ATP
Überträgt freie Energie auf gekoppelte Vorgänge. Es wird aus ADP und Phosphat gebildet.
Biologie · Verstehen und üben
Lichtreaktion der Fotosynthese
Vom Licht zum ATP: Verfolge Elektronen und Protonen getrennt und entdecke, wie die Thylakoidmembran ATP und NADPH bereitstellt.
Das kannst du danach
Die sechs Schritte erklärenElektronen und Protonen unterscheidenFolgen von Störungen begründen
Wo findet die Lichtreaktion statt?
Im Chloroplasten liegen flache Membransäckchen: die Thylakoide. Ihr Innenraum heißt Lumen; die umgebende Grundsubstanz heißt Stroma. Die Fotosysteme, Teile der Elektronentransportkette und die ATP-Synthase sitzen in der Thylakoidmembran.
Die Lichtreaktion wandelt Lichtenergie in chemisch nutzbare Formen um. Sie liefert ATP und NADPH für den Calvin-Zyklus. Beim Entzug von Elektronen aus Wasser entsteht außerdem Sauerstoff.
NADPH
Liefert Reduktionskraft: Es kann energiereiche Elektronen für nachfolgende Reduktionsreaktionen bereitstellen.
Der lineare Elektronentransport in sechs Schritten
1 · Licht regt das Fotosystem II an
Antennenpigmente nehmen Licht auf und übertragen Anregungsenergie zum Reaktionszentrum. Dort wird ein Elektron auf einen Akzeptor übertragen. Die Nummer II bedeutet nicht, dass dieses Fotosystem im linearen Weg als zweites arbeitet.
2 · Wasser ersetzt die abgegebenen Elektronen
Am wasseroxidierenden Komplex des Fotosystems II werden Elektronen aus Wasser gewonnen. Dabei entstehen Protonen im Lumen und Sauerstoff: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻.
3 · Die Transportkette baut den Gradienten mit auf
Elektronen gelangen unter anderem über Plastochinon, den Cytochrom-b₆f-Komplex und Plastocyanin weiter. Dieser Transport trägt dazu bei, Protonen vom Stroma ins Lumen zu verlagern.
4 · Licht regt das Fotosystem I an
Eine zweite Lichtanregung ermöglicht erneut die Elektronenabgabe an einen Akzeptor. Die Elektronen werden über Ferredoxin weitergeleitet.
5 · NADP⁺ nimmt Elektronen auf
Die Ferredoxin-NADP⁺-Reduktase ermöglicht die Bildung von NADPH auf der Stromaseite: NADP⁺ + 2 e⁻ + H⁺ → NADPH.
6 · Protonenrückstrom treibt die ATP-Synthase an
Der elektrochemische Protonengradient über der Membran liefert den Antrieb. H⁺ strömen durch die ATP-Synthase vom Lumen ins Stroma zurück. Dabei wird ATP aus ADP und Phosphat gebildet.
Die Schritte laufen im beleuchteten Chloroplasten vernetzt und gleichzeitig ab. Die Reihenfolge dient dem Lernen. Elektronen werden nicht zu ATP: Ihr Transport hilft, den Protonengradienten aufzubauen.
Lichtreaktionslabor: Was ändert sich bei einer Störung?
Wähle eine Bedingung und überlege zuerst selbst: Was geschieht mit Elektronentransport, Gradient und ATP-Bildung? Das Modell beschreibt qualitative Folgen bei sonst geeigneten Bedingungen.
Gedankenexperiment, keine Messsimulation: Zeitverzögerungen, Regulation und Mengenverhältnisse werden nicht berechnet. Ein Protonenleck meint hier einen Rückfluss am Enzym vorbei; die übrigen Komponenten bleiben im Modell funktionsfähig.
Linear und zyklisch: Warum gibt es zwei Wege?
Linearer Elektronentransport
Elektronen gelangen von Wasser über Fotosystem II und I zu NADP⁺. Dabei entstehen NADPH und Sauerstoff; der aufgebaute Gradient ermöglicht ATP-Bildung.
Zyklischer Elektronentransport
Elektronen aus dem Umfeld des Fotosystems I kehren über einen Transportweg zur Kette zurück. Das unterstützt den Protonengradienten und zusätzliche ATP-Bildung. In diesem Weg entstehen netto weder NADPH noch Sauerstoff.
Der zyklische Weg hilft, die Versorgung mit ATP an den Bedarf anzupassen. Er ersetzt nicht dauerhaft die gesamte Funktion des linearen Wegs.
Was macht der Calvin-Zyklus mit den Produkten?
Im Stroma werden ATP und NADPH beim Aufbau organischer Stoffe aus CO₂ genutzt. ADP, Phosphat und NADP⁺ können anschließend wieder für die Lichtreaktion bereitstehen. Die Lichtreaktion selbst fixiert kein CO₂ zu Zucker.
Zwei verschiedene Wasserstoffwege
Elektronen durchlaufen Redoxreaktionen. Protonen tragen zum Gradienten bei und strömen durch die ATP-Synthase zurück. Beides ist gekoppelt, darf in einer Erklärung aber nicht verwechselt werden.
Kurzer Wissenscheck
Woher stammt der bei der Fotosynthese freigesetzte Sauerstoff?
Wähle eine Antwort und begründe sie zunächst selbst.
12 Aufgaben: verstehen, anwenden und begründen
Versuche jede Aufgabe zuerst selbst. Nutze bei Bedarf den Tipp und vergleiche erst danach mit der Lösung.
1 · Nenne den Ort der Lichtreaktion.
Tipp
Unterscheide Membran und Grundsubstanz.
Lösung mit Erklärung
Die zentralen Proteinkomplexe sitzen in der Thylakoidmembran des Chloroplasten. ATP und NADPH werden auf der Stromaseite bereitgestellt.
2 · Was bedeuten Stroma und Lumen?
Tipp
Innenraum des Säckchens oder Umgebung?
Lösung mit Erklärung
Das Lumen ist der Innenraum eines Thylakoids. Das Stroma ist die Grundsubstanz des Chloroplasten außerhalb der Thylakoide.
3 · Welche beiden Produkte versorgen den Calvin-Zyklus?
Tipp
Denke an Energie und Reduktionskraft.
Lösung mit Erklärung
ATP liefert Energie für gekoppelte Vorgänge, NADPH liefert Reduktionskraft.
4 · Woher stammen die Elektronen des linearen Wegs?
Tipp
Welcher Stoff wird oxidiert?
Lösung mit Erklärung
Aus Wasser. Die Wasseroxidation ersetzt die vom Fotosystem II abgegebenen Elektronen.
5 · Ergänze: 2 H₂O → O₂ + … H⁺ + … e⁻.
Tipp
Zähle Wasserstoffatome und Ladungen.
Lösung mit Erklärung
2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻. Auf beiden Seiten stehen vier H- und zwei O-Atome; die Gesamtladung ist null.
6 · Welches Fotosystem kommt im linearen Weg zuerst?
Tipp
Die Zahlen geben nicht die Reihenfolge an.
Lösung mit Erklärung
Fotosystem II, anschließend Fotosystem I.
7 · Warum sind zwei Lichtanregungen beteiligt?
Tipp
Nach dem Transport muss erneut ein energiereicher Elektronentransfer möglich werden.
Lösung mit Erklärung
Beide Fotosysteme treiben jeweils eine lichtabhängige Ladungstrennung an. Zusammen ermöglichen sie den Elektronentransfer von Wasser bis zur Reduktion von NADP⁺.
8 · In welche Richtung strömen Protonen durch die ATP-Synthase?
Tipp
Der Rückstrom folgt dem Gradienten.
Lösung mit Erklärung
Vom Lumen ins Stroma. Die Kopplung im Enzym ermöglicht dabei ATP-Bildung.
9 · Was bewirkt ein Protonenleck am Enzym vorbei?
Tipp
Kann der Rückstrom dann noch ATP-Bildung antreiben?
Lösung mit Erklärung
Es schwächt den Gradienten und umgeht die ATP-Synthase. Die ATP-Ausbeute sinkt, obwohl Elektronentransport zunächst weiterlaufen kann.
10 · Was unterscheidet zyklischen und linearen Elektronentransport?
Tipp
Achte auf Start, Ende und Produkte.
Lösung mit Erklärung
Linear: Wasser bis NADP⁺, mit NADPH und Sauerstoff. Zyklisch: Rückführung von Elektronen des Fotosystems I zur Kette; unterstützt ATP-Bildung ohne netto NADPH oder Sauerstoff in diesem Weg.
11 · Korrigiere: Die Lichtreaktion macht direkt Zucker aus CO₂.
Tipp
Welcher Teilprozess fixiert CO₂?
Lösung mit Erklärung
Der Calvin-Zyklus nutzt ATP und NADPH zur Kohlenstofffixierung und zum Aufbau organischer Stoffe. Die Lichtreaktion stellt die benötigten Energieträger bereit.
12 · Was passiert unmittelbar und später nach dem Ausschalten des Lichts?
Tipp
Ein Gradient verschwindet nicht sofort.
Lösung mit Erklärung
Neue photochemische Anregung fällt aus. Vorhandene Zwischenzustände und der Gradient können kurz nachwirken; ohne neuen Antrieb kommen die lichtgetriebenen Prozesse nach Übergängen zum Erliegen.
Passendes Arbeitsblatt zum Weiterlernen
Kostenlos · Arbeitsblatt · PDF
Lichtreaktionen der Fotosynthese
Übe die Zusammenhänge mit Aufgaben und Lösungen.
Arbeitsblatt ansehen →Fachlich weiterlesen
OpenStax Biology 2e: Light-Dependent Reactions. Die Grafiken und interaktiven Beispiele sind eigens erstellte, vereinfachte Lernmodelle.