Photosynthese: Von Licht zu Zucker einfach erklärt

Photosynthese: Energieumwandlung durch Licht

Die Photosynthese ist ein fundamentaler anaboler Prozess, bei dem Organismen, hauptsächlich Pflanzen, Algen und einige Bakterien, Lichtenergie nutzen, um organische Verbindungen aus anorganischen Stoffen herzustellen. Dabei wird die Energie des Sonnenlichts in chemische Energie umgewandelt, die in den Bindungen der organischen Moleküle (z.B. Glukose) gespeichert wird. Diese organischen Moleküle enthalten mehr Energie als die Ausgangsstoffe.

Ein entscheidendes Nebenprodukt der Photosynthese ist die Freisetzung von Sauerstoff (O₂) in die Atmosphäre. Nahezu der gesamte Sauerstoff in unserer Atmosphäre stammt aus der Photosynthese. Dieser Sauerstoff ist lebensnotwendig für die Atmung der meisten Lebewesen.

Die vereinfachte Gesamtgleichung der Photosynthese lautet:

6 CO₂ (Kohlenstoffdioxid) + 6 H₂O (Wasser) + Lichtenergie → C₆H₁₂O₆ (Glukose) + 6 O₂ (Sauerstoff)

Es ist wichtig zu verstehen, dass der freigesetzte Sauerstoff aus der Spaltung von Wassermolekülen stammt, nicht direkt aus dem Kohlenstoffdioxid. Das CO₂ wird zur Synthese von Glukose verwendet. Die Bildung von Glukose und die Freisetzung von O₂ sind gekoppelte Prozesse innerhalb der Photosynthese.

Lichtabhängige Phase (Hill-Reaktion)

Die lichtabhängige Phase, auch Hill-Reaktion genannt, benötigt direktes Sonnenlicht und findet in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten statt. In diesen Membranen sind die sogenannten Photosysteme lokalisiert. Die Hauptprodukte dieser Phase sind chemische Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) und Reduktionsäquivalente in Form von NADPH + H⁺. Diese beiden Substanzen werden in der nachfolgenden lichtunabhängigen Phase benötigt.

Photosysteme und Lichtabsorption

Ein Photosystem ist ein Komplex aus Proteinen und Pigmentmolekülen (wie Chlorophyll und Carotinoide), der Lichtenergie absorbiert und in chemische Energie umwandelt. Es gibt zwei Haupttypen von Photosystemen:

• Photosystem II (PSII oder P680): Absorbiert Licht optimal bei einer Wellenlänge von ca. 680 Nanometern.
• Photosystem I (PSI oder P700): Absorbiert Licht optimal bei einer Wellenlänge von ca. 700 Nanometern.

Jedes Pigmentmolekül ist auf die Absorption spezifischer Lichtwellenlängen spezialisiert. Wenn ein Photon (Lichtquant) auf ein Pigmentmolekül im Antennenkomplex eines Photosystems trifft, wird dessen Energie zum Reaktionszentrum weitergeleitet. Dort wird ein Elektron eines speziellen Chlorophyll-a-Moleküls (P680 im PSII, P700 im PSI) auf ein höheres Energieniveau angehoben. Dieses angeregte Elektron wird dann an einen primären Elektronenakzeptor abgegeben (im PSII ist dies Phäophytin). Dieser Zustand ist instabil, und das Elektron wird durch eine Kette von Molekülen weitergereicht.

Elektronentransport und ATP-Synthese

Die vom PSII abgegebenen Elektronen durchlaufen eine Elektronentransportkette, zu der Moleküle wie Plastochinon, der Cytochrom-b₆f-Komplex und Plastocyanin gehören. Während dieses Transports geben die Elektronen schrittweise Energie ab.

Diese freigesetzte Energie wird genutzt, um Protonen (H⁺) aus dem Stroma in den Thylakoidinnenraum zu pumpen. Dadurch entsteht ein Protonengradient über der Thylakoidmembran. Dieser Gradient treibt die ATP-Synthase an, ein Enzym, das die Bildung von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat (Pᵢ) katalysiert. Dieser Prozess wird als Photophosphorylierung bezeichnet.

Die Elektronen erreichen schließlich das Photosystem I, wo sie die durch Lichtanregung entstandene Elektronenlücke im P700 füllen. Auch im PSI werden Elektronen durch Lichtenergie angeregt und an eine weitere, kürzere Elektronentransportkette abgegeben, die Ferredoxin und die NADP⁺-Reduktase umfasst. Am Ende dieser Kette werden die Elektronen zusammen mit Protonen aus dem Stroma auf NADP⁺ übertragen, wodurch NADPH + H⁺ entsteht.

Photolyse des Wassers und Sauerstoffproduktion

Um die Elektronenlücke zu füllen, die im Reaktionszentrum P680 des Photosystems II durch die Abgabe von Elektronen entstanden ist, findet die Photolyse des Wassers statt. Dabei werden Wassermoleküle (H₂O) durch Lichtenergie gespalten:

2 H₂O → 4 H⁺ + 4 e⁻ + O₂

Die dabei entstehenden Elektronen (e⁻) werden auf das P680 übertragen, die Protonen (H⁺) tragen zum Protonengradienten im Thylakoidinnenraum bei, und der molekulare Sauerstoff (O₂) wird als Nebenprodukt in die Atmosphäre abgegeben. Alle diese Prozesse – Lichtabsorption, Elektronentransport, ATP-Synthese, NADPH-Bildung und Wasserspaltung – laufen gleichzeitig und koordiniert ab.

Zusammenfassend sind die Schritte der Lichtreaktion:

1. Lichtabsorption und Elektronenanregung in PSII und PSI.
2. Elektronentransport vom PSII zum PSI unter ATP-Bildung.
3. Elektronentransport vom PSI zur NADP⁺-Reduktase unter NADPH-Bildung.
4. Photolyse von Wasser zur Regeneration der Elektronen im PSII und Freisetzung von O₂.

ATP und NADPH + H⁺ sind die energiereichen Produkte der Lichtreaktion, die für die lichtunabhängige Phase benötigt werden.

Lichtunabhängige Phase (Calvin-Zyklus)

Die lichtunabhängige Phase, auch als Calvin-Zyklus bekannt, benötigt kein direktes Licht, ist aber von den Produkten der Lichtreaktion (ATP und NADPH + H⁺) abhängig. Sie findet im Stroma der Chloroplasten statt. In dieser Phase wird Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus der Atmosphäre fixiert und mithilfe der Energie aus ATP und der Reduktionskraft von NADPH + H⁺ zu Zuckern (wie Glukose) reduziert.

CO₂-Fixierung

Der erste Schritt des Calvin-Zyklus ist die Fixierung von CO₂. Das Enzym RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/-Oxygenase) katalysiert die Anlagerung eines CO₂-Moleküls an Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP), einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen. Dabei entsteht ein instabiles Zwischenprodukt mit sechs Kohlenstoffatomen, das sofort in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (3-PGA) zerfällt, eine Verbindung mit jeweils drei Kohlenstoffatomen.

Reduktion und Zuckersynthese

Im nächsten Schritt wird das 3-Phosphoglycerat (eine Säure) reduziert. Jedes Molekül 3-PGA wird zunächst durch ATP phosphoryliert und dann durch NADPH + H⁺ zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P), einem Zucker (Aldehyd), reduziert. Dabei werden ATP zu ADP + Pᵢ und NADPH + H⁺ zu NADP⁺ (welches wieder in der Lichtreaktion eingesetzt werden kann) umgewandelt.

Ein Teil der G3P-Moleküle verlässt den Zyklus und dient als Ausgangsstoff für die Synthese von Glukose, Stärke, Cellulose und anderen organischen Verbindungen, die die Pflanze für Wachstum und Energiespeicherung benötigt.

Regeneration von Ribulose-1,5-bisphosphat

Der größte Teil der G3P-Moleküle verbleibt im Calvin-Zyklus und wird in einer Reihe komplexer Reaktionen unter weiterem ATP-Verbrauch wieder zu Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) regeneriert. Damit ist der Akzeptor für CO₂ wiederhergestellt, und der Zyklus kann von Neuem beginnen.

Für die Nettosynthese eines Moleküls G3P (ein C₃-Zucker), das den Zyklus verlässt, müssen drei Moleküle CO₂ fixiert werden, wobei 9 Moleküle ATP und 6 Moleküle NADPH verbraucht werden.