Grundlagen der Photosynthese - Studienführer

Erfahren Sie in dieser Kurzanleitung Schritt für Schritt mehr über die Photosynthese. Beginnen Sie mit den Grundlagen:

Kurzer Überblick über die wichtigsten Konzepte der Photosynthese

• In Pflanzen wird durch Photosynthese Lichtenergie aus Sonnenlicht in chemische Energie (Glucose) umgewandelt. Kohlendioxid, Wasser und Licht werden zur Herstellung von Glukose und Sauerstoff verwendet.
• Die Photosynthese ist keine einzelne chemische Reaktion, sondern eine Reihe chemischer Reaktionen. Die Gesamtreaktion ist:
  6CO₂ + 6H₂O + Licht → C₆H₁₂Ö₆ + 6O₂
• Die Reaktionen der Photosynthese lassen sich in lichtabhängige und dunkle Reaktionen einteilen.
• Chlorophyll ist ein Schlüsselmolekül für die Photosynthese, obwohl auch andere kartenoide Pigmente beteiligt sind. Es gibt vier (4) Arten von Chlorophyll: a, b, c und d. Obwohl wir normalerweise denken, dass Pflanzen Chlorophyll haben und Photosynthese betreiben, verwenden viele Mikroorganismen dieses Molekül, einschließlich einiger prokaryotischer Zellen. In Pflanzen kommt Chlorophyll in einer speziellen Struktur vor, die als Chloroplast bezeichnet wird.
• Die Reaktionen zur Photosynthese finden in verschiedenen Bereichen des Chloroplasten statt. Der Chloroplast hat drei Membranen (innere, äußere, Thylakoid) und ist in drei Kompartimente (Stroma, Thylakoidraum, Zwischenmembranraum) unterteilt. Dunkle Reaktionen treten im Stroma auf. Leichte Reaktionen treten an den Thylakoidmembranen auf.
• Es gibt mehr als eine Form der Photosynthese. Darüber hinaus wandeln andere Organismen Energie unter Verwendung nicht photosynthetischer Reaktionen in Lebensmittel um (z. B. Lithotroph- und Methanogen-Bakterien).
  Produkte der Photosynthese

Schritte der Photosynthese

Hier ist eine Zusammenfassung der Schritte, die Pflanzen und andere Organismen ausführen, um Sonnenenergie zur Erzeugung chemischer Energie zu nutzen:

1. In Pflanzen findet die Photosynthese normalerweise in den Blättern statt. Hier können Pflanzen die Rohstoffe für die Photosynthese an einem zentralen Ort erhalten. Kohlendioxid und Sauerstoff gelangen durch Poren, die Stomata genannt werden, in die Blätter. Wasser wird von den Wurzeln durch ein Gefäßsystem an die Blätter abgegeben. Das Chlorophyll in den Chloroplasten in den Blattzellen absorbiert das Sonnenlicht.
2. Der Prozess der Photosynthese gliedert sich in zwei Hauptteile: lichtabhängige Reaktionen und lichtunabhängige oder dunkle Reaktionen. Die lichtabhängige Reaktion findet statt, wenn Sonnenenergie eingefangen wird, um ein Molekül namens ATP (Adenosintriphosphat) herzustellen. Die Dunkelreaktion tritt auf, wenn das ATP zur Herstellung von Glukose verwendet wird (Calvin-Zyklus)..
3. Chlorophyll und andere Carotinoide bilden sogenannte Antennenkomplexe. Antennenkomplexe übertragen Lichtenergie auf eines von zwei Arten von photochemischen Reaktionszentren: P700, das Teil von Photosystem I ist, oder P680, das Teil von Photosystem II ist. Die photochemischen Reaktionszentren befinden sich auf der Thylakoidmembran des Chloroplasten. Angeregte Elektronen werden auf Elektronenakzeptoren übertragen, wodurch das Reaktionszentrum in einem oxidierten Zustand verbleibt.
4. Die lichtunabhängigen Reaktionen produzieren Kohlenhydrate unter Verwendung von ATP und NADPH, die aus den lichtabhängigen Reaktionen gebildet wurden.

Photosynthese Lichtreaktionen

Nicht alle Lichtwellenlängen werden bei der Photosynthese absorbiert. Grün, die Farbe der meisten Pflanzen, ist eigentlich die Farbe, die reflektiert wird. Das absorbierte Licht spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff:

H2O + Lichtenergie → ½ O2 + 2H + + 2 Elektronen

1. Angeregte Elektronen aus Photosystem I können mithilfe einer Elektronentransportkette oxidiertes P700 reduzieren. Dadurch wird ein Protonengradient aufgebaut, der ATP erzeugen kann. Das Endergebnis dieses schleifenförmigen Elektronenflusses, der als cyclische Phosphorylierung bezeichnet wird, ist die Erzeugung von ATP und P700.
2. Angeregte Elektronen aus Photosystem I könnten eine andere Elektronentransportkette entlang fließen, um NADPH zu erzeugen, das zur Synthese von Kohlenhydraten verwendet wird. Dies ist ein nichtzyklischer Weg, bei dem P700 durch ein abgebautes Elektron aus Photosystem II reduziert wird.
3. Ein angeregtes Elektron aus Photosystem II fließt eine Elektronentransportkette von angeregtem P680 zur oxidierten Form von P700 hinunter und erzeugt einen Protonengradienten zwischen Stroma und Thylakoiden, der ATP erzeugt. Das Nettoergebnis dieser Reaktion wird als nichtcyclische Photophosphorylierung bezeichnet.
4. Wasser liefert das Elektron, das zur Regeneration des reduzierten P680 benötigt wird. Die Reduktion jedes Moleküls von NADP + zu NADPH erfordert zwei Elektronen und vier Photonen. Es werden zwei ATP-Moleküle gebildet.

Photosynthese Dunkle Reaktionen

Dunkle Reaktionen brauchen kein Licht, aber sie werden auch nicht davon gehemmt. Bei den meisten Pflanzen finden die Dunkelreaktionen tagsüber statt. Die Dunkelreaktion findet im Stroma des Chloroplasten statt. Diese Reaktion wird als Kohlenstofffixierung oder Calvin-Zyklus bezeichnet. Bei dieser Reaktion wird Kohlendioxid unter Verwendung von ATP und NADPH in Zucker umgewandelt. Kohlendioxid wird mit einem 5-Kohlenstoff-Zucker kombiniert, um einen 6-Kohlenstoff-Zucker zu bilden. Der 6-Kohlenstoff-Zucker wird in zwei Zuckermoleküle aufgeteilt, Glucose und Fructose, aus denen Saccharose hergestellt werden kann. Die Reaktion erfordert 72 Photonen Licht.

Die Effizienz der Photosynthese wird durch Umweltfaktoren wie Licht, Wasser und Kohlendioxid begrenzt. Bei heißem oder trockenem Wetter können Pflanzen ihre Stomata schließen, um Wasser zu sparen. Wenn die Stomata geschlossen sind, können die Pflanzen mit der Photorespiration beginnen. Pflanzen, die als C4-Pflanzen bezeichnet werden, behalten einen hohen Kohlendioxidgehalt in den Zellen bei, die Glukose produzieren, um eine Lichtatmung zu vermeiden. C4-Pflanzen produzieren Kohlenhydrate effizienter als normale C3-Pflanzen, vorausgesetzt, das Kohlendioxid ist begrenzt und es steht ausreichend Licht zur Unterstützung der Reaktion zur Verfügung. Bei moderaten Temperaturen werden die Pflanzen zu stark mit Energie belastet, um die C4-Strategie sinnvoll zu gestalten (aufgrund der Anzahl der Kohlenstoffe in der Zwischenreaktion mit 3 und 4 bezeichnet). C4-Pflanzen gedeihen in heißen, trockenen Klimazonen

Hier sind einige Fragen, die Sie sich stellen können, um festzustellen, ob Sie die Grundlagen der Photosynthese wirklich verstehen.

1. Definieren Sie die Photosynthese.
2. Welche Materialien werden für die Photosynthese benötigt? Was wird produziert?
3. Schreiben Sie die Gesamtreaktion für die Photosynthese.
4. Beschreiben Sie, was während der zyklischen Phosphorylierung von Photosystem I passiert. Wie führt der Elektronentransfer zur ATP-Synthese??
5. Beschreiben Sie die Reaktionen der Kohlenstofffixierung oder des Calvin-Zyklus. Welches Enzym katalysiert die Reaktion? Was sind die Produkte der Reaktion?

Fühlen Sie sich bereit, sich selbst zu testen? Machen Sie das Photosynthese-Quiz!