Znasz słońce, prawda? To ta gigantyczna kula płonącego gazu, która emituje tak dużo energii, że zasila każdy organizm na Ziemi, zaczynając od naszych zielonych kumpli, roślin. Słońce wydziela wszelkiego rodzaju promieniowanie elektromagnetyczne, a rośliny wykorzystują energię, która pojawia się w postaci światła widzialnego, aby dokonać dzikiego, magicznego procesu fotosyntezy .
Fotosynteza nie jest jednak magiczna - to tylko chłodne chemiczne dzieło tych małych struktur komórkowych zwanych chloroplastami, rodzaj organelli występujących tylko w roślinach i glonach eukariotycznych (oznacza eukariotyczny posiadający jasno określone jądro), które wychwytuje światło słoneczne i przekształca tę energię w żywność dla rośliny.
Chloroplasty wyewoluowały ze starożytnych bakterii
Chloroplasty działają bardzo podobnie do mitochondriów, innego rodzaju organelli występujących w komórkach eukariotycznych odpowiedzialnych za produkcję energii, co nie jest zaskakujące, ponieważ oba wyewoluowały, gdy dawno temu bakteria została otoczona - ale nie została strawiona! - większa bakteria. Doprowadziło to do pewnego rodzaju wymuszonej współpracy między dwoma organizmami, którą teraz wyjaśnimy za pomocą czegoś zwanego „ hipotezą endosymbionta ”. Zarówno chloroplasty, jak i mitochondria rozmnażają się niezależnie od reszty komórki i mają własne DNA.
Chloroplasty można znaleźć w każdej zielonej części rośliny i są w zasadzie woreczkiem w worku (co oznacza, że jest podwójna membrana), w której znajduje się wiele małych woreczków (struktur zwanych tylakoidami ) zawierających pochłaniający światło pigment zwany chlorofilem zawieszone w jakimś płynie (zwanym zrębem ).
Kluczem do fotosyntetycznej magii chloroplastu są jego błony. Ponieważ chloroplast powstał dawno temu jako niezależna bakteria z własną błoną komórkową, organelle te mają dwie błony komórkowe: błona zewnętrzna pozostaje po komórce otaczającej bakterię, a błona wewnętrzna jest pierwotną błoną bakterii. Pomyśl o zewnętrznej membranie jak o papierze do pakowania prezentu, a o wewnętrznej membranie jak o pudełku, w którym oryginalnie przyszła zabawka. Najważniejszą przestrzenią dla fotosyntezy jest przestrzeń pomiędzy wnętrzem pudełka a zabawką - tylakoidy.
Chloroplasty działają na gradientach, podobnie jak baterie
Podwójna membrana chloroplastu tworzy dwie przegrody z czterema odrębnymi przestrzeniami - przestrzenią na zewnątrz komórki; cytoplazma wewnątrz komórki; zrąb wewnątrz chloroplastu, ale poza tylakoidem (czyli przestrzeń między wewnętrzną i zewnętrzną błoną, owijką i pudełkiem); a przestrzeń tylakoidalna - w zasadzie wewnątrz pierwotnej bakterii. Same tylakoidy to tylko małe stosy woreczków pokrytych membranami - w rzeczywistości określanymi przez ich błony. Membrany te są przegrodami, które nie pozwalają rzeczom po prostu przemieszczać się między przestrzeniami, chcąc nie chcąc, pozwalając chloroplastowi gromadzić naładowane elektrycznie cząstki w pewnych obszarach i przenosić je z jednej przestrzeni do drugiej przez określone kanały.
„Tak właśnie działają baterie” - mówi Brandon Jackson, profesor nadzwyczajny na Wydziale Nauk Biologicznych i Środowiskowych Uniwersytetu Longwood w Farmville w Wirginii. „Potrzeba energii, aby umieścić wiele ujemnych elektronów na jednym końcu baterii i wiele dodatnich ładunków na drugim. Jeśli połączysz oba końce przewodem, elektrony NAPRAWDĘ chcą spłynąć w dół, aby spłaszczyć elektro- gradient chemiczny między nimi. Chcą płynąć tak bardzo, że jeśli umieścisz coś na tym przewodzie, jak żarówka, silnik lub chip komputerowy, przepchną się i przydadzą się podczas ruchu. Jeśli tego nie zrobią ”. Aby zrobić coś pożytecznego, ruch nadal będzie uwalniać energię, ale tak samo jak ciepło. "
Według Jacksona, aby zbudować baterię w komórce roślinnej, musi istnieć źródło energii i jakieś separatory do tworzenia i utrzymywania gradientów. Jeśli pozwoli się na spłaszczenie gradientu, część energii użytej do jego utworzenia ucieka. Tak więc w przypadku baterii chloroplastowej gradient elektrochemiczny powstaje, gdy roślina pobiera energię ze słońca, a błony pokrywające tylakoidy działają jako separatory między różnymi stężeniami jonów wodoru (protonów), które zostały zerwane. niektóre cząsteczki wody.
Podążaj za energią
We wnętrzu chloroplastu zachodzi wiele procesów chemicznych, ale wynikiem chemii jest zamiana światła słonecznego w zmagazynowaną energię - w zasadzie powstaje bateria.
A więc podążajmy za energią:
Słońce świeci na liściu. Ta energia słoneczna wzbudza elektrony w cząsteczkach wody w liściu, a ponieważ wzbudzone elektrony dużo odbijają się wokół, atomy wodoru i tlenu w cząsteczkach wody rozpadają się, wprowadzając te wzbudzone elektrony do pierwszego etapu fotosyntezy - konglomeratu enzymów, białek oraz pigmenty zwane fotosystemem II , które rozkładają wodę, wytwarzając jony wodoru (protony, które zostaną wykorzystane w akumulatorze oraz gazowy tlen, który unosi się w powietrze jako odpadki roślinne).
Te energetyzowane elektrony są przekazywane do innych białek związanych z błoną, które wykorzystują tę energię do zasilania pomp jonowych, które eskortują jony wodoru z przestrzeni między membranami do przestrzeni tylakoidów, gdzie zachodzą wszystkie zależne od światła reakcje fotosyntezy. Fotosystemy i pompy elektronowe pokrywają powierzchnie błon tylakoidów, pompując jony wodoru ze zrębu (przestrzeni płynu między tylakoidem a wewnętrzną membraną) do stosów i stosów woreczków tylakoidów - i te jony naprawdę chcą się z nich wydostać tylakoidy, które są tym, co tworzy gradient elektrochemiczny. W ten sposób energia świetlna - to, co świeci na twojej twarzy, gdy wychodzisz na zewnątrz - jest przekształcane w rodzaj baterii, takiej jak te, które zasilają twoje bezprzewodowe słuchawki douszne.
W tym miejscu kontrolę przejmuje fotosystem I , który organizuje czasowe magazynowanie energii wytworzonej przez akumulator. Teraz, gdy pozwolono elektronowi poruszać się wzdłuż gradientu, jest znacznie bardziej zrelaksowany, więc pochłania trochę światła, aby go ponownie naładować, i przekazuje tę energię specjalnemu enzymowi, który ją wykorzystuje, samemu elektronowi i zapasowemu protonowi. aby wytworzyć NADPH, który jest cząsteczką przenoszącą energię, która zapewnia krótkotrwałe magazynowanie energii chemicznej, która zostanie później wykorzystana do produkcji glukozy.
W tym momencie energia światła znajduje się teraz w dwóch miejscach: jest przechowywana w NADPH i jako elektrochemiczny gradient różnicy stężenia jonów wodorowych wewnątrz tylakoidu w porównaniu z tym, który znajduje się tuż poza zrębem.
„Ale wysoki gradient jonów wodorowych wewnątrz tylakoidów chce się degradować - musi się degradować” - mówi Jackson. „Gradienty reprezentują„ organizację ”- zasadniczo przeciwieństwo entropii . A termodynamika mówi nam, że entropia zawsze będzie próbowała wzrosnąć, co oznacza, że gradient musi się rozpaść. Zatem jony wodoru wewnątrz każdego tylakoidu naprawdę chcą uciec, aby wyrównać pozbyć się stężeń po obu stronach tej wewnętrznej błony. Ale naładowane cząstki nie mogą przejść przez dwuwarstwę fosfolipidową w dowolnym miejscu - potrzebują jakiegoś kanału, tak jak elektrony potrzebują drutu, aby przejść z jednej strony baterii do drugiego ”.
Tak więc, tak jak można podłączyć silnik elektryczny do tego przewodu i sprawić, by elektrony napędzały samochód, kanał, przez który przechodzą jony wodoru, jest silnikiem. Te protony przepływają przez przewidziany dla nich kanał, podobnie jak woda przepływająca przez zaporę hydroelektryczną w dół gradientu elewacji, a ten ruch wytwarza wystarczającą ilość energii, aby wywołać reakcję, która tworzy ATP, która jest kolejną formą krótkotrwałego magazynowania energii.
Teraz pierwotna energia światła została przekształcona w krótkoterminową energię chemiczną magazynowania w postaci zarówno NADPH, jak i ATP, co przyda się później w reakcjach ciemności (znanych również jako cykl Calvina lub cykl wiązania węgla) w chloroplastach z których wszystkie schodzą do zrębu, ponieważ ten płyn zawiera enzym, który może przekształcić NADPH, ATP i dwutlenek węgla w cukry, które albo odżywiają roślinę, pomagają w oddychaniu, albo są wykorzystywane do produkcji celulozy.
„Złożone cząsteczki organiczne, takie jak celuloza, która jest zbudowana z glukozy, potrzebują dużo energii do wytworzenia, a wszystko to pochodzi ze słońca” - mówi Jackson. „Podążając za energią, zaczyna się jako energia fali świetlnej, następnie energia wzbudzonych elektronów, następnie energia gradientu elektrochemicznego, a następnie energia chemiczna w postaci NADPH i ATP. Tlen jest wydychany, a NADPH i ATP nie są wykorzystywane do robią inne rzeczy w komórce - zamiast tego oba są przekazywane do cyklu wiązania węgla, w którym inne enzymy rozkładają je, wydobywają tę energię i wykorzystują do budowy glukozy i innych cząsteczek organicznych ”.
A wszystko to dzięki małej organelli zwanej chloroplastem.
Teraz to jest interesujące
Ponieważ chlorofil świetnie pochłania światło czerwone i niebieskie , ale nie absorbuje światła zielonego, liście wydają się naszym oczom zielone, ponieważ jest to kolor światła, które odbija się od niego.
