Photosynthese: Mechanismus, Chloroplasten, Pigmente und Geschichte

Photosynthese: Mechanismus und Einflussfaktoren

Photosynthese: einzigartiger Mechanismus des Energie-Inputs in der Biosphäre. Licht wird eingefangen und in chemische Energie umgewandelt (organische Stoffe), in Form von Kohlenhydraten gespeichert; dabei wird O₂ produziert. Die Photosynthese ist ein kennzeichnender Prozess des Pflanzenreichs. Sie wird durch folgende Faktoren beeinflusst: Licht, Temperatur (T°), Luftfeuchtigkeit, Verfügbarkeit von Wasser, Kohlendioxid (CO₂) und Nährstoffen.

Der Anteil freien Sauerstoffs in der Atmosphäre beträgt etwa 21%.

Historische Beiträge zur Photosynthese

Aristoteles: frühe Beobachtungen

Aristoteles: frühe Beiträge und Beobachtungen zur Rolle grüner Pflanzen.

Joseph Priestley (1733–1804)

Joseph Priestley: zeigte, dass Pflanzen Luft reinigen und dabei Sauerstoff (O₂) freisetzen.

Jan Ingenhousz (1730–1799)

Jan Ingenhousz: zeigte, dass Pflanzen die Luft im Licht, nicht aber in der Dunkelheit, wiederherstellen.

Théodore-Nicolas de Saussure (1767–1845)

Théodore-Nicolas de Saussure: stellte fest, dass die Zucker-Produktion Wasser benötigt und dass bei der Photosynthese ähnliche Mengen von CO₂ und O₂ ausgetauscht werden.

Dutrochet (1837)

Dutrochet: schlug vor, dass nur Zellen mit Chlorophyll an der Aufnahme von CO₂ beteiligt sind.

Sachs (1859)

Sachs: beschrieb die grundlegende Gleichung der Photosynthese: 6 CO₂ + 6 H₂O + Sonnenenergie → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Arnon (1957)

Arnon (1957): Beitragsbeschreibung der Lichtreaktionen, z. B. vereinfachte Reaktionsgleichung der lichtabhängigen Prozesse: NADP⁺ + H₂O + ADP + Pi + Licht → NADPH + 1/2 O₂ + ATP + H⁺.

Blackman (1905)

Blackman (1905): maß die Photosyntheserate unter verschiedenen Bedingungen (Licht- und Temperaturunterschiede) und argumentierte, dass Reaktionen durch Enzyme gesteuert werden.

Grundgleichung und energetische Aspekte

Endergonische Prozesse: Strahlungsenergie wird benötigt, um Kettenreaktionen in Gang zu setzen, die zur Synthese biologisch wichtiger Substanzen führen. Global vereinfachte Reaktionsformel der Photosynthese:

hν

n CO₂ + 2 n H₂O → n CH₂O + n O₂ (vereinfachte Darstellung)

Enzyme steuern die Reaktionsketten.

CH₂O: Dies ist die empirische Formel der Kohlenhydrate, die als Ergebnis der Photosynthese synthetisiert werden.

Globaler Kohlenstoff und Biomasse

Der Kohlenstoff, der durch Photosynthese in der Erde gebunden wird, wird im Bereich von 70.000 bis 120.000 (Einheit in der Quelle nicht angegeben) geschätzt; dies entspricht nach derselben Quelle 170 bis 290 (Einheit nicht angegeben) an Zucker. Die Hälfte der pflanzlichen Biomasse wird an Land synthetisiert, die andere Hälfte in den oberen Schichten von Seen und Meeren.

Chloroplasten: Aufbau und Entstehung

Chloroplasten entstehen aus Proplastiden und teilen sich während der Embryonalentwicklung. In höheren Blattzellen finden sich häufig über 100 Chloroplasten pro Zelle. Chloroplasten sind jeweils von einer Doppelmembran umgeben, die den Stoffaustausch reguliert.

Und 50 Grains C / U

Stroma

Stroma: amorphes, gallertartiges Material, reich an Enzymen, im Inneren des Chloroplasten. Hier erfolgt die Umwandlung von CO₂ in Kohlenhydrate (Calvin-Zyklus).

Thylakoide und Grana

Thylakoide: Membranen in Form flacher, geschlossener Vesikel, die im Stroma eingebettet sind. Thylakoide stapeln sich übereinander wie Münzen und bilden Grana (Stapeln). Die Thylakoidmembran enthält Pigmente, die an der Lichtabsorption beteiligt sind; die wichtigsten sind Chlorophyll a und Chlorophyll b. Weiterhin kommen gelb-orange Pigmente vor, wie Carotine und Xanthophylle.

Grana (Stapel): Grana bestehen aus Stapeln von Thylakoiden und sind durch Stroma-Lamellen miteinander verbunden. Pro Grana können zwischen 2 und 100 Thylakoide vorhanden sein.

Photosynthetische Pigmente

Hauptpigmente: Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotinoide (Carotin, Xanthophylle), ferner Phycocyanin und Phycoerythrin in bestimmten Organismen.

Funktion der Pigmente

• Pigmente absorbieren Lichtenergie (Photonen) und machen sie für lebende Systeme nutzbar.
• Beim Absorbieren eines Photons wird ein Elektron des Pigmentmoleküls auf ein höheres Energieniveau gehoben (angeregt). Dieser angeregte Zustand hält typischerweise nur etwa eine Millionstel Sekunde an; die Energie kann dann als Wärme freigesetzt oder zur Weiterleitung von Elektronen in Reaktionsketten genutzt werden.

Tetrapyrrol-Grundgerüst

Tetrapyrrol: ist das Grundgerüst der Porphyrine, die in Molekülen wie Chlorophyll, Hämoglobin und Cytochromen vorkommen. Das chromophore Merkmal entsteht durch das System konjugierter Doppelbindungen, das durch die Verknüpfung der Pyrrolringe gebildet wird.