Хлоропласты

В процессе фотосинтеза участвуют сложные биологические системы и структуры, которые препятствуют окислению образующихся восстановленных продуктов. Неустойчивые продукты фотосинтеза не окисляются, так как они разобщены на гетерогенных клеточных структурах и продукты восстановления углекислого газа отделены от кислорода, образующегося непрерывно при фотосинтезе. Это обусловливается сложными ультраструктурными особенностями клетки и ее органелл. Следовательно, большая роль в фотосинтезе принадлежит структурным элементам хлоропласта, которые обеспечивают пространственную локализацию отдельных звеньев общего процесса.

Рис. 22. Строение хлоропласта мезофилла листа кукурузы (модель по — А. М. Силаевой):
_{1 — оболочка из двух двойных мембран; 2 — строма; 3 — граны и тилакоиды; 4 — межгранальные тилакоиды; 5 — поры.}

Восстанавливать углекислый газ под влиянием солнечных лучей могут также и низшие растения, некоторые бактерии и сине-зеленые водоросли. В отличие от высших зеленых растений у бактерий фотосинтез осуществляется в анаэробных условиях без образования свободного кислорода. У фотосинтезирующих бактерий, как и у низших сине-зеленых водорослей, пластиды не найдены. Пигменты у этих организмов диффузно распределяются в протопласте. Следовательно, эволюция синтетических функций у растений была тесно связана с дифференциацией и развитием сложных пигментно-белково-липоидных образований — хлоропластов (рис. 22).

К. А. Тимирязев отмечал, что, несмотря на разницу в почве и климате, зеленая окраска свойственна всем растениям земного шара. Она зависит от наличия зеленых пластид — хлоропластов.

Известно три вида пластид: зеленые — хлоропласты, желтые и оранжевые — хромопласты, бесцветные — лейкопласты. Современная наука рассматривает пластиды как орган, который развивается, имеет гетерогенную структуру и находится в диалектическом единстве с цитоплазмой — между ними осуществляется постоянный обмен веществ. Представление о гетерогенности хлоропластов, об их гранулярном строении, о сосредоточении хлорофилла в гранулах впервые было сформулировано в мировой литературе К. А. Тимирязевым в 1903 г. В настоящее время с помощью электронного микроскопа установлена тонкая ультраструктура хлоропластов.

Рис. 23. Граны хлоропластов с соединительной системой (модель) (по Weier et al.).

Свободно взвешенный в цитоплазме хлоропласт высшего растения представляет собой тельце линзовидной или округлой формы диаметром 4-6 мкм и толщиной в средней части 2-5 мкм. Он отделен от цитоплазмы двухслойной липидно-белковой мембраной (оболочкой) толщиной около 20 нм, состоящей из двух электронно-плотных слоев толщиной каждый 5-7 нм.

Внутренность хлоропласта заполнена многокомпонентными биоколлоидами — стромой. В бесцветной строме (матриксе) хлоропласта находится ламеллярная система, состоящая из образованных липидно-белковой мембраной небольших плоских и круглых мешочков — цистерн, или так называемых тилакоидов двух типов. Одни из них меньших размеров (диаметром 0,2-0,5 мкм и толщиной 20 нм) собраны в пачки, напоминающие столбики монет, — тилакоиды гран. Другие, большей площади, располагаются между тилакоидами гран и в межгранных участках стромы — тилакоиды стромы. Тилакоиды гран соединены между собой и с тилакоидами стромы сетью сплюснутых канальцев — спаек (рис. 23). Внутренние части полости тилакоидов гран и межгранальные тилакоиды представляют единую замкнутую фотосинтетическую внутримембранную полость, объединенную в единую фотоэнергетическую систему хлоропласта.

Грана полностью развитого хлоропласта состоит из 10-30 тилакоидов, число всех гран в хлоропласте 100-150. Поверхность фотосинтетических мембран, тилакоидов грани стромы более чем в 10 раз превышает поверхность самого хлоропласта. В хлоропластах с гранальной структурой тилакоиды соответствуют диаметру гран (гранальные тилакоиды). Фотоактивная поверхность хлоропласта мезофилла кукурузы равна примерно 1000 мкм², из них 750 мкм² приходится на мембраны гран и 250 мкм² — на мембраны межгранальных тилакоидов.

Исследования А. М. Силаевой, Вайер и других показали, что основной структурной единицей хлоропласта являются тилакоиды гран, соединенные между собой спайками-перемычками, расположенными по окружности тилакоида. Особая роль отводится концевым тилакоидам (дискам) граны, которые, будучи селективным фильтром, предохраняют грану от излишнего облучения или подают сигнал на изменение ориентации оси граны. При оптимальных условиях освещения оси гран обычно направлены радиально к более выпуклой стороне хлоропласта.

Рис. 24. Схематическое изображение гипотетического молекулярного строения ламелл хлоропластов (по М. Кальвину).

Тилакоиды стромы (межгранальные) бывают разной величины и формы: овальные и широкие (1,5-2,5×0,3-0,5 мкм) или вытянутые и узкие. Мембраны состоят из белка (50%) и липидов (50%). Три четверти липидов представлены тремя основными группами: галактолипидами, фосфолипидами и сульфолипидами.

В состав фотосинтетических мембран входят пигменты хлорофиллы и каротиноиды, погруженные в мембраны тилакоидов хлоропластов. В хлоропластах шпината содержится 6-8% хлорофилла и в тилакоидах больше 10%. Из общего содержания зеленых пигментов ¾ составляет хлорофилл a и ¼ — хлорофилл b. Каротиноиды хлоропластов состоят на ⅔ из ксантофиллов и на ⅓ — из каротина. В хлоропластах табака пигменты содержатся в таких молярных отношениях — хлорофилл a : хлорофилл b : ксантофиллы : каротин — 9:3:4:2. Хлоропласты теневыносливых растений обычно превышают по размеру хлоропласты светолюбивых растений и содержат больше хлорофилла.

Принцип строения хлоропластов и система фотосинтетических мембран сходны у всех высших растений, у разных видов изменяются лишь диаметр, размер хлоропластов и количество ламелл в них. В более молодых клетках высших растений и водорослей содержатся ламеллярные хлоропласты без гранул. Ламеллы найдены у некоторых сине-зеленых водорослей, которые не имеют хлоропластов.

На рисунке 24 схематически изображена гипотетическая молекулярная структура ламеллы. На схеме показано расположение порфириновых ядер хлорофилла, толщина которых 0,35-0,4 нм. Они находятся под углом 35-40° к площади слоя ламелл и ферментов, катализирующих восстановление СО₂, и входят в водно-белковый комплекс ламеллы, тогда как фитольный остаток (фитол) молекулы хлорофилла, каротиноиды и ферментные системы, катализирующие процессы, связанные с выделением кислорода, включены в липоидный слой ламеллы. Среднее расстояние между двумя соседними молекулами пигментов в ламелле равно 1 нм, что создает возможность энергетического взаимодействия между ними.

О симбиотическом происхождении хлоропластов (гипотеза). Древнейшие докембрийские представители жизни (более 1 млрд лет назад) — фотосинтезирующие прокариоты (сине-зеленые водоросли или бактерии) были захвачены гетеротрофными эукариотными клетками типа амебы. Такой альянс оказался плодотворным для обоих партнеров. Клетки хозяина перестали зависеть от поступления органических веществ извне, так как фотосинтезирующие прокариоты начали обильно снабжать их углеводами.

Другие прокариоты — аэробные бактерии — были захвачены клетками эукариотов, превратились в митохондрии и стали выполнять функцию дыхания. Вновь образовавшиеся эукариотические организмы получили возможность вести аэробный образ жизни, а симбионты, оказавшись в оптимальной физиологической среде, превратились в клеточные органеллы.

В результате такого симбиоза гетеротрофные эукариоты стали автотрофными, анаэробы превратились в аэробов, наступил качественно новый этап в эволюции органического мира.

Единственным предшественником хлоропластов (по мнению Л. Маргулис) могут быть сине-зеленые водоросли — цианеллы, которые в настоящее время относят к цианобактериям. У хлоропластов и сине-зеленых водорослей много общих черт. Они сходны по ультраструктуре и функциональной организации, морфологии и ультраструктуре ламелл, хлорофиллов a и b, ЭТЦ.

В заключение необходимо отметить, что приоритет рождения идеи о симбиотическом происхождении хлоропластов из цианелл принадлежит русской науке (академику А. С. Фаминцину и профессору Казанского университета К. С. Мережковскому), выдвинувшей в конце прошлого столетия гипотезу о родстве и аналогии цианелл с хлоропластами.

Онтогенез хлоропластов. Тонкая структура хлоропласта формируется в несколько этапов. На скорость изменения в строении и функциональную активность хлоропластов влияют интенсивность освещения, качество света, условия питания растения, скорость роста клетки или всего органа.

Первичная дифференциация пропластиды начинается с инвагинации внутренней мембраны и образования на свету ламеллярной системы, а в темноте — пузырьков и проламеллярного тела (рис. 25). Конечный этап дифференциации хлоропласта связан с образованием и накоплением хлорофилла.

Рис. 25. Онтогенез хлоропластов (схема по А. Фрей-Висслингу и К. Мюлеталеру):
_{1 — инициальная частица; 2 — пропластида; 3 — образование пузырьков; 4 — проламеллярное тело; 5 — образование ламелл на свету; 6 — капля жира; 7 — хлоропласт; 8 — тилакоиды; 9 — ламелла стромы; 10 — грана; 11 — образование ламеллярной системы; 12 — крахмальное зерно.}

Образование хлорофилла представляет собой фотохимическое восстановление протохлорофиллида, который может синтезироваться без света: протохлорофиллид → хлорофиллид → хлорофилл. Образование тилакоидов фотосинтетических мембран связано, по-видимому, со специфической РНК и ферментными белками. Увеличение размеров пластид коррелирует с накоплением в них белка. Самообразования инициальных частиц никогда не наблюдается. Пластиды размножаются делением или почкованием после их дифференциации: поперечные перегородки или почки образуются из складок внутренних мембран пластид.

Длительный рост проростков в темноте служит преградой для развития ламеллярных структур в пластидах. Для формирования и полного развития ламеллярной структуры необходим хлорофилл, хотя начальные этапы формирования ламелл хлоропласта возможны без него. Хлорофилл и каротиноиды могут образовываться в хромолипидных глобулах хлоропластов, еще не имеющих ламеллярного строения.

Ламеллы в хлоропласте находятся в состоянии быстрого обновления — распада и воспроизведения. Накопление фотосинтезированного крахмала приводит к разрушению ламелл (например, у ели). После, удаления его в хлоропластах начинается образование новых ламелл. Синтез и стабилизация каротиноидов могут осуществляться без ламелл. В хлоропластах, очевидно в глобулах, образуются каротиноиды, что можно наблюдать в желтых лепестках видов лютика.

Химический состав хлоропластов. С помощью центрифуги можно из гомогената клеток выделить хлоропласты и всесторонне их исследовать.

Основную массу хлоропластов составляют белки и липиды. Кроме того, в их состав входят пигменты, отдельные элементы, нуклеиновые кислоты, углеводы и другие вещества (табл. 5). Хлоропласты содержат 75% воды и 10-15% сухого органического вещества. Около половины всей фракции липидов составляют жиры, 20% приходится на стеролы и 5% на фосфатиды.

Интересно, что содержание зольных элементов в хлоропластах в 2,5 раза меньше, чем в листьях в целом. Но в хлоропластах сосредоточено до 80% всего имеющегося в тканях листьев железа, 65-70% цинка и около 50% меди. Это соответствует данным о содержании в пластидах большого количества ферментов клетки, в том числе протеидов, в состав которых входят железо и медь.

В хлоропластах содержится и комплекс витаминов. Однако аскорбиновой кислоты в них в 4-5 раз меньше, чем в листьях (в хлоропластах — 19 мг%, в листьях — 96 мг%). Жирорастворимых витаминов в пластидах значительно больше, чем в листьях: содержание каротина (провитамина А) в листьях люцерны — 0,053%, а в хлоропластах — 0,235%, витамина Е также больше в хлоропластах, чем в цитоплазме (в хлоропластах шпината — 0,08%, а в цитоплазме — 0,002%).

Ферменты хлоропластов. Установлено, что хлоропласты содержат сложный набор ферментов живой клетки. В них обнаружены оксидазы, цитохромоксидаза, инвертаза, пероксидаза, полифенолоксидаза, фосфорилаза, фосфоглюкомутаза, протеаза, дегидрогеназы. Много ферментов находится в зеленых пластидах в связанном адсорбированном состоянии, причем характер и прочность этой связи зависят от ряда условий. Наиболее прочно связана с веществом пластид инвертаза, менее — пероксидаза и еще меньше — полифенолоксидаза и цитохромоксидаза.

Хлоропласты являются как бы «депо ферментов». Как показали исследования, пластиды (и хлоропласты в частности) являются центрами биохимических реакций в клетке.

Пигменты хлоропластов. В процессе фотосинтеза происходит поглощение света пигментами, сосредоточенными в хлоропластах. Пигменты зеленых растений играют важную роль в превращении лучистой энергии света в химическую. У автотрофных растений уменьшение количества пигментов приводит к снижению интенсивности фотосинтеза. Все пигменты, ветречающиеся в растениях, можно разделить на группы: хлорофиллы, каротиноиды, фикобилины, флавоноидные пигменты.

К группе хлорофиллов относятся органические соединения, которые содержат четыре пиррольных кольца, связанных атомами магния, и имеют зеленую окраску: хлорофилл a — C₅₅H₇₂O₅N₄Mg (молекулярная масса 893), хлорофилл b — C₅₅H₇₀O₆N₄Mg (молекулярная масса 907).

Кроме хлорофиллов a и b, растения содержат хлорофиллы с и d.

По спектральным данным хлорофилл d близок к протохлорофиллу C₅₅H₇₀O₅N₄Mg, а хлорофилл с не имеет остатка спирта фитола С₂₀Н₃₉. Элементарный состав и структурные формулы их окончательно еще не установлены.

Высшие растения и зеленые водоросли содержат хлорофиллы a и b, бурые и диатомовые водоросли — хлорофиллы a и с, красные водоросли — хлорофиллы a и d.

В фотосинтезирующих бактериях присутствуют близкие аналоги хлорофилла — бактериохлорофиллы (известно четыре таких соединения), которые обусловливают их способность к фотосинтезу. Большинство пурпурных бактерий и зеленых серобактерий содержит бактериохлорофилл a — C₅₅H₇₄O₆N₄Mg (молекулярная масса 911). Другие бактериохлорофиллы отличаются от него некоторыми особенностями. Так, в бактериохлорофилле d отсутствует циклопентановое кольцо, а хлорофилл с вместо фитольного остатка содержит фарнезильный остаток С₁₅Н₂₆О.

К каротиноидам относится большое количество различных желтых и оранжевых пигментов (около 100). Важнейшими из них являются каротины (углеводороды) и ксантофиллы (кислородсодержащие каротиноиды); α-, β-, γ-каротины и ликопин имеют суммарную формулу С₄₀Н₅₆. Каротин содержится во всех зеленых частях растений, корнях моркови, брюквы, батата, плодах абрикоса, персика, шиповника и др., ликопин — в плодах томата, шиповника, паслена и др.

Ксантофиллы — C₄₀H₅₄(OH)₂, или С₄₀Н₅₆0₂, обнаружены в листьях и плодах растений. К ксантофиллам относится и фукоксантин C₄₀H₅₆O₆, который встречается в морских водорослях и является основным компонентом бурых и диатомовых водорослей.

Фикобилины — общее название пигментов красных и сине-зеленых водорослей, которое они получили вследствие близкого их сродства с пигментами желчи (bile — желчь). К ним относятся: фикоэритрин C₃₄H₄₇N₄O₈ — характерный пигмент красных водорослей из семейства Rhodophyceae; фикоцианин C₃₄H₄₂N₄O₉ — пигмент сине-зеленых водорослей из семейства Cyanophyceae.

Хлорофиллы и каротиноиды участвуют во многих процессах жизнедеятельности растительного организма (табл. 6).

Таким образом, пигментная система хлоропластов выполняет, разнообразные функции. Хлоропласты являются чувствительными органоидами растительной клетки. Они реагируют на действие многих факторов и могут служить индикаторами физиолого-биохимического состояния клетки.

Хромопласты. В отличие от хлоропластов эти пластиды менее исследованы. Установлено, что в их состав входят каротин (20-56%), липиды (58%), белки (22%) и РНК (3,3%). В хромопластах β-каротин превращается в эпоксиды. Хлоропласты могут превращаться в хромопласты; при этом в пластидах образуются окрашенные в желтый цвет капельки или обнаруживаются веретенообразные тела (например, в плодах рябины, шиповника) и другие мелкие образования в форме кристаллов. Строма дегенерирует, ламеллярная структура разрушается, сохраняется оболочка пластиды и образуются носители (глобулы, веретенообразные структуры и т. д.) ярко-желтых пигментов — каротиноидов, которые раньше называли хроматофорами.

Следовательно, хромопласты — это пластиды, которые дегенерировали путем липофанероза (жирового перерождения пластид). Хромопласты — конечный продукт монотропного развития пластид. Тонкая структура хлоропластов распадается, ценные для растения соединения покидают стареющие ткани и используются для различных типов биосинтеза, а липиды и продукты распада хлорофилла — фитол — остаются на месте. Специфических функций, свойственных хромопластам, не обнаружено.