Grundlagen & Engelmann-Versuch

Die Fotosynthese

Pflanzen nutzen Chloroplasten zur endergonischen Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie.

• Reaktionsgleichung: $6\text{CO}_2 + 12\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$
• Struktur: Findet in den Thylakoiden (Lichtreaktion) und im Stroma (Dunkelreaktion) statt.

Engelmann-Versuch

Ein historisches Experiment zeigt, welche Lichtfarben die Fotosynthese antreiben.

• Ergebnis: Bakterien sammeln sich vor allem im blauen und roten Lichtbereich.
• Grünlücke: Grünes Licht wird reflektiert, weshalb die Fotosyntheserate hier minimal ist.

💡 Tipp: Merk dir für Klausuren, dass Chlorophyll grünes Licht nicht absorbiert, sondern reflektiert – das ist die sogenannte Grünlücke.

Lichtabsorption & Effekte

Spektrum & Hill-Reaktion

Verschiedene Pigmente absorbieren Licht unterschiedlicher Wellenlängen für eine maximale Effizienz.

• Absorptionsspektrum: Zeigt die Lichtaufnahme von Chlorophyll a, b und Carotinoiden.
• Hill-Reaktion: Beweist, dass der freigesetzte Sauerstoff ($O_2$) aus dem Wasser ($H_2O$) stammt.

Emerson-Effekt

Die Fotosyntheserate steigt überproportional an, wenn zwei Wellenlängen gleichzeitig wirken.

• Synergie: Bestrahlung mit $680\text{ nm}$ (Fotosystem II) und $700\text{ nm}$ (Fotosystem I) bringt maximale Leistung.

💡 Tipp: Der Emerson-Effekt beweist, dass bei der Fotosynthese zwei Fotosysteme kooperieren müssen.

Die Primärreaktion

Das Z-Schema

In der Thylakoidmembran wird Lichtenergie in chemische Energie (ATP und NADPH) umgewandelt.

• Fotolyse: Wasser wird gespalten, um die Elektronenlücke im Fotosystem II zu schließen.
• Elektronentransport: Elektronen fließen energetisch bergab über eine Transportkette zum Fotosystem I.
• Ergebnis: Es entstehen die Reduzierungssäquivalente $\text{NADPH} + \text{H}^+$ und Energie in Form von ATP.

Zyklischer Elektronentransport

Eine Sonderschleife der Pflanze bei Lichtüberschuss oder NADP-Mangel.

• Ablauf: Nur Fotosystem I ist beteiligt; Elektronen fließen im Kreis zurück.
• Ergebnis: Es entsteht ausschließlich ATP, kein Sauerstoff und kein NADPH.

💡 Achtung: Merk dir für das Z-Schema: Je negativer das Redoxpotential, desto höher ist das Bestreben, Elektronen abzugeben.

Die Sekundärreaktion

Der Calvin-Zyklus

Im Stroma der Chloroplasten wird Kohlenstoffdioxid ohne direktes Licht in Glucose umgewandelt.

• Fixierung: Das Enzym Rubisco bindet gasförmiges $\text{CO}_2$ an einen Akzeptor.
• Reduktion: Unter Verbrauch von ATP und NADPH entsteht das Zwischenprodukt $C_3$-Körper.
• Regeneration: Der $C_2$-Akzeptor wird regeneriert, damit der Zyklus von vorne beginnen kann.

Bilanz pro Glucose

Beispiel: Um ein Molekül Glucose ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$) aufzubauen, verbraucht die Pflanze: $\text{Bedarf} = 18\text{ ATP} + 12\text{ NADPH} + \text{H}^+$

💡 Tipp: Die Sekundärreaktion ist zwar lichtunabhängig, stoppt aber schnell ohne die Produkte (ATP, NADPH) der Primärreaktion.