Kloroplasti so membranske strukture, v katerih poteka fotosinteza. Ta proces v višjih rastlinah in cianobakterijah je planetu omogočil ohranjanje sposobnosti življenja z uporabo ogljikovega dioksida in obnavljanjem koncentracije kisika. Sama fotosinteza poteka v strukturah, kot so tilakoidi. To so membranski "moduli" kloroplastov, v katerih poteka prenos protonov, fotoliza vode, sinteza glukoze in ATP.
Struktura rastlinskih kloroplastov
Kloroplasti se imenujejo dvojne membranske strukture, ki se nahajajo v citoplazmi rastlinskih celic in klamidomonas. Nasprotno pa cianobakterijske celice izvajajo fotosintezo v tilakoidih in ne v kloroplastih. To je primer nerazvitega organizma, ki je sposoben zagotoviti svojo prehrano s pomočjo fotosinteznih encimov, ki se nahajajo na izrastkih citoplazme.
Kloroplast je po svoji strukturi dvomembranski organel v obliki mehurčka. V velikem številu se nahajajo v celicah fotosintetskih rastlin in se razvijejo le v primerustik z ultravijolično svetlobo. V notranjosti kloroplasta je njegova tekoča stroma. Po svoji sestavi spominja na hialoplazmo in je sestavljen iz 85 % vode, v kateri so raztopljeni elektroliti in suspendirani proteini. Stroma kloroplastov vsebuje tilakoide, strukture, v katerih potekata neposredno svetla in temna faza fotosinteze.
Kloroplastni dedni aparat
Ob tilakoidih se nahajajo zrnca s škrobom, ki je produkt polimerizacije glukoze, pridobljene s fotosintezo. Prosto v stromi je plastidna DNK skupaj z razpršenimi ribosomi. Molekul DNK je lahko več. Skupaj z biosintetičnim aparatom so odgovorni za obnovo strukture kloroplastov. To se zgodi brez uporabe dednih informacij celičnega jedra. Ta pojav omogoča tudi presojo možnosti samostojne rasti in razmnoževanja kloroplastov v primeru delitve celic. Zato kloroplasti v nekaterih pogledih niso odvisni od celičnega jedra in predstavljajo tako rekoč simbiotični nerazvit organizem.
Struktura tilakoidov
Tilakoidi so membranske strukture v obliki diska, ki se nahajajo v stromi kloroplastov. Pri cianobakterijah se v celoti nahajajo na invaginacijah citoplazemske membrane, saj nimajo samostojnih kloroplastov. Obstajata dve vrsti tilakoidov: prvi je tilakoid s lumnom, drugi pa lamelarni. Tilakoid z lumnom je manjšega premera in je disk. Več tilakoidov, razporejenih navpično, tvori grano.
Lamelarni tilakoidi so široke plošče, ki nimajo lumna. So pa platforma, na katero je pritrjenih več zrn. V njih fotosinteza praktično ne poteka, saj so potrebni za tvorbo močne strukture, ki je odporna na mehanske poškodbe celice. Skupno lahko kloroplasti vsebujejo od 10 do 100 tilakoidov z lumnom, ki je sposoben fotosinteze. Tilakoidi sami so elementarne strukture, odgovorne za fotosintezo.
Vloga tilakoidov pri fotosintezi
Najpomembnejše reakcije fotosinteze potekajo v tilakoidih. Prva je fotolizna delitev molekule vode in sinteza kisika. Drugi je prehod protona skozi membrano skozi molekularni kompleks citokroma b6f in elektrotransportno verigo. Tudi v tilakoidih poteka sinteza visokoenergijske molekule ATP. Ta proces se zgodi z uporabo protonskega gradienta, ki se je razvil med tilakoidno membrano in stromo kloroplasta. To pomeni, da funkcije tilakoidov omogočajo realizacijo celotne svetlobne faze fotosinteze.
Svetla faza fotosinteze
Potreben pogoj za obstoj fotosinteze je sposobnost ustvarjanja membranskega potenciala. Doseže se s prenosom elektronov in protonov, zaradi česar nastane H + gradient, ki je 1000-krat večji kot v mitohondijskih membranah. Bolj ugodno je vzeti elektrone in protone iz vodnih molekul, da ustvarimo elektrokemični potencial v celici. Pod delovanjem ultravijoličnega fotona na tilakoidne membrane postane to na voljo. Elektron se izloči iz ene molekule vode, kipridobi pozitiven naboj, zato je za nevtralizacijo potrebno spustiti en proton. Posledično se 4 molekule vode razgradijo na elektrone, protone in tvorijo kisik.
veriga fotosinteznih procesov
Po fotolizi vode se membrana ponovno napolni. Tilakoidi so strukture, ki imajo lahko med prenosom protonov kisli pH. V tem času je pH v stromi kloroplasta rahlo alkalen. To ustvarja elektrokemični potencial, ki omogoča sintezo ATP. Molekule adenozin trifosfata bodo kasneje uporabljene za energetske potrebe in temno fazo fotosinteze. Zlasti ATP uporablja celica za izkoriščanje ogljikovega dioksida, kar dosežemo z njegovo kondenzacijo in sintezo molekul glukoze, ki temeljijo na njih.
V temni fazi se NADP-H+ reducira na NADP. Skupno je za sintezo ene molekule glukoze potrebno 18 molekul ATP, 6 molekul ogljikovega dioksida in 24 vodikovih protonov. To zahteva fotolizo 24 molekul vode za uporabo 6 molekul ogljikovega dioksida. Ta proces vam omogoča, da sprostite 6 molekul kisika, ki jih bodo kasneje uporabili drugi organizmi za svoje energetske potrebe. Hkrati so tilakoidi (v biologiji) primer membranske strukture, ki omogoča uporabo sončne energije in transmembranskega potenciala z gradientom pH, da jih pretvori v energijo kemičnih vezi.
