Allgemeines über die Photosynthese

Die Photosynthese ist bereits seit dem 18. Jahrhundert bekannt. Bereits Mitte des 19. Jahrhundert waren die wesentlichen Vorgänge der Photosynthese bekannt (außer den Strukturen) und ebenfalls bekannt, dass es sich bei der Photosynthese um einen Assimilationsprozess handelt.

Die Photosynthese – ein Assimilationsprozess

In der Biologie bzw. Biochemie versteht man unter Assimilation die Herstellung körpereigener Substanz (z.B. Zucker) aus körperfremden Ausgangsstoffen. Das Beispiel “Zucker (Kohlenwasserstoffverbindung) zeigt bereits den mit Abstand wichtigsten Assimilationsprozess in der Biologie, nämlich den Prozess der Kohlenstoffassimilation.

Prozess der Kohlenstoffassimilation

Im Zuge der Kohlenstoffassimilation existieren zwei Möglichkeiten:

• die Organismen nehmen den Kohlenstoff bereits als organische Substanz mit der Nahrung auf (Beispiel: Tiere oder Menschen, dass als C-heterotrophe Kohlenstoffassimilation bezeichnet wird)
• die Organismen synthetisieren organische Verbindungen aus dem anorganischen Ausgangsstoff Kohlenstoffdioxid und weiteren Stoffen, wie z.B Wasser bei Pflanzen (Begriff: C-Autotrophie).

Möglichkeiten der Kohlenstoffassimilation

Wie bereits oben erwähnt, kann die Kohlenstoffgewinnung aus CO2 erfolgen. Betrachtet man CO2, so erkennt man, dass der Kohlenstoff maximal oxidiert (Oxidationszahl +4) und daher energiearm ist. Die Assimilation zu energiereichen organischen Verbindungen ist daher ein Reduktionsvorgang mit einem gewissen Energiebedarf. Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten:

• Die Energie kann aus der Oxidation anorganischer Verbindungen (Methan) erhalten werden. Diesen Prozess bezeichnet man als Chemosynthese und kommt nur bei Prokaryoten vor, darunter bei Bakterien wie Thiobacillus, Nitrobacter.
• Die Energie kann auch aus der Oxidation organischer Stoffe erhalten werden. Dieser Prozess wird ebenfalls als Chemosynthese bezeichnet und findet sich z.B. bei schwefelfreien grünen Purpurbakterien.
• Der wohl am bekannteste Prozess ist die Nutzung des Sonnenlichts als Energiequelle zur Reduktion des Kohlenstoffdioxids. Diesen Prozess kennt jeder unter dem Begriff Photosynthese.

Die Photosynthese

Die Photosynthese, bei der es sich um eine reduktive Assimilation von Kohlenstoffdioxid ist gegenüber der Chemosynthese ein wesentlich komplexer Vorgang. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass bei der Assimilation sowohl CO2 als auch die Energie des Lichtes verwendet wird. Daher wird die Photosynthese auch in zwei Teilschritte unterteilt:

• Energieumwandlung
• Substanzumwandlung

Beide Teilprozesse sind räumlich voneinander getrennt. Die Photosynthese läuft in den grünen Pflanzen in den Chloroplasten ab.
Auf deren Thylakoiden, Abfaltungen der inneren Chloroplastenmembran, finden sich die photochemischen Abläufe.

Für die Photosynthesereaktion sind zwei “Versionen” bekannt:

• Die sog. van-Niel-Gleichung: 6 CO₂+ 12 H₂O -> C₆H₁₂O₆+ 6 O₂+ 6 H₂O. Bei dieser Reaktion wird die Energieumwandlung und die Stoffumwandlung berücksichtigt.

• Die sog. van-Niel-Bilanzgleichung: 6 CO₂ + 6 H₂O -> C₆H₁₂O₆+ 6 O₂.