I cloroplasti sono strutture di membrana in cui avviene la fotosintesi. Questo processo nelle piante superiori e nei cianobatteri ha permesso al pianeta di mantenere la capacità di sostenere la vita utilizzando l'anidride carbonica e reintegrando la concentrazione di ossigeno. La fotosintesi stessa avviene in strutture come i tilacoidi. Si tratta di "moduli" di membrana di cloroplasti, in cui avvengono il trasferimento di protoni, la fotolisi dell'acqua, la sintesi di glucosio e ATP.
Struttura dei cloroplasti vegetali
I cloroplasti sono chiamati strutture a doppia membrana che si trovano nel citoplasma delle cellule vegetali e del clamidomonas. Al contrario, le cellule cianobatteriche svolgono la fotosintesi nei tilacoidi e non nei cloroplasti. Questo è un esempio di un organismo sottosviluppato che è in grado di fornire il suo nutrimento attraverso enzimi di fotosintesi situati sulle sporgenze del citoplasma.
Secondo la sua struttura, il cloroplasto è un organello a due membrane a forma di bolla. Si trovano in gran numero nelle cellule delle piante fotosintetiche e si sviluppano solo nel caso dicontatto con la luce ultravioletta. All'interno del cloroplasto c'è il suo stroma liquido. Nella sua composizione, assomiglia allo ialoplasma ed è composto per l'85% da acqua, in cui gli elettroliti sono disciolti e le proteine sono sospese. Lo stroma dei cloroplasti contiene tilacoidi, strutture in cui le fasi chiare e scure della fotosintesi procedono direttamente.
Apparato ereditario del cloroplasto
Accanto ai tilacoidi ci sono dei granuli con amido, che è un prodotto della polimerizzazione del glucosio ottenuta a seguito della fotosintesi. Liberamente nello stroma ci sono DNA plastidico insieme a ribosomi sparsi. Possono esserci diverse molecole di DNA. Insieme all'apparato biosintetico, sono responsabili del ripristino della struttura dei cloroplasti. Ciò accade senza utilizzare le informazioni ereditarie del nucleo cellulare. Questo fenomeno permette anche di valutare la possibilità di crescita e riproduzione indipendenti dei cloroplasti in caso di divisione cellulare. Pertanto, i cloroplasti, per alcuni aspetti, non dipendono dal nucleo cellulare e rappresentano, per così dire, un organismo simbiotico sottosviluppato.
Struttura dei tilacoidi
I tilacoidi sono strutture di membrana a forma di disco situate nello stroma dei cloroplasti. Nei cianobatteri, si trovano completamente sulle invaginazioni della membrana citoplasmatica, poiché non hanno cloroplasti indipendenti. Esistono due tipi di tilacoidi: il primo è un tilacoide con un lume e il secondo è un lamellare. Il tilacoide con un lume ha un diametro più piccolo ed è un disco. Diversi tilacoidi disposti verticalmente formano un grana.
I tilacoidi lamellari sono placche larghe che non hanno un lume. Ma sono una piattaforma a cui sono attaccati più grani. In essi la fotosintesi praticamente non si verifica, poiché sono necessari per formare una struttura forte resistente ai danni meccanici alla cellula. In totale, i cloroplasti possono contenere da 10 a 100 tilacoidi con un lume capace di fotosintesi. Gli stessi tilacoidi sono le strutture elementari responsabili della fotosintesi.
Il ruolo dei tilacoidi nella fotosintesi
Le reazioni più importanti della fotosintesi hanno luogo nei tilacoidi. Il primo è la scissione per fotolisi della molecola d'acqua e la sintesi dell'ossigeno. Il secondo è il transito di un protone attraverso la membrana attraverso il complesso molecolare del citocromo b6f e la catena di elettrotrasporto. Anche nei tilacoidi avviene la sintesi della molecola di ATP ad alta energia. Questo processo si verifica con l'uso di un gradiente protonico che si è sviluppato tra la membrana tilacoide e lo stroma del cloroplasto. Ciò significa che le funzioni dei tilacoidi consentono di realizzare l'intera fase luminosa della fotosintesi.
Fase leggera della fotosintesi
Una condizione necessaria per l'esistenza della fotosintesi è la capacità di creare un potenziale di membrana. Si ottiene attraverso il trasferimento di elettroni e protoni, grazie al quale viene creato un gradiente H +, che è 1000 volte maggiore rispetto alle membrane mitocondriali. È più vantaggioso prendere elettroni e protoni dalle molecole d'acqua per creare un potenziale elettrochimico in una cellula. Sotto l'azione di un fotone ultravioletto sulle membrane tilacoidi, questo diventa disponibile. Un elettrone viene eliminato da una molecola d'acqua, cheacquisisce una carica positiva, e quindi, per neutralizzarla, è necessario far cadere un protone. Di conseguenza, 4 molecole d'acqua si scompongono in elettroni, protoni e formano ossigeno.
La catena dei processi di fotosintesi
Dopo la fotolisi dell'acqua, la membrana viene ricaricata. I tilacoidi sono strutture che possono avere un pH acido durante il trasferimento di protoni. In questo momento, il pH nello stroma del cloroplasto è leggermente alcalino. Questo genera un potenziale elettrochimico che rende possibile la sintesi di ATP. Le molecole di adenosina trifosfato verranno successivamente utilizzate per i fabbisogni energetici e la fase oscura della fotosintesi. In particolare, l'ATP viene utilizzato dalla cellula per utilizzare l'anidride carbonica, ottenuta mediante la condensazione e la sintesi di molecole di glucosio basate su di esse.
Nella fase oscura, NADP-H+ viene ridotto a NADP. In totale, la sintesi di una molecola di glucosio richiede 18 molecole di ATP, 6 molecole di anidride carbonica e 24 protoni di idrogeno. Ciò richiede la fotolisi di 24 molecole d'acqua per utilizzare 6 molecole di anidride carbonica. Questo processo consente di rilasciare 6 molecole di ossigeno, che verranno successivamente utilizzate da altri organismi per il loro fabbisogno energetico. Allo stesso tempo, i tilacoidi sono (in biologia) un esempio di una struttura a membrana che consente l'uso dell'energia solare e un potenziale transmembrana con un gradiente di pH per convertirli nell'energia dei legami chimici.
