У еукаріотів фотосинтез протікає в органелах, які називаються хлоропластами. Їх кількість може варіювати від одного (як у одноклітинної водорості Chlorella) до приблизно ста (як в клітинах палісадні паренхіми). Діаметр хлоропластів становить 3-10 мкм (в середньому близько 5 мкм), тому вони добре видно в світловий мікроскоп.
Хлоропласта оточені подвійною мембраною, яка утворює оболонку хлоропласта. Вони завжди містять хлорофіл та інші фотосинтетичні пігменти, розташовані на системі мембран. Мембрани занурені в основну речовину, або строму. Деталі будови хлоропластів можна виявити за допомогою електронного мікроскопа. На електронній мікрофотографії низького дозволу показаний типовий вид хлоропластів в клітині мезофілла. На малюнку показані електронні мікрофотографії хлоропластів, А на іншому малюнку схема будови хлоропласта і його мембранних систем.
На мембранах протікають світлові реакції фотосинтезу. Тут розташовані хлорофіл та інші пігменти, ферменти і переносники електронів. Система складається з безлічі заповнених рідиною плоских мішечків, званих тілакондамі: тилакоїди утворюють стопки, або грани, які з'єднані один з одним ламелі-лами (одиночними фанами). Кожна грана нагадує стопку монет, а Ламела - платівку. У світловому мікроскопі фани ледь видно у вигляді дрібних зерен.
В стромі відбуваються темпові реакції фотосинтезу. Структура строми нагадує гель; в ній містяться розчинні ферменти, зокрема ферменти циклу Кальвіна, а також цукру і органічні кислоти. Надлишок вуглеводів, утворених в процесі фотосинтезу, запасається у вигляді крохмальних зерен. З мембранами часто пов'язані сферичні ліпідні краплі. Вони стають більшими у міру руйнування мембран в процесі їх старіння. Мабуть, в цих краплях акумулюються ліпіди з мембран.
Белоксинтезирующий апарат і теорія ендосимбіоз
Цікавою особливістю хлоропластів крім фотосинтезу, є їх белоксинтезирующий апарат. У шістдесятих роках XX ст. було показано, що і хлоропласти, і мітохондрії містять ДНК і рибосоми. Це навело на думку, що хлоропласти і мітохондрії, можливо, є прокариотическими організмами, упровадилися в еукаріотичну клітку на ранніх етапах розвитку життя. Таким чином, відповідно до ендосімбіотіческой теорією ці органели представляють крайню форму симбіозу. Деякі дані на користь цієї теорії наведені в таблиці.
Фотосинтезуючі бактерії (прокаріоти) не містять хлоропластів. Їх фотосинтетичні пігменти розташовані на мембранах, розкиданих по цитоплазмі. Таким чином, ціла клітина стає схожою на один хлоропласт, причому вона має практично такі ж розміри. В даний час вважають, що хлоропласти є нащадками фотосинтезуючих бактерій.
Хлоропласти і мітохондрії, як було показано, дійсно можуть синтезувати деякі власні білки. При цьому для виконання цього завдання деякі гени повинні переміститися в ядро клітини, де вони взаємодіють з ядерної ДНК. Цим пояснюється той факт, що ні хлоропласти, ні мітохондрії не можуть більше існувати незалежно.