CAPÍTULO IV

CLOROPLASTOS y PLASTIDOS

4.1. HISTORIA

Los cloroplastos surgen por fisión de cloroplastos preexistentes o

de sus precursores no pigmentados, que se denominan

protoplastos (fig. I-1).

Los cloroplastos se identificaron como el sitio de la fotosíntesis en

1881 mediante un ingenioso experimento del biólogo alemán

Theodor Engelmann, quien demostró que cuando se iluminan las

células del alga verde Spirogira, algunas bacterias se desplazan

activamente para agruparse en el exterior de las células cerca del

sitio del cloroplasto. Las bacterias usaban las cantidades diminutas

de oxígeno liberadas en el cloroplasto por la fotosíntesis para

estimular su respiración aeróbica.

4.2. DEFINICIÓN

Es un tipo de plastidio. Los

cloroplastos son orgánulos

cromatóforos y fotosintéticamente

activos, exclusivo de células

vegetales. También se encuentra en

algas. Los cloroplastos llevan a cabo

la fotosíntesis mediante el pigmento

clorofila, que posee en gran

cantidad. Son muy abundantes en las

células vegetales superiores

diferenciadas. Su número es muy variable de unos lugares a otros

de la planta y también depende del tejido o tipo celular en el que se

0

encuentran. En el parénquima clorofílico o asimilador son muy

abundantes, contándose hasta 30 o 40 cloroplastos por célula.

4.3. Los plastidos: Son orgánulos característicos de las células

eucarióticas vegetales, ausentes en bacterias y cianofíceas

procarióticas fotosintéticas y también en hongos. Presentan forma

y tamaño variados. Están envueltos por una doble membrana y

tienen ribosomas de tipo procarionte. A menudo están coloreados

por pigmentos de carácter liposoluble. Se multiplican por

bipartición. Su ADN se presenta como una molécula gigante

circular, con alrededor de 120.000 a 200.000 pares de bases. Este

ADN plastidial es un filamento doble (40 nm de longitud) que se

duplica por una polimerasa específica, existiendo también una ARN

polimerasa específica para la transcripción. Los proplastidios

crecen junto con las células meristemáticas (tejidos de

crecimiento). En su interior desarrollan un sistema de membranas

que adquiere gran superficie, mediante la formación de repliegues

en la membrana interna. En la oscuridad estos protoplastidios se

pueden transformar en estructuras cristalinas llamadas

etioplastos, los que, por el efecto de la luz, pueden a su vez,

transformarse en cloroplastos. Los plastos dañados o seniles

presentan a menudo gotas de lípidos en su interior, conocidas

como plastoglóbulos.

1

En la reproducción sexual, los plastidios se transmiten

mediante los gametos, en la mayoría de los casos a través del

gameto femenino.

Sus proteínas intermas tiene un doble origen. Una parte se

sintetiza a partir del ADN-plastidial y otra parte del ADN-nuclear.

Los genes de los plastos forman el plastoma, mientras que el

conjunto de plastos de una célula se llama plastidoma. Los

ribosomas de los plastos son más pequeños que los del

citoplasma, con una velocidad de sedimentación de 70 S. Estos

ribosomas plastidiales son parecidos a los de los procariontes, y

sensibles como ellos a determinados antibióticos. En las bacterias

fotosintéticas y en las cianoficeas los pigmentos fotosintéticos no

se sitúan en orgánulos especiales, sino en cromatoplastos, con

estructura parecida a los tilacoides de los plastos de las células

eucarióticas vegetales. Todos los plastos provienen de

proplastidios, presentes en células jóvenes, los que contienen

hasta un 3 % de su peso seco de ADN, en estado adulto tienen

sólo un 1 % de ADN. En ciertas especies debido a los pocos

proplastos presentes en las células meristemáticas, algunas células

hijas no los reciben luego de la división celular y por lo tanto, la

progenie de estas células no tiene cloroplastos. Cuando esto ocurre

en hojas en desarrollo, las hojas tienen parches blancos, sin

cloroplastos, y se las denomina hojas variegadas.

2

Los plastidios se clasifican de diferentes maneras. Los adultos, de

células diferenciadas pueden ser:

- Cromatóforos fotosintéticamente activos: como los cloroplastos

(verdes), los feoplastos (pardos) y los rodoplastos (rojos).

- Cromatóforos fotosintéticamente inactivos o cromoplastos

(generalmente rojos y amarillos

- Leucoplastos: fotosintéticamente inactivos e incoloros.

El siguiente cuadro los clasifica tomando como criterio la

presencia o ausencia de pigmento:

Cada uno puede tener características de dos grupos o transformarse

uno en otro, con excepción de los gerontoplastos, que son los

cloroplastos envejecidos, senescentes.

3

4.4. UBICACIÓN DE LOS CLOROPLASTOS

Los cloroplastos se encuentran mayormente a nivel de las hojas y

también en los tallos verdes se ubican específicamente en la

células mesófilas de las hojas entre el parénquima en empalizada y

el parénquima esponjoso de las células vegetales, están

conectadas con los estomas (micro poros que permite la salida de

O2 y la entrada de CO2) que ayuda a las diversas reacciones

bioquímicas que se realiza a nivel de los cloroplastos.

4

Son muy abundantes en las células vegetales superiores

diferenciadas, en las que están situados en la periferia, alrededor

de la gran vacuola central.

Su posición al interior de la célula varía en relación con la luz. Con

luz tenue, los cloroplastos se disponen paralelamente a la cara de

la célula donde incide la luz, buscando la máxima absorción de la

luz. Por el contrario, con la luz intensa, los cloroplastos emigran

disponiéndose junto a la pared celular y orientada paralelamente a

la luz incidente.

4.5. MORFOLOGÍA DEL CLOROPLASTO

En los vegetales inferiores los cloroplastos muestran formas muy

variables: adquieren forma espiral en Spirogyra, estrellada en

Zygnema, en herradura en Chlamydomonas y semicilíndricas en

5

Ulothrix. En general, en las células vegetales superiores, los

cloroplastos tienen forma ovoide con dimensiones de 4 a 6 cm.

4.6. ESTRUCTURA DEL CLOROPLASTO

El cloroplasto se encuentra limitado

por una doble membrana (envoltura)

y contienen un sistema de dobles

perfiles membranosos que forman el

sistema de laminillas. Los restantes

componentes del cloroplasto

constituyen el estroma. Los

cloroplastos de vegetales superiores,

aislados por centrifugación diferencial

muestran un gran contenido de lípidos

y pigmentos (principalmente clorofila y

carotenoides). Además contienen

DNA y ARN.

4.7. ENVOLTURA

Hay dos tipos de membranas:

Membrana externa: presenta la proteína porina, que la hace

permeable al agua y los solutos de bajo peso molecular.

Espacio intermembranoso o periplástico: se localiza

entre las dos membranas de la envoltura. Mediante la

observación en el microscopio, el espacio intermembranoso

es de unos 10 a 30 nm, denominado espacio periplástico.

6

Membrana interna: tiene unos 7 nm de espesor. Es

impermeable; las sustancias que se mueven a través de

dicha membrana interna lo hacen con ayuda de varios

transportadores. Se localizan proteínas translocadoras, entre

las que se encuentran el transportador de fosfato que

intercambia triosas fosfatos de la matriz del cloroplasto por

fosfato del citosol, y el transportador de ácidos

dicarboxílicos, que intercambia oxalacetato del citosol por

malato del cloroplasto. Hay también proteínas implicadas en

la síntesis de componentes de membrana.

La composición de la doble membrana de la envoltura del

cloroplasto difiere de la composición de las laminillas (incluidos los

tilacoides). Y es muy parecida a la del retículo endoplasmático, con un

60% y la de los lípidos del 40% .Entre los lípidos, la fosfatidil colina y la

fosfatidil etanolamina son escasas, y abundan los galactolípidos y

sulfolípidos. No hay clorofila, pero si carotenoides, pigmentos

flavónicos, terpenos y quinonas.

4.8. SISTEMA DE LAMINILLAS

Cada cloroplasto consiste en varias capas de laminillas paralelas,

dispuestas en sentido longitudinal, de un extremo a otro del

cloroplasto. Cada una de estas laminillas tendría una anchura

variable a lo largo de su recorrido, por lo que es equivalente a un

sáculo aplanado membranoso con fenestraciones de tamaño

variable. Atravesando estas fenestraciones se disponen los

tilacoides apilados formando la grana. Cada laminilla longitudinal

establece varias conexiones con cada uno de los tilacoides

situados en el mismo plano de la laminilla

7

4.8.1. LOS TILACOIDES

Sáculos aplanados en forma de discos de 0,5 µm de

diámetro. Estos discos se superponen formando pilas de

hasta 20 sáculos que se sitúan de trecho en trecho sobre las

laminillas. Cada pila de tilacoides recibe el nombre de

granum. El termino grana es el plural de granum.

Forman parte de la estructura de la membrana interna del

cloroplasto, sitio de las reacciones captadoras de luz de la

fotosintesis y de la fosforilacion.

Las membranas que forman el sistema de laminillas y

tilacoides poseen una composición más peculiar, con

aproximadamente un 50% de proteínas, un 38% de lípidos y

aproximadamente un 12% de otros pigmentos,

principalmente clorofila y, en menor cantidad, carotenoides.

Entre los lípidos, hay mayor cantidad galactolípidos y

sulfolípidos en la envoltura, lo que les confiere mayor fluidez.

Entre las proteínas se encuentran los componentes que

interviene en la fase luminosa de la fotosíntesis; esto es, los

fotosistemas I y II, cadenas transportadoras de electrones

entre fotosistemas y la ATP sintetasa.

8

5. ESTROMA

5.1. RIBOSOMAS

El estroma del cloroplasto contiene ribosomas de

aproximadamente 70 S, que son similares a los de E. coli en

estructura y sensibilidad a los antibióticos. Por tanto, son aún más

parecidos a los ribosomas de procariotas. La síntesis proteica de

estos ribosomas se inicia con la N-formil-metionina, como en las

bacterias y en las mitocondrias. Estos ribosomas contienen aprox.

60 proteínas, de las que unas 40 se sintetiza en el citoplasma

5.2. DNA

En el estroma del cloroplasto se encuentra también una estructura

filamentosa, que corresponde a un doble helicoide de DNA que

forma el nucleoide. Su disposición es circular, y las variaciones

entre especies (incluido las algas unicelulares) en la longitud del

9

DNA oscila desde 40 a 200 µm. El genoma del cloroplasto se ha

mantenido bastante estable en el curso de la evolución. Este DNA

codifica todos los 30 tRNA presentes en los cloroplastos, cuatro

rRNA de cloroplastos, varias subunidades de la RNA polimerasa

propia del cloroplasto, varios mRNA para la síntesis de diferentes

proteínas, incluidas 20 proteínas de los ribosomas del cloroplasto,

varias proteínas de los fotosistemas I y II , subunidades de la ATP

sintetasa (CF), parte de los complejos enzimáticos de la cadena

transportadora de electrones, una de las dos subunidades de la

ribulosa-difosfato carboxilasa y unas 40 proteínas de función no

conocida . Este DNA puede ser transcrito por la RNA polimerasa de

E.coli.

6. OTROS COMPONENTES

En el estroma se aprecian también pequeñas inclusiones esféricas.

Algunas corresponden a lípidos. Otras son más densas y contienen

lipoproteínas y, en algunos casos, también quinonas: son los

plastoglóbulos, que pudieran estar relacionados con sustancias

necesarias para la formación de los sistemas de laminillas, ya que,

cuando éstas se están formando, no se observan plastoglóbulos; y

cuando las laminillas están desapareciendo con el envejecimiento del

cloroplasto, los plastoglóbulos también desaparecen.

En el estroma hay abundantes proteínas enzimáticas, que,

generalmente, no pueden verse con el microscopio electrónico,

aunque algunas de ellas, como la ribulosa- 1-5-difosfato carboxilasa

(la enzima fijadora del CO2), puede apreciarse, a grandes aumentos y

con contraste negativo, como cadenas de partículas de contorno

poligonal. En el estroma también se aprecian a veces otras proteínas

mayores que a veces forman cristales y pueden corresponder a

10

productos del metabolismo del cloroplasto. Además, se encuentran

átomos de metales como Fe, Cu, Mn, Zn. El Fe asociado a proteínas

en forma de ferritina puede ser visto con el microscopio electrónico.

En el estroma de los cloroplastos de algas, pero no en los de

vegetales superiores, suelen encontrarse unas estructuras

denominadas pirenoides. Cada pirenoide se aprecia como una gran

masa, moderadamente densa de estructura finamente granular o a

veces cristalina, rodeada de capas de almidón, las cuales quedan

parcialmente disueltas durante la fijación para la microscopía

electrónica, dando lugar a un halo translúcido. El gránulo central del

pirenoide es proteína, principalmente la enzima ribulosa -1-5-difosfato

caboxilasa. Es frecuente encontrar laminillas alrededor de los

pirenoides o en su proximidad.

11

En las hojas de algunas angiospermas herbáceas de climas áridos,

las células que rodean el sistema vascular formando la denominada

vaina del haz poseen grandes cloroplastos que contienen numerosas

laminillas pero escasos grana y abundante almidón en el estroma. Los

cloroplastos del parénquima (mesófilo) de la hoja de estas plantas son

normales, sin almidón y con abundante grana.

7. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS CLOROPLASTOS

Los componentes más importantes que conforman los cloroplastos,

daremos a conocer mediante una tabla, pero estos resultados son

relativos, porque, hay ciertas variaciones en el porcentaje de cada

componente, según el tipo celular de vegetales, algas y

cianobacterias, por lo tanto, estos datos son aproximaciones.

12

COMPONENTE PORCENTAJE

Proteínas 35 – 55 %

Lípidos 20 – 30 %

Glúcidos Muy variable

Clorofila 9%

Carotenoides y otros pigmentos 1 – 5 %

DNA 0.5 %

RNA 1 – 4 %

8. INCORPORACIÓN DE PROTEÍNAS AL CLOROPLASTO

Los cloroplastos producen los lípidos que necesitan. Sin embargo,

muchas de sus proteínas son importadas del citoplasma fundamental.

Estas proteínas son sintetizadas con un péptido señal aminoterminal

que es reconocido por un receptor de la membrana externa de la

envoltura del cloroplasto y determina que la proteína se ancle en

dicha membrana. Este proceso no requiere gradiente electroquímico,

a diferencia de lo que ocurre con la mitocondria, ni tampoco hidrolisis

del ATP. Si la proteína va a pasar al estroma del cloroplasto, se

requiere un segundo péptido señal, en posición no terminal, a

continuación del primer péptido señal. En este caso, la proteína

penetra por un punto de unión de ambas membranas de la envoltura

del cloroplasto y, una vez en el estroma, el primer péptido señal es

hidrolizado, quedando el segundo péptido señal en posición terminal.

Como en la mitocondria, la transferencia de la proteína al estroma

requiere ATP. Si la proteína va a incorporarse a un tilacoide, la

membrana de este presenta receptores para el segundo péptido señal

13

que se ancla en ella. La inserción de algunas proteínas en la

membrana del tilacoide requiere el gradiente electroquímico, que es

producido por el bombeo de protones desde el estroma hasta el

tilacoide por los complejos fotosintéticos durante el transporte de

electrones. En esto se diferencia la transferencia de proteínas en el

cloroplasto de la que tiene lugar en la mitocondria: mientras que la

inserción de la proteína en la membrana mitocondrial requiere el

impulso del gradiente electroquímico, en el cloroplasto este gradiente

solo se necesita para la inserción en el tilacoide. Si la proteína ha de

pasar al interior del tilacoide, el péptido señal es hidrolizado y la

proteína penetra en el espacio intratilacoidal. La transferencia de la

proteína a la luz del tilacoide requiere ATP.

9. FUNCIONES DEL CLOROPLASTO

La función principal del cloroplasto es realizar la fotosíntesis. Ésta es

un proceso anabólico y autotrófico primordial, del que depende la vida

sobre la Tierra.

14

El proceso de la fotosíntesis es utilizada para formar materia orgánica

(glúcidos) a partir de moléculas inorgánicas, como agua, CO2 y sales

minerales. La materia orgánica y el oxígeno que fabrican las plantas,

son elementos que utilizan los otros seres vivos como fuente de

energía y materia.

Además de la síntesis de hidratos de carbono los cloroplastos (u otros

plastidios) parecen ser el principal lugar de producción de los ácidos

grasos vegetales, que son sintetizados a partir del acetil – CoA y

poseen entre 12 y 20 átomos de carbono.

Los cloroplastos pueden sintetizar también aminoácidos y amoníaco.

La síntesis de este último se realiza en el estroma por reducción de

nitritos, los cuales proceden del citosol donde se obtuvieron por

reducción de nitratos. Este amoniaco proporciona a la planta el

nitrógeno necesario para la síntesis de aminoácidos y de nucleótidos.

Por consiguiente, la importancia metabólica del cloroplasto para las

plantas y las algas es mucho más amplia que su papel en el proceso

de la fotosíntesis.

15