Строение пластид

Лист растения - орган, обеспечивающий условия для проте­кания фотосинтетического процесса. Функционально же фото­синтез приурочен к специализированным органеллам - хлоропластам. Хлоропласты высших растений имеют форму двояковы­пуклой линзы (диска), которая наиболее удобна для поглощения солнечных лучей. Их размеры, количество, расположение в клет­ке также полностью отвечают назначению: как можно эффектив­нее поглощать солнечную энергию, как можно полнее усваивать углерод. На различных сельскохозяйственных объектах установ­лено, что количество хлоропластов в клетке измеряется десятка­ми. Это обеспечивает высокое содержание этих органелл на еди­ницу поверхности листа. Так, на 1 мм² листа фасоли приходится 283 тыс. хлоропластов, у подсолнечника - 465 тыс. Диаметр хло­ропластов в среднем 0,5-2 мкм, длина 5-10 мкм, объем 30- 40 мкм³. Малый размер хлоропластов и большое количество их в одной клетке обусловливают громадную общую суммарную рабо­чую поверхность.

Хлоропласты способны к активным движениям - изменению ориентации тела и перемещению в пространстве. Скорость дви­жения хлоропластов около 0,12 мкм/с. Их передвижения вызы­ваются физическими и химическими факторами. Например, под влиянием яркого света хлоропласты поворачиваются узкой стороной диска к падающим лучам и перемещаются на боковые стенки клеток. Хлоропластам присуща также хемотаксическая чувствительность - они передвигаются в направлении более вы­сокой концентрации СО₂ в клетке. Установлен и эндогенный суточный ритм движения хлоропластов: днем они обычно вы­страиваются вдоль стенок, ночью опускаются на дно клетки.

Состав хлоропластов. Изучение химического состава хлоро­пластов стало возможным благодаря методу дифференциального центрифугирования, позволяющему выделить из гомогената ткани фракции определенных органелл. Величина центробежной силы, необходимая для осаждения, зависит от массы частиц. Хлоропласты из экстракта протопластов осаждаются при 250 g в течение 1 мин. Большое значение имеет состав среды выделения. Использование для этих целей забуференного раствора сорбита предотвращает вымывание водорастворимых белков и позволяет сохранить нативную структуру, состав и функциональную актив­ность хлоропластов.

Химический состав хлоропластов достаточно сложен и харак­теризуется высоким содержанием воды (75 %). Около 75-80 % общего количества сухих веществ приходится на долю различных органических соединений, 20-25 % - на долю минеральных ве­ществ. Структурной основой хлоропластов являются белки, со­держание которых достигает 50-55 % сухой массы, примерно половину из них составляют водорастворимые белки. Такое вы­сокое содержание белков объясняется их многообразными функ­циями в составе хлоропластов. Это структурные белки, являю­щиеся основой мембран, белки-ферменты, транспортные белки, поддерживающие определенный ионный состав, отличающийся от цитозоля, сократительные белки, подобные актомиозину мышц, которые обеспечивают двигательную активность хлоро­пластов. Белки выполняют также рецепторную функцию, прини­мая участие в регуляции интенсивности фотосинтеза в меняю­щихся условиях внутренней и внешней среды.

Важнейшей составной частью хлоропластов являются липиды, содержание которых колеблется от 30 до 40 % сухой массы. Липиды хлоропластов представлены тремя группами соединений.

1. Структурные компоненты мембран, которые представлены амфипатичными липоидами и отличаются высоким содержанием (более 50 %) галактолипидов и сульфолипидов. Фосфолипидный состав характеризуется отсутствием фосфатидилэтаноламина и высоким содержанием фосфатидилглицерина (более 20 %). Свыше 60 % состава жирных кислот приходится на линолевую кислоту.

2. Фотосинтетические пигменты. В отличие от водораствори­мых пигментов клеточного сока пигменты хлоропластов характе­ризуются повышенным сродством к гидрофобным растворителям и относятся к липоидам. Высшие растения содержат две формы зеленых пигментов: хлорофилл а и хлорофилл b и две формы желтых пигментов: каротины и ксантофиллы (каротиноиды). Ве­дущую роль в фотосинтезе - фотосенсибилизацию - выполняет хлорофилл а, другие пигменты расширяют спектр действия фотосинтеза за счет более полного поглощения ФАР, каротиноиды защищают хлорофилл от фотоокисления, участвуют в транспорте кислорода, образующегося при фотолизе воды.

3. Жирорастворимые витамины - эргостерол (провитамин D),витамины Е, К сосредоточены практически целиком в хлоропластах, где участвуют в преобразовании световой энергии в химическую. В цитозоле клеток листа в основном находятся водорастворимые витамины. Так, у шпината содержание аскор­биновой кислоты в хлоропластах в 4-5 раз меньше, чем в лис­тьях.

Н.М. Сисакян обнаружил в хлоропластах листьев сахарной свеклы значительные количества нуклеиновых кислот, причем наряду с РНК им впервые установлено присутствие в хлороплас­тах ДНК. По современным данным, нуклеиновые кислоты со­ставляют примерно 1 % сухой массы хлоропластов (РНК - 0,75 %, ДНК - 0,01-0,02 %). Таким образом, хлоропласты имеют собственную белоксинтезирующую систему. Его геном представлен кольцевой молекулой ДНК длиной 40 мкм с моле­кулярной массой 10⁸, кодирующей 100-150 белков средних раз­меров. Рибосомы хлоропластов составляют от 20 до 50 % общей популяции рибосом клетки. Они относятся к 70 S -типу с субъ­единицами 50 и 30 S.

Под контролем ДНК хлоропласта синтезируются большая субъединица ключевого фермента темновой фазы фотосинтеза - рибулезодифосфаткарбоксилазы, три из пяти субъединиц факто­ра, сопрягающего поток электронов с синтезомАТФ, цитохром f, около 12 мембранных белков и 80 растворимых белков, выпол­няющих в основном ферментативную функцию. Однако для нормального функционирования хлоропластов необходимо взаи­модействие ядерного и хлоропластного геномов. Например, у ячменя обнаружено 86 различных ядерных генов, контролирую­щих определенные звенья развития хлоропластов. Ключевой фермент фотосинтеза РДФ-карбоксилаза синтезируется под двойным контролем - ДНК ядра и хлоропласта.

Углеводы не являются конституционными веществами хлоро­пласта. В очень небольших количествах фосфорные эфиры сахаров участвуют в восстановительном цикле углерода, в основном же это продукты фотосинтеза. Поэтому содержание углеводов в хлоропластах значительно колеблется (от 5 до 50 %). В активно функционирующих хлоропластах углеводы обычно не накаплива­ются, происходит их быстрый отток. При уменьшении потреб­ности в продуктах фотосинтеза в хлоропластах образуются круп­ные крахмальные зерна. В этом случае содержание крахмала может возрасти до 50 % сухой массы и активность хлоропластов снизится.

Необходимо обратить внимание такжена высокое содержание в хлоропластах минеральных веществ. Сами хлоропласты составляют 25-30 % массы листа, но в них сосредоточено до 80 % железа, 70-72 - магния и цинка, около 50 - меди, 60 % кальция, содержащихся в тканях листа. Эти данные хорошо согласуются с высокой и разнообразной ферментативной ак­тивностью хлоропластов. Минеральные элементы выступают в роли простетических групп и кофакторов деятельности фер­ментов. Магний входит в состав хлорофилла. Важная роль кальция состоит в стабилизации мембранных структур хлоро­пластов.

Возникновение и развитие хлоропластов. Хлоропласты обра­зуются в меристематических клетках из инициальных частиц или зачаточных пластид. Инициальная частица состоит из амебоидной стромы, окруженной двухмембранной обо­лочкой. По мере роста клетки инициальные частицы увеличи­ваются в размере и приобретают форму двояковыпуклой линзы, в строме появляются небольшие крахмальные зерна. Одновре­менно внутренняя мембрана начинает разрастаться, образуя складки (впячивания), от которых отшнуровываются пузырьки и трубочки. Такие образования называют пропластидами. Для дальнейшего их развития необходим свет. В темноте же фор­мируются этиопласты, в которых образуется мембранная ре­шетчатая структура - проламеллярное тело. На свету внутрен­ние мембраны пропластид и этиопластов образуют гранальную систему. Одновременно с этим также на свету в граны встра­иваются вновь образованные молекулы хлорофилла и других пигментов. Таким образом, структуры, которые подготавлива­ются к функционированию на свету, появляются и развиваются только при его наличии.

Наряду с хлоропластами имеется ряд других пластид, которые образуются либо непосредственно из пропластид, либо одна из другой путем взаимных превращений. К ним относятся накапливающие крахмал амилопласты (лейкопласты) и хромо­пласты, содержащие каротиноиды. В цветках и плодах хромо­пласты возникают на ранних стадиях развития пропластид. Хро­мопласты осенней листвы представляют собой продукты деграда­ции хлоропластов, в которых в качестве структур — носителей каротиноидов выступают пластоглобулы.

 

Строение хлоропластов. Строение хлоропласта, обнаруживае­мое с помощью электронного микроскопа, весьма сложное. По­добно ядру и митохондриям хлоропласт окружен оболочкой, со­стоящей из двух липопротеидных мембран. Внутреннюю среду представляет относительно однородная субстанция - матрикс, или строма, которую пронизы­вают мембраны - ламеллы. Ламеллы, соединен­ные друг с другом, образуют пузырьки - тилакоиды. Плот­но прилегая друг к другу, тила­коиды образуют граны, кото­рые различают даже под свето­вым микроскопом. В свою очередь, граны в одном или нескольких местах объединены друг с другом с помощью межгранных тяжей - тилакоидов стромы. Пигменты хлоропласта, участвующие в улавливании световой энергии, а также ферменты, необходимые для световой фазы фотосинтеза, вмонтированы в мембраны тилакоидов.

Ферменты, которые катализируют многочисленные реакции восстановительного цикла углерода (темновой фазы фотосинте­за), а также разнообразные биосинтезы, в том числе биосинтезы белков, липидов, крахмала, присутствуют главным образом в строме, часть из них является периферическими белками ламелл.

Строение зрелых хлоропластов одинаково у всех высших рас­тений, так же как в клетках разных органов одного растения (листьях, зеленеющих корнях, коре, плодах). В зависимости от функциональной нагрузки клеток, физиологического состояния хлоропластов, их возраста различают степень их внутренней структурированности: размеры, количество гран, связь между ними. Так, в замыкающих клетках устьиц основная функция хлоропластов - фоторегуляция устьичных движений, энергией этот процесс обеспечивается высокоструктурированными митохондриями. Хлоропласты не имеют строгой гранальной структу­ры, содержат крупные крахмальные зерна, набухшие тилакоиды, липофильные глобулы. Все это свидетельствует об их низкой энергетической нагрузке. Другая картина наблюдается при элек­тронно-микроскопическом изучении хлоропластов зеленых пло­дов томата. Наличие хорошо развитой гранальной системы сви­детельствует о высокой функциональной нагрузке этих органелл и вероятном существенном вкладе фотосинтеза при формирова­нии плодов.

С возрастом строение хлоропластов существенно меняется. Молодые хлоропласты характеризуются ламеллярной структурой, таком состоянии хлоропласты способны размножаться путем деления. В зрелых хлоропластах хорошо выражена система гран. В стареющих хлоропластах происходит разрыв тилакоидов стро­мы связь между гранами уменьшается, в дальнейшем наблюда­ются распад хлорофилла и деструкция гран. В осенней листве деградация хлоропластов приводит к образованию хромопластов, в которых каротиноиды сосредоточены в пластоглобулах.

При выращивании сельскохозяйственных растений следует иметь в виду, что на структуру хлоропластов, а следовательно, и их функциональную активность большое влияние оказывает режим минерального питания растений. При недостатке азота хлороплас­ты становятся в 1,5-2 раза мельче, дефицит фосфора и серы нарушает нормальную структуру ламелл и гран, одновременная нехватка азота и калия приводит к переполнению хлоропластов крахмалом из-за нарушения нормального оттока ассимилятов. При недостатке кальция нарушается структура наружной мембраны хло­ропласта. Для поддержания структуры хлоропласта также необхо­дим свет. В темноте идет постепенное разрушение тилакоидов гран и стромы. Таким образом, структура хлоропластов лабильна и ди­намична, в ней отражаются все условия жизни растения.