Хлоропластите са малки електроцентрали, които улавят светлинна енергия за производство на нишестета и захари, които стимулират растежа на растенията.
Те се намират вътре растителни клетки в листата на растенията и в зелените и червените водорасли, както и в цианобактериите. Хлоропластите позволяват на растенията да произвеждат сложни химикали, необходими за живота, от прости, неорганични вещества като въглероден диоксид, вода и минерали.
Като производство на храни автотрофи, растенията формират основата на хранителна верига, подкрепящ всички потребители на по-високо ниво като насекоми, риби, птици и бозайници чак до хората.
Клетъчните хлоропласти са като малки фабрики, които произвеждат гориво. По този начин именно хлоропластите в зелените растителни клетки правят живота на Земята възможен.
Какво има вътре в хлоропласт - структурата на хлоропласта
Въпреки че хлоропластите са микроскопични шушулки вътре в малки растителни клетки, те имат сложна структура, която им позволява да улавят светлинна енергия и да я използват за събиране на въглехидрати на молекулярно ниво.
Основните структурни компоненти са както следва:
- Външен и вътрешен слой с междумембранно пространство между тях.
- Вътре във вътрешната мембрана са рибозоми и тилакоиди.
- Вътрешната мембрана съдържа воден желе, наречено строма.
- Течността на стромата съдържа ДНК на хлоропласта, както и протеини и нишестета. Там се извършва образуването на въглехидрати от фотосинтезата.
Функцията на хлоропластните рибозоми и тилкаоиди
The рибозоми са клъстери от протеини и нуклеотиди, които произвеждат ензими и други сложни молекули, необходими на хлоропласта.
Те присъстват в голям брой във всички живи клетки и произвеждат сложни клетъчни вещества като протеини съгласно инструкциите от РНК генетичен код молекули.
The тилакоиди са вградени в стромата. В растенията те образуват затворени дискове, които са подредени в наречени стекове грана, с един стек, наречен гранум. Те се състоят от тилакоидна мембрана, заобикаляща лумена, воден киселинен материал, съдържащ протеини и улесняващ химичните реакции на хлоропласта.
Ламели образуват връзки между дисковете grana, свързващи лумена на различните стекове.
Светлочувствителната част от фотосинтезата се извършва върху тилакоидната мембрана, където хлорофил абсорбира светлинната енергия и я превръща в химическа енергия, използвана от растението.
Хлорофил: Източникът на хлоропластна енергия
Хлорофил е фоторецептор пигмент, открит във всички хлоропласти.
Когато светлината удари листата на растението или повърхността на водораслите, тя прониква в хлоропластите и се отразява от тилакоидните мембрани. Поразен от светлината, хлорофилът в мембраната отделя електрони, които хлоропластът използва за по-нататъшни химични реакции.
Хлорофилът в растенията и зелените водорасли е предимно зеленият хлорофил, наречен хлорофил а, най-често срещаният тип. Той абсорбира виолетово-синя и червеникаво оранжево-червена светлина, докато отразява зелена светлина, придавайки на растенията своите характерен зелен цвят.
Други видове хлорофил са типове от b до e, които поглъщат и отразяват различни цветове.
Хлорофилът тип b например се намира в водораслите и поглъща малко зелена светлина в допълнение към червената. Това поглъщане на зелена светлина може да е резултат от организми, еволюиращи близо до повърхността на океана, тъй като зелената светлина може да проникне само на кратко разстояние във водата.
Червената светлина може да пътува по-далеч под повърхността.
Хлоропластните мембрани и междумембранното пространство
Хлоропластите произвеждат въглехидрати като глюкоза и сложни протеини, които са необходими другаде в клетките на растението.
Тези материали трябва да могат да излязат от хлоропласта и да поддържат общия метаболизъм на клетките и растенията. В същото време хлоропластите се нуждаят от вещества, произведени другаде в клетките.
Хлоропластните мембрани регулират движението на молекулите във и извън хлоропласта, като позволяват на малки молекули да преминат, докато се използват специални транспортни механизми за големи молекули. Както вътрешната, така и външната мембрана са полупропускливи, което позволява дифузия на малки молекули и йони.
Тези вещества пресичат междумембранното пространство и проникват в полупропускливите мембрани.
Големите молекули като сложни протеини се блокират от двете мембрани. Вместо това за такива сложни вещества са налични специални транспортни механизми, които позволяват на определени вещества да преминат през двете мембрани, докато други са блокирани.
Външната мембрана има транслокационен протеинов комплекс за транспортиране на определени материали през мембраната, а вътрешната мембрана има съответния и подобен комплекс за специфичните си преходи.
Тези селективни транспортни механизми са особено важни, тъй като вътрешната мембрана синтезира липиди, мастни киселини и каротеноиди необходими за собствения метаболизъм на хлоропласта.
Тилакоидната система
Тилакоидната мембрана е частта от тилакоида, която е активна в първия етап на фотосинтезата.
При растенията тилакоидната мембрана обикновено образува затворени, тънки чували или дискове, които са подредени в грана и остават на място, заобиколени от течността на стромата.
Разположението на тилакоидите в спирални купчини позволява плътно набиране на тилакоидите и сложна структура с висока площ на тилакоидната мембрана.
За по-прости организми тилакоидите могат да бъдат с неправилна форма и да са свободно плаващи. Във всеки случай светлината, удряща тилакоидната мембрана, инициира светлинната реакция в организма.
Химичната енергия, отделяна от хлорофила, се използва за разделяне на водните молекули на водород и кислород. Кислородът се използва от организма за дишане или се освобождава в атмосферата, докато водородът се използва за образуването на въглехидрати.
Въглеродът за този процес идва от въглероден диоксид в процес, наречен въглеродна фиксация.
Стромата и произходът на ДНК на хлоропласта
Процесът на фотосинтеза се състои от две части: светлинно зависими реакции които започват със светлина, взаимодействаща с хлорофил и тъмни реакции (известен още като независими от светлината реакции), които фиксират въглерода и произвеждат глюкоза.
Светлинните реакции се извършват само през деня, когато светлинната енергия удря растението, докато тъмните реакции могат да се осъществят по всяко време. Светлинните реакции започват в тилакоидната мембрана, докато въглеродното фиксиране на тъмните реакции се извършва в стромата, желеобразна течност, заобикаляща тилакоидите.
В допълнение към приемането на тъмните реакции и тилакоидите, стромата съдържа хлоропластната ДНК и хлоропластните рибозоми.
В резултат на това хлоропластите имат собствен източник на енергия и могат да се размножават сами, без да разчитат на клетъчното делене.
Научете за сродните клетъчни органели в еукариотните клетки: клетъчна мембрана и клетъчна стена.
Тази способност може да бъде проследена до еволюцията на прости клетки и бактерии. Цианобактерията трябва да е влязла в ранна клетка и е била оставена да остане, тъй като споразумението е станало взаимно полезно.
С течение на времето цианобактерията еволюира в хлоропласта органела.
Фиксиране на въглерод в тъмните реакции
Фиксирането на въглерод в стромата на хлоропласта става след разделяне на водата на водород и кислород по време на светлинните реакции.
Протоните от водородните атоми се изпомпват в лумена вътре в тилакоидите, което го прави кисел. В тъмните реакции на фотосинтезата протоните дифузират обратно от лумена в стромата чрез ензим, наречен АТФ синтаза.
Тази дифузия на протон чрез АТФ синтаза произвежда ATP, химикал за съхранение на енергия за клетки.
Ензимът RuBisCO се намира в стромата и фиксира въглерод от CO2 за получаване на шест въглеродни въглехидратни молекули, които са нестабилни.
Когато нестабилните молекули се разпадат, АТФ се използва за превръщането им в прости захарни молекули. Захарните въглехидрати могат да се комбинират, за да образуват по-големи молекули като глюкоза, фруктоза, захароза и нишесте, като всички те могат да се използват в метаболизма на клетките.
Когато въглехидратите се образуват в края на процеса на фотосинтеза, хлоропластите на растението се отстраняват въглерод от атмосферата и го използва за създаване на храна за растението и в крайна сметка за всички останали живи нещата.
Освен че формира основата на хранителната верига, фотосинтезата в растенията намалява количеството на въглеродния диоксид парников газ в атмосферата. По този начин растенията и водораслите чрез фотосинтеза в своите хлоропласти помагат за намаляване на ефектите от изменението на климата и глобалното затопляне.