De structuren van de chloroplast. Encyclopedie Britannica/Getty Images

Je kent de zon, Rechtsaf? Het is die gigantische bal van brandend gas die zoveel energie uitstraalt dat het elk organisme op aarde aandrijft. beginnend met onze groene maatjes, de planten. De zon geeft allerlei elektromagnetische straling af, en planten gebruiken de energie die verschijnt in de vorm van zichtbaar licht om het wild te bereiken, magisch lijkend proces van fotosynthese.

Fotosynthese is niet magisch, echter - het is gewoon het koele chemische handwerk van deze kleine cellulaire structuren die chloroplasten worden genoemd, een type organel dat alleen voorkomt in planten en eukaryote algen (eukaryotisch betekent met een duidelijk gedefinieerde kern) dat zonlicht opvangt en die energie omzet in voedsel voor de plant.

Chloroplasten geëvolueerd uit oude bacteriën

Chloroplasten werken veel zoals mitochondriën, een ander type organel gevonden in eukaryote cellen dat verantwoordelijk is voor de productie van energie, wat niet verwonderlijk is, aangezien beide evolueerden toen een lang geleden bacterie werd omhuld - maar niet verteerd door! - een grotere bacterie. Het resulteerde in een soort gedwongen samenwerking tussen twee organismen die we nu verklaren door middel van iets dat de 'endosymbiont-hypothese' wordt genoemd. Zowel chloroplasten als mitochondriën planten zich onafhankelijk van de rest van de cel voort en hebben hun eigen DNA.

Chloroplasten zijn te vinden in elk groen deel van de plant, en zijn in feite een zak in een zak (wat betekent dat er dubbele membranen zijn), die veel kleine zakjes bevatten (structuren die thylakoïden worden genoemd) die een lichtabsorberend pigment bevatten dat chlorofyl wordt genoemd, gesuspendeerd in een vloeistof (genaamd stroma).

De sleutel tot de fotosynthetische magie van een chloroplast zit in de membranen. Omdat een chloroplast lang geleden begon als een onafhankelijke bacterie met een eigen celmembraan, deze organellen hebben twee celmembranen:het buitenste membraan is overgebleven van de cel die de bacterie omhulde, en het binnenmembraan is het oorspronkelijke membraan van de bacterie. Zie het buitenste membraan als het inpakpapier van een cadeau en het binnenste membraan als de doos waarin het speelgoed oorspronkelijk kwam. De belangrijkste ruimte voor fotosynthese is die tussen de binnenkant van de doos en het speelgoed - de thylakoïden.

Chloroplasten lopen op hellingen, Zoals batterijen

Het dubbele membraan van een chloroplast creëert twee verdelers met vier verschillende ruimtes - de ruimte buiten de cel; het cytoplasma in de cel; het stroma in de chloroplast maar buiten de thylakoïde (ook bekend als de ruimte tussen de binnen- en buitenmembranen, het inpakpapier en de doos); en de thylakoïde ruimte - in feite de binnenkant van de oorspronkelijke bacterie. De thylakoïden zelf zijn slechts kleine stapels zakjes bedekt in membranen - gedefinieerd door hun membranen, in feite. Deze membranen zijn verdelers die dingen niet zomaar tussen ruimtes laten schuiven, willekeurig, waardoor de chloroplast elektrisch geladen deeltjes in bepaalde gebieden kan opslaan en deze via specifieke kanalen van de ene ruimte naar de andere kan verplaatsen.

"Zo werken batterijen, " zegt Brandon Jackson, universitair hoofddocent bij de afdeling Biologische en Milieuwetenschappen aan de Longwood University in Farmville, Virginia. "Het kost energie om veel negatieve elektronen aan het ene uiteinde van de batterij te plaatsen, en aan de andere kant veel positieve ladingen. Als u de twee uiteinden met een draad verbindt, de elektronen willen ECHT naar beneden stromen om de elektrochemische gradiënt ertussen af ​​te vlakken. Ze willen zo graag stromen, dat als je iets langs die draad plaatst, zoals een gloeilamp, een motor of een computerchip, ze zullen zich een weg banen en zichzelf nuttig maken terwijl ze bewegen. Als ze niets nuttigs doen, de beweging zal nog steeds energie vrijmaken, maar net zo warm."

Volgens Jackson, om een ​​batterij te maken in een plantencel, er moet een energiebron zijn en enkele verdelers om gradiënten te creëren en te behouden. Als het verloop mag afvlakken, een deel van de energie die werd gebruikt om het te creëren ontsnapt. Dus, in het geval van de chloroplastbatterij, er ontstaat een elektrochemische gradiënt wanneer de plant de energie van de zon opneemt en de membranen die de thylakoïden bedekken fungeren als verdelers tussen verschillende concentraties waterstofionen (protonen) die van sommige watermoleculen zijn afgescheurd.

Volg de energie

Er vindt veel chemie plaats in een chloroplast, maar het resultaat van de chemie is de omzetting van zonlicht in opgeslagen energie - in feite het creëren van een batterij.

Dus, laten we de energie volgen:

De zon schijnt op een blad. Dat zonne-energie elektronen opwekt in watermoleculen in het blad, en omdat opgewonden elektronen veel rondkaatsen, de waterstof- en zuurstofatomen in de watermoleculen vallen uiteen, het lanceren van deze geëxciteerde elektronen in de eerste fase van fotosynthese - een conglomeraat van enzymen, eiwitten en pigmenten genaamd fotosysteem II, die water afbreekt, waterstofionen produceren (protonen die in de batterij worden gebruikt en zuurstofgas dat als plantenafval de lucht in drijft).

Deze geactiveerde elektronen worden doorgegeven aan enkele andere membraangebonden eiwitten die die energie gebruiken om ionenpompen aan te drijven die de waterstofionen van de ruimte tussen de membranen naar de thylakoïde ruimte begeleiden, dat is waar alle lichtafhankelijke reacties van fotosynthese plaatsvinden. Fotosystemen en elektronenpompen bedekken de oppervlakken van de thylakoïde membranen, de waterstofionen uit het stroma (de vloeistofruimte tussen de thylakoïde en het binnenmembraan) in de stapels en stapels thylakoïde zakjes pompen - en deze ionen Echt wil weg uit deze thylakoïden, dat is wat de elektrochemische gradiënt creëert. Zo wordt lichtenergie - dat spul dat op je gezicht schijnt als je naar buiten gaat - omgezet in een soort batterij, zoals degenen die uw draadloze oordopjes gebruiken.

Op dit punt, fotosysteem dat ik overneem, die zorgt voor tijdelijke opslag van de door de batterij opgewekte energie. Nu het elektron langs de gradiënt mag bewegen, het is veel meer ontspannen, dus het absorbeert wat licht om het opnieuw te activeren, en geeft die energie door aan een speciaal enzym dat het gebruikt, het elektron zelf, en een reserve proton om NADPH te maken, dat is een energiedragend molecuul dat korte termijn opslag biedt voor chemische energie die later zal worden gebruikt om glucose te maken.

Op dit punt, de lichtenergie bevindt zich nu op twee plaatsen:het wordt opgeslagen in de NADPH en als de elektrochemische gradiënt van het verschil in waterstofionenconcentratie binnen de thylakoïde vergeleken met net daarbuiten in het stroma.

"Maar de hoge waterstofionengradiënt in de thylakoïde wil degraderen - het is behoeften degraderen, ", zegt Jackson. "Verlopen vertegenwoordigen 'organisatie' - in wezen het tegenovergestelde van entropie. En de thermodynamica vertelt ons dat entropie altijd zal proberen toe te nemen, wat betekent dat een helling moet afbreken. Dus, de waterstofionen in elke thylakoïde willen echt ontsnappen om de concentraties aan weerszijden van dat binnenmembraan te egaliseren. Maar geladen deeltjes kunnen niet zomaar overal door een fosfolipide dubbellaag - ze hebben een soort kanaal nodig om er doorheen te gaan, net zoals elektronen een draad nodig hebben om van de ene kant van de batterij naar de andere te komen."

Dus, net zoals je een elektromotor op die draad kunt zetten, en elektronen een auto laten besturen, het kanaal waar de waterstofionen doorheen gaan is een motor. Deze protonen stromen door het daarvoor bestemde kanaal, als water dat door een hydro-elektrische dam stroomt langs een helling, en die beweging maakt genoeg energie om een ​​reactie te creëren die ATP creëert, wat een andere vorm van energie voor korte termijn opslag is.

Nu is de oorspronkelijke lichtenergie omgezet in chemische opslagenergie voor de korte termijn in de vorm van zowel NADPH als ATP, die later nuttig zal zijn in de donkerreacties (ook bekend als de Calvincyclus of de koolstoffixatiecyclus) in de chloroplast, die allemaal in het stroma terechtkomen omdat deze vloeistof een enzym bevat dat NADPH kan omzetten, ATP en kooldioxide in suikers die ofwel de plant voeden, helpen bij de ademhaling, of worden gebruikt om cellulose te produceren.

"Complexe organische moleculen zoals cellulose, dat is gemaakt van glucose, kost veel energie om te maken, en dat kwam allemaal van de zon, " zegt Jackson. "De energie volgend, het begint als lichtgolfenergie, dan opgewekte elektronenenergie, dan elektrochemische gradiëntenergie, dan chemische energie in de vorm van NADPH en ATP. Het zuurstofgas wordt uitgeademd, en de NADPH en ATP worden niet gebruikt om andere dingen in de cel te doen - in plaats daarvan, beide worden doorgegeven aan de koolstoffixatiecyclus, waar andere enzymen ze afbreken, haal die energie eruit, en gebruik het om glucose en andere organische moleculen te bouwen."

En dit alles, dankzij een klein organel dat een chloroplast wordt genoemd.

Dat is nu interessant

Omdat chlorofyl goed is in het absorberen van rood en blauw licht, maar absorbeert geen groen licht, bladeren lijken groen voor onze ogen, want dat is de kleur van het licht dat ervan weerkaatst.