Die Fotosynthese

Die Fotosynthese

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

Biologie

Schlagwörter

Fotosynthese, Lichtreaktion, Dunkelreaktion, Chloroplasten, 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

Verwandte Extras

3D-Modelle

Grundlagen

  • CO₂ - Kohlenstoffdioxid. Ein anorganisches Molekül, aus dem die Pflanze ein organisches Molekül herstellt: den Zucker. Pflanzen sind autotrophe Lebewesen: Sie sind dazu fähig, aus anorganischen Stoffen organische herzustellen. Heterotrophe Lebewesen (Tiere, Pilze) können das nicht.
  • O₂ - Entsteht als Nebenprodukt der Fotosynthese. Auf der Erde wird der Sauerstoffbedarf der heterotrophen Lebewesen durch die Fotosynthese gedeckt.
  • Licht - Seine Teilchen sind die Photonen. Unter Verwendung der aus den Photonen gewonnenen Energie stellen Pflanzen aus dem anorganischen Kohlenstoffdioxid den organischen Zucker her.
  • C₆H₁₂O₆ - Traubenzucker (Glucose). Pflanzen stellen aus Kohlenstoffdioxid, unter Verwendung von Lichtenergie, Glucose her.
  • H₂O - Die Pflanze nimmt aus dem Erdboden Wasser auf. Während der Fotosynthese zerfällt das Wasser in Sauerstoff, Protonen (H⁺) und Elektronen (e⁻).

Blattaufbau

  • Leitbündel: Xylem - Der Holzteil dient dem Transport von Wasser und anorganischen Salzen. Die Pflanze zerlegt das Wasser während der Fotosynthese in Sauerstoff, Protonen (H⁺) und Elektronen (e⁻).
  • Leitbündel: Phloem - Der Siebteil transportiert in Wasser gelöste organische Stoffe. Der während der Fotosynthese hergestellte Zucker wird hier zu den anderen Pflanzenteilen transportiert.
  • Spaltöffnung - Der für die im Mesophyll stattfindende Fotosynthese notwendige Kohlenstoffdioxid tritt hier ein und der hergestellte Sauerstoff aus. Durch diese Öffnung findet auch die Verdunstung statt. Die Pflanze kann sie, um sich vor dem Austrocknen zu schützen, schließen.
  • Mesophyll Assimilationsgewebe - Es enthält viele Chloroplasten: In ihnen findet die Fotosynthese statt. Das Mesophyll besteht aus zwei Schichten: oben aus langen zylindrischen Zellen, die das Palisadenparenchym bilden und unten aus dem Schwammparenchym.
  • Epidermis - Sie besteht aus nur einer Zellschicht. Ihre Zellen besitzen keine Chloroplasten, ausgenommen die Schließzellen der Spaltöffnungen. Die Epidermis dient dem Schutz der Pflanze und gewährleistet, durch die Spaltöffnungen, auch den Kontakt mit der Umwelt.

Fotosynthese

  • Leitbündel: Xylem - Der Holzteil dient dem Transport von Wasser und anorganischen Salzen. Die Pflanze zerlegt das Wasser während der Fotosynthese in Sauerstoff, Protonen (H⁺) und Elektronen (e⁻).
  • Leitbündel: Phloem - Der Siebteil transportiert in Wasser gelöste organische Stoffe. Der während der Fotosynthese hergestellte Zucker wird hier zu den anderen Pflanzenteilen transportiert.
  • Spaltöffnung - Der für die im Mesophyll stattfindende Fotosynthese notwendige Kohlenstoffdioxid tritt hier ein und der hergestellte Sauerstoff aus. Durch diese Öffnung findet auch die Verdunstung statt. Die Pflanze kann sie, um sich vor dem Austrocknen zu schützen, schließen.
  • Mesophyllzelle - Sie enthält viele Chloroplasten: In ihnen findet die Fotosynthese statt.
  • CO₂ - Kohlenstoffdioxid. Ein anorganisches Molekül, aus dem die Pflanze ein organisches Molekül herstellt: den Zucker. Pflanzen sind autotrophe Lebewesen: Sie sind dazu fähig, aus anorganischen Stoffen organische herzustellen. Heterotrophe Lebewesen (Tiere, Pilze) können das nicht.
  • O₂ - Entsteht als Nebenprodukt der Fotosynthese. Auf der Erde wird der Sauerstoffbedarf der heterotrophen Lebewesen durch die Fotosynthese gedeckt.
  • Licht - Seine Teilchen sind die Photonen. Unter Verwendung der aus den Photonen gewonnenen Energie stellen Pflanzen aus dem anorganischen Kohlenstoffdioxid den organischen Zucker her.
  • C₆H₁₂O₆ - Traubenzucker (Glucose). Pflanzen stellen aus Kohlenstoffdioxid, unter Verwendung von Lichtenergie, Glucose her.
  • H₂O - Die Pflanze nimmt aus dem Erdboden Wasser auf. Während der Fotosynthese zerfällt das Wasser in Sauerstoff, Protonen (H⁺) und Elektronen (e⁻).

Zelle

  • Golgi-Apparat - Spielt eine wichtige Rolle bei der Proteinreifung.
  • endoplasmatisches Retikulum - Im Zellinneren befindliches kompliziert aufgebautes Membransystem. Ist beteiligt an: Proteinbiosynthese, Proteinreifung, Lipidsynthese, Abbau bestimmter Stoffe.
  • Vesikel - Verschiedene Stoffe werden in den Zellen, in kleinen, von einer Membran umgebenen Bläschen, den Vesikeln, transportiert. Eine Art der Vesikel ist das Lysosom. Im Lysosom sind Verdauungsenzyme enthalten, hier werden überflüssige Stoffe abgebaut.
  • Zytoplasma
  • Vakuole - Mit Zellsaft gefüllte Zellorganelle. Dient der Druckregulierung in der Zelle (Turgor), sowie der Speicherung und Verdauung.
  • Chloroplast - Ort der Fotosynthese: Die Pflanze erzeugt aus Kohlendioxid und Lichtenergie Zucker.
  • Zellwand - Besteht aus Zellulose. Dient dem Schutz und der Formstabilität der pflanzlichen Zelle, sowie der Festigung des Pflanzengewebes.
  • Nukleus - Enthält das aus DNA und Proteinen bestehende Chromatin. Tier-, Pflanzen- und Pilzzellen sind Eukaryoten, d. h. sie besitzen einen Zellkern. Prokaryotische Zellen (Bakterien) besitzen keinen Zellkern, ihre DNA befindet sich im Zellplasma.
  • Zellmembran - Die die Zelle umhüllende Lipidmembran.
  • Zytoskelett - Ist verantwortlich für die Fixierung der Zellbestandteile, die Stabilisierung der Zelle und ihrer äußeren Form, sowie die Bewegung der Zelle.
  • Mitochondrium - Die „Kraftwerke“ der Zelle: Sie bilden durch Abbau organischer Moleküle ATP-Moleküle. Über das ATP wird die Zelle mit Energie versorgt.

Lichtreaktion

  • Chloroplast - Ort der Fotosynthese: Aus Kohlendioxid wird unter Verwendung von Lichtenergie Zucker hergestellt. Das Chloroplast besitzt zwei Membranen: die innere Membran enthält die Enzyme der Fotosynthese.
  • Innere Membran - Ihre flachen, runden Ausstülpungen sind Thylakoide: Sie enthalten die Schlüsselenzyme für die Lichtreaktion der Fotosynthese. Aufeinandergestapelt bilden sie das Granum.
  • Granum
  • Thylakoid
  • Grundsubstanz
  • Thylakoidmembran - Enthält die Schlüsselenzyme für die Lichtreaktion der Fotosynthese.
  • Thylakoid Innenraum
  • Photosystem II. - Besteht aus Proteinen und Licht absorbierenden Pigmenten. Sein Absorptionsmaximum beträgt 680 Nanometer (P680). Seine Pigmente sind: Chlorophyll a, Chlorophyll b und Xantophyll. Das zentrale Pigment seines Reaktionszentrums ist das Chlorophyll a. Wenn das Chlorophyll a Photonen absorbiert, gerät es in einen angeregten Zustand und setzt ein Elektron frei, welches in das Elektronentransportsystem gelangt.
  • Photosystem I. - Besteht aus Proteinen und Licht absorbierenden Pigmenten. Sein Absorptionsmaximum beträgt 700 Nanometer. Seine Pigmente sind: Chlorophyll a, Chlorophyll b und Carotin. Das zentrale Pigment seines Reaktionszentrums ist das Chlorophyll a. Wenn das Chlorophyll a ein Photon absorbiert, gerät es in einen angeregten Zustand und setzt ein Elektron frei. Dieses Elektron wird vom Photosystem I. durch das aus dem Elektronentransportsystem aufgenommene Elektron ersetzt.
  • e⁻
  • H₂O - Die Pflanze nimmt aus dem Erdboden Wasser auf. Während der Fotosynthese zerfällt das Wasser in Sauerstoff, Protonen (H⁺) und Elektronen (e⁻).
  • O
  • H⁺
  • O₂ - Entsteht als Nebenprodukt der Fotosynthese. Auf der Erde wird der Sauerstoffbedarf der heterotrophen Lebewesen durch die Fotosynthese gedeckt.
  • PQ-Komplex - Plastochinon. Es transportiert die vom Photosystem II. abgegebenen Elektronen zum Cytochrom-Komplex.
  • cyt - Der Cytochrom-Komplex enthält eisenhaltige Proteine. Es nimmt Elektronen vom PQ-Komplex auf und leitet sie zum Plastocyanin weiter. Währenddessen presst es Hydridionen durch die Membran in die Thylakoide.
  • PC - Das Plastocyanin nimmt Elektronen vom Cytochrom-Komplex auf und transportiert sie zum Photosystem I.
  • Fd - Ferredoxin. Es nimmt das Elektron vom Photosystem I. auf und gibt es an das FNR-Molekül weiter.
  • FNR - Ferredoxin NADP Reduktase. Es transportiert Elektronen zwischen Ferredoxin und NADP, es reduziert dadurch das NADP.
  • Phosphate
  • ADP
  • ATP - Es entsteht aus der Vereinigung von ADP und Phosphat. Es ist das zentrale Energie liefernde Molekül der Zellen. Unter Verwendung von ATP entsteht in der Dunkelphase aus anorganischem Kohlenstoffdioxid das organische Zuckermolekül.
  • NADP - Es nimmt vom FNR ein Elektron (e⁻) auf und reduziert sich durch das die ATPase durchströmende Proton (H⁺): Es entsteht NADPH.
  • NADPH
  • ATPase - ATP produzierende Enzymproteine. Die Protonen (H⁺) strömen von der Innenseite der Thylakoidmembran durch die ATPase auf die Außenseite der Thylakoidmembran. Die Protonen „streben“, wegen der hohen Protonenkonzentration und dem positiven Ladungsüberschuss, von der Innenseite nach außen. Während des Durchströmens der ATPase wird Energie freigesetzt, welche für die ATP-Produktion verwendet wird.
  • Elektronentransportsystem - Seine vom Photosystem II. angeregten Elektronen (e⁻) wandern über die Elektronentransportkette zum Photosystem I. Zugleich dringen Protonen (H⁺) durch die Membran und sammeln sich im Inneren des Thylakoids an.
  • Auf Protonen (H⁺) einwirkende Antriebskraft

Dunkelreaktion

  • ATP
  • ADP
  • NADPH
  • NADP
  • 5C - Zuckermolekül mit 5 Kohlenstoffatomen (Ribulose-1,5-bisphosphat)
  • CO₂ - Kohlenstoffdioxid. Anorganisches Molekül, aus dem die Pflanze ein organisches Molekül herstellt: den Zucker. Es hebt die Kohlenstoffanzahl des Zuckermoleküls mit 5 Kohlenstoffatomen an. Das, die Integration des Kohlenstoffdioxids katalysierende Enzymprotein (RuBisCo) ist das Schlüsselenzym der Dunkelreaktionen.
  • 3C
  • 3C - Molekül mit 3 Kohlenstoffatomen (Glycerinaldehyd-3-phosphat)
  • 6C (Glucose) - Produkt der Fotosynthese, entsteht aus dem 5 Kohlenstoffatome enthaltenden Zucker und dem 1 Kohlenstoffatom enthaltenden anorganischen Kohlenstoffdioxid. Die Pflanze verwendet die Glucose in ihren weiteren Stoffwechselprozessen für die Stärke-Synthese bzw. in ihren Verdauungsprozessen für die Herstellung von ATP.
  • Bindung von CO₂, Bildung von Glycerinsäure-3-Phosphat - Die Schlüsselreaktion der Dunkelphase. Hier wird das anorganische Kohlenstoffdioxid in das organische Zuckermolekül integriert. Der Sinn der autotrophen Prozesse ist, dass aus dem anorganischen Stoff ein organischer Stoff entsteht. Die Kohlenstoffatomanzahl steigt pro Molekül von 5 auf 6, das Produkt sind zwei über jeweils 3 Kohlenstoffatome verfügende Glycerinsäure-3-Phosphate. Der Katalysator dieser Reaktion ist das RuBisCo Enzym.
  • Bildung von Glycerinsäure-1,3-Diphosphat - Aus dem über 3 Kohlenstoffatome verfügenden Glycerinsäure-3-Phosphat wird, unter Verwendung von ATP, Glycerinsäure-1,3-Diphosphat.
  • Glycerinaldehyd-3-Phosphat Bildung - Aus dem über 3 Kohlenstoffatome verfügenden Glycerinsäure-1,3-Diphosphat entsteht das ebenfalls über 3 Kohlenstoffatome verfügende Glycerinaldehyd-3-Phosphat. Für die Reaktion ist NADPH notwendig und anorganisches Phosphat tritt aus dem Molekül aus (dies ist in der Animation einfachheitshalber nicht dargestellt).
  • Glycerinaldehyd-3-Phosphat tritt aus dem Zyklus aus. - Eins der sechs Glycerinaldehyd-3-Phosphate tritt aus dem Zyklus aus und wird von der Zelle für die Bildung von Glucose verwendet.
  • Bildung von Ribulose-1,5-bisphosphat - In mehreren Schritten, in von Enzymen katalysierten Reaktionen, mit Verwendung von ATP wandeln sich die über 3 Kohlenstoffatome verfügenden Glycerinaldehyd-3-Phosphat Moleküle in über 5 Kohlenstoffatome verfügende Ribulose-1,5-bisphosphat (Pentose). Das ist die Phase der Regeneration des Ribulose-1,5-bisphosphats. Der Zyklus beginnt wieder von vorne.

Künstliches Blatt

  • Nitrid-Halbleiter - Ein günstiger, häufig verwendeter Halbleiter. Er zerlegt unter Verwendung von Lichtenergie Wasser. Dies entspricht der Lichtreaktion der Fotosynthese.
  • Metall-Katalysator - Katalysiert die Reduktion des Kohlenstoffdioxids. Dies entspricht der Dunkelreaktion der Fotosynthese. Hier entsteht aus Kohlenstoffdioxid ein organischer Stoff (Ameisensäure).
  • H₂O
  • O₂
  • H⁺
  • e⁻
  • CO₂
  • HCOOH (Ameisensäure)

Animation

Narration

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.

Verwandte Extras

Das Chlorophyll

Das Blattgrün ist für die Lichtabsorption und somit für die Fotosynthese unverzichtbar.

Der Sauerstoffkreislauf

Sauerstoff befindet sich in der Erdatmosphäre in einem ständigen Kreislauf.

Der Treibhauseffekt

Er wird durch Emissionen verstärkt und ist für die globale Erwärmung verantwortlich.

Die tierische und pflanzliche Zelle, Organellen

In eukaryotischen Zellen befinden sich zahlreiche Organellen.

Die Funktionsweise der Enzyme

Biochemische Reaktionen katalysierende Proteinmoleküle, deren Funktion regulierbar ist.

Die Luftverschmutzung

Die Animation zeigt die Hauptquellen der Luftverschmutzung: Landwirtschaft, Industrie und Städte.

Transportprozesse

In der Animation sind die aktiven und passiven Transmembran-Transportprozesse dargestellt.

Das ADP, ATP

Das ATP ist das wichtigste energieliefernde Molekül der Zellen.

Der Aufbau der Blätter

Die Animation zeigt die wichtigsten Blatttypen und die Unterschiede zwischen den Blättern der Einkeimblättrigen und der Zweikeimblättrigen.

Der Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff bindet während der Fotosynthese an organische Stoffe; wird beim Atmen abgegeben.

Der Sauerstoff (O₂) (Mittelstufe)

Der Sauerstoff ist das häufigste Element der Erde und zum Leben unentbehrlich.

Die Blüte

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Die Entwaldung

Die Entwaldung hat zahlreiche negative Auswirkungen auf die Umwelt.

Die Nische

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Die Oberflächenspannung

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Die Riesenamöbe

Im Süßwasser lebender gemeiner heterotropher Einzeller, der seine Gestalt laufend verändert.

Die Sonne

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Samen und Keimung

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Vegetative Pflanzenorgane

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Das Augentierchen (Euglena viridis)

Der im Süßwasser lebende geißeltragende Einzeller betreibt Fotosynthese.

Der Vergleich von Einkeimblättrigen und Zweikeimblättrigen

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