Ты ведь знаешь солнце, верно? Это тот гигантский шар горящего газа, который излучает так много энергии, что она питает каждый организм на Земле, начиная с наших зеленых приятелей, растений. Солнце испускает всевозможное электромагнитное излучение, и растения используют энергию, которая проявляется в виде видимого света, чтобы осуществить дикий, кажущийся волшебным процесс фотосинтеза.
Фотосинтез, однако, не волшебный — это просто прохладная химическая работа этих маленьких клеточных структур, называемых хлоропластами, тип органелл, встречающихся только в растениях и эукариотических водорослях (эукариотические средства, обладающие четко определенным ядром), которые захватывают солнечный свет и преобразуют эту энергию в пищу для растения.
Хлоропласты работают очень похоже на митохондрии, еще один тип органелл, найденных в эукариотических клетках, отвечающих за производство энергии, что неудивительно, поскольку оба они развились, когда давным-давно бактерии были окружены-но не переваривались! - более крупные бактерии. Это привело к своего рода вынужденному сотрудничеству между двумя организмами, которое мы теперь объясняем с помощью небольшой вещи, называемой "гипотезой эндосимбионта".- И хлоропласты, и митохондрии размножаются независимо от остальной части клетки и имеют свою собственную ДНК.
Хлоропласты можно найти в любой зеленой части растения, и в основном представляют собой мешок внутри мешка (что означает наличие двойных мембран), которые содержат множество маленьких крошечных мешочков (структур, называемых тилакоидами), содержащих светопоглощающий пигмент под названием хлорофилл, взвешенный в некоторой жидкости (называемой стромой).
Ключ к фотосинтетической магии хлоропласта находится в его мембранах. Поскольку хлоропласт давным-давно возник как самостоятельная бактерия со своей собственной клеточной мембраной, эти органеллы имеют две клеточные мембраны: наружная мембрана остается от клетки, которая окружила бактерию, а внутренняя мембрана является первоначальной мембраной бактерии. Подумайте о внешней мембране как об оберточной бумаге для подарка, 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-тилакоидами.
Хлоропласты работают на градиентах, как батарейки
Двойная мембрана хлоропласта создает два разделителя с четырьмя различными пространствами — пространство вне клетки; цитоплазма внутри клетки; Строма внутри хлоропласта, но вне тилакоида (он же пространство между внутренней и внешней мембранами, оберточной бумагой и коробкой); и тилакоидное пространство — в основном внутри исходной бактерии. Сами по себе тилакоиды — это просто маленькие стопки мешочков, покрытых мембранами, которые на самом деле определяются их мембранами. Эти мембраны являются разделителями, которые не позволяют вещам просто курсировать между пространствами, волей-неволей позволяя хлоропласту накапливать электрически заряженные частицы в определенных областях и перемещать их из одного пространства в другое через определенные каналы.
"Именно так работают батареи", - говорит Брэндон Джексон, адъюнкт-профессор кафедры биологических и экологических наук Университета Лонгвуда в Фармвилле, штат Вирджиния. -Требуется энергия, чтобы поместить много отрицательных электронов на один конец батареи и много положительных зарядов на другой. Если вы соедините два конца проволокой, электроны действительно захотят стекать вниз, чтобы сгладить электрохимический градиент между ними. Они хотят течь так сильно, что если вы поставите что-то вдоль этого провода, например лампочку, мотор или компьютерный чип, они будут проталкиваться и делать себя полезными, когда они двигаются. Если они не делают ничего полезного, то движение все равно высвобождает энергию, но только как тепло."
По словам Джексона,чтобы сделать батарею в растительной ячейке, должен быть источник энергии и некоторые разделители для создания и поддержания градиентов. Если градиенту позволено сглаживаться, то часть энергии, которая была использована для его создания, ускользает. Так, в случае хлоропластовой батареи создается электрохимический градиент, когда растение получает энергию от солнца, а мембраны, покрывающие тилакоиды, действуют как разделители между различными концентрациями ионов водорода (протонов), которые были оторваны от некоторых молекул воды.
Внутри хлоропласта происходит много химических процессов, но результатом этих химических процессов является преобразование солнечного света в накопленную энергию — в основном создание батареи.
Итак, давайте проследим за энергией:
Солнце светит на листьях. Эта солнечная энергия возбуждает электроны внутри молекул воды в листьях, и поскольку возбужденные электроны сильно отскакивают, атомы водорода и кислорода в молекулах воды распадаются, запуская эти возбужденные электроны в первую стадию фотосинтеза — конгломерат ферментов, белков и пигментов, называемый фотосистемой II, которая расщепляет воду, производя ионы водорода (протоны, которые будут использоваться в батарее, и газообразный кислород, который будет плавать в воздухе в качестве растительного мусора).
Эти заряженные электроны передаются некоторым другим мембранно-связанным белкам, которые используют эту энергию для питания ионных насосов, которые сопровождают ионы водорода из пространства между мембранами в тилакоидное пространство, где происходят все светозависимые реакции фотосинтеза. Фотосистемы и электронные насосы покрывают поверхности тилакоидных мембран, перекачивая ионы водорода из стромы (жидкого пространства между тилакоидом и внутренней мембраной) в стопки и стопки тилакоидных мешочков — и эти ионы действительно хотят выйти из этих тилакоидов, что и создает электрохимический градиент. Таким образом, световая энергия — то, что светится на вашем лице, когда вы выходите на улицу, — преобразуется в своего рода батарею, как те, которые работают на ваших беспроводных наушниках.
В этот момент за дело берется фотосистема I, которая организует временное хранение энергии, вырабатываемой батареей. Теперь, когда электрону было позволено двигаться вдоль градиента, он стал гораздо более расслабленным, поэтому он поглощает немного света, чтобы снова зарядить его энергией, и передает эту энергию специальному ферменту, который использует ее, сам электрон и запасной Протон для производства NADPH, который является энергоносящей молекулой, обеспечивающей кратковременное хранение химической энергии, которая позже будет использована для производства глюкозы.
В этот момент световая энергия теперь находится в двух местах: она хранится в NADPH и как электрохимический градиент разницы в концентрации ионов водорода внутри тилакоида по сравнению с непосредственно вне его в строме.
"Но высокий градиент ионов водорода внутри тилакоида хочет деградировать — он должен деградировать", - говорит Джексон. - Градиенты представляют собой "организацию" - по существу противоположную энтропии. А термодинамика говорит нам, что энтропия всегда будет стремиться к увеличению, а это значит, что градиент должен разрушиться. Таким образом, ионы водорода внутри каждого тилакоида действительно хотят вырваться наружу, чтобы выровнять концентрацию по обе стороны этой внутренней мембраны. Но заряженные частицы не могут проходить через фосфолипидный бислой где угодно — им нужен какой-то канал, чтобы пройти через него, точно так же, как электронам нужен провод, чтобы пройти от одной стороны батареи к другой."
Таким образом, точно так же, как вы можете поместить электрический двигатель на этот провод и заставить электроны управлять автомобилем, канал, через который проходят ионы водорода, является двигателем. Эти протоны текут по предусмотренному для них каналу, подобно воде, протекающей через плотину гидроэлектростанции вниз по градиенту высоты, и это движение дает достаточно энергии, чтобы создать реакцию, которая создает АТФ, который является еще одной формой кратковременного хранения энергии.
Теперь первоначальная световая энергия была преобразована в химическую энергию кратковременного хранения в форме как НАДФН, так и АТФ, которая будет полезна позже в темных реакциях (также известных как цикл Кальвина или цикл фиксации углерода) внутри хлоропласта, все из которых идут вниз в строму, потому что эта жидкость содержит фермент, который может преобразовать НАДФН, АТФ и углекислый газ в сахара, которые либо питают растение, помогают в дыхании, либо используются для производства целлюлозы.
"Сложные органические молекулы, такие как целлюлоза, которая состоит из глюкозы, требуют много энергии, и все это происходит от Солнца", - говорит Джексон. "Следуя за энергией, она начинается как энергия световой волны, затем энергия возбужденного электрона, затем энергия электрохимического градиента, затем химическая энергия в форме НАДФН и АТФ. Газообразный кислород выдыхается, и НАДФН и АТФ не используются для выполнения других функций внутри клетки — вместо этого они 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.
| |
| Просмотров: 946 | |
