Wat is fotosynthese?

Fotosynthese is het proces dat door planten, algen en bepaalde bacteriën wordt gebruikt om energie uit zonlicht te benutten en om te zetten in chemische energie. Hier beschrijven we de algemene principes van fotosynthese en benadrukken we hoe wetenschappers dit natuurlijke proces bestuderen om schone brandstoffen en bronnen van hernieuwbare energie te helpen ontwikkelen.. 

Soorten fotosynthese

Er zijn twee soorten fotosynthetische processen: zuurstofrijke fotosynthese en anoxygene fotosynthese. De algemene principes van anoxygene en zuurstofrijke fotosynthese lijken erg op elkaar, maar zuurstofrijke fotosynthese komt het meest voor en wordt gezien in planten, algen en cyanobacteriën.. 

Tijdens fotosynthese door zuurstof draagt ​​lichtenergie elektronen over uit water (H.₂O) naar kooldioxide (CO₂), om koolhydraten te produceren. Bij deze overdracht is de CO₂ wordt 'verminderd' of ontvangt elektronen, en het water wordt 'geoxideerd' of verliest elektronen. Uiteindelijk wordt zuurstof geproduceerd samen met koolhydraten.

Zuurstof fotosynthese fungeert als tegenwicht voor de ademhaling door de kooldioxide op te nemen die door alle ademhalingsorganismen wordt geproduceerd en opnieuw zuurstof in de atmosfeer te brengen.

Aan de andere kant gebruikt anoxygene fotosynthese andere elektronendonoren dan water. Het proces vindt typisch plaats bij bacteriën zoals paarse bacteriën en groene zwavelbacteriën, die voornamelijk voorkomen in verschillende aquatische habitats.

"Anoxygene fotosynthese produceert geen zuurstof - vandaar de naam", zegt David Baum, professor in de botanie aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. "Wat wordt geproduceerd, hangt af van de elektronendonor. Veel bacteriën gebruiken bijvoorbeeld het naar slechte eieren ruikende gas waterstofsulfide, waardoor vaste zwavel als bijproduct wordt geproduceerd."

Hoewel beide soorten fotosynthese complexe, uit meerdere stappen bestaande aangelegenheden zijn, kan het algehele proces netjes worden samengevat als een chemische vergelijking.

Zuurstof fotosynthese wordt als volgt geschreven: 

6CO₂ + 12H₂O + Lichtenergie → C₆H.₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Hier zijn zes moleculen kooldioxide (CO₂) combineren met 12 moleculen water (H.₂O) met lichtenergie. Het eindresultaat is de vorming van een enkel koolhydraatmolecuul (C.₆H.₁₂O₆, of glucose) samen met zes moleculen elk ademende zuurstof en water.

Evenzo kunnen de verschillende anoxygene fotosynthesereacties worden weergegeven als een enkele algemene formule:

CO₂ + 2H₂A + Lichtenergie → [CH₂O] + 2A + H₂O

De letter A in de vergelijking is een variabele en H₂A vertegenwoordigt de potentiële elektronendonor. A kan bijvoorbeeld staan ​​voor zwavel in de elektronendonor waterstofsulfide (H.₂S), legden Govindjee en John Whitmarsh, plantenbiologen aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, uit in het boek "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publishers en Kluwer Academic, 1999).

Het fotosynthetische apparaat

De volgende zijn cellulaire componenten die essentieel zijn voor fotosynthese. 

Pigmenten

Pigmenten zijn moleculen die kleur geven aan planten, algen en bacteriën, maar ze zijn ook verantwoordelijk voor het effectief tegenhouden van zonlicht. Pigmenten van verschillende kleuren absorberen licht van verschillende golflengten. Hieronder staan ​​de drie hoofdgroepen.

• Chlorofylen: deze groen gekleurde pigmenten zijn in staat blauw en rood licht op te vangen. Chlorofylen hebben drie subtypen, genaamd chlorofyl a, chlorofyl b en chlorofyl c. Volgens Eugene Rabinowitch en Govindjee in hun boek "Photosynthesis" (Wiley, 1969), wordt chlorofyl a aangetroffen in alle fotosynthetiserende planten. Er is ook een bacteriële variant met de toepasselijke naam bacteriochlorofyl, die infrarood licht absorbeert. Dit pigment wordt voornamelijk gezien in paarse en groene bacteriën, die anoxygene fotosynthese uitvoeren.  
• Carotenoïden: deze rode, oranje of geelgekleurde pigmenten absorberen blauwachtig groen licht. Voorbeelden van carotenoïden zijn xanthofyl (geel) en caroteen (oranje) waaraan wortelen hun kleur krijgen.
• Phycobilins: deze rode of blauwe pigmenten absorberen golflengten van licht die niet zo goed worden geabsorbeerd door chlorofylen en carotenoïden. Ze worden gezien in cyanobacteriën en rode algen. 

Plastiden

Fotosynthetische eukaryote organismen bevatten organellen die plastiden worden genoemd in hun cytoplasma. De dubbelwandige plastiden in planten en algen worden primaire plastiden genoemd, terwijl de variëteit met meerdere membranen die in plankton wordt aangetroffen, secundaire plastiden worden genoemd, volgens een artikel in het tijdschrift Nature Education van Cheong Xin Chan en Debashish Bhattacharya, onderzoekers van Rutgers University. in New Jersey.

Plastiden bevatten over het algemeen pigmenten of kunnen voedingsstoffen opslaan. Kleurloze en niet-gepigmenteerde leukoplasten slaan vetten en zetmeel op, terwijl chromoplasten carotenoïden bevatten en chloroplasten chlorofyl, zoals uitgelegd in het boek van Geoffrey Cooper, "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000). 

Fotosynthese vindt plaats in de chloroplasten; specifiek in de regio's grana en stroma. De grana is het binnenste deel van het organel; een verzameling schijfvormige membranen, gestapeld in kolommen als platen. De afzonderlijke schijven worden thylakoïden genoemd. Hier vindt de overdracht van elektronen plaats. De lege ruimtes tussen kolommen van grana vormen het stroma.   

Chloroplasten zijn vergelijkbaar met mitochondriën, de energiecentra van cellen, omdat ze hun eigen genoom of verzameling genen hebben, vervat in circulair DNA. Deze genen coderen voor eiwitten die essentieel zijn voor het organel en voor fotosynthese. Net als mitochondriën, wordt ook gedacht dat chloroplasten afkomstig zijn van primitieve bacteriële cellen door het proces van endosymbiose. 

"Plastiden zijn afkomstig van verzwolgen fotosynthetische bacteriën die meer dan een miljard jaar geleden werden verkregen door een eencellige eukaryote cel", vertelde Baum. Baum legde uit dat de analyse van chloroplastgenen aantoont dat het ooit lid was van de groep cyanobacteriën, "de enige groep bacteriën die zuurstofrijke fotosynthese kan bewerkstelligen". 

In hun artikel uit 2010 maken Chan en Bhattacharya duidelijk dat de vorming van secundaire plastiden niet goed kan worden verklaard door endosymbiose van cyanobacteriën, en dat de oorsprong van deze klasse van plastiden nog steeds ter discussie staat..

Antennes

Pigmentmoleculen worden geassocieerd met eiwitten, waardoor ze de flexibiliteit hebben om naar het licht en naar elkaar toe te bewegen. Een grote verzameling van 100 tot 5.000 pigmentmoleculen vormt "antennes", aldus een artikel van Wim Vermaas, een professor aan de Arizona State University. Deze structuren vangen lichtenergie van de zon effectief op in de vorm van fotonen.

Uiteindelijk moet lichtenergie worden overgedragen naar een pigment-eiwitcomplex dat het kan omzetten in chemische energie, in de vorm van elektronen. In planten wordt bijvoorbeeld lichtenergie omgezet in chlorofylpigmenten. De omzetting in chemische energie wordt bereikt wanneer een chlorofylpigment een elektron uitdrijft, dat vervolgens naar een geschikte ontvanger kan gaan. 

Reactie geeft voor

De pigmenten en eiwitten, die lichtenergie omzetten in chemische energie en het proces van elektronenoverdracht beginnen, staan ​​bekend als reactiecentra.

Het fotosynthetische proces

De reacties van fotosynthese van planten zijn onderverdeeld in reacties die de aanwezigheid van zonlicht vereisen en reacties die dat niet doen. Beide soorten reacties vinden plaats in chloroplasten: lichtafhankelijke reacties in de thylakoïde en lichtonafhankelijke reacties in het stroma. 

Lichtafhankelijke reacties (ook wel lichtreacties genoemd): wanneer een foton van licht het reactiecentrum raakt, geeft een pigmentmolecuul zoals chlorofyl een elektron af.

"De truc om nuttig werk te doen, is om te voorkomen dat dat elektron zijn weg terug naar zijn oorspronkelijke thuis vindt", vertelde Baum. "Dit is niet gemakkelijk te vermijden, omdat het chlorofyl nu een 'elektronengat' heeft dat de neiging heeft om elektronen in de buurt te trekken."

Het vrijgekomen elektron weet te ontsnappen door door een elektronentransportketen te reizen, die de energie genereert die nodig is om ATP (adenosinetrifosfaat, een bron van chemische energie voor cellen) en NADPH te produceren. Het "elektronengat" in het oorspronkelijke chlorofylpigment wordt gevuld door een elektron uit water te halen. Hierdoor komt zuurstof vrij in de atmosfeer.

Lichtonafhankelijke reacties (ook wel donkere reacties genoemd en bekend als de Calvin-cyclus): Lichtreacties produceren ATP en NADPH, de rijke energiebronnen die donkere reacties veroorzaken. Drie chemische reactiestappen vormen de Calvin-cyclus: koolstoffixatie, reductie en regeneratie. Deze reacties gebruiken water en katalysatoren. De koolstofatomen van kooldioxide zijn “gemaakt,” wanneer ze worden ingebouwd in organische moleculen die uiteindelijk suikers met drie koolstofatomen vormen. Deze suikers worden vervolgens gebruikt om glucose te maken of worden gerecycled om de Calvin-cyclus weer op gang te brengen. 

Fotosynthese in de toekomst

Fotosynthetische organismen zijn een mogelijk middel om schone brandstoffen zoals waterstof of zelfs methaan te genereren. Onlangs heeft een onderzoeksgroep van de Universiteit van Turku in Finland het vermogen van groene algen om waterstof te produceren aangeboord. Groene algen kunnen een paar seconden waterstof produceren als ze eerst worden blootgesteld aan donkere, anaërobe (zuurstofvrije) omstandigheden en vervolgens aan licht worden blootgesteld. Het team bedacht een manier om de waterstofproductie van groene algen tot drie dagen te verlengen, zoals gerapporteerd in hun 2018-studie gepubliceerd in het tijdschrift Energy & Environmental Science.

Wetenschappers hebben ook vooruitgang geboekt op het gebied van kunstmatige fotosynthese. Een groep onderzoekers van de University of California, Berkeley, ontwikkelde bijvoorbeeld een kunstmatig systeem om kooldioxide op te vangen met behulp van nanodraden of draden met een diameter van enkele miljardsten van een meter. De draden worden ingevoerd in een systeem van microben die koolstofdioxide in brandstoffen of polymeren verminderen door energie uit zonlicht te gebruiken. Het team publiceerde zijn ontwerp in 2015 in het tijdschrift Nano Letters.  

In 2016 publiceerden leden van dezelfde groep een studie in het tijdschrift Science waarin een ander kunstmatig fotosynthetisch systeem werd beschreven waarin speciaal ontwikkelde bacteriën werden gebruikt om vloeibare brandstoffen te maken met behulp van zonlicht, water en koolstofdioxide. Over het algemeen kunnen planten slechts ongeveer één procent van de zonne-energie benutten en gebruiken om organische verbindingen te produceren tijdens fotosynthese. Het kunstmatige systeem van de onderzoekers daarentegen kon 10 procent van de zonne-energie gebruiken om organische verbindingen te produceren.

Voortdurend onderzoek naar natuurlijke processen, zoals fotosynthese, helpt wetenschappers bij het ontwikkelen van nieuwe manieren om verschillende bronnen van hernieuwbare energie te gebruiken. Aangezien zonlicht, planten en bacteriën alomtegenwoordig zijn, is het aanboren van de kracht van fotosynthese een logische stap om schoon brandende en koolstofneutrale brandstoffen te creëren..

Aanvullende bronnen:

• University of California, Berkeley: fotosynthetische pigmenten
• Arizona State University: een inleiding tot fotosynthese en zijn toepassingen
• Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign: wat is fotosynthese?