Die Fotosynthese - ein erster Erklärungsversuch

Abb. 1: Lichtreaktionen der Fotosynthese
Abb. 1: Lichtreaktionen der Fotosynthese

 

Wenn du dir eine Pflanze oder ein Blatt mal anguckst, erkennst du direkt die typische grüne Farbe. Diese stammt von den Chloroplasten in den Zellen und ist auch dafür verantwortlich, dass du jeden Tag überleben kannst. Die Chloroplasten sind nämlich verantwortlich für die Fotosynthese und somit auch für den Sauerstoff den du einatmest.

Dieser Prozess ist einer der am schwersten verständlichen in der Oberstufenbiologie und ich hoffe, dass du ihn hiernach besser verstehen wirst. Bitte versuche dir dabei die Abläufe auch anhand der obigen Abbildung zu verdeutlichen!

Wie jeder weiß, sind Pflanzen für die Fotosynthese verantwortlich. Deswegen findet sie auch in den besonderen Zellorganellen, den Chloroplasten, statt. Um genau zu sein, in der Membran der Thylakoiden. Dort teilt sich die Fotosynthese in drei Teilschritte auf, und zwar die:

 Lichtreaktion I

Lichtreaktion II

 ATP- Synthese

 

Beginnen wir mit der Lichtreaktion I. Daran sind das Chlorophyll a1 und sein Lichtsammelkomplex beteiligt. Der Lichtsammelkomplex nimmt für das Chlorophyll a1 Licht in dem Wellenbereich von 700nm auf. Im inneren des Komplexes leiten dann die Antennenpigmentmoleküle das Licht zum Reaktionszentrum weiter, wo es dort zu chemischer Energie in Form von Elektronen umgewandelt wird. Von dort werden die Elektronen dann über eine Elektronentransportkette zu dem Akzeptor von NADP+ weitergeleitet. Dadurch entsteht im Chlorophyll a1 ein Elektronenmangel.

Abb. 2: Lichtsammelkomplex
Abb. 2: Lichtsammelkomplex

Um diesen Elektronenmangel kümmert sich die Lichtreaktion II. Wenn dort der Elektronenmangel registriert wird, wird H2O am Chlorophyll a2 gespalten. Das passiert am wasserspaltenen Komplex, welcher sich an der Membran befindet. Diese Spaltung kann durch folgende Reaktion beschrieben werden: 

2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e-

 

Die vier entstanden Elektronen werden nun über eine weitere Elektronentransportkette zum Chlorophyll a1 weitergeleitet, wo nun der Mangel behoben wurde.  Aber auch die anderen Produkte werden weiterbenutzt. Zu den Protonen (H+) kommen wir gleich, aber es lässt sich etwas ganz wichtiges beobachten. Der Sauerstoff, das O2, ist nur ein Nebenprodukt der Fotosynthese, aber dennoch für uns vom unglaublichen Wert.

Um das Fotosystem II (Lichtreaktion II) abzuschließen, muss noch erwähnt werden, dass das Chlorophyll a2 auch einen Lichtsammelkomplex besitzt und auch als normales Fotosystem aktiv ist, welches aber bei 680nm arbeitet. Das Spalten des Wassers ist nur zu dem Ausgleich des Elektronendefizites gedacht. Es ist für den nächsten Schritt auch wichtig, dass die Protonen sich nach der Spaltung des Wassers in den Thylakoiden befinden. Dadurch entsteht ein Gradient (ein Ladungsunterschied zwischen zwei Bereichen) zwischen dem Innenraum der Thylakoiden und der Matrix der Chloroplaste.

Wir machen nun weiter mit der ATP-Synthese. Diese hängt nämlich mit dem Fotosystem I und Fotosystem II zusammen. Wichtig sind nämlich die Spaltung des Wassers und der dadurch entstehende Gradient. Die Protonen fließen nämlich von dem Gradienten abgetrieben zu dem ATP-Synthese-System. Dieses besitzt nämlich ein Protonen-Transport-Protein. Wenn die Protonen nun in die Matrix kommen wird dadurch Energie frei, welche aus ADP und P ATP herstellen kann. Das nennt man die Fotophosphorylierung.

Man unterscheidet aber in zwei Arten der Fotophosphorylierung. Bei der nichtzyklischen Fotophosphorylierung werden auch die Elektronen benutzt, die bei der Wasserspaltung frei gesetzt wurden. Diese wandern zu dem Fotosystem I und verbinden sich dort mit H+-Ionen und NADP+ zu NADPH und H+. Das ist ein Stoff der später noch sehr wichtig für uns seinen wird.

Bei der zyklischen Fotophosphorylierung wird Energie im Chlorophyll a1 hergestellt. Diese wird weitergeleitet, jedoch nach dem Chlorophyll a2 wieder durch das Thylakoid in die Elektronentransportkette nach dem Fotosystem II eingeschleust. Dadurch entsteht ein Kreislauf der Elektronen. Diese verstärken wiederum den Gradienten und sorgen für eine verstärkte ATP-Produktion. 

Damit ist der erste Teil der Fotosynthese abgeschlossen. Es wurden nämlich bis jetzt nur die lichtabhängigen Reaktionen betrachtet. Der chemische Prozess lässt sich wie folgt zusammenfassen:

H2O + NADP + ADP + P O2 + NADPH + H+ + ATP

 

Als nächsten kommen die lichtunabhängigen Reaktionen. Damit kommt auch der „chemische Teil“, wenn das Vorherige nicht schon chemisch genug war. Wie schon angesprochen, werden jetzt das viele ATP und NADPH gebraucht. Denn wir besprechen nun den Calvin-Zyklus, und dieser ist für die Synthese von Glucose und den Verbrauch von CO2 verantwortlich. Bitte beachte bei den folgenden Erklärungen auch die Abbildung am Ende!

Der Zyklus startet mit Kohlenstoffdioxid, welcher in den Zyklus eingespeist wird. Dort verbindet er sich mit 6 Ribulose-1,5-bisphosphat (solltet ihr das nicht verstehen, hilft vielleicht die Abbildung am Textende) zu 12 3-Phosphoglycerat. Dieser Prozess ist die Fixierung. Nun werden beim weiteren Prozess die 12 ATP und die 12 NADP+ + H+ verbraucht und damit zu ADP + P und NADP+ umgewandelt. Daraus entstehen 12 Glycerinaldehyd-3-phosphat. Das ist die Reduktion.

Davon werden 2 Glycerinaldehyd-3-phosphat abgespalten und durch die Abspaltung der beiden Phosphate zu Glucose. In diesem Schritt entsteht also die Glucose bei der Fotosynthese (Glucosebildung).

Die im Zyklus nun noch weiterlaufenden 10 Glycerinaldehyd-3-phosphat werden erneut unter Energiezufuhr, also mit ATP, zu 6 Ribulose-1,5-bisphosphat umgewandelt. Das ist dafür da, damit die Aktzeptormoleküle vom CO2 regeneriert werden können, womit wir wieder am Anfang des Zyklus stehen.

Abb. 3: Übersicht Calvin-Zyklus
Abb. 3: Übersicht Calvin-Zyklus