Вы знаете солнце, верно? Это тот гигантский шар горящего газа, который излучает столько энергии, что питает каждый организм на Земле, начиная с наших зеленых друзей, растений. Солнце испускает все виды электромагнитного излучения, а растения используют энергию, проявляющуюся в виде видимого света, для выполнения дикого, кажущегося волшебным процесса фотосинтеза.
Фотосинтез - это не волшебство, однако - это просто крутая химическая работа этих маленьких клеточных структур, называемых хлоропластами, типом органелл, встречающихся только в растениях и эукариотических водорослях (эукариотические означает обладающие четко определенным ядром), которые улавливают солнечный свет и преобразует эту энергию в пищу для растений.
Хлоропласты произошли от древних бактерий
Хлоропласты работают во многом подобно митохондриям, другому типу органелл, обнаруженных в эукариотических клетках и отвечающих за выработку энергии, что неудивительно, поскольку обе они эволюционировали, когда давние бактерии были окружены, но не переварены! - более крупные бактерии. Это привело к своего рода вынужденному сотрудничеству между двумя организмами, которое мы теперь объясняем с помощью чего-то, что называется «гипотеза эндосимбионта». И хлоропласты, и митохондрии воспроизводятся независимо от остальной части клетки и имеют собственную ДНК.
Хлоропласты можно найти в любой зеленой части растения, и в основном они представляют собой мешок внутри мешка (что означает наличие двойной мембраны), которые содержат множество маленьких крошечных мешочков (структур, называемых тилакоидами), содержащих свет -поглощающий пигмент, называемый хлорофиллом, взвешенный в некоторой жидкости (называемой стромой).
Ключ к фотосинтетической магии хлоропласта находится в его мембранах. Поскольку хлоропласт давно возник как самостоятельная бактерия с собственной клеточной мембраной, эти органеллы имеют две клеточные мембраны: внешняя мембрана осталась от клетки, покрывавшей бактерию, а внутренняя мембрана является исходной мембраной бактерии. Думайте о внешней мембране как о упаковочной бумаге на подарке, а о внутренней мембране как о коробке, в которой изначально находилась игрушка. Наиболее важным пространством для фотосинтеза является пространство между внутренней частью коробки и игрушкой - тилакоиды.
Хлоропласты работают на градиентах, как батарейки
Двойная мембрана хлоропласта образует две перегородки с четырьмя отдельными пространствами - пространство вне клетки; цитоплазма внутри клетки; строма внутри хлоропласта, но снаружи тилакоида (также известное как пространство между внутренней и внешней мембранами, оберточной бумагой и коробкой); а тилакоидное пространство - в основном внутри исходной бактерии. Сами тилакоиды представляют собой 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 хлоропластам накапливать электрически заряженные частицы в определенных областях и перемещать их из одного пространства в другое по определенным каналам.
«Вот как работают батареи», - говорит Брэндон Джексон, доцент кафедры биологических наук и наук об окружающей среде Лонгвудского университета в Фармвилле, штат Вирджиния. «Требуется энергия, чтобы поместить много отрицательных электронов на один конец батареи и много положительных зарядов на другой. химический градиент между ними. Они так сильно хотят течь, что, если вы поместите что-то вдоль этого провода, например, лампочку, двигатель или компьютерный чип, они будут проталкиваться и приносить пользу, когда они двигаются. Если они не Если вы не сделаете что-то полезное, движение все равно будет выделять энергию, но только в виде тепла."
По словам Джексона, для создания батареи в растительной клетке должен быть источник энергии и несколько разделителей для создания и поддержания градиентов. Если позволить градиенту выровняться, часть энергии, использованной для его создания, ускользнет. Так, в случае хлоропластной батареи создается электрохимический градиент, когда растение получает энергию от солнца, а мембраны, покрывающие тилакоиды, действуют как разделители между различными концентрациями оторванных ионов водорода (протонов). некоторые молекулы воды.
Следуй за энергией
Внутри хлоропласта происходит множество химических процессов, но результатом этих химических процессов является преобразование солнечного света в накопленную энергию - по сути, создание батареи.
Итак, идем за энергией:
Солнце светит на лист. Эта солнечная энергия возбуждает электроны внутри молекул воды в листе, а поскольку возбужденные электроны часто отскакивают, атомы водорода и кислорода в молекулах воды распадаются, запуская эти возбужденные электроны на первую стадию фотосинтеза - конгломерат ферментов, белков. и пигменты, называемые фотосистемой II, которые расщепляют воду, производя ионы водорода (протоны, которые будут использоваться в батарее, и газообразный кислород, который будет улетучиваться в воздух как растительный мусор).
Эти заряженные электроны передаются некоторым другим белкам, связанным с мембраной, которые используют эту энергию для питания ионных насосов, которые сопровождают ионы водорода из пространства между мембранами в пространство тилакоидов, где находятся все светозависимые белки. происходят реакции фотосинтеза. Фотосистемы и электронные насосы покрывают поверхности мембран тилакоидов, перекачивая ионы водорода из стромы (жидкостного пространства между тилакоидом и внутренней мембраной) в стопки и стопки тилакоидных мешочков - и эти ионы очень хотят выбраться из этих тилакоиды, которые создают электрохимический градиент. Таким образом, световая энергия - то, что светит вам на лицо, когда вы выходите на улицу, - преобразуется в своего рода аккумулятор, вроде тех, что питают ваши беспроводные наушники.
В этот момент за дело берется фотосистема I, которая обеспечивает временное хранение энергии, вырабатываемой батареей. Теперь, когда электрону позволено двигаться по градиенту, он намного более расслаблен, поэтому он поглощает немного света, чтобы перезарядить его, и передает эту энергию специальному ферменту, который ее использует, самому электрону и запасному протону. чтобы сделать НАДФН, молекулу, переносящую энергию, которая обеспечивает краткосрочное хранение химической энергии, которая позже будет использована 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 внешней его частью в строме.
«Но высокий градиент ионов водорода внутри тилакоида хочет деградировать - ему нужно деградировать», - говорит Джексон. «Градиенты представляют собой «организацию» - по сути, противоположность энтропии. А термодинамика говорит нам, что энтропия всегда будет стремиться к увеличению, а это означает, что градиент должен разрушаться. Итак, ионы водорода внутри каждого тилакоида действительно хотят убежать, чтобы даже концентрации по обе стороны этой внутренней мембраны. Но заряженные частицы не могут пройти через двойной слой фосфолипидов где угодно - им нужен какой-то канал, чтобы пройти, точно так же, как электронам нужен провод, чтобы пройти с одной стороны батареи к другому."
Итак, так же, как вы можете подключить электродвигатель к этому проводу и заставить электроны управлять автомобилем, канал, через который проходят ионы водорода, является двигателем. Эти протоны текут по предусмотренному для них каналу, как вода, текущая через плотину гидроэлектростанции вниз по градиенту высоты, и это движение создает достаточно энергии, чтобы вызвать реакцию, которая создает АТФ, который является еще одной краткосрочной формой хранения энергии.
Теперь первоначальная световая энергия была преобразована в краткосрочную химическую энергию в форме НАДФН и АТФ, которая будет полезна позже в темновых реакциях (также известных как цикл Кальвина или фиксация углерода). цикл) внутри хлоропласта, и все они опускаются в строму, потому что эта жидкость содержит фермент, который может превращать НАДФН, АТФ и углекислый газ в сахара, которые либо питают растение, либо помогают дыханию, либо используются для производства целлюлозы.
«Сложные органические молекулы, такие как целлюлоза, которая состоит из глюкозы, требуют много энергии для производства, и все это происходит от солнца», - говорит Джексон. «Вслед за энергией она начинается как энергия световой волны, затем энергия возбужденных электронов, затем энергия электрохимического градиента, затем химическая энергия в форме НАДФН и АТФ. Газообразный кислород выдыхается, а НАДФН и АТФ не используются для каких-либо других действий внутри клетки - вместо этого они 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 под названием хлоропласт.
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.
Часто задаваемые вопросы
Что такое хлоропласт простой ответ?
Хлоропласты - это органеллы в растительной клетке, которые уникальны тем, что обладают способностью превращать свет в химическую энергию, которую растение может использовать для создания собственной пищи.