Zrozumienie pigmentów
Istnieją różne rodzaje pigmentów, a każdy z nich pochłania tylko pewne długości fali (kolory) światła widzialnego. Pigmenty odzwierciedlają kolor długości fal, których nie mogą absorbować.
Wszystkie organizmy fotosyntetyzujące zawierają pigment zwany chlorofilem a, który ludzie postrzegają jako wspólny zielony kolor kojarzony z roślinami. Chlorofil a absorbuje fale z obu końców spektrum widzialnego (niebieskiego i czerwonego), ale nie z zielonego. Ponieważ kolor zielony jest odbijany, chlorofil wydaje się zielony.
Rysunek 4. Rośliny, które często rosną w cieniu, korzystają z posiadania różnych pigmentów pochłaniających światło. Każdy pigment może pochłaniać różne długości fal świetlnych, co pozwala roślinie absorbować światło, które przechodzi przez wyższe drzewa. (kredyt: Jason Hollinger)
Inne typy pigmentów obejmują chlorofil b (który pochłania światło niebieskie i czerwono-pomarańczowe) oraz karotenoidy. Każdy typ pigmentu może być zidentyfikowany przez specyficzny wzór długości fal, które absorbuje ze światła widzialnego, co jest jego widmem absorpcji.
Wiele organizmów fotosyntetyzujących posiada mieszankę pigmentów; pomiędzy nimi organizm może absorbować energię z szerszego zakresu długości fal światła widzialnego. Nie wszystkie organizmy fotosyntetyzujące mają pełny dostęp do światła słonecznego. Niektóre organizmy rosną pod wodą, gdzie natężenie światła maleje wraz z głębokością, a pewne długości fal są pochłaniane przez wodę. Inne organizmy rosną w warunkach konkurencji o światło. Rośliny na dnie lasu deszczowego muszą być w stanie zaabsorbować każdą odrobinę światła, która się przedostaje, ponieważ wyższe drzewa blokują większość światła słonecznego (Rysunek 4).
Jak działają reakcje zależne od światła
Ogólnym celem reakcji zależnych od światła jest przekształcenie energii świetlnej w energię chemiczną. Ta energia chemiczna zostanie wykorzystana przez cykl Calvina do napędzania montażu cząsteczek cukru.
Reakcje zależne od światła rozpoczynają się w zgrupowaniu cząsteczek pigmentu i białek zwanych fotosystemem. Fotosystemy istnieją w membranach tylakoidów. Cząsteczka pigmentu w fotosystemie absorbuje jeden foton, ilość lub „pakiet” energii świetlnej, na raz.
Foton energii świetlnej przemieszcza się do momentu dotarcia do cząsteczki chlorofilu. Foton powoduje, że elektron w chlorofilu staje się „wzbudzony”. Energia nadana elektronowi pozwala mu uwolnić się od atomu cząsteczki chlorofilu. Dlatego mówi się, że chlorofil „oddaje” elektron (Rysunek 5).
Rysunek 5. Energia świetlna jest pochłaniana przez cząsteczkę chlorofilu i przekazywana wzdłuż drogi do innych cząsteczek chlorofilu. Energia kulminuje w cząsteczce chlorofilu znajdującej się w centrum reakcji. Energia „wzbudza” jeden z jego elektronów na tyle, że opuszcza on cząsteczkę i zostaje przeniesiony do pobliskiego pierwotnego akceptora elektronów. Cząsteczka wody rozpada się, aby uwolnić elektron, który jest potrzebny do zastąpienia tego oddanego. Tlen i jony wodoru są również tworzone z rozszczepienia wody.
Aby zastąpić elektron w chlorofilu, cząsteczka wody jest rozszczepiona. To rozszczepienie uwalnia elektron i powoduje powstawanie tlenu (O2) i jonów wodorowych (H+) w przestrzeni tylakoidu. Technicznie rzecz biorąc, każde rozbicie cząsteczki wody uwalnia parę elektronów, a zatem może zastąpić dwa oddane elektrony.
Zastąpienie elektronu umożliwia chlorofilowi odpowiedź na inny foton. Cząsteczki tlenu powstałe jako produkty uboczne znajdują drogę do otaczającego środowiska. Jony wodorowe odgrywają kluczową rolę w pozostałych reakcjach zależnych od światła.
Pamiętajmy, że celem reakcji zależnych od światła jest przekształcenie energii słonecznej w nośniki chemiczne, które zostaną wykorzystane w cyklu Calvina. U eukariotów istnieją dwa fotosystemy, z których pierwszy nazywa się fotosystemem II, nazwanym tak ze względu na kolejność jego odkrycia, a nie ze względu na kolejność funkcji.
Po uderzeniu fotonu fotosystem II przenosi wolny elektron do pierwszego z serii białek wewnątrz błony tylakoidalnej, zwanego łańcuchem transportu elektronów. Gdy elektron przechodzi wzdłuż tych białek, energia z elektronu napędza pompy membranowe, które aktywnie przemieszczają jony wodorowe wbrew ich gradientowi stężenia ze zrębu do przestrzeni tylakoidu. Jest to proces dość analogiczny do tego, który zachodzi w mitochondrium, gdzie łańcuch transportu elektronów pompuje jony wodorowe ze zrębu mitochondrialnego przez błonę wewnętrzną i do przestrzeni międzybłonowej, tworząc gradient elektrochemiczny. Po wykorzystaniu energii elektron jest przyjmowany przez cząsteczkę pigmentu w następnym fotosystemie, który nazywa się fotosystemem I (Rysunek 6).
Rysunek 6. Z fotosystemu II wzbudzony elektron wędruje wzdłuż szeregu białek. Ten system transportu elektronów wykorzystuje energię z elektronu do pompowania jonów wodorowych do wnętrza tylakoidu. Cząsteczka pigmentu w fotosystemie I przyjmuje elektron.
.