Der photosynthetische Elektronentransport

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1 Der photosynthetische Elektronentransport 1. Die Hill-Reaktion Robert Hill zeigte 1938: o in Gegenwart von Elektronenakzeptoren (A) erfolgt Sauerstoffentwicklung an belichteten Thylakoidmembranen o ohne Reduktion von CO2 Durchführung: o Hill benutzte Fe3+-Ionen-Lösungen an isolierten, belichteten Thylakoidmembranen welche ohne Beteiligung von CO 2 O 2 entwickelt Fe 2+ ist reduziert und kann so Elektronen aufnehmen Fazit: o Die Lichtreaktionen können von der CO2-Reduktion und Kohlenwassertoffbildung getrennt werden. Der natürliche Elektronenakzeptor in den Chloroplasten ist NADP + 2. Der Emerson Effekt Die Quantenausbeute (Mol O 2 produziert pro Mol absorbierter Quanten) im längerwelligen Bereich ( nm) kann synergistisch durch Zusatzbeleuchtung bei 650 nm verstärkt werden Schlussfolgerung: o Kooperativität zweier Photosystem mit leicht unterschiedlichen Absorptionsverhalten

2 3. Standardredoxpotentials Die Änderung des Standardredoxpotentials ΔE0 hängt direkt mit der Änderung der freien molaren Standardenthalpie ΔG0 zusammen ΔE0 ist ein Maß für die Änderung des Elektronendrucks (in Volt) je negativer E0 desto höher der Elektronendruck, desto ein besseres Reduktionsmittel ist die Verbindung Je positiver E0 desto ein besseres Oxidationsmittel ist die Verbindung. 4. Das Z-Schema Stellt die Energetik der Lichtreaktionen dar Darstellung des Redoxpotentials der am Elektronentransport beteiligten Cofaktoren und Elektronentransporter dargestellt Was stellt das Schema dar: o Funktion des PS I und PS als lichtabhänge Pumpstation Heben Elektronen energetisch um 1,8 V an Schritte des Elektronentransports: o Linearer Elektronentransport Transferieren Elektronen im Gefälle des Redoxpotentials: 1. vom H2O zum oxidierten P vom angeregten P680 * zum oxidierten P von P700 + zum Ferredoxin Benötigt: Für jedes O2-Molekül: 4 Elektronen + 8 Protonen o Zyklischer Elektronentransport Mechanismus zur Erhöhung des Verhältnisses von bereitgestellten ATP zu NADPH + H + Nur bei Bedarf o Transport zum NADH-Dehydrogenase-Komplex Nach Anregung von Photosystem I Elektronenübertragung auf Fd und NADPH + H + Gelangen durch Cyt b 6f-Komplex oder NADH-Dehydrogenase- Komplex aufs Plastochinon Gekoppelt an H + -Aufnahme auf der Stromaseite und das H + - Entlassen zum Lumen unter Nutzung des Q-Zyklus zyklische Elektronentransport erhöht protonenbewegende Kraft Protonenbewegende Kraft (PMF) o Summe der im H + -Gradienten und im Membranpotential gespeicherte freie Energie die H + vom Lumen zum Stroma zurück zu transportieren

3 Detailliertes und vereinfachtes Z-Schema 5. Photosynthetischen Multiproteinkomplexe und der ATP-Synthase in der Thylakoidmembran Lichtenergie ist o Elektronentransport o gerichteter Protonentransport ins Lumen der Thylakoide (dient chem. Potenzial des Protons der ATP-Synthese) 2 Photosysteme: o starken Unterschied zwischen Absorptions- und Wirkungsspektrum der Photosynthese

4 6. Reaktionsschema und Wasserspaltung des photosynthetischen Elektronentransportes in den PSII-Komplex M symbolisiert ein Cluster von vier Mangan (Mn)-Atomen/Ionen in verschiedenen Oxidationsstufen, die sequentiell jeweils ein Elektron über einen Tyrosinrest des D1-Proteins in das Reaktionszentrum von PS II abgeben und die Elektronen über Wasserspaltung wiedergewinnen.

5 7. Kok-Zyklus des Sauerstoffs produzierenden Komplexes in der Photosynthese, bei dem fünf S-Zustände erreicht werden Der 4Mangan-Ionen Cluster wirkt wie eine Batterie, die aufgrund ihres stark positiven Standardredoxpotentials vier Elektronen aus 2H2O aufnehmen kann. Achtung! Oxidationszustände (der Mangan-Ionen) sind nicht klar definiert 8. Zusammenfassung des Photosystems II-Komplex wichtige Proteinkomponenten des Photosystems II Schematische Darstellung einer vereinfachten Struktur des Photosystems II- Komplexes

6 9. Strukturformeln (Aufbau, Bedeutung etc.) Zwei-Elektronen-Überträger Semichinonradikalbildung Im Stroma wird es sauer im Protein auf Thylakoid zu übertragen Herbizide Plastochinon (QB)-Bindung am D1-Protein interferieren (D1 bildet Plastochinonbindestellen!!) Cytochrome Proteine die einen planaren Tetrapyrrolring mit zentralen Häm Fe2+/Fe3+ tragen und die dazu rechtwinklig durch zwei verschiedene Gruppen koordinativ gebunden werden können =Überträger (siehe Atmungskette Biochemie)

7 10. Eisen-Schwefel-Cluster Mehrfachkomplexe aus Eisen und Schwefel Kofaktoren der Enzymreaktionen Komponenten der Elektronentransportkette (Fe 2+ und Fe 3+) 2 Fe-2 S-Zentrum (sehr stabil) o Rieske-Protein (cyt-b6/f-komplex) 4 Fe-4 S-Zentrum sehr stabil o FX, FA, FB (F4S4-Zentren im PSI) 11. Plastocyanin Cu+/Cu2+-Zentrum Ein-Elektron-Überträger zwischen cyt-b6/f-komplex und Photosystem Kupferprotein in Algen, grünen Pflanzen und einigen Cyanobakterien, Aufgabe: o transportiert Elektronen von dem Cytochrom-b6f-Komplex zum Photosystem I. In Eukaryoten ist Plastocyanin i m Lumen der Thylakoide lokalisiert. 12. Der cyt-b 6/f-Komplex Prinzipieller Ablauf: o Die Elektronen werden zunächst auf das membrangebundene Molekül Plastochinon (PQH 2), und dann über den Cytochrom-b6f-Komplex auf Plastocyanin (PC) und schließlich über das Photosystem I auf NADP+ übertragen Ablauf spezieller: 1. reduziertes PQH 2 diffundiert in der Thylakoidmembran zum QO-Zentrum des Cytochrom-b6f-Komplexes. 2. Vermittlung zweier aufeinanderfolgende Elektronenübergänge. a. Das erste Elektron wird PQH 2 durch das Rieske-Protein, ein 2- Eisen-2-Schwefel-Protein Semichinon-Radikal PQH.

8 b. Die Cytochrome bn und bp der b-untereinheit übertragen das zweite Elektron vom PQH auf ein oxidiertes Plastochinon (PQ) 3. wird dann durch H+ aus dem Stroma protoniert Fazit: o PQH2 zu PQ reoxidiert o o 1 Elektron wird im Q-Zyklus wiederverwendet 1 Elektron wird auf Plastocyanin übertragen. Dabei wird pro Elektron ein Proton aus dem Stroma der Chloroplasten in das Thylakoidlumen transloziert. Aufgabe: o Elektronen von membrangebundenem Plastochinon auf lösliches Plastocyanin bzw. Cytochrom c6 zu übertragen und Protonen vom Stroma ins Lumen zu pumpen. Kopplung von Protonentransports an Elektronentransport o zwischen PSII und cyt-b6/f-komplex (da kein Q-Zyklus)

9 Bedeutung des funktionierenden Q-Zyklus o Kann die Zahl der pro O 2 gepumpten Protonen verdoppeln Von 4 auf Der PSI-Komplex Reaktionsschema des Elektronentransportes am PSI o Im Stroma werden mit NADPH Reduxionsäquivalent Phyllochinons des PSI (fettlöslichen K-Vitaminen) Kofaktor A1 bei Elektronenübertragung

10 Schematische Darstellung der Struktur und Besonderheiten des PSI-Komplexes Zwei alternative cyklische Elektronentransportwege zwischen PSI und cyt-b6/f-komplex können mehr gepumpte Protonen liefern, die zur ATP-Synthese genutzt werden können Das im Calvincyclus verbrauchte ATP/NADPH/H+-Verhältnis ist z.b. 1,5:1, daher wird oft mehr ATP gebraucht. Bei der Mehler-Reaktion werden Elektronen auf Sauerstoff übertragen und es entsteht ein aggressives Superoxidradikal, dessen Eliminierung über Superoxid-Dismutase und Ascorbat-Peroxidase erfolgt

11 Dehydroascorbat-Reductase o Reduktion des Dehydroascorbats unter Beteiligung von Glutathion als Reduktionsmittel und Koppelung an die NADPH/H+-abhängige Glutathion- Reduktase Kann Mutationen aufnehmen Oxidation des Ascorbates verläuft über die Bildung des Monodehydroascobat-Radikals

12 Reduktion des Dehydroascorbats katalysiert durch Dehydroascorbat- Reduktase im Zusammenspiel mit Glutathion und Glutathion-Reduktase Reduziertes Glutathion Oxidiertes Glutathion Das Herbizid Paraquat (Methylviologen) übernimmt Elektronen vom PSI und überträgt sie unter Bildung von Superoxidradikalen auf Sauerstoff

13 Übersicht - photosynthetischer Elektronentransport und Photophosphorylierung o Plastocylom: A = Stationär B = beweglich, transportiert e - und 2H + zum Cytolem, kann Protonen aus Stroma aufnehmen o Photosystem I = REAKTIONSZENTRUM 14. Die Trennung von PSI und PSII Generelle Trennung in Grana- und Stromathylakoide ermöglicht eine Verteilung der Anregungsenergie

14 Bla Regulation der räumlichen Trennung und Verteilung der Anregungsenergie über LHCII-Protein Phosphorylierung/Dephosphorylierung STN7 Proteinkinase phosphoryliert periphäre LHCII Proteine an Threonin- Resten, wenn PQH2 >> PQ Phosphorylierte LHCII- Monomere docken an PSI an 1 Verteilung der Anregungsenergie zwischen Photosystem I und II durch Zustandsänderungen des LHCLL-Komplexes Photoinhibition: Übermäßige Anregung von PSII führt zum Anstau von PQH2, wodurch eine Schädigung des Photosystems auftritt, weil übermäßig angeregte Chlorophyllmoleküle der Reaktionszentren in den Triplettzustand übergehen, was zu Bildung von toxischen Singulett-Sauerstoff- Molekülen führen kann.

15 Carotinoide (1): Nicht-photochemische Löschung (non-photochemical quenshing): Carotinoid Zeaxanthin: können dabei den Triplettzustand des Chlorophylls löschen indem sie in einen Carotinoidtriplettzustand übergehen können, der energetisch zu niedrig zur Singulettsauerstoffbildung ist. Von hier wird Energie als Wärme abgestrahlt. Wenn Carotinoidschutzfunktion nicht ausreicht kann es zu Schädigungen am D1-Protein kommen (wenn sein Abbau und seine Wiedersynthese turnover nicht nachkommen) -> -> Photoinihibtion der Excitonen-Energie zur Verminderung der Lichtschäden. bewirkt die Umwandlung von Excitonenenergie in Wärme durch Interaktion mit Chlorophyll-bindenden Proteinen. Bei einem hohen ph-gradienten über die Thylakoidmembranen (ph 5,0, innen) wird die Zeaxanthin-Biosynthese über den Zexanthin-Cyclus gefördert -> nicht-photochemische Löschung (bis zu 50-70% der Photonen in Wärme überführt an sonnigen Tagen) Übersicht - photosynthetischer Elektronentransport und Photophosphorylierung

16 15. Durchlässigkeit der Thylakoidmembranen Cl- und Mg 2+ durchlässig o Protonengradient baut sich auf o Membranpotentialgradient baut sich kaum auf 16. Das Jagendorf-Experiment Ziel: o chemiosmotischen Mechanismus der ATP-Synthese zu identifizieren Beweis: o ATP kann ohne direkte Lichtbestrahlung gebildet werden kann Ablauf: o Isolierung Thylakoide (ph-wert 8) o Überführung auf Puffer (ph-wert 4). o Dadurch entsteht Protonengradient treibt ATP-Synthese an, Bestätigung: o Anhand radioaktiver Markierungsversuche bestätigt 17. Aufbau der ATP-Synthase/F-ATPase der Chloroplasten (auch CF-ATPase) drei verschiedene Konformationen der beta-untereinheit abhängig vom Kontakt mit der sich drehenden Gamma-Untereinheit

17 18. ADP/ATP-Bindung, ATP-Synthese und Freisetzung der verschiedenen Konformationen [Wird noch ergänzt]