Inhoud
- Plantencellen versus dierlijke cellen
- De rol van fotosynthese
- De reacties van fotosynthese
- Chemie van chlorofyl
- Foto-excitatie van chlorofyl
Als je denkt aan de tak van wetenschap die betrokken is bij hoe planten hun 'voedsel' krijgen, overweeg je waarschijnlijk eerst de biologie. Maar in werkelijkheid is het natuurkunde in dienst van de biologie, omdat het de lichtenergie van de zon is die voor het eerst in gang werd gezet en nu al het leven op planeet Aarde blijft aansturen. In het bijzonder is het een energieoverdrachtscascade die in beweging wordt gezet wanneer fotonen in lichte slagen delen van een chlorophyl molecuul.
De rol van fotonen in fotosynthese wordt geabsorbeerd door chlorofyl op een manier die ervoor zorgt dat elektronen in een deel van het chlorofylmolecuul tijdelijk "opgewonden" worden of in een hogere energietoestand. Terwijl ze terugdrijven naar hun gebruikelijke energieniveau, zorgt de energie die ze vrijgeven voor het eerste deel van de fotosynthese. Dus zonder chlorofyl zou fotosynthese niet kunnen optreden.
Plantencellen versus dierlijke cellen
Planten en dieren zijn beide eukaryoten. Als zodanig hebben hun cellen veel meer dan het absolute minimum dat alle cellen moeten hebben (een celmembraan, ribosomen, cytoplasma en DNA). Hun cellen zijn rijk aan membraangebonden organellen, die gespecialiseerde functies binnen de cel uitvoeren. Een daarvan is exclusief voor planten en wordt de chloroplast. Het is binnen deze langwerpige organellen dat fotosynthese optreedt.
Binnen de chloroplasten bevinden zich structuren die thylakoïden worden genoemd, die hun eigen membraan hebben. In de thylakoïden zit het molecuul dat bekend staat als chlorofyl, in zekere zin in afwachting van instructies in de vorm van een letterlijke lichtflits.
Lees meer over de overeenkomsten en verschillen tussen planten- en dierencellen.
De rol van fotosynthese
Alle levende wezens hebben een koolstofbron nodig voor brandstof. Dieren kunnen de hunne eenvoudig genoeg krijgen door te eten en te wachten op hun spijsverteringsen cellulaire enzymen om de zaak in glucosemoleculen te veranderen. Maar planten moeten koolstof opnemen via hun bladeren, in de vorm van koolstofdioxidegas (CO2) in de atmosfeer.
De rol van fotosynthese is om planten te vangen tot op hetzelfde punt, metabolisch gezien, dat dieren tegelijkertijd glucose uit hun voedsel hebben gegenereerd. Bij dieren betekent dit dat ze verschillende koolstofhoudende moleculen kleiner moeten maken voordat ze zelfs cellen bereiken, maar bij planten betekent dit dat ze koolstofhoudende moleculen moeten maken grotere en in cellen.
De reacties van fotosynthese
In de eerste reeks reacties, genaamd de lichte reacties omdat ze direct licht nodig hebben, worden enzymen genaamd Photosystem I en Photosystem II in het thylakoïde membraan gebruikt om lichtenergie om te zetten voor de synthese van ATP- en NADPH-moleculen in een elektronentransportsysteem.
Lees meer over de elektronentransportketen.
In de zogenaamde donkere reacties, die noch door licht vereist, noch gestoord worden, wordt de in de ATP en NADPH geoogste energie (omdat niets licht rechtstreeks kan "opslaan") gebruikt om glucose op te bouwen uit kooldioxide en andere koolstofbronnen in de plant.
Chemie van chlorofyl
Planten bevatten naast chlorofyl veel pigmenten, zoals de fycoerthryine en de carotenoïden. Chlorofyl heeft echter een porfyrine ringstructuur, vergelijkbaar met die in de hemoglobinemolecule bij mensen. De porfyrinering van chlorofyl bevat echter het element magnesium, waar ijzer in hemoglobine voorkomt.
Chlorofyl absorbeert licht in het groene gedeelte van het zichtbare gedeelte van het lichtspectrum, dat zich in een bereik van ongeveer 350 tot 800 miljardste van een meter uitstrekt.
Foto-excitatie van chlorofyl
In zekere zin absorberen plantenlichtreceptoren fotonen en gebruiken ze om elektronen te schoppen die in een toestand van opgewonden wakker zijn gedommeld, waardoor ze een trap op rennen. Uiteindelijk beginnen ook naburige elektronen in nabijgelegen chlorofyl "huizen" rond te rennen. Terwijl ze zich weer in hun dutjes nestelen, zorgt hun suizende trap beneden ervoor dat suiker kan worden gebouwd via een complex mechanisme dat de energie van hun voetstappen vasthoudt.
Wanneer energie wordt overgedragen van het ene chlorofylmolecuul naar een aangrenzend molecuul, wordt dit resonantie-energieoverdracht genoemd, of exciton overdracht.