Kloroplasti su membranske strukture u kojima se odvija fotosinteza. Ovaj proces u višim biljkama i cijanobakterijama omogućio je planetu da zadrži sposobnost održavanja života korištenjem ugljičnog dioksida i nadopunjavanjem koncentracije kisika. Sama fotosinteza se odvija u strukturama kao što su tilakoidi. To su membranski "moduli" kloroplasta, u kojima se odvija prijenos protona, fotoliza vode, sinteza glukoze i ATP-a.
Struktura biljnih kloroplasta
Kloroplasti se nazivaju dvomembranske strukture koje se nalaze u citoplazmi biljnih stanica i klamidomonas. Nasuprot tome, cijanobakterijske stanice provode fotosintezu u tilakoidima, a ne u kloroplastima. Ovo je primjer nerazvijenog organizma koji je u stanju osigurati svoju prehranu putem enzima fotosinteze koji se nalaze na izbočinama citoplazme.
Prema svojoj strukturi, kloroplast je dvomembranska organela u obliku mjehurića. Oni se nalaze u velikom broju u stanicama fotosintetskih biljaka i razvijaju se samo u slučajukontakt s ultraljubičastim svjetlom. Unutar kloroplasta nalazi se njegova tekuća stroma. Po svom sastavu podsjeća na hijaloplazmu i sastoji se od 85% vode, u kojoj su otopljeni elektroliti i suspendirani proteini. Stroma kloroplasta sadrži tilakoide, strukture u kojima se svjetlosna i tamna faza fotosinteze odvijaju izravno.
Kloroplastni nasljedni aparat
Pored tilakoida nalaze se granule sa škrobom, koji je produkt polimerizacije glukoze dobivene kao rezultat fotosinteze. Slobodno u stromi nalaze se plastidna DNK zajedno s raštrkanim ribosomima. Može postojati nekoliko molekula DNK. Zajedno s biosintetskim aparatom odgovorni su za obnovu strukture kloroplasta. To se događa bez korištenja nasljednih informacija stanične jezgre. Ovaj fenomen također omogućuje prosuđivanje mogućnosti samostalnog rasta i razmnožavanja kloroplasta u slučaju stanične diobe. Stoga kloroplasti u nekim aspektima ne ovise o staničnoj jezgri i predstavljaju, takoreći, simbiotski nerazvijeni organizam.
Struktura tilakoida
Tilakoidi su membranske strukture u obliku diska smještene u stromi kloroplasta. Kod cijanobakterija su u potpunosti smještene na invaginacijama citoplazmatske membrane, budući da nemaju samostalne kloroplaste. Postoje dvije vrste tilakoida: prvi je tilakoid s lumenom, a drugi je lamelarni. Tilakoid s lumenom je manjeg promjera i disk je. Nekoliko tilakoida raspoređenih okomito tvore granu.
Lamelarni tilakoidi su široke ploče koje nemaju lumen. Ali oni su platforma na koju se veže više zrna. U njima se fotosinteza praktički ne događa, jer su potrebne za stvaranje jake strukture otporne na mehanička oštećenja stanice. Ukupno, kloroplasti 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 molekule vode i sinteza kisika. Drugi je prolaz protona kroz membranu kroz molekularni kompleks citokroma b6f i elektrotransportni lanac. Također u tilakoidima se odvija sinteza visokoenergetske molekule ATP-a. Ovaj proces se događa korištenjem protonskog gradijenta koji se razvio između tilakoidne membrane i strome kloroplasta. To znači da funkcije tilakoida omogućuju realizaciju cjelokupne svjetlosne faze fotosinteze.
Svjetla faza fotosinteze
Neophodan uvjet 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. Povoljnije je uzimati elektrone i protone iz molekula vode za stvaranje elektrokemijskog potencijala u stanici. Pod djelovanjem ultraljubičastog fotona na tilakoidne membrane, to postaje dostupno. Iz jedne molekule vode izbije se elektron, kojidobiva pozitivan naboj, te je stoga, da bi ga neutralizirali, 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 ponovno puni. Tilakoidi su strukture koje mogu imati kiseli pH tijekom prijenosa protona. U ovom trenutku pH u stromi kloroplasta je blago alkalan. To stvara elektrokemijski potencijal koji omogućuje sintezu ATP-a. Molekule adenozin trifosfata kasnije će se koristiti za energetske potrebe i tamnu fazu fotosinteze. Konkretno, stanica koristi ATP za iskorištavanje ugljičnog dioksida, što se postiže njegovom kondenzacijom i sintezom molekula glukoze na temelju njih.
U mračnoj fazi, NADP-H+ se reducira u NADP. Ukupno, za sintezu jedne molekule glukoze potrebno je 18 molekula ATP-a, 6 molekula ugljičnog dioksida i 24 vodikova protona. To zahtijeva fotolizu 24 molekule vode da bi se iskoristilo 6 molekula ugljičnog dioksida. Ovaj proces omogućuje oslobađanje 6 molekula kisika, koje će kasnije koristiti drugi organizmi za svoje energetske potrebe. U isto vrijeme, tilakoidi su (u biologiji) primjer strukture membrane koja omogućuje korištenje sunčeve energije i transmembranskog potencijala s pH gradijentom da ih pretvori u energiju kemijskih veza.
