Fotosynthese einfach erklärt: Lichtreaktionen, Calvin‑Zyklus und C3/C4/CAM-Pflanzen

Chloroplasten & Lichtreaktion

Chloroplasten-Aufbau

Die Oberflächenvergrößerung der Thylakoidmembran schafft maximalen Raum für die Reaktionen.

• Stroma: Innenraum des Chloroplasten; hier entsteht Glukose aus CO2, ATP und $NADPH+H^+$.
• Thylakoide: Membranstapel, an denen mithilfe von Licht und $H_2O$ die Energieträger gebildet werden.

Lichtabsorption

Spezielle Pigmente in den Fotosystemen fangen die Lichtenergie ein.

• Chlorophyll a & b: Absorbieren hauptsächlich blaues und rotes Licht.
• Fotosystem 2 (P680): Absorbiert Licht bis 680 nm und gibt angeregte Elektronen ab.
• Fotosystem 1 (P700): Nimmt Elektronen auf, wird erneut angeregt und leitet sie an $NADP^+$ weiter.

💡 Tipp: Merk dir, dass die Lichtreaktion in den Thylakoiden stattfindet, die Dunkelreaktion (Glukosebildung) dagegen im Stroma.

Elektronentransport & Calvin-Zyklus

Fotolyse & ATP-Synthese

Die entstandene Elektronenlücke im Fotosystem 2 wird durch die Spaltung von Wasser ausgeglichen.

• Fotolyse des Wassers: $H_2O$ wird in $O_2$, $H^+$ und Elektronen gespalten.
• Protonengradient: Die Anhäufung von $H^+$-Ionen im Thylakoidinnenraum treibt die ATP-Synthase an.

Der Calvin-Zyklus (Citratzyklus)

Im Stroma wird CO2 mithilfe des Enzyms Rubisco dauerhaft gebunden.

• Fixierung & Reduktion: Rubisco bindet CO2; unter Verbrauch von ATP und $NADPH+H^+$ entsteht PGA.
• Glukosebildung: Ein Teil des PGA wird zu Glukose umgewandelt, der Rest regeneriert den CO2-Akzeptor.

Beispiel:

• $CO_2$ + Akzeptor ($RuBP$) $\rightarrow$ $2 \times$ PGS
• PGS + $ATP$ + $NADPH+H^+$ $\rightarrow$ PGA $\rightarrow$ Glukose

💡 Achtung: Bei zu hohen Temperaturen verformt sich das aktive Zentrum von Rubisco, wodurch die Fotosyntheseleistung drastisch sinkt.

Blattaufbau & Anpassungen

Das Laubblatt im Querschnitt

Der Gewebeaufbau schützt das Blatt und optimiert die Fotosynthese.

• Palisadenparenchym: Enthält 80% der Chloroplasten und leistet die Hauptarbeit.
• Spaltöffnungen (Stomata): Befinden sich an der Unterseite und steuern den Gasaustausch ($CO_2$/$O_2$) sowie die Transpiration.

Sonnen- vs. Schattenblätter

Pflanzen passen ihre Blätter an die Lichtverhältnisse an.

• Sonnenblätter: Dickeres Palisadengewebe mit mehr Chloroplasten; erreichen den Lichtsättigungspunkt erst sehr spät.
• Lichtkompensationspunkt: Lichtstärke, bei der sich Sauerstoffproduktion und Zellatmung genau ausgleichen.

💡 Tipp: Sonnenblätter haben eine dickere Cuticula zum Schutz vor Austrocknung, verbrauchen im Dunkeln durch mehr Zellen aber auch mehr Energie.

CAM-Pflanzen

Zeitliche Trennung der Fotosynthese

Wüstenpflanzen verhindern das Austrocknen durch einen zeitlich versetzten Ablauf der CO2-Fixierung.

• Nachts (Spaltöffnungen offen): CO2 wird aufgenommen, durch das Enzym PEP-Carboxylase vorfixiert und als Malat (Apfelsäure) in der Vakuole gespeichert.
• Tagsüber (Spaltöffnungen geschlossen): Das gespeicherte Malat wird abgebaut; das freigesetzte CO2 fließt direkt in den Calvin-Zyklus.

💡 Tipp: CAM-Pflanzen haben extrem große Vakuolen, um nachts genug Malat für den Tag speichern zu können.