Von Nadine Ufermann und Marcus Oldekamp

Photosynthese:Allgemein und Lichtreaktion

Photosysteme:PSI und PSII, Entdeckung und Funktion

Mangan und Manganenzyme:Speziell sauerstoffentwickelnder Mn Cluster im PSII

Wichtigster biochemischer Prozess überhaupt

Grundlage allen Lebens

6CO2 + 6H2O →C6H12O6 + O2

gespeicherte Energiemenge der Photosynthese = 1017 kJ/a

Die Photosynthese läuft in den Chloroplasten ab

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

Aufbau der Thylakoidmembran

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 + Pi → ATP

Dunkelreaktion:aus CO2 und Wasserstoff von NADPH/H+ wird Stärke aufgebaut (Calvin Zyclus)

Energie durch ATP-Bildung bei der Lichtreaktion

Das ChlorophyllWichtiger Photorezeptor in denChloroplasten

Koordiniertes Mg2+ Ion imPorphyrinring

Phytolrest: hydrophober Alkohol mit 20 C- Atomen

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

Absorptionsbanden von Chlorophyll a und b :

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

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

PS I: Bildung von NADPH/H+

PS II: Übertragung der Elektronen des Wassers auf ein Plastochinon und gleichzeitige O2 Entwicklung

Edukte: Produkte:

H2O O2NADP+ NADPHADP ATP

Lichtenergie chemisch gebunden!!!

Essentielles Spurenelement

Kommt in fast allen Organismen vor

Oxidationsstufen von 0 bis +VII

daher sehr häufig in der Natur (stabile Verbindungen)

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

Wichtigstes Manganenzym enthält :

Sauerstoffentwickelnder Cluster im PSII (OEC Oxygen evolvingcenter)

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

Lage des OEC im Photosystem II

Vier – Elektronen – Redoxreaktion

Diese wird von einem Cluster aus vier Manganionen katalysiert

Manganzentrum durchläuft cyclische Sequenz von fünf OX-Zuständen (KOK Zyclus)

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

Aufbau des Clusters

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

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

Strukturaufklärung mit EXAFS (extended x-ray absorptionfine 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

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!!

Stryer BiochemieBerg, Jeremy M., Tymoczko, John L., Stryer,Lubert 6. Aufl., 2007, XL, 1224 S. 895 Abb. InFarbe., Geb.

http://www.fu-berlin.de/presse/publikationen/fundiert/2007_01/07_01_saenger_loll/index.html

http://www.chemie.de/news/d/59189/