Techniklexikon

Photosynthese

Biophysik, Synthese energiereicher organischer Verbindungen aus energiearmen anorganischen Verbindungen mit Hilfe der in elektrochemisches Potential umgewandelten Strahlungsenergie des Lichts (der Sonne) durch biologische Systeme (Leben, Biophysik, Photobiophysik). Ausgangssubstanzen der Photosynthese sind bei grünen Pflanzen Wasser und Kohlendioxid, aus denen unter Abgabe von Sauerstoff Glucose oder deren polymere Formen (Kohlenhydrate, insbesondere Stärke) aufgebaut werden. Die Bruttoformel der Photosynthese lautet:

12 H₂O + 6 CO₂ + 48 Lichtquanten  C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O.

Die Reaktion ist endothermisch, DG⁰ = -2 880 kJ / mol Glucose. Die Photosynthese der grünen Pflanzen ist Existenzgrundlage für die meisten anderen heterotrophen Existenzformen des Lebens auf der Erde (Biosphäre). Auch eine Reihe von Bakterien ist photosynthetisch aktiv.

Die Photosynthese kann in die zwei relativ unabhängigen Teilprozesse Lichtreaktion und Dunkelreaktion untergliedert werden. Bei der Lichtreaktion (siehe Abb.) findet die Photolyse des Wassers statt: H₂O wird unter Abgabe zweier Elektronen zu 1 / 2 O₂ (der Sauerstoff entweicht in die Atmosphäre) und 2 H⁺ aufgespalten. Die Elektronen werden unter Ausnutzung der Lichtenergie zweimal in ihrem Energieniveau angehoben. Dies geschieht in den Protein-Komplexen Photosystem I (Absorption bei 680 nm) und Photosystem II (700 nm), wonach schliesslich NADPH₂ aus NADP⁺ gebildet wird. Beim Übergang der Elektronen vom Photosystem I zum Photosystem II bildet sich ATP (Adenosin-5\'-Triphosphorsäure). Das Chromophor des Photosystems ist eine Magnesium-haltige Porphyrinverbindung.

Während der zyklischen Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus) wird schrittweise CO₂ unter Verbrauch von ATP und NADPH₂ an organische Kohlenstoffverbindungen angelagert und reduziert und geht so in den Kohlenstoffwechsel der Pflanze ein. Als Nebenprodukt der Dunkelreaktion entsteht Wasser.

Die Photosynthese findet bei Pflanzen in speziellen Zellorganellen, den Chloroplasten, statt (Zelle). Die innere Membran hat unzählige Ausstülpungen, sog. Thylakoiden. In den Membranen der Thyalkoiden sind die Protein-Komplexe der Photosysteme lokalisiert, die für die Lichtreaktion verantwortlich sind. Die Enzyme der Dunkelreaktion befinden sich in der Matrix (im Stroma) des Chloroplasten.

Photosynthese: Lichtreaktion: Die Phasen des Elektronentransports und die molekularen Komponenten der Lichtreaktion sind schematisch dargestellt. Mit gestrichelten Linien wird der Zyklus dargestellt, bei dem ausschliesslich ATP produziert wird. PQ=Plastochinon, Cyt b= Cytochrom b, Cyt f=Cytochrom f, Fd=Ferredoxin; Q und Z sind unbekannte Komponenten.