am Puls Biologie 5, Schulbuch

51 Zellstoffwechsel Der Elektronentransport in der Lichtreaktion In der Lichtreaktion spielt die Fähigkeit, Elektro- nen leicht abgeben und sie an ein anderes Mole- kül übertragen zu können, eine wichtige Rolle. Man nennt ein Molekül mit dieser Fähigkeit ein gutes Reduktionsmittel . Ein solches hat ein ne- gatives Redoxpotenzial . Umgekehrt nennt man ein Molekül mit einer starken Sogwirkung für Elektronen ein gutes Oxidationsmittel . Ein be- stimmtes Molekül kann nun entweder ein gutes Oxidations- oder ein gutes Reduktionsmittel sein, aber nicht beides zugleich. Genau aus diesem Grund ist das Zusammenwirken der Fotosysteme I und II in der Lichtreaktion so effektiv. Betrachten wir nun das Fotosystem II ( k Abb. 13): Die Elektronen des zentralen Chlorophyllmole- küls P 680 werden durch Lichtenergie angeregt, dadurch wird dieses Molekül zu einem hervorra- genden Reduktionsmittel. Dies bedeutet, dass es nun sehr viel leichter Elektronen abgeben kann. (Sein Redoxpotenzial wird negativer, P 680 rutscht auf der y-Achse nach oben k Abb. 13.) Diese an- geregten Elektronen können nun an Moleküle in der Elektronentransportkette übertragen wer- den. Sie fließen energetisch „bergab“ entlang dieser Transportkette, bis sie das Chlorophyll- molekül des Fotosystems I P 700 erreichen. Dort werden sie noch einmal durch Lichtenergie an- geregt und schließlich, wiederum energetisch bergab, auf das Molekül NADP + übertragen. Zeichnet man die Redoxpotenziale der am Elekt- ronentransport beteiligten Moleküle auf, so ergibt sich ein „Z“, daher heißt dieses Schema Z-Schema ( k Abb. 13). Dieses Schema wurde 1960 vom englischen Biochemiker Robert Hill 1 publi- ziert. Die Elektronen, die weitergereicht werden, stam- men aus dem Wasser. Dieses gibt aber seine Elektronen nicht einfach so her. Um vom Wasser ein Elektron zu „stehlen“, wird ein starkes Oxida- tionsmittel benötigt. Genau diese Eigenschaft hat das Chlorophyll P 680 im Fotosystem II mit seiner nun entstandenen Elektronenlücke. Die Elektronen von Wasser füllen diese Elektronen- lücke auf. Vom Wassermolekül, das zwei Elektro- nen abgegeben hat, bleiben 2H + und ½ O 2 übrig ( k Abb. 13). Die Elektronen des Chlorophylls werden durch Lichtenergie angeregt und weitergereicht Beim Elektronentransport entsteht bereits ATP Die Lichtreaktion schafft das unglaubliche Kunst- stück, dem stabilen Wassermolekül Elektronen zu entziehen und diese letztlich ans NADP + weiter- zureichen. Zusätzlich entsteht bei dieser Reakti- on, angetrieben durch das Sonnenlicht, auch noch Energie in Form von ATP! Denn während des Flusses der Elektronen „bergab“ in der Elekt- ronentransportkette entsteht an der Thylakoid- membran ein H + -Konzentrationsunterschied : Es befinden sich weit mehr H + -Ionen an der Innen- seite der Thylakoidmembran als an der Außen- seite. Einerseits entstehen H + -Ionen bei der Was- serspaltung. Andererseits werden H + -Ionen beim Elektronentransport in der Thylakoidmembran aktiv in das Thylakoidinnere gepumpt. Der Über- schuss von H + -Ionen an der Innenseite wird dazu genutzt, ATP herzustellen. Der Prozess der Synthese von ATP an der Membran verläuft ähnlich wie in den Mitochondrien (siehe S. 58). Bei den Lichtreaktio- nen entsteht außer- dem bereits ATP Stoff- und Energieumwandlung In der lichtunabhängigen Reaktion wird CO 2 fixiert Die Moleküle NADPH und ATP, die in den Licht- reaktionen entstehen, speichern einen Teil der Energie des Sonnenlichts. Aber wie kann mithilfe dieser Energie das energiearme CO 2 in Zucker umgewandelt werden? Das Molekül CO 2 ist, wie Wasser, sehr stabil und nimmt nicht einfach Elektronen auf. Es blieb lan- ge Zeit ein Rätsel, wie das anorganische CO 2 es überhaupt in die Welt der organischen Verbin- dungen schafft. Dazu braucht es ein Molekül, das dem CO 2 die weiteren Elektronen aufzwingt. Mit dem NADPH, das bei den Lichtreaktionen entstanden ist, und das ein außerordentlich gutes Reduktionsmittel ist, wurde nun genau so ein Molekül hergestellt. Im lichtunabhängigen Teil der Fotosynthese wird durch NADPH und ATP die notwendige Energie in chemischer Form bereitgestellt. Man nennt diese Umwandlung von CO 2 in organische Verbindun- gen CO 2 -Fixierung. Die Energie für die Fixierung von CO 2 stammt aus den Lichtreaktionen. Glossar 1 Robert Hill: Englischer Biochemiker, 1899– 1991. Neben dem Z-Schema ist er außerdem für die Entdeckung der Hill-Reaktion bekannt, mit der er gezeigt hat, dass Sauerstoff als Nebenprodukt der Lichtreaktionen bei der Fotosynthese entsteht. Basiskonzept Stoff- und Energieumwandlung: In der Lichtreaktion der Fotosynthese wird die Energie des Sonnenlichts in chemische Ener- gie umgewandelt. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv