Biologie 11/ Photosynthese

• Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie durch Organismen
• Aufbau energieeicher organischer Materie aus energieärmeere anorganische Materie mit Hilfe von Lichtenergie
• Zentraler Prozess im globalen Ökosystem

Die chemische Reaktion der Photosynthese stellt die Umkehrung der Vorgänge bei der Zellatmung dar:

• Unter Einfluss von Licht wird aus Kohlendioxid und Wasserr organisches Material und Sauerstoff produziert

Lichtreaktion (in Thylakoidmembranen):

Sonnenenergie dient zur Produktion von ATP und NADH (Photophosphylierung)

Calvin- Zyklus/ Dunkelreaktion (im Stroma):

ATP liefert die chemische Energie damit CO₂ in organische Moleküle eingebaut werden kann (Kohlenstoff- Fixierung), welche dann in Zucker umgewandelt werden

Blaues und rotes Licht sind in der Photosynthese am wirksamsten -> Chloroplastem schlucken/absorbieren dieses Licht -> grünes Licht wird von den Pigmenten reflektiert -> Blätter erscheinen grün

Elektromagnetisches Spektrum:

Licht ischt essentiell für das Leben -> sicchtbares Licht: 380-750nm. Je kürzer die Wellenlängen desto grösser die Energie

Membangebundener Lichtsammelkomplex:

• Setzt sich aus verschiedenen Farbstoff- bzw. Pigmentmolekülen (Chlorophyl a, Chlorophyll b &Carotinoiden) zusammen, die an Proteine gebunden sind
• Grosse Zahl und Vielfalt der Pigmentmoleküle -> grössere Oberfläche -> Licht kann über einen beiten Wellenlängenbereich eingefangen werden
• Energie wird bis zu zwei ganz bestimmten Chlorophyll-a-Moleküle weitergeeleitet -> Nur hier findet Photosynthese im Reaktionszentum statt

1. Licht (Photon) trifft auf Farbstoffmolekül -> hebt ein Elektron in eine enerhetische höherwertigen angeregten Zustand -> Energieübertrag bis zum P680
2. Vom P680  werden Elektronen auf den primären Elektronenakzeptor übertragen (P680 -> P680⁺)
3. Wasserspaltender Komplex entzieht einem Wassermolekül zwei Elektronen (Photolyse -> Freisetzung von O₂) und überträgt sie auf P680⁺ (P680⁺ -> P680)
4. Elektronentransportkette vom Photosynthese II zu Photosynthese I
5. Elektronen passieren Elektronentransportkettte -> Protonen werden durch Membran gepumpt -> Produktion von ATP -> Chemiosmose
6. Licht (Photon) trifft auf Farbstoffmolekül -> hebt ein Elektron in eine energetisch höherwertigen angeregten Zustand-> Energieübertrag bis zu P700 welches Elektronen an den Elektronenakzeptor abgibt (P700->P700⁺)
7. P700⁺ wird durch elektronen von der Elektronentransportkette wieder reduziert (P700⁺-> P700)
8. Elektronen werden vom Elektronenakzeptor auf Ferredoxin(Fd) übertragen
9. Reoxidation des reduzierten Ferrodoxins durch NADP⁺ zu NADPH-> dafür sind zwei Elektronen und ein Proton erforderrlich

Zyklus besteht aus 3 Phasen:

1. Kohlenstofffixierung
2. Reduktion
3. Regeneration des CO₂- Akzeptors (RuBP)

Lichtreaktion hält Calvin-Zyklus durch kontinuierliche Anlieferung von ATP und NADPh aufrecht.

Synthese von Glukose:

Kohlenstoff gelangt in Form von CO₂ in Zyklus. Kohlenhydrat Glycerrinaldeyd-3-Phosphat(G3P)  eentsteht (3C-Atome) -> Für ein Zucker(Glukose) Molekül muss der Zyklus 3 Mal ablaufen

C3:

CO₂ Fixieung mit RubisCO -> C3 Pflanzen (Reis, Weizen, Sojabohnen) -> Nachteil: an heissen Tagen wird Spaltöffnung geringer -> weniger Zucker wird produziert

C4:

• Enzym PEP- Carboxylase: erheblicch höhere CO₂- Affinität als Rusico -> auch gringe Menge CO₂ können verwendet werden.
• In Chloroplasten der Mesophyllzelllen wird durch PEP- Carboxylase CO₂ an PEP(Phosphoenolpyruvat) gebunden -> Oxalacetat entsteht -> Dieses wandert als Malat in Chloroplasten und zerfällt dort in Pyruvat und CO₂ -> Bildung von NADPH⁺ + H⁺ -> CO₂ in  Calvin-Zyklus eingeschleust
• z.B Zuckerrohr, Mais, Gräser

CAM:

• CAM- Pflanzen können Spaltöffung nur nachts öffnen.
• Nachts sind Spaltöffungen geöffnet und Pflanzen nehmen CO₂ auf-> wird an PEP gebunden -> über Oxalacetat zu Malat umgewandelt -> als Äpfelsäurre in der Vakuole aktiv gespeichert -> Dieser Vorgang tritt nur nachts auf
• Tagsüber diffundiert Malat ins Cytoplasma -> unter CO₂- und NADPH⁺ + H - Abgabe zuPyruvat umgewandelt -> Umwandlung von Pyruvat zu PEP unter vebrauch von ATP und Pi zu AMP und PPi-> das so freigesetzte CO₂ wird Calvin- Zyklus zugeführt
• z.B Kakteen , Ananas

Photon: sind eine Art "Grund-Bausteine" elektromagnetischer Strahlung, so etwas wie "Lichtteilchen".

Chloroplasten: siehe Bild

• Liegen zu hunderten in Mesophyllzellen (Gewebe im Blattinnern) vor
• Besitzt ein Stroma (dickflüssiger Inhalt der Chloroplasten) und Thyakoide (Membransäckchen)