Kloroplastid on membraanstruktuurid, milles toimub fotosüntees. See protsess kõrgemates taimedes ja tsüanobakterites võimaldas planeedil säilitada võimet säilitada elu, kasutades süsinikdioksiidi ja täiendades hapniku kontsentratsiooni. Fotosüntees ise toimub sellistes struktuurides nagu tülakoidid. Need on kloroplastide membraani "moodulid", milles toimub prootonite ülekanne, vee fotolüüs, glükoosi ja ATP süntees.
Taimsete kloroplastide struktuur
Kloroplaste nimetatakse kahemembraanilisteks struktuurideks, mis paiknevad taimerakkude ja klamüdomoonide tsütoplasmas. Seevastu tsüanobakterirakud teostavad fotosünteesi tülakoidides, mitte kloroplastides. See on näide vähearenenud organismist, mis on võimeline tagama oma toitumise tsütoplasma eenditel paiknevate fotosünteesiensüümide kaudu.
Oma struktuuri järgi on kloroplast kahemembraaniline mullikujuline organell. Nad paiknevad suurel hulgal fotosünteetiliste taimede rakkudes ja arenevad ainult juhulkokkupuude ultraviolettkiirgusega. Kloroplasti sees on selle vedel strooma. Oma koostiselt meenutab see hüaloplasmat ja koosneb 85% ulatuses veest, milles on lahustunud elektrolüüdid ja suspendeeritud valgud. Kloroplastide strooma sisaldab tülakoide, struktuure, milles fotosünteesi hele ja tume faas kulgevad vahetult.
Kloroplasti pärilik aparaat
Tülakoidide kõrval on graanulid tärklisega, mis on fotosünteesi tulemusena saadud glükoosi polümerisatsiooni produkt. Stromas on vab alt plastiidne DNA koos hajutatud ribosoomidega. DNA molekule võib olla mitu. Koos biosünteesiaparaadiga vastutavad nad kloroplastide struktuuri taastamise eest. See juhtub raku tuuma pärilikku teavet kasutamata. See nähtus võimaldab hinnata ka kloroplastide iseseisva kasvu ja paljunemise võimalust rakkude jagunemise korral. Seetõttu ei sõltu kloroplastid mõnes mõttes raku tuumast ja kujutavad endast justkui sümbiootilist vähearenenud organismi.
Tülakoidide struktuur
Tülakoidid on kettakujulised membraanstruktuurid, mis paiknevad kloroplastide stroomas. Tsüanobakterites paiknevad nad täielikult tsütoplasmaatilise membraani invaginatsioonidel, kuna neil pole iseseisvaid kloroplaste. Tülakoide on kahte tüüpi: esimene on valendiku tülakoid ja teine lamellaarne. Valendikuga tülakoid on väiksema läbimõõduga ja on ketas. Mitmed vertikaalselt paigutatud tülakoidid moodustavad granaadi.
Lamellaarsed tülakoidid on laiad plaadid, millel puudub valendik. Kuid need on platvorm, mille külge on kinnitatud mitu tera. Neis fotosünteesi praktiliselt ei toimu, kuna neid on vaja tugeva struktuuri moodustamiseks, mis on vastupidav raku mehaanilistele kahjustustele. Kokku võivad kloroplastid sisaldada 10 kuni 100 tülakoidi, mille luumen on võimeline fotosünteesiks. Tülakoidid ise on fotosünteesi eest vastutavad elementaarstruktuurid.
Tülakoidide roll fotosünteesis
Kõige olulisemad fotosünteesi reaktsioonid toimuvad tülakoidides. Esimene on veemolekuli fotolüüs ja hapniku süntees. Teine on prootoni transiit läbi membraani läbi tsütokroom b6f molekulaarse kompleksi ja elektrotranspordiahela. Ka tülakoidides toimub suure energiaga ATP molekuli süntees. See protsess toimub tülakoidmembraani ja kloroplasti strooma vahel tekkinud prootoni gradiendi kasutamisel. See tähendab, et tülakoidide funktsioonid võimaldavad realiseerida kogu fotosünteesi valgusfaasi.
Fotosünteesi kerge faas
Fotosünteesi olemasolu vajalik tingimus on membraanipotentsiaali loomise võime. See saavutatakse elektronide ja prootonite ülekandega, mille tõttu tekib H + gradient, mis on 1000 korda suurem kui mitokondriaalsetes membraanides. Rakus elektrokeemilise potentsiaali tekitamiseks on soodsam võtta veemolekulidest elektrone ja prootoneid. Ultraviolettfootoni toimel tülakoidmembraanidele muutub see kättesaadavaks. Ühest veemolekulist lüüakse välja elektron, misomandab positiivse laengu ja seetõttu on selle neutraliseerimiseks vaja üks prooton maha lasta. Selle tulemusena lagunevad 4 veemolekuli elektronideks, prootoniteks ja moodustavad hapniku.
Fotosünteesiprotsesside ahel
Pärast vee fotolüüsi laetakse membraan uuesti. Tülakoidid on struktuurid, millel võib prootoniülekande ajal olla happeline pH. Sel ajal on kloroplasti stroomas pH kergelt leeliseline. See tekitab elektrokeemilise potentsiaali, mis teeb võimalikuks ATP sünteesi. Adenosiintrifosfaadi molekule hakatakse hiljem kasutama energiavajaduse ja fotosünteesi pimedas faasis. Eelkõige kasutab rakk ATP-d süsinikdioksiidi kasutamiseks, mis saavutatakse selle kondenseerumisel ja nendel põhinevate glükoosimolekulide sünteesil.
Pimedas faasis taandatakse NADP-H+ NADP-ks. Kokku on ühe glükoosimolekuli sünteesiks vaja 18 ATP molekuli, 6 süsinikdioksiidi molekuli ja 24 vesiniku prootonit. See nõuab 24 veemolekuli fotolüüsi, et kasutada 6 süsinikdioksiidi molekuli. See protsess võimaldab vabastada 6 hapnikumolekuli, mida hiljem kasutavad teised organismid oma energiavajaduste rahuldamiseks. Samal ajal on tülakoidid (bioloogias) näide membraanistruktuurist, mis võimaldab kasutada päikeseenergiat ja pH-gradiendiga transmembraanset potentsiaali, et muuta need keemiliste sidemete energiaks.
