Photosynthese & Chemosynthese: Grundlagen der Energieumwandlung
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Photosynthese: Energie aus Licht
Die Photosynthese ist der fundamentale Prozess, bei dem bestimmte Organismen Lichtenergie von der Sonne aufnehmen und diese in chemische Energie umwandeln. Dieser lebenswichtige Vorgang wird hauptsächlich von Pflanzen, grünen oder roten Algen und einigen Bakterien durchgeführt.
Es handelt sich um die Synthese organischer Substanzen aus anorganischer Materie (CO2, H2O, Mineralsalze) mithilfe von Lichtenergie, wobei molekularer Sauerstoff (O2) in die Atmosphäre freigesetzt wird.
Phasen der Photosynthese in eukaryotischen Zellen
In eukaryotischen Zellen findet die Photosynthese in den Chloroplasten in zwei Hauptphasen statt:
Die Lichtphase
Diese Phase ereignet sich in der Thylakoidmembran der Chloroplasten und wird durch Chlorophyll ermöglicht. Dabei wird die Lichtenergie der Sonne aufgenommen und in chemische Energie in Form von energiereichem ATP (Adenosintriphosphat) und einem stark reduzierenden Molekül, NADPH (Nicotinamidadenindinukleotidphosphat), umgewandelt. Die Photolyse von Wasser führt zur Freisetzung von O2.
Die Dunkelphase (Calvin-Zyklus)
Diese Phase findet im Stroma der Chloroplasten statt. Obwohl sie als "Dunkelphase" bezeichnet wird, ist direktes Licht nicht zwingend erforderlich, sie läuft jedoch tagsüber ab. Hierbei wird die in der Lichtphase gewonnene chemische Energie genutzt, um CO2 zu reduzieren und organische Stoffe zu synthetisieren.
Der Hauptzweck des Calvin-Zyklus ist es, die in der Lichtphase erzeugte Reduktionskraft (NADPH + H+) und Energie (ATP) zu nutzen, um aufgenommenes CO2 zu reduzieren und in Form von organischen Stoffen (z.B. Glukose) umzuwandeln.
Die Gesamtbilanz der Dunkelphase ist:
6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H+ → C6H12O6 + 18 Pi + 12 NADP+
Chemosynthese: Energie aus chemischen Reaktionen
Die Chemosynthese ist ein Prozess, bei dem ATP aus der Energie synthetisiert wird, die bei Oxidationsreaktionen anorganischer Substanzen freigesetzt wird. Die Organismen, die diese Prozesse durchführen, werden als chemoautotroph bezeichnet. Es handelt sich dabei ausschließlich um bestimmte Bakterien.
Diese Mikroorganismen spielen eine entscheidende Rolle in biogeochemischen Kreisläufen, indem sie das Leben auf der Erde ermöglichen und oxidierte Substanzen aus der Zersetzung toter Organismen in den Kreislauf zurückführen. So werden die Überreste von Lebewesen in Stickstoff- oder Schwefel-Mineralsalze umgewandelt, die von Pflanzen wieder aufgenommen werden können.
Photosynthese: Ein anaboler und endergonischer Prozess
Die Photosynthese ist ein anaboler Prozess, da sie Energie (CO2, H2O, Photonen aus dem Sonnenlicht, Mineralsalze) verbraucht, um komplexe Moleküle wie Kohlenhydrate zu synthetisieren. Sie ist zudem endergonisch und endotherm, da sie Energie aufnimmt und keine Wärme an die Umgebung abgibt.
Obwohl bei der Photosynthese atmosphärischer O2 freigesetzt wird, wird dieser O2 nicht von den Chloroplasten für den biologischen Abbau von Kohlenhydraten verwendet. Nur die Mitochondrien führen diesen Prozess, bekannt als biologische Verbrennung oder Zellatmung, durch.