Χλωροπλάστες:Ορισμός και λειτουργία
Ο χλωροπλάστης είναι ένα οργανίδιο που βρίσκεται σε όλα τα φυτικά και ευκαρυωτικά φύκια, αλλά δεν ξεκίνησε έτσι. Όπως αναφέρθηκε, κάπου μεταξύ 1-2 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, ένα ευκαρυωτικό κύτταρο κατάπιε ένα φωτοσυνθετικό βακτήριο. Αν και αυτό το είδος συμβάντων θα σήμαινε κανονικά ότι το μικρότερο κύτταρο θα διασπωνόταν μέσω φαγοκυττάρωσης, σε αυτήν την περίπτωση δεν συνέβη.
Κατά τη διάρκεια της εξελικτικής ιστορίας σε αυτόν τον πλανήτη, υπάρχουν πολλές αξιοσημείωτες ιστορίες και άλματα προς τα εμπρός, μερικά από τα οποία μόλις τώρα αρχίζουμε να κατανοούμε πλήρως. Η πρώτη σπίθα της ζωής παραμένει η πιο μυστηριώδης από όλες, αλλά από τότε, η ζωή έχει μετακινηθεί από το νερό στη στεριά, έχει μεταφερθεί από μονοκύτταρα σε πολυκύτταρα, και έχει οδηγήσει ακόμη και σε εμάς – ένα αισθανόμενο, συνειδητοποιημένο είδος που βρίσκεται στο την κορυφή της εξάπλωσης στα αστέρια.
Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες στιγμές της εξέλιξης συχνά δεν συζητείται, και συνέβη μεταξύ 1 και 2 δισεκατομμυρίων ετών πριν, οδηγώντας στον πρώτο χλωροπλάτη - ένα κρίσιμο στοιχείο όλης της φυτικής ζωής στον πλανήτη.
Τι είναι ο Χλωροπλάστης;
Ο χλωροπλάστης είναι ένα οργανίδιο που βρίσκεται σε όλα τα φυτικά και ευκαρυωτικά φύκια, αλλά δεν ξεκίνησε έτσι. Όπως αναφέρθηκε, κάπου μεταξύ 1-2 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, ένα ευκαρυωτικό κύτταρο κατάπιε ένα φωτοσυνθετικό βακτήριο. Ενώ αυτού του είδους το γεγονός θα σήμαινε κανονικά ότι το μικρότερο κύτταρο θα διασπωνόταν μέσω φαγοκυττάρωσης, σε αυτή την περίπτωση δεν συνέβη. Επιπλέον, το κυανοβακτήριο (ένας προκαρυώτης) συνέχισε να φωτοσυνθέτει και σχημάτισε μια ενδοσυμβιωτική σχέση με το κύτταρο ξενιστή του. Σε αντάλλαγμα να μην καταστρέψει το βακτήριο, άρχισε να φτιάχνει τροφή για το κύτταρο. Αυτό γίνεται με τη σύλληψη της ενέργειας από το ηλιακό φως και στη συνέχεια τη μετατροπή της σε χρησιμοποιήσιμη χημική ενέργεια για την παραγωγή οργανικών μορίων, συγκεκριμένα της ζάχαρης.
Πέρασαν εκατομμύρια χρόνια και το βακτήριο μεταβιβάστηκε σε κάθε θυγατρικό κύτταρο μέσω της κυτταρικής διαίρεσης. άρχισε επίσης να αλλάζει, χάνοντας μέρος του αρχικού του γενετικού υλικού και άρχισε να συνθέτει και να συνδέεται με διαφορετικές πρωτεΐνες που άλλαξαν τη συνολική του λειτουργία. Σταδιακά, το βακτήριο αφομοιώθηκε και εξελίχθηκε σε ένα οργανίδιο από μόνο του - τον χλωροπλάτη. Αυτή η «συναρπαστική» θεωρία υποστηρίζεται έντονα από τις δομικές ομοιότητες με το κυανοβακτήριο και είναι σε μεγάλο βαθμό αποδεκτή από την επιστημονική κοινότητα.
Δομή χλωροπλάστη
Παρά το ταπεινό ξεκίνημά του, ο χλωροπλάστης τελικά εξελίχθηκε σε ένα εξελιγμένο και αποτελεσματικό οργανίδιο και έχει μια σειρά από κρίσιμες προσαρμογές και δομικά συστατικά που του επιτρέπουν να διαδραματίσει έναν τόσο σημαντικό ρόλο στο κύτταρο. Αρχικά, οι χλωροπλάστες τείνουν να συγκεντρώνονται σε προστατευτικά κύτταρα, τα οποία βρίσκονται κοντά στα στόμια και βοηθούν στη ρύθμιση της ανταλλαγής υγρών και αερίων. Δεδομένου ότι οι χλωροπλάστες απαιτούν διοξείδιο του άνθρακα για τη φωτοσύνθεση, η ιδιαίτερη παρουσία τους σε αυτά τα κύτταρα είναι λογική.
Παρόμοια με τον πυρήνα, οι χλωροπλάστες περιβάλλονται από δύο λιπιδικές διπλές στοιβάδες που σχηματίζουν το περίβλημα της μεμβράνης. Αυτές οι μεμβράνες είναι επιλεκτικά διαπερατές και διατηρούν το στρώμα διαχωρισμένο από τον εσωτερικό χώρο του χλωροπλάστη. Εντός της εσωτερικής μεμβράνης του χλωροπλάστη, υπάρχει ένα πολύπλοκο σύστημα μεμβράνης που αποτελείται από θυλακοειδή, μεμβρανώδεις σάκους όπου λαμβάνει χώρα η φωτοσύνθεση. Ο χώρος μέσα σε αυτούς τους θυλακοειδείς σάκους ονομάζεται αυλός και περιέχει χλωροφύλλη, τη χρωστική ουσία στον χλωροπλαστικό που απορροφά την ενέργεια από το ηλιακό φως. Αυτοί οι θυλακοειδής σάκοι στοιβάζονται σφιχτά σε ομάδες που ονομάζονται grana, όπου συμβαίνει η μετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε χημική ενέργεια. Γύρω από όλους τους θυλακοειδή σάκους, αλλά συγκρατούνται από την εσωτερική μεμβράνη, βρίσκεται το στρώμα. Αυτό είναι παρόμοιο με το κυτταρόπλασμα, αλλά δεν πρέπει να αγνοηθεί, καθώς θα συμβεί μια σειρά από σημαντικές λειτουργίες – όπως η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε ζάχαρη.
(Φωτογραφία:Ollin / Wikimedia Commons)
Οι χλωροπλάστες στα φυτικά κύτταρα είναι πολύ παρόμοιοι με τα μιτοχόνδρια σε άλλα ευκαρυωτικά κύτταρα, συμπεριλαμβανομένων των ζώων. Είναι και τα δύο στενά συνδεδεμένα με τον ενεργειακό μεταβολισμό, έχουν το δικό τους DNA, έναν σφιχτά τυλιγμένο κεντρικό χώρο με διαρκώς δυναμική δραστηριότητα και πιθανότατα εξελίχθηκαν αφού κατακλύθηκαν από μεγαλύτερα ευκαρυωτικά κύτταρα πριν από περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια!
Λειτουργία χλωροπλάστη
Τώρα που βρίσκονται σε κάθε φυτικό κύτταρο και σε μεγάλο αριθμό φωτοσυνθετικών πρωτεϊνών, οι χλωροπλάστες παράγουν τροφή για το κύτταρο, λόγω της φωτοσυνθετικής τους ικανότητας. Για να εκτιμηθεί σωστά η λειτουργική φύση ενός χλωροπλάστη, είναι απαραίτητο να επανεξεταστούν τα λεπτότερα σημεία της φωτοσύνθεσης.
Όταν η ηλιακή ενέργεια χτυπά ένα φυτό, απορροφάται από τη χρωστική ουσία χλωροφύλλης που βρίσκεται στον χλωροπλάστη. Η φωτοσύνθεση είναι μια διαδικασία δύο σταδίων, που αποτελείται από τις αντιδράσεις φωτός και τις αντιδράσεις του σκοταδιού. Οι αντιδράσεις φωτός ξεκινούν στο grana, που εξηγήθηκε παραπάνω, όπου η ενέργεια μετατρέπεται από τη χλωροφύλλη α σε ATP και NADPH. Αυτές είναι δύο μορφές ενεργητικού «νομίσματος» για κάθε κύτταρο και επίσης παίζουν βασικό ρόλο στην κυτταρική αναπνοή (που εμφανίζεται στα μιτοχόνδρια). Το ATP και το NADPH δημιουργούνται περνώντας μέσα από 2 διαφορετικά φωτοσυστήματα, συμπεριλαμβανομένης μιας αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων που δημιουργεί μια βαθμίδα φορτίου εντός του χλωροπλάστη. Αυτή η βαθμίδα επιτρέπει τη ροή ιόντων υδρογόνου μέσω ενός συμπλέγματος πρωτεϊνών που ονομάζεται συνθάση ATP, το οποίο παράγει ATP!
(Φωτογραφία :Somepics/Wikimedia Commons)
Το ATP και το NADPH που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων φωτός θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια στο στάδιο της σκοτεινής αντίδρασης, το οποίο συχνά αναφέρεται ως Κύκλος Calvin. Το ATP και το NADPH, σε συνδυασμό με το διοξείδιο του άνθρακα, μετατρέπονται σε σάκχαρο μέσα στο στρώμα του χλωροπλάστη. Μόλις αυτά τα σάκχαρα δημιουργηθούν εντός του χλωροπλάστου, μπορούν να αποθηκευτούν ως άμυλο, να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή κυτταρίνης ή να χρησιμοποιηθούν κατά την κυτταρική αναπνοή.
Αυτό που πολλοί άνθρωποι δεν συνειδητοποιούν είναι ότι ο χλωροπλάστης έχει μια σειρά από άλλες βασικές λειτουργίες εκτός από την παραγωγή τροφής για το κύτταρο. Οι χλωροπλάστες είναι επίσης ο τόπος σύνθεσης αμινοξέων, καθώς και άλλες αζωτούχες βάσεις όπως οι πουρίνες και οι πυριμιδίνες που χρειάζεται το κύτταρο για τη σύνθεση DNA και RNA.
Περισσότερο από αυτό που συναντά το μάτι
Οι χλωροπλάστες είναι ένα ενδιαφέρον οργανίδιο γιατί ο αριθμός τους είναι δυναμικός, με βάση τις ανάγκες ενός φυτού. Μπορεί να υπάρχουν οπουδήποτε από 1 έως 100 χλωροπλάστες σε ένα μόνο κύτταρο και αυτός ο αριθμός μπορεί να κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του κυττάρου, τη θέση του στο φυτό και την ποσότητα του ηλιακού φωτός που είναι διαθέσιμη για απορρόφηση και μετατροπή από τη χλωροφύλλη.
Χωρίς αυτή την τυχαία κατάποση ενός προκαρυωτικού κυττάρου πριν από ένα δισεκατομμύριο χρόνια, η φυτική ζωή δεν θα μπορούσε ποτέ να αναπτυχθεί, κάτι που θα εμπόδιζε τα επίπεδα οξυγόνου στην ατμόσφαιρα να αλλάξουν. Αυτό, με τη σειρά του, θα έκανε αδύνατη την περαιτέρω εξέλιξη των ευκαρυωτικών κυττάρων, πράγμα που σημαίνει ότι οι άνθρωποι μπορεί να μην υπήρχαν ποτέ! Έτσι, ενώ μπορεί να είναι μικρά και φαινομενικά ασήμαντα οργανίδια, εντελώς άσχετα με τον άνθρωπο, στην πραγματικότητα αποτελούν κεντρικό πρόσωπο στην επιβίωσή μας!
