Chloroplastai yra membraninės struktūros, kuriose vyksta fotosintezė. Šis procesas aukštesniuose augaluose ir cianobakterijose leido planetai išlaikyti gebėjimą palaikyti gyvybę naudojant anglies dioksidą ir papildant deguonies koncentraciją. Pati fotosintezė vyksta tokiose struktūrose kaip tilakoidai. Tai chloroplastų membraniniai „moduliai“, kuriuose vyksta protonų pernešimas, vandens fotolizė, gliukozės ir ATP sintezė.
Augalinių chloroplastų struktūra
Chloroplastai vadinami dvigubos membranos dariniais, kurie yra augalų ląstelių ir chlamidomonų citoplazmoje. Priešingai, cianobakterijų ląstelės vykdo fotosintezę tilakoiduose, o ne chloroplastuose. Tai yra nepakankamai išsivysčiusio organizmo, kuris gali aprūpinti savo mitybą per fotosintezės fermentus, esančius ant citoplazmos išsikišimų, pavyzdys.
Pagal savo struktūrą chloroplastas yra dviejų membranų burbulo formos organelė. Daug jų yra fotosintetinių augalų ląstelėse ir vystosi tik tuo atvejukontaktas su ultravioletine šviesa. Chloroplasto viduje yra jo skysta stroma. Savo sudėtimi jis primena hialoplazmą ir susideda iš 85% vandens, kuriame yra ištirpę elektrolitai ir suspenduoti b altymai. Chloroplastų stromoje yra tilakoidų – struktūrų, kuriose šviesioji ir tamsioji fotosintezės fazės vyksta tiesiogiai.
Chloroplasto paveldimas aparatas
Šalia tilakoidų yra granulės su krakmolu, kuris yra fotosintezės metu gautos gliukozės polimerizacijos produktas. Stromoje laisvai yra plastidinės DNR kartu su išsklaidytomis ribosomomis. Gali būti kelios DNR molekulės. Kartu su biosintetiniais aparatais jie yra atsakingi už chloroplastų struktūros atkūrimą. Tai atsitinka nenaudojant paveldimos ląstelės branduolio informacijos. Šis reiškinys taip pat leidžia spręsti apie nepriklausomo chloroplastų augimo ir dauginimosi galimybę ląstelių dalijimosi atveju. Todėl chloroplastai tam tikrais atžvilgiais nepriklauso nuo ląstelės branduolio ir yra tarsi simbiotinis nepakankamai išsivystęs organizmas.
Tilakoidų struktūra
Tilakoidai yra disko formos membranos struktūros, esančios chloroplastų stromoje. Melsvabakterijose jie visiškai išsidėstę ant citoplazminės membranos invaginacijų, nes neturi nepriklausomų chloroplastų. Yra dviejų tipų tilakoidai: pirmasis yra tilakoidas su liumenu, o antrasis yra sluoksninis. Tilakoidas su liumenu yra mažesnio skersmens ir yra diskas. Keletas vertikaliai išsidėsčiusių tilakoidų sudaro graną.
Sluoksniniai tilakoidai yra plačios plokštelės, neturinčios spindžio. Tačiau jie yra platforma, prie kurios pritvirtinti keli grūdai. Juose fotosintezė praktiškai nevyksta, nes jie reikalingi norint suformuoti tvirtą struktūrą, atsparią mechaniniams ląstelės pažeidimams. Iš viso chloroplastuose gali būti nuo 10 iki 100 tilakoidų, kurių liumenas gali fotosintezuoti. Patys tilaoidai yra elementinės struktūros, atsakingos už fotosintezę.
Tilakoidų vaidmuo fotosintezėje
Svarbiausios fotosintezės reakcijos vyksta tilakoiduose. Pirmasis yra vandens molekulės fotolizės skaidymas ir deguonies sintezė. Antrasis yra protono tranzitas per membraną per citochromo b6f molekulinį kompleksą ir elektrotransporto grandinę. Taip pat tilakoiduose vyksta didelės energijos ATP molekulės sintezė. Šis procesas vyksta naudojant protonų gradientą, susidariusį tarp tilakoidinės membranos ir chloroplasto stromos. Tai reiškia, kad tilakoidų funkcijos leidžia realizuoti visą šviesos fotosintezės fazę.
Lengva fotosintezės fazė
Būtina fotosintezės egzistavimo sąlyga yra galimybė sukurti membranos potencialą. Tai pasiekiama per elektronų ir protonų perdavimą, dėl kurio susidaro H + gradientas, kuris yra 1000 kartų didesnis nei mitochondrijų membranose. Labiau naudinga paimti elektronus ir protonus iš vandens molekulių, kad būtų sukurtas elektrocheminis potencialas ląstelėje. Veikiant ultravioletiniams fotonams ant tilaoidinių membranų, tai tampa prieinama. Iš vienos vandens molekulės išmušamas elektronas, kurisįgyja teigiamą krūvį, todėl norint jį neutralizuoti, reikia numesti vieną protoną. Dėl to 4 vandens molekulės skyla į elektronus, protonus ir susidaro deguonis.
Fotosintezės procesų grandinė
Po vandens fotolizės membrana įkraunama. Tilakoidai yra struktūros, kurių pH gali būti rūgštus protonų perdavimo metu. Šiuo metu pH chloroplasto stromoje yra šiek tiek šarminis. Tai sukuria elektrocheminį potencialą, dėl kurio įmanoma ATP sintezė. Adenozino trifosfato molekulės vėliau bus naudojamos energijos poreikiams ir tamsiajai fotosintezės fazei. Visų pirma, ląstelė ATP naudoja anglies dioksidui panaudoti, o tai pasiekiama kondensuojantis ir jo pagrindu sintezuojant gliukozės molekules.
Tamsiojoje fazėje NADP-H+ sumažinamas iki NADP. Iš viso vienos gliukozės molekulės sintezei reikia 18 ATP molekulių, 6 anglies dioksido molekulių ir 24 vandenilio protonų. Tam reikia 24 vandens molekulių fotolizės, kad būtų panaudotos 6 anglies dioksido molekulės. Šis procesas leidžia išskirti 6 deguonies molekules, kurias vėliau savo energijos poreikiams panaudos kiti organizmai. Tuo pačiu metu tilakoidai (biologijoje) yra membranos struktūros pavyzdys, leidžiantis panaudoti saulės energiją ir transmembraninį potencialą su pH gradientu, kad jie būtų paverčiami cheminių jungčių energija.
