KI-Zusammenfassung
Ziel der Lichtreaktion ist es, Energie und Wasserstoff für die Dunkelreaktion bereitzustellen. Die Energie wird in Form von ATP gespeichert, der Wasserstoff in Form von NADPH.
Bei der Photolyse wird Wasser mithilfe von Licht gespalten. Dabei entstehen Protonen, Elektronen und Sauerstoff. Es entsteht also kein Wasserstoffgas.
Die Elektronen können nicht direkt vom Wasser auf NADP+ übertragen werden. Deshalb sind zwei Photosysteme notwendig. Im Photosystem II werden die Elektronen zunächst durch Licht angeregt und über mehrere Zwischenträger weitergeleitet. Im Photosystem I werden sie dann ein zweites Mal angeregt, so dass sie schließlich auf NADP+ übertragen werden können.
Am Ende der Lichtreaktion entstehen also ATP, NADPH und Sauerstoff.
Die einzelnen Schritte der Lichtreaktion
Eine einfache Version des "Zick-Zack-Schemas" oder "Z-Schemas" haben wir ja bereits auf den Seiten zur Lichtreaktion kennengelernt.
Werfen wir nun einen genaueren Blick auf dieses Schema. Auch die hier gezeigte Version ist nicht vollständig, sondern immer noch didaktisch vereinfacht, geht aber weit über das hinaus, was normalerweise in der gymnasialen Oberstufe erwartet wird.
Das Zick-Zack-Schema der Lichtreaktion
Autor: Ulrich Helmich 2015, Lizenz: Public domain.
Als Vorlage haben mir die Abbildungen aus dem Spektrum-Lexikon der Biologie, dem LINDER (2025) sowie dem MARKL (2025) gedient. Die Redoxpotenziale habe ich einer Abbildung aus Spektrum der Wissenschaft entnommen.
Schritt 1: Photolyse des Wassers
Im ersten Schritt wird Wasser in zwei Protonen, zwei Elektronen und ein halbes O2-Molekül gespalten. Die beiden Elektronen werden auf ein bestimmtes Chlorophyll-Molekül übertragen, das Reaktionszentrum P680.
Schritt 2: Aktivierung des P680
Das Chlorophyll P680 hat nun die beiden Elektronen vom Wasser aufgenommen. Nun kommt die Lichtenergie ins Spiel. Wenn das P680 durch Lichtenergie angeregt wird, erreicht sein Redoxpotenzial einen stark negativen Wert. Das so aktivierte P*680 kann die aufgenommenen Elektronen daher leicht wieder abgeben.
Hier zum besseren Verständnis ein kleines Beispiel aus dem täglichen Leben eines Menschen, der in der Nähe von Minden wohnt: Wenn ein Schiff von der Weser in den Mittellandkanal überwechseln möchte, muss es erst in eine Schleuse fahren. Dort wird der Wasserspiegel angehoben, bis er die Höhe des Mittellandkanals erreicht hat, der die Weser überquert. So ähnlich verhält es sich auch mit den beiden Photosystemen der Lichtreaktion. Die Elektronen müssen "angehoben" werden, damit sie vom Wasser auf das NADP+ übertragen werden können, und zwar nicht nur einmal, sondern in zwei Schritten.
Schritt 3: Elektronentransport über Redoxsysteme
Das P*680 gibt die Elektronen an eine organische Verbindung namens Plastochinon ab. Das Plastochinon hat ein etwas positiveres Redoxpotenzial als P*680 und kann daher die Elektronen übernehmen.
Das Plastochinon gibt die Elektronen anschließend an den Cytochrom-b6f-Komplex weiter. Von dort gelangen die Elektronen zum Plastocyanin, das ein noch positiveres Redoxpotenzial besitzt. Schließlich werden die Elektronen an das Chlorophyll-Molekül P700 weitergeleitet.
Schritt 4: Aktivierung des P700
P700 ist ein spezielles Chlorophyll-Molekül mit einem relativ positiven Redoxpotenzial. Durch Absorption von Lichtenergie wird dieses Potenzial so verändert, dass es negativer als das Redoxpotenzial des Wasserstoff-Transporters NADP+ wird.
Schritt 5: Reduktion von NADP+
Das aktivierte P*700 gibt die Elektronen an eine Verbindung namens Ferredoxin ab. Vom Ferredoxin gelangen die Elektronen schließlich zum Wasserstoff-Transporter NADP+. Dieses nimmt zusätzlich Protonen auf, sodass die reduzierte Form NADPH + H+ entsteht.
Kurzfassung
Ziel der Lichtreaktion ist es, Wasserstoff und Energie für die Dunkelreaktion zur Verfügung zu stellen. Der Wasserstoff wird durch Spaltung von Wasser-Molekülen gewonnen, wobei das Sonnenlicht die notwendige Energie liefert (Photolyse), und die Energie wird in Form von ATP geliefert.
Bei der Photolyse des Wassers entsteht allerdings kein gasförmiger Wasserstoff H2, sondern das Wasser wird in zwei Protonen und zwei Elektronen (und Sauerstoff) gespalten.
Als Transportmittel für die Protonen und die Elektronen dient die organische Verbindung NADP+. Nun hat das Wasser aber ein recht positives Redoxpotenzial, während das NADP+ ein recht negatives Redoxpotenzial hat. Die Elektronen können also nicht "freiwillig" vom Wasser zum NADP+ fließen. Hier kommt das Chlorophyll ins Spiel.
Die Chlorophyll-Moleküle spielen eine Art "Schleuse" für Elektronen: Das Redoxpotenzial vom P680 ist positiver als das von Wasser. Es kann daher leicht Elektronen vom Wasser aufnehmen. Nun wird das P680 durch Sonnenlicht angeregt, dadurch steigt sein Redoxpotenzial auf negative Werte an. Leider reicht das Redoxpotenzial des aktivierten P*680 nicht ganz aus, um die Elektronen auf NADP+ zu übertragen. Daher wird hier ein zweites Photosystem benötigt.
Das P700 hat im Grundzustand ein so positives Redoxpotenzial, dass es die Elektronen vom angeregten P*680übernehmen kann. Wir das P700 dann durch Lichtenergie angeregt, hat es ein sehr negatives Redoxpotenzial und kann daher kann die Elektronen auf das NADP+ übertragen.
Die Lücke zwischen P*680 und P700 wird durch mehrere organische Verbindungen, die Redoxsysteme, geschlossen.