Download - Manganenzyme und Photosystem II
Von Nadine Ufermann und Marcus Oldekamp
Photosynthese:Allgemein und Lichtreaktion
Photosysteme:PSI und PSII, Entdeckung und Funktion
Mangan und Manganenzyme:Speziell sauerstoffentwickelnder Mn Cluster im PSII
Wichtigster biochemischer Prozess überhaupt
Grundlage allen Lebens
6CO2 + 6H2O →C6H12O6 + O2
gespeicherte Energiemenge der Photosynthese = 1017 kJ/a
Die Photosynthese läuft in den Chloroplasten ab
Es laufen zwei verschiedene Reaktionen ab:
Lichtreaktion in der Thylakoidmembran des Chloroplasten, die zwei Photosysteme enthält PS I und PS II
Dunkelreaktion im Stroma des Chloroplasten
Aufbau der Thylakoidmembran
Überblick über die beiden Reaktionen
Lichtreaktion:Photolyse von Wasser: 2H2O → 4H++O2+4e-Bildung von NADPH/H+ : NADP++2e-+2H+→NADPH/H+
Bildung von ATP : ADP + Pi → ATP
Dunkelreaktion:aus CO2 und Wasserstoff von NADPH/H+ wird Stärke aufgebaut (Calvin Zyclus)
Energie durch ATP-Bildung bei der Lichtreaktion
Das ChlorophyllWichtiger Photorezeptor in denChloroplasten
Koordiniertes Mg2+ Ion imPorphyrinring
Phytolrest: hydrophober Alkohol mit 20 C- Atomen
Die Chlorophylle fangen die Sonnenenergie ein
besitzen starke Absorptionsbanden im sichtbaren Bereich
Extinktionskoeffizienten gehören zu den höchsten, die bei organischen Verbindungen gemessen wurden
Beide Chlorophylle ergänzen sich um das Maximum an sichtbarem Lichtes absorbieren zu können
Absorptionsbanden von Chlorophyll a und b :
Entdeckung der Photosysteme durch Emerson und Arnold (1932)
Nachweis, dass viele Chlorophyllmoleküle benötigt werden, um ein Molekül O2 aus einem Photon zu produzieren
Konzept der photosynthetischen Einheit:Licht wird von hunderten Chlorophyllmolekülen absorbiert und auf eine Stelle übertragen, wo chemische Reaktionen stattfinden
Es laufen zwei miteinander verknüpfte Lichtreaktionen ab: PS I und PS II
Photosystem I : Absorption bis 700 nm (P700)Photosystem II: Absorption bis 680 nm (P680)
Ablauf der Lichtreaktion:
PS II absorbiert Licht der Wellenlänge von 680 nm und gibt durch Anregung der Chlorophylle zwei Elektronen ab
Weiterleitung der Elektronen über die Substanz Plastochinon
Über eine Transportkette von komplizierten Redoxsystemen gelangen die Elektronen zum Grundzustand vom PS I
Anregung von PSI durch Licht der Wellenlänge 700 nm
NADP+ wird reduziert und reagiert mit H+ zu NADPH ⇛ Protonenmangel an der Thylakoidoberseite
Entstehung eines Protonengradienten, der zur ATP Bildung dient
PS I: Bildung von NADPH/H+
PS II: Übertragung der Elektronen des Wassers auf ein Plastochinon und gleichzeitige O2 Entwicklung
Edukte: Produkte:
H2O O2NADP+ NADPHADP ATP
Lichtenergie chemisch gebunden!!!
Essentielles Spurenelement
Kommt in fast allen Organismen vor
Oxidationsstufen von 0 bis +VII
daher sehr häufig in der Natur (stabile Verbindungen)
Mangan ist Bestandteil von vielen Enzymen in der Natur
Beispiele:
Katalasen (ohne Häm Gruppe) enthalten Manganzentrum
Pyruvatcarboxylase:
wichtiges Enzym der Gluconeogenese
Stoffwechselweg, der für die Neubildung von Glucose bei Glucosemangel verantwortlich ist
Einige Gewebe können den Energiebedarf NUR durch Glucose decken
Wichtigstes Manganenzym enthält :
Sauerstoffentwickelnder Cluster im PSII (OEC Oxygen evolvingcenter)
Aufgabe von PS II ist die Abspaltung von Elektronen aus dem Wasser
primärer Ladungstrennungsschritt von PS II führt zum P680*+ Kation
Sehr starkes Oxidationsmittel mit hoher Elektronenaffinität
Entzug der Elektronen aus dem Wasser, führt zur Bildung von O2 und Rückkehr des Reaktionszentrums in den Grundzustand
Lage des OEC im Photosystem II
Vier – Elektronen – Redoxreaktion
Diese wird von einem Cluster aus vier Manganionen katalysiert
Manganzentrum durchläuft cyclische Sequenz von fünf OX-Zuständen (KOK Zyclus)
Das Modell der Wasserspaltung durch ein Manganzentrum: (KOK Zyclus)
Aufbau des Clusters
Forschern ist es gelungen die genaue Struktur des manganhaltigen Clusters zu bestimmen
Es sind vier Mangan-, ein Calcium- und mindestens fünf Sauerstoffatome miteinander verknüpft
Geometrische Anordnung lange unklar
18 Modelle wurden diskutiert allein für Anordnung der Mangan und Sauerstoffatome
Exakter Aufbau:
Drei miteinander verbundenen Rauten
Zwei Rauten aus Mangan und Sauerstoffatomen teilen sich eine Kante, so dass sowohl ein Manganatom und ein Sauerstoffatom je drei Bindungspartner haben
Ein weiteres Manganatom ist von vier verbrückenden Sauerstoffatomen umgeben
Strukturaufklärung mit EXAFS (extended x-ray absorptionfine structure) Messmethode
Trotzdem zwei offene Details
Wie ist der Cluster im PS II genau orientiert ?Vier mögliche Positionen für Calcium denkbar
Frühere Messmethoden haben Mn Cluster durch zu Starke Röntgenstrahlung zerstört
Bedeutung von Manganenzym und PS II
Durch den Mechanismus der Wasserspaltung durch Mn Cluster, Photosynthese nachahmbar (theoretisch)
CO2 freier unerschöpflicher Energieträger, da Wasserstoff entsteht.
ABER: trotz intensiver Forschung ist der genaue Ablauf der Vorgänge im PS II nicht komplett aufgeklärt!!
Stryer BiochemieBerg, Jeremy M., Tymoczko, John L., Stryer,Lubert 6. Aufl., 2007, XL, 1224 S. 895 Abb. InFarbe., Geb.
http://www.fu-berlin.de/presse/publikationen/fundiert/2007_01/07_01_saenger_loll/index.html
http://www.chemie.de/news/d/59189/