§6. Структурные компоненты хлоропласта и их функции
Цель изучения этой темы: установить взаимосвязь между структурой и функцией хлоропласта.
Какие особенности строения характерны для хлоропластов? Что такое граны хлоропластов? Что общего в строении пластид и митохондрий? Какие еще пластиды, кроме хлоропластов, существуют? Какой важнейший процесс протекает в хлоропластах?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 5 – учебник для 7 класса, § 1 – учебник для 9 класса, § 12 – учебник для 10 класса.
Хлоропласты (пластиды) – двумембранные органоиды. Органоиды, состоящие из двух мембран, называются двумембранными. К ним относятся митохондрии и пластиды. Важнейшая часть эукариотической клетки – ядро, которое также отделено от цитоплазмы двойной мембраной.
Митохондрии и пластиды – это полуавтономные органоиды, способные реализовать собственную генетическую информацию. Они содержат свою внехромосомную ДНК, все необходимые виды РНК и рибосомы, могут синтезировать собственные белки.
Как показали исследования, митохондрии и пластиды содержат кольцевую внеядерную ДНК. Ее принято называть цитоплазматической ДНК, или цитоплазматической наследственностью, противопоставляя это понятие ядерной наследственности, или ДНК хромосом.
Молекула ДНК полуавтономных органоидов сходна с ДНК бактерий. В отличие от хромосом ядра ДНК митохондрий и пластид имеет форму кольца и не связана с белками (гистонами).
В ДНК митохондрий и пластид закодировано большинство белков и РНК, необходимых для обеспечения жизнедеятельности этого органоида. Но для нормального образования и функционирования собственных рибосом пластидам нужны несколько молекул рРНК, закодированных в ядерных хромосомах. То есть совершенно обойтись без клетки полуавтономные органоиды не могут. Они способны жить в питательной среде, по химическому составу аналогичной цитоплазме, но не способны размножаться. Интересен и тот факт, что рибосомы полуавтономных органоидов более мелкие, чем в самой клетке, и похожи на бактериальные.
Виды пластид. Как вы помните, существуют три вида пластид. Бесцветные лейкопласты накапливают крахмал или иные вещества. Они часто содержатся в клубнях, семенах, сердцевине стеблей. Хромопласты бывают разных ярких цветов: желтого, красного, оранжевого. Они содержат пигмент – каротин (морковь, персики, томаты, тыква). Также этот вид пластид привлекает насекомых, окрашивая в соответствующие цвета лепестки роз, подсолнечника, тюльпанов и т. д. Еще в них могут накапливаться вредные вещества (красные и желтые опадающие осенние листья).
Хлоропласты – самые известные и распространенные пластиды. Их основная функция – осуществление процесса фотосинтеза. По общему плану строения все пластиды сходны между собой, но мы остановимся на особенностях строения хлоропластов именно в связи с выполняемыми ими функциями.
Итак, они имеют две мембраны. Наружная мембрана хлоропласта гладкая. Она ограничивает хлоропласт от окружающей его цитоплазмы. Именно непроницаемость наружной мембраны для электронов хлорофилла делает фотосинтез возможным. Кроме того, как и любая наружная мембрана, она осуществляет избирательную проницаемость и обмен веществ между хлоропластом и «окружающей средой» (цитоплазмой).
Внутренняя мембрана – важнейшая часть хлоропласта, в которой протекают реакции взаимодействия света с хлорофиллом. Именно тут энергия света переходит в химическую энергию АТФ. То есть молекулы хлорофилла и других вспомогательных пигментов закрепляются на внутренней мембране хлоропласта. Внутренняя мембрана уже не гладкая, она образует впячивающиеся внутрь складки, называемые тилакоидами. Тилакоиды образуют «стопочки» из мембраны, погруженные внутрь хлоропласта (рис. 7), которые называют тилакоидами гран, или просто гранами. Между этими «стопочками» есть одиночные мембранные перетяжки, переходы – тилакоиды стромы, или ламеллы.
Рис. 7. Схема строения хлоропласта. Это полуавтономный органоид, обеспечивающий энергией организм растений и синтезирующий глюкозу
Строма – это жидкость внутри хлоропласта. В ней плавают кольцевая ДНК, разные виды РНК и рибосомы. Именно они синтезируют все ферменты, осуществляющие жизненные процессы самого хлоропласта и химические реакции фотосинтеза. Так, например, в строме происходит образование органических веществ – синтез углеводов (глюкозы, сахара, крахмала). Также именно в строме разлагается вода, из которой выделяется свободный кислород. Ведь газ, которым мы все дышим, образуется именно в ходе одного из этапов фотосинтеза. Чтобы эти реакции успешно происходили, в строме синтезируются все необходимые ферменты.
Пигменты фотосинтеза. Для того чтобы свет мог оказывать влияние на растительный организм и, в частности, использоваться в процессе фотосинтеза, необходимо его поглощение фоторецепторами-пигментами. Пигменты – это окрашенные вещества, которые поглощают свет определенной длины волны. Непоглощенные участки солнечного спектра отражаются, что и обусловливает окраску пигментов. Так, зеленый пигмент хлорофилл поглощает красные и синие лучи, тогда как зеленые лучи в основном отражаются. И поэтому листья кажутся зелеными.
Состав пигментов зависит от систематического положения группы организмов. У фотосинтезирующих бактерий и водорослей пигментный состав очень разнообразен (хлорофиллы, бактериохлорофиллы, бактериородопсин, каротиноиды, фикобилины). Их набор и соотношение специфичны для различных групп и во многом зависят от среды обитания организмов. Пигменты фотосинтеза у высших растений значительно менее разнообразны. Пигменты, сконцентрированные в пластидах, можно разделить на три группы: хлорофиллы, каротиноиды, фикобилины 7.
Фотосинтез, хлоропласты, хлорофилл, тилакоиды, граны, строма, ламеллы, цитоплазматическая ДНК (цитоплазматическая наследственность), полуавтономные органоиды, пластиды, лейкопласты, хромопласты.
Знание и понимание
1. Как вы понимаете, что такое двумембранные и полуавтономные органоиды? Одинаковы ли эти понятия?
2. Назовите иные пигменты, кроме хлорофилла.
Применение
1. Сравните виды пластид и установите связь между их цветом (пигментами и непигментными веществами) и видами пластид.
2. Назовите причины, по которым хлоропласты относятся к полуавтономным органоидам.
Анализ // Синтез:
1. Изобразите в виде схемы компоненты хлоропласта и укажите их роль.
2. Проанализируйте характерные признаки и определите связь между ними и структурами хлоропласта, заполнив таблицу.
1) содержит хлорофилл; 2) кольцевая ДНК; 3) складки; 4) содержит ферменты; 5) образуется АТФ; 6) образуется глюкоза, сахар и крахмал; 7) мелкие рибосомы; 8) граны; 9) образуется кислород; 10) РНК; 11) ламеллы; 12) гладкая; 13) имеет складки; 14) не выпускает электроны хлорофилла в цитоплазму; 15) синтезируются органические вещества – углеводы; 16) обеспечивает обмен веществ между стромой и цитоплазмой; 17) является цитоплазматической, или внеядерной, наследственностью; 18) взаимодействие света с хлорофиллом.
Оценка
Оцените реальные ситуации и подумайте, какие выводы можно из них сделать.
1) Амеба может фагоцитировать одноклеточные водоросли и не переваривать их по нескольку дней. При этом она получает от водоросли кислород и глюкозу (результат фотосинтеза). А водоросль получает из цитоплазмы амебы углекислый газ, воду, минеральные вещества. Кроме того, в цитоплазме более комфортные условия – постоянный химический состав, более постоянные давление и температура, отсутствие хищников и паразитов.
2) Можно поставить следующий эксперимент: сочный мясистый зеленый лист перетереть в мелкую кашицу с толченым стеклом. Поместить эту кашицу в чистую пробирку. В абсолютно темной комнате (полностью исключающей попадание света) осветить кашицу ярким лучом, близким по спектру к дневному свету в течение 1–1,5 с. Вы увидите, что после выключения луча содержимое пробирки будет короткое время светиться. При повторном освещении свечения не наблюдается, даже если увеличить мощность.
7 Фикобилины – специфические пигменты красного и синего цвета, содержащиеся у цианобактерий и некоторых водорослей.