Budowa mitochondrium i plastydów

Mitochondrium jest miejscem oddychania tlenowego, a chloroplast miejscem fotosyntezy. Oba organella mają podobny plan budowy: otacza je błona zewnętrzna i wewnętrzna, a między nimi leży przestrzeń międzybłonowa. Zewnętrzna przepuszcza drobne cząsteczki, wewnętrzna jest wybiórcza i to ona wyznacza granicę właściwego wnętrza. Różnią się tym, jak powiększają powierzchnię błon, na których pracują.

Mitochondrium powiększa powierzchnię roboczą, wpuklając błonę wewnętrzną do środka. Powstają grzebienie, a na nich mieszczą się kompleksy łańcucha oddechowego i syntazy ATP. Im więcej energii komórka zużywa, tym więcej ma mitochondriów i tym gęściej upakowane są ich grzebienie, na przykład w mięśniu sercowym. Mitochondrium ma dwa przedziały. W przestrzeni międzybłonowej gromadzą się protony pompowane przez łańcuch oddechowy, a w macierzy zachodzą reakcja pomostowa i cykl Krebsa. W macierzy leżą też własne koliste DNA mitochondrium i jego rybosomy.

Chloroplast rozwiązuje ten sam problem inaczej. Jego błona wewnętrzna zostaje gładka, a w stromie leży osobny, trzeci system błon: tylakoidy. Tu najczęściej pada błędna odpowiedź, bo na schemacie tylakoid wygląda jak fałd, ale nie jest wpukleniem błony wewnętrznej. Różnicę widać po tym, co jest w środku. Grzebień mitochondrium to fałd błony wewnętrznej, więc jego wnętrze łączy się z przestrzenią międzybłonową i nie tworzy nowego przedziału. Tylakoid jest zamkniętym, spłaszczonym pęcherzykiem, którego błona w dojrzałym chloroplaście nigdzie nie łączy się z błoną wewnętrzną. Jego wnętrze, czyli światło tylakoidu, to osobny przedział. Chloroplast ma więc trzy rodzaje błon i trzy przedziały, a mitochondrium dwie błony i dwa przedziały. Pierwsze tylakoidy powstają co prawda z pęcherzyków odrywających się od błony wewnętrznej, gdy proplastyd przekształca się w chloroplast, ale potem odłączają się od niej i tworzą odrębny system.

Ta różnica ma skutki dla pracy obu organelli. Protony pompowane podczas fazy zależnej od światła gromadzą się w świetle tylakoidu, a nie w przestrzeni międzybłonowej, więc gradient chloroplastu powstaje w innym miejscu niż gradient mitochondrium. W błonach tylakoidów leżą barwniki fotosyntetyczne, czyli chlorofile a i b oraz karotenoidy, a także fotoukłady i syntaza ATP. Tylakoidy ułożone w stosy tworzą grana, a stosy łączą tylakoidy międzygranowe, nazywane lamellami. Stroma, czyli odpowiednik macierzy, jest miejscem cyklu Calvina. Leżą w niej też własne koliste DNA chloroplastu, jego rybosomy i ziarna skrobi, czyli produktu fotosyntezy.

Mitochondria i chloroplasty mają własne koliste DNA i własne rybosomy typu bakteryjnego, więc prowadzą własną transkrypcję i translację i część swoich białek wytwarzają same. Nie powstają też od nowa: nowe mitochondria i chloroplasty tworzą się wyłącznie przez podział już istniejących, podobny do podziału komórki bakterii. Większość ich białek koduje jednak DNA jądrowe. Białka te powstają na rybosomach w cytoplazmie i są do organelli importowane, bo w toku ewolucji większość genów przodków tych organelli przeszła do jądra. Oba organella nie mogą więc funkcjonować bez jądra i dlatego nazywa się je półautonomicznymi. Dobrym przykładem jest RuBisCO, enzym cyklu Calvina. Jego duże podjednostki koduje DNA chloroplastu i powstają w stromie, a małe koduje DNA jądrowe i są importowane z cytoplazmy. Na tym przykładzie CKE zbudowała zadanie 1 w czerwcu 2023 roku.

Plastydy to cała rodzina organelli roślinnych, a chloroplast jest tylko jednym z nich. Wszystkie powstają z proplastydów, czyli małych, niezróżnicowanych plastydów komórek merystematycznych, i wszystkie mają wspólne cechy budowy: dwie błony, własne koliste DNA i rybosomy. Chloroplasty prowadzą fotosyntezę. Chromoplasty gromadzą karotenoidy i nadają barwę owocom, płatkom i korzeniom marchwi. Leukoplasty są bezbarwne i magazynują substancje zapasowe: amyloplasty skrobię, na przykład w bulwie ziemniaka, elajoplasty tłuszcze, a proteinoplasty białka. Amyloplasty w czapeczce korzenia mają jeszcze jedną rolę: opadają na dno komórek i w ten sposób wskazują korzeniowi kierunek siły ciężkości. Etioplasty powstają w roślinach rosnących w ciemności. Nie mają chlorofilu i dopiero po oświetleniu przekształcają się w chloroplasty, dlatego kiełki wyrosłe w ciemności są żółtawe.

Plastydy przechodzą jedne w drugie. Dojrzewający pomidor czerwienieje, bo jego chloroplasty przebudowują się w chromoplasty: ubywa chlorofilu, a przybywa karotenoidów. Nie przybywa przy tym nowych organelli, zmienia się tylko forma tych samych. Na przemianach plastydów CKE zbudowała zadanie 2 w maju 2025 roku.

Obserwację plastydów prowadzi się w mikroskopie świetlnym na preparatach przyżyciowych, czyli na świeżym materiale w kropli wody. Chloroplasty widać jako zielone ziarna, najwygodniej w liściu moczarki albo mchu, bo te liście są tak cienkie, że nie trzeba ich kroić. Chromoplasty widać jako pomarańczowe lub czerwone ziarna w miąższu dojrzałego pomidora, papryki albo w korzeniu marchwi. Amyloplasty w zeskrobinie z bulwy ziemniaka są bezbarwne, ale po dodaniu płynu Lugola barwią się na granatowo, bo zawierają skrobię. Grzebieni, tylakoidów ani samych błon w mikroskopie świetlnym nie widać. Do nich potrzebny jest mikroskop elektronowy i właśnie z jego zdjęć pochodzą schematy budowy w podręcznikach.