Definition der Photosynthese
Die Photosynthese ist der biochemische Weg, der die Energie des Lichts in die Bindungen von Glucosemolekülen umwandelt. Der Prozess der Photosynthese erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird Energie aus Licht in den Bindungen von Adenosintriphosphat (ATP) und Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADPH) gespeichert. Diese beiden energiespeichernden Cofaktoren werden dann im zweiten Schritt der Photosynthese verwendet, um organische Moleküle durch Kombination von aus Kohlendioxid (CO2) abgeleiteten Kohlenstoffmolekülen herzustellen. Der zweite Schritt der Photosynthese ist als Calvin-Zyklus bekannt. Diese organischen Moleküle können dann von Mitochondrien zur Herstellung von ATP verwendet werden, oder sie können kombiniert werden, um Glucose, Saccharose und andere Kohlenhydrate zu bilden. Die chemische Gleichung für den gesamten Prozess ist unten zu sehen.
Photosynthesegleichung
Oben ist die Gesamtreaktion für die Photosynthese. Unter Verwendung der Energie aus Licht und der Wasserstoff- und Elektronen aus Wasser kombiniert die Pflanze die in Kohlendioxid enthaltenen Kohlenstoffe zu komplexeren Molekülen. Während ein 3-Kohlenstoff-Molekül das direkte Ergebnis der Photosynthese ist, besteht Glucose einfach aus zwei dieser Moleküle zusammen und wird häufig als direktes Ergebnis der Photosynthese dargestellt, da Glucose in vielen Zellsystemen ein grundlegendes Molekül ist. Sie werden auch feststellen, dass 6 gasförmige Sauerstoffmoleküle als Nebenprodukt entstehen. Die Pflanze kann diesen Sauerstoff während der oxidativen Phosphorylierung in ihren Mitochondrien verwenden. Während ein Teil des Sauerstoffs für diesen Zweck verwendet wird, wird ein großer Teil in die Atmosphäre ausgestoßen und ermöglicht es uns, an Zuckermolekülen aus Pflanzen zu atmen und unsere eigene oxidative Phosphorylierung durchzuführen. Sie werden auch feststellen, dass diese Gleichung Wasser auf beiden Seiten zeigt. Dies liegt daran, dass 12 Wassermoleküle während der Lichtreaktionen gespalten werden, während 6 neue Moleküle während und nach dem Calvin-Zyklus produziert werden. Während dies die allgemeine Gleichung für den gesamten Prozess ist, gibt es viele Einzelreaktionen, die zu diesem Weg beitragen.
Phasen der Photosynthese
Die Lichtreaktionen
Die Lichtreaktionen finden in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten von Pflanzenzellen statt. Die Thylakoide haben dicht gepackte Protein- und Enzymcluster, die als Photosysteme bekannt sind. Es gibt zwei dieser Systeme, die zusammenarbeiten, um Elektronen und Wasserstoffatome aus dem Wasser zu entfernen und sie auf die Cofaktoren ADP und NADP + zu übertragen. Diese Photosysteme wurden in der Reihenfolge benannt, in der sie entdeckt wurden, was dem Fluss der Elektronen durch sie entgegengesetzt ist. Wie im Bild unten zu sehen ist, fließen durch Lichtenergie angeregte Elektronen zuerst durch das Photosystem II (PSII) und dann durch das Photosystem I (PSI), während sie NADPH erzeugen. ATP wird durch die Protein-ATP-Synthase erzeugt, die den Aufbau von Wasserstoffatomen nutzt, um die Addition von Phosphatgruppen an ADP voranzutreiben.
Das gesamte System funktioniert wie folgt. Ein Photosystem besteht aus verschiedenen Proteinen, die eine Reihe von Pigmentmolekülen umgeben und verbinden. Pigmente sind Moleküle, die verschiedene Photonen absorbieren und ihre Elektronen anregen lassen. Chlorophyll a ist das Hauptpigment, das in diesen Systemen verwendet wird, und sammelt den endgültigen Energietransfer, bevor ein Elektron freigesetzt wird. Das Photosystem II startet diesen Prozess der Elektronen, indem es die Lichtenergie nutzt, um ein Wassermolekül zu spalten, das den Wasserstoff freisetzt, während es die Elektronen absaugt. Die Elektronen werden dann durch Plastochinon geleitet, einen Enzymkomplex, der mehr Wasserstoff in den Thylakoidraum freisetzt. Die Elektronen fließen dann durch einen Cytochromkomplex und Plastocyanin, um das Photosystem I zu erreichen. Diese drei Komplexe bilden eine Elektronentransportkette, ähnlich der in Mitochondrien. Das Photosystem I verwendet diese Elektronen dann, um die Reduktion von NADP + zu NADPH voranzutreiben. Das zusätzliche ATP, das während der Lichtreaktionen gebildet wird, stammt aus der ATP-Synthase, die den großen Gradienten von Wasserstoffmolekülen nutzt, um die Bildung von ATP voranzutreiben.
Der Calvin-Zyklus
Mit seinen Elektronenträgern NADPH und ATP, alle mit Elektronen beladen, ist die Anlage nun bereit, speicherbare Energie zu erzeugen. Dies geschieht während des Calvin-Zyklus, der dem in Mitochondrien beobachteten Zitronensäurezyklus sehr ähnlich ist. Der Zitronensäurezyklus erzeugt jedoch ATP anderer Elektronenträger aus 3-Kohlenstoffmolekülen, während der Calvin-Zyklus diese Produkte unter Verwendung von NADPH und ATP erzeugt. Der Zyklus besteht aus 3 Phasen, wie in der folgenden Grafik dargestellt.
Während der ersten Phase wird einem 5-Kohlenstoff-Zucker ein Kohlenstoff zugesetzt, wodurch ein instabiler 6-Kohlenstoff-Zucker entsteht. In Phase zwei wird dieser Zucker in zwei stabile 3-Kohlenstoff-Zuckermoleküle reduziert.Einige dieser Moleküle können in anderen Stoffwechselwegen verwendet werden und werden exportiert. Der Rest bleibt übrig, um den Calvin-Zyklus weiter zu durchlaufen. Während der dritten Phase wird der Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen regeneriert, um den Prozess erneut zu starten. Der Calvin-Zyklus tritt im Stroma eines Chloroplasten auf. Obwohl diese Produkte nicht als Teil des Calvin-Zyklus betrachtet werden, können sie zur Erzeugung einer Vielzahl von Zuckern und Strukturmolekülen verwendet werden.
Produkte der Photosynthese
Die direkten Produkte der Lichtreaktionen und der Calvin-Zyklus sind 3-Phosphoglycerat und G3P, zwei verschiedene Formen eines 3-Kohlenstoff-Zuckermoleküls. Zwei dieser Moleküle zusammen entsprechen einem Glucosemolekül, dem Produkt, das in der Photosynthesegleichung zu sehen ist. Während dies die Hauptnahrungsquelle für Pflanzen und Tiere ist, können diese 3-Kohlenstoff-Skelette in viele verschiedene Formen kombiniert werden. Eine bemerkenswerte Strukturform ist Cellulose und ein extrem starkes Fasermaterial, das im Wesentlichen aus Glukoseketten besteht. Neben Zuckern und Molekülen auf Zuckerbasis ist Sauerstoff das andere Hauptprodukt der Photosynthese. Durch Photosynthese erzeugter Sauerstoff treibt jeden atmenden Organismus auf dem Planeten an.
Quiz
1. Um den Calvin-Zyklus abzuschließen, wird Kohlendioxid benötigt. Kohlendioxid gelangt über Stomata oder kleine Löcher in der Oberfläche eines Blattes in das Innere der Pflanze. Um an heißen Tagen Wasserverlust und völlige Austrocknung zu vermeiden, schließen Pflanzen ihre Stomata. Können Pflanzen weiterhin Photosynthese betreiben?
A. Ja, solange es hell ist
B. Nein, ohne CO2 kann der Prozess nicht fortgesetzt werden. Nur die Lichtreaktion wird fortgesetzt.
2. Warum sind die Produkte der Photosynthese für nicht-photosynthetische Organismen wichtig?
A. Es ist die Basis der meisten Energie auf der Erde.
B. Sie brauchen die kleinen Nährstoffe, die von Pflanzen zusammengestellt werden. Sie sind für obligate Fleischfresser nicht wichtig.
3. Warum brauchen Pflanzen Wasser?
A. Für die Photosynthese
B. Für Struktur
C. Nährstoffe übertragen
D. Alle oben genannten