Фотосинтез — один из важнейших биохимических процессов на Земле. Он позволяет растениям использовать солнечный свет, воду и углекислый газ для производства углеводов для роста. Зеленый цвет растений обусловлен наличием пигментов, которые поглощают солнечный свет и используют его энергию для фотосинтеза. Но какая именно часть растительных клеток на самом деле придает им этот характерный зеленый оттенок?
Зеленые пигменты находятся в органеллах, называемых хлоропластами. Хлоропласты — это специализированные пластиды, обнаруженные в растительных клетках и некоторых водорослях, которые осуществляют фотосинтез. Они поглощают солнечный свет и используют его для синтеза углеводов из углекислого газа и воды. Этот процесс производит кислород в качестве побочного продукта, который выбрасывается в атмосферу.
Хлоропласты обычно имеют форму диска и имеют диаметр около 2–10 микрометров. Они окружены двойной мембраной и содержат собственную ДНК и рибосомы для саморепликации. Внутри хлоропласта находятся стопки сплющенных мешочков, называемых тилакоидами. Эти тилакоиды содержат зеленые пигменты, которые используют энергию света.
Преобладающим зеленым пигментом, обнаруженным в хлоропластах, является хлорофилл. Существует несколько форм этого пигмента, но хлорофилл a и хлорофилл b являются основными типами в высших растениях и зеленых водорослях. Эти молекулы хлорофилла имеют характерную химическую структуру с порфириновой головкой и длинным гидрофобным хвостом.
Когда молекула хлорофилла поглощает свет, энергия возбуждает электроны и катализирует серию окислительно-восстановительных реакций. Это производит богатые энергией молекулы, которые питают остальную часть фотосинтеза. Лучше всего хлорофиллы поглощают свет в синей и красной областях, поэтому растения кажутся зелеными — они отражают непоглощенный зеленый свет.
| Тип хлорофилла | Максимум поглощения |
|---|---|
| Хлорофилл a | 430 нм, 662 нм |
| Хлорофилл b | 453 нм, 642 нм |
Помимо хлорофилла, растения имеют и другие пигменты, которые поглощают свет и помогают дополнять фотосинтез. К ним относятся:
Сочетание всех этих пигментов позволяет растениям поглощать свет во всем видимом спектре. Но хлорофилл всегда присутствует как основной пигмент, ответственный за фотосинтез в хлоропластах.
Хлоропласты находятся во всех зеленых тканях растений. Они особенно сконцентрированы в клетках листьев и стеблей, где происходит фотосинтез. Внутри клеток хлоропласты расположены в цитоплазме. Их количество может варьироваться от 1 до 100 на клетку, в зависимости от вида растения и функции клетки.
В клетках листьев, таких как мезофилл, хлоропласты расположены близко к поверхности клетки, чтобы облегчить поглощение солнечного света. Некоторые хлоропласты перемещаются внутри клеток растения в ответ на условия освещения, этот процесс называется фотоперемещением хлоропластов. Они скапливаются на затененной стороне, чтобы больше хлоропластов могли захватить доступный свет.
Хлоропласты имеют высокоспециализированную внутреннюю структуру, чтобы максимизировать их фотосинтетическую эффективность. Как упоминалось ранее, они заключены в двойную мембрану. Жидкость внутри называется стромой, которая содержит ДНК хлоропласта и рибосомы, а также множество ферментов. Стопки тилакоидов образуют структуры, называемые гранами.
Мембрана тилакоида охватывает отдельное внутреннее пространство, называемое просветом тилакоида. Это место, где световая энергия управляет переносом электронов для создания АТФ и НАДФН для фиксации углерода. Структуру хлоропласта можно визуализировать следующим образом:
| Структура хлоропласта | Описание |
|---|---|
| Внешняя мембрана | Окружает хлоропласт и контролирует прохождение молекул |
| Внутренняя мембрана | Образует многочисленные складки, называемые ламеллами, внутри хлоропласта |
| Строма | Жидкостная матрица между внутренней мембраной и тилакоидами |
| Тилакоиды | Сплющенные мембранные мешочки, в которых происходят световые реакции |
| Граны | Стопки тилакоиды |
| Просвет тилакоида | Замкнутое пространство внутри тилакоида |
Эта сложная структура хлоропласта имеет отсеки, специализированные для каждой стадии фотосинтеза, что обеспечивает высокую эффективность этого процесса.
Хлоропласты не могут быть созданы de novo растительными клетками. Каждый новый хлоропласт образуется путем деления уже существующих хлоропластов. Хлоропласты реплицируются посредством процесса, похожего на бинарное деление. Сначала органелла удлиняется. Затем в середине образуется сужение или перегородка, разделяющая ее на две половины, которые разделяются на дочерние хлоропласты.
У растений хлоропласты возникают из пропластид в меристематических клетках. У эукариот пластиды возникли в результате эндосимбиотических отношений между эукариотической клеткой и фотосинтетической цианобактерией. В ходе эволюции эта цианобактерия стала специализироваться как хлоропласт.
Хлоропласты содержат собственный геном, отдельный от ДНК в ядре растительной клетки. Геном хлоропласта представляет собой кольцевую молекулу ДНК размером около 120-160 килобаз. Он содержит около 100 генов, кодирующих белки хлоропластов, участвующих в фотосинтезе и репликации хлоропластов.
Однако хлоропласты не могут функционировать независимо. Большинство белков, необходимых для функционирования хлоропластов, кодируются в ядре и импортируются. Ядерный и хлоропластный геномы координируют свою работу, регулируя биогенез хлоропластов посредством сигнальных метаболитов и белков.
Внутри хлоропласта тилакоидная мембрана принимает светозависимые реакции фотосинтеза. Когда световая энергия попадает на хлорофилл, он возбуждает электроны до более высокого энергетического состояния. Эти электроны перемещаются по цепи переноса электронов, генерируя АТФ и НАДФН.
Строма содержит ферменты, которые фиксируют CO2 в молекулах сахара во время светонезависимого цикла (цикла Кальвина-Бенсона). Таким образом, хлоропласт имеет оптимизированные отсеки для выполнения как световых, так и темновых реакций фотосинтеза.
Хлоропласты обеспечивают фотосинтез и все его жизненно важные функции: выработку кислорода, синтез органических соединений из углекислого газа, выработку богатых энергией АТФ и НАДФН и образование углеводов, которые питают клеточную активность и рост. Поглощая солнечный свет и преобразуя его в химическую энергию, хлоропласты обеспечивают основу для поддержания почти всей жизни на Земле.
Наличие хлоропластов является одной из основных особенностей, отличающих растительные клетки от животных. Исследования продолжают открывать больше о функциях хлоропластов за пределами фотосинтеза, а также о способах конструирования хлоропластов для повышения производительности сельского хозяйства.
Подводя итог, хлоропласты являются специализированными органеллами, содержащими зеленый пигмент хлорофилл, который позволяет растениям фотосинтезировать. Хлорофилл во внутренней тилакоидной мембранной системе хлоропласта поглощает солнечный свет и обеспечивает энергию для фиксации углерода и синтеза углеводов. Сложная структура хлоропласта облегчает его жизненно важную роль в использовании солнечной энергии для питания экосистем Земли.