Pflanzenphysiologie an der Leibniz Universität Hannover

Blätter als besondere Organe für die Photosynthese

• Gasaustausch
• Lichtsammlung
• Stofftransport
• vaskuläres Bündel mit Xylem und Phloem

1. Lichtreaktion
   1. Energetische Umwandlung
   2. Lichtangetriebener Elektronentransport vom H2O zum NADP+
   3. erzeugt Protonengradienten über Thylakoidmembran -> Nutzung für ATP-Synthese
2. Dunkelreaktion
   1. Chemische Umwandlung
   2. baut organische Kohlenstoffverbindungen aus anorganischem CO2 auf
   3. nutzt chemische Energie aus Produkten der Lichtreaktion

• erste O2 produzierende Bakterien -> vorher kein Sauerstoff vorhanden
• konstant niedriger Sauerstoffgehalt zu Beginn (in Wasser enthaltenes Eisen oxidiert)
• oxygen disaster: erstes Massenaussterben, da viele Organismen nicht an sauerstoffhaltige Atmosphäre angepasst
• Eukaryoten; Aufnahme aerobes Proteobakterium (Simbios -> Mitochondrium), zusätzlich Aufnahme Cyanobakterium (Chloroplasten)

• Chlorophylle a und b
  • Porphyrin-Ring (hydrophil), 5 Ringe
    • Chlorophyll a an Ring II Methylgruppe
    • Chlorophyll b an Ring II Aldehydgruppe
  • Phytol (lipophil), Verankerung in Membran
• Carotinoide
  • Übernahme und Ableitung überschüssiger Energie
  • offenkettig, 2 endständige Ringsysteme
• System von konjugierten Doppelbindungen für Lichtabsorption

• a: max bei 430nm und 660nm
• b: max bei 450nm und 630nm
• Grünlücke: Bereich des grünen Sonnenlichts wird nicht absorbiert

• Lichtquanten der Photonen regen Elektronen im System der konjugierten Doppelbindungen an
  • angeregtes Pigment (Exciton) ist eine Million mal stabiler als Photon)
  • Exciton kann Energie weitergeben

1. Wärme
2. Fluoreszenz
3. Energietransfer auf andere Pigmente
4. Ladungstrennung (erster Schritt Photosynthese, Elektron mit extra Energie kann von Chlorophyllmolekül auf anderes Molekül übertragen werden)

• Verschiebung des Absorptionsspektrums durch Assoziation mit Proteinen (Lhcb)
• Weiterleitung der Energie in der Antenne zum special pair im Reaktionszentrum
  • spacial pair = Paar von Chlorophyll a-Molekülen
  • nur im Reaktionszentrum (special pair) P680 Ladungstrennung
• Zwischen den Proteinstrukturen sind die Chlorophylle in spezifischer Lage zueinander angeordnet

1. Anregung durch das Licht
2. Übertragung auf Chlorophyll a
3. Ladungstrennung und Elektronenübertragung auf Phaeophytin (Chlorophyll ohne Mg2+ im Zentrum, erster Elektronenakzeptor) und dann Plastochinon A (erster stabiler Elektronenakzeptor)
4. Auffüllen der Elektronenlücke
   1. durch Entnahme von Elektronen aus Wasser
   2. 4 Protonen nötig -> Wasserspaltungsapparat

• lokalisiert in Thylakoidmembran
• Elektronentransportkomplexe
• Elektronen aus Wasser über Carrier zu Endakzeptor NADP+
• Start bei Photosystem II
  • über internen Carrier Plastochinon mit Cytochrom b6F-Komplex verbunden
• Cytochrom b6F über mobiler Redoxprotein mit Photosystem I verbunden
• Photosystem I überträgt Elektronen auf Ferredoxin auf spezieller Enzym FNR
  • FNR außen an Thylakoidmembran assoziiert
  • überträgt final Elektronen auf NADP+

1. PS II: Lichtabsorption hv, Ladungstrennung entsteht, Elektron aus Wasser wird auf Plastochinon übertragen (2x)
2. Von Plastochinon werden 2 Protonen aus Stroma aufgenommen, gleichen negative Ladung aus -> Diffusion durch Membran
3. An Cytochrom b6F dockt Plastochinon an und gibt Elektronen und 2 Protonen ab
4. Elektronen wandern über Redoxcofaktoren durch Cytochrom b6F und auf Plastocyanin
   1. PC=lösliches Lumenprotein, trägt Kupferkomplex
   2. kann nur ein Elektron aufnehmen
5. zweites Elektron wandert über Cozyklus zurück zu Plastochinon
6. reduziertes Plastocyanin transportiert Elektron über Diffusion zu PS I, dockt auf luminarer Seite an, gibt Elektron an Reaktionszentrum PS I ab
7. PS I nimmt Elektron auf nachdem durch Lichtabsorption Ladungstrennung stattgefunden hat -> Elektron auf höheres höheres energetisches Niveau gehoben
8. Elektronen können jetzt Ferredoxin reduzieren (Ferredoxin = Stromaprotein, transportier Elektron zur FNR)
9. FNR (Enzym) überträgt final Elektronen auf NADP+ -> NADPH

•  Neigung einer Substanz zur Elektronenaufnahme
• Elektronen wandern spontan vom negativeren zum positiveren Redoxpotential
• Z-Schema

• Lichtabhängige Phosphorylierung
• Energiegewinn durch Nutzung des Protonengradienten über Thylakoidmembran
• Protonmotorische Kraft genutzt
  • in Membrananker beweglicher Protonenkanal
  • Wassermühle für Protonen, dreht sich, in Kopfteil sitzt ATP-Synthase, Konformationsänderung
  • ADP+P -> ATP
  • ca. 4 H+ -> 1 ATP

• physiologischer Prozess, der Lichtenergie in chemisch nutzbare Energie umwandelt
• Pflanzen, Algen, diverse Bakterien
• komplementärer Prozess zur Respiration
• alle nicht-photosynthetischen Organismen hängen energetisch von den photosynthetischen ab
• Photosynthese als Basis für die energetische Versorgung der Biosphäre der Erde