Pigmente verstehen
Es gibt verschiedene Arten von Pigmenten, und jedes absorbiert nur bestimmte Wellenlängen (Farben) des sichtbaren Lichts. Pigmente reflektieren die Farbe der Wellenlängen, die sie nicht absorbieren können.
Alle photosynthetischen Organismen enthalten ein Pigment namens Chlorophyll a, das der Mensch als die übliche grüne Farbe der Pflanzen wahrnimmt. Chlorophyll a absorbiert Wellenlängen von beiden Enden des sichtbaren Spektrums (blau und rot), aber nicht von grün. Da Grün reflektiert wird, erscheint Chlorophyll grün.
Abbildung 4. Pflanzen, die häufig im Schatten wachsen, profitieren davon, dass sie eine Vielzahl von lichtabsorbierenden Pigmenten haben. Jedes Pigment kann verschiedene Wellenlängen des Lichts absorbieren, so dass die Pflanze jedes Licht, das durch die höheren Bäume dringt, aufnehmen kann. (credit: Jason Hollinger)
Andere Pigmenttypen sind Chlorophyll b (das blaues und rot-oranges Licht absorbiert) und die Carotinoide. Jeder Pigmenttyp kann anhand des spezifischen Musters der Wellenlängen identifiziert werden, die er vom sichtbaren Licht absorbiert, d. h. seines Absorptionsspektrums.
Viele photosynthetische Organismen haben eine Mischung von Pigmenten; zwischen ihnen kann der Organismus Energie aus einem breiteren Spektrum von Wellenlängen des sichtbaren Lichts absorbieren. Nicht alle photosynthetischen Organismen haben vollen Zugang zum Sonnenlicht. Einige Organismen wachsen unter Wasser, wo die Lichtintensität mit der Tiefe abnimmt und bestimmte Wellenlängen vom Wasser absorbiert werden. Andere Organismen wachsen im Wettbewerb um Licht. Pflanzen auf dem Boden des Regenwaldes müssen in der Lage sein, jedes bisschen Licht zu absorbieren, das durchkommt, weil die höheren Bäume das meiste Sonnenlicht blockieren (Abbildung 4).
Wie lichtabhängige Reaktionen funktionieren
Der allgemeine Zweck der lichtabhängigen Reaktionen ist die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Diese chemische Energie wird vom Calvin-Zyklus genutzt, um den Aufbau von Zuckermolekülen voranzutreiben.
Die lichtabhängigen Reaktionen beginnen in einer Gruppierung von Pigmentmolekülen und Proteinen, die Photosystem genannt wird. Photosysteme befinden sich in den Membranen der Thylakoide. Ein Pigmentmolekül im Photosystem absorbiert jeweils ein Photon, eine Menge oder ein „Paket“ von Lichtenergie.
Ein Photon von Lichtenergie wandert, bis es ein Chlorophyllmolekül erreicht. Das Photon bewirkt, dass ein Elektron im Chlorophyll „angeregt“ wird. Die dem Elektron zugeführte Energie ermöglicht es ihm, sich von einem Atom des Chlorophyllmoleküls zu lösen. Man sagt daher, dass Chlorophyll ein Elektron „spendet“ (Abbildung 5).
Abbildung 5. Lichtenergie wird von einem Chlorophyllmolekül absorbiert und über einen Weg an andere Chlorophyllmoleküle weitergegeben. Die Energie kulminiert in einem Chlorophyllmolekül, das sich im Reaktionszentrum befindet. Die Energie „erregt“ eines seiner Elektronen soweit, dass es das Molekül verlässt und auf einen nahe gelegenen primären Elektronenakzeptor übertragen wird. Ein Wassermolekül spaltet sich, um ein Elektron freizusetzen, das benötigt wird, um das abgegebene Elektron zu ersetzen. Bei der Aufspaltung von Wasser werden auch Sauerstoff- und Wasserstoffionen gebildet.
Um das Elektron im Chlorophyll zu ersetzen, wird ein Wassermolekül aufgespalten. Bei dieser Spaltung wird ein Elektron freigesetzt und es entstehen Sauerstoff (O2) und Wasserstoffionen (H+) im Thylakoidraum. Technisch gesehen wird bei jeder Spaltung eines Wassermoleküls ein Elektronenpaar freigesetzt, so dass zwei gespendete Elektronen ersetzt werden können.
Der Austausch des Elektrons ermöglicht es dem Chlorophyll, auf ein weiteres Photon zu reagieren. Die als Nebenprodukte entstehenden Sauerstoffmoleküle finden ihren Weg in die Umgebung. Die Wasserstoffionen spielen eine entscheidende Rolle bei den übrigen lichtabhängigen Reaktionen.
Denken Sie daran, dass der Zweck der lichtabhängigen Reaktionen darin besteht, Sonnenenergie in chemische Träger umzuwandeln, die im Calvin-Zyklus verwendet werden. In Eukaryoten gibt es zwei Photosysteme, das erste heißt Photosystem II, das nach der Reihenfolge seiner Entdeckung und nicht nach der Reihenfolge seiner Funktion benannt ist.
Nach dem Eintreffen des Photons überträgt das Photosystem II das freie Elektron auf das erste einer Reihe von Proteinen in der Thylakoidmembran, die Elektronentransportkette genannt wird. Während das Elektron diese Proteine durchläuft, treibt die Energie des Elektrons Membranpumpen an, die aktiv Wasserstoffionen entgegen ihrem Konzentrationsgefälle aus dem Stroma in den Thylakoidraum bewegen. Dies ist ganz analog zu dem Prozess, der im Mitochondrium abläuft, wo eine Elektronentransportkette Wasserstoffionen aus dem mitochondrialen Stroma durch die innere Membran in den Intermembranraum pumpt, wodurch ein elektrochemisches Gefälle entsteht. Nachdem die Energie verbraucht ist, wird das Elektron von einem Pigmentmolekül im nächsten Photosystem aufgenommen, das als Photosystem I bezeichnet wird (Abbildung 6).
Abbildung 6. Vom Photosystem II aus wandert das angeregte Elektron entlang einer Reihe von Proteinen. Dieses Elektronentransportsystem nutzt die Energie des Elektrons, um Wasserstoffionen in das Innere der Thylakoide zu pumpen. Ein Pigmentmolekül im Photosystem I nimmt das Elektron auf.