by Stefanie on 10/08/2015 | Teelt

De fotosynthese: lichtreactie

Fotosynthese De lichtreactie is de eerste fase van de fotosynthese, waarbij zonne-energie wordt omgezet in chemische energie. Het licht wordt opgenomen door complexen die bestaan uit chlorofyl en proteïnen. Die complexen worden fotosystemen genoemd en bevinden zich in de chloroplasten.


In dit artikel bestuderen we de fysiologie van Cannabis sativa L. In dit kader leggen we het belangrijkste biochemische proces in de natuur uit sinds het leven miljoenen jaren geleden is ontstaan, aangezien het de samenstelling van de atmosfeer op wereldschaal heeft gewijzigd. We hebben het over de fotosynthese.

Een illustratie waarop de groei van een cannabisplant door middel van fotosynthese te zien is en de relatie ervan met lichtenergie, zuurstofproductie en opname van kooldioxide, opslag van suikers en zetmeel, waterdamp en opname van zuurstof en mineralen via de wortels.
Fotosynthese schema

Dankzij dit proces heeft onze planeet een zuurstofrijke atmosfeer. Het gevolg hiervan is dat superieure planten voortaan het aardoppervlak domineren. Ze voorzien in het levensonderhoud van andere organismen, die zich dankzij hen voeden of onderdak vinden. Oorspronkelijk bevatte de atmosfeer erg weinig zuurstof, maar wel andere gassen zoals ammoniak, stikstof en kooldioxide.

De planten vonden een manier om die overvloedig aanwezige CO2 onder invloed van het zonlicht om te zetten. Maar hoe zit dat precies? Hoe kunnen water en kooldioxide in koolhydraten worden omgezet? Welke rol speelt zonnestraling in dit proces? We zullen dit op een leuke manier proberen op te helderen.

Wat is Fotosynthese?

Fotosynthese is de omzetting van anorganische stof in organische stof dankzij de energie die het zonlicht aanlevert (of in sommige gevallen kweeklampen). Bij dit proces wordt lichtenergie omgezet in stabiele chemische energie, waarbij adenosinetrifosfaat (ATP) de voornaamste molecule is waarin die chemische energie wordt opgeslagen. Later wordt die ATP gebruikt om organische molecules met meer stabiliteit te synthetiseren.

Bovendien moet worden opgetekend dat het voortbestaan van onze planeet grotendeels wordt gewaarborgd door de fotosynthese van algen in het water en planten op het land, die in staat zijn organische stof (onontbeerlijk voor de ontwikkeling van levende wezens) onder invloed van licht en essentiële minerale elementen, macro- en microvoedingsstoffen, te synthetiseren.

We kunnen planten beschouwen als fabrieken van suiker of andere koolhydraten, waarbij water en kooldioxide als grondstoffen dienen en licht als energiebron. We kunnen dit synthetisch omschrijven met een eenvoudige chemische vergelijking:

H2O + licht + CO2 = C6H12O6

Onder de plantencellen zijn het de chloroplasten die de bovengenoemde reactie doen optreden. Dit zijn structuren die verschillende vormen aannemen en groen van kleur zijn (die kleuring ontstaat door de aanwezigheid van het pigment chlorofyl). Ze zijn van nature aanwezig in plantencellen. Net zoals mitochondriën (organismen die instaan voor de celademhaling van zowel planten als dieren) hebben ze hun eigen DNA en zijn ze waarschijnlijk ontstaan als intercellulaire, symbiotische bacteriën.

Binnen in die organellen bevindt zich een kamer die een inwendig instrument bevat, de zogenaamde stroma. Hierin huizen verschillende componenten, waaronder enzymen die instaan voor de omzetting van kooldioxide in organische stof en platte schijven, thylakoïden genaamd, waarvan het membraan fotosynthetische pigmenten (chlorofyl) bevat.

Een diagram waarin de vereenvoudigde chemische structuur van het adenosinetrifosfaatmolecuul (ATP) wordt weergegeven, een energiebron die in alle levende organismen voorkomt.
Vereenvoudigde chemische structuur van de molecule adenosinetrifosfaat (ATP), een energiebron die in alle levende wezens aanwezig is.

De fotosynthese is geen enkelvoudig proces, maar behelst verscheidene complexe biochemische reacties. In grote lijnen (en om het proces gemakkelijker te kunnen bestuderen) kan de fotosynthese in drie fasen worden opgesplitst: de lichtreactie, de donkerreactie en de fotorespiratie. In dit hoofdstuk wordt enkel de lichtreactie uitgelegd, zodat u niet te veel informatie tegelijkertijd hoeft te verwerken.

De lichtreactie

De lichtreactie is de eerste fase van de fotosynthese, waarbij zonne-energie wordt omgezet in chemische energie. Het licht wordt opgenomen door complexen die bestaan uit chlorofyl en proteïnen. Die complexen worden fotosystemen genoemd en bevinden zich in de chloroplasten. Dit heet de lichtreactie omdat een beroep wordt gedaan op de de lichtenergie en de reactie bijgevolg enkel kan optreden in een omgeving met veel natuurlijk of kunstmatig licht. In een donkere omgeving treedt die reactie niet op.

Het fotosysteem I en het fotosysteem II (hieronder PSI en PSII) staan er samen voor in het licht op te vangen en die energie te gebruiken om elektronen via een keten van receptoren te transporteren. Eenvoudig gesteld worden de elektronen van op de watermolecule doorgegeven totdat ATP wordt gevormd. Ze nemen daarbij verscheidene chemische tussenvormen aan, net zoals een transportketen.

PSI en PSII vangen het licht en doen de energie van de elektronen aldus veel sterker stijgen dan de oorspronkelijke toestand. Die energie wordt tussen de verschillende chlorofylmoleculen vervoerd, totdat in de kern van het fotosysteem II de splitsing van het water en de volgende componenten optreedt: twee protonen (H+), een zuurstofatoom (O) en twee elektronen.

De zuurstof gaat een verbinding aan met de rest van een andere watermolecule, waardoor atmosferische zuurstof (O2) ontstaat. Hierdoor kunnen dieren ademen op het aardoppervlak … En dat is heus geen grap.

De lichtenergie die door de chlorofyl wordt opgenomen komt overeen met twee specifieke golflengten: 680 en 700 nanometer. Die twee golflengten activeren het ene of het andere fotosysteem en afhankelijk van het systeem dat op een gegeven moment elektronen afgeeft is het proces van de fotosynthese een beetje anders, doch complementair.

De lichtenergie in de vorm van een foton wordt doorgegeven aan de externe elektronen van de chlorofylmolecule(n), die zich van die molecule losmaken en een soort elektrische stroom produceren in de chloroplast wanneer ze zich bij de transportketen van elektronen voegen (zie de onderstaande illustratie). Die energie kan worden aangewend bij de synthese van ATP middels de fotofosforilatie en bij de synthese van NADPH.

Beide componenten zijn onontbeerlijk voor de volgende fase, de Calvincyclus, waarin de eerste suikers worden gemaakt die voor de productie van sacharose en zetmeel zullen dienen. Maar dit komt in het volgende hoofdstuk aan bod.

De structuur van nicotinamide-adenine-dinucleotide, geoxideerd (NADP+). Een co-enzym dat bemiddelt bij vele anabole paden.
Nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat (afgekort tot NADP+ in de geoxideerde vorm en NADPH+ in de gereduceerde vorm) is een co-enzym dat in verscheidene anabole kanalen een rol speelt.

Er bestaan echter twee soorten fotofosforilatie: acyclisch en cyclisch, in functie van het pad dat de elektronen volgen door de twee fotosystemen heen. Het volgen van het ene of het andere pad heeft voornamelijk een invloed op het al dan niet produceren van NADPH en het al dan niet vrijgeven van gasvormige zuurstof. Voordien zagen we in schemavorm wat fotofosforilatie precies inhoudt.

Bij cyclische fotofosforilatie brengt een molecule, plastocyanin genaamd, de elektronen (e) tot in het fotosysteem I, dat tevens een reactiekern en een lichtabsorberende structuur huisvest. Zodra het elektron de reactiekern (P700 in het onderstaande schema) heeft geactiveerd, worden de elektronen die in PSI belanden onder invloed van het licht opnieuw op een hoger energieniveau gebracht en tevens door de nieuwe keten van acceptoren getransporteerd totdat een definitieve acceptormolecule wordt bereikt. Die molecule vangt de elektronen en gebruikt ze om ADP (niet-energieleverende vorm van ATP) en een fosforatoom om te zetten in ATP om aldus energie op te slaan.

Bij acyclische fotofosforilatie is het proces anders. De fotonen beïnvloeden de PSII, waardoor er twee elektronen worden geactiveerd en afgegeven. Die begeven zich naar de eerste elektronenacceptor, feofitine. De elektronen plaatsen zich opnieuw op de eerste elektronendonor, de donor Z, met de elektronen afkomstig uit de fotolyse van water binnen in de thylakoïde. De protonen van de fotolyse stapelen zich binnenin op en de zuurstof wordt in gasvormige toestand vrijgegeven.

De elektronen worden naar een transportketen gevoerd, die de energie die tijdens de productie van ATP vrijkomt omkeert. Hoe? In theorie wordt dit als volgt uitgelegd: de elektronen worden aan de plastoquinol afgegeven, die eveneens twee stromaprotonen opneemt.

De elektronen en protonen worden afgegeven aan het complex cytochroom bf, die de protonen naar de binnenkant van de thylakoïde pompt. Op die manier stijgt de concentratie aan protonen in de thylakoïde aanzienlijk (zowel die protonen als de restprotonen van de fotolyse van water).

Anderzijds worden de elektronen van de cytochromen afgegeven aan de plastocyanin, die ze op zijn beurt afgeeft aan de PSI. Onder invloed van de lichtenergie worden de elektronen opnieuw vrijgegeven en door een acceptor gevangen. Van hieruit worden ze over een reeks moleculen getransporteerd totdat er ferredoxine (Fd in het schema) wordt gevormd.

Die molecule geeft de elektronen af aan het enzym NADP+ Reductase, die tevens twee protonen van het stroma opneemt. Met de twee protonen en de twee elektronen wordt NADP+ omgezet in NADPH + H+ (zie het onderstaande schema).

Een diagram waarin cyclische fotofosforylatie wordt weergegeven. Het elektron dat bij de vorming van ATP wordt verdrongen, stimuleert de PSI opnieuw.
Acyclische fotofosforilatie. Het elektron dat tijdens de vorming van ATP werd afgegeven activeert de PSI om NADPH te vormen.

Die verzameling van processen wordt de lichtreactie genoemd. Nu we dit hebben besproken, kunnen we afscheid nemen tot het volgende nummer, waarin de rest van het fotosynthetische proces, namelijk de donkerreactie en de fotorespiratie, aan bod zal komen. Tot dan! Houdt u goed en veel plezier bij het blowen.

Auteur: Manel

Reageren

Heb je een standpunt? Deel hem dan hieronder.

Leave a Comment

Please enter a name
Oops, looks like you forgot something?
Read More
Read More
Read More
Read More
Read More
Read More
Read More