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Fotosynthese – Energiegewinnung der lichtabhängigen Reaktion 07:50 min

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Transkript Fotosynthese – Energiegewinnung der lichtabhängigen Reaktion

Hallo, hier ist wieder Sabine und in diesem Video wollen wir uns die Lichtreaktion der Photosynthese näher betrachten. Im vorigen Film haben wir schon mal die Photosynthese-Gleichung gesehen. Aus 6 Kohlenstoffdioxid und 6 Mal Wasser wird Glukose und 6 Mal Sauerstoff. Du hast gelernt, wie die Fotosysteme der Pflanze Licht absorbieren und die Energie dann für fotochemische Reaktionen zur Verfügung steht. Was genau im nächsten Schritt passiert, erkläre ich dir jetzt. Im Laufe des Films werde ich ziemlich oft die Wörter "Reduktion" und "Oxidation" brauchen. Als Reduktion bezeichnet man in der Chemie eine Reaktion, bei der ein Elektron von einem Stoff aufgenommen wird. Oxidation ist die Abgabe von Elektronen. Jetzt schreibe ich mal schnell über die Photosynthese-Gleichung die Oxidationszahlen in rot. Im Kohlenstoffdioxid hat der Kohlenstoff die Oxidationszahl 4, in der Glucose bloß noch die 0. Das heißt, der Kohlenstoff wird reduziert. Der Sauerstoff im Wasser hat die Oxidationszahl von -2, am Ende der Reaktion die Oxidationszahl 0. Das heißt, der Sauerstoff wird oxidiert. Der Wasserstoff in der Glucose stammt aus dem Wasser, der zu diesem Zweck gespalten werden muss. Diesen Prozess nennt man Fotolyse. "Lyse" deutet darauf hin, dass etwas gespalten wird, und "Foto", dass die Energie für den Spaltungsprozess aus dem Licht stammt. Auf der Innenseite der Thylakoidmembran steckt ein Wasser spaltendes Enzym, das aus 2 Wassermolekülen, 4 Protonen bzw. Wasserstoffionen abspaltet, 1 Sauerstoffmolekül und 4 Elektronen. Die Lichtenergie für die Fotolyse stammt aus dem P680, dem Fotosystem 2. Das angeringte Reaktionszentrum leitet ein Elektron zu einem Akzeptor weiter. Die entstehende Elektronenlücke im P680 wird dadurch geschlossen, dass über das wasserspaltende Enzym dem Wasser Elektronen gemopst werden. Das abgegebene Elektron am Akzeptor wandert jetzt weiter die Thylakoidmembran entlang über eine sogenannte Elektronentransportkette. Und das funktioniert folgendermaßen: Der Akzeptor wird durch das Elektron reduziert. Ich versuche das mal dadurch darzustellen, dass der Akzeptor von Gelb auf Grün wechselt. Durch Elektronenabgabe wird er wieder oxidiert; das heißt, er wird von Grün wieder zu Gelb. Und das nächste Teil der Elektronentransportkette wird dann reduziert, also das wird dann grün. Da der Akzeptor ständig zwischen diesen beiden Zuständen wechselt, ist er ein Redoxsystem. Viele solcher Redoxsysteme sind jetzt hintereinander geschaltet und bringen ein Elektron von A nach B und werden dann Elektronentransportkette genannt. Hier habe ich noch einmal versucht, das zu zeigen. Der Akzeptor wird reduziert und wird grün, gibt sein Elektron an das große Redoxsystem ab, also das rote, wird dadurch oxidiert und das große rote Redoxsystem wird blau, also damit reduziert. Dieser Vorgang wiederholt sich zig Mal innerhalb dieser Elektronentransportkette. Innerhalb der Elektronentransportkette wird die Neigung, ein Elektron aufzunehmen, immer stärker. Also dieses Redoxsystem saugt stärker ein Elektron zu sich an als dieses Redoxsystem. Und das nächste Redoxsystem zieht stärker einen Elektronen an als das vorherige usw. Dadurch wird verhindert, dass das Elektron auf die Idee kommt, zurückzuwandern. Als Letztes in der Kette sitzt das Fotosystem 1, das P700. Damit dieses Fotosystem das Elektron aufnehmen kann, muss es durch Licht angeregt werden und ein Elektron abgeben. Dieses neue Elektron landet dann beim Redoxsystem Ferredoxin. Von dort kommt es zum Enzym NADP-Reduktase. Dieses Enzym tut Folgendes: Es schnappt sich die bei der Fotolyse entstandenen Wasserstoffionen und die Elektronen und fügt sie zu Wasserstoffmolekülen wieder zusammen. Der Wasserstoff wird an das Coenzym NADP+ gekoppelt und es entsteht NADPH + H+. Dies ist wichtig, da elementarer Wasserstoff ein Zellgift ist. Das heißt, wir haben jetzt schon mal den Wasserstoff zusammen, den wir zum Zusammenbauen der Glucose brauchen. Damit ist der Film aber noch nicht zu Ende, denn die Lichtreaktion kann noch viel mehr. Wir sind ja an der Thylakoidmembran. Oben im Bild haben wir den Thylakoidaußenraum, dann kommt die Membran und dann der Thylakoidinnenraum. Durch die Fotolyse sammeln sich auf der Innenseite der Membran Wasserstoffionen, also positiv geladene Teilchen. Auf der Außenseite werden Wasserstoffionen an NADP+ gebunden. Hier gibt es weniger positive Ladung. Dieses Konzentrationsgefälle, auch Protonengradient genannt, nutzt die pflanzliche Zelle, um ATP zu gewinnen. Über das Molekül ATP wird Energie gespeichert und kann dann an verschiedensten Stellen des Stoffwechsels genutzt werden. Aber wie funktioniert das denn jetzt genau? Wasserstoffionen folgen dem Konzentrationsgefälle und wandern durch Tunnelproteine von innen nach außen. An dieses Protein ist das Enzym ATP-Synthase gebunden. Die freiwerdende Energie nutzt dieses Enzym, um aus ADP + P ATP zu bilden. Dieser Vorgang heißt "nichtzyklische Fotophosporylierung". Wenn genügend NADPH + H+ entstanden ist, kommt die Elektronentransportkette zum Erliegen. ATP kann trotzdem noch gebildet werden. Das angeregte Fotosystem 1 gibt sein Elektron an das Ferredoxin weiter, das Redoxsystem. Von dort geht das Elektron an ein spezielles Redoxsystem, dem Cytochrom-bf-Komplex, dieses ganz große rote, das durch die ganze Thylakoidmembran geht. Von dort kehren die Elektronen zurück zum Fotosystem 1 und es geht wieder von vorn los. Der Cytochrom-bf-Komplex pumpt Protonen von außen nach innen. Dadurch entsteht wie eben der Protonengradient. Wenn die Wasserstoffionen jetzt durch die Tunnelproteine mit der ATP-Synthase wandern, entsteht wieder ATP. Die Wasserstoffionen werden durch den Cytochrom-bf-Komplex ins Thylakoidinnere zurückgepumpt und können wieder durch das Tunnelprotein zur ATP-Bildung beitragen. Die ATP-Synthese ist ein Kreislauf und daher nennt man diese Fotophosphorylierung zyklische Fotophosphorylierung. Fassen wir zusammen: Im Chloroplasten wird Wasser zu Sauerstoff, Elektronen und Protonen durch Lichtenergie gespalten. Über eine Elektronentransportkette landen die Elektronen bei der NADP Reduktase, wo sie wieder mit deren Protonen zusammengefügt werden und Wasserstoff bilden. Der elementare Wasserstoff wird an das Coenzym NADP+ gebunden, da er sonst Zellgift wäre. Es entsteht NADPH + H+. Der Protonengradient zwischen Thylakoidinnenraum und -außenraum wird von Chloroplasten genutzt, um ATP zu bilden. Diesen Vorgang nennt man Fotophosphorylierung. NADPH + H+ und ATP sind Ausgangsstoffe für die Glucosebildung in der Dunkelreaktion. Das war's erst mal. Wir sehen uns in der Dunkelreaktion wieder. Bis dann, Sabine.

16 Kommentare
  1. Unfassbar gut erklärt! Und das in nur knapp 8 Minuten. Weiter so!

    Von Goetz Opitz, vor 9 Monaten
  2. War vieeel zu ausführlich und hab nix verstanden

    Von Lisa L, vor mehr als einem Jahr
  3. Hallo Familie 64,
    das ist richtig. Vielen Dank für den Hinweis!
    Der Fehler wurde umgehend korrigiert.
    Beste Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor mehr als einem Jahr
  4. In der dritten Aufgabe zum Video ist ein Fehler. Dort steht, dass der Calvin-Zyklus in der Matrix der Mitochondrien ablaufen würde. Aber der Calvin-Zyklus ist ja mit der Dunkelreaktion gleichzusetzen und läuft somit im Stroma der Chloroplasten ab. Wohingegen der Citrat-Zyklus in der Matrix der Mitochondrien abläuft.

    Von Familie 64, vor mehr als einem Jahr
  5. können wir das auch so machen, dass ein Oberstufenschüler was damit anfangen kann?

    (wir sind keine Kleinkinder!!!)

    Von Familie 18, vor mehr als 2 Jahren
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Fotosynthese – Energiegewinnung der lichtabhängigen Reaktion Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Fotosynthese – Energiegewinnung der lichtabhängigen Reaktion kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme, was passiert, wenn Ferredoxin fehlt.

    Tipps

    Ferredoxin stellt das Redoxsystem dar.

    Ferredoxin ist ein Elektronenakzeptor.

    Lösung

    Ferredoxin ist ein eisen- und schwefelhaltiges Protein. Man findet es in allen Grünpflanzen und einigen Bakterien. Als Elektronenüberträger spielt es eine wichtige Rolle in der Fotosynthese.

    Wenn das Ferredoxin in den Chloroplasten fehlt, ist die Elektronentransportkette unterbrochen. Das Ferredoxin ist Teil des Redoxsystems. Auch die Fähigkeit zur Photolyse des Wassers geht den Chloroplasten verloren, ebenso wie die zyklische und nicht zyklische Phosphorylierung.

  • Beschreibe, was man unter Fotophosphorylierung versteht.

    Tipps

    Über das Molekül ATP wird Energie gespeichert und für den Stoffwechsel genutzt.

    Lösung

    Die Fotophosphorylierung beschreibt die Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) durch die Anlagerung einer Phosphatgruppe an Adenosindiphosphat (ADP). Dies geschieht unter dem Einfluss von Lichtenergie.

    Im Laufe der Lichtreaktion entsteht zwischen Thylakoidinnenraum und Stroma eine unterschiedliche Protonenkonzentration, durch den angestrebten Konzentrationsausgleich wird enzymatisch ATP gebildet. Je nach Transportweg der Elektronen bei der Lichtreaktion unterscheidet man zwischen der zyklischen und nichtzyklischen Fotophosphorylierung.

    Bei der nichtzyklischen Fotophosphorylierung gelangen die Elektronen, die vom Fotosystem 2 kommen, über die Elektronentransportkette zum Fotosystem 1.

    Bei der zyklischen Fotophosphorylierung ist nur das Fotosystem 1 beteiligt. Die Elektronen verbleiben während der gesamten Lichtreaktion im Ursprungsort.

  • Erkläre, wofür eine Pflanze Energie benötigt.

    Tipps

    In den Pflanzenzellen werden ständig körpereigene organische Stoffe aufgebaut. Diesen Vorgang bezeichnet man als Assimilation.

    Die heterotrophe Assimilation läuft in den Zellen der Menschen, Tiere und Pilze ab.

    Ein Mitochondrium besteht aus einer doppelten Membranschicht. Das Innere der inneren Membran wird als Matrix bezeichnet.

    Auch Chloroplasten besitzen eine doppelte Membranschicht. Der Raum außerhalb der Thylakoidmembranene heißt Stroma.

    Lösung

    Pflanzen benötigen, genau wie wir, Energie für das Wachstum und auch für ihren Stoffwechsel. Zu ihrem Stoffwechsel gehört neben der Fotosynthese auch zum Beispiel die Atmung.

    In den Zellen werden körpereigene organische Stoffe aufgebaut (= Assimilation) und organische Stoffe (= Dissimilation) abgebaut, um ihre Energie zu nutzen. Bei den Pflanzenzellen spricht man von der autotrophen Assimilation, da sie aus anorganischen Stoffen körpereigene organische Stoffe aufbauen können.

    Die wichtigsten Zellorganellen in diesem Zusammenhang sind die Chloroplasten und Mitochondrien.

  • Belege, warum sich bei diesem Versuch nicht in allen Blättern Stärke nachweisen lässt.

    Tipps

    Chlrophyll absorbiert vor allem Licht im langwelligen und kurzwelligen Bereich.

    Die in der Lichtreaktion gebildeten Energie- und Reduktionsäquivalente werden dazu verwendet, das Kohlenstoffdioxid zu Glukose zu reduzieren. Läuft die Lichtreaktion nur gehemmt ab, fehlt die Energie für die Glukoseherstellung.

    Lösung

    Chlorophyll absorbiert innerhalb des Spektrums vor allem rotes Licht (langwelliger Bereich) und blaues Licht (kurzwelliger Bereich). Unter der grünen Folie ist die Absorption gering. Hier können die Chlorophyll-Moleküle nur sehr schwach oder gar nicht angeregt werden. Aus diesem Grund findet in diesem Blatt keine Fotosynthese statt. Es kann somit auch kein ATP und $NADPH+H^+$ gebildet werden, somit verläuft auch die Dunkelreaktion nur sehr schwach.

    Stärke ist ein Reservestoff der meisten Pflanzen und wird in den Blättern gespeichert. In Dunkelphasen wird der Stärkevorrat wieder abgebaut. Die Pflanzen können die Glukose auch aus den Blättern transportieren und zum Beispiel in der Wurzel als Stärke speichern. Das kennst du zum Beispiel von Kartoffel, deren Knollen sehr stärkehaltig sind.

  • Definiere die Begriffe Oxidation und Reduktion.

    Tipps

    Bei der Oxidation wird die Oxidationszahl des Stoffes erhöht.

    Bei der Reduktion wird die Oxidationszahl des Stoffes kleiner.

    Lösung

    Die Fotosynthese stellt eine Redoxreaktion dar.

    Bei einer Oxidation erfolgt eine Elektronenabgabe und bei der Reduktion eine Elektronenaufnahme. Ein Stoff der Elektronen abgibt, bezeichnet man als Elektronendonator oder auch Reduktionsmittel. Er wird durch die Oxidation zum Elektronenakzeptor (Oxidationsmittel), der Elektronen aufnehmen kann.

    Bei der Fotosynthese wird Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoff reduziert und Sauerstoff aus dem Wasser oxidiert.

  • Erläutere den Calvin-Zyklus.

    Tipps

    Pflanzen, die Glycerinsäure als 1.Zwischenprodukt in der Fixierungsphase bilden, nennt man C3-Pflanzen.

    Aus der Reduktionsphase geht Glucose hervor.

    Der Kohlenstoffdioxid Akzeptor wird in der Regenerationsphase wieder hergestellt.

    Lösung

    Die Fotosynthese gliedert sich in die Licht- und Dunkelreaktion.

    Der Calvin-Zyklus bzw. die Dunkelreaktion kann ohne Licht ablaufen. Der Ort ist dieses Mal das Stroma der Chloroplasten. Die in der Lichtreaktion freigesetzten Energie- und Reduktionsäquivalente werden genutzt, um Glucose zu bilden.

    Kohlenstoff wird an Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden. Dieses Enzym ist vielfach in den grünen Blättern enthalten. Die entstehende instabile Zwischenverbindung zerfällt rasch in 2 Moleküle Glycerinsäure-3-phosphat. Alle Pflanzen, die Glycerinsäure als 1.Zwischenprodukt bilden, nennt man C3-Pflanzen. Dieses Molekül wird nun zu Glycerinaldehyd-3-phosphat reduziert. Dafür liefert ATP die Energie und NADPH+H die Elektronen und Protonen. Es entsteht nun durch Abspaltung der Phosphatgruppe Glucose. Daraus kann später Stärke gebildet werden. Zum Schluss kommt es zur Regeneration des Ribulose-1,5-bisphosphats und der Kreislauf ist wieder geschlossen.