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叶绿体是制造能量的植物细胞

叶绿体的结构。 大英百科全书

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你知道太阳,对吧?它是一个巨大的燃烧气体球,释放出如此多的能量,为地球上的每一个有机体提供能量,从我们的绿色伙伴植物开始。太阳发出各种各样的电磁辐射,而植物则利用可见光的能量来完成这一看似狂野而神奇的过程光合作用.

然而,光合作用并不是神奇的,它只是这些被称为叶绿体的小细胞结构的凉爽的化学制品,叶绿体是一种只在植物和真核生物中发现的细胞器藻类(真核生物的意思是拥有一个清晰定义的细胞核)捕捉阳光并将其转化为植物的食物。

由古代细菌进化而来的叶绿体

叶绿体的作用很像线粒体,另一种细胞器发现于真核细胞负责能源生产,这并不奇怪,因为两者都是在很久以前细菌被包围的时候进化而来的——但并没有被消化!-更大的细菌。它导致了两个有机体之间的一种强制合作,我们现在通过一种叫做内共生假说叶绿体和线粒体都独立于细胞的其他部分进行繁殖,并有自己的DNA。

叶绿体可以在植物的任何绿色部分找到,基本上是一个袋子里的一个袋子(这意味着有一个双层膜),里面有很多小袋子(结构叫做类囊体)含有一种叫做叶绿素,悬浮在某种液体中(称为基质).

叶绿体光合作用魔力的关键在于其膜。因为叶绿体很早以前就开始作为一种独立的细菌,有自己的细胞膜,这些细胞器有两层细胞膜:外膜是包裹细菌的细胞留下的,内膜是细菌的原始膜。把外膜想象成礼物上的包装纸,把内膜想象成玩具最初进入的盒子。光合作用最重要的空间是盒子内部和玩具之间的空间——类囊体。

叶绿体像电池一样在梯度上运行

叶绿体的双层膜产生了两个具有四个不同空间的分隔物——细胞外的空间;细胞内的细胞质;叶绿体内部但类囊体外部的基质(也就是内外膜、包装纸和盒子之间的空间);以及类囊体空间-基本上在原始细菌的内部。类囊体本身就是一小堆袋子盖满在膜中-实际上是由膜定义的。这些膜是分隔物,不让东西在空间之间随意游动,允许叶绿体在某些区域储存带电粒子,并通过特定的通道将它们从一个空间移动到另一个空间。

“这就是电池的工作原理,”布兰登·杰克逊说生物与环境科学系yabo开户在弗吉尼亚州法姆维尔的朗伍德大学。“在电池的一端放很多负电子,另一端放很多正电荷需要能量。如果你用电线把两端连接起来,电子真的想向下流动,使它们之间的电化学梯度变平。它们想流动的太多,所以如果你把一些东西放在电线上,比如灯泡、马达或电脑芯片,它们会在移动时推动它们前进,使自己变得有用。如果他们不做一些有用的事情,运动仍然会释放能量,但就像释放热量一样。”

根据杰克逊的说法,为了在植物细胞中制造电池,必须有一个能量源和一些分割器来创造和维持梯度。如果让梯度变平,用来产生梯度的一些能量就会逃逸。因此,在叶绿体电池的情况下,当植物吸收来自太阳的能量,覆盖类囊体的膜在不同浓度的氢离子(质子)之间起到分隔作用,这些氢离子(质子)从一些水分子上被撕下时,就产生了电化学梯度。

跟随能量

叶绿体内部发生了很多化学反应,但化学反应的结果是阳光转化为储存的能量——基本上是电池的产生。

所以,让我们跟随能量:

太阳照在树叶上。太阳能激发叶子中水分子内部的电子,由于被激发的电子大量反弹,水分子中的氢原子和氧原子分裂,将这些被激发的电子发射到光合作用的第一个阶段——一种由酶、蛋白质和色素组成的称为光系统II,它分解水,产生氢离子(电池中使用的质子和作为植物垃圾飘到空气中的氧气)。

这些被激发的电子被传递到其他一些膜结合蛋白质上,这些蛋白质利用这些能量来驱动离子泵,将氢离子从膜之间的空间护送到类囊体空间,类囊体空间是光合作用所有依赖于光的反应发生的地方。光系统和电子泵覆盖类囊体膜的表面,将氢离子从基质(类囊体和内膜之间的流体空间)泵入类囊体囊的堆和堆中真正地想要离开这些类囊体,这就是产生电化学梯度的原因。通过这种方式,光能——当你出门时,光能照在你脸上的东西——被转换成一种电池,就像运行你无线耳塞的电池一样。

在这一点上,光系统I接管,安排临时储存电池产生的能量。现在电子可以沿着梯度移动了,它就放松多了,所以它吸收一些光来重新给它充电,然后把能量传递给一种特殊的酶,利用它,电子本身,和一个备用的质子来制造NADPH,它是一种携带能量的分子,为化学能提供短期储存,这些化学能稍后将用于制造葡萄糖。

在这一点上,光能现在在两个地方:它储存在NADPH中由于电化学梯度的不同,类囊体内的氢离子浓度与基质外的氢离子浓度相差不大。

“但是类囊体内部的高氢离子梯度想要降解-需要“贬低,”杰克逊说渐变表示“组织”-本质上与.热力学告诉我们,熵总是试图增加,这意味着梯度必须分解。所以,每一个类囊体中的氢离子都想逃逸,以平衡膜两侧的浓度。但带电粒子不能在任何地方通过磷脂双层膜——它们需要某种通道才能通过,就像电子需要一根电线才能从电池的一侧到达另一侧一样。”

所以,就像你可以把一个电机放在电线上,让电子驱动汽车一样,氢离子通过的通道就是一个电机。这些质子通过为它们提供的通道流动,就像水沿着海拔梯度流过水电站大坝一样,这种运动产生足够的能量,产生一种反应,产生ATP,这是另一种短期的能量储存形式。

现在,原始的光能已经被转换成NADPH和ATP形式的短期储存化学能,这将在以后的暗反应(也称为卡尔文循环或叶绿体内的碳固定循环),所有这些都在基质中下降,因为这种流体含有一种能将NADPH、ATP和二氧化碳转化为糖类的酶,这些糖既可以为植物提供营养,也可以帮助呼吸,或者用于生产纤维素。

杰克逊说:“像纤维素这样由葡萄糖构成的复杂有机分子,需要大量的能量来制造,而这些能量都来自太阳。”。“随着能量的增加,它开始是光波能,然后是激发电子能,然后是电化学梯度能,然后是NADPH和ATP形式的化学能。氧气被呼出,NADPH和ATP不被用来做细胞内的其他事情——相反,它们都被传递到碳固定循环中,其他酶分解它们,提取能量,并利用它来制造葡萄糖和其他有机分子。”

所有这些,都要感谢一种叫做叶绿体的小细胞器。

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