Fotosynthesechemie

Fotosynthesechemie is het vakgebied dat de chemische stappen onderzoekt waarmee lichtenergie wordt omgezet in chemische energie en organische verbindingen in fotosynthetische organismen zoals planten, algen en sommige bacteriën. Het beschrijft hoe fotonen elektronen naar een hogere energie brengen, hoe deze elektronendoor een transportketen bewegen en hoe uiteindelijk chemische bindingen worden gevormd in suikers.

Tijdens de lichtreacties, die plaatsvinden in de thylakoïde membranen van chloroplasten, wordt water gesplitst bij het fotosysteem II. Dit levert zuurstof, protonen en elektronen. De elektronen reizen via een elektronentransportketen (PSII, plastoquinon, cytochrome b6f, plastocyanine) naar fotosysteem I. Daar worden de elektronen geexciteerd en gebruikt om NADP+ te reduceren tot NADPH. Tegelijk wordt een protonengradiënt opgebouwd die ATP produceert via ATP-synthase. De niet-cyclische stroom levert zowel ATP als NADPH; via cyclische stroom kan uitsluitend ATP worden geproduceerd als extra energiebron wanneer meer ATP nodig is.

De donkreacties, of Calvin-cyclus, gebruiken ATP en NADPH om CO2 te fixeren in koolhydraten. RuBisCO koppelt CO2 aan ribulose-1,5-bisfosfaat, wat leidt tot 3-fosfoglyceraat; via een reeks stappen ontstaat glyceraldehyde-3-fosfaat en vervolgens glucose en zetmeel. De cyclus vereist per CO2-opname 3 ATP en 2 NADPH en regeneratieert RuBP om weer CO2 te kunnen fixeren. RuBisCO is het belangrijkste maar niet zeer efficiënte enzym; het kan ook zuurstof opnemen, wat tot photorespiratie leidt.

Organismen tonen variatie in CO2-concentratie via C3-, C4- of CAM-pathways, wat de efficiëntie onder verschillende omgevingsomstandigheden beïnvloedt. De chemie van fotosynthese vormt de basis van het leven op aarde en inspireert onderzoeksinspanningen naar kunstmatige fotosynthese en duurzame energietechnologieën. De algemene reactievergelijking is: 6 CO2 + 6 H2O + lichtenergie -> C6H12O6 + 6 O2, met variaties afhankelijk van de route en energiestromen.