотических организмов (высших растений, низших водорослей, некоторых одноклеточных организмов). Пластиды, как и митохондрии, окружены двумя мембранами и в их матриксе находится собственная геномная система.[3]

В растениях, пластиды могут дифференцироваться в различные формы, в зависимости от того, какую функцию они должны играть в клетке. Пластиды широко подразделяются на два основных типа, а именно хромопласты и лейкопласты. [3]

 [3]

Хромопласты – это цветные пластиды содержащие различные пигменты (оранжевый, красный или жёлтый).  Их наличие высоко в цветках и плодах. Хромопласты делятся на 3 типа в зависимости от цвета, а именно на Хлоропласт, Феопласт и Родопласт.[3]

Chloroplast: зеленый цвет. Содержит пигмент - хлорофилл. Он находится в высших растениях и зеленых водорослях.

Phaeoplast: темно-коричневый цвет. Содержит пигмент – фукоксантин. Он находится в бурых, диатомовых водорослях и в динофлагелятах.

Rhodoplast: красный цвет. Содержит пигмент - фикоэритрин. Он находится в красных водорослях.

Лейкопласты - непигментированные пластиды (Лейко-белый; пласт=жизнь). Их основная функция – запасание питательных веществ. Они не участвуют в синтетической деятельности. Лейкопласты так же подразделяются на три типа, а именно Амилопласты, Элайопласты и Протеинопласты.

Amlyloplast: Хранит зерна крахмала. Найден в клубнях, семядолях и эндосперме.

Elaioplast:  Хранит  капельки масла. Найден в эпидермальных клетках.

Proteinoplast: Хранит белок. Найдет в семенах и орехах.

2  Хлоропласт

Предшественниками пластид являются пропластиды, мелкие, обычно бесцветные образования, находящиеся в делящихся клетках корней и побегов. Если развитие пропластид в более дифференцированные структуры задерживается из-за отсутствия света, в них может появиться одно или несколько проламеллярных телец (скопления трубчатых мембран). Такие бесцветные пластиды называются этиопластами. Этиопласты превращаются в хлоропласты на свету, а из мембран проламеллярных телец формируются тилакоиды. Обычно в клетке встречаются пластиды только одного типа. Однако установлено, что одни типы пластид могут переходить в другие.

Хлоропласты содержатся в растительных клетках и других эукариотических организмах, которые воспроизводят фотосинтез. Слово хлоропласт происходит от греческих слов хлорос, что значит " зеленый", и пласт, что означает, форму или сущность.

Форма: Хлоропласты могут изменять свою форму. Сфероид, яйцевидные или дискообразные у высших растений. Чашеобразные у хламидомонад. Спирально свернутая у спирогир.

Размер: У высших растений, 4-5мкм в длину и 1-3мкм в ширину. У зеленых водорослей встречаются гигантские хлоропласты (хроматофоры), достигающие длины 50мкм.

Количество:  Количество хлоропластвов в клетках разных растений не стандартно. У зеленых водорослей может быть по одному хлоропласту на клетку. Обычно на клетку высших растений приходится 10-30 хлоропластов. Встречаются клетки с огромным количеством хлоропластов.

2.1 Структура хлоропласта

Хлоропласты представляют собой структуры, ограниченные двумя липопротеиновыми мембранами – внутренней и внешней. Обе мембраны имеют толщину около 7нм, они отделены друг от друга межмембранным пространством около 20-30нм. Внешняя мембрана содержит не специфический поровый белок – порин. Этот белок разрешает свободный транспорт воды, ионов и метаболитов. Так же на внешней мембране локализованы белки ферменты, участвующие в транспорте различных веществ. Имеет места контактов с внутренней мембраной. В этих зонах осуществляется перенос пластидных белков из цитозоля в хлоропласт.

 Внутренняя мембрана хлоропластов, как и других пластид образует складчатые впячивания внутрь стромы. Она проницаема для маленьких незаряженных молекул, включая О2 и NH3, а так же для недиссоциированных низкомолекулярных монокарбоновых кислот. Большинство метаболитов пересекают внутреннюю мембрану хлоропласта при помощи специальных переносчиков. Внутренняя мембрана оболочки пластид содержит также ферменты, участвующие в формировании тилакоидных мембранных липидов.

 В строме зрелого хлоропласта высших растений видны два типа внутренних мембран. Это – мембраны, образующие плоские, протяжённые ламеллы стромы, и мембраны тилакоидов – плоских дисковидных вакуолей, или мешков.

 Ламеллы стромы - это такие образования внутри пластид, представленные в виде плоского полого мешка или же имеет вид сети из разветвленных и связанных друг с другом каналов, располагающихся в одной плоскости. Обычно ламеллы стромы внутри хлоропласта лежат параллельно и не образуют связей между собой.

Так же внутри хлоропласта обнаружены мембранные тилакоиды. Они имеют вид замкнутых дисков. В хлоропласте тилакоиды образуют стопки, называемые гранами. Либо тилакойды могут располагаться одиночно. В гране тилакоиды сближены друг с другом, их внешние слои мембран тесно соединяются, в месте соединения мембран образуется плотный слой толщиной 2 нм.

 В одной гране от 50 и более штук тилакоидов. Количество гран достигает 40-60. Граны в хлоропласте расположены в шахматном порядке, для эффективности попадания квантов света. Ламеллы стромы связывают между собой отдельные граны хлоропластов. Однако полости камер тилакоидов всегда замкнуты и не переходят в камеры межмембранного пространства ламелл стромы.

Мембрана тилакоидов содержит все компоненты фотосинтезирующей цепи – светочувствительные пигменты, ферменты переноса электронов сопряжённого фосфорилирования. Внутренняя поверхность тилакоидов состоит из субъединиц ферментов переноса электронов. которые расположены с определённой регулярностью. Эти субъединицы называются квантосомы.

В строме хлоропласта есть ферменты фиксации углекислоты и ферменты цикла Кальвина – рибулоза-1,5-дифосфаткарбоксилаза. Фермент обычно состоит из двух типов белковых субъединиц:

• Большая цепь (L, массой 55 000 Да)
• Малая цепь (S, массой 13 000 Да)

Активный центр фермента находится на больших цепях, объединённых в димеры. Все 8 димеров больших цепей и 8 малых цепи объединены в единый комплекс массой 540 000 Да. У некоторых протеобактерий малых цепей в составе рубиско не обнаружено. При этом большие цепи кодируются в ДНК хлоропласта, а малые — в ядре и транспортируются в хлоропласт перед сборкой всего белка.

Для работы фермента необходимы ионы Mg²⁺, которые размещаются в активном центре и способствуют присоединению CO₂ к остатку лизина, в ходе чего образуется карбамат. Образование карбамата протекает легче в щелочной среде: роль pH и ионов магния в регуляции работы фермента описано ниже.

Хлоропласты содержат белки, липиды, углеводы, ДНК, РНК, каротиноиды, хлорофилл и минералов в таком процентном соотношении [3]

2.2 Фотосинтетические пигменты:

Пигменты, участвующие в проведение фотосинтеза, называются фотосинтетическими пигментами. Хлоропласты также содержат фотосинтетические пигменты. Это хлорофилл, каротиноиды и фикобилины.

Хлорофилл является пигментом, который содержит порфириновые кольца. Форма колец придаёт стабильность молекуле вокруг которой свободно мигрируют электроны. Кольцо имеет потенциал, чтобы захватить электроны, и, таким образом,  обеспечить энергией электронов другие молекулы. Это фундаментальный процесс, с помощью которого хлорофилл "захватывает" энергию солнечного света.

Существует несколько видов хлорофилла, одним из самых важным является хлорофилл "А". Это молекула, которая участвует в фотосинтезе, передавая энергию электронов на молекулы, которые будут производить сахара. Все растения, водоросли и цианобактерии, которые фотосинтезируют содержат хлорофилла "а".

Второй важный вид хлорофилла - хлорофилла "В", возникает только в "зеленых водорослей", и в растениях.

Третья форма хлорофилла - хлорофилл "С", и встречается в некоторых группах водорослей также динофлагеллятах.

Каротиноиды  - это красный, оранжевый или желтый пигмент. Каротиноиды обеспечивают окраску плодов и цветов. Каротиноиды являются полиненасыщенными соединениями терпенового ряда, которые содержат в молекуле 40 углеродных атомов. В состав молекулы входят циклогексановые кольца и остатки изопрена. Все каротины не растворимы в воде и растворяются в органических растворителях – бензоле, хлороформе, эфире, жирах и маслах.. Каротиноиды не могут превращать энергию солнечного света, он должен передавать поглощенную энергию от хлорофилла.

Ксантофиллы - природные пигменты из группы каротиноидов; кислородсодержащие производные каротинов. Содержатся в листьях, цветках, плодах и почках высших растений, а также во мн. водорослях и микроорганизмах. Участвуют в фотосинтезе в качестве дополнительных пигментов. Играют роль светофильтров, защищающих чувствительные к свету ферменты от разрушения.

Фикобилины — красные и синие пигменты, содержащиеся у цианобактерий и некоторых водорослей. Исследования показали, что красные водоросли и цианобактерий наряду с хлорофиллом А содержат фикобилины. В основе химического строения фикобилинов лежат четыре пиррольные группировки. В отличие от хлорофилла у фикобилинов пиррольные группы расположены в виде открытой цепочки. Фикобилины представлены пигментами: фикоцианином, фикоэритрином и аллофикоцианином. Фикоэритрин — это окисленный фикоцианин. Красные водоросли в основном содержат фикоэритрин, а цианобактерий — фикоцианин. Фикобилины поглощают энергию света и, подобно каротиноидам, передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется в процессе фотосинтеза. 

2.3 Генетический аппарат хлоропластов.

Как известно хлоропласт имеет собственную ДНК. Хлоропластная ДНК имеет вид замкнутой кольцевой двуспиральной молекулы. Ее размеры варьируют  в интервале от 130 тыс. до 160 тыс. пар оснований. ДНК хлоропластов не состоит в комплексе с гистонами, молекула содержит около 130 генов. Хлоропластный геном является более независимым в сравнении с геномом митохондрий. Он кодирует около 40 белков тилакоидной мембраны, участвующих в формировании комплексов электрон-транспортной цепи. Это составляет около половины входящих в них белков. Остальные белки тилакоидной мембраны кодируются в ядре.

Имея собственный генетический аппарат, хлоропласт обладает и собственной белоксинтезирующей системой, отличающейся от белоксинтезирующей системы цитоплазмы, в которой синтез белка идет на матричных РНК (мРНК), синтезированных в ядре. Цитоплазматические рибосомы принадлежат к рибосомам эукариотического типа. В отличие от них хлоропластные рибосомы мельче. Они относятся к 70S типу, характерному для прокариот. Хлоропластный синтез белка, подобно бактериальному, подавляется антибиотиком - хлорамфениколом (левомицитином), который не действует на синтез белка на 80S эукариотических рибосомах. Синтез белка на 80S рибосомах подавляется другим ингибитором - циклогексимидом, который не влияет на белковый синтез на 70S рибосомах бактерий и хлоропластов. Используя поочередно два этих ингибитора, можно установить, где в растительной клетке происходит синтез того или иного белка - в хлоропласте или цитоплазме.

Итак, в растительной клетке хлоропласт обладает собственным геномом (совокупность генов) и собственным аппаратом реализации генетической информации путем синтеза РНК и белка, причем организация этих систем в хлоропласте отличается от эукариотического типа.

Хлоропласты размножаются в клетках растений путем деления. Делению хлоропласта предшествует удвоение (редупликация) ДНК, однако хлоропласты размножаются в клетке не неограниченно. Для каждого вида характерно определенное число хлоропластов в клетке, варьирующее у разных видов от нескольких единиц до величин, превышающих сотню. Число хлоропластов в клетке, а следовательно, их деление контролируются ядром. Например, ДНК-полимераза, осуществляющая редупликацию хлоропластной ДНК, кодируется в ядре, синтезируется на 80S рибосомах цитоплазмы и затем проникает в хлоропласт, где и обеспечивает синтез ДНК. В ядре кодируется и синтезируется в цитоплазме большое число других хлоропластных белков, что и определяет зависимость хлоропласта от ядерного генома.

2.4 Функции хлоропластов 

Хлоропласт имеет следующие функции:

1. Фотосинтез: (греч. фото, "свет", и синтез, "воедино.") это процесс, который преобразует двуокись углерода в органические соединения, особенно сахара, с помощью энергии солнечных лучей. Фотосинтез происходит в растениях, водорослях, и многие видах Бактерий, но не в Архей. Фотосинтезирующих организмов принято называть фототрофные организмы, поскольку фотосинтез позволяет им создавать свои собственные продукты питания. В растениях, водорослях и цианобактериях во время фотосинтеза используется двуокись углерода и воды, впоследствии чего, высвобождается кислород в качестве отходов. Фотосинтез-это жизненно важный процесс, имеющий большое значение на Земле.

2n CO2 + 2n H2O + фотонов → 2(CH2O)n + 2n O2

Углекислый газ + вода + энергия света → углеводы + кислород

2. Синтез Белка: хлоропласты содержат свою собственную ДНК и рибосомы, они синтезируют определенное количество белков для его метаболизма. 

3. Поставка Кислорода: Хлоропласты используют углекислый газ в процессе фотосинтеза и выделяют кислород. Кислород используется всеми животными и растениями для дыхания. Выделение кислорода происходит во время фотофосфорилирования.

3. Фотодыхание: побочный путь фотосинтеза, который сопровождается потреблением О₂ и освобождением СО₂, но, в отличие от дыхания, он не ведет к синтезу АТР. Световое дыхание.

Список используемой литературы.

1. Ю.С. Ченцов «Введение в клеточную биологию» Москва ИКЦ «Академкнига» 2005 с. 355-365

2. Ю.С. Ченцов «Общая цитология » Издание 2-ое, исправленное и дополненное; Издательство Московского университета;.1984г.

3. Электронный ресурс. Англоязычная статья PLASTID http://www.sivabio.50webs.com/plastids.htm

4. Электронный ресурс. Англоязычная статья The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9905/