Zusammenfassung der Photosynthese

Die Fotosynthese ist ein wichtiger Prozess der Stoff und Energieumwandlung, der in pflanzlichen Zellen geschieht. Ausgangsstoffe dafür sind Wasser, das über die Wurzeln zu dem Inneren der Pflanze gelangt, und Kohlenstoffdioxid, welches von der Luft über die Blätter aufgenommen wird.

Die Fotosynthese lässt sich in zwei Reaktionen untergliedern:
Es folgt eine kurze Erläuterung, danach eine genauere Betrachtung der beiden Reaktionen.
Bei der lichtabhängigen Reaktion (= Lichtreaktion) wird Wasser mithilfe von Licht gespalten, wodurch Sauerstoff entsteht. Dieser Vorgang nennt sich Fotolyse. Lichtenergie wird mithilfe des Energiespeichermoleküls ATP in chemischer Form gespeichert. NADPH/H+ wird gebildet.

Bei der lichtunabhängigen Reaktion (=Dunkelreaktion) wird Kohlenstoffdioxid in einer Reihe komplizierter Reaktionen zu Glucose reduziert. Dabei werden die bei der Lichtreaktion gebildeten ATP und NADPH/H+ Moleküle verbraucht.

Die lichtabhängigen Reaktionen finden an der Thylakoidmembran der Chloroplasten statt. Diese enthalten Fotosysteme, die aus einem Reaktionszentrum, einem Antennenkomplex und verschiedenen Enzymkomplexen bestehen. Der Antennenkomplex besteht aus etwa 300 Chlorophyllmolekülen. Bei Lichteinfall wird die Lichtenergie zum Reaktionszentrum geleitet. Man spricht hier von einer Lichtsammelfalle, deren genaue Struktur erstmals 1983 aufgeklärt wurde.
Durch die Absorption von Licht werden nun Elektronen im Fotosystem II auf ein höheres Energieniveau gebracht. Die fehlenden Elektronen im Fotosystem II werden durch die Spaltung des Wasser-Moleküls zurückgewonnnen.
Die energiereichen Elektronen werden jetzt entlang der Thylakoidmembran in einer Elektronentransportkette durch eine Reihe von Redoxreaktionen auf das Fotosystem I übertragen. Auch dort werden sie durch die Lichtabsorption der Chlorophyllmoleküle auf ein höheres Energieniveau gebracht und anschließend mit Protonen auf das Enzym NADP+ übertragen. Man nennt es den azyklischen Elektronentransport, bei dem NADPH/H+ entsteht.
Im Gegensatz dazu der zyklische Elektronentransport, bei dem energiereiche Elektronen nicht auf NADP+ übertragen werden, sondern zur Elektronentransportkette zurückfließen, stehen die Elektronen dem System erneut zur Bildung von ATP und NADPH/H+ zur Verfügung.

Bei der Wasserspaltung entstehen Sauerstoff und Protonen. Letztere werden im Innenraum der Thylakoide angesammelt und durch fortlaufende Wiederholung dieses Vorgangs entsteht bezüglich der Protonen ein Konzentrationsunterschied zwischen dem Raum außerhalb der Thylakoide und deren Innenraum. Es kommt zur Ausbildung eines Protonengradienten, an dem Protonen nach innen ins Stroma fließen. Die Energie, die dabei frei wird ermöglicht die Synthese von ATP aus ADP und Phosphat mit dem Enzymkomplex ATP-Synthase. Das Sonnenlicht ist nun also teilweise in ATP gespeichtert und kann für die lichtunabhängigen Reaktionen verwendet werden.

Die Reaktionsgleichung der Fotosynthese lautet 12 H2O + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 P —> 6 O2 +12 NADPH/H+ + 18 ATP

Die anschließende Dunkelreaktion wird auch Calvin-Zyklus genannt, zu Ehren ihres Erforschers Melvin Calvin.
Durch raffinierte Nachweistechniken mit radioaktiven Kohlenstoffisotopen stellte man fest, dass man zur Bildung von Glucose (ein C6 Körper), 6 Moleküle Kohlenstoffdioxid (C2 Körper) fixiert werden müssen. Der Kohlenstoffdioxid wird zuerst an eine C5 Bindung mit der Bezeichnung Ribulose-1,5-biphosphat gebunden. Diese zerfällt sofort wieder in zwei C3 Körper, da die Verbindung so instabil ist. Diese zwei Moleküle sind 3-Phosphoglycerinaldehyd. Die Reduktion dieser führt zu Glycerinaldehyd-3-phosphat. Dazu werden 2 ATP als Energielieferant und 2 NADPH/H+ pro CO2 als Energielieferant benötigt.

Aus 6 CO2 werden 12 C3 Körper, 2 Körper dieser Glycerinaldehyd-3-phosphate führen zur Bildung von Glucose. Die restlichen Moleküle dienen dann zur Regeneration von 6 C5 Körpern, wofür weitere 6 ATP verbraucht werden.
Die Gleichung der Dunkelreaktion lautet
6 CO2 + 12 NADPH/H+ + 18 ATP —> C6H12O6 + 6H2O + 18 ADP + 18 P + 12 NADP+