Photosynthese
Die Photosynthese ist eine Stoffwechselreaktion chlorophyllhaltiger Organismen (grüne Pflanzen sowie einige Bakterien Der Begriff Bakterien (Bacteria) ist aus dem altgriechischem (bakterion = Stäbchen) abgeleitet und wird in der Mikrobiologie traditionell für alle und Algen Algen stellen keine systematische Bezeichnung dar und sind pflanzenartige Lebewesen, die aber nicht den Pflanzen zugeordnet werden können. Sie umfassen ), bei der organische Verbindungen aus anorganischen Molekülen durch Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie synthetisiert werden. Die Photosynthese ist einer der wichtigsten biochemischen Prozesse überhaupt, da durch sie organische, energiereiche Verbindungen und Sauerstoff erzeugt werden, die die Existenz von Lebewesen in der Biosphäre überhaupt erst möglich machen. Im Folgenden wird ausschließlich die oxygene Photosynthese näher erläutert, bei der Wasser als Elektronenspender fungiert.
Die Photosynthese verläuft in zwei Schritten: Bei der Lichtreaktion läuft eine Reihe von lichtabhängigen, jedoch temperaturunabhängigen Reaktionen ab, deren Geschwindigkeit innerhalb bestimmter Grenzen durch steigende Lichtintensität beschleunigt werden kann. Eine Temperaturerhöhung zeigt dagegen keine Wirkung auf die Reaktionsgeschwindigkeit.
Die zweite Reaktionsreihe, die Dunkelreaktion, ist lichtunabhängig; ihre Geschwindigkeit kann jedoch durch Temperaturerhöhung gesteigert werden. Der erste Schritt bei der Photosynthese ist die Absorption Der Begriff kommt aus dem Lateinischen: absorbere = aufnehmen. Die Absorption ist die Aufnahme von Energie z. B. von Strahlungs- von Licht durch spezielle Pigmente (Farbstoffe), die meist an Proteine gebunden sind und charakteristische Absorptionsspektren (bestimmte Wellenlängenbereiche des Lichtes, in denen ein Pigment Lichtenergie aufnehmen kann) aufweisen. Der Hauptfarbstoff der Photosynthese ist Chlorophyll a. Er nimmt Lichtenergie aus den violetten und roten Anteilen des Spektrums auf. Chlorophyll b und c sowie andere Pigmente wie die Carotinoide und Phycobiline absorbieren leicht abweichende Wellenlängen und können die Lichtenergie an das Chlorophyll a weiterleiten. Diese Pigmente verbreitern damit das Lichtspektrum, das zur Energiegewinnung durch Photosynthese genutzt werden kann.
Die Photosynthese findet innerhalb der Zellen in bestimmten Organellen, den Chloroplasten, statt. Die wichtigsten Strukturelemente der Chloroplaste sind Membransysteme, die Thylakoide Siehe Photosynthese. . In den Thylakoidmembranen sind die Photosynthesepigmente und Enzymsysteme für die verschiedenen Photosynthesereaktionen lokalisiert, wobei jeweils mehrere Pigmente zu Photosystemen zusammengefasst sind. Durch die Absorption eines Lichtquants werden die Elektronen der Pigmentmoleküle auf höhere Energieniveaus angehoben. Anschließend wird die dadurch gebundene Lichtenergie in Form des angeregten Elektrons über verschiedene Zwischenpigmente bis zum zentralen Molekül des jeweiligen Photosystems, dem Reaktionszentrum, weitergeleitet. Es lassen sich zwei Lichtreaktionssysteme unterscheiden, Photosystem I und II. Durch Absorption von Licht wird zunächst das Photosystem II angeregt und die energiereichen Elektronen über eine Elektronentransportkette dem Photosystem I zugeführt. Durch Weitergabe des Elektrons entstehen Elektronenlücken bei den Chlorophyllmolekülen im Photosystem II. Diese werden durch Elektronen ersetzt, die aus aufgespaltenen Wassermolekülen stammen, wobei Sauerstoff freigesetzt wird. Die energiereichen Elektronen werden über eine Elektronentransportkaskade zurück an das Photosystem I geleitet. Die bei der Elektronenübertragung freiwerdende Energie wird zur Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) verwendet. Die vom Photosystem I aufgenommene Lichtenergie wird an das Reaktionszentrum weitergeleitet und für die Anregung der Chlorophyll a-Moleküle verbraucht. Energiereiche Elektronen werden über eine zweite Elektronentransportkette zum Coenzym Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat geleitet, das sie zu energiereichem NADPH2 reduziert. Die Elektronen, die das Photosystem bei dieser Reaktion abgibt, werden durch Elektronen ersetzt, die vom Photosystem II zugeleitet wurden. Dadurch fällt das Chlorophyllmolekül in den neutralen Grundzustand zurück. Die Lichtreaktion resultiert daher in einem Energiegewinn in Form der Moleküle ATP und NADPH2, die im pflanzlichen Stoffwechsel benötigt werden. Damit liegt das Ergebnis der Photosynthesereaktion in der vorübergehenden Umwandlung von Lichtenergie in die chemischen Verbindungen ATP und NADPH2 mit Hilfe der Lichtreaktion und in der endgültigen Fixierung der Energie in Form von Zuckermolekülen mit Hilfe der Dunkelreaktion.
Während des Prozesses wird unter Freisetzung von Sauerstoff Wasser aufgespalten, um Elektronen für die Elektronentransportketten bereitzustellen. Kohlendioxid wird bei der Dunkelreaktion reduziert und liefert dadurch die Grundbausteine für das Endprodukt, das Zuckermolekül.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Photosynthese ein Vorgang ist, bei dem die Pflanze Sonnenenergie in chemische Energie umwandelt. Mit Hilfe der Energie des Sonnenlichts werden bei der Photosynthese aus Kohlendioxid und Wasser energiereiche Zuckerverbindungen aufgebaut, in denen die für die Pflanzen verfügbare Energie gespeichert ist.