20.6: Fotosystemy

Fotosystemy to kompleksy wielobiałkowe, które tworzą funkcjonalne jednostki fotosyntezy u roślin, alg i cyjanobakterii. Można je znaleźć osadzone w błonie maleńkich struktur przypominających woreczki, zwanych tylakoidami, umieszczonych wewnątrz chloroplastu.

Funkcjonowanie fotosystemów

Fotosystemy zawierają wiele cząsteczek pigmentów, takich jak chlorofile i karotenoidy, ułożonych w określoną organizację w dwóch domenach – kompleksie antenowym i centrum reakcji. Głównym celem cząsteczek pigmentu rozmieszczonych w kompleksie antenowym jest absorpcja światła w postaci fotonów i skierowanie ich do specjalnej pary chlorofilowej w centrum reakcji.

Istnieją dwa typy fotosystemów — fotosystem II (PSII) i fotosystem I (PSI), które są strukturalnie podobne, ale różnią się źródłem niskoenergetycznego dostawcy elektronów i akceptorem, do którego dostarczają elektrony pod napięciem. Oba te fotosystemy działają wspólnie.

Centrum reakcji PSII, znane również jako P680, pochłania foton, który wzbudza elektron w chlorofilu. Elektron o wysokiej energii uwalnia się i jest przekazywany do pierwotnego akceptora elektronów, a ostatecznie do PSI poprzez łańcuch transportu elektronów. Brakujący elektron P680 zostaje zastąpiony poprzez wydobycie elektronu o niskiej energii z wody; w ten sposób woda jest „rozdzielana” na tym etapie fotosyntezy, a PSII ulega ponownej redukcji po każdym fotoakcie. Podział jednej cząsteczki H₂O uwalnia dwa elektrony, dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Cząsteczki tlenu są uwalniane do środowiska, podczas gdy jony wodoru odgrywają kluczową rolę w ustalaniu gradientu protonów w poprzek błony tylakoidów, który jest niezbędny do syntezy ATP w chloroplastach.

Gdy elektrony przemieszczają się przez białka znajdujące się pomiędzy PSII i PSI, tracą energię i muszą zostać ponownie zasilone przez PSI; stąd kolejny foton jest absorbowany przez antenę PSI. Energia ta jest przekazywana do centrum reakcji PSI zwanego P700. P700 ulega utlenieniu i wysyła wysokoenergetyczny elektron do NADP⁺, tworząc NADPH. Zatem PSII wychwytuje energię w celu wytworzenia gradientów protonów w celu wytworzenia ATP, a PSI wychwytuje energię w celu redukcji NADP⁺ do NADPH.

Po przekształceniu energii słonecznej w energię chemiczną w postaci cząsteczek ATP i NADPH, komórka ma paliwo potrzebne do zbudowania cząsteczek węglowodanów w celu długotrwałego magazynowania energii. Osiąga się to w drugiej fazie fotosyntezy, znanej również jako niezależna od światła lub ciemna faza fotosyntezy, która zachodzi w zrębie chloroplastów.

Ten tekst jest adaptowany z Openstax, Biologia 2e, Rozdział 8, Sekcja 8.2: Reakcje zależne od światła fotosyntezy.

Organizmy fotosyntetyzujące wychwytują światło słoneczne przez kompleksy pigmentowo-białkowe zwane fotosystemami, osadzone w błonie tylakoidowej chloroplastu.

Kompleksy te są podzielone na fotosystem I lub PSI i fotosystem II lub PSII.

Wewnątrz chloroplastu kompleksy PSI znajdują się głównie w nieułożonych obszarach, zwanych blaszkami zrębu, podczas gdy kompleksy PSII są obecne w ułożonych w stos blaszkach granalowych.

Każdy fotosystem jest zbiorem około 200 cząsteczek chlorofilu i 50 cząsteczek pigmentu karotenoidowego, rozmieszczonych w dwóch różnych domenach fotosystemu - domenie rdzeniowej zwanej centrum reakcji i domenie peryferyjnej zwanej kompleksem antenowym.

Chociaż wszystkie cząsteczki pigmentu absorbują fotony, tylko kilka cząsteczek chlorofilu związanych z centrum reakcji może przekształcić pochłoniętą energię świetlną w energię chemiczną.

Pigmenty w kompleksie antenowym kierują tylko pochłoniętą energię do centrum reakcji.

Z fotosystemami związane są również kofaktory niezbędne do ich funkcjonowania.

Na przykład PSI ma kofaktor ferredoksyny, kluczowy węzeł w łańcuchu transportu elektronów, podczas gdy PSII zawiera kompleks wydzielający tlen, który katalizuje utlenianie wody, co ma kluczowe znaczenie dla fotosyntezy.