Het belangrijkste anabole proces op aarde is fotosynthese . Fotosynthese is kort gezegd het vastleggen van energie uit zonlicht in een plant. Dit vastleggen gebeurt door de bladgroenkorrels (chloroplasten) die in iedere plant te vinden zijn. Niet alleen planten maar ook bacteriën en algen kunnen energie uit zonlicht vastleggen. 

Wat wordt er omgezet?
 Voor fotosynthese heeft een plant twee stoffen nodig: koolstofdioxide en water. Het water zuigt een plant via zijn wortels uit de grond op. De koolstofdioxide wordt uit de lucht via de huidmondjes in de bladeren van een plant opgenomen. Onder invloed van zonlicht komt er een zogenaamde lichtreactie opgang. Hierbij wordt water omgezet in zuurstof waarbij energie vrijkomt en waterstofionen. De energie en de waterstofionen worden vervolgens bij de zogenaamde donkerreactie gebruikt. Bij deze donkerreactie wordt (met de waterstofionen en de energie uit de lichtreactie) koolstofdioxide omgezet in glucose. De netto-uitkomst van het proces is dus dat koolstofdioxide en water worden omgezet tot glucose en zuurstof.

In de meest eenvoudige vorm kunnen we fotosynthese als volgt beschrijven , 

 https://youtu.be/o040C_P3cuY

CO2 + H2O   ........Chloroplasten............    CH2O + O2

Waarom is fotosynthese zo belangrijk?

Het vastleggen van de energie uit zonlicht door planten is cruciaal voor al het leven op aarde. Planten staan onderaan de voedselpiramide en leveren dus energie aan dieren en mensen. Ook energie die wij mensen uit dierlijke producten halen komt uiteindelijk toch weer bij planten vandaan. De energie die bijvoorbeeld de melk van een koe levert, moet de koe zelf weer uit gras halen. Als we melk drinken komt de energie die daarin zit dus in beginsel bij planten vandaan. Fotosynthese is dus de basis voor al het leven op aarde.
Ook het ‘afvalproduct’ van de fotosynthese namelijk de zuurstof is voor mensen en dieren erg belangrijk. Wij hebben zuurstof nodig om energie te halen uit de voedingsstoffen die we binnenkrijgen. Zonder deze zuurstofproductie door planten zouden er geen mensen en dieren op aarde kunnen leven. Omdat planten via fotosynthese koolstofdioxide omzetten in zuurstof, helpt fotosynthese bij het verminderen van de koolstofdioxideconcentratie in de atmosfeer. Deze concentratie stijgt al jaren en veroorzaakt waarschijnlijk klimaatverandering. Door te zorgen voor veel fotosynthese (door bijvoorbeeld nieuwe bossen te planten) kan de koolstofdioxideconcentratie in de atmosfeer op den duur weer gaan afnemen. Dit is ook de reden dat (her)bebossing een groot thema is bij de hele discussie over de opwarming van de aarde.

 

Fotosynthese als een redoxproces 

Fotosynthese kan worden samengevat met de volgende bruto reactieverglijken ,

6CO2 + 6H2O + Lichtenergie ...............  C6H12O6 + 6O2

De brutoreactieverglijken van fotosynthese is een bedrieglijke eenvoudige samenvatting van een zeer ingewikkeld proces. In werklijkheid is fotosynthese niet een enkel proces maar bestaat het uit een veelvoud aan stappen.  Fotosynthese is een redoxproces , draait de richting van de elektronenstroom om . Water wordt gesplitst en eletronen worden getransporteerd samen met waterstofionen van water naar koolstofdioxide , waarbij koolstofdioxide wordt gereduceerd tot glucose .  During dit elektronen transport van water tot glucose wordt potentiële energie toenemen . De energie levert de zon . De chemische verandering tijdens de fotosynthese zijn het omgekeerde van de chemische verandering tijdens de celademhaling . 

 

De fotosynthese in detail

Fotosynthese is een ingewikkeld biochemisch proces dat via vele stappen verloopt. In feite bestaat fotosynthese uit twee delen: de lichtreactie en de donkerreactie.

Kort samengevat kan fotosynthese worden weergegeven volgens het onderstaande schema:

 

Voor de eerste stap, de lichtreactie, is direct zonlicht noodzakelijk. Hierdoor ontstaan moleculen die worden gebruikt in de tweede stap, de donkerreactie. Voor de donkerreactie is geen zonlicht noodzakelijk.

Stap 1. De lichtreactie

Fotosynthese begint als zonlicht valt op een chlorofyl-molecuul. Het chlorofyl-molecuul kan de energie uit zonlicht opvangen. Hierbij komen twee elektronen vrij. Deze elektronen doorlopen vervolgens een proces dat de elektronen transportketen wordt genoemd. De elektronen transportketen bestaat uit een reeks eiwitten die achtereenvolgens optreden als reductor (geeft elektronen af) en oxidator (neemt elektronen op).

De energie van de elektronen tijdens het transport wordt gebruikt om adenosinetrifosfaat (ATP) te vormen. ATP wordt in cellen gebruikt voor de opslag van energie.

ADP + Pi + energie   .......... ATP  + H2O

Aan het einde van de elektronentransportketen worden de elektronen gebruikt voor de vorming van NADPH. NADPH is de belangrijkste reductor in cellen en levert een bron van elektronen voor diverse andere reacties.

  • NADP+    +    H+    +    2 e−  ............  NADPH

Het tekort aan elektronen van het chlorofyl-molecuul moet uiteindelijk worden aangevuld. Hiervoor zal water optreden als reductor:

2H2O ..............O2  +   4 H+     +     4 e−

 

Deze reactie, waarbij water verdwijnt en zuurstof ontstaat, vormt de lichtreactie van de fotosynthese.

Stap 2. De donkerreactie

Tijdens de lichtreactie is de energie van het zonlicht omgezet in chemische energie en 'opgeslagen' in de moleculen ATP en NADPH. De donkerreactie gebruikt deze energie om koolstofdioxide om te zetten in glucose. Deze omzetting noemen we ook wel de Calvincyclus.

In de Calvincyclus wordt in een aantal stappen koolstofdioxide omgezet. Iedere stap in de cyclus wordt gekatalyseerd door een specifiek enzym. Het belangrijkste enzym is ribulosedifosfaatcarboxylase (rubisco). Rubisco katalyseert de eerste stap van de Calvincyclus: de reactie tussen koolstofdioxide en de stof ribulose-1,5-difosfaat.

De benodigde energie en elektronen voor de Calvincyclus worden vrijgemaakt uit ATP en NADPH:

 ATP  +    H2O   .............ADP   +   Pi   +     energie

NADPH ..................NADP    +H+      +           2 e−

 

Voor de vorming van één glucosemolecuul moet de Calvincyclus zesmaal worden doorlopen. De reactie die plaatsvindt in de Calvincyclus (de omzetting van koolstofdioxide in glucose) is als volgt:

6 CO2   +24H+        +          24 e−          C6H12O6    +        6 H2O

Na de fotosynthese 

Het glucose die na fotosynthese gemaakt is wordt gebruikt voor brandstof en bouwstof waarmee alle organische moleculen van de cellen kunnen worden gemaakt .  Ongeveer 50% van het organische materiaal dat door fotosynthese is geproduceerd wordt verbruik als brandstof voor de celademhaling in de mitochondriën van de plantcellen . Groen cellen zijn de enige autotrofee delen van een plant . de rest zijn afhankelijk van organische moleculen die door vaatweefsels getransporteerd worden . In meeste planten koolhydraten worden getransporteerd in de vorm Sacharose . In de niet - fotosynthetische wordt Sacharose gebruikt als brandstof voor celademhaling   waarbij eiwitten ,lipiden , en andere worden gevormd door anabole proces. Een grote deel van het sacharose wordt gebruikt voor de vorming van het polyscharide cellulose . De overtollige glucose wordt door planten omgezet in het polyscharide zetmeel . Die wordt opgeslagen in de leukoplasten van cellen die hoofdzakelijke in wortels , zaden of vruchten zitten .