Chlorophylle und Carotinoide kommen nur in den Plastiden vor. Genauere
Untersuchungen haben ergeben, dass Chlorophylle und Carotinoide zu
photochemischen Reaktionseinheiten, die man Farbstoftkollektive oder Photosysteme
nennt, zusammengeschlossen sind.
Diese liegen eingebettet in die Thylakoidmembranen
der Chloroplasten und bestehen aus jeweils etwa 300 Farbstoffmolekülen. In einem Photosystem können alle Farbstoffmoleküle Lichtenergie
absorbieren; jedoch kann nur ein besonders aktives Chlorophyllmolekül
im System diese Energie photochemisch für die eigentliche Photosynthesereaktion
nutzen. Es handelt sich hier immer um Chlorophyll a. Dieses aktive Chlorophyllmolekül
bezeichnet man als Reaktionszentrum des Photosystems. Die anderen Farbstoffmoleküle
eines Photosystems dienen zum Einfangen und Weiterleiten der Lichtenergie
zum Reaktionszentrum.
Man kann sich modellhaft das Photosystem als einen Trichter vorstellen.
Das Licht trifft auf die obersten Farbstoffmoleküle und regt sie an.
Von hier wird die Energie auf die darunter liegenden Farbstoffmoleküle
übertragen und so weitergeleitet. Das jeweils folgende Molekül
hat eine etwas geringere Anregungsenergie als das vorhergehende. Dies äußert
sich in geringfügigen Absorptionsunterschieden und bewirkt einen gezielten
Energietransport zum Reaktionszentrum. Man nennt dies eine ,,Lichtsammelfalle".
So können auch geringe Lichtmengen eingefangen werden und die
Photosyntheseausbeute wird erhöht. Farbstoffe, die Lichtenergie absorbieren
und die absorbierte Energie auf das Reaktionszentrum übertragen, nennt
man Antennenpigmente.
Nach der Modellverstellung von der Lichtsammelfalle liegt das Reaktionszentrum
am Grunde des ,,Trichters". Durch Bindung an ein Eiweißmolekül
unterscheidet sich dieses Chlorophyll-a-Molekül von den anderen Chlorophyllmolekülen.
Die Bindung bewirkt eine veränderte Absorption, wobei die Lage des
Absorptionsmaximums im Rotbereich zur Kennzeichnung dient.
Es gibt zwei verschiedene Photosysteme. Das Photosystem 1 enthält als
Reaktionszentrum einen Chlorophyll-a-Protein-Komplex mit einem Absorptionsmaximum
bei 700 nm. Man bezeichnet es daher als P700. Das Photosystem II enthält
das P680, einen Chlorophyll-a-Protein-Komplex mit dem Absorptionsmaximum
bei 680 nm.
Grünes Licht mit Wellenlängen zwischen 500 nm und 550 nm wird
von Chlorophyll praktisch nicht absorbiert. Das Wirkungsspektrum zeigt jedoch,
dass auch in diesem Wellenlängenbereich die Photosyntheseleistung
recht hoch ist. Hier absorbieren nämlich die Carotinoide und übertragen
die Energie auf Chlorophyll. So werden auch diese Lichtenergien ausgenutzt,
und der photosynthetisch unwirksame Bereich des Spektrums, die Grünlücke,
wird wesentlich eingeengt.
Ablauf der Photosynthese
In der Photosynthese wird aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Traubenzucker,
ein Kohlenhydrat, aufgebaut. Kohlenhydrate sind meist Verbindungen mit der
allgemeinen Formel (CH2O)n. Im Verhältnis zu CO2 enthält ein Kohlenhydrat
weniger Sauerstoff, aber zusätzlich Wasserstoff. Chemisch gesehen ist
deshalb die Synthese eine Reduktion.
Daraus ergeben sich einige Fragen:
- Eine Reduktion erfordert ein Reduktionsmittel. Woher kommt dieses?
- Eine Reduktion ist endergonisch; d.h. es muss Reduktionsenergie
beschafft werden. Wie geht dies vor sich?
- Die Reduktion muss in der Zelle an bestimmte Strukturen gebunden
sein und nach einem festgelegten Mechanismus verlaufen, um Störungen
zu vermeiden. Wo findet sie statt und welcher Mechanismus liegt vor?
Der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll kommt nur in den Photosystemen
auf den Chloroplastenmembranen vor. Damit ist klar, dass die Lichtabsorption
und die damit verknüpften photochemischen Reaktionen in den Thylakoiden
stattfinden. Es schließen sich biochemische Reaktionen an, die im
Zwischenraum zwischen den Thylakoiden, dem Stroma, ablaufen.
Die Photosynthese besteht aus zwei Reaktionsfolgen
Photochemische Prozesse verlaufen weitgehend temperaturunabhängig.
Beim Photographieren macht es z.B. keinen Unterschied, ob man einen Film
im Sommer oder im Winter belichtet. Biochemische Reaktionen, in denen Bindungen
gespalten oder geknüpft werden, unterliegen dagegen der RGT-Regel.
Nach dieser Regel steigt bei einer Temperaturerhöhung um 10K die Reaktionsgeschwindigkeit
etwa um das Doppelte.
Bei steigender Temperatur erhöht sich die Photosyntheseleistung bis
zu einem Optimum. Dies gilt jedoch nur bei hoher Belichtungsstärke.
Im Schwachlicht hat nämlich eine Temperaturerhöhung fast keinen
Einfluss.
Die unterschiedliche Photosyntheseleistung bei Starklicht oder Schwachlicht
zeigt, dass die Photosynthese aus einer photochemischen (temperaturunabhängigen)
und einer biochemischen (temperaturabhängigen) Reaktionsfolge besteht.
Die photochemischen Reaktionen nennt man Primärprozesse oder lichtabhängige
Reaktionen, den zweiten Teil die Sekundärprozesse oder lichtunabhängige
Reaktionen. In den photochemischen Reaktionen werden Stoffe gebildet, die
in den biochemischen Reaktionen verarbeitet werden. Im Starklicht liefern
die photochemischen Reaktionen so viel Substanz, dass davon ausreichend
für die Sekundärprozesse zur Verfügung steht. Die Gesamtreaktion
ist dann temperaturabhängig. Im Schwachlicht wird jedoch nur wenig
Substanz geliefert. Diese Menge begrenzt den Umsatz. So kann auch eine Temperaturerhöhung
keine höhere Photosyntheseleistung bewirken.
Bereitstellung des Reduktionsmittels
Aus der Photosynthesegleichung geht hervor, dass der Wasserstoff im
Kohlenhydrat aus dem Wasser stammt. Wassermoleküle müssen also
gespalten werden. Die Spaltung darf nicht mit der Dissoziation in H+- und
OH- -Ionen verwechselt werden. Stattdessen handelt es sich um eine endergonische,
der chemischen Elektrolyse vergleichbare Zerlegung. Bei der Elektrolyse
wird durch elektrische Energie Wasser in Sauerstoffgas und Wasserstoffgas
zerlegt. Bei der Photosynthese wird zur Zerlegung von Wasser Lichtenergie
eingesetzt. Deshalb spricht man von der Photolyse des Wassers. Es entsteht
auch Sauerstoffgas, aber kein molekularer Wasserstoff. Protonen und Elektronen
gehen im Mechanismus getrennte Wege. Am Ende der Wege werden Protonen und
Elektronen zu Wasserstoffatomen vereinigt, die NADP+ zu NADPH und H+ reduzieren.
NADPH und H+ ist das eigentliche Reduktionsmittel der Photosynthese und
wird in den lichtunabhängigen Prozessen weiterverarbeitet.
Bereitstellung der Reduktionsenergie
Durch die Photolyse und die Reduktion von NADP+ ist bereits ein Teil der
absorbierten Lichtenergie gebunden worden. Daneben findet noch eine weitere
Reaktion statt, in der Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird.
Durch Kopplung an Redoxprozesse kann nämlich ATP gebildet werden. Die
Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat ist eine Phosphorylierung;
den ATP-Aufbau bei der Photosynthese nennt man deshalb Photophosphorylierung.
Mechanismus: Lichtabhängige Reaktionen
Wir beginnen unsere Betrachtung im Photosystem II mit dem Reaktionszentrum P680.
Durch die Aufnahme von Lichtenergie wird das Reaktionszentrum
angeregt (1). Man kennzeichnet den angeregten Zustand mit *P680 (2). Der
Anregungszustand ist energetisch befähigt, ein Elektron auf einen benachbarten
Akzeptor zu übertragen. Dieser wird durch die Elektronenaufnahme reduziert.
Jedoch wird er sofort wieder oxidiert, indem er ein Elektron auf ein anderes
System überträgt. Aufgrund des stetigen Wechsels zwischen oxidiertem
und reduziertem Zustand bezeichnet man ein solches Molekül als Redoxsystem.
Das vom *P680 abgegebene Elektron wandert durch eine ganze Kette von Redoxsystemen
(3). Man nennt eine solche Anordnung eine Elektronentransportkette. Innerhalb
der Kette wird die Neigung zur Elektronenaufnahme von System zu System stärker.
Die Elektronen wandern also in einem Energiegefälle ,,bergab".
Das letzte Redoxsystem der Kette überträgt das Elektron auf das
P700 im Photosystem I.
Die Lichtanregung des P680 und die Elektronenwanderung über die Elektronentransportkette
haben am P680 eine Elektronenlücke geöffnet. Diese Lücke
wird durch Elektronen aus Wasser wieder aufgefüllt. Wassermoleküle
zerfallen durch Dissoziation in Protonen (H+) und Hydroxid-lonen (OH-).
Die Elektronenlücke, die durch die Lichtanregung am Photosystem II
entstanden ist, übt unter Beteiligung von noch nicht erforschten Redoxsystemen
einen Elektronensog aus. Dadurch werden von den Hydroxid-lonen Elektronen
abgetrennt. Die Ionen werden entladen, und es entstehen Hydroxid-Radikale,
die molekularen Sauerstoff abspalten (4). Durch die Lichtenergie wird also
Wasser gespalten (Photolyse).
Das Endglied der Elektronentransportkette zwischen Photosystem II und Photosystem
I ist das Reaktionszentrum P700 im Photosystem I. Das P700 kann aber das
Elektron nur dann aufnehmen, wenn eine Elektronenlücke vorhanden ist.
Wie im Photosystem II wird auch in diesem Reaktionszentrum durch Lichtanregung
eine derartige Lücke geöffnet. Das P700 absorbiert Lichtenergie
und wird angeregt (5). Das angeregt Reaktionszentrum (6) gibt ein Elektron
an ein eisenhaltiges Redoxsystem, das Ferredoxin, ab (7). Das Ferredoxin
überträgt das Elektron auf NADP+ (8). Gleichzeitig reagieren Protonen
(9), und das NADP+ wird zu NADPH und H+ reduziert (10). Dieses geht dann
in die lichtunabhängigen Reaktionen ein (11).
Im Licht existiert ein ständiger Elektronenfluss von den Hydroxid-lonen
zum Photosystem II, von dort zum Photosystem I und schließlich zum
NADP+. Dieser Elektronenfluss verläuft gegen das Energiegefälle
und nicht umgekehrt, weil er ständig durch die beiden ,,Motoren"
der Photosysteme angetrieben wird. Ein Teil der Lichtenergie wird auch noch
zur ATP-Synthese in den Photophosphorylierungen herangezogen. Man unterscheidet
zwei Möglichkeiten. Im ersten Fall ist die ATP-Synthese an die Elektronentransportkette
zwischen Photosystem II und Photosystem I gekoppelt. Dies bezeichnet man
als die nichtzyklische Photophosphorylierung.
Daneben gibt es bei den lichtabhängigen Reaktionen vermutlich noch
eine andere Form der Energiebindung. An ihr ist nur das Photosystem I beteiligt.
Nach der Lichtanregung fließen die Elektronen zum Ferredoxin, von
dort aus jedoch nicht weiter zum NADP+, sondern über Redoxsysteme zurück
zum P700. Dabei wird ATP gebildet. Man spricht von der zyklischen Photophosphorylierung.
Eine Wasserspaltung und eine Reduktion von NADP+ findet dabei nicht statt.
Reduktion von Stickstoff
Alle Organismen benötigen Stickstoff für die Synthese von Aminosäuren
und anderen Verbindungen. Höhere Pflanzen nehmen den Stickstoff als
Nitrat-lon (NO3) auf, also in seiner am höchsten oxidierten Form, während
die Umsetzung im Stoffwechsel nur über das Ammonium-Ion (NH4+), also
die am stärksten reduzierte Form, möglich ist. Die Pflanzen reduzieren
deshalb das Nitrat mit Hilfe mehrerer Enzyme. Die nötigen Elektronen
stammen aus dem Photosystem I der Photosynthese. Als Elektronenüberträger
ist auch hier eine Elektronentransportkette beteiligt. Erstes Redoxsystem
ist wieder das Ferredoxin. In welche Transportkette die Elektronen nun eigentlich
fließen - ob sie also letztlich zur Reduktion des Kohlenstoffs oder
des Stickstoffs dienen sollen- ist von den Stoffkonzentrationen in den beteiligten
Fließgleichgewichten abhängig.
Der reiche Vorrat an Luftstickstoff kann dagegen von den höheren Pflanzen
nicht genutzt werden. Ackerböden verarmen allmählich an Mineralsalzen,
vor allem Stickstoff- und Phosphorsalzen, wenn die Pflanzenprodukte entfernt
und dem Stoffkreislauf entzogen werden. Auch durch den Regen werden Salze
aus dem Boden ausgewaschen. Einige Bakterien, z.B. die Knöllchenbakterien
in den Wurzeln der Schmetterlingsblütler, können Luftstickstoff
binden und in organische Substanzen überführen. Ein an Stickstoffsalzen
verarmter Ackerboden kann durch die Tätigkeit dieser Bakterien regeneriert
werden.
Mechanismus: Lichtunabhängige Reaktionen
Die Produkte der lichtabhängigen Reaktionen werden für die Reduktion
von Kohlenstoffdioxid zu Kohlenhydrat verwendet. Diese Vorgänge sind
lichtunabhängig. Sie wurden von CALVIN mit Hilfe der Autoradiographie
untersucht.
Die lichtunabhängigen Reaktionen bestehen aus drei Abschnitten. Im
1. Schritt wird Kohlenstoffdioxid an einen Akzeptor gebunden. Durch Messung
der Stoffkonzentrationen in belichteten Grünalgen konnte dieser Akzeptor
ermittelt werden. Wenn man nämlich die Kohlenstoffdioxidzufuhr plötzlich
stoppt, wird die Photosynthese unterbrochen. Der Akzeptor häuft sich
an, weil er nicht mehr weiterreagieren kann. Es handelt sich um eine Pentose
mit der chemischen Bezeichnung Ribulose-1,5-diphosphat. Durch die Anlagerung
von Kohlenstoffdioxid entsteht ein instabiles Zwischenprodukt mit sechs
Kohlenstoffatomen. Es zerfällt sofort in zwei Moleküle mit drei
Kohlenstoffatomen. Diese beiden C3-Körper sind 3-Phosphoglycerinsäure.
Im 2. Schritt werden die Produkte der lichtabhängigen Reaktionen verarbeitet.
NADPH und H+ und ATP reduzieren 3-Phosphoglycerinsäure zu Glycerinaldehyd-3-phosphat.
Dieser Schritt ist für die Photosynthese ganz entscheidend, denn mit
dem Glycerinaldehyd entsteht eine Triose, d.h. ein Kohlenhydrat mit drei
Kohlenstoffatomen.
Anschließend können sich zwei Moleküle Triose zu einem Molekül
Hexose vereinigen. Zuerst bildet sich Fructose-1,6-diphosphat, das sich
dann unter Phosphatabspaltung in Glucose umlagert. Jedoch gehen nur 2 von
12 Triose-Molekülen diesen Weg.
Im 3. Schritt wird nämlich der Akzeptor für Kohlenstoffdioxid
rückgebildet. In einer komplizierten Folge von chemischen Reaktionen
wird ein großer Teil des Glycerinaldehyd-3-phosphats dazu herangezogen:
Von 12 Triose-Molekülen werden 10 Moleküle abgezweigt und zum
Aufbau von 6 Molekülen des Akzeptors verwendet. Nach seinem Entdecker
wird dieser Kreisprozess als CALVIN-Zyklus bezeichnet.
Aus der Gesamtbilanz der Photosynthese kann man ableiten, dass für
die Herstellung eines Glucosemoleküls 12 (NADPH und H+) und 18 ATP
benötigt werden. In den lichtabhängigen Reaktionen müssen
demnach 12 Wassermoleküle durch Photolyse zerlegt werden und 24 Elektronen
über die Photosysteme fließen. Dies erfordert insgesamt 48 Lichtanregungsprozesse.
Aus dem Energiegehalt dieser Lichtmenge kann man den photochemischen Wirkungsgrad
der Photosynthese berechnen. Darunter versteht man den Anteil der Lichtenergie,
der im Kohlenhydrat als chemisch gebundene Energie vorliegt. Der Wirkungsgrad
beträgt etwa 30%.
Da jedoch nicht alles Licht, das auf ein grünes Blatt fällt, zur
Anregung von Photosystemen genutzt wird, wird weniger als 1% der absorbierten
Lichtenergie von einem Blatt in chemische Energie umgewandelt. |
