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3 Grundlegende Stoffwechselvorgänge in Lebewesen

3.1 Energiebindung und Stoffaufbau durch Photosynthese

3.1.1 Bau und zelluläre Struktur des Assimilationsgewebes

3.1.2 Einfluss von Außenfaktoren

3.1.3 Licht- und Dunkelreaktionen

3.1.4 Bedeutung der Photosynthese

3.2 Stoffabbau und Energiefreisetzung

3.2.1 anaerober, Abbau durch Gärung

3.2.2 aerober Abbau durch biologische Oxidation

3.1 Energiebindung und Stoffaufbau durch Photosynthese

Geschichtlicher Rückblick:

Helmonts Versuch (1640) - woher kommt die Pflanze?

Priestley (1770): Luft, die in einem geschlossenen Glasgefäß durch eine brennende Kerze „schlecht“ geworden war, wurde durch die Anwesenheit von Pflanzen wiederhergestellt, so dass auch Tiere darin atmen konnten.

Senebier (1782) erkannte die Bedeutung des Kohlenstoffdioxids

Fischer (1939) Strukturaufklärung des Chlorophylls

Versuche zum Nachweis der an der Photosynthese beteiligten Stoffe

- Wasserpflanzen - Indigocarmin/Dithionit

- Nachweis der Stärkebildung am Licht: Schablonenversuch

6 CO₂ + 12 H₂O -> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O DH = +2800 kJ

Definitionen:

Autotrophie: Produktion körpereigener organischer Verbindungen aus anorganischen Substanzen mit Hilfe zugeführter Energie

Photosynthese: Umwandlung der energiearmen anorganischen Moleküle CO2 und H2O zu energiereichen Kohlenhydraten und Sauerstoff mit Hilfe von Lichtenergie

3.1.1 Bau und zelluläre Struktur des Assimilationsgewebes

[siehe Abbildungen in den Lehrbüchern]

3.1.2 Einfluss von Außenfaktoren

Ausgangspunkt: Bruttogleichung der Photosynthese:

6 CO₂ + 12 H₂O -> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O DH=+2800 kJ

Voraussetzungen: 

• es muss „aktiver Wasserstoff“ als Reduktionsmittel zur Verfügung stehen (vergl. Oxidationszahl in CH₂O = 1/6 Glucose mit CO₂)

• Energie muss zugeführt werden (in Form von ATP)

Vorteil der Photosynthese gegenüber der Chemosynthese: allgegenwärtiges Wasser kann genutzt werden.

Begrenzende Faktoren der Photosynthesegeschwindigkeit?

Wasser

Kohlenstoffdioxid - ist der Gehalt von 0,035% in der Luft optimal für das Pflanzenwachstum?

Bei hoher Lichtintensität ist die Photosyntheserate über einen weiten Bereich der CO₂-Konzentration proportional.

Der niedrige natürliche CO₂-Gehalt der Luft wirkt begrenzend auf die Photosynthese.

Praktische Anwendung: Begasung von Gewächshauskulturen mit CO₂ zur Ertragssteigerung.

Licht

Lichtkompensationspunkt: Lichtintensität, bei der die Photosynthese gerade soviel Kohlenstoffdioxid verbraucht, wie bei der gleichzeitig ablaufenden Atmung entsteht.

Schattenpflanzen haben bereits bei niedrigeren Lichtintensitäten eine positive Stoffbilanz

Temperatur

Im Gegensatz zu einer Enzymreaktion ist eine photochemische Reaktion (Lichtreaktion) weitgehend temperaturunabhängig (vergl. Photographie)

Im Schwachlicht wird die Intensität der Photosynthese durch die photochemischen Reaktionen begrenzt.

Im Starklicht: Q10 ca. 2, Optimumskurve, Hitzeschädigung durch Denaturierung, Optimum der meisten Pflanzen bei 20 - 30°C.

Folgerung: Die Photosynthese setzt sich aus einem lichtabhängigen (photochemischen) Reaktionskomplex (Lichtreaktion) und einer Folge von temperaturabhängigen, enzymatischen Reaktion (Dunkelreaktion) zusammen.

Zusammenfassung der bisherigen Erkenntnisse:

Aufgaben:

Bei sehr hoher Beleuchtungsstärke und sehr hoher Kohlenstoffdioxid-Konzentration nimmt die Photosynthese-Intensität wieder ab und geht im Extremfall sogar auf Null zurück. Erklärung?

3.1.3 Licht- und Dunkelreaktionen

Lichtreaktionen  

Pigmente der Photosynthese

Wirksamkeit verschiedener Spektralbereiche für die Photosynthese?

Engelmannscher Versuch: 

Strahlung kann nur wirksam werden, wenn die absorbiert wird.

Versuch: Chromatographie der Blattpigmente

1. Herstellung einer Rohchlorophylllösuung

Tiefgefrorener Spinat wird in einer Reibschale mit einer Sp Calciumcarbonat versetzt (zur Neutralisation der in den Blättern enthaltenen Säuren) und mit etwa der fünffachen Menge Aceton verrieben. Der Farbstoff-Extrakt wird in ein Rg abfiltriert, mit ca. 1 ml Petrolether versetzt und dann mit Wasser verdünnt. Man schüttelt gut durch (Überdruck!) und wartet, bis sich die Petroletherphase oben als dunkelgrüne Schicht abscheidet.

Nach dem gleichen Verfahren kann man frisches Blattmaterial (Blutbuche o.ä.) nach Zerreiben mit Sand extrahieren.

2. Dünnschichtchromatographie

Die Rohchlorophyllösung wird in einer Kapillare strichförmig auf der mit Bleistift markierten Startlinie aufgetragen (oder nach Eintauchen mit Aceton zur Startlinie hochsteigen lassen).

Entwicklung des Chromatogramms mit Petrolether/Aceton 3:1. Wegen Lichtempfindlichkeit der Farbstoffe starke Beleuchtung vermeiden. Nach dem Herausnehmen Frontlinie markieren und die Farbstoffbanden umranden (die Farben verblassen später größtenteils)

Ergebnis: ß-Carotin, Chlorophyll a (blaugrün), Chlorophyll b (gelbgrün), Xanthophylle

Chlorophyll a,b als wichtigstes Blattpigment [ - Magnesium als Zentralatom - Tetrapyrrol-Ringsystem mit konjugierten Doppelbindungen (Farbe!) - hydrophile und lipophile Eigenschaften - Fluoreszenz

Versuch: Fluoreszenzinduktion in vivo

Bestrahlung eines teilweise mit Schablone abgedeckten Blattes mit blauem Licht (CuSO4-Filter) bei verdunkeltem Raum, anschließend Betrachtung des Blattes nach Entfernung der Schablone durch ein Rotfilter.

Ergebnis: Die von der Schablone verdeckten Teile des Blattes leuchten hell auf (Fluoreszenz).

Deutung: Fällt Licht auf ein vorher abgedunkeltes Blatt, so benötigt der Photosynthesemechanismus einige Zeit, um in Gang zu kommen. So lange wird das eingestrahlte Licht nicht für die PS genutzt, sondern stattdessen als Fluoreszenzlicht abgestrahlt.

Photosynthetisch aktive Blätter zeigen nur geringe Fluoreszenz.

Zusatzversuche: Hitzedenaturierung

Absorptionsspektren der Blattpigmente und Vergleich mit dem Aktionsspektrum (=Wirkungsspektrum) der Photosynthese:

Welchen Beitrag liefert die Strahlungsabsorption der verschiedenen, im Photosyntheseapparat vorkommenden Pigmente zur Photosynthese?

Zur experimentellen Untersuchung dieser Frage misst man die O₂-Produktion bei Einstrahlung von Licht verschiedener Wellenlängen, aber gleicher Quantenstromdichte -> Aktionsspektrum  (=Wirkungsspektrum) der Photosynthese:

blau           grün           orange         rot

Ergebnisse und Schlussfolgerungen aus dem Vergleich der verschiedenen Absorptions- und Aktionsspektren:

• Chlorophyll a und b besitzen ausgeprägte Absorptionsmaxima im Rot und Blau, dabei sind die Maxima bei Chlorophyll b so verschoben, dass dadurch die „Grünlücke“ verkleinert wird.

• Carotin schließt die Absorptionslücke des Chlorophylls teilweise.

• Das Aktionsspektrum folgt im wesentlichen dem Absorptionsspektrum der Blattpigmente Chlorophyll a, b und Carotin.

• Auch die vom Carotin absorbierte Strahlungsenergie wird für die Photosynthese genutzt, wenn auch mit etwas geringerem Wirkungsgrad.

Elektronentransport bei der Lichtreaktion

6 CO₂ + 12 H₂O -> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O

Frage nach der Herkunft des Sauerstoffs

Bakterienphotosynthese (grüne Schwefelbakterien):

6 CO₂ + 12 H₂S -> C₆H₁₂O₆ + 12 S + 6 H₂O

Schwefelwasserstoff ist hier Wasserstoffdonator. In Analogie zur Bakterienphotosynthese müsste bei der Photosynthese der grünen Pflanzen Wasser als Wasserstoffdonator dienen.

Hill-Reaktion: Isolierte Chloroplasten entwickeln in Gegenwart reduzierbarer Substanzen Sauerstoff, auch ohne CO₂!

O-18-Tracermethode: Markierung des Wassers mit dem schweren Sauerstoffisotop O-18 -> Der gesamte O-18 erscheint als photosynthetisch entwickelter Sauerstoff, aber nicht im Kohlenhydrat:

6 CO₂ + 12 H₂¹⁸O -> C₆H₁₂O₆ + 6 ¹⁸O₂ + 6 H₂O

Ergebnis: Wasser spiet die Rolle eines Elektronendonators

Elektronenentzug aus dem Wasser wird ermöglicht durch Oxidations- und Reduktionsschritte an einem Chlorophyllmolekül (Reaktionszentrum)

         D    ->   P    ->   A    Lichtabsorption

         D    ->   P*   ->   A    Pigment im angeregten Zustand

         D    ->   P+ e ->   A-   Reduktion des Elektronenakzeptors

         D+ e ->   P    ->   A-   Oxidation des Elektronendonators

e  -> D  -> P  -> A  -> e    Aufnahme u. Abgabe von Elektronen, Wiederherstellung des Ausgangs-  zustands

Photophosphorylierung (= ATP-Bildung mit Hilfe von Lichtenergie)

zyklische Photophosphorylierung

- Begleitet von einem zyklischen Elektronentransport um das Pigmentsystem I

- Die Elektronen werden vom Akzeptor des Pigmentsystems I nicht in Richtung auf NADP, sondern wieder zurück auf Plastochinon übertragen.

- Bei diesem zyklischen Kreislauf werden Protonen über das Plastochinon in das Thylakoidinnere abgegeben. Der so entstehende Protonengradient (pH-Gradient) stellt ein elektrochemisches Potential dar, das für die Synthese von ATP genutzt wird.

- Die zyklische Photophosphorylierung arbeitet unabhängig vom Pigmentsystem II und ist damit nicht mit einer Wasserspaltung verbunden.

nichtzyklische Photophosphorylierung

- Begleitet von einem linearen Elektronentransport, von Sauerstoffentwicklung und Reduktion von NADP

3 Teilreaktionen dieses Elektronentransports führen zum Aufbau eines Protonengradienten, der Energiequelle für die ATP-Synthese:

1. Protonenfreisetzung bei der Wasserspaltung an der Innenseite der Thylakoidmembran.

2. Bei der Reduktion des Elektronenüberträgers Plastochinon werden an der Außenseite des Thylakoids Protonen aufgenommen und an der Innenseite wieder freigesetzt.

3. Bei der Reduktion des NADP werden an der Außenseite des Thylakoids Protonen aufgenommen.

Die eigentliche ATP-Synthese erfolgt nach heutiger Auffassung beim Ausgleich des Protonengradienten an einem Enzymsystem, der ATP-Synthase, unabhängig und räumlich getrennt vom Pigmentsystem.

Dunkelreaktionen

CO2-Fixierung: Bindung an einen C5-Körper; Spaltung des C6-Körpers;

Reduktion: Reaktion von Glycerinsäure-3-phosphat zu Glycerinaldehyd-3-phosphat unter Verbrauch von ATP und NADH + H+;

Glucosebildung: Bildung des C6-Körpers und Rückbildung des CO2-Akzeptors (stark vereinfachte Darstellung); Erarbeiten der Bruttogleichung; Vorstellen der C-14-Tracermethode; Aufzeigen des Wirkungsgrades des Gesamtprozesses

Aufklärung der CO2-Reduktion mit Radiokohlenstoff (C-14-Tracermethode)

Frage: Über welche chemischen Reaktionen wird das CO2 gebunden und in Kohlenhydrat übergeführt?

Probleme:

- Unterscheidung der Verbindungen, die an der CO2-Reduktion beteiligt sind von solchen, die an den übrigen biochemischen Reaktionen beteiligt sind ist schwierig, da es sich zum Teil unm die gleichen Stoffe handelt

- viele Zwischenprodukte treten aufgrund ihrer schnellen Weiterverarbeitung nur spurenweise auf.

Prinzip der Tracermethode mit C-14

- Pflanzen (einzellige Grünalgen) werden kurzzeitig mit ¹⁴CO2 in Kontakt gebracht (zur Erfassung der Primärprodukte)

- Fixierung und Extraktion in siedendem Alkohol

- Auftrennung der gelösten Substanzen durch zweidimensionale Papierchromatographie

- Autoradiographie: Radioaktiv markierte Substanzen erzeugen auf Photopapier Schwärzungsflecke

- Identifizierung der radioaktiv markierten Substanzen durch Abbauversuche und Co-Chromatographie

Ergebnis:

3-Phosphoglycerinsäure als Primärprodukt

Ablauf der Dunkelreaktion - Calvincyclus

          CO₂-Akzeptor              Primärprodukt    Triose(KH)

Ribulose-1.5-bisphosphat    Glycerinsäure-3-phosphat   Glycerinaldehyd-3-phosphat

Regeneration des CO₂-Akzeptors durch den Calvin-Cyclus

Summengleichung der Dunkelreaktion:

6 CO₂ + 12 NADPH₂ + 18 ATP -> C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 12 NADP +18(ADP+P)

Zusammenfassung der Licht- und Dunkelreaktion

Summengleichung für die Lichtreaktion

2 H₂O + 2 NADP + 3 (ADP+P) -> 2 NADPH₂ + 3 ATP +   O₂  / * 6

Summengleichung der Dunkelreaktion:

6 CO₂ + 12 NADPH₂ + 18 ATP -> C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 12 NADP +18(ADP+P)

Gesamtgleichung:

6 CO₂ + 12 H₂O -> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O  

3.1.4 Bedeutung der Photosynthese

• - ökologische Schlüsselstellung (Anfang der Nahrungskette)

• - Ernährung

• - Sauerstoffproduktion

• - Weltwirtschaft, regenerative Energie- und Rohstoffquelle

Wirkungsgrad gering, bezogen auf die auf ein Blatt einfallende Strahlungsenergie ca. 1%.

3.2 Stoffabbau und Energiefreisetzung

3.2.1 anaerober Abbau durch Gärung

anaerober Abbau der Glucose: Glycolyse  

Versuch: Gärung  

Leben ohne Sauerstoff - Universalität der Biochemie - Evolution - ältester Stoffwechselweg

Glycolyse: Abbau der Glucose zu Brenztraubensäure

Summengleichung der Glycolyse:

C₆H₁₂O₆ + 2 (ADP+P) + 2 NAD -> 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH₂

Gärungsvorgänge: Milchsäure und Ethanol

Versuch: Gärung

Gärungen verlaufen

• anaerob

• unter Ausscheidung eines energiereichen Endprodukts

Problem: Regeneration des Wasserstoffakzeptors NAD!

Lösung A: alkoholische Gärung (Hefe)

Brenztraubensäure (Decarboxylierung) -> Ethanal - (Wasserstoffübertragung) -> Ethanol

Lösung B: Milchsäuregärung (Muskel, Joghurt, Sauerkraut)

Wasserstoffübertragung direkt auf Brenztraubensäure:

Summengleichungen:

Alkohol-Gärung:  C₆H₁₂O₆ -> 2 C₂H₆O + 2 CO₂

Milchsäure-Gärung:  C₆H₁₂O₆ -> 2 C₃H₆O₃

3.2.2 aerober Abbau durch biologische Oxidation

Oxidative Decarboxylierung, Citratcyclus, Atmungskette

Prinzip: Wassersynthese aus den Elementen (vergl. Brennstoffzelle)

H₂ + ½ O₂ -> H₂O  DG´= - 237 kJ/mol

Koppelung mit ATP-Bildung - Oxidation mit Luftsauerstoff -> oxidative Phosphorylierung - entspricht der Umkehrung der Photolyse des Wassers bei der Photosynthese

Strukturelle Grundlagen

Citronensäurecyclus und Atmungskette laufen in den Mitochondrien ab. Die Enzyme der Atmungskette sind an der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert

äußere Membran, innere Membran, Einstülpungen, Matrixraum, Intermembranraum

Ursprung des ausgeatmeten Kohlenstoffdioxids!

Zerlegung des C2-Fragments durch eine Folge von Decarboxylierungen und Dehydrierungen unter Regeneration des Akzeptors.

Bedeutung des Citronensäurecyclus

• Bereitstellung von reaktionsfähigem Wasserstoff (NADH₂)

• Zwischenprodukte für den Aminosäurestoffwechsel

• Die Energieausbeute ist unbedeutend (1 ATP)

Oxidation als Entzug von Elektronen (Dehydrierung) z.B.

R-CH₂-OH -> R-CH=O + 2 H⁺ + 2 e^-

Summengleichung von oxidativer Decarboxylierung der Brenztraubensäure und des Citronensäure-Cyclus:

CH₃-CO-COOH + 3 H₂O + 4 NAD + FAD + (GDP+P) -> 3 CO₂ + 4 NADH₂ + FADH₂ + GTP

Atmungskette - Endoxidation

Die Reihenfolge der Redoxsysteme ergab sich aus Redoxpotentialmessungen und dem Einsatz spezifischer Hemmstoffe.

Schema der Elektronentransportkette (vereinfacht)

Oxidation und Phosphorylierung sind über eine protonenmotorische Kraft miteinander gekoppelt. Die in den Redoxreaktionen gewonnene freie Energie wird zum Antrieb von drei Protonenpumpen genutzt:

- Aufnahme der Protonen aus dem Matrixraum

- Abgabe der Protonen in den Intermembranraum

Der Protonengradient wird zum Antrieb einer membrangebundenen Protonenturbine (ATP-Synthase) genutzt.

ADP-Spiegel als Regulator (sehr sinnvoll!)

Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung durch chemische Substanzen wir 2.4-Dinitrophenol - Folge: Wärmebildung statt ATP-Synthese - Bedeutung für Winterschlaf

Versuch: Spektroskopie der Cytochrome in vivo  

In dicker Hefesuspension herrschen wegen Sauerstoffzehrung anaerobe Bedingungen -> Cytochrome liegen im reduzierten Zustand vor: 2 Absorptionsbanden - nach Zugabe von Wasserstoffperoxidlösung (durch Katalasewirkung erfolgt Sauerstoffabspaltung): Übergang der Cytochrome in der oxidierten Zustand -> die beiden Absorptionsbanden verschwinden .

Überblick über die Abbauvorgänge - Energiebilanz

insgesamt: 38 ATP

Berechnung der Energieausbeute und des Wirkungsgrades

Vergleich des Wirkungsgrades mit Verbrennungsmotor