Frag einen Biologen
Mit einer Energie rein und mit einer anderen raus
Die lichtabhängigen Reaktionen finden in der Thylakoidmembran innerhalb der Chloroplasten statt. Da es sich um „lichtabhängige“ Reaktionen handelt, kannst du dir denken, dass diese Reaktionen Licht brauchen, um zu funktionieren. Erinnere dich daran, dass der Zweck dieses ersten Teils der Photosynthese darin besteht, die Energie des Sonnenlichts in andere Energieformen umzuwandeln…
Die lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese benötigen Sonnenlicht. Image by Mell27.
Pflanzen können die Lichtenergie nicht direkt zur Herstellung von Zuckern nutzen. Stattdessen wandelt die Pflanze die Lichtenergie in eine Form um, die sie nutzen kann: chemische Energie. Chemische Energie ist überall um uns herum. Autos brauchen zum Beispiel die chemische Energie von Benzin, um zu fahren. Die chemische Energie, die Pflanzen nutzen, ist in ATP und NADPH gespeichert. ATP und NADPH sind zwei Arten von energieliefernden Molekülen. Diese beiden Moleküle kommen nicht nur in Pflanzen vor, sondern auch in Tieren.
Ein Rezept für Energie
Pflanzen brauchen Wasser, um NADPH herzustellen. Dieses Wasser wird aufgespalten, um Elektronen (negativ geladene subatomare Teilchen) freizusetzen. Bei der Spaltung von Wasser entsteht auch Sauerstoff, ein Gas, das wir alle atmen.
Die Elektronen müssen durch spezielle Proteine wandern, die in der Thylakoidmembran stecken. Sie gehen durch das erste spezielle Protein (das Photosystem-II-Protein) und die Elektronentransportkette hinunter. Dann passieren sie ein zweites spezielles Protein (das Photosystem-I-Protein).
Photosystem I und Photosystem II
Warten Sie mal… erst gehen die Elektronen durch das zweite Photosystem und dann durch das erste? Das scheint wirklich verwirrend zu sein. Warum werden die Photosysteme so benannt?
Wassermoleküle werden abgebaut, um Elektronen freizusetzen. Diese Elektronen wandern dann einen Gradienten hinunter und speichern dabei Energie in ATP. Bild von Jina Lee.
Fotosystem I und II stimmen nicht mit dem Weg überein, den die Elektronen durch die Transportkette nehmen, weil sie nicht in dieser Reihenfolge entdeckt wurden.
Fotosystem I wurde zuerst entdeckt. Später wurde das Photosystem II entdeckt, das in der Elektronentransportkette früher liegt. Aber es war zu spät, der Name blieb erhalten. Die Elektronen durchlaufen zuerst das Photosystem II und dann das Photosystem I.
Die Elektronentransportkette
In den Photosystemen II und I sammeln die Elektronen Energie aus dem Sonnenlicht. Wie machen sie das? Das Chlorophyll, das in den Photosystemen vorhanden ist, nimmt die Lichtenergie auf. Die energetisierten Elektronen werden dann zur Herstellung von NADPH verwendet.
Die Elektronentransportkette besteht aus einer Reihe von Molekülen, die leicht Elektronen aufnehmen oder abgeben können. Durch schrittweises Durchlaufen dieser Moleküle werden die Elektronen in einer bestimmten Richtung durch eine Membran bewegt. Die Bewegung von Wasserstoffionen ist damit gekoppelt. Das heißt, wenn Elektronen bewegt werden, bewegen sich auch Wasserstoffionen.
ATP entsteht, wenn Wasserstoffionen in den Innenraum (Lumen) des Thylakoids gepumpt werden. Wasserstoffionen haben eine positive Ladung. Wie bei Magneten stoßen sich die gleichen Ladungen ab, so dass die Wasserstoffionen voneinander wegwollen. Sie entkommen dem Thylakoid durch ein Membranprotein namens ATP-Synthase. Indem sie sich durch das Protein bewegen, verleihen sie ihm Kraft, wie Wasser, das sich durch einen Damm bewegt. Wenn Wasserstoffionen durch das Protein und die Elektronentransportkette wandern, wird ATP erzeugt. Auf diese Weise wandeln Pflanzen das Sonnenlicht in chemische Energie um, die sie nutzen können.
Der Calvin-Zyklus: Leben aus dünner Luft
Wie wird aus etwas wie Luft das Holz eines Baumes? Die Antwort liegt in dem, was die Luft ausmacht.
Wie kann die Luft, die einen Baum umgibt, in Baummaterial verwandelt werden? Durch eine komplexe Reihe von Reaktionen, die den Kohlenstoff aus der Luft zur Herstellung anderer Materialien verwenden. Bild von André Karwath.
Die Luft enthält verschiedene Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff. Diese Elemente bilden Moleküle wie Kohlendioxid (CO2). Kohlendioxid besteht aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen. Pflanzen nehmen das Kohlenstoffatom aus dem Kohlendioxid und verwenden es, um Zucker zu bilden.
Dies geschieht mithilfe des Calvin-Zyklus. Der Calvin-Zyklus findet innerhalb der Chloroplasten statt, aber außerhalb der Thylakoide (wo ATP erzeugt wurde). Das ATP und NADPH aus den lichtabhängigen Reaktionen werden im Calvin-Zyklus verwendet.
Die Teile des Calvin-Zyklus werden manchmal als lichtunabhängige Reaktionen bezeichnet. Aber lassen Sie sich nicht vom Namen täuschen… diese Reaktionen benötigen Sonnenlicht, um zu funktionieren.
Das Protein RuBisCO hilft auch bei dem Prozess, Kohlenstoff aus der Luft in Zucker umzuwandeln. RuBisCO arbeitet langsam, so dass die Pflanzen viel davon brauchen. Tatsächlich ist RuBisCO das am häufigsten vorkommende Protein der Welt!
Die Produkte des Calvin-Zyklus werden zur Herstellung des Einfachzuckers Glukose verwendet. Glukose wird zum Aufbau von komplexeren Zuckern wie Stärke und Zellulose verwendet. Stärke speichert Energie für die Pflanze und Zellulose ist der Stoff, aus dem Pflanzen gemacht sind.
Bilder über Wikimedia Commons. Sämling Bild von Bff.