FOTOSYSTEMEN: COMPONENTEN, WERKING EN TYPEN - BIOLOGIE - 2026

De fotosystemen zijn functionele eenheden van het fotosyntheseproces. Ze worden bepaald door hun vormen van associatie en specifieke organisatie van fotosynthetische pigmenten en eiwitcomplexen die lichtenergie kunnen absorberen en transformeren, in een proces waarbij elektronen worden overgedragen.

Er zijn twee soorten fotosystemen bekend, fotosystemen I en II genoemd vanwege de volgorde waarin ze werden ontdekt. Fotosysteem I heeft zeer hoge hoeveelheden chlorofyl a in vergelijking met de hoeveelheid chlorofyl b, terwijl fotosysteem II zeer vergelijkbare hoeveelheden van beide fotosynthetische pigmenten heeft.

Diagram fotosysteem I. Genomen en bewerkt uit: Pisum.

Fotosystemen bevinden zich in de thylakoïdmembranen van fotosynthetische organismen zoals planten en algen. Ze zijn ook te vinden in cyanobacteriën.

Chloroplasten

Chloroplasten zijn bolvormige of langwerpige organellen met een diameter van ongeveer 5 µm die fotosynthetische pigmenten bevatten. Binnenin vindt fotosynthese plaats in plantencellen.

Ze zijn omgeven door twee buitenste membranen en van binnen bevatten ze zakachtige structuren, ook omgeven door twee membranen, thylakoïden genaamd.

De thylakoïden worden gestapeld en vormen een groep die de naam grana krijgt, terwijl de vloeistof die de thylakoïden omringt het stroma wordt genoemd. Bovendien zijn de thylakoïden omgeven door een membraan dat het lumen wordt genoemd en dat de intrathylakoïde ruimte begrenst.

De omzetting van lichtenergie in chemische energie tijdens fotosynthese vindt plaats in de membranen van thylakoïden. Aan de andere kant vindt de productie en opslag van koolhydraten als gevolg van fotosynthese plaats in de stroma's.

Fotosynthetische pigmenten

Het zijn eiwitten die lichtenergie kunnen absorberen om het te gebruiken tijdens het fotosyntheseproces, ze zijn geheel of gedeeltelijk gebonden aan het thylakoïdmembraan. Het pigment dat direct betrokken is bij de lichtreacties van fotosynthese is chlorofyl.

Er zijn twee hoofdtypen chlorofyl in planten, genaamd chlorofyl a en b. In sommige algen kunnen echter andere soorten chlorofyl, zoals c en d, aanwezig zijn, de laatste alleen in sommige rode algen.

Er zijn andere fotosynthetische pigmenten zoals carotenen en xanthofylen die samen carotenoïden vormen. Deze pigmenten zijn isoprenoïden die doorgaans uit veertig koolstofatomen bestaan. Carotenen zijn niet-geoxygeneerde caroteinoïden, terwijl xanthofylen geoxygeneerde pigmenten zijn.

In planten is alleen chlorofyl a direct betrokken bij lichtreacties. De overige pigmenten absorberen lichtenergie niet direct, maar fungeren als aanvullende pigmenten door de energie die van licht wordt opgevangen over te brengen naar chlorofyl a. Op deze manier wordt meer energie opgevangen dan het chlorofyl alleen zou kunnen vangen.

Fotosynthese

Fotosynthese is een biologisch proces waardoor planten, algen en sommige bacteriën kunnen profiteren van de energie die uit zonlicht komt. Door dit proces gebruiken planten lichtenergie om kooldioxide uit de atmosfeer en water uit de bodem om te zetten in glucose en zuurstof.

Licht veroorzaakt een complexe reeks oxidatie- en reductiereacties die de omzetting van lichtenergie in chemische energie mogelijk maken die nodig is om het fotosyntheseproces te voltooien. Fotosystemen zijn de functionele eenheden van dit proces.

Componenten van fotosystemen

Antenne-complex

Het bestaat uit een groot aantal pigmenten, waaronder honderden chlorofylmoleculen en zelfs grotere hoeveelheden aanvullende pigmenten, evenals phycobilins. Door de complexe antenne kan een grote hoeveelheid energie worden geabsorbeerd.

Het werkt als een trechter of als een antenne (vandaar de naam) die de energie van de zon opvangt en omzet in chemische energie, die wordt overgebracht naar het reactiecentrum.

Dankzij de overdracht van energie ontvangt het chlorofyl, een molecuul in het reactiecentrum, veel meer lichtenergie dan het op zichzelf zou hebben verkregen. Als het chlorofylmolecuul te veel licht ontvangt, kan het foto-oxideren en zou de plant afsterven.

Reactiecentrum

Het is een complex dat bestaat uit chlorofyl-a-moleculen, een molecuul dat bekend staat als een primaire elektronenreceptor, en talrijke eiwitsubeenheden eromheen.

Functioneren

Over het algemeen ontvangt het chlorofylmolecuul a dat aanwezig is in het reactiecentrum en dat de lichtreacties van fotosynthese initieert, geen fotonen rechtstreeks. De aanvullende pigmenten, evenals enkele chlorofyl-a-moleculen die in het antennecomplex aanwezig zijn, ontvangen lichtenergie, maar gebruiken deze niet rechtstreeks.

Deze door het antennecomplex geabsorbeerde energie wordt overgebracht naar het chlorofyl a van het reactiecentrum. Elke keer dat een chlorofyl een molecuul wordt geactiveerd, geeft het een geactiveerd elektron af dat vervolgens wordt geabsorbeerd door de primaire elektronenreceptor.

Als gevolg hiervan wordt de primaire acceptor verkleind, terwijl chlorofyl a zijn elektron herstelt dankzij water, dat fungeert als de laatste elektronenvrijmaker en zuurstof wordt verkregen als bijproduct.

Soorten

Fotosysteem I

Het wordt aangetroffen op het buitenoppervlak van het thylakoïdmembraan en heeft een lage hoeveelheid chlorofyl b, naast chlorofyl a en carotenoïden.

Chlorofyl a in het reactiecentrum absorbeert beter golflengten van 700 nanometer (nm), daarom wordt het P700 (pigment 700) genoemd.

In fotosysteem I fungeert een groep eiwitten uit de ferrodoxinegroep - ijzersulfide - als laatste elektronenacceptoren.

Fotosysteem II

Het werkt als eerste in het proces van het omzetten van licht in fotosynthese, maar het werd ontdekt na het eerste fotosysteem. Het wordt aangetroffen op het binnenoppervlak van het thylakoïdmembraan en heeft een grotere hoeveelheid chlorofyl b dan fotosysteem I. Het bevat ook chlorofyl a, phycobilins en xanthofylen.

In dit geval absorbeert het chlorofyl a in het reactiecentrum beter de golflengte van 680 nm (P680) en niet de golflengte van 700 nm zoals in het vorige geval. De laatste elektronenacceptor in dit fotosysteem is een chinon.

Fotosysteem II diagram. Genomen en bewerkt uit: Origineel werk was van Kaidor. .

Verband tussen fotosystemen I en II

Het fotosyntheseproces vereist beide fotosystemen. Het eerste fotosysteem dat werkt, is het II, dat licht absorbeert en dus worden de elektronen in het chlorofyl van het reactiecentrum geëxciteerd en vangen de primaire elektronenacceptoren ze op.

Door licht opgewonden elektronen reizen naar fotosysteem I via een elektronentransportketen in het thylakoïdmembraan. Deze verplaatsing veroorzaakt een energiedaling die het transport van waterstofionen (H +) door het membraan mogelijk maakt, richting het lumen van de thylakoïden.

Het transport van waterstofionen zorgt voor een energieverschil tussen de lumenruimte van de thylakoïden en het chloroplaststroma, dat dient om ATP te genereren.

Het chlorofyl in het reactiecentrum van fotosysteem I ontvangt het elektron afkomstig van fotosysteem II. Het elektron kan doorgaan in een cyclisch elektronentransport rond fotosysteem I, of worden gebruikt om NADPH te vormen, dat vervolgens wordt getransporteerd naar de Calvin-cyclus.

Referenties

1. MW Nabors (2004). Inleiding tot Botany. Pearson Education, Inc.
2. Fotosysteem. Op Wikipedia. Opgehaald van en.wikipedia.org.
3. Photosystem I, in Wikipedia. Opgehaald van en.wikipedia.org.
4. Fotosynthese - fotosystemen I en II. Opgehaald van britannica.com.
5. B. Andersson & LG Franzen (1992). De fotosystemen van zuurstofrijke fotosynthese. In: L. Ernster (Ed.). Moleculaire mechanismen in bio-energetica. Elvieser Science Publishers.
6. EM Yahia, A. Carrillo-López, GM Barrera, H.Suzán-Azpiri en MQ Bolaños (2019). Hoofdstuk 3 - Fotosynthese. Fysiologie en biochemie van groenten en fruit na de oogst.