وظائف البلاستيدات الخضراء ، هيكل وعملية التمثيل الضوئي

ال البلاستيدات الخضراء هي نوع من العضيات الخلوية التي يحددها نظام معقد من الأغشية ، يتميز بالنباتات والطحالب. في هذا البلاستيد هو الكلوروفيل ، الصباغ المسؤول عن عمليات التمثيل الضوئي ، واللون الأخضر للخضروات وتسمح للحياة الذاتية لهذه الأنساب.

بالإضافة إلى ذلك ، ترتبط البلاستيدات الخضراء بتوليد الطاقة الأيضية (ATP - أدينوسين ثلاثي الفوسفات) ، وتوليف الأحماض الأمينية ، والفيتامينات ، والأحماض الدهنية ، والمكونات الدهنية لأغشيةها وتقليل النتريت. كما أن لها دورًا في إنتاج المواد الدفاعية ضد مسببات الأمراض.

يحتوي هذا الكائن العضوي الضوئي على جينوم دائري خاص به (DNA) ويعتقد أنه ، مثل الميتوكوندريا ، نشأ من عملية تكافل بين مضيف وجرثومة ضوئية أسلافية.

مؤشر

• 1 الأصل
  • 1.1 النظرية الإندونيسية
• 2 الخصائص العامة
• 3 هيكل
  • 3.1 الأغشية الخارجية والداخلية
  • 3.2 غشاء ثيلاكويد
  • 3.3 Thylakoids
  • 3.4 ستروما
  • 3.5 الجينوم
• 4 وظائف
  • 4.1 التمثيل الضوئي
  • 4.2 توليف الجزيئات الحيوية
  • 4.3 الدفاع ضد مسببات الأمراض
• 5 البلاستيدات الأخرى
• 6 المراجع

مصدر

البلاستيدات الخضراء هي عضيات لها خصائص مجموعات بعيدة جداً من الكائنات الحية: الطحالب والنباتات بدائيات النوى. يشير هذا الدليل إلى أن العضية نشأت من كائن بدائي النواة لديه القدرة على إجراء التمثيل الضوئي.

من المقدر أن أول كائن حقيقي النواة ، مع القدرة على تنفيذ عملية التمثيل الضوئي ، نشأ منذ حوالي مليون سنة. تشير الدلائل إلى أن هذه القفزة التطورية الهامة كانت ناتجة عن اكتساب البكتيريا الزرقاء بواسطة مضيف حقيقيات النواة. أدت هذه العملية إلى ظهور سلالات مختلفة من الطحالب الحمراء والخضراء والنباتية.

بنفس الطريقة ، توجد أحداث تكافلية ثانوية وثالثية تقيم فيها سلالات حقيقيات النواة علاقة تكافلية مع حقيقيات حقيقيات للحيوان.

أثناء التطور ، تم تقليل جينوم البكتيريا المفترضة وتم نقل بعض جيناتها ودمجها في جينوم النواة.

يشبه تنظيم جينوم البلاستيدات الخضراء الحالية نظير بدائيات النوى ، ولكن له أيضًا سمات للمادة الوراثية لحقيقيات النوى.

النظرية الإندونيسية

اقترحت لين مارغوليس نظرية اندوسبيوتيك في سلسلة من الكتب التي نشرت بين الستينيات والثمانينيات ، إلا أنها كانت فكرة ناجحة منذ القرن العشرين ، وقد اقترحها ميرسكوفسكي..

تشرح هذه النظرية أصل البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا والهيئات القاعدية الموجودة في السوط. وفقًا لهذه الفرضية ، كانت هذه البنى كائنات حية بدائية النواة.

لا يوجد الكثير من الأدلة لدعم الأصل الداخلي للهيئات القاعدية من بدائيات النواة المتنقلة.

في المقابل ، هناك أدلة مهمة تدعم الأصل التوافقي الداخلي للميتوكوندريا من α-Proteobacteria ومن البلاستيدات الخضراء من البكتيريا الزرقاء. الدليل الأوضح والأقوى هو التشابه بين الجينوم.

الخصائص العامة

البلاستيدات الخضراء هي أكثر أنواع البلاستيدات وضوحا في الخلايا النباتية. إنها هياكل بيضاوية محاطة بالأغشية وتحدث العملية الأكثر شهرة للنواة ذاتية النواة في داخلها: التمثيل الضوئي. فهي هياكل ديناميكية ولها المواد الوراثية الخاصة بها.

وعادة ما تقع على أوراق النباتات. يمكن أن تحتوي الخلية النباتية النموذجية على 10 إلى 100 بلاستيدات خضراء ، على الرغم من أن الرقم متغير تمامًا.

مثل الميتوكوندريا ، وراثة البلاستيدات الخضراء من الآباء إلى الأطفال يحدث من جانب أحد الوالدين وليس على حد سواء. في الواقع ، هذه العضيات تشبه إلى حد كبير الميتوكوندريا في جوانب مختلفة ، على الرغم من أنها أكثر تعقيدًا.

هيكل

البلاستيدات الخضراء هي عضيات كبيرة ، يتراوح طولها بين 5 و 10 ميكرون. يمكن تصور خصائص هذا الهيكل تحت المجهر الضوئي التقليدي.

إنها محاطة بغشاء دهني مزدوج. بالإضافة إلى ذلك ، لديهم نظام ثالث من الأغشية الداخلية ، يسمى أغشية الثايلاكويد.

هذا النظام الغشائي الأخير يشكل مجموعة من الهياكل الشبيهة بالقرص ، والمعروفة باسم thylakoids. يسمى اتحاد thylakoids في أكوام "grana" وهي مرتبطة مع بعضها البعض.

بفضل هذا النظام الثلاثي للأغشية ، فإن البنية الداخلية للبلاستيدات الخضراء معقدة وتنقسم إلى ثلاثة مسافات: الفضاء بين الغشاء (بين الغشاءين الخارجيين) ، السدى (الموجود في البلاستيدات الخضراء وخارج الغشاء الثايلاكويد) و الماضي التجويف من الثايلاكويد.

أغشية خارجية وداخلية

يرتبط نظام الغشاء بتوليد ATP. مثل أغشية الميتوكوندريا ، فإن الغشاء الداخلي هو الذي يحدد مرور الجزيئات إلى العضية. فوسفاتيديل كولين وفوسفاتيديل جلسرين هما الشحوم الأكثر وفرة في أغشية البلاستيدات الخضراء.

الغشاء الخارجي يحتوي على سلسلة من المسام. يمكن أن تدخل الجزيئات الصغيرة بحرية عبر هذه القنوات. من ناحية أخرى ، لا يسمح الغشاء الداخلي بالعبور الحر لهذا النوع من الجزيئات منخفضة الوزن. لكي تدخل الجزيئات ، يجب أن تفعل ذلك عن طريق ناقلات محددة مثبتة على الغشاء.

في بعض الحالات ، هناك بنية تسمى الشبكة الطرفية ، تتكون من شبكة من الأغشية ، تنشأ بشكل خاص من الغشاء الداخلي للبلاستيدات الخضراء. بعض المؤلفين يعتبرونها فريدة بالنسبة للنباتات ذات التمثيل الغذائي C4 ، على الرغم من أنها وجدت في النباتات C3.

وظيفة هذه الأنابيب والحويصلات ليست واضحة بعد. يقترح أنها يمكن أن تسهم في النقل السريع للأيض والبروتينات داخل البلاستيدات الخضراء أو لزيادة سطح الغشاء الداخلي.

غشاء ثايلاكويد

سلسلة نقل الإلكترون المشاركة في عمليات التمثيل الضوئي تحدث في نظام الغشاء هذا. يتم ضخ البروتونات من خلال هذا الغشاء ، من السدى إلى داخل ثايلاكويد.

ينتج عن هذا التدرج توليف ATP ، عندما يتم توجيه البروتونات مرة أخرى إلى سدى. هذه العملية تعادل تلك التي تحدث في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا.

يتكون غشاء الثايلاكويد من أربعة أنواع من الدهون: أحادي الجلاكتوزيل ديايسيل جلسرين ، وديجلكتوسيل ديايسيل جلسرين ، وسلفوكينوفوسيل دياسيل جلسرين ، وفوسفاتيل جلسرين. كل نوع لديه وظيفة خاصة داخل طبقة الدهون في هذا القسم.

tilacoides

الثايلاكويدات عبارة عن بنى غشائية على شكل أكياس أو أقراص مسطحة مكدسة في "قرمزي"(الجمع من هذا الهيكل هو قمحة). يبلغ قطر هذه الأقراص من 300 إلى 600 نانومتر. في الفضاء الداخلي لل thylakoid يسمى التجويف.

لا تزال هندسة مكدس thylakoid قيد المناقشة. تم اقتراح نموذجين: الأول هو النموذج الحلزوني ، حيث يتم جرح الثايلاكويدات بين الحبوب الحلزونية الشكل..

في المقابل ، فإن النموذج الآخر يقترح التشعب. هذه الفرضية تشير إلى أن الجرانيت يتكون من التشعبات اللحمية.

اللحمية

سدى هو السائل الجيلاتيني الذي يحيط الثايلاكويدات ويوجد في المنطقة الداخلية من البلاستيدات الخضراء. هذه المنطقة يتوافق مع السيتوسول من البكتيريا المزعومة التي تسبب هذا النوع من البلاستيد.

ستجد في هذا المجال جزيئات الحمض النووي وكمية كبيرة من البروتينات والإنزيمات. على وجه التحديد ، تم العثور على الإنزيمات المشاركة في دورة كالفين لتثبيت ثاني أكسيد الكربون في عملية التمثيل الضوئي. يمكنك أيضا العثور على حبيبات النشا

في القصبة ، يمكنك العثور على البلاستيدات الخضراء من البلاستيدات الخضراء ، حيث أن هذه الهياكل توليف البروتينات الخاصة بها.

الجينوم

واحدة من أبرز خصائص البلاستيدات الخضراء هو أن لديهم نظامهم الوراثي الخاص.

تتكون المادة الوراثية للبلاستيدات الخضراء من جزيئات دائرية من الحمض النووي. كل عضية لها نسخ متعددة من هذا الجزيء الدائري من 12 إلى 16 كيلو بايت (كيلو بايت). يتم تنظيمها في هياكل تسمى nucleoids وتتكون من 10 إلى 20 نسخة من الجينوم البلاستي ، إلى جانب البروتينات وجزيئات الحمض النووي الريبي.

أكواد DNA كلوروبلاست لحوالي 120 إلى 130 جين. ينتج عن هذه البروتينات والحمض النووي الريبي المتعلقة بالعمليات الضوئية مثل مكونات النظام الضوئي الأول والثاني ، سينسيز ATP وواحد من الوحدات الفرعية لروبيسكو.

يعتبر روبيسكو (ريبولوز -1 ، 1.5 فوسفات الكربوكسيل / الأكسجيناز) مركب إنزيم أساسي في دورة كالفين. في الواقع ، يعتبر البروتين الأكثر وفرة على كوكب الأرض.

يتم استخدام RNAs والريبوسومات المنقولة في ترجمة رسائل RNA المشفرة في جينوم البلاستيدات الخضراء. ويشمل الرنا الريباسي 23S ، 16S ، 5S و 4.5S ونقل الحمض النووي الريبي. كما أنه رموز ل 20 بروتينات الريبوسوم ووحدات فرعية معينة من بوليميريز الحمض النووي الريبي.

ومع ذلك ، يتم تشفير بعض العناصر الضرورية لعمل البلاستيدات الخضراء في الجينوم النووي للخلية النباتية.

وظائف

يمكن اعتبار البلاستيدات الخضراء مراكز استقلابية مهمة في النباتات ، حيث تحدث تفاعلات كيميائية حيوية متعددة بفضل الطيف الواسع من الإنزيمات والبروتينات المثبتة على الأغشية التي تحتويها هذه العضيات.

لديهم وظيفة حاسمة في الكائنات الحية النباتية: إنه المكان الذي تحدث فيه عمليات التمثيل الضوئي ، حيث يتحول ضوء الشمس إلى كربوهيدرات ، مع الأكسجين كمنتج ثانوي..

تحدث سلسلة من الوظائف الثانوية للتخليق الحيوي أيضًا في البلاستيدات الخضراء. بعد ذلك سنناقش بالتفصيل كل وظيفة:

التركيب الضوئي

يحدث التمثيل الضوئي بفضل الكلوروفيل. تم العثور على هذا الصباغ داخل البلاستيدات الخضراء ، في أغشية الثايلاكويدات.

وهي تتألف من جزأين: حلقة وذيل. تحتوي الحلقة على المغنيسيوم وهي مسؤولة عن امتصاص الضوء. يمكن أن تمتص الضوء الأزرق والضوء الأحمر ، مما يعكس المساحة الخضراء للطيف الضوئي.

تحدث تفاعلات التمثيل الضوئي بفضل نقل الإلكترونات. تمنح الطاقة القادمة من الضوء الطاقة إلى صبغة الكلوروفيل (يقال إن الجزيء "متحمس بالضوء") ، مما تسبب في حركة هذه الجسيمات في غشاء الثايلاكويدات. الكلوروفيل يحصل على الإلكترونات من جزيء الماء.

هذه العملية تؤدي إلى تكوين التدرج الكهروكيميائي الذي يسمح بتوليف ATP في السدى. وكما هو معروف هذه المرحلة باسم "مضيئة".

الجزء الثاني من التمثيل الضوئي (أو المرحلة المظلمة) يحدث في السدى ويستمر في العصارة الخلوية. ومن المعروف أيضا باسم تفاعلات تثبيت الكربون. في هذه المرحلة ، يتم استخدام منتجات التفاعلات المذكورة أعلاه لبناء الكربوهيدرات من ثاني أكسيد الكربون₂.

توليف الجزيئات الحيوية

بالإضافة إلى ذلك ، فإن البلاستيدات الخضراء لها وظائف متخصصة أخرى تسمح بتطوير ونمو النبات.

يحدث في هذا الجسم العضوي استيعاب النترات والكبريتات ، ويمتلك الإنزيمات اللازمة لتخليق الأحماض الأمينية ، والهرمونات النباتية ، والفيتامينات ، والأحماض الدهنية ، والكلوروفيل والكاروتينات.

حددت بعض الدراسات عددًا كبيرًا من الأحماض الأمينية التي تم تصنيعها بواسطة هذه العضيات. درس كيرك وآخرون إنتاج الأحماض الأمينية في البلاستيدات الخضراء فيشيا فابا L.

وجد هؤلاء المؤلفون أن أكثر الأحماض الأمينية التي تم تصنيعها وفرة كانت الغلوتامات ، الأسبارتات والثريونين. أنواع أخرى ، مثل ألانين ، سيرين وجليسين تم تصنيعها أيضًا ولكن بكميات أقل. كما تم اكتشاف الأحماض الأمينية الثلاثة عشر المتبقية.

لقد تمكنوا من عزل الجينات المختلفة التي تشارك في تخليق الدهون. تمتلك البلاستيدات الخضراء المسارات اللازمة لتركيب دهون الأيزوبرنويد ، وهي ضرورية لإنتاج الكلوروفيل والأصباغ الأخرى.

الدفاع ضد مسببات الأمراض

لا تحتوي النباتات على جهاز مناعي متطور مماثل لنظام الحيوانات. لذلك ، يجب أن تنتج الهياكل الخلوية مواد مضادة للميكروبات لتكون قادرة على الدفاع ضد العوامل الضارة. لهذا الغرض ، يمكن للنباتات توليف أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) أو حمض الساليسيليك.

ترتبط البلاستيدات الخضراء بإنتاج هذه المواد التي تقضي على مسببات الأمراض المحتملة التي تدخل النبات.

وبالمثل ، فإنها تعمل بمثابة "أجهزة استشعار الجزيئية" وتشارك في آليات التنبيه ، ونقل المعلومات إلى العضيات الأخرى.

البلاستيدات الأخرى

تنتمي البلاستيدات الخضراء إلى عائلة من العضيات النباتية تسمى البلاستيدات أو البلاستيدات. تختلف البلاستيدات الخضراء بشكل أساسي عن بقية البلاستيدات لأنها تمتلك صبغة الكلوروفيل. البلاستيدات الأخرى هي:

-Chromoplasts: تحتوي هذه الهياكل على الكاروتينات الموجودة في الزهور والأزهار. بفضل هذه الأصباغ ، تتمتع هياكل الخضار بألوان صفراء وبرتقالية وحمراء.

-leucoplastos: هذه البلاستيدات لا تحتوي على أصباغ وبالتالي فهي بيضاء. أنها بمثابة احتياطي وتوجد في الأجهزة التي لا تتلقى الضوء المباشر.

-Amyloplasts: تحتوي على النشا وتوجد في الجذور والدرنات.

Plastids تنشأ من هياكل تسمى protoplastidia. واحدة من السمات الأكثر لفتا للنظر من البلاستيدات هي ملكيتها لتغيير النوع ، على الرغم من أنها بالفعل في مرحلة النضج. هذا التغيير ناجم عن إشارات بيئية أو جوهرية من المصنع.

على سبيل المثال ، البلاستيدات الخضراء قادرة على توليد البلاستيدات الخضراء. لهذا التغيير ، يتفكك غشاء الثايلاكويد ويتم تصنيع الكاروتينات.

مراجع

1. ألين ، ج. ف. (2003). لماذا Chloroplasts والميتوكوندريا تحتوي على الجينوم. الجينوم المقارن والوظيفي, 4(1) ، 31-36.
2. Cooper، G. M (2000). الخلية: النهج الجزيئي. الطبعة الثانية. شركاء سيناور
3. دانييل ، هـ. ، لين ، سي. ، يو ، إم. ، وتشانغ ، و. (2016). جينومات البلاستيدات الخضراء: التنوع والتطور والتطبيقات في الهندسة الوراثية. بيولوجيا الجينوم, 17, 134.
4. Gracen، V.E.، Hilliard، J.H.، Brown، R.H.، & West، S.H (1972). الشبكة المحيطية في البلاستيدات الخضراء من النباتات التي تختلف في مسارات تثبيت ثاني أكسيد الكربون والتنفس الضوئي. مصنع, 107(3) ، 189-204.
5. Gray، M. W. (2017). لين مارغوليس وافتراض الاندوسيمبيت: 50 سنة بعد ذلك. البيولوجيا الجزيئية للخلية, 28(10) ، 1285-1287.
6. Jensen، P. E.، & Leister، D. (2014). تطور البلاستيدات الخضراء ، هيكلها ووظائفها. تقارير F1000Prime, 6, 40.
7. كيرك ، ر. ، وليش ، ر. م (1972). التركيب الحيوي للحمض الأميني بواسطة البلاستيدات الخضراء المعزولة خلال عملية التمثيل الضوئي . فسيولوجيا النبات, 50(2) ، 228-234.
8. كوباياشي ، ك. ، وادا ، هـ. (2016). دور الدهون في التكاثر الحيوي للبلاستيدات الخضراء. في الدهون في تطوير النبات والطحالب (ص. 103-125). سبرينغر ، شام.
9. Sowden، R. G.، Watson، S.J.، & Jarvis، P. (2017). دور البلاستيدات الخضراء في أمراض النبات. مقالات في الكيمياء الحيوية, EBC20170020.
10. Wise، R. R.، & Hoober، J. K. (2007). هيكل ووظيفة البلاستيدات. سبرينغر للعلوم ووسائل الإعلام التجارية.