Fotoreaktion und Synthesereaktion erklärt?
Hallo, meine Biologie LK Klausur steht an und unser Thema ist unter anderen Fotosynthese.
Ich verstehe bis jetzt nicht, wie genau die fotoreaktion und synthesereaktion funktioniert. Auch nach mehreren durchlesen und anschauen von Schaubildern wird mir nicht ganz klar wie die Prozesse funktionieren.
Dabei macht mir die Synthesereaktion am meisten Sorgen. Es stellt sich bei mir auch die Frage, ob man bei einer LK Klausur alle Teilschritte der synthesereaktion auswendig lernen muss?
Falls mir ein Biologie Profi helfen kann, bin ich sehr glücklich darüber. Danke!
1 Antwort
Hallo,
ich kann natürlich dein Lehrbuch und den Unterricht nicht ersetzen und eine Klausur überprüft ja Inhalte, die im Unterricht erarbeitet wurden. Sollte sie zumindest.
Die Lichtreaktion (Fotoreaktion) ist hier gezeigt, mit den zwei freundlichen Sonnen:
Bild: gemeinfrei
Der Sinn besteht darin, dem Wasser (links) seine Elektronen zu entreißen. Dabei wird es gespalten ("Fotolyse des Wassers") und der Sauerstoff als Nebenprodukt an die Atmosphäre abgegeben. Der Photosynthesesauerstoff stammt also aus dem Wasser.
Die Elektronen werden dann über eine Redoxkette, also Reaktionspartner, die abwechselnd reduziert und oxidiert werden (Elektronen annehmen und abgeben) auf ein elektronenspeicherndes Molekül geladen, das NADP+, was zu NADPH+H+ reduziert wird (rechts).
Der Elektronentransport läuft nicht freiwillig ab, sondern energetisch bergauf. Um e- von H2O auf NADP+ zu bekommen, braucht es Energiezufuhr und zwar an zwei Stellen, den sog. Fotosystemen (II+I) wird von der freundlichen Sonne (die es natürlich nur einmal gibt) Strahlungsenergie aufgenommen, um die e- zu transportieren, bis sie im NADPH+H+ angekommen sind. Die Sonne treibt diesen e--Transport also an.
Parallel dazu läuft noch ein weiterer Transport ab. Nämlich von H+-Ionen durch die Thylakoidmembran, vom Stroma des Chloroplasten, in den Thylakoidinnenraum (violetter Pfeil im linken Drittel). So wird ein H+-Ionengradient über die Thylakoidmembran aufgebaut, dessen Rückfluss durch die Thylakoidmembran, durch spezielle kleine molekulare Turbinen erfolgt, den ATP-Synthasen (rechts). Der Protonenstrom lässt sie ATP erzeugen. Die ATP-Synthasen sind also in der Lage ATP zu erzeugen, wenn sie durch sie hindurchfließende H-Ionen dazu angetrieben werden. Die Energie für den aktiven Transport zum Aufstauen der H+-Ionen im Thylakoidinnenraum kommt also ebenfalls von der Sonne. Und daher kann auch das gebildete ATP nur mit Hilfe des Sonnenlichtes gebildet werden. Denn ohne Sonnenlicht kein H+-Gradient.
Die Produkte der Lichtreaktion sind also mit Hilfe des Sonnenlichtes gewonnenes
- NADPH+H+ und
- ATP
O2 ist ein Nebenprodukt aus der Wasserspaltung, das an die Atmosphäre abgegeben wird.
Oft wird die Lichtreaktion auch als "Z-Schema" dargestellt:
Bild: gemeinfrei
Es schaut aus wie ein auf der Seite liegendes "Z". Der Verlauf des Elektronentransports vom Wasser (links) zum NADPH+H+ (rechts) ist so dargestellt, dass energiebenötigende Strecken nach oben gehen. Man sieht, im Unterschied zur oberen Abbildung, die die natürliche Anordnung im Chloroplasten zeigt, dass die beiden nach oben zeigenden Streckenabschnitte jeweils bei den Fotosystemen liegen, die durch Sonnenlicht angeregt werden (Photosytem II + I). Das heißt ohne Sonnenlicht läuft da gar nichts vom Wasser zum NADPH+H+. Und daher heißt es auch Fotoreaktion (oder Lichtreaktion). Weil die Sonne diesen Prozess ankurbelt.
Nun kann man sich die Synthesereaktion (oder Dunkelreaktion) anschauen, die in einem Kreisprozess angeordnet ist, dem Calvin-Zyklus:
Bild: Schulbuch Biologie
Dort muss man nicht jede Reaktion auswendig lernen (finde ich zumindest), sondern es genügt, seine vier Phasen zu verstehen.
Zunächst einmal gibt es zusammengefasst zwei Phasen der "Reduktion" und "Kohlenhydratsynthese" auf 14:00 Uhr - 17:00 Uhr und dort wird das in der Lichtreaktion produzierte NADH+H+ verbraucht (zu NADP+ re-oxidiert, gibt e- ab). Es dient als Reduktionsmittel im Calvin-Zyklus, um Kohlenhydrate (Glucose) synthetisieren zu können. Von Phosphoglycerinsäure zu Glycerinaldehyd-3-phosphat. Es braucht also ein Reduktionsmittel (NADPH+H+) und einen Energielieferanten (ATP), um aus in den Zyklus aufgenommenem CO2 aus der Luft (einem anorganischen Stoff) auf die Ebene eines organischen Moleküls (Glucose) zu kommen (auf 17:00). Nur mit CO2, ohne Reduktionsmittel (NADPH+H+) und ohne energielieferndem Stoff (ATP), kein Zucker.
An der Stelle wird deutlich, dass beide erforderlichen Hilfsmittel mit dem Sonnenlicht zur Verfügung gestellt wurden und daher ein Teil der Energie des Sonnenlichts sich indirekt in dem produzierten Zucker (Glucose) wiederfindet. Dem Chloroplasten ist es gelungen, Lichtenergie in chemische Energie zu wandeln. Indem er die Lichtenergie nutzt, um mit ihrer Hilfe ATP und Glucose zu bilden. Sie also sozusagen in chemischen Bindungen "anzulegen", die ohne Energiezufuhr nicht gebildet werden könnten.
Sonne liefert NADPH+H+ und ATP in der Fotoreaktion. NADPH+H+ und ATP liefern Glucose von Phosphoglycerinsäure ausgehend in der Synthesereaktion. (Da ist übrigens ein Druckfehler in der Abb. "Phosphoglyderinsäure").
Die anderen beiden Phasen wirken kompliziert, sind aber einfach zu erklären. Zum einen muss das CO2 aus der Luft irgendwo Eingang in den Zyklus finden. Denn es liefert ja die Bausteine für die zu bildende Glucose. Daher müssen pro Glucose (C6) 6 CO2 aufgenommen werden. Dafür hat der Zyklus ein Akzeptormolekül auf 11:00 Uhr, Ribulose-1,5-bisphosphat. Dieses kann CO2 binden durch eine enzymgestützte Reaktion (wie alle Teilschritte biochemischer Stoffwechselreaktionen enzymgestützt sind). Nur dieses Enzym ist das Schlüsselenzym des ganzen Calvin-Zyklus, weil hier das CO2 in den Zyklus reingeht. Das ist die Ribulosebisphosphat-carboxylase/-oxygenase (RuBisCo). Eines der bekanntesten Enzyme der gesamten Photosynthese und eines der wichtigsten der Erde. Dieser Teil heißt CO2-"Fixierung".
Dann bleibt nur noch der Teil nach der Kohlenhydratsynthese (17:00) bis zur Fixierung (11:00), den nennt man "Regeneration". Denn die Zelle bzw. der Chloroplast will nicht unendlich viel Ribulose-1,5-bisphosphat bereitstellen, um CO2 zu fixieren, es regeneriert RubP einfach im Kreisprozess, nachdem Glucose gebildet worden ist. Dazu braucht es auf 20:00 Uhr nochmals ATP (aus der Lichtreaktion).
Somit ist CO2 aufgenommen, Glucose gebildet und der CO2-Akzeptor Ribulose-1,5-bisphosphat wieder regeneriert worden. Der Sinn des Calvin-Zyklus.
Und so fügen sich Licht- und Dunkelreaktion oder Foto- und Synthesereaktion zusammen. Sie greifen wie Zahnräder ineinander. Die Lichtreaktion bildet notwendige Hilfsmittel (NADPH+H+, ATP), die in der Synthesereaktion verwendet werden, um mit aufgenommenem CO2 aus der Luft Glucose zu bilden, so dass die Glucose insgesamt betrachtet, mit Hilfe des Sonnenlichts synthetisiert worden ist, daher auch der Name "Photosynthese".
Vielen Dank für Ihre ausführliche und hilfreiche Antwort! Ich denke ich verstehe es jetzt besser. Im Buch wird es nämlich immer "heruntergerattert", wodurch man die Zusammenhänge nicht wirklich versteht und meine Lehrerin hat uns nicht einmal die ganzen Reaktionen erklärt. Deswegen ein Danke an sie!