Photosynthese: Ablauf, Phasen und Einflussfaktoren
Photosynthese
Die Photosynthese findet in den Chloroplasten statt. Dabei wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt. Diese Energie dient dazu, organische Stoffe aus anorganischen Stoffen zu produzieren. Die Photosynthese ist die Umkehrung der Atmung und ein konstruktiver (aufbauender) Prozess.
Im Chloroplasten wird Lichtenergie absorbiert und zur Synthese von ATP-Molekülen und von Glucose aus CO2 und H2O verwendet. In den Mitochondrien wird die freigesetzte Energie in Form von ATP gespeichert, während Glucose zu CO2 und H2O oxidiert wird.
Die zwei Phasen der Photosynthese
Lichtreaktion
Die Pigmente der Thylakoidmembran fangen Lichtenergie ein. Über eine Kette von Elektronenüberträgern und Enzymen werden ATP und NADPH gebildet und O2 wird freigesetzt.
Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus)
Das in der Lichtreaktion gebildete ATP und NADPH werden in mehreren Reaktionen im Stroma der Chloroplasten verwendet, um aus anorganischen Verbindungen organische Verbindungen zu bilden. Sie benötigt kein Licht, kann aber nur ablaufen, solange ATP und NADPH vorhanden sind.
Photosynthetische Pigmente und Photosysteme
Zu den photosynthetischen Pigmenten gehören Chlorophylle (Hauptpigmente), Carotinoide und Phycobiline (Zubehörpigmente). Sie sind in der Thylakoidmembran zu Photosystemen gruppiert:
- Photosystem I: durchzieht die Stroma-Lamellen.
- Photosystem II: befindet sich in den Grana-Thylakoiden.
Photophosphorylierung
- Acyclische Photophosphorylierung: Photosystem I und II sind beteiligt. Über die ATP-Synthase werden ATP und NADPH synthetisiert, und O2 wird freigesetzt.
- Cyclische Photophosphorylierung: Nur Photosystem I ist beteiligt. Es entsteht ATP, es wird jedoch kein O2 freigesetzt.
Einflussfaktoren der Photosynthese
- Lichtintensität: Steigende Lichtintensität erhöht die photosynthetische Aktivität bis zu einem gewissen Grad.
- CO2-Konzentration: Mit zunehmender CO2-Konzentration steigt die photosynthetische Aktivität.
- Temperatur: Die Intensität der Photosynthese steigt mit der Temperatur bis zu einem Maximum.
- O2-Konzentration: Eine hohe O2-Konzentration verringert die Leistung der Photosynthese.
Calvin-Zyklus
Der Calvin-Zyklus findet im Stroma statt und verbraucht ATP und NADPH. Er beginnt mit der Aufnahme von CO2, katalysiert durch das Enzym RubisCO. Pro CO2-Molekül wird ein Kohlenstoffatom fixiert; nach drei Umdrehungen entsteht eine Triose. Ausgangsverbindung ist Ribulose und CO2, Endprodukt sind Ribulose und Glucose. Der Zyklus umfasst drei Phasen: Carboxylierung, Reduktion und Regeneration.
Zellatmung und Stoffwechselwege
Gärung
Die Gärung findet im Cytosol statt. Es handelt sich um eine anaerobe Oxidation organischer Stoffe, bei der Energie in Form von ATP gewonnen wird (Abbau von Glucose).
Krebs-Zyklus
Der Krebs-Zyklus ist eine Reihe von Reaktionen, bei denen die C-Atome des Acetyl-CoA vollständig zu CO2 oxidiert werden. Dabei entstehen NADH und FADH2. Er findet in der mitochondrialen Matrix statt und ist Teil des Katabolismus und des Anabolismus.
Glykogen- und Glucosestoffwechsel
- Glykogenese: Synthese von Glykogen aus Glucose.
- Glykogenolyse: Abbau von Glykogen zu Glucose.
- Gluconeogenese: Synthese von Glucose aus nicht kohlenhydratartigen Vorstufen.
Fettstoffwechsel
Fettsynthese
- Synthese von Glycerin: Glucose wird zu Glycerin umgewandelt.
- Synthese von Fettsäuren: Glucose wird über Glykolyse zu Pyruvat, dann zu Acetyl-CoA und über die Lipogenese zu Fettsäuren.
- Synthese von Triacylglyceriden: Glycerin und drei Fettsäuren werden durch Veresterung zu Triacylglyceriden verbunden.
Fettabbau (β-Oxidation)
Die Fettsäuren werden in der mitochondrialen Matrix zu Acetyl-CoA abgebaut. Dabei entstehen Acetyl-CoA, NADH und FADH2.
Stoffwechselwege und Orte
- Reaktivierung der Fettsäuren: Cytoplasma
- β-Oxidation der Fettsäuren: Mitochondrium
- Krebs-Zyklus: Matrix
- Atmungskette: mitochondriale Cristae
- Oxidative Phosphorylierung: Mitochondrien
Acyclische und cyclische Photophase
Siehe oben: Die acyclische Photophosphorylierung liefert ATP, NADPH und O2, die cyclische nur ATP.