Fungsi Kloroplas, Struktur dan Proses Fotosintesis



itu kloroplas Mereka adalah jenis organel seluler yang dibatasi oleh sistem membran yang kompleks, karakteristik tanaman dan ganggang. Dalam plastid ini terdapat klorofil, pigmen yang bertanggung jawab atas proses fotosintesis, warna hijau sayuran dan memungkinkan kehidupan autotrofik dari garis keturunan ini..

Selain itu, kloroplas berhubungan dengan pembentukan energi metabolik (ATP - adenosine triphosphate), sintesis asam amino, vitamin, asam lemak, komponen lipid pada membran mereka dan pengurangan nitrit. Ini juga memiliki peran dalam produksi zat pertahanan terhadap patogen.

Organel fotosintetik ini memiliki genom sirkular (DNA) sendiri dan diperkirakan bahwa, seperti mitokondria, mereka berasal dari proses simbiosis antara inang dan bakteri fotosintesis leluhur..

Indeks

  • 1 asal
    • 1.1 Teori endosimbiotik
  • 2 Karakteristik umum
  • 3 Struktur
    • 3.1 Membran eksternal dan internal
    • 3.2 Membran thilacoid
    • 3.3 Thylakoids
    • 3.4 Stroma
    • 3,5 Genom
  • 4 fungsi
    • 4.1 Fotosintesis
    • 4.2 Sintesis biomolekul
    • 4.3 Pertahanan melawan patogen
  • 5 Plastida lain
  • 6 Referensi

Asal

Kloroplas adalah organel yang memiliki karakteristik kelompok organisme yang sangat jauh: alga, tanaman, dan prokariota. Bukti ini menunjukkan bahwa organel berasal dari organisme prokariotik dengan kemampuan untuk melakukan fotosintesis.

Diperkirakan bahwa organisme eukariotik pertama, dengan kapasitas untuk melakukan fotosintesis, berasal sekitar 1.000 juta tahun yang lalu. Bukti menunjukkan bahwa lompatan evolusi yang penting ini disebabkan oleh perolehan cyanobacterium oleh inang eukariotik. Proses ini memunculkan garis keturunan yang berbeda dari ganggang merah, hijau dan tanaman.

Dengan cara yang sama, ada peristiwa simbiosis sekunder dan tersier di mana garis keturunan eukariota membentuk hubungan simbiosis dengan eukariota fotosintesis hidup-bebas lain.

Selama evolusi, genom bakteri diduga telah berkurang dan beberapa gennya telah ditransfer dan diintegrasikan ke dalam genom nukleus.

Organisasi genom kloroplas saat ini menyerupai prokariota, tetapi juga memiliki atribut bahan genetik eukariota.

Teori endosimbiotik

Teori endosimbiotik diusulkan oleh Lynn Margulis dalam serangkaian buku yang diterbitkan antara tahun 60an dan 80an. Namun, itu adalah gagasan yang telah bekerja sejak tahun 1900-an, yang diusulkan oleh Mereschkowsky.

Teori ini menjelaskan asal mula kloroplas, mitokondria, dan badan basal yang ada di flagela. Menurut hipotesis ini, struktur ini dulunya adalah organisme prokariotik bebas.

Tidak ada banyak bukti untuk mendukung asal endosimbiotik tubuh basal dari prokariota bergerak.

Sebaliknya, ada bukti penting yang mendukung asal endosimbiotik mitokondria dari α-Proteobacteria dan dari kloroplas dari cyanobacteria. Bukti paling jelas dan terkuat adalah kesamaan antara kedua genom.

Karakteristik umum

Kloroplas adalah jenis plastid yang paling mencolok dalam sel tanaman. Mereka adalah struktur oval dikelilingi oleh membran dan proses yang paling terkenal dari eukariota autotrofik terjadi di interior mereka: fotosintesis. Mereka adalah struktur yang dinamis dan memiliki bahan genetik sendiri.

Mereka biasanya terletak di daun tanaman. Sel tumbuhan yang khas dapat memiliki 10 hingga 100 kloroplas, meskipun jumlahnya cukup bervariasi.

Seperti mitokondria, pewarisan kloroplas dari orang tua ke anak-anak terjadi pada salah satu orang tua dan bukan keduanya. Faktanya, organel ini sangat mirip dengan mitokondria dalam berbagai aspek, meskipun lebih kompleks.

Struktur

Kloroplas adalah organel besar, panjangnya 5 hingga 10 μm. Karakteristik struktur ini dapat divisualisasikan di bawah mikroskop optik tradisional.

Mereka dikelilingi oleh membran lipid ganda. Selain itu, mereka memiliki sistem membran internal ketiga, yang disebut membran tilakoid.

Sistem membran terakhir ini membentuk seperangkat struktur seperti cakram, yang dikenal sebagai tylakoid. Penyatuan thylakoids dalam tumpukan disebut "grana" dan mereka terhubung satu sama lain.

Berkat sistem tripel membran ini, struktur internal kloroplas bersifat kompleks dan dibagi menjadi tiga ruang: ruang intermembran (antara dua membran luar), stroma (ditemukan dalam kloroplas dan di luar membran tilakoid) dan terakhir lumen tilakoid.

Membran eksternal dan internal

Sistem membran terkait dengan generasi ATP. Seperti membran mitokondria, membran bagian dalamlah yang menentukan perjalanan molekul ke dalam organel. Fosfatidilkolin dan fosfatidilgliserol adalah lipid paling banyak dari membran kloroplas.

Membran luar mengandung serangkaian pori-pori. Molekul kecil dapat dengan bebas masuk melalui saluran ini. Membran bagian dalam, di sisi lain, tidak memungkinkan transit bebas dari jenis molekul berat rendah ini. Agar molekul dapat masuk, mereka harus melakukannya dengan alat pengangkut khusus yang ditambatkan ke membran.

Dalam beberapa kasus ada struktur yang disebut retikulum perifer, dibentuk oleh jaringan membran, berasal khusus dari membran dalam kloroplas. Beberapa penulis menganggap mereka unik untuk tanaman dengan metabolisme C4, meskipun mereka telah ditemukan pada tanaman C3.

Fungsi tubulus dan vesikel ini belum jelas. Diusulkan bahwa mereka dapat berkontribusi pada transportasi cepat metabolit dan protein dalam kloroplas atau untuk meningkatkan permukaan membran dalam.

Membran tilakoid

Rantai transpor elektron yang terlibat dalam proses fotosintesis terjadi dalam sistem membran ini. Proton dipompa melalui membran ini, dari stroma ke bagian dalam thylakoids.

Gradien ini menghasilkan sintesis ATP, ketika proton diarahkan kembali ke stroma. Proses ini setara dengan yang terjadi pada membran dalam mitokondria.

Membran tilakoid terdiri dari empat jenis lipid: monogalactosyl diacylglycerol, digalactosyl diacylglycerol, sulfoquinovosil diacylglycerol dan phosphatidylglycerol. Setiap jenis memiliki fungsi khusus dalam lapisan ganda lipid dari bagian ini.

Thylakoids

Thylakoids adalah struktur membran dalam bentuk kantung atau cakram datar yang ditumpuk dalam "grana"(Bentuk jamak dari struktur ini adalah granum). Cakram ini memiliki diameter 300 hingga 600 nm. Di ruang internal tilakoid disebut lumen.

Arsitektur tumpukan tilakoid masih diperdebatkan. Dua model diusulkan: yang pertama adalah model heliks, di mana tylakoids luka antara butir berbentuk helix.

Sebaliknya, model lain mengusulkan bifurkasi. Hipotesis ini menunjukkan bahwa grana dibentuk oleh bifurkasi stroma.

Stroma

Stroma adalah cairan agar-agar yang mengelilingi tilakoid dan ditemukan di daerah bagian dalam kloroplas. Wilayah ini sesuai dengan sitosol dari dugaan bakteri yang menyebabkan jenis plastid ini.

Di area ini Anda akan menemukan molekul DNA dan sejumlah besar protein dan enzim. Secara khusus, enzim yang terlibat dalam siklus Calvin ditemukan untuk fiksasi karbon dioksida dalam proses fotosintesis. Anda juga dapat menemukan butiran pati

Dalam stroma Anda dapat menemukan kloroplas kloroplas, karena struktur ini mensintesis protein mereka sendiri.

Genom

Salah satu karakteristik kloroplas yang paling menonjol adalah mereka memiliki sistem genetik sendiri.

Bahan genetik kloroplas terdiri dari molekul DNA melingkar. Setiap organel memiliki banyak salinan dari molekul melingkar ini dari 12 hingga 16 kb (kilobase). Mereka disusun dalam struktur yang disebut nukleoid dan terdiri dari 10 hingga 20 salinan genom plastid, bersama dengan protein dan molekul RNA.

Kode DNA kloroplas untuk sekitar 120 hingga 130 gen. Ini menghasilkan protein dan RNA yang terkait dengan proses fotosintesis seperti komponen fotosistem I dan II, ATP sintase dan salah satu subunit Rubisco.

Rubisco (ribulosa-1,5-bifosfat karboksilase / oksigenase) adalah kompleks enzim yang penting dalam siklus Calvin. Bahkan, itu dianggap sebagai protein paling berlimpah di planet Bumi.

Transfer RNA dan ribosom digunakan dalam terjemahan pesan RNA yang dikodekan dalam genom kloroplas. Ini termasuk RNA ribosom 23S, 16S, 5S dan 4.5S dan transfer RNA. Ia juga mengkode 20 protein ribosom dan subunit RNA polimerase tertentu.

Namun, unsur-unsur tertentu yang diperlukan untuk berfungsinya kloroplas dikodekan dalam genom nuklir sel tanaman.

Fungsi

Kloroplas dapat dianggap sebagai pusat metabolisme penting pada tanaman, di mana beberapa reaksi biokimia terjadi berkat spektrum luas enzim dan protein yang tertambat pada membran yang mengandung organel ini..

Mereka memiliki fungsi kritis dalam organisme tanaman: itu adalah tempat di mana proses fotosintesis berlangsung, di mana sinar matahari diubah menjadi karbohidrat, dengan oksigen sebagai produk sekunder..

Serangkaian fungsi sekunder biosintesis juga terjadi pada kloroplas. Selanjutnya kita akan membahas secara detail masing-masing fungsi:

Fotosintesis

Fotosintesis terjadi berkat klorofil. Pigmen ini ditemukan di dalam kloroplas, di dalam membran tylakoid.

Ini terdiri dari dua bagian: cincin dan ekor. Cincin itu mengandung magnesium dan bertanggung jawab untuk penyerapan cahaya. Itu dapat menyerap cahaya biru dan cahaya merah, memantulkan area hijau dari spektrum cahaya.

Reaksi fotosintesis terjadi berkat transfer elektron. Energi yang berasal dari cahaya memberikan energi ke pigmen klorofil (molekul dikatakan "tereksitasi oleh cahaya"), menyebabkan pergerakan partikel-partikel ini di membran tylakoid. Klorofil mendapat elektronnya dari molekul air.

Proses ini menghasilkan pembentukan gradien elektrokimia yang memungkinkan sintesis ATP dalam stroma. Fase ini juga dikenal sebagai "bercahaya".

Bagian kedua dari fotosintesis (atau fase gelap) terjadi di stroma dan berlanjut di sitosol. Ini juga dikenal sebagai reaksi fiksasi karbon. Pada tahap ini, produk-produk dari reaksi di atas digunakan untuk membangun karbohidrat dari CO2.

Sintesis biomolekul

Selain itu, kloroplas memiliki fungsi khusus lain yang memungkinkan pengembangan dan pertumbuhan tanaman.

Dalam organel ini terjadi asimilasi nitrat dan sulfat, dan memiliki enzim yang diperlukan untuk sintesis asam amino, fitohormon, vitamin, asam lemak, klorofil dan karotenoid.

Studi tertentu telah mengidentifikasi sejumlah besar asam amino yang disintesis oleh organel ini. Kirk et al mempelajari produksi asam amino dalam kloroplas dari Vicia faba L..

Para penulis ini menemukan bahwa asam amino tersintesis yang paling banyak adalah glutamat, aspartat dan treonin. Jenis lain, seperti alanin, serin dan glisin juga disintesis tetapi dalam jumlah yang lebih kecil. Tiga belas asam amino yang tersisa juga terdeteksi.

Mereka telah mampu mengisolasi berbagai gen yang terlibat dalam sintesis lipid. Kloroplas memiliki jalur yang diperlukan untuk sintesis lipid isoprenoid, penting untuk produksi klorofil dan pigmen lainnya.

Pertahanan melawan patogen

Tumbuhan tidak memiliki sistem kekebalan yang dikembangkan mirip dengan hewan. Oleh karena itu, struktur seluler harus menghasilkan zat antimikroba untuk dapat bertahan melawan agen berbahaya. Untuk tujuan ini, tanaman dapat mensintesis spesies oksigen reaktif (ROS) atau asam salisilat.

Kloroplas berkaitan dengan produksi zat-zat ini yang menghilangkan kemungkinan patogen memasuki pabrik.

Demikian juga, mereka berfungsi sebagai "sensor molekuler" dan berpartisipasi dalam mekanisme peringatan, mengkomunikasikan informasi ke organel lain.

Plastida lain

Kloroplas milik keluarga organel tumbuhan yang disebut plastid atau plastid. Kloroplas berbeda terutama dari sisa plastida karena mereka memiliki pigmen klorofil. Plastida lain adalah:

-Kromoplas: struktur ini mengandung karotenoid, terdapat pada bunga dan bunga. Berkat pigmen ini, struktur sayuran memiliki warna kuning, oranye dan merah.

-Leucoplastos: plastidios ini tidak mengandung pigmen dan karenanya berwarna putih. Mereka berfungsi sebagai cadangan dan ditemukan di organ yang tidak menerima cahaya langsung.

-Amiloplas: mengandung pati dan ditemukan di akar dan umbi.

Plastid berasal dari struktur yang disebut protoplastidia. Salah satu fitur yang paling mencolok dari plastid adalah sifat mereka untuk mengubah jenis, meskipun mereka sudah dalam tahap matang. Perubahan ini dipicu oleh sinyal lingkungan atau intrinsik dari pabrik.

Sebagai contoh, kloroplas mampu menimbulkan kromoplas. Untuk perubahan ini, membran tilakoid hancur dan karotenoid disintesis.

Referensi

  1. Allen, J. F. (2003). Mengapa Kloroplas dan Mitokondria Mengandung Genom. Genomik Komparatif dan Fungsional, 4(1), 31-36.
  2. Cooper, G. M (2000). Sel: Pendekatan molekuler. Edisi kedua. Sinauer Associates
  3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M., & Chang, W.-J. (2016). Genom Chloroplast: keanekaragaman, evolusi, dan aplikasi dalam rekayasa genetika. Biologi Genom, 17, 134.
  4. Gracen, V.E., Hilliard, J.H., Brown, R.H., & West, S.H. (1972). Retikulum perifer dalam kloroplas tanaman berbeda dalam jalur fiksasi CO 2 dan fotorespirasi. Tanaman, 107(3), 189-204.
  5. Gray, M. W. (2017). Lynn Margulis dan hipotesis endosimbion: 50 tahun kemudian. Biologi Molekuler Sel, 28(10), 1285-1287.
  6. Jensen, P. E., & Leister, D. (2014). Evolusi, struktur, dan fungsi kloroplas. Laporan F1000Prime, 6, 40.
  7. Kirk, P. R., & Leech, R. M. (1972). Biosintesis Asam Amino oleh Chloroplasts Terisolasi selama Fotosintesis . Fisiologi Tumbuhan, 50(2), 228-234.
  8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Peran lipid dalam biogenesis kloroplas. Masuk Lipid dalam Pengembangan Tanaman dan Alga (hal. 103-125). Springer, Cham.
  9. Sowden, R. G., Watson, S.J., & Jarvis, P. (2017). Peran kloroplas dalam patologi tanaman. Esai dalam biokimia, EBC20170020.
  10. Wise, R. R., & Hoober, J. K. (2007). Struktur dan fungsi plastid. Sains Springer & Media Bisnis.