Lichtreaktion, Allgemeines

Was benötigt die CO₂-Reduktion?

Die Photosynthese ist eine großangelegte Reduktion von Kohlendioxid zu Glucose, wobei die Reduktion durch die Aufnahme von Wasserstoff erfolgt. Damit diese Reduktion ablaufen kann, müssen folgende Teilprobleme gelöst werden:

1. Der Wasserstoff muss aus einer wasserstoffreichen Verbindung gewonnen werden.
2. Der so gewonnene Wasserstoff muss zum Kohlendioxid transportiert werden.
3. Alle Prozesse der Photosynthese sind endotherm, benötigen also viel Energie.

Grundprinzip der Photosynthese
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Schauen wir uns einmal kurz an, wie diese drei Probleme im Prinzip gelöst werden.

Problem 1

Bei der Photosynthese der grünen Pflanzen dient das Wasser als Lieferant für den Wasserstoff. Wasser wird mit Hilfe der Lichtenergie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, der Wasserstoff für dann für die Reduktion des Kohlendixoids verwendet, während der Sauerstoff als "Abfallprodukt" der Photosynthese freigesetzt wird.

$2 \ H_{2}O \to 4 \ H^{+} + 4 \ e^{-} + O_{2}\uparrow$

Alternative Formulierung, von Chemielehrern nicht so gern gesehen, daher hier nur klein gedruckt:

$H_{2}O \to 2 \ H^{+} + 2 \ e^{-} + \frac{1}{2} O_{2}\uparrow$

Problem 2

Der Transport des Wasserstoffs zum Kohlendioxid erfolgt durch das Coenzym NADP⁺. Der Wasserstoff wird auf das Coenzym übertragen, dabei entsteht die reduzierte Form des Coenzyms, die üblicherweise als NADPH/H⁺ aufgeschrieben wird:

Wie man hier sieht, wird der Wasserstoff nicht in Form von Wasserstoff-Atomen 2 H oder Wasserstoff-Molekülen H₂ übertragen, sondern in Form von zwei Protonen H⁺ und zwei Elektronen e^-. Für die Zelle ist das vielleicht auch besser, wenn man bedenkt, dass gasförmiger Wasserstoff hochexplosiv ist.

Problem 3

Die Energiegewinnung erfolgt letzten Endes über das von den Chlorophyllen und anderen Pigmenten eingefangene Sonnenlicht. Ein Teil des Lichtes aktiviert bestimmte Komponenten der Lichtreaktion direkt (Lichtabsorption), ein anderer Teil des Lichtes wird in einem komplexen Prozess in die universelle Energiewährung ATP umgewandelt.

Vereinfachte Darstellung der Dunkelreaktion

Man könnte die gesamte Dunkelreaktion auf folgendes Schema reduzieren:

Dieses simple Schema ist keine Reaktionsgleichung! Die tatsächliche Anzahl der benötigten ATP- und NADPH/H⁺-Moleküle ist hier nicht berücksichtigt worden.

Die Aufgabe der Lichtreaktion ist es, sowohl das ATP wie auch das NADPH/H⁺ für die Dunkelreaktion zur Verfügung zu stellen.

Bei der lichtunabhängigen Reaktion wird Kohlendioxid mit Hilfe der Coenzyme ATP als Energiespender und NADPH/H⁺als Wasserstoffspender zu Glucose reduziert. Diese beiden Coenzyme werden in der Lichtreaktion mit Energie bzw. Wasserstoff "aufgeladen".

Auf den nächsten beiden Seiten wird nun erklärt, woher die beiden "aufgeladenen" Coenzyme ATP und NADPH/H⁺eigentlich kommen bzw. hergestellt werden.

Vorab kann man schon einmal festhalten, dass das ATP im Prinzip auf die gleiche Weise hergestellt wird wie bei der Atmungskette. Der dazu notwendige Protonengradient wird allerdings durch die Verwertung von Lichtenergie erzeugt. Die Synthese von NADPH/H⁺ wird durch die photolytische Spaltung von Wasser-Molekülen bewirkt.