Primärreaktion – Lichtabhängige Reaktion

Mit einem Brennglas (Lupe) lässt sich Feuer entzünden. Licht ist pure Energie. Diese Energie ist die Grundlage für das Leben, so wie wir es kennen. Im ersten Schritt der Photsynthese, der Lichtrekation, sind Pflanzen in der Lage diese Energie in chemisch nutzbare Energie umzuwadeln.

Wie erfolgt mittels Sonnenlicht die Erzeugung chemisch nutzbare Energie für die Synthese von Glukose in der Dunkelreaktion (Sekundärreaktion)?

Membranbestandteile, die an der Lichtreaktion beteiligt sind

Die Lichtreaktion findet an der inneren Chloroplastenmembran (Thylakoidmembran) statt. Die Membran enthält zwei Photosysteme (PI und PII), die mit ihren Atennenpigmenten (A) das Licht absorbieren und zum Reaktionszentrum weiter leiten, wo es in chemische Energie umgewandelt wird.
Am wasserspaltenden Enzym (WE) wird Wasser zerlegt (Photolyse).
Redoxsysteme (Oxidoreduktasen) transportieren Elektronen durch die Membran:
Redoxkette: nacheinander angeordnete Oxidoreduktasen Ferredoxin (F)
NADP⁺-reduzierendes Enzym (N: Ferredoxin-NADP⁺-Reduktase)
Das Enzym ATPase synthetisiert ADP zu ATP.

Verlauf

Lichtgetriebener Elektronentransport:

Elektronen werden mit Hilfe von Licht durch die Thylakoidmembran transportiert und somit auf ein höheres Energieniveau gebracht.
Dabei wird an der Thylakoidmembran ein Protonenkonzentrationsgefälle (Protonengradient) erzeugt.

Photolyse:

Spaltung von Wasser

Photophosphorylierung:

Bildung von ATP

Verlauf – Lichtgetriebener Elektronentransport

Absorption der Lichtquanten durch Antennenpigmente (A)
Lichtenergie wird in das Photosystem II (PII: P 680, gilt auch für PI) weitergeleitet
„Anregung“ des Chlorophyllmoleküls durch Übernahme der Lichtquanten, Elektronen des Chlorophyllmoleküls gelangen auf ein höheres Energieniveau und werden auf die Redoxkette übertragen
die entstandene Elektronenlücke im Chlorophyllmolekül bewirkt einen „Elektronensog“ im PII, der die Photolyse auslöst: das Wassermolekül wird enzymatisch gespalten (WE), die frei werdenden Elektronen schließen die Elektronenlücke
das elektronenliefernde Wassermolekül zefällt in Wasserstoffprotonen und Sauerstoff (Photolyse)

Bilanz der Photolyse

12 H₂O -> 6O₂+ 24H⁺ + 24e^– (eigentlich 24 H₂O)

die energiereichen Elektronen durchlaufen die Redoxkette (Elektronentransportkette: Kette von Redoxsystemen, die aus Oxydoreduktasen bestehen, es erfolgt eine ständige Reduktion und Oxidation, d.h. ein Weitertransport der Elektronen)
die Elektronen werden auf das PS I (P 700) übertragen, die die bereits vorhandene „Elektronenlücke“ im PS I schließen
die aus der „Anregung“ des PS I stammenden Elektronen werden auf ein Redoxsystem F (Ferredoxin) übertragen und an ein NADP reduzierendes Enzym (N) weitergeleitet
Vereinigung der Elektronen mit Wasserstoffprotonen und mit NADP⁺ zu NADPH + H⁺ (Reduktionsmittel zur Reduktion von Glukose)

Bilanz des Elektronentransports

12NADP⁺ + 24H⁺ +24e^– Lichternergie -> 12 NADPH + 12H⁺

Photophosphorylierung

im Stroma reagieren H⁺ Protonen ständig zu NADPH + H⁺ (Folge: Protonenmangel)
im Thylakoidinnenraum werden ständig H⁺ Protonen durch die Photolyse freigesetzt, es kommt zu einem Protonenüberschuß (hohe Konzentration an Wasserstoffprotonen)
das Redoxsystem reagiert innerhalb der Elektronentransportkette H⁺ aus dem Stroma, die in den Thylakoidinnenraum abgegeben werden, was zu einer zusätzlichen Anreicherung mit H⁺ führt
durch diese Vorgänge entsteht ein erheblicher Konzentrationsunterschied (Gradient) an H⁺ zwischen Stroma und Thylakoidinnenraum
die in diesem Protonengradient enthaltene Energie, wird zur Bildung von ATP genutzt: die Wasserstoffprotonen werden über die ATPase vom Thylakoidinnenraum entsprechend dem Konzentrationsgefälle ins Stroma transportiert, dabei wird ATP gebildet

Bilanz der Photophosphorylierung

18 ADP + 18P -> 18 ATP