Photosynthese
IB 4 · Stoff- und Energiewechsel · Q-Phase
Inhaltsverzeichnis
Aufbau des Chloroplasten
Abb. 1: Aufbau eines Chloroplasten – Thylakoidmembran (Lichtreaktion) und Stroma (Calvinzyklus)
Chloroplast – der Ort der Photosynthese
Chloroplasten sind Plastiden, die in Pflanzenzellen vorkommen. Sie besitzen eine Doppelmembran (Außen- und Innenmembran) und innen ein System aus Thylakoiden (Membranstapel = Grana) und dem Stroma (Grundsubstanz).
Membransystem im Chloroplast; Ort der Lichtreaktion; enthält Chlorophyll und Proteinkomplexe
Stapel aus Thylakoiden; vergrößern die Membranoberfläche für die Lichtreaktion
Flüssiger Innenraum des Chloroplasten; Ort des Calvinzyklus (lichtunabhängige Reaktion)
Grüne Farbstoffe in der Thylakoidmembran; absorbieren Licht (vor allem rot und blau)
Innenraum der Thylakoide; Ort der Protonenspeicherung (wie Intermembranraum in Mitochondrien)
Gelb-orange Hilfsfarbstoffe; übertragen Energie auf Chlorophyll, schützen vor Photoxidation
Lichtreaktion (lichtabhängige Reaktion)
Wo und was?
Die Lichtreaktion findet in der Thylakoidmembran statt. Lichtenergie wird in chemische Energie (ATP und NADPH) umgewandelt. Dabei wird Wasser gespalten (Photolyse) und Sauerstoff freigesetzt.
Ablauf der Lichtreaktion
Photosystem II (PS II): Chlorophyll absorbiert Licht → Elektronen werden angeregt und auf Elektronenakzeptor übertragen
Photolyse des Wassers: H₂O → 2H⁺ + 2e⁻ + ½O₂ → Elektronen ersetzen die in PS II verlorenen
Elektronen wandern über Elektronentransportkette (Plastochinon → Cytochrom-b6f-Komplex → Plastocyanin)
Protonenpumpe: H⁺ werden ins Thylakoidlumen gepumpt → Protonengradient entsteht
Photosystem I (PS I): Elektronen werden erneut durch Licht angeregt
NADP⁺-Reduktase: NADP⁺ + 2e⁻ + H⁺ → NADPH + H⁺
ATP-Synthase (Photophosphorylierung): H⁺-Ausstrom aus Lumen → ATP-Synthese (wie in Mitochondrien)
Zyklischer vs. Nicht-zyklischer Elektronentransport
- Elektronen fließen von H₂O zu NADP⁺
- Produziert ATP und NADPH
- O₂ wird freigesetzt
- Beteiligt: PS II und PS I
- Elektronen kehren zu PS I zurück
- Produziert nur ATP (kein NADPH)
- Kein O₂-Freisetzung
- Nur PS I beteiligt
Calvinzyklus (lichtunabhängige Reaktion)
Abb. 2: Calvinzyklus – CO₂-Fixierung, Reduktion und RuBP-Regeneration im Stroma
Wo und was?
Der Calvinzyklus findet im Stroma des Chloroplasten statt. CO₂ wird mithilfe von ATP und NADPH (aus der Lichtreaktion) zu Glukose aufgebaut (CO₂-Fixierung). Er läuft auch im Dunkeln, solange ATP und NADPH vorhanden sind.
Ablauf des Calvinzyklus (pro 3 CO₂)
CO₂-Fixierung: 3 CO₂ + 3 RuBP (C5) → 6 3-PGA (C3) durch Enzym RuBisCO
Reduktion: 6 3-PGA + 6 ATP + 6 NADPH → 6 G3P (Glycerinaldehyd-3-phosphat, C3)
Regeneration: 5 von 6 G3P + 9 ATP → 3 RuBP (C5) (Regeneration des CO₂-Akzeptors)
1 G3P wird für die Glucosesynthese verwendet (2 G3P → 1 Glucose)
Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase; wichtigstes Enzym der Biosphäre; fixiert CO₂
Ribulose-1,5-bisphosphat: CO₂-Akzeptor im Calvinzyklus
3-Phosphoglycerat: erstes stabiles Produkt der CO₂-Fixierung
Glycerinaldehyd-3-phosphat: Ausgangsstoff für Glucose und andere organische Verbindungen
Gesamtgleichung & Energiebilanz
Photosynthese vs. Zellatmung
- CO₂ + H₂O → Glucose + O₂
- Lichtenergie → chemische Energie
- Findet in Chloroplasten statt
- Autotrophe Organismen (Pflanzen)
- Glucose + O₂ → CO₂ + H₂O
- Chemische Energie → ATP
- Findet in Mitochondrien statt
- Alle aeroben Organismen
Erster stabiler Schritt: 3-PGA (C3); z.B. Weizen, Reis; weniger effizient bei Hitze
CO₂ wird zuerst als C4-Verbindung fixiert; z.B. Mais, Zuckerrohr; effizienter bei Hitze
Öffnen Stomata nur nachts (CO₂-Speicherung); z.B. Kakteen; Anpassung an Trockenheit
RuBisCO fixiert O₂ statt CO₂ bei hohen O₂-Konzentrationen → Energieverlust
Einflussfaktoren auf die Photosynthese
Steigt die Lichtintensität, steigt die Photosyntheserate bis zum Lichtsättigungspunkt
Höhere CO₂-Konzentration → höhere Photosyntheserate (bis zum Sättigungspunkt)
Optimum bei ca. 25–30°C; zu hoch → Enzyme denaturieren; zu niedrig → Reaktion verlangsamt
Chlorophyll absorbiert vor allem rotes (680 nm) und blaues Licht (430 nm); grünes Licht wird reflektiert
Wasser ist Edukt der Photolyse; Wassermangel → Stomata schließen → weniger CO₂
Lichtkompensationspunkt: Photosynthese = Atmung; darunter: Nettoverlust an Biomasse