Dunia tumbuhan adalah salah satu kekayaan utama planet kita. Berkat flora di Bumi, ada oksigen yang kita semua hirup, ada basis makanan yang sangat besar di mana semua makhluk hidup bergantung. Tumbuhan itu unik karena dapat mengubah senyawa kimia anorganik menjadi zat organik.
Mereka melakukan ini melalui fotosintesis. Proses terpenting ini terjadi di organel tanaman tertentu, kloroplas. Elemen terkecil ini sebenarnya memastikan keberadaan semua kehidupan di planet ini. Omong-omong, apa itu kloroplas?
Definisi dasar
Ini adalah nama struktur spesifik tempat berlangsungnya proses fotosintesis, yang ditujukan untuk pengikatan karbon dioksida dan pembentukan karbohidrat tertentu. Produk sampingannya adalah oksigen. Ini adalah organel memanjang, mencapai lebar 2-4 mikron, panjangnya mencapai 5-10 mikron. Beberapa spesies alga hijau terkadang memiliki kloroplas raksasa yang panjangnya 50 mikron!
Ganggang yang sama dapat memilikifitur lain: untuk seluruh sel mereka hanya memiliki satu organel dari spesies ini. Dalam sel tumbuhan tingkat tinggi, paling sering terdapat dalam 10-30 kloroplas. Namun, dalam kasus mereka, mungkin ada pengecualian yang mencolok. Jadi, dalam jaringan palisade dari bercinta biasa ada 1000 kloroplas per sel. Untuk apa kloroplas ini? Fotosintesis adalah peran utama mereka, tetapi jauh dari satu-satunya. Untuk memahami dengan jelas signifikansinya dalam kehidupan tumbuhan, penting untuk mengetahui banyak aspek asal usul dan perkembangannya. Semua ini dijelaskan dalam sisa artikel.
Asal usul kloroplas
Jadi, apa itu kloroplas, kita pelajari. Dari mana organel ini berasal? Bagaimana bisa tumbuhan mengembangkan alat unik yang mengubah karbon dioksida dan air menjadi senyawa organik kompleks?
Saat ini, di antara para ilmuwan, sudut pandang asal endosimbiosis organel ini berlaku, karena kemunculannya yang independen dalam sel tumbuhan agak diragukan. Seperti diketahui, lumut kerak merupakan simbiosis alga dan jamur. Alga uniseluler hidup di dalam sel jamur. Sekarang para ilmuwan menyarankan bahwa di zaman kuno, cyanobacteria fotosintesis menembus ke dalam sel tanaman, dan kemudian sebagian kehilangan "kemandirian" mereka, mentransfer sebagian besar genom ke nukleus.
Tetapi organoid baru mempertahankan fitur utamanya secara penuh. Ini hanya tentang proses fotosintesis. Namun, peralatan itu sendiri, yang diperlukan untuk melakukan proses ini, dibentuk di bawah:mengontrol inti sel dan kloroplas itu sendiri. Dengan demikian, pembelahan organel ini dan proses lain yang terkait dengan penerapan informasi genetik menjadi DNA dikendalikan oleh nukleus.
Bukti
Relatif baru-baru ini, hipotesis asal prokariotik unsur-unsur ini tidak terlalu populer di komunitas ilmiah, banyak yang menganggapnya sebagai "penemuan amatir." Tetapi setelah analisis mendalam tentang urutan nukleotida dalam DNA kloroplas, asumsi ini dikonfirmasi dengan cemerlang. Ternyata struktur ini sangat mirip, bahkan terkait, dengan DNA sel bakteri. Jadi, urutan serupa ditemukan pada cyanobacteria yang hidup bebas. Secara khusus, gen kompleks sintesis ATP, serta dalam "mesin" transkripsi dan translasi, ternyata sangat mirip.
Promotor yang menentukan awal membaca informasi genetik dari DNA, serta urutan nukleotida terminal yang bertanggung jawab untuk penghentiannya, juga diatur dalam gambar dan rupa bakteri. Tentu saja, miliaran tahun transformasi evolusioner dapat membuat banyak perubahan pada kloroplas, tetapi urutan dalam gen kloroplas tetap sama. Dan ini tak terbantahkan, bukti lengkap bahwa kloroplas memang pernah memiliki nenek moyang prokariotik. Mungkin organisme dari mana cyanobacteria modern juga berevolusi.
Perkembangan kloroplas dari proplastid
Organoid "dewasa" berkembang dari proplastid. Ini kecil, sama sekali tidak berwarnaorganel yang hanya beberapa mikron. Itu dikelilingi oleh membran bilayer padat yang mengandung DNA sirkular spesifik kloroplas. "Nenek moyang" organel ini tidak memiliki sistem membran internal. Karena ukurannya yang sangat kecil, studi mereka sangat sulit, dan oleh karena itu sangat sedikit data tentang perkembangan mereka.
Telah diketahui bahwa beberapa dari protoplastida ini terdapat dalam inti setiap sel telur hewan dan tumbuhan. Selama perkembangan embrio, mereka membelah dan dipindahkan ke sel lain. Ini mudah untuk diverifikasi: sifat-sifat genetik yang entah bagaimana terkait dengan plastida ditransmisikan hanya melalui garis ibu.
Membran bagian dalam protoplastid menonjol ke dalam organoid selama perkembangan. Dari struktur ini, membran tilakoid tumbuh, yang bertanggung jawab untuk pembentukan butiran dan lamela stroma organoid. Dalam kegelapan total, protopastid mulai berubah menjadi prekursor kloroplas (etioplast). Organoid primer ini dicirikan oleh fakta bahwa struktur kristal yang agak kompleks terletak di dalamnya. Begitu cahaya mengenai daun tanaman, itu benar-benar hancur. Setelah itu, terjadi pembentukan struktur internal "tradisional" kloroplas, yang hanya dibentuk oleh tilakoid dan lamela.
Perbedaan tanaman penyimpanan pati
Setiap sel meristem mengandung beberapa proplastid ini (jumlahnya bervariasi tergantung pada jenis tanaman dan faktor lainnya). Segera setelah jaringan primer ini mulai berubah menjadi daun, organel prekursor berubah menjadi kloroplas. Jadi,Daun gandum muda yang telah selesai pertumbuhannya memiliki kloroplas dalam jumlah 100-150 lembar. Hal-hal sedikit lebih rumit untuk tanaman yang mampu mengakumulasi pati.
Mereka menyimpan karbohidrat ini dalam plastida yang disebut amiloplas. Tapi apa hubungan organel ini dengan topik artikel kita? Bagaimanapun, umbi kentang tidak terlibat dalam fotosintesis! Biarkan saya mengklarifikasi masalah ini secara lebih rinci.
Kami menemukan apa itu kloroplas, sambil mengungkap hubungan organoid ini dengan struktur organisme prokariotik. Di sini situasinya serupa: para ilmuwan telah lama menemukan bahwa amiloplas, seperti kloroplas, mengandung DNA yang persis sama dan terbentuk dari protoplastida yang persis sama. Oleh karena itu, mereka harus dipertimbangkan dalam aspek yang sama. Faktanya, amiloplas harus dianggap sebagai jenis kloroplas khusus.
Bagaimana amiloplas terbentuk?
Seseorang dapat menggambar analogi antara protoplastid dan sel punca. Sederhananya, amiloplas dari beberapa titik mulai berkembang di sepanjang jalur yang sedikit berbeda. Namun, para ilmuwan mempelajari sesuatu yang aneh: mereka berhasil mencapai transformasi timbal balik kloroplas dari daun kentang menjadi amiloplas (dan sebaliknya). Contoh kanonik, yang diketahui oleh setiap anak sekolah, adalah bahwa umbi kentang berubah menjadi hijau dalam cahaya.
Informasi lain tentang cara diferensiasi organel ini
Kita tahu bahwa dalam proses pematangan buah tomat, apel dan beberapa tanaman lainnya (dan di daun pohon, rumput dan semak di musim gugur)"degradasi", ketika kloroplas dalam sel tumbuhan berubah menjadi kromoplas. Organel ini mengandung pigmen pewarna, karotenoid.
Transformasi ini disebabkan oleh fakta bahwa dalam kondisi tertentu, tilakoid benar-benar hancur, setelah itu organel memperoleh organisasi internal yang berbeda. Di sini kita kembali ke masalah yang mulai kita bahas di awal artikel: pengaruh nukleus pada perkembangan kloroplas. Itu, melalui protein khusus yang disintesis di sitoplasma sel, yang memulai proses restrukturisasi organoid.
Struktur kloroplas
Setelah berbicara tentang asal usul dan perkembangan kloroplas, kita harus membahas strukturnya secara lebih rinci. Selain itu, sangat menarik dan layak untuk dibahas secara terpisah.
Struktur dasar kloroplas terdiri dari dua membran lipoprotein, dalam dan luar. Ketebalan masing-masing sekitar 7 nm, jarak antara mereka adalah 20-30 nm. Seperti dalam kasus plastida lain, lapisan dalam membentuk struktur khusus yang menonjol ke dalam organoid. Dalam kloroplas dewasa, ada dua jenis membran "berliku-liku" sekaligus. Yang pertama membentuk lamela stroma, yang terakhir membentuk membran tilakoid.
Lamella dan tilakoid
Perlu dicatat bahwa ada hubungan yang jelas antara membran kloroplas dengan formasi serupa yang terletak di dalam organoid. Faktanya adalah bahwa beberapa lipatannya dapat memanjang dari satu dinding ke dinding lainnya (seperti pada mitokondria). Jadi lamela dapat membentuk semacam "kantong" atau bercabangjaringan. Namun, paling sering struktur ini terletak sejajar satu sama lain dan tidak terhubung dengan cara apa pun.
Jangan lupa bahwa di dalam kloroplas juga terdapat membran tilakoid. Ini adalah "tas" tertutup yang disusun dalam tumpukan. Seperti pada kasus sebelumnya, ada jarak 20-30 nm antara dua dinding rongga. Kolom "kantong" ini disebut biji-bijian. Setiap kolom dapat berisi hingga 50 tilakoid, dan dalam beberapa kasus bahkan lebih. Karena "dimensi" keseluruhan dari tumpukan tersebut dapat mencapai 0,5 mikron, terkadang tumpukan tersebut dapat dideteksi menggunakan mikroskop cahaya biasa.
Jumlah butir yang terkandung dalam kloroplas tumbuhan tingkat tinggi bisa mencapai 40-60. Setiap tilakoid melekat erat satu sama lain sehingga membran luarnya membentuk satu bidang. Ketebalan lapisan di persimpangan bisa sampai 2 nm. Perhatikan bahwa struktur seperti itu, yang dibentuk oleh tilakoid dan lamela yang berdekatan, tidak jarang.
Di tempat kontak mereka juga ada lapisan, terkadang mencapai 2 nm yang sama. Dengan demikian, kloroplas (struktur dan fungsinya sangat kompleks) bukanlah struktur monolitik tunggal, tetapi semacam "keadaan dalam keadaan". Dalam beberapa aspek, struktur organel ini tidak kalah kompleksnya dengan keseluruhan struktur seluler!
Granas saling berhubungan secara tepat dengan bantuan lamellae. Tetapi rongga tilakoid, yang membentuk tumpukan, selalu tertutup dan tidak berkomunikasi dengan antarmembran dengan cara apa pun.ruang angkasa. Seperti yang Anda lihat, struktur kloroplas cukup kompleks.
Pigmen apa yang dapat ditemukan dalam kloroplas?
Apa yang dapat terkandung dalam stroma setiap kloroplas? Ada molekul DNA individu dan banyak ribosom. Dalam amiloplas, di stromalah butiran pati disimpan. Dengan demikian, kromoplas memiliki pigmen pewarna di sana. Tentu saja, ada berbagai pigmen kloroplas, tetapi yang paling umum adalah klorofil. Ini dibagi menjadi beberapa jenis sekaligus:
- Grup A (biru-hijau). Itu terjadi pada 70% kasus, terkandung dalam kloroplas semua tumbuhan tingkat tinggi dan alga.
- Grup B (kuning-hijau). 30% sisanya juga ditemukan pada spesies tumbuhan dan alga yang lebih tinggi.
- Grup C, D, dan E jauh lebih jarang. Ditemukan di kloroplas beberapa spesies alga dan tumbuhan tingkat rendah.
Tidak jarang rumput laut merah dan coklat memiliki jenis pewarna organik yang sangat berbeda dalam kloroplasnya. Beberapa alga umumnya mengandung hampir semua pigmen kloroplas yang ada.
Fungsi Kloroplas
Tentu saja, fungsi utamanya adalah mengubah energi cahaya menjadi komponen organik. Fotosintesis itu sendiri terjadi pada biji-bijian dengan partisipasi langsung klorofil. Ini menyerap energi sinar matahari, mengubahnya menjadi energi elektron tereksitasi. Yang terakhir, memiliki kelebihan pasokan, mengeluarkan kelebihan energi, yang digunakan untuk dekomposisi air dan sintesis ATP. Ketika air terurai, oksigen dan hidrogen terbentuk. Yang pertama, seperti yang kami tulis di atas, adalah produk sampingan dan dilepaskan ke ruang sekitarnya, dan hidrogen mengikat protein khusus, ferredoxin.
Ini mengoksidasi lagi, mentransfer hidrogen ke agen pereduksi, yang dalam biokimia disingkat NADP. Dengan demikian, bentuk tereduksinya adalah NADP-H2. Sederhananya, fotosintesis menghasilkan zat berikut: ATP, NADP-H2, dan produk sampingan berupa oksigen.
Peran energi ATP
ATP yang terbentuk sangat penting, karena merupakan "akumulator" energi utama yang digunakan untuk berbagai kebutuhan sel. NADP-H2 mengandung zat pereduksi, hidrogen, dan senyawa ini dapat dengan mudah melepaskannya jika perlu. Sederhananya, ini adalah zat pereduksi kimia yang efektif: dalam proses fotosintesis, banyak reaksi terjadi yang tidak dapat berjalan tanpanya.
Selanjutnya, enzim kloroplas berperan, yang bekerja dalam gelap dan di luar gran: hidrogen dari zat pereduksi dan energi ATP digunakan oleh kloroplas untuk memulai sintesis sejumlah zat organik. Karena fotosintesis terjadi dalam kondisi penerangan yang baik, senyawa yang terakumulasi digunakan untuk kebutuhan tanaman itu sendiri pada waktu gelap.
Anda dapat dengan tepat memperhatikan bahwa proses ini secara mencurigakan mirip dengan bernapas dalam beberapa aspek. Apa perbedaan fotosintesis dengannya? Tabel akan membantu Anda memahami masalah ini.
| Barang perbandingan | Fotosintesis | Bernafas |
| Saat itu terjadi | Hanya siang hari, di bawah sinar matahari | Kapan saja |
| Di mana kebocorannya | Sel yang mengandung klorofil | Semua sel hidup |
| Oksigen | Sorot | Penyerapan |
| CO2 | Penyerapan | Sorot |
| Bahan organik | Sintesis, pemisahan sebagian | Hanya terpisah |
| Energi | Menelan | Menonjol |
Inilah perbedaan fotosintesis dengan respirasi. Tabel dengan jelas menunjukkan perbedaan utama mereka.
Beberapa "paradoks"
Sebagian besar reaksi lebih lanjut terjadi di sana, di stroma kloroplas. Jalur lebih lanjut dari zat yang disintesis berbeda. Jadi, gula sederhana segera melampaui organoid, terakumulasi di bagian lain sel dalam bentuk polisakarida, terutama pati. Dalam kloroplas, terjadi pengendapan lemak dan akumulasi awal prekursornya, yang kemudian diekskresikan ke area sel lainnya.
Harus dipahami dengan jelas bahwa semua reaksi fusi membutuhkan energi yang sangat besar. Satu-satunya sumbernya adalah fotosintesis yang sama. Ini adalah proses yang seringkali membutuhkan begitu banyak energi sehingga harus diperoleh,menghancurkan zat yang terbentuk sebagai hasil dari sintesis sebelumnya! Jadi, sebagian besar energi yang diperoleh dalam perjalanannya dihabiskan untuk melakukan banyak reaksi kimia di dalam sel tumbuhan itu sendiri.
Hanya sebagian yang digunakan untuk langsung mendapatkan zat organik yang dibutuhkan tanaman untuk pertumbuhan dan perkembangannya sendiri atau simpanan dalam bentuk lemak atau karbohidrat.
Apakah kloroplas statis?
Sudah diterima secara umum bahwa organel seluler, termasuk kloroplas (struktur dan fungsi yang telah kami jelaskan secara rinci), terletak di satu tempat. Ini tidak benar. Kloroplas dapat bergerak mengelilingi sel. Jadi, dalam cahaya rendah, mereka cenderung mengambil posisi di dekat sisi sel yang paling terang, dalam kondisi cahaya sedang dan rendah, mereka dapat memilih beberapa posisi menengah di mana mereka berhasil "menangkap" sinar matahari paling banyak. Fenomena ini disebut "fototaksis".
Seperti mitokondria, kloroplas adalah organel yang cukup otonom. Mereka memiliki ribosom sendiri, mereka mensintesis sejumlah protein yang sangat spesifik yang hanya digunakan oleh mereka. Bahkan ada kompleks enzim tertentu, selama pekerjaan yang menghasilkan lipid khusus, yang diperlukan untuk konstruksi cangkang lamella. Kami telah berbicara tentang asal usul prokariotik dari organel ini, tetapi harus ditambahkan bahwa beberapa ilmuwan menganggap kloroplas sebagai keturunan purba dari beberapa organisme parasit yang pertama kali menjadi simbion, dan kemudian sepenuhnyatelah menjadi bagian integral dari sel.
Pentingnya kloroplas
Untuk tumbuhan, sudah jelas - ini adalah sintesis energi dan zat yang digunakan oleh sel tumbuhan. Tapi fotosintesis adalah proses yang memastikan akumulasi konstan bahan organik pada skala planet. Dari karbon dioksida, air dan sinar matahari, kloroplas dapat mensintesis sejumlah besar senyawa kompleks bermolekul tinggi. Kemampuan ini adalah karakteristik hanya untuk mereka, dan seseorang masih jauh dari mengulangi proses ini dalam kondisi buatan.
Semua biomassa di permukaan planet kita berutang keberadaannya pada organel terkecil ini, yang terletak di kedalaman sel tumbuhan. Tanpa mereka, tanpa proses fotosintesis yang dilakukan oleh mereka, tidak akan ada kehidupan di Bumi dalam manifestasi modernnya.
Kami harap Anda telah belajar dari artikel ini apa itu kloroplas dan apa perannya dalam organisme tumbuhan.
