S Elektronentransport - Experimente Biologie

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Lichtreaktionen in der Photosynthese                                  zurück

Die Photosynthesereaktion
6 CO2 + 12 H2O        --------          C6H12O6 + 6 H2O
 
ist trotz der einfach möglichen Schreibweise ein hochkomplexer Vorgang. Aus heutiger Sicht besteht die Fotosynthese aus zwei Lichtreaktion und einer Anzahl von Dunkelreaktionen, die ohne Licht auskommen.
Vor allem die Lichtreaktionen sind längst nicht vollständig erforscht. Man geht heute vielfach davon aus, dass die entscheidenden Prozesse der Elektronenanregung in den Photosynthesekomplexen  am besten quantenmechanisch zu verstehen sind 
(vgl. Al-Kalili, J.u. J. McFadden (2015): Der Quantenbeat des Lebens,123ff,152-157).
 

Elektronentransport Arbeitsunterlage ---------------------------------------------------------
Theorie und bildliche Darstellung

Aufgabe: Verfolgen Sie die Darstellung! Versuchen Sie, Übereinstimmungen mit einem Modell der Lichtreaktionen herzustellen!
 
… Wenn wir 1 Sekunde lang in die Sonne blicken, haben die Pflanzen auf der Erde schon 16.000 Tonnen neues organisches Material hergestellt. … Wenn wir uns vorstellen, in einem mini-nano-U-Boot in eine Blattzelle hinein und bis in die Chloroplasten vorzudringen, dann entdecken wir auf der inneren Membran der Chloroplasten sehr eng gepackte Chlorophyllmoleküle. Diese tragen in ihrem Zentrum locker gebundene Magnesiumatome. Aus diesen Magnesiumatom kann durch Licht ein Elektron herausschleudert werden: Dieser neue Zustand aus einem Elektron und dem restlichen positiv geladenen Magnesiumatom wird Exitron genannt. Exitronen sind sehr instabil. Beim Rückfall würde die Energie als nutzlose Wärme abgegeben werden. Die Pflanze muss also das Energiepotential möglichst rasch weitergeben. Am Ende entsteht ein Molekül NADPH, das stabiler ist als ein Exitron.
Das Problem: Wie kann ein Elektron auf ein so weit (im molekularer Sichtsweise) entferntes Molekül zielgerichtet übertragen werden? Experimentelle Arbeiten mit isolierten Photosynthesekomplexen aus verschiedenen Pflanzen zeigten, das zielgerichtet ca 100% der Energie auch „festgehalten“ wird. Dies ist umso erstaunlicher, als die heutigen besten Photovoltaik-Zellen  nur  10 bis 20 % des Sonnenlichtes in elektrischen Strom umsetzen können. Dieser in Chloroplasten ablaufende Vorgang kann nicht mehr als Elektronenübertragung - sozusagen von Molekül zu Molekül - verstanden werden, sondern ist einfacher und plausibler mit einem quantenmechanischen Prozess („quantum walk“ = Quantenwanderung) zu erklären.
Wenn auch die Absorption von Lichtenergie zu 100% erfolgt, so gibt es doch „Reibungsverluste“: Einige Energie wird wieder als Licht, diesmal energieärmer als Rotlicht abgestrahlt. Dieses Phänomen nennt man Fluoreszenz (vgl. Farbstoffe).
Im System des Photosynthesekomplex I aber werden die weitaus meisten Elektronen und die Protonen „abgefangen“ und an das NADPH+ (Nicotin-Adenin-Diphosphat) übertragen, das zu NADPHH+ reduziert wird. Der Photosynthese Komplex I erlangt nun das fehlende Elektron aus einem zweiten Photosynthese Komplex II, dessen Magnesiumatome ebenfalls durch Licht angeregt werden müssen. Diese Komplex ist aber wegen der größeren Energieunterschiede in der Lage, sich die fehlenden Elektronen aus dem Wasser zu „besorgen“: Wasser wird gespalten in 2 H+ und 2 e-. Ein halbes Molekül Sauerstoff bleibt übrig und stellt den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre her.
Während Elektronen vom Photosynthesekomplex II auf das Photosynthesekomplex I gelangen, werden Protonen aus den Thylakoiden heraus transportiert und stellen beim Rückfluss mit Hilfe des membrangebundenen Enzyms ATPase die energiereiche Substanz Adenosintriphosphat (ATP)her.
NADHH und ATP stellen beide die energetische Grundlage für die Reaktionen dar, die im Zellplasma und bei Dunkelheit ablaufen.  Unter Vermittlung der entsprechenden Enzyme entstehen dabei alle im Zellstoffwechsel benötigten organischen Substanzen.

Abbildung (Modell)
 
 
Ergänzen Sie das Schema zur den Lichtreaktionen der Fotosynthese oder entwerfen Sie ein neues Modell mit Hilfe des Textes! Vergleichen Sie das Modell mit Vorstellungen aus dem Internet.
 
 
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