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Ultrastructure d'un chloroplaste : 1-membrane externe, 2-espace intermembranaire, 3-membrane interne (1+2+3 : enveloppe), 4-stroma (fluide aqueux), 5-lumière du thylakoïde, 6-membrane du thylakoïde, 7-granum (thylakoïdes accolés), 8-thylakoïde inter-granaire (lamelle), 9-grain d'amidon, 10-ribosome, 11-ADN, 12-plastoglobule (gouttelette lipidique). La taille des chloroplastes est de l'ordre du micromètre (µm). Ils prennent souvent la forme de disques aplatis de 2 à 10 µm de diamètre pour une épaisseur d'environ 1 µm. Le chloroplaste est un organite composé de deux membranes (1 et 3) séparées par un espace inter-membranaire (2). Il contient un réseau membraneux constitué de sacs aplatis nommés thylakoïdes (8) qui baignent dans le stroma (4) (liquide intra-chloroplastique). Les thylakoïdes sont composés d'un lumen (5) entouré d'une membrane (6), et contiennent de la chlorophylle (pigments verts) et des caroténoïdes (pigments jaune orange). Un empilement de thylakoïdes se nomme granum (7) (au pluriel : des grana). D'autre part, le stroma contient quelques réserves sous forme d'amidon (9), et des structures lipidiques dont le rôle est encore mal compris, les plastoglobules (12). De plus, ces organites contiennent de l'ADN regroupé en nucléoides (11). Les ribosomes (10) sont constitués d'ARNr, synthétisés dans les chloroplastes, et de protéines codées par les génomes nucléaires et chloroplastiques.
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