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Photosynthese und Zellatmung - Einfach erklärt

Ablauf der Fotosynthese

Die Fotosynthese findet in den Chloroplasten statt. Die Gesamtgleichung lautet:

\begin{aligned} 6 \ \text{CO}^2 + 6 \ \text{H}_2 \text{O} \xrightarrow{Lichtenergie} \ & \text{C}_6 \text{H}_{12} \text{O}_6 + 6 \ \text{O}_2 \\ & \text{Glucose} \end{aligned}

\begin{aligned} 6 \ \text{CO}^2 + 6 \ \text{H}_2 \text{O} \xrightarrow{Lichtenergie} \ & \text{C}_6 \text{H}_{12} \text{O}_6 + 6 \ \text{O}_2 \\ & \text{Glucose} \end{aligned}

Wichtige Moleküle

\begin{aligned} \text{CO}_2 = & \text{Kohlenstoffdioxid} \\ \text{H}_2 \text{O} = & \text{Wasser} \\ \text{C}_6 \text{H}_{12} \text{O}_6 = & \text{Glucose (Zucker)} \\ \text{O}_2 = & \text{Sauerstoff} \\ \text{NADPH} + \text{H}^{+} = & \text{Gebundener Wasserstoff} \\ \text{P} = & \text{Phosphat} \\ \text{ATP} = & \text{Energie} \end{aligned} \\

\begin{aligned} \text{CO}_2 = & \text{Kohlenstoffdioxid} \\ \text{H}_2 \text{O} = & \text{Wasser} \\ \text{C}_6 \text{H}_{12} \text{O}_6 = & \text{Glucose (Zucker)} \\ \text{O}_2 = & \text{Sauerstoff} \\ \text{NADPH} + \text{H}^{+} = & \text{Gebundener Wasserstoff} \\ \text{P} = & \text{Phosphat} \\ \text{ATP} = & \text{Energie} \end{aligned} \\

Überblick

	Lichtabhängige Reaktion	Lichtunabhängige Reaktion
Ausgangsstoffe	12\ \text{H}_2 \text{O} + 12\ \text{NADP}^{+} + 18\ \text{ADP} + 18{P} $12\ \text{H}_2 \text{O} + 12\ \text{NADP}^{+} + 18\ \text{ADP} + 18{P}$	6\ \text{CO}_2 + 12\ \text{NADPH} + \text{H}^{+} + 18\ \text{ATP} $6\ \text{CO}_2 + 12\ \text{NADPH} + \text{H}^{+} + 18\ \text{ATP}$
Vorgang	Absorption von Lichtenergie durch Chlorophyll Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff Bindung des Wasserstoffs Bildung von ATP	Aufnahme von \text{CO}_2 $\text{CO}_2$ aus Umwelt Bildung von Glucose aus dem gebundenen Kohlenstoff
Ergebnis	12 \ \text{NADPH} + \text{H}^{+} + 18 \ \text{ATP} + 6 \ \text{O}_2 $12 \ \text{NADPH} + \text{H}^{+} + 18 \ \text{ATP} + 6 \ \text{O}_2$	\text{C}_6 \text{H}_{12} \text{O}_6 + 6 \ \text{H}_2 \text{O} + 12 \ \text{NADP}^+ + 18 \ \text{ADP} + 1 8{P} $\text{C}_6 \text{H}_{12} \text{O}_6 + 6 \ \text{H}_2 \text{O} + 12 \ \text{NADP}^+ + 18 \ \text{ADP} + 1 8{P}$
Ort	Thylakoidmembran	Stroma

1. Lichtabhängige Reaktion

Die lichtabhängige Reaktion ist eine Elektronentransportkette. Das Prinzip ist wie folgt:

Lichtenergie wird absorbiert
Das Energieniveau der Elektronen im Chlorophyll steigt (Anregungszustand)
Bei der Rückkehr in den Grundzustand wird diese Energie wieder frei

Die angeregten Elektronen gelangen in die Transportkette. Dabei entstehen in den Reaktionszentren Elektronenlücken, die aufgefüllt werden.

Fotolyse

Am Fotosystem II werden Lichtenergie und Enzyme genutzt, um Wasser zu spalten. Es entstehen:

Sauerstoff (\text{O}_2 $\text{O}_2$ )
Wasserstoff (\text{H}^+ $\text{H}^+$ )
Elektronen (\text{e}^-) $\text{e}^-)$

H_2O \xrightarrow{} 2\: H^{+} + 2\: e^{-} + \frac{1}{2}\: O_2

H_2O \xrightarrow{} 2\: H^{+} + 2\: e^{-} + \frac{1}{2}\: O_2

Fotosystem II

Ein Membranprotein, das Reaktionszentrum P680, absorbiert mithilfe von Chlorophyll, Licht.

Zwei Elektronen (2 \ \text{e}^- $2 \ \text{e}^-$ ) werden auf ein höheres Energieniveau gehoben
Sie durchlaufen dann eine Elektronentransportkette
ATP wird gebildet

\text{ADP} + \text{P} \xrightarrow{+ \text{ Energie}} \textcolor{sc_color_1}{\text{ATP}}

\text{ADP} + \text{P} \xrightarrow{+ \text{ Energie}} \textcolor{#7F7706}{\text{ATP}}

Die Elektronenlücke in P680 wird durch die 2 \ \text{e}^- $2 \ \text{e}^-$ von der Fotolyse geschlossen.

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Fotosystem I

Ein Membranprotein, das Reaktionszentrum P700 absorbiert mithilfe von Chlorophyll, Licht.

Zwei Elektronen werden (2 \ \text{e}^- $2 \ \text{e}^-$ ) auf ein höheres Energieniveau gehoben
Die angehobenen 2 \ \text{e}^- $2 \ \text{e}^-$ gelangen in die Elektronentransportkette
Am Ende der Transportkette wird \text{NADPH} + \text{H}^+ $\text{NADPH} + \text{H}^+$ gebildet

2\:H^+ + 2\: e^- +\text{NADP}^+ \xrightarrow{} \textcolor{sc_color_1}{\text{NADP}H+H^+}

2\:H^+ + 2\: e^- +\text{NADP}^+ \xrightarrow{} \textcolor{#7F7706}{\text{NADP}H+H^+}

Die Elektronenlücke in P700 wird durch 2 \ \text{e}^- $2 \ \text{e}^-$ vom Fotosystem II geschlossen.

Der Wasserstoff für das \text{NADPH} + \text{H}^+ $\text{NADPH} + \text{H}^+$ durchläuft vorher den ATP-Synthase-Komplex, wobei ATP gebildet wird.

\text{ADP} + \text{P} \xrightarrow{+ \text{ Energie}} \textcolor{sc_color_1}{\text{ATP}}

\text{ADP} + \text{P} \xrightarrow{+ \text{ Energie}} \textcolor{#7F7706}{\text{ATP}}

Ergebnis

Um ein Glucose-Molekül zu bilden, braucht es 12 \text{NADPH} + \text{H}^+ $\text{NADPH} + \text{H}^+$ und 18 ATP.

Pro Wassermolekül entstehen 1 \ \text{NADPH} + \text{H}^+ $1 \ \text{NADPH} + \text{H}^+$ und 1,5 ATP.

Für ein Molekül Glucose braucht es also zwölf Wassermoleküle (\text{H}_2 \text{O} $\text{H}_2 \text{O}$ ).

2. Lichtunabhängige Reaktion

Im Calvin-Zyklus wird das Kohlenstoffdioxid (\text{CO}_2 $\text{CO}_2$ ) fixiert und daraus Glucose gebildet.

Um den Kreislauf zu schließen wird noch der Kohlenstoffakzeptor regeneriert.

\textbf{CO}_2 $\textbf{CO}_2$ -Fixierung

Der C1-Körper Kohlenstoffdioxid (\text{CO}_2 $\text{CO}_2$ ) bindet an \text{RubP}_2 $\text{RubP}_2$ (Ribulose-1,5-bisphosphat)

Der erstandene C6-Körper zerfällt sofort in zwei C3-Körper (3-Phosphoglycerinsäure).

Reduktion zu Glucose

Die C3-Körper werden durch ATP und \text{NADPH} + \text{H}^+ $\text{NADPH} + \text{H}^+$ zu 3-Phosphoglycerinaldehyd (PGA) reduziert.

{\text{ATP}} \xrightarrow{} \text{ADP} + \text{P}

{\text{ATP}} \xrightarrow{} \text{ADP} + \text{P}

{\text{NADP}H+H^+} \xrightarrow{} \text{NADP}^+

{\text{NADP}H+H^+} \xrightarrow{} \text{NADP}^+

Zwei der \text{C}_3 $\text{C}_3$ -Körper werden erst zu einer Fructose und dann zu Glucose umgebaut.

2\: C_3 \xrightarrow{} \textcolor{sc_color_1}{C_6H_{12}O_6} + 2\: P

2\: C_3 \xrightarrow{} \textcolor{#7F7706}{C_6H_{12}O_6} + 2\: P

Regeneration

Die restlichen 10 PGA je Zyklus werden mit ATP wieder zum C5-Körper RuBisCO für die \textbf{CO}_2 $\textbf{CO}_2$ -Fixierung regeneriert.

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