Fotosynthese: wat gebeurt er tijdens de donkerreactie & fotorespiratie?

De donkerreactie van fotosynthese is een ingewikkeld proces waarbij met NADPH en ATP koolhydraatmoleculen (oftewel suikers) worden geproduceerd. In tegenstelling tot de lichtreactie kan dit in het donker of licht gebeuren. In deze handleiding wordt uitgelegd hoe de donkerreactie van fotosynthese werkt, wat de voordelen zijn en waarom het belangrijk is.

Laten we, voordat we doorgaan met het tweede deel van onze miniserie over fotosynthese, eerst even terugblikken op het eerste deel. In het voorgaande deel hebben we de algemene concepten van dit proces behandeld, en in het bijzonder de lichtreactie. Hier volgt een samenvatting van het basisconcept van de lichtreactie voor degenen die het artikel niet hebben gelezen en als opfrisser voor degenen die het wel hebben gelezen.

Tijdens de lichtreactie vindt door de werking van het licht een reeks biochemische processen plaats in de bladeren van de plant. De lichtenergie wordt opgevangen door structuren die fotosystemen heten. Door watermoleculen te splijten, komt chemische energie vrij, die wordt gebruikt om ATP en NADP te produceren, twee basismoleculen voor de plantstofwisseling.

De vorming van ATP wordt fotofosforylering genoemd, die in twee soorten voorkomt: cyclisch en niet-cyclisch. Deze lichtreactie is nodig voor de volgende fase, de donkerreactie, waarvoor niet noodzakelijk licht aanwezig hoeft te zijn. Deze reactie vindt plaats in de bladgroenkorrels en is rechtstreeks afhankelijk van de producten die in de lichtreactie zijn verkregen.

Wat gebeurt er tijdens de donkerreactie van fotosynthese?

Tijdens de donkerreactie, die plaatsvindt in het stroma, wordt ribulosebisfosfaat gebonden aan het kooldioxidegas (CO2) in de lucht. Hierdoor worden organische stoffen geproduceerd, voornamelijk koolhydraten of suikers, waarvan de moleculen koolstof, waterstof en zuurstof bevatten. Deze omzettingscyclus wordt de Calvincyclus genoemd.

De eerste fase van de donkerreactie is koolstofvastlegging, wat in verschillende plantensoorten op verschillende manieren gebeurt. Op fysiologisch niveau wordt cannabis aangemerkt als een C3-plant, omdat het kooldioxidemoleculen in groepjes van drie gebruikt.

Andere plantensoorten gebruiken de moleculen in groepjes van vier, zoals CAM- en C4-planten, die we in dit artikel buiten beschouwing laten. De andere twee fasen van de donkerreactie van fotosynthese zijn reductie en regeneratie. Laten we eens bekijken wat er in elk van deze fasen gebeurt.

  1. Vastlegging: het eerste enzym dat in de Calvincyclus ingrijpt, heet Rubisco. Dit enzym legt drie CO2-atomen uit de lucht vast en bindt deze aan drie eenheden ribulosebisfosfaat. Door deze binding ontstaan zes moleculen 3-fosfoglyceraat.
  2. Reductie: de voorgaande molecuul verandert in 1,3-bisfosfoglyceraat door de werking van zes ATP’s die in de lichtreactie zijn gevormd. Deze stof verandert vervolgens in G3P door de werking van zes NADPH’s. Een van deze twee G3P-moleculen gaat door naar de stofwisselingroutes van de plant om superieure stoffen te produceren, zoals glucose of zetmeel. Dit wordt verderop allemaal uitgelegd.
  3. Regeneratie: uiteindelijk zorgt de toevoeging van fosfor via drie ATP’s ervoor dat een nieuwe molecuul ribulose-1,5-bisfosfaat wordt aangemaakt, waardoor het proces weer opnieuw begint. Bekijk voor meer details het volgende schema waarin de stappen in de Calvincyclus te zien zijn:
DONKERREACTIE OF CALVIN-BENSONCYCLUS. Kooldioxide, fosfoglyceraat, disfosfoglyceraat, anorganische fosfor, glyceraldehydefosfaat, fosfaat, glucose, glyceraldehydefosfaat, ribulosefosfaat, ribulosedisfosfaat, binding van CO2 door het Rubisco-enzym. Eén deel van het glyceraldehydefosfaat blijft in de cyclus, het andere deel verlaat de cyclus en verandert in koolhydraten.

Na de vorming van glucose vindt een reeks chemische reacties plaats waardoor zetmeel en verschillende andere koolhydraten worden gevormd. Met deze producten maakt de plant de vetten en eiwitten die nodig zijn om plantenweefsel te maken. Het geproduceerde zetmeel wordt bijvoorbeeld gemengd met het water in de bladeren en opgenomen via minuscule buisjes in de steel van de plant, die het naar de wortel brengen om het daar op te slaan.

Dit zetmeel wordt gebruikt om cellulose te maken, het belangrijkste bestanddeel van hout. Deze processen zijn echter veel complexer en worden hier daarom buiten beschouwing gelaten. Laten we dus doorgaan met het andere deel van het proces.

Wat is fotorespiratie en biedt dit voordelen?

Het proces van fotorespiratie vindt plaats in het mesofyl van een blad bij aanwezigheid van licht en een hoge concentratie zuurstof. Dit is een ‘fout’ in de Calvincyclus, omdat vanuit het oogpunt van energie koolstofvastlegging het meest efficiënte proces voor de plant zou zijn. De oorzaak hiervan is dat planten zich hebben ontwikkeld in een omgeving waarin de concentratie kooldioxide in de lucht hoger was dan tegenwoordig, en waarin de kans om fotorespiratie te produceren zeer klein was.

Vandaag de dag bevat de lucht minder kooldioxide. Dit is de reden waarom de uiteindelijke productie en de bloeisnelheid toenemen wanneer cannabis wordt geteeld in een atmosfeer die is verrijkt met kooldioxide. Aangezien er minder concurrentie is tussen moleculaire zuurstof (O2) en CO2, komt fotorespiratie minder vaak voor en werkt de stofwisseling van de plant efficiënter.

Sterker nog, wetenschappers hebben net ontdekt dat planten die zijn gemodificeerd om een kortere weg voor fotorespiratie te gebruiken, een aanzienlijk betere oogst zouden kunnen geven die 200 miljoen mensen te eten zou kunnen geven.

De gunstigste temperatuur voor koolstofvastlegging wat fotorespiratie betreft is 24-25 ºC. Daarom wordt altijd aangeraden om de teeltruimte op die temperatuur te houden. Als kooldioxide wordt toegevoegd, gaat de ideale temperatuur omhoog naar ongeveer 28 ºC.

Fotorespiratie behoudt gemiddeld 3/4 van de koolhydraten van RuBP, die met zuurstof reageren. De concurrentie tussen CO2 en O2 vanwege het Rubisco-enzym verklaart de sterke belemmering van de fotosynthese bij C3-planten wanneer het gehalte CO2 laag is, en de toename van fotosynthese wanneer het gehalte zuurstof laag is. Wat productiviteit betreft vermindert het proces van fotorespiratie de vastlegging van CO2 en de plantengroei.

We weten nu echter dat het proces van fotorespiratie belangrijk is voor de verwijdering van de overtollige energie (ATP en NADPH2) die wordt geproduceerd bij overvloedige straling of die ongebruikt blijft bij bijvoorbeeld waterstress.

De bladgroenkorrels nemen O2 op, die samen met de RuBP door het Rubisco-enzym wordt gekatalyseerd tot glycolzuur of glycolaat. Het glycolaat wordt doorgestuurd naar het peroxisoom (membraanzak met enzymen). Door de werking van O2 wordt het gekatalyseerd door het enzym oxidase, waarbij het ene deel wordt veranderd in waterstofperoxide en het andere deel in glyoxylaat, dat stikstof opneemt voor transaminering en het aminozuur glycine vormt.

Twee van deze aminozuren worden naar de mitochondriën gebracht, waar uiteindelijk drie stoffen worden geproduceerd: serine, ammoniak en CO2. De gassen CO2 en ammoniak komen vervolgens vrij en de serine gaat terug naar het peroxisoom, waar het wordt omgezet in glyceraat. Deze stof wordt dan naar de bladgroenkorrels vervoerd en daar als 3-fosfoglyceraat opnieuw opgenomen in de Calvincyclus door het verbruik van één molecuul ATP.

Het oordeel: het belang van fotosynthese

Fotosynthese is een biochemisch proces op celniveau, dat op het eerste gezicht onbeduidend kan lijken. Het heeft echter meer invloed op ons leven dan we ons ooit zouden kunnen voorstellen. De kwaliteit van de lucht die we inademen hangt volledig af van fotosynthese, en het is te danken aan fotosynthese dat de primitieve atmosfeer veranderde zodat planten, dieren en mensen goed konden gedijen.

Door fotosynthese vastgelegde zonne-energie is de bron van veel energie die de mens gebruikt om aan de vraag naar licht en warmte te voldoen. In dit proces zijn de invloed van lichtfotonen op chlorofyl en de fotolyse van water de bron van moleculaire onevenwichtigheid, die voortdurend opnieuw in balans wordt gebracht door de stroom fotonen door het thylakoïdemembraan. Dit wordt de lichtreactie genoemd.

De donkerreactie bestaat uit de omzetting van kooldioxide in glucose en andere koolhydraten met behulp van de chemische energie uit de producten van fotofosforylering. Deze energie wordt opgeslagen in de vorm van ATP en NADPH en wordt gebruikt om kooldioxide te reduceren tot organische koolstof.

Deze functie vindt plaats via de Calvincyclus, een reeks reacties die worden geactiveerd door de energie van ATP en NADPH. Dit resulteert in zuurstof, die in de atmosfeer vrijkomt, en glucose, dat dient als voeding voor de plant.

Jaarlijks gebruiken de planten op onze planeet ongeveer 310 miljard ton water en 750 miljard ton kooldioxide, dat ze omzetten in ongeveer 510 miljard ton materiaal en rond de 550 miljard ton zuurstof. Het is niet te rijmen dat hoewel de zuurstof in onze atmosfeer niet opraakt dankzij het werk van alle planten, mensen bomen blijven omhakken en de leefwereld waarvan onze planten afhankelijk zijn blijven vervuilen met de uitlaatgassen van auto’s, afval op straat, spuitbussen, industrieel afval enz.

Aangezien we afhankelijk zijn van planten om de zuurstof te leveren die we inademen, is het belangrijk dat we hen een rijke, gezonde omgeving bieden om hun werk te doen.

Comments

Laat een reactie achter

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Auteur

  • Profile-image

    Sensi Seeds

    De redactie van Sensi Seeds bestaat uit botanici, medische en juridische experts, plus gerenommeerde activisten zoals Dr. Lester Grinspoon, Micha Knodt, Robert Connell Clarke, Maurice Veldman, Sebastian Marincolo, James Burton en Seshata.
    Meer over deze auteur
Scroll naar top