Caratteristiche, funzioni e struttura dei cloropasti

IL Cloroplasti Sono un tipo di organelli cellulari delimitati da un sistema di membrane complesse, caratteristiche di piante e alghe. In questo plastidium c'è la clorofilla, il pigmento responsabile dei processi di fotosintesi, verde delle verdure e consente la vita autotrofica di questi lignaggi.

Inoltre, i cloroplasti sono correlati alla generazione di energia metabolica (ATP - adenosina trifosfato), sintesi di aminoacidi, vitamine, acidi grassi, componenti lipidici delle loro membrane e riduzione dei nitriti. Ha anche un ruolo nella produzione di sostanze di difesa contro i patogeni.

Cloroplasto. Di Miguelsierra [GFDL (http: // www.gnu.Org/copyleft/fdl.HTML) o CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)], da Wikimedia Commons

Questo organello fotosintetico ha il suo genoma circolare (DNA) e si propone che, come i mitocondri, originarono da un processo di simbiosi tra un ospite e un ancestrale batteri fotosintetici.

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Origine

I cloroplasti sono organelli che hanno caratteristiche di gruppi di organismi molto distanti: alghe, piante e procarioti. Questa evidenza suggerisce che l'organello ha avuto origine da un corpo procariotico con la capacità di eseguire la fotosintesi.

Si stima che il primo organismo eucariotico, con la capacità di eseguire la fotosintesi, abbia avuto origine circa 1.000 milioni di anni. I test indicano che questo importante salto evolutivo è stato causato dall'acquisizione di un cianobatterico da parte di un ospite eucariotico. Questo processo ha dato origine a diversi lignaggi di alghe rosse, verdi e delle piante.

Allo stesso modo, vengono sollevati eventi di simbiosi secondaria e terziaria in cui un lignaggio eucariotico stabilisce una relazione simbiotica con un altro eucariota fotosintetico della vita libera.

Nel corso dell'evoluzione, il genoma del presunto batterio è stato ridotto e alcuni dei suoi geni sono stati trasferiti e integrati nel genoma del nucleo.

L'organizzazione dell'attuale genoma del cloroplasto ricorda quello di un procariotico, tuttavia ha anche attributi di materiale genetico eucariotico.

Teoria endosimbiotica

La teoria endosimbiotica è stata proposta da Lynn Margulis in una serie di libri pubblicati tra gli anni '60 e '80. Tuttavia, era un'idea che guidava già dal 1900, proposta da Mereschkowsky.

Questa teoria spiega l'origine dei cloroplasti, dei mitocondri e dei corpi basali presenti nei flagelli. Secondo questa ipotesi, queste strutture erano un tempo prokaryote libere.

Non ci sono molte prove che supportino l'origine endosimbiotica dei corpi basali dei procarioti mobili.

Al contrario, ci sono prove importanti che supportano l'origine endosimbiotica dei mitocondri da α-proteobatteri e cloroplasti dai cianobatteri. L'evidenza più chiara e più forte è la somiglianza tra i due genomi.

Caratteristiche generali dei cloroplasti

I cloroplasti sono il tipo più evidente di plastidi delle cellule vegetali. Sono strutture ovali circondate da membrane e al suo interno si verifica il processo più famoso di eucarioti autotrofi: fotosintesi. Sono strutture dinamiche e hanno il loro materiale genetico.

Di solito si trovano sulle foglie delle piante. Una tipica cellula vegetale può avere da 10 a 100 cloroplasti, sebbene il numero sia piuttosto variabile.

Come i mitocondri, l'eredità dei cloroplasti dei genitori ai bambini si verifica da uno dei genitori e non di entrambi. In effetti, questi organelli sono abbastanza simili ai mitocondri in vari aspetti, sebbene più complessi.

Struttura (parti)

Cloroplasto. Di Gmsotavio [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0) o gfdl (http: // www.gnu.Org/copyleft/fdl.html)], da Wikimedia Commons

I cloroplasti sono grandi organelli, 5-10 µm di lunghezza. Le caratteristiche di questa struttura possono essere visualizzate al microscopio ottico tradizionale.

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Sono circondati da una membrana lipidica doppia. Inoltre, hanno un terzo sistema di membrane interne, chiamato membrane tilacoide.

Quest'ultimo sistema membrano forma una serie di strutture simili a un album, noto come Tilacoides. L'unione dei tilacoidi nelle batterie è chiamata "grana" e sono collegate tra loro.

Grazie a questo triplo sistema di membrane, la struttura interna del cloroplasto è complessa ed è divisa in tre spazi: lo spazio intermembrana (tra le due membrane esterne), lo stroma (che si trova nel cloroplasto e all'esterno della membrana del tilacoide) e da Ultimo il lume del tilacoide.

Membrane esterne e interne

Il sistema a membrana è correlato alla generazione di ATP. Come le membrane dei mitocondri, è la membrana interna che determina il passaggio delle molecole all'interno dell'organello. La fosfaditilcolina e la fosfaditylglicerolo sono i lipidi più abbondanti di membrane di cloroplasti.

La membrana esterna contiene una serie di pori. Piccole molecole possono entrare liberamente di questi canali. La membrana interna, nel frattempo, non consente il transito libero di questo tipo di molecole a basso peso. Affinché le molecole entrino, devono farlo attraverso specifici trasportatori ancorati alla membrana.

In alcuni casi esiste una struttura chiamata reticolo periferico, formata da una rete di membrana, originata specificamente dalla membrana del cloroplasto interno. Alcuni autori li considerano unici per le piante con metabolismo C4, sebbene siano state trovate nelle piante C3.

La funzione di questi tubuli e vescicole non è ancora chiara. Si propone che possano contribuire al rapido trasporto di metaboliti e proteine ​​all'interno del cloroplasto o ad aumentare la superficie della membrana interna.

Membrana tilacoide

Membrana tilacoide. Tameria Sur Wikipédia Anglais [dominio pubblico], via Wikimedia Commons

La catena del trasporto elettronico coinvolto nei processi fotosintetici si verifica in questo sistema di membrana. I protoni vengono pompati attraverso questa membrana, dallo stroma all'interno dei tilacoides.

Questo gradiente si traduce nella sintesi di ATP, quando i protoni sono di nuovo diretti allo stroma. Questo processo è equivalente a quello che si verifica nella membrana interna dei mitocondri.

La membrana tilacoide è formata da quattro tipi di lipidi: monogalattosil diacilglicerolo, diglattosil diacilglicerolo, solfochinovosil diacilglicerolo e fosfatidillicerolo. Ogni tipo svolge una funzione speciale all'interno del doppio strato lipidico di questa sezione.

Tilacoide

I tilacoidi sono strutture membranose sotto forma di sacchi o dischi piatti che sono impilati in "cocciniglia"(Il plurale di questa struttura è Granulo). Questi album hanno un diametro da 300 a 600 nm. Nello spazio interno del tilacoide si chiama lume.

L'architettura di impilamento tilacoide è ancora discussa. Vengono proposti due modelli: il primo è il modello elicoidale, in cui i tilacoidi vengono lanciati tra il pogging sotto forma di un'elica.

Al contrario, l'altro modello propone una biforcazione. Questa ipotesi suggerisce che i grana sono formati da biforcazioni dello stroma.

Stroma

Lo stroma è il fluido gelatinoso che circonda il tilacoide e si trova nella regione interna del cloroplasto. Questa regione corrisponde al citosol dei presunti batteri che hanno avuto origine questo tipo di plastidio.

In quest'area si trovano molecole di DNA e una grande quantità di proteine ​​ed enzimi. In particolare, sono gli enzimi che partecipano al ciclo di Calvin, per la fissazione dell'anidride carbonica nel processo fotosintetico. Puoi anche trovare granuli di amido

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Nello stroma ci sono i ribosomi di cloroplasti, poiché queste strutture sintetizzano le proprie proteine.

Genoma

Una delle caratteristiche più importanti dei cloroplasti è che hanno il loro sistema genetico.

Il materiale genetico dei cloroplasti è costituito da molecole circolari del DNA. Ogni organello ha più copie di questa molecola circolare da 12 a 16 kb (kilobasi). Sono organizzati in strutture chiamate nucleoidi e sono costituiti da 10 a 20 copie del genoma di plastica, insieme a proteine ​​e molecole di RNA.

Il DNA del cloroplasto codifica per circa 120 a 130 geni. Questi derivano in proteine ​​e RNA relativi a processi fotosintetici come il componente del fotosistema I e II, la sintasi ATP e una delle subunità Rubisco.

Rubisco (ribulosa-1,5-Bishoposfato carbossilasi/ossigenasi) è un complesso enzimatico cruciale nel ciclo di Calvin. In effetti, viene considerata la proteina più abbondante sul pianeta Terra.

Il trasferimento di RNA e ribosomali sono usati nella traduzione di messaggi codificati nel genoma del cloroplasto. Include ribosomali 23s, 16s, 5s e 4,5s e 30 nervature di trasferimento. Codifica anche per 20 proteine ​​ribosomiali e alcune subunità di RNA polimerasi.

Tuttavia, alcuni elementi necessari per il funzionamento del cloroplasto sono codificati nel genoma nucleare a cellule vegetali.

Funzioni

I cloroplasti possono essere considerati come un importante centro metabolico nelle piante, in cui si verificano più reazioni biochimiche grazie all'ampio spettro di enzimi e proteine ​​ancorate alle membrane che questi organelli contengono.

Hanno una funzione critica negli organismi vegetali: è il luogo in cui si verificano processi fotosintetici, in cui la luce solare viene trasformata in carboidrati, con ossigeno come prodotto secondario.

Nei cloroplasti anche una serie di funzioni secondarie di biosintesi. Successivamente discuteremo in dettaglio ogni funzione:

Fotosintesi

Fotosintesi (a sinistra) e respirazione (DCHA). Immagine della destra estratta da BBC

La fotosintesi si verifica grazie alla clorofilla. Questo pigmento si trova all'interno dei cloroplasti, nelle membrane tilacoide.

È composto da due parti: un anello e una coda. L'anello contiene magnesio ed è responsabile dell'assorbimento della luce. Può assorbire la luce blu e rossa, riflettendo la zona verde dello spettro della luce.

Le reazioni fotosintetiche si verificano grazie al trasferimento di elettroni. L'energia dalla luce conferisce energia al pigmento di clorofilla (si dice che la molecola sia "eccitata dalla luce"), causando un movimento di queste particelle nella membrana tilacoide. La clorofilla ottiene i suoi elettroni da una molecola d'acqua.

Questo processo provoca la formazione di un gradiente elettrochimico che consente la sintesi di ATP nello stroma. Questa fase è anche conosciuta come "luminosa".

La seconda parte della fotosintesi (o fase oscura) si verifica nello stroma e continua nel citosol. È anche noto come reazioni di fissaggio del carbonio. In questa fase, i prodotti delle reazioni di cui sopra vengono utilizzati per costruire carboidrati da CO₂.

Sintesi di biomolecole

Inoltre, i cloroplasti hanno altre funzioni specializzate che consentono lo sviluppo e la crescita della pianta.

In questo organello si verifica l'assimilazione di nitrati e solfati e hanno gli enzimi necessari per la sintesi di aminoacidi, fitoormoni, vitamine, acidi grassi, clorofilla e carotenoidi.

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Alcuni studi hanno identificato un numero importante di aminoacidi sintetizzati da questo organello. Kirk e collaboratori hanno studiato la produzione di aminoacidi nei cloroplasti di Vicia Faba L.

Questi autori hanno scoperto che gli aminoacidi sintetizzati più abbondanti erano glutammato, aspartato e treonina. Anche altri tipi come Alanina, Serina e Glycina sono stati sintetizzati ma in meno quantità. Sono stati rilevati anche gli aminoacidi rimanenti.

Sono stati isolati diversi geni coinvolti nella sintesi lipidica. I cloroplasti hanno le strade necessarie per la sintesi di lipidi isaprenoidi, essenziali per la produzione di clorofilla e altri pigmenti.

Difesa del patogeno

Le piante non hanno un sistema immunitario sviluppato in modo simile a quello degli animali. Pertanto, le strutture cellulari devono produrre sostanze antimicrobiche per essere in grado di difendersi da agenti dannosi. A tale scopo, le piante possono sintetizzare ossigeno reattivo (ROS) o specie di acido salicilico.

I cloroplasti sono correlati alla produzione di queste sostanze che eliminano possibili agenti patogeni che entrano nella pianta.

Funzionano anche come "sensori molecolari" e partecipano a meccanismi di allerta, comunicando informazioni ad altri organelli.

Altri plastidi

I cloroplasti appartengono a una famiglia di organelli vegetali chiamati plastidi o materie plastiche. I cloroplasti differiscono principalmente dal resto dei plastidi possiedendo il pigmento di clorofilla. Gli altri plastidi sono:

-Chromoplastos: queste strutture contengono carotenoidi, sono presenti nei fiori e nei fiori. Grazie a questi pigmenti, le strutture vegetali hanno colori gialli, arancioni e rossi.

-I leucoplasti: questi plastidi non contengono pigmenti e quindi sono bianchi. Servono da prenotazione e si trovano in organi che non ricevono la luce diretta.

-Gli amiloplasti: contengono amido e si trovano nelle radici e nei tuberi.

I plastidi provengono da strutture chiamate protoplasti. Una delle caratteristiche più sorprendenti dei plastidi è la loro proprietà per cambiare tipo, anche se sono già in fase matura. Questo cambiamento è attivato da segnali ambientali o intrinseci della pianta.

Ad esempio, i cloroplasti sono in grado di dare origine ai cromoplasti. Per questo cambiamento, la membrana tilacoide si disintegra e i carotenoidi vengono sintetizzati.

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