Đề tài Lục lạp và sự di truyền tế bào chất ở lục lạp

LỤC LẠP VÀ SỰ DI TRUYỀN TẾ BÀO CHẤT Ở LỤC LẠP GVHD:Cô Lê Thị Phương Hồng Thành viên: Nguyễn Thị Phưởng. Phan Thị Phương Thanh Nguyễn Minh Thiện Phan Minh Tiến Nội dung báo cáo: I/LỤC LẠP: Nguồn gốc lục lạp Sơ lược về lục lạp. Hình thái lục lạp,số lượng,kích thước và sự phân bố của lục lạp. Cấu trúc của lục lạp Thành phần sinh hoá của lục lạp Chức năng quang hợp của lục lạp II/DI TRUYỀN TẾ BÀO CHẤT Ở LỤC LẠP 1.Bộ gen của lục lạp 2.Di truyền tế bào chất ở lục lạp I/LỤC LẠP: 1.Nguồn gốc của lục lạp Trong tế bào non có tiền lamel(tiền lục lạp) .Người ta thường gặp hiện tượng phân chia một lục lạp non theo lối cắt đôi hay mọc chồi ,sau khi được tách ra chúng phát triển thành 1 lục lạp.Do đó lục lạp được hình thành là do sự phân chia từ 1 tiền lục lạp hay từ 1 lục lạp. Theo dõi quá trình phát sinh chủng loại, người ta quan sát thấy sự phức tạp hóa dần dần trong cấu trúc lục lạp. Ở vi khuẩn, cấu trúc dùng để hấp thụ và chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời chính là màng sinh chất bao quanh tế bào. Ở vi khuẩn lam, hệ thống màng có chức năng quang hợp đã được tách khỏi màng bởi 1 lớp tế bào chất. Lục tảo đã có lục lạp phân hóa nhưng có cấu trúc đơn giản, nghĩa là chưa có hệ thống cột. Từ rêu, dương xỉ, lục lạp đã có dạng điển hình giống lục lạp thực vật bậc cao.Người ta cho rằng trong quá trình chủng loại, lục lạp được hình thành là kết quả của sự cộng sinh của một loài vi khuẩn lam trong tế bào 2.Sơ lược về lục lạp Lục lạp là một trong ba dạng lạp thể(vô sắc lạp,sắc lạp,lục lạp)chỉ có trong các tế bào có chức năng quang hợp ở thực vật. Hình dạng,kích thước và sự phân bố của lục lạp ở những loài khác nhau thì khác nhau. Lục lạp không chỉ có bộ máy quang hợp hoàn chỉnh, mà cả hệ thống tổng hợp prôtein riêng,màng của lục lạp giúp xảy ra sự trao đổi điều hòa giữa các chất với tế bào chất, và ngay cả những thông tin di truyền dưới dạng ADN lạp thể. 3.Hình thái lục lạp,số lượng,kích thước và sự phân bố của lục lạp. .a.Hình thái lục lạp: Ở các loài động vật thủy sinh như rong ,tảo… có hình dạng rất khác nhau: hình cốc,hình vuông, hình sao, hình bản… Ở tế bào lá thực vật bậc cao có chứa một số lượng lớn lục lạp dạng hình cầu ,hình trứng hoặc hình dĩa Tế bào tảo thường chỉ có một lục lạp lớn có dạng hình lưới, hình giải xoắn hoặc hình sao dẹp. Lục lạp có thể xoay bề mặt để có thể tiếp xúc với ánh sáng mạnh hay yếu tuỳ thuộc vào cường đọ ánh sáng tới. Nếu cường độ ánh sáng vừa phải hay yếu thì lục lạp xoay bề mặt có tiết diện lớn nhất vuông góc với tia sáng chiếu tới để nhận ánh sáng nhiều nhất.Còn nếu cường độ ánh sáng quá mạnh ,lục lạp sẽ xoay bề mặt có tiết diện nhỏ nhất về phía chiếu sáng để tránh sự phá hủy. b.Số lượng của lục lạp: Số lượng lục lạp trong tế bào của các mô khác nhau là khác nhau. Nếu số lượng thiếu thì lục lạp sẽ phân chia để tăng thêm số lượng, nếu thừa thì một số lục lạp sẽ bị thoái hóa đi. Đối với thực vật bậc cao mỗi tế bào của mô đồng hóa có nhiều lục lạp ,khoảng 20-100 lục lạp. c.Kích thước lục lạp : Đường kính trung bình của lục lạp 4-6μm,dày từ 2-5μm.Những cây ưa bóng thường có số lượng,kích thước lớn hơn những cây ưa sáng. d.Sự phân bố của lục lạp. Lục lạp phân bố trong tế bào chất có khi rất đồng đều ,nhưng thường tập trung ở gần nhân hoặc ở ngoại biên gần thành tế bào. Đặc tính phân bố của lục lạp trong tế bào thường phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh. Ví dụ: Ở lá cây Ricinus Communis cứ trên mỗi 1mm2 có khoảng 400.000 lục lạp.Trong tế bào lục lạp có thể chuyển chỗ hoặc thay đổi hình dạng do ảnh hưởng của dòng chảy tế bào chất. 6.Sự phát triển và thoái hoá của lục lạp a.Sự phát triển: Các vật chất cấu trúc bên trong lục lạp tăng dần do thấm từ bên ngoài vào hay sinh tổng hợp ngay bên trong. Sự phát triển của lục lạp chịu ảnh hưởng của điều kiện môi trường như ánh sáng,hàm lượng nước trong mô… b.Sự thoái hoá: Biểu thị bởi sự suy giảm đặt tính hoạt động và sắc tố Sự tích lũy tinh bột được tăng cường Hệ thống lamel mất tính đều đặn Các grana rất khó phát hiện Vỏ lục lạp tan ra từng mảnh(ở lá già) 5.Cấu trúc lục lạp: Nhìn lục lạp dưới kính hiển vi điện tử ta thấy ở ngoài cùng,lục lạp được bao bọc bởi một màng kép lipo-protein ,mỗi màng cấu tạo bởi 2 lớp proten tách biệt nhau bởi một lớp lipid ở giữa .Không gian bên trong lục lạp là thể stoma còn gọi là cơ chất lỏng ,nhầy,không màu.Đó là các protein hoà tan ,có chứa nhiều loại enzyme xuc1 tiến cho phản ứng cố định CO2 trong quang hợp.Đáng kể là enzym RuDP-carboxylaza ,chiếm tới 50% tổng lượng protein trong lục lạp.Trong sroma còn chứa các sản phẩm quang hợp ,các chất tổng hợp thứ cấp và các muối vô cơ .Ở đây có chứa một lượng nhỏ DNA,RNA và ribosome,đó là bộ máy tổng hợp protein đặc hiệu của thực vật. Nằm chìm trong thể stroma là các hệ thống màng quang hợp được gọi là các thylakoid .Có 2 loại thylakoid : Thylakoid grana tương tư như đĩa tròn có đường kính khoảng 0,5μm.Khoảng 5-30 chiếc đĩa này chồng lên nhau tạo nên một cấu trúc gọi là grana .Mỗi lục lạp có tới hàng trăm grana. Thylakoid gra na làm nhiệm vụ nối các grana lại với nhau.Chúng là các bản mỏng,có cấu hình khá phức tạp. Các màng thylakoid đượccấu tạo như mọi màng sinh học khác gồm protein và lipid .Phần protein trong lipid chiếm trên 50% gồm trên 50 loại polypeptid khác nhau .Phần lipid là các photphatid mà trong đó galactolipid chiếm tỷ lệ khá cao.Các phân tử diệp lục và các sắc tố được định hướng một cách xác định trên bề mặt màng .Chúng quay đầu ưa nước về phía protein và đầu kỵ nước nằm trong lớp lipid .Giữa các đuôi ghét nước của dipệ lục là các phân tử carotenoid. 6.Thành phần sinh hoá của lục lạp: Nước chiếm 75% . Protein là thành phần quang trọng nhất (30-45% khối lượng chất hữu cơ) Lipit (20-40%) Nguyên tố khoáng :Fe(80%Fe trong mô lá nằm trong lục lạp),Zn,Cu,K,Mg,Mn… Vitamin :A,D,K,E Các loại enzym khác nhau tham gia phản ứng quang hợp Chứa ADN, ARN,và các riboxom Chất Hàm lượng % khối lượng khô Các cấu thành Protein 35-55 Khoảng 80% không hòa tan Lipid 20-30 Mỡ chiếm 50%, colin chiếm 46%, sterin 20%, inzitol 22%, sáp 16%, glixêrin 22%, phophatit 2-7%Etanolamin 8% Glucid Thay đổi Tinh bột: đường có phophat có chứa 3-7 nguyên tử C Chlorofin 9 Chlorofin a 75%Chiorofin b 25% carotinoit 4,5 Xantofin 75%,Carotin 25% RNA 2-4 DNA 0,2-0,5 7.Chức năng quang hợp của lục lạp: 1.Đơn vị quang hợp: Là cấu phần tối thiểu của màng thylakoid đảm bảo cho sự vạn chuyển điện tử từ nước đến NADP hi được cảm ứng ánh sáng Một đơn vị quang hợp bao gồm :hệ thống sắc tố 1,hệ thống sắc tố 2,1 hoặc 2 LHC ( light harvesting complex-phức hợp thu ánh sáng )cũng như các cấu ử khác không chứa sắc tố để vận chuyển điện tử .Các thành phần khác nhau này đã cấu thành một đơn vị chức năng là đơn vị quang hợp. Hệ thống sắc tố 1,2 bao gồm các sắc tố anten và trung tâm phản ứng .Sắc tố anten làm nhiệm vụ hấp thu photon và chuyển năng lượng của photon vào phân tử ở trung tâm phản ứng. Trung tâm phản ứng là đơn vị nhỏ nhất của bộ máy quang hợp,nơi bắt đều vận chuyển điện tử trong giai đoạn quang hoá.Trung tâm phản ứng của hệ quang hoá 1 là phân tử diệp lục a ký hiệu là P700 ,của hệ quang hoá 2 là phân tử diệp lục b kí hiệu là P680. Hệ sac tố 1: chứa nhiều diệp lục a,ít diệp lục b.Tiểu phần nhỏ nhất đựơc phân lập có chứa :1 polypeptid,1P700,khoảng 40 phân tử diệp lục a,1-2 phân tử caroten.Phức hợp lớn hơn đã tách được có 6-7 polypeptid khác nhau,100 phân tử diệp lục a và 5 phân tử diệp lục b. Hệ sắc tố 2:chứa diệp lục bvà β-caroten LHC chứa diệp lục avà b với số lượng ngang nhau,tất cà caroten và xantophill,nhiều lipid và có ít nhất 4 polypeptid khác nhau. 1.2 Diệp lục(chlorophill) Diệp lục là sắc tố quang hợp quan trọng nhất.Có 5 loại diệp lục a,b,c,d,e (khác nhau ở các mạch nhánh).Ở thực vật thượng đẳng chỉ có 2 loại diệp lục a và b .Các loại diệp lục khác có trong vi sinh vật và rong tảo. Phân tử diệp lục gồm 2 phần : Phần nhân tetrapyrol thể hiện qua một hệ thống vòng có 9 nối đôi liên hợp,4 nguyên tử N liên kết với Mg.Đây là phần chủ yếu của quang hợp.Phần polyenique (đa nối đôi)của vòng tetrapyrol đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi năng lượng giữa photon và phân tử:hấp thu photon và dẫn đến sự xuất hiện các trạng thái kích thích của phân tử diệp lục. Phần thứ 2 :Trên một nhân pyrol có mạch acid propionic ,được este hoá vời rựou phytol có 20 nguyên tử cacbon rất linh động và ưa lipid .Phần này có thể tương tác với các phân tử có cấu tạo tương tự như mạch của acid béo ,các sắc tố khác như carotenoid và các chuỗi quinon.Phần này làm nhiệm vụ định vi các phân tử dipệ lục trên màng . Có 2 điều đáng chú ý về cấu trúc diệp lục,thứ nhất ,đây là cấu tạo ất phổ biến trong thiên nhiên,hem của hemiglobin,citocrom đều có cùng cấu ytúc nhưng sự sai khác của diệp lục là ở chỗ ,vùng của các phân tư dó không bao giờ bão hoà ở vị trí cacbon 7 và 8 .Nếu khử liên kết đôi 7 và 8 thì chỉ còn 6 kiểu thể hiện ,sự ổn định hoá học của các vùng tetrapyrol sẽ giảm .Trong khi đó diệp lục có mặt ở các cơ quan thực vật luôn được đặt trong điều kiện môi trường biến động ánh sáng ,nhiệt dộ cấu trúc của nó cần được bảo vệ trong mang. Diều thi 2 là sự không bão hoà của vòng đã xác định sự phân bố điện tích vào những điểm đáng chú ý của phân tử sẽ đóng vai trò quan trọng trong sự huy dộng electron khi diệp lục hấp thu photon và chuyển vào trạng thái kích thích. 2.Carotenoid: Đây là nhóm sắc tố có màu vàng , cam,chúng là sắc tố luôn đi kèm với diệp lục tỉ lệ diệp lục /carotinoit là 3/1 Carotinoit được chia thành hai nhóm : Caroten(C40H56):nếu cắt đôi carotenta có 2 phân tử vitamin A Xantophyl(C40H56On với n từ 1-6):có màu vàng sớm. Người ta có thể chia carotinoit thành nhóm theo chức năng sinh lí như sau: Carotinoit sơ cấp:quang hợp và bảo vệ diệp lục Carotinoit thứ cấp:tạo màu sắc hoa, quả . II/ DI TRUYỀN TẾ BÀO CHẤT Ở LỤC LẠP 1.Bộ gen của lục lạp: Qua các thế hệ tế bào tính liên tục của lạp thể là do lục lạp có khả năng tự sinh sản bằng cách phân chia, và người ta cũng đã chứng minh rằng lục lạp được hình thành chỉ bằng cách phân chia từ lục lạp có trước. Khả năng tự phân chia của lục lạp là do lục lạp có hệ thống di truyền tự lập riêng (có ADN) và hệ tổng hợp protein tự lập (có chứa ribosome, các loại ARN). Ribosome của lục lạp giống ribosome của procaryota, có hằng số lắng 70S gồm 2 đơn vị nhỏ là 50S và 30S. Đơn vị nhỏ 50S chứa rARN 5S và 23 S và 26 - 84 protein. Đơn vị nhỏ 30S chứa rARN 16S và 19 - 25 protein. ADN của lục lạp cũng có cấu tạo giống ADN của procaryota (vi khuẩn và tảo lam) có cấu trúc vòng, không chứa histon có chiều dài tối đa 150μm với hàm lượng 10-16 - 10-16 g. ADN của lục lạp chứa thông tin mã hóa cho một số protein mà lục lạp tự tổng hợp trên ribosome của mình. Còn các protein khác do tế bào cung cấp. ADN lục lạp là nhân tố di truyền ngoài nhiễm sắc thể. a.Đặc điểm: •Là một DNA genome độc lập, thường là mạch vòng, được tìm thấy trong lạp thể của thực vật. DNA của lục lạp được ký hiệu là cpDNA (Chloroplast DNA) Bộ gene này ở dạng DNA vòng tròn, thường dài hơn DNA của ty thể 8-9 lần. Trong lục lạp còn tìm thấy bộ máy sinh tổng hợp protein khác rất nhiều với hệ thống trong tế bào chất của Eukaryota nhưng giống với bộ máy sinh tổng hợp protein của Prokaryota. •CpDNA dài từ 120-190 kb. Các genome của lạp thể đã được phân tích trình tự cho thấy có khoảng 87-183 gen. •Rất khác nhau về kích thước ,nhưng đủ lớn để mã hóa cho 50-100 protein cũng như rRNA và tRNA.Genome của lạp thể ở các cây trồng mã hóa cho 4 rRNA, 30 tRNA và khoảng 60 protein Mặc dù sự di truyền của lục lạp được phát hiện rất sớm, nhưng trong một thời gian dài sự hiểu biết chi tiết về các gene của lục lạp không có bước tiến đáng kể. Các nghiên cứu phân tử đa góp phần chủ yếu cho sự phân tích chi tiết các gene ở các bào quan. Ngoài các nghiên cứu ở Mirabilis jalapa và Chlamydomonas, bản đồ chi tiết cpDNA của thực vật Marchantia polymorpha đa được xây dựng CpADN điển hình dài khoảng 120-200 kb tùy loài thực vật. ỞMarchantia, kích thước phân tử là 121 kb.Trên cpDNA của Marchantia có tất cả 136 gene gồm 4 loại mã hóa tổng hợp rRNA, 31 loại mã hóa tổng hợp tRNA và khoảng 90 gene tổng hợp protein. Trong số 90 gene mã hóa tổng hợp protein, có 20 gene mã hóa tổng hợp enzyme cho quang hợp và chuỗi chuyền điện tử. Các gene mã hóa cho các chức năng dịch mã chiếm khoảng một nữa bộ gene của lục lạp và bao gồm các protein và các RNA cần thiết cho dịch mã bên trong lục lạp. .Thực tế DNA của lục lạp có sự phối hợp chặt chẽ trong việc tạo ra các tiểu phần của những protein được sử dụng bên trong lụclạp. Ribulose-1,5-biphosphate carboxylase/ oxygenase là enzyme dồi dàonhất của lục lạp. Nó xúc tác 2 phản ứng cạnh tranh nhau, cố định CO2 vàbước đầu tiên của quang hô hấp (photorespiration) với sự tạo ra glycolate. Enzyme gồm 8 tiểu phần lớn LS (large unit) giống nhau và 8 tiểu phần nhỏ giống nhau được mã hóa tương ứng bởi các gene của lục lạp và nhân tế bào.Tiểu phần lớn LS mang trung tâm xúc tác, còn vai trò của các tiểu phần nhỏ chưa rõ. Gene LS nằm trên cpDNA của một số thực vật như bắp,Chlamydomonas reinhardii, thuốc lá, Euglena... Trong tất cả các trường hợp, gene LS hiện diện 1 bản sao cho 1 DNA của lục lạp. Ngược lại, các gene của tiểu phần nhỏ được tìm thấy ở các trình tự DNA của nhân tế bàovới số bản sao ít. 2. DI TRUYỀN LỤC LẠP Hiện tượng di truyền lá đốm được phát hiện rất sớm ở Mirabilis jalapa (Correns, 1908), ở Pelargonium zonale (E.Bauner, 1909). Các cây có láđốm có thể có nguyên cành với lá trắng không có chlorophylle. Thí nghiệm: Tạp giao giữa cây Mirabilis jalapa có những cành khảm trắng xanh theo các phép lai như sau: - Thụ phấn cho hoa trên cành lá trắng bằng hạt phấn của hoa trên cành lá xanh lục, cho thế hệ con những cây giống cá thể mẹ có lá trắng không có chlorophylle. Các cây này chết vì không có khả năng quang hợp - Tạp giao hoa trên cành lá xanh lục bằng hạt phấn của hoa trên cành lá trắng, tất cả thế hệ con có lá màu xanh lục bình thường. - Nếu thụ phấn các hoa của cành lá đốm bởi phấn hoa của cây xanh lục thì ở đời con có các cá thể lá trắng, lá đốm và lá xanh lục.- Nếu thụ phấn cho hoa của cành lá xanh lục với phấn hoa cây lá đốm thì ở đời con gồm toàn cá thể lá xanh lục. * Giải thích: Trong trường hợp này người ta thấy những chất cơ sở hình thành lạp thể có ở trong tế bào trứng sẽ hình thành tiền lạp thể, sau đó hình thành lục lạp. Hạt phấn không có chất cơ sở để hình thành lạp thể nên hạt phấn không thể truyền lục lạp được. Sự khác nhau giữa con cái và bố mẹ về một hoặc nhiều tính trạng khi tạp giao thuận nghịch chứng tỏ có sự tham gia của nguyên liệu di truyền ở trong tế bào chất. Sự di truyền theo hệ mẹ quy định sự thể hiện tính trạng phụ thuộc vào cá thể mẹ. KẾT LUẬN: Trong sự thụ phấn của thực vật bậc cao, một tế bào trứng có kích thước lớn có nhiều tế bào chất phối hợp với nhân của hạt phấn không có tế bào chất ở chung quanh. Do đó hợp tử nhận được phần lớn tế bào chất của tế bào trứng. Nếu hai bố mẹ có thành phần nguyên liệu di truyền trong tế bào chất khác nhau thì thế hệ con sẽ nhận được nhiều nguyên liệu di truyền trong tế bào chất của mẹ. Do đó sẽ xảy ra sự di truyền theo thế hệ mẹ. ______________©©©©©__________________________