Biochemie des lichtgetriebenen Energiestoffwechsels

Question 1

Lichtgetriebenen Energiekonservierung:

Answer 1

Photosynthetische Lichtreaktionen
o Antennen
o Reaktionszentren

Lichtgetriebene Protonenpumpen
o Bakteriorhodopsin (kommt aber nur in Haloarchaea vor)
o Proteorhodopsin

Question 2

Antennen als Lichtsammler

Answer 2

• Antennen = Ansammlung von Pigmenten, die als Lichtsammelkomplexe dienen und Lichtenergie zu Reaktionszentren leiten
• Antennenarten: Phycobilisomen, „light-harvesting“-Komplexe, Chlorosome

Question 3

Phycobilisomen (in bspw. Cyanobakterien)

Answer 3

o Große Protein komplexe, bei dem Phycoerythrin und Phycocyanin (PC)von 3
Allophycocyanin (AP) umgeben sind
o Phycocyanin absorbiert bei höheren Energien (kürzeren Wellenlängen) als AP
o Chlorophyll a absorbiert bei niedrigeren Energien (längere Wellenlängen) als AP

Energiefluss: PC -> AP -> Chla von PS II

Question 4

„light harvesting“- Komplexe bei Purpurbakterien und grünen Nicht-Schwefelbakterien (LH)

Answer 4

o LH I + II (bei Nicht-Schwefelbakterien nur LH I)

o Energiefluss: LH II -> LH II -> LH I -> RC

o Bei Nicht Schwefelbakterien: Chlorosom -> LH -> RC

Question 5

Chlorosome (grüne Bakterien)

Answer 5

= intrazelluläre Organelle, die eng an der Cytoplasmamembran anliegen, eine Basisplatte dient als Verbindungsglied

Im Inneren eines Chlorosoms sind Antennenbakteriochlorophyll (Bchl) in röhrenförmigen Verbänden aufgereiht

Eingefangen und in elektronische Anregungszustände verwandelte Lichtenergie wird
von Bchl an die Reaktionszentren (RC) über FMO-Proteine in die
Cytoplasmamembran weitergeleitet

Question 6

Oxygene Photosynthese von Cyanobakterien

Answer 6

• Lichtabsorption mit Chl A des PS II (P680 -> P680*)
• P680* gibt e- aus Chl A an Pheophytin ab, welches ausbleicht -> P680+
• P680+ erhält e- durch Wasserabspaltung wieder
• Pheophytin wird an Chinon QA weitergeleitet und über Eisen-Atom zu Plastochinon QB übertragen (bis hier ist die Hälfte der Anregungsenergie bereits verloren)
• QB nimmt e- und H+ (aus Stroma) auf und wird zu QBH2
• QBH2 gibt e- an Q-Pool ab -> e- gelangen durch eine transmembrane ETK
  zum b6f-Komplex, dort werden sie durch PC ins Lumen aufgenommen und an P700 von PS I übertragen
• Es erfolgt eine erneute Lichtanregung -> e- gelangen über mehrere Chinone und Fe-
  S-Zentren zum Ferrodoxin
• Ferrodoxin -> NADP+ zu NADPH, da zwei e- dafür benötigt werden, muss NADP+ Prozess zweimal durchlaufen

Question 7

Reaktionszentren

Answer 7

Typ I – RC ermöglichen die direkte Reduktion von NADP+ zu NADPH
o PS I, RC I (grüne Schwefelbakterien, Heliobakterien)
o Eisen-Schwefel-Zentren als Elektronenaktzeptor

Typ II – RC machen rückläufigen e- Transport erforderlich
o PS II, RC II (Purpurbakterien, grüne Nicht-Schwefelbakterien)
o Chinon (Q) als Elektronenaktzeptor

Merke: Das Redoxpotential des reduzierten Fe-S-Aktzeptors von Typ I-RC ist deutlich negativer als das des Chinon-Aktzeptors von Typ II-RC

Question 8

Elektronenfluss bei der anoxygenen Photosynthese von Purpurbakterien (Typ II-RC)

Answer 8

Rotes oder infrarot Licht trifft auf P870 und wandelt es in P870* um

Zyklischer Ekektronentransport von P870* zu Bph zu QA zu QB und dann in den Q-Pool, von
dort zum Cyt bc1 und zum Cyt c2, von dort wieder zu P870

Vom Q-Pool ausgehend findet der rückläufige Elektronenfluss (REF) unter Energieverbrauch
statt

Der REF sorgt dafür, dass NADP+ zu NADH umgewandelt werden kann (NADH für ATPase)

Question 9

Elektronenfluss nach Typ I-RC

Answer 9

Rotes oder infrarot Licht trifft auf P840 und wandelt es in P840* um

Dabei freigesetzte e- wandern zum Eisen-Schwefel-Zentrum, von dort zum Ferrodoxin, dann zum Chinon, dann über Cyt bc1 zu Cyt c553 und dann wieder zu P840

Vom Ferrodoxin ausgehend wird NADP+ zu NADH umgesetzt -> ATP-Synthase

Question 10

Lichtgetriebenen Ionenpumpen

Answer 10

Lichtgetriebenen Ionenpumpen bilden Protonen- (Bakteriorhodopsin, Proteorhodopsin) oder
Chlorid- Gradienten (Halorhodopsin), die der ATP-Synthese bzw. als Anpassung an Standorte
mit hoher Osmolarität dienen (ohne Beteiligung eines Redoxprozesses im Gegensatz bei den anderen Bsp.)

Question 11

Bakteriorhodopsin

Answer 11

= Protonen pumpendes Chromoprotein mit lichtempfindlichen Cofaktor
Retinal

o Nach Beleuchtung wird Cofaktor aktiviert und erzeugt ein Signal -> Isomerisierung des Retinals (all-trans -> 13 cis = Konformationsänderung)
o Durch Konfirmationsänderung erfolgt Transport von H+ aus der Zelle, was einen
elektochemischen Gradienten erzeugt
o Dieser Gradient ist Energiequelle für Transportvorgänge und ATP-Synthese -> Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie