Definitie fotosynthese
Fotosynthese is de biochemische route die de energie van licht omzet in de bindingen van glucosemoleculen. Het proces van fotosynthese verloopt in twee stappen. In de eerste stap wordt energie van licht opgeslagen in de bindingen van adenosinetrifosfaat (ATP) en nicotinamide-adeninedinucleotidefosfaat (NADPH). Deze twee energieopslagcofactoren worden vervolgens gebruikt in de tweede stap van fotosynthese om organische moleculen te produceren door koolstofmoleculen die zijn afgeleid van kooldioxide (CO2) te combineren. De tweede stap van fotosynthese staat bekend als de Calvin-cyclus. Deze organische moleculen kunnen vervolgens door mitochondriën worden gebruikt om ATP te produceren, of ze kunnen worden gecombineerd om glucose, sucrose en andere koolhydraten te vormen. De chemische vergelijking voor het hele proces is hieronder te zien.
Fotosynthese-vergelijking
Hierboven staat de algehele reactie op fotosynthese. Door de energie van licht en de waterstofatomen en elektronen uit water te gebruiken, combineert de plant de koolstofatomen in kooldioxide tot complexere moleculen. Hoewel een 3-koolstofmolecuul het directe resultaat is van fotosynthese, is glucose eenvoudigweg twee van deze moleculen gecombineerd en wordt het vaak weergegeven als het directe resultaat van fotosynthese omdat glucose een fundamenteel molecuul is in veel cellulaire systemen. Je zult ook merken dat er 6 gasvormige zuurstofmoleculen worden geproduceerd, als bijproduct. De plant kan deze zuurstof in zijn mitochondriën gebruiken tijdens oxidatieve fosforylering. Hoewel een deel van de zuurstof voor dit doel wordt gebruikt, wordt een groot deel in de atmosfeer uitgestoten en kunnen we ademen en onze eigen oxidatieve fosforylering ondergaan op suikermoleculen die zijn afgeleid van planten. Je zult ook opmerken dat deze vergelijking aan beide kanten water laat zien. Dat komt doordat 12 watermoleculen worden gesplitst tijdens de lichtreacties, terwijl er 6 nieuwe moleculen worden geproduceerd tijdens en na de Calvin-cyclus. Hoewel dit de algemene vergelijking is voor het hele proces, zijn er veel individuele reacties die bijdragen aan dit pad.
Stadia van fotosynthese
De lichtreacties
De lichtreacties vinden plaats in de thylakoïdmembranen van de chloroplasten van plantencellen. De thylakoïden hebben dicht opeengepakte eiwit- en enzymclusters die bekend staan als fotosystemen. Er zijn twee van deze systemen die in combinatie met elkaar werken om elektronen en waterstofatomen uit water te verwijderen en deze over te brengen naar de cofactoren ADP en NADP +. Deze fotosystemen werden genoemd in de volgorde waarin ze werden ontdekt, wat het tegenovergestelde is van hoe elektronen er doorheen stromen. Zoals te zien is in de onderstaande afbeelding, stromen elektronen opgewekt door lichtenergie eerst door fotosysteem II (PSII) en vervolgens door fotosysteem I (PSI) terwijl ze NADPH creëren. ATP wordt gemaakt door het eiwit ATP-synthase, dat de opbouw van waterstofatomen gebruikt om de toevoeging van fosfaatgroepen aan ADP te stimuleren.
Het hele systeem werkt als volgt. Een fotosysteem bestaat uit verschillende eiwitten die een reeks pigmentmoleculen omringen en verbinden. Pigmenten zijn moleculen die verschillende fotonen absorberen, waardoor hun elektronen opgewonden raken. Chlorofyl a is het belangrijkste pigment dat in deze systemen wordt gebruikt en verzamelt de uiteindelijke energieoverdracht voordat een elektron wordt vrijgegeven. Photosystem II start dit proces van elektronen door de lichtenergie te gebruiken om een watermolecuul te splitsen, waardoor de waterstof vrijkomt terwijl de elektronen worden overgeheveld. De elektronen worden vervolgens door plastoquinon geleid, een enzymcomplex dat meer waterstofatomen afgeeft in de thylakoïde ruimte. De elektronen stromen vervolgens door een cytochroomcomplex en plastocyanine om fotosysteem I te bereiken. Deze drie complexen vormen een elektronentransportketen, vergelijkbaar met die in mitochondriën. Fotosysteem I gebruikt deze elektronen vervolgens om de reductie van NADP + naar NADPH te stimuleren. De extra ATP die tijdens de lichte reacties wordt gemaakt, is afkomstig van ATP-synthase, dat de grote gradiënt van waterstofmoleculen gebruikt om de vorming van ATP te stimuleren.
The Calvin Cycle
Met zijn elektronendragers NADPH en ATP allemaal geladen met elektronen, is de plant nu klaar om opslagbare energie te creëren. Dit gebeurt tijdens de Calvin-cyclus, die sterk lijkt op de citroenzuurcyclus die wordt gezien in mitochondriën. De citroenzuurcyclus creëert echter ATP andere elektronendragers uit 3-koolstofmoleculen, terwijl de Calvin-cyclus deze producten produceert met behulp van NADPH en ATP. De cyclus heeft 3 fasen, zoals te zien is in de onderstaande afbeelding.
Tijdens de eerste fase wordt een koolstof toegevoegd aan een 5-koolstofsuiker, waardoor een onstabiele 6-koolstofsuiker ontstaat. In fase twee wordt deze suiker gereduceerd tot twee stabiele 3-koolstof suikermoleculen.Sommige van deze moleculen kunnen worden gebruikt in andere metabolische routes en worden geëxporteerd. De rest blijft om door de Calvin-cyclus te fietsen. Tijdens de derde fase wordt de suiker met vijf koolstofatomen geregenereerd om het proces opnieuw te starten. De Calvin-cyclus vindt plaats in het stroma van een chloroplast. Hoewel ze niet als onderdeel van de Calvin-cyclus worden beschouwd, kunnen deze producten worden gebruikt om een verscheidenheid aan suikers en structurele moleculen te maken.
Producten van fotosynthese
De directe producten van de lichtreacties en de Calvin-cyclus zijn 3-fosfoglyceraat en G3P, twee verschillende vormen van een suikermolecuul met 3 koolstofatomen. Twee van deze moleculen gecombineerd zijn gelijk aan één glucosemolecuul, het product dat wordt gezien in de fotosynthesevergelijking. Hoewel dit de belangrijkste voedselbron is voor planten en dieren, kunnen deze skeletten van 3 koolstofatomen in veel verschillende vormen worden gecombineerd. Een structurele vorm die het vermelden waard is, is cellulose, en extreem sterk vezelmateriaal dat in wezen is gemaakt van slierten glucose. Naast suikers en op suiker gebaseerde moleculen, is zuurstof het andere hoofdproduct van fotosynthese. Zuurstof gecreëerd uit fotosynthese voedt elk ademhalingsorganisme op de planeet.
Quiz
1. Om de Calvin-cyclus te voltooien, is kooldioxide nodig. Koolstofdioxide bereikt het inwendige van de plant via huidmondjes, of kleine gaatjes in het oppervlak van een blad. Om waterverlies en totale uitdroging op warme dagen te voorkomen, sluiten planten hun huidmondjes. Kunnen planten fotosynthese blijven ondergaan?
A. Ja, zolang er licht is
B. Nee, zonder CO2 kan het proces niet doorgaan
C. Alleen de lichte reactie zal doorgaan.
2. Waarom zijn de producten van fotosynthese belangrijk voor niet-fotosynthetische organismen?
A. Het is de basis van de meeste energie op aarde
B. Ze hebben de kleine voedingsstoffen nodig die door planten worden verzameld
C. Ze zijn niet belangrijk voor obligate carnivoren.
3. Waarom hebben planten water nodig?
A. Voor fotosynthese
B. Voor structuur
C. Voedingsstoffen overbrengen
D. Al het bovenstaande