Photosynthesis H + ATP NADPH + H + ADP + Pi NAPD + + 2H + + 2e - free enthalpy. work. (glucose CO2 + H2O, light)

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1 H +!μ free enthalpy (glucose CO2 + H2O, light) ATP NADPH + H + ADP + Pi NAPD + + 2H + + 2e - work (biosynthesis, motility, membrane potentials,...) 78 ATP / ADP+Pi NADH + H + / NAD + + 2H + + 2e -!μ chemical (phosphorylation) potential redox potential electrochemical membrane potential Photosynthese (also autotrophe Energiegewinnung) beruht auf ähnlichen Prinzipien. Davies KM, Daum B (2013) Role of cryo-et in membrane bioenergetics research. Biochem Soc Trans 41: doi: /bst

2 79 Photosynthese (also autotrophe Energiegewinnung) beruht auf ähnlichen Prinzipien. In Chloroplasten findet sowohl ein Aufbau eines elektrochemischen Membranpotentials statt, als auch die Erzeugung von Reduktionsäquivalenten. ATP wird (wie in Mitochondrien) durch eine membranständige, H + -abhängige ATP-Synthase als Kondensationsprodukt von ADP und Phosphat erzeugt. Davies KM, Daum B (2013) Role of cryo-et in membrane bioenergetics research. Biochem Soc Trans 41: doi: /bst

3 80 Die Photosynthese erfolgt in spezialisierten Membranen im Inneren von Chloroplasten statt, den Thylakoiden. Elektronenmikroskopische Rekonstruktionen zeigen, dass diese Thylakoidstapel durch helikoid verbundene Membranen miteinander verbunden sind. Dies dient der Möglichkeit, die Thylakoidstapel den Lichtverhältnissen anzupassen und dynamisch zu verändern. Davies KM, Daum B (2013) Role of cryo-et in membrane bioenergetics research. Biochem Soc Trans 41: doi: /bst

4 81 Austin JR, Staehelin LA (2011) Three-dimensional architecture of grana and stroma thylakoids of higher plants as determined by electron tomography. Plant Physiol 155: doi: /pp Die Photosynthese erfolgt in spezialisierten Membranen im Inneren von Chloroplasten statt, den Thylakoiden. Elektronenmikroskopische Rekonstruktionen zeigen, dass diese Thylakoidstapel durch helikoid verbundene Membranen miteinander verbunden sind. Dies dient der Möglichkeit, die Thylakoidstapel den Lichtverhältnissen anzupassen und dynamisch zu verändern. Davies KM, Daum B (2013) Role of cryo-et in membrane bioenergetics research. Biochem Soc Trans 41: doi: /bst

5 82 PAOLILLO DJ (1970) The Three-Dimensional Arrangement of Intergranal Lamellae in Chloroplasts. Journal of Cell Science 6: Die Photosynthese erfolgt in spezialisierten Membranen im Inneren von Chloroplasten statt, den Thylakoiden. Elektronenmikroskopische Rekonstruktionen zeigen, dass diese Thylakoidstapel durch helikoid verbundene Membranen miteinander verbunden sind. Dies dient der Möglichkeit, die Thylakoidstapel den Lichtverhältnissen anzupassen und dynamisch zu verändern. Davies KM, Daum B (2013) Role of cryo-et in membrane bioenergetics research. Biochem Soc Trans 41: doi: /bst

6 Mustárdy L, Buttle K, Steinbach G, Garab G (2008) The threedimensional network of the thylakoid membranes in plants: quasihelical model of the granum-stroma assembly. Plant Cell 20: doi: /tpc PAOLILLO DJ (1970) The Three-Dimensional Arrangement of Intergranal Lamellae in Chloroplasts. Journal of Cell Science 6: Die Photosynthese erfolgt in spezialisierten Membranen im Inneren von Chloroplasten statt, den Thylakoiden. Elektronenmikroskopische Rekonstruktionen zeigen, dass diese Thylakoidstapel durch helikoid verbundene Membranen miteinander verbunden sind. Dies dient der Möglichkeit, die Thylakoidstapel den Lichtverhältnissen anzupassen und dynamisch zu verändern. Davies KM, Daum B (2013) Role of cryo-et in membrane bioenergetics research. Biochem Soc Trans 41: doi: /bst Mustárdy L, Buttle K, Steinbach G, Garab G (2008) The three-dimensional network of the thylakoid membranes in plants: quasihelical model of the granum-stroma assembly. Plant Cell 20: doi: /tpc

7 84 Austin JR, Staehelin LA (2011) Three-dimensional architecture of grana and stroma thylakoids of higher plants as determined by electron tomography. Plant Physiol 155: doi: /pp Die Photosynthese erfolgt in spezialisierten Membranen im Inneren von Chloroplasten statt, den Thylakoiden. Elektronenmikroskopische Rekonstruktionen zeigen, dass diese Thylakoidstapel durch helikoid verbundene Membranen miteinander verbunden sind. Dies dient der Möglichkeit, die Thylakoidstapel den Lichtverhältnissen anzupassen und dynamisch zu verändern. Davies KM, Daum B (2013) Role of cryo-et in membrane bioenergetics research. Biochem Soc Trans 41: doi: /bst

8 Chlorophyll A 86 Die photophysikalischen Vorgänge, und die Wechselwirkungen von Licht mit den photosensitiven chemische Gruppen werden in der VL Biophysik (in) der Zelle ausführlich behandelt. Sie führen letztlich zu einer Abgabe von Elektronen aus dem Photosystem II an Plastochinon. Die Elektronen werden bei der Wasserspaltung frei. Der Elektronenfluss über den Cytochrome b6f-komplex und Plastocyan zum Photosystem I folgt dem Redoxpotentialgefälle, und wird genutzt, um einen elektochemischen ph-gradienten zu erzeugen. Im PS I wird ein zweites Photon genutzt, um ein Elektronenpaar zur Reduktion von NADP + zu NADPH zur Verfügung zu stellen. Beachte, dass die chemische Formel für Chlorophyll die tatsächliche Natur des konjugierten &-Elektronensystems nicht korrekt widerspiegelt! Die vier Mg-ligierenden N-Atome sind äquivalent, die dargestellte Formelschreibweise zeigt eine mögliche mesomere Grenzstruktur. Das System von konjugierten &-Elektronenpaaren ist in der Lage, in angeregte Zustände überzugehen und die aufgenommene Lichtenergie im Photosystem intern weiterzugeben.

9 87 Als Produkte der Photosynthese entstehen NADPH + O2, sowie ein H + -Gradient der zur ATP-Synthese genutzt wird. NADPH und ATP fließen in die Fixierung von CO2 in den Zuckermetabolismus ein. Das zentrale Enzym der CO2-Fixierung heißt Ribulose-bis-Phosphat Carboxylase (oder kurz: RuBisCO). Es addiert das CO2-Molekül an Ribulose-1,5-bis-Phosphat, das über verschiedenen intermediäre Stufen zu 2x 3-Phosphoglycerat zerfällt. Dieses wird mit NADPH zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat reduziert und über komplexe Umlagerungsreaktionen (Calvin-Zyklus) zur Synthese von Zuckern genutzt. [Die Intermediate des Calvin-Zyklus brauchen Sie selbstverständlich nicht auswendig lernen.]

10 Photosynthesis 88 Als Produkte der Photosynthese entstehen NADPH + O2, sowie ein H+-Gradient der zur ATP-Synthese genutzt wird. NADPH und ATP fließen in die Fixierung von CO2 in den Zuckermetabolismus ein. Das zentrale Enzym der CO2-Fixierung heißt Ribulose-bis-Phosphat Carboxylase (oder kurz: RuBisCO). Es addiert das CO2-Molekül an Ribulose-1,5-bis-Phosphat, das über verschiedenen intermediäre Stufen zu 2x 3-Phosphoglycerat zerfällt. Dieses wird mit NADPH zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat reduziert und über komplexe Umlagerungsreaktionen (Calvin-Zyklus) zur Synthese von Zuckern genutzt. [Die Intermediate des Calvin-Zyklus brauchen Sie selbstverständlich nicht auswendig lernen.] RuBisCO ist geochemisch das wichtigste Enzym weltweit.

11 Photosynthesis 89 Als Produkte der Photosynthese entstehen NADPH + O2, sowie ein H+-Gradient der zur ATP-Synthese genutzt wird. NADPH und ATP fließen in die Fixierung von CO2 in den Zuckermetabolismus ein. Das zentrale Enzym der CO2-Fixierung heißt Ribulose-bis-Phosphat Carboxylase (oder kurz: RuBisCO). Es addiert das CO2-Molekül an Ribulose-1,5-bis-Phosphat, das über verschiedenen intermediäre Stufen zu 2x 3-Phosphoglycerat zerfällt. Dieses wird mit NADPH zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat reduziert und über komplexe Umlagerungsreaktionen (Calvin-Zyklus) zur Synthese von Zuckern genutzt. Als zentrales Produkt entsteht Fructose-6-Phosphat, das als Basis vieler Biosynthesen genutzt werden kann. [Die Intermediate des Calvin-Zyklus brauchen Sie selbstverständlich nicht auswendig lernen.]

12 Energetics of Life Summary three forms of energy storage ATP - chemical bond (phospho-di-ester) NADH - redox potential electro-chemical membrane gradient inter-convertible glucose as central catabolite ATP / ADP+Pi NADH + H + / NAD + + 2H + + 2e -!μ chemical (phosphorylation) potential redox potential electrochemical membrane potential Zusammenfassung.

13 Energetics of Life 1"10 3 J/mol NA = 1,7"10-21 J 1 kb"t = 4,2"10-21 J kb"t"na = 2,5 kj/mol Konversion von kj/mol! J pro Teilchen Konversion von kb"t! J (30 C) Energie von 1 mol kb"t (30 C) R"T z"f = 4,3"10-26 J/C (=V) Energie eines Ions der Ladung z (30 C) R"T e - = 2,6"10-2 J/mol"C (=V/mol) R"T"NA"ln(10) = 5,8"10 3 J/mol Energie eines Ions der Ladung z (30 C) thermische Energie pro mol (30 C) R"T"NA"ln(10) z"f = 60"mV/mol thermische Energie pro mol (30 C) Nützliche Umrechnungsfaktoren. Als Tabelle von meiner Webseite zu laden:

14 Energetics of Life Aufgaben: 92! Laden Sie sich die Molekülmodelle Phosphoenolpyruvat / P~Brenztraubensäure und Pyruvat / Brenztraubensäure von der Webseite herunter und konvertieren sie mittels Marvin Sketch in 3D-Modelle! Betrachten Sie die Struktur! (Hierzu müssen Sie sich mit dem Menü vertraut machen; suchen Sie auch nach rotate in 3D und testen den Anzeigemodus!)! Suchen Sie die Carboxygruppen und überlegen Sie, ob sie in wässriger Lösung so vorliegen wie im Modell (pk s ~2,5)! Was ist der Unterschied zwischen Brenztraubensäure und Pyruvat?! Laden Sie D-Glucose-6-Phosphat von der ChEBI Datenbank herunter (es sollte Eintrag herauskommen). Wo sind asymmetrische Kohlenstoffatome?! Benutzen Sie Marvin Sketch, um das Modell zu D-Glucose-1,6-bis-Phosphat zu ändern!! Die Hydrolyse von ATP ist mit!g 0 ' = -30,5 kj/mol exergon. Schreiben Sie die vollständige Reaktionsgleichung auf!! Berechnen Sie die Gleichgewichtskonzentrationen von ATP, ADP und Phosphat, wenn 10 mm eingesetzt wurden!! Phosphokreatin ist in Muskeln gespeichert, um nach der ersten Anstrengungsphase frische Energie zur Verfügung zu stellen. Die Kreatin-Kinase setzt Phosphokreatin mit ADP zu Kreatin und ATP um. Benutzen Sie die Angaben zu!g0' aus der Vorlesung, um auszurechnen, welche Konzentrationen sich im Gleichgewicht einstellen, wenn anfangs 25 mm P-Kreatin, 2,5 mm ADP und 0,1 mm ATP vorliegen! [Bemerkung: Die ATP-Vorräte des Muskels sind nach wenigen Sekunden (um die 4"s) intensiver Beanspruchung, z.b. Sprint, hydrolysiert. Durch den P-Kreatinspeicher kann diese Zeit etwa verdoppelt werden. Die Phase, in der ATP und P-Kreatin aufgebraucht werden, wird in der Sportphysiologie anaerobe Phase genannt.]! Wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht, vergärt Hefe Glucose zu Alkohol und CO 2. Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf und bestimmen Sie die Oxidationsstufen der Kohlenstoffatome!! Wenn O 2 nicht als Endakzeptor von Reduktionsäquivalenten (NADH + H + ) zur Verfügung steht, muss Hefe ersatzweise Acetyl- CoA verschwenden, um eine ausgeglichene RedOx-Bilanz zu erzielen. Berechnen Sie, wie viel kj/mol Hefe aus der alkoholischen Gärung maximal gewinnen kann, wenn das Redoxpaar NAD+/NADH+ ein!e0' von -320 mv liefert, Ethanol/Acetaldehyd (entspricht Ac-CoA) -200 mv!! Wieviel Energie enthält 1"M Photonen der Wellenlänge 500"nm?