Photophosphorylierung und Energieniveauschema

Die Photophosphorylierung ist ein zentraler Prozess in der Lichtreaktion der Photosynthese, bei dem ATP durch den Aufbau und Ausgleich eines Protonengradienten gewonnen wird.

Definition: Die Photophosphorylierung ist der Prozess der ATP-Synthese, der durch Lichtenergie angetrieben wird.

Es gibt drei Hauptmechanismen zur Anreicherung von Protonen im Thylakoidinnenraum:

1. Der azyklische Elektronentransport fungiert wie eine Pumpe, die Protonen aus dem Stroma in den Thylakoidinnenraum befördert.
2. Bei der Photolyse des Wassers werden Protonen im Thylakoidinnenraum freigesetzt.
3. NADP+ entnimmt Elektronen aus dem Stroma, was die Protonenkonzentration dort verringert und den Konzentrationsunterschied zwischen Innen- und Außenraum erhöht.

Highlight: Der Zweck dieser Prozesse ist die Gewinnung von ATP durch den Ausgleich des Protonengradienten, wobei Protonen freiwillig ins Stroma fließen.

Das Energieniveauschema der Elektronentransportkette veranschaulicht die energetischen Zustände der Elektronen während des Transports. Es zeigt, wie die Lichtenergie die Elektronen auf ein höheres Energieniveau anhebt und wie diese Energie schrittweise abgegeben wird, um ATP und NADPH zu produzieren.

Vocabulary: Das Z-Schema ist eine grafische Darstellung des Energieniveauschemas der Elektronentransportkette in der Photosynthese.

Im Schema sind sowohl der zyklische als auch der nicht-zyklische Elektronentransport dargestellt. Der zyklische Elektronentransport verläuft in einer Schleife um das Photosystem I, während der nicht-zyklische Elektronentransport von Wasser über beide Photosysteme bis zum NADP+ führt.

Example: Im Energieniveauschema sieht man, wie die Elektronen vom Wasser (H2O) über verschiedene Redoxsysteme bis zum NADP+ transportiert werden, wobei sie schrittweise Energie abgeben.

Die unterschiedlichen pH-Werte im Stroma (pH 8) und im Thylakoidinnenraum (pH 5) verdeutlichen den aufgebauten Protonengradienten, der für die ATP-Synthese genutzt wird.

Elektronentransport in der Lichtreaktion

Die Lichtreaktion der Photosynthese beinhaltet verschiedene Elektronentransportprozesse, die zur Energiegewinnung und Reduktionsmittelproduktion dienen. Der nicht-zyklische (lineare) Elektronentransport und der zyklische Elektronentransport sind dabei von zentraler Bedeutung.

Definition: Die Lichtreaktion der Photosynthese umfasst die lichtabhängigen Prozesse, bei denen Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird.

Der nicht-zyklische Elektronentransport beginnt mit der Photolyse des Wassers am Photosystem II. Die dabei freigesetzten Elektronen werden über eine Elektronentransportkette zum Photosystem I und schließlich auf NADP+ übertragen.

Highlight: Der Hauptzweck des nicht-zyklischen Elektronentransports ist die Herstellung von NADPH+H+ als Reduktionsäquivalent und ATP als Energieäquivalent für die Sekundärreaktion (Calvin-Zyklus).

Der zyklische Elektronentransport involviert nur das Photosystem I. Hierbei werden Elektronen vom angeregten Photosystem I auf Plastochinon übertragen und über weitere Redoxsysteme zurück zum Photosystem I transportiert.

Vocabulary: Plastochinon ist ein Elektronenüberträger in der Thylakoidmembran, der am Elektronentransport beteiligt ist.

Die Bilanzgleichung der Lichtreaktion lautet: 12 H2O + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi → 6 O2 + 12 NADPH/H+ + 18 ATP

Example: Bei der Fotolyse des Wassers werden Wassermoleküle gespalten: H2O → 2 H+ + ½ O2 + 2 e-

Die Photophosphorylierung ist ein wichtiger Prozess zur ATP-Produktion. Dabei wird ein Protonengradient zwischen Stroma und Thylakoidinnenraum aufgebaut, der zur ATP-Synthese genutzt wird.