Презентация по биологии "Пластиды и их роль в жизнедеятельности клетки"

Пластиды и их роль в
жизнедеятельности клетки
Презентацию выполнила :
Учитель биологии Чайко Е.В.

Пластиды
Пластиды – это мембранные органоиды, бесцветные или окрашенные тельца в протоплазме растительных клеток, встречающиеся у фотосинтезирующих эукариотических организмов (высшие растения, низшие водоросли, некоторые одноклеточные организмы). Название происходит от греческого слова «plastos», что в переводе означает «вылепленный».

Происхождение пластид
Согласно симбиогенетической теории пластиды возникли в результате однократного первичного симбиоза праводоросли с цианобактериями . При этом внешняя мембрана пластид соответствует плазматической мембране праводоросли, межмембранное пространство — внешней среде, внутренняя мембрана пластид — мембране цианобактерии, а строма пластид — цитоплазме цианобактерии. Наличие трёх (эвгленовые и динофлагелляты) или четырёх (золотистые, бурые, жёлто-зелёные, диатомовые водоросли) мембран считается результатом двух- и трёхкратного эндосимбиоза (взаимно выгодное сосуществование организмов, при котором один из организмов обитает внутри другого) соответственно. Таким образом, группа организмов, содержащих пластиды, не является однородной и пластиды в разных таксонах получены ими независимо друг от друга.

Открытие пластид
Голландский натуралист Антонии Ван Левенгук в 1676 г открыл пластиды. Впервые их описали и классифицировали в 1880-1883 г. А.Шимпер и В.Мейер.
Андреас Шимпер

Классификация пластид
В зависимости от окраски, обусловленной наличием пигментов, различают:

Хлоропласты
Хлоропласты — зелёные пластиды, основной функцией которых является фотосинтез. Хлоропласты имеют наибольшее значение для растения. Они встречаются у большинства живых клеток зеленых органов растения и часто занимают большую часть объема протопласта. Форма хлоропластов чаще всего бывает линзовидной, хотя у водорослей (у них чаще всего присутствует всего один огромный хлоропласт, называемый хроматофором) она может быть очень разнообразной - чашеобразной, спиралевидной и др.

Хлоропласты
Хлоропласты - очень крупные внутриклеточные структуры. Нередко их размер превышает размер ядра, но обычно ширина 2-4 мкм и длина - 5-10 мкм. Хроматофоры водорослей еще больше - до 50 мкм в длину. Численность хлоропластов в различных клетках очень варьирует - от 5-7 в клетках эпидермы тополя до 1000 в гигантских клетках мезофилла листьев махорки. Хлоропласты особенно многочисленны в тех клетках, которые хорошо освещены, клетки корня, как правило, не имеют этих пластид. Нет их и в выделительных клетках. Общая численность хлоропластов взрослого дерева может доходить до ста миллиардов.
В клетке хлоропласт обычно располагается в пристеночной цитоплазме, причем их форма и численность может изменяться в ответ на действие некоторых факторов окружающей среды. Например, у растущих в тени растений хлоропласты становятся крупнее и богаче хлорофиллом. Положение этих органелл в клетке также непостоянно и зависит от интенсивности освещения.

Происхождение хлоропластов
Часть групп организмов получала хлоропласты в результате эндосимбиоза не с прокариотными клетками, а с другими эукариотами, уже имеющими хлоропласты. Этим объясняется наличие в оболочке хлоропластов некоторых организмов более чем двух мембран. Самая внутренняя из этих мембран трактуется как потерявшая клеточную стенку оболочка цианобактерии, внешняя — как стенка симбионтофорной вакуоли хозяина. Промежуточные мембраны — принадлежат вошедшему в симбиоз редуцированному эукариотному организму. У некоторых групп в перипластидном пространстве между второй и третьей мембраной располагается нуклеоморф, сильно редуцированное эукариотное ядро.

Строение хлоропластов
Хлоропласты имеют оболочку, образованную двумя мембранами, между которыми находится межмембранное пространство шириной около 20 - 30 нм. Оболочка ограничивает содержимое хлоропласта, заполненное стромой (ее также называют матриксом). В отличие от митохондрий, хлоропласты имеют еще и третью мембранную систему - ламеллярную. Она происходит от внутренней мембраны оболочки, но связь ее с ламеллами у взрослого хлоропласта представляется спорной.

клеточная
стенка

Строение хлоропластов
Внутренние мембраны образуют мешочки двух типов. Одни из них имеют вид небольшого диска с межмембранным пространством около 20 - 30 нм. Такие диски называются тилакоидами. Они образуют стопки - граны, которые лежат очень тесно, но не сообщаются между собой. Количество тилакоидов в гране достигает нескольких десятков, поэтому граны можно различить даже под световым микроскопом.
Другой тип мешочков называют ламеллами стромы, или межгранными тилакоидами. Они имеют гораздо большую длину и простираются от одной граны до другой.
Наличие и количество тилакоидов свидетельствует об интенсивности фотосинтетических реакций, потому что именно в их мембранах находятся соединения, осуществляющие фотосинтез.

Строение хлоропластов
Подобно митохондриям, хлоропласты имеют собственную ДНК, которая находится в строме и представляет собой кольцевую молекулу, а также рибосомы. Хлоропласты способны самостоятельно синтезировать около сотни белков, которые, в частности, входят в состав рибосом и мембран тилакоидов. Однако автономия далеко не полная и органеллы нуждаются в белках, синтез которых определяется геномом ядра. Полагают, что ни один из синтезированных в пластиде белков не покидает органелл.

Генетическая система хлоропластов
ДНК хлоропластов резко отличается от ДНК ядра. В одном хлоропласте может быть множество копий ДНК. Так, в индивидуальном хлоропласте кукурузы присутствует 20-40 копий молекул ДНК. Длительность цикла и скорость репликации ядерной и хлоропластной ДНК, как было показано на клетках зеленых водорослей, не совпадают. ДНК хлоропластов не состоит в комплексе с гистонами. Все эти характеристики ДНК хлоропластов близки к характеристикам ДНК прокариотических клеток. Более того, сходство ДНК хлоропластов и бактерий подкрепляется еще и тем, что основные регуляторные последовательности транскрипции (промоторы, терминаторы) у них одинаковы. На ДНК хлоропластов синтезируются все виды РНК (информационная, трансферная, рибосомная). ДНК хлоропластов кодирует рРНК, входящую в состав рибосом этих пластид. Рибосомы хлоропластов чувствительны к антибиотику хлорамфениколу, подавляющему синтез белка у прокариотических клеток.
В последнее время удалось полностью расшифровать всю последовательность нуклеотидов в составе циклической молекулы ДНК хлоропластов высших растений. Эта ДНК может кодировать до 120 генов, среди них: гены 4 рибосомных РНК, 20 рибосомных белков хлоропластов, гены некоторых субъединиц РНК-полимеразы хлоропластов, несколько белков I и II фотосистем, 9 из 12 субъединиц АТФ-синтетазы, части белков комплексов цепи переноса электронов, одной из субъединиц рибулозодифосфат-карбоксилазы (ключевой фермент связывания СО2), 30 молекул тРНК и еще 40 пока неизвестных белков. Интересно, что сходный набор генов в ДНК хлоропластов обнаружен у таких далеко отстоящих представителей высших растений как табак и печеночный мох

Размножение хлоропластов

Пигмент хлорофилл
Зелёная окраска хлоропластов обусловлена высоким содержанием основного пигмента фотосинтеза — хлорофилла.
В 1817 году Жозеф Бьенеме Каванту и Пьер Жозеф Пеллетье выделили из листьев растений зелёный пигмент, который они назвали хлорофиллом. В 1900-х годах Михаил Цвет и Рихард Вильштеттер независимо обнаружили, что хлорофилл состоит из нескольких компонентов. Вильтштеттер очистил и кристаллизовал два компонента хлорофилла, названные им хлорофиллами а и b и установил брутто-формулу хлорофилла а. В 1915 году за исследования хлорофилла ему была вручена Нобелевская премия. В 1940 Ханс Фишер, получивший в 1930 Нобелевскую премию за открытие структуры гема, установил химическую структуру хлорофилла a. Его синтез был впервые осуществлен в 1960 Робертом Вудвордом, а в 1967 была окончательно установлена его стереохимическая структура.


Жозеф Бьенеме Каванту
Пьер Жозеф Пеллетье
Рихард Мартин Вильштеттер

Синтез хлорофилла

Синтезирован Робертом Вудвордом в 1960 году.
Синтез включает в себя 15 реакций, которые можно разделить на 3 этапа. Исходными веществами для синтеза хлорофилла являются глицин и ацетат. На первом этапе образуется аминолевулиновая кислота. На втором этапе происходит синтез одной молекулы протопорфирина из четырёх пиррольных колец. Третий этап представляет собой образование и превращение магнийпорфиринов.
Роберт Бёрнс Вудворд

Применение хлорофилла


Хлорофилл находит применение как пищевая добавка (регистрационный номер в европейском реестре E140), однако при хранении в этанольном растворе, особенно в кислой среде, неустойчив, приобретает грязно-коричнево-зеленый оттенок, и не может использоваться как натуральный краситель. Нерастворимость нативного хлорофилла в воде также ограничивает его применение в качестве натурального пищевого красителя. Но хлорофилл вполне успешно используется в качестве натуральной замены синтетических красителей при изготовлении кондитерских изделий.
Производное хлорофилла — хлофиллин медный комплекс (тринатриевая соль) получил распространение в качестве пищевого красителя (Регистрационный номер в европейском реестре E141). В отличие от нативного хлорофилла, медный комплекс устойчив в кислой среде, сохраняет изумрудно-зеленый цвет при длительном хранении и растворим в воде и водно-спиртовых растворах. Американская (USP) и Европейская (EP) фармакопеи относят хлорофиллид меди к пищевым красителям, однако вводят лимит на концентрацию свободной и связанной меди (тяжелый металл).

Карта распределения хлорофилла по поверхности мирового океана в период с 1998 по 2006 по данным спутникового прибора SeaWiFS

Хлоропласты в электронном микроскопе
Хлоропласты в световом микроскопе

Хромопласты
Хромопласты представляют собой видоизмененные хлоропласты. Сохраняя общий тип строения, хромопласты имеют ряд существенных отличий. Размеры у них меньше, отсутствует внутренняя мембранная система, поэтому нет и хлорофилла. Красный цвет обусловлен пигментами, которые относят к числу каротиноидов. Эти вещества могут находиться в строме хромопласта в двух состояниях. Поскольку каротиноиды принадлежат к числу жирорастворимых соединений, их можно обнаружить растворенными в каплях жира. Такие капли называются пластоглобулами. Они могут занимать значительный объем хлоропласта.
Пожелтение листьев перед листопадом связано с разрушением хлорофилла и демаскированием уже накопленных в хлоропластах каротиноидов. При этом синтез каротиноидов de novo незначителен. Таким образом, изменение пластид при старении листьев отличается от активного перехода хлоропластов в хромопласты при созревании плодов или формировании окрашенных лепестков. В связи с этим хромопласты, образующиеся при стрессе или старении листьев в результате разрушения хлорофилла, называют геронтопласты.
Хромопласты легко обнаружить в клетках лепестков цветов (что придает цветам яркость и, несомненно, способствует привлечению насекомых-опылителей), зрелых плодов, реже в вегетативных органах (свекла, морковь, листья в период опадения).

Хромопласты красного перца

Лейкопласты
Лейкопласты— бесцветные сферические пластиды в клетках растений. Внутренняя система мембран развита очень слабо, представлена отдельными тилакоидами. По своей форме похожи на протопласты.
Лейкопласты образуются в запасающих тканях (клубнях, корневищах), клетках эпидермы и других частях растений.
Лейкопласты отличаются от хлоропластов отсутствием развитой ламеллярной системы. Из-за их неопределенной морфологии лейкопласты трудно отличить от пропластид, а иногда и от митохондрий.
Синтезируют и накапливают крахмал амилопласты, жиры — олеопласты, белки — протеинопласты. Этиопласты ничего не запасают, на свету лейкопласты превращаются в хлоропласты. Лейкопласты содержат ферменты, с помощью которых из глюкозы, образованной в процессе фотосинтеза, синтезируется крахмал.

Местоположение пластид
Хромопласты – нефотосинтезирующие окрашенные пластиды, содержащие главным образом красные, оранжевые и желтые пигменты (каротиноиды). Содержатся в клетках зрелых плодов, лепестков, осенних листьев, редко-корнеплодов .

Хлоропласты – фотосинтезирующие окрашенные пластиды, содержащие пигмент зеленого цвета хлорофилл и немного каротиноидов. Они содержатся в клетках зеленых частей высших растений, особенно много хлоропластов в листьях и зеленых плодах.

Лейкопласты – бесцветные пластиды, обнаружены в клетках меристемы, эмбриональных и половых клетках, а также в неосвещенных частях растений.

Амилопласты, элайопласты, протеинопласты
Амилопласты — непигментированные пластиды (лейкопласты), присутствующие в некоторых клетках растений. Отвечают за синтез гранул крахмала путём полимеризации глюкозы и их последующее хранение. Амилопласты также преобразуют этот крахмал обратно в моносахариды, когда растение нуждается в энергии. Большое количество амилопластов может быть обнаружено в плодах и подземных запасающих органах, например, в тканях клубней картофеля.
Элайопласты, или олеопласты — тип пластид — лейкопластов, запасающие жиры. Жиры в элайопластах запасаются в виде округлых пластоглобул, по существу, являющихся капельками жира. Лишены пигмента, внутренняя мембранная система развита слабо.
Протеинопласты — тип пластид — лейкопластов, запасающие белки. Белки запасаются в них в виде кристаллов, кроме того, протеинопласты могут быть точками ферментативной активности, в которую вовлечены содержащиеся в них белки. Хотя все пластиды содержат белки в высоких концентрациях, только в протеинопластах, содержатся крупные белковые включения, видимые как в световой, так и в электронный микроскоп. До сих пор неизвестно, специализируются ли они исключительно на запасании белков, подобно тому как амилопласты запасают крахмал и элайопласты — жиры.

Статолиты

В корневом чехлике (ткани на кончике корня) специализированные амилопласты, называемые статолитами, предположительно вовлечены в восприятие растением гравитации (геотропизм) за счёт перемещения их в клетке под действием силы тяжести.

Этиопласт
Этиопласты — это хлоропласты, не подвергшиеся воздействию солнечного света. Они обычно имеются у цветковых растений (покрытосеменных), выращиваемых в темноте. Если растение было полностью лишено света в течение нескольких дней его хлоропласты превратятся в этиопласты. У этиопластов отсутствуют активные пигменты, из-за этого их можно отнести к лейкопластам. Высокие концентрации этиопластов обуславливают жёлтый цвет листьев, а не зелёный.
В этих растительных органеллах находятся проламеллярные тельца (предшественники ламелл), представляющие собой полу-кристаллические мембранные скопления разветвленных канальцев, в которых находится пигмент-предшественник хлорофилла. Проламеллярные тельца нередко (и, возможно, всегда), расположены в виде геометрических узоров.
Этиопласты могут преобразовываться в хлоропласты и усиленно синтезировать хлорофилл под воздействием растительного гормона цитокинина и света.

Пропластиды
Пропластиды — предшественники остальных типов пластид, присутствуют в меристематических клетках. Пропластиды имеют размеры от 0,2 до 1 мкм, что значительно меньше, чем размеры дифференцированных пластид. Внутренняя мембранная система развита слабо, содержат меньше рибосом чем дифференцированные пластиды, могут содержать отложения белка фитоферритина, основная функция которого хранение ионов железа. При нормальном освещении пропластиды превращаются в хлоропласты. Сначала они растут, при этом происходит образование продольно расположенных мембранных складок от внутренней мембраны. Одни из них простираются по всей длине пластиды и формируют ламеллы стромы; другие образуют ламеллы тилакоидов, которые выстраиваются в виде стопки и образуют граны зрелых хлоропластов. При освещении клеток мембранные пузырьки и трубочки быстро реорганизуются, из них развивается полная система ламелл и тилакоидов, характерная для нормального хлоропласта.

Пропластиды
Несколько иначе развитие пластид происходит в темноте. У этиолированных проростков происходит в начале увеличение объема пластид, этиопластов, но система внутренних мембран не строит ламеллярные структуры, а образует массу мелких пузырьков, которые скапливаютсяя в отдельные зоны и даже могут формировать сложные решетчатые структуры (проламеллярные тела). В мембранах этиопластов содержится протохлорофилл, предшественник хлорофилла желтого цвета. Под действие света из этиопластов образуются хлоропласты, протохлорофилл превращается в хлорофилл, происходит синтез новых мембран, фотосинтетических ферментов и компонентов цепи переноса электронов.

Взаимопревращения пластид
Пропластиды является начальной стадией развития других типов пластид, которые образуются преимущественно делением. Этот процесс считается необратимым.
Лейкопласты на свету легко превращаются в хлоропласты. Образования хромопластов из лейкопластов мало вероятно.
Хлоропласты могут при определенных условиях превращаться в лейкопласты (зеленые помидоры перед созреванием становятся белыми — молочными, а также легко превращаются в хромопласты — покраснение рябины, шиповника, тыквы и т.п.
Хромопласты является конечной стадией развития пластид и, как правило, не способны превращаться в другие их типы. В некоторых случаях преобразования хромопластов в хлоропласты возможно (позеленения верхней части корнеплода моркови на свету, позеленения желтеющего листа под действием цитокинина).

Фотосинтез
При фотосинтезе энергия солнечного света преобразуется в химическую энергию. Химическая энергия хранится в виде глюкозы (сахара). Двуокись углерода, вода и солнечный свет используются для производства глюкозы, кислорода и воды. Фотосинтез происходит в два этапа: световая фаза и темновая фаза. Световая фаза фотосинтеза протекает только при наличии света и происходит внутри хлоропластовой граны. Первичным пигментом, используемым для преобразования световой энергии в химическую, является хлорофилл а. Другие пигменты, участвующие в поглощении света, включают хлорофилл b, ксантофилл и каротин. Во время световой фазы, солнечный свет преобразуется в химическую энергию в виде АТФ (молекулы, содержащей свободную энергию) и НАДФ (молекула, несущая электроны высокой энергии).

Фотосинтез
И АТФ, и НАДФ используются во время темновой фазы для получения сахара. Темновая фаза фотосинтеза, также известная как этап фиксации углерода или цикл Кальвина. Реакции на этой стадии возникают в строме. Строма содержит ферменты, которые облегчают серию реакций, использующих АТФ, НАДФ и углекислый газ для получения сахара. Сахар может храниться в виде крахмала, используемого во время дыхания или при производстве целлюлозы.
цикл Кальвина

Заключение
Пластиды в растительных клетках – это своеобразная «фабрика», где осуществляется производство, связанное с токсичными промежуточными веществами, высокой энергией и процессами преобразования свободных радикалов.