Photosynthese und Chemosynthese: Ablauf & Faktoren

Grundlagen der Photosynthese

Alle Zellen können Energie durch die Oxidation organischer Moleküle (wie Glucose) gewinnen. Autotrophe Zellen müssen diese Moleküle jedoch erst synthetisieren, bevor sie sie katabolisieren können (autotropher Stoffwechsel). Der Prozess der Synthese von Biomolekülen aus CO₂ und H₂O als Ausgangssubstraten unter Nutzung von Sonnenlicht als Energiequelle wird als Photosynthese bezeichnet.

• Gesamtreaktion: 6 CO₂ + 6 H₂O + Licht → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
• Photosynthetische Organismen: Grüne Pflanzen, Algen (Grün-, Rot- und Braunalgen), Cyanobakterien und bestimmte Bakterien (grüne und violette Schwefelbakterien).

Chloroplasten, Pigmente und Photosysteme

Damit die Lichtenergie einem Lebewesen dienen kann, muss sie von Molekülen absorbiert und eingefangen werden. Diese lichtabsorbierenden Substanzen werden als Pigmente bezeichnet und befinden sich in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten. Sie enthalten Chromophore, also chemische Gruppen, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen im sichtbaren Spektrum absorbieren können. Zu diesen Pigmenten gehören unter anderem Chlorophylle (a und b), Xanthophylle und Carotinoide.

Die Phasen der Photosynthese

• Lichtabhängige Reaktionen (Lichtreaktion / photochemische Phase): Diese Reaktionen laufen in den Grana der Chloroplasten ab. Dabei werden H₂O-Moleküle gespalten, O₂ wird freigesetzt, und es werden ATP sowie NADPH gebildet.
• Lichtunabhängige Reaktionen (Dunkelreaktion / Calvin-Zyklus): Diese Reaktionen finden im Stroma statt. Hierbei wird Glucose aus CO₂ synthetisiert, wofür das in der vorherigen Phase erzeugte ATP und die Reduktionskraft von NADPH genutzt werden.

Reduktion von Nitrat und Sulfat

Pflanzen können den benötigten Stickstoff beispielsweise aus Nitrat (NO₃^-) gewinnen. Nitrate werden über die Wurzeln aufgenommen und durch die Leitgefäße (Xylem) in das chlorophyllhaltige Parenchym der Blätter transportiert. Im Nitrat liegt der Stickstoff in einer hochoxidierten Form vor, während er in organischen Verbindungen in reduzierter Form benötigt wird. Die für diesen Reduktionsprozess erforderliche Energie und Reduktionskraft werden durch ATP und NADPH bereitgestellt. Beide Produkte werden, wie wir wissen, in großen Mengen während der Lichtreaktion der Photosynthese gewonnen. Dies ist auch der Grund, warum die Reduktion von Stickstoff und seine Einbindung in organische Substanzen in den Chloroplasten stattfindet – nicht, weil der Prozess direktes Licht benötigt, sondern weil dort die benötigten Coaktoren vorliegen.

Anmerkung: Hierfür werden Nitrate zunächst zu Nitrit und dieses anschließend zum Ammoniumion reduziert. Das Ammoniumion wird in eine Kohlenstoffkette (eine Ketosäure) eingebaut, wodurch die Aminosäure Glutaminsäure entsteht. Diese Aminosäure dient in der Folge als Stickstoffdonator für andere organische Moleküle, die ihn benötigen.

Schließlich ist zu erwähnen, dass Schwefel von Pflanzen in Form von Sulfaten (SO₄^2-) oder anderen Salzen über die Wurzeln aufgenommen wird. Nach der Reduktion wird er in ähnlicher Weise wie Stickstoff in organische Substanzen eingebaut.

Photosynthese vs. Chemosynthese

Photosynthese: Sie wird von photosynthetisch autotrophen Organismen betrieben, also solchen, die Biomoleküle unter Nutzung von Sonnenlicht synthetisieren können, wobei CO₂ als Kohlenstoffquelle dient. Zu diesen photosynthetischen Autotrophen gehören Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien.

Chemosynthese: Dieser Prozess wird von chemosynthetisch autotrophen Organismen durchgeführt, welche die für biosynthetische Prozesse benötigte Energie aus der Oxidation anorganischer Moleküle gewinnen. Chemosynthetische Autotrophe sind bestimmte Bakterien.

Einflussfaktoren auf die Photosynthese

Folgende Faktoren beeinflussen die Leistung der Photosynthese:

1. Lichtintensität und Wellenlänge: Wir wissen, dass Carotinoide und Chlorophylle in den Photosystemen Photonen bestimmter Wellenlängen absorbieren. Wenn eine Pflanze daher mit unzureichender Lichtintensität oder einer ungeeigneten Wellenlänge beleuchtet wird, kann die Photosynthese nicht optimal ablaufen, und die Pflanze kann sich nicht richtig entwickeln.
2. Temperatur: Die Photosynthese wird wie jeder biochemische Prozess von der Temperatur beeinflusst. Bei einer Temperaturerhöhung um jeweils 10 °C verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit (RGT-Regel). Eine übermäßige Temperaturerhöhung denaturiert jedoch die beteiligten Enzyme, was zu einem raschen Abfall der Photosyntheseleistung führt.
3. CO₂-Konzentration: Wenn alle anderen Faktoren konstant gehalten werden, führt ein Anstieg der CO₂-Konzentration zu einer Erhöhung der Photosyntheserate bis zu einem Sättigungswert, über dem sie sich stabilisiert.
4. O₂-Konzentration: Ein Anstieg der O₂-Konzentration hemmt die Photosynthese, da Sauerstoff das Enzym (RuBisCO) kompetitiv hemmt, welches CO₂ an Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) bindet.