Kloroplastit ovat kalvorakenteita, joissa tapahtuu fotosynteesi. Tämä korkeammissa kasveissa ja syanobakteereissa tapahtuva prosessi mahdollisti planeetan kyvyn ylläpitää elämää hyödyntämällä hiilidioksidia ja täydentämällä happipitoisuutta. Itse fotosynteesi tapahtuu rakenteissa, kuten tylakoideissa. Nämä ovat kloroplastien membraani "moduuleja", joissa tapahtuu protonien siirto, veden fotolyysi, glukoosi ja ATP-synteesi.
Kasvien kloroplastien rakenne
Kloroplasteja kutsutaan kaksoiskalvorakenteiksi, jotka sijaitsevat kasvisolujen ja klamydomonasen sytoplasmassa. Sitä vastoin syanobakteerisolut suorittavat fotosynteesiä tylakoideissa, eivät kloroplasteissa. Tämä on esimerkki alikehittyneestä organismista, joka pystyy tarjoamaan ravintonsa sytoplasman ulkonemissa sijaitsevien fotosynteesientsyymien kautta.
Kloroplasti on rakenteeltaan kuplan muotoinen kaksikalvoinen organelli. Niitä on suuria määriä fotosynteettisten kasvien soluissa ja ne kehittyvät vainkosketus ultraviolettivalon kanssa. Kloroplastin sisällä on sen nestemäinen stroma. Koostumuksessaan se muistuttaa hyaloplasmaa ja koostuu 85% vedestä, johon elektrolyytit ovat liuenneet ja proteiinit suspendoituneet. Kloroplastien strooma sisältää tylakoideja, rakenteita, joissa fotosynteesin vaalea ja pimeä vaihe etenee suoraan.
Kloroplastiset perinnölliset laitteet
Tylakoidien vieressä on rakeita tärkkelyksen kanssa, joka on fotosynteesin tuloksena saadun glukoosin polymeroitumisen tuote. Stromassa on vapaasti plastidi-DNA:ta yhdessä hajallaan olevien ribosomien kanssa. DNA-molekyylejä voi olla useita. Yhdessä biosynteettisten laitteiden kanssa ne vastaavat kloroplastien rakenteen palauttamisesta. Tämä tapahtuu ilman soluytimen perinnöllistä tietoa. Tämä ilmiö mahdollistaa myös kloroplastien itsenäisen kasvun ja lisääntymisen mahdollisuuden arvioida solunjakautumisen yhteydessä. Siksi kloroplastit eivät ole joissain suhteissa riippuvaisia solun ytimestä ja edustavat ikään kuin symbioottista alikehittynyttä organismia.
Tylakoidien rakenne
Thylakoidit ovat kiekon muotoisia kalvorakenteita, jotka sijaitsevat kloroplastien stroomassa. Syanobakteereissa ne sijaitsevat täysin sytoplasmisen kalvon invaginaatioissa, koska niillä ei ole itsenäisiä kloroplasteja. Tylakoideja on kahta tyyppiä: ensimmäinen on tylakoidi, jolla on ontelo, ja toinen on lamellaarinen. Tylakoidi, jossa on luumen, on halkaisij altaan pienempi ja on kiekko. Useat pystysuoraan järjestetyt tylakoidit muodostavat granan.
Lamellariset tylakoidit ovat leveitä levyjä, joissa ei ole onteloa. Mutta ne ovat alusta, johon on kiinnitetty useita jyviä. Niissä fotosynteesiä ei käytännössä tapahdu, koska niitä tarvitaan muodostamaan vahva rakenne, joka kestää solun mekaanisia vaurioita. Kaiken kaikkiaan kloroplastit voivat sisältää 10-100 tylakoidia, joiden ontelo kykenee fotosynteesiin. Tylakoidit itse ovat alkuainerakenteita, jotka vastaavat fotosynteesistä.
Tylakoidien rooli fotosynteesissä
Tärkeimmät fotosynteesin reaktiot tapahtuvat tylakoideissa. Ensimmäinen on vesimolekyylin fotolyysihalkaisu ja hapen synteesi. Toinen on protonin kulku kalvon läpi sytokromi b6f -molekyylikompleksin ja sähkökuljetusketjun läpi. Myös tylakoideissa tapahtuu korkeaenergisen ATP-molekyylin synteesi. Tämä prosessi tapahtuu käyttämällä protonigradienttia, joka on kehittynyt tylakoidikalvon ja kloroplastistrooman väliin. Tämä tarkoittaa, että tylakoidien toiminnot mahdollistavat fotosynteesin koko valovaiheen toteuttamisen.
Fotosynteesin kevyt vaihe
Tarvittava ehto fotosynteesin olemassaololle on kyky luoda kalvopotentiaali. Se saavutetaan elektronien ja protonien siirrolla, minkä seurauksena syntyy H + -gradientti, joka on 1000 kertaa suurempi kuin mitokondrioiden kalvoissa. On edullisempaa ottaa elektroneja ja protoneja vesimolekyyleistä sähkökemiallisen potentiaalin luomiseksi soluun. Tylakoidikalvoilla olevan ultraviolettifotonin vaikutuksesta tämä tulee saataville. Yhdestä vesimolekyylistä irtoaa elektroni, jokasaa positiivisen varauksen, ja siksi sen neutraloimiseksi on pudotettava yksi protoni. Tämän seurauksena 4 vesimolekyyliä hajoaa elektroneiksi, protoneiksi ja muodostaa happea.
Fotosynteesiprosessien ketju
Veden fotolyysin jälkeen kalvo latautuu uudelleen. Tylakoidit ovat rakenteita, joiden pH voi olla hapan protonien siirron aikana. Tällä hetkellä kloroplastin stroman pH on lievästi emäksinen. Tämä synnyttää sähkökemiallisen potentiaalin, joka mahdollistaa ATP-synteesin. Adenosiinitrifosfaattimolekyylejä käytetään myöhemmin energiatarpeisiin ja fotosynteesin pimeään vaiheeseen. Erityisesti solu käyttää ATP:tä hiilidioksidin hyödyntämiseen, mikä saadaan aikaan sen kondensoimalla ja syntetisoimalla niihin perustuvia glukoosimolekyylejä.
Pimeässä vaiheessa NADP-H+ pelkistyy NADP:ksi. Yhteensä yhden glukoosimolekyylin synteesi vaatii 18 ATP-molekyyliä, 6 hiilidioksidimolekyyliä ja 24 vetyprotonia. Tämä edellyttää 24 vesimolekyylin fotolyysiä kuuden hiilidioksidimolekyylin hyödyntämiseksi. Tämän prosessin avulla voit vapauttaa 6 happimolekyyliä, joita muut organismit käyttävät myöhemmin energiatarpeisiinsa. Samaan aikaan tylakoidit ovat (biologiassa) esimerkki kalvorakenteesta, joka mahdollistaa aurinkoenergian ja kalvon läpi kulkevan potentiaalin käytön pH-gradientilla niiden muuntamiseksi kemiallisten sidosten energiaksi.
