Stoffwechselprozesse: Glykolyse und Fotosynthese

Die Glykolyse: Abbau von Glucose zu Pyruvat

Die Glykolyse umfasst katabole Prozesse, durch die aus Glucose Pyruvat gewonnen wird, wobei 2 Elektronen abgeleitet werden.

• Schritt 1: Phosphorylierung von Glucose über die Transferase (Hexokinase).
• Stufe 2: Isomerisierung von Glucose-6-phosphat zu Fructose-6-phosphat (Isomerase).
• Stufe 3: Erneute Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat unter ATP-Verbrauch zu Fructose-1,6-bisphosphat (Phosphofructokinase).
• Stufe 4: Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat in zwei Triosen: Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat (Aldolase).

Die Atmungskette und oxidative Phosphorylierung

In der Atmungskette gibt es energetische Sprünge durch das elektrische Potenzial und die Elektronegativität. Diese Sprünge sind Teil der Energiegewinnung. An der Spitze befinden sich die F-Partikel oder ATP-Synthasen in der Membran.

Es befinden sich Protonen auf beiden Seiten der Membran, die ausgeglichen werden müssen. Die Energie der Elektronen verursacht Sprünge, wodurch ein Ungleichgewicht entsteht und Protonen aus dem Innenraum in den Außenraum (Intermembranraum) abgegeben werden. Diese Protonen fließen ohne zusätzliche Energie an ihren Platz zurück. Die dabei freiwerdende Energie wird genutzt, um ATP zu generieren. Die Protonen bewegen sich von der äußeren Membran durch die F-Partikel (ATPasen) zur inneren Membran und erzeugen so ATP (oxidative Phosphorylierung).

Energiebilanz des Zellstoffwechsels

• Glykolyse: 2 ATP + 2 NADH (entspricht 6 ATP, wobei 2 ATP durch den aktiven Transport durch die Membran in die Matrix verloren gehen, sodass netto 4 ATP verbleiben).
• Oxidation von 2 Pyruvat: 2 NADH (entspricht 6 ATP).
• Krebs-Zyklus: 2 ATP, 6 NADH (18 ATP), 2 FADH2 (4 ATP).

Fotosynthese: Licht- und Dunkelreaktion

Die Fotosynthese ist ein anaboler Prozess, der organische Substanz aus anorganischer Materie schafft. Sie findet in den Chloroplasten statt, wird nur von photosynthetischen Organismen durchgeführt und setzt Sauerstoff als Abfallprodukt frei.

1) Lichtphase (lichtabhängig)

Diese Phase tritt in der Thylakoidmembran auf. Hier werden ATP und Reduktionskraft (NADPH) gebildet. Zudem findet die Photolyse des Wassers statt (Aufspaltung des Wassermoleküls durch Solarenergie), um Elektronen (H+) zu gewinnen, wobei O2 als Abfallprodukt eliminiert wird.

2) Dunkelphase

Diese erfolgt im Stroma und nutzt das ATP sowie das NADPH, um aus anorganischen Stoffen organische Materie zu bilden. Der wichtigste Prozess der Dunkelphase ist der Calvin-Zyklus.

Photosysteme und Photophosphorylierung

Photosynthetische Organismen fangen das Licht über Chlorophyll-Antennenkomplexe ein. Diese sind in der Thylakoidmembran in Gruppen von etwa 300 Chlorophyllen angeordnet, die als Photosystem bezeichnet werden. Es gibt zwei Arten von Photosystemen:

• Photosystem I (PS I): Das Absorptionsmaximum liegt bei 700 nm.
• Photosystem II (PS II): Das Absorptionsmaximum liegt bei 680 nm.

Das Reaktionszentrum sammelt die Energie; nur 2 von 300 Chlorophyll-Molekülen absorbieren das Licht direkt. Wenn die Moleküle Energie von außen absorbieren, werden sie angeregt und die Spannung wird auf die zentralen Chlorophylle übertragen. Diese geben jeweils ein Elektron an die Transportkette ab und lösen so die Kette aus. Da dem zentralen Chlorophyll nun zwei Elektronen fehlen, fängt es Elektronen aus einem Wassermolekül ein (Photolyse von H2O). Diese werden erneut angeregt, setzen 2 Elektronen frei und halten so den Prozess in der Kette aufrecht.

Ablauf der Photophosphorylierung

PS II → Phäophytin → PQA → PQB → Cytochrom-b6f-Komplex (Bildung von ATP) → Plastocyanin → PS I (Lichteinstrahlung) → Ao → Fq → Fe-S-Zentren → Ferredoxin → NADP+