Understanding Pigments
Er bestaan verschillende soorten pigmenten, en elk absorbeert slechts bepaalde golflengten (kleuren) van zichtbaar licht. Pigmenten reflecteren de kleur van de golflengten die ze niet kunnen absorberen.
Alle fotosynthetische organismen bevatten een pigment dat chlorofyl a wordt genoemd, en dat mensen zien als de gewone groene kleur die met planten wordt geassocieerd. Chlorofyl a absorbeert golflengten van beide uiteinden van het zichtbare spectrum (blauw en rood), maar niet van groen. Omdat groen wordt gereflecteerd, lijkt chlorofyl groen.
Figuur 4. Planten die gewoonlijk in de schaduw groeien, hebben baat bij een verscheidenheid aan lichtabsorberende pigmenten. Elk pigment kan verschillende golflengten van het licht absorberen, waardoor de plant elk licht kan absorberen dat door de hogere bomen valt. (credit: Jason Hollinger)
Andere pigmenttypes zijn chlorofyl b (dat blauw en rood-oranje licht absorbeert) en de carotenoïden. Elk type pigment kan worden geïdentificeerd aan de hand van het specifieke patroon van golflengten die het absorbeert van zichtbaar licht, het absorptiespectrum.
Veel fotosynthetische organismen hebben een mengsel van pigmenten; tussen deze pigmenten kan het organisme energie absorberen van een breder scala van golflengten van zichtbaar licht. Niet alle fotosynthetische organismen hebben volledige toegang tot zonlicht. Sommige organismen groeien onder water, waar de lichtintensiteit afneemt met de diepte, en bepaalde golflengten door het water worden geabsorbeerd. Andere organismen groeien in concurrentie om licht. Planten op de bodem van het regenwoud moeten elk beetje licht dat doorkomt kunnen absorberen, omdat de hogere bomen het meeste zonlicht tegenhouden (figuur 4).
Hoe licht-afhankelijke reacties werken
Het algemene doel van de licht-afhankelijke reacties is om lichtenergie om te zetten in chemische energie. Deze chemische energie wordt door de Calvijn-cyclus gebruikt als brandstof voor de assemblage van suikermoleculen.
De licht-afhankelijke reacties beginnen in een groepering van pigmentmoleculen en eiwitten, die een fotosysteem wordt genoemd. Fotosystemen bestaan in de membranen van thylakoïden. Een pigmentmolecuul in het fotosysteem absorbeert één foton, een hoeveelheid of “pakketje” lichtenergie, per keer.
Een foton lichtenergie reist tot het een chlorofylmolecuul bereikt. Het foton zorgt ervoor dat een elektron in het chlorofyl wordt “aangeslagen”. Door de energie die het elektron krijgt, kan het losraken van een atoom van het chlorofylmolecuul. Van chlorofyl wordt daarom gezegd dat het een elektron “afstaat” (figuur 5).
Figuur 5. De lichtenergie wordt geabsorbeerd door een chlorofylmolecuul en wordt langs een route doorgegeven aan andere chlorofylmoleculen. De energie culmineert in een chlorofylmolecuul dat zich in het reactiecentrum bevindt. De energie “prikkelt” een van de elektronen voldoende om het molecuul te verlaten en te worden overgedragen aan een nabijgelegen primaire elektronenacceptor. Een watermolecuul splitst om een elektron vrij te maken, dat nodig is om het gedoneerde elektron te vervangen. Zuurstof- en waterstofionen worden ook gevormd bij de splitsing van water.
Om het elektron in het chlorofyl te vervangen, wordt een watermolecuul gesplitst. Bij deze splitsing komt een elektron vrij en worden zuurstof (O2) en waterstofionen (H+) in de thylakoïdruimte gevormd. Technisch gesproken komt bij elke splitsing van een watermolecuul een elektronenpaar vrij, en kan dus twee afgestaane elektronen vervangen.
De vervanging van het elektron stelt chlorofyl in staat op een ander foton te reageren. De zuurstofmoleculen die als bijproduct worden geproduceerd, vinden hun weg naar het omringende milieu. De waterstofionen spelen een cruciale rol in de rest van de lichtafhankelijke reacties.
Bedenk dat het doel van de lichtafhankelijke reacties is zonne-energie om te zetten in chemische dragers die in de Calvijn-cyclus zullen worden gebruikt. In eukaryoten bestaan twee fotosystemen, het eerste heet fotosysteem II, dat meer naar de volgorde van ontdekking dan naar de volgorde van functie is genoemd.
Nadat het foton inslaat, brengt fotosysteem II het vrije elektron over naar het eerste in een reeks eiwitten binnen het thylakoïdmembraan, de elektronentransportketen genoemd. Terwijl het elektron langs deze eiwitten passeert, voedt de energie van het elektron membraanpompen die actief waterstofionen tegen hun concentratiegradiënt van het stroma naar de thylakoïdruimte verplaatsen. Dit is analoog aan het proces dat plaatsvindt in het mitochondrium, waar een elektronentransportketen waterstofionen van het mitochondriaal stroma over het binnenmembraan en in de intermembraanruimte pompt, waardoor een elektrochemische gradiënt ontstaat. Nadat de energie is gebruikt, wordt het elektron aanvaard door een pigmentmolecuul in het volgende fotosysteem, dat fotosysteem I wordt genoemd (figuur 6).
Figuur 6. Vanuit fotosysteem II reist het geëxciteerde elektron langs een reeks eiwitten. Dit elektronentransportsysteem gebruikt de energie van het elektron om waterstofionen in het inwendige van de thylakoïde te pompen. Een pigmentmolecuul in fotosysteem I accepteert het elektron.