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Die Fotosynthese spielt nicht nur bei Pflanzen eine wichtige Rolle, sondern auch bei bestimmten Bakterien und Algen. Die Lichtreaktion ist dabei einer von zwei Teilprozessen der Fotosynthese.
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Team Lichtreaktion Lehrer
Die Fotosynthese ist ein Prozess, mit dem Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien mithilfe von Lichtenergie Zucker herstellen können. Wie der Name der Lichtreaktion schon verrät, ist dieser Prozess lichtabhängig. Deshalb wird er auch lichtabhängige Reaktion genannt. Die Lichtreaktion dient dazu, Energie in Form von ATP und NADPH + 
als Elektronenüberträger herzustellen. Diese Moleküle, ATP und das Reduktionsmittel NADPH + 
, werden dann in der Dunkelreaktion benötigt, um Zucker herzustellen.
Reaktionsort sind die Thylakoidmembranen in den Chloroplasten. Thylakoide sind Kompartimente in Chloroplasten.
Aufeinandergestapelte Thylakoide nennt man Grana.
In der Thylakoidmembran befinden sich alle Proteine für die Lichtreaktion:
Abbildung 1: Chloroplast Aufbau
Die Lichtreaktion läuft an der Thylakoidmembran in Chloroplasten ab. Dieser Prozess geschieht durch folgende Schritte:
Du fragst Dich vielleicht, wieso zuerst das Fotosystem II aufgeführt wird. Das liegt daran, dass der Prozess eigentlich mit Fotosystem II beginnt und zu Fotosystem I übergeht. Diese verdrehte Benennung hat den Ursprung, dass Fotosystem I früher als das Fotosystem II entdeckt wurde.
Beide Fotosysteme sind Membranproteine, die aus Lichtsammelkomplexen und einem Reaktionszentrum aufgebaut sind. Die Lichtsammelkomplexe enthalten Chloropyll. Chlorophyll ist ein Pigmentmolekül und ist auch als grüner Farbstoff bekannt.
Chlorophyll kann rotes und blaues Licht aufnehmen und reflektiert grünes Licht. Deshalb werden Pflanzen als grün wahrgenommen.
Fotosystem II nimmt die Lichtenergie mithilfe der Lichtsammelkomplexe auf und leitet diese an das Reaktionszentrum weiter. Die Lichtenergie trifft auf die Pigmentmoleküle, die die Energie an weitere Pigmentmoleküle weitergeben. Im Reaktionszentrum des Fotosystem II befindet sich ein spezielles Chlorophyll-Paar, das P680 genannt wird.
Die Pigmentmoleküle geben die Energie so lange an weitere Chlorophyllmoleküle weiter, bis sie auf das spezielle Paar P680 treffen und die Lichtenergie darauf übertragen.
Das spezielle Paar P680 wird so genannt, weil es am besten Licht mit einer Wellenlänge von 680 nm absorbiert.
Absorption bedeutet im Zusammenhang mit der Fotosynthese die Aufnahme von Licht.
Trifft Lichtenergie auf das spezielle Paar P680, dann gibt dieses Paar durch die hohe Energie ein Elektron ab. Das abgegebene Elektron wird auf die ebenfalls in der Membran integrierten Redoxsysteme übertragen. Ziel der Elektronentransportkette ist es, Elektronen an das Fotosystem I zu übertragen.
Abbildung 2: Aufbau und Ablauf der Lichtreaktion
Abbildung 3: Photosystem
Da das spezielle Paar P680 ein Elektron abgegeben hat, benötigt es wieder ein Elektron, um ladungsneutral zu bleiben. Hierfür dient die im Thylakoidinnenraum stattfindende Spaltung von Wasser in Sauerstoff, Wasserstoffionen und Elektronen. Die hierbei freigegebenen Elektronen werden genutzt, um die Elektronenlücke des Speziellen Paars P680 in Fotosystem II zu füllen. Somit kann der Prozess erneut beginnen. Der elementare Sauerstoff ist für die Pflanze ein Nebenprodukt und wird an die Umwelt abgegeben. Die Wasserstoffionen bleiben im Innenraums der Thylakoide.
Die Fotolyse des Wasser wird an einem Teil des Fotosystems II durchgeführt, der auch Mangankomplex genannt wird.
Das freigegebene Elektron von Fotosystem II wird zunächst auf einen primären Akzeptor übertragen. Dieser Akzeptor gibt das Elektron an die Elektronentransportkette weiter. Hier wird zuerst das Elektron auf das Protein Plastochinon übertragen. Das Plastochinon gibt es weiter an den Cytochrom-b/f-Komplex.
Der Cytochrom-Komplex gibt das Elektron wiederum an das kupferhaltiges Protein Plastocyanin weiter. Während das Elektron von Protein zu Protein übertragen wird, sinkt das Energieniveau. Dabei wird Energie frei, die zum Teil dazu genutzt wird, um Protonen (
) aus dem Stroma mittels eines Transportproteins in den Thylakoidinnenraum zu pumpen.
In Fotosystem I (Photosystem I) findet auch erstmal das Gleiche wie in Fotosystem II statt. Durch Einwirkung von Lichtenergie auf das spezielle Chlorophyll-Paar P700 gibt dieses ein Elektron ab. P700 ist in angeregtem Zustand also ein guter Elektronendonor. Diese Elektronenlücke kann durch das von Fotosystem II über die Elektronentrasnportkette transportierte Elektron geschlossen werden.
Das Chlorophyll-Paar P700 heißt so, weil es am besten die Wellenlänge des Lichts bei 700nm absorbieren kann.
Das freiwerdende Elektron von P700 wird nach Annahme eines primären Akzeptors an eine kurze Elektronentransportkette übertragen. Das Elektron wird auf das Protein Ferredoxin übertragen, welches das Elektron dann auf das Enzym 
- Oxidoreduktase überträgt. Dieses Enzym kann NADP+, 2 Elektronen und ein Wasserstoffion zu NADPH + 
reduzieren. Wie Du Dich vielleicht erinnerst, ist das einer der Produkte, die in der Dunkelreaktion benötigt werden, um Zucker herzustellen.
Hinter Fotosystem I befindet sich die ATP-Synthase. Die ATP-Synthase ist ein Protein, das mithilfe eines Protonengradienten ATP erzeugen kann. Wie Du Dich vielleicht erinnerst, wird für die Dunkelreaktion ebenso ATP benötigt.
Wie Du bereits weißt, werden bei der Elektronentransportkette Protonen in den Thylakoidinnenraum transportiert. Die Protonen können die Thylakoidmembran nicht einfach so passieren. Zudem sammeln sich durch die Spaltung von Wasser im Inneren des Thylakoids Wasserstoffionen an. Dadurch wird ein Konzentrationsgradient aufgebaut, der für die Funktion der ATP-Synthase benötigt wird.
Die ATP-Synthase ermöglicht Protonen das Passieren der Membran, indem Protonen bei einem Konzentrationsgradienten aus dem Thylakoidinnenraum in das Stroma diffundieren. Die dabei freiwerdende Energie sorgt für Herstellung von ATP aus ADP + P.
Abgesehen von der Lichtreaktion spielt die ATP-Synthase in vielen Prozessen des Stoffwechsels eine zentrale Rolle. Sie katalysiert beispielsweise den letzten Schritt der oxidativen Phosphorylierung bei der Zellatmung.
Jetzt sind alle Produkte, NADPH und ATP, vorhanden, um die Dunkelreaktion, in der Zucker aufgebaut werden, ablaufen zu lassen.
Bruttogleichung der Lichtreaktion:
12
+ 12 
+ 18 ADP + 18 Pi 
6
+ 12 NADPH + 
+ 18 ATP
Die Lichtreaktion wird auch manchmal als lineare Phosphorylierung bezeichnet, da die Elektronen auf einer Linie durch Fotosystem II und I zu NADPH wandern.
Phosphorylierung bezeichnet die lichtgesteuerte Synthese von ATP.
Zyklische Phosphorylierung
Bei der zyklischen Phosphorylierung gelangen Elektronen nach Verlassen des PSI zurück zum Cytochrom-Komplex und treiben die ATP-Produktion, nicht aber die NADPH-Produktion, an. Das scheint vor allem dann in Chloroplasten zu geschehen, wenn zu wenig NADP+ zur Verfügung steht, um Elektronen aufzunehmen und bereits viel NADPH vorhanden ist.
Das Z-Schema ist ein Energie-Diagramm, das den Elektronentransport bei der Lichtreaktion anzeigt. Hier eine Anleitung zum Zeichnen des Z-Schemas der Lichtreaktion:
Zuerst zeichnest du eine y-Achse, die das Energieniveau anzeigt. Achte auch darauf, wenn du das Energieniveau von Wasser bei der Fotolyse zeichnest, dass es über dem Energieniveau von P680 steht. Das hat den Grund, dass Wasser ein Elektronendonator ist und deshalb ein höheres Energielevel haben muss. Weiterhin ist wichtig, dass du weißt, dass P700 im Gegensatz zu P680 ein höheres Energieniveau beziehungsweise ein geringeres Redoxpotential besitzt. Daher solltest du P700 etwas höher im Z-Schema einzeichnen.
Bitte beachte, dass bei dem Z-Schema auf die Bildung von ATP verzichtet wird.
Abbildung 4: Z-Schema der Lichtreaktion
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Was entsteht bei der Lichtreaktion?
Bei der Lichtreaktion entsteht ATP, NADPH + H+. Dabei stellt ATP eine Energiequelle und NADPH + H+ ein Reduktionsmittel dar.
Wo findet die Lichtreaktion statt?
Die Lichtrekation findet an der Thylakoidmembran in den Chloroplasten statt.
Wie hängen Licht- und Dunkelreaktion zusammen?
Die Produkte aus der Lichtreaktion werden für das Ablaufen der Dunkelreaktion benötigt. ATP liefert Energie und NADPH + H+ dient als Reduktionsmittel im Calvin-Zyklus.
Wie funktioniert die Lichtreaktion der Fotosynthese?
Die Lichtreaktion ist direkt lichtabhängig und wird durch Lichtenergie ermöglicht. Licht trifft dabei auf Fotosystem II, woraufhin Elektronen über eine Elektronentransportkette zu Fotosystem I geleitet werden. Währenddessen findet an Fotosystem II die Fotolyse des Wassers statt. Fotosystem I gibt auch infolge von Lichtenergie Elektronen ab. Dadurch kann NADPH + H+ hergestellt werden. Durch den entstanden Protonengradient erzeugt die ATP-Synthase ATP.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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