I cloroplasti sono piccole centrali elettriche che catturano energia luminosa per produrre gli amidi e gli zuccheri che alimentano la crescita delle piante.
Si trovano all'interno cellule vegetali nelle foglie delle piante, nelle alghe verdi e rosse e nei cianobatteri. I cloroplasti consentono alle piante di produrre le complesse sostanze chimiche necessarie per la vita da sostanze semplici e inorganiche come anidride carbonica, acqua e minerali.
Come produttori di cibo autotrofi, le piante costituiscono la base del catena alimentare, supportando tutti i consumatori di livello superiore come insetti, pesci, uccelli e mammiferi fino all'uomo.
I cloroplasti cellulari sono come piccole fabbriche che producono carburante. In questo modo, sono i cloroplasti nelle cellule vegetali verdi che rendono possibile la vita sulla Terra.
Cosa c'è dentro un cloroplasto: la struttura del cloroplasto
Sebbene i cloroplasti siano baccelli microscopici all'interno di minuscole cellule vegetali, hanno una struttura complessa che consente loro di catturare l'energia luminosa e utilizzarla per assemblare carboidrati a livello molecolare.
I principali componenti strutturali sono i seguenti:
- Uno strato esterno e uno interno con uno spazio intermembrana tra di loro.
- All'interno della membrana interna sono ribosomi e tilacoidi.
- La membrana interna contiene una gelatina acquosa chiamata the stroma.
- Il fluido stromale contiene il DNA dei cloroplasti, proteine e amidi. È qui che avviene la formazione dei carboidrati dalla fotosintesi.
La funzione dei ribosomi e dei tilcaoidi del cloroplasto
Il ribosomi sono gruppi di proteine e nucleotidi che producono enzimi e altre molecole complesse richieste dal cloroplasto.
Sono presenti in gran numero in tutte le cellule viventi e producono sostanze cellulari complesse come le proteine secondo le istruzioni di codice genetico RNARNA molecole.
Il tilacoidi sono incorporati nello stroma. Nelle piante formano dischi chiusi che sono disposti in pile chiamate grana, con un singolo stack chiamato granum. Sono costituiti da una membrana tilacoide che circonda il lume, un materiale acquoso acido contenente proteine e che facilita le reazioni chimiche del cloroplasto.
lamelle formano collegamenti tra i dischi di grana, collegando il lume dei diversi stack.
La parte sensibile alla luce della fotosintesi avviene sulla membrana tilacoide dove clorofilla assorbe l'energia luminosa e la trasforma in energia chimica utilizzata dalla pianta.
Clorofilla: la fonte di energia del cloroplasto
Clorofilla è un fotorecettore pigmento presente in tutti i cloroplasti.
Quando la luce colpisce la foglia di una pianta o la superficie delle alghe, penetra nei cloroplasti e si riflette sulle membrane tilacoidi. Colpita dalla luce, la clorofilla nella membrana emette elettroni che il cloroplasto utilizza per ulteriori reazioni chimiche.
La clorofilla nelle piante e nelle alghe verdi è principalmente la clorofilla verde chiamata clorofilla a, il tipo più comune. Assorbe la luce viola-blu e rossastra-arancione mentre riflette la luce verde, dando alle piante il loro caratteristico colore verde.
Altro tipi di clorofilla sono i tipi da b a e, che assorbono e riflettono colori diversi.
La clorofilla di tipo b, ad esempio, si trova nelle alghe e assorbe una parte della luce verde oltre a quella rossa. Questo assorbimento della luce verde può essere il risultato di organismi che si evolvono vicino alla superficie dell'oceano perché la luce verde può penetrare nell'acqua solo per una breve distanza.
La luce rossa può viaggiare più lontano sotto la superficie.
Le membrane dei cloroplasti e lo spazio intermembrana
I cloroplasti producono carboidrati come glucosio e proteine complesse che sono necessarie altrove nelle cellule della pianta.
Questi materiali devono essere in grado di uscire dal cloroplasto e supportare il metabolismo generale delle cellule e delle piante. Allo stesso tempo, i cloroplasti hanno bisogno di sostanze prodotte altrove nelle cellule.
Le membrane dei cloroplasti regolano il movimento delle molecole dentro e fuori il cloroplasto consentendo il passaggio di piccole molecole durante l'utilizzo meccanismi di trasporto speciali per grandi molecole Sia la membrana interna che quella esterna sono semipermeabili, consentendo il diffusione di piccole molecole e ioni.
Queste sostanze attraversano lo spazio intermembrana e penetrano nelle membrane semipermeabili.
Grandi molecole come le proteine complesse sono bloccate dalle due membrane. Per sostanze così complesse, invece, sono disponibili speciali meccanismi di trasporto per consentire a sostanze specifiche di attraversare le due membrane mentre altre vengono bloccate.
La membrana esterna ha un complesso proteico di traslocazione per trasportare determinati materiali attraverso la membrana e la membrana interna ha un complesso corrispondente e simile per le sue transizioni specifiche.
Questi meccanismi di trasporto selettivo sono particolarmente importanti perché la membrana interna sintetizza i lipidi, acidi grassi e carotenoidi che sono necessari per il metabolismo del cloroplasto.
Il sistema tilacoide
La membrana tilacoide è la parte del tilacoide che è attiva nella prima fase della fotosintesi.
Nelle piante, la membrana tilacoide forma generalmente sacchi o dischi chiusi e sottili che sono impilati in grana e rimangono in posizione, circondati dal fluido dello stroma.
La disposizione dei tilacoidi in pile elicoidali consente un imballaggio stretto dei tilacoidi e una struttura complessa e ad alta superficie della membrana tilacoide.
Per gli organismi più semplici, i tilacoidi possono avere una forma irregolare e fluttuare liberamente. In ogni caso, la luce che colpisce la membrana tilacoide avvia la reazione alla luce nell'organismo.
L'energia chimica rilasciata dalla clorofilla viene utilizzata per scindere le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno. L'ossigeno viene utilizzato dall'organismo per la respirazione o viene rilasciato nell'atmosfera mentre l'idrogeno viene utilizzato nella formazione dei carboidrati.
Il carbonio per questo processo proviene dall'anidride carbonica in un processo chiamato fissazione del carbonio.
Lo stroma e l'origine del DNA dei cloroplasti
Il processo di fotosintesi è composto da due parti: la reazioni dipendenti dalla luce che iniziano con la luce che interagisce con la clorofilla e la reazioni oscure (aka reazioni indipendenti dalla luce) che fissano il carbonio e producono glucosio.
Le reazioni alla luce avvengono solo durante il giorno quando l'energia luminosa colpisce la pianta mentre le reazioni al buio possono avvenire in qualsiasi momento. Le reazioni luminose iniziano nella membrana tilacoide mentre il fissaggio del carbonio delle reazioni scure avviene nello stroma, il liquido gelatinoso che circonda i tilacoidi.
Oltre ad ospitare le reazioni oscure e i tilacoidi, lo stroma contiene il DNA dei cloroplasti e i ribosomi dei cloroplasti.
Di conseguenza, i cloroplasti hanno una propria fonte di energia e possono moltiplicarsi da soli, senza fare affidamento sulla divisione cellulare.
Ulteriori informazioni sugli organelli cellulari correlati nelle cellule eucariotiche: membrana cellulare e parete cellulare.
Questa capacità può essere ricondotta all'evoluzione di cellule e batteri semplici. Un cianobatterio deve essere entrato in una cellula primitiva e gli è stato permesso di rimanere perché la disposizione è diventata reciprocamente vantaggiosa.
Col tempo, il cianobatterio si è evoluto nel cloroplasto organello.
Fissaggio del carbonio nelle reazioni al buio
Il fissaggio del carbonio nello stroma del cloroplasto avviene dopo che l'acqua si è scissa in idrogeno e ossigeno durante le reazioni alla luce.
I protoni degli atomi di idrogeno vengono pompati nel lume all'interno dei tilacoidi, rendendolo acido. Nelle reazioni oscure della fotosintesi, i protoni si diffondono indietro dal lume nello stroma tramite un enzima chiamato ATP sintasi.
Questa diffusione di protoni attraverso l'ATP sintasi produce ATP, una sostanza chimica di accumulo di energia per le cellule.
L'enzima RuBisCO si trova nello stroma e fissa il carbonio dalla CO2 per produrre molecole di carboidrati a sei atomi di carbonio che sono instabili.
Quando le molecole instabili si decompongono, l'ATP viene utilizzato per convertirle in semplici molecole di zucchero. I carboidrati dello zucchero possono essere combinati per formare molecole più grandi come glucosio, fruttosio, saccarosio e amido, tutte utilizzabili nel metabolismo cellulare.
Quando i carboidrati si formano alla fine del processo di fotosintesi, i cloroplasti della pianta sono stati rimossi carbonio dall'atmosfera e lo usò per creare cibo per la pianta e, infine, per tutti gli altri viventi cose.
Oltre a costituire la base della catena alimentare, la fotosintesi nelle piante riduce la quantità di anidride carbonica gas serra nell'atmosfera. In questo modo le piante e le alghe, attraverso la fotosintesi nei loro cloroplasti, aiutano a ridurre gli effetti dei cambiamenti climatici e del riscaldamento globale.