Photosynthese. Photosynthese. Photosynthese

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1 Sonnenlicht ist die wichtigste Primärenergiequelle auf der Erde (daneben sind noch Erdwärme und Radioaktivität nutzbar). Chemisch nutzbar ist der spektrale Bereich von 200 nm nm. Energiereichere Strahlung wirkt ionisierend (zerstört also Moleküle), längerwellige ist die Wärmestrahlung. Die Atmosphäre läßt den Bereich von 400 nm nm (sichtbares Licht und nahes IR) gut durch, dieser Bereich wird von Lebewesen zur genutzt. Bei der wird Lichtenergie ausgenutzt, um Energie (ATP, Protonengradient) und ev. auch Reduktionsäquivalente (für Biosynthesen) zu gewinnen. Man findet zwei völlig unterschiedliche Systeme der : das Rhodopsin-basierte bei dem Archaeon, und das Chlorophyll-basierte bei verschiedenen Eubakterien und in den Chloroplasten von Eukaryonten. Bei der Chlorophyll-basierten unterscheidet man Mechanismen mit nur einem Reaktionszentrum von solchen mit zwei (unterschiedlichen) Zentren. Die Verwendung von zwei Reaktionszentren ermöglicht den und Chloroplasten, Elektronen aus Wasser zu gewinnen und so Reduktionsäquivalente zu Biosynthese zu erzeugen. Daneben entsteht aus dem Wasser Sauerstoff, diese Form der heißt oxygene. und grüne Bakterien verwenden nur ein Photozentrum, können Wasser nicht oxidieren (anoxygene ) und benötigen daher zusätzliche Reduktionsmittel zum Wachstum, z.b. H 2 S oder H 2. Um das jeweilige Reaktionszentrum sitzen Antennenpigmente, die das Licht auffangen und die Energie durch induktiven Resonanz-Transfer (also ohne dass Substanz, z.b. ein Elektron, wandern muß) auf das Zentrum übertragen. Auch die Antennenpigmente sind meist Chlorophyll-Derivate (bei pro Zentrum). Chlorophyll a und Bakterienchlorophyll Absorptions-Max nm nm Die Unterschiede sind gelb und grün unterlegt. Chlorophylle sind Porphyrine (wie Häm), die aber immer ein Magnesium-Ion enthalten, und einen langkettigen, hydrophoben Alkoholrest, der sie in Membranen oder hydrophoben Proteinen verankert. Sie enthalten gegenüber Häm einen extra Ring (Cyclopentanon-Ring Ring V ). 1

2 Durch die Verwendung der unterschiedlichen Chlorophylle unterscheiden sich die Photosynthetisierer in ihren Absorptionsmaxima. Dadurch machen sie sich weniger Konkurrenz: leben in den oberen Wasserschichten (sauerstoffhaltig) und absorbieren den kurzwelligen Lichtanteil (durch die Kombination von Chlorophyll a mit Antennen-Phycobilinen lückenlos von nm). Darunter (schon im Anaeroben) absorbieren grüne Bakterien Wellenlängen um 750 nm. Durchgelassen wird das noch längerwellige Licht, das von den in tieferen Schichten genutzt wird. Beide Gruppen enthalten kein Chlorophyll a, sondern verschiedene Bakterienchlorophylle (a, b, c, d, g) Die Carotinoide dienen neben dem Lichteinfang auch dem Schutz vor Strahlenschäden und dem Entgiften von ROS. Auch in der Lage der photosynthetischen Zentren in der Zelle unterscheiden sich die Gruppen: Bei und Chloroplasten liegen die Reaktionszentren in separaten Membranstrukturen, den Thylakoiden, die in Chloroplasten zu Grana gestapelt sind. Bei erfolgt die in der Cytoplasmamembran, die aber stark vergrößert und eingefältet ist, die ganze Zelle ausfüllen kann und wie Vesikel oder Lamellen erscheint. Bei Grünen Bakterien sitzt unter der (nicht eingefalteten) Cytoplasmamembran mit den Reaktionszentren ein großer Antennenkomplex, das Chlorosom. Bei Schwachlicht ist das Chlorosom am effektivsten (es besteht fast nur aus Pigmenten, wenig verdünnendes Protein), Grüne Bakterien können bei der geringsten Lichtintensität wachsen. 2

3 Chlorosom auf Grünem Bakterium (und Rotalgen) benutzen Phycobiliproteine ( Algengallen-Proteine ) zum Lichtsammeln, die in Phycobilisomen aggregiert sind. Prosthetische Gruppen sind blaue (a Phycocyanin, um 620 nm) und rote (b Phycoerythrin, um 550 nm) Tetrapyrrole. Die Lichtenergie wird in den Phycobilisomen auf die zentral liegenden Allophycocyanine (die auch selbst bei 650 nm absorbieren) weitergeleitet, und von dort direkt auf Chlorophyll P 680 im Reaktionszentrum II. Phycobilisomen erlauben die Nutzung auch geringer Lichtenergien, sie werden bei Schwachlicht vermehrt gebildet. Thylacoidmembranen von Synechocystis (Cyanobakterie) - - Die Lichtenergie wird auf ein Bakterienchlorophyll-Dimer (P 870, Absorptionsmaximum bei 870 nm) geleitet, das dadurch in einen angeregten Zustand kommt (P 870 *). Diese angeregte Form kann viel leichter ein Elektron abgeben als vorher, wirkt also als Reduktionsmittel (stärker negatives Redoxpotential). Ein Elektron wandert auf ein Bakterienpheophytin, dann über verschiedene Chinone. In dieser Phase kommt es zum Transport von zwei Protonen (Q- Zyklus!) und damit zur Energienutzung. Über Cytochrom bc 1 und Cyt c 2 fließt das Elektron zum Chlorophyll zurück (cyclische Photophosphorylierung, das Reaktionszentrum wird nicht dauerhaft oxidiert). Ein Großteil der Schritte entspricht der Atmungskette. 3

4 - Die cyklierenden Elektronen verlassen nur in der Phase des Q-Cyclus und der Cytochrome das Reaktionszentrum und könnten zu anderen Zwecken (Reduktionen) genutzt werden. In dieser Phase ist ihr Reduktionspotential aber zu gering, um NADH zu bilden. Zur NADH-Bildung müssen die Elektronen daher unter Abbau des Membranpotentials weiter aktiviert werden ( umgekehrter Elektronentransport ). Alle Elektronen, die den Zyklus verlassen, müssen natürlich nachgeliefert werden (überwiegend H 2 S, der entstehende Schwefel wird in der Zelle abgelagert, auch Schwefel, Thiosulfat, Fe 2+ ). - Topologie von Elektronentransport und Protonentransfer Aktivierungs- und Deaktivierungsreaktionen im Reaktionszentrum BCHl 2 = Bacteriochlorophyll-Dimer BPh = Bacteriopheophytin (Chlorophyll ohne Mg ++ ) Q A ; Q B = Ubichinone Fe = zweiwertiges Eisen Auch die Reaktionen der Elektronenanregung und - weiterleitung sind Gleichgewichtsreaktionen und konkurrieren mit Energieverschwendungsreaktionen, wie der spontanen Umwandlung des aktivierten Chlorophylldimers in den Grundzustand, die innerhalb von 10-9 Sekunden geschieht. Daher müssen die guten Prozesse außerordentlich schnell verlaufen (10-12 Sekunden für die Weiterleitung des Elektrons auf Pheophytin). Die aufgefangene Lichtenergie kann als Wärme oder weniger energiereiches Licht (Fluoreszenz) abgegeben werden, ein Nachbarmolekül anregen (das machen die Antennen mit dem Zentrum) oder zum Transfer eines Elektrons und damit zur Oxidation des angeregten Moleküls und zur Reduktion des Akzeptors führen. - Grüne Bakterien 4

5 - Grüne Bakterien Der zyklische Elektronenfluß beginnt mit der Anregung eines Bakterienchlorophyll P 840. Das Elektron läuft über ein Chlorophyll a (laut Brock) auf ein Schwefel-Eisen-Protein. Von dort geht es über den Chinon-Pool und die Cytochrome Cyt bc 1 und Cyt c 553 zurück. Anders als bei kann das Elektron vom Schwefel-Eisen-Zentrum den Reaktionskomplex verlassen und auf ein Ferredoxin wandern. Dies Elektron ist ausreichend reduktiv, um direkt NADH zu bilden. Nachgeliefert werden die Elektronen von H 2 S (der entstehende Schwefel wird extrazellulär gelagert), Thiosulfat, Wasserstoff, organischen Verbindungen. - - Bei und Chloroplasten arbeiten zwei Photosysteme in Serie, um Elektronen von sehr positivem Potential (aus Wasser, extrem geringe Reduktionskraft) auf ein so negatives zu bringen, das es NADP reduzieren kann. Dazu hat das Chlorophyll P 680 im System II ein noch (etwas) positiveres Potential als Wasser, kann also dessen Sauerstoff Elektronen entreißen. Dabei spielen Manganionen eine wichtige Rolle. - Ein Mangancluster (Mn 4 O 5 Ca) gibt im zyklischen Prozess (der 1/500. Sekunde pro Runde braucht) nacheinander 4 Elektronen an das lichtoxidierte P680 ab. Dabei werden die Manganionen von +III auf +IV oxidiert. Zwei gebundene Wassermoleküle geben 4x H + ab und verhindern so eine Ladungsänderung des Komplexes. - ROS entstehen dabei nicht. Anschließend wird die Wasserspaltung in einem Schritt durchgeführt (die sukzessive Protonenabgabe vorher ist letzlich eine Vorbereitung dafür) und O 2 freigesetzt. Dabei werden die Manganionen auf +III zurückreduziert. - Vom aktiven P 680 * gelangen die Elektronen über Pheophytin a (Chlorophyll ohne Magnesium) und Chinone (Energiegewinn: nicht-cyklische Photophosphorylierung ) auf ein Cytochrom bf und das kupferhaltige Plastocyanin, das das P 700 -Chlorophyll des Photosystems I reduziert. 5

6 - Vom angeregten P 700 * fließen die Elektronen über ein weiteres Chlorophyll a, Chinon, FeS-Protein auf ein Ferredoxin, dann weiter über ein Flavoprotein auf NADP. - Elektronenfluß durch die Photozentren II und I (als Z ), Aufbau und Nutzung des Protonengradienten. Der Elektronenfluß durch die beiden Zentren erinnert im Energiediagramm an ein Z und wird daher auch Z-Schema genannt. (Auch der Weg der Elektronen in der Membran erinnert grob an ein Z). - - Details: Elektronenfluß durch Photozentrum II. Phycobilosomen dienen als Lichtsammler. Details: Elektronenfluß durch Photozentrum I. Plastocyanin transportiert Elektronen von System II an. Die Lichtantennen enthalten nur Chlorophylle. - - Das Photosystem I kann auch allein zyklisch arbeiten und dabei nur Energie, aber keine Reduktionsäquivalente liefern. In dem Fall fließen die Elektronen vom Ferredoxin auf Plastochinon (Chinon-Pool) und weiter auf das Cytochrom bf (Q-Cyclus - Protonengradient wird aufgebaut) und Plastocyanin. Einge können auch H 2 S als Elektronendonator nutzen (und lagern den Schwefel dann wie Grüne Bakterien außen ab) und verwenden dann nur Photosystem I. Die Gegenwart von H 2 S reprimiert bei diesen Organismen die Genexpression für Photosystem II. 6

7 - Calvin-Zyklus - Calvin-Zyklus Die meisten Photosynthetiker sind autotroph und fixieren CO 2 über den Calvin-Zyklus. Dabei setzen NADH, und Chloroplasten NADPH als Reduktionsmittel ein. Schlüssel- und Schrittmacherenzym ist die Rubisco, Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase (das Enzym, von dem auf der Erde die größte Menge vorkommt). Der entstehende 6er-Zucker ist extrem instabil und zerfällt sofort in 2x 3-Phosphoglycerat (was die Forschung lange in die Irre führte). Das zweite Calvin-Zyklus spezifische Enzym ist die Phosphoribulose-Kinase, alle anderen Schritte sind die von Pentosephosphatzyklus und Glycolyse/Gluconeogenese. - Calvin-Zyklus Die Gesamtbilanz des Calvin-Zyklus lautet: 6 CO NADPH + 18 ATP > C 6 H 12 O 6 (Glucose) + 12 NADP ADP Da der Calvin-Zyklus häufig in Photosynthetikern vorkommt, bezeichnet man ihn auch als die Dunkelreaktion der. Allerdings führen auch viele nichtphotosynthetische Autotrophe den Calvin-Zyklus durch, andererseits nutzen einige Photosynthetiker alternative Wege zur CO 2 -Fixierung. - umgekehrter Citratzyklus Grüne Bakterien fixieren CO 2 auch auf anderen Wegen, z.b. über eine Umkehrung des Citratcyklus. Dabei werden an Succinyl-CoA zwei CO 2 angehängt und Citrat gebildet. Das daraus abgespaltene Acetyl-CoA wird weiter zu Pyruvat verlängert. Die Citratspaltung durch Citrat-Lyase erfolgt unter ATP-Verbrauch. Das Grüne Nicht-Schwefelbakterium Chloroflexus fixiert CO 2 im Hydroxypropionat-Weg, in dem aus 2 CO 2 ein Glyoxylat gebildet wird. Eventuell ist das die evolutionär früheste Form der Autotrophie. Umgekehrter Citratzyklus Hydroxypropionat-Weg 7

8 Die etwa 30 Spezies der photosynthetischen gehören zu den Proteobakterien (wie z.b. auch die Enterobakterien, Pseudomonaden). sind fakultativ photoautotroph, können also auch organische Verbindungen für Biosynthesen nutzen. Auf Acetat häufen sie Poly-β-hydroxybuttersäure (β-phb) als Reservestoff an. Dabei wird ein Teil des Acetat im Citratcyclus oxidiert, die Reduktionsäquivalente daraus dienen zur Reduktion weiterer Acetate: Acetat + 2 H 2 O > 2 CO [H] 2n Acetat + 2n [H] > (C 4 H 6 O 2 ) n + 2n Wasser Um aus Buttersäure β-phb zu erzeugen, muß diese oxidiert werden. Als Elektronenakzeptor kann CO 2 dienen, das dabei über den Calvin-Zyklus zu Glykogen umgewandelt wird. Bildung und Verbrauch von β-phb Man unterscheidet Schwefel- von Nicht- Schwefel-. Erstere sind obligat phototroph und oxidieren Sulfid über elementaren Schwefel (der intrazellulär oder extrazellulär anfällt) zu Sulfat. Auch Wasserstoff kann Reduktionsäquivalente liefern. Nicht-Schwefel- vertragen kein Sulfid. Sie können auch aerob im Dunkeln wachsen. Als Kohlenstoffquellen dienen Fettsäuren, Alkohole, manchmal auch Aromaten. Sauerstoff dient als Repressor der Synthese der photosynthetischen Pigmente, d.h., aerob wird auch bei Licht keine betrieben. Photosynthetisch Organismen - Schwefel- Chromatium (a, b) Thiospirillum (c) Thiocystis (d) Thiodictyon (e) Thiopedia (f) 8

9 Viele fixieren Stickstoff. Da die Nitrogenase sehr Sauerstoff-empfindlich ist, geschieht das nur im Anaeroben. Nicht-Schwefel- Rhodospirillum (a); Rhodocyclus (b); Rhodobacter (c); Rhodomicrobium (d) Grüne Bakterien Auch bei den Grünen Bakterien unterscheidet man Schwefelund Nicht-Schwefel-Vertreter. Anders als bei der handelt es sich dabei aber um zwei evolutionär recht weit voneinander getrennte Gruppen. Viele Grüne Bakterien sind in der Lage, Stickstoff zu fixieren. Grüne Bakterien Grüne Schwefel-Bakterien sind strikt anaerob. Sie gewinnen Elektronen aus H 2 S, S etc. (>H 2 SO 4 ) oder H 2. Anders als sind sie nie photoheterotroph. Sie assimilieren Acetat in Gegenwart von CO 2 und H 2, machen aber keine PHB. Nicht-Schwefel-Grüne Bakterien (Chloroflexus) vertragen O 2, bilden aber aerob kein Chlorophyll (aber orange Carotinoide). Sie sind thermophil und leben in heißen Quellen. Grüne Bakterien Klassifizierung der : 1. Chroococcale : Einzellige Stäbchen und Kokken. Teilung durch binäre Spaltung oder Sprossung Synchococcus (Anabaena nidulans), Gloeocapsa, Gloeotheca, Gloeobacter 2. Pleurocapsale : Unizellulär, multiple Zellteilung Pleurocapsa, Dermatocarpa, Myxosarcina 3. Fädige ohne Heterocysten Oscillatoria, Spirulina, Plextonema 4. Fädige mit Heterocysten Anabaena, Nostoc 5. verzweigte Filamente 9

10 - Pleurocapsale Baeocyten sind die reproduktiven Zellen der pleurocapsalen Pleurocapsale a = Dermocarpa b = Dermocarpella c = Myxosarcina d = Pleurocapsa Heterocysten sind Zellen mit Spezialisierung auf Stickstofffixierung. Da die Nitrogenase Sauerstoffempfindlich ist, besitzen diese Zellen nur Photosystem I zur Energiegewinnung und bilden keine Rubisco (führen also nicht den Calvin-Zyklus durch) und werden von vegetativen Nachbarzellen mit organischen Verbindungen versorgt. Die Zellwand ist zum Schutz vor Sauerstoff besonders dick. Erstaunlicherweise ist die Atmungskette in den Heterocysten funktionell. Das dient vermutlich weniger der Energieversorgung als viel mehr als Methode, um eindringende Sauerstoffspuren verbrauchen zu können. Bei der Bildung der Heterocysten werden bei Anabaena genetische Einschübe (11 und 55 kd groß) in den nif-genen herausgeschnitten und damit die entsprechenden Gene erst funktionell gemacht. Auch pleurocapsale (ohne Heterocysten) können Stickstoff fixieren, wenn das Photosystem II gehemmt wird. Stickstoff-Fixierung Bei Anabaena werden die nif-gene in Heterocysten durch Excision von DNA zusammengebaut. Stickstoff- Fixierung Biochemie und Genetik der Stickstoff-Fixierung. Zwischenprodukte (N 2 H 2, N 2 H 4 ) werden nicht frei. Verblüffend ist die gleichzeitige Reduktion von H + zu H 2. Die gekoppelte Spaltung von ATP treibt die ungünstige Reaktion voran. Die Genexpression wird von Ammonium oder Sauerstoff gehemmt. 10

11 Stickstoff-Fixierung: FeMo-co Die Nitrogenase besteht aus den Komponenten Dinitrogenase (eisen- + molybdänhaltig, Coenzym FeMo-co, MoFe7S9Homocitrat, an dem die eigentliche Reaktion stattfindet) und Dinitrogenase-Reduktase (eisenhaltig). mit Heterocysten Bei Molybdänmangel können alternative Nitrogenasen gebildet werden, die mit Vanadium/Eisen oder nur Eisen auskommen. Cylindrosporium mit Akineten (a) und Heterocysten (h), Anabaena mit Heterocysten (unten). Akineten sind Dauerund Verbreitungsformen der. Aus ihnen keimen wieder vegetative Zellen. Die Fähigkeit der Stickstoff- Stickstoff-Fixierer Fixierung ist bei Photosynthetikern weit verbreitet, findet sich aber auch bei anderen Bakterien und bei Archaen. Einige Pflanzen leben in Symbiose mit N-Fixierern Anabaena mit Heterocysten (oben); Anabaena ohne Heterocysten (NO3 -Medium) (darunter); Akineten (darunter), rechts alte Kultur nur aus Akineten bestehend); Auswachsen von Akineten (darunter) Stickstoff-Fixierer Alle N-Fixierer benutzen dieselbe (evolutionär konservierte), Sauerstoff-empfindliche und viel Energie-verbrauchende Nitrogenase, selbst die Archaeen. Alle??? Nein, ein kleiner Organismus (Streptomyces thermoautotrophicus) hat ein nicht-sauerstoffempfindliches Enzym entwickelt, das sogar O 2 zur Aktivität braucht (das mittels CO zum Superoxidanion reduziert wird, welches die Elektronen an die Dinitrogenase weiterleitet). Außerdem braucht das Enzym weniger als halb soviel ATP. Dies System könnte die gentechnische Konstruktion von Nfixierenden Pflanzen ermöglichen. 11

12 Stickstoff-Fixierer Nitrogenasen (außer der von Streptomyces thermoautotrophicus) reduzieren auch andere Dreifachbindungen, z. B. Cyanid oder Acetylen (C 2 H 2, Ethin). Die Reduktion von Acetylen zu Ethylen (C 2 H 4, Ethen) wird gern als Nachweis (Gaschromatographie) für Nitrogenase genommen. Stickstoff-Fixierer Unterdessen gibt es Zweifel, ob Streptomyces thermoautotrophicus wirklich Stickstoff fixieren kann (und ob er ein Streptomycet ist). Wer die widersprechenden Publikationen nachlesen will: J.Bact. 174, (1992): S.a. lebt mit N 2 als einziger Stickstoffquelle, 15 N 2 wird in die Zelle eingebaut. JBC 272, (1997): Seine Nitrogenase braucht 4-12 ATP und O 2 oder O 2., Scientific Reports 6, 20086, 1-12 (2016): S.a. ist kein Streptomycet, enthält keine Nitrogenase und baut kein 15 N i ein. Fazit: S.a. kann keinen Stickstoff fixieren Ein völlig anderes System der besitzt das Archaeon ium. Es lebt in Salzseen und gewinnt seine Energie bevorzugt durch Atmung. Bei Sauerstoffmangel häuft er ein dunkelrotes Protein, Bakterienrhodopsin, in der Membran an. (Das Protein ist sehr hydrophob und besitzt 7 Transmembrandomainen). Die Purpurmembran kann 50% der Gesamtmembran ausmachen. Sie besteht nur zu 25% aus Lipiden und zu 75% aus Bakterienrhodopsin. Chromophor ist das Retinal, das auch beim menschlichen Sehen eine Rolle spielt (und in beiden Fällen als Schiff sche Base an ein Lysin gebunden ist). Bei Belichtung (Maximum bei 570 nm) klappt das all-trans- Retinal in die 13-cis-Form um. Anschließend gibt es ein Proton nach außen ab. Es klappt in die stabilere trans-form zurück und nimmt dabei von innen wieder ein Proton auf. Insgesamt pumpt es also Protonen durch die Cytoplasmamembran. Umklappen des Retinals und Protonentransport in der Purpurmembran Struktur des Bakterienrhodopsines und Lage des Retinals 12

13 Das Retinal reicht das Proton nur ein kleines Stück im Protein weiter. Unter photosynthetischen Bedingungen wächst ium langsamer als aerob, die ist hier also nur Notprogramm. Unter völlig anaeroben Bedingungen kann ium keine Purpurmembran bilden, da zur Retinalsynthese Sauerstoff benötigt wird! Das Umschalten auf funktioniert also nur bei niedrigen, aber noch (zur Retinalsynthese) nutzbaren Sauerstoffkonzentrationen. Wozu der viele Aufwand? Die warmen Salzseen enthalten nur wenig Sauerstoff, an heißen Tagen ist extremer Sauerstoffmangel also ein typisches Risiko in diesem Lebensraum. Es wird aber pausenlos Energie gebraucht, um Wasser in die Zelle zurückzupumpen, das osmotisch von der salzigen Umgebung herausgesaugt wird. Ohne Energieversorgung würde die Zelle austrocknen. Das Retinal im Auge klappt übrigens zwischen 11-cis und alltrans hin und her. Die All-trans-Form paßt nicht mehr ins Protein (Opsin). Im Endeffekt wird ein Nervenimpuls ausgelöst. 13