Fonctions des chloroplastes, structure et processus de la photosynthèse

Le les chloroplastes Ce sont des organites cellulaires délimités par un système complexe de membranes, caractéristiques des plantes et des algues. Dans ce plastide se trouve la chlorophylle, pigment responsable des processus de photosynthèse, de la couleur verte des légumes et permet la vie autotrophe de ces lignées.

En outre, les chloroplastes sont liés à la génération d'énergie métabolique (ATP - adénosine triphosphate), à ​​la synthèse d'acides aminés, de vitamines, d'acides gras, de composants lipidiques de leurs membranes et à la réduction des nitrites. Elle joue également un rôle dans la production de substances de défense contre les agents pathogènes.

Cet organite photosynthétique a son propre génome circulaire (ADN) et il est suggéré que, comme les mitochondries, elles proviennent d'un processus de symbiose entre un hôte et une bactérie photosynthétique ancestrale.

Index

• 1 origine
  • 1.1 La théorie endosymbiotique
• 2 caractéristiques générales
• 3 Structure
  • 3.1 Membranes externe et interne
  • 3.2 membrane thilacoïde
  • 3.3 Thylakoïdes
  • 3.4 Stroma
  • 3.5 Génome
• 4 fonctions
  • 4.1 Photosynthèse
  • 4.2 Synthèse de biomolécules
  • 4.3 Défense contre les agents pathogènes
• 5 autres plastides
• 6 références

Origine

Les chloroplastes sont des organites qui présentent des caractéristiques de groupes d'organismes très éloignés: les algues, les plantes et les procaryotes. Ces preuves suggèrent que l'organelle provient d'un organisme procaryote capable d'effectuer la photosynthèse.

On estime que le premier organisme eucaryote, capable de réaliser la photosynthèse, est apparu il y a environ 1 000 millions d'années. Les preuves indiquent que cet important saut évolutif a été causé par l'acquisition d'une cyanobactérie par un hôte eucaryote. Ce processus a donné lieu à différentes lignées d'algues rouges, vertes et végétales.

De même, des symbioses secondaires et tertiaires sont proposés dans lesquels une lignée d'eucaryotes établit une relation symbiotique avec un autre eucaryote photosynthétique libre.

Au cours de l'évolution, le génome de la bactérie putative a été réduit et certains de ses gènes ont été transférés et intégrés dans le génome du noyau.

L'organisation du génome des chloroplastes actuels ressemble à celle d'un procaryote, mais possède également des attributs du matériel génétique des eucaryotes.

La théorie endosymbiotique

La théorie de l'endosymbiotique a été proposée par Lynn Margulis dans une série d'ouvrages publiés entre les années 60 et 80. Cependant, c'était une idée qui était en vigueur depuis les années 1900, proposée par Mereschkowsky.

Cette théorie explique l’origine des chloroplastes, des mitochondries et des corps basaux présents dans les flagelles. Selon cette hypothèse, ces structures étaient autrefois des organismes procaryotes libres.

Il n'y a pas beaucoup de preuves pour soutenir l'origine endosymbiotique des corps basaux de procaryotes mobiles.

En revanche, il existe d'importantes preuves à l'appui de l'origine endosymbiotique des mitochondries des protéobactéries α et des chloroplastes des cyanobactéries. La preuve la plus claire et la plus forte est la similitude entre les deux génomes.

Caractéristiques générales

Les chloroplastes sont le type de plastide le plus visible dans les cellules végétales. Ce sont des structures ovales entourées de membranes et le processus le plus connu des eucaryotes autotrophes se produit dans leur intérieur: la photosynthèse. Ce sont des structures dynamiques et possèdent leur propre matériel génétique.

Ils sont généralement situés sur les feuilles des plantes. Une cellule végétale typique peut contenir 10 à 100 chloroplastes, bien que le nombre soit assez variable.

À l'instar des mitochondries, l'hérédité des chloroplastes des parents aux enfants survient de la part de l'un des parents et non des deux. En fait, ces organites sont assez similaires aux mitochondries dans divers aspects, bien que plus complexes.

Structure

Les chloroplastes sont de grandes organelles de 5 à 10 µm de longueur. Les caractéristiques de cette structure peuvent être visualisées sous un microscope optique traditionnel.

Ils sont entourés d'une double membrane lipidique. En outre, ils ont un troisième système de membranes internes, appelées membranes thylakoïdes.

Ce dernier système membraneux forme un ensemble de structures en forme de disque, appelées thylakoïdes. L'union des thylakoïdes en piles s'appelle "grana" et elles sont reliées entre elles.

Merci à ce triple système de membrane, la structure interne du chloroplaste est complexe et est divisé en trois parties: l'espace intermembranaire (entre les deux membranes extérieures), le stroma (qui se trouve dans le chloroplaste et l'extérieur de la membrane des thylakoïdes) et durer la lumière du thylakoïde.

Membranes externes et internes

Le système membranaire est lié à la génération d'ATP. Comme les membranes des mitochondries, c'est la membrane interne qui détermine le passage des molécules dans l'organelle. La phosphatidylcholine et le phosphatidylglycérol sont les lipides les plus abondants des membranes chloroplastiques.

La membrane externe contient une série de pores. Les petites molécules peuvent librement entrer par ces canaux. La membrane interne, par contre, ne permet pas le libre passage de ce type de molécules de faible poids.Pour que les molécules entrent, elles doivent le faire au moyen de transporteurs spécifiques ancrés à la membrane.

Dans certains cas, il y a une structure périphérique appelé treillis, formé par un réseau de membranes, en particulier l'origine à partir de la membrane interne du chloroplaste. Certains auteurs les considèrent uniques aux plantes présentant un métabolisme C4, bien qu'elles aient été trouvées dans les plantes C3.

La fonction de ces tubules et vésicules n'est pas encore claire. Il est proposé de contribuer au transport rapide des métabolites et des protéines dans le chloroplaste ou d’augmenter la surface de la membrane interne.

Membrane thylakoïde

La chaîne de transport d'électrons impliquée dans les processus photosynthétiques se produit dans ce système membranaire. Les protons sont pompés à travers cette membrane, du stroma à l'intérieur des thylakoïdes.

Ce gradient se traduit par la synthèse de l'ATP, lorsque les protons sont dirigés vers le stroma. Ce processus est équivalent à celui qui se produit dans la membrane interne des mitochondries.

La membrane des thylakoïdes est formé par quatre types de lipides: monogalactosyl diacylglycérol, digalactosyl diacylglycérol, sulfoquinovosyldiacylglycérol et phosphatidylglycérol. Chaque type a une fonction spéciale dans la bicouche lipidique de cette section.

Thylakoïdes

Les thylakoïdes sont des structures membraneuses sous la forme de sacs ou de disques plats empilés dans un "grana"(Le pluriel de cette structure est granum). Ces disques ont un diamètre de 300 à 600 nm. Dans l'espace interne du thylakoïde s'appelle la lumière.

L'architecture de la pile thylakoid est toujours débattue. Deux modèles sont proposés: le premier est le motif hélicoïdal, dans lequel les thylacoïdes sont enroulés de manière hélicoïdale entre Granas.

En revanche, l'autre modèle propose une bifurcation. Cette hypothèse suggère que les grana sont formées par des bifurcations du stroma.

Stroma

Le stroma est le fluide gélatineux qui entoure les thylakoïdes et se trouve dans la région interne du chloroplaste. Cette région correspond au cytosol des supposées bactéries à l'origine de ce type de plastide.

Dans ce domaine, vous trouverez des molécules d'ADN et une grande quantité de protéines et d'enzymes. Plus précisément, les enzymes impliquées dans le cycle de Calvin se trouvent dans la fixation du dioxyde de carbone dans le processus de photosynthèse. Vous pouvez également trouver des granules d'amidon

Dans le stroma, vous pouvez trouver les chloroplastes des chloroplastes, car ces structures synthétisent leurs propres protéines.

Génome

L'une des caractéristiques les plus remarquables des chloroplastes est qu'ils possèdent leur propre système génétique.

Le matériel génétique des chloroplastes est constitué de molécules circulaires d'ADN. Chaque organite a de multiples copies de cette molécule circulaire de 12 à 16 kb (kilobases). Ils sont organisés en structures appelées nucléoïdes et consistent en 10 à 20 copies du génome plastidique, ainsi que des protéines et des molécules d'ARN.

L'ADN chloroplastique code pour environ 120 à 130 gènes. Il en résulte des protéines et des ARN liés aux processus photosynthétiques en tant que composant du photosystème I et II, et la sous-unité de l'ATP synthase Rubisco.

Le rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygénase) est un complexe enzymatique crucial dans le cycle de Calvin. En fait, il est considéré comme la protéine la plus abondante sur la planète Terre.

Les ARN de transfert et les ribosomes sont utilisés dans la traduction des messages d'ARN codés dans le génome des chloroplastes. Il comprend les ARN ribosomiques 23S, 16S, 5S et 4.5S et l'ARN de transfert. Il code également pour 20 protéines ribosomales et certaines sous-unités de l'ARN polymérase.

Cependant, certains éléments nécessaires au fonctionnement du chloroplaste sont codés dans le génome nucléaire de la cellule végétale.

Fonctions

Chloroplastes peuvent être considérés comme important centre métabolique dans les plantes, où de multiples réactions biochimiques grâce à la large gamme d'enzymes et de protéines contenant ces membranes ancrées organites se produisent.

Ils ont un rôle essentiel dans les organismes végétaux: le lieu où les processus photosynthétiques, où la lumière du soleil se transforme en hydrates de carbone, avec de l'oxygène comme sous-produit se produisent.

Une série de fonctions secondaires de la biosynthèse se produit également dans les chloroplastes. Ensuite, nous discuterons de chaque fonction en détail:

La photosynthèse

La photosynthèse se produit grâce à la chlorophylle. Ce pigment se trouve à l'intérieur des chloroplastes, dans les membranes des thylakoïdes.

Il est composé de deux parties: un anneau et une queue. L'anneau contient du magnésium et est responsable de l'absorption de la lumière. Il peut absorber la lumière bleue et la lumière rouge, reflétant la zone verte du spectre lumineux.

Les réactions photosynthétiques se produisent grâce au transfert d'électrons. L'énergie provenant de la lumière confère de l'énergie au pigment chlorophyllien (la molécule est dite "excitée par la lumière"), provoquant un mouvement de ces particules dans la membrane des thylakoïdes. La chlorophylle tire ses électrons d'une molécule d'eau.

Ce processus entraîne la formation d'un gradient électrochimique qui permet la synthèse de l'ATP dans le stroma. Cette phase est également appelée "lumineuse".

La deuxième partie de la photosynthèse (ou phase sombre) se produit dans le stroma et se poursuit dans le cytosol. Il est également connu sous le nom de réactions de fixation du carbone. Dans cette étape, les produits des réactions ci-dessus sont utilisés pour construire des glucides à partir de CO₂.

Synthèse de biomolécules

De plus, les chloroplastes ont d'autres fonctions spécialisées qui permettent le développement et la croissance de la plante.

Dans cette organite se produit l'assimilation des nitrates et des sulfates et possèdent les enzymes nécessaires à la synthèse des acides aminés, des phytohormones, des vitamines, des acides gras, de la chlorophylle et des caroténoïdes.

Certaines études ont identifié un nombre important d'acides aminés synthétisés par cet organite. Kirk et al ont étudié la production d'acides aminés dans les chloroplastes de Vicia faba L.

Ces auteurs ont constaté que les acides aminés les plus abondants synthétisés étaient le glutamate, l'aspartate et la thréonine. D'autres types, tels que l'alanine, la sérine et la glycine ont également été synthétisés mais en plus petites quantités. Les treize acides aminés restants ont également été détectés.

Ils ont pu isoler différents gènes impliqués dans la synthèse des lipides. Les chloroplastes possèdent les voies nécessaires à la synthèse des lipides isoprénoïdes, indispensables à la production de chlorophylle et d’autres pigments.

Défense contre les pathogènes

Les plantes n'ont pas un système immunitaire développé semblable à celui des animaux. Par conséquent, les structures cellulaires doivent produire des substances antimicrobiennes pour pouvoir se défendre contre les agents nocifs. A cette fin, les plantes peuvent synthétiser des espèces réactives de l'oxygène (ROS) ou de l'acide salicylique.

Les chloroplastes sont liés à la production de ces substances qui éliminent les éventuels agents pathogènes entrant dans la plante.

De même, ils fonctionnent comme des «capteurs moléculaires» et participent à des mécanismes d’alerte, communiquant les informations à d’autres organites.

Autres plastides

Les chloroplastes appartiennent à une famille d'organelles végétales appelées plastides ou plastides. Les chloroplastes diffèrent principalement du reste des plastides, car ils possèdent le pigment chlorophyllien. Les autres plastides sont:

-Les chromoplastes: ces structures contiennent des caroténoïdes, sont présentes dans les fleurs et les fleurs. Grâce à ces pigments, les structures végétales ont des couleurs jaune, orange et rouge.

-Les leucoplastos: ces plastides ne contiennent pas de pigments et sont donc blancs. Ils servent de réserve et se trouvent dans des organes qui ne reçoivent pas de lumière directe.

-Les amyloplastes: ils contiennent de l'amidon et se trouvent dans les racines et les tubercules.

Les plastes proviennent de structures appelées protoplastidies. L'une des caractéristiques les plus frappantes des plastides est leur propriété de changer de type, bien qu'ils soient déjà au stade mature. Ce changement est déclenché par des signes environnementaux ou intrinsèques de la plante.

Par exemple, les chloroplastes sont capables de donner naissance à des chromoplastes. Pour ce changement, la membrane thylakoïde se désintègre et les caroténoïdes sont synthétisés.

Références

1. Allen, J. F. (2003). Pourquoi les chloroplastes et les mitochondries contiennent-ils des génomes? Génomique comparative et fonctionnelle, 4(1), 31-36.
2. Cooper, G. M (2000). La cellule: approche moléculaire Deuxième édition. Sinauer Associates
3. Daniell, H., Lin, C.-S., Yu, M. et Chang, W.-J. (2016). Génomes de chloroplastes: diversité, évolution et applications en génie génétique. Biologie du génome, 17, 134.
4. Gracen, V.E., Hilliard, J.H., Brown, R.H. et West, S.H. (1972). Réticulum périphérique dans les chloroplastes de plantes différant par les voies de fixation du CO 2 et la photorespiration. Plante, 107(3), 189-204.
5. Gray, M. W. (2017). Lynn Margulis et l'hypothèse de l'endosymbion: 50 ans plus tard. Biologie Moléculaire De La Cellule, 28(10), 1285-1287.
6. Jensen, P. E. et Leister, D. (2014). Evolution, structure et fonctions des chloroplastes. F1000Prime Reports, 6, 40.
7. Kirk, P. R. et Leech, R. M. (1972). Biosynthèse Des Acides Aminés Par Les Chloroplastes Isolés Pendant La Photosynthèse. Physiologie des plantes, 50(2), 228-234.
8. Kobayashi, K. et Wada, H. (2016). Rôle des lipides dans la biogenèse des chloroplastes. Dans Lipides dans le développement des plantes et des algues (pp. 103-125). Springer, Cham.
9. Sowden, R. G., Watson, S.J. et Jarvis, P. (2017). Le rôle des chloroplastes dans la pathologie des plantes. Essais en biochimie, EBC20170020.
10. Wise, R. R. et Hoober, J. K. (2007). La structure et la fonction des plastides. Springer Science & Business Media.