Хлоропласт как органоид растительной клетки¶

Хлоропласт — это полуавтономный органоид растительных клеток и клеток некоторых протистов, относящийся к классу пластид и отвечающий за фотосинтез — преобразование энергии света в энергию химических связей органических веществ. Хлоропласты содержат зелёный пигмент хлорофилл, придающий растениям характерную окраску, и обладают собственной генетической системой. По строению и происхождению они рассматриваются как потомки симбиотических цианобактерий, вошедших в состав эукариотической клетки в ходе эволюции.

¶Общая характеристика

Хлоропласты присутствуют преимущественно в клетках фотосинтезирующих тканей — листьев, молодых стеблей, зелёных плодов. Форма чаще всего линзовидная или эллипсоидная, размеры обычно составляют 3–10 мкм в длину. В одной клетке листа может насчитываться от нескольких десятков до сотен хлоропластов; их число зависит от вида, возраста и условий освещения.

Основная функция — фотосинтез, в ходе которого световая энергия используется для синтеза глюкозы из углекислого газа и воды с выделением кислорода. Помимо этого, хлоропласты участвуют в синтезе аминокислот, жирных кислот, некоторых гормонов и пигментов, а также запасают крахмал.

¶Строение

Хлоропласт окружён двойной мембраной — наружной и внутренней. Внутреннее пространство заполнено стромой — полужидким матриксом, в котором находятся ферменты, рибосомы, кольцевая ДНК и зёрна крахмала.

В строме расположена развитая система тилакоидов — уплощённых мембранных мешочков. Тилакоиды собраны в стопки — граны, соединённые между собой ламеллами. Именно в мембранах тилакоидов локализованы хлорофилл и компоненты фотосинтетических систем.

Ключевые структурные элементы:

• Наружная мембрана — проницаема для многих низкомолекулярных веществ.
• Внутренняя мембрана — регулирует транспорт метаболитов.
• Строма — содержит ферменты цикла Кальвина.
• Тилакоиды и граны — место световых реакций.
• Собственная ДНК и рибосомы — обеспечивают частичный синтез белков.

¶Пигменты

Зелёный цвет хлоропластам придают пигменты хлорофиллы, главным образом хлорофилл a и хлорофилл b. Они поглощают свет преимущественно в синей и красной областях спектра и отражают зелёную. Помимо хлорофиллов, в состав входят каротиноиды — жёлтые и оранжевые пигменты, которые расширяют спектр поглощаемого света и защищают фотосинтетический аппарат от избыточного освещения.

¶Фотосинтез

Процесс делят на две фазы. Световая фаза протекает на мембранах тилакоидов: под действием света происходит расщепление воды (фотолиз), выделяется кислород, образуются энергетические молекулы АТФ и НАДФ·H. Темновая фаза идёт в строме и не требует света непосредственно: за счёт накопленной энергии из углекислого газа синтезируется глюкоза в цикле Кальвина.

Суммарное уравнение фотосинтеза:

6CO₂ + 6H₂O + энергия света → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

¶Происхождение

Согласно симбиотической теории, хлоропласты произошли от свободноживущих фотосинтезирующих цианобактерий, захваченных древней эукариотической клеткой. Со временем они утратили самостоятельность, но сохранили собственную ДНК, рибосомы и двойную мембрану. Это объясняет полуавтономность органоида и его способность к делению независимо от деления клетки.

¶Размножение и развитие

Хлоропласты размножаются делением, подобно бактериям. Они не образуются заново из других органоидов, а происходят от предшествующих пластид. У высших растений прослеживается ряд превращений: пропластиды → этиопласты (в темноте) → хлоропласты (на свету). При старении или изменении условий хлоропласты могут превращаться в хромопласты (окрашенные) или лейкопласты (бесцветные запасающие), и наоборот.

¶Значение

Хлоропласты лежат в основе жизни на Земле: они обеспечивают фотосинтез, производя органические вещества и насыщая атмосферу кислородом. Через фотосинтез проходит практически вся энергия, доступная живым организмам, — от растений она передаётся по пищевым цепям. Кроме того, хлоропласты — источник биологически активных соединений и объект изучения в биотехнологии, где рассматриваются как возможная платформа для получения ценных веществ.

¶Методы изучения

Строение хлоропластов исследуют с помощью световой и электронной микроскопии, а их функции — методами биохимии и молекулярной биологии. Выделение интактных хлоропластов позволяет изучать отдельные реакции фотосинтеза в лабораторных условиях.

¶Интересные факты

• Диаметр граны обычно составляет около 0,3–0,6 мкм, а число тилакоидов в ней варьирует от нескольких единиц до десятков.
• Собственная ДНК хлоропластов наследуется, как правило, по материнской линии.
• У некоторых водорослей вместо хлоропластов имеются более крупные хроматофоры иной формы.
• Хлороз — пожелтение листьев — связан с разрушением или недостаточным образованием хлорофилла в хлоропластах.

Источники: учебные пособия по общей биологии и ботанике, материалы по цитологии и физиологии растений, научно-справочная литература по фотосинтезу.