2.

Lichtreaktion

Der erste Schritt bei der Photosynthese ist die Absorption von Licht durch spezielle Pigmente (Farbstoffe), die meist an Proteine gebunden sind und charakteristische Absorptionsspektren (bestimmte Wellenlängenbereiche des Lichtes, in denen ein Pigment Lichtenergie aufnehmen kann) aufweisen. Der Hauptfarbstoff der Photosynthese ist Chlorophyll a. Er nimmt Lichtenergie aus den violetten und roten Anteilen des Spektrums auf. Chlorophyll b und c sowie andere Pigmente wie die Carotinoide und Phycobiline absorbieren leicht abweichende Wellenlängen und können die Lichtenergie an das Chlorophyll a weiterleiten. Diese Pigmente verbreitern damit das Lichtspektrum, das zur Energiegewinnung durch Photosynthese genutzt werden kann.

Die Photosynthese findet innerhalb der Zellen in bestimmten Organellen, den Chloroplasten, statt. Die wichtigsten Strukturelemente der Chloroplasten sind Membransysteme, die Thylakoide. In den Thylakoidmembranen sind die Photosynthesepigmente und Enzymsysteme für die verschiedenen Photosynthesereaktionen lokalisiert, wobei jeweils mehrere Pigmente zu Photosystemen zusammengefasst sind. Durch die Absorption eines Lichtquants werden die Elektronen der Pigmentmoleküle auf höhere Energieniveaus angehoben. Anschließend wird die dadurch gebundene Lichtenergie in Form des angeregten Elektrons über verschiedene Zwischenpigmente bis zum zentralen Molekül des jeweiligen Photosystems, dem Reaktionszentrum, weitergeleitet.

Es lassen sich zwei Lichtreaktionssysteme unterscheiden, Photosystem I und II. Durch Absorption von Licht wird zunächst das Photosystem II angeregt und die energiereichen Elektronen über eine Elektronentransportkette dem Photosystem I zugeführt. Durch Weitergabe des Elektrons entstehen Elektronenlücken bei den Chlorophyllmolekülen im Photosystem II. Diese werden durch Elektronen ersetzt, die aus gespaltenen Wassermolekülen stammen, wobei Sauerstoff freigesetzt wird. Die bei der Elektronenübertragung frei werdende Energie wird zur Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) verwendet. Die vom Photosystem I aufgenommene Lichtenergie wird an das Reaktionszentrum weitergeleitet und für die Anregung der Chlorophyll a-Moleküle verbraucht. Energiereiche Elektronen werden über eine zweite Elektronentransportkette zum Coenzym (siehe Enzyme) Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat (NADP) geleitet, das sie zu energiereichem NADPH₂ reduzieren. Die Elektronen, die das Photosystem bei dieser Reaktion abgibt, werden durch Elektronen ersetzt, die vom Photosystem II zugeleitet wurden. Dadurch fällt das Chlorophyllmolekül in den neutralen Grundzustand zurück. Die Lichtreaktion resultiert daher in einem Energiegewinn in Form der Moleküle ATP und NADPH₂, die im pflanzlichen Stoffwechsel benötigt werden. Berliner Wissenschaftler berichteten 2001 in Nature, Photosystem I bestehe aus elf großen Proteinen, an die 96 Chlorophyllmoleküle sowie 31 kleinere Moleküle gebunden seien.