叶绿体是制造能量的植物细胞

叶绿体
叶绿体的结构。百科全书/盖蒂图片社

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你知道太阳吧?它是一个巨大的燃烧着的气体球,它释放出如此多的能量,为地球上的每一个生物提供能量,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,植物利用以可见光形式出现的能量来完成这个看似神奇的过程光合作用

然而,光合作用并不是神奇的——它只是这些叫做叶绿体的小细胞结构的奇妙化学杰作,这种细胞器只存在于植物和真核生物中藻类(真核生物的意思是拥有一个明确定义的细胞核)捕捉阳光并将能量转化为植物的食物。

叶绿体是由古代细菌进化而来的

叶绿体的工作原理与线粒体非常相似,线粒体是另一种细胞器真核细胞负责能量的产生,这并不奇怪,因为两者都是在很久以前细菌被包裹的时候进化出来的——但是没有被消化!-更大的细菌。它导致了两种生物之间的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,并拥有自己的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袋子(这意味着有一个双层膜),里面装着很多小袋(这种结构被称为类囊体)含有光吸收性颜料称为叶绿素,悬浮在某些液体中基质)。

叶绿体光合作用的关键在于它的膜。因为叶绿体在很久以前就是一个独立的细菌,有自己的细胞膜,这些细胞器有两个细胞膜:外膜是包裹细菌的细胞遗留下来的,内膜是细菌的原始膜。把外膜想象成礼物的包装纸,把内膜想象成玩具原来的盒子。光合作用最重要的空间是盒子和玩具之间的空间——类囊体。

叶绿体在梯度上运行,就像电池一样

叶绿体的双层膜产生两个分隔物,有四个不同的空间——细胞外的空间;细胞内的细胞质;叶绿体内但类囊体外的基质(也就是内膜和外膜、包装纸和盒子之间的空间);类囊体空间——基本上在原始细菌内部。类囊体本身只是一堆小袋子覆盖在膜中——实际上是由它们的膜决定的。这些膜是分隔物,它不会让物质在空间中漫无目的地游荡,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到另一个空间。

“这就是电池的工作原理,”麻省理工学院的副教授布兰登·杰克逊(Brandon Jackson)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,这需要能量。”如果你用一根电线把两端连接起来,电子就会想要向下流动,使它们之间的电化学梯度变平。它们非常想流动,如果你把灯泡、马达或电脑芯片之类的东西放在电线上,它们就会穿过电线,并在移动时发挥作用。如果他们不做一些有用的事情,这个运动仍然会释放能量,但只是热量。”

根据Jackson的说法,为了在植物电池中制造电池,必须有一个能量源和一些分压器来创造和维持梯度。如果让梯度变平,用来产生梯度的能量就会逃逸。因此,在叶绿体电池的例子中,当植物吸收来自太阳的能量时,覆盖类囊体的薄膜作为不同浓度的氢离子(质子)之间的分隔物,这些氢离子(质子)已经从一些水分子中分离出来,一个电化学梯度就产生了。

按照能源

有很多化学叶绿体内发生的事情,但化学的结果是太阳光的进入储存的能量转换 - 基本上是建立一个电池。

所以,让我们跟随能量:

太阳照在树叶上。太阳能电子激发内部水分子的叶子,和因为兴奋电子反弹很大,水分子中的氢和氧的原子分裂,推出这些激发电子的第一阶段光合作用-聚合酶,蛋白质和颜料光系统II它能分解水,产生氢离子(用于电池的质子和作为植物垃圾飘散到空气中的氧气)。

这些被激发的电子被传递到其他一些膜结合蛋白上,这些蛋白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,这就是光合作用所有依赖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,将基质(类囊体和内膜之间的流体空间)中的氢离子泵入一堆又一堆的类囊体囊——以及这些离子想要摆脱这些类囊体,正是它们产生了电化学梯度。通过这种方式,当你外出时照在你脸上的光能被转换成一种电池,就像你的无线耳机一样。

在这一点上,光系统I接管,安排临时储存的能源产生的电池。现在电子得以沿着梯度,更放松,所以它可以吸收一部分光重振,并将能量传递以及一个特殊的酶,这种酶使用它,电子本身,和一个备用质子NADPH,这是一个能量运送分子提供短期存储的化学能,稍后会用于生产葡萄糖。

在这一点上,光能现在在两个地方:它储存在NADPH中是类囊体内部氢离子浓度与基质外部氢离子浓度之差的电化学梯度。

“但是类囊体内部的高氢离子梯度想要降解它需要降低,”杰克逊说。梯度代表‘组织’——本质上是相反的。热力学告诉我们熵总是在增加,这意味着梯度一定会被打破。所以,每个类囊体内部的氢离子都想要逸出以平衡内膜两边的浓度。但是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,就像电子需要一根导线才能从电池的一端到达另一端一样。”

所以,就像你可以把一个电动机放在那根电线上,让电子驱动汽车一样,氢离子通过的通道就是一个电动机。这些质子通过为它们提供的通道,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来产生产生ATP的反应,这是另一种短期的能量储存形式。

现在原来的光能已经转化为NADPH和ATP形式的短期储存化学能,这将在以后的暗反应中有用(也被称为ATP)卡尔文循环因为这种液体含有一种酶,可以将NADPH、ATP和二氧化碳转化为糖,这些糖可以为植物提供养分,帮助呼吸,或者用来生产纤维素。

“复杂的有机分子,如纤维素,是由葡萄糖组成的,需要大量的能量来制造,而这些都来自太阳,”杰克逊说。在能量之后,先是光波能量,然后是激发电子能量,然后是电化学梯度能量,最后是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,在那里其他的酶将它们分解,提取能量,并利用它们来制造葡萄糖和其他有机分子。”

这一切都要归功于一个叫做叶绿体的小器官。