Biologie 1

• Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie durch Organismen
• Aufbau energiereicher organischer Materie aus energieärmerer anorganischer Materie mit Hilfe von Lichtenergie
• Zentraler Prozess im globalen Ökosystem
  

• legen in Mesophyllzellen (Blattinnern) vor 
• besitzt ei nStroma (dickflüssiger Inhalt der Chloroplasten) und Thylakoide (Membransäckchen) 

• Photosynthese stellt Umkehrung der Zellatmung dar. 
• Unter Einfluss von Licht wird aus Kohlendioxid und Wasser organisches Material und Sauerstoff produziert 

• Lichtreaktion (in Thylakoidmembran) --> Sonnenergie dient zur Produktion von ATP und NADH (Photophosphorylierung) 
• Calvin-Zyklus/Dunkelreaktion (im Stroma) --> ATP liefert die chemische Energie damit CO2 in organische Moleküle eingebaut werden kann (Kohlenstoff-Fixierung), welche dann in Zucker umgewandelt werden 

• Licht ist essentiel für Leben --> sichtbares Licht: 380-750nm
• Je kürzer die Wellenlänge desto grösser die Energie
• Blaues und rotes Licht sind in der Photosynthese am wirksamsten --> Chloroplasten schlucken/ absorbieren dieses Licht --> grünes Licht wird von den Pigmenten reflektiert --> Blätter erscheinen grün 

Membrangebundener Lichtsammelkomplex: 

• setzte isch aus verschiedenen Farbstoff- bzw. Pigmentmolekülen (Chlorophyll a, Chlorophyll b und Carotinoiden) zusammen, die an Proteine gebunden sind 
• grosse Zahl und VIelfalt der Pgimentmoleküle --> grössere Oberfläche --> Licht kann über einen breiten Wellenlängenberiech eingefangen werden 
• Energie wird bis zu zwei ganz bestimmten Chlorphyll- a- Molekülen weitergleietet --> Nur hier findet Photosyngthese im Reaktionszentrum statt 

Mit Sonnenergie werden in der Lichtreaktion ATP (chem. Energie) und NADPH (Reduktuonsmittel im Calvin- Zyklus) regeneriert

• Primärer Elektronenakzeptor: Chlorophyll-a- Paar (P700 & P680) verliert in einer Redoxreaktion
• Elektronen Licht (Photon) regt Elektron in höheres Energieniveau & prim. Elektronenakzeptor fängt es ein
  --> Jedes Photosystem besteht aus einem Reaktiopnszentrum mit Chlorphyll-a-Paar udn einem prim. Elektronenakzeptor, umgeben von Antennenkomplex 

1. Licht (Photon) trifft auf Farbstoffmolekül  --> hebt ein Elektron in eine energetisch höherwertigen angeregten Zustand --> Energieübertrag bis zum P680

2. Vom P680 werden Elektronen auf den primären Elektronenakzeptor übertragen (P680 --> P680+)

3. Wasserspaltender Komplex entzieht einem Wassermolekül zwei Elektronen (Photolyse - >Freisetzung von O2) und überträgt sie auf P680+ (P680+ --> P680)

4. Elektronentransportkette vom Photosystem II zu Photosystem I

5. Elektronen passieren Elektronentransportkette --> Protonen werden durch Membran gepumpt --> Produktion von ATP --> Chemiosmose

6. Licht (Photon) trifft auf Farbstoffmolekül --> hebt ein Elektron in eine energetisch höherwertigen angeregten Zustand --> Energieübertrag bis zum P700 welches Elektronen an den Elektronenakzeptor abgibt (P700 -->  P700+)

7. P700+ wird durch Elektronen von der Elektronentransportkette wieder reduziert (P700+ --> P700)

8. Elektronen werden vom Elektronenakzeptor auf Ferredoxin (Fd) übertragen

9. Reoxidation des reduzierten Ferrodoxins durch NADP+ zu NADPH --> dafür sind zwei Elektronen und ein Proton erforderlich

• Im energetisch angeregten PhotosystemII wird Wasser in 2 H und 1 O gespalten, wobei der Sauerstoff als «Abfall» ausgeschieden wird.
• Durch die Elektronentransportkette wird ein Protonengradient (innen mehr H+ als aussen) geschaffen, der zur Produktion von ATP verwendet wird.
• Danach wird im PhotosystemI Elektronen auf Ferredoxin übertragen was in einem weiteren Schritt dazu verwendet wird aus NADP+ und H+ (Nicotinamid-Adenin- Dinucleotid-Phosphat) das energiereichere NADPH zu bilden.
• Dazu werden auch die H+ aus der Wasserspaltung gebraucht.

• Kohlenstoff gelangt in Form von CO2 in Zyklus
• Kohlenhydrat Glycerinaldehyd-3-Phosphat (G3P) entsteht (3C-Atome) -->  Für ein Zucker (Glucose) Molekül muss Zyklus 3 Mal ablaufen
• Zyklus besteht aus 3 Phasen:

1. Kohlenstofffixierung
2. Reduktion
3. Regeneration des CO2-
Akzeptors (RuBP)

• Lichtreaktion hält Calvin-Zyklus durch kontinuierliche Anlieferung von ATP und NADPH aufrecht

• CO2 Fixierung mit RubisCO  --> C3 Pflanzen (Bsp. Reis, Weizen, Sojabohne) --> Nachteil: an heissen Tagen wird Spaltöffnung geringer --> Wasserverlust und Aufnahme von CO2 geringer--> weniger Zucker wird produziert
• Optimierter Calvin-Zyklus bei C4 und CAM-Pflanzen
• C4-Pflanzen: z.B. Zuckerrohr, Mais, Gräser
• CAM-Pflanzen:  z.B. Kakteen, Ananas
• CAM: Crassulaceensäure-Stoffwechsel

• Enzym PEP-Carboxylase: erheblich höheren CO2-Affinität als RubisCO  -->auch geringe Mengen CO2 können verwendet werden.
• Andere Blattanatomie: räumliche Trennung der CO 2-Fixierung (Mesophyllzellen) und Einführung in den Calvinzyklus (Bündelscheidenzelle)
• In Chloroplasten der Mesophyllzellen wird durch die PEP-Carboxylase CO 2 an PEP (Phosphoenolpyruvat) gebunden --> Oxalacetat entsteht --> Dieses wandert als Malat in Chloroplasten und zerfällt dort in Pyruvat und CO 2 -->Bildung von NADPH + H+ -->CO2 in Calvinzyklus eingeschleust

• CAM-Pflanzen können Spaltöffnungen nur nachts öffnen.
• Nachts sind Spaltöffnungen geöffnet und Pflanzen nehmen CO 2 auf --> wird an Phosphoenolpyruvat (PEP) gebunden --> über Oxalacetat zu Malat umgewandelt --> als Äpfelsäure in der Vakuole aktiv gespeichert--> Dieser Vorgang tritt nur nachts auf
• Tagsüber diffundiert Malat ins Cytoplasma --> unter CO 2- und NADPH+H+ -Abgabe zu Pyruvat umgewandelt --> Umwandlung von Pyruvat zu PEP unter Verbrauch von ATP und Pi zu AMP und PPi --> das so freigesetzte CO 2
   wird Calvin- Zyklus zugeführt.
  

• C4 und CAM Mechanismus sind zwei entwicklungsgeschichtliche Lösungen des Problems, Photosynthese und CO2- Assimilation bei teilweise oder vollständig geschlossenen Spaltöffnungen an heissen, trockenen TRagen dennoich weiterlaufen zu lassen 

1.  Die Lichtreaktionen (in den Thylakoiden)    

• -spalten H2O    
• -setzen O2 frei    
• -reduzieren NADP+ zu
• NADPH    
• -bilden ATP aus ADP durch
    Photophosphorylierung 

2.  Der Calvin-Zyklus (im Stroma) bildet Zucker aus CO2 und nutzt ATP und NADPH

1. Kohlenstofffixierung:

3 CO2 kommen in Zyklus, C wird von RubisCo in organisches Molekül fixiert.

2. Reduktion:

ATP und NADPH werden gebraucht um 3 C6-Moleküle zu 6 C3-Moleküle zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat zu reduzieren.

3. Regeneration:

Die restlichen 5 C3-Moleküle werden mit ATP zu Ribulose-1,5-Bisphosphat (C5) regeneriert. 

Energieträger kommen immer wieder aus Lichtreaktion!!

Es braucht 6 CO2 Moleküle für 1 Zuckermolekül. Durchgang muss 2 mal gemacht werden.