KLOROPLAS: CIRI, FUNGSI DAN STRUKTUR - BIOLOGI - 2025

The kloroplas adalah jenis organel sel dibatasi oleh sistem membran yang kompleks, khas tanaman dan ganggang. Dalam plastida ini terdapat klorofil, pigmen yang bertanggung jawab untuk proses fotosintesis, warna hijau tumbuhan dan memungkinkan kehidupan autotrofik dari garis keturunan tersebut.

Selanjutnya, kloroplas terkait dengan pembentukan energi metabolik (ATP - adenosine triphosphate), sintesis asam amino, vitamin, asam lemak, komponen lipid dari membrannya dan reduksi nitrit. Ia juga memiliki peran dalam produksi zat pertahanan melawan patogen.

Kloroplas. Oleh Miguelsierra, dari Wikimedia Commons

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

Asal

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

Diperkirakan bahwa organisme eukariotik pertama, dengan kemampuan berfotosintesis, berasal dari sekitar 1 miliar tahun yang lalu. Bukti menunjukkan bahwa lompatan evolusi besar ini disebabkan oleh perolehan cyanobacterium oleh inang eukariotik. Proses ini memunculkan garis keturunan yang berbeda dari ganggang dan tumbuhan merah dan hijau.

Dengan cara yang sama, peristiwa simbiosis sekunder dan tersier diusulkan di mana garis keturunan eukariota membentuk hubungan simbiosis dengan eukariota fotosintetik yang hidup bebas lainnya.

Selama evolusi, genom bakteri putatif telah diperpendek dan beberapa gennya telah dipindahkan dan diintegrasikan ke dalam genom nukleus.

Susunan genom kloroplas saat ini mirip dengan prokariota, namun ia juga memiliki atribut materi genetik eukariota.

Teori endosimbiotik

Teori endosimbiotik dikemukakan oleh Lynn Margulis dalam serangkaian buku yang diterbitkan antara tahun 60-an dan 80-an. Namun, itu adalah gagasan yang sudah ada sejak tahun 1900-an, yang dikemukakan 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 banyak bukti yang mendukung asal endosimbiotik badan basal dari prokariota motil.

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

Karakteristik umum kloroplas

Kloroplas adalah jenis plastida yang paling mencolok di sel tumbuhan. Mereka adalah struktur oval yang dikelilingi oleh membran dan di dalamnya terjadi proses eukariota autotrofik yang paling terkenal: fotosintesis. Mereka adalah struktur dinamis dan memiliki materi genetik sendiri.

Mereka umumnya berada di daun tanaman. Sel tumbuhan pada umumnya dapat memiliki 10 hingga 100 kloroplas, meskipun jumlahnya cukup bervariasi.

Seperti mitokondria, pewarisan kloroplas dari orang tua ke anak terjadi oleh salah satu orang tua dan bukan oleh keduanya. Faktanya, organel ini sangat mirip dengan mitokondria dalam beberapa hal, meski lebih kompleks.

Struktur (bagian)

Kloroplas. Oleh Gmsotavio, dari Wikimedia Commons

Kloroplas adalah organel besar, panjangnya 5 sampai 10 µm. Ciri-ciri struktur ini dapat divisualisasikan di bawah mikroskop cahaya tradisional.

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

Sistem membran yang terakhir ini membentuk sekumpulan struktur seperti cakram, yang dikenal sebagai tilakoid. Persimpangan tilakoid di tumpukan disebut "grana" dan mereka terhubung satu sama lain.

Berkat sistem tiga membran ini, struktur internal kloroplas menjadi kompleks dan terbagi menjadi tiga ruang: ruang antar membran (antara dua membran luar), stroma (ditemukan di kloroplas dan di luar membran tilakoid) dan oleh terakhir lumen dari tilakoid tersebut.

Membran luar dan dalam

Sistem membran terkait dengan pembangkitan ATP. Seperti membran mitokondria, itu adalah membran bagian dalam yang menentukan jalannya molekul ke dalam organel. Fosfaditaslkolin dan fosfaditaslgliserol adalah lipid yang paling melimpah di membran kloroplas.

Membran luar mengandung rangkaian pori-pori. Molekul kecil dapat dengan bebas memasuki saluran ini. Membran dalam, pada bagiannya, tidak memungkinkan transit bebas jenis molekul berat rendah ini. Agar molekul dapat masuk, mereka harus melakukannya dengan menggunakan transporter khusus yang ditambatkan ke membran.

Pada beberapa kasus terdapat struktur yang disebut retikulum perifer, dibentuk oleh jaringan membran yang secara khusus berasal dari membran dalam kloroplas. Beberapa penulis menganggapnya unik dari tumbuhan dengan metabolisme C4, meskipun telah ditemukan pada tumbuhan C3.

Fungsi tubulus dan vesikula ini belum jelas. Diusulkan bahwa mereka dapat berkontribusi pada pengangkutan cepat metabolit dan protein di dalam kloroplas atau untuk meningkatkan permukaan membran bagian dalam.

Membran tilakoid

Membran tilakoid. Par Tameeria sur Wikipédia anglais, melalui Wikimedia Commons

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

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

Membran tilakoid terdiri dari empat jenis lipid: monogalaktosil diasilgliserol, digalaktosil diasilgliserol, sulfoquinovosil diasilgliserol, dan fosfatidilgliserol. Setiap jenis memenuhi fungsi khusus di dalam lapisan ganda lipid bagian ini.

Tilakoid

Tilakoid adalah struktur membran berbentuk kantung atau cakram pipih yang ditumpuk dalam "grana" (bentuk jamak dari struktur ini adalah granum). Cakram ini memiliki diameter 300 hingga 600 nm. Ruang internal tilakoid disebut lumen.

Arsitektur tumpukan tilakoid masih diperdebatkan. Dua model diusulkan: yang pertama adalah model heliks, di mana tilakoid dililitkan di antara butir dalam bentuk heliks.

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

Stroma

Stroma adalah cairan agar-agar yang mengelilingi tilakoid dan terletak di bagian dalam kloroplas. Wilayah ini sesuai dengan sitosol dari bakteri yang diduga berasal dari jenis plastida ini.

Di area ini ada molekul DNA dan sejumlah besar protein dan enzim. Secara khusus adalah enzim yang berpartisipasi dalam siklus Calvin, untuk fiksasi karbon dioksida dalam proses fotosintesis. Anda juga bisa menemukan butiran pati

Ribosom kloroplas ditemukan di stroma, karena struktur ini mensintesis proteinnya sendiri.

Genom

Salah satu ciri terpenting kloroplas adalah memiliki sistem genetik sendiri.

Bahan genetik kloroplas terdiri dari molekul DNA melingkar. Setiap organel memiliki banyak salinan molekul melingkar 12-16 kb (kilobase) ini. Mereka diatur ke 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 penting dalam siklus Calvin. Faktanya, itu dianggap protein paling melimpah di planet bumi.

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

Namun, unsur-unsur tertentu yang diperlukan untuk memfungsikan kloroplas dikodekan dalam genom inti sel tumbuhan.

fitur

Kloroplas dapat dianggap sebagai pusat metabolisme penting pada tumbuhan, di mana banyak reaksi biokimia terjadi berkat spektrum luas enzim dan protein yang berlabuh ke membran yang dikandung organel ini.

Mereka memiliki fungsi penting dalam organisme tumbuhan: ini adalah tempat terjadinya proses fotosintesis, di mana sinar matahari diubah menjadi karbohidrat, dengan oksigen sebagai produk sekunder.

Serangkaian fungsi biosintetik sekunder juga terjadi pada kloroplas. Di bawah ini kami akan membahas setiap fungsi secara rinci:

Fotosintesis

Fotosintesis (kiri) dan respirasi (kanan). Gambar di sebelah kanan diambil dari BBC

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

Itu terdiri dari dua bagian: cincin dan ekor. Cincin itu mengandung magnesium dan bertanggung jawab untuk penyerapan cahaya. Ini 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 ini disebut "tereksitasi oleh cahaya"), menyebabkan pergerakan partikel-partikel ini di membran tilakoid. Klorofil mendapatkan elektronnya dari molekul air.

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

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 dari reaksi sebelumnya digunakan untuk membangun karbohidrat dari CO ₂ .

Sintesis biomolekul

Selain itu, kloroplas memiliki fungsi khusus lainnya yang memungkinkan perkembangan dan pertumbuhan tanaman.

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

Penelitian tertentu telah mengidentifikasi sejumlah besar asam amino yang disintesis oleh organel ini. Kirk dan rekannya mempelajari produksi asam amino di kloroplas Vicia faba L.

Para penulis ini menemukan bahwa asam amino yang paling banyak disintesis 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.

Gen berbeda yang terlibat dalam sintesis lipid telah diisolasi. Kloroplas memiliki jalur yang diperlukan untuk sintesis lipid isoprenoid, penting untuk produksi klorofil dan pigmen lainnya.

Pertahanan melawan patogen

Tumbuhan tidak mengembangkan sistem kekebalan yang serupa dengan hewan. Oleh karena itu, struktur sel harus menghasilkan zat antimikroba untuk mempertahankan diri dari agen perusak. Untuk tujuan ini, tumbuhan dapat mensintesis spesies oksigen reaktif (ROS) atau asam salisilat.

Kloroplas terkait dengan produksi zat ini yang menghilangkan kemungkinan patogen yang masuk ke tanaman.

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

Plastida lainnya

Kloroplas termasuk dalam keluarga organel tumbuhan yang disebut plastida atau plastida. Kloroplas berbeda terutama dari plastida lainnya karena memiliki pigmen klorofil. Plastida lainnya adalah:

-Kromoplas: struktur ini mengandung karotenoid, ada dalam bunga dan bunga. Berkat pigmen ini, struktur tanaman memiliki warna kuning, oranye, dan merah.

-Leukoplas: plastida ini tidak mengandung pigmen sehingga berwarna putih. Mereka berfungsi sebagai cadangan dan ditemukan di organ yang tidak menerima cahaya langsung.

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

Plastida berasal dari struktur yang disebut protoplastida. Salah satu ciri yang paling mengejutkan dari plastida adalah sifatnya yang berubah-ubah, meskipun sudah dalam tahap dewasa. Perubahan ini dipicu oleh sinyal lingkungan atau intrinsik dari pabrik.

Misalnya, kloroplas mampu memunculkan kromoplas. Untuk perubahan ini, membran tilakoid hancur dan karotenoid disintesis.

Referensi

1. Allen, JF (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 kloroplas: keanekaragaman, evolusi, dan aplikasi dalam rekayasa genetika. Biologi Genom, 17, 134.
4. Gracen, VE, Hilliard, JH, Brown, RH, & West, SH (1972). Retikulum perifer dalam kloroplas tumbuhan berbeda dalam jalur fiksasi CO 2 dan fotorespirasi. Pabrik, 107 (3), 189-204.
5. Gray, MW (2017). Lynn Margulis dan hipotesis endosimbion: 50 tahun kemudian. Molecular Biology of the Cell, 28 (10), 1285–1287.
6. Jensen, PE, & Leister, D. (2014). Evolusi, struktur dan fungsi kloroplas. Laporan F1000Prime, 6, 40.
7. Kirk, PR, & Leech, RM (1972). Biosintesis Asam Amino oleh Kloroplas Terisolasi selama Fotosintesis. Fisiologi Tumbuhan, 50 (2), 228-234.
8. Kobayashi, K., & Wada, H. (2016). Peran lipid dalam biogenesis kloroplas. Dalam Lipid dalam Pengembangan Tanaman dan Alga (hlm. 103-125). Springer, Cham.
9. Sowden, RG, Watson, SJ, & Jarvis, P. (2017). Peran kloroplas dalam patologi tumbuhan. Esai dalam biokimia, EBC20170020.
10. Wise, RR, & Hoober, JK (2007). Struktur dan fungsi plastida. Springer Science & Business Media.