Kloroplast, Fotosinteza

Svi tipovi plastida nastaju iz malih (0,5 do 1 mikrometara u promjeru), slabo diferenciranih, bezbojnih proplastida, koji su prisutni u nediferenciranim meristemskim stanicama koje se brzo dijele. Sadrže malo unutarnjih struktura, dijele se, a iz njih se razvijaju u zrele tipove plastida ovisno o potrebama stanice. Proplastidi se nasljeđuju sa citoplazmom biljne jajne stanice, oni se mogu razviti u kloroplaste (u zelenim listovima), ili skladišne plastide, leukoplaste koji akumuliraju škrob (u gomolju krumpira), ili kromoplaste koji sadrže pigmente (u laticama cvijeta).

Plastidi su organeli karakteristični isključivo za biljnu stanicu. Kod gljiva i nekih visoko specijaliziranih biljnih stanica nema plastida. Vrste plastida u koje se može transformirati citoplazmom nasljeđen proplastid su:

Kloroplasti - obavljaju fotosintezu, imaju tilakoidne membrane i kreću se uz staničnu stijenku zbog aktinskih i miozinskih vlakana.

Kromoplasti - fotosintetski neaktivni plastidi koji daju žutu (ksantofil), narančastu (beta-karoten) i crvenu (likopen) boju plodovima i cvjetovima jer sadrže pigmente. Tijekom sazrijevanja plodova u kloroplastima se razgrađuju tilakoidne membrane i transformiraju se u kromoplaste.

Leukoplasti - nepigmentirani plastidi sa zaštitnom ulogom, nalaze se u unutarnjim i epidermalnim stanicama, također imaju pričuvnu funkciju te mogu skladištiti proteine (proteinoplasti), lipide (elaioplasti) i škrob (amiloplasti).

Gerntoplasti - plastidi požutjelih listova u kojima je razgrađen klorofil, ali sačuvan karoten.

Ukoliko biljka raste u mraku, razvoj kloroplasta se zaustavlja u stadiju etioplasta. Neke reakcije u izgradnji fotosintetskog aparata i tilakoida ovisne su o svjetlosti (primjer enzima ovisnog o svjetlosti je protoklorofil reduktaza). U etioplastu se formiraju tubularne unutarnje membrane - protilakoidi i parakristalična struktura - prolamelarno tijelo, ali se ne sintetizira klorofil (već žuta preteča klorofila). Ako se takve etiolirane biljke izlože svjetlu, etioplasti nastavljaju razvoj u kloroplaste.

Leukoplasti sa škrobnim zrncima. Dokazuju se Lugolovom otopinom.

Kloroplasti su fotosintetski aktivni plastidi. Iako je najznačajnija funkcija kloroplasta fotosinteza, u kloroplastima se odvija i sinteza lipida, aminokiselina, masnih kiselina i škroba. Kloroplasti su obavijeni dvijema membranama koje čine ovojnicu. Vanjska i unutarnja membrana plastida znatno se razlikuju, pri čemu unutarnja membrana predstavlja pravu barijeru prema citoplazmi. Prostor između membrana odgovara necitoplazmatskoj fazi, dok unutarnja membrana obavija stromu u kojoj se nalaze škrobna zrnca, plastoglobuli, ribosomi i sustav membrana nazvan tilakoidi. Vanjska membrana, vrlo je propusna za male molekule iione. Unutarnja membrana, slabo je propusna, sadrži posebne transportne proteine za prijenos ATP i dikarboksilnih kiselina. Predstavlja mjesto interakcije kloroplasta s preostalim dijelom stanice. Tilakoidna mambrana, nepropusna je za ione; sadrži sve sustave kloroplasta koji stvaraju energiju: fotosintetski sustav apsorpcije svjetla (molekule pigmenta klorofila i karotenoida), lanac prijenosa elektrona i ATP sintazu. Stroma je veliki središnji prostor okružen unutarnjom membranom, sadrži: topljive enzime i uređaje za sintezu RNA i DNA (ribosome, DNA, RNA). Tilakoidni prostor, lumeni tilakoida međusobno su povezani i određuju treći unutarnji pododjeljak - tilakoidni prostor. Odvojen je od strome tilakoidnom membranom. Na tilakoidnim membrana kloroplasta prisutan je klorofil, karotenoidi i ostale komponente fotosintetskog aparata, dok se enzimi za fiksaciju ugljičnog dioksida i sintetski putovi s tim u vezi, nalaze u stromi kloroplasta. Pojedinačne tilakoide nazivamo stroma-tilakoidi dok višeslojne naslage tilakoida zovemo grana-tilakoidi.

Granum čini nakupina tilakoida – mreža spljoštenih diskova. Glavni dio tilakoidne membrane.

U stromi plastida. Zahvaljujući plastidnoj DNA plastidi su semiautonomni organeli sa značajnom autonomijom jer sadrže nasljednu uputu, no ona im nije dovoljno za samostalan život izvan stanice. Povezani su u kompleks s proteinima zvan nukleoid plastida. Svaki nukleoid može sadržavati više od deset kopija plastida DNA. U jednoj biljnoj stanici može biti samo jedna vrsta plastida dok su u cijeloj biljci različite vrste.

Oni su topološki jednaki, a također su topološki jednaki i izvanstaničnom prostoru jer tilakoid nastaje od međumembranskog prostora. Tilakoid pri razvitku iz proplastida nastaje uvrnućem specijalnih dijelova unutarnje membrane koji se otkidaju i formiraju tilakoidne vezikule, koje se onda razvijaju u zreli tilakoid. Tilakoidni odjeljak je strukturno i funkcionalno različit od ostatka kloroplasta. Tilakoidi mogu rasti i dijeliti se autonomno kako kloroplasti preferiraju.

Voda se razlaže, a kisik se oslobađa u reakcijama fotosintetskog prijenosa elektrona, dok se ugljični dioksid asimilira (fiksira) u proizvodnji ugljikohidrata u reakcijama fiksacije ugljika. Mnoge reakcije koje se odvijaju tijekom fotosinteze u biljkama, mogu se svrstati u dvije skupine:

1)fotosintetske reakcije prijenosa elektrona - proizvodnja ATP i NADPH, odvijanje ovisi o svjetlosnoj energiji

2)reakcije fiksacije ugljika pretvorba CO2 u ugljikohidrate. Fotosinteza je redoks proces; – voda se oksidira, ugljik se reducira – elektroni se prenose zajedno s vodikovim ionima iz vode do CO2 i reduciraju ga u šećer – elektroni povećavaju svoju potencijalnu energiju dok se kreću od vode do šećera, a potrebnu energiju dobijaju u reakcijama ovisnim o svjetlosti.

Fotosintezu čine dva procesa: REAKCIJE OVISNE O SVJETLOSTI i CALVINOV CIKLUS (reakcije neovisne o svjetlosti; reakcije u tami). Reakcije ovisne o svjetlosti se odvijaju u tilakoidima, a reakcije neovisne o svjetlosti u stromi kloroplasta.

Koja je ukupna reakcija fotosinteze?

6 CO2 + 12H2O –energija-> 6O2 + C6H12O6 + 6H20

Kako bi došlo do fotosinteze moraju biti ispunjeni uvjeti:

Izvor energije (svjetolsna energija) koju apsorbiraju molekule klorofila, a dio te energije se pohranjuje u ATPIzvor vodika (h20) koji će se reducirati CO2 do energetski bogatog šećera glukoze. Energija svjetlosti omogućuje razlaganje vode na vodik i kisik pa se tako oslobađa vodik za redukciju C02.

Fotosustav se sastoji od dvije usko povezane komponente:

• kompleks antena je važan za hvatanje svjetlosti, sastoji od molekula pigmenta (klorofili i karotenoidi) koje hvataju svjetlosnu energiju i prenose je do reakcijskog središta

• fotokemijsko reakcijsko središte je transmembranski proteinsko-pigmentni kompleks se Sastoji od proteinskih kompleksa i molekula klorofila a koji omogućuju da energija svjetla bude pretvorena u kemijsku energiju. Molekula klorofila je pobuđena fotonom (kvant svjetlosti), elektron je pobuđen u orbitalu više energije, pobuđena molekula klorofila se želi vratiti u orginalno stanje što može učiniti na tri načina:

1. višak energije pretvoriti u toplinu

2. rezonantnim prijenosomu prenosi energiju na drugu molekulu klorofila (ali ne preko elektrona)

3. prenošenje elektrona visokog potencijala do susjedne molekule koja je akceptor tog elektrona, i pritom se vrača u početno stanje uzimanjm elektrona niskog energetskog potencijala od neke druge molekule koja je tada donor elekrona u reakcijskom središtu.

Po kompleksu atena se energija brzo prenosi sa 1. na 2. molekulu dok ne stigne do posebnog para molekula klorofila u fotokemijskom središtu, to je ireverzibilna zamka za pobuđeni kvant gdje se energija prenosi elektronima preko akceptora elekrona do lanca prijenosa elektrona.

Ciklički tok: Umjesto da se prenesu na NADP+ , elektroni visoke energije iz fotosustava I vraćaju se natrag do citokrom bf kompleksa. Prijenos elektrona kroz citokrom bf kompleks povezan je sa stvaranjem protonskog gradijenta kroz tilakoidnu membranu. Plastocijanin zatim vraća te elektrone u fotosustav I, na nižu energetsku razinu, završavajući ciklus prijenosa elektrona u kojem se energija svjetla koristi za crpljenje protona u citokrom bf kompleksu. Prijenos elektrona od fotosustava I može stoga stvarati ili ATP ili NADPH, ovisno o metaboličkim potrebama stanice.

Neciklički tok: Pet proteinskih kompleksa u tilakoidnoj membrani djeluje u transportu elektrona i sintezi ATP i NADPH. Fotone apsorbiraju molekule klorofila udružene s fotosustavima I i II (PS I I PS II). U fotosustavu II, energija dobivena apsorpcijom fotona koristi se za cijepanje molekula H2O u tilakoidnom prostoru. Elektroni se zatim prenose pomoću plastokinona (PQ) do citokrom bf kompleksa, gdje se prenose na na niže energetsko stanje, a H+ se crpe u tilakoidni prostor. Elektroni se zatim prenose do fotosustava I pomoću plastocijanina (PC). U fotosustavu I, energija dobivena apsorpcijom svijetla ponovo stvara visokoenergetske elektrone, koje proteinski kompleks, reduktaza NADP, koristi za redukciju NADP+ u stromi kloroplasta. Proteinski kompleks, ATP sintaza, zatim koristi energiju pohranjenu u protonskom gradijentu za pretvorbu ADPa u ATP. Produkti necikličkog toka elektrona su ATP, NADPH i O2.

Na tilakoidnoj membrani, ATP sintetaza je orijentirana razgranatim dijelom (onim kojim stvara ATP od ADP) prema stromi kloroplasta u kojoj se i događa sama sinteza.

Energija dobivena apsorpcijom fotona na fotosustavu II se koristi za cijepanje molekule vode i pritom je produkt molekula kisika koja se potom otpušta u atmosferu. Jednim fotosustavom nastaje pola molekule.

Reakcije hvatanja kvanta svjetlosti i toka elektrona, tj. sinteza ATP, O2 i NADPH.

ATPom za sintezu šećera, energija pohranjena za redukciju CO2 i NADPHom (nikotinamid-adenin-dinukleid-fosfat) kao izvor vodika za redukciju CO2.

Reakcije fikasacije ugljika (neovisne o svjetlosti) odvijaju se u stromi kloroplasta. U stromi kloroplasta prisutni su svi enzimi potrebni za fiksaciju CO2 . Enzimi koriste energiju ATP-a i elektrone iz NADPH-a (nastali reakcijama na svjetlu) kako bi reducirali CO2 do ugljikohidrata.

Fiksacija CO2 : CO2 se veže na molekulu ribuloza-1,5-difosfata. Reakciju katalizira ribuloza-1,5-difostat-karboksilaza oksigenaza. Redukcija CO2 : nastali 3-fosfoglicerat uz ATP (fosforilacija) i NADPH (redukcija) daje prvi stabilni ugljikohidrat s tri C-atoma, gliceraldehid-3-fosfat. Gliceraldehid-3- fosfat: za sintezu škroba, saharozu, ali i lipida i aminokiselina. Regeneracija ribuloza-1,5-difosfata (kako se ne bi prekinula fiksacija CO2 ). Početna reakcija fiksacije katalizirana je enzimom ribuloza 1,5 difosfat karboksilaza oksigenaza -> rubisco. Rubisco često predstavlja 50% svih proteina kloroplasta i smatra se jednim od najobilnijih enzima na Zemlji. CO2 iz atmosfere veže se s ribuloza 1,5-difosfatom (spojem koji sadrži pet ugljika) i vodom dajući dvije molekule 3-fosfoglicerata (spoj koji sadrži tri ugljika). Prvi produkt reakcije je međuspoj koji sadrži 6 ugljikovih atoma i brzo se raspada na dvije molekule s po 3 ugljikova atoma, 3-fosfoglicerat. U ciklusu fiksacije ugljika potroše se tri molekule ATPa i dvije molekule NADPH za svaku molekulu CO2 , koja se fiksira i pretvori u ugljikohidrat. CO2 + 3 ATP + 2 NADPH + voda –rubisco--> 3-fosfoglicerat

U reakcijama fiksacije ugljika tri molekule CO2 ugrađene su enzimom ribuloza difosfat karboksilaza oksigenaza da bi se proizvelo 6 molekula 3-fosfoglicerata

3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH + voda --rubisco-> 6 3-fosfoglicerat

Čisti prinos ove reakcije je jedna molekula gliceraldehid 3-fosfata (3 atoma ugljika).

6 3-fosfoglicerat gliceraldehid 3-fosfata + 8 Pi + 9 ADP + 6 NADP+Energija fosfatne veze (ATP) i reducirajuća snaga (NADPH) potrebne su za stvaranje organskih molekula iz CO2 i H2O. Dvije molekule gliceraldehid 3-fosfata koriste se za sintezu 1 molekule glukoze, a 10 molekula gliceraldehid 3- fosfata nastavljaju u Calvinovom ciklusu oblikovati 6 molekula ribuloza 1,5-difosfata. Glavnina gliceraldehid 3-fosfata ostaje u stromi kloroplasta u obliku škroba (polimer glukoze i služi kao rezervni ugljikohidrat).

Gliceraldehid-3-fosfat koji može polimerizirati glukozu i ići iz stanice ili može ići u škrob kao zaliha energije za stanicu.

Svaka biljka ima zalihe škroba. Kotransportom saharoze i vodikovih iona, saharoza se šverca sa vodikovim ionima koji putuju niz koncentracijski gradijent, tim mehanizmom biljke spremaju saharoze u specijalizirane stanice u žilama listova, iz tih žila koje čine provodni sustav biljke (ksilem i floem) asimilati putuju do stanica korijena i ostalih nefotosintetskih organa, a također se mogu i skladištiti primjerice u gomoljima.

Oba su energetski organeli koji proizvode ATP. Imaju veliku količinu unutrašnjih membrana i veliki unutrašnji podojeljak s posebnim enzimima. Imaju ATP sintetazu ugrađenu u membranu, vlastitu DNA i vlastite 70S ribosome i stvaraju vlastite proteine (semiautoimni). Smatra se da su oba nastala endosimbiorskom teorijom, te im je unutarnja membrana slabije propusna od vanjske.