Pigmenttien ymmärtäminen
Pigmenttejä on erilaisia, ja kukin niistä absorboi vain tiettyjä näkyvän valon aallonpituuksia (värejä). Pigmentit heijastavat niiden aallonpituuksien väriä, joita ne eivät voi absorboida.
Kaikki fotosynteettiset eliöt sisältävät klorofylli a -nimistä pigmenttiä, jonka ihmiset näkevät kasvien yleisenä vihreänä värinä. Klorofylli a absorboi aallonpituuksia näkyvän spektrin molemmista päistä (sininen ja punainen), mutta ei vihreää. Koska vihreä heijastuu, klorofylli näyttää vihreältä.
Kuva 4. Yleisesti varjossa kasvavat kasvit hyötyvät siitä, että niillä on erilaisia valoa absorboivia pigmenttejä. Kukin pigmentti voi absorboida valon eri aallonpituuksia, minkä ansiosta kasvi voi absorboida kaiken valon, joka kulkee korkeampien puiden läpi. (luotto: Jason Hollinger)
Muita pigmenttityyppejä ovat klorofylli b (joka absorboi sinistä ja punaoranssia valoa) ja karotenoidit. Kukin pigmenttityyppi voidaan tunnistaa sen näkyvän valon aallonpituuksien tietyn kuvion perusteella, joka on sen absorptiospektri.
Monissa fotosynteettisissä eliöissä on pigmenttien sekoitus; niiden välillä eliö voi absorboida energiaa laajemmalta näkyvän valon aallonpituusalueelta. Kaikilla fotosynteettisillä organismeilla ei ole täyttä pääsyä auringonvaloon. Jotkut organismit kasvavat veden alla, jossa valon voimakkuus vähenee syvyyden myötä, ja vesi absorboi tiettyjä aallonpituuksia. Toiset organismit kasvavat kilpailemalla valosta. Sademetsän pohjalla olevien kasvien on pystyttävä imemään kaikki läpi tuleva valonpätkä, koska korkeammat puut peittävät suurimman osan auringonvalosta (kuva 4).
Miten valosta riippuvaiset reaktiot toimivat
Valosta riippuvaisten reaktioiden yleistarkoitus on muuttaa valoenergia kemialliseksi energiaksi. Tätä kemiallista energiaa käytetään Calvinin syklissä sokerimolekyylien kokoamiseen.
Valosta riippuvaiset reaktiot alkavat pigmenttimolekyylien ja proteiinien ryhmittymässä, jota kutsutaan fotosysteemiksi. Fotosysteemejä on tylakoideissa olevissa kalvoissa. Fotosysteemin pigmenttimolekyyli absorboi yhden fotonin, valoenergian määrän tai ”paketin”, kerrallaan.
Valoenergian fotoni kulkee, kunnes se saavuttaa klorofyllimolekyylin. Fotoni saa klorofyllin elektronin ”kiihottumaan”. Elektronille annettu energia saa sen irtautumaan klorofyllimolekyylin atomista. Klorofyllin sanotaan siis ”luovuttavan” elektronin (kuva 5).
Kuva 5. Valoenergia absorboituu klorofyllimolekyyliin ja siirtyy reittiä pitkin muihin klorofyllimolekyyleihin. Energia huipentuu reaktiokeskuksessa olevaan klorofyllimolekyyliin. Energia ”kiihdyttää” yhden sen elektroneista niin paljon, että se poistuu molekyylistä ja siirtyy läheiseen primaariseen elektroniakseptoriin. Vesimolekyyli jakautuu vapauttaen elektronin, jota tarvitaan luovutetun elektronin tilalle. Veden halkeamisesta muodostuu myös happi- ja vetyioneja.
Klorofyllin elektronin korvaamiseksi halkaistaan vesimolekyyli. Tämä halkaisu vapauttaa elektronin ja johtaa hapen (O2) ja vetyionien (H+) muodostumiseen tylakoiditilassa. Teknisesti ottaen jokainen vesimolekyylin halkaisu vapauttaa elektroniparin, joten se voi korvata kaksi luovutettua elektronia.
Elektronin korvaaminen mahdollistaa sen, että klorofylli voi vastata toiseen fotoniin. Sivutuotteina syntyvät happimolekyylit löytävät tiensä ympäristöön. Vetyioneilla on kriittinen rooli muissa valosta riippuvaisissa reaktioissa.
Pitäkää mielessä, että valosta riippuvaisten reaktioiden tarkoituksena on muuntaa aurinkoenergia kemiallisiksi kantajiksi, joita käytetään Calvinin kierrossa. Eukaryooteissa on kaksi fotosysteemiä, joista ensimmäistä kutsutaan fotosysteemi II:ksi, joka on nimetty pikemminkin sen löytämisjärjestyksen kuin toimintajärjestyksen mukaan.
Fotonin osuttua fotosysteemi II siirtää vapaan elektronin ensimmäiseen fotosysteemiin, jota kutsutaan elektroninkuljetusketjuksi (electron transport chain), joka sijaitsee tylakoidikalvon sisällä sijaitsevien proteiinien sarjassa. Kun elektroni kulkee näitä proteiineja pitkin, elektronin tuottama energia ruokkii kalvopumppuja, jotka aktiivisesti siirtävät vetyioneja konsentraatiogradienttiaan vastaan stroomasta tylakoiditilaan. Tämä on aivan samanlainen kuin mitokondriossa tapahtuva prosessi, jossa elektroninkuljetusketju pumppaa vetyioneja mitokondrioiden stroomasta sisemmän kalvon läpi kalvojen väliseen tilaan luoden sähkökemiallisen gradientin. Kun energia on käytetty, elektronin ottaa vastaan pigmenttimolekyyli seuraavassa fotosysteemissä, jota kutsutaan fotosysteemi I:ksi (kuva 6).
Kuva 6. Fotosysteemi II:sta virittynyt elektroni kulkee proteiinisarjaa pitkin. Tämä elektroninkuljetusjärjestelmä käyttää elektronin energiaa vetyionien pumppaamiseen tylakoidin sisälle. Fotosysteemi I:n pigmenttimolekyyli ottaa elektronin vastaan.