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Grundlagen

Unter Fotosynthese versteht man den biologischen Prozess in grünen Pflanzen, Algen und in einigen Bakterien, der Kohlenstoffdioxid und Wasser durch Licht in Zucker und das für uns und die Tiere lebensnotwendige "Abfallprodukt" Sauerstoff umsetzt.

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! 

In folgendem Video zeigen wir Euch was grundsätzlich bei der Fotosynthese passiert.

 
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.