A pigmentek megértése
A pigmentek különböző fajtái léteznek, és mindegyik csak bizonyos hullámhosszúságú (színű) látható fényt nyel el. A pigmentek azoknak a hullámhosszoknak a színét tükrözik vissza, amelyeket nem tudnak elnyelni.
Minden fotoszintetizáló szervezet tartalmaz egy klorofill a nevű pigmentet, amelyet az emberek a növényekkel kapcsolatos közös zöld színként látnak. A klorofill a a a látható spektrum mindkét végéből (kék és vörös) elnyeli a hullámhosszokat, de a zöldet nem. Mivel a zöldet visszaveri, a klorofill zöldnek tűnik.
4. ábra. Az általában árnyékban termő növényeknek előnyös, ha többféle fényelnyelő pigmenttel rendelkeznek. Az egyes pigmentek különböző hullámhosszúságú fényt képesek elnyelni, ami lehetővé teszi a növény számára, hogy minden olyan fényt elnyeljen, amely a magasabb fákon áthalad. (hitel: Jason Hollinger)
A többi pigmenttípus közé tartozik a klorofill b (amely elnyeli a kék és a vörös-narancs fényt) és a karotinoidok. Minden egyes pigmenttípus azonosítható a látható fényből elnyelt hullámhosszok sajátos mintázata, azaz az abszorpciós spektruma alapján.
Néhány fotoszintetizáló szervezetben a pigmentek keveréke található; ezek között a szervezet a látható fény hullámhosszainak szélesebb tartományából képes energiát elnyelni. Nem minden fotoszintetizáló szervezetnek van teljes hozzáférése a napfényhez. Egyes élőlények a víz alatt nőnek, ahol a fény intenzitása a mélységgel csökken, és bizonyos hullámhosszakat a víz elnyel. Más élőlények a fényért folytatott versenyben növekednek. Az esőerdő talaján élő növényeknek képesnek kell lenniük arra, hogy minden átjutó fénydarabot elnyeljenek, mert a magasabb fák a napfény nagy részét eltakarják (4. ábra).
Hogyan működnek a fényfüggő reakciók
A fényfüggő reakciók általános célja a fényenergia kémiai energiává alakítása. Ezt a kémiai energiát a Calvin-ciklus használja fel a cukormolekulák felépítésére.
A fényfüggő reakciók egy pigmentmolekulákból és fehérjékből álló csoportosulásban, a fotoszisztémában kezdődnek. A fotoszisztémák a tilakoidok membránjaiban léteznek. A fotoszisztéma egy pigmentmolekulája egyszerre egy fotont, a fényenergia egy mennyiségét vagy “csomagját” nyeli el.
A fényenergia fotonja addig utazik, amíg el nem éri a klorofill molekulát. A foton hatására egy elektron a klorofillban “gerjesztetté” válik. Az elektronnak adott energia lehetővé teszi, hogy kiszabaduljon a klorofillmolekula egyik atomjából. A klorofillról tehát azt mondjuk, hogy “adományoz” egy elektront (5. ábra).
5. ábra. A fényenergiát egy klorofillmolekula elnyeli, és egy útvonalon továbbítja más klorofillmolekuláknak. Az energia a reakcióközpontban található klorofillmolekulában csúcsosodik ki. Az energia “gerjeszti” az egyik elektronját annyira, hogy az elhagyja a molekulát, és átkerüljön egy közeli primer elektronakceptorhoz. Egy vízmolekula hasad, hogy felszabadítson egy elektront, amely a leadott elektron helyettesítéséhez szükséges. A víz hasadásából oxigén- és hidrogénionok is keletkeznek.
A klorofillban lévő elektron pótlására egy vízmolekula hasad. Ez a hasadás felszabadít egy elektront, és oxigén (O2) és hidrogénionok (H+) képződését eredményezi a tilakoid térben. Technikailag minden egyes vízmolekulatörés egy elektronpárt szabadít fel, és így két adományozott elektront tud helyettesíteni.
Az elektron pótlása lehetővé teszi a klorofill számára, hogy egy másik fotonra reagáljon. A melléktermékként keletkező oxigénmolekulák a környezetbe jutnak. A hidrogénionok kritikus szerepet játszanak a többi fényfüggő reakcióban.
Ne feledjük, hogy a fényfüggő reakciók célja a napenergiának a Calvin-ciklusban felhasználható kémiai hordozókká történő átalakítása. Az eukariótákban két fotoszisztéma létezik, az elsőt II. fotoszisztémának nevezik, amely inkább a felfedezés, mint a működés sorrendje alapján kapta a nevét.
A foton becsapódása után a II. fotoszisztéma a szabad elektront a tiolakoid membránon belül található fehérjék sorában az elsőnek, az elektrontranszportláncnak adja át. Ahogy az elektron végighalad ezeken a fehérjéken, az elektronból származó energia táplálja a membránszivattyúkat, amelyek aktívan mozgatják a hidrogénionokat a koncentrációgradiensükkel szemben a stróma felől a tirakoid térbe. Ez teljesen analóg a mitokondriumban lejátszódó folyamattal, amelyben az elektrontranszportlánc hidrogénionokat pumpál a mitokondrium strómájából a belső membránon keresztül a membránközi térbe, elektrokémiai gradienst létrehozva. Az energia felhasználása után az elektront egy pigmentmolekula veszi fel a következő fotoszisztémában, az úgynevezett I. fotoszisztémában (6. ábra).
6. ábra. A II. fotoszisztémából a gerjesztett elektron egy fehérjesorozaton halad végig. Ez az elektrontranszportrendszer az elektron energiáját arra használja fel, hogy hidrogénionokat pumpáljon a tilakoid belsejébe. Az I. fotoszisztémában egy pigmentmolekula veszi fel az elektront.