Fotosynthese: wat gebeurt er tijdens de lichtreactie?

De lichtreactie is de eerste fase van fotosynthese, waarbij licht wordt opgenomen door fotosystemen, complexen in de bladgroenkorrels die bestaan uit chlorofyl en eiwitten. Tijdens deze fase wordt zonne-energie omgezet in chemische energie.

In deze serie verklaren we het belangrijkste biochemische proces in de natuur sinds het leven miljoenen jaren geleden begon, dat de samenstelling van de atmosfeer over de hele wereld heeft veranderd. Het gaat hierbij natuurlijk om fotosynthese.

Door dit proces heeft onze planeet tegenwoordig een atmosfeer die rijk is aan zuurstof. Een gevolg hiervan is dat hogere planten het oppervlak van de aarde bedekken en allerlei organismen onderhouden die hen opeten en door hen beschut worden. De primitieve atmosfeer bevatte heel weinig zuurstof, maar wel andere gassen zoals ammonium, stikstof en kooldioxide.

Planten vonden een manier om deze ruim beschikbare CO2 met behulp van zonlicht om te zetten in voedsel. De vraag is dus, hoe is het mogelijk dat water en kooldioxide omgezet worden in koolhydraten? En welke rol speelt de straling van de zon in dit proces? We gaan proberen om dit op begrijpelijke wijze uit te leggen.

Wat is fotosynthese?

Fotosynthese is de omzetting van anorganische materie in organische materie met behulp van de energie van zonlicht (of in sommige gevallen van kweeklampen). Tijdens dit proces wordt lichtenergie omgezet in stabiele chemische energie, waarbij adenosinetrifosfaat (ATP) de eerste molecuul is waarin deze chemische energie wordt opgeslagen. Later wordt de ATP gebruikt om stabielere organische moleculen te maken.

Er moet ook worden opgemerkt dat het leven op onze planeet voornamelijk in stand blijft dankzij fotosynthese door zeewier in het water en door planten op het land. Dit komt door hun vermogen om organische materie, die onmisbaar is voor de samenstelling van levende organismen, te maken met behulp van licht, essentiële mineralen en macro- en microvoedingsstoffen.

We kunnen planten beschouwen als fabriekjes die suiker en andere koolhydraten maken met water en kooldioxide als grondstoffen en licht als energiebron. We kunnen dit proces samenvatten in een eenvoudige scheikundige vergelijking, als dat je aanspreekt:

H2O + licht + CO2 = C6H12O6

Deze reactie wordt veroorzaakt in de plantcellen door de bladgroenkorrels, groengekleurde structuren die verschillende vormen aannemen die kenmerkend zijn voor de plantcellen. De kleur komt door de aanwezigheid van het pigment chlorofyl. Mitochondriën, organellen die verantwoordelijk zijn voor celademhaling bij zowel planten als dieren, hebben ook hun eigen DNA en waren oorspronkelijk mogelijk intracellulaire symbiotische bacteriën.

In deze organellen is een holte met een interne omgeving, die het stroma genoemd wordt. Het stroma bevat verschillende bestanddelen, in het bijzonder enzymen die kooldioxide in organische materie omzetten en thylakoïden, platte blaasjes met een membraan dat fotosynthetische pigmenten (chlorofyl) bevat.

Fotosynthese is niet alleen een proces, maar omvat ook verschillende, complexe biochemische reacties. In het algemeen kan fotosynthese in drie fasen worden verdeeld: de lichtreactie, de donkerreactie en fotorespiratie. Om je niet te overladen met informatie, leggen we in dit artikel de lichtreactie uit. Als je meer informatie over de andere fasen wilt, lees dan ons artikel over de donkerreactie (inclusief vastlegging, reductie en regeneratie) en fotorespiratie.

Wat gebeurt er tijdens de lichtreactie?

De lichtreactie is de eerste fase van fotosynthese, die betrekking heeft op de omzetting van zonne-energie in chemische energie. Fotosystemen, complexen bestaande uit chlorofyl en eiwitten die zich in de bladgroenkorrels bevinden, nemen licht op. Het wordt de lichtreactie genoemd, omdat de reactie lichtenergie gebruikt en alleen kan plaatsvinden bij fel licht, of dit nu natuurlijk of kunstmatig is. In het donker vindt deze reactie niet plaats.

Fotosysteem I en fotosysteem II (PSI en PSII) moeten het licht opvangen en de energie ervan gebruiken om elektronen door een keten receptoren te vervoeren. Of, anders gezegd, de elektronen moeten van de watermoleculen springen tot ze ATP vormen, waarbij ze als in een transportketen door verschillende tussentijdse chemische vormen gaan.

Het PSI en PSII vangen het licht op en verhogen de energie van de elektronen tot een hoger niveau dan oorspronkelijk. Deze energie wordt door verschillende chlorofylmoleculen vervoerd tot het water midden in fotosysteem II wordt gescheiden in de volgende bestanddelen: twee protonen (H+), een zuurstofatoom (O) en twee elektronen.

De zuurstof bindt zich aan de rest van een ander watermolecuul en wordt zo zuurstof in de lucht (O2). Hierdoor kunnen op het land levende dieren (waaronder mensen) ademen op aarde – geen kleinigheid!

De lichtenergie die wordt opgenomen door chlorofyl heeft eigenlijk twee specifieke golflengtes: 680 en 700 nanometer. Deze twee golflengtes wekken het ene of het andere fotosysteem op. Vervolgens is de route die de fotosynthese neemt enigszins verschillend, maar wel complementair, afhankelijk van welk systeem op welk moment elektronen losmaakt.

Lichtenergie in de vorm van fotonen wordt naar de externe elektronen van de chlorofylmoleculen overgebracht. Deze elektronen komen vrij uit het chlorofyl en produceren een soort elektrische stroom in de bladgroenkorrels wanneer ze zich aansluiten bij de elektronentransportketen (zie de onderstaande afbeelding).

Deze energie kan worden gebruikt om ATP te maken via fotofosforylering en om NADPH te maken. Beide elementen zijn nodig voor de volgende fase, de Calvincyclus. Tijdens deze cyclus worden de eerste suikers geproduceerd, waarmee sucrose en zetmeel worden gemaakt. Dit bespreken we in ons artikel over de donkerreactie van fotosynthese.

De twee soorten fotofosforylering begrijpen

Er zijn echter twee soorten fotofosforylering: cyclische en niet-cyclische. Welke soort wordt gebruikt, hangt af van de route die de elektronen door de beide fotosystemen afleggen. De gevolgen van het volgen van de ene of andere route hangen vooral af van de productie van NADPH en de afgifte van zuurstofgas.

Laten we eerst eens een schema van fotofosforylering bekijken.

Bij cyclische fotofosforylering vervoert een molecuul met de naam plastocyanine de elektronen (e) naar fotosysteem I, dat ook een reactiecentrum en een lichtafhankelijke structuur heeft.

Wanneer het elektron het reactiecentrum (P700 op de onderstaande afbeelding) heeft opgewekt, worden de elektronen die het PSI bereiken weer voortgedreven door lichtenergie met een hoger energieniveau. Ze worden door de nieuwe keten acceptors vervoerd totdat ze de laatste acceptormolecuul bereiken. Deze molecuul vangt de elektronen op en gebruikt ze om ADP (de energieloze vorm van ATP) en een fosforatoom om te zetten in ATP (energie om op te slaan).

Bij niet-cyclische fotofosforylering is het proces anders. De fotonen beïnvloeden het PSII door twee elektronen op te wekken en af te geven, die naar feofytine, de belangrijkste elektronenacceptor, worden overgebracht. De eerste elektronendonor in het Z-schema vervangt de elektronen door de elektronen die afkomstig zijn van de fotolyse van water in de thylakoïde.

De protonen van de fotolyse worden binnen verzameld en het zuurstof komt vrij in de vorm van gas. De elektronen gaan naar een transportketen, die met de vrijgekomen energie ATP maakt.

Hoe? De theorie verklaart het zo: de elektronen worden overgedragen aan de plastoquinonen die ook twee protonen van het stroma opvangen. De elektronen en protonen gaan naar het cytochroom b6f-complex, dat de protonen naar de binnenkant van de thylakoïde pompt. Op deze manier krijgt de thylakoïde een hoge concentratie protonen (samen met de protonen die voortkomen uit de fotolyse van het water).

Daarnaast gaan de elektronen van de cytochromen naar het plastocyanine, dat hen op zijn beurt weer overdraagt aan het PSI. Met lichtenergie worden de elektronen weer vrijgegeven en vastgelegd door de acceptor. Daarvandaan gaan ze door een reeks moleculen tot ze ferredoxine bereiken (Fd op de afbeelding). Deze molecuul draagt hen over aan de NADP+-reductase, die ook twee protonen uit het stroma opvangt. Met de twee protonen en de twee elektronen wordt een NADP+ gereduceerd tot de vorm NADPH + H(zie het volgende schema).

Deze reeks processen wordt de lichtreactie genoemd.

Hopelijk begrijp je door dit artikel de lichtreactie en hoe deze werkt. Is dat het geval? Dan ben je klaar om verder te gaan! Bekijk hier ons andere artikel waarin de donkerreactie en fotorespiratie worden uitgelegd.

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