A kloroplasztok membránszerkezetek, amelyekben fotoszintézis megy végbe. Ez a magasabbrendű növényekben és cianobaktériumokban zajló folyamat lehetővé tette a bolygó számára, hogy fenntartsa az életet a szén-dioxid felhasználásával és az oxigénkoncentráció pótlásával. Maga a fotoszintézis olyan struktúrákban megy végbe, mint a tilakoidok. Ezek a kloroplasztok membrán "moduljai", amelyekben protontranszfer, víz fotolízis, glükóz és ATP szintézis megy végbe.
A növényi kloroplasztisz szerkezete
A kloroplasztokat kettős membrános struktúráknak nevezik, amelyek a növényi sejtek és a chlamydomonas citoplazmájában helyezkednek el. Ezzel szemben a cianobaktérium sejtek a tilakoidokban végzik a fotoszintézist, nem pedig a kloroplasztiszokban. Ez egy példa egy fejletlen szervezetre, amely a citoplazma kiemelkedésein található fotoszintézis enzimeken keresztül képes táplálkozni.
Szerkezete szerint a kloroplaszt egy kétmembránból álló, buborék formájú organellum. Nagy számban találhatók a fotoszintetikus növények sejtjeiben és csak abban az esetben fejlődnek kiérintkezés ultraibolya fénnyel. A kloroplaszt belsejében van a folyékony stromája. Összetételében a hialoplazmára emlékeztet, és 85% vízből áll, amelyben az elektrolitok feloldódnak és a fehérjék szuszpendálódnak. A kloroplasztiszok stromája tilakoidokat tartalmaz, amelyekben a fotoszintézis világos és sötét fázisa közvetlenül megy végbe.
Kloroplaszt örökletes készülék
A tilakoidok mellett keményítőt tartalmazó granulátum található, amely a fotoszintézis eredményeként kapott glükóz polimerizációjának terméke. A stromában szabadon találhatók plasztid DNS-ek, valamint szétszórt riboszómák. Több DNS-molekula is lehet. A bioszintetikus berendezéssel együtt felelősek a kloroplasztiszok szerkezetének helyreállításáért. Ez a sejtmag örökletes információinak felhasználása nélkül történik. Ez a jelenség lehetővé teszi a kloroplasztiszok önálló növekedésének és szaporodásának lehetőségét sejtosztódás esetén is. Ezért a kloroplasztiszok bizonyos szempontból nem függenek a sejtmagtól, és mintegy szimbiotikus, fejletlen szervezetet képviselnek.
Tilakoidok szerkezete
A tilakoidok korong alakú membránstruktúrák, amelyek a kloroplasztiszok sztrómájában helyezkednek el. A cianobaktériumokban teljesen a citoplazma membrán invaginációin helyezkednek el, mivel nem rendelkeznek független kloroplasztiszokkal. A tilakoidoknak két típusa van: az első egy lumennel rendelkező tilakoid, a második egy lamellás. A lumennel rendelkező tilakoid kisebb átmérőjű és korong. Számos, függőlegesen elhelyezkedő tilakoid gránát alkot.
A lamellás tilakoidok széles lemezek, amelyeknek nincs lumenük. De ezek egy olyan platform, amelyhez több szemcsét is rögzítenek. Bennük a fotoszintézis gyakorlatilag nem történik meg, mivel egy erős szerkezet kialakításához szükségesek, amely ellenáll a sejt mechanikai károsodásának. Összességében a kloroplasztiszok 10-100 tilakoidot tartalmazhatnak fotoszintézisre képes lumennel. Maguk a tilakoidok a fotoszintézisért felelős elemi struktúrák.
A tilakoidok szerepe a fotoszintézisben
A fotoszintézis legfontosabb reakciói a tilakoidokban játszódnak le. Az első a vízmolekula fotolízises felhasadása és az oxigén szintézise. A második a proton áthaladása a membránon keresztül a citokróm b6f molekuláris komplexen és az elektrotranszport láncon keresztül. Ugyancsak a tilakoidokban zajlik a nagy energiájú ATP molekula szintézise. Ez a folyamat a tilakoid membrán és a kloroplasztisztróma között kialakult proton gradiens használatával megy végbe. Ez azt jelenti, hogy a tilakoidok funkciói lehetővé teszik a fotoszintézis teljes fényfázisának megvalósítását.
A fotoszintézis könnyű fázisa
A fotoszintézis létezésének szükséges feltétele a membránpotenciál létrehozásának képessége. Ezt elektronok és protonok átvitelével érik el, aminek következtében H + gradiens jön létre, amely 1000-szer nagyobb, mint a mitokondriális membránokban. Előnyösebb, ha a vízmolekulákból elektronokat és protonokat veszünk, hogy elektrokémiai potenciált hozzunk létre a sejtben. A tilakoid membránokon lévő ultraibolya foton hatására ez elérhetővé válik. Az egyik vízmolekulából kiüt egy elektron, amipozitív töltést kap, ezért semlegesítéséhez egy protont le kell ejteni. Ennek eredményeként 4 vízmolekula elektronokra, protonokra bomlik, és oxigént képez.
A fotoszintézis folyamatok lánca
A víz fotolízise után a membrán újratöltődik. A tilakoidok olyan szerkezetek, amelyeknek savas pH-ja lehet a protonátvitel során. Ekkor a kloroplaszt sztrómájában a pH enyhén lúgos. Ez elektrokémiai potenciált generál, amely lehetővé teszi az ATP szintézisét. Az adenozin-trifoszfát molekulákat később energiaigényekre és a fotoszintézis sötét fázisára használják fel. Az ATP-t a sejt különösen a szén-dioxid hasznosítására használja fel, ami a glükózmolekulák kondenzációjával és az ezeken alapuló glükózmolekulák szintézisével érhető el.
A sötét fázisban a NADP-H+ NADP-vé redukálódik. Összesen egy glükózmolekula szintéziséhez 18 ATP molekula, 6 szén-dioxid molekula és 24 hidrogén proton szükséges. Ehhez 24 vízmolekula fotolízisére van szükség 6 szén-dioxid molekula hasznosításához. Ez a folyamat lehetővé teszi 6 oxigénmolekula felszabadulását, amelyeket később más élőlények felhasználnak energiaszükségleteik kielégítésére. Ugyanakkor a tilakoidok (a biológiában) olyan membránszerkezet példái, amelyek lehetővé teszik a napenergia és a pH-gradienssel rendelkező transzmembránpotenciál felhasználását, hogy kémiai kötések energiájává alakítsák át őket.
