Chloroplasty to struktury błonowe, w których zachodzi fotosynteza. Ten proces w roślinach wyższych i sinicach pozwolił planecie zachować zdolność do podtrzymywania życia poprzez wykorzystanie dwutlenku węgla i uzupełnianie stężenia tlenu. Sama fotosynteza zachodzi w strukturach takich jak tylakoidy. Są to „moduły” błonowe chloroplastów, w których zachodzi transfer protonów, fotoliza wody, synteza glukozy i ATP.
Struktura chloroplastów roślin
Chloroplasty to tzw. struktury dwubłonowe, które znajdują się w cytoplazmie komórek roślinnych i chlamydomonas. Natomiast komórki cyjanobakterii przeprowadzają fotosyntezę w tylakoidach, a nie w chloroplastach. Jest to przykład słabo rozwiniętego organizmu, który jest w stanie zapewnić sobie odżywianie poprzez enzymy fotosyntezy zlokalizowane na wypukłościach cytoplazmy.
Zgodnie ze swoją strukturą chloroplast jest dwubłonową organellą w postaci bańki. Znajdują się one w dużych ilościach w komórkach roślin fotosyntetycznych i rozwijają się tylko w przypadkukontakt ze światłem ultrafioletowym. Wewnątrz chloroplastu znajduje się jego płynny zrąb. W swoim składzie przypomina hialoplazmę i składa się w 85% z wody, w której rozpuszczone są elektrolity i zawieszone są białka. Zrąb chloroplastów zawiera tylakoidy, struktury, w których jasne i ciemne fazy fotosyntezy przebiegają bezpośrednio.
Chloroplastowy aparat dziedziczny
Obok tylakoidów znajdują się granulki ze skrobią, która jest produktem polimeryzacji glukozy uzyskanej w wyniku fotosyntezy. Swobodnie w zrębie znajduje się plastydowe DNA wraz z rozproszonymi rybosomami. Może być kilka cząsteczek DNA. Wraz z aparatem biosyntetycznym odpowiadają za przywracanie struktury chloroplastów. Dzieje się to bez wykorzystywania informacji dziedzicznych jądra komórkowego. Zjawisko to umożliwia również ocenę możliwości samodzielnego wzrostu i reprodukcji chloroplastów w przypadku podziału komórek. Dlatego chloroplasty pod pewnymi względami nie zależą od jądra komórkowego i reprezentują niejako symbiotyczny, słabo rozwinięty organizm.
Struktura tylakoidów
Tylakoidy to struktury błony w kształcie dysku zlokalizowane w zrębie chloroplastów. W sinicach są one całkowicie zlokalizowane na wgłębieniach błony cytoplazmatycznej, ponieważ nie mają niezależnych chloroplastów. Istnieją dwa rodzaje tylakoidów: pierwszy to tylakoid o prześwicie, a drugi to tylakoid. Tylakoid ze światłem ma mniejszą średnicę i jest dyskiem. Kilka tylakoidów ułożonych pionowo tworzy granę.
Tylakoidy płytkowe to szerokie płytki, które nie mają światła. Ale są platformą, do której przyczepionych jest wiele ziaren. W nich fotosynteza praktycznie nie występuje, ponieważ są potrzebne do utworzenia mocnej struktury odpornej na mechaniczne uszkodzenia komórki. W sumie chloroplasty mogą zawierać od 10 do 100 tylakoidów o świetle zdolnym do fotosyntezy. Same tylakoidy są podstawowymi strukturami odpowiedzialnymi za fotosyntezę.
Rola tylakoidów w fotosyntezie
Najważniejsze reakcje fotosyntezy zachodzą w tylakoidach. Pierwszym z nich jest fotolityczne rozszczepianie cząsteczki wody i synteza tlenu. Drugi to przejście protonu przez błonę przez kompleks molekularny cytochromu b6f i łańcuch elektrotransportu. Również w tylakoidach zachodzi synteza wysokoenergetycznej cząsteczki ATP. Proces ten zachodzi z wykorzystaniem gradientu protonów, który powstał między błoną tylakoidów a zrębem chloroplastów. Oznacza to, że funkcje tylakoidów umożliwiają realizację całej lekkiej fazy fotosyntezy.
Lekka faza fotosyntezy
Niezbędnym warunkiem zaistnienia fotosyntezy jest zdolność do wytworzenia potencjału błonowego. Osiąga się to poprzez przenoszenie elektronów i protonów, dzięki czemu powstaje gradient H+, który jest 1000 razy większy niż w błonach mitochondrialnych. Bardziej korzystne jest pobranie elektronów i protonów z cząsteczek wody w celu wytworzenia potencjału elektrochemicznego w komórce. Pod wpływem fotonu ultrafioletowego na błony tylakoidów staje się to dostępne. Elektron zostaje wybity z jednej cząsteczki wody, którauzyskuje ładunek dodatni, a zatem, aby go zneutralizować, konieczne jest upuszczenie jednego protonu. W rezultacie 4 cząsteczki wody rozpadają się na elektrony, protony i tworzą tlen.
Łańcuch procesów fotosyntezy
Po fotolizie wody membrana jest ponownie ładowana. Tylakoidy to struktury, które mogą mieć kwaśne pH podczas przenoszenia protonów. W tym czasie pH w zrębie chloroplastu jest lekko zasadowe. Generuje to potencjał elektrochemiczny, który umożliwia syntezę ATP. Cząsteczki adenozynotrifosforanu będą później wykorzystywane do potrzeb energetycznych i ciemnej fazy fotosyntezy. W szczególności ATP jest wykorzystywane przez komórkę do wykorzystania dwutlenku węgla, co jest osiągane przez jego kondensację i syntezę na ich podstawie cząsteczek glukozy.
W fazie ciemnej NADP-H+ jest redukowany do NADP. W sumie synteza jednej cząsteczki glukozy wymaga 18 cząsteczek ATP, 6 cząsteczek dwutlenku węgla i 24 protonów wodoru. Wymaga to fotolizy 24 cząsteczek wody, aby wykorzystać 6 cząsteczek dwutlenku węgla. Proces ten pozwala na uwolnienie 6 cząsteczek tlenu, które później zostaną wykorzystane przez inne organizmy na swoje potrzeby energetyczne. Jednocześnie tylakoidy są (w biologii) przykładem struktury błonowej, która pozwala na wykorzystanie energii słonecznej i potencjału transbłonowego z gradientem pH do przekształcenia ich w energię wiązań chemicznych.
