Ein Organell mit getrennten Räumen
Die Fotosynthese läuft im Chloroplasten ab. Membranen teilen ihn in Reaktionsräume (Kompartimente), in denen verschiedene Teilreaktionen nebeneinander ablaufen.
- Hülle:zwei Membranen (äußere und innere Hüllmembran) umschließen den Chloroplasten.
- Stroma:flüssige Grundsubstanz mit Enzymen, DNA und Ribosomen — Ort des Calvin-Zyklus.
- Thylakoide:flache Membransäckchen; in ihrer Membran sitzen Chlorophyll und die Fotosysteme.
- Grana:geldrollenartige Stapel von Thylakoiden, verbunden durch Stromathylakoide.
- Thylakoidinnenraum:abgeschlossener Raum im Inneren der Thylakoide — hier wird Wasser gespalten und H⁺ angereichert.
Licht treibt Elektronen an
Die Primärreaktionen (lichtabhängige Reaktionen) laufen an der Thylakoidmembran ab. Sie wandeln Lichtenergie in chemische Energie um: NADPH + H⁺ und ATP.
- Anregung:Licht regt Chlorophyll im Reaktionszentrum von Fotosystem II (PS II) und Fotosystem I (PS I) an; es gibt je ein energiereiches Elektron ab.
- Fotolyse:PS II ersetzt seine Elektronen aus Wasser: \(\ce{2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-}\). Der Sauerstoff wird frei.
- Elektronentransport:Die Elektronen wandern über eine Elektronentransportkette in der Membran von PS II zu PS I und werden dort erneut angeregt.
- NADP⁺-Reduktion:Auf der Stromaseite wird NADP⁺ mit zwei Elektronen zu NADPH + H⁺ reduziert.
- ATP-Bildung:Beim Elektronentransport entsteht zusätzlich ATP — wie, zeigt 2.2.3.
Tippe im Chloroplasten auf den markierten Ausschnitt, um die Thylakoidmembran zu sehen. Stelle die Lichtstärke ein und starte mit ▶ oder gehe mit „1 Schritt“ vor — mit der Tastatur auf der Zeichnung: → Schritt, Leertaste Start/Stopp, ↑/↓ Lichtstärke. Achte auf die Zähler unten.
Halte fest: Für jedes O₂ werden zwei Wassermoleküle gespalten und vier Elektronen über PS II und PS I zum NADP⁺ transportiert — es entstehen zwei NADPH + H⁺. Ohne Licht steht der Elektronenfluss still.
Herleitung:PS II entzieht dem Wasser Elektronen — der freigesetzte Sauerstoff stammt aus dem Wasser.
Für ein Glucosemolekül braucht der Calvin-Zyklus 12 NADPH + H⁺, also 24 Elektronen.
Die 24 Elektronen gelangen über PS II, die Transportkette und PS I zum NADP⁺.
Zusammen mit den 18 ATP für den Calvin-Zyklus ergibt sich die Bruttogleichung der Primärreaktionen.
Primärreaktionen: \(\ce{12 H2O + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 P_i ->[Licht] 6 O2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP}\)
Allgemeine Hinweise
O₂ kommt aus dem Wasser
Nicht aus dem CO₂: Gibt man Algen Wasser mit dem Isotop ¹⁸O, enthält der abgegebene Sauerstoff ¹⁸O.
Erst PS II, dann PS I
Die Nummern folgen der Reihenfolge der Entdeckung. Die Elektronen fließen von PS II über die Transportkette zu PS I.
Innen und außen trennen
Wasserspaltung und H⁺-Anreicherung: im Thylakoidinnenraum. NADPH und ATP: im Stroma, wo der Calvin-Zyklus sie nutzt.