De elektronentransportketen in het thylakoïdemembraan, de lichtreacties van de fotosynthese.
De lichtreacties (of licht-afhankelijke reacties) beslaan de eerste helft van de fotosynthese. Bij dit proces wordt lichtenergie omgezet in de chemische verbindingenATP en NADPH. Hierbij komt zuurstof (O2) vrij als afvalproduct. ATP en NADPH worden vervolgens gebruikt in de tweede helft waar koolstofdioxide wordt gefixeerd in de donkerreacties.
De lichtreacties vinden plaats in het thylakoïdemembraan van planten en algen. Cyanobacteriën hebben een vergelijkbaar systeem. De energie van het licht wordt stapsgewijs vastgelegd via de elektronentransport-keten (ETC). Hierbij werken vier eiwitcomplexen samen om de reactieproducten NADPH en ATP te genereren:
De eiwitcomplexen in het thylakoïdemembraan betrokken bij de lichtreacties.
De elektronentransport-keten is een ketting van redoxreacties waar de energie uit het licht stapsgewijs wordt vastgelegd in de chemische verbindingen NADPH en ATP.
De eerste reactie van de lichtfase van fotosynthese vindt plaats in fotosysteem I. Dit reactiecentrum gebruikt aanliggende antennesystemen om de foton-'oogst' te vergroten, ook wel light-harvesting complexen genoemd. Deze pigment-eiwit complexen trechteren extra fotonen naar de reactiecentra van PSII en PSI.
De Kok-cyclus. Het OEC gaat door vier (s1—s4) oxidatie toestanden voordat twee water moleculen volledig zijn geoxideerd naar O2.
P680+ vult zijn elektronen tekort aan via het zuurstofproducerend complex (OEC) in het thylakoïde lumen, dat water splitst naar zuurstof, protonen en elektronen. Dit heet de Kok cyclus. P680+ is de sterkste biologische oxidator ter wereld en is in staat om water te oxideren, dat een van de zwakste elektrondonoren is. Omdat bij iedere excitatie van P680 maar één elektron verdwijnt moet het reactiecentrum vier fotonen ontvangen van het OEC om twee watermoleculen volledig te splitsen (oxideren) naar zuurstof (O2):
De protonen blijven na de fotolyse in het lumen en vergroten daarmee de protongradiënt, terwijl de elektronen in de transportketen terecht komen. Zo blijven de protonen en elektronen van elkaar gescheiden. Deze protonen worden uiteindelijk gebruikt door ATP-synthase die de gradiënt omzet naar ATP fosforylatie.
Feofytine
Feofytine is een ingebouwde cofactor van PSII en is een chlorofyl molecuul zonder magnesium-ion. Het zit nabij P680 en oxideert dit paar na excitatie door een foton. Het elektron wordt door feofytine geaccepteerd en reduceert vervolgens plastochinon (PQ).
Plastochinon (Plastochinol)
Plastochinon accepteert twee electronen van feofytin en reduceert naar plastochinol (PQH2).
De som van chemische reacties van PSII is dan als volgt:
Let op dat deze formule slechts een vereenvoudiging van de realiteit is. De protonen van het water zijn in het lumen terechtgekomen, terwijl plastochinon protonen uit het stroma heeft opgenomen, waarmee de protongradient over het thylakoïdemembraan is toegenomen.
Plastochinol transporteert de elektronen vervolgens door het thylakoïdemembraan naar het cytochroom b6f complex.
Het cytochroom b6f is verantwoordelijk voor de elektronen overdracht tussen plastochinol en plastocyanine. Hier wordt plastochinol geoxideerd naar plastochinon en de elektronen geaccepteerd door plastocyanine. Plastocyanine draagt maar één elektron.
De twee protonen van plastochinol worden afgevoerd naar het lumen. Daarnaast worden in de catalyse nog twee extra protonen vanuit het stroma in het lumen gepompt tijdens de Q-cycle.
De plastocyanine-moleculen transporteren de elektronen vervolgens door het lumen naar fotosysteem I. Het fungeert daar als elektrondonor net zoals water dat doet voor fotosysteem II.
Fotosysteem 1 werkt grofweg hetzelfde als fotosysteem 2, maar oxideert en reduceert verschillende reagentia. In het reactiecentrum wordt P700 naar P700* aangeslagen na foton absorptie. Via een Fe-S cluster wordt het elektron overgebracht naar ferredoxine. Samen met het enzym ferredoxin-NADP reductase wordt de laatste redox uitgevoerd en ontstaat er NADPH.
Cyclische fotofosforylering
Bij een te hoge verhouding van NADPH/NADP+ wordt er extra ATP gevormd via cyclische fosforylering. Het elektron verlaat hierbij niet de ETC. In PSI wordt het elektron niet aan het enzym FNR afgeven maar aan plastoquinol dat gebruikt wordt in cytochroom b6f. De ETC blijft cyclisch verlopen totdat de NADPH/NADP+ verhouding weer bepaald lager niveau heeft behaald. Zo kunnen fotosynthetische organismen toch energie opnemen bij een gebrek aan water.
ATP-synthase: De protongradiënt wordt gebruikt om ATP te fosforyleren. Hierbij worden protonen overgeheveld van lumen naar stroma.
De laatste stap in de lichtreacties is het aanmaken van ATP uit ADP, waarbij ATP-synthase de opgebouwde protongradiënt gebruikt als energiebron. Dit wordt ook wel chemiosmotische koppeling genoemd. De stoichiometrie tussen ATP en de gradient ligt tussen de 4—4,67 protonen per ATP.
De efficiëntie van deze moleculaire machine is lager dan de mitochondriale ATP-synthase die ongeveer 3 protonen gebruikt per ATP.
Netto
De eindproducten van de lichtreacties zijn NADPH en ATP. Deze energiedragers worden onder andere gebruikt voor de koolstofassimilatie in de Calvincyclus (de donkerreactie). De lichtreactie is een apart systeem van de Calvincyclus. Bij genoeg opbouw van ATP en NADPH kan de koolstofassimilatie voor enige tijd doorgaan bij gebrek aan licht. In zijn meeste extreme vorm kunnen cam-planten diep in de nacht koolstofdioxide fixeren, vele uren nadat de zon is ondergegaan.
De algemene formule voor de complete lichtreacties wordt dan als volgt:
Voorbehoud
Houd rekening met dat deze formule een vereenvoudiging is van de werkelijkheid:
Bij ADP fosforylatie ontstaat ook water.
De hoeveelheid protonen die over het thylakoïdemembraan word gepompt staat niet in de formule.
De gecreëerde protongradiënt correspondeert niet direct met een stoichiometrie van exact 3 ATP en is afhankelijk van de omgevingscondities.
Niet elk geabsorbeerde foton hoeft per sé te resulteren in een succesvolle ladingsscheiding (zie: NPQ).
De verhouding PSII: PSI in het thylakoïdemebraan is niet 1:1. De ratio is dynamisch en afhankelijk van de (licht-)condities. PSI is tevens in staat om cyclisch te opereren, onafhankelijk van PSII.
etc.
De lichtreacties zijn tevens geen gesloten circuit. Vrijwel alle intermediairen worden ook gebruikt in andere reacties. Plastochinon wordt zodoende gebruikt bij de biosynthese van carotenoïden. Ook ATP en NADPH uit de lichtreacties worden niet uitsluitend gebruikt voor de Calvincyclus.
Z-Schema
Het Z-Schema, ontwikkeld door Robin Hill, laat de energietoestanden en elektronenoverdrachten zien in de non-cyclische ETC van oxygene fotosynthese.
![{\displaystyle {2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}4\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}{}+{}4\,\mathrm {e} {\vphantom {A}}^{-}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/30bce3e36ea273a52f545540c01ae0745aa3098e)
![{\displaystyle {2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}+{}2\,\mathrm {PQ} {}+{}4\,\mathrm {hv} {}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}2\,\mathrm {PQH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/acde09d461d88e4ad8a4e757376ff32810e159f5)
![{\displaystyle {2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}+{}2\,\mathrm {NADP} {\vphantom {A}}^{+}{}+{}3\,\mathrm {ADP} {}+{}3\,\mathrm {Pi} {}+{}\mathrm {licht} ~(8\,\mathrm {hv} ){}\mathrel {\longrightarrow } {}2\,\mathrm {NADPH} {}+{}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}^{+}{}+{}3\,\mathrm {ATP} {}+{}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/33fb058b4386a9a53a38de7741689af8476bb02c)
