Nach der Endocytobiose erfolgte im nun photosynthetisch aktiven Eukaryoten eine Neuordnung der Stoffwechselwege, die als evolutive Flickenteppiche bezeichnet werden können. Nennen Sie anhand des Calvin-Zyklus Beispiele!
Sequenzvergleiche von Proteinen/Enzymen von verschiedenen Organismen erlauben das Aufstellen von phylogenetischen BäumenStammbäumen. Solche Analysen zeigen, dass der Calvin-Zyklus sowohl Enzyme cyanobakteriellen als auch bakteriellen Ursprungs enthält. Erstere sind sind auf den vormaligen Endosymbionten, letztere auf den Wirt des Endosymbionten zurückzuführen. Diese Beobachtung zusammen mit der Auslagerung von etwa 3000 Genen von Plastidenproteinen in den Kern zeigt, dass im Laufe der Evolution ein starker Genfluss zwischen den genetischen Kompartimenten stattgefunden hat.
Heute geht man davon aus, dass die photosynthetischen Lichtreaktionen nur einmal in der Evolution entstanden sind. Welche Beobachtungen stützen diese Hypothese?
Bakterien mit anoxygener Photosynthese zeigen Reaktionszentren entweder des Pheophytin-Chinon-Typs ähnlich dem Photosystem II oder des Eisen-Schwefel-Typs ähnlich dem Photosystem I. Beide Reaktionszentren zeigen einen ähnlichen dimeren Aufbau, ähnliche Aminosäuresequenzen in den Reaktionszentren, ein spezielles Chlorophyllpaar zur primären Ladungstrennung, ähnliche Anordnung der Kofaktoren im Zentrum und ähnliche Ankopplung der Lichtsammelantennen. Diese Übereinstimmungen weisen auf einen gemeinsamen Vorfahren für beide photosynthetischen Reaktionszentrentypen hin.
Im Laufe der Evolution haben Plastiden vielfältige Aufgaben übernommen. Welche Plastidenformen kennen Sie und welche Aufgaben erfüllen sie?
In höheren Pflanzen werden Plastiden als undifferenzierte Proplastiden häufig mütterlicherseits vererbt. Aus den Proplastiden differenzieren sich je nach Gewebe Chloroplasten zur Photosynthese, Amyloplasten zur Stärkespeicherung oder farblose Leukoplasten mit Speicherfunktionen. Chromoplasten erfüllen eine Rolle bei der Färbung von Geweben, insbesondere von Blüten und bei der Speicherung von Carotinoiden. Entwickeln sich später photosynthetisch aktive Gewebe zunächst im Dunklen entstehen Etioplasten, die nach Belichtung zu Chloroplasten differenzieren. Neben diesen strukturell erkennbaren Aufgaben sind Plastiden wichtige metabolische Kompartimente beispielsweise bei der Lipid- und Hormonsynthese.
Neben der unmittelbaren metabolischen Regulation im Chloroplasten muss der Photosyntheseprozess zwischen Chloroplast und dem Rest der Zelle, hinsichtlich der Genexpression, abgestimmt werden. Wie heißen die an dieser Regulation beteiligten Signale?
Signale aus den Organellen, die Prozesse außerhalb der Organellen steuern, heißen retrograde Signale. Retrograde Signale werden aus den Plastiden, aber auch aus den Mitochondrien freigesetzt. Beteiligt sind Redoxsignale, z.B. aus dem Plastochinonpool, Metabolite der Chlorophyllsynthese, Abscisinsäure, die aus Carotinoiden gebildet wird, Photosynthesemetabolite, Ascorbinsäure und reaktive Sauerstoffspezies. Diese Signalwege werden mit Methoden der Transkriptomforschung und Mutanten derzeit untersucht.
Benennen Sie die regulierten Schritte im Calvin-Zyklus und beschreiben Sie die Regulation einer Reaktion im Detail!
m Stoffwechsel werden typischerweise die stark exergonen Reaktionen reguliert. Im Calvin-Zyklus sind dies die Reaktionen der Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase, der Fructose-1,6-Bisphosphatase, der Sedoheptulose-1,7-Bisphosphatase und der Ribulose-5-phosphat-Kinase. Auch die Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase wird reguliert. Anhand der Fructose-1,6-Bisphosphatase lassen sich die Prinzipien der Regulation gut ableiten. Reduziertes Thioredoxin zeigt hohen Elektronendruck im photosynthetischen Elektronentransport. Ein hoher stromaler pH-Wert zeigt, dass Protonen in das Thylakoidlumen gepumpt wurden und eine hohe Mg2+-Konzentration, dass das Thylakoidlumen Mg2+ im Austausch gegen die Protonen verloren hat. Alle drei Parameter zeigen demnach, dass die Lichtreaktionen hochaktiv sind. Dies entspricht einer mehrstufigen "Feed forward"-Aktivierung. Stimulierung durch akkumulierendes Fructose-1,6-bisphosphat ist eine unmittelbare "Feed forward"-Aktivierung, während die Hemmung durch Fructose-6-phosphat eine klassische "Feedback"-Inhibierung darstellt. Ähnliches gilt für Glycerat, dessen Anreicherung auf ATP-Mangel hindeutet.
Wie lässt sich die CO2-Fixierung in Metaboliten der Photosynthese nachweisen und welche Funktion erfüllt der Calvin-Zyklus?
Führt man photosynthetisierenden Zellen (Radio-)Isotopen-markiertes CO2 zu, wird der markierte Kohlenstoff zunächst in die Metabolite des Calvin-Zyklus und dann in weitere Produkte eingebaut. Dieser Ansatz wurde durch Benson und Calvin nach papierchromatographischer Auftrennung der markierten Substanzen genutzt, um den Calvin-Zyklus zu definieren. Der Calvin-Zyklus besteht aus der Carboxylierungsreaktion mit der Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase als Schlüsselenzym, der Reduktionsreaktion und der Regenerationsreaktion. Letztere stellt wieder das Ausgangssubstrat der Carboxylierungsreaktion Ribulose-1,5-bisphosphat her. Nach drei Carboxylierungsreaktionen kann ein C3-Zucker in das Cytosol exportiert werden oder nach sechs Carboxylierungsreaktionen eine Hexose im Chloroplasten zur Stärkesynthese genutzt werden.
Die Photosynthese kann in Analogie zum "Spiel mit dem Feuer" als "Spiel mit gefährlicher Energie" bezeichnet werden. Um möglichen Schaden an den Photosynthesestrukturen zu vermeiden, erfolgt vielfältige Regulation der Lichtreaktionen. Nennen Sie Beispiele
Um die Lichtenergie zwischen den Photosystemen optimal zu verteilen, erfolgen die "State Transitions". Ein Sensor nimmt den Elektronendruck am Plastochinon wahr, aktiviert eine Proteinkinase, die Lichtsammelkomplexe (LHC) phosphoryliert. Diese LHCs lösen sich vom Photosystem II ab, wandern aus den Granathylakoiden in die Stromathylakoide und assoziieren teilweise mit dem Photosystem I. Dadurch wird weniger das PSII und mehr das PSI angeregt. Alternativ kann die Lichtenergie vermehrt in Wärme umgesetzt werden. Dies wird als nicht photochemische Energielöschung bezeichnet und durch den Xanthophyllzyklus vermittelt. Xanthophylle sind gelbe Carotinoide. Das deepoxidierte Zeaxanthin lagert sich in die Lichtantennen ein und verringert die Energieweitergabe von den LHCs zum Reaktionszentrum. Falls beide Mechanismen nicht ausreichen, helfen Tocopherole und Carotinoide in den Reaktionszentren, die Ladungsrekombination zu ermöglichen und Schaden bei Überreduktion zu vermindern.
Die ATP-Synthase ist eine "Nanomaschine" und nutzt einen einzigartigen molekularen Mechanismus zur Synthese des ATP. Erläutern Sie diese Aussage und beschreiben Sie, wie dieser Mechanismus nachgewiesen wurde!
Die ATPase ist ein molekularer Motor. Ein membranverankerter Rotor aus 11--13 Untereinheiten übersetzt die Protonen-bewegende Kraft in eine Rotationsbewegung und Konformationsänderung im -- über einen peripheren Stiel feststehenden -- Kopf aus je drei α - und β-Untereinheiten. Dort erfolgt die ATP-Synthese. Eine ATP-Synthesereaktion entspricht der Drehung des Rotors um etwa 120°. Die Rotation konnte durch angehängte Actinfilamente im Fluoreszenzmikroskop sichtbar gemacht werden.
Ferredoxin steht am Ende des linearen photosynthetischen Elektronentransports und dient als Verteiler von Reduktionskraft auf verschiedene Elektronen-abnehmende Reaktionen. Benennen Sie die wichtigsten!
Ferredoxin dient als Verteiler der energiereichen Elektronen des linearen photosynthetischen Elektronentransports an eine Reihe bedeutender Elektronenakzeptoren. Zu nennen sind die Fd-abhängige NADP+-Reductase, die Nitritreductase, die Sulfitreductase, die Fd-abhängige Thioredoxin-Reductase, der zyklische Elektronentransport und die Mehler-Reaktion, in der Superoxidanionradikale entstehen.
Ferredoxin steht am Ende des linearen photosynthetischen Elektronentransports und dient als Verteiler von Reduktionskraft auf verschiedene Elektronen-abnehmende Reaktionen. Benennen Sie die wichtigsten!
In der Thylakoidmembran finden sich vier an der Photosynthese beteiligte Multiproteinkomplexe. Benennen Sie diese Komplexe in der Reihenfolge des linearen Elektronentransports und ihre jeweiligen Funktionen in Stichpunkten.
1. Photosystem II mit Wasserspaltungsapparat und Lichtsammelkomplex: Mn-Cluster, P680-Chlorophyll im Reaktionszentrum, Plastochinon; Funktion als lichtabhängige Wasser-Plastochinon-Reductase.
2. Cytochrom f/b6-Komplex: Weitergabe der Elektronen vom Plastohydrochinol zum Plastocyanin; Q-Zyklus zum Erhöhen des Protonengradienten.
3. Photosystem I: P700-Chlorophyll im Reaktionszentrum, Ferredoxin, Ferredoxin-abhängige NADP+-Reductase; Funktion als lichtabhängige Plastocyanin-Ferredoxin-Reductase.
4. ATP-Synthase: Kopplung der Protonen-bewegenden Kraft an die Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat im Stroma.
Erläutern Sie das Energienutzungsdiagramm des Chlorophylls nach Jablonski. Was bedeuten die hierdurch veranschaulichten Vorgänge für die Effizienz der Photosynthese?
Äußere Elektronen des Chlorophylls können mit einem energiereichen blauen Lichtquant auf den Singulettzustand S2 oder mit einem energieärmeren roten Lichtquant auf den Singulettzustand S1 angeregt werden. Energieabgabe über Wärme, Fluoreszenz, Lumineszenz oder Photochemie führen zurück zum elektronischen Grundzustand S0. Für die Photosynthese wird nur der in der Photochemie umgesetzte Teil der Energie genutzt. Aus diesem Grund lässt sich anhand der Chlorophyll-a-Fluoreszenz-Messung eine Aussage über die momentane Effizienz der Photosynthese treffen. Hohe Effizienz bedeutet hierbei, dass ein möglichst hoher Anteil der Lichtenergie in den Photosyntheseprodukten fixiert wird. Bei gleicher absorbierter Lichtenergie deutet niedrige Chlorophyllfluoreszenz auf sehr hohe Effizienz der Photochemie, hohe Fluoreszenz auf niedrige Photosyntheseeffizienz hin.
Welche elektronischen Eigenschaften versetzen diese Pigmente in die Lage, Licht zu absorbieren?
Allen Pigmenten sind ausgedehnte delokalisierte π-Elektronen in sogenannten konjugierten Doppelbindungen gemeinsam, die mit der Energie sichtbarer Lichtquanten angeregt werden können.
Welche Spektralbereiche des sichtbaren Lichts werden durch die an der Photosynthese beteiligten Pigmente verwertet?
Chlorophylle zeigen sowohl ein Absorptionsmaximum im blauen (Absorptionsmaximum des freien Chlorophyll a bei 456 nm) als auch im roten Spektralbereich (Chlorophyll a: 662 nm). Carotinoide wie β-Carotin absorbieren blau-grüne Lichtquanten, die akzessorischen Pigmente der Phycocyane der Cyanobakterien und Rotalgen absorbieren im grün-gelb-orange-farbenen Spektralbereich. Damit schließen die Carotinoide und die Phycocyane die Grünlücke, in der die Chlorophylle kaum absorbieren.
Nennen Sie beispielhaft Methoden, mit denen die Photosynthese höherer Pflanzen untersucht werden kann!
Die Photosynthese intakter Organismen wird durch Gaswechselmessungen der lichtabhängigen O2-Freisetzung oder des CO2-Verbrauchs oder durch Messung der Chlorophyll-a-Fluoreszenz charakterisiert. Lichtmikroskopische Analysen zeigen die auf optimalen Gasaustausch ausgelegte Anordnung der Mesophyllzellen im Blatt mit Interzellularen. Elektronenmikroskopisch können die Grana- und Stromathylakoide sowie einzelne Proteinkomplexe sichtbar gemacht werden. Biochemische und molekulargenetische Ansätze klären die Beteiligung von einzelnen Genprodukten, Aminosäuren oder Kofaktoren an der Photosynthese.
Die Photosynthese gliedert sich in vier strukturell und funktionell trennbare Abschnitte. Benennen Sie diese vier Abschnitte und beschreiben Sie kurz ihre Funktion sowie die beteiligten Proteine und subzellulären Strukturen!
Die vier Abschnitte der Photosynthese sind Lichtabsorption, Energiekonversion, Synthese energiereicher Verbindungen und Synthesestoffwechsel.
1. In den Lichtsammelkomplexen der Thylakoidmembran werden Lichtquanten durch Chlorophylle und Carotinoide absorbiert.
2. In den Reaktionszentren der Photosynthese, das sind die Photosysteme II und Photosysteme I, wird die Lichtenergie durch Ladungstrennung in chemische Energie umgesetzt.
3. Der photosynthetische Elektronentransport führt zum Aufbau eines Protonengradienten, der zur ATP-Synthese verwendet wird, und im linearen Transport zur Reduktion von NADP+ zu NADPH+H+ führt. Auch der Elektronentransport findet an den Thylakoiden statt. Die ATP-Synthese vollzieht sich am Proteinkomplex der ATP-Synthasen.
4. In den Dunkelreaktionen, insbesondere des Calvin-Zyklus, der im Stroma der Chloroplasten abläuft, wird CO2 fixiert und unter Verbrauch von ATP und NADPH zu Zucker umgesetzt.
Die photoautotrophen Organismen stehen an der Basis der Nahrungsketten. Ohne sie wäre die Vielfalt der Organismen auf der Erde nicht möglich. Erläutern Sie diese beiden Feststellungen!
Photoautotrophie beschreibt die Fähigkeit, aus anorganischen Molekülen der unbelebten Umwelt und mit Licht als Energiequelle die eigene Biomasse aufzubauen. Diese Biomasse steht an der Basis der Nahrungsketten und ermöglicht die heterotrophe Lebensweise der Tiere, Pilze und der meisten Bakterien.
