Lernergebnisse
- Identifiziere die Reaktanten und Produkte der Photosynthese
Die Photosynthese ist ein mehrstufiger Prozess, der Sonnenlicht, Kohlendioxid (das wenig Energie enthält) und Wasser als Substrate benötigt (Abbildung 1). Nach Abschluss des Prozesses wird Sauerstoff freigesetzt, und es entsteht Glyceraldehyd-3-phosphat (GA3P), ein einfaches Kohlenhydratmolekül (mit hohem Energiegehalt), das anschließend in Glukose, Saccharose oder eines von Dutzenden anderer Zuckermoleküle umgewandelt werden kann. Diese Zuckermoleküle enthalten Energie und den energiereichen Kohlenstoff, den alle Lebewesen zum Überleben brauchen.
Abbildung 1. Die Photosynthese nutzt Sonnenenergie, Kohlendioxid und Wasser, um energiespeichernde Kohlenhydrate herzustellen. Als Abfallprodukt der Photosynthese entsteht Sauerstoff.
Die chemische Gleichung für die Photosynthese (Abbildung 2) lautet:
Abbildung 2. Die Grundgleichung für die Photosynthese ist trügerisch einfach. In Wirklichkeit läuft der Prozess in vielen Schritten mit Zwischenreaktanten und -produkten ab. Glukose, die primäre Energiequelle in den Zellen, wird aus zwei dreikohlenstoffhaltigen GA3Ps hergestellt.
Auch wenn die Gleichung einfach aussieht, sind die vielen Schritte, die während der Photosynthese ablaufen, in Wirklichkeit recht komplex. Bevor man erfährt, wie Photoautotrophe das Sonnenlicht in Nahrung umwandeln, sollte man sich mit den beteiligten Strukturen vertraut machen.
In Pflanzen findet die Photosynthese im Allgemeinen in Blättern statt, die aus mehreren Zellschichten bestehen. Der Prozess der Photosynthese findet in einer mittleren Schicht, dem Mesophyll, statt. Der Gasaustausch von Kohlendioxid und Sauerstoff erfolgt durch kleine, regulierte Öffnungen, die als Spaltöffnungen (Singular: Stoma) bezeichnet werden und auch bei der Regulierung des Gasaustauschs und des Wasserhaushalts eine Rolle spielen. Die Spaltöffnungen befinden sich in der Regel an der Unterseite des Blattes, was dazu beiträgt, den Wasserverlust zu minimieren. Jede Spaltöffnung wird von Wächterzellen flankiert, die das Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen regulieren, indem sie als Reaktion auf osmotische Veränderungen anschwellen oder schrumpfen.
Bei allen autotrophen Eukaryonten findet die Photosynthese in einer Organelle statt, die Chloroplast genannt wird. Bei Pflanzen befinden sich die chloroplastenhaltigen Zellen im Mesophyll. Chloroplasten haben eine doppelte Membranhülle (bestehend aus einer äußeren und einer inneren Membran). Im Inneren des Chloroplasten befinden sich gestapelte, scheibenförmige Strukturen, die Thylakoide genannt werden. In der Thylakoidmembran befinden sich Chlorophyll, ein Pigment (ein Molekül, das Licht absorbiert), das für die erste Interaktion zwischen Licht und Pflanzenmaterial verantwortlich ist, sowie zahlreiche Proteine, die die Elektronentransportkette bilden. Die Thylakoidmembran umschließt einen inneren Raum, das Thylakoidlumen. Wie in Abbildung 3 dargestellt, wird ein Stapel Thylakoide als Granum bezeichnet, und der flüssigkeitsgefüllte Raum, der das Granum umgibt, heißt Stroma oder „Bett“ (nicht zu verwechseln mit Stoma oder „Mund“, einer Öffnung in der Blattepidermis).
Praxisfrage
Abbildung 3. Die Photosynthese findet in Chloroplasten statt, die eine äußere und eine innere Membran besitzen. Stapel von Thylakoiden, Grana genannt, bilden eine dritte Membranschicht.
An einem heißen, trockenen Tag schließen die Pflanzen ihre Spaltöffnungen, um Wasser zu sparen. Welche Auswirkungen hat dies auf die Photosynthese?
Zwei Teile der Photosynthese
Die Photosynthese läuft in zwei aufeinanderfolgenden Phasen ab: den lichtabhängigen Reaktionen und den lichtunabhängigen Reaktionen. Bei den lichtabhängigen Reaktionen wird die Energie des Sonnenlichts vom Chlorophyll absorbiert und in gespeicherte chemische Energie umgewandelt. Bei den lichtunabhängigen Reaktionen treibt die bei den lichtabhängigen Reaktionen gewonnene chemische Energie den Aufbau von Zuckermolekülen aus Kohlendioxid voran. Obwohl die lichtunabhängigen Reaktionen also kein Licht als Reaktionspartner verwenden, benötigen sie die Produkte der lichtabhängigen Reaktionen, um zu funktionieren. Darüber hinaus werden mehrere Enzyme der lichtunabhängigen Reaktionen durch Licht aktiviert. Bei den lichtabhängigen Reaktionen werden bestimmte Moleküle zur Zwischenspeicherung der Energie verwendet: Diese werden als Energieträger bezeichnet. Die Energieträger, die die Energie von den lichtabhängigen Reaktionen zu den lichtunabhängigen Reaktionen transportieren, kann man sich als „voll“ vorstellen, weil sie reich an Energie sind. Nachdem die Energie freigesetzt wurde, kehren die „leeren“ Energieträger zu der lichtabhängigen Reaktion zurück, um weitere Energie zu erhalten. Abbildung 4 zeigt die Komponenten im Inneren des Chloroplasten, in denen die lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen ablaufen.
Abbildung 4. Die Photosynthese läuft in zwei Stufen ab: lichtabhängige Reaktionen und der Calvin-Zyklus. Lichtabhängige Reaktionen, die in der Thylakoidmembran stattfinden, nutzen die Lichtenergie zur Herstellung von ATP und NADPH. Der Calvin-Zyklus, der im Stroma stattfindet, nutzt die aus diesen Verbindungen gewonnene Energie, um GA3P aus CO2 herzustellen.
Photosynthese im Supermarkt
Abbildung 5. Die Lebensmittel, die der Mensch verzehrt, stammen aus der Photosynthese. (credit: Associação Brasileira de Supermercados)
Große Lebensmittelgeschäfte in den Vereinigten Staaten sind in Abteilungen wie Molkereiprodukte, Fleisch, Obst und Gemüse, Brot, Getreide und so weiter unterteilt. Jeder Gang (Abbildung 5) enthält Hunderte, wenn nicht Tausende von verschiedenen Produkten, die die Kunden kaufen und verzehren können.
Auch wenn es eine große Vielfalt gibt, hat jedes Produkt einen Bezug zur Photosynthese. Fleisch und Milchprodukte sind darauf zurückzuführen, dass die Tiere mit pflanzlichen Lebensmitteln gefüttert wurden. Brot, Getreide und Nudeln werden größtenteils aus stärkehaltigen Körnern hergestellt, die die Samen von Pflanzen sind, die von der Photosynthese abhängig sind. Was ist mit Desserts und Getränken? Alle diese Produkte enthalten Zucker – Saccharose ist ein Pflanzenprodukt, ein Disaccharid, ein Kohlenhydratmolekül, das direkt aus der Photosynthese entsteht. Darüber hinaus gibt es viele Produkte, die weniger offensichtlich aus Pflanzen stammen: Papierwaren beispielsweise sind in der Regel Pflanzenprodukte, und viele Kunststoffe (die als Produkte und Verpackungen im Überfluss vorhanden sind) können aus Algen oder aus Öl, den versteinerten Überresten photosynthetischer Organismen, gewonnen werden. Praktisch jedes Gewürz und jeder Geschmacksstoff im Gewürzregal wurde von einer Pflanze als Blatt, Wurzel, Rinde, Blüte, Frucht oder Stängel erzeugt. Letztlich ist die Photosynthese mit jeder Mahlzeit und jedem Lebensmittel verbunden, das der Mensch zu sich nimmt.
Zusammenfassung: Ein Überblick über die Photosynthese
Der Prozess der Photosynthese hat das Leben auf der Erde verändert. Durch die Nutzung der Sonnenenergie entwickelte sich die Photosynthese und ermöglichte den Lebewesen den Zugang zu enormen Energiemengen. Durch die Photosynthese erhielten die Lebewesen Zugang zu einer ausreichenden Energiemenge, die es ihnen ermöglichte, neue Strukturen aufzubauen und die heute sichtbare Artenvielfalt zu erreichen.
Nur bestimmte Organismen, die so genannten Photoautotrophen, können Photosynthese betreiben; sie benötigen das Vorhandensein von Chlorophyll, einem speziellen Pigment, das bestimmte Teile des sichtbaren Spektrums absorbiert und Energie aus dem Sonnenlicht einfangen kann. Bei der Photosynthese werden aus Kohlendioxid und Wasser Kohlenhydratmoleküle zusammengesetzt und Sauerstoff als Abfallprodukt in die Atmosphäre abgegeben. Eukaryotische Autotrophe, wie Pflanzen und Algen, haben Organellen, die Chloroplasten, in denen die Photosynthese stattfindet und sich Stärke ansammelt. Bei Prokaryonten wie Cyanobakterien ist der Prozess weniger lokalisiert und findet in gefalteten Membranen, Verlängerungen der Plasmamembran und im Zytoplasma statt.
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