Hoe planten fotosynthese
Soms lijkt het erop of planten vanzelf groeien. Oké ze hebben af en toe wat water nodig, maar daar blijft vaak wel bij. Dit komt door misschien wel door een van de coolste trucen die planten kunnen doen, het produceren van hun eigen voedsel. Dit creëren ze min of meer uit niets. Met wat water, koolstofdioxide, mineralen, en wat energie van de zon produceren ze alle moleculen die ze nodig hebben om te groeien en bloeien. Fotosynthese speelt een belangrijke rol in dit alles.
Maar voordat ik inga op hoe planten fotosynthese, laat we eerst een stap terug doen en kijken waarom een plant voedsel nodig heeft. Wij, dieren, planten en alle andere levende organismen hebben voedsel nodig die ons energie en de bouwblokken geeft die nodig zijn om in leven te blijven, en te groeien. Het grootste gedeelte van die energie komt van koolhydraten, variërend van simpel tot complexe suikers. Deze functioneren zowel als een soort van batterij voor het opslaan van energie als voorraadkast voor de koolstofatomen die nodig zijn voor de bouw van complexere moleculen, zoals celwanden. Het zijn deze simpele suikers die de plant produceert met behulp van fotosynthese.
Zo, hier gaan we.
Fotosynthese is een complex proces. Het bevat meer dan 50 reactie stappen. Maar te gelijker tijd is het ook simpel en elegant. Je kan het terugbrengen naar de vergelijking:
Het is een proces dat je kan vergelijken met het winnen en opslaan van hernieuwbare energie. Bij hernieuwbare energie worden ruwe wind en zon energie omgezet in elektronen, of wel elektriciteit. Geef ze de keus, en die elektronen geven hun energie af aan het eerste wat ze tegenkomen. En alhoewel dit fijn is wanneer er veel energie nodig is. Als er echter minder vraag tijdens de opwekking, dan gaat de geproduceerde energie verloren als je die niet kan opslaan in een batterij.
Onderzoekers ontdekte dat hetzelfde geldt voor planten en hun energiewinning tijdens fotosynthese. Planten dragen energie uit licht eerst over op tijdelijke energiedragers genaamd ATP (Adenosine triphosphate) en NADPH (Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate). Deze functioneren goed als een soort boodschappenjongens voor het leveren van energie van een molecule aan een ander.
Maar ATP en NADPH zijn niet zo goed om die energie vast te houden tijdens het reizen over lange afstanden, zoals van de bladeren naar de wortels. Daarom gebruiken planten deze tijdelijk vastgelegde energie om koolstof vast te leggen in suikers. Planten doen dit via de Calvin cyclus. Deze suikers kunnen vervolgen makkelijk door de plant reizen naar daar waar energie of bouwstenen nodig is. Maar de plant kan ze ook opslaan voor later gebruik.
Licht gebruiken
Fotosynthese vindt plaats in de bladeren. Tussen de bovenste en onderste laag bladcellen zitten cellen losjes verspreid met veel luchtruimtes tussen zich in. Dit zijn bladmoescellen en die luchtruimtes helpt om CO2 op te nemen. Bladmoescellen hebben gespecialiseerde compartimenten genaamd chloroplasten. Binnen in deze compartimenten zitten stapels van aaneengeschakelde membraan schijven genaamd de thylakoïde die omgeven zijn door een ruimte genaamd de stroma. Hier is waar het allemaal gebeurt. De thylakoïde membranen vangen de energie van de zon op en geven dit door aan de tijdelijke energiedragers in de stroma, waar ze worden gebruikt door de enzymen die suikermoleculen creëren.
Planten kunnen licht energie opvangen doordat licht bestaat uit fotonen deeltjes die elk een klein beetje energie met zich meedragen. Hoe veel energie hangt, dat hangt af van de golflengte waarmee ze reizen. Chloroplasten zitten vol met moleculen die fotonen absorberen, chlorofyl voor het absorberen van blauw en rood licht en carotenoïden voor het absorberen van bauw/paars light. Het enige zonlicht dat de plant niet absorbeert is groen, dit weerkaatst, en verklaart waarom planten groen zijn.
Carotenoïden kunnen ook een te veel aan energie absorberen en afgeven als hitte. Op deze manier beschermen carotenoïden de fotosynthese eiwitten tegen schade die kan optreden bij een te veel aan energie.
Na het absorberen van een foton heeft een chlorofyl of carotenoïde molecuul vier opties. Het kan 1) het foton weer wegsturen, fluorescentie veroorzakend, het kan 2) de energie van het foton afgeven in de vorm van hitte, dit is hetzelfde proces wat je opwarmt als je in de zon staat, het kan 3) z’n energie aan een ander molecuul geven, of het kan 4) de energie van het foton gebruiken voor een chemische modificatie. Het zijn die laatste twee processen die de plant gebruikt voor het vastleggen van de energie van het foton in een tijdelijke energiedrager.
Dit doen ze als volgt: De thylakoïde membranen bevatten eiwit-pigment complexen bestaande uit een licht energie overdragende antenne complex en een elektron overdragende reactie complex. Eerst het antenne complex, deze bestaat uit meerder chlorofyl en carotenoïde moleculen. Samen vangen ze de licht energie op en dragen dit over aan het reactie center. De overgedragen energie zorgt in het reactie center voor een chemische verandering wat een elektronentransfer estafette in gang zet. Deze eindigt met het overdragen van een waterstofatoom (H+) aan een NADP+ molecuul, om deze als ware op te laden. Dit nieuwgevormde NADPH-molecuul wordt gevormd in de stroma kant van het thylakoïde membraan.
Om de meeste energie uit de zon te halen bevatten planten twee soorten fotosynthese reactiecentra, die van fotosysteem II en fotosysteem I. Alhoewel beide lichte energie kunnen opvangen werken ze aaneengeschakeld het best, waarbij fotosysteem II elektronen doorgeeft aan fotosysteem I die de elektronen uiteindelijk aan het NADP+ molecuul geeft.
Tijdens dit proces van energie overdracht tussen de verschillende reactiecentra komen ook waterstofatomen vrij aan de thylakoïde kant van het membraan. Planten gebruiken deze waterstofatomen om de tweede tijdelijke energiedrager ATP mee op te laden.
Energie opslaan in een batterij
Nu de plant deze tijdelijke energiedragers heeft opgeladen heeft de plant twee keuzes, deze gebruiken of ze verliezen. Gaand voor de eerste optie gebruiken planten de verkregen energie om een van de vereiste bouwmaterialen vast te leggen, CO2 of koolstof om precies te zijn. Koolstof is voor de cel het meest bruikbaar in de vorm van een simpele suiker.
Planten nemen CO2 op via hun huidmondjes, smalle poriën aan de onderkant van het blad. Het enige probleem is dat waterdamp de plant via dezelfde openingen verlaat.
Verrassend genoeg doen planten dit niet door direct zes CO2 moleculen met zes watermoleculen samen te voegen. Het is namelijk voor enzymen makkelijker om een klein molecuul, zoals CO2, aan een groter molecuul vast te maken. Zo dit is wat planten doen in een proces genaamd de Calvin cyclus. Veel van deze cyclus beslaat het recyclen van het groter molecuul, en hiervoor wordt veel van de gevangen energie voor gebruikt. Maar ik wil graag de aandacht richten op de stap die CO2 aan het groter molecuul vastmaakt.
Deze stap wordt gedaan door een enzym genaamd ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase, of rubisco in het kort. Zoals z’n naam suggereert gebruikt het enzym het molecuul ribulose-1,5-bisphosphate als uitgangspunt om daaraan CO2 en water aan vast te binden. Dit resulteert uiteindelijk in twee 3-phosphateglycerate moleculen. Van elke zes geproduceerde 3-phosphateglycerate moleculen moeten er vijf worden recyclet om de Calvin cyclus gaande te houden, en een kan worden gebruikt voor de productie van sucrose voor min of meer direct gebruik, of zetmeel voor opslag.
Wist je dat rubisco het meest voorkomende enzym op aarde is?
Nu zijn de reacties die ik heb beschreven zoals die voor fotosynthese in zo genaamde C3 planten. En alhoewel dit prima werkt op papier, heeft rubisco een nadeel. Zoals z’n naam ook suggereert, kan het ook O2 in plaats van CO2 gebruiken. En het doet dit vaker dan zo nu en dan. Wanneer rubisco O2 in plaats van CO2 gebruikt gaan koolstofatomen verloren. Om dit verlies tot een minimum te houden herwint de plant de meeste van die koolstofatomen via een proces genaamd fotorespiratie.
CO2 concentreren
Maar niet alle planten fotorespireren, of doen dat maar af en toe. Er zijn drie manieren waarom planten de noodzaak voor fotorespiratie kunnen voorkomen. Allemaal verschillende oplossingen voor hetzelfde probleem, het weghouden van CO2 bij rubisco. De eerste oplossing is er een die waterplanten gebruiken. Met CO2 opgelost in het water kunnen waterplanten CO2-pompen in hun celmembraan gebruiken om CO2 maar niet O2 op te nemen. Op deze manier voorkomen ze dat O2 de cel binnen komt.
Dan is er de tweede optie waarvoor de zo genaamde C4 planten zijn voor gegaan. Die splitsen de locatie waar CO2 wordt opgenomen van die waar de Calvin cyclus plaats vindt. Dit doen ze met behulp van het gebruik van twee type chloroplast bevattende cellen. Waar in C3 planten alleen de bladmoescellen chloroplasten bevatten, hebben C4 planten deze ook in de bundelschedecellen.
De bundelschedecellen staan fysiek in contact met een of meerdere bladmoescellen. In de bladmoescellen van C4 planten vindt een soort van voor-fixatie van CO2 plaats. Dit voor gefixeerde molecuul dan verplaatst zich naar de bundelschedecellen waar het voor-gefixeerde molecuul CO2 vrijgeeft en gebruikt kan worden voor de Calvin cyclus. Dit zorgt dus voor een fysieke splitsing van waar CO2 wordt gevangen van waar CO2 wordt gebruikt.
De derde optie voor het concentreren van CO2 is die waar de zogenaamde CAM planten voor zijn gegaan. Deze planten hebben een manier gevonden om het voor-gefixeerde CO2 op te slaan. Deze mogelijkheid geeft ze de flexibiliteit om s’ nachts CO2 voor te fixeren om die pas overdag te gebruiken voor de fotosynthese. Dit maakt het voor CAM planten mogelijk om hun huidmondjes gedurende droge hete dagen te sluiten om onnodig water verlies te voorkomen. Dit scheidt het vangen van CO2 van het gebruik van CO2 door de twee processen op verschillende tijdstippen van de dag te doen.
Dus fotosynthese is het proces waarmee planten zowel energie als koolstof in suikermoleculen vastleggen. Deze suikers kan de plant vervolgens gebruiken om cellulaire bouwstenen, verdedigings- of geur moleculen mee te maken, of om ze op te slaan voor geval van nood.
Nu lijkt fotosynthese zoals hier beschreven een redelijk eenvoudig recht aantoe proces, je stopt er wat licht energie, CO2 en water in en krijgt er suikermoleculen voor terug. Maar dat is allemaal onder optimale condities. In werkelijkheid passen planten hun fotosynthese constant aan de veranderende omstandigheden waarin ze groeien aan. Zoals vertragen bij minder licht is, zoals op een bewolkte dag of in de schaduw. Of stoppen planten het tijdelijk op het midden van een erg hete dag om waterverlies te voorkomen. En net zoals wij mensen, heeft fotosynthese wat tijd nodig om op gang te komen aan het begin van de dag. Plantenwetenschappers zijn dan ook nog steeds bezig met het onderzoeken hoe planten dit allemaal reguleren, en of ze dit proces nog meer kunnen optimaliseren.
Plant en Zo 