Photosynthese: was passiert während der Lichtphase?

Die Lichtphase ist die erste Phase der Photosynthese. In dieser wird das Licht von Komplexen aus Chlorophyllen und Proteinen, den sogenannten Photosystemen (im Chloroplasten), absorbiert. Sonnenenergie wird in dieser Phase in chemische Energie umgewandelt.

In dieser Serie erklären wir den wichtigsten biochemischen Prozess in der Natur seit Beginn allen Lebens vor Millionen von Jahren, der die Zusammensetzung der Atmosphäre auf dem ganzen Planeten verändert hat. Gemeint ist natürlich die Photosynthese.

Dieser Prozess ist dafür verantwortlich, dass unser Planet heute eine sauerstoffreiche Atmosphäre hat. Die Folge davon ist, dass größere Pflanzen die Erdoberfläche dominieren und eine ganze Reihe von Organismen unterstützen, die sich von ihnen ernähren oder von ihnen geschützt werden. Die primitive Atmosphäre enthielt sehr wenig Sauerstoff, aber sie enthielt andere Gase wie Ammonium, Stickstoff und Kohlendioxid.

Pflanzen fanden einen Weg, dieses leicht verfügbare CO2 mit Hilfe von Sonnenlicht in Nahrung umzuwandeln. Die Frage ist: wie ist es möglich, Wasser und Kohlendioxid in Kohlenhydrate umzuwandeln? Und welche Rolle spielt die Sonneneinstrahlung in einem solchen Prozess? Wir werden versuchen, dies auf eine leicht verständliche Weise zu erklären.

Was ist Photosynthese?

Photosynthese ist die Umwandlung von anorganischer Substanz in organische Substanz mit Hilfe der Energie aus Sonnenlicht (oder in bestimmten Fällen aus Grow-Lampen). Dabei wird Lichtenergie in stabile chemische Energie umgewandelt, wobei Adenosintriphosphat (ATP) das erste Molekül ist, in dem diese chemische Energie gespeichert wird. Später wird das ATP verwendet, um stabilere organische Moleküle zu synthetisieren.

Es sei auch darauf hingewiesen, dass das Leben auf unserem Planeten dank der Photosynthese durch Seetang in Gewässern und durch Pflanzen in terrestrischen Gebieten grundlegend erhalten wird. Dies liegt an ihrer Fähigkeit, organische Substanz (wichtig für die Zusammensetzung von Lebewesen) aus Licht, essentiellen Mineralien sowie Makro- und Mikronährstoffen zu synthetisieren.

Wir können Pflanzen als Fabriken betrachten, die aus Wasser und Kohlendioxid als Rohstoff und Licht als Energiequelle Zucker und andere Kohlenhydrate herstellen. Wir können dies mit einer einfachen chemischen Gleichung zusammenfassen:

H2O + Licht + CO2 = C6H12O6

Es sind die Chloroplasten, die für diese Reaktion in den Pflanzenzellen verantwortlich sind. Dies sind grün gefärbte Strukturen, die verschiedene Formen annehmen (die Farbe ist auf das Vorhandensein des Pigments Chlorophyll zurückzuführen), die für die Pflanzenzellen charakteristisch sind. Mitochondrien (Organellen, die für die Zellatmung bei Pflanzen und Tieren verantwortlich sind) haben ebenfalls ihre eigene DNA und stammen möglicherweise aus intrazellulären symbiotischen Bakterien.

Innerhalb dieser Organellen befindet sich eine Kammer, die eine besondere innere Umgebung, das Stroma enthält. Das Stroma enthält verschiedene Komponenten, insbesondere Enzyme, die für die Umwandlung von Kohlendioxid in organische Substanz verantwortlich sind, und flache Sakkula, die als Thylakoide bezeichnet werden und eine Membran mit photosynthetischen Pigmenten (Chlorophilen) aufweisen.

Die Photosynthese ist nicht nur ein Prozess, sondern umfasst auch eine vielfältige und komplexe biochemische Reaktionen. Im Allgemeinen kann die Photosynthese in drei verschiedene Phasen unterteilt werden: die helle Phase, die dunkle Phase und die Photorespiration. Um eine Informationsüberflutung zu vermeiden, wird in diesem Leitfaden die Lichtphase erläutert. Wenn Sie mehr über die anderen Phasen erfahren möchten, lesen Sie bitte unseren Artikel über die Dunkelphase (einschließlich Fixierung, Reduktion und Regeneration) und die Photorespiration.

Was passiert in der Lichtphase?

Die Lichtphase ist die erste Phase der Photosynthese. Die Bezeichnung bezieht sich auf die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie. Das Licht wird von Komplexen aus Chlorophyllen und Proteinen, den sogenannten Photosystemen, die sich in den Chloroplasten befinden, absorbiert. Der Vorgang wird als Lichtphase bezeichnet, weil Lichtenergie verwendet wird. Er kann nur unter Bedingungen hoher Belichtung ablaufen, sei es natürlich oder künstlich. Bei Dunkelheit tritt diese Phase nicht auf.

Photosystem I und Photosystem II (PSI und PSII) sind dafür verantwortlich, Licht einzufangen und seine Energie zu nutzen, um den Transport von Elektronen durch eine Kette von Rezeptoren zu steuern. Oder anders ausgedrückt, die Elektronen müssen von den Wassermolekülen „springen“, bis sie ATP bilden und verschiedene chemische Zwischenstadien wie in einer Transportkette durchlaufen.

PSI und PSII fangen das Licht ein und erhöhen die Energie der Elektronen auf ein Niveau, das über dem ursprünglichen Zustand liegt. Diese Energie wird durch verschiedene Moleküle des Chlorophylls transportiert, bis das Wasser im Zentrum des Photosystems II in folgende Komponenten getrennt wird: zwei Protonen (H+), ein Sauerstoffatom (O) und zwei Elektronen.

Der Sauerstoff verbindet sich mit dem Rest eines anderen Wassermoleküls, um Luftsauerstoff (O2) zu bilden. Das ist es, was es irdischen Tieren (einschließlich Menschen) ermöglicht, an der Erdoberfläche zu atmen – wahrlich keine Kleinigkeit!

Die Lichtenergie, die das Chlorophyll absorbiert, reagiert im Wesentlichen auf zwei spezifische Wellenlängen: 680 und 700 Nanometer. Diese beiden Wellenlängen regen das eine oder andere Photosystem an. Je nachdem, welche Elektronen sich zu einem bestimmten Zeitpunkt lösen, ist der Weg der Photosynthese leicht unterschiedlich, wenn auch komplementär.

Lichtenergie in Form von Photonen wird auf die äußeren Elektronen des/der Moleküle des Chlorophylls übertragen, die aus ihm entweichen und bei der Verbindung mit der Transportkette der Elektronen eine Art elektrischen Strom im Inneren des Chloroplasten erzeugen (siehe folgende Abbildung).

Diese Energie kann bei der Synthese von ATP durch Photophosphorylierung und der Synthese von NADPH eingesetzt werden. Beide Elemente sind für die nächste Phase, den Calvin-Zyklus, notwendig. Während dieses Zyklus werden die ersten Zucker synthetisiert, wo sie zur Herstellung von Saccharose und Stärke dienen. Wir werden das in unserem Leitfaden zur dunklen Phase der Photosynthese behandeln.

Die beiden Formen der Photophosphorylierung

Es gibt jedoch zwei Varianten der Photophosphorylierung: zyklisch und nichtzyklisch. Die verwendete hängt davon ab, welchen Weg die Elektronen durch die beiden Photosysteme verfolgen. Dies wiederum hängt vor allem von der Produktion von NADPH und der Freisetzung von Sauerstoffgas ab.

Betrachten wir zunächst die Photophosphorylierung in schematischer Form.

Bei der zyklischen Photophosphorylierung transportiert ein Molekül namens Plastocyanin die Elektronen (e-) zum Photosystem I, das ebenfalls ein Reaktionszentrum und eine lichtabhängige Struktur aufweist.

Sobald das Elektron das Reaktionszentrum (P700 im folgenden Diagramm) angeregt hat, werden die Elektronen, die das PSI erreichen, wieder von Lichtenergie mit einem höheren Energiegehalt angetrieben. Sie werden durch die neue Kette von Akzeptoren transportiert, bis sie ein endgültiges Akzeptormolekül erreichen. Dieses Molekül, das die Elektronen einfängt, nutzt sie, um ADP (die energiefreie Form von ATP) und ein Phosphoratom in ATP (Energie zur Speicherung) umzuwandeln.

Bei der nicht-zyklischen Photophosphorylierung ist der Prozess anders. Die Photonen beeinflussen das PSII, indem sie zwei Elektronen anregen und freisetzen, die auf den primären Elektronenakzeptor Phäophytin übertragen werden. Die Elektronen werden durch den ersten Elektronendonator im Z-Schema ersetzt, zusammen mit den Elektronen, die aus der Photolyse von Wasser im Thylakoid stammen.

Die Protonen aus der Photolyse werden im Inneren angesammelt und der Sauerstoff wird in Form von Gas freigesetzt. Die Elektronen gelangen in eine Transportkette, die die freigesetzte Energie in die Synthese von ATP investiert.

Wie? Die Theorie erklärt es folgendermaßen: Elektronen werden an die Plastochinone abgegeben, die auch zwei Protonen aus dem Stroma einfangen. Die Elektronen und Protonen gelangen zum Cytochrom b6f-Komplex, der die Protonen ins Innere der Thylakoide pumpt. Auf diese Weise wird eine große Konzentration an Protonen im Thylakoid (aus diesen und denen, die aus der Photolyse des Wassers resultieren) erreicht.

Darüber hinaus gelangen die Elektronen aus den Zytochromen an das Plastocyanin, das sie wiederum an das PSI abgibt. Mit Lichtenergie werden die Elektronen vom Akzeptor wieder freigegeben und eingefangen. Von hier aus durchlaufen sie eine Reihe von Molekülen, bis sie Ferredoxin (Fd im Diagramm) erreichen. Dieses Molekül überträgt sie an die NADP+-Reduktase, die auch zwei Protonen aus dem Stroma einfängt. Mit den beiden Protonen und zwei Elektronen wird ein NADP+ zu NADPH + H+ reduziert (siehe folgendes Diagramm).

Diese Prozessen kennzeichnen die so genannte Lichtphase.

Hoffentlich hilft Ihnen dieser Leitfaden, die Lichtphase zu verstehen. Wenn ja, sind Sie bereit, weiterzumachen! Schauen Sie sich unseren anderen Leitfaden an, der die Dunkelphase und die Photorespiration erklärt.

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