Le strutture del cloroplasto. Enciclopedia Britannica/Getty Images Tu conosci il sole, Giusto? È quella palla gigante di gas in fiamme che emette così tanta energia da alimentare ogni organismo sulla Terra, a cominciare dai nostri amici verdi, Le piante. Il sole emette ogni sorta di radiazione elettromagnetica, e le piante usano l'energia che si manifesta sotto forma di luce visibile per realizzare il selvaggio, processo di fotosintesi dall'aspetto magico.
La fotosintesi non è magica, tuttavia - è solo il fantastico lavoro chimico di queste piccole strutture cellulari chiamate cloroplasti, un tipo di organello che si trova solo nelle piante e nelle alghe eucariotiche (eucariote significa che possiedono un nucleo ben definito) che cattura la luce solare e converte quell'energia in cibo per la pianta.
I cloroplasti funzionano molto come i mitocondri, un altro tipo di organello trovato nelle cellule eucariotiche responsabile della produzione di energia, il che non è sorprendente, poiché entrambi si sono evoluti quando un batterio molto tempo fa è stato avvolto, ma non digerito! — un batterio più grande. Risultò in una sorta di cooperazione forzata tra due organismi che ora spieghiamo attraverso qualcosa chiamato "ipotesi endosimbionte". Sia i cloroplasti che i mitocondri si riproducono indipendentemente dal resto della cellula e hanno il proprio DNA.
I cloroplasti possono essere trovati in qualsiasi parte verde della pianta, e sono fondamentalmente una borsa dentro una borsa (il che significa che c'è una doppia membrana), che contengono molti piccoli sacchetti (strutture chiamate tilacoidi) contenenti un pigmento che assorbe la luce chiamato clorofilla, sospeso in un fluido (chiamato stroma).
La chiave della magia fotosintetica di un cloroplasto è nelle sue membrane. Poiché un cloroplasto è nato molto tempo fa come batterio indipendente con una propria membrana cellulare, questi organelli hanno due membrane cellulari:la membrana esterna è rimasta dalla cellula che ha avvolto il batterio, e la membrana interna è la membrana originale del batterio. Pensa alla membrana esterna come alla carta da regalo di un regalo e alla membrana interna come alla scatola in cui è stato originariamente inserito il giocattolo. Lo spazio più importante per la fotosintesi è quello tra l'interno della scatola e il giocattolo:i tilacoidi.
La doppia membrana di un cloroplasto crea due divisori con quattro spazi distinti:lo spazio esterno alla cellula; il citoplasma all'interno della cellula; lo stroma all'interno del cloroplasto ma al di fuori del tilacoide (ovvero lo spazio tra le membrane interna ed esterna, la carta da pacchi e la scatola); e lo spazio tilacoideo, fondamentalmente all'interno del batterio originale. I tilacoidi stessi sono solo piccole pile di sacchetti coperto nelle membrane — definite dalle loro membrane, infatti. Queste membrane sono divisori che non lasciano che le cose scorrano tra gli spazi, volenti o nolenti, consentendo al cloroplasto di accumulare particelle cariche elettricamente in determinate aree e di spostarle da uno spazio all'altro attraverso canali specifici.
"È così che funzionano le batterie, "dice Brandon Jackson, professore associato presso il Dipartimento di Scienze Biologiche e Ambientali della Longwood University di Farmville, Virginia. "Ci vuole energia per mettere molti elettroni negativi su un'estremità della batteria, e un sacco di cariche positive dall'altro. Se colleghi le due estremità con un filo, gli elettroni vogliono VERAMENTE scorrere verso il basso per appiattire il gradiente elettrochimico tra di loro. Vogliono fluire così tanto, che se metti qualcosa lungo quel filo come una lampadina, un motore o un chip di computer, si faranno strada e si renderanno utili mentre si muovono. Se non fanno qualcosa di utile, il movimento rilascerà ancora energia, ma proprio come il calore."
Secondo Jackson, per realizzare una batteria in una cellula vegetale, ci deve essere una fonte di energia e alcuni divisori per creare e mantenere i gradienti. Se il gradiente può appiattirsi, parte dell'energia che è stata utilizzata per crearlo sfugge. Così, nel caso della batteria al cloroplasto, si crea un gradiente elettrochimico quando la pianta assorbe l'energia del sole e le membrane che ricoprono i tilacoidi fungono da divisori tra diverse concentrazioni di ioni idrogeno (protoni) a cui sono state strappate alcune molecole d'acqua.
C'è molta chimica all'interno di un cloroplasto, ma il risultato della chimica è la conversione della luce solare in energia immagazzinata, fondamentalmente la creazione di una batteria.
Così, seguiamo l'energia:
Il sole splende su una foglia. Che l'energia solare eccita gli elettroni all'interno delle molecole d'acqua nella foglia, e poiché gli elettroni eccitati rimbalzano molto, gli atomi di idrogeno e ossigeno nelle molecole d'acqua si rompono, lanciando questi elettroni eccitati nel primo stadio della fotosintesi - un conglomerato di enzimi, proteine e pigmenti chiamati fotosistema II, che scompone l'acqua, producendo ioni idrogeno (protoni che verranno utilizzati nella batteria e ossigeno gassoso che galleggia nell'aria come spazzatura vegetale).
Questi elettroni energizzati vengono trasmessi ad altre proteine legate alla membrana che usano quell'energia per alimentare le pompe ioniche che scortano gli ioni idrogeno dallo spazio tra le membrane nello spazio tilacoide, che è dove si verificano tutte le reazioni dipendenti dalla luce della fotosintesi. Fotosistemi e pompe elettroniche ricoprono le superfici delle membrane tilacoidi, pompando gli ioni idrogeno dallo stroma (lo spazio fluido tra il tilacoide e la membrana interna) nelle pile e pile di sacchetti tilacoidi - e questi ioni veramente voglio uscire da questi tilacoidi, che è ciò che crea il gradiente elettrochimico. In questo modo l'energia luminosa - quella roba che ti brilla sul viso quando esci - viene convertita in una sorta di batteria, come quelli che eseguono i tuoi auricolari wireless.
A questo punto, il fotosistema prende il sopravvento, che provvede allo stoccaggio temporaneo dell'energia generata dalla batteria. Ora che è stato permesso all'elettrone di muoversi lungo il gradiente, è molto più rilassato, quindi assorbe un po' di luce per ridargli energia, e passa quell'energia a uno speciale enzima che la usa, l'elettrone stesso, e un protone di riserva per produrre NADPH, che è una molecola che trasporta energia che fornisce l'immagazzinamento a breve termine per l'energia chimica che verrà successivamente utilizzata per produrre glucosio.
A questo punto, l'energia luminosa è ora in due posti:è immagazzinata nel NADPH e come il gradiente elettrochimico della differenza nella concentrazione di ioni idrogeno all'interno del tilacoide rispetto a appena fuori di esso nello stroma.
"Ma l'alto gradiente di ioni idrogeno all'interno del tilacoide vuole degradarsi - è bisogni degradare, " dice Jackson. "I gradienti rappresentano 'organizzazione' - essenzialmente l'opposto dell'entropia. E la termodinamica ci dice che l'entropia cercherà sempre di aumentare, il che significa che un gradiente deve rompersi. Così, gli ioni idrogeno all'interno di ogni tilacoide vogliono davvero scappare per uniformare le concentrazioni su entrambi i lati di quella membrana interna. Ma le particelle cariche non possono passare attraverso un doppio strato fosfolipidico ovunque:hanno bisogno di un qualche tipo di canale per attraversarlo, proprio come gli elettroni hanno bisogno di un filo per andare da un lato all'altro della batteria".
Così, proprio come puoi mettere un motore elettrico su quel filo, e fare in modo che gli elettroni guidino una macchina, il canale attraverso il quale passano gli ioni idrogeno è un motore. Questi protoni fluiscono attraverso il canale previsto per loro, come l'acqua che scorre attraverso una diga idroelettrica lungo un dislivello altimetrico, e quel movimento produce energia sufficiente per creare una reazione che crea ATP, che è un'altra forma di accumulo di energia a breve termine.
Ora l'energia luminosa originale è stata convertita in energia chimica di accumulo a breve termine sotto forma sia di NADPH che di ATP, che sarà utile in seguito nelle reazioni oscure (noto anche come il ciclo di Calvin o il ciclo di fissazione del carbonio) all'interno del cloroplasto, che scendono tutti nello stroma perché questo fluido contiene un enzima in grado di convertire NADPH, ATP e anidride carbonica in zuccheri che alimentano la pianta, assistere nella respirazione, o sono usati per produrre cellulosa.
"molecole organiche complesse come la cellulosa, che è fatto di glucosio, ci vuole molta energia per fare, e che tutto veniva dal sole, " dice Jackson. "Seguendo l'energia, inizia come energia di onde luminose, quindi energia dell'elettrone eccitato, quindi energia di gradiente elettrochimico, poi energia chimica sotto forma di NADPH e ATP. Il gas ossigeno viene espulso, e il NADPH e l'ATP non sono usati per fare altre cose all'interno della cellula, invece, entrambi sono passati al ciclo di fissazione del carbonio, dove altri enzimi li scompongono, estrarre quell'energia, e usarlo per costruire glucosio e altre molecole organiche."
E tutto questo, grazie a un piccolo organello chiamato cloroplasto.
Ora è interessantePoiché la clorofilla è ottima per assorbire la luce rossa e blu, ma non assorbe la luce verde, le foglie appaiono verdi ai nostri occhi perché è il colore della luce che ne rimbalza.
