Photosynthese: Prozess, Organellen und Lichtreaktionen

Photosynthese: Grundlagen und Prozess

Die Photosynthese ist ein lebenswichtiger Prozess, bei dem Pflanzen und andere autotrophe Organismen Lichtenergie in chemische Energie umwandeln.

• Energieumwandlung: Pflanzen wandeln Lichtenergie in chemische Energie um.
• Organismen: Erfolgt bei autotrophen Organismen wie Pflanzen, Algen und Cyanobakterien.
• Stoffumwandlung: Anorganische Stoffe wie Wasser (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) werden in Glukose umgewandelt. Glukose ist ein Kohlenhydrat, das Energie in seiner chemischen Struktur speichern kann. Diese Reaktion produziert zudem Sauerstoff (O₂).
• Energiespeicherung: Die bei der Photosynthese produzierten Kohlenhydrate speichern die Lichtenergie und besitzen ein hohes Energiepotenzial.

Phasen der Photosynthese

Lichtabhängige Reaktionen

Die erste Stufe der Photosynthese nutzt Lichtenergie zur Bildung der energiereichen Verbindungen NADPH und ATP. Chlorophyll ist ein wichtiger Vermittler in diesen Reaktionen.

• Photosysteme: Befinden sich in der Thylakoidmembran.
• Photosystem I (P700): Funktioniert auch ohne Wasserspaltung.
• Photosystem II (P680): Benötigt Wasser für die Elektronenspende.
• Pigmente: Phycocyanin (blau), Phycoerythrin (gelb).
• Stöchiometrie (Beispiele):
  • 1 H₂O → 2 ATP, 2 NADPH (im nicht-zyklischen Elektronentransport)
  • 6 H₂O → 12 ATP, 12 NADPH (für die Bildung von 1 Glukose-Molekül)

Lichtunabhängige Reaktionen (Calvin-Zyklus)

Die Energie von NADPH und ATP wird für die Synthese von Glukose aus sechs Kohlenstoffdioxid-Molekülen (CO₂) verwendet. Diese Reaktionen können mit oder ohne Licht stattfinden.

Ort der Photosynthese: Chloroplasten und Gewebe

Die Photosynthese findet in bestimmten Organen und Geweben statt, insbesondere in den Chloroplasten der Zellen.

Wichtige photosynthetisch aktive Organe und Gewebe

• Blätter und grüne Stängel: Die primären Orte der Photosynthese.
• Epidermis: Bildet eine kompakte Zellschicht ohne Chloroplasten, die das Blatt bedeckt. Die Kutikula auf der Epidermis reduziert den Wasserverlust.
• Mesophyll: Parenchymatisches Gewebe mit Zellen, die reich an Chloroplasten sind. Hier finden die Hauptprozesse der Photosynthese statt.
• Leitgewebe: Besteht aus Xylem und Phloem und bildet die Leitbündel (Blattadern).
  • Xylem: Transport von Wasser und Mineralien (aufsteigend).
  • Phloem: Transport von Zuckern (absteigend) und anderen organischen Stoffen.
• Spaltöffnungen: Ermöglichen den Gasaustausch (CO₂-Aufnahme, O₂-Abgabe).

Chloroplasten: Die Kraftwerke der Photosynthese

Photosynthetisch aktive Zellen zeichnen sich durch eine hohe Anzahl von Chloroplasten aus, typischerweise zwischen 40 und 50 pro Zelle.

• Membranen: Chloroplasten besitzen zwei Membranen (innere und äußere), die den Stroma-Raum umschließen.
• Thylakoide und Grana: Die innere Membran stülpt sich zu mehreren Vesikeln, den Thylakoiden, aus, die das Stroma durchziehen. Thylakoide sind oft zu Stapeln, den Grana, angeordnet.
• Pigmente: Pigmente wie Chlorophyll befinden sich in den Thylakoiden, während Carotinoide sowohl in den Thylakoiden als auch im Stroma vorkommen können.
• Stroma: Enthält zudem DNA, RNA und kann Stärke speichern.

Details der lichtabhängigen Reaktion

Die Absorption von Lichtenergie in der lichtabhängigen Reaktion hat zwei wichtige Konsequenzen:

1. Die Energie wird absorbiert und auf Zwischenprodukte wie NADPH und ATP übertragen.
2. Chlorophyll bewirkt die Spaltung eines Wassermoleküls (Photolyse), wodurch Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzt werden. Der Sauerstoff wird dabei in die Atmosphäre abgegeben.

Die Natur des Lichts

Licht ist eine Form von Energie, die sich als elektromagnetische Wellen ausbreitet. Diese Wellen oszillieren in verschiedenen Wellenlängen; das sichtbare Spektrum liegt typischerweise zwischen 400 und 750 nm.

Hinweis: Die Maßeinheit für Lichtenergie in der Photosynthese ist oft das Photon oder Quant.