Plastidomul celular

Plastidomul celular

1. Caractere generale si clasificare

Plastidomul este format din totalitatea plastidelor, organite specifice celulei vegetale. Exista trei categorii de plastide: cloroplaste, cromoplaste si leucoplaste, primele doua fiind plastide colorate, in timp ce leucoplastele sunt incolore.

Cloroplastele sunt plastide verzi ce contin pigmenti clorofilieni, cromoplastele contin pigmenti corotenoidici de culoare portocalie sau galbena. Leucoplastele, la randul lor, pot fi amiloplaste in cazul in care acumuleaza amidon, proteoplaste cele care acumuleaza substante proteice si oleoplaste cele care acumuleaza uleiuri grase. Toate plastidele au o origine comuna argumentata si de posibilitatea de transformare a unora in altele.

Asa de exemplu in cazul fructelor de macese, patlagele rosii si ardei rosu, cloroplastele se transforma, in timpul maturarii, in cromoplaste iar culoarea fructelor vireaza de la verde la rosu portocaliu. In acest caz, cloroplastele isi pierd pigmentii verzi si structura lor caracteristica si acumuleaza pigmentii carotenoidici.

Leucoplastele incolore din tuberculii de cartof sau din radacina de morcov se pot transforma in cloroplaste daca aceste organe sunt expuse luminii.

Daca organele verzi continand cloroplaste sunt mentinute cateva zile la intuneric, devin incolore, se etioleaza prin pierderea clorofilei si transformarea cloroplastelor in leucoplaste.

Niciodata insa cromoplastele nu se vor putea transforma in cloroplaste data fiind structura complexa a acestora din urma. Ceea ce se credea anterior, in urma observatiilor asupra radacinilor de morcov expuse la lumina, care primesc culoarea verde, aceasta se datoreaza transformarii leucoplastelor din aceasta zona in cloroplaste.

am

pyr

chr

Fig. 52: Tipuri de cromatofori (chr) la algele verzi: panglica in spirala la Spirogyra, stelata la Zygonema, lamelara la Draparnaldia si reticulata la Oedogonium (de la stg la dr). pyr- pirenoizi; n- nucleu; am- amidon.

2. Cloroplastele se pot prezenta sub doua forme: la plantele inferioare, alge verzi in special, cloroplastele au o forma speciala si poarta numele de cromatofori. La cele mai multe alge verzi ei sunt de dimensiuni mari, au forma caracteristica in functie de specie si au un numar constant pentru o celula. La alga verde filamentoasa neramificata Spirogyra, cromatoforul are o forma de panglica spiralata, la Ulotrix o forma lamelara, la Zygonema exista doi cromatofori de forma stelata, iar la Oedogonium are o forma de retea (Fig. 52). Pe suprafata cromatoforilor se pot observa adesea granulatii proteice, refringente, in jurul carora se depun granulele de amidon. Aceste formatiuni poarta numele de pirenoizi.

La alte alge verzi, rosii si brune, cromatoforii sunt numerosi si lenticulari ca la plantele superioare si contin diferiti pigmenti intre care ficoeritrina la algele rosii si fucoxantina la algele brune.

Algele albastre-verzi sunt lipsite de cloroplaste iar citoplasma lor periferica este colorata si poarta numele de cromatoplasma, pigmentii filobilinici, ca ficocianina, fiind localizati pe suprafata unor lamele sinuoase, dispuse paralel cu peretele scheletic (Fig. 53 a).

La bacteriile fotosintetizante pigmentii asimilatori se gasesc pe o invaginatie lamelara sau, uneori veziculara a plasmalemei (Fig. 53 b, c).

Fig. 53: Lamele fotosintetice la algele albastre-verzi (Oscillatoria) (a)

si la bacterii fotosintetizante (Rhodomicrobium) (b) si Rhodospirillum (c).

La plantele vasculare, morfologia cloroplastelor este uniforma. Ele au aspect de discuri lenticulare de 3-10 μm lungime si 1-3 μm grosime si sunt cunoscute si sub numele de grauncioare de clorofila. Numarul de cloroplaste dintr-o celula a parenchimului asimilator palisadic din frunzele de angiosperme este de cca 100. Pe 1 mm² de frunza s-a calculat ca exista un numar de 400.000 cloroplaste (in celulele mezofilului ce se gasesc sub 1 mm² de frunza) iar pentru un arbore 10¹⁴ cloroplaste.

Structura si ultrastructura. De la descoperirea cloroplastelor (MEYER si SCHIMPER 1880) a fost propusa o structura granulara a acestora pentru ca in 1936, HEITZ sa descopere in microscopia optica o structura granara in care apar mai multe granule colorate intens in verde fata de restul cloroplastului (Fig. 54). Existenta granelor a fost confirmata de ME care a mai relevat insa si o structura lamelara a intregului cloroplast si o membrana dubla ce delimiteaza cloroplastul spre hialoplasma.

Fig. 54: Structura granulara a cloroplastelor dupa HEITZ (sus) si granum de Aspidistra izolat si observat in ME. Se observa mai multe discuri suprapuse (jos).

Fig. 55: Ultrastructura unui plastid lamelar agranar la alge brune (Fucus).

In prezent sunt recunoscute 3 tipuri de structuri ale cloroplastelor.

1. Structura granara prezenta la cloroplastele plantelor superioare in care apar lamele granare si lamele stromatice.

2. Structura intermediara intalnita la unele alge verzi, in care sunt prezente grane rudimentare alcatuite din suprapunerea unui numar mic de discuri.

3. Structura agranara intalnita la unele Briophyte si cele mai multe alge la care exista numai lamele stromatice fara a da nastere la grane (Fig. 55).

Structura granara intalnita la vegetalele superioare este destul de uniforma. La acestea, structura granara rezulta din suprapunerea stransa de saculi aplatizati in forma de disc. Numarul discurilor din fiecare sacul este variabil, 2-60 in cazul frunzelor de porumb. Aceste structuri sub forma de discuri suprapuse sunt denumite structuri tilacoide (gr. thylacoides - asemanator unui sac). In substanta fundamentala a cloroplastului, numita stroma, se gasesc lamele care se intind de-a lungul intregului plast (Fig. 56, 57).

Fig. 56: Schema ultrastructurii unui cloroplast granar. me- membrana externa; mi- membrana interna cu creste (cr); str- stroma ce poate ingloba granule de amidon (a); g- saculi granari; ig- zona intergranara; v- forma granara rezultata prin replierea lamelelor; d- forma granara rezultata prin duplicarea lamelelor; b- forma granara rezultata prin bifurcare; p- zona lamelara cu perforatii.

Dupa unii autori, aceste lame plastidiale sunt analoage crestelor mitocondriale, avandu-si originea in membrana interna a cloroplastului. Formarea saculilor si cresterea numarului acestora rezulta din replierea, duplicarea sau invaginarea lamelelor. Pigmentii asimilatori sunt dispusi numai in zonele in care aceste lamele se aplica unele peste altele.

Fig. 57: Cloroplast din frunza de porumb (Zea mays) vazut la ME. C- citoplasma; CW- perete scheletic; Emembrana externa; G- grana; S- stroma; SL-lamele stromatice; Pg- globul lipidic.

Prin tehnica umbririi in ME, pe suprafata acestor lamele din structurile tilacoide s-au pus in evidenta formatiuni denumite quantozomi cu lungimea de 120 A si latimea de 60 A (PARK si PON - 1961) si care sunt considerate unitati functionale ale fotosintezei. Aceste formatiuni sunt alcatuite din proteine dispuse spre exterior,clorofile dispuse cu nucleul tetrapirolic spre partea externa, paralel cu lamela si catena fitolului orientata perpendicular spre interior, fosfolipide (lecitina) cu polul hidrofil spre exterior (Fig. 58) si carotenoide dispuse intre catenele hidrofobe ale lecitinei si fitolului.

In interiorul stromei se gaseste ADN asemanator unui cromozom circular bacterian, ribozomi, incluziuni (picaturi) lipidice si granule de amidon.

Fig. 58: Schema organizarii unui cuantozom dupa GIRAUD.

La vegetalele superioare, in celulele tinere, viitoarele cloroplaste se gasesc in stare de filamente sau granule incolore si poarta denumirea de proplastide. Apoi proplastidul creste in lungime si se organizeaza lamele dispuse in lungul plastidei, devin mai numeroase si se aplica unele peste altele, dand nastere la saculi sau discuri suprapuse cunoscute sub numele de tilacoide (Fig. 59).

Fig. 59: Stadii in dezvoltarea cloroplastelor granare de Elodea (A, B, C).

Un factor important in aparitia granelor pornind de la structurile lamelare il joaca lumina, in lipsa ei nu apar decat vezicule si un corp prolamelar. Din acesta, se organizeaza lamelele si apoi granele, dar numai in prezenta luminii (Fig. 60, 61). Lumina este necesara si pentru biosinteza clorofilei.

Compozitia chimica a cloroplastelor. Pentru analiza chimica a cloroplastelor, acestea sunt izolate din tesuturile asimilatoare ale frunzelor. In prima etapa este necesara zdrobirea mecanica a peretelui scheletic apoi omogenatul se supune centrifugarii intr-o solutie de zaharoza izotonica. Controlul puritatii fractiunii cloroplastelor este usor de efectuat datorita culorii lor. Tehnicile actuale permit si fractionarea cloroplastelor izolate in mediu hipotonic urmata de centrifugare.

Astfel, s-au putut izola granele de membrane iar stroma ramane in supernatant. Cu ajutorul ultrasunetelor din lamelele granare se pot izola quantozomii. Cloroplastele contin 50% apa, iar din materia uscata 35-55% proteine, 20-30% lipide intre care lecitina, fosfatiditglicerol, apoi glucide, acizi nucleici si pigmenti.

Fig. 60: Influenta luminii asupra diferentierii proplastidelor in plastide in stg. In prezenta luminii, in dr.- la intuneric cu formarea corpilor prolamelari care, in prezenta luminii se transforma in lamele.

Cantitatea de ADN din cloroplaste este mai mare decat cea din mitocondrii si corespunde unui filament dublu de ADN in helix de 30-300 μm. ADN-ul din cloroplaste se deosebeste de cel nuclear prin proportia bazelor G+C care este mai mare in cloroplaste. Totusi, cantitatea de ADN din cloroplaste nu este suficienta pentru a codifica dezvoltarea integrala a unui cloroplast si nici pentru a codifica enzimele implicate in biosinteza clorofilei ce se gasesc sub dependenta ADN nuclear.

Ribozomii cloroplastelor sunt de tip procariot, de 70S, iar ARN-ul lor este codificat de ADN-ul cloroplastelor.

Pigmentii continuti de cloroplaste pot fi clorofilieni, carotenoidici si ficobilinici. Primele doua categorii sunt comune tuturor cloroplastelor, in timp ce ficobilinele se gasesc numai in algele albastre-verzi si rosii.

   

Fig. 61: Imagini in ME in care se observa un cloroplast tanar cu numerosi ribozomi si formarea corpilor prolamelari care, dau nastere la lamele (stg) si un etioplast in diviziune cu ribozomi si corp prolamelar (PB (dr).

Clorofilele sunt porfirine ce contin in centrul nucleului tetrapirolic (porfinic) un atom de Mg. Clorofila are doua functii acide in C₇ si C₁₀ formand acidul clorofilinic care, in clorofila, este esterificat, unul cu un alcool cu C₂₀ - fitolul iar celalalt cu alcoolul metilic. Cele 4 cicluri pirolice sunt legate intre ele prin putini metilenice. In pozitiile 1, 3, 5, si 8 ale clorofilei a se gasesc radicali metil, in 2 un radical vinil si in 4 etil. Intre C₉ si C₁₀ se mai formeaza un ciclu suplimentar (V) care prezinta o grupare carbonil (cetona) iar in C₁₀ acidul formic si in C₇ acidul propionic.

Clorofila b difera de clorofila a prin prezenta in C₃ a unei grupari aldehidice (aldehida formica) in locul radicalului metil (CH₃). Ele se deosebesc si in privinta spectrului de absorbtie (Fig. 62)

Molecula de clorofila poate fi reprezentata schematic in forma de steag cu bat. Steagul reprezinta nucleul tetrapirolic (hidrofil) iar batul catena fitolului (C₂₀) (hidrofoba).

In concluzie, se poate spune ca clorofila este esterul dublu al acidului clorofilinic cu fitolul

si alcoolul metilic.

Reprezentarea schematica a moleculei de clorofila

Fig. 62: Spectrele de absorbtie ale clorofilei a (linie continua) si clorofilei b (linie intrerupta).

Sub actiunea enzimei clorofilaza, clorofila se hidrolizeaza punand in libertate fitolul si alcoolul metilic. Aceasta se produce in timpul toamnei la temperaturi scazute, cand enzima se elibereaza si vine in contact cu clorofila. Clorofila se poate descompune si sub actiunea acidului clorhidric in feofitina, de culoare bruna, iar atomul de Mg este dislocat din clorofila si se formeaza MgCl₂. Prin tratarea acidului clorofilinic cu HCl se obtine fitoclorina si MgCl₂.

In urma saponificarii cu alcalii (NaOH, KOH) rezulta sarurile de clorofila, numite clorofiline, care-si pastreaza culoarea verde dar care prezinta avantajul de a fi hidrosolubile. Clorofilina de sodiu se utilizeaza ca si colorant alimentar, in bauturi racoritoare si alcoolice, dar are si actiune deodoranta si cicatrizanta, fiind utilizata in apele de gura, unguente, paste de dinti, gume de mestecat. La noi in tara s-a ocupat cu studiul clorofilinelor Prof. A. Radu titularul disciplinei de Botanica farmaceutica in perioada 1955-1978 la Facultatea de Farmacie Cluj-Napoca.

Rolul pigmentilor clororilieni in fotosinteza

Pigmentii clorofilieni, localizati in tilacoidele granare permit cloroplastelor sa utilizeze energia luminoasa pe care o absorb pentru a reduce C0₂ in glucide. Aici precizam doar ca acest proces se compune din doua faze. Prima faza este fotochimica sau de lumina si are loc la nivelul granei, se desfasoara numai la lumina si consta in reducerea NADP in NADH₂, fosforilarea ADP in ATP, fotoliza (descompunerea) apei si eliminarea O₂.

A doua faza, numita de intuneric, se petrece in absenta luminii si se desfasoara la nivelul stromei. CO₂ fixat pe un acceptor (ribulozofosfat) este redus si intra intr-un ciclu de transformari (CALVIN) ce asigura sinteza glucozei si regenerarea acceptorului (ribulozofosfat).

Pigmentii carotenoidici colorati in galben sau portocaliu insotesc intotdeauna clorofilele in

cloroplaste (vezi structura quantozomului) cei mai frecventi fiind β-carotenul si xantofilele.

Pigmentii ficobilinici reprezinta partea prostetica a unor cromoproteide si sunt formati dintr-un nucleu tetrapirolic deschis si fara metal. Ei sunt prezenti la algele albastre verzi si joaca un rol important in fotosinteza, modificand conditiile de utilizare a energiei luminoase.

Gruparea prostetica a ficobilinei

3. CROMOPLASTELE

Sunt plastide care acumuleaza pigmenti carotenoidici, colorati in galben, portocaliu sau rosu si dau aceste coloratii in organele vegetale in care ele sunt prezente, ca flori, fructe sau unele radacini. Datorita solubilitatii lor in lipide si solventii acestora se mai numesc lipocromi si totodata reprezinta importante surse de provitamina A. Denumirea de carotenoide deriva de la numele stiintific al morcovului (Daucus carota) din radacinile caruia s-au extras pentru prima data carotenoidele. Carotenoidele fac parte din clasa terpenoidelor fiind formate din mai multe unitati izoprenoidice, cele mai raspandite fiind cele cu 40 atomi de C (tetraterpene) si au mai multe duble legaturi conjugate.

Dupa structura lor chimica, carotenoidele pot apartine clasei hidrocarburilor (β-carotenul din morcov, licopenul din rosii), derivatilor hidroxilati (xantofilele), cetonelor (cantaxantina), epoxizilor (violaxantina) sau derivatilor furanici (flavoxantina).

Flavoxantine (numeroase flori)

Daca in cloroplaste, pigmentii carotenoidici sunt asemanatori si uniformi (β-caroten, luteina, violaxantina, zeaxantina) in cromoplaste se observa o mai mare varietate (licopen la rosii, capsantina la ardeiul rosu, rodoxantina in arilul rosu de tisa, crocetina - derivat acid din stigmatele de sofran (Crocus vernus), taraxantina din florile de papadie, criptoxantina din fructele de papalau, bixina din semintele de Bixa orellana.

O alta deosebire fata de carotenoidele din cloroplaste care intervin in captarea de fotoni si participa la fotosinteza, in cromoplaste principala functia este de a da culoare organelor in care sunt prezente, ceea ce explica marea lor varietate, nefunctionand in acest caz un filtru al selectiei celor mai eficiente carotenoide cum s-a intamplat in cazul cloroplastelor. In cromoplaste ele joaca un rol de semnale colorate, la fel ca antocianii.