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Der zweigeteilte Prozess der Photosynthese

  

Die Photosynthese - ein zweigeteilter Prozess

Bei der Betrachtung der Photosyntheseleistung durch die Einflussgrößen "Konzentration Kohlenstoffdioxid", "Temperatur" und "Lichteinfuss" zeigte sich bereits die Vermutung, dass es sich bei der Photosynthese um einen zweiteiligen biochemischen Prozess handelt. Die "Ergebnisse" zeigten, dass zum einen eine lichtabhängige Reaktion abläuft, die temperaturunabhängig ist. Zum anderen zeigt sich auch, dass bei der Photosynthese eine Teilreaktion abläuft, die lichtunabhängig , aber temperaturabhängig ist.

Die Versuche von Hill - 

Der Forscher Hill untersuchte die Chloroplasten bzw. das daraus isolierte Thylakoidsystem genauer. Dabei beobachtete er, dass (wenn dieses Thylakoidsystem belichtet wird) gasförmiger Sauerstoff entwickelt wird und Eisen(III)-Verbindungen reduziert werden. Bei dieser Reaktion, die nach dem "Entdecker" auch als Hill-Reaktion bezeichnet wird, wird kein Kohlenstoffdioxid gebildet und auch keine Glucose als Reaktionsprodukt gebildet.

Hill konnte also mit seinen Versuchen zeigen, dass bei der Photosynthese der Sauerstoff nicht unmittelbar durch Reduktion des Kohlenstoffdioxids zu Glucose gebildet wird. Das bedeutet, dass die Bildung von (gasförmigen) Sauerstoff und die Umwandlung des Kohlenstoffdioxids in zwei getrennten Reaktionen verlaufen.


Die Photosynthese in den Chloroplasten - die Versuche von Arnon  

Ziel des Versuches von Arnon war, herauszufinden, welcher Zellbestandteil eines Pflanzenblattes für die Photosynthese verantwortlich ist. Bekannt war bereits zu diesem Zeitpunkt, dass die Chloroplasten der Ort der Photosynthese sind. In einem seiner Versuche wurden Stroma und Thylakoide (ohne Zugabe von Kohlenstoffdioxid) belichtet. Anschließend wurden die Thylakoide dem Reaktionsgemisch (mit Hilfe einer Zentrifuge abgetrennt) und dem Stroma wieder Kohlenstoffdioxid zugesetzt. Dabei konnte (durch Messung der Photosyntheseprodukte) eine hohe Photosyntheseleistung beobachtet werden. Analog dazu, führte der diesen Versuch auch bei Dunkelheit durch. So wurde das Gemisch aus Thylakoiden und Stroma getrennt (mittels Zentrifuge) und dem Stroma Kohlenstoffdioxid zugesetzt. Bei dieser Versuchsdurchführung wurde nur eine niedrige Photosyntheseleistung beobachtet.

Mit Hilfe dieser beiden Versuche konnte die Photosynthese als zweiteiliger biochemischer Prozess bestätigt werden. Es gibt eine lichtabhängige und eine lichtunabhängige Reaktion. Die lichtabhängige Reaktion findet in den Thylakoiden statt, während die lichtunabhängige Reaktion im Stroma abläuft.


Licht- und Dunkelreaktion der Photosynthese

Aufgrund der Beobachtungen von Hill und Arnon wird die Photosynthese in eine Licht- und Dunkelreaktion eingeteilt (ausführliche Informationen Kapitel "Dunkelreaktion" bzw. "Lichtreaktion"

  • Die Lichtreaktion läuft in den Thylakoiden ab. Hier werden die Chlorophyllmoleküle durch Lichtabsorption in einen angeregten Zustand gebracht (so dass sie ein Elektron abgeben können). Diese Elektronen werden über sogenannte Elektronentransportketten weitergegeben. Dies dient zum Aufbau des Reduktionsmittels  NADPH/H+  (das man als "Wasserstoffäquivalent" sehen kann), das in der Dunkelreaktion benötigt wird. Daneben werden in der Lichtreaktion ATP-Moleküle (Energieträger) gebildet. 
  • In der Dunkelreaktion (die im Stroma abläuft) wird mit Hilfe von ATP (Energieträger, der in der Lichtreaktion gebildet wurde) das Kohlenstoffdioxid über mehrere Zwischenschritte in Glucose umgewandelt. Für die Bildung eines Moleküls Glucose werden 6 Moleküle Kohlenstoffdioxid, 18 Moleküle ATP und 12 Moleküle NADPH benötigt. Die Dunkelreaktion wird nach ihrem Entdecker auch als Calvin-Zyklus bezeichnet