Grundlagen der Fotosynthese

Der wichtigste biochemische Prozess auf der Erde ist die Fotosynthese. Da in der Fotosynthese die für das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen notwendigen Stoffe gebildet werden, bezeichnet man den Prozess auch als Grund- oder Primärstoffwechsel bzw. mittlerweile meist als Zentralstoffwechsel.

Wir sind abhängig von Pflanzen!
Das liegt an ihrer Fotosynthese. Bei der Fotosynthese nehmen Pflanzen Wasser und Nährstoffe aus dem Boden über ihre Wurzeln und Kohlenstoffdioxid aus der Luft über die Blätter auf. Mit Hilfe des Sonnenlichts stellen sie daraus Zucker (Saccharose) und Stärke her, die sie zum Wachstum benötigen. Als „Nebenprodukt“ entsteht Sauerstoff, der an die Atmosphäre abgegeben wird und den wir zum Atmen brauchen. Aus dem entstandenen Zucker können durch weitere Stoffwechselvorgänge Fette und Eiweiße hergestellt werden. Diese Stoffe sind nicht nur wichtig für die Pflanzen, um zu wachsen und sich zu entwickeln, sondern auch für uns. Im Hinblick auf Mensch und Tier gilt: Ohne Pflanzen keine Luft zum Atmen und auch nichts zu essen! 

Die Grundgleichung dazu lautet:

Die Nettogleichung zeigt uns, was und wie viel tatsächlich durch die Fotosynthese erzeugt wird:

Wenn sich die Fotosynthese relativ einfach beschreiben lässt, so handelt es sich dabei um einen komplizierten biophysikalischen und biochemischen Prozess. Die Fotosynthese läuft in speziellen Organellen – den Chloroplasten –  der pflanzlichen Zelle ab. Typisch für Organismen, die Fotosynthese betreiben, ist ihre grüne Farbe, die auf dem Farbstoff Chlorophyll beruht. Dieser absorbiert Licht bestimmter Wellenlänge, weshalb hauptsächlich blaues und rotes Licht absorbiert und der grüne Lichtanteil reflektiert wird oder das Blatt durchdringt, weshalb die Pflanzen grün erscheinen. Die Fotosynthese wird in die Teilprozesse der Lichtreaktion und der Dunkelreaktion untergliedert.Wobei Dunkelreaktion nicht bedeutet, dass sie in der Nacht abläuft, sondern dass sie lediglich unabhängig vom Licht ist.

Lichtreaktion

Im Zuge dieser lichtabhänigen Reaktion wird Licht absobiert, diese Lichtenergie wird dazu genutzt H2O unter Elektronenabgabe in 1/2 O2 und 2 H+ zu gespalten (Photolyse des Wassers). Während der Sauerstoff nach außen abgegeben wird, durchlaufen die Elektronen über Elektronentransportketten das Photosystem II und Photosystem I, wo sie so stark angeregt weden, so dass sie stark reduzierend wirken und die Elektronen auf einen Elektronenakzeptor (Nicotinamidadenindinukleotidphosphat, abgekürzt NADP) übertragen: 

NADP+  +  H2O  NADPH2  +  1/2 O2

Bei diesem Elektronentranport wird gleichzeitig Energie frei, die durch die Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) chemisch gebunden wird.

Dunkelreaktion (Lichtunabhängige Reaktion)

Die in der Lichtreaktion entstandenen energiereichen Produkte ATP und NADPHwerden nun für die Reduktion und Bindung des Kohlenstoffdioxids benutzt. Dieser Vorgang ist in vielen Pflanzen mit dem Calvin-Benson-Zyklus identisch. Kernstück der Dunkelreaktion ist das Enzym RuBisCo (Ribulose-1,5-Bisphosphat-carboxylase/-oxygenase), das die Kohlenstoffdioxidfixierung (d.h. den Einbau von Kohlendioxid in einen organischen Stoff) katalysiert. 

Im ersten Schritt der CO2-Fixierung entstehen im Calvin-Benson-Zyklus mit Hilfe des Enzyms RuBisCo aus einem Molekül Kohlendioxid und Ribulose 1,5-bisphosphat (das ist eine Zucker-Phosphat Verbindung mit 5 Kohlenstoffatomen) zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (eine Verbindung mit jeweils 3 Kohlenstoffatomen per Molekül, wovon eins davon eine Carboxylgruppe trägt). 3-Phosphoglycerat wird zuerst mit Hilfe von ATP und NADPH reduziert zu Triose-Phosphat (einer Zucker-Phosphat Verbindung mit drei Kohlenstoff Atomen). Die Triose-Phosphate werden großenteils verwendet um den Akzeptor Ribulose 1,5-bisphosphate zu regenerieren, um mehr CO2 zu fixieren. Deswegen wird dieser Stoffwechselweg Calvin-Benson-Zyklus genannt.

Der Nettogewinn an Kohlenstoff (im einfachsten Fall, jedes sechste Molekül Triose-Phosphat) kann verwendet werden um Produkte wie Saccharose, Stärke und Aminosäuren zu synthetisieren. Saccharose ist ein Zucker und wird zu wachsenden Organen transportiert. Stärke dient als Reservestoff bzw. Speicher, und wird später abgebaut, zum Beispiel um Wachstum auch während der Nacht zu ermöglichen. Aminosäuren sind die Vorstufen für die Synthese von Eiweiß. 

In folgender Abbidlung sind die Abläufe der Licht- und Dunkelreaktion schematisch dargestellt.

In unserer Animation zur Fotosynthese fassen wir das wichtigste noch einmal leicht verständlich für Euch zusammen:

Animation zur Fotosynthese

Die Photosynthese ist der wichtigste biochemische Prozess und Grundlage des Lebens auf der Erde. Hierbei gewinnen Pflanzen Energie aus Licht und Kohlenstoffdioxid. Als Nebenprodukt entsteht der für uns lebenswichtige Sauerstoff.

Weitere Informationen zur Fotosynthese findet Ihr auf unserem YouTube Kanal. Dort gibt es eine ganze Playlist zur Fotosynthese, mit Themen wie: Warum sind Kakteen morgens sauer, Warum brauchen Pflanzen Wasser, Wie photosynthetische Bakterien und Algen mit wenig CO2 klarkommen, Warum machen Pflanzen Fehler bei der Fotosynthese, Warum Sauerstoff schlecht für die Fotosynthese ist, Wie man Fotosynthese misst und insgesamt Warum wir Pflanzen brauchen.

Hier ein Beispiel eines Videos aus dieser Playlist.

Videotipp

In diesem Video erklärt Prof. Dr. Mark Stitt die sogenannte C4-Fotosynthese, die z.B. von Mais genutzt wird und ihm ein schnelles Wachstum ermöglicht. Eine clevere Kombination aus Biochemie und der Änderung der Blattanatomie beugt einen Wasserverlust vor und verbessert die Fotosynthesemaschinerie. Vor allem Pflanzen aus den Tropen und Subtropen haben dies Form der Fotosynthese erworben. Aber warum haben C4-Pflanzen eigentlich nicht die ganze Welt eingenommen?