Von Nadine Ufermann und Marcus Oldekamp

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1 Von Nadine Ufermann und Marcus Oldekamp

2 Photosynthese: Allgemein und Lichtreaktion Photosysteme: PSI und PSII, Entdeckung und Funktion Mangan und Manganenzyme: Speziell sauerstoffentwickelnder Mn Cluster im PSII

3 Wichtigster biochemischer Prozess überhaupt Grundlage allen Lebens 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + O2 gespeicherte Energiemenge der Photosynthese = kj/a

4

5 Die Photosynthese läuft in den Chloroplasten ab

6 Es laufen zwei verschiedene Reaktionen ab: Lichtreaktion in der Thylakoidmembran des Chloroplasten, die zwei Photosysteme enthält PS I und PS II Dunkelreaktion im Stroma des Chloroplasten

7 Aufbau der Thylakoidmembran

8 Überblick über die beiden Reaktionen Lichtreaktion: Photolyse von Wasser: 2H2O 4H +O2+4e- + Bildung von NADPH/H+ : NADP++2e-+2H+ NADPH/H+ Bildung von ATP : ADP + P i ATP Dunkelreaktion: aus CO 2 und Wasserstoff von NADPH/H+ wird Stärke aufgebaut (Calvin Zyclus) Energie durch ATP-Bildung bei der Lichtreaktion

9 Das Chlorophyll Wichtiger Photorezeptor in den Chloroplasten Koordiniertes Mg2+ Ion im Porphyrinring Phytolrest: hydrophober Alkohol mit 20 C- Atomen

10 Die Chlorophylle fangen die Sonnenenergie ein besitzen starke Absorptionsbanden im sichtbaren Bereich Extinktionskoeffizienten gehören zu den höchsten, die bei organischen Verbindungen gemessen wurden Beide Chlorophylle ergänzen sich um das Maximum an sichtbarem Lichtes absorbieren zu können

11 Absorptionsbanden von Chlorophyll a und b :

12 Entdeckung der Photosysteme durch Emerson und Arnold (1932) Nachweis, dass viele Chlorophyllmoleküle benötigt werden, um ein Molekül O2 aus einem Photon zu produzieren Konzept der photosynthetischen Einheit: Licht wird von hunderten Chlorophyllmolekülen absorbiert und auf eine Stelle übertragen, wo chemische Reaktionen stattfinden

13 Es laufen zwei miteinander verknüpfte Lichtreaktionen ab: PS I und PS II Photosystem I : Absorption bis 700 nm (P700) Photosystem II: Absorption bis 680 nm (P680) Ablauf der Lichtreaktion: PS II absorbiert Licht der Wellenlänge von 680 nm und gibt durch Anregung der Chlorophylle zwei Elektronen ab Weiterleitung der Elektronen über die Substanz Plastochinon Über eine Transportkette von komplizierten Redoxsystemen gelangen die Elektronen zum Grundzustand vom PS I Anregung von PSI durch Licht der Wellenlänge 700 nm NADP + wird reduziert und reagiert mit H + zu NADPH Protonenmangel an der Thylakoidoberseite Entstehung eines Protonengradienten, der zur ATP Bildung dient

14

15 PS I: Bildung von NADPH/H + PS II: Übertragung der Elektronen des Wassers auf ein Plastochinon und gleichzeitige O 2 Entwicklung Edukte: Produkte: H 2 O O 2 NADP + NADPH ADP ATP Lichtenergie chemisch gebunden!!!

16 Essentielles Spurenelement Kommt in fast allen Organismen vor Oxidationsstufen von 0 bis +VII daher sehr häufig in der Natur (stabile Verbindungen)

17 Mangan ist Bestandteil von vielen Enzymen in der Natur Beispiele: Katalasen (ohne Häm Gruppe) enthalten Manganzentrum Pyruvatcarboxylase: wichtiges Enzym der Gluconeogenese Stoffwechselweg, der für die Neubildung von Glucose bei Glucosemangel verantwortlich ist Einige Gewebe können den Energiebedarf NUR durch Glucose decken

18 Wichtigstes Manganenzym enthält : Sauerstoffentwickelnder Cluster im PSII (OEC Oxygen evolving center) Aufgabe von PS II ist die Abspaltung von Elektronen aus dem Wasser primärer Ladungstrennungsschritt von PS II führt zum P680*+ Kation Sehr starkes Oxidationsmittel mit hoher Elektronenaffinität Entzug der Elektronen aus dem Wasser, führt zur Bildung von O2 und Rückkehr des Reaktionszentrums in den Grundzustand

19 Lage des OEC im Photosystem II

20 Vier Elektronen Redoxreaktion Diese wird von einem Cluster aus vier Manganionen katalysiert Manganzentrum durchläuft cyclische Sequenz von fünf OX-Zuständen (KOK Zyclus)

21 Das Modell der Wasserspaltung durch ein Manganzentrum: (KOK Zyclus)

22 Aufbau des Clusters

23 Forschern ist es gelungen die genaue Struktur des manganhaltigen Clusters zu bestimmen Es sind vier Mangan-, ein Calcium- und mindestens fünf Sauerstoffatome miteinander verknüpft Geometrische Anordnung lange unklar 18 Modelle wurden diskutiert allein für Anordnung der Mangan und Sauerstoffatome

24 Exakter Aufbau: Drei miteinander verbundenen Rauten Zwei Rauten aus Mangan und Sauerstoffatomen teilen sich eine Kante, so dass sowohl ein Manganatom und ein Sauerstoffatom je drei Bindungspartner haben Ein weiteres Manganatom ist von vier verbrückenden Sauerstoffatomen umgeben

25 Strukturaufklärung mit EXAFS (extended x-ray absorption fine structure) Messmethode Trotzdem zwei offene Details Wie ist der Cluster im PS II genau orientiert? Vier mögliche Positionen für Calcium denkbar Frühere Messmethoden haben Mn Cluster durch zu Starke Röntgenstrahlung zerstört

26

27 Bedeutung von Manganenzym und PS II Durch den Mechanismus der Wasserspaltung durch Mn Cluster, Photosynthese nachahmbar (theoretisch) CO2 freier unerschöpflicher Energieträger, da Wasserstoff entsteht. ABER: trotz intensiver Forschung ist der genaue Ablauf der Vorgänge im PS II nicht komplett aufgeklärt!!

28 Stryer Biochemie Berg, Jeremy M., Tymoczko, John L., Stryer, Lubert 6. Aufl., 2007, XL, 1224 S. 895 Abb. In Farbe., Geb. 1/07_01_saenger_loll/index.html

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