Chức năng, cấu trúc và quá trình quang hợp của lục lạp



các lục lạp Chúng là một loại bào quan tế bào được giới hạn bởi một hệ thống màng phức tạp, đặc trưng của thực vật và tảo. Trong plastid này là chất diệp lục, sắc tố chịu trách nhiệm cho quá trình quang hợp, màu xanh của rau và cho phép cuộc sống tự dưỡng của những dòng dõi này.

Ngoài ra, lục lạp có liên quan đến việc tạo ra năng lượng trao đổi chất (ATP - adenosine triphosphate), tổng hợp axit amin, vitamin, axit béo, thành phần lipid của màng và giảm nitrit. Nó cũng có vai trò trong việc sản xuất các chất phòng vệ chống lại mầm bệnh.

Cơ quan quang hợp này có bộ gen hình tròn (DNA) riêng và người ta cho rằng, giống như ty thể, chúng có nguồn gốc từ quá trình cộng sinh giữa vật chủ và vi khuẩn quang hợp tổ tiên.

Chỉ số

  • 1 Xuất xứ
    • 1.1 Lý thuyết nội sinh
  • 2 Đặc điểm chung
  • 3 cấu trúc
    • 3.1 Màng ngoài và màng trong
    • 3.2 Màng Thilacoid
    • 3.3 Thylakoids
    • 3,4 Stroma
    • Bộ gen 3,5
  • 4 chức năng
    • 4.1 Quang hợp
    • 4.2 Tổng hợp các phân tử sinh học
    • 4.3 Phòng thủ chống lại mầm bệnh
  • 5 Plastid khác
  • 6 tài liệu tham khảo

Nguồn gốc

Lục lạp là các bào quan có đặc điểm của các nhóm sinh vật rất xa: tảo, thực vật và sinh vật nhân sơ. Bằng chứng này cho thấy rằng cơ quan có nguồn gốc từ một sinh vật prokaryote với khả năng thực hiện quang hợp.

Người ta ước tính rằng sinh vật nhân chuẩn đầu tiên, có khả năng thực hiện quang hợp, có nguồn gốc khoảng 1.000 triệu năm trước. Bằng chứng chỉ ra rằng bước nhảy tiến hóa quan trọng này là do sự thu nhận một loại vi khuẩn lam của vật chủ nhân chuẩn. Quá trình này đã tạo ra các dòng tảo đỏ, xanh và thực vật khác nhau.

Theo cùng một cách, có các sự kiện cộng sinh thứ cấp và thứ ba trong đó một dòng sinh vật nhân chuẩn thiết lập mối quan hệ cộng sinh với một sinh vật nhân chuẩn quang hợp sống tự do khác.

Trong quá trình tiến hóa, bộ gen của vi khuẩn giả định đã bị giảm và một số gen của nó đã được chuyển và tích hợp vào bộ gen của nhân.

Tổ chức bộ gen của lục lạp hiện tại giống với prokaryote, nhưng cũng có các thuộc tính của vật liệu di truyền của sinh vật nhân chuẩn.

Lý thuyết nội sinh

Lý thuyết endosymbiotic được Lynn Margulis đề xuất trong một loạt sách được xuất bản từ thập niên 60 đến 80. Tuy nhiên, đó là một ý tưởng đã hoạt động từ những năm 1900, do Mereschkowsky đề xuất.

Lý thuyết này giải thích nguồn gốc của lục lạp, ty thể và các cơ quan cơ bản có trong vi khuẩn Flagella. Theo giả thuyết này, những cấu trúc này đã từng là sinh vật nhân sơ tự do.

Không có nhiều bằng chứng để hỗ trợ nguồn gốc nội sinh của các cơ quan cơ bản từ sinh vật nhân sơ.

Ngược lại, có bằng chứng quan trọng hỗ trợ nguồn gốc endosymbiotic của ty thể từ α-Proteobacteria và từ lục lạp từ vi khuẩn lam. Bằng chứng rõ ràng và mạnh mẽ nhất là sự giống nhau giữa cả hai bộ gen.

Đặc điểm chung

Lục lạp là loại plastid dễ thấy nhất trong tế bào thực vật. Chúng là những cấu trúc hình bầu dục được bao quanh bởi màng và quá trình sinh vật nhân chuẩn tự dưỡng nổi tiếng nhất xảy ra trong phần bên trong của chúng: quang hợp. Chúng là cấu trúc động và có vật liệu di truyền riêng.

Chúng thường nằm trên lá của cây. Một tế bào thực vật điển hình có thể có từ 10 đến 100 lục lạp, mặc dù số lượng khá thay đổi.

Giống như ty thể, sự di truyền của lục lạp từ cha mẹ sang con cái xảy ra ở một trong hai cha mẹ chứ không phải cả hai. Trên thực tế, các bào quan này khá giống với ty thể ở nhiều khía cạnh khác nhau, mặc dù phức tạp hơn.

Cấu trúc

Lục lạp là những bào quan lớn, dài từ 5 đến 10 μm. Các đặc điểm của cấu trúc này có thể được hiển thị dưới kính hiển vi quang học truyền thống.

Chúng được bao quanh bởi một màng lipid kép. Ngoài ra, chúng có một hệ thống thứ ba của màng trong, được gọi là màng thylakoid.

Hệ thống màng cuối cùng này tạo thành một tập hợp các cấu trúc giống như đĩa, được gọi là thylakoids. Sự kết hợp của thylakoids trong đống được gọi là "grana" và chúng được kết nối với nhau.

Nhờ hệ thống ba màng này, cấu trúc bên trong của lục lạp rất phức tạp và nó được chia thành ba không gian: không gian liên màng (giữa hai màng ngoài), stroma (tìm thấy trong lục lạp và bên ngoài màng thylakoid) và cuối cùng của lylakoid.

Màng ngoài và màng trong

Hệ thống màng có liên quan đến việc tạo ATP. Giống như màng của ty thể, nó là màng bên trong quyết định sự đi qua của các phân tử vào cơ quan. Phosphatidylcholine và phosphatidylglycerol là những lipit dồi dào nhất của màng lục lạp.

Màng ngoài chứa một loạt lỗ chân lông. Các phân tử nhỏ có thể tự do xâm nhập thông qua các kênh này. Mặt khác, màng bên trong không cho phép vận chuyển tự do loại phân tử trọng lượng thấp này. Để các phân tử đi vào, chúng phải làm như vậy bằng các phương tiện vận chuyển cụ thể neo vào màng.

Trong một số trường hợp có một cấu trúc gọi là mạng lưới ngoại vi, được hình thành bởi một mạng lưới màng, có nguồn gốc đặc biệt từ màng trong của lục lạp. Một số tác giả coi chúng là duy nhất đối với thực vật có chuyển hóa C4, mặc dù chúng đã được tìm thấy trong thực vật C3.

Chức năng của các ống và túi này vẫn chưa rõ ràng. Chúng tôi đề xuất rằng chúng có thể góp phần vận chuyển nhanh chóng các chất chuyển hóa và protein trong lục lạp hoặc làm tăng bề mặt của màng bên trong.

Màng thylakoid

Chuỗi vận chuyển điện tử liên quan đến các quá trình quang hợp xảy ra trong hệ thống màng này. Các proton được bơm qua màng này, từ lớp nền đến bên trong của thylakoids.

Độ dốc này dẫn đến việc tổng hợp ATP, khi các proton được đưa trở lại tầng. Quá trình này tương đương với quá trình xảy ra ở màng trong của ty thể.

Màng thylakoid bao gồm bốn loại lipid: monogalactosyl diacylglycerol, digalactosyl diacylglycerol, sulfoquinovosil diacylglycerol và phosphatidylglycerol. Mỗi loại có một chức năng đặc biệt trong hai lớp lipid của phần này.

Thylakoids

Các thylakoids là các cấu trúc màng ở dạng túi hoặc đĩa phẳng được xếp chồng lên nhau trong một "grana"(Số nhiều của cấu trúc này là hạt). Những đĩa này có đường kính từ 300 đến 600nm. Trong không gian bên trong của thylakoid được gọi là lum.

Kiến trúc của ngăn xếp thylakoid vẫn còn được tranh luận. Hai mô hình được đề xuất: đầu tiên là mô hình xoắn ốc, trong đó các thylakoids được quấn giữa các hạt hình xoắn ốc.

Ngược lại, mô hình khác đề xuất một phân nhánh. Giả thuyết này cho thấy rằng grana được hình thành bởi các phân nhánh phân tầng.

Stroma

Các stroma là chất lỏng gelatin bao quanh thylakoids và được tìm thấy trong khu vực bên trong của lục lạp. Vùng này tương ứng với cytosol của vi khuẩn được cho là đã gây ra loại plastid này.

Trong khu vực này, bạn sẽ tìm thấy các phân tử DNA và một lượng lớn protein và enzyme. Cụ thể, các enzyme liên quan đến chu trình Calvin được tìm thấy để cố định carbon dioxide trong quá trình quang hợp. Bạn cũng có thể tìm thấy hạt tinh bột

Trong stroma, bạn có thể tìm thấy lục lạp của lục lạp, vì các cấu trúc này tổng hợp protein của chính chúng.

Bộ gen

Một trong những đặc điểm nổi bật nhất của lục lạp là chúng có hệ thống di truyền riêng.

Vật liệu di truyền của lục lạp bao gồm các phân tử DNA tròn. Mỗi organelle có nhiều bản sao của phân tử tròn này từ 12 đến 16 kb (kilobase). Chúng được tổ chức thành các cấu trúc gọi là nucleoids và bao gồm 10 đến 20 bản sao của bộ gen plastid, cùng với các phân tử protein và RNA.

Mã DNA lục lạp cho khoảng 120 đến 130 gen. Những kết quả này tạo ra protein và RNA liên quan đến quá trình quang hợp như các thành phần của hệ thống quang I và II, ATP synthase và một trong các tiểu đơn vị Rubisco.

Rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxyase) là một phức hợp enzyme quan trọng trong chu trình Calvin. Trên thực tế, nó được coi là protein dồi dào nhất trên hành tinh Trái đất.

RNA chuyển và ribosome được sử dụng trong việc dịch các thông điệp RNA được mã hóa trong bộ gen của lục lạp. Nó bao gồm các RNA ribosome 23S, 16S, 5S và 4.5S và RNA chuyển. Nó cũng mã hóa cho 20 protein ribosome và một số tiểu đơn vị RNA polymerase.

Tuy nhiên, một số yếu tố cần thiết cho hoạt động của lục lạp được mã hóa trong bộ gen hạt nhân của tế bào thực vật.

Chức năng

Lục lạp có thể được coi là trung tâm trao đổi chất quan trọng trong thực vật, nơi xảy ra nhiều phản ứng sinh hóa nhờ vào phổ rộng của các enzyme và protein neo vào màng mà các bào quan này chứa.

Chúng có một chức năng quan trọng trong các sinh vật thực vật: đó là nơi diễn ra quá trình quang hợp, nơi ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành carbohydrate, với oxy là sản phẩm thứ cấp..

Một loạt các chức năng thứ cấp của sinh tổng hợp cũng xảy ra trong lục lạp. Tiếp theo chúng ta sẽ thảo luận chi tiết từng chức năng:

Quang hợp

Quang hợp xảy ra nhờ diệp lục. Sắc tố này được tìm thấy bên trong lục lạp, trong màng của thylakoids.

Nó bao gồm hai phần: một chiếc nhẫn và một cái đuôi. Chiếc nhẫn chứa magiê và chịu trách nhiệm cho sự hấp thụ ánh sáng. Nó có thể hấp thụ ánh sáng xanh và ánh sáng đỏ, phản chiếu vùng màu xanh lá cây của quang phổ ánh sáng.

Phản ứng quang hợp xảy ra nhờ sự chuyển điện tử. Năng lượng đến từ ánh sáng truyền năng lượng vào sắc tố diệp lục (phân tử được cho là "bị kích thích bởi ánh sáng"), gây ra sự chuyển động của các hạt này trong màng của thylakoids. Chất diệp lục nhận electron của nó từ một phân tử nước.

Quá trình này dẫn đến việc hình thành một gradient điện hóa cho phép tổng hợp ATP trong tầng. Giai đoạn này còn được gọi là "dạ quang".

Phần thứ hai của quang hợp (hoặc pha tối) xảy ra trong lớp nền và tiếp tục trong cytosol. Nó còn được gọi là phản ứng cố định carbon. Trong giai đoạn này, các sản phẩm của các phản ứng trên được sử dụng để xây dựng carbohydrate từ CO2.

Tổng hợp các phân tử sinh học

Ngoài ra, lục lạp có các chức năng chuyên biệt khác cho phép sự phát triển và tăng trưởng của cây.

Trong cơ quan này xảy ra sự đồng hóa nitrat và sunfat, và sở hữu các enzyme cần thiết cho quá trình tổng hợp axit amin, phytohormone, vitamin, axit béo, diệp lục và carotenoids.

Một số nghiên cứu đã xác định một số lượng đáng kể các axit amin được tổng hợp bởi cơ quan này. Kirk et al đã nghiên cứu sản xuất axit amin trong lục lạp Vicia faba L.

Các tác giả này phát hiện ra rằng các axit amin tổng hợp phong phú nhất là glutamate, aspartate và threonine. Các loại khác, chẳng hạn như alanine, serine và glycine cũng được tổng hợp nhưng với số lượng nhỏ hơn. Mười ba axit amin còn lại cũng được phát hiện.

Họ đã có thể phân lập các gen khác nhau có liên quan đến quá trình tổng hợp lipid. Lục lạp có các con đường cần thiết để tổng hợp lipit isoprenoid, cần thiết cho việc sản xuất chất diệp lục và các sắc tố khác.

Phòng chống mầm bệnh

Thực vật không có hệ thống miễn dịch phát triển tương tự như động vật. Do đó, cấu trúc tế bào phải sản xuất các chất chống vi trùng để có thể bảo vệ chống lại các tác nhân gây hại. Với mục đích này, thực vật có thể tổng hợp các loại oxy phản ứng (ROS) hoặc axit salicylic.

Lục lạp có liên quan đến việc sản xuất các chất này giúp loại bỏ mầm bệnh có thể xâm nhập vào cây.

Tương tự như vậy, chúng hoạt động như một "cảm biến phân tử" và tham gia vào các cơ chế cảnh báo, truyền thông tin đến các cơ quan khác.

Plastid khác

Lục lạp thuộc về một họ bào quan thực vật gọi là plastid hoặc plastid. Lục lạp khác nhau chủ yếu với phần còn lại của plastid vì chúng có sắc tố diệp lục. Các plastid khác là:

-Chromoplasts: những cấu trúc này chứa carotenoids, có mặt trong hoa và hoa. Nhờ các sắc tố này, các cấu trúc thực vật có màu vàng, cam và đỏ.

-Các leucoplastos: những plastidios này không chứa sắc tố và do đó chúng có màu trắng. Chúng phục vụ như một dự trữ và được tìm thấy trong các cơ quan không nhận được ánh sáng trực tiếp.

-Amyloplasts: chứa tinh bột và được tìm thấy trong rễ và củ.

Plastids có nguồn gốc từ các cấu trúc được gọi là protoplastidia. Một trong những tính năng nổi bật nhất của plastid là thuộc tính của chúng để thay đổi loại, mặc dù chúng đã ở giai đoạn trưởng thành. Sự thay đổi này được kích hoạt bởi các tín hiệu môi trường hoặc nội tại từ nhà máy.

Ví dụ, lục lạp có khả năng tạo ra nhiễm sắc thể. Đối với sự thay đổi này, màng thylakoid tan rã và các carotenoids được tổng hợp.

Tài liệu tham khảo

  1. Allen, J. F. (2003). Tại sao lục lạp và ty thể chứa bộ gen. Genomics so sánh và chức năng, 4(1), 31-36.
  2. Cooper, G. M (2000). Các tế bào: Cách tiếp cận phân tử. Ấn bản thứ hai. Cộng sự
  3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M., & Chang, W.-J. (2016). Bộ gen của lục lạp: sự đa dạng, tiến hóa và ứng dụng trong kỹ thuật di truyền. Sinh học bộ gen, 17, 134.
  4. Gracen, V.E., Hilliard, J.H., Brown, R.H., & West, S.H. (1972). Mạng lưới ngoại vi trong lục lạp của thực vật khác nhau về con đường cố định CO 2 và phản ứng hấp thụ ánh sáng. Nhà máy, 107(3), 189-204.
  5. Xám, M. W. (2017). Lynn Margulis và giả thuyết endosymbiont: 50 năm sau. Sinh học phân tử của tế bào, 28(10), 1285-1287.
  6. Jensen, P. E., & Leister, D. (2014). Sự phát triển của lục lạp, cấu trúc và chức năng. Báo cáo F1000Prime, 6, 40.
  7. Kirk, P. R., & Leech, R. M. (1972). Sinh tổng hợp axit amin bằng lục lạp cô lập trong quá trình quang hợp . Sinh lý thực vật, 50(2), 228-234.
  8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Vai trò của lipid trong sinh học lục lạp. Trong Lipid trong sự phát triển của thực vật và tảo (trang 103-125). Mùa xuân, Chăm.
  9. Sowden, R. G., Watson, S.J., & Jarvis, P. (2017). Vai trò của lục lạp trong bệnh lý thực vật. Tiểu luận trong hóa sinh, EBC20170020.
  10. Khôn ngoan, R. R., & Hoober, J. K. (2007). Cấu trúc và chức năng của plastid. Khoa học & Truyền thông kinh doanh Springer.