Primär- und Sekundärreaktionen verzahnt
Die Primärreaktionen liefern, was die Sekundärreaktionen verbrauchen — und bekommen es verbraucht zurück.
- Primärreaktionen:in der Thylakoidmembran; Lichtenergie spaltet Wasser (O₂ entsteht), die Elektronen reduzieren NADP⁺ zu NADPH, der H⁺-Gradient treibt die ATP-Synthase.
- Sekundärreaktionen:im Stroma (Calvin-Zyklus); CO₂ wird fixiert und mit NADPH und ATP zu Glucose reduziert.
- Stoffliche Kopplung:ATP und NADPH wandern zum Calvin-Zyklus, ADP, Pi und NADP⁺ zurück zu den Thylakoiden — ohne Licht kommt der Calvin-Zyklus bald zum Stillstand.
- Energetische Kopplung:Lichtenergie → chemische Energie in ATP und NADPH → chemische Energie in Glucose.
Bilanz der lichtabhängigen Reaktionen an der Thylakoidmembran.
Bilanz des Calvin-Zyklus für ein Molekül Glucose.
Die Überträgerstoffe werden nur umgeladen — sie tauchen in der Gesamtbilanz nicht auf.
Die 12 H₂O links werden nicht mit den 6 H₂O rechts verrechnet: Der Sauerstoff stammt vollständig aus dem gespaltenen Wasser.
Fotosynthese: \(\ce{6 CO2 + 12 H2O}\) \(\ce{->[Licht]}\) \(\ce{C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O}\) · Zellatmung: \(\ce{C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O}\) \(\ce{->}\) \(\ce{6 CO2 + 12 H2O}\)
Gleicher Bauplan, umgekehrte Richtung
Chloroplast und Mitochondrium arbeiten nach demselben Prinzip — aber die Elektronen laufen energetisch in entgegengesetzte Richtungen.
- Gemeinsamer Bau:Doppelmembran, eigene ringförmige DNA und eigene Ribosomen — ein Hinweis auf die Endosymbiontentheorie.
- Gemeinsames Prinzip:Eine Elektronentransportkette pumpt H⁺ über eine innere Membran; die ATP-Synthase nutzt den Rückstrom (chemiosmotische ATP-Bildung).
- Elektronenfluss:Chloroplast: von H₂O zu NADP⁺ — „bergauf“, nur mit Lichtenergie. Mitochondrium: von NADH zu O₂ — „bergab“, Energie wird frei.
- H⁺-Gradient:H⁺ werden ins Thylakoidlumen bzw. in den Intermembranraum gepumpt; ATP entsteht im Stroma bzw. in der Matrix.
- Wasserstoffüberträger:NADPH im Aufbau (Fotosynthese), NADH im Abbau (Zellatmung).
- Stoffkreislauf:Autotrophe bauen aus CO₂ und H₂O energiereiche Stoffe auf; Autotrophe und Heterotrophe bauen sie in der Zellatmung wieder ab. Kohlenstoff und Sauerstoff kreisen, die Energie fließt nur einmal hindurch — vom Licht bis zur Wärme.
Blende die Ebenen einzeln ein und vergleiche beide Organellen. Schalte dann auf „Übereinander“ — und tippe ein Bauteil oder einen Raum an: Der Partner im anderen Organell wird mit markiert. Mit der Tastatur auf der Zeichnung: ←/→ wählt ein Bauteil, Enter wechselt die Ansicht, 1–4 schalten die Ebenen.
Halte fest: Beim Übereinanderlegen fallen Thylakoidlumen und Intermembranraum, Stroma und Matrix, die Cytochrom-Komplexe und die ATP-Synthasen aufeinander. Nur die Energie der Elektronen verläuft gegenläufig: Im Chloroplasten wird sie mit Licht angehoben, im Mitochondrium wird sie schrittweise abgegeben.
Allgemeine Hinweise
Keine einfache Umkehrung
Die Summengleichungen sind gegenläufig, die Wege nicht: andere Orte, andere Enzyme, andere Zwischenprodukte. Der Calvin-Zyklus ist kein rückwärts laufender Citratzyklus.
O₂ kommt aus dem Wasser
Der freigesetzte Sauerstoff stammt aus der Fotolyse, nicht aus CO₂. Deshalb stehen links 12 H₂O und rechts 6 H₂O — nicht kürzen.
Pflanzen atmen auch
Pflanzenzellen besitzen Chloroplasten und Mitochondrien. Sie atmen Tag und Nacht; Fotosynthese läuft nur bei Licht.