Ein Fotosystem ist ein zentraler Bestandteil der Lichtabsorption und Energieumwandlung in der Fotosynthese, dem biochemischen Prozess, durch den Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird. Fotosysteme sind komplexe Proteinkomplexe, die in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten von Pflanzen, Algen und in der Plasmamembran photosynthetischer Bakterien vorkommen. Sie spielen eine Schlüsselrolle bei den lichtabhängigen Reaktionen der Fotosynthese und ermöglichen es, Lichtenergie effizient zu sammeln und in Form von chemischen Energieträgern zu speichern.

Es gibt zwei Haupttypen von Fotosystemen, die bei Pflanzen und Cyanobakterien vorkommen: Fotosystem I (PSI) und Fotosystem II (PSII). Beide arbeiten in enger Abstimmung zusammen und sind für die Erzeugung der chemischen Energie in Form von ATP und NADPH verantwortlich. Diese Energieformen werden in den darauffolgenden lichtunabhängigen Reaktionen, insbesondere im Calvin-Zyklus, verwendet, um Kohlenstoffdioxid in Zucker zu fixieren.

Fotosysteme bestehen aus zwei wesentlichen Bestandteilen: einem Lichtsammelkomplex (Antenne) und einem Reaktionszentrum. Der Lichtsammelkomplex umfasst zahlreiche Pigmentmoleküle, vor allem Chlorophyll a und b sowie Carotinoide. Diese Pigmente absorbieren Licht aus verschiedenen Wellenlängenbereichen und leiten die gesammelte Energie durch einen Resonanztransfer an das Reaktionszentrum weiter. Das Reaktionszentrum ist der Ort, an dem die Energie in Form von Elektronentransfer chemisch genutzt wird. Im Kern des Reaktionszentrums befindet sich ein spezielles Paar Chlorophyll-a-Moleküle, das Elektronen an einen Elektronentransportkettenprozess abgibt.

Das Fotosystem II (PSII) ist der erste Schritt in der Kette der Lichtreaktionen. Es absorbiert Licht mit einer maximalen Wellenlänge von etwa 680 nm, weshalb sein Reaktionszentrum als P680 bezeichnet wird. Nach der Lichtabsorption wird ein Elektron im P680-Molekül angeregt und auf einen Elektronenträger, das Plastochinon, übertragen. PSII ist einzigartig, da es Wasser (H₂O) spaltet, um die verlorenen Elektronen zu ersetzen. Dieser Prozess, bekannt als Photolyse des Wassers, führt zur Freisetzung von Sauerstoff (O₂) als Nebenprodukt und zur Produktion von Protonen (H⁺), die zum Aufbau eines Protonengradienten beitragen.

Das Fotosystem I (PSI) folgt auf PSII im Ablauf der Elektronentransportkette. Es absorbiert Licht mit einer maximalen Wellenlänge von etwa 700 nm, weshalb sein Reaktionszentrum als P700 bezeichnet wird. Auch hier wird ein Elektron angeregt und auf eine Elektronentransportkette übertragen, letztlich zur Reduktion von NADP⁺ zu NADPH. Die Elektronen, die PSI nutzt, stammen aus PSII, nachdem sie die Elektronentransportkette durchlaufen haben. Das NADPH, das durch PSI gebildet wird, ist ein essentielles Reduktionsmittel, das im Calvin-Zyklus für die Synthese von Zucker verwendet wird.

Die enge Zusammenarbeit von PSII und PSI ist essentiell für den Ablauf der sogenannten nichtzyklischen Photophosphorylierung, bei der sowohl ATP als auch NADPH produziert werden. Unter bestimmten Bedingungen kann PSI auch unabhängig arbeiten, in einem Prozess, der als zyklische Photophosphorylierung bekannt ist. Dabei wird ausschließlich ATP erzeugt, ohne dass NADPH gebildet wird oder Sauerstoff freigesetzt wird.

Die Struktur und Funktion der Fotosysteme ist ein beeindruckendes Beispiel für die Evolution von molekularen Maschinen. Ihre Fähigkeit, Sonnenenergie mit hoher Effizienz zu sammeln und in biochemisch nutzbare Formen umzuwandeln, ist eine Schlüsselinnovation des Lebens. Die Erforschung der Fotosysteme hat nicht nur unser Verständnis der Biologie vertieft, sondern bietet auch Potenzial für technologische Anwendungen wie die Entwicklung künstlicher Fotosynthese und die Optimierung erneuerbarer Energiequellen.