Fotosynthese – Erstellen und Ausgleichen der Reaktionsgleichung

Die Fotosynthese-Reaktionsgleichung – Biologie

Von der Fotosynthese hast du sicherlich schon gehört. Vielleicht erinnerst du dich auch daran, dass dieser Stoffwechselprozess in den Chloroplasten von Pflanzenzellen stattfindet. Hier werden anorganische Stoffe – Wasser und Kohlenstoffdioxid – unter der Zufuhr von Lichtenergie in ein energiereiches organisches Produkt, die Glucose, umgewandelt. Als Nebenprodukte entstehen Sauerstoff und Wasser. Soweit so gut. Aber hast du dich schon einmal gefragt, wie genau die Wasser- und Kohlenstoffdioxid Moleküle miteinander reagieren? Und stammt der Sauerstoff in der Glucose von dem Wasser- oder dem Kohlenstoffdioxidmolekül? Diesen Fragen gehen wir nun auf den Grund.

Ablauf der Fotosynthese – einfach erklärt

Der Ort der Fotosynthese sind die Chloroplasten – das sind grüne Zellorganellen der pflanzlichen Zellen. Doch anders als die allgemeine Fotosynthesegleichung der Biologie vermuten lässt, stellt die Fotosynthese einen Stoffwechselprozess bestehend aus vielen Reaktionen dar.

Nun erstellen wir die Wortgleichung und die Symbolgleichungen der Fotosynthese.

Die Summengleichung der Fotosynthese in Worten

Bei der Fotosynthese wird aus Kohlenstoffdioxid und Wasser, Glucose gebildet. Als Nebenprodukte fallen Sauerstoff und Wasser an. Die Fotosynthesegleichung in Worten lautet also:

$\text{Kohlenstoffdioxid}+\text{Wasser} \ce{ -> } \text{Glucose}+\text{Sauerstoff}+\text{Wasser}$

Das Ganze kann man natürlich auch als chemische Formel ausdrücken. Dann würde es so aussehen:

$\ce{CO_2 + H_2O -> C_6H_12O_6 + O_2 + H_2O}$

Doch da stimmt etwas noch nicht, denn die Formel ist noch nicht komplett richtig.

Die Formel der Fotosynthesereaktion ausgleichen

Bei einer chemischen Reaktionsgleichung muss immer sichergestellt werden, dass von jedem Atom links und rechts die gleiche Anzahl vorkommt. Wenn du dir die Gleichung oben noch einmal anschaust, wirst du feststellen, dass das noch nicht der Fall ist. Links ist beispielsweise nur ein C‑Atom, während recht sechs C‑Atome stehen. Deshalb geht es jetzt ans Ausgleichen der Formel.

Beginnen wir also mit dem C‑Atom. Damit links und rechts gleich viele C‑Atome stehen, schreiben wir vor das $\ce{CO_2 }$ die Ziffer 6. Das C‑Atom ist damit ausgeglichen.

$\ce{6 CO_2 + H_2O -> C_6H_12O_6 + O_2 + H_2O}$

Doch was geschieht mit dem $\ce{O_2 }$ aus dem $\ce{CO_2 }$? Es landen ja nur sechs von den insgesamt zwölf Sauerstoffatomen in der Glucose.
Diese findet man nämlich im Wasser ($\ce{H_2O }$). Da wir ja noch sechs Sauerstoffatome aus der Glucose übrig haben, schreiben wir jetzt auch vor das $\ce{H_2O }$ auf der rechten Seite die Ziffer 6.

$\ce{6 CO_2 + H_2O -> C_6H_12O_6 + O_2 + 6 H_2O}$

Weiter geht es mit dem Wasserstoff $\ce{H}$. Zählst du alle H‑Atome rechts und alle H‑Atome links zusammen, wirst du feststellen, dass es auch hier noch nicht ausgeglichen ist. Rechts haben wir nämlich 24 Wasserstoffatome, während links bisher nur zwei stehen. Um das auszugleichen, muss nun also die Ziffer 12 vor das $\ce{H_2O }$ auf der linken Seite. Damit haben wir auf beiden Seiten gleich viele Wasserstoffatome.

$\ce{6 CO_2 + 12 H_2O -> C_6H_12O_6 + O_2 + 6 H_2O}$

Als Letztes betrachten wir noch die Sauerstoffatome aus dem Wasser. Du findest sie nach der Reaktion im Sauerstoffmolekül $\ce{O_2 }$. Dort müssen wir nun auch unsere letzte Korrektur an der Formel vornehmen. Vor dem Sauerstoff auf der rechten Seite notieren wir die Ziffer 6.

$\ce{6 CO_2 + 12 H_2O -> C_6H_12O_6 + 6 O_2 + 6 H_2O}$

Damit haben wir die Gleichung für die Fotosynthese erstellt – auf beiden Seiten befindet sich die gleiche Anzahl Atome.

Ablauf der Fotosynthese – im Detail

In diesem Abschnitt schauen wir uns die Licht- und Dunkelreaktion der Fotosynthese und ihre zugehörigen Formeln genauer an. Aus diesen Erkenntnissen wollen wir uns dann gemeinsam die zusammenfassende Fotosynthesegleichung herleiten.

Lichtreaktion der Fotosynthese

Die Lichtreaktion (lichtabhängige Reaktion) dient dem Einfangen der Lichtenergie und deren Umwandlung in chemische Energie. Sie findet in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten statt. In Multienzymkomplexen, den Photosystemen (PS) I und II, ist der Blattfarbstoff Chlorophyll gebunden. Das Sonnenlicht besteht aus Photonen, welche vom Chlorophyll des PS II aufgenommen werden. In der Konsequenz gibt das Chlorophyll je aufgenommenen Photon ein Elektron ab, welches – ähnlich dem Redoxsystem der Atmungskette – entlang der Membran zum PS I transportiert wird. Am Ende dieser Elektronentransportkette befindet sich das Enzym NADP⁺-Reduktase. Diese überträgt das Elektronen des Chlorophylls sowie ein weiteres Elektron und ein Wasserstoffatom auf das Molekül $\ce{NADP}$, wodurch$\ce{NADPH + H^+}$ generiert wird. Bei der Lichtreaktion wird also Wasser in Sauerstoff umgewandelt und die energiereichen Verbindungen $\ce{ATP}$ und $\ce{NADPH + H^+}$ werden gebildet.

Dunkelreaktion der Fotosynthese

Bei der Dunkelreaktion (lichtunabhängige Reaktion oder Calvin-Zyklus) werden nun der Sauerstoff aus der Lichtreaktion und Kohlenstoffdioxid, das aus der Umwelt aufgenommen wird, in Wasser und Glucose (Traubenzucker) umgewandelt. Für die Reaktion sind außerdem die energiereichen Verbindungen $\ce{ATP}$ und $\ce{NADPH + H^+}$ nötig, die in $\ce{ADP}$ und $\ce{NADP^+}$ umgewandelt werden.
Die Glucose ist eine organische Verbindung und kann in weitere organische Verbindungen umgewandelt werden. Diese sind wichtige Energielieferanten für die Pflanze selbst und für unsere Nahrung. Die Produktion von Glucose ist das Ziel der Dunkelreaktion.
Die Dunkelreaktion findet im Stroma der Chloroplasten statt und ist damit räumlich getrennt von der Lichtreaktion.
Bei der Dunkelreaktion werden nun also die energiereichen Verbindungen $\ce{ATP}$ und $\ce{NADPH + H^+}$ verwendet, um aus Kohlenstoffdioxid, Glucose und Wasser zu gewinnen.

Mit diesem Wissen können wir nun die ausführliche Reaktionsgleichung der Fotosynthese, also die Summenformel der Fotosynthese, aufstellen. Die Summengleichung der Fotosynthese ergibt sich, wenn man die beiden Reaktionen, also Licht- und Dunkelreaktion, zusammenfügt.

Die ausführliche Reaktionsgleichung der Fotosynthese

In der folgenden Abbildung kannst du dir nochmals die Vorgänge bei der Licht- und der Dunkelreaktion der Fotosynthese ansehen.

Die Summengleichung der Fotosynthese gibt also die Zusammenfassung aus Licht- und Dunkelreaktion an.
Die Reaktionsgleichung der Lichtreaktion lautet:

$\footnotesize{\ce{12 H2O + 12 NADP^+ + 18 ADP + 18 P_i + Lichtenergie -> 6 O2 + 12 NADPH + H+ + 18 ATP}}$

Die Reaktionsgleichung der Dunkelreaktion lautet:

$\footnotesize{\ce{6 CO_2 + 12 NADPH^+ + 12H^+ +18 ATP -> C_6H_12O_6 + 12 NADP^+ + 18 ADP + 18 P_i + 6H_2O}}$

Für die Summengleichung werden beide Seiten addiert und die Teile, die auf beiden Seiten vorkommen, gekürzt. Daraus ergibt sich die folgende Reaktionsgleichung:

$\ce{6 CO_2 + 12 H_2O + Lichtenergie -> C_6H_12O_6 + 6 O_2 + 6 H_2O}$

Du siehst also, wir haben die Reaktionsgleichung korrekt ausgeglichen.
Da wir die Vorgänge in der Licht- und der Dunkelreaktion kennen, ist klar, dass das Kohlenstoffdioxid der Kohlenstofflieferant für die Glucose und der Sauerstofflieferant für das Wasser ist. Diese Stoffe entstehen bei der Dunkelreaktion.
Der Sauerstoff entsteht bei der Lichtreaktion aus dem Wasser.

Die Reaktionsgleichung der Fotosynthese – Zusammenfassung

Die Fotosynthese läuft in zwei Teilschritten ab: der Lichtreaktion und der Dunkelreaktion. Fügt man die beiden Reaktionen zu einer Gesamtreaktion zusammen, erhält man die Summenformel der Fotosynthese. Bei der Summenformel werden Kohlenstoffdioxid und Wasser mit Hilfe von Lichtenergie in Glucose und Sauerstoff umgewandelt.
Die chemische Gleichung dazu muss man zunächst ausgleichen, um eine korrekte Anzahl der einzelnen Atome auf beiden Seiten zu bekommen. Dabei ist es hilfreich zu wissen, wozu die einzelnen Atome in Licht- und Dunkelreaktion umgewandelt werden. So kann man einfach die Gleichung der Fotosynthese erstellen. Das Kohlenstoffdioxid ist Kohlenstofflieferant für die Glucose und Sauerstofflieferant für das Wasser. Aus dem Wasser entsteht bei der Fotosynthese Sauerstoff.
Jetzt hast du verstanden, wie die Herleitung der Formel für die Fotosynthese funktioniert.

Im Anschluss kannst du dein Wissen in Übungen zum Thema Fotosynthese Reaktionsgleichung testen. Viel Spaß!