Kloroplast: määratlus, struktuur ja funktsioon (koos skeemiga)

Kloroplastid on pisikesed taimeelektrijaamad, mis püüavad kinni valgusenergia tärkliste ja suhkrute tootmiseks, mis toidavad taimede kasvu.

Neid leidub seest taimerakud taimelehtedes ning rohe- ja punavetikates, samuti tsüanobakterites. Kloroplastid võimaldavad taimedel toota eluks vajalikke keerukaid kemikaale lihtsatest anorgaanilistest ainetest nagu süsinikdioksiid, vesi ja mineraalid.

Toiduainetootjana autotroofid, taimed moodustavad aluse toiduahel, toetades kõiki kõrgema taseme tarbijaid, näiteks putukaid, kalu, linde ja imetajaid kuni inimesteni.

Rakkude kloroplastid on nagu väikesed tehased, mis toodavad kütust. Sel moel teevad elu Maal võimalikuks just rohelistes taimerakkudes olevad kloroplastid.

Kuigi kloroplastid on mikroskoopilised kaunad pisikeste taimerakkude sees, on neil keeruline struktuur, mis võimaldab neil valguse energiat kinni haarata ja kasutada molekulaarsel tasemel süsivesikute kogumiseks.

Peamised struktuursed komponendid on järgmised:

• Välimine ja sisemine kiht, mille vahel on membraanidevaheline ruum.
• Sisemise membraani sees on ribosoomid ja tülakoidid.
• Sisemine membraan sisaldab vesikest želeed, mida nimetatakse strooma.
• Strooma vedelik sisaldab nii kloroplasti DNA-d kui ka valke ja tärklisi. Seal toimub fotosünteesist süsivesikute moodustumine.

The ribosoomid on valkude ja nukleotiidide klastrid, mis toodavad kloroplastile vajalikke ensüüme ja muid keerukaid molekule.

Neid leidub suures koguses kõikides elusrakkudes ja vastavalt juhistele toodetakse kompleksseid rakuaineid, näiteks valke RNA geneetiline kood molekulid.

The tülakoidid on stroomasse põimitud. Taimedes moodustavad nad suletud kettad, mis on paigutatud nn grana, ühe virnaga, mida nimetatakse granumiks. Need koosnevad valendikku ümbritsevast tilakoidmembraanist, happelistest vesilahustest, mis sisaldavad valke ja hõlbustavad kloroplasti keemilisi reaktsioone.

Lamellae moodustavad lingid grana kettade vahel, ühendades erinevate virnade valendiku.

Fotosünteesi valgustundlik osa toimub tülakoidmembraanil, kus klorofüll neelab valguse energiat ja muudab selle keemiliseks energiaks, mida taim kasutab.

Klorofüll on fotoretseptor pigment, mida leidub kõigis kloroplastides.

Kui valgus tabab taime lehte või vetikate pinda, tungib see kloroplastidesse ja peegeldub tilakoidmembraanidest. Valguse käes lööb membraanis olev klorofüll elektronid, mida kloroplast kasutab edasiste keemiliste reaktsioonide jaoks.

Taimede ja rohevetikate klorofüll on peamiselt roheline klorofüll, mida nimetatakse klorofülliks a, mis on kõige tavalisem tüüp. See neelab violetsinist ja punakasoranžpunast valgust, peegeldades samal ajal rohelist valgust, andes taimedele selle iseloomulik roheline värv.

Muu klorofülli tüübid on tüübid b kuni e, mis neelavad ja peegeldavad erinevaid värve.

Näiteks klorofülli tüüp b leidub vetikates ja neelab lisaks punasele veel rohelist valgust. See rohelise valguse neeldumine võib olla ookeani pinna lähedal arenevate organismide tulemus, kuna roheline valgus võib vette tungida vaid väikese vahemaa tagant.

Punane tuli võib liikuda pinna all kaugemale.

Kloroplastid toodavad süsivesikuid nagu glükoos ja kompleksvalke, mida on vaja mujal taime rakkudes.

Need materjalid peavad olema võimelised kloroplastist väljuma ja toetama rakkude ja taimede üldist ainevahetust. Samal ajal vajavad kloroplastid aineid, mis on toodetud mujal rakkudes.

Kloroplasti membraanid reguleerivad molekulide liikumist kloroplasti sisse ja välja, võimaldades väikeste molekulide läbimist kasutamise ajal spetsiaalsed transpordimehhanismid suurte molekulide jaoks. Nii sisemine kui ka välimine membraan on poolläbilaskvad, võimaldades difusioon väikeste molekulide ja ioonidega.

Need ained läbivad membraanidevahelise ruumi ja tungivad poolläbilaskvatesse membraanidesse.

Suured molekulid, näiteks keerulised valgud, blokeeritakse kahe membraaniga. Selle asemel on selliste keeruliste ainete jaoks saadaval spetsiaalsed transpordimehhanismid, mis võimaldavad spetsiifilistel ainetel läbida kahte membraani, teised on blokeeritud.

Välismembraanil on translokatsioonvalgu kompleks teatud materjalide transportimiseks läbi membraani ja sisemembraanil on spetsiifiliste üleminekute jaoks vastav ja sarnane kompleks.

Need selektiivsed transpordimehhanismid on eriti olulised, kuna sisemine membraan sünteesib lipiide, rasvhapped ja karotenoidid mis on vajalikud kloroplasti enda ainevahetuseks.

Tülakoidmembraan on osa tülakoidist, mis on aktiivne fotosünteesi esimeses etapis.

Taimedes moodustab tülakoidmembraan suletud, õhukesed kotid või kettad, mis on virnastatud grana sisse ja jäävad paigale, ümbritsetud strooma vedelikuga.

Tülakoidide paigutus spiraalsetesse virnadesse võimaldab tülakoidide tihedat pakkimist ja tilakoidmembraani keerukat, suure pindalaga struktuuri.

Lihtsamate organismide korral võivad tülakoidid olla ebakorrapärase kujuga ja vabalt hõljuvad. Igal juhul käivitab tülakoidmembraani tabav valgus organismis valgusreaktsiooni.

Klorofülli poolt eraldatud keemilist energiat kasutatakse veemolekulide lõhustamiseks vesinikuks ja hapnikuks. Hapnikku kasutab organism hingamiseks või eraldub atmosfääri, samal ajal kui vesinikku kasutatakse süsivesikute moodustumisel.

Selle protsessi süsinik pärineb süsinikdioksiidist protsessis, mida nimetatakse süsiniku fikseerimine.

Protsess fotosüntees koosneb kahest osast: valgusest sõltuvad reaktsioonid mis algavad valguse vastastikusest toimest klorofülli ja tumedad reaktsioonid (aka valgusest sõltumatud reaktsioonid), mis fikseerivad süsinikku ja toodavad glükoosi.

Valgusreaktsioonid toimuvad ainult päeval, kui valgusenergia lööb taime, samal ajal kui pimedad reaktsioonid võivad toimuda igal ajal. Valgusreaktsioonid algavad tülakoidmembraanis, samal ajal kui pimedate reaktsioonide süsiniku fikseerimine toimub stroomas, želitaolises vedelikus, mis ümbritseb tülakoidi.

Lisaks pimedate reaktsioonide ja tülakoidide võõrustamisele sisaldab strooma kloroplasti DNA-d ja kloroplasti ribosoome.

Selle tagajärjel on kloroplastidel oma energiaallikas ja nad saavad ise paljuneda, tuginedes rakkude jagunemisele.

Siit saate teada eukarüootsete rakkude seotud rakkude organellide kohta: rakumembraan ja raku sein.

See võime on pärit lihtsate rakkude ja bakterite arengust. Tsüanobakter pidi olema sisenenud varajasse rakku ja tal lubati jääda, kuna see kokkulepe muutus vastastikku kasulikuks.

Aja jooksul arenes tsüanobakter bakter kloroplastiks organell.

Süsiniku fikseerimine kloroplasti stroomas toimub pärast seda, kui valgusreaktsioonide käigus on vesi lõhustatud vesinikuks ja hapnikuks.

Vesinikuaatomite prootonid pumbatakse tilakoidide sees olevasse luumenisse, muutes selle happeliseks. Fotosünteesi pimedates reaktsioonides difundeeruvad prootonid valendikust stroomasse tagasi ensüümi nimega ATP süntaas.

See prootoni difusioon ATP süntaasi kaudu toodab ATP, rakkude energiasalvestuskemikaal.

Ensüüm RuBisCO on stroomas ja fikseerib süsiniku CO2-st, et saada ebastabiilseid kuue süsinikuga süsivesikute molekule.

Ebastabiilsete molekulide lagunemisel kasutatakse ATP-d nende muundamiseks lihtsateks suhkrumolekulideks. Suhkru süsivesikuid saab kombineerida, moodustades suuremad molekulid nagu glükoos, fruktoos, sahharoos ja tärklis, mida kõiki saab rakkude ainevahetuses kasutada.

Kui fotosünteesiprotsessi lõpus moodustuvad süsivesikud, on taime kloroplastid eemaldunud atmosfäärist ja kasutas seda taime jaoks toidu loomiseks ning lõpuks ka kõigi teiste elavate inimeste jaoks asju.

Lisaks toiduahela aluse moodustamisele vähendab fotosüntees taimedes süsinikdioksiidi hulka kasvuhoonegaas atmosfääris. Sel viisil aitavad taimed ja vetikad fotosünteesi teel oma kloroplastides vähendada kliimamuutuste ja globaalse soojenemise mõjusid.