Fotosynthese

Elk organisme is bezig met het afbreken van stoffen. Hier komt energie bij vrij, die besteed wordt aan de opbouw van stoffen. Als jij een maaltijd eet, wordt dat verteerd in je lichaam om er voedingsstoffen uit te halen. Hierbij breek je de voedingsstoffen af om ze vervolgens weer om te bouwen naar de stoffen die jij nodig hebt. Planten doen dit op een andere manier dan mensen. Planten en bepaalde bacteriën kunnen namelijk organische stoffen opbouwen via fotosynthese. Maar wat is fotosynthese precies? Wij leggen het je uit.

Video

Wil je meer weten over fotosynthese bij planten? Kijk dan onderstaande uitlegvideo van biologiedocent NGbiologie.

Wat is fotosynthese?

Fotosynthese is het proces waarbij lichtenergie wordt gebruikt als energiebron om organische stoffen op te bouwen uit anorganische stoffen. Organische stoffen zijn stoffen die koolstof-waterstofverbindingen (C-H) bevatten, bijvoorbeeld glucose (C₆H₁₂O₆). Anorganische stoffen zijn stoffen die geen koolstof-waterstofverbindingen (C-H) hebben, bijvoorbeeld water (H₂O) en koolstofdioxide (CO₂). Planten kunnen dus uit alleen water, koolstofdioxide en zonlicht, voedingsstoffen zoals glucose en andere suikers opbouwen!

Bij fotosynthese wordt onder invloed van zonlicht, zuurstof en glucose gevormd uit koolstofdioxide en water. De bruto reactievergelijking van fotosynthese is:

6 CO₂ + 12 H₂O + energie --> C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 6 O₂

De netto reactievergelijking van fotosynthese is dus:

6 CO₂ + 6 H₂O + energie --> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Zie ook de volgende afbeelding:

Je kunt je voorstellen als de planten niet genoeg zonlicht of koolstofdioxide of water hebben, de fotosynthese niet goed uitgevoerd kan worden en het dus moeilijker is om de stoffen op te kunnen bouwen. De intensiteit van fotosynthese wordt dus bepaald door de factor die het minst optimaal is. Dit wordt de beperkende factor genoemd.

Lichtreactie & donkerreactie

Fotosynthese bestaat uit twee reacties: de lichtreacties en de donkerreacties. De lichtreactie is afhankelijk van zonlicht en de donkerreactie is niet afhankelijk van zonlicht. De donkerreactie heeft een misleidende naam omdat het suggereert dat deze reactie alleen in het donker plaatsvindt. Dat is niet waar, de donkerreactie is alleen niet afhankelijk van licht. De donkerreactie vindt zowel in het licht als in het donker plaats.

De fotosynthese (licht+donkerreacties) vindt plaats in de bladgroenkorrels (ook wel chloroplasten genoemd). Dit zijn speciale structuren in de cel die fotosynthese mogelijk maken doordat ze de energie van de zon kunnen opvangen en omzetten in energie.

Lichtreactie

Het hoofddoel van de lichtreactie is om energie te verkrijgen. De belangrijkste energiebron is ATP. Je kunt ATP vormen uit ADP en fosfaat: ADP + P_i --> ATP. Wanneer je energie nodig hebt, wordt ATP afgebroken, waardoor de energie weer vrijkomt uit het molecuul. ATP is dus een energiedrager; het molecuul kan tijdelijk vrijgekomen energie opslaan.

Allereerst moet de plant in de lichtreactie ervoor zorgen dat er ATP wordt gevormd. In de lichtreactie moet energie worden vrijgemaakt zodat dit tijdelijk op wordt geslagen in de vorm van ATP. Om dit voor elkaar te krijgen heeft de lichtreactie licht en water nodig. De eindproducten van de lichtreactie zijn zuurstof, ATP en NADPH. De energierijke moleculen ATP en NADPH worden gebruikt om glucose te maken in de donkerreactie.

De plant heeft een speciale manier om zonlicht om te zetten in energie en om dit vast te leggen in ATP. De lichtreactie vindt plaats in de thylakoïd membranen van de bladgroenkorrels (zie Binas tabel 69B).

Elektronentransportketen

In de thylakoïd membranen bevindt zich chlorofyl. De eerste stap van de lichtreactie begint in dit chlorofyl. Chlorofyl is een biologisch pigment dat de zonne-energie van het zonlicht opvangt en omzet in chemische energie. Het chlorofyl geeft ook de groene kleur aan de plant. Het chlorofyl bevindt zich in fotosysteem II (een eiwitcomplex in het thylakoïd membraan). Fotosysteem II ontvangt fotonen van het zonlicht en kan met deze energie uit een H₂O molecuul, 2 elektronen (e^-) afsplitsen en deze elektronen aanslaan. Hierna worden deze aangeslagen elektronen doorgegeven via elektrondragercomplexen in het thylakoïd membraan: de elektronentransportketen (ook wel oxidatieve fosforylering genoemd). Elke keer als een aangeslagen elektron wordt doorgegeven naar een ander complex verliest het energie. Sommige van deze complexen kunnen energie van het elektron gebruiken om protonen (H⁺) naar de andere kant van het membraan te pompen (richting het thylakoïd lumen). Hierdoor ontstaat er een concentratieverschil over het membraan. Aan de ene kant is er een hoge concentratie protonen aanwezig (in het thylakoïd lumen) en aan de andere kant is er een hele lage protonen concentratie (in de stroma). Dit heet een protonengradiënt.

De protonengradiënt wordt niet alleen verhoogd door protonen over het membraan te pompen, maar ook door de afsplitsing van het H₂O molecuul. Het H₂O molecuul werd door fotosysteem II opgesplitst in O₂ en H⁺ ionen, toen de elektronen werden afgestaan. De reactievergelijking is: 2 H₂O --> O₂ + 4 H⁺. De protonen die hieruit vrijkomen verhogen ook de protonengradiënt.

ATP synthase

De protonengradiënt is nodig omdat de terugstroom van de H⁺ ionen naar de lage concentratie kant van het membraan energie oplevert (richting stroma). De protonen worden getransporteerd naar de andere kant via een eiwitcomplex: ATP-synthase. ATP-synthase is een enzym dat de energie van de transporterende protonen gebruikt om ADP om te zetten in het energierijke ATP. Door dit proces hebben we dus ATP verkregen, wat het doel was van de lichtreactie!

Vorming van NADPH

De elektronentransportketen verplaatst dus de elektronen over het membraan heen en iedere keer dat een aangeslagen elektron wordt doorgegeven aan een ander complex verliest het energie. Aangezien het elektron niet genoeg energie heeft om de hele transportketen af te maken moet het nog eens aangeslagen worden. Dit gebeurt door het andere chlorofyl bevattend complex: fotosysteem I. Fotosysteem I kan zonlicht opvangen en omzetten naar energie om de elektronen weer aan te slaan. Hierdoor krijgen de elektronen dus weer een hoger energielevel. Hierna wordt het elektron doorgegeven aan een ander eiwitcomplex in de transportketen.

Uiteindelijk moeten deze elektronen worden opgevangen in een ander molecuul. Hierdoor ontstaat er nog een product tijdens de lichtreactie: NADPH. De elektronen die door de transportketen worden overgegeven in het thylakoïd membraan moeten uiteindelijk weer opgevangen worden door een molecuul. In de lichtreactie is de elektronenacceptor: NADP⁺. De reactievergelijking is: NADP⁺ + 2 H⁺ --> NADPH.  Het enzym NADP-reductase maakt deze reactie mogelijk. De elektronen die worden opgevangen door NADP om NADPH te maken, hebben nog een vrij hoog energielevel en worden gebruikt in de donkerreactie, net zoals ATP.

Donkerreactie

De donkerreactie vindt plaats in de stroma van de bladgroenkorrels en zorgt ervoor dat er glucose (C₆H₁₂O₆ ) wordt gevormd uit CO₂. Hiervoor heeft de donkerreactie dus CO₂ nodig en de energierijke eindproducten van de lichtreactie: ATP en NADPH. De energie uit ATP en NADPH worden gebruikt in de donkerreactie om glucose te vormen en worden daardoor omgezet in ADP en NADP⁺. ADP en NADP⁺ worden weer gebruikt in de lichtreactie.

Het glucose wat uiteindelijk moet worden gevormd uit CO₂ verloopt via een cyclus: de Calvin cyclus. Allereerst wordt het CO₂ molecuul gefixeerd in een ander organisch molecuul door het enzym rubisco. Hierna ondergaat het organische molecuul meerdere reductie stappen die energie kosten om glucose te vormen. In de Calvin cyclus worden er 6 CO₂ moleculen omgezet, door 18 ATP en 12 NADPH om te zetten in 18 ADP en 18 NADPH, om één glucosemolecuul (C₆H₁₂O₆ ) te maken. Er is ontzettend veel energie nodig om één glucosemolecuul te maken.

De donkerreactie is sterk afhankelijk van de lichtreactie en andersom! Door deze twee reacties hebben we water en koolstofdioxide omgezet in zuurstof en glucose. De fotosynthese is dus voltooid: 6 CO₂ + 6 H₂O + energie --> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.