Ask A Biologist
In met de ene energie en uit met de andere
De licht-afhankelijke reacties vinden plaats in het thylakoid membraan, binnenin de chloroplasten. Aangezien het lichtafhankelijke reacties zijn, kun je wel raden dat deze reacties licht nodig hebben om te werken. Weet je nog dat het doel van dit eerste deel van de fotosynthese is om zonne-energie om te zetten in andere vormen van energie?
De lichtafhankelijke reacties van de fotosynthese hebben zonlicht nodig. Afbeelding door Mell27.
Planten kunnen lichtenergie niet rechtstreeks gebruiken om suikers te maken. In plaats daarvan zet de plant de lichtenergie om in een vorm die hij wel kan gebruiken: chemische energie. Chemische energie is overal om ons heen. Auto’s hebben bijvoorbeeld de chemische energie van benzine nodig om te rijden. De chemische energie die planten gebruiken, wordt opgeslagen in ATP en NADPH. ATP en NADPH zijn twee soorten energiedragende moleculen. Deze twee moleculen komen niet alleen in planten voor, ook dieren gebruiken ze.
Een Recept voor Energie
Planten hebben water nodig om NADPH te maken. Dit water wordt gebroken om elektronen (negatief geladen subatomaire deeltjes) vrij te maken. Bij het breken van water ontstaat ook zuurstof, een gas dat wij allemaal inademen.
De elektronen moeten door speciale eiwitten reizen die in het thylakoïdmembraan vastzitten. Ze gaan door het eerste speciale eiwit (het fotosysteem II-eiwit) en door de elektronentransportketen. Daarna gaan ze door een tweede speciaal eiwit (fotosysteem I eiwit).
Fotosysteem I en fotosysteem II
Wacht eens even… eerst gaan de elektronen door het tweede fotosysteem en daarna door het eerste? Dat lijkt echt verwarrend. Waarom zouden ze de fotosystemen zo noemen?
Watermoleculen worden afgebroken om elektronen vrij te maken. Deze elektronen bewegen vervolgens langs een gradiënt en slaan daarbij energie op in ATP. Afbeelding door Jina Lee.
Fotosysteem I en II komen niet overeen met de route die elektronen door de transportketen afleggen, omdat ze niet in die volgorde zijn ontdekt.
Fotosysteem I werd als eerste ontdekt. Later werd fotosysteem II ontdekt, dat zich eerder in de elektronentransportketen bleek te bevinden. Maar het was te laat, de naam bleef hangen. Elektronen reizen eerst door fotosysteem II en dan door fotosysteem I.
De elektronentransportketen
Terwijl ze in fotosysteem II en I zijn, verzamelen de elektronen energie uit zonlicht. Hoe doen ze dat? Chlorofyl, dat in de fotosystemen aanwezig is, neemt lichtenergie op. De energetische elektronen worden vervolgens gebruikt om NADPH te maken.
De elektronentransportketen is een reeks moleculen die gemakkelijk elektronen accepteren of afstaan. Door deze stap voor stap te doorlopen, worden elektronen in een specifieke richting over een membraan verplaatst. De beweging van waterstofionen is hieraan gekoppeld. Dit betekent dat wanneer elektronen worden verplaatst, waterstofionen ook bewegen.
ATP ontstaat wanneer waterstofionen in de binnenruimte (lumen) van de thylakoïde worden gepompt. Waterstofionen hebben een positieve lading. Net als in magneten stoten dezelfde ladingen elkaar af, dus de waterstofionen willen van elkaar weg. Ze ontsnappen uit de thylakoïde door een membraaneiwit dat ATP synthase heet. Door zich door het eiwit te bewegen, geven ze het kracht, zoals water zich door een dam beweegt. Wanneer waterstofionen door het eiwit en langs de elektronentransportketen bewegen, wordt ATP gemaakt. Zo zetten planten zonlicht om in chemische energie die ze kunnen gebruiken.
De Calvijncyclus: Leven uit de lucht opbouwen
Hoe wordt iets als lucht het hout van een boom? Het antwoord ligt in waaruit de lucht is opgebouwd.
Hoe kan de lucht rond een boom worden omgezet in boommateriaal? Door een complex geheel van reacties die de koolstof uit de lucht gebruiken om andere materialen te maken. Afbeelding door André Karwath.
De lucht bevat verschillende elementen zoals zuurstof, koolstof en stikstof. Deze elementen vormen moleculen zoals kooldioxide (CO2). Kooldioxide bestaat uit één koolstofatoom en twee zuurstofatomen. Planten halen het koolstofatoom uit koolstofdioxide en gebruiken het om suikers te maken.
Dit gebeurt met behulp van de Calvijn-cyclus. De Calvijncyclus vindt plaats binnen de chloroplasten, maar buiten de thylakoïden (waar ATP is gemaakt). Het ATP en NADPH uit de licht-afhankelijke reacties worden gebruikt in de Calvijn-cyclus.
Delen van de Calvijn-cyclus worden soms lichtonafhankelijke reacties genoemd. Maar laat u niet misleiden door de naam… deze reacties hebben wel zonlicht nodig om te werken.
Het eiwit RuBisCO helpt ook bij het proces om koolstof uit de lucht om te zetten in suikers. RuBisCO werkt langzaam, dus planten hebben er veel van nodig. In feite is RuBisCO het meest voorkomende eiwit ter wereld.
De producten van de Calvijn-cyclus worden gebruikt om de eenvoudige suiker glucose te maken. Glucose wordt gebruikt om complexere suikers te maken, zoals zetmeel en cellulose. Zetmeel slaat energie op voor de plant en cellulose is het materiaal waarvan planten zijn gemaakt.
Afbeeldingen via Wikimedia Commons. Foto van zaailing door Bff.