Photosynthese: Prozess, Bedeutung und Mechanismus

Photosynthese: Die chemische Umwandlung des Lebens

Photosynthese ist die chemische Umwandlung, durch die grüne Pflanzen, bestimmte Algen und einige Bakterien Lichtenergie von der Sonne einfangen und in chemische Energie umwandeln. Pflanzen besitzen das grüne Pigment Chlorophyll, welches sich in den Chloroplasten ihrer Zellen befindet. Dieses Pigment hat die Fähigkeit, Energie aus dem Sonnenlicht zu absorbieren und diese für die Herstellung (Synthese) von Kohlenhydraten, wie Glukose, aus zwei Umweltverbindungen zu nutzen: Wasser und Kohlendioxid.

Zudem wird bei der Photosynthese Sauerstoff in die Atmosphäre freigesetzt – eine Tatsache von grundlegender Bedeutung für das Leben im Allgemeinen, da er für die Atmung unerlässlich ist. Es ist sicher, dass dieser photochemische Prozess die Grundlage des heutigen Lebens bildet, da die Photosynthese die Energieversorgung für alle Lebewesen auf dem Planeten sicherstellt, einschließlich des Menschen, der Pflanzenfresser (direkt) sowie der Raubtiere und Aasfresser (indirekt).

Die chemische Reaktion der Photosynthese

Die chemische Reaktion der Photosynthese ist:

Das heißt: Sechs Wassermoleküle (H₂O) plus sechs Moleküle Kohlendioxid (CO₂) produzieren in Gegenwart von Sonnenlicht und Chlorophyll ein Glukose-Molekül (C₆H₁₂O₆) und sechs Moleküle Sauerstoff (O₂), wobei Letzterer in die Atmosphäre abgegeben wird. Die durch Photosynthese erzeugte Glukose ist wichtig für die Bildung von Pflanzenbestandteilen wie Stärke, Zellulose und anderen Kohlenhydraten. Durch Photosynthese werden auch andere organische Substanzen wie Proteine und Lipide produziert, die Pflanzenzellen zum Leben, Wachsen und zur Vermehrung benötigen.

Wo findet Photosynthese statt?

Die Photosynthese findet in den Thylakoiden statt. Dies sind abgeflachte Säckchen oder Bläschen, die im Stroma der Chloroplasten eingebettet sind. In der Thylakoidmembran befinden sich die photosynthetischen Pigmente wie Chlorophyll, Carotinoide und Xanthophylle. Dort werden die Lichtreaktionen der Photosynthese durchgeführt. Die Thylakoide bilden Stapel, die als Grana innerhalb der Chloroplasten bezeichnet werden.

Die zwei Phasen der Photosynthese

Die Photosynthese ist ein zweiphasiger Prozess:

Die photochemische Phase (Lichtreaktion)

Diese Phase findet in den Thylakoiden der Chloroplasten statt. Hier wird die Energie des Sonnenlichts von den Chlorophyll-Molekülen eingefangen und in den Energiemolekülen ATP (Adenosintriphosphat) und NADPH (Nicotinamidadenindinucleotidphosphat) gespeichert. Diese beiden Moleküle sind dafür verantwortlich, Wasser und Kohlendioxid zu reduzieren und in organische Verbindungen wie Glukose umzuwandeln, wobei Sauerstoff freigesetzt wird. In dieser Phase führt Licht zur Spaltung von Wasser (Photolyse), wodurch Elektronen freigesetzt werden.

Die biochemische Phase (Dunkelreaktion)

Diese Phase findet im Stroma der Chloroplasten statt. Hier werden ATP und NADPH für die Assimilation von CO₂ aus der Atmosphäre genutzt, um organische Substanzen, hauptsächlich Glukose, zu produzieren. ATP ist ein Molekül, das Energie speichert. Es gehört zur Gruppe der Nukleotide und besteht aus einer stickstoffhaltigen Base (Adenin), einem Fünf-Kohlenstoff-Monosaccharid (Ribose) und einer Phosphatgruppe mit Hochenergiebindungen. Durch einen katabolen Prozess, d.h. die Umwandlung komplexer Moleküle in einfachere, wird die in den Phosphatbindungen gespeicherte Energie freigesetzt.

Der Mechanismus der Photosynthese

Der Photosynthese-Mechanismus im Überblick:

1. Die Blätter fangen die Lichtenergie der Sonne durch Chlorophyll ein, ein grünes Pigment, das sich in den Thylakoiden der Chloroplasten in den Zellen befindet.
2. Kohlendioxid gelangt über die Spaltöffnungen der Blätter aus der Atmosphäre in die Pflanze.
3. Die Wurzeln nehmen Wasser und Mineralstoffe (Rohsaft) auf, die über den Stamm die Blätter erreichen.
4. Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Wasser reagieren mit Kohlendioxid, um Glukose und Sauerstoff zu bilden. Letzterer wird in die Atmosphäre abgegeben.
5. Die Pflanzen nutzen Glukose als Nahrung und speichern einen Teil als Reserve.