Chloroplasten zijn membraanstructuren waarin fotosynthese plaatsvindt. Dit proces in hogere planten en cyanobacteriën stelde de planeet in staat om het leven in stand te houden door koolstofdioxide te gebruiken en de zuurstofconcentratie aan te vullen. Fotosynthese zelf vindt plaats in structuren zoals thylakoïden. Dit zijn membraan-"modules" van chloroplasten, waarin protonenoverdracht, waterfotolyse, glucose en ATP-synthese plaatsvinden.
Structuur van plantaardige chloroplasten
Chloroplasten worden dubbelmembraanstructuren genoemd die zich in het cytoplasma van plantencellen en chlamydomonas bevinden. Daarentegen voeren cyanobacteriële cellen fotosynthese uit in thylakoïden en niet in chloroplasten. Dit is een voorbeeld van een onderontwikkeld organisme dat in zijn voeding kan voorzien door middel van fotosynthese-enzymen die zich op uitsteeksels van het cytoplasma bevinden.
Volgens zijn structuur is de chloroplast een organel met twee membranen in de vorm van een bel. Ze bevinden zich in grote aantallen in de cellen van fotosynthetische planten en ontwikkelen zich alleen in het geval vancontact met ultraviolet licht. In de chloroplast bevindt zich het vloeibare stroma. Het lijkt qua samenstelling op hyaloplasma en bestaat voor 85% uit water, waarin elektrolyten zijn opgelost en eiwitten zijn gesuspendeerd. Het stroma van chloroplasten bevat thylakoïden, structuren waarin de lichte en donkere fasen van de fotosynthese direct plaatsvinden.
Chloroplast erfelijk apparaat
Naast de thylakoïden zijn er korrels met zetmeel, dat een product is van de polymerisatie van glucose verkregen als resultaat van fotosynthese. Vrij in het stroma bevinden zich plastide-DNA samen met verspreide ribosomen. Er kunnen meerdere DNA-moleculen zijn. Samen met het biosynthetische apparaat zijn ze verantwoordelijk voor het herstel van de structuur van chloroplasten. Dit gebeurt zonder gebruik te maken van de erfelijke informatie van de celkern. Dit fenomeen maakt het ook mogelijk om de mogelijkheid van onafhankelijke groei en reproductie van chloroplasten in het geval van celdeling te beoordelen. Daarom zijn chloroplasten in sommige opzichten niet afhankelijk van de celkern en vertegenwoordigen ze als het ware een symbiotisch onderontwikkeld organisme.
Structuur van thylakoïden
Thylakoïden zijn schijfvormige membraanstructuren die zich in het stroma van chloroplasten bevinden. In cyanobacteriën bevinden ze zich volledig op invaginaties van het cytoplasmatische membraan, omdat ze geen onafhankelijke chloroplasten hebben. Er zijn twee soorten thylakoïden: de eerste is een thylakoïde met een lumen en de tweede is een lamellaire. De thylakoïde met een lumen is kleiner in diameter en is een schijf. Verschillende verticaal gerangschikte thylakoïden vormen een grana.
Lamellaire thylakoïden zijn brede platen die geen lumen hebben. Maar ze zijn een platform waaraan meerdere granen zijn bevestigd. In hen komt fotosynthese praktisch niet voor, omdat ze nodig zijn om een sterke structuur te vormen die bestand is tegen mechanische schade aan de cel. In totaal kunnen chloroplasten 10 tot 100 thylakoïden bevatten met een lumen dat in staat is tot fotosynthese. De thylakoïden zelf zijn de elementaire structuren die verantwoordelijk zijn voor fotosynthese.
De rol van thylakoïden bij fotosynthese
De belangrijkste reacties van fotosynthese vinden plaats in thylakoïden. De eerste is de fotolyse-splitsing van het watermolecuul en de synthese van zuurstof. De tweede is de doorvoer van een proton door het membraan door het cytochroom b6f-moleculaire complex en de elektrotransportketen. Ook in de thylakoïden vindt de synthese van het hoogenergetische ATP-molecuul plaats. Dit proces vindt plaats met behulp van een protongradiënt die zich heeft ontwikkeld tussen het thylakoïdemembraan en het chloroplast-stroma. Dit betekent dat de functies van de thylakoïden het mogelijk maken om de gehele lichtfase van fotosynthese te realiseren.
Lichtfase van fotosynthese
Een noodzakelijke voorwaarde voor het bestaan van fotosynthese is het vermogen om een membraanpotentiaal te creëren. Het wordt bereikt door de overdracht van elektronen en protonen, waardoor een H + -gradiënt wordt gecreëerd, die 1000 keer groter is dan in mitochondriale membranen. Het is voordeliger om elektronen en protonen uit watermoleculen te halen om een elektrochemische potentiaal in een cel te creëren. Onder invloed van een ultraviolet foton op de thylakoïde membranen komt dit beschikbaar. Een elektron wordt uit één watermolecuul geslagen, wat:krijgt een positieve lading en daarom is het nodig om één proton te laten vallen om het te neutraliseren. Als gevolg hiervan vallen 4 watermoleculen uiteen in elektronen, protonen en zuurstof vormen.
De keten van fotosyntheseprocessen
Na de fotolyse van water wordt het membraan opgeladen. Thylakoïden zijn structuren die een zure pH kunnen hebben tijdens protonoverdracht. Op dit moment is de pH in het stroma van de chloroplast enigszins alkalisch. Dit genereert een elektrochemische potentiaal die ATP-synthese mogelijk maakt. Adenosinetrifosfaatmoleculen zullen later worden gebruikt voor energiebehoeften en de donkere fase van fotosynthese. In het bijzonder wordt ATP door de cel gebruikt om koolstofdioxide te gebruiken, wat wordt bereikt door condensatie en synthese van glucosemoleculen die daarop zijn gebaseerd.
In de donkere fase wordt NADP-H+ gereduceerd tot NADP. In totaal zijn voor de synthese van één glucosemolecuul 18 ATP-moleculen, 6 koolstofdioxidemoleculen en 24 waterstofprotonen nodig. Dit vereist fotolyse van 24 watermoleculen om 6 koolstofdioxidemoleculen te gebruiken. Dit proces stelt je in staat om 6 zuurstofmoleculen vrij te maken, die later door andere organismen zullen worden gebruikt voor hun energiebehoeften. Tegelijkertijd zijn thylakoïden (in de biologie) een voorbeeld van een membraanstructuur die het gebruik van zonne-energie en een transmembraanpotentiaal met een pH-gradiënt mogelijk maakt om ze om te zetten in de energie van chemische bindingen.
