Οι χλωροπλάστες είναι δομές μεμβράνης στις οποίες λαμβάνει χώρα η φωτοσύνθεση. Αυτή η διαδικασία στα ανώτερα φυτά και στα κυανοβακτήρια επέτρεψε στον πλανήτη να διατηρήσει την ικανότητα να υποστηρίζει τη ζωή χρησιμοποιώντας διοξείδιο του άνθρακα και αναπληρώνοντας τη συγκέντρωση οξυγόνου. Η ίδια η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα σε δομές όπως τα θυλακοειδή. Πρόκειται για μεμβρανικές «μονάδες» χλωροπλαστών, στις οποίες λαμβάνει χώρα μεταφορά πρωτονίων, φωτόλυση νερού, σύνθεση γλυκόζης και ATP.
Δομή φυτικών χλωροπλαστών
Οι χλωροπλάστες ονομάζονται δομές διπλής μεμβράνης που βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα των φυτικών κυττάρων και της χλαμυδομόνας. Αντίθετα, τα κυανοβακτηριακά κύτταρα πραγματοποιούν φωτοσύνθεση στα θυλακοειδή και όχι στους χλωροπλάστες. Αυτό είναι ένα παράδειγμα ενός υπανάπτυκτου οργανισμού που είναι σε θέση να παρέχει τη διατροφή του μέσω ενζύμων φωτοσύνθεσης που βρίσκονται σε προεξοχές του κυτταροπλάσματος.
Σύμφωνα με τη δομή του, ο χλωροπλάστης είναι ένα οργανίδιο δύο μεμβρανών με τη μορφή φυσαλίδας. Εντοπίζονται σε μεγάλους αριθμούς στα κύτταρα των φωτοσυνθετικών φυτών και αναπτύσσονται μόνο στην περίπτωσηεπαφή με το υπεριώδες φως. Μέσα στον χλωροπλάστη βρίσκεται το υγρό του στρώμα. Στη σύνθεσή του μοιάζει με υαλόπλασμα και αποτελείται από 85% νερό, στο οποίο διαλύονται ηλεκτρολύτες και αιωρούνται πρωτεΐνες. Το στρώμα των χλωροπλαστών περιέχει θυλακοειδή, δομές στις οποίες η φωτεινή και η σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης προχωρούν άμεσα.
Χλωροπλάστη κληρονομική συσκευή
Δίπλα στα θυλακοειδή υπάρχουν κόκκοι με άμυλο, το οποίο είναι προϊόν του πολυμερισμού της γλυκόζης που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης. Ελεύθερα στο στρώμα υπάρχουν πλαστιδικά DNA μαζί με διάσπαρτα ριβοσώματα. Μπορεί να υπάρχουν πολλά μόρια DNA. Μαζί με τη βιοσυνθετική συσκευή, είναι υπεύθυνοι για την αποκατάσταση της δομής των χλωροπλαστών. Αυτό συμβαίνει χωρίς τη χρήση των κληρονομικών πληροφοριών του κυτταρικού πυρήνα. Αυτό το φαινόμενο καθιστά επίσης δυνατό να κρίνουμε τη δυνατότητα ανεξάρτητης ανάπτυξης και αναπαραγωγής των χλωροπλαστών στην περίπτωση της κυτταρικής διαίρεσης. Επομένως, οι χλωροπλάστες, από ορισμένες απόψεις, δεν εξαρτώνται από τον πυρήνα του κυττάρου και αντιπροσωπεύουν, σαν να λέγαμε, έναν συμβιωτικό υπανάπτυκτο οργανισμό.
Δομή των θυλακοειδών
Τα θυλακοειδή είναι δομές μεμβράνης σε σχήμα δίσκου που βρίσκονται στο στρώμα των χλωροπλαστών. Στα κυανοβακτήρια, εντοπίζονται πλήρως στις κολπώσεις της κυτταροπλασματικής μεμβράνης, αφού δεν έχουν ανεξάρτητους χλωροπλάστες. Υπάρχουν δύο τύποι θυλακοειδών: το πρώτο είναι ένα θυλακοειδές με αυλό και το δεύτερο είναι ελασματοειδές. Το θυλακοειδή με αυλό είναι μικρότερης διαμέτρου και είναι δίσκος. Αρκετά θυλακοειδή διατεταγμένα κατακόρυφα σχηματίζουν μια γκράνα.
Τα φυλλοειδή θυλακοειδή είναι πλατιές πλάκες που δεν έχουν αυλό. Αλλά είναι μια πλατφόρμα στην οποία συνδέονται πολλαπλοί κόκκοι. Σε αυτά, η φωτοσύνθεση πρακτικά δεν συμβαίνει, καθώς χρειάζονται για να σχηματίσουν μια ισχυρή δομή που είναι ανθεκτική σε μηχανικές βλάβες στο κύτταρο. Συνολικά, οι χλωροπλάστες μπορούν να περιέχουν από 10 έως 100 θυλακοειδή με αυλό ικανό για φωτοσύνθεση. Τα ίδια τα θυλακοειδή είναι οι στοιχειώδεις δομές που είναι υπεύθυνες για τη φωτοσύνθεση.
Ο ρόλος των θυλακοειδών στη φωτοσύνθεση
Οι πιο σημαντικές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης λαμβάνουν χώρα στα θυλακοειδή. Το πρώτο είναι η διάσπαση φωτόλυσης του μορίου του νερού και η σύνθεση οξυγόνου. Το δεύτερο είναι η διέλευση ενός πρωτονίου μέσω της μεμβράνης μέσω του μοριακού συμπλέγματος του κυτοχρώματος b6f και της αλυσίδας ηλεκτρομεταφοράς. Επίσης στα θυλακοειδή γίνεται η σύνθεση του μορίου ATP υψηλής ενέργειας. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει με τη χρήση μιας βαθμίδας πρωτονίου που έχει αναπτυχθεί μεταξύ της μεμβράνης του θυλακοειδούς και του στρώματος του χλωροπλάστη. Αυτό σημαίνει ότι οι λειτουργίες των θυλακοειδών καθιστούν δυνατή την πραγματοποίηση ολόκληρης της φωτεινής φάσης της φωτοσύνθεσης.
Ελαφριά φάση της φωτοσύνθεσης
Απαραίτητη προϋπόθεση για την ύπαρξη φωτοσύνθεσης είναι η ικανότητα δημιουργίας δυναμικού μεμβράνης. Επιτυγχάνεται μέσω της μεταφοράς ηλεκτρονίων και πρωτονίων, λόγω της οποίας δημιουργείται μια βαθμίδα H +, η οποία είναι 1000 φορές μεγαλύτερη από ότι στις μιτοχονδριακές μεμβράνες. Είναι πιο πλεονεκτικό να λαμβάνονται ηλεκτρόνια και πρωτόνια από μόρια νερού για να δημιουργηθεί ένα ηλεκτροχημικό δυναμικό σε ένα κύτταρο. Κάτω από τη δράση ενός υπεριώδους φωτονίου στις θυλακοειδείς μεμβράνες, αυτό γίνεται διαθέσιμο. Ένα ηλεκτρόνιο εκτινάσσεται από ένα μόριο νερού, το οποίοαποκτά θετικό φορτίο και επομένως, για να το εξουδετερώσει, είναι απαραίτητο να ρίξει ένα πρωτόνιο. Ως αποτέλεσμα, 4 μόρια νερού διασπώνται σε ηλεκτρόνια, πρωτόνια και σχηματίζουν οξυγόνο.
Η αλυσίδα των διαδικασιών φωτοσύνθεσης
Μετά τη φωτόλυση του νερού, η μεμβράνη επαναφορτίζεται. Τα θυλακοειδή είναι δομές που μπορούν να έχουν όξινο pH κατά τη μεταφορά πρωτονίων. Αυτή τη στιγμή, το pH στο στρώμα του χλωροπλάστη είναι ελαφρώς αλκαλικό. Αυτό δημιουργεί ένα ηλεκτροχημικό δυναμικό που καθιστά δυνατή τη σύνθεση ATP. Τα μόρια τριφωσφορικής αδενοσίνης θα χρησιμοποιηθούν αργότερα για ενεργειακές ανάγκες και τη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης. Συγκεκριμένα, το ATP χρησιμοποιείται από το κύτταρο για τη χρήση του διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο επιτυγχάνεται με τη συμπύκνωση και τη σύνθεση των μορίων γλυκόζης που βασίζονται σε αυτά.
Στη σκοτεινή φάση, το NADP-H+ μειώνεται σε NADP. Συνολικά, η σύνθεση ενός μορίου γλυκόζης απαιτεί 18 μόρια ATP, 6 μόρια διοξειδίου του άνθρακα και 24 πρωτόνια υδρογόνου. Αυτό απαιτεί φωτόλυση 24 μορίων νερού για να χρησιμοποιηθούν 6 μόρια διοξειδίου του άνθρακα. Αυτή η διαδικασία σας επιτρέπει να απελευθερώσετε 6 μόρια οξυγόνου, τα οποία αργότερα θα χρησιμοποιηθούν από άλλους οργανισμούς για τις ενεργειακές τους ανάγκες. Ταυτόχρονα, τα θυλακοειδή είναι (στη βιολογία) ένα παράδειγμα δομής μεμβράνης που επιτρέπει τη χρήση ηλιακής ενέργειας και διαμεμβρανικού δυναμικού με κλίση pH για τη μετατροπή τους σε ενέργεια χημικών δεσμών.
