Хлоропласти є мембранними структурами, в яких відбувається фотосинтез. Цей процес у вищих рослин і ціанобактерій дозволив планеті зберегти здатність підтримувати життя за рахунок утилізації вуглекислого газу і заповнення концентрації кисню. Сам фотосинтез відбувається в таких структурах, як тилакоиди. Це мембранні «модулі» хлоропластів, в яких протікає перенесення протонів, фотоліз води, синтез глюкози і АТФ.
Будова хлоропластів рослин
Хлоропластами називаються двухмембранние структури, які розташовані в цитоплазмі рослинних клітин і хламидомонад. На відміну від них, клітини ціанобактерій здійснюють фотосинтез у тилакоидах, а не в хлоропластах. Це приклад низкоразвитого організму, який здатний забезпечувати своє харчування за рахунок ферментів фотосинтезу, розташованих на впячиваниях цитоплазми.
По своїй структурі хлоропласт є двухмембранной органеллой у вигляді пухирця. Вони у великій кількості розташовані в клітинах фотосинтезуючих рослин і розвиваються тільки в разі контакту з ультрафіолетом. Усередині хлоропласта знаходиться його рідка строма. За своїм складом вона нагадує гиалоплазму і на 85% складається з води, в якій розчинені електроліти і зважені білки. Строма хлоропластів містить тилакоиди, структури, в яких безпосередньо протікає світлова і темнова фаза фотосинтезу.
Спадковий апарат хлоропласту
Поряд з тилакоидами є гранули з крохмалем, який є продуктом полімеризації глюкози, отриманої в результаті фотосинтезу. Вільно в стромі знаходяться і ДНК пластиди разом з розрізненими рибосомами. Молекул ДНК може бути кілька. Вони разом з биосинтетическим апаратом відповідають за відновлення структури хлоропластів. Це відбувається без використання спадкової інформації ядра клітини. Дане явище дозволяє судити і про можливість самостійного росту і розмноження хлоропластів у разі поділу клітини. Тому хлоропласти в деякому плані не залежать від ядра клітини і представляють як би симбионтний низкоразвитий організм.
Будова тилакоидов
Тилакоіди — це мембранні структури у вигляді дисків, розташовані у стромі хлоропластів. У ціанобактерій вони розташовані на впячиваниях цитоплазматичної мембрани, так як у них немає самостійних хлоропластів. Існує два види тилакоидов: перший — це тилакоид з люменом, а другий — ламеллярний. Тилакоид з люменом менше по діаметру і являє собою диск. Кілька тилакоидов, складених по вертикалі, утворюють грану.
Ламеллярние тилакоиди — це широкі пластинки, які не мають люмена. Але вони є майданчиком, до якої кріпляться множинні грани. У них фотосинтез практично не протікає, так як вони потрібні для утворення міцної структури, стійкою до механічних пошкоджень клітини. Всього в хлоропластах може перебувати від 10 до 100 тилакоидов з люменом, здатних до фотосинтезу. Самі тилакоиди — це елементарні структури, відповідальні за фотосинтез.
Роль тилакоидов у фотосинтезі
У тилакоидах протікають найважливіші реакції фотосинтезу. Перша — це фотолизное розщеплення молекули води і синтез кисню. Друга — транзит протона через мембрану за допомогою цитохромного молекулярного комплексу b6f і электротранспортной ланцюга. Також в тилакоидах протікає синтез макроэргической молекули АТФ. Цей процес відбувається з використання протонного градієнта, що склався між мембраною тилакоида і стромою хлоропласта. Це означає, що функції тилакоидов дозволяють реалізувати всю світлову фазу фотосинтезу.
Світлова фаза фотосинтезу
Необхідною умовою існування фотосинтезу є можливість створення мембранного потенціалу. Він досягається за рахунок перенесення електронів і протонів, завдяки чому створюється Н+ градієнт, який в 1000 разів більше, ніж у мембранах мітохондрій. Електрони і протони для створення електрохімічного потенціалу в клітці вигідніше взяти з молекул води. Під дією ультрафіолетового фотона на мембранах тилакоидов це стає доступним. Відбувається вибивання електрона з однієї молекули води, яка здобуває позитивний заряд, а тому для її нейтралізації потрібно скинути один протон. У результаті 4 молекули води розпадається на електрони, протони і утворює кисень.
Ланцюг процесів фотосинтезу
Після фотолиза води відбувається перезарядження мембрани. Тилакоіди — це структури, які в ході переносу протонів можуть мати кислу рН. В цей час в стромі хлоропласта рН слаболужна. Це генерує електрохімічний потенціал, завдяки якому стає можливим синтез АТФ. Молекули аденозинтрифосфату пізніше будуть використані для енергетичних потреб та темнової фази фотосинтезу. Зокрема, АТФ використовується клітиною для утилізації вуглекислого газу, що досягається шляхом його конденсації та синтезу на їх основі молекули глюкози. Попутно в темновую фазу відновлюється НАДФ-Н+ до НАДФ. Всього для синтезу однієї молекули глюкози потрібно 18 молекул АТФ, 6 молекул вуглекислого газу і 24 протона водню. Це вимагає фотолиза 24 молекул води на утилізацію 6 молекул вуглекислого газу. Даний процес дозволяє звільнити 6 молекул кисню, який пізніше буде використовуватися іншими організмами для своїх енергетичних потреб. При цьому тилакоиди — це (в біології) приклад мембранної структури, яка дозволяє використовувати сонячну енергію і трансмембранний потенціал з градієнтом рН для перетворення їх в енергію хімічних зв'язків.
