Les structures du chloroplaste. Encyclopédie Britannica/Getty Images Tu connais le soleil, droit? C'est cette boule géante de gaz brûlant qui émet tellement d'énergie qu'elle alimente chaque organisme sur Terre, à commencer par nos copains verts, les plantes. Le soleil émet toutes sortes de rayonnements électromagnétiques, et les plantes utilisent l'énergie qui apparaît sous forme de lumière visible pour accomplir la nature, processus d'apparence magique de la photosynthèse.
La photosynthèse n'est pas magique, cependant - c'est juste le travail chimique cool de ces petites structures cellulaires appelées chloroplastes, un type d'organite que l'on ne trouve que dans les plantes et les algues eucaryotes (eucaryote signifie posséder un noyau clairement défini) qui capte la lumière du soleil et convertit cette énergie en nourriture pour la plante.
Les chloroplastes fonctionnent beaucoup comme les mitochondries, un autre type d'organite trouvé dans les cellules eucaryotes responsables de la production d'énergie, ce qui n'est pas surprenant, puisque les deux ont évolué lorsqu'une bactérie d'il y a longtemps a été enveloppée - mais pas digérée par ! — une bactérie plus grosse. Il en est résulté une sorte de coopération forcée entre deux organismes que nous expliquons maintenant par un petit quelque chose appelé "l'hypothèse endosymbionte". Les chloroplastes et les mitochondries se reproduisent indépendamment du reste de la cellule et possèdent leur propre ADN.
Les chloroplastes peuvent être trouvés dans n'importe quelle partie verte de la plante, et sont essentiellement un sac dans un sac (ce qui signifie qu'il y a une double membrane), qui contiennent beaucoup de petites poches minuscules (structures appelées thylakoïdes) contenant un pigment absorbant la lumière appelé chlorophylle, en suspension dans un liquide (appelé stroma).
La clé de la magie photosynthétique d'un chloroplaste réside dans ses membranes. Parce qu'un chloroplaste a commencé il y a longtemps comme une bactérie indépendante avec sa propre membrane cellulaire, ces organites ont deux membranes cellulaires :la membrane externe est un vestige de la cellule qui a enveloppé la bactérie, et la membrane interne est la membrane d'origine de la bactérie. Considérez la membrane extérieure comme le papier d'emballage d'un cadeau et la membrane intérieure comme la boîte dans laquelle le jouet est venu à l'origine. L'espace le plus important pour la photosynthèse est celui entre l'intérieur de la boîte et le jouet - les thylakoïdes.
La double membrane d'un chloroplaste crée deux diviseurs avec quatre espaces distincts - l'espace à l'extérieur de la cellule; le cytoplasme à l'intérieur de la cellule; le stroma à l'intérieur du chloroplaste mais à l'extérieur du thylakoïde (c'est-à-dire l'espace entre les membranes interne et externe, le papier d'emballage et la boîte); et l'espace thylakoïde - essentiellement à l'intérieur de la bactérie d'origine. Les thylakoïdes eux-mêmes ne sont que de petites piles de poches couvert dans les membranes - définies par leurs membranes, En réalité. Ces membranes sont des diviseurs qui ne laissent pas les choses flotter entre les espaces, bon gré mal gré, permettant au chloroplaste de stocker des particules chargées électriquement dans certaines zones et de les déplacer d'un espace à un autre par des canaux spécifiques.
"C'est ainsi que fonctionnent les piles, " dit Brandon Jackson, professeur agrégé au Département des sciences biologiques et environnementales de l'Université Longwood à Farmville, Virginie. "Il faut de l'énergie pour mettre beaucoup d'électrons négatifs à une extrémité de la batterie, et beaucoup de charges positives de l'autre. Si vous connectez les deux extrémités avec un fil, les électrons veulent VRAIMENT descendre pour aplanir le gradient électrochimique entre eux. Ils veulent tellement couler, que si vous mettez quelque chose le long de ce fil comme une ampoule, un moteur ou une puce informatique, ils se frayent un chemin et se rendent utiles en se déplaçant. S'ils ne font rien d'utile, le mouvement va encore libérer de l'énergie, mais tout comme la chaleur."
Selon Jackson, afin de réaliser une batterie dans une cellule végétale, il doit y avoir une source d'énergie et des diviseurs pour créer et maintenir des gradients. Si le dégradé est autorisé à s'aplatir, une partie de l'énergie qui a été utilisée pour le créer s'échappe. Donc, dans le cas de la batterie au chloroplaste, un gradient électrochimique est créé lorsque la plante absorbe l'énergie du soleil et que les membranes recouvrant les thylakoïdes agissent comme des diviseurs entre différentes concentrations d'ions hydrogène (protons) qui ont été arrachés à certaines molécules d'eau.
Il y a beaucoup de chimie à l'intérieur d'un chloroplaste, mais le résultat de la chimie est la conversion de la lumière du soleil en énergie stockée - essentiellement la création d'une batterie.
Donc, suivons l'énergie :
Le soleil brille sur une feuille. Cette énergie solaire excite des électrons à l'intérieur des molécules d'eau dans la feuille, et parce que les électrons excités rebondissent beaucoup, les atomes d'hydrogène et d'oxygène dans les molécules d'eau se séparent, lancer ces électrons excités dans la première étape de la photosynthèse - un conglomérat d'enzymes, des protéines et des pigments appelés photosystème II, qui décompose l'eau, produisant des ions hydrogène (des protons qui seront utilisés dans la batterie et de l'oxygène gazeux qui flottera dans l'air sous forme de déchets végétaux).
Ces électrons énergisés sont transmis à d'autres protéines liées à la membrane qui utilisent cette énergie pour alimenter des pompes à ions qui escortent les ions hydrogène de l'espace entre les membranes dans l'espace thylakoïde, c'est là que se produisent toutes les réactions photo-dépendantes de la photosynthèse. Des photosystèmes et des pompes à électrons recouvrent les surfaces des membranes thylakoïdes, pomper les ions hydrogène du stroma (l'espace fluide entre le thylakoïde et la membrane interne) dans les piles et piles de poches thylakoïdes - et ces ions vraiment veux sortir de ces thylakoïdes, c'est ce qui crée le gradient électrochimique. De cette façon, l'énergie lumineuse - cette substance qui brille sur votre visage lorsque vous sortez - est convertie en une sorte de batterie, comme ceux qui font fonctionner vos écouteurs sans fil.
À ce point, photosystème je prends le relais, qui assure le stockage temporaire de l'énergie générée par la batterie. Maintenant que l'électron a été autorisé à se déplacer le long du gradient, c'est beaucoup plus détendu, donc il absorbe un peu de lumière pour le redynamiser, et transmet cette énergie à une enzyme spéciale qui l'utilise, l'électron lui-même, et un proton de rechange pour fabriquer du NADPH, qui est une molécule porteuse d'énergie qui fournit un stockage à court terme pour l'énergie chimique qui sera ensuite utilisée pour fabriquer du glucose.
À ce point, l'énergie lumineuse est maintenant à deux endroits :Elle est stockée dans le NADPH et comme le gradient électrochimique de la différence de concentration en ions hydrogène à l'intérieur du thylakoïde par rapport à juste à l'extérieur dans le stroma.
"Mais le gradient élevé d'ions hydrogène à l'intérieur du thylakoïde veut se dégrader - il Besoins se dégrader, " dit Jackson. " Les dégradés représentent 'l'organisation' - essentiellement le contraire de l'entropie. Et la thermodynamique nous dit que l'entropie essaiera toujours d'augmenter, ce qui signifie qu'un gradient doit s'effondrer. Donc, les ions hydrogène à l'intérieur de chaque thylakoïde veulent vraiment s'échapper afin d'égaliser les concentrations de chaque côté de cette membrane interne. Mais les particules chargées ne peuvent pas traverser une bicouche phospholipidique n'importe où - elles ont besoin d'une sorte de canal pour passer, tout comme les électrons ont besoin d'un fil pour passer d'un côté de la batterie à l'autre."
Donc, tout comme vous pouvez mettre un moteur électrique sur ce fil, et faire conduire une voiture par des électrons, le canal traversé par les ions hydrogène est un moteur. Ces protons circulent dans le canal qui leur est prévu, comme l'eau qui coule à travers un barrage hydroélectrique le long d'un gradient d'altitude, et ce mouvement produit suffisamment d'énergie pour créer une réaction qui crée de l'ATP, qui est une autre forme de stockage à court terme de l'énergie.
Maintenant, l'énergie lumineuse d'origine a été convertie en énergie chimique de stockage à court terme sous la forme de NADPH et d'ATP, qui sera utile plus tard dans les réactions sombres (également appelées cycle de Calvin ou cycle de fixation du carbone) au sein du chloroplaste, qui descendent tous dans le stroma car ce fluide contient une enzyme qui peut convertir le NADPH, L'ATP et le dioxyde de carbone en sucres qui nourrissent la plante, aider à la respiration, ou sont utilisés pour produire de la cellulose.
"Des molécules organiques complexes comme la cellulose, qui est fait de glucose, prendre beaucoup d'énergie à faire, et que tout venait du soleil, " dit Jackson. " En suivant l'énergie, il commence comme l'énergie des ondes lumineuses, puis excité l'énergie des électrons, puis l'énergie du gradient électrochimique, puis de l'énergie chimique sous forme de NADPH et d'ATP. L'oxygène gazeux est respiré, et le NADPH et l'ATP ne sont pas utilisés pour faire d'autres choses dans la cellule - à la place, les deux sont passés au cycle de fixation du carbone, où d'autres enzymes les décomposent, extraire cette énergie, et l'utiliser pour construire du glucose et d'autres molécules organiques."
Et tout ça, grâce à un petit organite appelé chloroplaste.
Maintenant c'est intéressantParce que la chlorophylle est excellente pour absorber la lumière rouge et bleue, mais n'absorbe pas la lumière verte, les feuilles paraissent vertes à nos yeux parce que c'est la couleur de la lumière qui rebondit dessus.
