Grundlagen der Photosynthese und Zellatmung

1. Was ist Photosynthese?

Bei diesem Prozess erfolgt die Umwandlung von Wasser (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) in organische Materie mithilfe von Lichtenergie.

2. Aufbau des Chloroplasten

• 1 - Äußere Membran
• 2 - Interne Membran
• 3 - Grana
• 4 - Intergrana-Lamellen
• 5 - Stroma

3. Energiequellen und Photophosphorylierung

Die Lamellen sind die Energiequelle während des gesamten Prozesses; dies geschieht durch ATP und NADPH₂.

Zyklische Photophosphorylierung

• Tritt bei der Photosynthese in Gegenwart von Licht auf.
• Es wird ATP aus ADP und einer Phosphatgruppe synthetisiert.
• Reaktion: ADP + Pi + Energie → ATP.
• Die Elektronen, die aus dem Chlorophyll-Molekül stammen, kehren nach dem Durchgang durch die Elektronentransportkette zum Chlorophyll-Molekül zurück (daher der Name „zyklisch“).
• Es werden 2 ATP-Moleküle pro übertragenem Elektron produziert.
• Benötigt keine externe Elektronenquelle.
• Produziert kontinuierlich ATP, solange Lichtenergie vorhanden ist.

Nicht-zyklische Photophosphorylierung

Die H⁺-Protonen werden durch das reduzierte NADP eingefangen, das die durch Ferredoxin angeregten Elektronen empfängt, wodurch NADPH₂ entsteht, welches in der Glukosesynthese verwendet wird. Diese Zersetzung des Wassermoleküls wird als Photolyse bezeichnet.

4. Die Lichtreaktion

Die Lichtreaktion findet in Anwesenheit von Licht in den Thylakoidmembranen statt. Elektronen werden durch die Wirkung von Photonen auf die Fotosysteme angeregt, um NADP⁺ zu NADPH zu reduzieren. Durch die Elektronentransportkette wird die Energie der Elektronen für die ATP-Synthese genutzt. Die zwei wichtigsten Prozesse sind die Photolyse des Wassers und die Photophosphorylierung. Das Abfallprodukt dieser Phase ist molekularer Sauerstoff.

6. Endprodukte der Photosynthese

Das Endprodukt der Photosynthese ist ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen (Glukose), wobei Sauerstoff als Abfallprodukt entsteht.

7. Prozess der Zellatmung

Dies ist der Prozess, bei dem lebende Zellen unter Verwendung von Sauerstoff die in der Nahrung gespeicherte chemische Energie freisetzen.

10. Phasen der Zellatmung

• Glykolyse: Findet wie bei der Gärung im Zytoplasma statt.
• Citratzyklus (Krebs-Zyklus): Hier wird Kohlendioxid aus Glukose freigesetzt.
• Atmungskette: Hier werden die Wasserstoffatome der Glukose auf O₂ übertragen, wobei Wasser entsteht. Diese beiden letzten Schritte finden in den Mitochondrien statt.

11. Produkte der Glykolyse

Dieser Prozess findet unter Abwesenheit von Sauerstoff statt. Jedes Glukosemolekül wird in 2 Moleküle Brenztraubensäure (Pyruvat) gespalten:

2 Pyruvat + 2 ADP + 4 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 H₂O

13. Milchsäure- und alkoholische Gärung

Die Milchsäuregärung ist ein anaerober Prozess, bei dem die Zelle Glukose zur Energiegewinnung nutzt und Milchsäure als Abfallprodukt anfällt. Dieser Prozess wird von vielen Bakterien (Milchsäurebakterien), Pilzen, Einzellern und einigen tierischen Geweben durchgeführt. Im Muskelgewebe tritt sie auf, wenn aufgrund intensiver motorischer Aktivität nicht genügend Sauerstoff für die aerobe Atmung zur Verfügung steht.

16. Der Citratzyklus

Der Citratzyklus (auch Krebs-Zyklus genannt) ist der gemeinsame Weg der Oxidation von Brenztraubensäure, Fettsäuren und Aminosäuren. Die erste Reaktion erfolgt, wenn Coenzym A seine Acetyl-Gruppe auf Oxalacetat überträgt, um Zitronensäure zu bilden. In einer Reihe von Schritten wird das Molekül oxidiert, wobei NAD⁺ zu NADH und FAD zu FADH₂ reduziert wird. Am Ende wird wieder Oxalacetat regeneriert.

17. Endprodukte der Zellatmung

Zellatmung ist die Summe der biochemischen Reaktionen, bei denen die aus der Glykolyse stammende Brenztraubensäure zu Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) abgebaut wird, wobei bis zu 38 Moleküle ATP entstehen.

18. Vergleich der chemischen Gleichungen

• Photosynthese: 6 CO₂ + 6 H₂O + Lichtenergie → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
• Zellatmung: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + Energie (ATP)