Allgemeine Biologie III WS 2002/2003 Teil 3: Hugo Scheer

Lehrbücher wie gehabt Speziell Photosynthese: Häder: Photosynthese (Thieme, 1999) Links: Botanik > Scheer > Ergänzendes Material > AB3 Biochemica Pathways

Mitochondriale ATP-Gewinnung NADH aus Citratcyclus und Glykolyse / Fettabbau) Oxidation von NADH mit O 2 in Atmungskette, dabei Aufbau eines elektrochemischen Membran-Potentials ATP-Synthese in ATPase unter Ausnutzung des elektrochemischen Membran-Potentials

Mitochondriale ATP-Gewinnung NADH aus Citratcyclus und Glykolyse / Fettabbau) Oxidation von NADH mit O 2 in Atmungskette, dabei Aufbau eines elektrochemischen Membran-Potentials ATP-Synthese in ATPase unter Ausnutzung des elektrochemischen Membran-Potentials

Fe 2+ Fe 3+ + e -

QH 2 Q + 2H + + 2e -

NADH NAD + 2 e H + FADH 2 FAD + 2 e H + 2 RSH RS-SR + 2 e H +

Atmungskette Aus Biochemica Pathways

Anorganische Elektronendonatoren NitrosomonasNH 4 + NO 2 - NitrobacterNO 2 - NO 3 - FerrobacillusFe 2+ Fe 3+ ThiobacillusS 2- SO 4 2- ChromatiumS 2- S 0 S 0 SO 4 2- S 2 O 3 2- SO 4 2- HydrogenomonasH 2 H 2 O Anorganische Elektronenakzeptoren AtmungO 2 H 2 O SulfatatmungSO 4 2- S 0 ( H 2 S) Nitratatmung NO 3 - N 2

Photosynthese Übersicht und globale Leistungen Licht: Energie, Triebkraft und Schadstoff Licht- und Dunkelreaktionen Reaktionszentren: 2 Varianten Anoxygene Photosynthese: Typ I, Typ II Oxygene Photosynthese: Z-Schema Cytochrom b/c Komplex: Q-Cyclus Antennen: Vielfalt, Energietransfer, Vorteile Rubisco: CO 2 -Fixierung und Oxygenierung Calvin – Cyclus: Transketolasen, Transaldolasen Limitierende Parameter: CO 2, Licht, Wasser Photorespiration Anpassungen an Wassermangel: C 4 - undCAM Pflanzen Lichtschutz Leistungen des Plastiden: Im- und Export

Quellen von G Heterotropher Stoffwechsel Glykoloyse und Fermentation: Bindungsenergien Atmung: Redox-Reaktionen, O 2 als Akzeptor Anaerobe Atmung: Redox-Reaktionen, NO 3 o.ä. als Akzeptor Autotropher Stoffwechsel Chemoautotroph: Redox-Reaktionen, Fe 2+ > Fe 3+, NH 3 + > NO 3 - Photoautotroph: Licht (Temperaturunterschied Sonne / Erde)

Leistungen der Photosynthese Global 2 – 5 * t CO 2 /Jahr8 – 20 % des atm. CO 2 1,4 – 3,5 * t O 2 /Jahr0,008 – 0,03 % des atm. O 2 Ausbeute Primärreaktionen: >50% Lichtreaktionen: % Biomasse <1%

Licht E = h = hc/ h = Plancksches Wirkungsquantum c = Lichtgeschwindigkeit = Frequenz = Wellenlänge Sichtbares Licht: 400 – 700 nm 290 – 165 kJ/ Einstein (kJ/Mol) Infrarotes Licht: Wirksam bis 1050 nm (110 kJ/Mol) in Bakterien Ultraviolettes Licht 300 – 400 nm (< 300 nm O 3 Absorption) Solarkonstante: ca. 1,4 kW/qm Erdoberfläche <0,75 kW/qm Heller Sommertag Lux (meiste Pflanzen gesättigt) Tiefwasser (200 m)0,01 Lux (Chlorobium und Prochlorococcus)

Licht- und Dunkelreaktionen bei der Photosynthese Lichtsammlung in Antennen Lichtgetriebener Elektronentransport über Membran Umwandlung des elektrischen in ein elektrochemisches Membranpotential NADPH aus linearem Elektronentransport ATP-Synthese in ATPase unter Ausnutzung des elektrochemischen Membran-Potentials Fixierung von CO 2 : Rubisco und Calvin Cyclus Glukoneogenese Export von Zuckerphosphaten Plastid

MEMBRANMEMBRAN Innen (Cytoplasma / Stroma) Außen (Periplasma / Lumen) Fd > NADPH H+H+ OH - H H H+H+ +-

Typ I – Reaktionszentren Heliobakterien (Heliobacter) Grüne Schwefelbakterien (Chlorobium) Cyanobakterien PS I Algen PS I Pflanzen PS I Typ II – Reaktionszentren Purpurbakterien (Rhodobacter) Grüne Nicht-Schwefelbakterien (Chloroflexus) Cyanobakterien PS II Algen PS II Pflanzen PS II

PS II PS I

Möglichst hoch Sammlung: Möglichst gering Schutz: Möglichst schnell

Zusammenfassung vom Halobakterielle Photosynthese (Bakteriorhodopsin) H + mechanisch gepumpt, Retinal trans cis, einfach Grüne Photosynthese (Chlorophylle, Carotinoide) e - mittels Redoxkette aktiv gepumpt, Chl Chl + + e - H + passiv gepumpt, sehr komplex Trennung in Funktionseinheiten Reaktionszentren (lichtinduzierte Ladungstrennung) Antennen: Lichtsammlung und Energieleitung zum RC Cytochrom b 6 /c bzw. b 6 /f: Pumpt zusätzliche H +, Q-Cyclus Reaktionszentren konservativ, 2 Varianten Typ I: Transport von Chl-Dimer zu FeS-Proteinen Typ II: Transport von Chl-Dimer zu Chinon, enthält Pheophytin 2 symmetrische Zweige von Redoxketten über Membran Aktiver Zweig: e - -Transport, Inaktiver Zweig: Schutz vor Tripletts, Singlett-Sauerstoff (Carotinoide)

Intensität Lichtklima auf Eroberfläche, wolkenlos RC Chla Chlb Carotinoide BChl a, b BChl a BChl b BChl c, d, e Chl c Biloiproteine

Klares Wasser Trübes Wasser

? CO 2 ? Glucose

? Licht (ATP, NADPH)

Ribulose-1,5-bisphosphat -carboxylase

One day I was sitting in the car. For some months I had had some basic information from the lab that was incompatible with everything that, until then, I knew. I was waiting, sitting at the wheel of the car, when the recognition of the missing compound occurred. It occurred just like that--quite suddenly-- and suddenly, also, in a matter of seconds, the cyclic character of the path of carbon became apparent to me. But the original recognition of phosphoglyceric acid, and how it got there, and how the carbon dioxide acceptor might be regenerated, all occurred within a matter of 30 seconds. (M. Calvin) ? CO 2 ? Glucose ? PGS Ru-1,5-P 2 ? ? ? ?

Aldolasen C n -P 2 C 3 -P + C n-3 -P Transketolasen C n P+C m P C n-2 P+C m+2 P

Ribulose-1,5-bisphosphat -oxigenase

Reaktionen der Rubisco Ribulose-1,5-bisphosphat –carboxylase-oxigenase

Ende der Vorlesung Klausur: :00 Uhr Großer Hörsaal Ergebnisse ab Nachklausur Anfang SS