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Grundlagen der Photosynthese
Die Photosynthese ist ein grundlegender biologischer Prozess, bei dem Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Mithilfe von Sonnenlicht werden Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) in Zucker und Sauerstoff (O₂) umgewandelt. Der Zucker dient den Organismen als Energiequelle und Baustoff, während Sauerstoff als Nebenprodukt in die Atmosphäre abgegeben wird. Dieser Prozess findet in spezialisierten Zellorganellen, den Chloroplasten, statt.
Die Photosynthese gliedert sich in zwei Hauptphasen: die lichtabhängigen Reaktionen und den Calvin-Benson-Bassham-(CBB)-Zyklus, auch als Dunkelreaktion bekannt.
In den lichtabhängigen Reaktionen wird Lichtenergie genutzt, um ATP und NADPH zu erzeugen – energiereiche Moleküle, die die anschließende Kohlenstofffixierung antreiben. Diese Reaktionen finden in den Thylakoidmembranen statt und setzen Sauerstoff als Nebenprodukt frei.
Der CBB-Zyklus, der im Stroma der Chloroplasten abläuft, verwendet ATP und NADPH, um CO₂ in organische Moleküle zu fixieren. Das Schlüsselenzym Rubisco katalysiert den ersten Schritt, bei dem CO₂ an Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden wird. Über die drei Phasen Fixierung, Reduktion und Regeneration entstehen schließlich Zucker-Vorläufer, während gleichzeitig der CO₂-Akzeptor wiederhergestellt wird, um den Zyklus aufrechtzuerhalten.
Eine große Einschränkung dieses Prozesses stellt die Photorespiration dar. Unter bestimmten Bedingungen bindet Rubisco statt CO₂ an Sauerstoff (O₂). Dabei entsteht 2-Phosphoglykolat – eine Verbindung, deren Abbau energieaufwendig ist und die zelluläre Prozesse stören kann. Die Photorespiration kann die Effizienz der Photosynthese erheblich verringern, insbesondere unter Stressbedingungen wie Hitze oder Trockenheit.
Trotz jahrzehntelanger Forschung sind viele Aspekte der Photosynthese noch nicht vollständig verstanden. Dazu gehören die molekulare Regulierung und Verknüpfung der Kohlenstofffixierung mit anderen zellulären Prozessen, die dynamische Organisation innerhalb der Chloroplasten sowie die Anpassungsfähigkeit der Photosynthese an wechselnde Umweltbedingungen.
Aktuelle Forschungsansätze zum Beispiel die Entwicklung synthetischer CO₂-Fixierungswege. Diese könnten theoretisch effizienter und robuster sein als die natürlichen, doch deren Übertragung in lebende Chloroplasten ist bislang noch nicht gelungen.
