Вы ведь знаете солнце? Это тот гигантский шар горящего газа, который излучает столько энергии, что питает каждый организм на Земле, начиная с наших зеленых приятелей, растений. Солнце испускает всевозможное электромагнитное излучение, а растения используют энергию, которая проявляется в виде видимого света, для осуществления дикого, магического процесса фотосинтеза .
Однако фотосинтез - это не волшебство - это просто прохладная химическая работа этих маленьких клеточных структур, называемых хлоропластами, типа органелл, встречающихся только в растениях и эукариотических водорослях (эукариотические означает наличие четко определенного ядра), которые захватывают солнечный свет и превращают эту энергию в пищу. для завода.
Хлоропласты произошли от древних бактерий
Хлоропласты во многом похожи на митохондрии, другой тип органелл, обнаруженный в эукариотических клетках, ответственных за выработку энергии, что неудивительно, поскольку оба они эволюционировали, когда давным-давно бактерии были окружены - но не переваривались! - более крупные бактерии. Это привело к своего рода принудительному сотрудничеству между двумя организмами, которое мы теперь объясняем с помощью небольшого явления, называемого « гипотезой эндосимбионтов ». И хлоропласты, и митохондрии воспроизводятся независимо от остальной клетки и имеют собственную ДНК.
Хлоропласты можно найти в любой зеленой части растения и в основном представляют собой мешок внутри мешка (что означает наличие двойных мембран), в которых содержится множество маленьких крошечных мешочков (структур, называемых тилакоидами ), содержащих поглощающий свет пигмент, называемый хлорофиллом. , взвешенные в некоторой жидкости (называемой стромой ).
Ключ к фотосинтетической магии хлоропласта находится в его мембранах. Поскольку хлоропласт возник давно как независимая бактерия со своей клеточной мембраной, эти органеллы имеют две клеточные мембраны: внешняя мембрана осталась от клетки, которая окружала бактерию, а внутренняя мембрана является исходной мембраной бактерии. Думайте о внешней мембране как об оберточной бумаге для подарка, а о внутренней мембране как о коробке, в которую изначально входила игрушка. Самое важное пространство для фотосинтеза - это пространство между внутренней частью коробки и игрушкой - тилакоиды.
Хлоропласты движутся по градиентам, как батареи
Двойная мембрана хлоропласта создает два разделителя с четырьмя отдельными пространствами - пространство вне клетки; цитоплазма внутри клетки; строма внутри хлоропласта, но за пределами тилакоида (то есть пространство между внутренней и внешней мембранами, оберточной бумагой и коробкой); и тилакоидное пространство - в основном внутри исходной бактерии. Сами тилакоиды - это просто маленькие стопки мешочков, покрытых мембранами, фактически определяемых их мембранами. Эти мембраны являются разделителями, которые не позволяют вещам просто перемещаться между пространствами, волей-неволей, позволяя хлоропласту накапливать электрически заряженные частицы в определенных областях и перемещать их из одного пространства в другое по определенным каналам.
«Вот как работают аккумуляторы», - говорит Брэндон Джексон, доцент кафедры биологических и экологических наук Университета Лонгвуд в Фармвилле, штат Вирджиния. «Требуется энергия, чтобы поместить много отрицательных электронов на один конец батареи и много положительных зарядов на другой. Если вы соедините два конца проводом, электроны ДЕЙСТВИТЕЛЬНО захотят стечь вниз, чтобы сгладить электро- химический градиент между ними. Они хотят течь так сильно, что, если вы поместите что-то вдоль этого провода, например, лампочку, двигатель или компьютерный чип, они протолкнутся и станут полезными при движении. Если они этого не сделают. Чтобы сделать что-то полезное, движение будет высвобождать энергию, но не меньше тепла ».
По словам Джексона, чтобы сделать батарею в растительной клетке, должен быть источник энергии и несколько разделителей для создания и поддержания градиентов. Если градиенту позволить сгладиться, часть энергии, которая была использована для его создания, ускользнет. Так, в случае хлоропластной батареи создается электрохимический градиент, когда растение принимает энергию от солнца, а мембраны, покрывающие тилакоиды, действуют как разделители между различными концентрациями ионов водорода (протонов), которые были оторваны. некоторые молекулы воды.
Следуй за энергией
Внутри хлоропласта происходит много химии, но результатом химии является преобразование солнечного света в запасенную энергию - по сути, создание батареи.
Итак, давайте проследим за энергией:
Солнце светит на лист. Эта солнечная энергия возбуждает электроны внутри молекул воды в листе, и, поскольку возбужденные электроны сильно отскакивают, атомы водорода и кислорода в молекулах воды распадаются, запуская эти возбужденные электроны на первую стадию фотосинтеза - скопление ферментов, белков. и пигменты, называемые фотосистемой II , которая расщепляет воду, производя ионы водорода (протоны, которые будут использоваться в батарее, и газообразный кислород, который улетает в воздух как растительный мусор).
Эти возбужденные электроны передаются некоторым другим мембраносвязанным белкам, которые используют эту энергию для питания ионных насосов, которые сопровождают ионы водорода из пространства между мембранами в тилакоидное пространство, где происходят все светозависимые реакции фотосинтеза. Фотосистемы и электронные насосы покрывают поверхности тилакоидных мембран, перекачивая ионы водорода из стромы (жидкое пространство между тилакоидом и внутренней мембраной) в стопки и стопки тилакоидных мешочков - и эти ионы действительно хотят выбраться из них. тилакоиды, которые создают электрохимический градиент. Таким образом, световая энергия - то, что светит вам на лицо, когда вы выходите на улицу, - преобразуется в своего рода батарею, подобную той, которая используется в ваших беспроводных наушниках.
На этом этапе берет на себя фотосистема I , которая обеспечивает временное хранение энергии, вырабатываемой батареей. Теперь, когда электрону позволили двигаться по градиенту, он гораздо более расслаблен, поэтому он поглощает немного света, чтобы повторно активировать его, и передает эту энергию специальному ферменту, который его использует, самому электрону и запасному протону. для производства НАДФН - молекулы, переносящей энергию, которая обеспечивает кратковременное хранение химической энергии, которая позже будет использоваться для производства глюкозы.
На данный момент световая энергия теперь находится в двух местах: она хранится в НАДФН и в виде электрохимического градиента разницы в концентрации ионов водорода внутри тилакоида по сравнению с тем, что находится за его пределами в строме.
«Но высокий градиент ионов водорода внутри тилакоида хочет ухудшиться - он должен разрушиться», - говорит Джексон. «Градиенты представляют собой« организацию »- по сути, противоположность энтропии . А термодинамика говорит нам, что энтропия всегда будет пытаться увеличиваться, что означает, что градиент должен разрушиться. Итак, ионы водорода внутри каждого тилакоида действительно хотят уйти, чтобы хотя бы Но заряженные частицы не могут пройти через бислой фосфолипидов где угодно - им нужен какой-то канал для прохождения, точно так же, как электронам нужен провод, чтобы пройти с одной стороны батареи. к другому ".
Так же, как вы можете подключить электродвигатель к этому проводу и заставить электроны управлять автомобилем, канал, через который проходят ионы водорода, - это двигатель. Эти протоны протекают через предусмотренный для них канал, как вода, текущая через плотину гидроэлектростанции вниз по градиенту высоты, и это движение дает достаточно энергии для создания реакции, которая создает АТФ, который является еще одной формой кратковременного хранения энергии.
Теперь исходная световая энергия была преобразована в химическую энергию кратковременного хранения в форме НАДФН и АТФ, которые позже будут полезны в темновых реакциях (также известных как цикл Кальвина или цикл фиксации углерода) в хлоропласте. Все они попадают в строму, потому что эта жидкость содержит фермент, который может преобразовывать НАДФН, АТФ и углекислый газ в сахара, которые либо питают растения, либо помогают в дыхании, либо используются для производства целлюлозы.
«Для производства сложных органических молекул, таких как целлюлоза, состоящая из глюкозы, требуется много энергии, и все это происходит от солнца», - говорит Джексон. «После энергии он начинается с энергии световой волны, затем энергии возбужденных электронов, затем энергии электрохимического градиента, затем химической энергии в форме НАДФН и АТФ. Газообразный кислород выдыхается, а НАДФН и АТФ не используются для делают другие вещи внутри клетки - вместо этого оба передаются в цикл фиксации углерода, где другие ферменты расщепляют их, извлекают эту энергию и используют ее для создания глюкозы и других органических молекул ».
И все это благодаря маленькой органелле, называемой хлоропластом.
Вот это интересно
Поскольку хлорофилл отлично поглощает красный и синий свет , но не поглощает зеленый свет, листья кажутся нам зелеными, потому что это цвет света, который от них отражается.
