by Stefanie on 10/08/2015 | Anbau

Photosynthese: die Lichtphase

Photosynthese Die Lichtphase ist die erste Etappe der Photosynthese, in der die Sonnen energie in chemische Energie umgewandelt wird. Das Licht wird von Ansammlungen von Chlorophyll und Proteinen, den sogenannten Photosystemen, die sich in den Chloroplasten befinden, absorbiert.


Nachdem wir die vorigen beiden Kapitel der Mineralienaufnahme (für diejenigen, die sie nicht gelesen haben: Mikro- und Makroelemente) gewidmet haben, setzen wir jetzt unsere Serie über die Physiologie des Cannabis sativa L fort. Aus diesem Anlass erläutern wir den wohl bedeutendsten biochemischen Prozess der Natur, seit sich das Leben vor Millionen von Jahren zu entwickeln begann. Den Prozess, der die Zusammensetzung der Atmosphäre unseres Planeten veränderte. Wir sprechen von der Photosynthese.

Illustration, die das Wachstum einer Cannabispflanze mittels der Photosynthese darstellt, ferner ihren Zusammenhang mit der Lichtenergie, der Produktion von Sauerstoff, der Aufnahme von Kohlendioxid, der Speicherung von Zucker oder Stärke, der Wasserverdunstung und der Aufnahme von Sauerstoff und Mineralstoffen über die Wurzeln.

Dieser Prozess ist dafür verantwortlich, dass unser Planet heutzutage eine sauerstoffreiche Atmosphäre hat. Infolgedessen konnten die übergeordneten Pflanzen die Erde bevölkern und anderen Organismen eine Existenzgrundlage bieten, die sich entweder von ihnen ernähren oder Unterschlupf bei ihnen finden können. Die ursprüngliche Atmosphäre enthielt sehr wenig Sauerstoff und stattdessen andere Gase, wie Ammonium, Stickstoff und Kohlendioxid.

Die Pflanzen fanden eine Methode, mit der sie dieses reichlich vorhandene CO2 mithilfe des Sonnenlichts umwandeln konnten. Wir möchten wissen: Wie können Wasser und Kohlendioxid in Kohlenhydrate umgewandelt werden? Welche Rolle spielt die Sonnenstrahlung bei diesem Prozess? Wir wollen versuchen, die Fragen so nachvollziehbar wie möglich zu beantworten.

Was ist Photosynthese?

Die Photosynthese ist die Umwandlung von anorganischer in organische Materie mithilfe der Energie des Sonnenlichts (oder in einigen Fällen der Energie von Zuchtlampen). In diesem Prozess wird die Lichtenergie in  dauerhafte chemische Energieumgesetzt. Das Adenosintriphosphat (ATP) ist das erste Molekül, das diese chemische Energie speichert. Später wird das ATP benutzt, um organische Moleküle von größerer Stabilität zu synthetisieren.

Darüber hinaus muss man berücksichtigen, dass das Leben auf unserem Planeten hauptsächlich aufgrund der Photosynthese von Algen im Wasser und Pflanzen auf dem Land möglich ist. Diese besitzen die Fähigkeit, organische Materie zu erzeugen (die unverzichtbar ist für die Schaffung von Lebewesen). Die Grundlage dafür bieten Sonnenlicht und essenzielle Minerale, die Makro- und Mikronährstoffe.

Man kann die Pflanzen als Fabriken für die Herstellung von Zucker und anderen Kohlenhydraten betrachten, deren Grundstoffe Wasser und Kohlendioxid sind und die mit Lichtenergie betrieben werden. Die Synthese kann mit einer simplen chemischen Gleichung beschrieben werden:

H2O + Licht + CO2 = C6H12O6

Verantwortlich für die Reaktion in den pflanzlichen Zellen sind die Chloroplaste. Dabei handelt es sich um Strukturen, die verschiedene Formen annehmen können und eine grüne Färbung haben. Die Farbe verdanken sie der Anwesenheit des Chlorophyll-Pigments. Diese Strukturen sind ein Bestandteil pflanzlicher Zellen. Ebenso wie die Mitochondrien (Organellen, die sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren für die Zellatmung zuständig sind), haben auch die Chloroplaste eine eigene Erbsubstanz und sind vermutlich als symbiotische intrazelluläre Bakterien entstanden.

Die innere Kammer dieser Organellen beinhaltet ein Stroma. Dieses wiederum beherbergt verschiedene Komponenten, darunter auch Enzyme, die Kohlendioxyd in organische Materie umwandeln, sowie mehrere Grana, sogenannte Thylakoidenstapel, in deren Membran photosynthetische Pigmente eingelagert sind (Chlorophyll).

Diagramm, das die vereinfachte chemische Struktur des Adenosin-Triphosphat-Moleküls (ATP) darstellt, das in allen Lebewesen als Energiequelle vorhanden ist.
Die vereinfachte chemische Zusammensetzung des Moleküls Adenosintriphosphat (ATP), der Energiequelle, die in allen Lebewesen vorhanden ist.

Bei der Photosynthese handelt es sich nicht um einen einzigen Prozess, sie umfasst vielmehr zahlreiche und komplexe biochemische Reaktionen. In groben Zügen und um die Untersuchung der Photosynthese zu vereinfachen, kann diese in drei Etappen unterteilt werden: die Lichtphase, die Dunkelphase und die Photorespiration. Um nicht zu viel Information zur Verfügung zu stellen, geht es in diesem Kapitel um die Lichtphase.

Die Lichtphase

Die Lichtphase ist die erste Etappe der Photosynthese, in der die Sonnen energie in chemische Energie umgewandelt wird. Das Licht wird von Ansammlungen von Chlorophyll und Proteinen, den sogenannten Photosystemen, die sich in den Chloroplasten befinden, absorbiert. Diese Phase heißt Licht- oder Helligkeitsphase, da die Lichtenergie nur bei hoher Lichtintensität verwertet werden kann. Ob das Licht dabei natürlichen oder künstlichen Ursprungs ist, tut nichts zur Sache. Bei Dunkelheit findet dieser Prozess nicht statt.

Das Photosystem I und das Photosystem II (im Folgenden PSI und PSII) sind dafür zuständig, das Licht einzufangen und dessen Energie dafür einzusetzen, den Transport der Elektronen über eine Kette von Rezeptoren anzutreiben. Um es verständlicher auszudrücken, die Elektronen vom Wassermolekül werden so lange bewegt, bis sie ein ATP bilden. Dabei durchlaufen sie verschiedene chemische Stadien, so, als ob sie sich auf einer Transportkette befänden.

PSI und PSII fangen das Licht auf, erhöhen die Energie derElektronen auf Ebenen, die höher liegen als die ihres ursprünglichen Zustands. Die Energie wird zwischen verschiedenen Chlorophyll-Molekülen transportiert, bis im Zentrum von Photosystem II die Teilung des Wassers in folgende Bestandteile erfolgt: zwei Protonen (H+), ein Sauerstoffatom (O) und zwei Elektronen.

Der Sauerstoff vereint sich mit dem Rest eines anderen Wassermoleküls zu atmosphärischem Sauerstoff (O2). Diese Tatsache erlaubt es den Tieren an Land, auf der Oberfläche unseres Planeten zu atmen … Ganz im Ernst.

Die Lichtenergie, die das Chlorophyll absorbiert, reagiert grundsätzlich auf zwei bestimmte Wellenlängen: 680 und 700 Nanometer. Diese beiden Wellenlängen stimulieren eines der Photosysteme. Abhängig davon, welches der beiden ständig Elektronen abspaltet, ist der Weg der Photosynthese ein wenig unterschiedlich, aber immer komplementär. Die Lichtenergie überträgt sich als Photon auf die äußeren Elektronen der/des Chlorophyllmoleküle/(s), die entweichen und eine Art elektrischen Wind im Inneren des Chloroplasten verursachen, indem sie sich in die Transportkette der Elektronen eingliedern (siehe Abbildung).

Diese Energie kann für die Synthese der ATP anhand der Photophosphorylierung sowie für die Synthese der NADPH eingesetzt werden. Beide Zusammensetzungen sind erforderlich für die folgende Phase des Calvin-Zyklus, in der die ersten Zucker synthetisiert werden, die der Herstellung von Saccharose und Stärke dienen. Das beschreiben wir im folgenden Kapitel.

Die Struktur von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid in oxidierter Form (NAD+). Ein Coenzym, das bei vielen Stoffwechselvorgängen eine Rolle spielt.
Das Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat (NADP+ in oxidierter Form und NADPH+ in reduzierter Form) ist ein Coenzym, das zahlreiche Stoffwechsel-Prozesse beeinflusst.

Es gibt allerdings zwei Varianten der Photophosphorylierung: die azyklische und die zyklische, abhängig vom Weg, dem die Elektronen durch die zwei Photosysteme folgen. Dieser Unterschied schlägt sich hauptsächlich darin nieder, dass NADPH produziert wird oder eben nicht und darin, ob gasförmiger Sauerstoff freigesetzt wird. Zuvor betrachten wir die Photophosphorylierung schematisch.

Bei der zyklischen Photophosphorylierung, transportiert ein Molekül mit dem Namen Plastocyanin die Elektronen (e) zum Photosystem l, das ebenfalls ein Reaktionszentrum und eine Struktur zum Auffangen des Lichts besitzt. Wenn das Elektron das Reaktionszentrum angeregt hat (P700 in der nachfolgenden schematischen Darstellung), bekommen die Elektronen, die zum PSI gelangen, auf höherem energetischen Niveau einen erneuten Impuls durch die Lichtenergie und werden ebenfalls über die neue Akzeptorkette bis zum letzten Akzeptormolekül transportiert. Dieses Molekül, das die Elektronen einfängt, benutzt sie, um ADP (nichtenergetische Form des ATP) und ein Phosphoratom in ATP, also einen Energiespeicher, umzuwandeln.

Bei der azyklischen Photophosphorylierung verläuft der Prozess anders. Die Photonen, die in das PSII eintreten, stimulieren zwei Elektronen und setzen diese frei. Die Elektronen gelangen zum primären Elektronenakzeptor, dem Phäophytin. Der primäre Elektronenträger, der Träger Z, vereint die Elektronen mit den Elektronen aus der Wasserspaltung im Inneren des Thylakoids.

Die Protonen der Spaltung sammeln sich in dessen Innerem und der Sauerstoff wird in Gasform freigesetzt. Die Elektronen gelangen auf eine Transportkette, die ihre freigekommene Energie für die Synthese der ATP einsetzt. Wie? Die Theorie erklärt es folgendermaßen: Die Elektronen werden an die Plastoquinone abgegeben, welche ebenfalls zwei Protonen des Stromas einfangen. Die Elektronen und die Protonen gelangen zum Cytochrom-bf-Komplex, der die Protonen im Inneren des Thylakoids bombardiert. Auf diese Weise entsteht im Thylakoid eine hohe Protonen-Konzentration (unter anderem die Protonen, die bei der Wasserspaltung freigesetzt wurden).

Andererseits gelangen die Elektronen des Cytochroms ins Plastozyanin, das sie wiederum an den PSI abgibt. Mithilfe der Lichtenergie werden die Elektronen erneut freigesetzt und vom Akzeptor eingefangen. Von dort aus gelangen sie über eine Reihe von Molekülen zum Ferrodoxin (Fd in der schematischen Darstellung).

Dieses Molekül gibt sie an das Enzym NADP+-Reduktase weiter, das ebenfalls zwei Protonen des Stromas aufnimmt. Mit den beiden Protonen und den beiden Elektronen, verringert sich ein NADP+ zu NADPH + H+ (siehe folgende schematische Darstellung).

Illustration, die das Wachstum einer Cannabispflanze mittels der Photosynthese darstellt, ferner ihren Zusammenhang mit Wasser, Kohlendioxid, Sauerstoff und Sonnenlicht.
Azyklische Photophosphorylierung. Das bei der Bildung von ATP abgegebene Elektron stimuliert PSI, um die Bildung von NADPH zu veranlassen.

Diese Reihe von Prozessen ist als Lichtphase bekannt. Damit möchten wir uns bis zur nächsten Ausgabe verabschieden, in der wir unsere Erläuterung des Photosynthese-Prozesses mit der Dunkelphase und der Photorespiration abschließen. Bis dann wünschen wir Euch: Alles Gute und have a good Smoke!

Autor: Manel

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Hoppla, sieht so aus als hätten Sie etwas vergessen.
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