Im folgenden findest du einen Schnellabriss der Primärreaktion sowie eine Übersicht der Fotosynthese. Die Abschnitte bauen aufeinander auf – lies sie der Reihe nach durch und überprüfe dein Verständnis anschließend mit den Lernkarten.
1. Aufbau eines Chloroplasten
Der Chloroplast ist der Ort der Fotosynthese in Pflanzenzellen. Er besitzt eine Doppelmembran sowie ein inneres Membransystem aus flachen Thylakoidscheiben, die zu Grana aufgestapelt sind und in das flüssige Stroma eingebettet liegen.
Abb. 1 – Querschnittsskizze eines Chloroplasten. Gut zu erkennen: die gestapelten Thylakoide (Grana) in der Stroma-Matrix sowie die Doppelmembran.
2. Lichtanregung des Chlorophylls
Bei der Absorption von Licht nehmen Elektronen der Farbstoffmoleküle die Energie auf. Ein Elektron kann nur die Energiemenge aufnehmen, die ziemlich genau dem Unterschied zwischen Grundzustand und Anregungszustand entspricht – daher absorbiert Chlorophyll bevorzugt rotes und blaues Licht.
Abb. 2 – Lichtanregung des Chlorophylls. Nur bestimmte Wellenlängen (rot ≈ 680 nm, blau ≈ 430 nm) haben genau die richtige Energie, um Elektronen anzuheben.
3. Lichtabhängige Reaktionen – Primärreaktion
a) Z-Schema der nichtzyklischen Lichtreaktion
Das Z-Schema zeigt schematisch, wie Elektronen bei der nichtzyklischen Lichtreaktion von Wasser über zwei Photosysteme zum NADP+ fließen. Der Name leitet sich von der Z-förmigen Kurve im Energiediagramm ab.
Abb. 3 – Z-Schema der Lichtreaktion. Die y-Achse repräsentiert den Energiegehalt der Elektronen. Von links (P680, niedriges Energieniveau nach Fotolyse) bis rechts (NADPH, hohes Energieniveau) ergibt sich der namensgebende Z-förmige Verlauf.
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Absorption von Lichtenergie am Chlorophyll-Paar a II (P680) → Anregung → 2 Elektronen werden abgespalten und auf den danebenliegenden Elektronenakzeptor übertragen (Reduktion des Akzeptors).
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Redoxsystem – Elektronenweitergabe entlang der Elektronentransportkette: P680 → Elektronenakzeptor → weitere Proteine → Chlorophyll a I (P700). Dieser Elektronentransport pumpt H+-Ionen und erzeugt so den Protonengradienten für die ATP-Synthase.
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Weitere Lichtanregung von P700 → 2 Elektronen abgespalten → Elektronenakzeptor → NADP+-Reduktase → Übertragung auf NADP+ (wird reduziert zu NADPH + H+).
Problem: Woher kommen die Elektronen für P680?
Fotolyse: Ein mangan-haltiges Enzym entzieht Wassermolekülen ihre Elektronen und liefert sie an P680. Als Nebenprodukt entsteht der Sauerstoff, den wir atmen:
2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e−
Bei der nichtzyklischen Lichtreaktion fließen so permanent Elektronen von Wassermolekülen zum NADPH + H+.
b) ATP-Gewinnung durch Protonengradienten
Parallel zur Elektronenweitergabe werden H+-Ionen in den Thylakoidinnenraum gepumpt. Das entstehende Konzentrationsgefälle treibt die ATP-Synthase (Chemiosmose) an.
Abb. 4 – Modell der lichtabhängigen Reaktion in der Thylakoidmembran. Der Elektronentransport von PS II zu PS I baut einen H+-Gradienten auf, der die ATP-Synthase antreibt (Chemiosmose). Am Ende entsteht NADPH als Reduktionsmittel für den Calvin-Zyklus.
