🎯 Lernziele

Nach diesem Thema kannst du …

• die Bruttogleichung der Fotosynthese aufstellen und den Ursprung des Sauerstoffs erklären
• lichtabhängige Reaktionen und Calvin-Zyklus den Orten im Chloroplasten zuordnen und verknüpfen
• Absorptionsspektrum und Wirkungsspektrum deuten (Engelmann-Versuch)
• den Einfluss limitierender Faktoren erklären
• Fotosynthese und Zellatmung vergleichen

💡 Erklärung

Bei der Fotosynthese bauen Pflanzen mit Lichtenergie aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Glucose auf: 6 CO₂ + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O (vereinfacht: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂). Versuche mit markiertem Sauerstoff zeigen: Der freigesetzte Sauerstoff stammt aus dem Wasser, nicht aus dem CO₂.

Ort ist der Chloroplast. In den Thylakoidmembranen liegen die Fotosysteme mit Chlorophyll. In den lichtabhängigen Reaktionen regt Licht die Fotosysteme II und I an; Elektronen werden über eine Elektronentransportkette weitergegeben. Die fehlenden Elektronen des Fotosystems II werden durch die Fotolyse des Wassers ersetzt, dabei entsteht O₂. Am Ende entsteht NADPH; der Protonengradient über der Thylakoidmembran treibt eine ATP-Synthase an (ATP).

Im Calvin-Zyklus (lichtunabhängige Reaktionen) im Stroma wird CO₂ mithilfe des Enzyms RuBisCO an den Akzeptor Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden (Fixierung). Unter Verbrauch von ATP und NADPH aus den Lichtreaktionen werden die Produkte zu Zucker (Triosephosphat) reduziert, aus dem Glucose und Stärke entstehen; ein Teil dient der Regeneration des Akzeptors. Beide Teile hängen voneinander ab: Ohne Licht fehlen ATP und NADPH, und der Calvin-Zyklus kommt bald zum Stillstand.

Chlorophyll absorbiert vor allem blaues und rotes Licht, grünes wird reflektiert (Absorptionsspektrum). Das Wirkungsspektrum zeigt, bei welchen Wellenlängen die Fotosynthese am stärksten ist. Engelmann beleuchtete eine Fadenalge mit dem Lichtspektrum; sauerstoffliebende Bakterien sammelten sich dort, wo blaues und rotes Licht auftraf. Die Fotosyntheserate hängt von Lichtintensität, CO₂-Konzentration und Temperatur ab; der Faktor im Minimum begrenzt die Rate (limitierender Faktor).

📘 Fachbegriffe

Thylakoid

Membransystem im Chloroplasten; Ort der lichtabhängigen Reaktionen.

Stroma

Grundsubstanz des Chloroplasten; Ort des Calvin-Zyklus.

Fotolyse

Lichtabhängige Spaltung von Wasser; liefert Elektronen und setzt O₂ frei.

NADPH

Reduktionsmittel aus den Lichtreaktionen für den Calvin-Zyklus.

RuBisCO

Enzym, das CO₂ an Ribulose-1,5-bisphosphat bindet.

Absorptionsspektrum

Lichtaufnahme eines Farbstoffs in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

limitierender Faktor

Faktor im Minimum, der die Fotosyntheserate begrenzt.

⚠️ Typische Fehler

• „Der Sauerstoff kommt aus dem CO₂“ – er stammt aus dem Wasser (Fotolyse).
• Den Calvin-Zyklus „Dunkelreaktion“ nennen und glauben, er laufe nur nachts – er läuft im Licht, weil er ATP und NADPH braucht.
• Annehmen, Pflanzen betrieben keine Zellatmung – sie atmen ständig, tagsüber überwiegt nur die Fotosynthese.

✏️ Übungen

✅ Selbsttest

🧾 Zusammenfassung

• 6 CO₂ + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O; O₂ stammt aus dem Wasser.
• Thylakoide: Lichtreaktionen (Fotolyse, NADPH, ATP); Stroma: Calvin-Zyklus (Fixierung, Reduktion, Regeneration).
• Chlorophyll nutzt vor allem blaues und rotes Licht.
• Licht, CO₂ und Temperatur – der Faktor im Minimum limitiert.