В каких клетках содержится хлоропласты

Хлоропласты – двухмембранные органоиды растительных клеток, именно они играют ключевую роль в одном из самых важных биологических процессов в природе – фотосинтезе. В частности именно хлоропласты в процессе фотосинтеза выделяют зеленый пигмент хлорофилл, благодаря которому листья деревьев приобретают зеленый цвет (впрочем, не только листья, но и многие другие представители растительного мира, например водоросли). Какое строение хлоропластов, какие функции и процессы они осуществляются в жизнедеятельности клетки, об этом читайте далее.

Количество хлоропластов в растительной клетке может быть разным, у некоторых водорослей в клетке содержится лишь один большой хлоропласт, часто причудливой формы, в то время как в клетках некоторых высших растений находится множество хлоропластов. Особенно их много в так званных мезофильных тканях листьев, там одна клетка может иметь в себе до сотни хлоропластов.

Строение хлоропластов

Устройство хлоропласта включает в себя внутреннюю и внешнюю мембрану, (как и в клетке, они играют роль защитного барьера), межмембранное пространство, строму, тилакоиды, граны, ламеллы, люмен.

Вот так строение хлоропласта выглядит на картинке.

Как видим с картинки внутри хлоропласта имеется полужидкое пространство, именуемое стромой и приплюснутые диски – это тилакоиды. Последние объединены в стопки, названные гранамы, и сами граны соединены друг с другом при помощи длинных тилакоид, которые называют ламеллами. Именно в тилакоидах находится важный зеленый пигмент – хлорофилл.

В полужидкой строме хлоропласта находятся его молекулы ДНК и РНК, а также рибосомы, обеспечивающие этому важному органоиду некую автономность внутри клетки. Помимо этого в строме хлоропласта есть зерна крахмала, которые образуются при избытке углеводов, образованных при фотосинтетической активности.

Функции хлоропластов

Самая важная функция хлоропласта – это, конечно же, осуществление фотосинтеза. Об этом удивительном процессе на нашем сайте есть отдельная большая статья. Тем не менее, напомним, что при фотосинтезе хлоропластами растительных клеток при помощи солнечного света осуществляется синтез глюкозы из углекислого газа и воды. При этом в качестве важного «побочного продукта» выделяется кислород.

Основным фотосинтезирующим пигментом в этом процессе является хлорофилл, локализированный в мембранах тилакоидов, именно здесь проходят световые реакции фотосинтеза. Кроме хлорофилла тут же присутствуют ферменты и переносчики электронов.

Интересный факт: хлоропласты стараются расположиться в клетке таким образом, чтобы их тилакоидные мембраны находились под прямым углом к солнечному свету. Или говоря простым языком, хлоропласты в клетке всегда тянутся на свет.

Строение хлорофилла

Что же касается строения самого хлорофилла, то он состоит из длинного углеводного хвоста и порфириновой головки. Хвост его гидрофобен, то есть боится влаги, поэтому погружен в тилакоид, головка наоборот любит влагу и находится в жидкой субстанции хлоропласта – строме. Поглощение солнечного света осуществляется именно головкой хлорофилла.

К слову биологами различается несколько разных видов хлорофилла: хлорофилл a, хлорофилл b, хлорофилл c1, хлорофилл c2 и так далее, все они обладают разным спектром поглощения солнечного света. Но больше всего в растениях именно хлорофилла а.

Рекомендованная литература и полезные ссылки

• Белякова Г. А. Водоросли и грибы // Ботаника: в 4 т. / Белякова Г. А., Дьяков Ю. Т., Тарасов К. Л. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — Т. 1. — 320 с. — 3000 экз. — ISBN 5-7695-2731-5.
• Карпов С.А. Строение клетки протистов. — СПб.: ТЕССА, 2001. — 384 с. — 1000 экз. — ISBN 5-94086-010-9.
• Lee, R. E. Phycology, 4th edition. — Cambridge: Cambridge University Press, 2008. — 547 с. — ISBN 9780521682770.

Хлоропласты, видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

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:

• красный;
• желтый;
• оранжевый.

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, появлению нового цветового оттенка, 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:

1. Структурная. В состав входят амфипатические вещества.
2. Гидрофобная. В группу входят каротиноиды, которые защищают зеленые вещества от фотоокисления. Одновременно они транспортируют водород.
3. Жирорастворимая. Группа состоит из витаминов К и Е.

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:

• многоугольная;
• овальная;
• серповидная;
• игольчатая.

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:

• стебель;
• корень;
• луковица;
• листья.

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:

• наличие двух замкнутых мембран;
• размножение бинарным делением;
• ДНК не связана с гистонами;
• наличие своего аппарата синтеза белка.

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.

Фотосинтез – это биологический процесс синтеза углеводов из неорганических веществ за счёт энергии солнца. В природе существует несколько вариантов фотосинтеза. У растений фотосинтез происходит в хлоропластах – специальных клеточных органеллах, являющихся потомками цианобактерий. Хлоропласты имеют две мембраны – наружную и внутреннюю. Внутренняя мембрана образует микроскопические «мешочки» — тилакоиды, которые складываются в «стопки» — граны (в каждом хлоропласте множество гран). На мембранах тилакоидов находятся сложные белковые комплексы, образующие элегантно функционирующую систему переноса электронов. С некоторыми белками ассоциированы молекулы хлорофилла. Когда луч света (определённой длины электромагнитная волна) падает на молекулу хлорофилла, происходит её активация, то есть переход в возбуждённое состояние, и он отдаёт свой электрон дальше по цепочке. Чтобы восполнить отданный электрон, необходима какая-то молекула-донор, которая поделится с хлорофиллом своим электроном. У растений (но не у всех фотосинтетиков!) таким донором является вода. Таким образом, под действием световой энергии происходит не только возбуждение хлорофилла, но и окисление воды, которое логично называется фотоокислением. При этом, конечно, в молекулах воды остаются невостребованными атомы кислорода. Они образуют двухатомные молекулы O2. Это тот самый кислород, которым мы дышим, а фотосинтез – основной процесс, образующий его в таком виде.

Далее за счёт запущенного процесса передачи электрона по цепи переносчиков происходит накопление протонов в люмене тилакоида, то есть его внутреннем пространстве. Протоны выходят изнутри тилакоидов в жижу хлоропластов, называемую стромой (термин «строма» применяется и в других биологических контекстах). Но переходят они не просто через мембрану тилакоида, это физически невозможно, но есть специальный белковый комплекс, встроенный в мембрану, – АТФ-синтаза. Проходящие через отверстие в нём протоны заставляют вращаться одну часть этого комплекса относительно другой, благодаря чему происходит фосфорилирование АДФ (аденозиндифосфата) с образованием АТФ (аденозинтрифосфата), богатой энергией молекулы. Кроме того, в определённый момент передачи электронов по цепочке происходит генерация НАДФ∙H.

Всё что было до этого момента называется световой фазой фотосинтеза. Дальнейшие процессы составляют темновую фазу, для которой свет не нужен. В ней происходит сам синтез углеводов (это уже органические вещества), причём источником атомов углерода являются молекулы углекислого газа CO2 (неорганическое вещество). Молекулы АТФ и НАДФ∙H необходимы для протекания определённых реакций на пути синтеза углеводов.

Таким образом, общее уравнение фотосинтеза растений с учётом световой и темновой фаз имеет следующую форму:

6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2.

CO2 – источник углерода; H2O – источник электронов; C6H12O6 – глюкоза, вступающая в дальнейшие метаболические процессы; O2 – побочный продукт фотоокисления воды.

Световая фаза фотосинтеза у растений:

Темновая фаза фотосинтеза (обратите внимание на молекулы АТФ и НАДФ∙H, приходящие из световой фазы, и молекулу глюкозы, являющуюся целью фотосинтеза):

Важно, что данная схема фотосинтеза присуща не всем фотосинтетикам. Например, есть бактерии, у которых донором электронов является не вода, а сероводород, следовательно, побочным продуктом будет не кислород, а сера.

В любом случае, все фотосинтетики являются автотрофными организмами, то есть способны синтезировать органические вещества из неорганических.

Фотосинтез имеет огромное значение для экосистем, поскольку от него зависит баланс кислорода и углекислого газа.