כלורופלסטים הם מבני ממברנה שבהם מתרחשת פוטוסינתזה. תהליך זה בצמחים גבוהים יותר ובציאנובקטריה אפשרה לכוכב הלכת לשמור על היכולת לתמוך בחיים על ידי ניצול פחמן דו חמצני וחידוש ריכוז החמצן. הפוטוסינתזה עצמה מתרחשת במבנים כגון thylakoids. אלו הם "מודולים" ממברניים של כלורופלסטים, שבהם מתרחשת העברת פרוטונים, פוטוליזה של מים, סינתזת גלוקוז ו-ATP.
מבנה של כלורופלסטים צמחיים
כלורופלסטים נקראים מבנים כפולים קרומיים הממוקמים בציטופלזמה של תאי צמחים וכלמידומונס. לעומת זאת, תאים ציאנובקטריאליים מבצעים פוטוסינתזה בתילקואידים, ולא בכלורופלסטים. זוהי דוגמה לאורגניזם לא מפותח שמסוגל לספק את התזונה שלו באמצעות אנזימי פוטוסינתזה הממוקמים על בליטות הציטופלזמה.
לפי המבנה שלו, הכלורופלסט הוא אברון דו-קרום בצורת בועה. הם ממוקמים במספרים גדולים בתאים של צמחים פוטוסינתטיים ומתפתחים רק במקרה שלמגע עם אור אולטרה סגול. בתוך הכלורופלסט נמצאת הסטרומה הנוזלית שלו. בהרכבו הוא דומה להיאלופלזמה ומורכב מ-85% מים, בהם מומסים אלקטרוליטים ומרחפים חלבונים. הסטרומה של הכלורופלסטים מכילה thylakoids, מבנים שבהם השלבים הבהירים והכהים של הפוטוסינתזה ממשיכים ישירות.
מכשיר תורשתי כלורופלסט
לצד התילקואידים יש גרגירים עם עמילן, שהוא תוצר של פילמור של גלוקוז המתקבל כתוצאה מפוטוסינתזה. באופן חופשי בסטרומה נמצאים DNA פלסטידי יחד עם ריבוזומים מפוזרים. יכולות להיות מספר מולקולות DNA. יחד עם המנגנון הביוסינתטי, הם אחראים על שחזור המבנה של הכלורופלסטים. זה קורה מבלי להשתמש במידע התורשתי של גרעין התא. תופעה זו מאפשרת גם לשפוט את האפשרות של צמיחה ורבייה עצמאיים של כלורופלסטים במקרה של חלוקת תאים. לכן, כלורופלסטים, במובנים מסוימים, אינם תלויים בגרעין התא ומייצגים, כביכול, אורגניזם סימביוטי לא מפותח.
מבנה של thylakoids
תילקואידים הם מבני קרום בצורת דיסק הממוקמים בסטרומה של כלורופלסטים. בציאנובקטריה, הם ממוקמים לחלוטין על פלישות של הממברנה הציטופלזמית, מכיוון שאין להם כלורופלסטים עצמאיים. ישנם שני סוגים של thylakoids: הראשון הוא thylakoid עם לומן, והשני הוא למלרי. ה-thylakoid עם לומן קטן יותר בקוטר והוא דיסק. מספר thylakoids המסודרים אנכית יוצרים גרנה.
תילקואידים למלריים הם לוחות רחבים שאין להם לומן. אבל הם פלטפורמה שאליה מחוברים גרגרים מרובים. אצלם, כמעט ולא מתרחשת פוטוסינתזה, מכיוון שהם נחוצים ליצירת מבנה חזק העמיד בפני נזק מכני לתא. בסך הכל, כלורופלסטים יכולים להכיל בין 10 ל-100 thylakoids עם לומן המסוגל לפוטוסינתזה. התילקואידים עצמם הם מבני היסוד האחראים לפוטוסינתזה.
תפקיד התילקואידים בפוטוסינתזה
התגובות החשובות ביותר של פוטוסינתזה מתרחשות ב-thylakoids. הראשון הוא פיצול הפוטוליזה של מולקולת המים וסינתזה של חמצן. השני הוא מעבר של פרוטון דרך הממברנה דרך הקומפלקס המולקולרי ציטוכרום b6f ושרשרת האלקטרוטרנספורט. גם ב-thylakoids מתרחשת הסינתזה של מולקולת ה-ATP עתירת האנרגיה. תהליך זה מתרחש עם שימוש בשיפוע פרוטונים שהתפתח בין קרום התילקואיד לסטרומה הכלורופלסט. משמעות הדבר היא שתפקידי התילקואידים מאפשרים לממש את כל שלב האור של הפוטוסינתזה.
שלב קל של פוטוסינתזה
תנאי הכרחי לקיומה של פוטוסינתזה הוא היכולת ליצור פוטנציאל ממברנה. היא מושגת באמצעות העברת אלקטרונים ופרוטונים, שבגללה נוצר שיפוע H+, שגדול פי 1000 מאשר בממברנות המיטוכונדריות. כדאי יותר לקחת אלקטרונים ופרוטונים ממולקולות מים כדי ליצור פוטנציאל אלקטרוכימי בתא. תחת פעולת פוטון אולטרה סגול על ממברנות התילקואיד, זה הופך זמין. אלקטרון נדפק מתוך מולקולת מים אחת, אשררוכש מטען חיובי, ולכן, כדי לנטרל אותו, יש צורך להפיל פרוטון אחד. כתוצאה מכך, 4 מולקולות מים מתפרקות לאלקטרונים, פרוטונים ויוצרות חמצן.
שרשרת תהליכי הפוטוסינתזה
לאחר הפוטוליזה של מים, הממברנה נטענת מחדש. תילקואידים הם מבנים שיכולים להיות בעלי pH חומצי במהלך העברת פרוטונים. בשלב זה, ה-pH בסטרומה של הכלורופלסט הוא מעט בסיסי. זה יוצר פוטנציאל אלקטרוכימי שמאפשר סינתזת ATP. מולקולות אדנוזין טריפוספט ישמשו מאוחר יותר לצרכי אנרגיה ולשלב האפל של הפוטוסינתזה. בפרט, ATP משמש את התא לניצול פחמן דו חמצני, אשר מושג על ידי עיבוי וסינתזה של מולקולות גלוקוז המבוססות עליהן.
בשלב החשוך, NADP-H+ מופחת ל-NADP. בסך הכל, סינתזה של מולקולת גלוקוז אחת דורשת 18 מולקולות ATP, 6 מולקולות פחמן דו חמצני ו-24 פרוטוני מימן. זה דורש פוטוליזה של 24 מולקולות מים כדי לנצל 6 מולקולות פחמן דו חמצני. תהליך זה מאפשר לך לשחרר 6 מולקולות חמצן, אשר בהמשך ישמשו אורגניזמים אחרים לצרכי האנרגיה שלהם. יחד עם זאת, thylakoids הם (בביולוגיה) דוגמה למבנה ממברנה המאפשר שימוש באנרגיה סולארית ופוטנציאל טרנסממברני עם שיפוע pH כדי להמיר אותם לאנרגיה של קשרים כימיים.
