Одно из главных различий между растительной и животной клеткой заключается в присутствии в цитоплазме первой таких органелл, как пластиды. Строение, особенности процессов их жизнедеятельности, а также значение хлоропластов, хромопластов и лейкопластов будут рассмотрены в данной статье.
Строение хлоропласта
Зеленые пластиды, строение которых мы сейчас изучим, относятся к обязательным органеллам клеток высших споровых и семенных растений. Они являются двухмембранными клеточными органоидами и имеют овальную форму. Их количество в цитоплазме может быть различным. Например, клетки столбчатой паренхимы листовой пластинки табака содержат до тысячи хлоропластов, в стеблях растений семейства злаковых от 30 до 50.
Обе мембраны, входящие в состав органоида, имеют различное строение: наружная – гладкая, трехслойная, аналогичная мембране самой растительной клетки. Внутренняя содержит множество складок, называемых ламеллами. К ним примыкают плоские мешочки – тилакоиды. Ламеллы образуют сеть, состоящую из параллельно расположенных канальцев. Между ламеллами находятся тельца-тилакоиды. Они собраны в стопки – граны, которые могут соединяться между собой. Их количество в одном хлоропласте – 60–150. Вся внутренняя полость хлоропласта заполнена матриксом.
Органелла имеет признаки автономности: собственный наследственный материал – кольцевую ДНК, благодаря которой хлоропласты могут размножаться. Также присутствует замкнутая внешняя мембрана, ограничивающая органеллу от процессов, протекающих в цитоплазме клетки. Хлоропласты имеют собственные рибосомы, молекулы и-РНК и т-РНК, а значит, способны к синтезу белков.
Функции тилакоидов
Как было сказано ранее, пластиды растительной клетки – хлоропласты, содержат в своем составе особые сплющенные мешочки, называемые тилакоидами. В них обнаружены пигменты – хлорофиллы (принимающие участие в фотосинтезе) и каротиноиды (выполняющие опорные и трофические функции). Имеется также ферментативная система, обеспечивающая реакции световой и темновой фаз фотосинтеза. Тилакоиды выполняют функцию антенн: они фокусируют световые кванты и направляют их на молекулы хлорофилла.
Фотосинтез – главный процесс хлоропластов
Автотрофные клетки способны самостоятельно синтезировать органические вещества, в частности глюкозу, используя углекислый газ и световую энергию. Зеленые пластиды, функции которых мы сейчас изучаем, являются неотъемлемой частью фототрофов – многоклеточных организмов, таких как:
- высшие споровые растения (мхи, хвощи, плауны, папоротники);
- семенные (голосеменные – гинговые, хвойные, эфедровые и покрытосеменные или цветковые растения).
Фотосинтез – это система окислительно-восстановительных реакций, в основе которых лежит процесс переноса электронов от веществ-доноров к соединениям, «воспринимающим» их, так называемым акцепторам.
Эти реакции приводят к синтезу органических веществ, в частности глюкозы, и выделению молекулярного кислорода. Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов под действием световой энергии. Поглощенные кванты света возбуждают электроны атомов магния, входящих в состав зеленого пигмента – хлорофилла.
Энергия электронов используется для синтеза энергоемких веществ: АТФ и НАДФ-H2. Они расщепляются клеткой для реакций темновой фазы, происходящих в матриксе хлоропластов. Совокупность этих синтетических реакций приводит к образованию молекул глюкозы, аминокислот, глицерина и жирных кислот, которые служат строительным и трофическим материалом клетки.
Виды пластид
Зеленые пластиды, строение и функции которых мы рассмотрели ранее, находятся в листьях, зеленых стеблях и не являются единственным видом. Так, в кожице плодов, в лепестках цветковых растений, во внешних покровах подземных побегов – клубней и луковиц, присутствуют другие пластиды. Они называются хромопластами или лейкопластами.
Бесцветные органеллы (лейкопласты) имеют различную форму и отличаются от хлоропластов тем, что их внутренняя полость не имеет тонких пластин – ламелл, а количество тилакоидов, погруженных в матрикс, невелико. Сам матрикс содержит дезоксирибонуклеиновую кислоту, белоксинтезирующие органеллы – рибосомы и протеолитические ферменты, расщепляющие белки и углеводы.
Лейкопласты имеют также ферменты – синтетазы, участвующие в образовании молекул крахмала из глюкозы. Вследствие этого бесцветные пластиды растительной клетки накапливают запасные питательные вещества: гранулы белка и крахмальные зерна. Эти пластиды, функции которых состоят в аккумуляции органических веществ, могут превращаться в хромопласты, например, в процессе созревания томатов, находящихся в стадии молочной спелости.
Под растровым микроскопом, имеющим высокую разрешающую способность, хорошо видны различия в строении всех трех видов пластид. Это, прежде всего, касается хлоропластов, имеющих наиболее сложное строение, связанное с функцией фотосинтеза.
Хромопласты – цветные пластиды
Наряду с зелеными и бесцветными в клетках растений присутствует третий вид органелл, называемых хромопластами. Они имеют разнообразную окраску: желтую, фиолетовую, красную. Их строение схоже с лейкопластами: внутренняя мембрана имеет небольшое количество ламелл и незначительное число тилакоидов. Хромопласты содержат различные пигменты: ксантофиллы, каротины, каротиноиды, являющиеся вспомогательными фотосинтезирующими веществами. Именно эти пластиды обеспечивают окраску корнеплодов свеклы, моркови, плодов фруктовых деревьев и ягод.
Как возникают и взаимно превращаются пластиды
Лейкопласты, хромопласты, хлоропласты – пластиды (строение и функции которых мы изучаем), имеющие единое происхождение. Они являются производными меристематических (образовательных) тканей, из которых формируются протопластиды – двухмембранные мешковидные органеллы величиной до 1 мкм. На свету они усложняют свое строение: формируется внутренняя мембрана, содержащая ламеллы, и синтезируется зеленый пигмент хлорофилл. Протопластиды становятся хлоропластами. Лейкопласты также могут превращаться под действием световой энергии в зеленые пластиды, а затем в хромопласты. Видоизменения пластид – это широко распространенное явление в мире растений.
Хроматофоры как предшественники хлоропластов
Прокариотические фототрофные организмы – зеленые и пурпурные бактерии, осуществляют процесс фотосинтеза с помощью бактериохлорофилла А, молекулы которого располагаются на внутренних выростах цитоплазматической мембраны. Микробиологи считают хроматофоры бактерий предшественниками пластид.
Это подтверждается их схожим с хлоропластами строением, а именно наличием реакционных центров и светоулавливающих систем, а также общими результатами фотосинтеза, приводящими к образованию органических соединений. Нужно отметить, что низшие растения – зеленые водоросли, как и прокариоты, не имеют пластид. Это объясняется тем, что хлорофиллосодержащие образования – хроматофоры, взяли на себя их функцию – фотосинтез.
Как возникли хлоропласты
Среди множества гипотез происхождения пластид остановимся на симбиогенезе. Согласно его представлениям, пластиды - клетки (хлоропласты), которые возникли в архейскую эру вследствие проникновения в первичную гетеротрофную клетку фототрофных бактерий. Именно они в дальнейшем привели к образованию зеленых пластид.
В данной статье мы изучили строение и функции двухмембранных органелл растительной клетки: лейкопластов, хлоропластов и хромопластов. А также выяснили их значение в клеточной жизнедеятельности.
