Chloroplasty sú membránové štruktúry, v ktorých prebieha fotosyntéza. Tento proces vo vyšších rastlinách a cyanobaktériách umožnil planéte zachovať si schopnosť podporovať život využívaním oxidu uhličitého a dopĺňaním koncentrácie kyslíka. Samotná fotosyntéza prebieha v štruktúrach, ako sú tylakoidy. Ide o membránové „moduly“chloroplastov, v ktorých dochádza k prenosu protónov, fotolýze vody, syntéze glukózy a ATP.
Štruktúra rastlinných chloroplastov
Chloroplasty sa nazývajú dvojmembránové štruktúry, ktoré sa nachádzajú v cytoplazme rastlinných buniek a chlamydomonád. Naproti tomu bunky siníc vykonávajú fotosyntézu v tylakoidoch a nie v chloroplastoch. Toto je príklad nedostatočne vyvinutého organizmu, ktorý je schopný zabezpečiť si výživu prostredníctvom fotosyntetických enzýmov umiestnených na výbežkoch cytoplazmy.
Chloroplast je podľa svojej štruktúry dvojmembránová organela vo forme bubliny. Nachádzajú sa vo veľkom počte v bunkách fotosyntetických rastlín a vyvíjajú sa iba v prípadekontakt s ultrafialovým svetlom. Vo vnútri chloroplastu je jeho tekutá stróma. Vo svojom zložení sa podobá hyaloplazme a pozostáva z 85% vody, v ktorej sú rozpustené elektrolyty a suspendované proteíny. Stróma chloroplastov obsahuje tylakoidy, štruktúry, v ktorých priamo prebiehajú svetlé a tmavé fázy fotosyntézy.
Chloroplastový dedičný aparát
Vedľa tylakoidov sú granule so škrobom, ktorý je produktom polymerizácie glukózy získanej ako výsledok fotosyntézy. Voľne v stróme je plastidová DNA spolu s rozptýlenými ribozómami. Môže existovať niekoľko molekúl DNA. Spolu s biosyntetickým aparátom sú zodpovedné za obnovu štruktúry chloroplastov. Deje sa tak bez použitia dedičnej informácie bunkového jadra. Tento jav umožňuje posúdiť aj možnosť samostatného rastu a rozmnožovania chloroplastov v prípade delenia buniek. Preto chloroplasty v niektorých ohľadoch nezávisia od bunkového jadra a predstavujú akoby symbiotický nedostatočne vyvinutý organizmus.
Štruktúra tylakoidov
Tylakoidy sú membránové štruktúry v tvare disku umiestnené v stróme chloroplastov. V cyanobaktériách sú úplne umiestnené na invagináciách cytoplazmatickej membrány, pretože nemajú nezávislé chloroplasty. Existujú dva typy tylakoidov: prvý je tylakoid s lúmenom a druhý je lamelárny. Tylakoid s lúmenom má menší priemer a je to disk. Niekoľko tylakoidov usporiadaných vertikálne tvorí grana.
Lamelárne tylakoidy sú široké platničky, ktoré nemajú lúmen. Ale sú platformou, ku ktorej je pripojených viacero zŕn. V nich prakticky nedochádza k fotosyntéze, pretože sú potrebné na vytvorenie silnej štruktúry, ktorá je odolná voči mechanickému poškodeniu bunky. Celkovo môžu chloroplasty obsahovať od 10 do 100 tylakoidov s lúmenom schopným fotosyntézy. Samotné tylakoidy sú elementárne štruktúry zodpovedné za fotosyntézu.
Úloha tylakoidov pri fotosyntéze
Najdôležitejšie reakcie fotosyntézy prebiehajú v tylakoidoch. Prvým je štiepenie molekuly vody fotolýzou a syntéza kyslíka. Druhým je prechod protónu cez membránu cez molekulárny komplex cytochrómu b6f a elektrotransportný reťazec. Aj v tylakoidoch prebieha syntéza vysokoenergetickej molekuly ATP. K tomuto procesu dochádza pri použití protónového gradientu, ktorý sa vyvinul medzi tylakoidnou membránou a chloroplastovou strómou. To znamená, že funkcie tylakoidov umožňujú realizovať celú svetelnú fázu fotosyntézy.
Fáza svetla fotosyntézy
Nevyhnutnou podmienkou existencie fotosyntézy je schopnosť vytvárať membránový potenciál. Dosahuje sa prenosom elektrónov a protónov, vďaka čomu vzniká H + gradient, ktorý je 1000-krát väčší ako v mitochondriálnych membránach. Na vytvorenie elektrochemického potenciálu v článku je výhodnejšie odoberať elektróny a protóny z molekúl vody. Pôsobením ultrafialového fotónu na tylakoidné membrány sa tento stáva dostupný. Z jednej molekuly vody je vyrazený elektrón, ktorýzískava kladný náboj, a preto na jeho neutralizáciu je potrebné vypustiť jeden protón. Výsledkom je, že 4 molekuly vody sa rozpadajú na elektróny, protóny a vytvárajú kyslík.
Reťazec procesov fotosyntézy
Po fotolýze vody sa membrána znovu nabije. Tylakoidy sú štruktúry, ktoré môžu mať počas prenosu protónov kyslé pH. V tomto čase je pH v stróme chloroplastu mierne zásadité. To vytvára elektrochemický potenciál, ktorý umožňuje syntézu ATP. Molekuly adenozíntrifosfátu sa neskôr využijú na energetické potreby a temnú fázu fotosyntézy. ATP bunka využíva najmä na využitie oxidu uhličitého, čo sa dosahuje kondenzáciou a syntézou molekúl glukózy na ich základe.
V tmavej fáze sa NADP-H+ redukuje na NADP. Celkovo si syntéza jednej molekuly glukózy vyžaduje 18 molekúl ATP, 6 molekúl oxidu uhličitého a 24 protónov vodíka. To si vyžaduje fotolýzu 24 molekúl vody na využitie 6 molekúl oxidu uhličitého. Tento proces umožňuje uvoľniť 6 molekúl kyslíka, ktoré neskôr využijú iné organizmy pre svoje energetické potreby. Tylakoidy sú zároveň (v biológii) príkladom membránovej štruktúry, ktorá umožňuje využitie slnečnej energie a transmembránového potenciálu s gradientom pH na ich premenu na energiu chemických väzieb.
