Fotosynthese – die lichtunabhängige Reaktion

Hallo, hier ist wieder Sabine und wir sind schon weit vorangekommen mit der Photosynthese. Aus der Lichtreaktion haben wir folgende Produkte erhalten: den Wasserstoff und die Energie, die wir für die Glucosebildung brauchen. Außerdem ist als "Abfallprodukt", natürlich in Anführungsstrichen, Sauerstoff entstanden, den die Pflanze über die Spaltöffnungen abgibt. Na, dann schreiten wir doch frisch und munter zur Dunkelreaktion. Andere Namen für die Dunkelreaktion sind der Calvin-Zyklus, Calvin-Benson-Zyklus, Sekundärprozess bzw. Sekundärreaktion und lichtunabhängige Reaktion. Zunächst wollen wir uns wieder in der pflanzlichen Zelle orientieren. Die Photosynthese findet im Chloroplasten statt, für die Lichtreaktion waren wir an der Thylakoidmembran. Die Dunkelreaktion findet in der Matrix statt. Ein anderes Wort für Matrix ist Stroma. Jetzt kommt noch eine letzte Vorbemerkung. In der Lichtreaktion haben wir Wasserstoff und Sauerstoff gebildet, die haben wir also schon. In der Dunkelreaktion kommt nun endlich das von der Pflanze aufgenommene Kohlenstoffdioxid ins Spiel. Ach so, schon mal zur Info: Ich werde gleich mit furchtbar langen, komplizierten Namen von chemischen Stoffen um mich werfen, also frag schon mal deinen Lehrer oder deine Lehrerin, ob du die wirklich alle auswendig lernen musst. Was du hier siehst, ist der Zucker Ribulosebisphosphat. Er besteht aus 5 Kohlenstoffatomen, deswegen kann man dazu Pentose sagen, Pent- ist die griechische Vorsilbe für 5, bzw. C5-Körper. Am 1. und am 5. Kohlenstoffatom bindet ein Phosphatrest, das grüne P. Wenn jetzt CO2 hinzukommt, könnte man annehmen, es ensteht eine Verbindung mit 6 Kohlenstoffatomen. Dies ist aber nicht der Fall. Und zwar kommt jetzt ein Enzym namens Ribulosebisphosphatcarboxylase und macht sich an die Arbeit. Merk dir einfach, jetzt kommt irgendwas mit Enzymen. Als Erstes wird der Zucker in zwei Teile geschnitten. Jetzt sollen einmal meine Hände das Enzym Ribulosebisphosphatcarboxylase darstellen. An den rechten Teil lagert sich oben in lila das CO2 an. Als Nächstes brauchen wir Wasser. Nun kann mein Nebenjob als Enzym weitergehen. Das 1. pinke H kommt an die Stelle, wo ich eben das lila Kohlenstoffdioxid hingelegt habe, einfach mit dran. Damit ist die rechte Seite fertig! Jetzt geht es links weiter. Am unteren C wird das 1. pinke O eingebaut. Und das linke rote Wasserstoffatom wandert 1 Kohlenstoffatom nach oben. Das heißt, die letzte Stelle von der linken Seite lautet COOH. So weit, so gut. Das letzte pinke H kommt an das mittlere Kohlenstoffatom. Als Erstes wird die Doppelbindung zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff gespalten. Und auf der rechten Seite hinter das O kommt dann das pinke H. Das heißt, wir haben dann HCOH. Somit sind linke und rechte Seite genau identisch. Fertig! Damit haben wir 2 mal 3 Phosphoglycerinsäure. So, jetzt kommt noch mal so eine wilde chemische Reaktion. Aber ich verspreche dir, das ist auch die letzte. Und zwar kommen jetzt im zweiten Schritt unsere Reaktionsprodukte aus der Lichtreaktion dazu. Und zwar wird jetzt ATP zu ADP+P gespalten und NADPH+H+ wird zu NADP++2H+. Da wir ja 2 mal 3 Phosphoglycerinsäure haben, müssen wir alles doppelt nehmen. Also, 2NADPH+H+ werden zu 2NADP++4H+ und 2ATP werden zu 2ADP+2P. ATP ist wie gesagt die Energie, um Atombindungen zu lösen und neu zu bilden. Deswegen packen wir die jetzt einfach mal mit weg. Wichtig sind nämlich jetzt jeweils die Wasserstoffionen. 2 davon schnappen sich immer 1 Sauerstoffatom und bilden 1 Wassermolekül. Das Ganze passiert logischerweise zweimal und wir erhalten dann 3 Phosphoglycerinaldehyd. Wenn die 2 Wassermoleküle abgespalten sind, muss sich das Molekül noch ein bisschen umlagern. Und zwar werden an den Randkohlenstoffatomen die Sauerstoffe, wo eben jetzt das O fehlt, doppelt gebunden und das Wasserstoffatom wandert auf die andere Seite vom Kohlenstoff. 3 Phosphoglycerinaldehyd ist eine Triose, da sie aus drei Kohlenstoffatomen besteht, also auch ein C3-Körper. Das ist ein Kohlenhydrat. Yeah, wir sind fast am Endziel! Weil diese zwei Triosen können sich jetzt zu Fructose-1,6-bisphosphat zusammenlagern. Du verstehst gleich, was ich meine. Damit sich die zwei Triosen zusammenlagern können, muss wieder ein bisschen umgeformt werden. Und zwar am 2. Kohlenstoffatom wandert das linke Wasserstoffatom 1 Kohlenstoffatom nach unten. Dann auf der rechten Seite vom 2. Kohlenstoffatom wandert das Wasserstoffatom zum 4. Kohlenstoffatom nach unten. Dadurch werden jeweils die Doppelbindungen an diesem Kohlenstoffatom aufgebrochen, die zwischen Kohlenstoffatom und Sauerstoffatom bestehen. Als letzter Schritt muss am 2. Kohlenstoffatom das Sauerstoffatom doppelt gebunden werden. Fertig! So, jetzt siehst du auch, warum wir schon fast am Endziel sind. Und zwar male ich jetzt mal die Struktur von Glucose daneben, die hat ja die Summenformel C6H12O6, das hast du dir ja jetzt mittlerweile gemerkt. Jetzt zählen wir mal beim Fructosebisphosphat durch. Wir kommen auf 6 Kohlenstoffatome, 10 Wasserstoffatome, 6 Sauerstoffatome und 2 Phosphatreste. Wenn der Chloroplast nun die Phosphatreste abspaltet und durch Wasserstoffionen ersetzt und die Bindung verschiebt, hat er Glucose. Das tut er natürlich auch! Jetzt kommt der Haken. Wir sind ja im Calvin-Zyklus, also einem Kreislauf, der nur funktioniert, wenn der Chloroplast ständig selbst neues Ribulosebisphosphat herstellt. Das bedeutet: Ein Großteil von unseren so kompliziert gebildeten Triosen wird gar kein Fructosebisphosphat und damit auch keine Glucose. Nein, er wird einfach zu Ribulosebisphosphat zurückgebildet. Ich habe mir das nicht ausgedacht, nicht traurig sein, ich bin nicht schuld. Deswegen gehen wir jetzt noch einmal kurz an den Anfang. Das ist dann gleich noch mal eine Zusammenfassung und Wiederholung. Also, wir haben 6 Ribulosebisphosphat dazu werden jetzt 6 Kohlenstoffdioxidmoleküle gegeben und 6 Wassermoleküle. Mit dem Enzym Ribulosebisphosphatcarboxylase entstehen 12 mal 3 Phosphoglycerinsäuren. Dazu wird im zweiten Schritt NADPH+H+ gegeben und ATP. Aus ATP wird ADP+P und aus dem NADPH+H+ wird NADP+ und 2 Wasserstoffionen. Dadurch entstehen insgesamt 12 mal 3 Phosphoglycerinaldehyde und 12 mal Wasser. Das waren diese Triosen, der Grundzucker. 2 von diesen Triosen bilden dann Fructosebisphosphat und im Endeffekt Glucose. Die anderen 10 werden über verschiedene chemische Reaktionen wieder zu Ribulosebisphosphat zurückgebildet. Was passiert jetzt eigentlich mit der Glucose in der Pflanze? Glucose ist wasserlöslich. Wer mir das nicht glaubt, ich mache es hier einmal vor. Deswegen wird sie zunächst, damit sie gespeichert werden kann, in Stärke umgewandelt. Stärke ist nicht wasserlöslich und diese Stärke wird in Form von Stärkekörnern in dem Chloroplasten gespeichert. Diese Stärke nennt man primäre Stärke oder Assimilationsstärke. Wenn man aber an stärkehaltige Lebensmittel denkt, denkt man jetzt nicht an irgendwelche Blätter, sondern eher an Kartoffeln. Das heißt, die Stärke wird irgendwie in Samen, Früchten, Wurzeln oder Knollen, wie Kartoffeln, gespeichert. Und wie kommt sie dahin? Dazu wird sie zunächst in Saccharose umgewandelt. Das ist der blitzblöde Haushaltszucker, der in der Küche von sofatutor zum Beispiel rumsteht. Saccharose ist auch wasserlöslich, was ich hier noch mal demonstriere, und kann über die Leitbündel vom Blatt zum Zielort, zum Beispiel der Kartoffel, gelangen. Dort wird die Saccharose wieder zu Stärke umgebaut. Diese Stärke bezeichnet man als Sekundärstärke oder Speicherstärke. Sie wird in farblosen Plastiden, den Amyloplasten, gespeichert. Während die Pflanze keimt oder neu austreibt, kann auf diese Vorräte zurückgegriffen werden. Ende im Gelände! Wer hätte gedacht, dass hinter so einer kleinen Formel so viel steckt? Damit endet die Videoreihe zur Photosynthese. Ich hoffe, alle deine Fragen konnten beantwortet werden und du kommst sicher durch die nächste Klausur. Vielen Dank fürs Zusehen und bis bald, Sabine.