98758

Хлоропласты. Структуры, обеспечивающие их автономность

Реферат

Биология и генетика

Хлоропласт имеет собственную ДНК, то есть собственный геном. В отличие от линейных молекул ДНК в хромосомах ядра хлоропластная ДНК (хлДНК) представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу. Ее размеры варьируют у разных видов растений преимущественно в интервале от 130 тыс. до 160 тыс. пар оснований.

Русский

2015-11-06

58.39 KB

4 чел.

19

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Международный государственный экологический университет

имени А. Д. Сахарова»

Факультет экологической медицины

Кафедра экологической и молекулярной генетики

Хлоропласты. Структуры, обеспечивающие их автономность.

Выполнила: студентка 4 курса

МБД, гр.92063-1

Расюк Светлана

Минск, 2012

Оглавление

Введение 3

1. СТРОЕНИЕ ХЛОРОПЛАСТА. 4

2.    ГЕНОМ ХЛОРОПЛАСТОВ 5

2.1. Геном и белоксинтезирующая система хлоропласт 8

2.2.  РНК-полимеразы хлоропласт 8

2.4. Созревание хлоропластной РНК 10

2.5. Трансляция белков в хлоропластах 11

2.6. Белки, кодируемые в хлоропластном геноме 11

2.6.1. Транспорт цитозольных белков в хлоропласты 12

3. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХЛОРОПЛАСТА. 13

3.1. Размножение и наследование хлоропласт 13

3.2. Развитие хлоропласта из прохлоропласты. 14

4. ФУНКЦИИ ХЛОРОПЛАСТ 15

Заключение 17


Введение

Хлоропласт имеет собственную ДНК, то есть собственный геном. В отличие от линейных молекул ДНК в хромосомах ядра хлоропластная ДНК (хлДНК) представляет собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу. Ее размеры варьируют у разных видов растений преимущественно в интервале от 130 тыс. до 160 тыс. пар оснований.

По организации генетический аппарат хлоропластов имеет много общего с генетическим аппаратом бактерий. Однако некоторые эукариотические черты обнаружены и в промоторах отдельных хлоропластных генов.

Имея собственный генетический аппарат, хлоропласт обладает и собственной белоксинтезирующей системой, отличающейся от белоксинтезирующей системы цитоплазмы, в которой синтез белка идет на матричных РНК (мРНК), синтезированных в ядре.

Итак, в растительной клетке хлоропласт обладает собственным геномом (совокупность генов) и собственным аппаратом реализации генетической информации путем синтеза РНК и белка, причем организация этих систем в хлоропласте отличается от эукариотического типа. Следует заметить, что это справедливо и для других органелл клетки - митохондрий, но митохондрии существуют во всех эукариотических клетках, являясь их энергетическим депо, тогда как хлоропласты присутствуют только в клетках зеленых растений.


  1.  СТРОЕНИЕ ХЛОРОПЛАСТА.

Хлоропласты — хлоропласты высших растений, в которых идет процесс фотосинтеза, т. е. использование энергии световых лучей для образования из неорганических веществ (углекислого газа и воды) органических веществ с одновременным выделением в атмосферу кислорода. Хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы, размер их около 4-6 мкм. Находятся они в паренхимных клетках листьев и других зеленых частей высших растений. Число их в клетке варьирует в пределах 25-50.

Снаружи хлоропласт покрыт оболочкой, состоящей из двух липопротеиновых мембран, внешней и внутренней. Обе мембраны имеют толщину около 7нм, они отделены друг от друга межмембранным пространством около 20-30нм. Внутренняя мембрана хлоропластов, как и других хлоропласт образует складчатые впячивания внутрь матрикса или стромы. В зрелом хлоропласте высших растений видны два типа внутренних мембран. Это- мембраны, образующие плоские, протяженные ламеллы стромы, и мембраны тилакоидов, плоских дисковидных вакуолей или мешков.

Связь внутренней мембраны хлоропласта с мембранными структурами внутри него хорошо прослеживается на примере мембран ламелл стромы. В этом случае внутренняя мембрана хлоропласта образует узкую (шириной около 20нм.) складку, которая может простираться почти через всю хлоропласту. Таким образом, ламелла стромы может представлять собой плоский полый мешок или же иметь вид сети из разветвленных и связанных друг с другом каналов, располагающихся в одной плоскости. Обычно ламеллы стромы внутри хлоропласта лежат параллельно и не образуют связей между собой.

Кроме мембран стромы в хлоропластах обнаруживаются мембранные тилакоиды. Это плоские замкнутые мембранные мешки, имеющие форму диска. Величина межмембранного пространства у них также около 20-30нм. Такие тилакоиды образуют стопки наподобие столбика монет, называемые гранами. Число тилакоидов на одну грану варьирует: от нескольких штук до 50 и более. Размер таких стопок может достигать 0,5 мкм, поэтому граны видны в некоторых объектах в световом микроскопе. Количество гран в хлоропластах высших растений может достигать 40-60. Тилакоиды в гране сближены друг с другом так, что внешние слои их мембран тесно соединяются; в месте соединения мембран тилакоидов образуется плотный слой толщиной около 2нм. В состав граны кроме замкнутых камер тилакоидов обычно входят и участки ламелл, которые в местах контакта их мембран с мембранами тилакоидов тоже образуют плотные 2-нм слои. Ламеллы стромы, таким образом как бы связывают между собой отдельные граны хлоропластов. Однако полости камер тилакоидов всегда замкнуты и не переходят в камеры межмембранного пространства ламелл стромы.

В матриксе ( строме) хлоропластов обнаруживаются молекулы ДНК, рибосомы; там же происходит первичное отложение запасного полисахарида, крахмала, в виде крахмальных зерен.

В хлоропластах содержатся различные пигменты. В зависимости от вида растений это:

хлорофилл:

- хлорофилл А (сине-зеленый) - 70 % (у высших растений и зеленых водорослей);

- хлорофилл В (желто-зеленый) - 30 % (там же);

- хлорофилл С, D и E встречается реже - у других групп водорослей;

Иногда зеленый цвет маскируется другими пигментами хлоропластов (у красных и бурых водорослей) или клеточного сока (у лесного бука). Клетки водорослей содержат одну или несколько различной форм хлоропластов.


 2. ГЕНОМ ХЛОРОПЛАСТОВ

По мере роста и деления клеток в их цитоплазме постоянно появляются новообразованные органеллы. Процесс непрерывного обновления органелл происходит также в неделящихся клетках. Для этого требуется регулируемый синтез необходимых белков и липидов с последующей доставкой каждого компонента в соответствующую органеллу. В биосинтезе специфических белков хлоропластов принимают участие их собственные генетические системы.

Хотя бóльшая часть белков данной  органеллы детерминируется ядерной ДНК и доставляется в  хлоропласты после образования полипептидных цепей на рибосомах цитоплазмы, некоторые белки кодируются собственной хлоропластной ДНК и синтезируются на рибосомах органелл.

Участие двух генетических систем в образовании хлоропластов достаточно точно согласовано. Однако, эта согласованность не абсолютна. В питательной среде изолированные хлоропласты продолжают некоторое время синтезировать in vitro ДНК, РНК и белки, что позволило установить, какие именно белки кодируются ДНК самой органеллы, а какие детерминируются ядерной ДНК. Уникальное свойство хлоропластов состоит в том, что они никогда не образуются de novo, а их число увеличивается путем деления уже существующих органелл.

В большинстве клеток энергопреобразующие органеллы делятся на протяжении всей интерфазы, при этом каждая из них делится независимо от остальных и от всей клетки. Точно так же репликация ДНК в органеллах происходит не только во время синтеза ядерной ДНК (т.е. в S-фазе), но и в течение других фаз клеточного цикла. Однако вполне вероятно, что индивидуальные молекулы ДНК реплицируются случайным образом, т.е. в данном клеточном цикле одни из них могут удвоиться несколько раз, а другие ни разу [17]. Вместе с тем общее число этих ДНК за каждый клеточный цикл удваивается, что обеспечивает поддержание постоянного количества хлоропластной ДНК в клетке.

Молекулы ДНК органелл относительно просты, невелики и замкнуты в кольцо [18,19]. Двухцепочечные кольцевые молекулы ДНК, за крайне редким исключением, обладают уникальными топологическими характеристиками. Кольцевые молекулы имеют в структуре соответствующие изгибы и петли, которые получили название супервитков, и которые хорошо различимы при использовании электронной микроскопии. Некоторое время существовало мнение, что плотность упаковки хлоропластных ДНК определяется степенью их суперспирализованности. Теперь полагают, что в компактизации хлоропластного нуклеоида первостепенную роль играет специфическая сульфит-редуктаза [20].  

Размеры геномов хлоропластов у всех исследованных организмов сходны, Все хлоропласты содержат несколько копий своей геномной ДНК. Обычно эти молекулы ДНК распределены в виде отдельных групп, либо в строме хлоропластов. В энергетических органеллах гистоны отсутствуют, поэтому способ упаковки ДНК в них, как полагают, сходен не с хроматином эукариот, а с принципом организации бактериального генома.

Процессы репликации и транскрипции ДНК, а также синтеза полипептидных цепей протекают в строме хлоропластов. Несмотря на то, что белки, участвующие в указанных выше процессах, высокоспецифичны для этих органелл, бóльшая их часть кодируется ядерным геномом клетки. Данное обстоятельство весьма поразительно, так как аппарат белкового синтеза в органеллах сходен с бактериальным, а не с эукариотическим. Характерными особенностями белкового синтеза в хлоропластах являются следующие:

- рибосомы хлоропластов напоминают рибосомы E. coli по структуре и по чувствительности к антибиотикам. При этом удивительно гомологичны нуклеотидные последовательности рибосомных РНК хлоропластов и E. coli, а рибосомы этих хлоропласт способны использовать транспортные РНК бактерий в процессе синтеза полипептидных цепей.

- синтез полипептида в хлоропластах начинается с N-формилметионина, как у прокариот, а не с метионина, как в цитоплазме эукариотических клеток. ДНК хлоропластов может транскрибироваться с участием РНК-полимеразы E. coli с образованием хлоропластных иРНК, которые способны эффективно транслироваться белок-синтезирующей системой E. coli [21].

Геном хлоропласта, как уже упоминалось, представляет собой кольцевую молекулу ДНК. В настоящее время определена полная нуклеотидная последовательность ДНК хлоропластов табака и одного из видов печеночника (маршанции) [22]. Анализ нуклеотидных последовательностей свидетельствует о том, что гены хлоропластов этих весьма отдаленно родственных видов высших растений практически идентичны. Кроме четырех рибосомных РНК геномы хлоропластов кодируют около 20 рибосомных белков, отдельные субъединицы хлоропластной РНК-полимеразы, несколько белков фотосистем I и II, субъединицы АТР-синтетазы, компоненты ферментных комплексов электрон-транспортной цепи, одну из субъединиц рибулозодифосфат-карбоксилазы и 30 транспортных РНК (рис. 2.19). Кроме того, последовательность ДНК, как полагают, кодирует еще по меньшей мере 40 белков с невыясненной функцией [23,24].

 

Рис. 2.19 Организация генома хлоропласта печеночника Marchantia polymorpha. У всех высших растений организация геномов хлоропластов очень похожа. Размеры кольцевых молекул ДНК варьируют от вида к виду и зависят от протяженности той части ДНК, которая расположена вокруг генов, кодирующих рибосомные 16S- и 23S-РНК.

Уникальным является сходство хлоропластного и бактериального геномов. Основные регуляторные последовательности в ДНК, такие как промоторы и терминаторы транскрипции (см. главу «Транскрипция»), в обоих геномах практически идентичны. Белки, кодируемые хлоропластной ДНК, чрезвычайно похожи на белки бактерий, а некоторые группы генов с близкими функциями (например, гены, кодирующие рибосомные белки) организованы одинаково в геномах хлоропластов, E. coli и цианобактерий [25].

Несмотря на то, что в результате интенсивных биохимических и молекулярно-генетических исследований отдельные хлоропластные геномы оказались подробно охарактеризованными, все же первым полностью расшифрованным геномом органелл явился геном митохондрий человека.

«Прокариотический» характер генетических систем органелл, наиболее четко проявляющийся у хлоропластов, позволяет предполагать, что хлоропласты произошли от бактерий, поглощенных древними клетками путем эндоцитоза. В соответствии с эндосимбиотической гипотезой [32,32] и, эукариотические клетки в начале своего эволюционного пути были анаэробными организмами, не содержавшими энергопреобразующих органелл, а затем вступили в прочный симбиоз с аэробными прокариотическими клетками и приспособили их систему окислительного фосфорилирования для своих нужд. Полагают, что это событие произошло до разделения линий животных и растений, когда в атмосферу поступило значительное количество кислорода – около 1,5 млрд. лет назад. Хлоропласты высших растений и водорослей появились, вероятно, позднее в результате другого эндосимбиотического явления. Считают, что возникновение фотосинтезирующих органелл включало по меньшей мере три независимых события, что позволяет объяснить различие пигментов и особенностей фотосинтеза у современных высших растений и у зеленых, бурых и красных водорослей.

Поскольку бóльшая часть белков современных хлоропластов кодируется генами ядерного генома, есть основания полагать, что в ходе эволюции эукариот значительная часть генов органелл была перенесена в ядерную ДНК [33].

2.1. Геном и белоксинтезирующая система хлоропласт


Все хлоропласты имеют собственный геном и белоксинтезирующую систему. У современных фотосинтезирующих эукариот хлоропластная ДНК (плДНК), как правило, представлена многокопийной кольцевой молекулой размером от 120 до 290 тыс. п. н. У большинства видов эта молекула содержит два инвертированных повтора (IRA и IRB — от англ. inverted repeats), разделяющих ее на две неравные области. У многих бобовых и большинства голосеменных растений ДНК хлоропласт имеет всего лишь один IR-повтор и обладает измененным порядком генов.

Для некоторых видов высших растений проведено полное секвенирование хлоропластных ДНК. Установлено, что ДНК хлоропласт содержит около 100 генов, причем их набор близок для разных видов. Все идентифицированные гены хлоропласт можно разделить на две группы:
• гены, обслуживающие процессы транскрипции и трансляции белков хлоропласт (гены «домашнего хозяйства»);
• гены белков, обеспечивающих «полезную работу» хлоропласт, прежде всего процесс фотосинтеза.
Многие хлоропластные гены организованы в виде оперонов — блоков генов, считывающихся с единого промотора. Ряд генов имеют мозаичную структуру, т. е. состоят из чередующихся экзонов и интронов.

2.2.  РНК-полимеразы хлоропласт


Транскрипция хлоропластных генов обеспечивается двумя типами РНК-полимераз, одна из которых кодируется в ядре растительной клетки, тогда как другая — хлоропластной ДНК.

Собственная РНК-полимераза хлоропласт обладает типичными прокариотическими чертами и очень близка соответствующему ферменту Escherichia coli (рис. 1.10). Она состоит из четырех типов субъединиц α2ββ'β" (у эубактерий из трех — α2ββ')- Эти субъединицы кодируются в хлоропластном геноме. Структура фермента α 2ββ'β" характерна лишь для прохлоропласт и этиопластов. Такая РНК-полимераза не может узнавать промоторные области генов, для этого к ней должна присоединиться σ-субъединица. Она кодируется ядерным геномом и присоединяется к ферменту при освещении хлоропласты. У арабидопсиса выявлено как минимум три гена σ -субъединиц. Несмотря на ядерное кодирование, продукты этих генов имеют высокую гомологию с σ -субъединицами цианобактерий и эффективно распознают типичные промоторы прокариот. Ядерная локализация этих генов, вероятно, является результатом перемещения генетического материала хлоропласт в ядро.

Поскольку в темноте и в прохлоропластах собственная РНК-полимераза хлоропласт неактивна, то в этих условиях работает другая РНК-полимераза, которая кодируется ядерным геномом. Она представляет собой мономерный фермент, очень похожий на РНК-полимеразу бактериофагов ТЗ и Т7. В геноме арабидопсиса идентифицирован ген, кодирующий эту РНК-полимеразу. Продукт данного гена имеет сигнальную последовательность транспорта в хлоропласты.

Имеется своеобразное «распределение ролей» в работе двух РНК-полимераз хлоропласт, которое обеспечивается различными промоторами хлоропластных генов. Все гены хлоропласт можно разделить на три группы:

• имеющие стандартные эубактериальные промоторы — к ним относятся почти все гены белков, участвующих в процессах фотосинтеза, их транскрипцию обеспечивает собственная РНК-полимераза хлоропласт;

• имеющие нестандартные промоторы — такие промоторы свойственны лишь немногим генам; важно, что таким промотором снабжен rif-оперон, содержащий гены собственной хлоропластной РНК-полимеразы; их активность связана с мономерной РНК-полимеразой фагового типа;

• имеющие универсальные промоторы — подобные промоторы характерны для большинства генов «домашнего хозяйства» хлоропласт; успешно распознаются обеими РНК-полимеразами. -35; -10 — расстояние до места начала транскрипции (в парах нуклеотидов)

2.3. Транскрипция хлоропластной РНК


Можно предположить, что в прохлоропластах работает только РНК-полимераза фагового типа. Этот фермент обеспечивает экспрессию лишь немногих генов, в том числе собственной РНК-полимеразы хлоропласт, однако она неактивна. Свет активирует РНК-полимеразу за счет присоединения σ-субъединицы, и транскрипционная активность в хлоропластах избирательно увеличивается почти в 100 раз.

В дифференцированных хлоропластах транскрипция хлоропластных генов также регулируется весьма эффективно. Основным регулирующим фактором и в этом случае является свет. Для большинства хлоропластных генов максимальная транскрипционная активность приходится на предрассветные часы. С началом интенсивного освещения транскрипция ДНК хлоропластов заметно снижается, что, однако, не препятствует активной экспрессии хлоропластных генов.

На более поздних этапах дифференцировки хлоропласт активность некоторых генов может блокироваться. Например, в амилопластах клеток клена явора (Acer pseudoplatanus) происходит неравномерное метилирование хлоропластной ДНК, в результате чего одни гены (в том числе rrn16, psbA) продолжают нормально считываться, в то время как другие (rbcL, atpA, atpB, atpE, psaA)подвергаются практически полной репрессии. Подобная ситуация показана для хромопластов томата и перца. Таким образом, частичное метилирование хлоропластной ДНК может играть существенную роль в регулировании активности хлоропластных генов и преобразовании хлоропластов в другие формы хлоропласт.

2.4. Созревание хлоропластной РНК


После транскрипции происходит процесс созревания хлоропластных РНК. К нему относится сплайсинг транскриптов, у которых есть интрон-экзонная структура; формирование зрелых концов у транскриптов; редактирование некоторых мРНК. Хлоропластные интроны отличаются от ядерных прежде всего способностью к автосплайсингу. Это означает, что вырезание хлоропластных интронов происходит автокаталитически, т. е. без участия каких-либо 
ферментов.

Одной из своеобразных модификаций информационных РНК хлоропласт является их «редактирование» — химическая модификация в мРНК некоторых пиримидиновых оснований. В результате редактирования происходит замена одного основания на другое, что изменяет нуклеотидную последовательность транскрипта и кодирование соответствующей информации. Обычно остаток цитозина заменяется на урацил. Процесс редактирования может приводить к образованию инициаторного кодона, отсутствующего в исходной РНК, замене стоп-кодонов на смысловые триплеты или превращение одних смысловых кодонов в другие (рис. 1.12). Редактирование мРНК представляет собой мощный регуляторный механизм экспрессии хлоропластных генов. Важно отметить, что до сих пор все известные случаи редактирования хлоропластных мРНК обнаружены только в хлоропластах высших растений.

Стабильность РНК рассматривается как один из основных факторов, способных регулировать экспрессию хлоропластных генов. Большинство зрелых хлоропластных РНК содержат в своей 3'-некодирующей области характерную шпильку. действия рибонуклеаз, однако наличие 3'-концевой шпильки не гарантирует сохранность РНК. При определенных условиях (например, в темноте) такая шпилька распознается специфическими белковыми комплексами. Они разрушают 3'-конец молекулы РНК, и молекула РНК становится доступной для рибонуклеаз.

Даже при эффективной защите своего 3'-конца зрелые хлоропластные мРНК подвержены быстрой деградации за счет рибонуклеазной атаки с 5'-конца. Этого не происходит лишь при трансляции мРНК, когда она связана с хлоропластными рибосомами. Таким образом, стабильность хлоропластных мРНК находится в тесной зависимости от уровня их трансляции.

2.5. Трансляция белков в хлоропластах


Хлоропластный аппарат белкового синтеза находится под двойным генетическим контролем. Одни компоненты этого аппарата кодируются ядерными генами, другие (в том числе рибосомные и все транспортные РНК, а также приблизительно треть рибосомных белков) кодируются хлоропластной ДНК.

Рибосомы хлоропласт существенно отличаются от цитозольных рибосом растительной клетки, но близки к рибосомам эубактерий. В хлоропластной рибосоме белков значительно меньше, чем в цитозольной. Это приводит к заметному снижению ее коэффициента седиментации (70S вместо 80S). Рибосомы хлоропласт, как правило, содержат четыре типа рРНК, три из которых (23S, 5S и 16S) характерны для эубактерий. Четвертая рРНК (4.5S) гомологична 3'-концу 23S-pPHK и не обнаруживается ни в одном другом типе рибосом. Хлоропластные рибосомы близки эубактериальным и по комплексу белков. Оба типа рибосом имеют практически одинаковое количество белков, обладают похожими иммунологическими характеристиками и чувствительны к одним и тем же антибиотикам (хлорамфеникол, стрептомицин). Для большинства белков хлоропластной рибосомы показана высокая степень гомологии с соответствующими полипептидами эубактерий.

Весь набор хлоропластных тРНК кодируется приблизительно 30 различными генами trn, локализованными в хлоропластной ДНК. Подавляющее большинство этих генов представлено единственной копией.

Синтез белка в хлоропластах эффективно регулируется различными факторами, прежде всего светом. Показано, что у некоторых хлоропластных мРНК (например, мРНК psbA хламидомонады) 5'-область имеет характерную шпильку, распознаваемую крупным белковым комплексом. Входящий в него белок RB47 (мол. массой 47 кДа) в темноте находится в окисленной форме и не способен взаимодействовать со шпилькой мРНК. Освещение хлоропласта приводит к восстановлению сульфгидрильных групп белка RB47. В восстановленной форме он способен связываться со шпилькой, что является обязательным условием инициации трансляции. Таким образом, синтез белка, кодируемого геном psbA, активно идет на свету, но останавливается с наступлением темноты.

2.6. Белки, кодируемые в хлоропластном геноме


Процесс фотосинтеза в хлоропластах осуществляется сложными пигмент-белковыми комплексами, расположенными в тилакоидных мембранах. К ним относятся фотосистемы I и II, b6f-комплекс, хлоропластная АТФ-синтаза. Формирование этих белковых структур находится под двойным генетическим контролем, т.е. каждый белковый комплекс, обслуживающий процесс фотосинтеза, содержит как белки, кодируемые ядерным геномом, так и белки, кодируемые в геноме хлоропластов.
Хлоропласты высших растений содержат около 40 генов, кодирующие «рабочие» белки хлоропласт. У разных организмов набор генов хлоропластного генома может быть различным. В целом можно отметить следующую закономерность: функциональные белки фотосинтетического аппарата чаще кодируются в геноме хлоропластов, тогда как регуляторные или «дополнительные» — в ядерном геноме. Например, в хлоропластом геноме кодируются основные белки реакционных центров обеих фотосистем, апопротеины цитохромов b6 и f, α- и β-субъединицы АТФ-синтазы, большая (каталитическая) субъединица рибулезобисфосфаткарбоксилазы (Рубиско). Под ядерным генетическим контролем находится весь спектр антенных хлорофиллсвязывающих белков, малая (регуляторная) субъединица Rubisco.

2.6.1. Транспорт цитозольных белков в хлоропласты


Для транспорта в хлоропласты на N-конце белков должен находиться сигнальный пептид, состоящий из 40 — 50 аминокислот (табл. 1.1). Белок транспортируется в строму хлоропластов в местах «слипания» их мембран. Транспорт требует энергии в виде АТФ.
Если белок должен остаться в строме, то довольно сложный комплекс шаперонов, составленный из больших (Hsp60, мол. масса 60 кДа) и малых (10 кДа) субъединиц, обеспечивает его сворачивание в АТФ-зависимом процессе. Наоборот, белки, которые предназначены для люмена тилакоидов либо их мембран, поддерживаются шаперонами в развернутой форме, что необходимо для их дальнейшего транспорта. Белки, направляемые к внешней мембране, не транспортируются в строму, а попадают в мембрану непосредственно из цитозоля.
Белки, предназначенные для тилакоидов, содержат два сигнальных пептида («стромальный» и «люменальный), расположенных последовательно один за другим. Первый пептид идентичен лидерному пептиду стромальных белков и направляет белок в строму хлоропласта. В строме протеаза удаляет «стромальный» пептид, что «открывает» второй лидерный пептид, который обеспечивает дальнейший транспорт белка через мембрану тилакоида. В люмене тилакоида второй сигнальный пептид отщепляется протеазой, и белок либо остается в люмене, либо встраивается в мембрану тилакоида.
Механизм встраивания интегральных белков в мембрану не совсем ясен. Скорее всего, белки встраиваются в мембрану за счет своих гидрофобных участков.
Существует, по крайней мере, два механизма транспорта белков через тилакоидную мембрану. Один путь требует для транслокации АТФ и ∆рН на мембране. Другой путь АТФ-независим и для его осуществления достаточно только ∆рН.

  1.  ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХЛОРОПЛАСТА.

Общепринятым в настоящее время является представление об эндосимбиотическом происхождении хлоропластов в клетках растений. Хорошо известно, что лишайники представляют собой форму сожительства (симбиоза) гриба и водоросли, при котором зеленые одноклеточные водоросли живут внутри клеток гриба. Предполагают, что таким же путем несколько миллиардов лет назад фотосинтезирующие цианобактерии (синезеленые водоросли) проникли в эукариотические клетки и затем в ходе эволюции потеряли свою автономность, передав большое число важнейших генов в ядерный геном. В результате независимая бактериальная клетка превратилась в полуавтономную органеллу, сохранившую главную исходную функцию - способность к фотосинтезу, однако формирование фотосинтетического аппарата оказалось под двойным ядерно-хлоропластным контролем. Под ядерный контроль перешли деление хлоропластов и сам процесс реализации его генетической информации, которая осуществляется в цепи событий ДНК РНК белок.

Неоспоримые доказательства прокариотического происхождения хлоропластов получены при анализе нуклеотидных последовательностей их ДНК. ДНК рибосомальных генов имеет высокую степень сродства (гомологию) у хлоропластов и бактерий. Сходная нуклеотидная последовательность обнаружена для цианобактерий и хлоропластов в генах АТФсинтазного комплекса, а также в генах аппарата транскрипции (гены субъединиц РНК-полимеразы) и трансляции. Регуляторные элементы хлоропластных генов - промоторы, локализованные в области 35-10 пар нуклеотидов до начала транскрипции, определяющие считку генетической информации, и терминальные нуклеотидные последовательности, определяющие ее прекращение, организованы в хлоропласте, как упоминалось выше, по бактериальному типу. И хотя миллиарды лет эволюции внесли массу изменений в хлоропласт, они не изменили нуклеотидную последовательность хлоропластных генов, и это является неоспоримым доказательством происхождения хлоропласта в зеленом растении от прокариотического предка, древнего предшественника современных цианобактерий.

  1.  Размножение и наследование хлоропласт

В онтогенезе растения на стадии растяжения клеток их деление останавливается, тогда как деление хлоропласт продолжается, что приводит к увеличению их количества в клетке. Например, число копий хлоропластного генома в одной клетке мезофилла листа может варьировать от 500 до 10 000, а количество ДНК может достигать 10 — 20% всей ДНК клетки листа.

Деление начинается с заметного сжатия хлоропласта в центре. Сжатие углубляется, образуя узкую перетяжку между двумя будущими дочерними хлоропластами, после чего они полностью разъединяются. На стадии перетяжки на внешней мембране хлоропласты со стороны цитозоля образуется электронно-плотное кольцо. Недавние исследования показали, что это кольцо содержит белок, близкий сократительному (контрактильному) белку FtsZ бактерий, который необходим для формирования перетяжки при делении бактериальных клеток.
Эндоплазматические органеллы могут переходить от одного поколения к другому через яйцеклетку (материнское наследование), через спермин (отцовское наследование) либо обоими способами (двуродительское наследование). У большинства покрытосеменных растений хлоропласты наследуются по материнской линии. Эти органеллы от отцовской линии либо не попадают в спермин, либо деградируют в процессе развития мужского гаметофита или двойного оплодотворения. Независимо от исходной локализации (в яйцеклетке или спермин) в момент наследования хлоропласты находятся на стадии прохлоропластов.

Некоторые растения (например, саговники, гинкго) кардинально отличаются по способу наследования хлоропласт: переходят к следующему поколению через сперматозоид (в этом случае мужской гаметофит живет довольно долго, развиваясь в женской шишке после опыления). Таким образом, для некоторых голосеменных характерно наследование хлоропластов отцовской линии.

  1.  Развитие хлоропласта из прохлоропласты.

Хлоропласт развивается из прохлоропласты - маленькой бесцветной органеллы (несколько микрон в поперечнике), окруженной двойной мембраной и содержащей характерную для хлоропласта кольцевую молекулу ДНК. Прохлоропласты не имеют внутренней мембранной системы. Они плохо изучены ввиду их крайне малых размеров. Несколько прохлоропласт содержится в цитоплазме яйцеклетки. Они делятся и передаются от клетки к клетке в ходе развития зародыша. Этим объясняется то обстоятельство, что генетические признаки, связанные с ДНК хлоропласт, передаются только по материнской линии (так называемая цитоплазматическая наследственность).

В ходе развития хлоропласта из прохлоропласты внутренняя мембрана ее оболочки образует "впячивания" внутрь хлоропласты. Из них развиваются мембраны тилакоидов, которые создают стопки - граны и ламеллы стромы. В темноте прохлоропласты дают начало формированию предшественника хлоропласта (этиопласта), который содержит структуру, напоминающую кристаллическую решетку. При освещении эта структура разрушается и происходит формирование характерной для хлоропласта внутренней структуры, состоящей из тилакоидов гран и ламелл стромы.

В клетках меристемы содержится несколько прохлоропласт. При формировании зеленого листа они делятся и превращаются в хлоропласты. Например, в клетке закончившего рост листа пшеницы содержится около 150 хлоропластов. В органах растений, запасающих крахмал, например в клубнях картофеля, крахмальные зерна формируются и накапливаются в хлоропластах, называемых амилопластами. Как выяснилось, амилопласты, как и хлоропласты, образуются из тех же прохлоропласт и содержат такую же ДНК, как хлоропласты. Они формируются в результате дифференцировки прохлоропласт по другому пути, чем у хлоропластов. Известны случаи превращения хлоропластов в амилопласты и наоборот. Например, часть амилопластов превращается в хлоропласты при позеленении клубней картофеля на свету.В ходе созревания плодов томатов и некоторых других растений, а также в лепестках цветков и осенних красных листьях хлоропласты превращаются в хромопласты - органеллы, содержащие оранжевые пигменты каротиноиды. Такое превращение связано с разрушением структуры тилакоидов гран и приобретением органеллой совершенно иной внутренней организации. Эту перестройку хлоропласте диктует ядро, и она осуществляется с помощью особых белков, кодируемых в ядре и синтезируемых в цитоплазме. Например, кодируемый в ядре 58 кДа полипептид, образующий комплекс с каротиноидами, составляет половину всего белка мембранных структур хромопласта. Так, на основе одной и той же собственной ДНК в результате ядерно-цитоплазматического влияния прохлоропласта может развиваться в зеленый фотосинтезирующий хлоропласт, белый, содержащий крахмал амилопласт или оранжевый, заполненный каротиноидами хромопласт. Между ними возможны превращения. Это интересный пример различных путей дифференцировки органелл на основе одной и той же собственной ДНК, но под влиянием ядерно-цитоплазматического "диктата".


  1.  ФУНКЦИИ ХЛОРОПЛАСТ


Принципиально важно, что хлоропласты растений — это органеллы, выполняющие в растительной клетке разнообразные функции. При этом функции хлоропласт различны для клеток различных тканей. Безусловно, главнейшей функцией хлоропластной системы является фотосинтез, происходящий в хлоропластах.

Другая важнейшая функция хлоропласт — биосинтез многих соединений растительной клетки. Это связано с необходимостью компартментации в эукариотической клетке синтезируемых веществ. Растительная клетка в этом смысле имеет преимущества перед другими эукариотами, так как имеет два дополнительных компартмента — хлоропласты и вакуоли, которые используются клеткой весьма активно. В хлоропластах протекают промежуточные стадии многих метаболических процессов. Здесь у растений, помимо образования хлорофиллов и каротиноидов, синтезируются пурины и пиримидины, большинство аминокислот и все жирные кислоты (у животных эти процессы осуществляются в цитозоле). В хлоропластах также происходит восстановление ряда неорганических ионов — нитрита (NO
2), который является продуктом цитозольного восстановления нитрата, и сульфата (SO4 ). Хлоропласты — основное место запасания железа: в них локализовано до 85 % фитоферрйтина. Хлоропластный компартмент образно можно назвать «фабрикой экологически вредных и энергоемких производств» растительной клетки, связанных с токсичными интермедиатами, свободнорадикальными процессами и высокими энергиями.

Особо следует отметить, что в хлоропластах часто протекают синтезы, дублирующиеся в цитозоле. Например, в них обнаружен шикиматный путь синтеза ароматических соединений, который обеспечивает синтез фенольных соединений вплоть до образования флавоноидов. Аналогичный путь известен и в цитозоле, однако там работают другие изозимы (например, халконсинтазы). В хлоропластах обнаружен также новый путь синтеза изопреноидов .

Ферменты практически всех описанных биосинтетических путей хлоропластов имеют ядерное кодирование и, следовательно, транспортируются в хлоропласты из цитозоля, т. е. в данном случае хлоропласты используются для сегрегации биосинтетических путей.


Заключение

Итак, в растительной клетке хлоропласт обладает собственным геномом (совокупность генов) и собственным аппаратом реализации генетической информации путем синтеза РНК и белка, причем организация этих систем в хлоропласте отличается от эукариотического типа. Следует заметить, что это справедливо и для других органелл клетки - митохондрий, но митохондрии существуют во всех эукариотических клетках, являясь их энергетическим депо, тогда как хлоропласты присутствуют только в клетках зеленых растений.


Литература

1)  Earnshaw et al., Cell, 1980, 21, 373-383

2) Ю.С.Ченцов. Введение в клеточную биологию./Ю.С. Ченцов.-М.:ИКЦ «Академкнига»,2005-495с.:ил.

3) Физиология растений: Учебник для студ.вузов/ Н.Д.Алёхина, Ю.В.Балнокин, В.Ф. Гавриленко, Т.В.Жигалова, Н.Р. Мейчик, А.М.Носов, О.Г.Полесская, Е.В.харитонашвили; Под ред. И.П.Ермакова.-М.:изд.центр «Академия»,2005.-640с.

4) Тихонов А.Н. Трансформация энергии в хлоропластах - энергообразующих органеллах растительной клетки // Соросовский Образовательный Журнал. 2006. № 4. С. 24-32.

5)  Климов В.В. Фотосинтез и биосфера // Там же. № 8. С. 6-13.

6) Наградова Н.К. Внутриклеточная регуляция формирования нативной пространственной структуры белков // Там же. № 7. 2005С. 10-18.

7) Одинцова М.С. // Итоги науки и техники. 2003. Т. 6. С. 5-97.

8) Юрина Н.П., Одинцова М.С. // Молекуляр. биология. 1999. Т. 26, вып. 4. С. 757-771.

9) Cell Organelles / Ed. R.G. Herrmann. Wien; N.Y.: Springer, 2000. 467 p.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16315. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ 321.5 KB
  ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ Теоретические основы эксперимента Геометрическая лучевая оптика Согласно электромагнитной теории диапазон видимого света представляет собой электромагнитные волны определенной длины : от 40105 см до 7...
16316. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕИЗВЕСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКРАШЕННОГО РАСТВОРА ПРИ ПОМОЩИ КОЛОРИМЕТРА КФО 290.5 KB
  Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕИЗВЕСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКРАШЕННОГО РАСТВОРА ПРИ ПОМОЩИ КОЛОРИМЕТРА КФО Теоретические основы эксперимента Физика взаимодействия света с веществом Взаимодействие света и среды в общих чертах можно представить следующим
16317. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 66.5 KB
  Лабораторная работа ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Практическая часть Упражнение №1. Изучение состояния поляризации лазерного излучения Оптическая схема лаб
16318. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ФОТОМЕТРИИ 194 KB
  ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ФОТОМЕТРИИ Теоретическая часть Разнообразные действия света обусловлены наличием определенной энергии излучения световой энергии. Непосредственное восприятие света обусловлено действием световой энергии на любой приемник способный реагиро...
16319. Дифракция Фраунгофера 231.5 KB
  Лабораторная работа № 7 Дифракция Фраунгофера Теоретические основы эксперимента Многие явления наблюдаемые в обыденной жизни говорят о том что свет распространяется прямолинейно. Солнечный свет луч прожектора луч лазера ассоциируются в нашем сознании с п...
16320. Дифракция Френеля 292 KB
  Лабораторная работа № 8 Дифракция Френеля Теоретические основы эксперимента Многие явления наблюдаемые в обыденной жизни говорят о том что свет распространяется прямолинейно. Солнечный свет луч прожектора луч лазера ассоциируются в нашем сознании с прямы...
16321. ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА 139 KB
  Лабораторная работа ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА Упражнение 1. Поляризация света при отражении от плоской границы. Явление Брюстера Описание лабораторной установки Оптическая схема установки представлена на рис.2.1. На оптичес...
16322. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ВРАЩЕНИЯ И НЕИЗВЕСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНОГО РАСТВОРА ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИМЕТРА СМ – 3 164 KB
  Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ВРАЩЕНИЯ И НЕИЗВЕСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНОГО РАСТВОРА ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИМЕТРА СМ – 3 Описание лабораторной установки Поляриметр круговой СМ3 используемый в данной работе применяется для измерения угла вращения пл
16323. Определение удельного вращения и неизвестной концентрации сахарного раствора при помощи сахариметра СУ-3 244 KB
  Лабораторная работа Определение удельного вращения и неизвестной концентрации сахарного раствора при помощи сахариметра СУ3 Описание лабораторной установки Сахариметр СУ3 используемый в данной работе применяется для измерения угла вращения плоскости