Kompartimentierung und Photosynthese PDF

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Zellbiochemie...

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Kompartimentierung als Grundlage biochemischer Reaktionen – Sollen Enzyme in verschiedenen Ionenmilieus aktiv sein, oder bestimmte Metaboliten anreichern, ist Kompartimentierung erforderlich.Kompartimente ermöglichen eukaryotischen Zellen parallel spezialisierte Reaktionen durchzuführen. – Definition: zelluläre Kompartimentierung ist die Abgrenzung verschiedener Reaktionsräume einer Zelle durch biologische Membranen. – Prokaryoten (bsw Bakterien):Lebewesen ohne Zellkern. – Eukaryoten (Pflanzen, Tiere, Algen, Pilze): Lebewesen mit Zellkern – Prokaryoten: einheitlich zellulärer Reaktionsraum ; Eukaryoten: vielfältig kompartimentiert – Anstieg der Produktkonzentration kann die Enzymaktivität hemmen → zwei Fälle: – Produkthemmung (Enzym wird direkt vom Produkt gehemmt) – Feedback-Hemmung (Produkte von nachgelagerten Reaktionen hemmen Enzym)

Aufbau pflanzlicher Zellen

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– Vakuole: bei ausgewachsenen Zellen bis zu 90% des Volumens (Tonoplast ist die Membran) → Stoffwechsel, Strechungswachstum, Speicher, Entsorgung toxischer Stoffe – Plasmamembran/Plasmalemma: selektive Barriere für Exund Import von Stoffen. – Protoplast:Pflanzliche Zelle ohne Zellwand (Zellwand stört manchmal bei Untersuchungen, durch Enzyme kann sie aufgelöst werden) – Zellwand: Stützfunktion; 100fach dicker, als Membran Organellen: von 2 Membranen umschlossene Membranräume, eigene genetische Information (bsw Plastiden und Mitochondrien) → die eigentlichen Stoffwechselprozesse durch Genetik der Organellen kontrolliert, aber Informationen für regulatorische Vorgänge an den Zellkern abgegeben. → Plastiden: Photosynthese und Stickstoff- und Schwefelassimilation → Mitochondrien: ATP Bildung Cytosol: löslicher Teil des Cytoplasmas Cytoplasma: Cytosol + Kompartimente Plasmodesmen: Zell-Zell Kontakte (Poren) in Gewebe → Barrierefunktion des Plasmalemmas wird unterbrochen, das Cytoplasma stellt ein Kontinuum da (Symplast) Symplast= alles was im Gewebe innerhalb des Plasmalemma liegt; entspricht den Protoplasten auf Zellebene Apoplast= alles was im Gewebe außerhalb des Plasmalemma liegt; Interzellularräume

– Peroxisomen: Zurückgebildete Zellorganellen, die keine genetische Information mehr enthalten, eine Membran, Photorespiration – ER: intrazellulärer Transport, Synthese von Biomembranen, teilweise Ribosomen – Golgiapparat: Gesamtheit der Dictyosomen (Membranlamellen, die Vesikel abschnüren) einer Zelle. Größenordnungen verschiedener Zelltypen Zelle 100 µm Saccharosemoleküle 1nm Chloroplasten 10 µm Glucosemolekül 0,6 nm Mitochondrium 1µm anorganisches Ion 0,2 nm Membran 7-10nm Zellwand 500-1000nm Ribosom 23nm Biologische Membranen → besteht im Wesentlichen aus Lipiden und Proteinen, sowie im geringen Maß auch Kohlehydrate Funktionen: – Barriere – Kompartimentierung und selektiver Transport – Weiterleitung von Signalen – Umwandlung von Energiequelle

Aufbau einer Biomembran

Eigenschaften: – amphiphil: lipophile und hydrophile Eigenschaften – die amphiphilen Substanzen bilden die Lipidmatrix ( Barriere für hydrophile Stoffe) – hydrophober Teil: lange Kohlenstoffketten (wollen nicht mit polarem Lösungsmittel Wasser in Berührung kommen) → gibt man die Lipoide in Wasser bilden sich Micellen – NH3 als kleines, nicht geladenes Molekül kann trotzdem bsw durch die lipophile Schicht diffundieren (viel Ammoniak kann aber problematisch sein); ebenso hat CO2 aporalen Charakter und kann hindurch diffundieren. – Die lipophilen Schwände treten sich in Lipiddoppelschichten, wie in Micellen gegenüber (hydrophobe Wechselwirkungen sorgen durch thermodynamische Gründe für Eigenstabilität, Stabilität wird in apolarem Lösungsmittel aber direkt zerstört) Pflanzliche Membranproteine/Transporter → für selektiven Transport hydrophiler Stoffe und → Weiterleitung von Signalen aus dem Medium in die Zelle durch Rezeptoren (häufig mit Kohlenhydraten, die wie Antennen fungieren) – hydrophile Eigenschaften

3 Grupen von Membrantransportern: → Ionenpumpen: langsam – nur ca 500 Ionen pro Sekunde – können aktiv sein – brauchen metabolische Energie → Carrier etwas schneller (hier ProtonenZucker Protransport) – 10000 Ionen pro Sekunde – können aktiv sein – Ionengradient als Energiequelle (Pflanzen oft H+ Gradient, Tiere oft Na+ Gradient) → Ionenkanal schnell (bsw Aquaporine) – 1Mio Ionen pro Sekunde – nur passiv (da Diffusion)

Pflanzliche Ionentransporter

Kinetik von Ionenkanälen:

Tierische Membranproteine

Wichtige Ionenpumpen Name: Zunächst Substrat, dann Ion

→ Pyrophosphatase: nutzt Energie aus hydrolytischer Spaltung der energiereichen Bindung des Pyrophosphats für aktiven Protonen Transport → ATPasen im Plasmalemma zählen zu den E1E2 -ATPasen, die durch Vanadat gehemmt und durch Kalium gefördert werden. → H+-ATPase im Tonoplasten gehört also nicht dazu (Nitrat hemmt, Chlorid aktiviert), dies ist eine V-ATPase Ionenpumpe Carrier – im Gegensatz zu Ionenpumpen können sie nicht direkt metabolische Energie (ATP/Pyrophosphat) nutzen, dennoch aber indirekt, weil der sie den Protonengradienten von Ionenpumpen nutzen (sekundär aktiver Transport)

– die freiwerdende Energie des Ionengradienten wird für aktiven Transport genutzt. Arten von sekundär aktivem Transport : – Antiport – Cotransport (nur wenn beide Ionen von demselben Transporter gebunden und transportiert werden.) – Vorraussetzung für aktiven Transport ist die Bindung des Ions oder Metaboliten an den Carrier. (Substrat) → Konformationsänderung – Enzymkinetik lässt sich deshlab auch auf Carrier anwenden.

Besondere Form der Carrier: Shuttle Systeme sind Carrier, die Metaboliten austauschen Bsp: Malat/Oxalacetat Shuttle: – exportiert mit Malat indirekt Reduktionsequivalente (HAtome) aus Mitochondrien – Oxidation von Malat zu Oxalactat im Cytosol – Oxalacetat wird über Shuttlesystem in Mitochondrien aufgenommen → wird erneut zu Malat Die H+-ATPase treibt als Master-Enzym andere Transportprozesse an: bei pH Wert 5 (niedrig) Säuren meist nicht dissoziiert (ungeladen), kann durch Membran durch diffundieren. Bei pH 7,5 dissoziiert die Säure zum organischen Anion (Anionenfalle) An- (anorganisches Anion, bsw Chlorid, starke Säure, auch bei niedrigem pH wert dissoziieren sie, liegen also geladen vor, brauchen Carrier) organische Anionen kein Carrier, anorgnaische Anionen Carrier

Kohlenstoff Assimilation Kernfusion in der Sonne:

Elektronen und elektromagnetische Strahlung (Licht ,Wärme) werden emittiert. Photosynthesegleichung: anorgansiche Moleküle zu organ. Substanz und Bereitstellung von Atmungssauerstoff (aus H2O)

C-heterotrophe Organismen: auf organische Nahrung angewiesen, müssen neben essentiellen Elementen (Ca, Mg, P) auch chem. Energie in Form von Kohlenhydraten, Fetten oder Proteinen aufnehmen. C-autotrophe Organismen (grüne Pflanzen bsw): Ernähren sich ausschließlich von anorganischen Nährstoffen Priestleys Experiment Priestley erkannte, dass Pflanzen die Fähigkeit besitzen, Luft wieder regenerieren zu können. Heute wissen wir, dass Pflanzen den für uns lebenswichtigen Sauerstoff als Nebenprodukt der Photosynthese produzieren Photosynthese Auf zwei zeitlich und räumlich getrennte Teilprozesse zurückzuführen, die Lichtreaktion und die Dunkelreaktion Chloroplasten (spezielle Plastiden): Ort der Photosynthese Endosymbiontentheorie – Inkorporation von Prokaryoten (Cyanobakterium → Chloroplasten; aerobe Purpurbakterien → Mitochondrien) in einen Eukaryoten, ohne Verdauung → metabolisches Spektrum der Wirtszelle erweitert sich. – Zunächst Symbiose, heute eher Versklavung – Entstehung der Doppelmembran von Organellen durch Phagocytose, bei Chromophyten sogar Chloroplasten mit 4 Membranen. (sekundäre Endosymbiose) – Phagocytose: Dient Einzellern der Nahrungsaufnahme, höheren Lebewesen dem Transport oder der Elimination von körpereigenen oder fremden Sustanzen. heutzutage: Plastiden werden als Proplastiden vererbt und werden zu Plastiden: – Etioplasten (im Sprossgewebe unter Lichtmangel, kein Cholophil → keine Photosynthese → farblos, können durch Mutation entstehen, im Labor kultivierbar, in Natur nicht lebensfähig ) – Amyloplasten (Speicherorgan für Stärke) – Chloroplasten (gekrümmt -ovale Gebilde, starke Ausdifferenzierung der inneren Membran → Thylakoidmembran (Lichtrkt, Einlagerung von Chlorophyll → grüne Farbe ), Stapel aus Thylakoiden = Granathylakoide, Stromathylakoide durchziehen das Stroma. (Dunkelreaktion im Stroma)

Entwicklung eines Chloroplasten aus einem Proplastiden – innere Membran: ursprünglich vom Bakterium – außen Membran : ursprünglich Wirtszelle Photosynthese im Detail

Lichtreaktion: → Elektronen auf ein höheres Energieniveau heben (durch Lichtenergie), um die Energie dann zur Gewinnung von Reduktionsäquivalenten (NADPH+H+) und zur ATP Synthese zu nutzen Photosystem 2 am Anfang der Lichtreaktion → Licht bestimmter Wellenlänge wird von Pigmenten gesammelt: → in 2 Typen von Photosystemen angeordnet: PS 1 und PS 2 (bestehen aus Protein und Pigmenten) → Die Proteine (lipophile Bereiche integriert in die Thylakoidmembran, hydrophile Bereiche ins Stroma und Thylakoidinnere) haben Enzymcharakter → katalysierenRedoxreaktionen → Die wichtigsten Pigmente: Chlorophyllmoleküle – Chlorophyll a – Chlorophyll b → unterscheiden sich durch eine Seitengruppe an einem der vier Pyrrolringe, die zusammen einen Porphyrinring bilden Aufbau des Chlorophyll – Pyrolringe ermöglichen die Bindung des Magnesiums in der Mitte – ohne Magnesium wäre das Molekül farblos → Phäophitin (Chlorophyll ohne Magnesium) – Magnesium ist über zwei koordinative und 2 kovalente Bindungen mit Stickstoffatmen der Pyrrolringe verbunden. – Magnesium sorgt für Absorption des roten Lichtes – Die lnage Kohlenstoffkette des Phytolrests ist hydrophob → Verankerung in Membran weitere Pigmente – akzessorische Pigmente – Nutzung des Lichts andrer Wellenlängen – Schutz des Photosyntheseapparats vor zu intensiver Strahlung – Carotinoide: rot/gelb (absorbieren blaues Licht) → können zusätzliches Licht nutzen, das von Chlorophyll nicht absorbiert wird.

→ zwei Gruppen: Carotine und Xanthophylle – Carotine: haben eine Hydroxylgruppe weniger am Ionenring – Vorstufe des Vitamin A – gelbe Blätter: Remobilisierung von bsw Mg und N (bezorzugt nahe der Blattadern) → Abbau von Chlorophyll → Carotinoide bleiben über (Reflektion von rot/gelbem Licht) – rote Färbung: Anthocyne – grün: Chlorophil überwiegt – Anthocyane: rot/violett – wasserlösliche Schutzpigmente

– Mehrere hundert Pigmente Chlorophyll Moleküle sind im PS 2 angeordnet und sammeln mit den akzessorischen Pigmenten Lichternergie. – Maximale Wellenlänge: 680 nm → wir auch p680 genannt – Lichtabsorption bringt Pigmente in Schwingung → Abgabe des Elektrons an ein Chlorophyll a Molekül mittels induktiver Resonanz → wird so stark angeregt, dass ein Elektron herausgeschleudert wird (wird oxidiert) – Elektronendefizit wird durch Spaltung von Wasser (photolytische Spaltung/ Hill-Reaktion) wieder aufgefüllt. – Mangan: Fähigkeit des Valenzwechsels → Elektronenüberträger – Chlorid: Wasserspaltung, Anlagering von negativen Cl- Ionen an positiven Bereichen im Thylakoidinnenraum (Sorption) → Konformationsänderung/Aktivierung des Photosystems – Calcium: Ähnlich wie Chlorid, Anlagerung an negativen Bereiche → ermöglichen richtige Struktur des Photosystems – wird das herausgeschleuderte Elektronen nicht aufgefangen, so können toxische Radikale entstehen (Schädigung von Membranen und Nucleinsäuren → Elektron wird von Chinonen und Phäophytin aufgefangen (auch Quencher (Auslöscher) genannt ) – → Quencher verhindern das zurückfallen der Elektronen auf das ursprüngliche Energieniveau (Fluroreszenz) Fluoreszenz: Umkehr der Lichtabsorptio Kommt zustande, wenn Elektronen auf ein niedrigeres Energieniveau zurückfallen. Bei dem Vorgang kann Energie in Form von Licht ausgestrahlt werden

– dann werden die Elektronen auf Plastochinon übertragen (Redoxsystem, das mit neun Isoprenresten in Thylakoidmembran verankert) – Plastochinon: an jedem Sauerstoffatom kann ein Elektron (Reduktion) und ein Proton angelagert werden.

– Weiterleitung der Elektronen an Cytochrome (Enzyme mit der Häm-Gruppe als prosthetische Gruppe) – Häm: – Eisen als Zentralatom im Porphyrinring (ähnlich dem Mg im Chlorophyll) → Valenzwechsel/Elektronenübertragung (aber keine Protonenweitergabe wie beim Plastochinon) – feste (kovalente) Bindung an das Enzym ( bei Cytochrom C bsw über 2 Schwefelatome)

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Häm ist auch eine prosthetische Gruppe im Myoglobin und Hämoglobin (Fe2 zur Bindung und zum Transport von O2)

Hämoglobin: roter Blutfarbstoff, der dem Sauerstofftransport- und der Speicherung dient. Intrazelluläre Funktion im Muskelgewebe wird analog von Myoglobin übernommen. Photosynthetische Elektronentransportkette → das Eisen der Cytochrome überträgt Elektronen

→ da Cytochrome keine Protonen weitergeben können, werden Protonen frei und gelangen in Thylakoidinnenräume → Elektronen werden an Plastocyanine abgegeben → Plastocyanin: Protein mit einem Kupferatom, das über zwei Histidin-, eine Cystein- und eine Methionnbrücke eingebaut ist. Kann ein Elektron aufnehmen und von Cu2+ zu Cu1+ reduziert werden. → von dort zum PS 1 (durch ein erneutes Anregen durch Lichtenergie)

Elektronenübertragung durch Plastocyanin

Photosystem 1: – Ähnelt dem PS 2, hat aber kein wasserspaltendes Zentrum – Absorptionsmaximum: 700 nm → p700 – Quencher meist Schwefelkomplexe → Tetranuclearer Fe-S-Komplexe: würfelförmige prosthetische Gruppe, in deren Ecken sich Eisen- und Schwefelatome abwechseln. → Eisenatome geben Elektronen durch Valenzwechsel weiter an Ferredoxin: – Protein mit einer prosthetischen Gruppe in der zwei Eisenatome über vier Schwefelbrücken mit Cysteinresten verbunden sind. – kann immer nur 1 Elektron aufnehmen Die zwei Eisenatome sind untereinander durch zwei Schwefelatome verbunden → deshalb ist Ferredoxin ein binucleare Fe-S-Komplex → am PS1 und PS2 werden Elektronen also durch Lichtenergie auf ein höheres Energieniveau gehoben. Positives physiologisches Standard-Redoxpotential wird negativ → aktiver Elektronentransport. Der Transport über Plastochinone, Cytochrome, Plastocyanine und von Ferredoxin zu NADP+ (wird zu NADPH+H+) ist passiv! → Elektronen werden in Richtung des positiveren Redoxpotentials transportiert → Lichtenergie → elektrische Energie (→ elektrochemische Energie → chem Energie (ATP))→ chemische Energie (NADPH+H+) Chemiosmotische Phosphorylierung → Synthese von ATP – nach Peter Mitchells chemiosmotische Theorie – elektrochemischer Protonengradient an Thylakoidmembran ist Treibkraft für ATP Synthese – Wasserspaltung und diskontinuierlicher Transport von Elektronen und Protonen in der Elektronentransportkette → Protonen werden aus dem Stroma ins Thylakoidinnere gepumpt. – Drei Bereiche der Elektronenkette tragen zum Pumpprozess bei : 1. Wasserspaltung 2. Plastochinon/Cytochrom 3. NADP+Reduktion (2H+ verbraucht, 2 im Stroma)

Im Stroma hoher pH Wert ( 8) Im Thylakoid niedriger pH Wert (5,5) – Anreicherung von positiver Ladung im Thylakoiden (Membranpotential = 1000mV) → elektrischer Gradient – Anreicherung von H+ Teilchen (pH Gradient; Protonenkonzentration ca 1000 mal höher als im Stroma) → chemischer Gradient → insgesamt liegt also ein elektrochemischer Gradient vor. ( engl: „proton motive force“ (pmf)) pmf=

/F

mit:

F1F0-ATPase in der Thylakoidmembran → Kopplungsfaktor (koppelt H+ Transport mit ATP Synthese) → gehört zu Synthasen (Hauptklasse der Transferasen) → kann auch umgekehrt arbeiten → FOF1-ATPase und ATP-Synthase (fast) dasselbe → FO, da Oligomycin hemmt → für den Ausbau einer energiereichen Bindung werden 32 kj/mol benötigt (Stöchiometrie ATP:H+ muss größer als 1 sein) 2 Komponenten: 1. FO : in der Thylakoidmembran (Protonenkanal) → passiver Transport entlang des elektrochemischen Gradienten 2. F1: aktiviert durch Protonen; katalytisches Zentrum, das aus ADP und Pan unter H2O Abspaltung ATP synthetisiert.Kinetische Energie → chemische Energie (ATP) Output der Lichtreaktion: NADPH+H+ und ATP → Input für die Dunkelreaktion (Calvin Zyklus): → Beginn der eigentlichen CO2 Assimilation → läuft ohne Licht, aber unter Zugabe von NADPH+H+ und ATP ab. → Melvin Calvin (1911-1997) war ein amerikanischer Chemiker und Biochemiker, dem es nach dem Zweiten Weltkrieg gelang, die Dunkelreaktion der Photosynthese aufzuklären. → Maßgeblich beteiligt an den Forschungsarbeiten war Andrew A. Benson (1917-2015) durch Einführung der 14C-Autoradiographie in die Gruppe. → geht von einer zweifach phosphorylierte Pentose (Zucker mit 5 C Atomen) aus, die reduziert wird → deshalb auch reduktiver Pentophosphat-Zyklus → Die Enzyme für den Zyklus sind im Stroma der Chloroplasten (alle Hauptklassen, außer der 6. vertreten)

Definitionen: Assimilation: Der Einbau eines chemischen Elements in organische Substanz unter Beteiligung enzymatischer Redoxreaktionen. Das Gegenteil ist die Dissimilation. Zyklus: Eine Abfolge von Reaktionen, in denen ein Ausgangsmolekül verschiedene Umformungen erfährt, am Ende aber wieder in der ursprünglichen Form vorliegt: Ausgangssubstrat und Endprodukt sind identisch. Der Calvin-Benson-Zyklus

1. Ausgangsubstanz und Endprodukt: Ribulose-1,5-Bisphosphat (RuBP) (zweifach phosphorilierter Zucker) 2. durch Anlagerung von CO2 und H2O werden zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (Anion der 3-Phosphoglycerinsäure) mit Hilfe von RUBISCO (Lyase) gebildet ( exergon ,G= -40kJ/mol) ---> auch Glycerat-3-Phosphat oder Glyceratmonophosphat genannt. → RUBISCO: – Ribulosebisphosphat-Carboxylase – wichtigstes Enzym zum Einbau von anorganischem Kohlenstoff in organische Substanzen (Molekulargewicht: 500.000; 50% der löslichen Proteinmasse in Blättern auf RUBISCO zurückzuführen) – wird durch Mg2+ aktiviert – pH-Optimum: 8,3-8,6 ( da die Alkalisierung des Stromas von der Lichtreaktion abhängt (mehr Licht, umso mehr Protonen werden in den Thylakoidinnenraum gepumpt), wird eine hohe Carboxylierungsaktivität nur bei intensiver Lichtreaktion erreicht! ) – besteht aus 16 Untereinheiten (8 große: katalytische Funktion, 8 kleine: regulatorische Funktion) → die großen Untereinheiten gehen auf genet. Information der Chloroplasten zurück, kleine Untereinheiten vom Zellkern gesteuert → regulatorische Dominanz des Zellkerns 3. Aktivierung von 3-Phosphoglycerat durch Übertragung eines Phosphoryl-Radikals von ATP (Reduktion ist ein endergoner Prozess) auf das Phosphoglycerat mittels Kinase (HK: Transferasen) ; es handelt sich um eine energiereiche Bindung. → 1,3-Bisphosphoglycerat

4. Reduktion von 1,3-Bisphosphoglycerat durch das Enzym PhosphoglycerinaldehydDehydrogenase (HK: Oxireduktasen) → im katalyt. Zentrum besitzt es eine Sulfhydrilgruppe (Thiolgruppe), an die unter Abspaltung von Pan, Phosphoglyceryl energiereich gebunden wird. Reduktion des Phosphoglycerylrests letztlich durch NADPH+H+ → der erste Zucker entsteht: 3-Phosphoglycerinaldehyd (PGA) (phosphorylierte Triose)

→ Wichtig: Energiereiche Bindungen entstehen also auch, wenn das H-Atom einer Sulfhydrilgruppe durch ein energiereiches Radikal substituiert wird (nicht nur bei Phosphatestern) 5. 3-Phosphoglycerinaldehyd (PGA) steht mit der Ketose Dihydroxyaceton-3-Phosphat (DHAP) im Gleichgewicht (können durch reversible Isomerierung ineinander überführt werden (durch TriosephosphatIsomerase; HK: Isomerasen). – Triosephosphate können in veschiedene Reaktionen einmünden. – Jedes sechste Triosephosphat wird aus Chloroplast exportiert, die restlichen 5 werden zur Regeneration von RuBP genutzt. 6.PGA und DHAP können mit dem Enzym Fructosebisphosphat-Aldolase (HK:Lyasen) reversibel zu Fructose-1,6-Bisphosphat (FBP) verknüpft werden. → bei hoher Photosyntheseaktivität und unzuzreichendem Export von Triosephosphaten kann auch FBP vorübergehend Stärke synthetisieren, es wird jedoch überwiegend für die Vollendung des Zyklus benötigt. 7. Abspaltung des Phosphorylrests an C1 Positionunter durch Fructosebisphosphat-Phosphatase unter Anlagerung von Wasser (hydrolytisch; Hydrolase) → Fructose-6-Monophosphat (FMP) 8. Transketolase (HK:Transferasen; Übertragung von Radikal...