Hloroplasti ir membrānas struktūras, kurās notiek fotosintēze. Šis process augstākajos augos un zilaļģēs ļāva planētai saglabāt spēju uzturēt dzīvību, izmantojot oglekļa dioksīdu un papildinot skābekļa koncentrāciju. Pati fotosintēze notiek tādās struktūrās kā tilakoīdi. Tie ir hloroplastu membrānas "moduļi", kuros notiek protonu pārnese, ūdens fotolīze, glikozes un ATP sintēze.
Augu hloroplastu struktūra
Hloroplastus sauc par dubultmembrānas struktūrām, kas atrodas augu šūnu un hlamidomonu citoplazmā. Turpretim zilaļģu šūnas veic fotosintēzi tilakoīdos, nevis hloroplastos. Šis ir nepietiekami attīstīta organisma piemērs, kas spēj nodrošināt savu uzturu, izmantojot fotosintēzes enzīmus, kas atrodas uz citoplazmas izvirzījumiem.
Pēc tās struktūras hloroplasts ir divu membrānu organelle burbuļa formā. Tie lielā skaitā atrodas fotosintētisko augu šūnās un attīstās tikai gadījumāsaskare ar ultravioleto gaismu. Hloroplasta iekšpusē atrodas tā šķidrā stroma. Savā sastāvā tas atgādina hialoplazmu un sastāv no 85% ūdens, kurā ir izšķīdināti elektrolīti un suspendēti proteīni. Hloroplastu stroma satur tilakoīdus, struktūras, kurās fotosintēzes gaišā un tumšā fāze notiek tieši.
Hloroplasta iedzimtības aparāts
Blakus tilakoīdiem ir granulas ar cieti, kas ir fotosintēzes rezultātā iegūtās glikozes polimerizācijas produkts. Stromā brīvi atrodas plastīda DNS kopā ar izkaisītām ribosomām. Var būt vairākas DNS molekulas. Kopā ar biosintētisko aparātu tie ir atbildīgi par hloroplastu struktūras atjaunošanu. Tas notiek, neizmantojot šūnu kodola iedzimto informāciju. Šī parādība arī ļauj spriest par hloroplastu neatkarīgas augšanas un vairošanās iespējamību šūnu dalīšanās gadījumā. Tāpēc hloroplasti dažos aspektos nav atkarīgi no šūnas kodola un ir it kā simbiotisks mazattīstīts organisms.
Tilakoīdu struktūra
Tilakoīdi ir diskveida membrānas struktūras, kas atrodas hloroplastu stromā. Cianobaktērijās tās pilnībā atrodas citoplazmas membrānas invaginācijās, jo tām nav neatkarīgu hloroplastu. Ir divu veidu tilakoīdi: pirmais ir tilakoīds ar lūmenu, bet otrais ir lamelārs. Tilakoīds ar lūmenu ir mazāks diametrā un ir disks. Vairāki tilakoīdi, kas izvietoti vertikāli, veido granu.
Lamelārie tilakoīdi ir platas plāksnes, kurām nav lūmena. Bet tie ir platforma, kurai ir piestiprināti vairāki graudi. Tajos fotosintēze praktiski nenotiek, jo tie ir nepieciešami, lai izveidotu spēcīgu struktūru, kas ir izturīga pret šūnas mehāniskiem bojājumiem. Kopumā hloroplasti var saturēt no 10 līdz 100 tilakoīdiem ar lūmenu, kas spēj fotosintēzi. Paši tilakoīdi ir elementārās struktūras, kas ir atbildīgas par fotosintēzi.
Tilakoīdu loma fotosintēzē
Svarīgākās fotosintēzes reakcijas notiek tilakoīdos. Pirmā ir ūdens molekulas fotolīzes sadalīšana un skābekļa sintēze. Otrais ir protona tranzīts caur membrānu caur citohroma b6f molekulāro kompleksu un elektrotransporta ķēdi. Arī tilakoīdos notiek augstas enerģijas ATP molekulas sintēze. Šis process notiek, izmantojot protonu gradientu, kas izveidojies starp tilakoīda membrānu un hloroplasta stromu. Tas nozīmē, ka tilakoīdu funkcijas ļauj realizēt visu fotosintēzes gaismas fāzi.
Fotosintēzes vieglā fāze
Nepieciešams nosacījums fotosintēzes pastāvēšanai ir spēja radīt membrānas potenciālu. Tas tiek panākts ar elektronu un protonu pārnesi, kā rezultātā tiek izveidots H + gradients, kas ir 1000 reizes lielāks nekā mitohondriju membrānās. Izdevīgāk ir ņemt elektronus un protonus no ūdens molekulām, lai šūnā izveidotu elektroķīmisko potenciālu. Ultravioletā fotona iedarbībā uz tilakoīdu membrānām tas kļūst pieejams. No vienas ūdens molekulas tiek izsists elektrons, kasiegūst pozitīvu lādiņu, un tāpēc, lai to neitralizētu, ir nepieciešams nomest vienu protonu. Rezultātā 4 ūdens molekulas sadalās elektronos, protonos un veido skābekli.
Fotosintēzes procesu ķēde
Pēc ūdens fotolīzes membrāna tiek uzlādēta. Tilakoīdi ir struktūras, kurām protonu pārneses laikā var būt skābs pH. Šajā laikā hloroplasta stromā pH ir nedaudz sārmains. Tas rada elektroķīmisko potenciālu, kas padara iespējamu ATP sintēzi. Adenozīna trifosfāta molekulas vēlāk tiks izmantotas enerģijas vajadzībām un fotosintēzes tumšajai fāzei. Jo īpaši šūna izmanto ATP, lai izmantotu oglekļa dioksīdu, ko panāk tā kondensācija un glikozes molekulu sintēze uz to bāzes.
Tumšajā fāzē NADP-H+ tiek reducēts līdz NADP. Kopumā vienas glikozes molekulas sintēzei nepieciešamas 18 ATP molekulas, 6 oglekļa dioksīda molekulas un 24 ūdeņraža protoni. Tam nepieciešama 24 ūdens molekulu fotolīze, lai izmantotu 6 oglekļa dioksīda molekulas. Šis process ļauj atbrīvot 6 skābekļa molekulas, kuras vēlāk izmantos citi organismi savām enerģijas vajadzībām. Tajā pašā laikā tilakoīdi ir (bioloģijā) membrānas struktūras piemērs, kas ļauj izmantot saules enerģiju un transmembrānu potenciālu ar pH gradientu, lai pārvērstu tos ķīmisko saišu enerģijā.
