Protonengradient und Photophosphorylierung
Wie der photosynthetische Elektronentransport über einen Protonengradienten an der Thylakoidmembran ATP liefert und worin sich zyklischer und nichtzyklischer Elektronenfluss unterscheiden.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Photophosphorylierung ist die lichtgetriebene ATP-Bildung im Chloroplasten, gekoppelt über einen Protonengradienten an den Elektronentransport (chemiosmotische Kopplung).
- Photolyse und Plastochinon bringen Protonen ins Thylakoidlumen (etwa pH 5), das Stroma bleibt bei etwa pH 8.
- Protonen fließen über die ATP-Synthase vom Lumen ins Stroma zurück, dabei entsteht ATP aus ADP und \(\mathrm{P_i}\), nicht in den Reaktionszentren.
- Am nichtzyklischen Weg sind PS II, Plastochinon, PS I und \(\ce{NADP+}\) beteiligt, er liefert ATP und NADPH.
- Beim zyklischen Elektronenfluss arbeitet nur PS I (P700), es entsteht nur ATP und kein NADPH.
Worum es geht
Die Lichtreaktion liefert dem Calvin-Zyklus zwei Dinge: NADPH und ATP. Dieses ATP entsteht nicht direkt durch Licht, sondern über einen Umweg aus Protonen. Dieses Prinzip der Energieumwandlung kennst du schon aus dem Mitochondrium.
Chemiosmotische Kopplung
Der photosynthetische Elektronentransport setzt Energie frei. Die Pflanze nutzt sie, um Protonen über die Thylakoidmembran zu schaffen. Ziel ist das Thylakoidlumen, der flüssigkeitsgefüllte Innenraum der Thylakoide. Zwei Quellen füllen es mit \(\ce{H+}\): Die Photolyse des Wassers setzt Protonen direkt im Lumen frei. Außerdem nimmt Plastochinon auf der Stromaseite Protonen auf und gibt sie am Cytochrom-b6/f-Komplex ins Lumen ab.
So entsteht ein Protonengradient. Das Lumen erreicht etwa pH 5, das Stroma etwa pH 8. Die Energie des Elektronenflusses steckt jetzt in diesem Gefälle, ähnlich wie Wasser hinter einem Staudamm.
Den Rückweg bietet nur die ATP-Synthase der Thylakoidmembran. Ihr katalytischer Kopf ragt ins Stroma. Strömen Protonen durch sie vom Lumen zurück ins Stroma, dreht sich das Enzym und verknüpft ADP mit Phosphat:
\[\ce{ADP + P_i -> ATP + H2O}\]
Diese lichtgetriebene ATP-Bildung heißt Photophosphorylierung. ADP ist dabei Cosubstrat. Das ATP entsteht also auf der Stromaseite an der ATP-Synthase und nicht in den Reaktionszentren der Photosysteme.
Der Elektronentransport und die ATP-Synthese sind nicht direkt verbunden. Ein Protonengradient über eine Membran koppelt beide Vorgänge.
Dieser Examensklassiker verlangt die genaue Richtung: Protonen werden ins Thylakoidlumen gepumpt und fließen über die ATP-Synthase ins Stroma zurück. Achte darauf, dass die ATP-Synthese an der ATP-Synthase stattfindet und nicht in den Reaktionszentren.
Das Prinzip gleicht der oxidativen Phosphorylierung im Mitochondrium. Diese gehört aber zur Zellatmung und ist kein Teil der Photosynthese. Im Mitochondrium gelangen die Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum, der Kopf der ATP-Synthase zeigt in die Matrix. Im Chloroplasten entspricht das Stroma der Matrix.
Zyklisch und nichtzyklisch
Beim nichtzyklischen Weg fließen die Elektronen linear vom Wasser zum \(\ce{NADP+}\). Beteiligt sind Photosystem II mit P680, Plastochinon, Cytochrom-b6/f, Photosystem I mit P700 und Ferredoxin. Elektronenakzeptor ist \(\ce{NADP+}\), nicht \(\ce{NAD+}\).
Beim zyklischen Elektronenfluss arbeitet nur Photosystem I. Die Elektronen kehren von Ferredoxin zum Plastochinon-Pool zurück. Über Cytochrom-b6/f gelangen sie wieder zu P700. Dabei werden weiter Protonen ins Lumen gepumpt, deshalb entsteht ATP. Ein NADP wird dabei aber nicht reduziert.
- PS II und PS I
- Wasser als Elektronenquelle, \(\ce{O2}\) entsteht
- Produkte: ATP und NADPH
- nur PS I (P700)
- Elektronen kreisen, kein \(\ce{O2}\)
- Produkt: nur ATP
Der zyklische Weg gleicht den ATP-Bedarf aus, wenn der Calvin-Zyklus mehr ATP als NADPH verbraucht. Atmungskette und Citratzyklus arbeiten im Mitochondrium und haben mit diesem Kreislauf nichts zu tun.
Quiz
Aussage 1
Das photosynthetisch gebildete ATP entsteht an der ATP-Synthase auf der Stromaseite der Thylakoidmembran.
Der Kopf der ATP-Synthase ragt ins Stroma. Die Reaktionszentren der Photosysteme bilden kein ATP.
Aussage 2
Bei der Photophosphorylierung strömen Protonen durch die ATP-Synthase vom Stroma in das Thylakoidlumen.
Die Richtung ist umgekehrt: Protonen werden ins Lumen gepumpt und fließen über die ATP-Synthase vom Lumen ins Stroma zurück.
Aussage 3
Beim zyklischen Elektronenfluss wird \(\ce{NADP+}\) zu NADPH reduziert.
Die Elektronen kehren von Ferredoxin zum Plastochinon zurück. Es entsteht nur ATP, NADP wird nur im nichtzyklischen Weg reduziert.
Aussage 4
An der zyklischen Photophosphorylierung ist nur Photosystem I mit dem Reaktionszentrum P700 beteiligt.
Photosystem II mit P680 arbeitet nur im nichtzyklischen Weg mit.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.