-
Eukaryotická buňka, která pohltila, ale ne -zničila buňku sinice
schopnou fotosynte-tické fixace energie slunečního zářenía fixace
oxidu uhličitého, už byla plně dife -rencována a obsahovala
organely obalenéjednou membránou (vakuola, endoplazma -tické re
tikulum), ale i dvěma membrána mi(jádro a mitochondrie). Nový or
ganis musv hostitelské buňce musel vyvolat řadupřeměn pro integraci
a koordinaci meta-bolických procesů, ale také pro koordino-vanou
expresi genetické informace. Řadagenů z původní buňky sinice byla
převe-dena do jádra. Proto také syntéza mnohabílkovin nezbytných
pro stavbu a procesyprobíhající v chloroplastu se uskutečňujev
cytoplazmě a musely se proto vy vinouttransportní mechanismy jejich
přenosudo chloroplastu. Jádro tak kontroluje a re gu -luje
prostřednictvím proteinů transporto-vaných do chloroplastů procesy
pro bí ha -jící v těchto organelách. Současně přijímáz chloroplastů
signály tak, aby jadernéa chlo roplastové aktivity byly účinně
koor-dinovány.
Kromě toho došlo k přenosu některýchgenů z chloroplastů do
mitochondrií a řadadalších vymizela. Komunikace a ná slednáregulace
a koordinace procesů se tedyuskutečňuje mezi jádrem a oběma
endo-symbiotickými organelami. Tyto procesyjsou v současné době
předmětem inten-zivního studia. Jakkoli tedy existuje shodao
endosymbiotickém původu chloroplastův buňkách vyšších rostlin,
počet dosudne zodpovězených otázek spíše narůstá.Např. nejsou známy
faktory a signální ces-ty, které spouštějí diferenciaci určité
formyplasti du v konkrétním rostlinném pleti vu– chloroplast v
listu, chromoplast v plo-dech, amyloplast v kořenech apod.
Rodina plastidůChloroplasty jsou jedním z členů rodinyplastidů.
Tyto buněčné organely nikdyv buňkách nevznikají de novo, ale
vždyjen dělením. V průběhu evoluce zejménavyšších rostlin pak v
souladu s jejich dife-renciací došlo k vytváření celé řady
struk-turních a funkčních forem plastidů.
� Proplastidy představují výchozí typ s vel -mi jednoduchou
vnitřní strukturou. � Etioplasty vznikají z proplastidů v buň-kách
pletiv, která se nacházejí ve tmě,např. v meristematických
základech listů,v pupenech apod. Obsahují již základytylakoidů
(membránové struktury, v nichžprobíhá fotosyntéza, viz dále), a to
ve for-mě jednoduchých struktur – protylakoidů.Typickým útvarem je
prolamelární tělesos protochlorofylidem, z něhož ná sledněmůže
vzniknout chlorofyl. � Chloro plasty vznikají na světle z proplas
-tidů a ně kdy také z etioplastů.� Leukoplasty jsou strukturně
podobné eti-o plastům a nacházejí se zejména v buň-kách kořenů. �
Amyloplasty představují určitý typ leuko -plastů, které syntetizují
a hromadí škrob.Tyto formy se vyskytují zejména v zásob-ních
pletivech, jako jsou dělohy nebo hlízy.Kromě škrobu se v nich často
hromadí takébílkoviny nebo lipidy, a pak získávají ozna-čení
protoplasty nebo oleoplasty. � Gerontoplasty v souladu se svým
ozna-če ním představují konečnou formu plasti-dů před jejich
rozpadem. � Chromoplasty se funkčně vzdalují ostat-ním typům
plastidů, protože obsahují vět-ší obsah zejména karotenoidů, a
vytvářejícharakteristická zbarvení některých květ-ních orgánů.
Chloroplast – centrum fotosyntézyJakkoli je struktura i velikost
chloroplastůvelmi proměnlivá, lze je charakterizovatjako kulovité
až čočkovité nebo diskovitéútvary o velikosti 2–5 μm. Tvarová
pro-měnlivost je značná a výjimkou nejsou anivelmi nepravidelné až
amébovité útvary.Každý chloroplast je od okolního prostře -dí buňky
oddělen dvěma membrána mi,které se významně liší svým složením, a
tojak obsahem lipidů, tak i proteinů. Se lek -tivní vstup látek do
chloroplastu, nebona opak výstup z něho zajišťuje ze jménavnitřní z
uvedených dvou membrán. Celývnitřní prostor chloroplastu
označovanýjako stroma vyplňuje velmi hustý roztokenzymů, v němž lze
jasně odlišit membrá-nové struktury vytvářející
charakteristicképloché váčky – tylakoidy. Ty se mo hou se -skupovat
a vytvářet grana, která jsou nej-častěji přirovnávána ke sloupečku
mincí.Kromě toho jsou ovšem v chloroplastechtaké tylakoidy
intergranální nebo stromatál -ní, které jednotlivá grana spojují.
Vnitřníprostor tylakoidu se označuje jako lumen.
Absorpce energie záření probíhá v pro-teinových komplexech
obsahujících fo to -syntetické pigmenty – chlorofyly a ka -ro
tenoidy lokalizované v membránáchty la koidů. Absorbovaná energie
je využitana štěpení molekuly vody, z níž se kyslíkuvolňuje do
atmosféry, proton (H+) se hro-madí ve vnitřním prostoru tylakoi du
a ten-to protonový gradient následně energe -ticky zajišťuje
syntézu „univerzálníhoenergetického platidla“ – ATP. A ko
nečněelektrony uvolněné při rozkladu vody jsousystémem přenašečů
využity k tvorbě
živa 3/2010 107 ziva.avcr.cz
Ján Hudák
Chloroplasty – zelené organely
V září letošního roku uplyne 105 let ode dne, kdy v časopise
Biologisches Cent-ral blatt (1905, 25: 593–604) vyšel článek
ruského botanika z univerzity v Kaza-ni Konstantina Sergejeviče
Merežkovského (1855–1921) s názvem Über Naturund Ursprung der
Chromatophoren im Pflanzenreiche (O povaze a původuchroma to forů v
rostlinné říši). Tato práce se dnes obecně považuje za
skutečnýzáklad teorie o endosymbiotickém původu chloroplastů, podle
níž chloroplas-ty vznikly pohlcením původní buňky sinic
(cyanobakterie, blíže také viz Živa2009, 5: 200–203).
1
1 Jednotlivé typy plastidů se mohouvzájemně přeměňovat v
závislosti na signálech, které přijímají ze svého okolí.Podle: K.
J. van Wijk, Cornell University(USA) kreslila M. Chumchalová
EtioplastChloroplast
Stárnoucí chloroplast
Gerontoplast
Amyloplast
Proplastid
Leukoplast
Améboidníplastid
Zrajícíproplastid
Chromoplast
-
redukovaného NADPH+H+ na vnější stra-ně membrány tylakoidů.
Produkty vy tvo -řené v této úvodní fázi fotosyntézy, tedyATP a
NADPH, jsou vy užity ve stroma tuchloroplastů k zabudování oxidu
uhliči té -ho do sa charidů. Ty se mohou v chloro plas -tech
dočasně hromadit ve formě škrobunebo jsou transportovány do cy
toplazmy,kde se syntetizuje nejběžnější transportnísacharid
sacharóza, případně řada dalšíchmetabolitů.
V chloroplastech ovšem probíhá nejenfotosyntetická fixace oxidu
uhličitého, aletaké velmi důležitá syntéza mastných ky -selin, bází
nukleových kyselin a rozhodu-jící část asimilace dusíku a síry.
Stromuli – nové strukturyTeprve koncem 90. let 20. stol. byly v
chlo-roplastech opakovaně objeveny zvláštnístruktury vyplněné
stromatem chloroplas-tů označované jako stromuli. Tyto
tubuly(„trubičky“) vyčnívají z chloroplastů docytoplazmy a
dynamicky mění svou veli-kost. V obalu dvou membrán je stroma,v
němž byl detekován i enzym
Rubisco(ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxyláza/oxyge-náza),
zabezpečující primární fixaci oxiduuhličitého ve fotosyntéze.
Stromuli jsoupoměrně velmi četné u všech plastidů.Trochu překvapivě
se jich nejméně na -chází u chloro plastů. Jejich dynamickátva ro
vá proměna se projevuje zkracová-ním, pro dlužováním i připojováním
a od -po jová ním od jiných plastidů v buňce,přičemž tyto délkové
změny dosahují rych-losti 0,2–1,1 μm/s. Při průměrné tloušťcekolem
0,5 μm dosahují v některých přípa-dech délky i přes 20 μm.
Pozorována byla
také „vezikularizace“ části stromulů. Neníza tím známo, jestli
jsou tyto části dále zce-la degradovány, nebo vsazeny do
jinýchstromulů. Předpokládá se, že výrazně zvět-šují povrch
chloroplastů a usnadňují takvýměnu látek mezi cytoplazmou a
chlo-roplastem. Kromě toho zřejmě zajišťujívýměnu bílkovin mezi
samotnými plasti-dy. A konečně je pravděpodobné, že seuplatňují i
při stabilizaci plastidů v urči-té poloze a umístění v buňce. Podle
někte-rých pozorování mohou stromuli za saho vati do jádra buňky.
Někteří autoři spekulují,že právě tyto struktury mohly usnadnit mi
-graci genů z plastidů do jádra.
Protože stromuli neobsahují chlorofyl,jsou jen obtížně
zjistitelné. Zřetelné sestaly až při využití zeleného fluorescenční
-ho proteinu (GFP, Green Fluorescent Pro -
tein, Köhler a kol. 1997). Následně se uká-zalo, že již
prakticky v průběhu celého 20.stol. se sporadicky ve vědecké
literatuřeobjevovaly práce popisující vlákna vychá-zející z
chloroplastů, aniž by jim ovšembyla věnována větší pozornost.
Stejně takje dnes prokázáno, že i chloroplasty obsa-hují plasto
skelet pocházející z původnípo hlcené cyanobakteriální buňky. Je
tostruktura podobná cytoskeletu, která usnad-ňuje udržování nebo
změny tvaru a jedůležitá při dělení plastidů.
Plastom – genetický aparát plastidůV souladu s endosymbiotickým
původemplastidů jsou tyto organely označoványjako semiautonomní,
protože obsahujívlast ní genetickou informaci včetně struk-tur
zajišťujících transkripci a translaci. Tyto
ziva.avcr.cz 108 živa 3/2010
32
4 5
6 7
-
procesy jsou však pod kontrolou ja der -ného genetického
aparátu. Vedle ja derné -ho genomu se tedy v rostlinných
buňkáchnachází i chloroplastový (plastidový) ge -nom – plastom
(cpDNA).
Buňky obsahují různý počet chloroplas -tů, v nichž je
chloroplastová DNA přítom-ná v mnoha kopiích. Počet kopií
cpDNAzávisí na typu buňky a liší se mezi druhy.Mezofylové buňky
vyšších rostlin majízhruba 20 –200 chloroplastů, každý s
10–50kopiemi cpDNA; tyto počty však mohoubýt i velmi odlišné.
Plastidové ge nomymnoha vyšších rostlin a řas byly se kve no -vány
a charakterizovány. ChloroplastovéDNA jsou relativně malé (35–220
kb;115–217 kb u fotosyntetických organismů)dvouvláknové molekuly,
které nesou genypro proteiny a geny pro strukturální RNA.Počet genů
se pohybuje v rozmezí 54 až259 (u vyšších rostlin obvyk le kolem
120).Funk ční genové produkty jsou téměř vý -hradně zahrnuty v tran
s kripci, translaci,fotosyntetickém elek tronovém transportua
fotosyntetickém metabolismu.
Uspořádání genů v chloroplastové DNAje poměrně konzervativní
mezi různýmidruhy. Tradičně se předpokládá, že plas-tidové genomy
existují ve formě kružni-cových molekul obsahujících jeden
párinvertovaných repeticí (kopie sekvenceDNA mající opačnou
orientaci) různé dél-ky (IR), které rozdělují genom na velkou(LSC)
a malou (SSC) jednokopiovou oblast.Ve skutečnosti jsou však
převažující struk-turou zřejmě lineár ní větvené komplexnímolekuly
DNA. Ve likost a komplexita těch-to molekul cpDNA není uniformní a
je vý -vojově regulovaná. Vzhle dem k endosym-biotickému původu
chloroplastů od po vídáorganizace genů a jejich exprese prokary-o
tické genové expresi, která je však regu-lována v jádře. Replikace
cpDNA probíhánezávisle na replikaci jaderné DNA, ale jerovněž pod
kontrolou jádra. Procesy spo-jené s replikací cpDNA se v současné
doběintenzivně studují.
Chloroplasty se do zygoty obvykle ne -přenášejí pylovými zrny a
chloroplastovádědičnost se tak liší od jaderné dědičnosti,je
uniparentální, většinou matroklinní.Paternální dědičnost byla
dokumentovánau některých druhů rostlin (např. jehlična-nů, ale i u
mnohých druhů krytosemen-ných). V ně kterých případech
maternálnídědičnosti nejsou plastidy přítomny užv samčích po
hlavních buňkách, případně
jsou eliminovány během oplození nebo ažv zy gotě. Ně které
rostliny mají dědičnostbiparentální – dědí plastidy od obou ro
dičů.
Tvorba chlorofylu ve tměKlasické učebnicové poznatky říkají,
ževyšší rostliny vytvářejí chlorofyl pouze nasvětle. Světlo je
nejdůležitějším faktoremvnějšího prostředí, který určuje celý
prů-běh biogeneze plastidů. U převážné vět-ši ny druhů vyšších
rostlin se funkčnípig men to-proteinové komplexy vytvářejípouze na
světle, protože syntéza chloro-fylu vy žaduje světlo. Rozhodujícím
kro-kem je fotoredukce protochlorofylidu nachlorofy lid, která je
na světle striktně zá -vislá. Tato reakce je katalyzována enzy-mem
NADPH protochlorofylidoxidázoukódovanou ja der ným genomem.
Syntézaprobíhá v cy to plazmě a následně je en zymtrans por to ván
do plastidu.
Už poměrně dlouho je však známo, že ně -které druhy
nahosemenných rostlin majíschopnost syntetizovat chlorofyl a vy
tvářetetiochloroplasty i v úplné tmě. Vy užívajípřitom alternativní
protochloro fy li doxi do -reduktázu, která na světle nezávisí.
Mezidruhy nahosemenných rostlin však existu -jí velké rozdíly,
přičemž se projevu jí i v dél-ce doby, kdy jsou klíčící rostliny
schop nysyntetizovat chlorofyl ve tmě. Např. smrkztepilý (Picea
abies) syntetizuje v úplnétmě poměrně velké množství chlorofylu,a
to po dlouhou dobu počáteč ního růstu.Po 14denní kultivaci v úplné
tmě vykazo-valy klíčící rostliny smrku 900,7 nmol chlo-rofylu v 1 g
svěží hmotnosti (2 065 nmolu rostliny v podmínkách obvyklého
stří-dání dne a noci). Naproti tomu modřínopadavý (Larix decidua)
za stejnou dobuve tmě vytvořil jen 60,7 nmol chlorofylu/gsvěží
hmotnosti (1 530 nmol/g v běžnýchpodmínkách den/noc). Názorně tento
jevilustruje obr. 8 a tab. 1. Přitom je pozoru-hodné, že po 7 dnech
ve tmě bylo množ-ství chlorofylu u klíčních rostlin mo dřínupětkrát
vyšší než po 14 dnech. Lepší schop-
nost syntetizovat chlorofyl ve tmě majímladé klíční
rostliny.
Změny v obsahu chlorofylu mladýchrostlin rostoucích ve tmě jsou
doprováze-ny také změnami v ultrastruktuře plastidů.Zatímco u smrku
se v plastidech vytvoři-la velká škrobová zrna a četné
tylakoidnímembrány, u světle nažloutlých mladýchrostlin modřínu
klíčících 14 dnů ve tměbyl membránový systém plastidů vyvinutjen
velmi slabě. Obecně platí, že vedleultrastrukturních a
fyziologických rozdílůmezi krytosemennými a nahosemennýmirostlinami
existují i důležité biochemickérozdíly v syntéze chlorofylu. Naše
výsled-ky (Demko a kol. 2009) přispěly k poznáníregulačních
mechanismů, které se u někte-rých druhů nahosemenných rostlin
podí-lejí na syntéze chlorofylu, a to jak na svět-le, tak i ve
tmě.
Příspěvek zazněl na semináři Zabezpeče-ní produktů fotosyntézy
ve formě potravina energie v 21. století, který uspořádalakatedra
fyziologie rostlin Přírodovědeckéfakulty UK v Praze a Česká
společnostexperimentální biologie rostlin k životní-mu jubileu
prof. Luboše Nátra.
živa 3/2010 109 ziva.avcr.cz
2 Proplastid3 Bílkovinné krystaly (šipky) v chloro-plastech
špenátu. Foto B. Sprey4 Detailní pohled na prolamelární těleso v
etioplastu 5 Chromoplast. Snímky J. Hudáka,není-li uvedeno jinak6
Submikroskopická struktura amylo-plastů. Foto A. Lux7 Stromuli.
Podle: A. Holzinger a kol.(Photochemistry and Photobiology 2008,84:
1324–1335) kreslila M. Chumchalová 8 Klíčící rostliny smrku
ztepilého(Picea abies) a modřínu opadavého(Larix decidua) po
14denní kultivaci ve tmě, nebo na světle. Smrk ve tmě (a)a na
světle (b), modřín ve tmě (c) a na světle (d). Foto A. Pavlovič
Tab. 1 Množství chlorofylu (nmol chlorofylu v 1 g svěží
hmotnosti) u smrku ztepi-lého (Picea abies) a modřínu opadavého
(Larix decidua) po kultivaci 7 nebo 14 dnůve tmě, nebo v podmínkách
obvyklého střídání den/noc. Podle: Demko a kol. (2009)
Tma 7 dnů Tma 14 dnů Tma 14 dnů, Střídánípak 24 hodin světlo
den/noc
Smrk 779 901 1 314 2 065
Modřín 303 61 406 1 530
8
a b c d
