Хлоропласт ( / ˈ k l ɔːr ə ˌ p l æ s t , - p l ɑː s t / ) [1] [2] — это тип органеллы, известной как пластида , которая проводит фотосинтез в основном в клетках растений и водорослей. Хлоропласты имеют высокую концентрацию пигментов хлорофилла , которые улавливают энергию солнечного света и преобразуют ее в химическую энергию и выделяют кислород . Созданная химическая энергия затем используется для производства сахара и других органических молекул из углекислого газа в процессе, называемом циклом Кальвина . Хлоропласты выполняют ряд других функций, включая синтез жирных кислот , синтез аминокислот и иммунный ответ у растений. Количество хлоропластов на клетку варьируется от одного у некоторых одноклеточных водорослей до 100 у растений, таких как Arabidopsis и пшеница .
Хлоропласты очень динамичны — они циркулируют и перемещаются внутри клеток. На их поведение сильно влияют факторы окружающей среды, такие как цвет и интенсивность света. Хлоропласты не могут быть созданы заново растительной клеткой и должны наследоваться каждой дочерней клеткой во время деления клетки, которое, как считается, унаследовано от их предка — фотосинтетической цианобактерии , которая была поглощена ранней эукариотической клеткой. [3]
Хлоропласты произошли от древней цианобактерии, которая была поглощена ранней эукариотической клеткой. Из-за своего эндосимбиотического происхождения хлоропласты, как и митохондрии , содержат собственную ДНК, отдельную от ядра клетки . За одним исключением ( амебоидная Paulinella chromatophora ), все хлоропласты можно проследить до одного эндосимбиотического события . Несмотря на это, хлоропласты можно обнаружить у чрезвычайно разнообразных организмов, которые не связаны друг с другом напрямую — следствие многих вторичных и даже третичных эндосимбиотических событий .
Первое окончательное описание хлоропласта ( Chlorophyllkörnen , «зерно хлорофилла») было дано Гуго фон Молем в 1837 году как дискретного тела внутри зеленой растительной клетки. [4] В 1883 году Андреас Франц Вильгельм Шимпер назвал эти тела «хлоропластидами» ( Chloroplastiden ). [5] В 1884 году Эдуард Страсбургер принял термин «хлоропласты» ( Chloroplasten ). [6] [7] [8]
Слово хлоропласт происходит от греческих слов chloros (χλωρός), что означает зеленый, и plastes (πλάστης), что означает «тот, кто формирует». [9]
Хлоропласты являются одним из многих типов органелл в фотосинтетических эукариотических клетках. Они произошли от цианобактерий через процесс, называемый органеллогенезом . [10] Цианобактерии представляют собой разнообразный тип грамотрицательных бактерий, способных осуществлять оксигенный фотосинтез . Как и хлоропласты, они имеют тилакоиды . [11] Мембраны тилакоидов содержат фотосинтетические пигменты , включая хлорофилл a . [12] [13] Такое происхождение хлоропластов впервые было предложено русским биологом Константином Меречковским в 1905 году [14] после того, как Андреас Франц Вильгельм Шимпер заметил в 1883 году, что хлоропласты очень похожи на цианобактерии . [5] Хлоропласты встречаются только у растений , водорослей , [15] и некоторых видов амебоидных Paulinella . [ 16]
Предполагается, что митохондрии произошли в результате аналогичного эндосимбиотического события, когда аэробный прокариот был поглощен. [17]
![Первичный эндосимбиоз Эукариот с митохондриями поглотил цианобактерию в результате последовательного первичного эндосимбиоза, создав линию клеток с обеими органеллами.[17]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b8/Chloroplast_endosymbiosis_simple.svg/1280px-Chloroplast_endosymbiosis_simple.svg.png)
Примерно два миллиарда лет назад [18] [19] [20] свободноживущая цианобактерия проникла в раннюю эукариотическую клетку, либо в качестве пищи, либо как внутренний паразит , [17], но сумела вырваться из фагоцитарной вакуоли, в которой она содержалась, и сохраниться внутри клетки. [12] Это событие называется эндосимбиозом , или «клеткой, живущей внутри другой клетки с взаимной выгодой для обеих». Внешнюю клетку обычно называют хозяином, а внутреннюю клетку называют эндосимбионтом . [17] Поглощенная цианобактерия предоставила хозяину преимущество, обеспечив его сахаром из фотосинтеза. [17] Со временем цианобактерия была ассимилирована, и многие ее гены были утеряны или перенесены в ядро хозяина. [21] Некоторые из белков цианобактерий затем синтезировались клеткой-хозяином и импортировались обратно в хлоропласт (ранее цианобактерию), что позволяло хозяину контролировать хлоропласт. [21] [22]
Хлоропласты, происхождение которых можно проследить непосредственно до цианобактериального предка (т. е. без последующего эндосимбиотического события), известны как первичные пластиды (« пластида » в этом контексте означает почти то же самое, что и хлоропласт [17] ). [23] Хлоропласты, происхождение которых можно проследить до другого фотосинтетического эукариотического эндосимбионта, называются вторичными пластидами или третичными пластидами (обсуждается ниже).
Долгое время велись споры о том, произошли ли первичные хлоропласты в результате одного эндосимбиотического события или нескольких независимых поглощений в различных эукариотических линиях. В настоящее время принято считать, что за одним исключением (амебоидная Paulinella chromatophora ) хлоропласты возникли в результате одного эндосимбиотического события около двух миллиардов лет назад, и все эти хлоропласты имеют одного предка . [19] Было высказано предположение, что ближайшим живым родственником предковой поглощенной цианобактерии является Gloeomargarita lithophora . [24] [25] [26] Отдельно, где-то около 90–140 миллионов лет назад, этот процесс снова произошел в амебоидной Paulinella с цианобактерией в роду Prochlorococcus . Этот независимо эволюционировавший хлоропласт часто называют хроматофором, а не хлоропластом. [27] [Примечание 1]
Считается, что хлоропласты возникли после митохондрий , поскольку все эукариоты содержат митохондрии, но не все имеют хлоропласты. [17] [28] Это называется серийным эндосимбиозом — когда ранний эукариот поглощает предка митохондрии , а затем его потомки поглощают предка хлоропласта, создавая клетку как с хлоропластами, так и с митохондриями. [17]
Многие другие организмы получили хлоропласты из первичных линий хлоропластов посредством вторичного эндосимбиоза — поглощения красной или зеленой водоросли первичным хлоропластом. Эти хлоропласты известны как вторичные пластиды . [23]
В результате вторичного эндосимбиотического события вторичные хлоропласты имеют дополнительные мембраны помимо исходных двух в первичных хлоропластах. [29] Во вторичных пластидах обычно остается только хлоропласт, а иногда его клеточная мембрана и ядро , образуя хлоропласт с тремя или четырьмя мембранами [30] — двумя мембранами цианобактерий, иногда клеточной мембраной съеденной водоросли и фагосомальной вакуолью из клеточной мембраны хозяина. [29]
Гены в фагоцитированном ядре эукариота часто переносятся в ядро вторичного хозяина. [29] Криптомонады и хлорарахниофиты сохраняют фагоцитированное ядро эукариота, объект, называемый нуклеоморфом , [ 29] расположенный между второй и третьей мембранами хлоропласта. [12] [22]
Все вторичные хлоропласты происходят из зеленых и красных водорослей . Вторичных хлоропластов из глаукофитов не наблюдалось, вероятно, потому, что глаукофиты относительно редки в природе, что делает менее вероятным их поглощение другим эукариотом. [29]
Другие организмы, включая динофлагелляты Karlodinium и Karenia , получили хлоропласты, поглощая организм вторичной пластидой. Они называются третичными пластидами . [23]
Все первичные хлоропласты принадлежат к одной из четырех линий хлоропластов — линии хлоропластов глаукофитов , линии хлоропластов родофитов («красных») и линии хлоропластов хлоропластов («зеленых»), амебоидной линии Paulinella chromatophora . [33] Линии глаукофитов, родофитов и хлоропластид произошли от одного и того же предкового эндосимбиотического события и все входят в группу Archaeplastida . [29]
Группа хлоропластов глаукофитов является наименьшей из трех основных линий хлоропластов, поскольку описано всего 25 видов глаукофитов. [34] Глаукофиты разделились первыми, прежде чем разделились линии красных и зеленых хлоропластов. [35] Из-за этого их иногда считают промежуточными между цианобактериями и красными и зелеными хлоропластами. [36] Это раннее расхождение подтверждается как филогенетическими исследованиями, так и физическими особенностями, присутствующими в хлоропластах глаукофитов и цианобактерий, но не в красных и зеленых хлоропластах. Во-первых, хлоропласты глаукофитов имеют пептидогликановую стенку, тип клеточной стенки, в противном случае только у бактерий (включая цианобактерии). [Примечание 2] Во-вторых, хлоропласты глаукофитов содержат концентрические неупакованные тилакоиды , которые окружают карбоксисому — икосаэдрическую структуру, содержащую фермент RuBisCO , отвечающий за фиксацию углерода . В-третьих, крахмал, вырабатываемый хлоропластом, собирается снаружи хлоропласта. [37] Кроме того, как и у цианобактерий, тилакоиды как глаукофитов, так и родофитов усеяны светособирающими структурами, называемыми фикобилисомами .
Группа родофитов, или красных водорослей , представляет собой большую и разнообразную родословную. [29] Хлоропласты родофитов также называются родопластами , [23] буквально «красные хлоропласты». [38] Родопласты имеют двойную мембрану с межмембранным пространством и пигментами фикобилина, организованными в фикобилисомы на мембранах тилакоидов, что предотвращает их тилакоиды от наложения друг на друга. [12] Некоторые содержат пиреноиды . [23] Родопласты имеют хлорофилл а и фикобилины [32] для фотосинтетических пигментов; фикобилин фикоэритрин отвечает за придание многим красным водорослям их отличительного красного цвета. [39] Однако, поскольку они также содержат сине-зеленый хлорофилл а и другие пигменты, многие из них имеют красноватый или фиолетовый цвет из-за их комбинации. [23] [ сомнительный – обсудить ] Красный пигмент фикоэритрин является адаптацией, помогающей красным водорослям улавливать больше солнечного света в глубокой воде [23] — поэтому некоторые красные водоросли, обитающие на мелководье, имеют меньше фикоэритрина в своих родопластах и могут выглядеть более зеленоватыми. [39] Родопласты синтезируют форму крахмала, называемую флоридским крахмалом , [23] который собирается в гранулы вне родопласта, в цитоплазме красной водоросли. [12]
Группа хлоропластид — это еще одна большая, весьма разнообразная группа, включающая как зеленые водоросли , так и наземные растения . [40] Эту группу также называют Viridiplantae , она включает две основные клады — Chlorophyta и Streptophyta .
Большинство зеленых хлоропластов имеют зеленый цвет, хотя некоторые не имеют его из-за дополнительных пигментов, которые перекрывают зеленый цвет хлорофиллов, например, в покоящихся клетках Haematococcus pluvialis . Зеленые хлоропласты отличаются от хлоропластов глаукофитов и красных водорослей тем, что они утратили свои фикобилисомы и содержат хлорофилл b . [12] Они также утратили пептидогликановую стенку между своей двойной мембраной, оставив межмембранное пространство. [12] Некоторые растения сохранили некоторые гены, необходимые для синтеза пептидогликана, но вместо этого перепрофилировали их для использования в делении хлоропластов. [41] Линии хлоропластид также хранят свой крахмал внутри своих хлоропластов. [12] [32] [40] У растений и некоторых водорослей тилакоиды хлоропластов организованы в стопки гран. Некоторые хлоропласты зеленых водорослей содержат структуру, называемую пиреноидом , [12] , которая концентрирует РуБисКО и СО2 в хлоропласте, функционально схожую с карбоксисомой глаукофитов . [42]
Существуют некоторые линии нефотосинтезирующих паразитических зеленых водорослей, которые полностью утратили свои хлоропласты, такие как Prototheca , [32] или не имеют хлоропластов, сохраняя при этом отдельный геном хлоропластов, как у Helicosporidium . [43] Морфологические и физиологические сходства, а также филогенетика подтверждают, что это линии, которые изначально имели хлоропласты, но с тех пор утратили их. [43] [44]
Фотосинтетические амебоиды рода Paulinella — P. chromatophora, P. micropora и морские P. longichromatophora — имеют единственный известный независимо эволюционировавший хлоропласт, часто называемый хроматофором . [Примечание 1] В то время как все другие хлоропласты произошли от одного древнего эндосимбиотического события, Paulinella независимо приобрела эндосимбиотическую цианобактерию из рода Synechococcus около 90–140 миллионов лет назад. [27] [29] Каждая клетка Paulinella содержит один или два хлоропласта в форме сосисок; [21] [45] они были впервые описаны в 1894 году немецким биологом Робертом Лаутерборном. [46]
Хроматофор сильно редуцирован по сравнению со своими свободно живущими родственниками цианобактериями и имеет ограниченные функции. Например, его геном составляет около 1 миллиона пар оснований , что составляет одну треть размера геномов Synechococcus , и он кодирует только около 850 белков. [21] Однако это все еще намного больше, чем геномы других хлоропластов, которые обычно составляют около 150 000 пар оснований. Хроматофоры также передали гораздо меньше своей ДНК ядру своих хозяев. Около 0,3–0,8% ядерной ДНК у Paulinella происходит из хроматофора, по сравнению с 11–14% из хлоропласта у растений. [45] Подобно другим хлоропластам, Paulinella поставляет специфические белки хроматофору, используя определенную целевую последовательность. [47] Поскольку хроматофоры намного моложе по сравнению с каноническими хлоропластами, Paulinella chromatophora изучается, чтобы понять, как эволюционировали ранние хлоропласты. [21]
Зеленые водоросли были захвачены многими группами в трех или четырех отдельных событиях. [48] В первую очередь, вторичные хлоропласты, полученные из зеленых водорослей, находятся в эвгленидах и хлорарахниофитах . Они также обнаружены в одной линии динофлагеллятов [32] и, возможно, предке линии CASH ( криптомонады , альвеоляты , страменопилы и гаптофиты ) [49] Многие хлоропласты, полученные из зеленых водорослей, содержат пиреноиды , но в отличие от хлоропластов у их предков из зеленых водорослей, продукт хранения собирается в гранулах за пределами хлоропласта. [12]
Эвгленофиты — это группа обычных жгутиконосцев , которые содержат хлоропласты, полученные из зеленой водоросли. [29] Эвгленофиты — единственная группа, за исключением Diaphoretickes , которая имеет хлоропласты без выполнения клептопластии . [50] [51] Хлоропласты эвгленофитов имеют три мембраны. Считается, что мембрана первичного хозяина эндосимбионта была утрачена (например, мембрана зеленой водоросли), оставив две цианобактериальные мембраны и фагосомальную мембрану вторичного хозяина. [29] Хлоропласты эвгленофитов имеют пиреноид и тилакоиды, сложенные в группы по три. Углерод, фиксированный посредством фотосинтеза, хранится в форме парамилона , который содержится в связанных с мембраной гранулах в цитоплазме эвгленофита. [12] [32]
Хлорарахниофиты — редкая группа организмов, которые также содержат хлоропласты, полученные из зеленых водорослей, [29] хотя их история более сложная, чем у эвгленофитов. Считается, что предком хлорарахниофитов был эукариот с хлоропластом, полученным из красных водорослей. Затем, как полагают, он потерял свой первый хлоропласт красной водоросли, а затем поглотил зеленую водоросль, дав ей второй хлоропласт, полученный из зеленых водорослей. [32]
Хлоропласты хлорарахниофитов ограничены четырьмя мембранами, за исключением области около клеточной мембраны, где мембраны хлоропластов сливаются в двойную мембрану. [12] Их тилакоиды расположены в свободных стопках по три. [12] У хлорарахниофитов есть форма полисахарида, называемая хризоламинарином , который они хранят в цитоплазме, [32] часто собираясь вокруг пиреноида хлоропласта , который выпячивается в цитоплазму. [12]
Хлоропласты хлорарахниофитов примечательны тем, что зеленая водоросль, из которой они произошли, не была полностью разрушена — ее ядро все еще сохраняется в виде нуклеоморфа [29], обнаруженного между второй и третьей мембранами хлоропласта [12] — перипластидного пространства, которое соответствует цитоплазме зеленой водоросли. [32]
Динофлагелляты в роде Lepidodinium утратили свой исходный хлоропласт перидинина и заменили его хлоропластом, полученным из зеленой водоросли (точнее, празинофитом ). [12] [52] Lepidodinium — единственный динофлагеллят, имеющий хлоропласт, который не принадлежит к родопластовой линии. Хлоропласт окружен двумя мембранами и не имеет нуклеоморфа — все гены нуклеоморфа были перенесены в ядро динофита . [52] Эндосимбиотическое событие, которое привело к этому хлоропласту, было последовательным вторичным эндосимбиозом, а не третичным эндосимбиозом — эндосимбионтом была зеленая водоросль , содержащая первичный хлоропласт (что создает вторичный хлоропласт). [32]
Вторичные хлоропласты, полученные из красных водорослей , по-видимому, были захвачены только один раз, после чего они диверсифицировались в большую группу, называемую хромальвеолятами . Сегодня они встречаются у гаптофитов , криптомонады , гетероконты , динофлагелляты и апикомплексаны . [32] Вторичные хлоропласты красных водорослей содержат хлорофилл с и окружены четырьмя мембранами. [12]
Криптофиты , или криптомонады, — это группа водорослей, которые содержат хлоропласт, полученный из красных водорослей. Хлоропласты криптофитов содержат нуклеоморф, который внешне напоминает нуклеоморф хлорарахниофитов . [29] Хлоропласты криптофитов имеют четыре мембраны, самая внешняя из которых является продолжением шероховатого эндоплазматического ретикулума . Они синтезируют обычный крахмал , который хранится в гранулах, находящихся в перипластидном пространстве — снаружи исходной двойной мембраны, в месте, которое соответствует цитоплазме красной водоросли. Внутри хлоропластов криптофитов находится пиреноид и тилакоиды в стопках по два. [12]
Их хлоропласты не имеют фикобилисом , [12] но у них есть пигменты фикобилины, которые они хранят в пространстве тилакоидов, а не закрепляют на внешней стороне мембран тилакоидов. [12] [29]
Криптофиты, возможно, сыграли ключевую роль в распространении хлоропластов на основе красных водорослей. [53] [54]
Гаптофиты похожи и тесно связаны с криптофитами или гетероконтофитами. [32] В их хлоропластах отсутствует нуклеоморф, [12] [29] их тилакоиды расположены стопками по три, и они синтезируют сахар хризоламинарин , который они хранят полностью вне хлоропласта, в цитоплазме гаптофита. [12]
Страменопилы , также известные как гетероконтофиты , представляют собой очень большую и разнообразную группу эукариот. В его состав входят Ochrophyta , в которую входят диатомовые водоросли , бурые водоросли (морские водоросли) и золотые водоросли (хризофиты) [39] — и Xanthophyceae (также называемые желто-зелеными водорослями). [32]
Гетероконтные хлоропласты очень похожи на хлоропласты гаптофитов. У них есть пиреноид , триплетные тилакоиды и, за некоторыми исключениями, [12] четырехслойная пластидная оболочка (внешняя эпипластидная мембрана, соединенная с эндоплазматическим ретикулумом ). Подобно гаптофитам, страменопилы хранят сахар в гранулах хризоламинарина в цитоплазме. [12] Хлоропласты страменопилов содержат хлорофилл a и, за некоторыми исключениями [12], хлорофилл c , [29] но также имеют каротиноиды , которые придают им их многочисленные цвета. [39]
Альвеоляты являются основным кладом одноклеточных эукариот как автотрофных, так и гетеротрофных членов. Наиболее заметной общей характеристикой является наличие кортикальных (внешняя область) альвеол (мешочков). Это уплощенные пузырьки (мешочки), упакованные в непрерывный слой прямо под мембраной и поддерживающие ее, обычно образуя гибкую пелликулу (тонкую кожу). У динофлагеллят они часто образуют броневые пластины. Многие члены содержат пластиду, полученную из красных водорослей. Одной из заметных характеристик этой разнообразной группы является частая потеря фотосинтеза. Однако большинство этих гетеротрофов продолжают обрабатывать нефотосинтетическую пластиду. [55]
Апикомплексаны — это группа альвеолят. Как и геликоспроидии , они паразитируют и имеют нефотосинтетический хлоропласт. [32] Когда-то их считали родственниками геликоспроидий, но теперь известно, что геликоспроиды — это зеленые водоросли, а не часть линии CASH. [32] К апикомплексанам относится Plasmodium , малярийный паразит. Многие апикомплексаны сохраняют рудиментарный хлоропласт, полученный из красных водорослей [56] [32], называемый апикопластом , который они унаследовали от своих предков. Другие апикомплексаны, такие как Cryptosporidium, полностью утратили хлоропласт. [56] Апикомплексаны хранят свою энергию в гранулах амилопектина , которые находятся в их цитоплазме, хотя они и нефотосинтетические. [12]
Апикопласты утратили всю фотосинтетическую функцию и не содержат фотосинтетических пигментов или настоящих тилакоидов. Они ограничены четырьмя мембранами, но мембраны не соединены с эндоплазматическим ретикулумом . [12] Тот факт, что апикомплексаны все еще сохраняют свой нефотосинтетический хлоропласт, демонстрирует, как хлоропласт выполняет важные функции, помимо фотосинтеза . Растительные хлоропласты снабжают растительные клетки многими важными вещами, помимо сахара, и апикопласты ничем не отличаются — они синтезируют жирные кислоты , изопентенилпирофосфат , железо-серные кластеры и осуществляют часть пути гема . [56] Это делает апикопласт привлекательной мишенью для лекарств, предназначенных для лечения заболеваний, связанных с апикомплексанами. [23] Наиболее важной функцией апикопласта является синтез изопентенилпирофосфата — на самом деле, апикомплексаны погибают, когда что-то мешает этой функции апикопласта, а когда апикомплексаны выращиваются в среде, богатой изопентенилпирофосфатом, они сбрасывают органеллу. [56]
Chromerida — это недавно обнаруженная группа водорослей из австралийских кораллов, которая включает в себя некоторых близких фотосинтетических родственников апикомплексанов. Первый член, Chromera velia , был обнаружен и впервые изолирован в 2001 году. Открытие Chromera velia со структурой, похожей на апикомплексы, обеспечивает важную связь в эволюционной истории апикомплексов и динофитов. Их пластиды имеют четыре мембраны, лишены хлорофилла c и используют форму RuBisCO типа II, полученную в результате горизонтального переноса. [57]
Динофлагелляты — еще одна очень большая и разнообразная группа простейших , около половины из которых (по крайней мере частично ) фотосинтезируют . [39] [52]
Большинство динофитовых хлоропластов являются вторичными хлоропластами, полученными из красных водорослей . Многие другие динофиты утратили хлоропласт (став нефотосинтетическим видом динофлагеллят) или заменили его посредством третичного эндосимбиоза [58] — поглощения другой эукариотической водоросли, содержащей хлоропласт, полученный из красных водорослей. Другие заменили свой исходный хлоропласт на хлоропласт, полученный из зеленых водорослей . [29] [32] [52]
Большинство хлоропластов динофитов содержат форму II RuBisCO, по крайней мере фотосинтетические пигменты хлорофилл a , хлорофилл c2 , бета - каротин и по крайней мере один уникальный для динофитов ксантофилл ( перидинин , диноксантин или диадиноксантин ), что придает многим растениям золотисто-коричневый цвет. [55] [52] Все динофиты хранят крахмал в своей цитоплазме, и у большинства есть хлоропласты с тилакоидами, расположенными в стопках по три. [12]
Наиболее распространенным хлоропластом динофитов является хлоропласт перидининового типа, характеризующийся каротиноидным пигментом перидинином в их хлоропластах, а также хлорофиллом a и хлорофиллом c 2 . [29] [52] Перидинин не встречается ни в одной другой группе хлоропластов. [52] Перидиновый хлоропласт ограничен тремя мембранами (иногда двумя), [12] утратив исходную клеточную мембрану эндосимбионта красной водоросли. [29] [32] Самая внешняя мембрана не связана с эндоплазматическим ретикулумом. [12] [52] Они содержат пиреноид и имеют триплетно-сложенные тилакоиды. Крахмал находится снаружи хлоропласта. [12] Важной особенностью этих хлоропластов является то, что их хлоропластная ДНК сильно редуцирована и фрагментирована на множество маленьких кругов. Большая часть генома переместилась в ядро, и только важные гены, связанные с фотосинтезом, остались в хлоропласте. [52]
Перидиновый хлоропласт считается «исходным» хлоропластом динофитов [52] , который был утрачен, редуцирован, заменен или присутствует в нескольких других линиях динофитов. [32]
Линии динофитов фукоксантина (включая Karlodinium и Karenia ) [32] утратили свой исходный хлоропласт, полученный из красных водорослей, и заменили его новым хлоропластом, полученным из эндосимбионта гаптофита , создав эти третичные пластиды. Karlodinium и Karenia , вероятно, заняли разные гетероконтофиты. [32] Поскольку хлоропласт гаптофита имеет четыре мембраны, можно было бы ожидать, что третичный эндосимбиоз создаст хлоропласт с шестью мембранами, добавив клеточную мембрану гаптофита и фагосомальную вакуоль динофита . [60] Однако гаптофит был сильно редуцирован, лишен нескольких мембран и своего ядра, оставив только свой хлоропласт (с его исходной двойной мембраной) и, возможно, одну или две дополнительные мембраны вокруг него. [32] [60]
Хлоропласты, содержащие фукоксантин, характеризуются наличием пигмента фукоксантина (на самом деле 19′-гексаноилокси-фукоксантин и/или 19′-бутаноилокси-фукоксантин) и отсутствием перидинина. Фукоксантин также обнаружен в хлоропластах гаптофитов, что свидетельствует о родословной. [52]
Некоторые динофиты, такие как Kryptoperidinium и Durinskia , [32] имеют хлоропласт, полученный из диатомовых ( гетероконтофитовых ) водорослей. [29] Эти хлоропласты ограничены до пяти мембран, [29] (в зависимости от того, считается ли весь эндосимбионт диатомовых водорослей хлоропластом или только хлоропласт, полученный из красных водорослей внутри него). Эндосимбионт диатомовых водорослей был редуцирован относительно мало — он все еще сохраняет свои исходные митохондрии , [32] и имеет эндоплазматический ретикулум , рибосомы , ядро и, конечно, хлоропласты, полученные из красных водорослей — практически полноценную клетку , [61] все внутри просвета эндоплазматического ретикулума хозяина . [32] Однако эндосимбионт диатомовых водорослей не может запасать собственную пищу — его запасной полисахарид находится в гранулах в цитоплазме хозяина-динофита. [12] [61] Ядро эндосимбионта диатомовых водорослей присутствует, но его, вероятно, нельзя назвать нуклеоморфом, поскольку оно не показывает никаких признаков редукции генома и, возможно, даже было расширено . [32] Диатомовые водоросли были поглощены динофлагеллятами по крайней мере три раза. [32]
Диатомовый эндосимбионт ограничен одной мембраной, [52] внутри него находятся хлоропласты с четырьмя мембранами. Как и диатомовый предок диатомового эндосимбионта, хлоропласты имеют триплетные тилакоиды и пиреноиды . [61]
В некоторых из этих родов хлоропласты эндосимбионта диатомовых водорослей не являются единственными хлоропластами в динофите. Первоначальный трехмембранный перидиновый хлоропласт все еще существует, преобразованный в глазное пятно . [29] [32]
В некоторых группах миксотрофных протистов , таких как некоторые динофлагелляты (например, Dinophysis ), хлоропласты отделяются от захваченной водоросли и используются временно. Эти клептопласты могут иметь продолжительность жизни всего несколько дней, а затем заменяются. [62] [63]
Представители рода Dinophysis имеют хлоропласт, содержащий фикобилин [60] , взятый у криптофита . [29] Однако криптофит не является эндосимбионтом — похоже, был взят только хлоропласт, а хлоропласт был лишен своего нуклеоморфа и двух внешних мембран, оставив только двухмембранный хлоропласт. Хлоропластам криптофита требуется их нуклеоморф для поддержания себя, а виды Dinophysis, выращенные только в клеточной культуре, не могут выжить, поэтому возможно (но не подтверждено), что хлоропласт Dinophysis является клептопластом — если это так, хлоропласты Dinophysis изнашиваются, и виды Dinophysis должны постоянно поглощать криптофиты, чтобы получить новые хлоропласты для замены старых. [52]
Хлоропласты, как и другие эндосимбиотические органеллы, содержат геном, отдельный от генома в ядре клетки . Существование хлоропластной ДНК (cpDNA) было идентифицировано биохимически в 1959 году [64] и подтверждено электронной микроскопией в 1962 году. [65] Открытия того, что хлоропласт содержит рибосомы [66] и выполняет синтез белка [67], показали, что хлоропласт генетически полуавтономен. ДНК хлоропласта была впервые секвенирована в 1986 году. [68] С тех пор были секвенированы сотни геномов хлоропластов из различных видов , но в основном они принадлежат наземным растениям и зеленым водорослям — глаукофиты , красные водоросли и другие группы водорослей крайне недопредставлены, что потенциально вносит некоторую предвзятость во взгляды на «типичную» структуру и содержание ДНК хлоропласта. [69]
За редкими исключениями, большинство хлоропластов имеют весь свой хлоропластный геном, объединенный в одну большую кольцевую молекулу ДНК, [69] как правило, длиной 120 000–170 000 пар оснований [70] [71] [72] [18] и массой около 80–130 миллионов дальтон . [73] В то время как хлоропластные геномы почти всегда можно собрать в кольцевую карту, физические молекулы ДНК внутри клеток принимают различные линейные и разветвленные формы. [69] [74] Новые хлоропласты могут содержать до 100 копий своего генома, [70] хотя количество копий уменьшается примерно до 15–20 по мере старения хлоропластов. [75]
Хлоропластная ДНК обычно конденсируется в нуклеоиды , которые могут содержать несколько копий генома хлоропласта. В каждом хлоропласте можно найти множество нуклеоидов. [73] У примитивных красных водорослей нуклеоиды хлоропластной ДНК сгруппированы в центре хлоропласта, тогда как у зеленых растений и зеленых водорослей нуклеоиды рассеяны по всей строме . [76] Хлоропластная ДНК не связана с истинными гистонами , белками, которые используются для плотной упаковки молекул ДНК в ядрах эукариот. [17] Хотя у красных водорослей подобные белки плотно упаковывают каждое кольцо хлоропластной ДНК в нуклеоид . [76]
Многие хлоропластные геномы содержат два инвертированных повтора , которые разделяют длинный участок с одной копией (LSC) от короткого участка с одной копией (SSC). [72] Пара инвертированных повторов редко бывает идентичной, но они всегда очень похожи друг на друга, что, по-видимому, является результатом согласованной эволюции . [69] Инвертированные повторы сильно различаются по длине, варьируясь от 4000 до 25000 пар оснований каждый и содержат от четырех до более 150 генов. [69] Области инвертированных повторов высококонсервативны в наземных растениях и накапливают мало мутаций. [72] [77]
Похожие инвертированные повторы существуют в геномах цианобактерий и двух других хлоропластных линий ( glaucophyta и rhodophyceae ), что позволяет предположить, что они предшествуют хлоропластам. [69] Некоторые хлоропластные геномы с тех пор утратили [77] [78] или перевернули инвертированные повторы (превратив их в прямые повторы ). [69] Возможно, что инвертированные повторы помогают стабилизировать остальную часть хлоропластного генома, поскольку хлоропластные геномы, которые утратили некоторые из инвертированных повторных сегментов, имеют тенденцию перестраиваться больше. [78]
В хлоропластах мха Physcomitrella patens белок репарации несоответствий ДНК Msh1 взаимодействует с белками рекомбинационной репарации RecA и RecG для поддержания стабильности генома хлоропласта . [79] В хлоропластах растения Arabidopsis thaliana белок RecA поддерживает целостность ДНК хлоропласта с помощью процесса, который, вероятно, включает рекомбинационную репарацию повреждений ДНК . [80]
Механизм репликации хлоропластной ДНК (cpDNA) окончательно не определен, но были предложены две основные модели. Ученые пытались наблюдать репликацию хлоропластов с помощью электронной микроскопии с 1970-х годов. [81] [82] Результаты экспериментов с микроскопией привели к идее, что хлоропластная ДНК реплицируется с использованием двойной петли смещения (D-петли). Когда D-петля движется по кольцевой ДНК, она принимает форму тета-посредника, также известную как промежуточное звено репликации Кэрнса, и завершает репликацию с помощью механизма катящегося круга. [81] [83] Транскрипция начинается в определенных точках происхождения. Открываются множественные репликационные вилки, позволяя репликативному аппарату транскрибировать ДНК. По мере продолжения репликации вилки растут и в конечном итоге сходятся. Новые структуры cpDNA разделяются, создавая дочерние хромосомы cpDNA.
В дополнение к ранним экспериментам по микроскопии эта модель также подтверждается количеством дезаминирования , наблюдаемым в хпДНК. [81] Дезаминирование происходит, когда теряется аминогруппа, и является мутацией, которая часто приводит к изменению оснований. Когда аденин дезаминируется, он становится гипоксантином . Гипоксантин может связываться с цитозином, и когда пара оснований XC реплицируется, он становится GC (таким образом, происходит изменение основания A → G). [84]
В хпДНК существует несколько градиентов дезаминирования A → G. ДНК становится восприимчивой к событиям дезаминирования, когда она одноцепочечная. Когда образуются репликационные вилки, некопируемая нить становится одноцепочечной и, таким образом, подвержена риску дезаминирования A → G. Таким образом, градиенты в дезаминировании указывают на то, что репликационные вилки, скорее всего, присутствовали, и на направление, в котором они изначально открылись (самый высокий градиент, скорее всего, находится ближе всего к стартовой точке, поскольку она была одноцепочечной в течение самого длительного периода времени). [81] Этот механизм по-прежнему является ведущей теорией сегодня; однако вторая теория предполагает, что большая часть хпДНК на самом деле линейна и реплицируется посредством гомологичной рекомбинации. Она также утверждает, что только меньшая часть генетического материала сохраняется в кольцевых хромосомах, в то время как остальная часть находится в разветвленных, линейных или других сложных структурах. [81] [83]
Одна из конкурирующих моделей репликации хпДНК утверждает, что большая часть хпДНК линейна и участвует в гомологичной рекомбинации и репликационных структурах, подобных линейным и кольцевым структурам ДНК бактериофага T4 . [83] [85] Было установлено, что некоторые растения имеют линейную хпДНК, например, кукуруза, и что больше видов все еще содержат сложные структуры, которые ученые еще не понимают. [83] Когда проводились оригинальные эксперименты с хпДНК, ученые заметили линейные структуры; однако они приписали эти линейные формы разорванным кругам. [83] Если разветвленные и сложные структуры, наблюдаемые в экспериментах с хпДНК, являются реальными, а не артефактами конкатенированной кольцевой ДНК или разорванных кругов, то механизм репликации D-петли недостаточен для объяснения того, как эти структуры будут реплицироваться. [83] В то же время гомологичная рекомбинация не расширяет множественные градиенты A --> G, наблюдаемые в пластомах. [81] Из-за невозможности объяснить градиент дезаминирования, а также из-за того, что многочисленные виды растений, как было показано, имеют кольцевую хпДНК, преобладающая теория продолжает утверждать, что большая часть хпДНК является кольцевой и, скорее всего, реплицируется посредством механизма D-петли.
Предковые цианобактерии, которые привели к хлоропластам, вероятно, имели геном, содержащий более 3000 генов, но только около 100 генов сохранились в современных геномах хлоропластов. [18] [22] [71] Эти гены кодируют множество вещей, в основном связанных с белковым конвейером и фотосинтезом . Как и у прокариот , гены в ДНК хлоропластов организованы в опероны . [22] В отличие от молекул ДНК прокариот , молекулы ДНК хлоропластов содержат интроны ( митохондриальные ДНК растений тоже содержат их, но не мтДНК человека). [86]
Среди наземных растений содержание генома хлоропластов довольно схоже. [72]
Со временем многие части генома хлоропласта были перенесены в ядерный геном хозяина, [70] [71] [87] этот процесс называется эндосимбиотическим переносом генов . В результате геном хлоропласта сильно сокращен по сравнению с геномом свободноживущих цианобактерий. Хлоропласты могут содержать 60–100 генов, тогда как цианобактерии часто имеют более 1500 генов в своем геноме. [88] Недавно была обнаружена пластида без генома, что демонстрирует, что хлоропласты могут терять свой геном во время эндосимбиотического процесса переноса генов. [89]
Эндосимбиотический перенос генов — это то, как мы узнаем об утраченных хлоропластах во многих линиях CASH. Даже если хлоропласт в конечном итоге теряется, гены, которые он передал ядру бывшего хозяина, сохраняются, что свидетельствует о существовании утраченного хлоропласта. Например, в то время как диатомовые водоросли ( гетероконтофит ) теперь имеют хлоропласт, полученный из красной водоросли , наличие многих генов зеленой водоросли в ядре диатомовых водорослей свидетельствует о том, что предок диатомовых водорослей в какой-то момент имел хлоропласт, полученный из зеленой водоросли , который впоследствии был заменен красным хлоропластом. [49]
У наземных растений около 11–14% ДНК в их ядрах можно проследить до хлоропласта, [45] до 18% у Arabidopsis , что соответствует примерно 4500 генам, кодирующим белки. [90] Недавно было несколько случаев переноса генов из ДНК хлоропласта в ядерный геном у наземных растений. [71]
Из приблизительно 3000 белков, обнаруженных в хлоропластах, около 95% кодируются ядерными генами. Многие белковые комплексы хлоропласта состоят из субъединиц как из генома хлоропласта, так и из ядерного генома хозяина. В результате синтез белка должен координироваться между хлоропластом и ядром. Хлоропласт в основном находится под ядерным контролем, хотя хлоропласты также могут выдавать сигналы, регулирующие экспрессию генов в ядре, называемые ретроградной сигнализацией . [91] Недавние исследования показывают, что части ретроградной сигнальной сети, когда-то считавшейся характерной для наземных растений, возникли уже у водорослевого предшественника, [92] [93] [94] интегрируясь в коэкспрессированные когорты генов у ближайших водорослевых родственников наземных растений. [95]
Синтез белка в хлоропластах зависит от двух РНК-полимераз . Одна кодируется ДНК хлоропласта, другая имеет ядерное происхождение. Две РНК-полимеразы могут распознавать и связываться с различными типами промоторов в геноме хлоропласта. [96] Рибосомы в хлоропластах похожи на бактериальные рибосомы. [97]
Поскольку так много генов хлоропласта были перемещены в ядро, многие белки , которые изначально транслировались бы в хлоропласте, теперь синтезируются в цитоплазме растительной клетки. Эти белки должны быть направлены обратно в хлоропласт и импортированы по крайней мере через две мембраны хлоропласта. [98]
Любопытно, что около половины белковых продуктов перенесенных генов даже не направляются обратно в хлоропласт. Многие стали экзаптациями , взяв на себя новые функции, такие как участие в клеточном делении , маршрутизация белков и даже устойчивость к болезням . Несколько генов хлоропластов нашли новое пристанище в митохондриальном геноме — большинство из них стали нефункциональными псевдогенами , хотя несколько генов тРНК все еще работают в митохондрии . [88] Некоторые перенесенные продукты белковой ДНК хлоропластов направляются в секреторный путь , [88] хотя многие вторичные пластиды ограничены самой внешней мембраной, полученной из клеточной мембраны хозяина , и, следовательно, топологически находятся вне клетки, потому что для того, чтобы достичь хлоропласта из цитозоля , необходимо пересечь клеточную мембрану , что означает вход во внеклеточное пространство . В этих случаях нацеленные на хлоропласт белки изначально перемещаются по секреторному пути. [32]
Поскольку клетка, приобретающая хлоропласт, уже имела митохондрии (и пероксисомы , и клеточную мембрану для секреции), новому хозяину хлоропласта пришлось разработать уникальную систему нацеливания белков , чтобы избежать отправки хлоропластных белков в неправильную органеллу . [98]
![Два конца полипептида называются N-концом, или аминоконцом, и C-концом, или карбоксильным концом.[99] Этот полипептид имеет четыре аминокислоты, связанные вместе. Слева находится N-конец с его аминогруппой (H2N) зеленого цвета. Синий C-конец с его карбоксильной группой (CO2H) находится справа.](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c0/Tetrapeptide_structural_formulae.svg/1280px-Tetrapeptide_structural_formulae.svg.png)
В большинстве случаев, но не во всех, кодируемые ядром хлоропластные белки транслируются с помощью расщепляемого транзитного пептида , который добавляется к N-концу предшественника белка. Иногда транзитная последовательность находится на C-конце белка, [100] или внутри функциональной части белка. [98]
После того, как хлоропластный полипептид синтезируется на рибосоме в цитозоле , фермент, специфичный для хлоропластных белков [101], фосфорилирует или добавляет фосфатную группу ко многим (но не ко всем) из них в их транзитных последовательностях. [98] Фосфорилирование помогает многим белкам связывать полипептид, предотвращая его преждевременное сворачивание . [98] Это важно, поскольку это не позволяет хлоропластным белкам принимать свою активную форму и выполнять свои функции хлоропласта в неправильном месте — цитозоле . [102] [103] В то же время они должны сохранять достаточную форму, чтобы их мог распознать хлоропласт. [102] Эти белки также помогают полипептиду импортироваться в хлоропласт. [98]
Отсюда хлоропластные белки, связывающиеся со стромой, должны пройти через два белковых комплекса — комплекс TOC , или транслокон на внешней мембране хлоропласта , и транслокон TIC , или транслокон на внутренней мембране хлоропласта, транслокон . [ 98] Полипептидные цепи хлоропласта , вероятно, часто проходят через два комплекса одновременно, но комплекс TIC также может извлекать препротеины, потерянные в межмембранном пространстве . [98]
У наземных растений хлоропласты обычно имеют форму линзы, диаметром 3–10 мкм и толщиной 1–3 мкм. [104] [18] Хлоропласты проростков кукурузы имеют объем ≈20 мкм 3 . [18] Большее разнообразие форм хлоропластов существует среди водорослей , которые часто содержат один хлоропласт [12] , который может иметь форму сети (например, Oedogonium ), [105] чаши (например, Chlamydomonas ), [106] лентовидной спирали по краям клетки (например, Spirogyra ), [107] или слегка скрученных полос по краям клетки (например, Sirogonium ). [108] У некоторых водорослей в каждой клетке есть два хлоропласта; они имеют звездообразную форму у Zygnema [109] или могут повторять форму половины клетки у Desmidiales [ 110 ] У некоторых водорослей хлоропласт занимает большую часть клетки, с карманами для ядра и других органелл [12] например, некоторые виды Chlorella имеют чашеобразный хлоропласт, который занимает большую часть клетки [111]
Все хлоропласты имеют по крайней мере три мембранные системы — внешнюю хлоропластную мембрану, внутреннюю хлоропластную мембрану и тилакоидную систему. Две самые внутренние липидно-бислоевые мембраны [112] , которые окружают все хлоропласты, соответствуют внешней и внутренней мембранам грамотрицательной клеточной стенки предковой цианобактерии , [29] [113] [114] , а не фагосомальной мембране хозяина, которая, вероятно, была утрачена. [29] Хлоропласты, являющиеся продуктом вторичного эндосимбиоза, могут иметь дополнительные мембраны, окружающие эти три. [30] Внутри внешней и внутренней хлоропластных мембран находится строма хлоропласта , полугелеобразная жидкость [23], которая составляет большую часть объема хлоропласта, и в которой плавает тилакоидная система.
Существуют некоторые распространенные заблуждения относительно внешних и внутренних мембран хлоропластов. Тот факт, что хлоропласты окружены двойной мембраной, часто приводится в качестве доказательства того, что они являются потомками эндосимбиотических цианобактерий . Это часто интерпретируется как то, что внешняя мембрана хлоропласта является продуктом сворачивания клеточной мембраны хозяина для формирования пузырька, окружающего предковую цианобактерию — что не соответствует действительности — обе мембраны хлоропласта гомологичны исходным двойным мембранам цианобактерий. [29]
Двойную мембрану хлоропласта также часто сравнивают с двойной мембраной митохондрий . Это некорректное сравнение — внутренняя мембрана митохондрий используется для работы протонных насосов и проведения окислительного фосфорилирования для получения энергии АТФ . Единственная структура хлоропласта, которая может считаться аналогичной ей, — это внутренняя тилакоидная система. Тем не менее, с точки зрения «внутрь-наружу», направление потока ионов H + в хлоропласте противоположно окислительному фосфорилированию в митохондриях. [23] [115] Кроме того, с точки зрения функции внутренняя мембрана хлоропласта, которая регулирует прохождение метаболитов и синтезирует некоторые материалы, не имеет аналога в митохондрии. [23]
Внешняя мембрана хлоропласта представляет собой полупористую мембрану, через которую могут легко диффундировать небольшие молекулы и ионы . [116] Однако она непроницаема для более крупных белков , поэтому полипептиды хлоропласта, синтезируемые в цитоплазме клетки, должны транспортироваться через внешнюю мембрану хлоропласта с помощью комплекса TOC или транслокона на внешней мембране хлоропласта . [98]
Мембраны хлоропластов иногда выступают в цитоплазму, образуя стромулу или трубочку , содержащую строму . Стромулы очень редки в хлоропластах и гораздо более распространены в других пластидах, таких как хромопласты и амилопласты в лепестках и корнях соответственно. [117] [118] Они могут существовать для увеличения площади поверхности хлоропласта для кросс-мембранного транспорта, поскольку они часто разветвлены и переплетены с эндоплазматическим ретикулумом . [119] Когда их впервые наблюдали в 1962 году, некоторые биологи растений отвергли эти структуры как артефакты, утверждая, что стромулы были просто хлоропластами странной формы с суженными областями или делящимися хлоропластами . [120] Однако появляется все больше доказательств того, что стромулы являются функциональными, неотъемлемыми чертами пластид растительных клеток, а не просто артефактами. [121]
Обычно между внешней и внутренней мембранами хлоропласта существует тонкое межмембранное пространство толщиной около 10–20 нанометров . [122]
Хлоропласты водорослей глаукофитов имеют пептидогликановый слой между мембранами хлоропластов. Он соответствует пептидогликановой клеточной стенке их цианобактериальных предков, которая расположена между их двумя клеточными мембранами. Эти хлоропласты называются муропластами (от латинского «mura» , что означает «стена»). Предполагалось, что другие хлоропласты утратили цианобактериальную стенку, оставив межмембранное пространство между двумя мембранами оболочки хлоропласта, [23] но с тех пор он был обнаружен также у мхов, плауновидных и папоротников. [123]
Внутренняя хлоропластная мембрана граничит со стромой и регулирует прохождение материалов в хлоропласт и из него. После прохождения через комплекс TOC во внешней хлоропластной мембране полипептиды должны пройти через комплекс TIC ( транслокон на внутренней хлоропластной мембране) , который расположен во внутренней хлоропластной мембране. [ 98]
Помимо регулирования прохождения материалов, внутренняя мембрана хлоропласта является местом синтеза жирных кислот , липидов и каротиноидов . [23]
Некоторые хлоропласты содержат структуру, называемую хлоропластным периферическим ретикулумом . [122] Он часто встречается в хлоропластах растений C4 , хотя он также был обнаружен в некоторых покрытосеменных C3 , [23] и даже некоторых голосеменных . [124] Хлоропластный периферический ретикулум состоит из лабиринта мембранных трубок и пузырьков, продолжающихся с внутренней мембраной хлоропласта , которая простирается во внутреннюю стромальную жидкость хлоропласта. Считается, что его цель заключается в увеличении площади поверхности хлоропласта для кросс-мембранного транспорта между его стромой и цитоплазмой клетки . Иногда наблюдаемые небольшие пузырьки могут служить транспортными пузырьками для перемещения веществ между тилакоидами и межмембранным пространством. [125]
Богатая белком , [23] щелочная , [115] водная жидкость внутри внутренней мембраны хлоропласта и снаружи тилакоидного пространства называется стромой, [23] которая соответствует цитозолю исходной цианобактерии . В ней можно обнаружить плавающие нуклеоиды ДНК хлоропласта , рибосомы хлоропласта , тилакоидную систему с пластоглобули , крахмальные гранулы и множество белков . Цикл Кальвина , который фиксирует CO2 в G3P, происходит в строме.
Хлоропласты имеют свои собственные рибосомы, которые они используют для синтеза небольшой части своих белков. Хлоропластные рибосомы составляют около двух третей размера цитоплазматических рибосом (около 17 нм против 25 нм ). [122] Они берут мРНК, транскрибированные с ДНК хлоропласта, и транслируют их в белок. Хотя они похожи на бактериальные рибосомы , [17] трансляция хлоропласта более сложна, чем у бактерий, поэтому хлоропластные рибосомы включают некоторые уникальные для хлоропласта особенности. [126] [127]
Малые субъединицы рибосомальных РНК в нескольких хлоропластах Chlorophyta и эвгленид не имеют мотивов для распознавания последовательности Шайна-Дальгарно , [128] что считается необходимым для инициации трансляции в большинстве хлоропластов и прокариот . [129] [130] Такая потеря также редко наблюдается в других пластидах и прокариотах. [128] [131] Дополнительная 4.5S рРНК с гомологией с 3'-хвостом 23S обнаружена у «высших» растений. [127]
Пластоглобулы ( единственное число plastoglobulus , иногда пишется plastoglobule(s) ), представляют собой сферические пузырьки липидов и белков [23] размером около 45–60 нанометров в поперечнике. [132] Они окружены липидным монослоем. [132] Пластоглобулы встречаются во всех хлоропластах, [122] но становятся более распространенными, когда хлоропласт находится в состоянии окислительного стресса , [132] или когда он стареет и переходит в геронтопласт . [23] Пластоглобулы также демонстрируют большую изменчивость размеров в этих условиях. [132] Они также распространены в этиопластах , но их количество уменьшается по мере созревания этиопластов в хлоропласты. [132]
Пластоглобулы содержат как структурные белки, так и ферменты, участвующие в синтезе и метаболизме липидов . Они содержат много типов липидов , включая пластохинон , витамин Е , каротиноиды и хлорофиллы . [132]
Когда-то считалось, что пластоглобулы свободно плавают в строме , но теперь считается, что они постоянно прикреплены либо к тилакоиду , либо к другому пластоглобулусу, прикрепленному к тилакоиду, конфигурация, которая позволяет пластоглобулусу обмениваться своим содержимым с сетью тилакоидов. [132] В нормальных зеленых хлоропластах подавляющее большинство пластоглобулов встречаются поодиночке, прикрепленными непосредственно к своему родительскому тилакоиду. В старых или подверженных стрессу хлоропластах пластоглобулы, как правило, встречаются в связанных группах или цепях, все еще всегда прикрепленных к тилакоиду. [132]
Пластоглобулы образуются, когда между слоями липидного бислоя тилакоидной мембраны появляется пузырек или отпочковываются от существующих пластоглобулы, хотя они никогда не отделяются и не уплывают в строму. [132] Практически все пластоглобулы образуются на сильно изогнутых краях тилакоидных дисков или листов или вблизи них. Они также чаще встречаются на стромальных тилакоидах, чем на гранальных . [132]
Гранулы крахмала очень распространены в хлоропластах, обычно занимая 15% объема органеллы, [133] хотя в некоторых других пластидах, таких как амилопласты , они могут быть достаточно большими, чтобы искажать форму органеллы. [122] Гранулы крахмала представляют собой просто скопления крахмала в строме и не ограничены мембраной. [122]
Гранулы крахмала появляются и растут в течение дня, поскольку хлоропласт синтезирует сахара , и потребляются ночью для обеспечения дыхания и продолжения экспорта сахара во флоэму , [134] хотя в зрелых хлоропластах редко случается, чтобы гранула крахмала была полностью израсходована или чтобы накопилась новая гранула. [133]
Гранулы крахмала различаются по составу и расположению в разных линиях хлоропластов. У красных водорослей гранулы крахмала находятся в цитоплазме , а не в хлоропласте. [ 135] У растений C4 мезофильные хлоропласты, которые не синтезируют сахара, лишены гранул крахмала. [23]
Строма хлоропласта содержит много белков, хотя наиболее распространенным и важным является RuBisCO , который, вероятно, также является самым распространенным белком на планете. [ 115] RuBisCO — это фермент, который фиксирует CO2 в молекулы сахара. В растениях C3 RuBisCO в изобилии присутствует во всех хлоропластах, хотя в растениях C4 он ограничен хлоропластами обкладки пучка , где в растениях C4 осуществляется цикл Кальвина . [136]
Хлоропласты некоторых роголистников [137] и водорослей содержат структуры, называемые пиреноидами . Они не встречаются в высших растениях. [138] Пиреноиды — это приблизительно сферические и высокопреломляющие тела, которые являются местом накопления крахмала в растениях, которые их содержат. Они состоят из матрицы, непрозрачной для электронов, окруженной двумя полусферическими крахмальными пластинами. Крахмал накапливается по мере созревания пиреноидов. [139] У водорослей с механизмами концентрации углерода фермент RuBisCO находится в пиреноидах. Крахмал также может накапливаться вокруг пиреноидов, когда CO2 мало . [138] Пиреноиды могут делиться, образуя новые пиреноиды, или образовываться «de novo» . [139] [140]
Тилакоиды (иногда их называют тилакоидами ), [142] представляют собой небольшие взаимосвязанные мешочки, содержащие мембраны, на которых происходят световые реакции фотосинтеза. Слово тилакоид происходит от греческого слова thylakos, что означает «мешок». [143]
Внутри стромы хлоропласта находится система тилакоидов , высокодинамичное собрание мембранных мешочков, называемых тилакоидами , где находится хлорофилл и происходят световые реакции фотосинтеза . [11] В большинстве хлоропластов сосудистых растений тилакоиды организованы в стопки, называемые гранами, [144] хотя в некоторых хлоропластах растений C4 [136] и некоторых хлоропластах водорослей тилакоиды свободно плавают. [12]
Используя световой микроскоп , едва можно увидеть крошечные зеленые гранулы, которые были названы гранами . [122] С помощью электронной микроскопии стало возможным рассмотреть тилакоидную систему более подробно, обнаружив, что она состоит из стопок плоских тилакоидов , которые составляют грану, и длинных взаимосвязанных стромальных тилакоидов, которые связывают различные граны. [122] В просвечивающем электронном микроскопе тилакоидные мембраны выглядят как чередующиеся светлые и темные полосы толщиной 8,5 нанометров. [122]
Трехмерная структура системы тилакоидных мембран была предметом споров. Было предложено много моделей, наиболее распространенной из которых является спиральная модель, в которой стопки тилакоидов гран обернуты спиральными стромальными тилакоидами. [145] Другая модель, известная как «бифуркационная модель», которая была основана на первом электронном томографическом исследовании растительных тилакоидных мембран, изображает стромальные мембраны как широкие пластинчатые листы, перпендикулярные колоннам гран, которые разветвляются на несколько параллельных дисков, образующих сборку грана-строма. [146] Спиральная модель была поддержана несколькими дополнительными работами, [144] [147], но в конечном итоге в 2019 году было определено, что особенности как спиральной, так и бифуркационной моделей консолидируются недавно обнаруженными левосторонними спиральными мембранными соединениями. [141] Вероятно, для простоты, тилакоидная система до сих пор обычно изображается с помощью старых моделей «ступицы и спиц», где граны соединены друг с другом трубками стромальных тилакоидов. [148]
Граны состоят из стопок сплющенных круглых гранальных тилакоидов, которые напоминают блины. Каждая грана может содержать от двух до ста тилакоидов, [122] хотя граны с 10–20 тилакоидами являются наиболее распространенными. [144] Грану обернуты несколькими параллельными правозакрученными спиральными стромальными тилакоидами, также известными как лады или пластинчатые тилакоиды. Спирали поднимаются под углом ~20°, соединяясь с каждым гранальным тилакоидом в мостообразном щелевом соединении. [144] [147] [141]
Стромальные пластинки простираются как большие листы, перпендикулярные колоннам гран. Эти листы соединены с правыми спиралями либо напрямую, либо через бифуркации, которые образуют левосторонние спиральные мембранные поверхности. [141] Левосторонние спиральные поверхности имеют такой же угол наклона, что и правосторонние спирали (~20°), но ¼ шага. Приблизительно 4 левосторонних спиральных соединения присутствуют на грану, что приводит к сбалансированному по шагу массиву право- и левосторонних спиральных мембранных поверхностей с различными радиусами и шагом, которые объединяют сеть с минимальной поверхностной и изгибающей энергией. [141] Хотя различные части тилакоидной системы содержат различные мембранные белки, тилакоидные мембраны являются непрерывными, а тилакоидное пространство, которое они заключают, образует единый непрерывный лабиринт. [144]
Встроенные в тилакоидные мембраны важные белковые комплексы , которые осуществляют световые реакции фотосинтеза . Фотосистема II и фотосистема I содержат светособирающие комплексы с хлорофиллом и каротиноидами , которые поглощают энергию света и используют ее для возбуждения электронов. Молекулы в тилакоидной мембране используют возбужденные электроны для перекачивания ионов водорода в пространство тилакоида, снижая pH и делая его кислым. АТФ-синтаза — это большой белковый комплекс, который использует градиент концентрации ионов водорода в пространстве тилакоида для генерации энергии АТФ , когда ионы водорода текут обратно в строму — во многом как турбина плотины. [115]
Существует два типа тилакоидов — гранальные тилакоиды, которые расположены в гранах, и стромальные тилакоиды, которые контактируют со стромой . Гранальные тилакоиды представляют собой круглые диски в форме блина диаметром около 300–600 нанометров. Стромальные тилакоиды представляют собой геликоидные листы, которые закручиваются по спирали вокруг гран. [144] Плоские верхушки и нижние части гранальных тилакоидов содержат только относительно плоский белковый комплекс фотосистемы II . Это позволяет им плотно укладываться, образуя граны со многими слоями плотно сжатой мембраны, называемой гранальной мембраной, что увеличивает стабильность и площадь поверхности для захвата света. [144]
Напротив, фотосистема I и АТФ-синтаза являются крупными белковыми комплексами, которые выступают в строму. Они не могут поместиться в сжатых гранальных мембранах, и поэтому находятся в стромальной тилакоидной мембране — краях гранальных тилакоидных дисков и стромальных тилакоидов. Эти крупные белковые комплексы могут действовать как прокладки между листами стромальных тилакоидов. [144]
Количество тилакоидов и общая площадь тилакоидов хлоропласта зависят от воздействия света. Затененные хлоропласты содержат больше и больше гран с большей площадью тилакоидной мембраны, чем хлоропласты, подвергавшиеся воздействию яркого света, которые имеют меньше и меньше гран и меньшую площадь тилакоидов. Протяженность тилакоидов может измениться в течение нескольких минут воздействия света или его удаления. [125]
Внутри фотосистем, встроенных в тилакоидные мембраны хлоропластов, находятся различные фотосинтетические пигменты , которые поглощают и переносят световую энергию . Типы обнаруженных пигментов различны в разных группах хлоропластов и отвечают за широкий спектр окраски хлоропластов. Другие типы пластид , такие как лейкопласты и хромопласты , содержат мало хлорофилла и не осуществляют фотосинтез.
Хлорофилл a содержится во всех хлоропластах, а также в их цианобактериальных предках. Хлорофилл a — это сине-зеленый пигмент [149], частично отвечающий за цвет большинства цианобактерий и хлоропластов. Существуют и другие формы хлорофилла, такие как вспомогательные пигменты хлорофилл b , хлорофилл c , хлорофилл d [12] и хлорофилл f .
Хлорофилл b — это оливково-зеленый пигмент, который содержится только в хлоропластах растений , зеленых водорослей , любых вторичных хлоропластах, полученных в результате вторичного эндосимбиоза зеленых водорослей, и некоторых цианобактерий . [12] Именно хлорофиллы a и b вместе делают большинство хлоропластов растений и зеленых водорослей зелеными. [149]
Хлорофилл c в основном находится во вторичных эндосимбиотических хлоропластах, которые произошли от красной водоросли , хотя он не обнаружен в хлоропластах самих красных водорослей. Хлорофилл c также обнаружен в некоторых зеленых водорослях и цианобактериях . [12]
Хлорофиллы d и f — пигменты, обнаруженные только у некоторых цианобактерий. [12] [150]
![Delesseria sanguinea, красная водоросль, имеет хлоропласты, содержащие красные пигменты, такие как фикоэритрин, которые маскируют их сине-зеленый хлорофилл а.[39]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/19/Delesseria_sanguinea_Helgoland.JPG/1280px-Delesseria_sanguinea_Helgoland.JPG)
В дополнение к хлорофиллам, в фотосистемах также обнаружена другая группа желто - оранжевых [149] пигментов, называемых каротиноидами . Существует около тридцати фотосинтетических каротиноидов. [151] Они помогают переносить и рассеивать избыточную энергию, [12] и их яркие цвета иногда перекрывают зеленый хлорофилл, как осенью , когда листья некоторых наземных растений меняют цвет. [152] β-каротин — это яркий красно-оранжевый каротиноид, обнаруженный почти во всех хлоропластах, как и хлорофилл a . [12] Ксантофиллы , особенно оранжево-красный зеаксантин , также распространены. [151] Существует много других форм каротиноидов, которые встречаются только в определенных группах хлоропластов. [12]
Фикобилины — это третья группа пигментов, обнаруженных в цианобактериях , а также хлоропластах глаукофитов , красных водорослей и криптофитов . [12] [153] Фикобилины бывают всех цветов, хотя фикоэритрин — один из пигментов, который делает многие красные водоросли красными. [154] Фикобилины часто организуются в относительно большие белковые комплексы размером около 40 нанометров, называемые фикобилисомами . [12] Подобно фотосистеме I и АТФ-синтазе , фикобилисомы вдаются в строму, предотвращая укладку тилакоидов в хлоропластах красных водорослей. [12] Хлоропласты криптофитов и некоторые цианобактерии не имеют своих фикобилинов, организованных в фикобилисомы, и вместо этого хранят их в своем тилакоидном пространстве. [12]
Для фиксации углекислого газа в молекулах сахара в процессе фотосинтеза хлоропласты используют фермент под названием RuBisCO . RuBisCO испытывает трудности с различением углекислого газа и кислорода , поэтому при высоких концентрациях кислорода RuBisCO начинает случайно добавлять кислород к предшественникам сахара. Это приводит к тому, что энергия АТФ тратится впустую и выделяется CO2, и все это без образования сахара. Это большая проблема, поскольку O2 вырабатывается начальными световыми реакциями фотосинтеза , вызывая проблемы в цикле Кальвина , который использует RuBisCO. [155]
Растения C 4 выработали способ решения этой проблемы — путем пространственного разделения световых реакций и цикла Кальвина. Световые реакции, которые сохраняют энергию света в АТФ и НАДФН , происходят в клетках мезофилла листа C 4. Цикл Кальвина, который использует сохраненную энергию для производства сахара с использованием Рубиско, происходит в клетках обкладки пучка , слое клеток, окружающих жилку в листе . [155]
В результате хлоропласты в клетках мезофилла C 4 и клетках обкладки пучков специализированы для каждой стадии фотосинтеза. В клетках мезофилла хлоропласты специализированы для световых реакций, поэтому в них отсутствует RuBisCO , и они имеют нормальные граны и тилакоиды , [136] которые они используют для производства АТФ и НАДФН, а также кислорода. Они хранят CO 2 в четырехуглеродном соединении, поэтому этот процесс называется фотосинтезом C 4 . Затем четырехуглеродное соединение транспортируется в хлоропласты обкладки пучков, где оно отдает CO 2 и возвращается в мезофилл. Хлоропласты обкладки пучков не выполняют световые реакции, что препятствует накоплению в них кислорода и нарушает активность RuBisCO. [155] Из-за этого у них нет тилакоидов, организованных в стопки гран , хотя хлоропласты обкладки пучков все еще имеют свободно плавающие тилакоиды в строме, где они все еще осуществляют циклический поток электронов , управляемый светом метод синтеза АТФ для питания цикла Кальвина без генерации кислорода. У них нет фотосистемы II , и есть только фотосистема I — единственный белковый комплекс, необходимый для циклического потока электронов. [136] [155] Поскольку работа хлоропластов обкладки пучков заключается в осуществлении цикла Кальвина и производстве сахара, они часто содержат крупные зерна крахмала . [136]
Оба типа хлоропластов содержат большое количество периферического ретикулума хлоропласта , [136] который они используют для получения большей площади поверхности для транспортировки веществ внутрь и наружу. [124] [125] Мезофильные хлоропласты имеют немного больше периферического ретикулума, чем хлоропласты обкладки пучка. [156]
В отличие от большинства эпидермальных клеток, замыкающие клетки устьиц растений содержат относительно хорошо развитые хлоропласты. [157] Однако то, что именно они делают, является спорным. [158]
Растения не имеют специализированных иммунных клеток — все растительные клетки участвуют в иммунном ответе растений . Хлоропласты, наряду с ядром , клеточной мембраной и эндоплазматическим ретикулумом , [159] играют ключевую роль в защите от патогенов . Из-за своей роли в иммунном ответе растительной клетки патогены часто нацелены на хлоропласт. [159]
Растения имеют два основных иммунных ответа — гиперчувствительный ответ , при котором инфицированные клетки изолируют себя и подвергаются запрограммированной клеточной смерти , и системная приобретенная устойчивость , при которой инфицированные клетки вырабатывают сигналы, предупреждающие остальную часть растения о присутствии патогена. Хлоропласты стимулируют оба ответа, намеренно повреждая их фотосинтетическую систему, производя активные формы кислорода . Высокие уровни активных форм кислорода вызовут гиперчувствительный ответ . Активные формы кислорода также напрямую убивают любые патогены внутри клетки. Более низкие уровни активных форм кислорода инициируют системную приобретенную устойчивость , запуская выработку защитных молекул в остальной части растения. [159]
Известно, что у некоторых растений хлоропласты во время инфекции перемещаются ближе к месту заражения и ядру . [159]
Хлоропласты могут служить клеточными сенсорами. После обнаружения стресса в клетке, который может быть вызван патогеном, хлоропласты начинают вырабатывать молекулы, такие как салициловая кислота , жасмоновая кислота , оксид азота и активные формы кислорода , которые могут служить защитными сигналами. Как клеточные сигналы, активные формы кислорода являются нестабильными молекулами, поэтому они, вероятно, не покидают хлоропласт, а вместо этого передают свой сигнал неизвестной вторичной молекуле-мессенджеру. Все эти молекулы инициируют ретроградную сигнализацию — сигналы от хлоропласта, которые регулируют экспрессию генов в ядре. [159]
В дополнение к защитной сигнализации, хлоропласты, с помощью пероксисом , [ 160] помогают синтезировать важную защитную молекулу, жасмонат . Хлоропласты синтезируют все жирные кислоты в растительной клетке [159] [161] — линолевая кислота , жирная кислота, является предшественником жасмоната. [159]
Одной из основных функций хлоропласта является его роль в фотосинтезе , процессе, посредством которого свет преобразуется в химическую энергию, чтобы впоследствии производить пищу в виде сахаров . Вода (H 2 O) и углекислый газ (CO 2 ) используются в фотосинтезе, а сахар и кислород (O 2 ) производятся с использованием энергии света . Фотосинтез делится на две стадии — световые реакции , где вода расщепляется для получения кислорода, и темновые реакции , или цикл Кальвина , который строит молекулы сахара из углекислого газа. Две фазы связаны энергоносителями аденозинтрифосфатом (АТФ) и никотинамидадениндинуклеотидфосфатом (НАДФ + ). [162] [163]
Световые реакции происходят на тилакоидных мембранах. Они принимают световую энергию и сохраняют ее в НАДФН , форме НАДФ + , и АТФ для питания темновых реакций .
АТФ — это фосфорилированная версия аденозиндифосфата (АДФ), который запасает энергию в клетке и обеспечивает большую часть клеточной активности. АТФ — это заряженная форма, в то время как АДФ — это (частично) истощенная форма. НАДФ + — это переносчик электронов, который переносит электроны с высокой энергией. В легких реакциях он восстанавливается , то есть он забирает электроны, превращаясь в НАДФН .
Подобно митохондриям, хлоропласты используют потенциальную энергию, хранящуюся в градиенте ионов водорода H + , для генерации энергии АТФ. Две фотосистемы захватывают энергию света для придания энергии электронам, взятым из воды , и выпускают их по цепи переноса электронов . Молекулы между фотосистемами используют энергию электронов для перекачки ионов водорода в пространство тилакоидов, создавая градиент концентрации с большим количеством ионов водорода (до тысячи раз больше) [115] внутри системы тилакоидов, чем в строме. Затем ионы водорода в пространстве тилакоидов диффундируют обратно вниз по своему градиенту концентрации, вытекая обратно в строму через АТФ-синтазу . АТФ-синтаза использует энергию от текущих ионов водорода для фосфорилирования аденозиндифосфата в аденозинтрифосфат или АТФ. [115] [164] Поскольку хлоропластная АТФ-синтаза выступает в строму, АТФ синтезируется там, в состоянии, пригодном для использования в темновых реакциях. [165]
Электроны часто удаляются из цепей переноса электронов , чтобы зарядить НАДФ + электронами, восстанавливая его до НАДФН . Подобно АТФ-синтазе, ферредоксин-НАДФ + редуктаза , фермент, восстанавливающий НАДФ + , высвобождает НАДФН, который он производит, в строму, именно там, где он необходим для темновых реакций. [165]
Поскольку восстановление НАДФ + удаляет электроны из цепей переноса электронов, их необходимо заменить — это работа фотосистемы II , которая расщепляет молекулы воды (H2O ) , чтобы получить электроны из ее атомов водорода . [115] [162]
В то время как фотосистема II фотолизирует воду, чтобы получить и снабдить энергией новые электроны, фотосистема I просто повторно снабжает энергией истощенные электроны в конце цепи переноса электронов. Обычно повторно снабжённые энергией электроны принимаются НАДФ + , хотя иногда они могут течь обратно вниз по большему количеству Н + -накачивающих цепей переноса электронов, чтобы транспортировать больше ионов водорода в пространство тилакоидов для генерации большего количества АТФ. Это называется циклическим фотофосфорилированием , потому что электроны рециркулируются. Циклическое фотофосфорилирование распространено в растениях С 4 , которым нужно больше АТФ, чем НАДФН . [155]
Цикл Кальвина , также известный как темновые реакции , представляет собой серию биохимических реакций, которые фиксируют CO2 в молекулах сахара G3P и используют энергию и электроны из АТФ и НАДФН, полученных в световых реакциях. Цикл Кальвина происходит в строме хлоропласта. [155]
Хотя их называют «темновыми реакциями» , у большинства растений они происходят на свету, поскольку темновые реакции зависят от продуктов световых реакций. [11]
Цикл Кальвина начинается с использования фермента RuBisCO для фиксации CO2 в пятиуглеродных молекулах рибулозобисфосфата (RuBP). Результатом являются нестабильные шестиуглеродные молекулы, которые немедленно распадаются на трехуглеродные молекулы, называемые 3-фосфоглицериновой кислотой , или 3-PGA. АТФ и НАДФН, полученные в световых реакциях, используются для преобразования 3-PGA в глицеральдегид-3-фосфат , или молекулы сахара G3P. Большинство молекул G3P перерабатываются обратно в RuBP с использованием энергии из большего количества АТФ, но одна из каждых шести произведенных молекул покидает цикл — конечный продукт темновых реакций. [155]
Глицеральдегид-3-фосфат может удваиваться, образуя более крупные молекулы сахара, такие как глюкоза и фруктоза . Эти молекулы обрабатываются, и из них образуется еще более крупная сахароза , дисахарид, обычно известный как столовый сахар, хотя этот процесс происходит вне хлоропласта, в цитоплазме . [166]
Альтернативно, мономеры глюкозы в хлоропласте могут быть связаны вместе, чтобы сделать крахмал , который накапливается в зернах крахмала, находящихся в хлоропласте. [166] В таких условиях, как высокие концентрации CO2 в атмосфере , эти зерна крахмала могут вырасти очень большими, деформируя граны и тилакоиды. Гранулы крахмала вытесняют тилакоиды, но оставляют их нетронутыми. [167] Переувлажненные корни также могут вызвать накопление крахмала в хлоропластах, возможно, из-за меньшего экспорта сахарозы из хлоропласта (или, точнее, из растительной клетки ). Это истощает запас свободного фосфата растения , что косвенно стимулирует синтез крахмала в хлоропластах. [167] Хотя зерна крахмала связаны с низкими скоростями фотосинтеза, сами по себе они не обязательно могут существенно влиять на эффективность фотосинтеза, [168] и могут быть просто побочным эффектом другого фактора, подавляющего фотосинтез. [167]
Фотодыхание может происходить, когда концентрация кислорода слишком высока. RuBisCO не может хорошо различать кислород и углекислый газ, поэтому он может случайно добавить O 2 вместо CO 2 к RuBP . Этот процесс снижает эффективность фотосинтеза — он потребляет АТФ и кислород, выделяет CO 2 и не производит сахара. Он может тратить до половины углерода, зафиксированного циклом Кальвина. [162] Несколько механизмов развились в разных линиях, которые повышают концентрацию углекислого газа относительно кислорода в хлоропласте, увеличивая эффективность фотосинтеза. Эти механизмы называются механизмами концентрации углекислого газа , или CCM. К ним относятся метаболизм крассуловой кислоты , фиксация углерода C 4 [162] и пиреноиды . Хлоропласты в растениях C 4 примечательны тем, что они демонстрируют отчетливый диморфизм хлоропластов.
Из-за градиента H + через тилакоидную мембрану внутренняя часть тилакоида является кислой , с pH около 4, [169] в то время как строма является слегка щелочной, с pH около 8. [170] Оптимальный pH стромы для цикла Кальвина составляет 8,1, при этом реакция практически останавливается, когда pH падает ниже 7,3. [171]
CO 2 в воде может образовывать угольную кислоту , которая может нарушить pH изолированных хлоропластов, мешая фотосинтезу, даже если CO 2 используется в фотосинтезе . Однако хлоропласты в живых растительных клетках не так сильно подвержены этому влиянию. [170]
Хлоропласты могут перекачивать ионы K + и H + внутрь и наружу, используя плохо изученную транспортную систему, управляемую светом. [170]
При наличии света pH люмена тилакоида может упасть до 1,5 единиц pH, в то время как pH стромы может повыситься почти на одну единицу pH. [171]
Хлоропласты сами по себе производят почти все аминокислоты растительной клетки в своей строме [172], за исключением серосодержащих , таких как цистеин и метионин . [173] [174] Цистеин производится в хлоропласте ( также и в пропластиде ), но он также синтезируется в цитозоле и митохондриях , вероятно, потому, что ему трудно пересекать мембраны, чтобы добраться туда, где он нужен. [174] Известно, что хлоропласт производит предшественников метионина, но неясно, выполняет ли органелла последний этап пути или это происходит в цитозоле . [175]
Хлоропласты производят все пурины и пиримидины клетки — азотистые основания , обнаруженные в ДНК и РНК . [172] Они также преобразуют нитрит (NO 2 − ) в аммиак (NH 3 ), который снабжает растение азотом для производства его аминокислот и нуклеотидов . [172]
Пластида является местом разнообразного и сложного синтеза липидов в растениях. [176] [177] Углерод, используемый для формирования большей части липидов, поступает из ацетил-КоА , который является продуктом декарбоксилирования пирувата . [176] Пируват может попадать в пластиду из цитозоля путем пассивной диффузии через мембрану после образования в гликолизе . [178] Пируват также производится в пластиде из фосфоенолпирувата, метаболита, производимого в цитозоле из пирувата или PGA . [176] Ацетат в цитозоле недоступен для биосинтеза липидов в пластиде. [179] Типичная длина жирных кислот, производимых в пластиде, составляет 16 или 18 атомов углерода с 0-3 цис- двойными связями. [180]
Биосинтез жирных кислот из ацетил-КоА в первую очередь требует двух ферментов. Ацетил-КоА-карбоксилаза создает малонил-КоА, используемый как на первом этапе, так и на этапах расширения синтеза. Синтаза жирных кислот (FAS) представляет собой большой комплекс ферментов и кофакторов, включая ацилпереносящий белок (ACP), который удерживает ацильную цепь по мере ее синтеза. Инициирование синтеза начинается с конденсации малонил-ACP с ацетил-КоА для получения кетобутирил-ACP. 2 восстановления с использованием НАДФН и одно дегидратирование создают бутирил-ACP. Расширение жирной кислоты происходит в результате повторяющихся циклов конденсации малонил-ACP, восстановления и дегидратации. [176]
Другие липиды образуются в результате метаболизма метилэритритолфосфата (MEP) и состоят из гибберелинов , стеролов , абсцизовой кислоты , фитола и бесчисленных вторичных метаболитов . [176]
Не все клетки многоклеточного растения содержат хлоропласты. Все зеленые части растения содержат хлоропласты, поскольку цвет обусловлен хлорофиллом . [ 11] Растительные клетки , содержащие хлоропласты, обычно являются клетками паренхимы , хотя хлоропласты также можно найти в колленхимной ткани. [181] Растительная клетка, содержащая хлоропласты, известна как клетка хлоренхимы . Типичная клетка хлоренхимы наземного растения содержит около 10–100 хлоропластов.
У некоторых растений, таких как кактусы , хлоропласты находятся в стеблях , [182] хотя у большинства растений хлоропласты сосредоточены в листьях . Один квадратный миллиметр листовой ткани может содержать полмиллиона хлоропластов. [11] Внутри листа хлоропласты в основном находятся в слоях мезофилла листа и замыкающих клетках устьиц . Клетки палисадного мезофилла могут содержать 30–70 хлоропластов на клетку, в то время как замыкающие клетки устьиц содержат только около 8–15 на клетку, а также гораздо меньше хлорофилла . Хлоропласты также можно найти в клетках обкладки пучков листьев, особенно у растений C4 , которые осуществляют цикл Кальвина в своих клетках обкладки пучков. Они часто отсутствуют в эпидермисе листа. [157]
Хлоропласты растительных и водорослевых клеток могут ориентироваться, чтобы наилучшим образом соответствовать доступному свету. В условиях слабого освещения они будут расстилаться в лист, максимально увеличивая площадь поверхности для поглощения света. При интенсивном освещении они будут искать укрытие, выстраиваясь в вертикальные колонны вдоль клеточной стенки растительной клетки или поворачиваясь вбок так, чтобы свет падал на них с ребра. Это уменьшает воздействие и защищает их от фотоокислительного повреждения. [183] Эта способность распределять хлоропласты так, чтобы они могли укрываться друг за другом или рассредоточиваться, может быть причиной того, что наземные растения эволюционировали, чтобы иметь много маленьких хлоропластов вместо нескольких больших. [184] Движение хлоропластов считается одной из наиболее строго регулируемых систем стимул-реакция, которые можно найти у растений. [185] Также было замечено, что митохондрии следуют за хлоропластами во время их движения. [186]
У высших растений движение хлоропластов управляется фототропинами , фоторецепторами синего света, также ответственными за фототропизм растений . У некоторых водорослей, мхов , папоротников и цветковых растений движение хлоропластов зависит от красного света в дополнение к синему свету, [183] хотя очень длинные красные волны тормозят движение, а не ускоряют его. Синий свет обычно заставляет хлоропласты искать укрытие, в то время как красный свет вытягивает их, чтобы максимизировать поглощение света. [186]
Исследования Vallisneria gigantea , водного цветкового растения , показали, что хлоропласты могут двигаться в течение пяти минут после воздействия света, хотя изначально они не показывают никакой сетевой направленности. Они могут двигаться вдоль микрофиламентных дорожек, и тот факт, что сетка микрофиламентов меняет форму, образуя сотовую структуру, окружающую хлоропласты после того, как они переместились, предполагает, что микрофиламенты могут помочь закрепить хлоропласты на месте. [185] [186]
Хлоропласты — это особый тип органеллы растительной клетки, называемый пластидой , хотя эти два термина иногда используются взаимозаменяемо. Существует много других типов пластид, которые выполняют различные функции. Все хлоропласты в растении произошли от недифференцированных пропластид, обнаруженных в зиготе , [ 172] или оплодотворенной яйцеклетке. Пропластиды обычно встречаются в апикальных меристемах взрослого растения . Хлоропласты обычно не развиваются из пропластид в меристемах кончиков корней [187] — вместо этого более распространено образование амилопластов , запасающих крахмал. [172]
В побегах пропластиды из апикальных меристем побега могут постепенно развиваться в хлоропласты в фотосинтетических тканях листа по мере созревания листа, если они подвергаются воздействию необходимого света. [15] Этот процесс включает инвагинации внутренней пластидной мембраны, образуя листы мембраны, которые выступают во внутреннюю строму . Эти листы мембраны затем складываются, образуя тилакоиды и граны . [188]
Если побеги покрытосеменных не подвергаются воздействию необходимого для образования хлоропластов света, пропластиды могут развиться в стадию этиопласта, прежде чем стать хлоропластами. Этиопласт — это пластида, в которой отсутствует хлорофилл , и которая имеет внутренние мембранные инвагинации, которые образуют решетку трубок в их строме, называемую проламеллярным телом . Хотя в этиопластах отсутствует хлорофилл, у них есть запас желтого предшественника хлорофилла. [15] В течение нескольких минут воздействия света проламеллярное тело начинает реорганизовываться в стопки тилакоидов, и начинает вырабатываться хлорофилл. Этот процесс, в ходе которого этиопласт становится хлоропластом, занимает несколько часов. [188] Голосеменным не требуется свет для образования хлоропластов. [188]
Однако свет не гарантирует, что пропластид разовьется в хлоропласт. Разовьется ли пропластид в хлоропласт или какой-либо другой вид пластиды, в основном контролируется ядром [ 15] и в значительной степени зависит от типа клетки, в которой он находится. [172]
Пластидная дифференциация не является постоянной, на самом деле возможны многие взаимопревращения. Хлоропласты могут быть преобразованы в хромопласты , которые представляют собой заполненные пигментом пластиды, отвечающие за яркие цвета, которые можно увидеть в цветах и спелых фруктах . Амилопласты , хранящие крахмал , также могут быть преобразованы в хромопласты, и пропластиды могут развиваться прямо в хромопласты. Хромопласты и амилопласты также могут стать хлоропластами, как это происходит, когда морковь или картофель освещаются. Если растение повреждено или что-то еще заставляет растительную клетку вернуться в меристематическое состояние, хлоропласты и другие пластиды могут снова превратиться в пропластиды. Хлоропласт, амилопласт, хромопласт, пропластид не являются абсолютными; состояние — промежуточные формы распространены. [172]
Большинство хлоропластов в фотосинтетической клетке не развиваются напрямую из пропластид или этиопластов. Фактически, типичная меристематическая растительная клетка побега содержит только 7–20 пропластид . Эти пропластиды дифференцируются в хлоропласты, которые делятся, чтобы создать 30–70 хлоропластов, обнаруженных в зрелой фотосинтетической растительной клетке. Если клетка делится , деление хлоропласта обеспечивает дополнительные хлоропласты для разделения между двумя дочерними клетками. [189]
У одноклеточных водорослей деление хлоропласта — единственный способ образования новых хлоропластов. Дифференциации пропластидов не происходит — когда делится клетка водоросли, ее хлоропласт делится вместе с ней, и каждая дочерняя клетка получает зрелый хлоропласт. [188]
Почти все хлоропласты в клетке делятся, а не небольшая группа быстро делящихся хлоропластов. [190] Хлоропласты не имеют определенной S-фазы — их репликация ДНК не синхронизирована и не ограничена репликацией их клеток-хозяев. [191] Многое из того, что мы знаем о делении хлоропластов, получено в результате изучения таких организмов, как Arabidopsis и красная водоросль Cyanidioschyzon merolæ . [184]
![Большинство хлоропластов в растительных клетках и все хлоропласты в водорослях возникают в результате деления хлоропластов.[188] Ссылки на изображения,[184][192]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/df/Chloroplast_division.svg/1280px-Chloroplast_division.svg.png)
Процесс деления начинается, когда белки FtsZ1 и FtsZ2 собираются в нити и с помощью белка ARC6 образуют структуру, называемую Z-кольцом, внутри стромы хлоропласта. [184] [192] Система Min управляет размещением Z-кольца, гарантируя, что хлоропласт расщепляется более или менее равномерно. Белок MinD не дает FtsZ связываться и образовывать нити. Другой белок ARC3 также может быть вовлечен, но он не очень хорошо изучен. Эти белки активны на полюсах хлоропласта, предотвращая образование Z-кольца там, но вблизи центра хлоропласта MinE ингибирует их, позволяя образоваться Z-кольцу. [184]
Затем образуются два пластид-разделяющих кольца, или кольца PD. Внутреннее пластид-разделяющее кольцо расположено на внутренней стороне внутренней мембраны хлоропласта и формируется первым. [184] Внешнее пластид-разделяющее кольцо обернуто вокруг внешней хлоропластной мембраны. Оно состоит из нитей диаметром около 5 нанометров, [184] расположенных рядами на расстоянии 6,4 нанометров друг от друга, и сжимается, сжимая хлоропласт. Именно тогда начинается сужение хлоропласта. [192]
У некоторых видов, таких как Cyanidioschyzon merolæ , хлоропласты имеют третье пластид-разделяющее кольцо, расположенное в межмембранном пространстве хлоропласта. [184] [192]
Поздно в фазе сужения белки динамина собираются вокруг внешнего пластид-разделительного кольца, [192] помогая обеспечить силу для сжатия хлоропласта. [184] Тем временем Z-кольцо и внутреннее пластид-разделительное кольцо разрушаются. [192] На этой стадии многочисленные плазмиды ДНК хлоропласта, плавающие в строме, разделяются и распределяются по двум формирующимся дочерним хлоропластам. [193]
Позже динамины мигрируют под внешнее разделительное кольцо пластиды, вступая в прямой контакт с внешней мембраной хлоропласта [192] , чтобы расщепить хлоропласт на два дочерних хлоропласта. [184]
Остаток внешнего пластидного разделительного кольца остается плавающим между двумя дочерними хлоропластами, а остаток динаминового кольца остается прикрепленным к одному из дочерних хлоропластов. [192]
Из пяти или шести колец, участвующих в делении хлоропласта, только внешнее пластидоразделяющее кольцо присутствует на протяжении всей фазы сужения и деления — хотя Z-кольцо формируется первым, сужение не начинается, пока не сформируется внешнее пластидоразделяющее кольцо. [192]
У видов водорослей , содержащих один хлоропласт, регуляция деления хлоропласта чрезвычайно важна для обеспечения того, чтобы каждая дочерняя клетка получила хлоропласт — хлоропласты не могут быть созданы с нуля. [86] [184] У организмов, подобных растениям, клетки которых содержат несколько хлоропластов, координация слабее и менее важна. Вероятно, что деление хлоропласта и клетки в некоторой степени синхронизированы, хотя механизмы этого в основном неизвестны. [184]
Было показано, что свет является требованием для деления хлоропластов. Хлоропласты могут расти и проходить через некоторые стадии сужения при плохом зеленом свете , но медленно завершают деление — для завершения деления им требуется воздействие яркого белого света. Было обнаружено, что листья шпината, выращенные при зеленом свете, содержат много крупных гантелеобразных хлоропластов. Воздействие белого света может стимулировать эти хлоропласты к делению и сокращать популяцию гантелеобразных хлоропластов. [190] [193]
Как и митохондрии , хлоропласты обычно наследуются от одного родителя. Двуродительское наследование хлоропластов — когда пластидные гены наследуются от обоих родительских растений — встречается в очень низких уровнях у некоторых цветковых растений. [194]
Многие механизмы предотвращают двуродительское наследование хлоропластной ДНК, включая избирательное разрушение хлоропластов или их генов в гаметах или зиготах , а также исключение хлоропластов от одного родителя из эмбриона. Родительские хлоропласты могут быть отсортированы таким образом, что только один тип присутствует в каждом потомстве. [195]
Голосеменные , такие как сосны , в основном передают хлоропласты по отцовской линии, [196] в то время как цветковые растения часто наследуют хлоропласты по материнской линии. [197] [198] Когда-то считалось, что цветковые растения наследуют хлоропласты только по материнской линии. Однако сейчас есть много задокументированных случаев, когда покрытосеменные растения наследуют хлоропласты по отцовской линии. [194]
Покрытосеменные , которые передают хлоропласты по материнской линии, имеют много способов предотвратить отцовское наследование. Большинство из них производят сперматозоиды , которые не содержат никаких пластид. Существует много других задокументированных механизмов, которые предотвращают отцовское наследование у этих цветковых растений, например, разные скорости репликации хлоропластов внутри эмбриона. [194]
Среди покрытосеменных растений отцовское наследование хлоропластов наблюдается чаще у гибридов , чем у потомков от родителей того же вида. Это говорит о том, что несовместимые гибридные гены могут мешать механизмам, которые предотвращают отцовское наследование. [194]
Недавно хлоропласты привлекли внимание разработчиков генетически модифицированных культур . Поскольку у большинства цветковых растений хлоропласты не наследуются от мужского родителя, трансгены в этих пластидах не могут распространяться пыльцой . Это делает трансформацию пластид ценным инструментом для создания и выращивания генетически модифицированных растений, которые биологически сдерживаются, тем самым представляя значительно меньшие риски для окружающей среды. Поэтому эта стратегия биологического сдерживания подходит для установления сосуществования традиционного и органического сельского хозяйства . Хотя надежность этого механизма еще не изучена для всех соответствующих видов культур, последние результаты на растениях табака являются многообещающими, показывая неудавшийся уровень сдерживания транспластомных растений на уровне 3 на 1 000 000. [198]
количество копий цДНК на хлоропласт.
через пыльцу
