Das Geschenk des Sonnenlichts!

Seite 1 von 6
Das Geschenk des Sonnenlichts!
O
hne die Strahlung der Sonne würde die Gesamtheit aller irdischen Lebewesen – die
einige Billionen Tonnen umfassende Biomasse der Erde mit über einer Million Arten
– absterben. In einem Prozeß, der ebenso komplex wie allgegenwärtig ist, läßt das
Sonnenlicht in den grünen Pflanzen die Bausteine für Zucker und Stärke entstehen, aus
denen nicht nur die Pflanzen ihre Energie beziehen, sondern auch die pflanzenfressenden
Tiere und über sie die fleischfressenden Arten auf den höheren Stufen der Nahrungskette.
Dabei stürzte diese Photosynthese (Photolyse), die sich über einen Zeitraum von einer
Milliarde Jahre entwickelt hatte, den Planeten Erde zunächst in eine globale Katastrophe:
Eines ihrer Abfallprodukte ist Sauerstoff, der für die frühen Organismen der Erde einem
tödlichen Gift gleichkam. Die blaugrünen Algen die das Photosynthese-Experiment
begannen, töteten mit ihrem giftigen Atem nicht nur die meisten Artgenossen, sondern
trieben nahezu alle anderen Formen primitiven Lebens in den Schutz sauerstofffreier
Sümpfe und Böden. Die Arten jedoch, die sich neuen Gegebenheiten anpassen konnten,
wurden zu den Urvätern aller heutigen Lebensformen auf unserem Planeten, und die
Photosynthese sorgt für die lebensnotwendige Atemluft.
1
Seite 2 von 6
Die Lebenswichtige Photosynthese
Z
u Beginn des 19. Jahrhunderts besaßen die Wissenschaftler eine grobe Vorstellung
von der Photosynthese; sie wußten beispielsweise, dass die grünen Pflanzen Licht und
Kohlenstoffdioxid für ihr Wachstum benötigen und dabei Sauerstoff abgeben. Doch erst in
den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts verfügten die Biologen über die notwendigen
Verfahren zur Isolierung radioaktiver Isotope, um die Einzelschritte dieser komplexen
Choreographie auf molekularer Ebene zu entschleiern. Die folgende Beschreibung
verdeutlicht das die Photosynthese zwei verschiedene Reaktionsketten hat. Beide
vollziehen sich innerhalb der Chloroplasten – also jener Zellbaustein in der die
erforderlichen Moleküle enthalten sind -, und beide bestehen aus mehreren Schritten.
Abbildung 1 Chloroplast
Die erste Reaktionskette läuft innerhalb der sogenannten Grana ab, eines dichtgepackten
Membransystems im Innern der Chloroplasten. Die Grana enthalten im wesentlichen
bestimmte Fettmoleküle, sogenannte Lipide, aber auch Chlorophyll und karotinähnliche
Substanzen; die beiden letzteren sind an lange, nur in der Grana vorhandenen
Proteinmoleküle gebunden. Das Chlorophyll absorbiert die Sonnenenergie -die Photonen
2
Seite 3 von 6
der Sonnenstrahlung- und startet damit eine Reaktionskette, die zwei chemische
Verbindungen liefert, NADPH und ATP. Im Verlauf dieser Reaktionen werden von der
Pflanze aufgenommene Wassermoleküle gespalten, wobei Wasserstoff- und
Sauerstoffatome freigesetzt werden. Aus NADPH und ATP bildet die zweite Reaktionskette
unmittelbar außerhalb der Grana, aber immer noch innerhalb der Chloroplasten die für die
Pflanze lebenswichtigen Zucker- und Stärkemoleküle.
Zwei parallele Prozesse
I
nnerhalb der Grana entstehen in zwei getrennten Prozessen –dem Photosystem Ⅰ und
dem Photosystem Ⅱ– die Bausteine für den zweiten Schritt der Photosynthese, der als
Calvin – Zyklus bezeichnet wird. Zu Beginn trifft ein Photon des Sonnenlichts auf ein
Chlorophyllmolekül; dabei löst es ein Elektron heraus und setzt so eine Kette von
chemischen Reaktionen in Gang. Das Photosystem Ⅰ liefert zwei Moleküle: NADPH, das
entsteht, wenn sich sich ein Wasserstoffatom an NADP (Nicotin-säureamid-adenindinucleotidphosphat) anlagert, eine Substanz die in der Pflanzenzelle vorhanden ist; und
ATP (Adenosintriphosphat). Beim Photosystem Ⅱ trifft ein energiereicheres Photon auf ein
Chlorophyllmolekül und setzt ebenfalls ein Elektron frei, das nun ein Wassermolekül in
seine Bestandteile zerlegt. Der Sauerstoff entweicht in die Luft; eines der Wasserstoffatome
stellt sein Elektron bereit, um das im Photosystem Ⅰ dem Chlorophyll verlorengegangene
Elektron wieder zu ersetzen während sich das zweite an der Produktion von ATP beteiligt.
Ein Zyklus von Transformationen
D
ie Verbindungen, die im Zuge der Photosysteme Ⅰ und Ⅱ aus Sonnenlicht, Chlorophyll
und weiteren biochemischen Substanzen entstanden sind, werden außerhalb der
Grana in eine Serie von Reaktionen eingebunden, die nach Ihrem Entdecker, dem Chemie
–Nobelpreisträger Melvin Calvin, zumeist Calvin-Zyklus bezeichnet werden. In diesem
zweiten Schritt der Photosynthese verbinden sich Kohlenstoffdioxid (CO2), ATP und
NADPH auf verschiedene Weise mit anderen Substanzen des pflanzlichen Gewebes und
lassen so Kohlenhydrate entstehen, die als Energieträger für das Wachsttum der Pflanzen
benötigt werden.
3
Seite 4 von 6
Abbildung 2 Calvin-Zyklus
Die chemischen Reaktionen dieses Zyklus wurde seit Mitte der 1940er Jahre durch eine
Forschergruppe unter Leitung von Calvin in einer Reihe von Experimenten an der
University of California identifiziert. Die Wissenschaftler setzten verschiedene
Pflanzenzellen einer Laboratmosphäre aus, die mit radioaktivem Kohlenstoff markiertes
Kohlenstoffdioxid enthielt. Dabei konnten die Zellen in dieser speziellen Atmosphäre
unterschiedlich lange verweilen und Photosynthese betreiben, ehe dieser Prozeß durch
Eintauchen in reinem Alkohol abrupt unterbrochen wurde: Eine Gruppe von Zellen wurde
bereits nach fünf Sekunden in Alkohol getaucht, eine andere Gruppe nach einer Minute,
und so weiter. Dann untersuchte man, wie weit die radioaktiv markierten Kohlenstoffatome
in den einzelnen Phasen kommen konnte, d. h. in welche Moleküle sie gerade eingebettet
waren. Auf diese Weise war es möglich, Schritt für Schritt die Schaffung und den
anschließenden Zerfall der lebenswichtigen Verbindungen zu rekonstruieren.
4
Seite 5 von 6
•Der Calvin-Zyklus beginnt mit der Reaktion von Kohlenstoffdioxid das von aussen in die
1.
Pflanze eindringt mit Ribulose-1,5-diphosphat einer Verbindung aus Kohlenstoff,
Wasserstoff, Sauerstoff und Phosphor, die in der Pflanze vorhanden ist.
•Kohlenstoffdioxid und Ribulose-1,5-diphosphat verbinden sich für kurze Zeit zu einem
2.
Molekül mit sechs Kohlenstoffatomen, das dann in zwei Moleküle mit jeweils drei
Kohlenstoffatomen zerfällt: 3-Phosphoglycerinsäure
•Dann zerfallen zwei ATP Moleküle zu ADP(Adenosin-diphosphat) , wobei sich die
3.
freiwerdenden Phosphationen mit den
3-Phosphoglycerinsäuremoleküle zu 1,3-Diphosphoglycerinsäure verbinden
•Die Wasserstoffatome, die von 2 NADPH-Molekülen an den Reaktionszyklus abgestellt
werden, wandeln die 1,3-Diphosphoglycerinsäure in 3-Phosphoglycerinaldehyd um; einige
4
dieser Moleküle verlassen den Zyklus und bilden außerhalb der Chloroplasten komplexe
Kohlenwasserstoffe (Zuckermoleküle) die zu den Blättern, Wurzeln und Früchten
transportiert werden.
• Zwei 3-Phosphoglycerinaldehyd -Moleküle verbinden sich über mehrere
5
Zwischenschritte zu dem Kohlenhydrat Molekül Fructose-6-phosphat.
•Während einige der Fructose-6-phosphat Moleküle zur Versorgung der Pflanze
6
benötigt werden, reagiert der größere Teil mit einigen
3-Phosphoglycerinaldehyd Moleküle unter Beteiligung von Enzymen zu Ribulose-5phosphat Molekülen.
•Noch einmal liefert der Zerfall ATP in ADP, Atome für eine chemische Umwandlung,
7
diesmal von Ribulose-5-phosphat in Ribulose-1,5-diphosphat, das gemeinsam mit
Kohlenstoffdioxid den nächten Calvin-Zyklus startet.
5
Seite 6 von 6
Auf diesen Zyklen innerhalb der Pflanzlichen Zelle basiert fast die gesamte irdische
Biomasse. Wir sollten der Sonne mehr Aufmerksamkeit schenken.
Allgemeine Photosynthesegleichungen
Oxygene Photosynthesegleichungen
Lichtreaktion:
Dunkelreaktion:
Glukose (C6H12O6), das Primärprodukt:
Der Sauerstoff auf unserem Planeten entsteht also fast ausschließlich aus der Photolyse
des Photosystems Ⅱ.
Video Kohlenstoffdioxid
Hier klicken um mit mir Kontakt herzustellen, falls irgendetwas fehlt oder nicht stimmt!
Mfg

6