20.6: Photosysteme

Photosysteme sind Multiproteinkomplexe, die in Pflanzen, Algen und Cyanobakterien die Funktionseinheiten der Photosynthese bilden. Sie befinden sich eingebettet in der Membran winziger sackartiger Strukturen, die als Thylakoide bezeichnet werden und im Inneren des Chloroplasten platziert sind.

Funktionsweise von Photosystemen

Photosysteme enthalten viele Pigmentmoleküle wie Chlorophylle und Carotinoide, die in einer bestimmten Organisation über zwei Domänen angeordnet sind – den Antennenkomplex und das Reaktionszentrum. Das Hauptziel der im Antennenkomplex verteilten Pigmentmoleküle besteht darin, Licht in Form von Photonen zu absorbieren und zu dem speziellen Chlorophyllpaar des Reaktionszentrums zu leiten.

Es gibt zwei Arten von Photosystemen – Photosystem II (PSII) und Photosystem I (PSI), die strukturell ähnlich sind, sich aber auf der Grundlage der Quelle des niederenergetischen Elektronenlieferanten und des Akzeptors, zu dem sie ihre energetisierten Elektronen abgeben, unterscheiden. Beide Photosysteme arbeiten zusammen.

Das PSII-Reaktionszentrum, auch bekannt als P680, absorbiert ein Photon, das ein Elektron im Chlorophyll anregt. Das hochenergetische Elektron bricht frei und wird über die Elektronentransportkette an den primären Elektronenakzeptor und schließlich an PSI weitergeleitet. Das fehlende Elektron von P680 wird durch die Extraktion eines niederenergetischen Elektrons aus Wasser ersetzt; Somit wird das Wasser in dieser Phase der Photosynthese "gespalten" und PSII wird nach jedem Photoakt wieder reduziert. Bei der Spaltung eines_{H2O-Moleküls}werden zwei Elektronen, zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom freigesetzt. Die Sauerstoffmoleküle werden an die Umgebung abgegeben, während die Wasserstoffionen eine entscheidende Rolle bei der Etablierung eines Protonengradienten über die Thylakoidmembran spielen, der für die Synthese von ATP im Chloroplasten unerlässlich ist.

Wenn sich Elektronen durch die Proteine bewegen, die sich zwischen PSII und PSI befinden, verlieren sie Energie und müssen durch PSI wieder mit Energie versorgt werden; daher wird ein weiteres Photon von der PSI-Antenne absorbiert. Diese Energie wird an das PSI-Reaktionszentrum namens P700 weitergeleitet. P700 wird oxidiert und sendet ein hochenergetisches Elektron an NADP⁺, um NADPH zu bilden. Somit fängt PSII die Energie ein, um Protonengradienten zu erzeugen, um ATP herzustellen, und PSI fängt die Energie ein, um NADP⁺ in NADPH zu reduzieren.

Nachdem die Energie der Sonne in chemische Energie in Form von ATP- und NADPH-Molekülen umgewandelt wurde, verfügt die Zelle über den Brennstoff, der zum Aufbau von Kohlenhydratmolekülen für die langfristige Energiespeicherung benötigt wird. Dies wird in der zweiten Phase der Photosynthese erreicht, die auch als lichtunabhängige oder dunkle Phase der Photosynthese bekannt ist und im Chloroplastenstroma stattfindet.

Dieser Text ist eine Adaption von Openstax, Biology 2e, Chapter 8, Section 8.2:Die lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese.

Photosynthetische Organismen fangen Sonnenlicht durch die Pigment-Protein-Komplexe ein, die als Photosysteme bezeichnet werden und in die Thylakoidmembran des Chloroplasten eingebettet sind.

Diese Komplexe werden in Photosystem I oder PSI und Photosystem II oder PSII eingeteilt.

Im Inneren des Chloroplasten befinden sich PSI-Komplexe überwiegend in den ungestapelten Regionen, den sogenannten Stromalamellen, während PSII-Komplexe in den gestapelten Getreidelamellen vorhanden sind.

Jedes Photosystem ist eine Ansammlung von etwa 200 Chlorophyll- und 50 Carotinoid-Pigmentmolekülen, die auf zwei verschiedene Domänen des Photosystems verteilt sind – die Kerndomäne, die als Reaktionszentrum bezeichnet wird, und eine periphere Domäne, die als Antennenkomplex bezeichnet wird.

Obwohl alle Pigmentmoleküle Photonen absorbieren, können nur wenige Chlorophyllmoleküle, die mit dem Reaktionszentrum verbunden sind, absorbierte Lichtenergie in chemische Energie umwandeln.

Die Pigmente im Antennenkomplex leiten die absorbierte Energie nur zum Reaktionszentrum.

Die Photosysteme haben auch assoziierte Cofaktoren, die für ihr Funktionieren unerlässlich sind.

Zum Beispiel hat PSI einen Ferredoxin-Cofaktor, einen wichtigen Übergang in der Elektronentransportkette, während PSII einen Sauerstoff-Entwicklungskomplex enthält, der die Wasseroxidation katalysiert, ein Schritt, der für die Photosynthese entscheidend ist.