O cloroplasto é delimitado por duas membranas fosfolipídicas – invólucro do cloroplasto, separadas por um espaço intermembranar. Existe ainda uma terceira membrana – a membrana do tilacoide – com fosfolipidos e proteínas, cloroflila e carotenoides. Os tilacoides formam um conjunto de discos achatados que se agrupam em pilhas – o granum (grana no plural) – num espaço fluido, o estroma. Esta estrutura tri-membranar do cloroplasto delimita três espaços internos distintos: 1. o espaço intermembranar entre as membranas do invólucro do cloroplasto, 2. o espaço entre o invólucro e a membrana do tilacoide, o estroma e 3. o lúmen do tilacoide.

A membrana externa do invólucro contém proteínas membranares, as porinas, sendo permeável a algumas moléculas. A membrana interna, pelo contrário, é impermeável a iões e a metabólitos, que entram no cloroplasto apenas através de transportadores específicos da membrana. As enzimas metabólicas encontram-se no estroma.

O cloroplasto possui um genoma próprio composto por uma molécula de DNA circular. Este genoma não contém toda a informação genética necessária à sua função, manutenção e divisão. Esses genes encontram-se no genoma nuclear da célula.

Nem todas as células das plantas contém cloroplastos, como por exemplo, as células da raiz.

FIGURA 1. Esquema de um cloroplasto. 1.membrana externa do invólucro 2. Espaço intramembranar do invólucro 3. Membrana interna do invólucro 4. Estroma 5. Lúmen do tilacóide 6. Membrana do tilacóide 7. Granum (pilha de tilacóides) 8. Tilacóide (lamela) 9. Amido 10. Ribossoma 11. DNA plastidial 12. Lípidos

Aceita-se que os cloroplastos, como as mitocôndrias, têm uma origem endossimbiótica (ver teoria endossimbiótica).

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