LICHTE FASE VAN FOTOSYNTHESE: MECHANISME EN PRODUCTEN - BIOLOGIE - 2025

De lichte fase van fotosynthese is dat deel van het fotosyntheseproces dat de aanwezigheid van licht vereist. Licht brengt dus reacties op gang die resulteren in de omzetting van een deel van de lichtenergie in chemische energie.

Biochemische reacties vinden plaats in de chloroplast-thylakoïden, waar fotosynthetische pigmenten worden aangetroffen die worden opgewekt door licht. Dit zijn chlorofyl a, chlorofyl b en carotenoïden.

Lichte fase en donkere fase. Maulucioni, van Wikimedia Commons

Er zijn verschillende elementen nodig om lichtafhankelijke reacties te laten plaatsvinden. Een lichtbron binnen het zichtbare spectrum is noodzakelijk. Evenzo is de aanwezigheid van water nodig.

Het eindproduct van de lichte fase van fotosynthese is de vorming van ATP (adenosinetrifosfaat) en NADPH (nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat). Deze moleculen worden gebruikt als energiebron voor de fixatie van CO ₂ in de donkere fase. Evenzo komt tijdens deze fase O ₂ vrij , een product van de afbraak van het H ₂ O- molecuul .

Voorwaarden

Om lichtafhankelijke reacties in fotosynthese te laten plaatsvinden, is inzicht in de eigenschappen van licht vereist. Evenzo is het noodzakelijk om de structuur van de betrokken pigmenten te kennen.

Het licht

Licht heeft zowel golf- als deeltjeseigenschappen. Energie komt van de zon naar de aarde in de vorm van golven van verschillende lengtes, ook wel het elektromagnetische spectrum genoemd.

Ongeveer 40% van het licht dat de planeet bereikt, is zichtbaar licht. Dit wordt gevonden in golflengten tussen 380-760 nm. Het bevat alle kleuren van de regenboog, elk met een karakteristieke golflengte.

De meest efficiënte golflengten voor fotosynthese zijn die van violet tot blauw (380-470 nm) en van rood-oranje tot rood (650-780 nm).

Licht heeft ook deeltjeseigenschappen. Deze deeltjes worden fotonen genoemd en worden geassocieerd met een specifieke golflengte. De energie van elk foton is omgekeerd evenredig met zijn golflengte. Hoe korter de golflengte, hoe hoger de energie.

Wanneer een molecuul een foton van lichtenergie absorbeert, wordt een van zijn elektronen geactiveerd. Het elektron kan het atoom verlaten en worden opgevangen door een acceptormolecuul. Dit proces vindt plaats in de lichte fase van fotosynthese.

Pigmenten

In het thylakoïdmembraan (structuur van de chloroplast) bevinden zich verschillende pigmenten die zichtbaar licht kunnen absorberen. Verschillende pigmenten absorberen verschillende golflengten. Deze pigmenten zijn chlorofyl, carotenoïden en phycobilins.

Carotenoïden geven de gele en oranje kleuren die in planten aanwezig zijn. Phycobilins worden aangetroffen in cyanobacteriën en rode algen.

Chlorofyl wordt beschouwd als het belangrijkste fotosynthetische pigment. Dit molecuul heeft een lange hydrofobe koolwaterstofstaart, waardoor het gehecht blijft aan het thylakoïdmembraan. Bovendien heeft het een porfyrinering die een magnesiumatoom bevat. In deze ring wordt lichtenergie geabsorbeerd.

Er zijn verschillende soorten chlorofyl. Chlorofyl a is het pigment dat het meest direct ingrijpt bij lichtreacties. Chlorofyl b absorbeert licht met een andere golflengte en draagt ​​deze energie over aan chlorofyl a.

In de chloroplast wordt ongeveer driemaal meer chlorofyl a aangetroffen dan chlorofyl b.

Mechanisme

-Fotosystemen

Chlorofylmoleculen en de andere pigmenten zijn in de thylakoïde georganiseerd in fotosynthetische eenheden.

Elke fotosynthetische eenheid bestaat uit 200-300 chlorofyl a-moleculen, kleine hoeveelheden chlorofyl b, carotenoïden en eiwitten. Er is een gebied dat het reactiecentrum wordt genoemd, de plek waar lichtenergie wordt gebruikt.

Afbeelding: lichte fase van fotosynthese. Auteur: Somepics. https://es.m.wikipedia.org/wiki/Bestand:Thylakoid_membrane_3.svg

De andere aanwezige pigmenten worden antennecomplexen genoemd. Ze hebben de functie om licht op te vangen en naar het reactiecentrum te sturen.

Er zijn twee soorten fotosynthetische eenheden, fotosystemen genaamd. Ze verschillen doordat hun reactiecentra zijn geassocieerd met verschillende eiwitten. Ze veroorzaken een kleine verschuiving in hun absorptiespectra.

In fotosysteem I heeft het chlorofyl a dat is geassocieerd met het reactiecentrum een ​​absorptiepiek van 700 nm (P ₇₀₀ ). In fotosysteem II treedt de absorptiepiek op bij 680 nm (P ₆₈₀ ).

-Fotolyse

Tijdens dit proces vindt de afbraak van het watermolecuul plaats. Photosystem II doet mee. Een foton van licht valt op het P _680- molecuul en drijft een elektron naar een hoger energieniveau.

De aangeslagen elektronen worden opgevangen door een molecuul feofytine, dat een tussenliggende acceptor is. Vervolgens passeren ze het thylakoïdmembraan waar ze worden geaccepteerd door een plastoquinon-molecuul. De elektronen worden uiteindelijk overgebracht naar de P ₇₀₀ van fotosysteem I.

De elektronen die werden opgegeven door P ₆₈₀ worden vervangen door andere uit het water. Een mangaanhoudend eiwit (proteïne Z) is nodig om het watermolecuul af te breken.

Wanneer H ₂ O wordt verbroken , komen twee protonen (H ⁺ ) en zuurstof vrij. Er zijn twee moleculen water nodig om te worden gesplitst om één molecuul O _{2 vrij te maken} .

-Fotofosforylering

Er zijn twee soorten fotofosforylering, afhankelijk van de richting van de elektronenstroom.

Niet-cyclische fotofosforylering

Zowel fotosysteem I als II zijn erbij betrokken. Het wordt niet-cyclisch genoemd omdat de stroom van elektronen maar in één richting gaat.

Wanneer de excitatie van de chlorofylmoleculen plaatsvindt, bewegen de elektronen zich door een elektronentransportketen.

Het begint in fotosysteem I wanneer een foton van licht wordt geabsorbeerd door een P _700- molecuul . Het aangeslagen elektron wordt overgebracht naar een primaire acceptor (Fe-S) die ijzer en sulfide bevat.

Dan gaat het over naar een molecuul ferredoxine. Vervolgens gaat het elektron naar een transportmolecuul (FAD). Dit geeft het aan een molecuul van NADP ⁺ dat het reduceert tot NADPH.

De elektronen die door fotosysteem II bij fotolyse worden overgedragen, zullen die vervangen door P ₇₀₀ . Dit gebeurt via een transportketen die bestaat uit ijzerhoudende pigmenten (cytochromen). Daarnaast zijn er plastocyanines (eiwitten die koper bevatten) bij betrokken.

Tijdens dit proces worden zowel NADPH- als ATP-moleculen geproduceerd. Voor de vorming van ATP komt het enzym ATPsyntetase tussenbeide.

Cyclische fotofosforylering

Het komt alleen voor in fotosysteem I. Wanneer de moleculen van het P _700- reactiecentrum worden geëxciteerd, worden de elektronen opgevangen door een P _430- molecuul .

Vervolgens worden de elektronen opgenomen in de transportketen tussen de twee fotosystemen. Tijdens het proces worden ATP-moleculen geproduceerd. In tegenstelling tot niet-cyclische fotofosforylering, wordt NADPH niet geproduceerd en komt er geen O ₂ vrij .

Aan het einde van het elektronentransportproces keren ze terug naar het reactiecentrum van fotosysteem I. Daarom wordt het cyclische fotofosforylering genoemd.

Eindproducten

Aan het einde van de lichte fase komt O ₂ als bijproduct van fotolyse vrij in het milieu. Deze zuurstof gaat naar de atmosfeer en wordt gebruikt bij de ademhaling van aerobe organismen.

Een ander eindproduct van de lichte fase is NADPH, een co-enzym (onderdeel van een niet-eiwit enzym) dat zal deelnemen aan de fixatie van CO ₂ tijdens de Calvin-cyclus (donkere fase van fotosynthese).

ATP is een nucleotide dat wordt gebruikt om de nodige energie te verkrijgen die nodig is in de metabolische processen van levende wezens. Dit wordt verbruikt bij de synthese van glucose.

Referenties

1. Petroutsos D. R Tokutsu, S Maruyama, S Flori, A Greiner, L Magneschi, L Cusant, T Kottke. M Mittag, P Hegemann, G Finazzi en J Minagaza (2016) Een blauwlicht fotoreceptor bemiddelt de feedbackregulatie van fotosynthese. Nature 537: 563-566.
2. Salisbury F en C Ross (1994) Plantenfysiologie. Grupo Hoofdartikel Iberoamérica. Mexico DF. 759 pagina's
3. Solomon E, L Berg en D Martín (1999) Biologie. Vijfde editie. MGraw-Hill Interamericana Editores. Mexico DF. 1237 pagina's
4. Stearn K (1997) Inleidende plantenbiologie. WC Brown Publishers. TOEPASSINGEN. 570 pagina's
5. Yamori W, T Shikanai en A Makino (2015) Fotosysteem I cyclische elektronenstroom via chloroplast NADH dehydrogenase-achtig complex speelt een fysiologische rol voor fotosynthese bij weinig licht. Nature Scientific Report 5: 1-12.