Die Photosynthese ist somit als Lebensgrundlage für (fast) alle Organismen auf der Erde unverzichtbar.
(Einige Mikroorganismen können auch andere Energiequellen ausnutzen, z.b. heiße Vulkan-Quellen im Ozean.)
Die Grundgleichung der Photosynthese ist täuschend einfach:
In dieser Gleichung steht C6H12O6 für einen Zucker (Kohlenhydrat), in den meisten Fällen ist dies Glucose, die von den Organismen in Form von Saccharose oder Stärke gespeichert wird.
Der Mechanismus der Photosynthese ist komplex, und viele Proteine und kleine Moleküle greifen hierbei ineinander. In den
grünen Pflanzen läuft die Photosynthese in den Chloroplasten ab. Das System zur Energieumwandlung (Lichtenergie -->
chemische Energie) ist in die Thylakoidmembran dieser Organellen eingebaut.
Der erste Schritt der Photosynthese besteht in der Lichtabsorption durch Chlorophyll, ein großes Molekül mit vielen Doppelbindungen
und der Form einer Bratpfanne, die ihm das "Einfangen" von Licht ermöglichen. Die durch die Absorption bewirkte Elektronenanregung wird
in einem lichtsammelnden Komplex von einem Chlorophyllmolekül auf ein anderes übertragen, bis ein Chlorophyll mit speziellen
Eigenschaften erreicht ist. In einem solchen Reaktionszentrum wird die Energie des durch Lichtenergie angeregten
Elektrons dann zur Ladungstrennung verwendet. (Das Licht erzeugt also ein Reduktionspotential.)
Die Photosynthese in grünen Pflanzen erfolgt durch zwei Arten von Lichtreaktionen. Das Photosystem I (LHCP I) erzeugt Reduktionsäquivalente
in Form von NADPH. Das Photosystem II (LHCP II) überträgt die Elektronen des Wassers über Pheophytin a auf ein Chinon (QA --> QB) und entwickelt gleichzeitig O2.
Der Elektronenfluß zwischen den Photosystemen erzeugt einen Protonengradienten zwischen den beiden Seiten der Thylakoidmembran,
der - wie bei der oxidativen Phosphorylierung (Atmungskette) - zum Antrieb der ATP-Synthese genutzt wird. Die Photosynthese ist
in vielerlei Hinsicht der Atmungskette sehr ähnlich (nur mit "umgekehrten Vorzeichen"). Der Hauptunterschied zwischen den Prozessen
liegt im Ursprung der energiereichen Elektronen. Bei der Atmungskette entstehen sie bei der Oxidation von Brennstoffen, bei der Photosynthese werden sie durch
Lichtanregung des Chlorophylls gebildet.
Das durch die Wirkung des Lichtes erzeugte NADPH und ATP dient dann zur Reduktion von CO2 und dessen Umwandlung
in 3-Phosphoglycerat; die dabei durchlaufende Reihe von Dunkelreaktionen, die im Stroma der Chloroplasten stattfinden, wird als Calvin-Zyklus bezeichnet.
Aus dem 3-Phosphoglycerat entstehen durch den Stoffwechselweg der Gluconeogenese Hexosen.
Die Begriffe Lichtreaktion bzw. Dunkelreaktion wurden gewählt weil diese Teil-Reaktionen auf der einen Seite "lichtabhängig" (die Lichtreaktion) ablaufen auf der anderen Seite (die Dunkelreaktion) "lichtunabhängig". Beide Reaktionen können gleichzeitig laufen (tagsüber), auch wenn die Sonne scheint.
Diese Chloroplasten sind laut "Endosymbionten-Hypothese" vor Millionen von Jahren durch damals lebende Freßzellen phagocytiert worden, ohne von ihnen verdaut zu werden. Sie wurden vielmehr zu Partnern innerhalb der großen Freßzellen. Die kleinen Chloroplasten lieferten Energie durch Photosynthese und die großen Freßzellen beschützten ihre kleinen "Untermieter". Aus dieser Symbiose entwickelten sich die heute lebenden höheren Pflanzen.
Die Chloroplasten, die Organellen der Photosynthese, besitzen eine typische Länge von 0,5 µm. Wie die Mitochondrien besitzen sie eine äußere und eine innere Membran mit einem dazwischenliegenden Intermembranraum.
Die innere Membran umgibt ein Stroma, das lösliche Enzyme und die Thylakoide enthält, Membranstrukturen, die
die Form abgeflachter Säcke haben (thylakoid= gr., kleines Säckchen). Ein Stapel dieser sackartigen Gebilde wird Granum genannt (sieht aus wie eine Geldstückrolle).
Verschiedene Grana sind durch Thylakoidmembranbezirke verbunden, die man als Stromalamellen bezeichnet. Die Thylakoidmembranen trennen den Thylakoidraum vom Stromaraum.
Chloroplasten besitzen also drei verschiedene Membranen (die äußere, die innere, die Thylakoidmembran)
sowie drei getrennte Räume (den Intermembran-, den Stroma- und den Thylakoidraum).
Bei der Chloroplastenentwicklung enstehen die Thylakoide aus Einstülpungen der inneren Membran, ähnlich wie die Cristae bei
Mitochondrien.
Die Thylakoidmembranen enthalten die Komponenten der Energieumwandlungsmaschinerie:
Die vier Stickstoffatome der Pyrollringe sind mit einem Magnesiumion koordiniert, deshalb wird es zu einem Magnesiumporphyrin
(das Häm im Hämoglobin ist ein Eisenporphyrin). Ein weiteres charakteristisches Merkmal des Chlorophylls ist das Phytol,
ein sehr hydrophober Alkohol mit 20 C-Atomen, der über eine Esterbindung an eine saure Seitengruppe des Chlorophylls gebunden ist.
Mit diesem "Schwanz" ist das Chlorophyll in der Thylakoidmembran verankert.
Das Chlorophyll b unterscheidet sich vom Chlorophyll a durch eine Formylgruppe anstelle einer Methylgruppe an einem der Pyrrolringe.
Diese Chlorophylle stellen sehr wirksame Photorezeptoren dar, da sie ein Netzwerk von abwechselnden (alternierenden) Einfach- und Doppelbindungen enthalten. Solche Verbindungen werden auch als Polyene bezeichnet. Sie besitzen sehr starke Absorptionsbanden im sichtbaren Bereich des Spektrums, wo auch der die Erde erreichende Teil der von der Sonne ausgesandten Strahlen ein Maximum aufweist. (Ein gutes Beispiel für evolutionäre Anpssung, bei einem anderen Sonnenspektrum würde auch das Absorptionsmaxima der Chlorophylle anders verlaufen.)
Die Absorptionspektren der Chlorophylle a und b unterscheiden sich.
Licht, das von Chlorophyll a nur in geringem Maße absorbiert wird - zum Beispiel bei 460 nm -, wird vom Chlorophyll b eingefangen, das bei dieser Wellenlänge eine intensive Absorption besitzt. Damit ergänzen sich diese zwei Chlorophyllarten bei der Absorption des einfallenden Sonnenlichtes. Das Licht des spektralen Bereichs zwischen 500 und 600 nm (grün) wird von diesen Chlorophyllen nur schwach absorbiert, deswegen erscheinen die Blätter auch grün.
Dieses Experiment führte zu dem Konzept der photosynthetischen Einheit. Das Licht wird erst von Hunderten von Chlorophyllmolekülen absorbiert
und dann auf eine Stelle übertragen, an der chemische Reaktionen stattfinden. Das Photon kann an jeder Stelle dieses Pigmentkollektivs
aufgenommen werden, wonach die Anregung zum Zentrum dieser "Sammelfalle" weitergeleitet wird.
Diese Stelle wird als Reaktionszentrum bezeichnet. Die meisten Chlorophyllmoleküle in einer photosynthetischen
Einheit absorbieren Licht, aber nur wenige, nämlich die in den Reaktionszentren, vermitteln die Umwandlung von Licht in
chemische Energie. Der Energiezustand der Chlorophyllmoleküle im Reaktionszentrum ist niedriger als der der anderen, daher kann
das Reaktionszentrum die Anregungsenergie einfangen.
Tatsächlich hängt die Photosynthese sauerstoffentwickelnder Organismen vom Wechselspiel zweier Photosysteme ab.
Das Photosystem I kann durch Licht angeregt werden, dessen Wellenlänge unterhalb von 700 nm liegt, und erzeugt ein starkes Reduktionsmittel, das zur Bildung von NADPH führt.
Das Photosystem II braucht Licht, dessen Wellenlänge unterhalb von 680 nm liegt, und produziert ein starkes Oxidationsmittel, das zur Bildung von O2 führt.
Zusätzlich erzeugt das Photosystem I ein schwaches Oxidationsmittel, das Photosystem II dagegen ein schwaches
Reduktionsmittel;
die Wechselwirkung dieser Substanzen führt zur Erzeugung eines transmembralen Protonengradienten und der
darauf folgenden Synthese von ATP.
Wegen der Nummerierung wäre es logisch nicht mit dem Photosystem II (PS II) zu beginnen sondern mit dem Photosystem I (PS I), da aber das PS II die Quelle für den photosynthetischen Elektronenfluß ist und entwicklungsgeschichtlich (wahrscheinlich) älter ist (denn es weist erstaunliche Übereinstimmungen mit den photosynthetisch aktiven Bakterien auf), wird fast immer das PS II zuerst besprochen.
Das Photosystem II (PS II) ist Bestandteil eines hochgeordneten Membrankomplexes, welcher aus einem Lichtsammlersystem (Antennenkomplex), dem eigentlichen Reaktionszentrum sowie einem sauerstoffproduzierenden Komplex besteht.
1.) Hauptbestandteil des Lichtsammlerkomplexes ist das Lichtsammler-Chlorophyll a,b-Protein II (CP II oder LHCP II):
es handelt sich um einen typischen Chlorophyll-Protein-Komplex, welcher aus mind. 3 fast gleichgroßen Polypeptid-Untereinheiten (26-28 kDa)
besteht. Untersuchungen an Spinat-Blättern haben ergeben, dass etwa 25 Exemplare von LHCP II mit insgesamt 150 Chlorophyllmolekülen
in einem Komplex vorkommen; damit würden etwa 3/4 des Gesamtchlorophylls im Membrankomplex von PS II auf diesen Antennenpigment-Komplex
entfallen.
2.) Von den insgesamt 5 Polypeptiden des photochemischen Reaktionszentrums sind die 2 größten (44-47 kDa [CP-43] bzw. 47-51 kDa [CP-47])
ebenfalls als Chlorophyll-Protein-Komplex identifiziert worden. Dem Reaktionszentrum, welches etwa 20 Moleküle Chlorophyll a enthält, gehört
möglicherweise noch ein Polypeptid (29 kDa) an, welches einige Moleküle Chlorophyll b trägt (seine Funktion ist sicherlich die eines Lichtsammlers).
Ob noch weitere Chlorophyll-Protein-Komplexe dieser Art vorkommen, ist nicht eindeutig zu beantworten.
Das größere Protein (CP-47) gilt als das Herzstück des Reaktionszentrums, es enthält:
Das Photosynthetische Reaktionszentrum von Rhodopseudonomas viridis, welches als "Vorläufermodell" des PS II angesehen werden kann, wurde durch die röntgenkristallographischen Untersuchungen von Deisenhofer, Michel und Huber bis ins atomare Detail dargestellt.
Das Reaktionszentrum besteht aus vier Polypeptiden: den Untereinheiten L (31 kDa), M (36 kDa) und H (28 kDa) und einem Cytochrom.
Das Cytochrom liegt auf der einen Seite der Thylakoidmembran, der größte Teil der H-Untereinheit auf der anderen Seite.
Die L- und M-Untereinheiten sind einander sehr ähnlich: jede enthält fünf Transmembranhelices, die meisten Seitenketten dieser helikalen Segmente sind hydrophob. Vier Moleküle Bakteriochlorophyll b, zwei Moleküle Bakteriopheophytin b, zwei Chinone und ein Eisenion sind nicht kovalent mit den L- und M-Untereinheiten assoziiert.
Bakteriochlorophylle sind den Chlorophyllen ähnlich; bis auf kleine Modifikationen, die ihre Absorptionsmaxima ins nahe Infrarot, bis auf 1000 nm,verschieben.
Allerdings sind alle bekannten Reaktionszentren Dimere von Chlorophyllderivaten, die durch Anregung (Licht) zu einer Ladungstrennung führen.
Die seit längerem bekannte Hemmung des Elektronentransportes in Verbindung mit PS II durch einige in der Landwirtschaft eingesetzte "Unkraut-Vernichter" oder Herbizide (Harnstoffderivate, z.B. DCMU, Triazine) beruht auf einer Verdrängung des Plastochinon QB von seiner spezifischen Untereinheit D 1 durch diese chemisch sehr unterschiedlichen Substanzen.
3.) Der sauerstoffproduzierende Komplex besteht aus drei Polypeptiden (33 kDa, 23-24 kDa, 17-18 kDa), diese
sind nicht in die Thylakoidmembran integriert sondern reichen über die innere Oberfläche der Thylakoidmembran in den Thylakoidraum
hinein.
Das wasserspaltende Peptid enthält in seinem katalytischen Zentrum ein Cluster aus vier Mangan-Ionen. Dieser Mn-Komplex wird
durch das (licht-)angeregte P680 zu einer Sequenz von fünf Oxidationszuständen oxidiert. Dieses Mn-Cluster dient als Ladungsakkumulator;
es ermöglicht die Bildung von Sauerstoff ohne Erzeugung gefährlicher teilweise reduzierender Zwischenprodukte.
 |
Strukturmodell der Thylakoidmembran. Die angegebenen Zahlen entsprechen dem Gewicht der Proteine in kDa. |
Wird das Photosystem II durch Lichtenergie angeregt, überträgt es Elektronen von Wasser auf Plastochinon.
Die durch Licht angeregten Elektronen der Chlorophylle im Lichtsammelkomplex übertragen ihre Energie auf ein Chlorophyll im Reaktionszentrum, das als P680 bezeichnet wird (s.o.), (P680: P bedeutet Pigment, und 680 gibt die Wellenlänge der maximalen Absorption in nm an). Der angeregte Zustand dieses Reaktionszentrums, P680*, ist ein viel stärkeres Oxidationsmittel als der Grundzustand P680. Innerhalb von Picosekunden nach der Anregung wird ein Elektron von P680* auf gebundenes Pheophytin (Ph) übertragen. Das Reaktionszentrum wird zu einem kationischen Radikal, P680+. Ein Großteil der Energie des absorbierten Photons wird in dieser Ladungstrennung konserviert. Das P680+ holt sich sein fehlendes Elektron aus dem wasserspaltenden Komplex und kehrt so in seinen Grundzustand zurück (P680) um erneut angeregt zu werden.
Das Elektron wird dann vom reduzierten Pheophytin auf ein proteingebundenes Plastochinon (QA) und schließlich auf ein zweites Plastochinon (QB) übertragen. Das QA übernimmt abwechselnd ein Elektron vom reduzierten Pheophytin und überträgt es auf QB (Übergang vom 1-Elektronen-carrier zum 2-Elektronen-carrier). An diesem Punkt ist die Energie von zwei Photonen sicher im Reduktionspotential von Plastochinon (QH2) gespeichert.
 |
| Der Weg des Elektrons vom Wasser zum NADP+. Durch die Absorption von Licht durch PS II (P680) und PS I (P700) wird der Elektronenfluss angetrieben. Das von PS II reduzierte Plastochinon (QH2) transportiert Elektronen an den Cytochrom-bf-Komplex. Reduziertes Plastocyanin (PC) trägt Elektronen zum PS I, dieses reduziert Ferredoxin (FD). FD überträgt seine Elektronen auf NADP+. Protonengradienten enstehen durch die Photolyse des Wassers, dem Elektronenfluss durch den Cyt-bf-Komplex und der Reduktion von NADP+.
|
 |
| Dieses ist eine stark vereinfachte Darstellung der Energie liefernden und verbrauchenden Systeme in der Lichtreaktion der Photosynthese. |
Das Plastochinon kommt hier in einem Pool von ca. 7 Molekülen vor, welche die Thylakoidmembran durchsetzen und nicht mehr an Proteine gebunden sind.
Bei Lichtsättigung können maximal vier zur Hydrochinonstufe reduziert sein, so dass der Pool als dynamischer Speicher für 8 Elektronen dient.
Dieser Pool schleust seine Elektronen in eine protonenpumpende Elektronentransportkette (Cytochrom-bf-Komplex) ein, die mit dem Photosystem I verbunden ist.
[bei anderen Autoren findet man andere Werte.]
Der Komplex erstreckt sich durch die ganze Thylakoidmembran. Da sowohl die Cytochrome wie das FeS-Protein nur einzelne Elektronen übertragen, werden beim Übergang von Plastochinon auf den Komplex Protonen frei und zwar auf der Innenseite der Thylakoidmembran, dem so genannten Intrathylakoidraum (dies ist die "Protonenpumpe").Dem vorgegebenen Energiegefälle folgend, besetzt Plastohydrochinon die Bindungsstelle am Qz des Cyt b6/f-Komplex. Der Zwei-Elektron- oder Wasserstofftransport mündet hier in einen Ein-Elektron-Übergang. In zwei Schritten mit Plastosemichinon als Zwischenstufe gelangen die Elektronen über das Fe2S2-Zentrum des Rieske-Proteins zum Cytochrom f; gleichzeitig werden die beiden freigesetzten Protonen in den Intrathylakoidraum abgeführt, dieses führt zu einem Protonengradienten. Cytochrome leiten sich wie die Chlorophylle vom Phorphyrinringsystem ab, doch besitzen sie als Zentralatom des Tetrapyrrolringes kein Magnesium, sondern Eisen. Diese Porphyrin-Eisen-Komplexe sind als prosthetische Gruppen an Proteine gebunden. Bei der Elektronenübertragung durch die Cytochrome macht das Zentralatom einen Wertigkeitswechsel von Fe3+ (oxidiert) zu Fe2+ (reduziert) durch. Diese Fähigkeit zum Valenzwechsel am Eisen und die damit verbundene Aufnahme bzw. Abgabe von Elektronen macht die Cytochrome zu exzellenten biologischen Redoxkatalysatoren mit einem typischen Redoxpotential, dessen Wert eine Abgrenzung einzelner Cytochrome gegeneinander erlaubt.
[Cytochrom f hat seinen Namen von dem lateinischen Wort frons = Laub]
Wichtigste Komponente des Lichtsammlersystems ist das Lichtsammler-Chlorophyll a,b-Protein (LHCP I); welches vermutlich aus vier Protein-Untereinheiten und insgesamt 70 Chlorophyllmolekülen besteht; damit entfallen ca. 40% des Gesamtchlorophylls im Reaktionskomplex auf diesen Antennenpigment-Komplex. Im Vergleich zum LHCP II ist der Anteil an Chlorophyll b niedriger, dafür kommen Carotinoide vor.
Genau wie beim PS II ist auch hier der Primärprozess im Reaktionszentrum eine lichtinduzierten Ladungstrennung.
Von den maximal sechs verschiedenen Polypeptiden des Reaktionszentrums sind nur die beiden größten mit Chlorophyll a assoziiert. Sie bilden den core (Herzstück) und sind entsprechend mit photochemisch aktiven Komponenten ausgestattet:
Pigment 700 (P-700), ist eine spezielle Form des Chlorophyll a, dessen Bezeichnung auf die spezifische Absorption Bezug nimmt.
P700 wird über Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm angeregt und wird so zum P700*. Ein Elektron wird auf ein Akzeptorchlorophyll (A0) übertragen; dabei bilden sich A0- und P700+. A0- ist das stärkste Reduktionsmittel unter den bekannten Biomolekülen.
Das P700+ fängt ein Elektron vom reduzierten Plastocyanin ein und kehrt in den Grundzustand P700 zurück um erneut angeregt werden zu können.
A0- mit seinem Elektron hohen Potentials überträgt dieses zunächst auf A1, einem weiteren Akzeptormolekül, danach auf eine Serie von Fe-S-Zentren im Photosystem I.
Der letzte Schritt ist die Reduktion von Ferredoxin, einem 12-kDa-Protein mit einem Eisen-Schwefel-Cluster. Diese Reaktion findet auf der Stromaseite der Thylakoidmembran statt.
Die Elektronen von zwei Molekülen Ferredoxin werden dann auf NADP+ übertragen. Diese Reaktion wird von einer Reduktase katalysiert, einem Flavoprotein mit einer prosthetischen FAD-Gruppe.
Die Aufnahme eines Protons bei der Reduktion des NADP+ zu NADH trägt ebenfalls zur Erzeugung eines Protonengradienten über die Thylakoidmembran bei (Innenseite ist sauer).
Nettoreaktion der Photosynthese (PS II, Cyt bf, PS I):
Licht bewirkt einen Elektronenfluß vom Wasser zum NADPH und führt zur Erzeugung eines Protonengradienten. Dieser Weg wird als Z-Schema der Photosynthese bezeichnet, da das Redoxdiagramm von P680 zu P700+ wie ein Z aussieht.
 |
| ATP-Synthase der Chloroplasten. Besteht aus transmembraler CF0-Einheit und der katalytischen CF1-Einheit auf der Stromaseite der Thylakoidmembran. |
CF1 hat die Untereinheitenstruktur α3β3γδε. Die α- und β-Untereinheiten enthalten die Bindungs- und Katalysezentren für ATP und ADP. Die δ-Untereinheit bindet CF1 an CF0 und die γ-Untereinheit kontrolliert den Protonenfluss. Die ε-Untereinheit hemmt im Dunkeln eine unnötige Hydrolyse des ATP's.
Der Elektronentransfer durch die PS I, Cyt-bf-Komplex und PS II erzeugt einen großen Protonengradienten von der einen zur anderen Seite der Thylakoidmembran.
 |
| Durch die lichtinduzierten Protonenpumpen und der Photolyse des Wassers wird der Innenraum sauer (innen pH:4, aussen pH:7,5 =|3,5|). Der Protonenfluß durch CF0 zur Stromaseite führt zur Synthese von ATP durch CF1. Auch NADPH entsteht auf der Stromaseite. |
In den Chloroplasten stammt die protonenmotorische Kraft Δp fast ausschließlich vom pH-Gradienten (in den Mitochondrien ist der Beitrag des Membranpotentials höher).
Ein pH-Gradient von 3,5 Einheiten reicht aus um mittels der ATP-Synthase, für 3 H+ die durch diese wandern, 1 ATP zu synthetisieren.
Die CF1-Einheit befindet sich auf der Stromaseite (aussen) der Thylakoidmembran, so dass neusynthetisiertes ATP im Stromaraum freigesetzt wird, auch das vom PS I produzierte NADPH verbleibt hier. Die Produkte der Lichtreaktion der Photosynthese - ATP und NADPH - sind somit an der richtigen Stelle um in die Dunkelreaktion einzugehen.
C4-Pflanzen haben eine besondere Art der CO2-Fixierung entwickelt.
Hier ist die Kohlenstofffixierung der C4-Pflanzen den CAM-Pflanzen gegenübergestellt.
Hier eine grafische Zusammenfassung der Photosynthese.
to be continued