Хлоропластите са мембранни структури, в които се извършва фотосинтеза. Този процес във висши растения и цианобактерии позволи на планетата да поддържа способността си да поддържа живота чрез използване на въглероден диоксид и попълване на концентрацията на кислород. Самата фотосинтеза се извършва в структури като тилакоидите. Това са мембранни "модули" от хлоропласти, в които се извършва пренос на протони, фотолиза на вода, синтез на глюкоза и АТФ.
Структура на растителните хлоропласти
Хлоропластите се наричат двумембранни структури, които се намират в цитоплазмата на растителните клетки и хламидомонадите. За разлика от тях, цианобактериалните клетки извършват фотосинтеза в тилакоидите, а не в хлоропластите. Това е пример за недоразвит организъм, който е в състояние да осигури храненето си чрез фотосинтезни ензими, разположени върху издатини на цитоплазмата.
Според структурата си хлоропластът е двумембранна органела под формата на мехурче. Те се намират в голям брой в клетките на фотосинтезиращите растения и се развиват само в случай наконтакт с ултравиолетова светлина. Вътре в хлоропласта е неговата течна строма. По своя състав той наподобява хиалоплазма и се състои от 85% вода, в която са разтворени електролити и суспендирани протеини. Стромата на хлоропластите съдържа тилакоиди, структури, в които светлата и тъмната фаза на фотосинтезата протичат директно.
Хлоропластен наследствен апарат
До тилакоидите има гранули с нишесте, което е продукт от полимеризацията на глюкоза, получена в резултат на фотосинтезата. Свободно в стромата има пластидна ДНК заедно с разпръснати рибозоми. Може да има няколко ДНК молекули. Заедно с биосинтетичния апарат те са отговорни за възстановяването на структурата на хлоропластите. Това се случва без използване на наследствената информация на клетъчното ядро. Това явление също дава възможност да се прецени възможността за независим растеж и възпроизвеждане на хлоропластите в случай на клетъчно делене. Следователно хлоропластите в някои отношения не зависят от клетъчното ядро и представляват сякаш симбиотичен недоразвит организъм.
Структура на тилакоидите
Тилакоидите са мембранни структури с форма на диск, разположени в стромата на хлоропластите. При цианобактериите те са напълно разположени върху инвагинации на цитоплазмената мембрана, тъй като нямат независими хлоропласти. Има два вида тилакоиди: първият е тилакоид с лумен, а вторият е ламелен. Тилакоидът с лумен е с по-малък диаметър и представлява диск. Няколко тилакоида, подредени вертикално, образуват грана.
Ламеларните тилакоиди са широки плочи, които нямат лумен. Но те са платформа, към която са прикрепени множество зърна. При тях фотосинтезата практически не се случва, тъй като те са необходими за образуване на здрава структура, устойчива на механични повреди на клетката. Общо хлоропластите могат да съдържат от 10 до 100 тилакоида с лумен, способен на фотосинтеза. Самите тилакоиди са елементарните структури, отговорни за фотосинтезата.
Ролята на тилакоидите във фотосинтезата
Най-важните реакции на фотосинтезата протичат в тилакоидите. Първият е фотолизното разделяне на водната молекула и синтеза на кислород. Вторият е преминаването на протон през мембраната през молекулния комплекс на цитохром b6f и електротранспортната верига. Също така в тилакоидите се осъществява синтеза на високоенергийната молекула АТФ. Този процес се осъществява с помощта на протонен градиент, който се е развил между тилакоидната мембрана и стромата на хлоропласта. Това означава, че функциите на тилакоидите позволяват да се реализира цялата светлинна фаза на фотосинтезата.
Лека фаза на фотосинтеза
Необходимо условие за съществуването на фотосинтеза е способността за създаване на мембранен потенциал. Постига се чрез пренос на електрони и протони, поради което се създава Н+ градиент, който е 1000 пъти по-голям, отколкото в митохондриалните мембрани. По-изгодно е да се вземат електрони и протони от водните молекули, за да се създаде електрохимичен потенциал в клетката. Под действието на ултравиолетов фотон върху тилакоидните мембрани това става достъпно. Един електрон е избит от една водна молекула, коятопридобива положителен заряд и следователно, за да го неутрализира, е необходимо да изпусне един протон. В резултат на това 4 водни молекули се разпадат на електрони, протони и образуват кислород.
Веригата от фотосинтезни процеси
След фотолизата на водата, мембраната се презарежда. Тилакоидите са структури, които могат да имат киселинно рН по време на трансфер на протони. По това време рН в стромата на хлоропласта е леко алкално. Това генерира електрохимичен потенциал, който прави възможен синтеза на АТФ. Молекулите на аденозин трифосфат по-късно ще бъдат използвани за енергийни нужди и тъмната фаза на фотосинтезата. По-специално, АТФ се използва от клетката за използване на въглероден диоксид, което се постига чрез неговата кондензация и синтез на глюкозни молекули, базирани на тях.
В тъмната фаза NADP-H+ се редуцира до NADP. Общо за синтеза на една молекула глюкоза са необходими 18 молекули АТФ, 6 молекули въглероден диоксид и 24 водородни протона. Това изисква фотолиза на 24 водни молекули, за да се използват 6 молекули въглероден диоксид. Този процес ви позволява да освободите 6 кислородни молекули, които по-късно ще бъдат използвани от други организми за техните енергийни нужди. В същото време тилакоидите са (в биологията) пример за мембранна структура, която позволява използването на слънчева енергия и трансмембранен потенциал с рН градиент, за да ги преобразува в енергията на химичните връзки.
