Chloroplasty jsou membránové struktury, ve kterých probíhá fotosyntéza. Tento proces u vyšších rostlin a sinic umožnil planetě zachovat si schopnost podporovat život využitím oxidu uhličitého a doplňováním koncentrace kyslíku. Samotná fotosyntéza probíhá ve strukturách, jako jsou tylakoidy. Jedná se o membránové „moduly“chloroplastů, ve kterých probíhá přenos protonů, fotolýza vody, glukóza a syntéza ATP.
Struktura rostlinných chloroplastů
Chloroplasty se nazývají dvoumembránové struktury, které se nacházejí v cytoplazmě rostlinných buněk a chlamydomonas. Naproti tomu buňky sinic provádějí fotosyntézu v thylakoidech, nikoli v chloroplastech. Toto je příklad nedostatečně vyvinutého organismu, který je schopen zajistit si výživu prostřednictvím enzymů fotosyntézy umístěných na výběžcích cytoplazmy.
Chloroplast je podle své struktury dvoumembránová organela ve formě bubliny. Jsou umístěny ve velkém množství v buňkách fotosyntetických rostlin a vyvíjejí se pouze v případěkontaktu s ultrafialovým světlem. Uvnitř chloroplastu je jeho tekuté stroma. Svým složením připomíná hyaloplazmu a skládá se z 85 % z vody, ve které jsou rozpuštěny elektrolyty a suspendovány bílkoviny. Stroma chloroplastů obsahuje tylakoidy, struktury, ve kterých přímo probíhají světlé a tmavé fáze fotosyntézy.
Chloroplastový dědičný aparát
Vedle thylakoidů jsou granule se škrobem, který je produktem polymerace glukózy získané fotosyntézou. Volně ve stromatu je plastidová DNA spolu s rozptýlenými ribozomy. Může existovat několik molekul DNA. Spolu s biosyntetickým aparátem jsou zodpovědné za obnovu struktury chloroplastů. To se děje bez použití dědičné informace buněčného jádra. Tento jev také umožňuje posoudit možnost samostatného růstu a rozmnožování chloroplastů v případě buněčného dělení. Chloroplasty proto v některých ohledech nezávisí na buněčném jádře a představují jakoby symbiotický nevyvinutý organismus.
Struktura thylakoidů
Tylakoidy jsou membránové struktury diskovitého tvaru umístěné ve stromatu chloroplastů. U sinic jsou zcela umístěny na invaginacích cytoplazmatické membrány, protože nemají nezávislé chloroplasty. Existují dva typy thylakoidů: první je tylakoid s lumen a druhý je lamelární. Tylakoid s lumenem je menšího průměru a je to disk. Několik thylakoidů uspořádaných svisle tvoří grana.
Lamelární tylakoidy jsou široké destičky, které nemají lumen. Ale jsou platformou, ke které je připojeno více zrn. V nich prakticky nedochází k fotosyntéze, protože jsou potřebné k vytvoření silné struktury, která je odolná vůči mechanickému poškození buňky. Celkově mohou chloroplasty obsahovat od 10 do 100 thylakoidů s lumenem schopným fotosyntézy. Tylakoidy samotné jsou elementární struktury odpovědné za fotosyntézu.
Role thylakoidů ve fotosyntéze
Nejdůležitější reakce fotosyntézy probíhají v thylakoidech. Prvním je fotolýza štěpení molekuly vody a syntéza kyslíku. Druhým je tranzit protonu přes membránu přes molekulární komplex cytochromu b6f a elektrotransportní řetězec. Také v thylakoidech probíhá syntéza vysokoenergetické molekuly ATP. K tomuto procesu dochází při použití protonového gradientu, který se vyvinul mezi tylakoidní membránou a chloroplastovým stromatem. To znamená, že funkce thylakoidů umožňují realizovat celou světelnou fázi fotosyntézy.
Světelná fáze fotosyntézy
Nezbytnou podmínkou pro existenci fotosyntézy je schopnost vytvářet membránový potenciál. Dosahuje se ho přenosem elektronů a protonů, díky čemuž vzniká H + gradient, který je 1000x větší než u mitochondriálních membrán. Pro vytvoření elektrochemického potenciálu v buňce je výhodnější odebírat elektrony a protony z molekul vody. Působením ultrafialového fotonu na thylakoidní membrány se toto stává dostupné. Z jedné molekuly vody je vyražen elektron, kterýzískává kladný náboj, a proto k jeho neutralizaci je nutné vypustit jeden proton. Výsledkem je, že se 4 molekuly vody rozpadají na elektrony, protony a tvoří kyslík.
Řetězec procesů fotosyntézy
Po fotolýze vody se membrána znovu nabije. Thylakoidy jsou struktury, které mohou mít během přenosu protonů kyselé pH. V této době je pH ve stromatu chloroplastu mírně zásadité. To vytváří elektrochemický potenciál, který umožňuje syntézu ATP. Molekuly adenosintrifosfátu budou později využity pro energetické potřeby a temnou fázi fotosyntézy. Konkrétně ATP buňka využívá k využití oxidu uhličitého, čehož je dosaženo jeho kondenzací a syntézou molekul glukózy na jejich základě.
V temné fázi je NADP-H+ redukován na NADP. Celkem syntéza jedné molekuly glukózy vyžaduje 18 molekul ATP, 6 molekul oxidu uhličitého a 24 protonů vodíku. To vyžaduje fotolýzu 24 molekul vody k využití 6 molekul oxidu uhličitého. Tento proces umožňuje uvolnit 6 molekul kyslíku, které později využijí jiné organismy pro své energetické potřeby. Tylakoidy jsou zároveň (v biologii) příkladem membránové struktury, která umožňuje využití sluneční energie a transmembránového potenciálu s gradientem pH k jejich přeměně na energii chemických vazeb.
