Förståelse av pigment
Det finns olika typer av pigment, och alla absorberar endast vissa våglängder (färger) av synligt ljus. Pigmenten reflekterar färgen på de våglängder som de inte kan absorbera.
Alla fotosyntetiska organismer innehåller ett pigment som kallas klorofyll a, vilket människor ser som den vanliga gröna färgen som förknippas med växter. Klorofyll a absorberar våglängder från båda ändarna av det synliga spektrumet (blått och rött), men inte från grönt. Eftersom grönt reflekteras, framstår klorofyll som grönt.
Figur 4. Växter som vanligtvis växer i skuggan gynnas av att ha en mängd olika ljusabsorberande pigment. Varje pigment kan absorbera olika våglängder av ljus, vilket gör att växten kan absorbera allt ljus som passerar genom de högre träden. (kredit: Jason Hollinger)
Andra pigmenttyper inkluderar klorofyll b (som absorberar blått och rödorange ljus) och karotenoiderna. Varje typ av pigment kan identifieras genom det specifika mönster av våglängder som den absorberar från synligt ljus, vilket är dess absorptionsspektrum.
Många fotosyntetiska organismer har en blandning av pigment; mellan dem kan organismen absorbera energi från ett bredare spektrum av våglängder i synligt ljus. Alla fotosyntetiska organismer har inte full tillgång till solljus. Vissa organismer växer under vatten där ljusintensiteten minskar med djupet och vissa våglängder absorberas av vattnet. Andra organismer växer i konkurrens om ljuset. Växter på regnskogens botten måste kunna absorbera varje bit ljus som kommer igenom, eftersom de högre träden blockerar det mesta av solljuset (figur 4).
Hur ljusberoende reaktioner fungerar
Det övergripande syftet med de ljusberoende reaktionerna är att omvandla ljusenergi till kemisk energi. Denna kemiska energi kommer att användas av Calvincykeln för att ge bränsle till uppbyggnaden av sockermolekyler.
De ljusberoende reaktionerna börjar i en gruppering av pigmentmolekyler och proteiner som kallas för ett fotosystem. Fotosystemen finns i membranen i thylakoiderna. En pigmentmolekyl i fotosystemet absorberar en foton, en mängd eller ett ”paket” ljusenergi, åt gången.
En foton med ljusenergi färdas tills den når en klorofyllmolekyl. Fotonen får en elektron i klorofyllet att bli ”exciterad”. Den energi som ges till elektronen gör att den kan bryta sig loss från en atom i klorofyllmolekylen. Klorofyll sägs därför ”donera” en elektron (figur 5).
Figur 5. Ljusenergi absorberas av en klorofyllmolekyl och skickas längs en väg till andra klorofyllmolekyler. Energin kulminerar i en klorofyllmolekyl som finns i reaktionscentrumet. Energin ”exciterar” en av dess elektroner tillräckligt mycket för att lämna molekylen och överföras till en närliggande primär elektronacceptor. En vattenmolekyl splittras för att frigöra en elektron, som behövs för att ersätta den elektron som donerats. Syre- och vätejoner bildas också från delningen av vatten.
För att ersätta elektronen i klorofyllet delas en vattenmolekyl. Denna delning frigör en elektron och resulterar i bildandet av syre (O2) och vätejoner (H+) i thylakoidrummet. Tekniskt sett frigör varje delning av en vattenmolekyl ett elektronpar och kan därför ersätta två donerade elektroner.
Ett utbyte av elektronen gör att klorofyllet kan reagera på en annan foton. De syremolekyler som produceras som biprodukter finner sin väg till den omgivande miljön. Vätejonerna spelar kritiska roller i resten av de ljusberoende reaktionerna.
Håll i minnet att syftet med de ljusberoende reaktionerna är att omvandla solenergi till kemiska bärare som kommer att användas i Calvincykeln. Hos eukaryoter finns det två fotosystem, det första kallas fotosystem II och har fått sitt namn efter den ordning i vilken det upptäcktes snarare än efter funktionsordningen.
När fotonen träffar, överför fotosystem II den fria elektronen till den första i en serie av proteiner inne i thylakoidmembranet som kallas för elektrontransportkedjan. När elektronen passerar längs dessa proteiner driver energin från elektronen membranpumpar som aktivt förflyttar vätejoner mot sin koncentrationsgradient från stroma in i thylakoidrummet. Detta är helt analogt med den process som sker i mitokondrien där en elektrontransportkedja pumpar vätejoner från mitokondriernas stroma över det inre membranet och in i intermembranutrymmet, vilket skapar en elektrokemisk gradient. Efter att energin har använts tas elektronen emot av en pigmentmolekyl i nästa fotosystem, som kallas fotosystem I (figur 6).
Figur 6. Från fotosystem II färdas den exciterade elektronen längs en rad proteiner. Detta elektrontransportsystem använder energin från elektronen för att pumpa in vätejoner i thylakoidens inre. En pigmentmolekyl i fotosystem I tar emot elektronen.