Amyloplasten und Stärkespeicherung in Pflanzen

Amyloplasten sind in Pflanzenzellen vorhandene Organellen, in denen Stärke synthetisiert und gespeichert wird. Diese Organellen sind nicht nur Teil des Energiespeichersystems von Pflanzen, sondern erfüllen auch wesentliche Funktionen für die Entwicklung und das Wachstum der Pflanze, indem sie es der Pflanze ermöglichen, Oben und Unten zu unterscheiden und somit zu wissen, wo ihre Wurzeln wachsen sollen und in welche Richtung sie gehen sollen ., wo ihre Stängel und Blätter.

Amyloplasten sind eine besondere Art von Leukoplasten. Diese wiederum sind eine Klasse von Plastiden, die üblicherweise in Geweben gefunden werden, die nicht dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, und die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie kein Pigment aufweisen. Aus diesem Grund zeigen sie keine Farbe, wenn sie durch das Mikroskop betrachtet werden.

Amyloplasten sind in verschiedenen Pflanzenarten und in verschiedenen Teilen des Pflanzengewebes sehr reichlich vorhanden. Sie kommen beispielsweise in großen Mengen in Kartoffeln und anderen Knollenfrüchten, aber auch in vielen Früchten vor.

Plastiden

Wie bereits erwähnt, sind Amyloplasten eine Art von Plastiden. Plastiden sind eine Gruppe von Organellen, die von einer Doppelmembran umgeben sind, die ihr Inneres vom Zytoplasma der Zelle trennt. Es gibt verschiedene Arten von Plastiden, die unterschiedliche Funktionen haben, aber sie alle haben einige grundlegende Eigenschaften gemeinsam:

• Plastiden sind Organellen, die im Zytoplasma von Pflanzenzellen vorkommen.
• Alle Plastiden stammen von einer Art unreifer Zelle ab, die als Proplastid bezeichnet wird.
• Alle Plastiden haben eine äußere Membran und ein oder mehrere innere Kompartimente, die wiederum von einer zweiten Membran umgeben sind. Beide sind Phospholipidmembranen ähnlich der Zellmembran.
• Plastiden haben ihre eigene DNA und teilen sich durch binäre Spaltung unabhängig von der Zelle, von der sie ein Teil sind.

Arten von Plastiden

Nach der Reifung können Proplastiden zu einer von vier verschiedenen Arten von unterschiedlichen Plastiden werden:

Chloroplasten

Sie sind grüne Plastiden, in denen die Glukosebiosynthese aus Kohlendioxid und Wasser durch Photosynthese durchgeführt wird. Diese Organellen kommen hauptsächlich in Pflanzenblättern vor und enthalten den grünen Farbstoff Chlorophyll , der Sonnenlicht absorbiert, um die für die Photosynthese erforderliche Energie bereitzustellen.

Chromoplasten

Sie werden so genannt, weil sie Organellen sind, die charakteristische Farben von den verschiedenen Pigmenten haben, die sie synthetisieren und speichern. Sie sind für die Farbe der Blüten, Früchte, Wurzeln und einiger Blattarten verantwortlich.

Gerontoplasten

Sie entsprechen dem Produkt des Abbaus anderer Plastiden, der auftritt, wenn die Zelle stirbt.

Leukoplasten

Wie bereits erwähnt, handelt es sich dabei um farblose Plastiden, deren Hauptfunktion darin besteht, Nährstoffe für die Zelle zu speichern. Sie sind hauptsächlich in Geweben zu finden, die nicht dem Licht ausgesetzt sind (nicht photosynthetische Gewebe), wie Wurzeln und Samenkeime.

Es gibt vier verschiedene Arten von Leukoplasten, abhängig von der Art der Nährstoffe, die sie speichern. Einige, Elaioplasten genannt , synthetisieren und speichern Fettsäuren (Lipide oder Pflanzenöle). Andere, die als Ätioplasten bezeichnet werden , synthetisieren und speichern Chlorophyllvorläufer und können sich bei Lichteinwirkung zu Chloroplasten entwickeln. Eine dritte Art von Leukoplasten wird Proteinoplasten genannt und speichert, wie der Name schon sagt, Proteine. Schließlich synthetisieren und speichern Amyloplasten Stärke.

Stärkesynthese und -speicherung in Amyloplasten

Stärke wird sowohl in Chloroplasten als auch in Amyloplasten durch die Polymerisation von Glucosemolekülen synthetisiert. Dieser Speicherstoff wird als Homopolysaccharid bezeichnet, da es sich um ein Polymer handelt, das nur aus einer Zuckerart besteht, in diesem Fall aus Glukosemolekülen.

Pflanzen verwenden Stärke, um überschüssige Glukose zu speichern, die in Zeiten intensiven Lichts produziert wird, in denen die Photosynthese mehr Glukose produziert, als die Pflanze benötigt. Je nach Speicherort wird diese Stärke von der Pflanze als alternative Energiequelle verwendet, wenn sie im Dunkeln ist oder wenn die Photosynthese nicht möglich ist.

Die in den Chloroplasten gespeicherte Stärke ist vergänglich und stellt eine schnelle Glukosequelle dar, wenn die Pflanze nicht genügend Sonnenlicht erhält. Stattdessen wird die in den Amyloplasten synthetisierte Stärke langfristig gespeichert. Es ist eine Reserve, die nur in bestimmten Situationen verwendet wird, z. B. wenn ein Samen kurz vor dem Keimen steht.

Amylose und Amylopektin

Stärke kann in einer von zwei charakteristischen Formen vorkommen, Amylose und Amylopektin, die beide von Amyloplasten synthetisiert und gespeichert werden.

Amylose besteht aus einer linearen (unverzweigten) Kette von Glucosemolekülen, die durch glykosidische α1-4-Bindungen miteinander verbunden sind (Kohlenstoff 1 eines Glucosemoleküls mit Kohlenstoff 4 des nächsten verbinden).

Amylopektin hingegen ist eine verzweigte Form von Stärke. In diesem Fall werden die langen Ketten, die von Glucosemolekülen mit glykosidischen α1-4-Bindungen gebildet werden, über Kohlenstoff 6 mit anderen Ketten verbunden, wodurch glykosidische α1-6-Bindungen gebildet werden.

Die Stärkesynthese und -speicherung in Amyloplasten ist für den Menschen besonders wichtig, da ein Großteil der von uns aufgenommenen Kohlenhydrate aus diesem Reservepolysaccharid stammt. Tatsächlich ist Amylose einer der ersten Nährstoffe, die beim Essen verstoffwechselt werden, da Speichel ein Enzym namens α-Amylase enthält , dessen Funktion es ist, die glykosidischen α1-4-Bindungen von Amylose und Amylopektin aufzubrechen. α1-6-Bindungen werden später abgebaut.

Lagerung in inneren Kompartimenten von Amyloplasten

Bei der Reife bilden Amyloplasten innere Kompartimente, die von Membranen umgeben sind, in denen sie Stärke in Form von Körnern speichern. Die Anzahl und Größe dieser Körner hängt sowohl von der Pflanzenart als auch von dem jeweiligen beteiligten Gewebe ab. Einige Zellen enthalten Amyloplasten mit mehreren inneren Körnchen, während andere ein einzelnes großes, kugelförmiges Körnchen enthalten.

Das Granulat besteht aus einer hochgeordneten Kombination von Amylose und Amylopektin, und die Größe des Granulats wird hauptsächlich durch die Menge an Stärke bestimmt, die die Pflanze speichert. In einigen Fällen können die Granula sehr kompakt und dicht werden, wodurch die Amyloplasten, die sie enthalten, dichter sind als das Zytosol, in dem sie suspendiert sind. Dieser Unterschied in der Dichte hat wichtige Auswirkungen in Bezug auf die Wachstumsrichtung von Stämmen und Wurzeln, wie weiter unten zu sehen sein wird.

Amyloplasten und Gravitropismus

Wie eingangs erwähnt, spielen Amyloplasten neben der Stärkesynthese und -speicherung auch eine wesentliche Rolle bei der Schwerkraftwahrnehmung von Pflanzen. Dadurch können die Pflanzen in die richtige Richtung wachsen, mit den Wurzeln nach unten und den Trieben nach oben. Diese Fähigkeit, die Schwerkraft zu spüren und parallel dazu zu wachsen, wird Gravitropismus genannt.

Gravitropismus tritt in verschiedenen Gewebetypen unterschiedlich auf, da Spross- und Wurzelgewebe in entgegengesetzte Richtungen wachsen müssen. In den Stämmen manifestiert sich der Gravitropismus in den endodermalen Zellen der Triebe und bewirkt, dass sie entgegen der Schwerkraft wachsen (negativer Gravitropismus), während er sich in den Wurzeln an der Spitze jeder Wurzel manifestiert und bewirkt, dass sie nach unten wachsen ., in die gleiche Richtung der Schwerkraft (positiver Gravitropismus).

Diese Gewebe enthalten Statozyten (spezialisierte Zellen, die die Schwerkraft wahrnehmen), die eine spezielle Klasse von Amyloplasten enthalten, die als Statolithen bezeichnet werden. Diese Statolithen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sehr kompakte und dichte Stärkekörner ansammeln , wodurch sie (für Statozyten) dichter als Cytosol werden. Aufgrund dieses Dichteunterschieds neigen diese Amyloplasten unabhängig von ihrer Ausrichtung immer dazu, sich nach unten zu bewegen und sich am Boden der Zelle anzusammeln.

Amyloplasten-vermittelter Mechanismus des Gravitropismus

Wenn eine Zelle bewegt oder gedreht wird, befinden sich die Amyloplasten nicht mehr am Boden, sodass sie aufgrund ihrer höheren Dichte beginnen, zum neuen Boden zu sedimentieren. Auf ihrem Weg kommen sie mit dem endoplasmatischen Retikulum in Kontakt, das eine Reihe von Prozessen auslöst, darunter die Freisetzung von Kalzium aus dem endoplasmatischen Retikulum und die Freisetzung eines Hormons namens IAA (das ein Auxin ist) am unteren Ende des Endoplasmatischen Retikulum Zelle.

Dieser Vorgang ist für Stängel und Wurzeln gleich. Die Wirkung des IAA-Hormons ist jedoch in beiden Fällen gegensätzlich. In Stammknospen hat das IAA-Hormon die Wirkung, die Zelldehnung und das Zellwachstum zu stimulieren. Dadurch werden die Zellen unterhalb der Statozyten stimuliert, verlängern und vermehren sich, wodurch die Knospe nach oben gedrückt wird.

In Wurzelzellen ist die Wirkung des Hormons genau umgekehrt. Die IAA in diesen Zellen hemmt das Wachstum, anstatt es zu stimulieren. Daher wachsen die Zellen unter den Statozyten (die die IAA-Hormonausschüttung erhalten) nicht, während die über ihnen normal wachsen und die Wurzelspitze nach unten drücken.

Details zum Prozess der Stärkesynthese und -speicherung in Amyloplasten sowie zum Gravitropismus sind noch ungeklärt. Es ist jedoch klar, dass Amyloplasten Organellen von großer Bedeutung sind.

Verweise

Nelson, DL, Cox, MM (2013). Lehninger-Grundsätze der Biochemie. (6. Auflage). 818-821. W. H. Freeman und Company. New York

Clark, MA, Choi, J. & Douglas, M. (2018). Biologie 2e . 938-939. OpenStax. Huston. Verfügbar unter https://openstax.org/details/books/biology-2e