Die Fotosynthese

Die Fotosynthese

Pflanzen sind in der Lage aus anorganischen Stoffen organischen Zucker herzustellen.

Biologie

Schlagwörter

Fotosynthese, Lichtreaktion, Dunkelreaktion, Chloroplast, aufbauender Stoffwechselprozess, autotróf, Blatt, Licht, Sonnenschein, Sauerstoff, organische Substanz, Kohlendioxid, Glykose, Sonnenenergie, Wasser, Glucose, Sauerstoffproduktion, Kohlenstoffdioxidbindung, innere Membran, Granum, Thylakoid, Grundsubstanz, Photosystem II., Photosystem I., Fotosynthesepigmente, ATP, ATPase, Elektronentransportsystem, Glycerinsäure-3-Phosphat, Glycerinaldehyd-3-Phosphat, Ribulose-1,5-bisphosphat, Energieumwandlung, Kreislauf, Photon, Atmosphärengase, Kohlenhydrat, Sonne, Stoffwechsel, Pflanze, Biochemie, Biologie, _javasolt

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Lichtreaktion

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Die Hauptaufgabe der Fotosynthese besteht darin, dass die Pflanze unter Verwendung von Lichtenergie aus anorganischem Kohlenstoffdioxid einen organischen Stoff herstellt: den Zucker. In diesem Prozess wird auch Sauerstoff gebildet.

Die Fotosynthese findet in den grünen Teilen der Pflanze, wie im Blatt und häufig auch dem Stiel, statt. Für die grüne Farbe ist das als Mesophyll bezeichnete Assimilationsgewebe, in dessen Zellen eine große Menge von fotosynthetisierenden Chloroplasten enthalten ist, verantwortlich.

Die Chloroplasten verfügen über eine doppelte Membranschicht, die scheibenförmigen Ausstülpungen der Innenmembran bilden die Thylakoide. Aufeinandergestapelt setzen sich diese Thylakoide dann zum säulenförmigen Granum zusammen. Die Membran der Thylakoide enthält die Schlüsselenzyme für die Lichtreaktion der Fotosynthese.

Besonders wichtig sind dabei die beiden Photosysteme und das sich zwischen diesen befindende Elektronentransportsystem. In den Photosystemen befinden sich an Proteine gekoppelte, Licht absorbierende Pigmente, von denen das grüne Chlorophyll das wichtigste ist. Die zentralen Chlorophyll-a Moleküle des Photosystem II. werden von den Photonen angeregt und setzen Elektronen frei.
Diese Elektronen gelangen in das Elektronentransportsystem. Dem oxidierten Chlorophyll fehlen Elektronen, die es aus Wasserstoffmolekülen ersetzt. Diesen Prozess nennt man Wasserzerlegung. Die Sauerstoffatome der Wasserstoffmoleküle vereinen sich zu Sauerstoff-Molekülen und die Protonen sammeln sich an der Innenseite an. Das erste Element des Elektronentransportsystems ist das Plastochinon, es gibt die Elektronen an den Cytochrom-Komplex weiter. Das Cytochrom ist ein eisenhaltiges Protein, es leitet Elektronen zum Plastocyanin weiter und pumpt dabei weitere Protonen auf die Innenseite der Membran. Von der Elektronentransportkette gelangen die Elektronen in das Photosystem I. Dem zentralen Chlorophyll-Molekül des Photosystems I. mangelt es an Elektronen, weil es zuvor unter Einwirkung von Photonen Elektronen abgegeben hat. Die abgegebenen Elektronen gelangen durch die Ferredoxin Moleküle auf die Ferredoxin NADP Reduktase.
In der Lichtphase sammeln sich an der Innenseite Protonen an, wodurch die Protonenkonzentration steigt bzw. ein Überschuss an positiver Ladung entsteht. Dies schafft eine nach außen wirkende Antriebskraft. Die Protonen können durch die ATPase herausströmen und Energie wird freigesetzt, denn das System gerät wegen des Ladungs- und Konzentrationsausgleichs aus einem energiereichen Zustand in einen Zustand mit niedrigerem Energiegehalt. Die freigesetzte Energie wird zur ATP Herstellung verwendet. Die austretenden Protonen und die Elektronen werden vom NADP aufgenommen und es entsteht NADPH.
Zusammengefasst: Dank der Energie der Photonen verteilen sich die Protonen gleichmäßig. Die dadurch entstandene Antriebskraft wird für die ATP-Produktion verwendet.

Für die Reaktionen der Dunkelphase ist kein Licht notwendig. In den Dunkelreaktionen wird Kohlenstoffdioxid unter Verwendung der Energie des in der Lichtphase produzierten ATPs und den Wasserstoffatomen des NADPH-s in organische Verbindungen integriert.
Nehmen wir 3 Zucker mit jeweils 5 Kohlenstoffatomen! Ihre Kohlenstoffatomanzahl beträgt zusammen 15. Ein Enzymprotein baut in alle drei Zuckermoleküle jeweils ein Kohlenstoffdioxid ein und die Produkte teilen sich. So entstehen 6 Moleküle mit je 3 Kohlenstoffatomen: die Gesamtkohlenstoffatomanzahl ist damit auf 18 gestiegen. Danach entsteht unter Verwendung von jeweils einem NADPH und einem ATP das Glycerinaldehyd-3-Phosphat.
Eins davon tritt aus dem Zyklus aus, die anderen wandeln sich mit 3 ATP wieder zu 3, über 5 Kohlenstoffatome verfügende Zuckermoleküle und der Zyklus startet neu. In dem Kreislauf wurde also ein Molekül mit 3 Kohlenstoffatomen freigesetzt, wozu ATP und NADPH notwendig waren, die in der Lichtreaktion gebildet wurden. In zwei solchen Zyklen entstehen zwei, über je 3 Kohlenstoffatome verfügende Moleküle, die aneinander gekoppelt die Glucose mit 6 Kohlenstoffatomen bilden. Aus der Glucose stellt die Pflanze ihre Nährstoffreserve, die Stärke her, bzw. setzt sie in abbauenden Stoffwechselprozessen zur Herstellung von ATP ein.

Es werden Experimente durchgeführt, um ein künstliches Fotosynthesesystem zu schaffen. Im künstlichen Blatt laufen in zwei Gefäßen voneinander getrennt die Licht- und die Dunkelreaktionen ab. Die Lichtreaktionen finden an einem Nitrid-Halbleiter statt, an dem unter Lichteinwirkung die Wasserzersetzung stattfindet. Der Sauerstoff tritt in Form von Blasen aus. Die Protonen und über einen Leiter auch die Elektronen gelangen in ein anderes Gefäß, in dem die Dunkelreaktionen stattfinden. Hier entsteht unter Verwendung eines Metallkatalysators aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Ameisensäure. Dieses System ermöglicht die Nutzung der Energie des Sonnenlichtes. Außerdem könnte es auch ermöglichen, den Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre zu verringern, was auch zur Verminderung der globalen Erwärmung beitragen könnte.

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