KLOROPLAS: CIRI, FUNGSI DAN STRUKTUR - BIOLOGI - 2026

The kloroplas adalah sejenis organel sel yang dibatasi oleh sistem membran kompleks, khas dari tumbuhan dan alga. Dalam plastid ini adalah klorofil, pigmen yang bertanggungjawab untuk proses fotosintesis, warna hijau tanaman dan memungkinkan kehidupan autotrofik keturunan ini.

Selanjutnya, kloroplas berkaitan dengan penjanaan tenaga metabolik (ATP - adenosin trifosfat), sintesis asid amino, vitamin, asid lemak, komponen lipid membrannya dan pengurangan nitrit. Ini juga berperanan dalam pengeluaran bahan pertahanan terhadap patogen.

Kloroplas. Oleh Miguelsierra, dari Wikimedia Commons

Organel fotosintesis ini mempunyai genom bulatnya sendiri (DNA) dan dicadangkan bahawa, seperti mitokondria, mereka berasal dari proses simbiosis antara tuan rumah dan bakteria fotosintetik leluhur.

Asal

Kloroplas adalah organel yang mempunyai ciri kumpulan organisma yang sangat jauh: alga, tumbuhan, dan prokariota. Bukti ini menunjukkan bahawa organel berasal dari organisma prokariotik dengan kemampuan untuk melakukan fotosintesis.

Dianggarkan bahawa organisma eukariotik pertama, dengan kemampuan untuk melakukan fotosintesis, berasal kira-kira 1 bilion tahun yang lalu. Bukti menunjukkan bahawa lompatan evolusi utama ini disebabkan oleh pemerolehan cyanobacterium oleh tuan rumah eukariotik. Proses ini menimbulkan keturunan alga dan tumbuhan merah dan hijau yang berbeza.

Dengan cara yang sama, peristiwa simbiosis sekunder dan tersier diusulkan di mana garis keturunan eukariota menjalin hubungan simbiotik dengan eukariot fotosintesis hidup bebas yang lain.

Semasa evolusi, genom bakteria yang disangka telah dipendekkan dan beberapa gennya telah dipindahkan dan disatukan ke dalam genom nukleus.

Organisasi genom kloroplas semasa mengingatkan pada prokariota, namun ia juga mempunyai sifat bahan genetik eukariota.

Teori endosimbiotik

Teori endosimbiotik dikemukakan oleh Lynn Margulis dalam satu siri buku yang diterbitkan antara tahun 60an dan 80an.Namun, ia adalah idea yang telah wujud sejak tahun 1900-an, yang dikemukakan oleh Mereschkowsky.

Teori ini menerangkan asal-usul kloroplas, mitokondria dan badan basal yang terdapat pada flagella. Menurut hipotesis ini, struktur ini pernah menjadi organisma prokariotik bebas.

Tidak banyak bukti yang menyokong asal endosymbiotik badan basal dari prokariota motil.

Sebaliknya, terdapat bukti penting yang menyokong asal endosymbiotik mitokondria dari α-Proteobacteria dan kloroplas dari cyanobacteria. Bukti paling jelas dan kuat adalah persamaan antara dua genom.

Ciri am kloroplas

Kloroplas adalah jenis plastid yang paling mencolok dalam sel tumbuhan. Mereka adalah struktur bujur yang dikelilingi oleh membran dan di dalamnya proses eukariota autotrofik yang paling terkenal berlaku: fotosintesis. Mereka adalah struktur yang dinamik dan mempunyai bahan genetik mereka sendiri.

Mereka umumnya terletak di daun tanaman. Sel tumbuhan biasa boleh mempunyai 10 hingga 100 kloroplas, walaupun jumlahnya agak berubah-ubah.

Seperti mitokondria, pewarisan kloroplas dari ibu bapa kepada anak berlaku oleh salah seorang ibu bapa dan bukan oleh kedua-duanya. Sebenarnya, organel ini agak serupa dengan mitokondria dalam beberapa aspek, walaupun lebih kompleks.

Struktur (bahagian)

Kloroplas. Oleh Gmsotavio, dari Wikimedia Commons

Kloroplas adalah organel besar, panjangnya 5 hingga 10 µm. Ciri-ciri struktur ini dapat dilihat di bawah mikroskop cahaya tradisional.

Mereka dikelilingi oleh membran lipid ganda. Selain itu, mereka mempunyai sistem ketiga membran dalaman, yang disebut membran thylakoid.

Sistem membran yang terakhir ini membentuk sekumpulan struktur seperti cakera, yang dikenali sebagai thylakoids. Persimpangan thylakoids dalam cerucuk disebut "grana" dan mereka saling bersambung.

Terima kasih kepada sistem membran tiga ini, struktur dalaman kloroplas adalah kompleks dan dibahagikan kepada tiga ruang: ruang intermembran (antara dua membran luar), stroma (terdapat di dalam kloroplas dan di luar membran thylakoid) dan oleh terakhir lumen thylakoid.

Membran luar dan dalam

Sistem membran berkaitan dengan generasi ATP. Seperti membran mitokondria, selaput dalaman inilah yang menentukan laluan molekul ke dalam organel. Phospheditylcholine dan phosphatiditylglycerol adalah lipid paling banyak dalam membran kloroplas.

Membran luar mengandungi serangkaian liang. Molekul kecil boleh memasuki saluran ini dengan bebas. Selaput dalamannya, tidak membenarkan transit bebas molekul berat rendah jenis ini. Agar molekul masuk, mereka mesti melakukannya dengan menggunakan alat pengangkutan tertentu yang berlabuh pada membran.

Dalam beberapa kes terdapat struktur yang disebut retikulum periferal, yang dibentuk oleh jaringan membran, yang berasal secara khusus dari membran dalam kloroplas. Sebilangan pengarang menganggapnya unik dari tumbuhan dengan metabolisme C4, walaupun terdapat di tumbuhan C3.

Fungsi tubulus dan vesikel ini belum jelas. Dianjurkan agar mereka dapat menyumbang pada pengangkutan metabolit dan protein yang cepat di dalam kloroplas atau meningkatkan permukaan membran dalam.

Membran thylakoid

Membran thylakoid. Par Tameeria sur Wikipédia anglais, melalui Wikimedia Commons

Rantai pengangkutan elektron yang terlibat dalam proses fotosintetik berlaku dalam sistem membran ini. Proton dipam melalui membran ini, dari stroma ke thylakoids.

Kecerunan ini menghasilkan sintesis ATP, apabila proton diarahkan kembali ke stroma. Proses ini setara dengan proses yang berlaku pada membran dalaman mitokondria.

Membran thylakoid terdiri daripada empat jenis lipid: monogalactosyl diacylglycerol, digalactosyl diacylglycerol, sulfoquinovosyl diacylglycerol, dan phosphatidylglycerol. Setiap jenis memenuhi fungsi khas dalam lapisan lipid bahagian ini.

Thylakoids

Thylakoids adalah struktur membran dalam bentuk kantung atau cakera rata yang disusun dalam "grana" (jamak struktur ini adalah granum). Cakera ini mempunyai diameter 300 hingga 600 nm. Ruang dalaman thylakoid disebut lumen.

Seni bina timbunan tiroid masih diperdebatkan. Dua model dicadangkan: yang pertama adalah model heliks, di mana thylakoids dililit antara butiran dalam bentuk heliks.

Sebaliknya, model lain mengusulkan pembelahan. Hipotesis ini menunjukkan bahawa grana dibentuk oleh bifurkasi stroma.

Stroma

Stroma adalah cecair agar-agar yang mengelilingi thylakoids dan terletak di kawasan dalam kloroplas. Kawasan ini sesuai dengan sitosol bakteria yang seharusnya berasal dari jenis plastid ini.

Di kawasan ini terdapat molekul DNA dan sejumlah besar protein dan enzim. Secara khusus adalah enzim yang berpartisipasi dalam kitaran Calvin, untuk penetapan karbon dioksida dalam proses fotosintetik. Anda juga boleh menemui butiran kanji

Ribosom kloroplas dijumpai di stroma, kerana struktur ini mensintesis protein mereka sendiri.

Genom

Salah satu ciri kloroplas yang paling penting adalah bahawa mereka mempunyai sistem genetik mereka sendiri.

Bahan genetik kloroplas terdiri daripada molekul DNA bulat. Setiap organel mempunyai beberapa salinan molekul 12-16 kb (kilobase) pekeliling ini. Mereka disusun dalam struktur yang disebut nukleoid dan terdiri daripada 10 hingga 20 salinan genom plastid, bersama dengan protein dan molekul RNA.

DNA kloroplas kod untuk kira-kira 120 hingga 130 gen. Ini menghasilkan protein dan RNA yang berkaitan dengan proses fotosintetik seperti komponen fotosistem I dan II, sintase ATP dan salah satu subunit Rubisco.

Rubisco (ribulose-1,5-bifosfat karboksilase / oksigenase) adalah kompleks enzim penting dalam kitaran Calvin. Sebenarnya, ia dianggap sebagai protein paling banyak di planet bumi.

Transfer dan ribosom RNA digunakan dalam terjemahan RNA mesej yang dikodkan dalam genom kloroplas. Ia merangkumi RNA ribosom 23S, 16S, 5S dan 4.5S dan RNA pemindahan. Ia juga mengekodkan 20 protein ribosom dan subunit tertentu polimerase RNA.

Walau bagaimanapun, unsur-unsur tertentu yang diperlukan untuk fungsi kloroplas dikodekan dalam genom nuklear sel tumbuhan.

ciri-ciri

Kloroplas dapat dianggap sebagai pusat metabolik penting pada tanaman, di mana banyak reaksi biokimia berlaku berkat spektrum luas enzim dan protein yang tersangkut pada membran yang dikandung organel ini.

Mereka mempunyai fungsi penting dalam organisma tumbuhan: ia adalah tempat di mana proses fotosintesis terjadi, di mana sinar matahari diubah menjadi karbohidrat, memiliki oksigen sebagai produk sekunder.

Serangkaian fungsi biosintetik sekunder juga berlaku dalam kloroplas. Di bawah ini kita akan membincangkan setiap fungsi secara terperinci:

Fotosintesis

Fotosintesis (kiri) dan pernafasan (kanan). Gambar di sebelah kanan diambil dari BBC

Fotosintesis berlaku berkat klorofil. Pigmen ini terdapat di dalam kloroplas, di membran thylakoids.

Ia terdiri daripada dua bahagian: cincin dan ekor. Cincin mengandungi magnesium dan bertanggungjawab untuk penyerapan cahaya. Ia dapat menyerap cahaya biru dan cahaya merah, memantulkan kawasan hijau spektrum cahaya.

Tindak balas fotosintetik berlaku berkat pemindahan elektron. Tenaga yang datang dari cahaya memberikan tenaga kepada pigmen klorofil (molekul dikatakan "teruja oleh cahaya"), menyebabkan pergerakan zarah-zarah ini dalam membran thylakoid. Klorofil mendapat elektronnya dari molekul air.

Proses ini menghasilkan pembentukan kecerunan elektrokimia yang memungkinkan sintesis ATP dalam stroma. Fasa ini juga dikenali sebagai "cahaya".

Bahagian kedua fotosintesis (atau fasa gelap) berlaku pada stroma dan berterusan di sitosol. Ia juga dikenali sebagai reaksi fiksasi karbon. Pada peringkat ini, produk reaksi sebelumnya digunakan untuk membina karbohidrat dari CO ₂ .

Sintesis biomolekul

Sebagai tambahan, kloroplas mempunyai fungsi khusus lain yang memungkinkan pengembangan dan pertumbuhan tanaman.

Dalam organel ini asimilasi nitrat dan sulfat berlaku, dan mereka mempunyai enzim yang diperlukan untuk sintesis asid amino, fitohormon, vitamin, asid lemak, klorofil dan karotenoid.

Kajian tertentu telah mengenal pasti sebilangan besar asid amino yang disintesis oleh organel ini. Kirk dan rakannya mengkaji pengeluaran asid amino dalam kloroplas Vicia faba L.

Penulis ini mendapati bahawa asid amino sintesis yang paling banyak adalah glutamat, aspartat, dan threonine. Jenis lain, seperti alanin, serin dan glisin, juga disintesis tetapi dalam jumlah yang lebih kecil. Tiga belas asid amino yang tersisa juga dikesan.

Gen yang berbeza yang terlibat dalam sintesis lipid telah diasingkan. Kloroplas mempunyai jalur yang diperlukan untuk sintesis lipid isoprenoid, penting untuk pengeluaran klorofil dan pigmen lain.

Pertahanan terhadap patogen

Tumbuhan tidak mempunyai sistem imun yang maju yang serupa dengan haiwan. Oleh itu, struktur sel mesti menghasilkan bahan antimikrob untuk mempertahankan diri daripada agen yang merosakkan. Untuk tujuan ini, tumbuhan dapat mensintesis spesies oksigen reaktif (ROS) atau asid salisilik.

Kloroplas berkaitan dengan pengeluaran bahan-bahan ini yang menghilangkan kemungkinan patogen yang memasuki tanaman.

Begitu juga, mereka berfungsi sebagai "sensor molekul" dan berpartisipasi dalam mekanisme amaran, menyampaikan maklumat kepada organel lain.

Plastid lain

Kloroplas tergolong dalam keluarga organel tumbuhan yang disebut plastid atau plastid. Kloroplas berbeza terutamanya dengan plastid lain dengan mempunyai pigmen klorofil. Plastid lain adalah:

-Kromoplas: struktur ini mengandungi karotenoid, ia terdapat pada bunga dan bunga. Berkat pigmen ini, struktur tanaman mempunyai warna kuning, oren dan merah.

-Lukuklas: plastid ini tidak mengandungi pigmen dan oleh itu berwarna putih. Mereka berfungsi sebagai simpanan dan dijumpai di organ yang tidak menerima cahaya langsung.

-Amiloplas: mengandungi kanji dan terdapat di akar dan umbi.

Plastid berasal dari struktur yang disebut protoplastid. Salah satu ciri plastid yang paling mengejutkan adalah hak miliknya untuk menukar jenis, walaupun mereka sudah berada dalam tahap matang. Perubahan ini dicetuskan oleh isyarat persekitaran atau intrinsik dari kilang.

Contohnya, kloroplas mampu menghasilkan kromoplas. Untuk perubahan ini, membran thylakoid hancur dan karotenoid disintesis.

Rujukan

1. Allen, JF (2003). Mengapa Kloroplas dan Mitokondria Mengandungi Genom. Genomik Perbandingan dan Fungsional, 4 (1), 31–36.
2. Cooper, G. M (2000). Sel: Pendekatan molekul. Edisi kedua. Sinauer Associates
3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M., & Chang, W.-J. (2016). Genom kloroplas: kepelbagaian, evolusi, dan aplikasi dalam kejuruteraan genetik. Biologi Genom, 17, 134.
4. Gracen, VE, Hilliard, JH, Brown, RH, & West, SH (1972). Retikulum periferal dalam kloroplas tanaman berbeza dalam laluan fiksasi CO 2 dan respirasi fotor. Tanaman, 107 (3), 189-204.
5. Kelabu, MW (2017). Lynn Margulis dan hipotesis endosymbiont: 50 tahun kemudian. Biologi Molekul Sel, 28 (10), 1285–1287.
6. Jensen, PE, & Leister, D. (2014). Evolusi, struktur dan fungsi kloroplas. Laporan Jenayah F1000, 6, 40.
7. Kirk, PR, & Lintah, RM (1972). Biosintesis Asid Amino oleh Kloroplas Terpencil semasa Fotosintesis. Fisiologi Tumbuhan, 50 (2), 228-234.
8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Peranan lipid dalam biogenesis kloroplas. Dalam Lipid dalam Pembangunan Tumbuhan dan Alga (hlm. 103-125). Springer, Cham.
9. Sowden, RG, Watson, SJ, & Jarvis, P. (2017). Peranan kloroplas dalam patologi tumbuhan. Esei dalam biokimia, EBC20170020.
10. Wise, RR, & Hoober, JK (2007). Struktur dan fungsi plastid. Springer Science & Business Media.