LICHTPHASE DER PHOTOSYNTHESE: MECHANISMUS UND PRODUKTE - BIOLOGIE - 2025

Die Lichtphase der Photosynthese ist der Teil des Photosyntheseprozesses, der die Anwesenheit von Licht erfordert. Licht löst also Reaktionen aus, die zur Umwandlung eines Teils der Lichtenergie in chemische Energie führen.

Biochemische Reaktionen treten in den Chloroplasten-Thylakoiden auf, in denen photosynthetische Pigmente gefunden werden, die durch Licht angeregt werden. Dies sind Chlorophyll a, Chlorophyll b und Carotinoide.

Lichtphase und Dunkelphase. Maulucioni von Wikimedia Commons

Für das Auftreten lichtabhängiger Reaktionen sind mehrere Elemente erforderlich. Eine Lichtquelle innerhalb des sichtbaren Spektrums ist notwendig. Ebenso ist die Anwesenheit von Wasser erforderlich.

Das Endprodukt der leichten Phase der Photosynthese ist die Bildung von ATP (Adenosintriphosphat) und NADPH (Nicotinamidadenindinukleotidphosphat). Diese Moleküle werden als Energiequelle für die Fixierung von CO ₂ in der Dunkelphase verwendet. Ebenso wird während dieser Phase O ₂ freigesetzt , ein Produkt des Abbaus des H ₂ O- Moleküls .

Bedarf

Damit lichtabhängige Reaktionen in der Photosynthese stattfinden können, ist ein Verständnis der Eigenschaften von Licht erforderlich. Ebenso ist es notwendig, die Struktur der beteiligten Pigmente zu kennen.

Das Licht

Licht hat sowohl Wellen- als auch Partikeleigenschaften. Energie kommt von der Sonne in Form von Wellen unterschiedlicher Länge auf die Erde, die als elektromagnetisches Spektrum bekannt sind.

Etwa 40% des Lichts, das den Planeten erreicht, ist sichtbares Licht. Dies findet sich bei Wellenlängen zwischen 380 und 760 nm. Es enthält alle Farben des Regenbogens mit jeweils einer charakteristischen Wellenlänge.

Die effizientesten Wellenlängen für die Photosynthese sind die von Violett bis Blau (380-470 nm) und von Rot-Orange bis Rot (650-780 nm).

Licht hat auch Partikeleigenschaften. Diese Teilchen werden Photonen genannt und sind einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet. Die Energie jedes Photons ist umgekehrt proportional zu seiner Wellenlänge. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Energie.

Wenn ein Molekül ein Photon der Lichtenergie absorbiert, wird eines seiner Elektronen mit Energie versorgt. Das Elektron kann das Atom verlassen und von einem Akzeptormolekül empfangen werden. Dieser Prozess findet in der Lichtphase der Photosynthese statt.

Pigmente

In der Thylakoidmembran (Chloroplastenstruktur) befinden sich verschiedene Pigmente mit der Fähigkeit, sichtbares Licht zu absorbieren. Unterschiedliche Pigmente absorbieren unterschiedliche Wellenlängen. Diese Pigmente sind Chlorophyll, Carotinoide und Phycobiline.

Carotinoide geben die in Pflanzen vorhandenen gelben und orange Farben. Phycobiline kommen in Cyanobakterien und Rotalgen vor.

Chlorophyll gilt als das hauptsächliche photosynthetische Pigment. Dieses Molekül hat einen langen hydrophoben Kohlenwasserstoffschwanz, der es an der Thylakoidmembran haftet. Darüber hinaus hat es einen Porphyrinring, der ein Magnesiumatom enthält. In diesem Ring wird Lichtenergie absorbiert.

Es gibt verschiedene Arten von Chlorophyll. Chlorophyll a ist das Pigment, das am direktesten in Lichtreaktionen eingreift. Chlorophyll b absorbiert Licht mit einer anderen Wellenlänge und überträgt diese Energie auf Chlorophyll a.

Im Chloroplasten findet sich ungefähr dreimal mehr Chlorophyll a als Chlorophyll b.

Mechanismus

-Photosysteme

Chlorophyllmoleküle und die anderen Pigmente sind innerhalb des Thylakoids in photosynthetische Einheiten organisiert.

Jede Photosyntheseeinheit besteht aus 200-300 Chlorophyll a-Molekülen, kleinen Mengen Chlorophyll b, Carotinoiden und Proteinen. Es gibt einen Bereich namens Reaktionszentrum, in dem Lichtenergie verbraucht wird.

Bild: Lichtphase der Photosynthese. Autor: Somepics. https://es.m.wikipedia.org/wiki/File:Thylakoid_membrane_3.svg

Die anderen vorhandenen Pigmente werden Antennenkomplexe genannt. Sie haben die Funktion, Licht einzufangen und an das Reaktionszentrum weiterzuleiten.

Es gibt zwei Arten von Photosyntheseeinheiten, die als Photosysteme bezeichnet werden. Sie unterscheiden sich darin, dass ihre Reaktionszentren mit verschiedenen Proteinen assoziiert sind. Sie verursachen eine leichte Verschiebung ihrer Absorptionsspektren.

In Photosystem I hat das mit dem Reaktionszentrum assoziierte Chlorophyll a einen Absorptionspeak von 700 nm (P ₇₀₀ ). Im Photosystem II tritt der Absorptionspeak bei 680 nm auf (P ₆₈₀ ).

-Photolyse

Während dieses Prozesses kommt es zum Abbau des Wassermoleküls. Photosystem II nimmt teil. Ein Lichtphoton trifft auf das P _680- Molekül und treibt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau.

Die angeregten Elektronen werden von einem Molekül Phäophytin empfangen, das ein Zwischenakzeptor ist. Anschließend durchqueren sie die Thylakoidmembran, wo sie von einem Plastochinonmolekül aufgenommen werden. Die Elektronen werden schließlich auf das P ₇₀₀ des Photosystems I übertragen.

Die Elektronen, die von P _{680 abgegeben wurden,} werden durch andere aus dem Wasser ersetzt. Ein Mangan-haltiges Protein (Protein Z) ist erforderlich, um das Wassermolekül abzubauen.

Wenn H ₂ O gebrochen wird , werden zwei Protonen (H ⁺ ) und Sauerstoff freigesetzt. Es müssen zwei Wassermoleküle gespalten werden, damit ein O ₂ -Molekül _{freigesetzt wird} .

-Photophosphorylierung

Abhängig von der Richtung des Elektronenflusses gibt es zwei Arten der Photophosphorylierung.

Nichtcyclische Photophosphorylierung

Daran sind sowohl Photosystem I als auch II beteiligt. Es wird als nicht zyklisch bezeichnet, da der Elektronenfluss nur in eine Richtung verläuft.

Wenn die Chlorophyllmoleküle angeregt werden, bewegen sich die Elektronen durch eine Elektronentransportkette.

Es beginnt im Photosystem I, wenn ein Lichtphoton von einem P ₇₀₀ -Molekül absorbiert wird . Das angeregte Elektron wird auf einen primären Akzeptor (Fe-S) übertragen, der Eisen und Sulfid enthält.

Dann geht es weiter zu einem Molekül Ferredoxin. Anschließend gelangt das Elektron zu einem Transportmolekül (FAD). Dies gibt es zu einem Molekül von NADP ⁺ , das es zu NADPH reduziert.

Die vom Photosystem II bei der Photolyse übertragenen Elektronen ersetzen die von P ₇₀₀ übertragenen Elektronen . Dies geschieht über eine Transportkette aus eisenhaltigen Pigmenten (Cytochromen). Darüber hinaus sind Plastocyanine (Proteine, die Kupfer enthalten) beteiligt.

Während dieses Prozesses werden sowohl NADPH- als auch ATP-Moleküle produziert. Für die Bildung von ATP greift das Enzym ATPsyntetase ein.

Cyclische Photophosphorylierung

Es kommt nur im Photosystem I vor. Wenn die Moleküle des P ₇₀₀ -Reaktionszentrums angeregt werden, werden die Elektronen von einem P _430- Molekül empfangen .

Anschließend werden die Elektronen in die Transportkette zwischen den beiden Photosystemen eingebaut. Dabei entstehen ATP-Moleküle. Im Gegensatz zur nichtcyclischen Photophosphorylierung wird kein NADPH produziert und kein O ₂ freigesetzt .

Am Ende des Elektronentransportprozesses kehren sie zum Reaktionszentrum des Photosystems I zurück. Aus diesem Grund spricht man von cyclischer Photophosphorylierung.

Endprodukte

Am Ende der Lichtphase wird O ₂ als Nebenprodukt der Photolyse in die Umwelt freigesetzt . Dieser Sauerstoff gelangt in die Atmosphäre und wird zur Atmung aerober Organismen verwendet.

Ein weiteres Endprodukt der Lichtphase ist NADPH, ein Coenzym (Teil eines Nicht-Protein-Enzyms), das an der Fixierung von CO ₂ während des Calvin-Zyklus (Dunkelphase der Photosynthese) beteiligt ist.

ATP ist ein Nukleotid, das verwendet wird, um die notwendige Energie zu erhalten, die für die Stoffwechselprozesse von Lebewesen benötigt wird. Dies wird bei der Synthese von Glucose verbraucht.

Verweise

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