Anabolismus, Photosynthese und Chemosynthese

Anabolismus: Der Teil des Stoffwechsels, der für den Aufbau von organischen Molekülen zuständig ist. Diese Konstruktion erfolgt aus kleinen Molekülen und durch Oxidation.

Phase Lichtabhängige Reaktionen

Ziel ist die Absorption von Lichtenergie und ihre Umwandlung in chemische Energie durch die Synthese von ATP und reduzierten Pyridin-Nukleotiden.

Chemiosmotische Photophosphorylierung Hypothese

Die ATP-Synthese in den Chloroplasten wird durch die chemiosmotische Hypothese von Mitchell erklärt, ähnlich wie in den Mitochondrien. Der Elektronentransport in der Transportkette bewirkt, dass die Thylakoidmembran Protonen aus dem Stroma in den Thylakoidraum pumpt, was einen elektrochemischen Gradienten erzeugt. Der Fluss der Protonen aus dem Thylakoidraum zurück ins Stroma durch den Protonenkanal der ATP-Synthase aktiviert die Synthese von ATP aus ADP und Phosphat. Elektronen werden verwendet, um NADP+ zu NADPH zu reduzieren. Das synthetisierte ATP und NADPH werden verwendet, um einfache Moleküle wie CO2 zur Bildung von Kohlenhydraten zu reduzieren.

Dunkelphase

Findet im Stroma der Chloroplasten statt. Sie ist unabhängig vom Licht. Ziel ist die Aufnahme von CO2 und seine Reduktion zu verschiedenen organischen Stoffen, vor allem Glukose. Sie nutzt die chemische Energie der Lichtphase, um C02, Nitrate und Sulfate zu reduzieren und die Bioelemente C, H und S zu assimilieren, um Kohlenhydrate, Aminosäuren usw. zu synthetisieren. Pflanzen nehmen CO2 aus der Luft durch die Spaltöffnungen der Blätter auf. Der Kohlendioxid-Reduktionsprozess ist zyklisch und wird als Calvin-Zyklus bezeichnet.

CO2-Fixierung

Erfolgt in drei Phasen:

1. Carboxylativ: Das CO2-Molekül bindet an ein 5C-Molekül, Ribulose-1,5-bisphosphat, und bildet eine flüchtige 6C-Verbindung, die in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (PGA) zerfällt.
2. Reduktiv: 3-Phosphoglycerat wird zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (PGAL) reduziert, wobei ATP und NADPH verbraucht werden.
3. Regenerativ/Synthetisch: Die gebildeten Glycerinaldehyd-3-phosphat-Moleküle folgen verschiedenen Wegen. Von sechs Molekülen werden fünf verwendet, um Ribulose-1,5-bisphosphat zu regenerieren, damit der Calvin-Zyklus fortgesetzt werden kann. Das sechste Molekül wird verwendet, um Glukose (über Hexose), Fettsäuren, Aminosäuren usw. zu synthetisieren.

Der CO2-Kreislauf wird durch eine Reihe von Enzymen gesteuert, von denen das bekannteste das Enzym Rubisco (Ribulose-1,5-bisphosphatcarboxylase/oxygenase) ist. Es kann je nach CO2-Konzentration als Carboxylase oder Oxidase wirken. Bei geringer CO2-Konzentration wirkt es als Oxidase und führt anstelle der Fixierung von CO2 durch den Calvin-Zyklus zur Oxidation von Kohlenhydraten zu CO2 und H2O. Dieser Prozess wird als Photorespiration bezeichnet und sollte nicht mit der mitochondrialen Atmung verwechselt werden. Dabei geht Energie verloren und es wird kein ATP und NADPH produziert, was die Effizienz der Photosynthese verringert, da nur ein Molekül PGA pro Calvin-Zyklus entsteht, während bei der Carboxylase-Aktivität zwei Moleküle PGA entstehen.

Glykogenese

Die Synthese von Glukose und Glykogen.

• Initiales Substrat: Pyruvat, Lactat, einige Aminosäuren, Zwischenprodukte des Krebs-Zyklus, Glycerin.
• Endgültiges Substrat: Mono- und Polysaccharide.

Dieser Prozess findet im Cytosol statt, außer bei der Verwendung von Pyruvat, das in der Membran der Mitochondrien stattfindet.

Organismen

• Photosynthese: Organismen, die ihre Struktur aus anorganischen Materialien aufbauen und komplexe organische Moleküle aus Lichtenergie gewinnen.
• Chemosynthetisch: Organismen, die Energie aus chemischen Reaktionen der Oxidation anorganischer Moleküle gewinnen.
• Anaerobier: Organismen, die in ihren Stoffwechselreaktionen andere Moleküle als Elektronenakzeptoren verwenden, was zu einer partiellen oder unvollständigen Oxidation führt.
• Aerobier: Organismen, die in ihren Stoffwechselreaktionen molekularen Sauerstoff als letzten Elektronenakzeptor verwenden, wodurch die Oxidation als abgeschlossen angesehen werden kann.

Chemosynthese

Die Synthese von ATP aus der Energie, die bei der Oxidation anorganischer Stoffe freigesetzt wird. Organismen, die an diesen Prozessen beteiligt sind, werden als chemoautotroph und chemolithotroph bezeichnet. Es handelt sich ausschließlich um Bakterien. Viele der verwendeten reduzierten Verbindungen, wie z. B. NH3, sind Stoffe, die bei der Zersetzung von organischem Material entstehen. Durch die Oxidation werden mineralische Stoffe freigesetzt, die von Pflanzen aufgenommen werden können. Dies schließt Stoffkreisläufe und ermöglicht das Leben auf dem Planeten.

Es gibt zwei Phasen: In der ersten Phase werden ATP und ein reduziertes Coenzym (in Bakterien NADH anstelle von NADPH) gewonnen. In der zweiten Phase werden ATP und NADH verwendet, um organische Verbindungen aus anorganischen Substanzen zu synthetisieren. In der ersten Phase ist die Oxidation anorganischer Stoffe die Energiequelle für die Phosphorylierung von ADP in der Atmungskette, ein Prozess, der als oxidative Phosphorylierung bezeichnet wird. Ein Teil dieses ATP wird verwendet, um einen umgekehrten Elektronentransport in der Atmungskette zu ermöglichen, um NADH zu gewinnen. In der zweiten Phase folgen die Stoffwechselwege denen der Dunkelphase der Photosynthese.

Typen von chemosynthetischen Bakterien

Je nach verwendetem Substrat werden die Bakterien in folgende Gruppen eingeteilt:

• Farblose Schwefelbakterien: Diese Bakterien oxidieren Schwefel oder Schwefelverbindungen. Sie sind obligate Aerobier, da sie Sauerstoff für die Oxidation benötigen.
• Stickstoffbakterien: Diese Gruppe oxidiert reduzierte Stickstoffverbindungen. Sie sind für die Oxidation von Ammoniak verantwortlich. Es gibt zwei Gruppen von Stickstoffbakterien: Nitrosifizierende Bakterien, die Ammoniak zu Nitrit umwandeln, und nitrifizierende Bakterien, die Nitrit zu Nitrat umwandeln.
• Eisenbakterien: Diese Bakterien oxidieren Eisen zu Eisen(III)-Verbindungen.
• Wasserstoffbakterien: Diese Bakterien sind chemoautotrophe Organismen, die molekularen Wasserstoff verwenden können.