Chloroplasten zijn kleine krachtpatsers van planten die licht energie om de zetmelen en suikers te produceren die de plantengroei voeden.
Ze zijn binnen te vinden planten cellen in plantenbladeren en in groene en rode algen en in cyanobacteriën. Met chloroplasten kunnen planten de complexe chemicaliën produceren die nodig zijn voor het leven uit eenvoudige, anorganische stoffen zoals koolstofdioxide, water en mineralen.
Als voedselproducerend autotrofen, planten vormen de basis van de voedselketen, ter ondersteuning van alle consumenten op een hoger niveau, zoals insecten, vissen, vogels en zoogdieren tot en met de mens.
De celchloroplasten zijn als kleine fabriekjes die brandstof produceren. Op deze manier zijn het de chloroplasten in groene plantencellen die het leven op aarde mogelijk maken.
Wat zit er in een chloroplast - de chloroplaststructuur?
Hoewel chloroplasten microscopisch kleine peulen zijn in kleine plantencellen, hebben ze een complexe structuur waardoor ze lichtenergie kunnen opvangen en gebruiken om koolhydraten op moleculair niveau samen te stellen.
De belangrijkste structurele componenten zijn als volgt:
- Een buitenste en binnenste laag met een intermembrane ruimte ertussen.
- Binnen het binnenste membraan zijn ribosomen en thylakoïden.
- Het binnenmembraan bevat een waterige gelei, de stroma.
- De stromavloeistof bevat het chloroplast-DNA, evenals eiwitten en zetmeel. Het is waar de vorming van koolhydraten uit fotosynthese plaatsvindt.
De functie van chloroplast-ribosomen en thylkaoïden
De ribosomen zijn clusters van eiwitten en nucleotiden die enzymen en andere complexe moleculen produceren die nodig zijn voor de chloroplast.
Ze zijn in grote aantallen aanwezig in alle levende cellen en produceren complexe celstoffen zoals eiwitten volgens de instructies van RNA genetische code moleculen.
De thylakoïden zijn ingebed in het stroma. In planten vormen ze gesloten schijven die zijn gerangschikt in stapels genaamd grana, met een enkele stapel genaamd een granum. Ze bestaan uit een thylakoïde membraan dat het lumen omringt, een waterig zuur materiaal dat eiwitten bevat en de chemische reacties van de chloroplast faciliteert.
Lamellen vormen verbindingen tussen de grana-schijven en verbinden het lumen van de verschillende stapels.
Het lichtgevoelige deel van de fotosynthese vindt plaats op het thylakoïde membraan waar chlorofyl absorbeert lichtenergie en zet deze om in chemische energie die door de plant wordt gebruikt.
Chlorofyl: de bron van chloroplastenergie
chlorofyl is een fotoreceptor pigment dat in alle chloroplasten voorkomt.
Wanneer licht het blad van een plant of het oppervlak van algen raakt, dringt het door in de chloroplasten en weerkaatst het op de thylakoïde membranen. Getroffen door licht, geeft het chlorofyl in het membraan elektronen af die de chloroplast gebruikt voor verdere chemische reacties.
Chlorofyl in planten en groene algen is voornamelijk het groene chlorofyl genaamd chlorofyl a, het meest voorkomende type. Het absorbeert violetblauw en roodachtig oranjerood licht terwijl het groen licht reflecteert, waardoor planten hun karakteristieke groene kleur.
andere soorten chlorofyl zijn typen b tot en met e, die verschillende kleuren absorberen en reflecteren.
Chlorofyl type b komt bijvoorbeeld voor in algen en absorbeert naast rood ook wat groen licht. Deze absorptie van groen licht kan het gevolg zijn van organismen die zich nabij het oppervlak van de oceaan ontwikkelen, omdat groen licht slechts een korte afstand in het water kan doordringen.
Rood licht kan verder onder het oppervlak reizen.
De chloroplastmembranen en intermembraanruimte
Chloroplasten produceren koolhydraten zoals glucose en complexe eiwitten die elders in de plantencellen nodig zijn.
Deze materialen moeten de chloroplast kunnen verlaten en het algemene cel- en plantenmetabolisme ondersteunen. Tegelijkertijd hebben chloroplasten stoffen nodig die elders in de cellen worden geproduceerd.
De chloroplastmembranen reguleren de beweging van moleculen in en uit de chloroplast door kleine moleculen door te laten tijdens het gebruik speciale transportmechanismen voor grote moleculen. Zowel de binnen- als buitenmembranen zijn semi-permeabel, waardoor de diffusie van kleine moleculen en ionen.
Deze stoffen passeren de intermembraanruimte en dringen de semi-permeabele membranen binnen.
Grote moleculen zoals complexe eiwitten worden geblokkeerd door de twee membranen. In plaats daarvan zijn er voor dergelijke complexe stoffen speciale transportmechanismen beschikbaar om bepaalde stoffen de twee membranen te laten passeren, terwijl andere worden geblokkeerd.
Het buitenmembraan heeft een translocatie-eiwitcomplex om bepaalde materialen door het membraan te transporteren, en het binnenmembraan heeft een overeenkomstig en vergelijkbaar complex voor zijn specifieke overgangen.
Deze selectieve transportmechanismen zijn vooral belangrijk omdat het binnenmembraan lipiden synthetiseert, vetzuren en carotenoïden die nodig zijn voor het eigen metabolisme van de chloroplast.
Het thylakoïde systeem
Het thylakoïde membraan is het deel van het thylakoïde dat actief is in de eerste fase van de fotosynthese.
In planten vormt het thylakoïdemembraan over het algemeen gesloten, dunne zakken of schijven die in grana worden gestapeld en op hun plaats blijven, omringd door de stroma-vloeistof.
De rangschikking van de thylakoïden in spiraalvormige stapels zorgt voor een strakke pakking van de thylakoïden en een complexe structuur met een hoog oppervlak van het thylakoïde-membraan.
Voor eenvoudigere organismen kunnen de thylakoïden een onregelmatige vorm hebben en vrij zwevend zijn. In elk geval initieert licht dat op het thylakoïde membraan valt de lichtreactie in het organisme.
De chemische energie die vrijkomt door chlorofyl wordt gebruikt om watermoleculen te splitsen in waterstof en zuurstof. De zuurstof wordt door het organisme gebruikt voor de ademhaling of wordt afgegeven aan de atmosfeer terwijl de waterstof wordt gebruikt bij de vorming van koolhydraten.
De koolstof voor dit proces is afkomstig van koolstofdioxide in een proces genaamd Koolstoffixatie.
Het stroma en de oorsprong van chloroplast-DNA
Het proces van fotosynthese bestaat uit twee delen: de lichtafhankelijke reacties die beginnen met licht dat in wisselwerking staat met chlorofyl en de donkere reacties (ook bekend als lichtonafhankelijke reacties) die koolstof fixeren en glucose produceren.
Lichtreacties vinden alleen overdag plaats wanneer lichtenergie de plant raakt, terwijl donkerreacties op elk moment kunnen plaatsvinden. De lichtreacties beginnen in het thylakoïdemembraan, terwijl de koolstoffixatie van de donkere reacties plaatsvindt in het stroma, de geleiachtige vloeistof die de thylakoïden omringt.
Naast het hosten van de donkere reacties en de thylakoïden, bevat het stroma het chloroplast-DNA en de chloroplast-ribosomen.
Hierdoor hebben de chloroplasten hun eigen energiebron en kunnen ze zichzelf vermenigvuldigen, zonder afhankelijk te zijn van celdeling.
Meer informatie over verwante celorganellen in eukaryote cellen: celmembraan en celwand.
Dit vermogen is terug te voeren op de evolutie van eenvoudige cellen en bacteriën. Een cyanobacterie moet een vroege cel zijn binnengekomen en mocht blijven omdat de regeling voor beide partijen voordelig werd.
Na verloop van tijd evolueerde de cyanobacterie tot de chloroplast organel.
Koolstoffixatie in het donker Reacties
Koolstoffixatie in het chloroplast-stroma vindt plaats nadat water tijdens de lichtreacties is gesplitst in waterstof en zuurstof.
De protonen van de waterstofatomen worden in het lumen in de thylakoïden gepompt, waardoor het zuur wordt. In de donkere reacties van fotosynthese diffunderen de protonen terug uit het lumen in het stroma via een enzym genaamd ATP-synthase.
Deze protondiffusie door ATP-synthase produceert ATP, een chemische stof voor energieopslag voor cellen.
het enzym RuBisCO wordt gevonden in het stroma en fixeert koolstof uit CO2 om zes-koolstofkoolhydraatmoleculen te produceren die onstabiel zijn.
Wanneer de onstabiele moleculen afbreken, wordt ATP gebruikt om ze om te zetten in eenvoudige suikermoleculen. De suikerkoolhydraten kunnen worden gecombineerd om grotere moleculen te vormen, zoals glucose, fructose, sucrose en zetmeel, die allemaal kunnen worden gebruikt in het celmetabolisme.
Wanneer zich koolhydraten vormen aan het einde van het fotosyntheseproces, zijn de chloroplasten van de plant verwijderd koolstof uit de atmosfeer en gebruikte het om voedsel te creëren voor de plant en, uiteindelijk, voor alle andere levende wezens dingen.
Naast het vormen van de basis van de voedselketen, vermindert fotosynthese in planten de hoeveelheid koolstofdioxide broeikasgas in de atmosfeer. Op deze manier helpen planten en algen, door middel van fotosynthese in hun chloroplasten, de effecten van klimaatverandering en opwarming van de aarde te verminderen.