Thế giới thực vật là một trong những thế giới giàu có chính của hành tinh chúng ta. Đó là nhờ hệ thực vật trên Trái đất có oxy mà tất cả chúng ta hít thở, có một cơ sở thực phẩm khổng lồ để tất cả các sinh vật sống phụ thuộc vào. Thực vật đặc biệt ở chỗ chúng có thể chuyển đổi các hợp chất hóa học vô cơ thành các chất hữu cơ.
Chúng thực hiện điều này thông qua quá trình quang hợp. Quá trình quan trọng nhất này diễn ra trong các bào quan thực vật cụ thể là lục lạp. Yếu tố nhỏ nhất này thực sự đảm bảo sự tồn tại của tất cả sự sống trên hành tinh. Nhân tiện, lục lạp là gì?
Định nghĩa cơ bản
Đây là tên của các cấu trúc cụ thể trong đó quá trình quang hợp diễn ra, nhằm mục đích liên kết carbon dioxide và hình thành một số carbohydrate. Sản phẩm phụ là oxy. Đây là những bào quan kéo dài, đạt chiều rộng 2-4 micron, chiều dài của chúng đạt 5-10 micron. Một số loài tảo lục đôi khi có lục lạp khổng lồ dài 50 micromet!
Cùng một loại tảo có thể cómột đặc điểm khác: đối với toàn bộ tế bào chúng chỉ có một bào quan duy nhất của loài này. Trong tế bào của thực vật bậc cao, thường có khoảng 10-30 lục lạp. Tuy nhiên, trong trường hợp của họ, có thể có những ngoại lệ nổi bật. Vì vậy, trong mô che phủ của lông xù thông thường có 1000 lục lạp trên mỗi tế bào. Những lục lạp này để làm gì? Quang hợp là chính, nhưng không phải là vai trò duy nhất. Để hiểu rõ ý nghĩa của chúng trong đời sống thực vật, điều quan trọng là phải biết nhiều khía cạnh về nguồn gốc và sự phát triển của chúng. Tất cả điều này được mô tả trong phần còn lại của bài viết.
Nguồn gốc của lục lạp
Vậy lục lạp là gì, chúng ta đã tìm hiểu. Các bào quan này đến từ đâu? Làm thế nào mà thực vật lại phát triển được một bộ máy độc đáo như vậy để chuyển carbon dioxide và nước thành các hợp chất hữu cơ phức tạp?
Hiện nay, giữa các nhà khoa học, quan điểm về nguồn gốc nội cộng sinh của các bào quan này chiếm ưu thế, vì sự xuất hiện độc lập của chúng trong tế bào thực vật là khá nghi ngờ. Ai cũng biết rằng địa y là sự cộng sinh của tảo và nấm. Tảo đơn bào sống bên trong tế bào nấm. Giờ đây, các nhà khoa học cho rằng vào thời cổ đại, vi khuẩn lam quang hợp đã thâm nhập vào tế bào thực vật, và sau đó một phần mất đi tính “độc lập”, chuyển phần lớn bộ gen vào nhân.
Nhưng organoid mới vẫn giữ lại đầy đủ tính năng chính của nó. Nó chỉ là về quá trình quang hợp. Tuy nhiên, bản thân bộ máy, cần thiết để thực hiện quá trình này, được hình thành theokiểm soát cả nhân tế bào và bản thân lục lạp. Do đó, sự phân chia của các bào quan này và các quá trình khác liên quan đến việc thực hiện thông tin di truyền thành DNA đều do nhân kiểm soát.
Bằng chứng
Tương đối gần đây, giả thuyết về nguồn gốc sinh vật nhân sơ của những nguyên tố này không phổ biến lắm trong cộng đồng khoa học, nhiều người coi đó là "phát minh của những người nghiệp dư." Nhưng sau khi phân tích sâu về trình tự nucleotide trong DNA của lục lạp, giả thiết này đã được khẳng định một cách xuất sắc. Hóa ra những cấu trúc này cực kỳ giống, thậm chí liên quan đến DNA của tế bào vi khuẩn. Vì vậy, một trình tự tương tự đã được tìm thấy ở vi khuẩn lam sống tự do. Đặc biệt, các gen của phức hợp tổng hợp ATP, cũng như trong các "cỗ máy" phiên mã và dịch mã, hóa ra lại cực kỳ giống nhau.
Các trình tự thúc đẩy xác định thời điểm bắt đầu đọc thông tin di truyền từ DNA, cũng như các trình tự nucleotide đầu cuối chịu trách nhiệm cho sự kết thúc của nó, cũng được tổ chức theo hình ảnh và giống của vi khuẩn. Tất nhiên, quá trình biến đổi tiến hóa hàng tỷ năm có thể tạo ra nhiều thay đổi đối với lục lạp, nhưng trình tự trong các gen của lục lạp vẫn hoàn toàn giống nhau. Và đây là bằng chứng hoàn chỉnh, không thể chối cãi rằng lục lạp thực sự đã từng có tổ tiên sinh vật nhân sơ. Nó có thể là sinh vật mà từ đó vi khuẩn lam hiện đại cũng phát triển.
Phát triển lục lạp từ proplastids
organoid "trưởng thành" phát triển từ proplastids. Đây là một nhỏ, hoàn toàn không màumột bào quan có chiều ngang chỉ vài micromet. Nó được bao quanh bởi một lớp màng kép dày đặc chứa DNA hình tròn đặc trưng cho lục lạp. "Tổ tiên" của các bào quan này không có hệ thống màng trong. Do kích thước cực nhỏ nên việc nghiên cứu của chúng cực kỳ khó khăn và do đó có rất ít dữ liệu về sự phát triển của chúng.
Người ta biết rằng một số nguyên sinh chất này có trong nhân của mỗi tế bào trứng của động vật và thực vật. Trong quá trình phát triển của phôi, chúng phân chia và được chuyển sang các tế bào khác. Điều này rất dễ xác minh: các đặc điểm di truyền bằng cách nào đó có liên quan đến plastids chỉ được truyền qua dòng mẹ.
Màng trong của protoplastid nhô ra trong organoid trong quá trình phát triển. Từ các cấu trúc này, màng thylakoid phát triển, chịu trách nhiệm hình thành các hạt và lớp màng của chất nền của organoid. Trong bóng tối hoàn toàn, protopastid bắt đầu biến đổi thành tiền chất của lục lạp (etioplast). Organoid sơ cấp này được đặc trưng bởi thực tế là một cấu trúc tinh thể khá phức tạp nằm bên trong nó. Ngay sau khi ánh sáng chiếu vào lá của cây, nó sẽ bị tiêu diệt hoàn toàn. Sau đó, sự hình thành cấu trúc bên trong "truyền thống" của lục lạp xảy ra, cấu trúc này chỉ được hình thành bởi các thylakoid và lamellae.
Sự khác biệt trong nhà máy lưu trữ tinh bột
Mỗi tế bào mô phân sinh chứa một số mô phân sinh này (số lượng của chúng thay đổi tùy thuộc vào loại thực vật và các yếu tố khác). Ngay sau khi mô sơ cấp này bắt đầu biến đổi thành lá, các bào quan tiền thân sẽ chuyển thành lục lạp. Cho nên,lá lúa mì non đã hoàn thành sự phát triển của chúng có lục lạp với số lượng 100-150 chiếc. Mọi thứ phức tạp hơn một chút đối với những loại cây có khả năng tích tụ tinh bột.
Chúng dự trữ carbohydrate này trong các plastids được gọi là amyloplasts. Nhưng những bào quan này có liên quan gì đến chủ đề của bài viết của chúng tôi? Xét cho cùng, củ khoai tây không tham gia vào quá trình quang hợp! Hãy để tôi làm rõ vấn đề này chi tiết hơn.
Chúng tôi đã tìm ra lục lạp là gì, đồng thời tiết lộ mối liên hệ của organoid này với cấu trúc của sinh vật nhân sơ. Ở đây tình hình cũng tương tự: các nhà khoa học từ lâu đã phát hiện ra rằng các amyloplasts, giống như lục lạp, chứa chính xác DNA giống hệt nhau và được hình thành từ các nguyên sinh chất giống hệt nhau. Vì vậy, chúng nên được xem xét trên cùng một khía cạnh. Trên thực tế, amyloplasts nên được coi là một loại lục lạp đặc biệt.
Các amyloplasts được hình thành như thế nào?
Người ta có thể vẽ ra một sự tương đồng giữa các tế bào gốc và tế bào gốc. Nói một cách đơn giản, amyloplasts từ một số điểm bắt đầu phát triển theo một con đường hơi khác. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã học được một điều khá tò mò: họ đã cố gắng đạt được sự biến đổi lẫn nhau của lục lạp từ lá khoai tây thành amyloplasts (và ngược lại). Ví dụ điển hình, mà mọi học sinh đều biết, là củ khoai tây chuyển sang màu xanh lục dưới ánh sáng.
Thông tin khác về cách phân biệt của các bào quan này
Chúng ta biết rằng trong quá trình chín quả của cà chua, táo và một số cây khác (và trong lá cây, cỏ và cây bụi vào mùa thu)"thoái hóa", khi lục lạp trong tế bào thực vật biến thành tế bào sắc tố. Các bào quan này chứa các sắc tố tạo màu, carotenoid.
Sự biến đổi này là do trong những điều kiện nhất định, các thylakoid bị phá hủy hoàn toàn, sau đó cơ quan này có được một tổ chức bên trong khác. Ở đây chúng ta lại quay trở lại vấn đề mà chúng ta đã bắt đầu thảo luận ở phần đầu của bài viết: ảnh hưởng của nhân đối với sự phát triển của lục lạp. Chính nó, thông qua các protein đặc biệt được tổng hợp trong tế bào chất của tế bào, bắt đầu quá trình tái cấu trúc organoid.
Cấu trúc lục lạp
Đã nói về nguồn gốc và sự phát triển của lục lạp, chúng ta nên đi sâu vào cấu trúc của chúng chi tiết hơn. Hơn nữa, nó rất thú vị và đáng được thảo luận riêng.
Cấu trúc cơ bản của lục lạp bao gồm hai màng lipoprotein, bên trong và bên ngoài. Độ dày của mỗi cái khoảng 7 nm, khoảng cách giữa chúng là 20 - 30 nm. Như trong trường hợp của các plastids khác, lớp bên trong hình thành các cấu trúc đặc biệt nhô ra trong organoid. Trong lục lạp trưởng thành, có hai loại màng "quanh co" như vậy cùng một lúc. Dạng trước đây là lớp mô đệm, dạng sau dạng màng thylakoid.
Lamella và thylakoids
Cần lưu ý rằng có một mối liên hệ rõ ràng mà màng lục lạp có với các cấu tạo tương tự nằm bên trong organoid. Thực tế là một số nếp gấp của nó có thể kéo dài từ bức tường này sang bức tường khác (như trong ti thể). Vì vậy, các phiến lá có thể tạo thành một loại "túi" hoặc một nhánhmạng. Tuy nhiên, hầu hết các cấu trúc này đều nằm song song với nhau và không được kết nối theo bất kỳ cách nào.
Đừng quên rằng bên trong lục lạp còn có các thylakoid của màng. Đây là những "túi" đóng và được xếp thành một chồng. Như trong trường hợp trước, có khoảng cách 20-30 nm giữa hai thành của khoang. Các cột của những "túi" này được gọi là hạt. Mỗi cột có thể chứa tối đa 50 thylakoid, và trong một số trường hợp, thậm chí còn nhiều hơn thế. Vì "kích thước" tổng thể của các ngăn xếp như vậy có thể đạt tới 0,5 micron, đôi khi chúng có thể được phát hiện bằng kính hiển vi ánh sáng thông thường.
Tổng số hạt có trong lục lạp của thực vật bậc cao có thể lên tới 40-60. Mỗi thylakoid dính chặt với nhau đến mức màng ngoài của chúng tạo thành một mặt phẳng duy nhất. Chiều dày lớp tại chỗ nối có thể lên đến 2 nm. Lưu ý rằng các cấu trúc như vậy, được hình thành bởi các thylakoid và lamellae liền kề, không phải là hiếm.
Ở những nơi tiếp xúc của chúng cũng có một lớp, đôi khi đạt đến 2 nm như nhau. Vì vậy, lục lạp (cấu trúc và chức năng của nó rất phức tạp) không phải là một cấu trúc đơn nguyên đơn lẻ, mà là một loại “trạng thái trong một trạng thái”. Ở một số khía cạnh, cấu trúc của những bào quan này phức tạp không kém cấu trúc của toàn bộ tế bào!
Granas được kết nối với nhau một cách chính xác với sự trợ giúp của lamellae. Nhưng các khoang của thylakoid, tạo thành các ngăn xếp, luôn đóng kín và không giao tiếp với màng tế bào theo bất kỳ cách nào.khoảng trống. Như bạn có thể thấy, cấu trúc của lục lạp khá phức tạp.
Sắc tố nào có thể được tìm thấy trong lục lạp?
Chất gì có thể được chứa trong chất nền của mỗi lục lạp? Có các phân tử DNA riêng lẻ và nhiều ribosome. Trong các amyloplasts, nó nằm trong chất nền mà các hạt tinh bột được lắng đọng. Theo đó, các tế bào sắc tố có các sắc tố tạo màu ở đó. Tất nhiên, có nhiều sắc tố lục lạp khác nhau, nhưng phổ biến nhất là diệp lục. Nó được chia thành nhiều loại cùng một lúc:
- Nhóm A (xanh lam-xanh lục). Nó xảy ra trong 70% trường hợp, được chứa trong lục lạp của tất cả các loài thực vật bậc cao và tảo.
- Nhóm B (vàng-xanh). 30% còn lại cũng được tìm thấy trong các loài thực vật và tảo bậc cao.
- Nhóm C, D và E hiếm hơn nhiều. Tìm thấy trong lục lạp của một số loài tảo và thực vật bậc thấp.
Không có gì lạ khi tảo biển đỏ và nâu có các loại thuốc nhuộm hữu cơ hoàn toàn khác nhau trong lục lạp của chúng. Một số loài tảo thường chứa gần như tất cả các sắc tố lục lạp hiện có.
Chức năng của lục lạp
Tất nhiên, chức năng chính của chúng là chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành các thành phần hữu cơ. Quá trình quang hợp tự nó xảy ra ở ngũ cốc với sự tham gia trực tiếp của chất diệp lục. Nó hấp thụ năng lượng của ánh sáng mặt trời, chuyển nó thành năng lượng của các electron bị kích thích. Loại thứ hai, có nguồn cung cấp dư thừa, sẽ tạo ra năng lượng dư thừa, được sử dụng để phân hủy nước và tổng hợp ATP. Khi nước bị phân hủy, oxy và hydro được hình thành. Đầu tiên, như chúng tôi đã viết ở trên, là một sản phẩm phụ và được giải phóng vào không gian xung quanh, và hydro liên kết với một protein đặc biệt, ferredoxin.
Nó lại bị oxy hóa, chuyển hydro thành chất khử, mà trong hóa sinh học được viết tắt là NADP. Theo đó, dạng rút gọn của nó là NADP-H2. Nói một cách đơn giản, quang hợp tạo ra các chất sau: ATP, NADP-H2, và một sản phẩm phụ ở dạng oxy.
Vai trò năng lượng của ATP
ATP được tạo thành cực kỳ quan trọng, vì nó là "bộ tích lũy" năng lượng chính phục vụ các nhu cầu khác nhau của tế bào. NADP-H2 chứa một chất khử là hydro và hợp chất này có thể dễ dàng loại bỏ nó nếu cần thiết. Nói một cách đơn giản, nó là một chất khử hóa học hiệu quả: trong quá trình quang hợp, nhiều phản ứng diễn ra mà đơn giản là không thể tiến hành nếu không có nó.
Tiếp theo, các enzim của lục lạp hoạt động trong bóng tối và bên ngoài hạt: hydro từ chất khử và năng lượng của ATP được lục lạp sử dụng để bắt đầu tổng hợp một số chất hữu cơ.. Vì quá trình quang hợp xảy ra trong điều kiện có ánh sáng tốt, các hợp chất tích lũy được sẽ được sử dụng cho nhu cầu của chính cây trồng trong thời gian tối của ngày.
Bạn có thể nhận thấy ngay rằng quá trình này tương tự một cách đáng ngờ với việc hít thở ở một số khía cạnh. Quang hợp khác với nó như thế nào? Bảng sẽ giúp bạn hiểu vấn đề này.
| Vật phẩm so sánh | Quang | Thở |
| Khi nó xảy ra | Chỉ ban ngày, trong ánh sáng mặt trời | Bất cứ lúc nào |
| Nơi nó bị rò rỉ | Chất diệp lục chứa tế bào | Tất cả các tế bào sống |
| Oxy | Đánh dấu | Hấp |
| CO2 | Hấp | Đánh dấu |
| Chất hữu cơ | Tổng hợp, chia tách từng phần | Chia chỉ |
| Năng lượng | Nuốt lên | Nổi bật |
Đây là cách quang hợp khác với hô hấp. Bảng này cho thấy rõ những điểm khác biệt chính của chúng.
Một số "nghịch lý"
Hầu hết các phản ứng tiếp theo diễn ra ngay tại đó, trong chất nền của lục lạp. Con đường tiếp theo của các chất được tổng hợp là khác nhau. Vì vậy, đường đơn ngay lập tức vượt ra khỏi organoid, tích tụ trong các phần khác của tế bào dưới dạng polysaccharid, chủ yếu là tinh bột. Trong lục lạp, cả sự lắng đọng của chất béo và sự tích tụ sơ bộ của các tiền chất của chúng đều xảy ra, sau đó được bài tiết đến các khu vực khác của tế bào.
Cần hiểu rõ rằng tất cả các phản ứng nhiệt hạch đều cần một lượng năng lượng khổng lồ. Nguồn duy nhất của nó là quang hợp giống nhau. Đây là một quá trình thường đòi hỏi rất nhiều năng lượng mà nó phải thu được,phá hủy các chất được hình thành do kết quả của quá trình tổng hợp trước đó! Do đó, hầu hết năng lượng thu được trong quá trình của nó được sử dụng để thực hiện nhiều phản ứng hóa học trong chính tế bào thực vật.
Chỉ một số trong số đó được sử dụng để thu nhận trực tiếp những chất hữu cơ mà cây trồng cần cho sự tăng trưởng và phát triển của chính nó hoặc lắng đọng dưới dạng chất béo hoặc carbohydrate.
Lục lạp có tĩnh không?
Người ta thường chấp nhận rằng các bào quan tế bào, bao gồm cả lục lạp (cấu trúc và chức năng mà chúng tôi đã mô tả chi tiết), nằm ở một nơi hoàn toàn. Đây không phải là sự thật. Lục lạp có thể di chuyển xung quanh tế bào. Vì vậy, trong điều kiện ánh sáng yếu, chúng có xu hướng chiếm vị trí gần bên được chiếu sáng nhất của ô, trong điều kiện ánh sáng trung bình và ánh sáng yếu, chúng có thể chọn một số vị trí trung gian mà chúng có thể “hứng” được nhiều ánh sáng mặt trời nhất. Hiện tượng này được gọi là "phototaxis".
Giống như ti thể, lục lạp là bào quan khá tự chủ. Chúng có ribosome của riêng mình, chúng tổng hợp một số protein đặc hiệu cao mà chỉ chúng mới được sử dụng. Thậm chí còn có những phức hợp enzym cụ thể, trong quá trình làm việc, các chất béo đặc biệt được tạo ra, cần thiết cho việc xây dựng các lớp vỏ lam. Chúng ta đã nói về nguồn gốc sinh vật nhân sơ của những bào quan này, nhưng cần nói thêm rằng một số nhà khoa học coi lục lạp là hậu duệ cổ đại của một số sinh vật ký sinh đầu tiên trở thành cộng sinh, và sau đó hoàn toànđã trở thành một phần không thể thiếu của tế bào.
Tầm quan trọng của lục lạp
Đối với thực vật, điều hiển nhiên - đây là sự tổng hợp năng lượng và các chất được tế bào thực vật sử dụng. Nhưng quang hợp là một quá trình đảm bảo sự tích lũy liên tục các chất hữu cơ trên quy mô hành tinh. Từ carbon dioxide, nước và ánh sáng mặt trời, lục lạp có thể tổng hợp một số lượng lớn các hợp chất cao phân tử phức tạp. Khả năng này chỉ dành riêng cho họ và một người vẫn còn lâu mới lặp lại quá trình này trong điều kiện nhân tạo.
Tất cả sinh khối trên bề mặt hành tinh của chúng ta đều có sự tồn tại của các bào quan nhỏ nhất này, nằm trong sâu của tế bào thực vật. Nếu không có chúng, không có quá trình quang hợp do chúng thực hiện, sẽ không có sự sống trên Trái đất trong các biểu hiện hiện đại của nó.
Chúng tôi hy vọng bạn đã học được từ bài viết này lục lạp là gì và vai trò của nó đối với cơ thể thực vật.
