โครงสร้างของคลอโรพลาสต์

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง

พืชสีเขียว  สาหร่ายและแบคทีเรีย ที่สังเคราะห์ด้วยแสงได้  สามารถนำพลังงานจากดวงอาทิตย์มาใช้โดยผ่านกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง  ในแต่ละวัน โลกได้รับพลังงานรังสีจากดวงอาทิตย์มากมาย  แต่นำมาใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเพียง  5 % เท่านั้น

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงประกอบด้วย  3  ขั้นตอน คือ

1. ขั้นตอนการจับพลังงานจากดวงอาทิตย์
2. การนำพลังงานนั้นมาสร้าง ATP และ  NADPH
3. การนำ  ATP และ  NADPH ไปใช้สร้างสารอินทรีย์คาร์บอนจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์

ขั้นตอนที่  1  และ  2  เกิดขึ้นในสภาพที่มีแสง  จึงเรียกว่า  ปฏิกิริยาแสง  (Light  reaction)ขั้นตอนที่   3  เป็นการสร้างสารอินทรีย์จากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์  เรียกว่า  วัฏจักรคัลวิน  (Calvin  cycle) โดยอาศัย  ATP และ NADPH โดยไม่ต้องอาศัยแสงสว่าง  จึงอาจเรียกขั้นตอนนี้ว่า ปฏิกิริยามืด  (Dark  reaction) กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงที่ประกอบด้วยปฏิกิริยาแสงและวัฏจักรคัลวินเกิดขึ้นที่ใด
     คลอโรพลาสต์เป็นออร์แกเนลที่พบได้ทั่วไปในเซลล์พืชและมีความสำคัญในการสังเคราะห์ด้วยแสง  เพราะสร้างคาร์โบไฮเดรตที่มีพลังงานเคมีอยู่ภายใน  พลังงานเคมีนี้สิ่งมีชีวิตนำไปใช้ในกิจกรรมต่าง ๆ ของชีวิตได้ คลอโรพลาสต์กระจายอยู่ทั่วไปในไซโทพลาสซึมของเซลล์พืช  แต่มักอยู่รวมกันแน่นมาก รอบ ๆ นิวเคลียส หรืออยู่ใต้เยื่อหุ้มเซลล์  การเรียงตัวของคลอโรพลาสต์อาจแตกต่างไปตามปริมาณแสง คลอโรพลาสต์มีรูปร่างลักษณะแตกต่างกันในพืชแต่ละชนิด  พืชชั้นสูงอาจมีคลอโรพลาสต์รูปทรงกลม  รูปไข่  รูปถ้วย  หรือเป็นเส้นสาย ขนาดของคลอโรพลาสต์แตกต่างตามชนิดของเซลล์  โดยทั่วไปมักมีเส้นผ่าศูนย์กลาง   5-10  ไมโครเมตร  หนาราว  2-3  ไมโครเมตร  หรือยาวประมาณ  5  ไมโครเมตร  กว้าง  2-3  ไมโครเมตร  หนา  1-2  ไมโครเมตร จำนวนคลอโรพลาสต์แตกต่างตามชนิดของพืช  และต่างกันไปในแต่ละเซลล์ขึ้นกับการทำงานของเซลล์นั้น ๆ สาหร่ายมักมีคลอโรพลาสต์ขนาดใหญ่  1  อัน  แต่เซลล์พืชชั้นสูงอาจมี  20-40  คลอโรพลาสต์ต่อเซลล์

โครงสร้างของคลอโรพลาสต์
     ประกอบด้วย  เยื่อหุ้ม   2  ชั้น  ซึ่งเป็นยูนิตเมมเบรน  (Unit  membrane) ที่ประกอบด้วยฟอสโฟลิพิด  และโปรตีน คือ เยื่อชั้นนอก  (Outer  membrane) และเยื่อชั้นใน  (Innermembrane) คล้ายของไมโทรคอนเดรีย  เยื่อชั้นนอกมีลักษณะเรียบเป็นตัวควบคุมการผ่านของสารในไซโทรพลาซึมกับในคลอโรพลาสต์  เยื่อชั้นในขนานกับเยื่อชั้นนอก  และมีส่วนที่ยื่นเว้าเข้าข้างใน  กลายเป็นลาเมลลา (Lamella) ลาเมลลาเป็นเยื่อบาง ๆ เรียงซ้อนกัน  และขนานกันเป็นแผ่น  ซึ่งลอยอยู่ในของเหลวที่เรียกว่า  สโตรมา  (Stroma) หรือเมทริกซ์ (Matrix) ซ้อนกันเป็นตั้งเรียกทั้งตั้งว่า  กรานุม  (Granum) หลาย ๆ กรานุมเรียกว่า กรานา  (Grana) และเรียกลาเมลลาแต่ละแผ่นในกรานุมว่า  ไทลาคอยด์ (Thylakoid) ในแต่ละกรานุมจะมีแผ่นไทลาคอยตั้งแต่  10-100  แผ่น  ซึ่งจำนวนจะแตกต่างกันตามชนิดของสิ่งมีชีวิต  เช่น  สาหร่ายสีแดง  มีไทลาคอยด์แผ่นเดียว  สาหร่ายสีเขียวแกมเหลืองหรือสีน้ำตาลแกมเหลือง (คริสโซไฟตา , Chrysophyta, พวกไดอะตอม , Diatom) มีไทลาคอย์เป็นคู่ จำนวนกรานามีตั้งแต่  40-60  อันใน  1  คลอโรพลาสต์  กรานามีส่วนของเมมเบรนยื่นออกไปเชื่อมกับกรานาอื่น  ส่วนที่เชื่อมกันนี้เรียกว่า  สโตรมาลาเมลลา  (Stroma  lamella) หรืออินเตอร์กรานุมลาเมลลา  (Intergranum  lamella) หรือ เฟร็ท(Fret) ส่วนของลาเมลลาประกอบด้วยเยื่อหุ้ม  2  ชั้น  ซึ่งมีคลอโรฟิลล์และรงควัตถุอื่น ๆ  เช่น  แคโรทีนอยด์  (Carotenoids) ติดอยู่บนแผ่นไทลาคอยด์และมีแกรนูลอยู่เป็นจำนวนมาก ซึ่งมีขนาดแตกต่างกัน  สำหรับแกรนูลที่มีขนาดใหญ่ภายในมีกลุ่มของรงควัตถุระบบแสง I และรงควัตถุระบบแสง II แกรนูลเหล่านี้จึงทำหน้าที่รับพลังงานแสงทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานสูงขึ้น  สำหรับแกรนูลขนาดเล็กเป็นที่อยู่ของเอนไซม์ชนิดต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการถ่ายทอดอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาที่ใช้แสง  นั่นคือ  เยื่อหุ้มลาเมลลาหรือเยื่อหุ้มไทลาคอยด์  เป็นที่อยู่ของระบบแสง  ที่ใช้ในการดูดพลังงานแสง ส่วนในสโตรมา มีเอนไซม์ที่ใช้ในปฏิกิริยาไม่ใช้แสง  (Dark  reaction) หรือปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์  ของการสังเคราะห์ด้วยแสง  รวมทั้งมี  DAN, RAN ของตัวเอง  จำนวน DNA มีน้อยมาก แต่ก็เพียงพอที่จะใช้ในการสังเคราะห์โปรตีนของคลอโรพลาสต์เอง  ส่วนใหญ่โปรตีนที่สังเคราะห์เป็นพวกเอนไซม์ที่ใช้ในการสังเคราะห์ด้วยแสง  การสังเคราะห์โปรตีนที่เกิดในสโตรมาอาศัยไรโบโซมชนิด   70 S ซึ่งต่างจากไรโบโซมในไซโทรพลาซึม  จึงสังเคราะห์โปรตีนเองได้

จากลักษณะของคลอโรพลาสต์ที่เป็นออร์แกเนลล์กึ่งอิสระนี้  จึงสันนิษฐานว่า คลอโรพลาสต์อาจเปลี่ยนมาจากสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่สร้างอาหารเองได้ (Autotrophi  microorganism) ที่เข้าไปอาศัยอยู่ในเซลล์เป็นเวลานานแล้ว  แล้วมีวิวัฒนาการเปลี่ยนแปลงมาจนเป็นออร์แกเนลล์หนึ่ง