Hloroplasti su membranske strukture u kojima se odvija fotosinteza. Ovaj proces u višim biljkama i cijanobakterijama omogućio je planeti da održi sposobnost održavanja života korištenjem ugljičnog dioksida i nadopunjavanjem koncentracije kisika. Sama fotosinteza se odvija u strukturama kao što su tilakoidi. To su membranski "moduli" hloroplasta, u kojima se odvija prijenos protona, fotoliza vode, sinteza glukoze i ATP-a.
Struktura biljnih hloroplasta
Hloroplasti se nazivaju dvomembranske strukture koje se nalaze u citoplazmi biljnih ćelija i klamidomonas. Nasuprot tome, cijanobakterijske stanice provode fotosintezu u tilakoidima, a ne u hloroplastima. Ovo je primjer nerazvijenog organizma koji je u stanju da obezbijedi svoju ishranu putem enzima fotosinteze koji se nalaze na izbočinama citoplazme.
Po svojoj strukturi, hloroplast je dvomembranska organela u obliku mjehurića. Oni se nalaze u velikom broju u ćelijama fotosintetskih biljaka i razvijaju se samo u slučajukontakt sa ultraljubičastim svetlom. Unutar hloroplasta nalazi se njegova tečna stroma. Po svom sastavu podsjeća na hijaloplazmu i sastoji se od 85% vode, u kojoj su otopljeni elektroliti i suspendirani proteini. Stroma hloroplasta sadrži tilakoide, strukture u kojima se svjetlosna i tamna faza fotosinteze odvijaju direktno.
Hloroplastni nasljedni aparat
Pored tilakoida nalaze se granule sa škrobom, koji je proizvod polimerizacije glukoze dobijene kao rezultat fotosinteze. Slobodno u stromi nalaze se plastidna DNK zajedno sa raštrkanim ribozomima. Može postojati nekoliko molekula DNK. Zajedno s biosintetskim aparatom odgovorni su za obnavljanje strukture hloroplasta. To se događa bez korištenja nasljednih informacija ćelijskog jezgra. Ovaj fenomen također omogućava procjenu mogućnosti samostalnog rasta i reprodukcije hloroplasta u slučaju diobe stanica. Dakle, hloroplasti, u nekim aspektima, ne zavise od ćelijskog jezgra i predstavljaju, takoreći, simbiotski nerazvijeni organizam.
Struktura tilakoida
Tilakoidi su membranske strukture u obliku diska koje se nalaze u stromi hloroplasta. U cijanobakterijama se u potpunosti nalaze na invaginacijama citoplazmatske membrane, budući da nemaju samostalne hloroplaste. Postoje dvije vrste tilakoida: prvi je tilakoid sa lumenom, a drugi je lamelarni. Tilakoid sa lumenom je manjeg prečnika i predstavlja disk. Nekoliko tilakoida raspoređenih okomito formiraju granu.
Lamelarni tilakoidi su široke ploče koje nemaju lumen. Ali oni su platforma za koju je vezano više zrna. U njima se fotosinteza praktički ne događa, jer su potrebne za formiranje jake strukture otporne na mehanička oštećenja stanice. Ukupno, hloroplasti mogu sadržavati od 10 do 100 tilakoida s lumenom sposobnim za fotosintezu. Sami tilakoidi su elementarne strukture odgovorne za fotosintezu.
Uloga tilakoida u fotosintezi
Najvažnije reakcije fotosinteze odvijaju se u tilakoidima. Prvi je fotolizno cijepanje molekula vode i sinteza kisika. Drugi je prolaz protona kroz membranu kroz molekularni kompleks citokroma b6f i elektrotransportni lanac. Takođe u tilakoidima se odvija sinteza visokoenergetskog ATP molekula. Ovaj proces se odvija upotrebom protonskog gradijenta koji se razvio između tilakoidne membrane i strome hloroplasta. To znači da funkcije tilakoida omogućavaju realizaciju cjelokupne svjetlosne faze fotosinteze.
Svetla faza fotosinteze
Neophodan uslov za postojanje fotosinteze je sposobnost stvaranja membranskog potencijala. Postiže se prijenosom elektrona i protona, zbog čega se stvara H+ gradijent koji je 1000 puta veći nego u mitohondrijskim membranama. Pogodnije je uzimati elektrone i protone iz molekula vode kako bi se stvorio elektrohemijski potencijal u ćeliji. Pod dejstvom ultraljubičastog fotona na tilakoidne membrane, ovo postaje dostupno. Elektron je izbačen iz jednog molekula vode, kojidobija pozitivan naboj, pa je za neutralizaciju potrebno ispustiti jedan proton. Kao rezultat toga, 4 molekule vode razgrađuju se na elektrone, protone i formiraju kisik.
Lanac procesa fotosinteze
Nakon fotolize vode, membrana se ponovo puni. Tilakoidi su strukture koje mogu imati kiseli pH tokom prenosa protona. U ovom trenutku, pH u stromi hloroplasta je blago alkalan. Ovo stvara elektrohemijski potencijal koji omogućava sintezu ATP-a. Molekuli adenozin trifosfata kasnije će se koristiti za energetske potrebe i tamnu fazu fotosinteze. Konkretno, ćelija koristi ATP za iskorištavanje ugljičnog dioksida, što se postiže njegovom kondenzacijom i sintezom molekula glukoze na bazi njih.
U mračnoj fazi, NADP-H+ se reducira na NADP. Ukupno, za sintezu jednog molekula glukoze potrebno je 18 molekula ATP-a, 6 molekula ugljičnog dioksida i 24 vodikova protona. Ovo zahtijeva fotolizu 24 molekula vode da bi se iskoristilo 6 molekula ugljičnog dioksida. Ovaj proces vam omogućava da oslobodite 6 molekula kiseonika, koje će kasnije koristiti drugi organizmi za svoje energetske potrebe. U isto vrijeme, tilakoidi su (u biologiji) primjer strukture membrane koja omogućava korištenje sunčeve energije i transmembranskog potencijala s pH gradijentom da ih pretvori u energiju hemijskih veza.
