คลอโรพลาสต์เป็นเซลล์พืชที่ผลิตพลังงาน

คุณรู้จักดวงอาทิตย์ใช่ไหม? มันคือก๊าซเผาไหม้ลูกบอลขนาดยักษ์ที่ปล่อยพลังงานออกมามากจนสร้างพลังให้กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกโดยเริ่มจากเพื่อนสีเขียวของเราคือพืช ดวงอาทิตย์ให้ปิดลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและพืชใช้พลังงานที่แสดงให้เห็นในรูปแบบของแสงที่มองเห็นได้เพื่อให้บรรลุป่ากระบวนการมีมนต์ขลังดูเหมือนของการสังเคราะห์แสง

การสังเคราะห์ด้วยแสงไม่ใช่เรื่องมหัศจรรย์ แต่เป็นเพียงผลงานทางเคมีที่ยอดเยี่ยมของโครงสร้างเซลล์เล็ก ๆ เหล่านี้ที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์ซึ่งเป็นออร์แกเนลล์ชนิดหนึ่งที่พบเฉพาะในพืชและสาหร่ายยูคาริโอต (ยูคาริโอตหมายถึงการมีนิวเคลียสที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน) ซึ่งจับแสงแดดและแปลงพลังงานนั้นเป็นอาหาร สำหรับพืช

คลอโรพลาสต์วิวัฒนาการมาจากแบคทีเรียโบราณ

คลอโรพลาสต์ทำงานได้มากเช่นไมโตคอนเดรียซึ่งเป็นออร์แกเนลล์อีกประเภทหนึ่งที่พบในเซลล์ยูคาริโอตที่รับผิดชอบในการผลิตพลังงานซึ่งไม่น่าแปลกใจเนื่องจากทั้งสองได้รับการพัฒนาเมื่อแบคทีเรียที่ผ่านมาถูกห่อหุ้มไว้ แต่ไม่ถูกย่อยสลาย! - แบคทีเรียขนาดใหญ่ ส่งผลให้เกิดความร่วมมือแบบบังคับระหว่างสิ่งมีชีวิตสองชนิดซึ่งตอนนี้เราอธิบายผ่านสิ่งเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่เรียกว่า " endosymbiont hypothesis " ทั้งคลอโรพลาสต์และไมโทคอนเดรียทำซ้ำได้โดยอิสระจากส่วนที่เหลือของเซลล์และมีดีเอ็นเอของตัวเอง

คลอโรพลาสต์สามารถพบได้ในส่วนสีเขียวของพืชและโดยทั่วไปเป็นถุงภายในถุง (ซึ่งหมายความว่ามีเยื่อสองชั้น) ซึ่งมีถุงเล็ก ๆ จำนวนมาก (โครงสร้างที่เรียกว่าไทลาคอยด์ ) ที่มีเม็ดสีดูดซับแสงที่เรียกว่าคลอโรฟิลล์แขวนลอยในของเหลวบางชนิด (เรียกว่าสโตรมา )

กุญแจสู่เวทมนตร์สังเคราะห์แสงของคลอโรพลาสต์อยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ เนื่องจากคลอโรพลาสต์เริ่มต้นมานานแล้วในฐานะแบคทีเรียอิสระที่มีเยื่อหุ้มเซลล์ของตัวเองออร์แกเนลล์เหล่านี้จึงมีเยื่อหุ้มเซลล์สองชั้น: เยื่อหุ้มเซลล์ด้านนอกเหลืออยู่จากเซลล์ที่ห่อหุ้มแบคทีเรียและเยื่อหุ้มชั้นในเป็นเยื่อเดิมของแบคทีเรีย คิดว่าเมมเบรนด้านนอกเป็นกระดาษห่อของขวัญและเมมเบรนด้านในเหมือนกล่องที่ของเล่นเข้ามาในตอนแรก ช่องว่างที่สำคัญที่สุดสำหรับการสังเคราะห์แสงคือช่องระหว่างด้านในของกล่องกับของเล่นนั่นคือไทลาคอยด์

คลอโรพลาสต์ทำงานบนการไล่ระดับสีเช่นเดียวกับแบตเตอรี่

เมมเบรนคู่ของคลอโรพลาสต์สร้างช่องแบ่งสองช่องโดยมีช่องว่างสี่ช่องที่แตกต่างกัน - ช่องว่างภายนอกเซลล์ ไซโทพลาซึมภายในเซลล์ สโตรมาภายในคลอโรพลาสต์ แต่อยู่นอกไทลาคอยด์ (หรือที่เรียกว่าช่องว่างระหว่างเมมเบรนด้านในและด้านนอกกระดาษห่อและกล่อง) และช่องว่างไทลาคอยด์ - โดยพื้นฐานแล้วภายในแบคทีเรียดั้งเดิม thylakoids ตัวเองเป็นกองเล็ก ๆ น้อย ๆ เพียงแค่กระเป๋าปกคลุมในเยื่อหุ้ม - กำหนดโดยเยื่อของพวกเขาในความเป็นจริง เมมเบรนเหล่านี้เป็นตัวแบ่งที่ไม่ปล่อยให้สิ่งต่าง ๆ ล่องไปมาระหว่างช่องว่างโดยเต็มใจทำให้คลอโรพลาสต์กักเก็บอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าไว้ในบางพื้นที่และเคลื่อนย้ายจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งผ่านช่องทางเฉพาะ

“ นั่นคือวิธีการทำงานของแบตเตอรี่” แบรนดอนแจ็กสันรองศาสตราจารย์ภาควิชาวิทยาศาสตร์ชีวภาพและสิ่งแวดล้อมของมหาวิทยาลัยลองวูดในฟาร์มวิลล์รัฐเวอร์จิเนียกล่าว "มันต้องใช้พลังงานในการใส่อิเล็กตรอนลบจำนวนมากที่ปลายด้านหนึ่งของแบตเตอรี่และอีกด้านหนึ่งก็จะมีประจุบวกจำนวนมากหากคุณต่อปลายทั้งสองด้วยลวดอิเล็กตรอนนั้นต้องการไหลลงไปเพื่อทำให้อิเล็กโทรดเรียบ การไล่ระดับทางเคมีระหว่างพวกเขาพวกเขาต้องการที่จะไหลมากว่าถ้าคุณใส่อะไรบางอย่างตามเส้นลวดเช่นหลอดไฟมอเตอร์หรือชิปคอมพิวเตอร์พวกเขาจะผลักดันทางผ่านและทำให้ตัวเองมีประโยชน์เมื่อพวกเขาเคลื่อนที่หากพวกเขาไม่ทำ ไม่ทำสิ่งที่เป็นประโยชน์การเคลื่อนไหวจะยังคงปล่อยพลังงาน แต่ก็เหมือนกับความร้อน "

ตามที่แจ็คสันกล่าวว่าในการสร้างแบตเตอรี่ในเซลล์พืชจะต้องมีแหล่งพลังงานและตัวแบ่งบางส่วนเพื่อสร้างและรักษาการไล่ระดับสี หากการไล่ระดับสีได้รับอนุญาตให้แบนพลังงานบางส่วนที่ใช้ในการสร้างมันจะหลุดรอดไป ดังนั้นในกรณีของแบตเตอรี่คลอโรพลาสต์การไล่ระดับทางเคมีไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นเมื่อพืชรับพลังงานจากดวงอาทิตย์และเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ทำหน้าที่เป็นตัวแบ่งระหว่างความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน (โปรตอน) ที่แตกต่างกันซึ่งถูกฉีกออก โมเลกุลของน้ำ

ปฏิบัติตามพลังงาน

มีเคมีมากมายเกิดขึ้นภายในคลอโรพลาสต์ แต่ผลของเคมีคือการเปลี่ยนแสงแดดเป็นพลังงานที่เก็บไว้โดยพื้นฐานแล้วคือการสร้างแบตเตอรี่

ดังนั้นเรามาติดตามพลังงานกัน:

แสงแดดส่องกระทบใบไม้ พลังงานแสงอาทิตย์กระตุ้นอิเล็กตรอนภายในโมเลกุลของน้ำในใบไม้และเนื่องจากอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นจะกระเด็นไปรอบ ๆ จำนวนมากอะตอมของไฮโดรเจนและออกซิเจนในโมเลกุลของน้ำจึงแตกตัวปล่อยอิเล็กตรอนที่ตื่นเต้นเหล่านี้เข้าสู่ขั้นตอนแรกของการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งเป็นการรวมตัวกันของเอนไซม์โปรตีน และเม็ดสีที่เรียกว่าphotosystem IIซึ่งสลายน้ำผลิตไฮโดรเจนไอออน (โปรตอนที่จะใช้ในแบตเตอรี่และก๊าซออกซิเจนซึ่งจะลอยขึ้นสู่อากาศเป็นขยะจากพืช)

อิเล็กตรอนที่ได้รับพลังงานเหล่านี้จะถูกส่งต่อไปยังโปรตีนที่มีเยื่อหุ้มเซลล์อื่น ๆ ซึ่งใช้พลังงานนั้นในการปั๊มไอออนที่พาไอออนของไฮโดรเจนออกจากช่องว่างระหว่างเมมเบรนเข้าไปในช่องว่างไทลาคอยด์ซึ่งเป็นที่ที่ปฏิกิริยาของการสังเคราะห์ด้วยแสงขึ้นอยู่กับแสง ระบบภาพถ่ายและปั๊มอิเล็กตรอนครอบคลุมพื้นผิวของเยื่อไธลาคอยด์ปั๊มไอออนของไฮโดรเจนจากสโตรมา (ช่องว่างระหว่างไทลาคอยด์และเมมเบรนด้านใน) เข้าไปในสแต็คและสแต็คของถุงไทลาคอยด์ - และไอออนเหล่านี้ต้องการออกไปจากสิ่งเหล่านี้จริงๆ thylakoids ซึ่งเป็นสิ่งที่สร้างการไล่ระดับสีด้วยไฟฟ้าเคมี ด้วยวิธีนี้พลังงานแสง - สิ่งที่ส่องบนใบหน้าของคุณเมื่อคุณออกไปข้างนอกจะถูกแปลงเป็นแบตเตอรี่ประเภทหนึ่งเช่นเดียวกับที่ใช้หูฟังไร้สายของคุณ

ณ จุดนี้ระบบภาพถ่ายที่ฉันเข้ามาแทนที่ซึ่งจัดเก็บพลังงานที่เกิดจากแบตเตอรี่ชั่วคราว ตอนนี้อิเล็กตรอนได้รับอนุญาตให้เคลื่อนที่ไปตามการไล่ระดับสีแล้วมันจะผ่อนคลายมากขึ้นดังนั้นมันจึงดูดซับแสงบางส่วนเพื่อให้พลังงานอีกครั้งและส่งผ่านพลังงานนั้นไปยังเอนไซม์พิเศษที่ใช้มันอิเล็กตรอนเองและโปรตอนสำรอง เพื่อสร้าง NADPH ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ให้พลังงานซึ่งให้การจัดเก็บในระยะสั้นสำหรับพลังงานเคมีที่จะนำไปใช้ในการสร้างน้ำตาลกลูโคสในภายหลัง

ณ จุดนี้พลังงานแสงอยู่ในสองที่: ถูกเก็บไว้ใน NADPH และเป็นการไล่ระดับเคมีไฟฟ้าของความแตกต่างของความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนภายในไทลาคอยด์เมื่อเทียบกับภายนอกในสโตรมา

"But the high hydrogen ion gradient inside the thylakoid wants to degrade — it needs to degrade," says Jackson. "Gradients represent 'organization' — essentially the opposite of entropy . And thermodynamics tells us that entropy will always try to increase, which means that a gradient must break down. So, the hydrogen ions inside each thylakoid really want to escape in order to even out the concentrations on either side of that inner membrane. But charged particles can't pass through a phospholipid bilayer just anywhere — they need some kind of channel to go through, just like electrons need a wire to make it from one side of the battery to the other."

So, just like you can put an electric motor on that wire, and make electrons drive a car, the channel the hydrogen ions pass through is a motor. These protons flow through the channel provided for them, like water flowing through a hydroelectric dam down an elevational gradient, and that motion makes enough energy to create a reaction that creates ATP, which is another short-term storage form of energy.

Now the original light energy has been converted into short-term storage chemical energy in the form of both NADPH and ATP, which will be useful later in the dark reactions (also known as the Calvin Cycle or the carbon-fixation cycle) within the chloroplast, all of which go down in the stroma because this fluid contains an enzyme that can convert NADPH, ATP and carbon dioxide into sugars that either feed the plant, assist in respiration, or are used to produce cellulose.

"Complex organic molecules like cellulose, which is made of glucose, take a lot of energy to make, and that all came from the sun," says Jackson. "Following the energy, it starts as light wave energy, then excited electron energy, then electrochemical gradient energy, then chemical energy in the form of NADPH and ATP. The oxygen gas is breathed off, and the NADPH and ATP aren't used to do other stuff within the cell — instead, both are passed to the carbon-fixation cycle, where other enzymes break them down, extract that energy, and use it to build glucose and other organic molecules."

And all this, thanks to a little organelle called a chloroplast.

Now That's Interesting

Because chlorophyll is great at absorbing red and blue light, but doesn't absorb green light, leaves appear green to our eyes because that's the color of light that bounces off of it.