## Fotosynthese in de plantencel: de lichtreacties

Een plantencel gebruikt een reeks van eiwitten om met de energie uit zonlicht ATP te produceren. Deze eiwitten bevinden zich in bladgroenkorrels, ook wel chloroplasten genoemd. Bladgroenkorrels zijn omgeven door twee membranen. Kleine moleculen en ionen kunnen door het buitenste membraan bewegen. Het binnenste membraan sluit het binnenste compartiment af.
In dit compartiment zitten blaasjes genaamd thylakoiden. In de membranen van de thylakoiden bevinden zich grote clusters van eiwitten die licht kunnen absorberen en ATP en NADPH kunnen maken.

De stoffen die in planten verantwoordelijk zijn voor de absorptie van licht noemen we pigmenten. Chlorofyl a en chlorofyl b zijn voor een plant de twee belangrijkste pigmenten. Planten absorberen vooral zichtbaar licht. In onderstaande figuur kun je zien welke kleuren licht beide pigmenten vooral absorberen.

Een plantencel bevat twee eiwitcomplexen die licht absorberen. Deze heten weinig origineel fotosysteem 1 (PS1) fotosysteem 2 (PS2). Elk fotosysteem bestaat uit zijn beurt weer uit een groep eiwitten en pigmenten.

Zoals je ziet ligt er een flink gat tussen de 500nm en 600nm waarin beide soorten chlorofyl geen fotonen absorberen. Gelukkig hebben planten soms ook andere pigmenten, zodat ze zo veel mogelijk lichtenergie kunnen absorberen. Naast chlorofyl zijn de carotenoïden de belangrijkste groep pigmenten. Deze absorberen licht tussen de 400 en 550nm.

In bovenstaande figuur zie je het membraan van een thylakoid. Dit is een structuur die zich in het chloroplast bevindt en met een membraan is omgeven. De thylakoiden zijn verantwoordelijk voor het lichtafhankelijke deel van de fotosynthese. De buitenkant van het thylakoidmembraan bevindt zich op de afbeelding aan de bovenzijde. Dit is de oplossing die aan de binnenkant van een chloroplast zit en wordt ook wel het chloroplast stroma genoemd. De binnenkant van het thylakoidmembraan zit aan de benedenzijde van het membraan op de afbeelding (thylakoid lumen). Zoals je ziet zitten PS1 en PS2 in het membraan van het thylakoid ingeklemd.

De fotosynthesereactie begint met de absorptie van een foton door een van de pigmenten in fotosysteem 2. Dit gebeurt helemaal links in de afbeelding. Dankzij de absorptie krijgt het elektron meer energie. Dat betekent dat het elektron in een baan verder van de atoomkern komt te zitten. Hierdoor is het ook losser gebonden aan het fotosysteem en kan het worden gebruikt in chemische reacties.

Het elektron legt vervolgens een reis af door het chloroplastmembraan. Het wordt via een groep eiwitten uiteindelijk doorgegeven aan een pigment in fotosysteem 1. Dit pigment kan vervolgens nog een keer een foton absorberen. Wanneer dit gebeurt zal het elektron opnieuw wat losser van de atoomkern komen te zitten. Hierdoor kan het een binding aangaan met NADP+, dat in hoge concentraties in het chloroplaststroma is opgelost. Hierdoor ontstaat NADPH, een van de belangrijkste brandstoffen van een cel.

Deze lading van Fotosysteem 2 wordt geneutraliseerd door elektronen uit water uit de binnenkant van het thylakoidmembraan. Fotosysteem 2 heeft de unieke eigenschap dat het water kan splitsen in zuurstof en waterstof.

Het gevormde zuurstof is afval voor een plant. Deze zal de zuurstof dan ook afscheiden aan de lucht. Ook met moleculair waterstof (H2) kan een plant niet veel. Dit zal daarom ook verder gesplitst worden in elektronen en protonen.

De kleur van licht is afhankelijk van de energie van de fotonen in de lichtstroom. Deze afhankelijkheid is als volgt gedefinieerd:

Hierin is E de energie van het foton, h de constante van Planck, c de lichtsnelheid en λ de golflengte van het licht.

Kijk nog eens goed naar de watersplitsingsreactie. We hebben al gezien wat er gebeurt met de elektronen die hierbij vrijkomen. Deze worden namelijk gebruikt in de productie van NADPH. Daarnaast worden er bij het splitsen van water protonen geproduceerd die zich ophopen aan de binnenkant van het thylakoidmembraan.

Moleculen stromen altijd van een plek met een hoge concentratie naar een plek met een lage concentratie. Datzelfde gebeurt bijvoorbeeld wanneer je cola met sinas mengt. Als je maar lang genoeg wacht zullen beide vloeistoffen uiteindelijk perfect gemengd zijn. Dit is een van de meest fundamentele eigenschappen van de levende natuur.

In de plantencel ontstaat naar aanleiding van de absorptie van fotonen een verschil in concentratie van protonen tussen het binnen- en buitenmembraan. Bovendien ontstaat er een ladingsverschil tussen beide zijden van het membraan. Dit verschil in protonconcentratie tussen beide membraanzijden gebruikt een cel om ATP te produceren.

Het eiwit dat ATP produceert heet ATP synthase en bevindt zich in het membraan van het thylakoid. Per drie protonen die zich door het eiwit bewegen wordt een fosfaatgroep (Pi) aan ADP geplakt. Op deze manier produceert de cel constant ATP en NADPH met de energie die gewonnen wordt uit zonlicht. Dit proces vindt plaats zolang er licht op de plant schijnt. In bovenstaand filmpje zie je precies hoe ATP synthase werkt.