คลอโรพลาสต์ลักษณะหน้าที่และโครงสร้าง - ชีววิทยา

คลอโรพลาเป็นประเภทของ organelles เซลล์คั่นด้วยระบบเมมเบรนที่ซับซ้อนตามแบบฉบับของพืชและสาหร่าย ในพลาสติดนี้คือคลอโรฟิลล์ซึ่งเป็นเม็ดสีที่รับผิดชอบในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงสีเขียวของพืชและปล่อยให้มีชีวิตอัตโนมัติของเชื้อสายเหล่านี้

นอกจากนี้คลอโรพลาสต์ยังเกี่ยวข้องกับการสร้างพลังงานเมตาบอลิซึม (ATP - adenosine triphosphate) การสังเคราะห์กรดอะมิโนวิตามินกรดไขมันส่วนประกอบของไขมันในเยื่อหุ้มเซลล์และการลดไนไตรต์ นอกจากนี้ยังมีบทบาทในการผลิตสารป้องกันเชื้อโรค

คลอโร โดย Miguelsierra จาก Wikimedia Commons

ออร์แกเนลล์ที่สังเคราะห์ด้วยแสงนี้มีจีโนม (DNA) แบบวงกลมของตัวเองและมีการเสนอว่าเช่นเดียวกับไมโทคอนเดรียซึ่งเกิดจากกระบวนการ symbiosis ระหว่างโฮสต์และแบคทีเรียสังเคราะห์แสงจากบรรพบุรุษ

ที่มา

คลอโรพลาสต์เป็นออร์แกเนลล์ที่มีลักษณะของกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่อยู่ห่างไกลกันมาก ได้แก่ สาหร่ายพืชและโปรคาริโอต หลักฐานนี้ชี้ให้เห็นว่าออร์แกเนลล์มีต้นกำเนิดจากสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตที่มีความสามารถในการสังเคราะห์แสง

คาดว่าสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตตัวแรกที่มีความสามารถในการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 1 พันล้านปีก่อน หลักฐานบ่งชี้ว่าการก้าวกระโดดครั้งใหญ่ของวิวัฒนาการนี้เกิดจากการได้มาของไซยาโนแบคทีเรียโดยโฮสต์ยูคาริโอต กระบวนการนี้ก่อให้เกิดสายพันธุ์ที่แตกต่างกันของสาหร่ายและพืชสีแดงและสีเขียว

ในทำนองเดียวกันมีการเสนอเหตุการณ์ symbiosis ทุติยภูมิและตติยภูมิซึ่งเชื้อสายของยูคาริโอตสร้างความสัมพันธ์ทางชีวภาพกับยูคาริโอตสังเคราะห์ด้วยแสงที่มีชีวิตอิสระอื่น

ในระหว่างการวิวัฒนาการจีโนมของแบคทีเรียเชิงสังเคราะห์ได้ถูกทำให้สั้นลงและยีนบางส่วนได้ถูกถ่ายโอนและรวมเข้ากับจีโนมของนิวเคลียส

การจัดระเบียบของจีโนมคลอโรพลาสต์ในปัจจุบันมีลักษณะคล้ายกับโปรคาริโอต แต่ก็มีคุณสมบัติของสารพันธุกรรมของยูคาริโอตด้วย

ทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติก

ทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติกถูกเสนอโดย Lynn Margulis ในหนังสือหลายเล่มที่ตีพิมพ์ระหว่างยุค 60 ถึง 80 อย่างไรก็ตามเป็นแนวคิดที่มีมาตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1900 ซึ่งเสนอโดย Mereschkowsky

ทฤษฎีนี้อธิบายถึงที่มาของคลอโรพลาสต์ไมโทคอนเดรียและเนื้อเบสที่มีอยู่ในแฟลกเจลลา ตามสมมติฐานนี้โครงสร้างเหล่านี้เคยเป็นสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตฟรี

ไม่มีหลักฐานมากนักที่สนับสนุนการกำเนิดเอนโดซิมไบโอติกของร่างกายพื้นฐานจากโปรคาริโอตที่เคลื่อนที่ได้

ในทางตรงกันข้ามมีหลักฐานสำคัญที่สนับสนุนการกำเนิดเอนโดซิมไบโอติกของไมโทคอนเดรียจากα-Proteobacteria และคลอโรพลาสต์จากไซยาโนแบคทีเรีย หลักฐานที่ชัดเจนและแข็งแกร่งที่สุดคือความคล้ายคลึงกันระหว่างจีโนมทั้งสอง

ลักษณะทั่วไปของคลอโรพลาสต์

คลอโรพลาสต์เป็นพลาสปิดชนิดที่เด่นชัดที่สุดในเซลล์พืช พวกมันเป็นโครงสร้างรูปไข่ที่ล้อมรอบด้วยเมมเบรนและภายในกระบวนการที่มีชื่อเสียงที่สุดของยูคาริโอตอัตโนมัติเกิดขึ้น: การสังเคราะห์ด้วยแสง พวกมันเป็นโครงสร้างแบบไดนามิกและมีสารพันธุกรรมของตัวเอง

โดยทั่วไปจะอยู่ตามใบของพืช เซลล์พืชทั่วไปสามารถมีคลอโรพลาสต์ได้ 10 ถึง 100 แม้ว่าจำนวนจะค่อนข้างแปรปรวน

เช่นเดียวกับไมโทคอนเดรียการถ่ายทอดทางพันธุกรรมของคลอโรพลาสต์จากพ่อแม่ไปสู่ลูกเกิดขึ้นโดยพ่อแม่คนใดคนหนึ่งไม่ใช่ทั้งคู่ ในความเป็นจริงออร์แกเนลล์เหล่านี้ค่อนข้างคล้ายกับไมโทคอนเดรียในหลายประการแม้ว่าจะซับซ้อนกว่าก็ตาม

โครงสร้าง (ชิ้นส่วน)

คลอโร โดย Gmsotavio จาก Wikimedia Commons

คลอโรพลาสต์เป็นออร์แกเนลล์ขนาดใหญ่ความยาว 5 ถึง 10 µm ลักษณะของโครงสร้างนี้สามารถมองเห็นได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงแบบดั้งเดิม

พวกมันถูกล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มไขมันสองชั้น นอกจากนี้พวกมันยังมีระบบที่สามของเยื่อหุ้มภายในเรียกว่าเยื่อไธลาคอยด์

ระบบเยื่อหลังนี้สร้างชุดของโครงสร้างคล้ายดิสก์ซึ่งเรียกว่า thylakoids ทางแยกของ thylakoids ในกองเรียกว่า "กราน่า" และเชื่อมต่อกัน

ด้วยระบบเยื่อหุ้มสามชั้นนี้โครงสร้างภายในของคลอโรพลาสต์จึงซับซ้อนและแบ่งออกเป็นสามช่องว่าง: ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ (ระหว่างเยื่อหุ้มชั้นนอกทั้งสอง) สโตรมา (พบในคลอโรพลาสต์และนอกเยื่อไธลาคอยด์) และโดย สุดท้ายลูเมนของไทลาคอยด์

เยื่อด้านนอกและด้านใน

ระบบเมมเบรนเกี่ยวข้องกับการสร้าง ATP เช่นเดียวกับเยื่อของไมโทคอนเดรียเป็นเยื่อชั้นในที่กำหนดทางผ่านของโมเลกุลเข้าสู่ออร์แกเนลล์ Phosphaditylcholine และ phosphaditylglycerol เป็นไขมันที่มีอยู่มากที่สุดในเยื่อหุ้มคลอโรพลาสต์

เยื่อหุ้มชั้นนอกประกอบด้วยรูพรุนจำนวนหนึ่ง โมเลกุลขนาดเล็กสามารถเข้าสู่ช่องเหล่านี้ได้อย่างอิสระ สำหรับส่วนของเมมเบรนด้านในไม่อนุญาตให้เคลื่อนย้ายโมเลกุลน้ำหนักต่ำประเภทนี้ได้อย่างเสรี สำหรับโมเลกุลที่จะเข้าไปได้พวกเขาต้องทำโดยใช้ตัวขนส่งเฉพาะที่ยึดกับเมมเบรน

ในบางกรณีมีโครงสร้างที่เรียกว่าเรติคูลัมส่วนปลายซึ่งเกิดจากเครือข่ายของเมมเบรนซึ่งมีต้นกำเนิดมาจากเมมเบรนด้านในของคลอโรพลาสต์โดยเฉพาะ ผู้เขียนบางคนคิดว่าพวกมันไม่เหมือนใครจากพืชที่มีการเผาผลาญ C4 แม้ว่าจะพบในพืช C3 ก็ตาม

การทำงานของ tubules และ vesicles เหล่านี้ยังไม่ชัดเจน มีการเสนอว่าสามารถนำไปสู่การขนส่งเมตาบอไลต์และโปรตีนภายในคลอโรพลาสต์อย่างรวดเร็วหรือเพื่อเพิ่มพื้นผิวของเมมเบรนด้านใน

เยื่อไธลาคอยด์

เยื่อไธลาคอยด์ Par Tameeria sur Wikipédia anglais ผ่าน Wikimedia Commons

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในระบบเมมเบรนนี้ โปรตอนถูกสูบผ่านเมมเบรนนี้จากสโตรมาเข้าสู่ไทลาคอยด์

การไล่ระดับสีนี้ส่งผลให้เกิดการสังเคราะห์ ATP เมื่อโปรตอนถูกส่งกลับไปที่สโตรมา กระบวนการนี้เทียบเท่ากับที่เกิดขึ้นในเยื่อชั้นในของไมโตคอนเดรีย

เมมเบรนไทลาคอยด์ประกอบด้วยไขมันสี่ประเภท ได้แก่ โมโนกาแลคโตซิลไดอะซิลกลีเซอรอลไดอะซิลกลีเซอรอลไดอะซิลกลีเซอรอลไดอะซิลกลีเซอรอลซัลโฟควิโนซิลไดอะซิลกลีเซอรอลและฟอสฟาติดิลกลีเซอรอล แต่ละประเภททำหน้าที่พิเศษภายใน lipid bilayer ของส่วนนี้

thylakoids

Thylakoids เป็นโครงสร้างที่เป็นเยื่อในรูปของถุงหรือแผ่นแบนที่ซ้อนกันใน "กรานา" (พหูพจน์ของโครงสร้างนี้คือแกรนัม) แผ่นดิสก์เหล่านี้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 ถึง 600 นาโนเมตร ช่องว่างภายในของไทลาคอยด์เรียกว่าลูเมน

สถาปัตยกรรมของ thylakoid stack ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ มีการเสนอสองแบบ: แบบแรกคือแบบจำลองแบบขดลวดซึ่งไทลาคอยด์จะถูกพันระหว่างรวงเป็นรูปเกลียว

ในทางตรงกันข้ามแบบจำลองอื่นเสนอการแยกส่วน สมมติฐานนี้ชี้ให้เห็นว่ากรานาเกิดจากการแยกส่วนของสโตรมา

stroma

สโตรมาเป็นของเหลวที่เป็นวุ้นที่ล้อมรอบ thylakoids และอยู่ในบริเวณด้านในของคลอโรพลาสต์ ภูมิภาคนี้สอดคล้องกับไซโตซอลของแบคทีเรียที่คิดว่าเป็นแหล่งกำเนิดของพลาสติดชนิดนี้

ในบริเวณนี้มีโมเลกุลของ DNA และโปรตีนและเอนไซม์จำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งคือเอนไซม์ที่เข้าร่วมในวัฏจักรคาลวินสำหรับการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง คุณยังสามารถหาเม็ดแป้ง

คลอโรพลาสต์ไรโบโซมพบได้ในสโตรมาเนื่องจากโครงสร้างเหล่านี้สังเคราะห์โปรตีนของตัวเอง

จีโนม

ลักษณะเฉพาะที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของคลอโรพลาสต์คือมีระบบพันธุกรรมของตัวเอง

สารพันธุกรรมของคลอโรพลาสต์ประกอบด้วยโมเลกุลดีเอ็นเอแบบวงกลม ออร์แกเนลล์แต่ละตัวมีสำเนาของโมเลกุลวงกลมขนาด 12-16 กิโลเบส (กิโลเบส) หลายชุด พวกมันถูกจัดเป็นโครงสร้างที่เรียกว่านิวคลีอยด์และประกอบด้วยจีโนมพลาสติด 10 ถึง 20 สำเนาพร้อมกับโปรตีนและโมเลกุลอาร์เอ็นเอ

รหัสดีเอ็นเอของคลอโรพลาสต์สำหรับยีนประมาณ 120 ถึง 130 ยีน สิ่งเหล่านี้ส่งผลให้โปรตีนและ RNA ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเช่นส่วนประกอบของ photosystem I และ II, ATP synthase และหนึ่งในหน่วยย่อยของ Rubisco

Rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase) เป็นเอนไซม์ที่ซับซ้อนในวัฏจักรคาลวิน ในความเป็นจริงมันถือเป็นโปรตีนที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในโลก

ทรานสเฟอร์และไรโบโซมอาร์เอ็นเอใช้ในการแปลข้อความอาร์เอ็นเอที่เข้ารหัสในจีโนมของคลอโรพลาสต์ ประกอบด้วย 23S, 16S, 5S และ 4.5S ribosomal RNAs และถ่ายโอน RNA นอกจากนี้ยังกำหนดรหัสสำหรับโปรตีนไรโบโซม 20 ชนิดและหน่วยย่อยบางอย่างของ RNA polymerase

อย่างไรก็ตามองค์ประกอบบางอย่างที่จำเป็นสำหรับการทำงานของคลอโรพลาสต์จะถูกเข้ารหัสในจีโนมนิวเคลียร์ของเซลล์พืช

คุณสมบัติ

คลอโรพลาสต์ถือได้ว่าเป็นศูนย์กลางการเผาผลาญที่สำคัญในพืชซึ่งมีปฏิกิริยาทางชีวเคมีหลายอย่างเกิดขึ้นเนื่องจากเอนไซม์และโปรตีนในวงกว้างที่ยึดกับเยื่อหุ้มที่ออร์แกเนลล์เหล่านี้มีอยู่

พวกมันมีหน้าที่สำคัญในสิ่งมีชีวิตในพืช: เป็นสถานที่ที่เกิดกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งแสงแดดจะเปลี่ยนเป็นคาร์โบไฮเดรตโดยมีออกซิเจนเป็นผลิตภัณฑ์รอง

ชุดของฟังก์ชันการสังเคราะห์ทางชีวภาพทุติยภูมิยังเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ ด้านล่างนี้เราจะพูดถึงแต่ละฟังก์ชันโดยละเอียด:

การสังเคราะห์แสง

การสังเคราะห์ด้วยแสง (ซ้าย) และการหายใจ (ขวา) ภาพด้านขวานำมาจาก BBC

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นเนื่องจากคลอโรฟิลล์ พบเม็ดสีนี้ภายในคลอโรพลาสต์ในเยื่อของไทลาคอยด์

ประกอบด้วยสองส่วนคือวงแหวนและหาง วงแหวนประกอบด้วยแมกนีเซียมและมีหน้าที่ในการดูดซับแสง สามารถดูดซับแสงสีน้ำเงินและแสงสีแดงสะท้อนพื้นที่สีเขียวของสเปกตรัมแสง

ปฏิกิริยาสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอน พลังงานที่มาจากแสงจะให้พลังงานแก่เม็ดสีคลอโรฟิลล์ (โมเลกุลเรียกว่า“ ถูกกระตุ้นด้วยแสง”) ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอนุภาคเหล่านี้ในเยื่อไธลาคอยด์ คลอโรฟิลล์ได้รับอิเล็กตรอนจากโมเลกุลของน้ำ

กระบวนการนี้ส่งผลให้เกิดการไล่ระดับสีไฟฟ้าเคมีที่ช่วยให้สามารถสังเคราะห์ ATP ในสโตรมาได้ ระยะนี้เรียกอีกอย่างว่า "แสง"

ส่วนที่สองของการสังเคราะห์แสง (หรือระยะมืด) เกิดขึ้นในสโตรมาและดำเนินต่อไปในไซโตซอล เรียกอีกอย่างว่าปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอน ในขั้นตอนนี้ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาก่อนหน้านี้จะใช้ในการสร้างคาร์โบไฮเดรตจาก CO 2

การสังเคราะห์สารชีวโมเลกุล

นอกจากนี้คลอโรพลาสต์ยังมีหน้าที่พิเศษอื่น ๆ ที่ช่วยในการพัฒนาและการเจริญเติบโตของพืช

ในออร์แกเนลล์นี้การดูดซึมของไนเตรตและซัลเฟตเกิดขึ้นและมีเอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์กรดอะมิโนไฟโตฮอร์โมนวิตามินกรดไขมันคลอโรฟิลล์และแคโรทีนอยด์

การศึกษาบางชิ้นระบุกรดอะมิโนจำนวนมากที่สังเคราะห์โดยออร์แกเนลล์นี้ เคิร์กและเพื่อนร่วมงานศึกษาการผลิตกรดอะมิโนในคลอโรพลาสต์ของ Vicia faba L.

ผู้เขียนพบว่ากรดอะมิโนที่สังเคราะห์ได้มากที่สุด ได้แก่ กลูตาเมตแอสพาเทตและ ธ รีโอนีน นอกจากนี้ยังมีการสังเคราะห์ชนิดอื่น ๆ เช่นอะลานีนซีรีนและไกลซีน แต่ในปริมาณที่น้อยกว่า นอกจากนี้ยังตรวจพบกรดอะมิโนที่เหลืออีกสิบสามชนิด

ยีนต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ไขมันได้ถูกแยกออก คลอโรพลาสต์มีวิถีทางที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ไอโซพรีนอยด์ลิปิดซึ่งจำเป็นสำหรับการผลิตคลอโรฟิลล์และเม็ดสีอื่น ๆ

ป้องกันเชื้อโรค

พืชไม่มีระบบภูมิคุ้มกันที่พัฒนาแล้วคล้ายกับสัตว์ ดังนั้นโครงสร้างของเซลล์จึงต้องผลิตสารต้านจุลชีพเพื่อป้องกันตัวเองจากสารสร้างความเสียหาย เพื่อจุดประสงค์นี้พืชสามารถสังเคราะห์สายพันธุ์ออกซิเจนปฏิกิริยา (ROS) หรือกรดซาลิไซลิก

คลอโรพลาสต์เกี่ยวข้องกับการผลิตสารเหล่านี้เพื่อกำจัดเชื้อโรคที่เป็นไปได้ที่เข้าสู่พืช

ในทำนองเดียวกันพวกมันทำหน้าที่เป็น "เซ็นเซอร์ระดับโมเลกุล" และมีส่วนร่วมในกลไกการแจ้งเตือนโดยสื่อสารข้อมูลไปยังอวัยวะอื่น ๆ

plastids อื่น ๆ

คลอโรพลาสต์อยู่ในวงศ์ของออร์แกเนลล์ของพืชที่เรียกว่าพลาสปิดหรือพลาสปิด คลอโรพลาสต์ส่วนใหญ่แตกต่างจากพลาสปิดอื่น ๆ โดยมีคลอโรฟิลล์สี plastids อื่น ๆ ได้แก่ :

- โครโมพลาสต์: โครงสร้างเหล่านี้มีแคโรทีนอยด์ซึ่งมีอยู่ในดอกไม้และดอกไม้ ด้วยเม็ดสีเหล่านี้โครงสร้างของพืชจึงมีสีเหลืองส้มและแดง

-Leukoplasts: พลาสปิดเหล่านี้ไม่มีรงควัตถุจึงมีสีขาว ทำหน้าที่เป็นแหล่งสำรองและพบได้ในอวัยวะที่ไม่ได้รับแสงโดยตรง

- อะไมโลพลาสต์: มีแป้งและพบได้ในรากและหัว

Plastids เกิดจากโครงสร้างที่เรียกว่าโปรโตพลาสปิด ลักษณะที่น่าประหลาดใจที่สุดอย่างหนึ่งของพลาสปิดคือคุณสมบัติในการเปลี่ยนประเภทแม้ว่าพวกมันจะอยู่ในช่วงโตเต็มที่แล้วก็ตาม การเปลี่ยนแปลงนี้ถูกกระตุ้นโดยสัญญาณสิ่งแวดล้อมหรือภายในจากโรงงาน

ตัวอย่างเช่นคลอโรพลาสต์สามารถก่อให้เกิดโครโมพลาสต์ได้ สำหรับการเปลี่ยนแปลงนี้เมมเบรนไทลาคอยด์จะสลายตัวและสังเคราะห์แคโรทีนอยด์

อ้างอิง

อัลเลนเจเอฟ (2546) ทำไมคลอโรพลาสต์และไมโตคอนเดรียจึงมีจีโนม เปรียบเทียบและฟังก์ชั่นจีโนมิกส์, 4 (1), 31–36
คูเปอร์, G.M (2000). เซลล์: วิธีการระดับโมเลกุล พิมพ์ครั้งที่สอง. Sinauer Associates
Daniell, H. , Lin, C.-S. , Yu, M. , & Chang, W.-J. (2016) จีโนมของคลอโรพลาสต์: ความหลากหลายวิวัฒนาการและการประยุกต์ใช้ในพันธุวิศวกรรม ชีววิทยาจีโนม, 17, 134.
Gracen, VE, Hilliard, JH, Brown, RH, & West, SH (1972) เรติคูลัมอุปกรณ์ต่อพ่วงในคลอโรพลาสต์ของพืชที่แตกต่างกันในวิถีการตรึง CO 2 และการแผ่รังสีแสง โรงงาน, 107 (3), 189-204.
สีเทา MW (2017) Lynn Margulis และสมมติฐาน endosymbiont: 50 ปีต่อมา อณูชีววิทยาของเซลล์, 28 (10), 1285–1287.
Jensen, PE, & Leister, D. (2014). วิวัฒนาการโครงสร้างและหน้าที่ของคลอโรพลาสต์ F1000Prime Reports, 6, 40.
Kirk, PR, & Leech, RM (1972) การสังเคราะห์ด้วยกรดอะมิโนโดยคลอโรพลาสต์ที่แยกได้ระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง สรีรวิทยาของพืช, 50 (2), 228-234.
Kobayashi, K. , & Wada, H. (2016). บทบาทของไขมันในการสร้างชีวภาพของคลอโรพลาสต์ ในไขมันในการพัฒนาพืชและสาหร่าย (หน้า 103-125). สปริงเกอร์จาม.
Sowden, RG, Watson, SJ, & Jarvis, P. (2017). บทบาทของคลอโรพลาสต์ในโรคพืช บทความทางชีวเคมี EBC20170020
Wise, RR, & Hoober, JK (2007). โครงสร้างและหน้าที่ของพลาสติด Springer Science & Business Media

คลอโรพลาสต์ลักษณะหน้าที่และโครงสร้าง - ชีววิทยา - 2025