Grundlagen des Stoffwechsels und der Fotosynthese

Der Stoffwechsel (Metabolismus) umfasst alle biochemischen Prozesse in lebenden Organismen. Bei der autotrophen Ernährung produzieren Organismen ihre eigene Nahrung, während bei der heterotrophen Ernährung Energie aus der Aufnahme organischer Verbindungen gewonnen wird.

Die Photosynthese ist der wichtigste autotrophe Prozess. Bei der Photosynthese Formel 6 CO₂ + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O werden aus anorganischen Ausgangsstoffen unter Lichteinwirkung Glucose und Sauerstoff gebildet. Wo findet die Fotosynthese statt? Hauptsächlich in den Chloroplasten grüner Pflanzenteile.

Autotrophe Organismen wie Pflanzen und bestimmte autotrophe Bakterien können durch Photosynthese oder Chemosynthese ihre eigene Nahrung herstellen. Ein wichtiges Beispiel für autotrophe Bakterien sind Schwefelbakterien, die chemische Energie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen gewinnen.

Definition: Autotroph bedeutet "sich selbst ernährend" (griechisch: autos = selbst, trophe = Ernährung). Autotrophe Organismen können aus anorganischen Stoffen organische Verbindungen aufbauen.

Chloroplasten und Fotosynthesepigmente

In den Chloroplasten befinden sich die wichtigsten Fotosynthesepigmente: Chlorophyll a, Chlorophyll b und Carotinoide. Diese Pigmente absorbieren Licht unterschiedlicher Wellenlängen und ermöglichen so eine effiziente Nutzung des Sonnenlichts.

Fachbegriff: Chlorophylle bestehen aus einem Porphyrinring mit Magnesium-Ion zur Lichtabsorption und einer Phytolkette zur Verankerung in der Thylakoidmembran.

Die grüne Farbe der Blätter entsteht dadurch, dass Chlorophyll hauptsächlich rotes und blaues Licht absorbiert, während grünes Licht reflektiert wird. Die Carotinoide dienen als akzessorische Pigmente und erweitern das Absorptionsspektrum der Fotosynthese.

Die Chloroplasten sind die Kraftwerke der Pflanzenzelle, in denen die Photosynthese stattfindet. Sie enthalten ein komplexes Membransystem aus Thylakoiden, in dem die Lichtreaktion abläuft, während die Dunkelreaktion im Stroma stattfindet.

Die Aufklärung der Photosynthese durch historische Experimente

Die Geschichte der Photosynthese wurde durch mehrere bahnbrechende Experimente entschlüsselt, die uns heute ein tiefes Verständnis dieses lebenswichtigen Prozesses ermöglichen. Der Wissenschaftler Engelmann leistete einen wichtigen Beitrag, indem er das Wirkungsspektrum der Photosynthese untersuchte und nachwies, welche Lichtfarben besonders effektiv für den Prozess sind.

Blackman entdeckte durch seine Forschung, dass die Photosynthese aus zwei unterschiedlichen Teilprozessen besteht. Er identifizierte eine lichtabhängige Reaktion, die unabhängig von der Temperatur abläuft, sowie eine lichtunabhängige Reaktion mit enzymatischen Prozessen. Diese Erkenntnis war fundamental für das Verständnis der Photosynthese Formel.

Definition: Die Hill-Reaktion zeigt, dass der bei der Photosynthese entstehende Sauerstoff aus dem Wasser stammt und nicht aus dem Kohlenstoffdioxid. Dies wurde durch Experimente mit isolierten Thylakoidsystemen nachgewiesen.

Die Tracer-Methode von Kamen und Ruben bestätigte Hills Erkenntnisse durch den Einsatz radioaktiver Isotope. Sie markierten Wasser und CO₂ mit dem schweren Sauerstoffisotop ¹⁸O und konnten so eindeutig nachweisen, dass der entstehende Sauerstoff ausschließlich aus dem Wasser stammt.

Moderne Erkenntnisse zur Zellatmung und Autotrophen Ernährung

Die Zellatmung und die damit verbundenen Prozesse der autotrophen Ernährung wurden durch Arnons Experimente weiter aufgeklärt. Seine Forschung zeigte, dass die lichtunabhängige Reaktion im Stroma der Chloroplasten stattfindet und ATP sowie NADPH+H⁺ aus der lichtabhängigen Reaktion benötigt werden.

Highlight: Autotrophe Organismen wie Pflanzen können durch die Photosynthese ihre eigene Nahrung produzieren, während heterotrophe Lebewesen auf externe Energiequellen angewiesen sind.

Die Gesamtbilanz Zellatmung zeigt die Effizienz dieses Prozesses: Bei optimalen Bedingungen und ausreichender Lichtintensität können Pflanzen Glucose synthetisieren und Sauerstoff freisetzen. Die Experimente belegen auch, dass die Sauerstoffproduktion unabhängig von der CO₂-Fixierung erfolgen kann, was die Komplexität der Photosynthese unterstreicht.

Beispiel: Bei der Hill-Reaktion können isolierte Chloroplasten auch unter Stickstoffatmosphäre Sauerstoff produzieren, solange Licht und ein geeigneter Elektronenakzeptor vorhanden sind. Dies demonstriert die Unabhängigkeit der Sauerstoffproduktion von der CO₂-Fixierung.