56 2.3 Fotosynthese Die Fotosynthese ist einer der wichtigsten chemischen Prozesse auf der Erde Du weißt bereits, dass Pflanzen aus Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO2) Traubenzucker (Glukose, C6H12O6) und Sauerstoff (O2) herstellen können. Die dazu nötige Energie liefert das Sonnenlicht. Dieser Prozess heißt Fotosynthese. Sie ist eine der wichtigsten chemischen Reaktionen für das Leben auf der Erde. Alle Pflanzen, die Fotosynthese betreiben, beinhalten den grünen Blattfarbstoff Chlorophyll. Sämtliche grünen Pflanzenteile sind fotosynthetisch aktiv. Den größten Anteil an der Fotosynthese tragen aber die grünen Blätter, die dazu dienen, das Sonnenlicht optimal einzufangen. Bei der Fotosynthese produzieren Pflanzen als Nebenprodukt Sauerstoff (O2). In der Frühzeit der Erde, bis vor etwa drei Milliarden Jahren, besaß die Erdatmosphäre noch keinen Sauerstoff. Lebewesen, die Sauerstoff zum Atmen benötigen, wie der Mensch, wären in der damaligen Luft erstickt. Erst durch die Cyanobakterien änderte sich dies. Cyanobakterien sind blaugrüne Bakterien, die zu den ältesten Lebewesen auf der Erde zählen und die Fotosynthese betreiben. Die massenhafte Produktion von Sauerstoff als Nebenprodukt der Fotosynthese führte vor 2,5 Milliarden Jahren zu einer völligen Änderung der Lebensbedingungen auf der Erde. Plötzlich war Sauerstoff zum Atmen vorhanden. Für viele der damaligen Lebewesen war dieser Sauerstoff allerdings giftig, und sie starben aus. Gleichzeitig ermöglichte die sauerstoffhaltige Atmosphäre ein Entstehen vieler neuer Arten, die den Sauerstoff nutzen konnten. Als im Lauf der Evolution Pflanzen entstanden, erhöhte sich der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre durch deren Fotosynthese noch weiter. Denk bei deinen nächsten Atemzügen einmal darüber nach: Jedes einzelne Sauerstoffmolekül, das du atmest, wurde bei der Fotosynthese erzeugt. Pflanzen stellen den Zucker, von dem sie sich ernähren, selbst her Der Ablauf der Fotosynthese Die Fotosynthese läuft in zwei zusammenhängenden Schritten ab: einem lichtabhängigen und einem lichtunabhängigen Schritt. Hier bekommst du einen Gesamtüberblick über diese beiden Schritte der Fotosynthese, die man die Lichtreaktion und den Calvin-Zyklus1 nennt. Beim ersten Schritt wird das Sonnenlicht benötigt. Dieser Teil der Fotosynthese wird auch als Fotolyse des Wassers bezeichnet, weil dabei Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird (kAbb. 16). Diese Reaktion ist sehr energieaufwändig. Die Spaltung der Wassermoleküle wird durch die Energie aus dem Sonnenlicht ermöglicht. Der energiereiche, frei werdende Wasserstoff wird dabei unmittelbar an ein Überträgermolekül (Coenzym), das NADP+2, gebunden. Zusätzlich wird im ersten Schritt Energie in Form von ATP freigesetzt. Der zweite Schritt ist lichtunabhängig und kann daher auch im Dunklen erfolgen. Im Calvinzyklus entsteht Zucker: Der energiereiche Wasserstoff aus dem gespaltenen Wasser reagiert mit CO2 zu Glukose (kAbb. 16). Das ATP liefert die dafür notwendige Energie. Die Reaktionsgleichungen der beiden Teilreaktionen sowie der Gesamtreaktion sind in Abbildung 16 angegeben. Auf den nächsten Seiten werden die Teilreaktionen der Fotosynthese genauer besprochen. H2O CO2 ADP ATP Zucker + Calvinzyklus Lichtreaktion NADP+ NADPH e– e– Thylakoid3 Stroma4 Lichtenergie lichtabhängige Reaktionen lichtunabhängige Reaktionen Lichtenergie Lichtenergie 12 H2O 24 H + 6 O2 6 CO2+ 24 H C6H12O6+ 6 H2O 6 CO2+ 12 H2O C6H12O6+ 6 O2+ 6 H2O lichtabhängig: lichtunabhängig: Gesamtgleichung: Abb.16: Fotosynthese. Die chemischen Abläufe der Lichtreaktion und des Calvinzyklus finden in den Chloroplasten statt. 1 Melvin Calvin: amerikanischer Biochemiker, 1911–1997; Er identifizierte die chemischen Reaktionen der CO2- Fixierung in der Fotosynthese und entdeckte, wie CO2 in organische Moleküle umgewandelt wird. Er bekam dafür 1961 den Nobelpreis für Chemie. 2 NADP+/NADPH: Nikotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid- Phosphat; Coenzym, das Wasserstoffionen überträgt (H–-Ionen, bestehend aus einem Proton und zwei Elektronen) 3 Thylakoid: Membransystem in Chloroplasten (siehe S. 57); In den Thylakoiden findet die Lichtreaktion der Fotosynthese statt. 4 Stroma: Plasma im Innenraum von Chloroplasten; Hier findet der Calvinzyklus statt. Die Fotosynthese besteht aus einem lichtabhängigen und einem lichtunabhängigen Schritt Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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