Photophosphorylierung: nicht-zyklisch, zyklisch und Z-Schema

Zusammenfassung

Der Text erklärt die Photophosphorylierung in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten. Behandelt werden der nicht-zyklische und der zyklische Elektronentransport, die Unterschiede zur oxidativen Phosphorylierung sowie das Z-Schema mit PS II, PS I und den Elektronenakzeptoren. Man lernt, wie dabei ATP und NADPH entstehen und wann Sauerstoff freigesetzt wird.

Kernpunkte

Bei der nicht-zyklischen Photophosphorylierung entsteht durch den Protonentransport vom Stroma ins Lumen ein Potenzialgefälle, das die ATP-Synthase antreibt.
Die ATP-Synthase benötigt vier Protonen, um ein ADP zu ATP zu phosphorylieren.
Die zyklische Photophosphorylierung wird durch Licht zwischen 681 und 700 nm an PS I ausgelöst und produziert ATP ohne Photolyse von Wasser und ohne Sauerstofffreisetzung.
Bei der zyklischen Photophosphorylierung wird kein NADP reduziert, weshalb sie schneller ist und vor allem bei hohem ATP-Bedarf der Pflanze stattfindet.
Im Z-Schema spaltet der Sauerstoff-entwickelnde Komplex am PS II Wasser (H₂O → 2H⁺ + 2e⁻ + ½O₂), wobei der Sauerstoff in die Atmosphäre gelangt.
Das PS I überträgt die Elektronen auf Ferredoxin, das NADP⁺ zu NADPH reduziert.

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Nicht-zyklische Photophosphorylierung

Dieser Prozess findet im Anschluss an die Elektronentransportkette statt und ähnelt stark den Vorgängen in den Mitochondrien.

Durch den Transport von Protonen aus dem Stroma in das Lumen mittels Plastochinon entsteht ein Potenzialgefälle.
Dieses Gefälle treibt die ATP-Synthase an, die der in Mitochondrien sehr ähnlich ist.
Die ATP-Synthase benötigt vier Protonen, um ein ADP zu ATP zu phosphorylieren.

Zyklische Photophosphorylierung

Dieser Prozess tritt ein, wenn Licht mit einer Wellenlänge zwischen 681 und 700 nm auf das Photosystem I (PSI) trifft.

Er findet statt, wenn die Pflanze einen hohen ATP-Bedarf hat, da er schneller als der nicht-zyklische Prozess ist und kein NADP reduziert werden muss.
Die Elektronen werden vom PSI an Ferredoxin abgegeben. Anstatt NADP zu reduzieren, fließen sie zurück zum Cytochrom-b6f-Komplex.
Dies ermöglicht den weiteren Transport von Protonen vom Stroma in das Lumen.
Der Zyklus verläuft über Cytochrom, Plastocyanin und PSI zurück zum Ferredoxin.
Es wird ATP produziert, jedoch findet keine Photolyse von Wasser statt und es wird kein Sauerstoff freigesetzt.

Unterschiede zur oxidativen Phosphorylierung

Die Photophosphorylierung findet in den Thylakoidmembranen statt und ist unabhängig von anderen Organellen.
Als Energiequelle dienen ausschließlich Photonen, kein chemisches Substrat.
Bei alleiniger Aktivität des PSI wird kein Sauerstoff verbraucht oder benötigt.
Die Elektronen stammen nicht von außerhalb des Systems, wie es bei der oxidativen Phosphorylierung der Fall ist.

Elektronentransport (Z-Schema)

Die Lichtreaktion findet in der Thylakoidmembran statt, an der zwei Photosysteme und verschiedene Elektronenakzeptoren beteiligt sind.

PS II: Liegt energetisch unter dem Potenzial von Wasser.
PS I: Liegt energetisch zwischen dem Potenzial von Wasser und NADP.
Start: Ein Photon trifft auf das PS II und regt es an.
Photolyse: Das PS II gibt zwei Elektronen an Pheophytin ab. Um den ursprünglichen Zustand wiederherzustellen, spaltet ein Sauerstoff-entwickelnder Komplex Wasser (H₂O → 2H⁺ + 2e⁻ + ½O₂). Der Sauerstoff wird in die Atmosphäre freigesetzt.
Transport: Pheophytin überträgt die Elektronen auf Plastochinon.
Protonengradient: Das Plastochinon nimmt Protonen (H⁺) aus dem Stroma auf und transportiert sie in das Lumen.
Weiterleitung: Die Elektronen werden über den Cytochrom-b6f-Komplex an Plastocyanin und schließlich an das PS I weitergegeben.
Abschluss: Das PS I überträgt die Elektronen auf Ferredoxin, welches NADP⁺ zu NADPH reduziert oder – im Falle des zyklischen Prozesses – die Elektronen zurück zum Cytochrom-b6f-Komplex leitet.

Häufige Fragen

Wodurch unterscheidet sich die zyklische von der nicht-zyklischen Photophosphorylierung?

Bei der zyklischen Photophosphorylierung fließen die Elektronen vom Ferredoxin zurück zum Cytochrom-b6f-Komplex und es wird kein NADP reduziert. Dabei entsteht nur ATP, kein Sauerstoff.

Woher stammt der Sauerstoff bei der Photosynthese?

Er entsteht bei der Photolyse von Wasser am Sauerstoff-entwickelnden Komplex des PS II. Der Sauerstoff wird in die Atmosphäre freigesetzt.

Wo findet die Photophosphorylierung statt?

Sie findet in den Thylakoidmembranen statt. Als Energiequelle dienen ausschließlich Photonen.