Fotosinteza (partea a II-a): reacțiile dependente de lumină

Fotosinteza cuprinde două etape: reacțiile dependente de lumină și reacțiile independente de lumină (ciclul Calvin). Reacțiile dependente de lumină se desfășoară doar în prezența luminii, după cum le sugerează și numele. Ecuația generală a fotosintezei arată că aceasta este o reacție de oxido-reducere (reacție redox): dioxidul de carbon este redus, iar apa este oxidată pentru a produce oxigen:

Energie  +  6CO₂  +  H₂O  →  C₆H₁₂O₆  +  6O₂

Reacțiile dependente de lumină se desfășoară la nivelul membranelor tilacoide ale cloroplastelor, în timp ce ciclul Calvin are loc în stroma cloroplastelor. În membranele tilacoidelor sunt încorporate două fotosisteme (fotosistemul I și fotosistemul II) – complexe de pigmenți ce captează lumina solară. Clorofilele a și b absorb lungimile de undă din domeniile violet, albastru și roșu ale luminii vizibile și reflectă lumina verde. Pigmenții carotenoizi absorb lumina violetă, albastră și verde și reflectă lumina galbenă și portocalie. Diferiți factori de mediu, precum lungimea zilei și temperatura, influențează care dintre pigmenți predomină la un moment dat al anului.

Deși cele două fotosisteme funcționează simultan, este mai ușor să le analizăm separat. Să începem cu fotosistemul II (PS II).

Un foton lovește pigmenții-antenă ai PS II pentru a declanșa fotosinteza. PS II captează fotonii cu niveluri energetice ceva mai ridicate decât PS I (lungimile de undă mai scurte ale luminii poartă mai multă energie). Energia absorbită călătorește la centrul de reacție al pigmentului-antenă ce conține clorofila a și crește nivelul energetic al electronilor clorofilei a. Electronii sunt acceptați de un acceptor primar (o proteină) și ajung apoi în lanțul transportor de electroni încorporat în membrana tilacoidului.

Energia absorbită de PS II este suficientă pentru a oxida (a scinda) apa, eliberând oxigenul în atmosferă; electronii eliberați prin oxidarea apei înlocuiesc electronii a căror energie a fost amplificată în centrul de reacție al clorofilei. Pe măsură ce electronii din centrul de reacție trec printr-o serie de proteine transportoare de electroni, ionii de hidrogen (H⁺) sunt pompați prin membrană în interiorul tilacoidului. Acest lucru creează o concentrație ridicată de ioni de hidrogen, iar pe măsură ce aceștia trec prin ATP-sintază, se formează molecule de ATP.

Aceste molecule de ATP vor fi utilizate ca sursă de energie pentru sinteza carbohidraților în ciclul Calvin, a doua etapă a fotosintezei. Lanțul transportor de electroni conectează PS II de PS I. La fel ca în cazul fotosistemului II, fotosistemul I (PS I) absoarbe un al doilea foton, rezultând formarea unei molecule de NADPH dintr-o moleculă de NADP⁺. Energie transportată de NADPH este și ea utilizată în reacțiile chimice din ciclul Calvin.

Ce este energia luminoasă?

Soarele emite o cantitate enormă de radiație electromagnetică (energie solară). Oamenii pot vedea doar o fracțiune din această energie, care poartă numele de lumină vizibilă.

Energia solară călătorește sub formă de unde. Oamenii de știință pot determina cantitatea de energie a unei unde prin măsurarea lungimii sale de undă – distanța dintre două puncte consecutive ale undei (Figura 3).

Figura 3 – Lungimea de undă este distanța dintre două puncte consecutive de pe poziții similare de-a lungul undei.

Lumina vizibilă reprezintă doar un tip de radiație electromagnetică emisă de Soare și de alte stele. Spectrul electromagnetic constituie totalitatea frecvențelor posibile ale radiației (raze gama, raze X, radiații ultraviolete, radiații infraroșii, unde radio). Diferențele dintre lungimile de undă denotă cantitatea de energie transportată de către undă.

Fiecare tip de radiație electromagnetică se deplasează cu o anumită lungime de undă. Cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât energia transportată este mai redusă. Undele scurte transportă cea mai mare energie. Undele cu energie înaltă pot pătrunde prin țesuturi, vătămând celulele și ADN-ul, ceea ce explică de ce razele X și radiațiile ultraviolete (UV) sunt dăunătoare pentru organismele vii.

Absorbția luminii

Energia luminoasă inițiază procesul de fotosinteză atunci când pigmenții absorb lumina. Pigmenții organici, fie din retina umană, fie din tilacoidele cloroplastelor, pot absorbi o gamă redusă de niveluri energetice. Nivelurile energetice mai reduse decât cele ale luminii roșii sunt insuficiente pentru a aduce un electron într-o stare de excitație. Pe de altă parte, nivelurile energetice mai ridicate decât cele ale luminii albastre vor dezintegra fizic moleculele. Așadar, pigmenții retinieni pot „vedea” (absorbi) doar lumina cu lungimile de undă între 700 și 400 nanometri (nm), adică lumina vizibilă. Din același motiv, pigmenții plantelor absorb doar lumina cu lungimile de undă între 700 și 400 nanometri, adică radiația fotosintetic activă.

Lumina vizibilă văzută de om sub forma luminii albe există sub forma unui curcubeu de culori. Anumite obiecte, cum sunt o prismă sau o picătură de apă, dispersează lumina pentru a dezvălui culorile sale. Porțiunea de lumină vizibilă spectrului electromagnetic arată curcubeul de culori, în care violetul și albastrul au cea mai scurtă lungime de undă (din domeniul luminii vizibile), deci energia cea mai mare. La capătul celălalt ale luminii vizibile, spre roșu, lungimile de undă sunt mai mari, iar energiile sunt mai reduse.

Să înțelegem pigmenții

Există mai mult tipuri de pigmenți, fiecare absorbind anumite lungimi de undă (culori) ale luminii vizibile. Pigmenții reflectă (sau transmit) lungimile de undă pe care nu le pot absorbi, fapt care îi face să apară de culoarea respectivă.

Clorofilele și carotenoizii sunt două clase majore de pigmenți fotosintetici de la plante și alge; fiecare clasă prezintă mai multe tipuri de molecule de pigmenți. Există cinci clorofile principale: a, b, c, d și bacterioclorofilă (o moleculă întâlnită la procariote). Clorofila a și clorofila b se întâlnesc în cloroplastele plantelor superioare.

Carotenoizii sunt un grup mult mai mare de pigmenți. Carotenoizii din fructe, cum sunt licopenul din tomate, zeaxantina din semințele de porumb sau beta-carotenul din coaja de portocală, au rolul de a atrage polenizatorii. În fotosinteză, carotenoizii funcționează ca pigmenți deosebit de eficienți la dispersarea excesului de energie. Atunci când o frunză este expusă la lumina solară puternică, reacțiile dependente de lumină sunt necesare pentru a procesa enorma cantitate de energie; dacă această energie nu este manipulată corect, ea poate produce daune semnificative. Drept urmare, mulți carotenoizi sunt prezenți în membrana tilacoidă, absorb excesul de energie și disipează această energie sub formă de căldură.

Fiecare tip de pigment poate fi identificat după un tipar specific al lungimilor de undă ale luminii vizibile pe care le absorb – spectrul de absorbție. Clorofila a absoarbe lumina de la cele două capete ale spectrului vizibil (albastru și roșu), dar nu și verdele. De aceea ea apare de culoare verde. Carotenoizii absorb lungimile de undă scurte din domeniul albastru și reflectă lungimile de undă mai lungi din domeniul galben, roșu și portocaliu.

Multe organisme fotosintetice prezintă un amestec de pigmenți, cu ajutorul cărora pot absorbi o gamă largă de lungimi de undă. Însă nu toate organismele fotosintetice au acces complet la lumina solară. De exemplu, unele organisme trăiesc sub apă, unde intensitatea și calitatea luminii variază în funcție de adâncime. Alte organisme duc o competiție pentru lumină. Plantele de pe solul pădurii tropicale umede trebuie să poată absorbi orice rază de lumină care ajunge la ele, deoarece arborii înalți absorb cea mai mare parte a luminii.

Cum funcționează reacțiile dependente de lumină

Principala funcție a reacțiilor dependente de lumină este să convertească energia solară în energie chimică sub formă de NADPH și ATP. Această energie susține reacțiile independente de lumină și alimentează sinteza moleculelor de zaharuri.

Transformarea energiei luminoase în energie chimică are loc la nivelul unui complex multiproteic denumit fotosistem, dintre care în membrana tilacoidă există două tipuri: fotosistemul II (PS II) și fotosistemul I (PS I). Cele două complexe diferă în funcție de ceea ce oxidează (sursa de electroni cu energie redusă) și ceea ce reduc (locul în care livrează electronii cu energie ridicată).

Ambele fotosisteme prezintă aceeași structură de bază: un număr de pigmenți-antenă, la care sunt legate moleculele de clorofilă, înconjoară un centru de reacție, unde au loc reacțiile fotochimice. Fiecare fotosistem este deservit de un complex de captare a luminii, care transferă energia de la lumina solară la centrul de reacție; acesta constă din mai mulți pigmenți-antenă ce conțin un amestec de 300-400 de molecule de clorofilă a și b, precum și alți pigmenți (carotenoizi). Absorbția unui singur foton de către clorofilă produce excitarea moleculei respective. Cu alte cuvinte, energia luminoasă a fost captată de moleculele biologice, însă nu este încă stocată într-o formă utilă. Energia este transferată de la o moleculă de clorofilă la alta până ajunge la centrul de reacție (după o milionime de secundă). Este important de menționat că, până acum între molecule a fost transferată doar energia, nu și electronii.

Centrul de reacție conține o pereche de molecule de clorofilă a cu o proprietate specială: ele pot suferi un proces de oxidare (cedează electroni) după ce sunt excitate. Astfel, în acest pas al fotosintezei, la nivelul centrului de reacție energie luminoasă este convertită într-un electron excitat. Toși pașii următori implică transferul acestui electron la transportorul de energie NADPH pentru a ajunge în ciclul Calvin, unde electronul este stocat în carbon sub formă de carbohidrați.

PS II și PS I sunt două componente majore ale lanțului transportor de electroni al fotosintezei, care include și complexul citocrom. Acest complex, compus dintr-o enzimă alcătuit din două complexe proteice, transferă electronii de la plastochinonă (Pq) la plastocianină (Pc), permițând astfel transferul protonilor prin membrana tilacoidă și transferul electronilor de la PS II la PS I.

Centrul de reacție al fotosistemului II (denumit P680) livrează electronii săi bogați în energie către acceptorul primar de electroni și, prin intermediul lanțului transportor de electroni (Pq – complexul citocrom – Pc), la fotosistemul I. Electronul lipsă al P680 este înlocuit prin extragerea unui electron sărac în energie din molecula de apă; deci apa este scindată în această fază a fotosintezei, iar PSI II este re-redus de fiecare dată. Scindarea unei molecule de apă eliberează doi electroni, doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen. Totuși, sunt necesare două molecule de apă pentru a forma oxigen gazos (O₂). Aproximativ 10% din oxigen este utilizat de mitocondriile din frunză pentru fosforilarea oxidativă. Restul oxigenului este eliberat în atmosferă.

Pe măsură ce electronii sunt transferați între proteinele dintre PS II și PS I, ei pierd din energie. Această energie este utilizată pentru a deplasa atomii de hidrogen din stromă în lumenul tilacoid. Acești atomi de hidrogen, la care se adaugă cei produși prin scindarea apei, se acumulează în lumenul tilacoid și vor fi utilizați pentru sinteza ATP-ului într-o etapă ulterioară. Deoarece electronii au pierdut din energie înainte de a ajunge la PS I, ei trebuie să fi re-energizați de către PS I, deci un alt foton este absorbit de antena PS I. Această energie este eliberată centrului de reacție al PS I (denumit P700). P700 este oxidat și trimite un electron bogat în energie la NADP⁺ pentru a forma NADPH. Așadar, PS II captează energie pentru a crea un gradient de fotoni pentru sinteza ATP-ului, iar PS I captează energie pentru a reduce NADP⁺ la NADPH.

Cele două fotosisteme funcționează în tandem pentru a garanta că producție de NADPH este aproximativ egală cu cea de ATP. Mai există și alte mecanisme de reglaj fin pentru a controla și adapta această proporție în funcție de necesitățile energetice ale cloroplastului.

Generarea ATP-ului

La fel ca în spațiul intermembranar în timpul respirației celulare, acumularea ionilor de hidrogen în lumenul tilacoid creează un gradient de concentrație. Difuzia pasivă a ionilor de hidrogen de la concentrație ridicată (în lumenul tilacoid) la concentrație scăzută (în stromă) este utilizată pentru a sintetiza ATP, la fel ca în cazul lanțului transportor de electroni din respirație celulară. Ionii acumulează energie datorită difuziei și deoarece ei au aceeași sarcină electrică și se resping reciproc.

Pentru a elibera această energie, ionii de hidrogen trec prin orice orificiu, la fel cum apa scapă prin crăpăturile unui baraj. La nivelul tilacoidului, acest orificiu este reprezentat de o proteină specializată denumită ATP-sintază. Energia eliberată de fluxul ionilor de hidrogen permite ATP-sintazei să atașeze o a treia grupare fosfat la ADP, rezultând molecula de ATP. Fluxul de hidrogen prin ATP-sintază poartă denumirea de chemiosmoză, deoarece ionii se deplasează dintr-o zonă cu concentrație ridicată într-o zonă cu concentrație redusă, prin structura semi-permeabilă a tilacoidului.