In dieser Videoreihe schauen wir uns Bestandteile tierischer und pflanzlicher Zellen genauer an. Die Bestandteile bezeichnet man auch als Zellorganelle. In diesem Video widmen wir uns einem ganz besonderen Zellorganell, das nur in Pflanzen und Algen gebildet wird.
Es ist das Zellorganell, das die Welt ernährt der Chloroplast. Dass der Chloroplast die Welt ernährt und auch für die Existenz von uns Menschen von entscheidender Bedeutung ist, liegt wohl an seiner wichtigsten Funktion. In ihm läuft die Photosynthese ab. Ein Prozess, bei dem die Strahlungsenergie der Sonne eingefangen wird und für den Aufbau von organischen, für die Pflanze lebensnotwendigen Molekülen genutzt wird. Allen voran der Einfachzuckerglucose.
Alle photosynthetisch aktiven Organismen beziehen ihre Energie aus der Strahlungsenergie der Sonne. Und weil Pflanzen diese Energie nicht für sich nutzen können, wandeln sie diese mithilfe der Chloroplasten in chemische Energie um. Die Energie wird in den chemischen Verbindungen der Glucose gespeichert und gewährleistet so den Antrieb und die Aufrechterhaltung lebensnotwendiger Stoffwechselprozesse. Ohne Chloroplasten gäbe es keine Pflanzen.
Chloroplasten ernähren also Pflanzen. Und weil auch alle anderen Organismen sich entweder herbivor, also pflanzlich, ernähren oder aber als Carnivore, Fleischfresser, sich von den Pflanzenfressern ernähren, ernährt der Chloroplast indirekt also die gesamte belebte Umwelt. Mit nur ganz, ganz wenigen Ausnahmen.
Das ist also die wichtigste Funktion der Chloroplasten. In ihnen läuft die Photosynthese ab. Wer sich mit diesem Vorgang näher beschäftigen möchte, dem verlinke ich an dieser Stelle einmal mein Video zur Photosynthese. Nachdem nun die wichtigste Funktion der Chloroplasten geklärt ist, schauen wir uns diese grünlich erscheinenden Zellorganellen mal genauer an.
Wie bereits erwähnt, finden wir Chloroplasten nur in pflanzlichen Zellen. In tierischen Zellen suchen wir sie vergeblich. Zumindest, solange man nicht auf die Idee kommt, einen Blick in das Innere der Schnecke Elysia chlorotica zu werfen. Denn wenn wir das tun, dann sehen wir tatsächlich Chloroplasten.
Ein faszinierendes Beispiel und zugleich absolute Ausnahme von Chloroplasten in Tierzellen. Am Ende des Videos mehr dazu. Chloroplasten gehören zu den sogenannten Plastiden. Plastiden sind eine Kategorie von Organellen, die nur in Pflanzen und Algen vorkommen, die sich unabhängig vom Zellkern teilen können und höchstwahrscheinlich früher einmal selbstständige, einzellige Organismen ohne Zellkern gewesen sind, sogenannte Prokaryoten, und aus diesem Grund eine Doppelmembran und ein eigenes Erbgut, eine eigene DNA besitzen. Es gibt verschiedene Plastidentypen mit jeweils ganz unterschiedlichen Funktionen.
Und ein Plastidentyp ist der Chloroplast. Zählt man diese bohnenförmig aussehenden, etwa 2 bis 10 Mikrometer großen Chloroplasten in pflanzlichen Zellen nach, stellt man schnell fest, dass ihre Anzahl und auch die Größe von Zelle zu Zelle stark variiert. Man wird feststellen, dass vor allem in Blättern der Pflanze, insbesondere in den oberen Zellschichten der Blätter, viele Chloroplasten vorhanden sind. Was allen Chloroplasten gemein ist, ist, dass sie zwei umhüllende Membranen besitzen.
Eine äußere und eine innere Membran. Wie gerade erwähnt, steht die Doppelmembran des Chloroplasten in direkten Zusammenhang damit, dass der Chloroplast früher in der Evolution ein selbstständiger Organismus war. Im Laufe der Evolution wurde der einstige Prokaryot mit seiner einfachen Membran von einer größeren Zelle aufgenommen, hat infolge der Einstülpung und der Abschnürung durch die Zellmembran der größeren Zelle eine zweite äußere Membran von ihr bekommen und ist nun als Chloroplast fester Bestandteil dieser.
Wer mehr über diesen Vorgang erfahren möchte, empfehle ich mein Video zur Endosymbionten-Theorie, das ich an dieser Stelle einmal verlinke. Die äußere Chloroplastenmembran fungiert als mechanische Barriere und dient somit zum Schutz des Chloroplasten vor äußeren Einflüssen. Wie jede Membran sorgt auch die Membran des Chloroplasten dafür, dass sie den Bereich innerhalb des Zellorganells, das Chloroplasten, und den Bereich außerhalb des Zellorganells in zwei Kompartimente trennt. Ein Zustand, der als Kompartimentierung bezeichnet wird.
Durch die Kompartimentierung werden auch verschiedene Reaktionsräume geschaffen. Innerhalb des Chloroplasten können so andere Stoffwechselprozesse ablaufen als außerhalb und auch wichtig, Stoffwechselprozesse können unabhängig voneinander und auch gleichzeitig ablaufen. Aber auch wichtige Stoffe können über die Membran aufgenommen und abgegeben werden.
Zwischen der inneren und äußeren Membran liegt der sogenannte Intermembranraum. Natürlich ist auch dieser Bereich am Stoffaustausch beteiligt. Die innere Chloroplastenmembran ist durchzogen von zahlreichen abgeflachten Membransystemen, die so ein wenig aufgestapelten Pancakes gleichen.
Die einzelnen Pancakes bezeichnet man als Thylakoid. Der gesamte Pancake-Stapel wird Granum, Thylakoid-Stapel, genannt, bzw. mehrere Stapel als Grana.
Vielleicht fragt sich der ein oder andere, warum ich Thylakoid erwähne, wenn ich von der inneren Mitochondrienmembran spreche. Schließlich umgibt diese in der Abbildung ja die äußere Membran. Tatsächlich handelt es sich bei den Thylakoiden um Teile der inneren Chloroplastenmembran, die durch Einstülpung entstanden sind. Wenn ihr im Zusammenhang der inneren Chloroplastenmembran also hört oder lest, dass sie stark gefaltet ist, ergibt das durchaus Sinn vor dem Hintergrund, dass die Thylakoide Teil dieser Membran sind.
In den Membranen der Thylakoide sind wiederum zahlreiche Pigmente eingelagert, vor allem der grüne Farbstoff Chlorophyll. Zu Beginn des Videos habe ich davon gesprochen, dass der Chloroplast die Welt ernährt, weil er Ort der Photosynthese ist. Vor allem dem Pigment Chlorophyll kann dabei eine besondere Bedeutung beigemessen werden, weil es dafür verantwortlich ist, das Licht für die Photosynthese einzufangen. In diesem ersten von insgesamt zwei Teilschritten der Photosynthese, der sogenannten Lichtreaktion, wird also die Lichtenergie eingefangen und in chemische Energie umgewandelt, die in den Molekülen ATP und NADPH gespeichert wird.
Aber auch viele an der Photosynthese beteiligte Proteine sind in der Thylakoidmembran und im Inneren des Thylakoids lokalisiert, welches man als Lumen oder als Thylakoidlumen bezeichnet. Die Krana sind umgeben von einer Flüssigkeit, die man als Stromer bezeichnet. Der flüssigkeitsgefüllte Innenraum der inneren Chloroplastenmembran nennt man also Stroma. Im Stroma findet der zweite und damit letzte Teilschritt der Photosynthese statt. Der sogenannte Kelvinzyklus, in dem die in der Lichtreaktion gebildeten Stoffe ATP und NADPH genutzt werden, um Glucose und weitere wichtige Kohlenhydrate für die Pflanze zu synthetisieren.
Dazu im entsprechenden Video oben rechts mehr. Es kann sein, dass weitere Bestandteile im Stroma abgebildet sind, wie zum Beispiel Ribosome und DNA. Richtig gehört, auch wenn wir DNA oft im Zellkern einer Zelle verortet sehen, gibt es sogenannte PlastidendNA.
Sie ist durchaus wichtig, weil sie dem Chloroplasten die Fähigkeit verleiht, sich autonom, unabhängig vom Zellkern zu teilen. Mithilfe von DNA und Ribosomen können außerdem wichtige Proteine hergestellt werden, die nur in Chloroplasten vorkommen. Es handelt sich also um eine lokale Produktion von Proteinen direkt an dem Ort, wo sie gebraucht werden, was unglaublich zeit- und energieeffizient ist.
Es gibt aber auch nicht wenige Schulbücher, in denen Ribosomen und Chloroplasten-DNA nicht im Stromer abgebildet sind, einfach weil das Wissen je nachdem über den Unterrichtsstoff hinausgeht. Der Vollständigkeit halber seien an dieser Stelle auch Stärkekörper und Lipidtröpfchen erwähnt, von denen vor allem eine Speicherfunktion ausgeht. Am Ende des Videos möchte ich euch von Meeresschnecken der Art Elysia chlorotica erzählen. Schnecken dieser Art sehen aus wie ein kleines Blatt und fallen durch ihre leuchtend grüne Färbung auf. Eine grüne Färbung, die tatsächlich wie bei den Pflanzen durch das Vorhandensein von Chloroplasten hervorgerufen wird.
Tatsächlich, die an der Ostküste der USA lebenden Schnecken ernähren sich hauptsächlich von Algen und haben sich ihre Chloroplasten zunutze gemacht. Sie lagern die Mini-Kraftwerke in einem kleinen Schlauch. Berke in ihren Körpern ein und sind in der Lage, mithilfe des Sonnenlichts Photosynthese zu betreiben und auf diese Weise bis zu neun Monate ohne Nahrungsaufnahme überleben zu können.