کلروپلاست چیست؟ همه چیز درباره کلروپلاست

سلولهای گیاهی دارای چندین ساختار هستند که در سایر یوکاریوتها یافت نمی شود. به ویژه، اندامک هایی به نام کلروپلاست سبب میشود گیاهان تا انرژی خورشید را توسط مولکول های خود جذب کنند. دیواره های سلولی موجب شده که گیاهان ساختارهای سفت و سختی مانند تنه چوب و برگهای انعطاف پذیر داشته باشند. واکوئل سبب شده سلولهای گیاهی اندازشان تغییر کند. شما را به مطالعه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک دعوت میکنیم.

کلروپلاست و سلول گیاهی

کلروپلاست از سرفصلهای مهم علوم ششم است. توجه به این بخش برای دانش آموزان اهمیت ویژه ای دارد. یکی از شناخته شده ترین و مهمترین ویژگیهای گیاهان توانایی آنها در انجام فتوسنتز و در واقع تهیه غذای خود با تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی است. این فرایند تقریبا در همه گونه های گیاهی و در اندامک های تخصصی معروف به کلروپلاست انجام می شود. تمام ساختارهای سبز موجود در گیاهان  از جمله ساقه ها و میوه های رسیده، حاوی کلروپلاست هستند. اما اکثریت فعالیت فتوسنتز در اکثر گیاهان در برگها رخ می دهد. به طور متوسط، چگالی کلروپلاست در سطح برگ حدود نیم میلیون در میلی متر مربع است.

تعریف کلروپلاست

کلروپلاست از کلمه یونانیchloros ، به معنی سبز وplast  به معنی شکل یا موجودیت بدست آمده است. در زیست شناسی، کلروپلاست به اندامک موجود در سلول گیاهان و سایر یوکاریوت های فتوسنتزی اشاره دارد. با کلروفیل پر شده است. مترادف کلروپلاست: کلروپلاستید، پلاستید سبز وکلرولوسیت است.

کلروپلاست چیست

کلروپلاستها یکی از چندین نوع مختلف پلاستیدها هستند، اندامکهای سلول گیاهی که در ذخیره انرژی و سنتز مواد متابولیک نقش دارند. به عنوان مثال، لوکوپلاست های بی رنگ در سنتز نشاسته، روغن ها و پروتئین ها نقش دارند. کروموپلاستهای رنگ زرد تا قرمز کاروتنوئیدها را تولید می کنند و کلروپلاستهای سبز رنگ حاوی رنگدانه های کلروفیل a و کلروفیل b هستند.

گیاهان توسط این ساختار انرژی نور مورد نیاز برای ایجاد فتوسنتز را جذب کنند. همه پلاستیدها از اندامکهای ریز موجود در سلولهای نابالغ مریستم گیاه (بافت گیاهی تمایز نیافته) که پروپلاستید بوجود می آیند. آنهایی که از یک گونه گیاهی خاص هستند، همه حاوی کپی از ژنوم دایره ای یکسانی است. تفاوت بین انواع مختلف پلاستیدها بر اساس نیاز سلولهای متفاوت موجود در آنها است. احتمالا تحت تأثیر شرایط محیطی مانند نور یا تاریکی هنگام رشد برگ قرار گیرد.

مهمترین ویژگی سلول گیاهی

سلولهای گیاهی از این نظر که دارای دو اندامک تخصصی برای تولید انرژی دارند قابل توجه هستند.کلروپلاست که از طریق فتوسنتز انرژی ایجاد می کنند. میتوکندریها از طریق تنفس انرژی تولید می کنند. مانند میتوکندری، کلروپلاست با سایر اندامک های دیگر متفاوت است. زیرا DNA خود را دارد و مستقل از سلولی که در آن یافت می شود تولید مثل می کند.

یک فرضیه از دانشمندان این است که میلیون ها سال پیش پروکاریوت های کوچک و آزاد زندگی می کردند. اما توسط پروکاریوت های بزرگتر بلعیده می شدند، اما مصرف نمی شدند، شاید به این دلیل که آنها قادر به مقاومت در برابر آنزیم های گوارشی موجود زنده بودند.

همانطور که توسط این فرضیه پیشنهاد شد، این دو موجود زنده در طول زمان رابطه همزیستی ایجاد کردند، ارگانیسم بزرگتر مواد مغذی فراوان را برای بدن کوچکتر و ارگانیسم کوچکتر مولکول های ATP را برای بدن بزرگتر فراهم می کند. سرانجام، ارگانیسم بزرگتر به سلول یوکاریوتی تبدیل شد. ارگانیسم کوچکتر به کلروپلاست تبدیل شد. با این وجود، تعدادی از صفات پروکاریوتی وجود دارد که کلروپلاست ها همچنان از را نشان می دهند. DNA آنها دایره ای است. ریبوزومها و روشهای تولید مثل آنها (شکافت دوتایی) بیشتر شبیه پروکاریوت ها است.

منشا میتوکندری و کلروپلاست

مانند میتوکندری، کلروپلاست از یک همزیستی باستانی نشات گرفته اند. کلروپلاست شبیه به سیانوباکتری های مدرن هستند که شبیه سیانوباکتری های ۳ میلیون سال پیش باقی مانده اند. با این حال، تکامل فتوسنتز حتی به گذشته بر می گردد. به اولین سلول هایی که توانایی جذب انرژی نور و استفاده از آن برای تولید مولکول های غنی از انرژی را دارند.

هنگامی که این موجودات توانایی تقسیم مولکول های آب و استفاده از الکترون های این مولکول ها را پیدا کردند. سلول های فتوسنتزکننده شروع به تولید اکسیژن کردند. رویدادی که پیامدهای شگرفی برای تکامل همه موجودات زنده روی زمین داشت.

میتوکندری و کلروپلاست احتمالا از پروکاریوت های بلعیده شده ای که زمانی به عنوان موجودات مستقل زندگی می کردند، تکامل یافته اند. در برهه ای از زمان، یک سلول یوکاریوتی یک پروکاریوت هوازی را در خود فرو برد. سپس با یوکاریوت میزبان رابطه اندوسیمبیوتیک ایجاد کرد و به تدریج به یک میتوکندری تبدیل شد. سلولهای یوکاریوتی حاوی میتوکندری سپس پروکاریوتهای تکامل یافته و به اندامکهای تخصصی کلروپلاست تبدیل شدند.

امروزه، کلروپلاست ها ژنوم های کوچک و دایره ای شکل شبیه به سیانوباکتری ها را حفظ می کنند، اگرچه بسیار کوچکتر هستند. (ژنوم های میتوکندری حتی کوچکتر از ژنوم کلروپلاست ها هستند.) دنباله های کدگذاری برای اکثر پروتئین های کلروپلاست از بین رفته است. بنابراین این پروتئین ها اکنون توسط ژنوم هسته ای کدگذاری شده، در سیتوپلاسم سنتز شده و از سیتوپلاسم به کلروپلاست منتقل می شوند.

تکامل کلروپلاست

نظریه Endosymbiotic برای درک منشا کلروپلاست ها ارائه شد. بر این اساس، اندامک هایی مانند میتوکندری و کلروپلاست ها ساختارهای سلولی در سلول های یوکاریوتی بودند. در نتیجه یک اندوسیمیبوز اولیه که میلیون ها سال پیش بین اندوسبیونت های پروکاریوتی و سلول های میزبان یوکاریوتی رخ داده بود، بوجود آمدند.

سلول یوکاریوتی، به عنوان سلول بزرگتر، پروکاریوتهای فتوسنتز کوچکتر (به عنوان مثال سیانوباکتری ها) را جذب کرد. در نتیجه آنها را قادر به فتوسنتز کرد. سرانجام، پروکاریوت ها تکامل یافته و به پلاستیدها، به ویژه کلروپلاست ها متمایز شدند. این یوکاریوتهای فتوسنتزی اولیه که دارای پروکاریوتهای اندامک شده اند، اجداد اولیه گیاهان و جلبکهای مدرن روی زمین هستند. کشف cpDNA در کلروپلاست، شباهت در غشاء و شکافت دوتایی به عنوان وسیله ای برای تولید مثل به عنوان شواهدی در تأیید این نظریه عمل می کند.

عملکرد غشای کلروپلاست

مانند میتوکندری، کلروپلاست ها توسط دو غشا احاطه شده اند. غشای خارجی برای مولکولهای آلی کوچک نفوذپذیر است. در حالی که غشای داخلی کمتر نفوذپذیر بوده و دارای پروتئینهای حمل و نقل است. درونی ترین ماتریس کلروپلاستها که استروما نامیده می شود. حاوی آنزیمهای متابولیک و کپی های متعددی از ژنوم است.

کلروپلاست ها دارای سومین غشای داخلی به نام غشای تیلاکوئید نیز هستند که به طور گسترده تا شده است و بصورت پشته ای از دیسک های مسطح در میکروگراف های الکترونی ظاهر می شود. تیلاکوئیدها شامل رنگدانه هایی مانند کلروفیل و همچنین زنجیره های انتقال الکترون مورد استفاده در فتوسنتز هستند.

ساختار کلروپلاست

کلروپلاست دارای سه لایه غشایی است: (۱) غشای خارجی ، (۲) غشای داخلی و (۳) سیستم تیراکوئید. غشای بیرونی و داخلی سیستم غشایی دوگانه است. از ویژگی های معمول یک اندامک است. لایه بیرونی غشای دوبل بسیار نفوذپذیرتر از لایه داخلی است. دارای تعدادی پروتئین انتقال دهنده غشایی است. استروما، یک ماده نیمه سیال که حاوی آنزیم های محلول است. بیشتر حجم کلروپلاست را در بر می گیرد، غشاء کلروپلاست را در بر گرفته است. استروما حاوی DNA و ریبوزومها و RNA های ویژه ای دارد.

تیلاکوئیدها ساختارهایی به شکل دیسک هستند که وظیفه برداشت یا جمع آوری فوتون ها از منبع نوری مانند نور خورشید را انجام می دهند. مجموعی از پروتئین ها و رنگدانه های جذب کننده نور، به ویژه کلروفیل و کاروتنوئید، در غشای تیراکوئید قرار دارد. کار تیلاکوئید این است: محلی را برای واکنش های نوری فتوسنتز فراهم کند. به انباشته شدن تیراکوئیدها (شبیه یک سکه) گرانوم (جمع: گرانا) می گویند. ماتریس کلروپلاست استروما نامیده می شود. این مایع غلیظ بین گرانا است. حاوی آنزیم ها، مولکول ها و یون ها است. این جایی است که فرایند تشکیل قند مستقل از نور (واکنشهای تاریک فتوسنتز) انجام می شود.

کلروپلاست مشابه میتوکندری، اندامکهای نیمه خود مختار هستند. دارای DNA خود هستند که به آنها DNA کلروپلاست یا cpDNA گفته می شود. آنها فقط به ژن های موجود در هسته تکیه نمی کنند. آنها پروتئین خاصی را از DNA خود تولید می کنند.

عملکرد کلروپلاست

کلروپلاستها فرآیند فتوسنتز را انجام می دهند. نقش اصلی آنها ایجاد محلی برای واکنشهای روشن و تاریک است. از طریق این اندامکها، منابع معدنی، آب و انرژی نور به غذا یعنی گلوکز (مولکول قند) تبدیل می شود. بنابراین برای ارگانیسم های فتوسنتز کننده به منظور تولید غذا به تنهایی و عدم نیاز به تغذیه از موجودات دیگر برای زنده ماندن اهمیت دارند. از آنجا که اکسیژن یکی از محصولات جانبی فتوسنتز است. بنابراین کلروپلاستها محل مهمی برای تولید چنین گازی هستند که بعدا از سلول به محیط آزاد می شود. اکسیژن از نظر بیولوژیکی به نوبه خود در فرآیندهای مختلف بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی در حیوانات مهم است.

ویژگی کلروپلاست در گیاهان

کلروپلاست یکی از اندامکهای سلول یوکاریوتی فتوسنتزی است. یک نوع پلاستید است (انواع دیگر آن کروموپلاست و لکوپلاست هستند). کلروپلاست ها از نظر رنگ، شکل، ساختار و عملکرد از سایر پلاستیدها قابل تشخیص هستند. کلروپلاست ها به دلیل رنگدانه های کلروفیل که به وفور یافت می شوند و سبز هستند. دو نوع رایج عبارتند از کلروفیل a و b.

رنگدانه های کلروفیل دیگر عبارتند از کلروفیل c ، d و f.

کلروفیل a در همه کلروپلاست ها وجود دارد در حالی که انواع دیگر بسته به گونه وجود دارد.

در گیاهان آوندی، کلروپلاست شبیه به عدسی یا دیسک است.

کلروپلاست و فتوسنتز

نور به عنوان بسته های انرژی به نام فوتون توسط مولکول های کلروفیل جذب کننده نور که در دیسک های تیلاکوئید تعبیه شده اند به این شکل جذب می شود.

وقتی این مولکول های کلروفیل فوتون ها را جذب می کنند، الکترون هایی از خود ساطع می کنند (فرآیندی که منجر به انتشار اکسیژن به عنوان یک محصول جانبی می شود). حرکت الکترونها باعث می شود که یونهای هیدروژن در غشای اطراف تایلاکوئید حرکت کرده و در نتیجه تشکیل یک گرادیان الکتروشیمیایی را آغاز می کند. باعث تولید آدنوزین تری فسفات ATP در استروما می شود. ATP  انرژی شیمیایی سلول است که فعالیتهای متابولیکی سلول را تقویت می کند.

در استروما، واکنشهای فتوسنتز مستقل از نور، شامل تثبیت کربن رخ می دهد. دی اکسید کربن کم انرژی به یک ترکیب پرانرژی مانند گلوکز تبدیل می شود.

تفاوت سلول گیاهی و جانوری

گیاهان نمونه هایی از موجوداتی هستند که دارای کلروپلاست در داخل سلول های خود هستند. با نگاهی به سلول های آنها، وجود کلروپلاست های متعددی که در سراسر سیتوپلاسم پخش شده اند را نشان می دهد هر کلروپلاست شامل یک سیستم برداشت نور حاوی کلروفیل ها است. این رنگدانه های سبز نور آبی و قرمز طیف الکترومغناطیسی را جذب می کنند. با این حال، آنها بخش سبز طیف را منعکس می کنند. به همین دلیل است که گیاهان سبز هستند. در مقابل، سلولهای حیوانی حاوی کلروپلاست نیستند.

بنابراین، جدا از وجود دیواره سلولی (یعنی لایه ای از سلولز و سفتی سلولی در گیاهان)، وجود کلروپلاست یکی دیگر از مشخصه های تعیین کننده است که می تواند به شناسایی گیاهان از حیوانات کمک کند. سایر موجودات دارای کلروپلاست جلبک های یوکاریوتی هستند. به عنوان مثال: جلبک سبز. برخی از باکتری هایی که فتوسنتز می شوند (فوتوتروف ها و سیانوباکتریا) دارای کلروفیل در سلول های خود هستند. با این حال، کلروفیل های آنها در داخل اندامک دو غشایی مانند کلروپلاست یافت نمی شود. بلکه رنگدانه های کلروفیل در غشای تیلاکوئید یک سلول باکتریایی قرار دارند. اگر یوکاریوت دارای کلروپلاست باشد. یعنی توانایی تولید غذای خود را دارد. این کار را از طریق فتوسنتز انجام می دهد.