Photosynthese – Die Lichtreaktion

🟨 Folie 2: Die Gewinnung von Energie aus Licht

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Diese Folie zeigt zwei Beispiele, wie Licht als Energiequelle genutzt wird:

  • Photovoltaik: Technologische Nutzung von Sonnenlicht zur Stromerzeugung.

  • Photosynthese: Biologischer Prozess, bei dem Pflanzen Lichtenergie nutzen, um chemische Energie zu speichern.

• Ziel: Die Folie leitet in das Thema ein, dass Licht als Energiequelle nicht nur für Technik, sondern auch für Lebensprozesse essenziell ist.

🟨 Folie 3: Photosynthese – der Kontext

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Diese Folie stellt Photosynthese und Zellatmung gegenüber:

  • In der Zellatmung wird Zucker (z. B. Glukose) oxidiert → dabei entsteht CO₂ und Energie (ATP).

  • In der Photosynthese läuft der Prozess rückwärts: CO₂ wird reduziert → es entsteht Zucker.

• Es wird betont:

  • Beide Prozesse hängen eng zusammen.

  • Sauerstoff (O₂) wird bei der Atmung verbraucht und bei der Photosynthese produziert.

🔍 Glossar:

• Oxidation: Elektronenabgabe – z. B. beim Abbau von Zucker.

• Reduktion: Elektronenaufnahme – z. B. bei der Bildung von Zucker aus CO₂.

🟨 Folie 4: Photosynthese – der Überblick

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

Die Photosynthese gliedert sich in zwei Hauptprozesse:

1. Lichtreaktion:

   • Licht wird in chemische Energie umgewandelt.

   • Dabei entstehen ATP (Energiespeicher) und NADPH (Reduktionsmittel).

2. Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus):

   • CO₂ wird mit Hilfe der Produkte der Lichtreaktion in Zucker eingebaut.

   • Dies nennt man Fixierung von CO₂.

🔍 Glossar:

• ATP: Energieträger der Zelle.

• NADPH: Elektronenträger, wichtig für Reduktionsreaktionen.

• CO₂-Fixierung: Einbau von Kohlendioxid in organische Moleküle.

🟨 Folie 5: Die Summenformel der Photosynthese

🔆 Lichtreaktion (oben, gelber Rahmen)

• Hier wird Wasser (H₂O) gespalten:
  2 H_2O →O2+4[H]

• Dabei entstehen:

  • Sauerstoff (O₂) als Nebenprodukt (wird freigesetzt),

  • [H] – ein Symbol für Reduktionsäquivalente (siehe Glossar),

  • Energie (in Form von ATP und NADPH) wird bereitgestellt.

🌑 Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus, grauer Rahmen)

• Diese nutzt die Reduktionsäquivalente [H] sowie CO₂ zur Bildung von Zucker:
  $4[H]+CO_2→(CH_2O)+H_2O$

• Dabei entsteht Zucker (vereinfacht dargestellt als (CH₂O)) und Wasser (H₂O).

➕ Gesamtsumme der Photosynthese (unten)

• Wenn man beide Reaktionen zusammenrechnet:
  $CO_2+H2O→(CH_2O)+O_2$

• Dies ist die vereinfachte Summenformel der Photosynthese, die man sich oft merkt.

📘 Glossar:

• Reduktionsäquivalente [H]:
  Symbolisiert Wasserstoffatome oder Elektronen, die bei der Lichtreaktion gewonnen werden.
  → Sie werden in Form von NADPH gespeichert und später in der Dunkelreaktion verwendet, um CO₂ zu reduzieren (zu Zucker).

• (CH₂O):
  Steht stellvertretend für ein Einfachzucker-Baustein (wie Glucose mit Formel C₆H₁₂O₆, das sich aus 6 CH₂O-Einheiten zusammensetzt).

• Elektronendonor (z. B. H₂O):
  Eine Substanz, die Elektronen liefert. Hier: Wasser wird gespalten, um Elektronen für die Reduktion von CO₂ bereitzustellen.

🟧 Folie 6: Entstehung der Photosynthese

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Die Photosynthese produziert Sauerstoff (O₂) als Nebenprodukt.

• Alles O₂ in der Luft stammt ursprünglich aus der Photosynthese von Pflanzen (es ist also ein „Abfallprodukt“).

• Vor der Photosynthese war die Erdatmosphäre reduzierend, d. h. sie enthielt keinen freien Sauerstoff.

• Die Uratmosphäre bestand aus:

  • CH₄ (Methan)

  • NH₃ (Ammoniak)

  • H₂O (Wasserdampf)

  • H₂ (Wasserstoff)

  • CO₂ nur in Spuren

• Das Leben entstand in einer anaeroben Umgebung, also ohne Sauerstoff.

🔍 Glossar:

• Reduzierend: Umwelt mit Stoffen, die leicht Elektronen abgeben (z. B. Methan, Ammoniak).

• Anaerob: Prozesse oder Lebensformen, die kein Sauerstoff benötigen.

🟧 Folie 7: Rolle von Sauerstoff in der Evolution

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Das Zytoplasma heutiger Zellen ist immer noch chemisch reduziert, ein Hinweis auf die ursprünglichen Lebensbedingungen.

• Erst als Sauerstoff in die Atmosphäre kam, konnten Lebewesen beginnen, diesen für die Atmung zu nutzen → das erlaubte eine viel effizientere Energiegewinnung.

• Heute:

  • Einige Mikroorganismen sind fakultativ anaerob → sie können mit oder ohne O₂ leben.

  • Andere Organismen (z. B. Tiere, Menschen) sind vollständig auf Sauerstoff angewiesen.

🔍 Glossar:

• Zytoplasma: Flüssiger Zellraum, in dem viele Reaktionen ablaufen.

• Aerobe Atmung: Energiegewinnung mit O₂, produziert viel ATP.

• Fakultativ anaerob: Mikroben, die flexibel mit oder ohne Sauerstoff leben können.

🟧 Folie 8: Entstehung der Photosynthese – Zeitstrahl

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Die Abbildung zeigt wichtige Ereignisse der Erdgeschichte im Überblick:

  • Das Universum entstand vor ~13,7 Milliarden Jahren.

  • Die Erde entstand vor ~4,6 Milliarden Jahren.

  • Das Leben auf der Erde entwickelte sich früh, noch bevor es O₂ gab.

  • Vor etwa 3,5 Milliarden Jahren entstanden photosynthetische Bakterien (z. B. Cyanobakterien).

  • Diese begannen allmählich, O₂ zu produzieren, was die Atmosphäre veränderte.

  • Erst viel später entwickelten sich komplexere Lebewesen wie Pflanzen, Tiere und Menschen.

🟧 Folie 9: Sauerstoffkonzentration in der Erdgeschichte

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Das Diagramm zeigt die O₂-Konzentration in der Atmosphäre über 4 Milliarden Jahre:

  • Lange Zeit war fast kein Sauerstoff vorhanden.

  • Erst vor ca. 2,4 Milliarden Jahren begann das Great Oxygenation Event:

    • Cyanobakterien setzten Sauerstoff frei.

    • Sauerstoff häufte sich allmählich in der Atmosphäre an.

  • Vor ca. 540 Millionen Jahren (vor der Kambrischen Explosion) stieg der O₂-Gehalt nochmals stark an.

  • Diese Erhöhung ermöglichte die Entwicklung vielzelliger, komplexer Organismen.

🔍 Glossar:

• Great Oxygenation Event (GOE): Zeit, in der die Erde zum ersten Mal Sauerstoff in großen Mengen erhielt.

• Kambrische Explosion: Phase schneller Evolution neuer, komplexer Tierarten.

🟧 Folie 10: CO₂-Konzentration in der Erdgeschichte

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Diese Folie zeigt den Verlauf des Kohlenstoffdioxidgehalts (CO₂) in der Atmosphäre über Millionen von Jahren.

• Heute liegt der CO₂-Gehalt bei etwa 392 ppm (= 0.0392 % der Luft) – das ist über 250-mal höher als in früheren Phasen der Erdgeschichte!

• Die beiden Diagramme zeigen:

  • Links: Langfristige Schwankungen des CO₂-Gehalts über die Erdzeitalter (z. B. Perm, Trias, Kreide).

  • Rechts: Kurzfristigere Schwankungen in den letzten Hunderttausenden Jahren – meist durch Eiszeiten beeinflusst.

• CO₂ ist ein wichtiger Faktor für das Klima und für die Photosynthese.

📘 Glossar:

• ppm: parts per million – Maßeinheit für sehr kleine Konzentrationen.

• Phanerozoikum: Das aktuelle Erdzeitalter (seit ~540 Mio. Jahren).

🟧 Folie 11: Photosynthese – der Kontext

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Die Photosynthese findet im Chloroplasten der Pflanzenzelle statt.

• Sie besteht aus zwei Hauptreaktionen:

  • Lichtreaktion: Umwandlung von Licht in chemische Energie → es entsteht ATP (Energie) und [H] (Reduktionsäquivalente).

  • Dunkelreaktion: Diese Energie wird genutzt, um CO₂ zu Zucker zu verarbeiten (= Kohlenstoff-Fixierung).→ brauchen nicht direkt Licht

  • → die beiden Reaktionen finden gleichzeitig statt.

• Die Lichtreaktion benötigt Licht – die Dunkelreaktion kann auch im Dunkeln stattfinden, solange ATP und [H] vorhanden sind.

📘 Glossar:

• ATP: Energiemolekül der Zelle.

• Reduktionsäquivalente [H]: Wasserstoffübertragende Moleküle, z. B. NADPH.

• Stroma: Flüssigkeitsraum im Chloroplasten, in dem die Dunkelreaktion abläuft.

🟧 Folie 12: Aufbau eines Blattes

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen

Diese Folie zeigt den Aufbau eines Pflanzenblattes und wie es an der Photosynthese und am Gasaustausch beteiligt ist.

🔹 Hauptbestandteile des Blattes:

• Stomata (Spaltöffnungen):

  • Kleine Poren an der Blattunterseite.

  • Steuern den Eintritt von CO₂ und den Austritt von Wasserdampf (Transpiration).

  • Öffnen sich bei Tageslicht, schließen sich bei Wassermangel.

• Lower epidermis (untere Epidermis):

  • Schutzschicht des Blattes.

  • Beinhaltet die Stomata.

• Zellen im Blattinneren (Querschnitt):

  • Chloroplasten: Der Ort der Photosynthese.

  • Cytosol: Flüssigkeit in der Zelle, in der Stoffwechsel stattfindet.

  • Vakuole: Großer Wasserspeicher; reguliert Zellinnendruck.

  • Zellkern (nucleus): Enthält das Erbgut.

  • Mitochondrien: Energieproduktion durch Zellatmun → sind nötig trotz der Chloroplasten → wird in der Dunkelheit gebraucht um Energie zu gewinnen..

  • Zellwand: Stabilisiert die Zelle.

  • Air space (Luftraum): Zwischenräume, in denen sich Gase wie CO₂ und O₂ bewegen können.

🌬 Gasaustausch:

• CO₂ gelangt über die Stomata ins Blatt und wird in den Chloroplasten zur Zuckerproduktion genutzt.

• Gleichzeitig verdunstet Wasser (Transpiration) → sorgt für Sogwirkung beim Wassertransport von den Wurzeln.

📘 Glossar:

• Transpiration: Wasserverdunstung aus den Blättern → kühlt die Pflanze und zieht neues Wasser nach oben.

• Stomata (Spaltöffnungen): Regulieren Gasaustausch (CO₂ rein, O₂ & H₂O raus).

• Chloroplast: Zellorganell, in dem Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird.

• Vakuole: Speicherraum für Wasser, sorgt für Zellstabilität durch Druck.

🟩 Folie 13: Aufbau eines Chloroplasten

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Der Chloroplast ist das Organell in Pflanzenzellen, in dem die Photosynthese stattfindet.

• Er besteht aus mehreren Membranen (äussere und innere) und kompartimentierten Räumen:

  • Außen- und Innenmembran: Umschließen den Chloroplasten.

  • Stroma: Flüssigkeit im Inneren, eine Art Hohlraum – dort läuft die Dunkelreaktion ab.

  • Thylakoid-Membranen: (Thylakoid Lumen) Flache Membranscheiben, die zu Granastapeln geschichtet sind – hier findet die Lichtreaktion statt.

  • Lumen: Der Innenraum der Thylakoide, wichtig für die Protonengradientenbildung.

🟩 Folie 14: Topologie – Vergleich Chloroplast und Mitochondrium

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Chloroplasten und Mitochondrien sind strukturell ähnlich aufgebaut:

  • Beide besitzen doppelte Membranen.

  • Beide erzeugen eine protonenmotorische Kraft durch einen Protonengradienten.

• Unterschiede im Protonengradienten:

  • Im Mitochondrium werden Protonen vom Matrixraum (pH etwa 8) in den Intermembranraum (pH etwa 7) gepumpt, wodurch außen ein leicht saureres Milieu entsteht.

  • Im Chloroplasten werden Protonen vom Stroma (pH etwa 8) ins Thylakoid-Lumen (pH etwa 5) gepumpt, was ein deutlich stärkeres Säuregefälle erzeugt.

• In beiden Organellen treibt der Rückfluss der Protonen durch die ATP-Synthase die ATP-Produktion an.

🖼 Erklärung der Visualisierung:

• Das Schema zeigt ATP-Synthasen (grün dargestellt), die in die Membranen integriert sind. Diese erzeugen ATP aus ADP und Pi durch den Rückfluss der Protonen entlang ihres Konzentrationsgradienten.

📖 Glossar:

• Protonengradient: Ein Unterschied in der Protonen-Konzentration (H⁺-Ionen) über eine biologische Membran hinweg. Wird genutzt, um Energie für die Synthese von ATP bereitzustellen.

• Matrixraum: Innerster Raum des Mitochondriums, Ort des Citratzyklus.

• Intermembranraum: Raum zwischen der inneren und äußeren Membran des Mitochondriums.

• Stroma: Flüssigkeit innerhalb des Chloroplasten, Ort der Dunkelreaktionen (Calvin-Zyklus).

• Thylakoid-Lumen: Innerer Bereich der Thylakoide im Chloroplasten, Ort der Lichtreaktionen der Photosynthese.

• ATP-Synthase: Enzymkomplex, der die Bildung von ATP aus ADP und Pi ermöglicht, indem er die Energie des Protonengradienten nutzt.

🟩 Folie 15: Vertiefungsfrage 1 – Protonenmotorische Kraft (Notiz: an der Prüfung kommt keine solche Frage → von Dozenten erwähnt)

🧠 Verständnisfrage und Hintergrund:

Die Folie fordert dazu auf, die protonenmotorische Kraft (PMF) in Chloroplasten und Mitochondrien zu vergleichen.

🔢 Berechnungshintergrund:

Die PMF (in mV) ergibt sich aus:

Δp=ΔΨ−2.303RTF⋅ΔpH\Delta p = \Delta \Psi - \frac{2.303RT}{F} \cdot \Delta pHΔp=ΔΨ−F2.303RT​⋅ΔpH

mit:

• ΔΨ = Membranpotential

• ΔpH = pH-Differenz (innen vs. außen)

• R = Gaskonstante, T = Temperatur, F = Faraday-Konstante

🧠 Aufgabenstellung:

• In Chloroplasten ist das Membranpotential sehr niedrig (~30 mV).

• In Mitochondrien ist es deutlich höher (~180 mV).
  → Frage: Ist die PMF trotzdem vergleichbar?
  → Zweite Frage: Wie viele Protonen müssen zurückfließen, um ein ATP zu synthetisieren?

📌 Dies fordert das Verständnis des energetischen Gleichgewichts zwischen Struktur und Funktion in beiden Organellen.

🟩 Folie 16: Schlüssel-Experiment – T.W. Engelmann (1882)

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärung:

• Engelmann wollte zeigen, welche Lichtfarben die Photosynthese anregen.

• Er verwendete:

  • Ein Spaltlichtspektroskop, um weißes Licht in Farben zu trennen.

  • Eine grüne Alge (Spirogyra), die mit aeroben Bakterien bedeckt war.

• Dort, wo Photosynthese stark lief, entstand viel Sauerstoff → die Bakterien sammelten sich dort.

• Ergebnis:

  • Rotes und blaues Licht fördern die Photosynthese am stärksten.

  • Grünes Licht am wenigsten (wird größtenteils reflektiert → daher sehen Pflanzen grün aus). → wurde als Grünlücke bekannt.

  • Im Grünen Licht wird das Licht von Pflanzen NICHT stark absorbiert.

🟩 Folie 17: Die Chlorophylle

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Chlorophyll ist der zentrale Farbstoff, der in Pflanzen und Algen Lichtenergie einfängt und die Photosynthese ermöglicht.

• Es gibt zwei wesentliche Formen:

  • Chlorophyll a

  • Chlorophyll b

• Beide Typen besitzen ein ähnliches Porphyrin-Ringsystem, welches ein zentrales Magnesium-Ion (Mg²⁺) bindet. Dieses zentrale Magnesium-Ion ist entscheidend für die Absorption von Lichtenergie.

• Mg2+ bleibt beim Chlorophylle immer Mg2+ und ändert seine Ladung nie!

  • beim Häm kann das Mg2+ seine Ladung ändern.

• Im Chlorophyll bleibt das Magnesium-Ion (Mg²⁺) stets in seiner stabilen Ladung (+2). Es ändert sich auch bei der Aufnahme von Lichtenergie nie.

• Im Häm (Bestandteil des Hämoglobins) liegt statt Magnesium ein Eisen-Ion (Fe²⁺) vor, welches seine Ladung bzw. seinen Oxidationszustand wechseln kann (Fe²⁺ ↔ Fe³⁺).

  • Dies ist für die Funktion von Häm essentiell, da es den Sauerstoff binden und auch wieder abgeben kann.

• Chlorophyll a und b unterscheiden sich in kleinen chemischen Gruppen (funktionellen Gruppen), wodurch sie unterschiedliche Lichtwellenlängen absorbieren können.

  • Chlorophyll a: primär für die direkte Lichtreaktion verantwortlich.

  • Chlorophyll b: ergänzt Chlorophyll a, erweitert den Absorptionsbereich, indem es zusätzliche Wellenlängen des Sonnenlichts einfängt.

• Die charakteristischen Doppelbindungen im Porphyrin-Ringsystem machen das Chlorophyll-Molekül besonders lichtempfindlich. Sie ermöglichen die Aufnahme von Lichtenergie durch elektronische Anregung.

• 1. Phytyl-Seitenkette (P)

  • Die Phytyl-Seitenkette ist eine lange, hydrophobe Kette, die aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen besteht (ein Terpen-Derivat).

  • Aufgrund ihrer Hydrophobizität sorgt sie dafür, dass das Chlorophyll-Molekül fest in der hydrophoben Umgebung der Thylakoidmembranen eingebettet bleibt.

  • Diese Verankerung in der Membran ist entscheidend für die stabile Positionierung des Chlorophylls innerhalb der Photosysteme.

  2. Geranylgeranyl-Seitenkette (G)

  • Die Geranylgeranyl-Seitenkette ähnelt der Phytyl-Kette, besitzt jedoch zusätzliche Doppelbindungen, welche ihre Struktur geringfügig verändern und dadurch flexibler machen.

📖 Glossar:

• Chlorophyll:
  Grüner Pigmentfarbstoff in Pflanzen, Algen und Cyanobakterien, der essenziell für die Photosynthese ist. → Sind viel hydrophober als die Häme

• Porphyrin-Ringsystem:
  Ringförmige chemische Struktur aus vier miteinander verbundenen Pyrrol-Ringen, die häufig Metalle (z.B. Magnesium in Chlorophyll oder Eisen in Hämoglobin) im Zentrum bindet.

• Magnesium-Ion (Mg²⁺):
  Metallisches Ion, zentral im Chlorophyll, ermöglicht Lichtabsorption und Energieübertragung während der Photosynthese.

• Elektronische Anregung:
  Zustand, bei dem Elektronen durch die Aufnahme von Lichtenergie in ein höheres Energieniveau gehoben werden, was für photochemische Reaktionen (wie in der Photosynthese) unerlässlich ist.

• Funktionelle Gruppen:
  Spezifische chemische Gruppen an Molekülen, welche deren Eigenschaften bestimmen und beeinflussen (z.B. Hydroxylgruppe, Methylgruppe).

• Häm:
  Eisenhaltige prosthetische Gruppe (nicht-Protein-Teil eines Proteins), essenzieller Bestandteil des Hämoglobins. Ermöglicht die reversible Bindung und Abgabe von Sauerstoff.

• Hämoglobin:
  Roter Blutfarbstoff in roten Blutkörperchen, zuständig für den Transport von Sauerstoff im Blutkreislauf. Das zentrale Eisenion (Fe) wechselt seine Ladung von Fe²⁺ zu Fe³⁺, wenn Sauerstoff gebunden oder abgegeben wird.

• Oxidationszustand:
  Beschreibt die Ladung eines Atoms, das in chemischen Bindungen Elektronen abgibt oder aufnimmt.

🟨 Folie 18: Die Wechselwirkung von Licht mit Materie

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Die Energie von Licht wird durch das Plancksche Gesetz beschrieben:

  $E=h⋅ν=h⋅cλ^{-1}$​

  • h = Plancksches Wirkungsquantum, $h = 6.626 × 10^{-34} J$

  • ν = Frequenz

  • λ = Wellenlänge des Lichtes

  • c = Lichtgeschwindigkeit, $c = 2.998 × 10^8 ms^{-1}$

💡 Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Energie (z. B. blaues Licht ist energiereicher als rotes).

🟨 Folie 19: Verfügbare Lichtenergie (Notiz, nicht nötig zu wissen für Prüfung)

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Die Erde erhält pro Jahr ca. 3.850.000 Exajoule (EJ) Sonnenenergie.

• Im Vergleich: 440 EJ ist der gesamte jährliche Energieverbrauch der Menschheit (Stand 2002).

• Aber: Nur etwa 0.1 % (≈ 3000 EJ) wird durch Photosynthese in Biomasse umgewandelt.

📌 Diese geringe Effizienz ist ein Hinweis darauf, dass viel Energie "ungenutzt" bleibt – und verbessert werden könnte (z. B. in künstlicher Photosynthese oder Agrartechnologien).

🟨 Folie 20: Anregungszustände von Chlorophyll durch Photonen

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Chlorophyll nimmt Lichtenergie (Photonen) auf, wodurch Elektronen in einen angeregten Zustand (Excited state) versetzt werden.

• Chlorophyll kann verschiedene Lichtenergien aufnehmen:

  • Blaues Licht (hohe Energie, kürzere Wellenlänge)

  • Rotes Licht (geringere Energie, längere Wellenlänge)

• Elektronen werden vom Grundzustand („Ground state“) auf höhere energetische Zustände gehoben:

  • Erster angeregter Zustand („First excited state“)

  • Zweiter angeregter Zustand („Second excited state“) (noch höhere Energie)

🔄 Mögliche Wege der Energieabgabe nach der Anregung:

Nach der Anregung eines Elektrons durch Licht gibt es mehrere Möglichkeiten, wie die aufgenommene Energie wieder abgegeben werden kann:

1. Internal conversion (Interne Konversion):

   • Energie wird als Wärme abgegeben (keine Lichtabstrahlung), Elektronen fallen auf niedrigeres Energieniveau zurück.

2. Fluoreszenz:

   • Elektronen fallen zurück auf niedrigeres Niveau, Licht mit etwas längerer Wellenlänge (weniger Energie) wird ausgestrahlt.

3. Resonanzenergietransfer (Exciton-Transfer):

   • Energie wird strahlungslos auf ein benachbartes Chlorophyll-Molekül übertragen (keine Elektronen werden übertragen, nur Energie).

4. Photooxidation (chemische Reaktion):

   • Elektronen verlassen das Chlorophyll-Molekül und werden auf ein anderes Molekül (Elektronenakzeptor) übertragen.

   • Wichtig: Dieser Prozess startet den eigentlichen Elektronentransport in der Photosynthese.

Nur etwa 3 – 6 % der absorbierten Lichtenergie wird tatsächlich für den Elektronentransport in der Photosynthese genutzt.

🖼 Erklärung der Visualisierung:

• Das Diagramm zeigt die Energiezustände, auf denen sich Elektronen befinden können.

• Verschiedene Pfeile zeigen, wie Elektronen von einem Niveau auf ein anderes wechseln:

  • Blaue und rote Pfeile: Absorption von Licht (Photonen), Elektronen werden angeregt.

  • Grüne Pfeile: Resonanzenergietransfer, Energietransfer auf benachbartes Chlorophyll.

  • Braune Pfeile: Fluoreszenz (Lichtemission) und interne Konversion (Wärme).

  • Pfeil zur „Photooxidation“: Elektronen verlassen Chlorophyll, initiieren Elektronentransport in der Photosynthese.

📖 Glossar zur Folie:

• Photonen:
  Energiequanten des Lichts, die von Chlorophyll-Molekülen absorbiert werden.

• Angeregter Zustand („Excited state“):
  Zustand eines Elektrons nach der Aufnahme von Energie (Photonen), wobei es auf ein höheres Energieniveau gehoben wird.

• Grundzustand („Ground state“):
  Normaler Energiezustand eines Elektrons ohne zusätzliche Energiezufuhr.

• Internal conversion (Interne Konversion):
  Energieabgabe ohne Lichtaussendung, Elektronen fallen auf ein niedrigeres Energieniveau zurück, Energie wird in Wärme umgewandelt.

• Fluoreszenz:
  Emission von Licht mit geringerer Energie (längere Wellenlänge), wenn angeregte Elektronen auf ein niedrigeres Energieniveau zurückfallen.

• Resonanzenergietransfer (Exciton-Transfer):
  Übertragung von Energie auf benachbarte Chlorophyllmoleküle ohne Elektronentransfer.

• Photooxidation:
  Elektronen verlassen das Chlorophyll-Molekül und werden auf einen Elektronenakzeptor übertragen, Startpunkt der photosynthetischen Elektronentransportkette.

🟨 Folie 21: Umwandlung der Anregungsenergie

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Wenn Chlorophyll ein Photon (Lichtteilchen) absorbiert, wird es angeregt.

• Die Energie dieser Anregung kann auf drei Weisen genutzt werden:

  1. Wärmeabgabe

  2. Energieübertragung auf ein anderes Chlorophyll

  3. Photooxidation → Ein Elektron wird komplett abgegeben (verschoben) und startet den Elektronentransport.

  4. Letzter Donor ist dann Wasser

➡ Die Photooxidation ist zentral für die Lichtreaktion der Photosynthese: Hier beginnt die Gewinnung chemischer Energie aus Licht.

🟦 Folie 22: Photosynthese in Bakterien

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Verschiedene Bakterien nutzen unterschiedliche Formen von Photosynthese.

• Einige sind aerob (verwenden Sauerstoff), andere anaerob (ohne Sauerstoff).

• Bakterienarten unterscheiden sich bezüglich:

  • Elektronendonoren (z. B. H₂O, H₂S, Fe²⁺)

  • Pigmente (z. B. Chlorophyll, Bacteriochlorophyll)

  • Energieträger (ATP, NADH, etc.)

  • Ob CO₂ fixiert wird oder nicht

📌 Wichtig: Nicht alle Photosyntheseprozesse erzeugen Sauerstoff!

🟦 Folie 23: Einfachstes Beispiel – Bacteriorhodopsin

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Bacteriorhodopsin ist ein lichtgetriebener Protonenpumpe, die bei Archaeen (z. B. Halobacterium) vorkommt.

• Es ist ein integrales Membranprotein mit 7 Transmembranhelices.

• Retinal liegt in einem hydrophoben Kern des Bacteriorhodopsin

• Funktion: Transport von Protonen (H⁺) aus dem Zellinneren nach außen, wobei ein Protonengradient aufgebaut wird. Dieser Gradient kann später zur ATP-Synthese genutzt werden.

🔆 Mechanismus – Lichtabhängiger Protonentransport:

1. Lichtabsorption:
   Das Molekül Retinal (gebunden an Lysin 216) absorbiert ein Photon.
   → Strukturänderung von all-trans-Retinal zu 13-cis-Retinal.

2. Konformationsänderung:
   Diese Isomerisierung löst eine Konformationsänderung des Proteins aus.

3. Protonenaufnahme:
   Ein Proton (H⁺) wird aus dem Zellinneren (Zytoplasma) aufgenommen. Dies geschieht u.a. durch die Aspartat-85-Seitekette.

4. Protonentransfer:
   Durch strukturelle Umlagerungen werden Protonen entlang des Proteins weitergereicht (über Atg-82, Asp-96, Glu-194, Glu-204 etc.).

5. Protonenfreisetzung:
   Schließlich wird das Proton nach außen (extrazellulär) abgegeben – es entsteht ein Protonengradient.

6. Rückisomerisierung:
   Retinal kehrt wieder in die all-trans-Form zurück, der Kreislauf kann erneut beginnen.

🧬 Visualisierung erklärt:

• Links:
  Die Struktur des Bacteriorhodopsins ist als 3D-Helix-Modell dargestellt. Die nummerierten Schritte (1–5) zeigen die Reihenfolge der Protonentransportstationen.
  Die farbigen Reste wie Asp-85, Asp-96, Glu-204 etc. sind entscheidende Aminosäuren für die Protonenweitergabe.

• Rechts:
  Der Unterschied zwischen all-trans-Retinal (Ruhezustand) und 13-cis-Retinal (Lichtaktivierung) ist dargestellt.
  → Die Lichtaufnahme führt zur Isomerisierung (Änderung der Doppelbindungsstellung) und damit zur Aktivierung des Pumpmechanismus.

📖 Glossar:

• Bacteriorhodopsin:
  Lichtgetriebene Protonenpumpe aus Archaeen, transportiert H⁺ über die Membran.

• Retinal:
  Lichtempfindliches Molekül (abgeleitet von Vitamin A), das im Bacteriorhodopsin an ein Lysin gebunden ist und durch Licht isomerisiert wird.

• Isomerisierung:
  Strukturänderung eines Moleküls (z. B. von all-trans zu 13-cis), hier durch Licht ausgelöst.

• Protonengradient:
  Konzentrationsunterschied von H⁺-Ionen über eine Membran; treibt z. B. ATP-Synthase an.

• Aspartat / Glutamat:
  Saure Aminosäuren mit Carboxygruppen, spielen bei der Protonenaufnahme/-abgabe eine Rolle.

• Transmembranhelix:
  Helixartige Struktur innerhalb von Membranproteinen, die die Lipiddoppelschicht durchspannt.

🟦 Folie 24: Beispiel der Photosynthese in Purpurbakterien

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Purpurbakterien (z. B. Rhodobacter sphaeroides) betreiben eine eigene Form der Photosynthese:

  • Ohne Sauerstoff

  • Mit anderen Pigmenten (Bacteriochlorophyll)

  • In speziellen Membranstrukturen

🧪 Diese Bakterien sind Modellorganismen, um alternative Photosynthesewege zu erforschen.

📷 Die Bilder zeigen:

• Naturvorkommen (z. B. in salzigen Gewässern)

• Kultivierung im Labor (roter Kulturansatz)

• Elektronenmikroskopische Aufnahme der Bakterien

🟦 Folie 25: Lichtsammelkomplex + Reaktionszentrum = Photosystem

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Lichtsammelkomplexe (in abbildung, grüne punkte) fangen Photonen (Lichtteilchen) ein und leiten deren Energie weiter.

• Diese Energie wird an ein Reaktionszentrum (dunkelgrüner Punkt in slide) weitergegeben – dort findet die Photooxidation statt.

• Das Reaktionszentrum enthält spezielle Chlorophyllmoleküle, die Elektronen auf ein anderes Molekül übertragen → Start der Photosynthese.

📌 Wichtig: Erst die Kombination aus Lichtsammelkomplex + Reaktionszentrum ergibt ein funktionierendes Photosystem.

🧠 Was ist zu sehen und was passiert hier?

• Die Folie zeigt den Aufbau eines Photosystems, das aus zwei Teilen besteht:

  1. Lichtsammelkomplex (Antenne)

  2. Reaktionszentrum

💡 Einfache Erklärung:

• Der Lichtsammelkomplex besteht aus vielen Chlorophyll-Molekülen (grün dargestellt), die Lichtenergie (Photonen) aus der Sonne einfangen.

• Diese Lichtenergie wird nicht direkt genutzt, sondern weitergereicht – wie bei einem Staffelstab – von einem Chlorophyll-Molekül zum nächsten. Dieser Vorgang heißt:

  ✅ „Resonanzenergietransfer“ oder „Excitonentransfer“ (ist eine Schwinung die übertragen wird)

• Die Energie wandert so lange weiter, bis sie ein spezielles Reaktionszentrum-Chlorophyll erreicht (weiß dargestellt).

🔬 Was passiert im Reaktionszentrum?

• Hier passiert etwas Entscheidendes: Die Lichtenergie wird in eine chemische Reaktion umgewandelt.

• Ein Elektron wird „herausgeschleudert“ und auf ein anderes Molekül übertragen →
  🟢 Startpunkt der photosynthetischen Elektronentransportkette

📌 Warum ist das wichtig?

• Nur 3–6 % der Lichtenergie führen zur tatsächlichen Elektronentransfer-Reaktion (Rest geht als Wärme oder Fluoreszenz verloren).

• Trotzdem ist dieser Schritt der Beginn der eigentlichen Photosynthese, bei der am Ende Zucker entsteht.

📖 Glossar:

• Photosystem: Komplex aus Lichtsammelkomplex + Reaktionszentrum in Chloroplasten.

• Photon: Lichtteilchen, trägt Energie.

• Resonanzenergietransfer: Weitergabe von Energie zwischen Molekülen ohne Elektronenübertragung.

• Reaktionszentrum: Ort, an dem Lichtenergie in Elektronenfluss umgewandelt wird.

🟦 Folie 26: Lichtsammelkomplex (aus Rhodoblastus acidophilus)

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Lichtsammelkomplexe bestehen aus:

  • Proteinen (als strukturelles Gerüst)

  • Bakteriellen Chlorophyllen (BChl a) als lichtabsorbierende Pigmente.

  • sind in den a-helices angenisstet.

• Diese Chlorophylle sind ringförmig angeordnet, um eine effiziente Energieweitergabe Richtung Reaktionszentrum zu ermöglichen.

📌 Beispiel: Der Lichtsammelkomplex aus Rhodoblastus acidophilus zeigt eine hochsymmetrische Struktur mit klarer Organisation.

🧠 Was zeigt diese Folie?

• Hier wird ein echter Lichtsammelkomplex aus einem Bakterium dargestellt, nämlich Rhodoblastus acidophilus (ein Purpurbakterium).

• Gezeigt wird ein strukturbiologisches Modell aus zwei Blickwinkeln:

🔬 Erläuterung der Visualisierungen:

• Oben links: Die Oberansicht zeigt, dass das Protein aus vielen Untereinheiten besteht (blaue Spiralen = Polypeptidketten), die im Kreis angeordnet sind.

• Grün: Das sind die Moleküle des Bakteriellen Chlorophylls (BChl a).
  Diese Pigmente fangen Licht ein, ähnlich wie Chlorophyll in Pflanzen.

• Unten links: Seitenansicht durch die Membran. Man sieht, wie der Lichtsammelkomplex in der Membran sitzt.

• Rechts: Nur das bakterielle Chlorophyll ist gezeigt → es ist ringförmig angeordnet.
  Diese ringförmige Struktur erleichtert den Resonanzenergietransfer, weil die Moleküle eng und regelmäßig angeordnet sind.

📌 Warum ist das bemerkenswert?

• Diese Struktur ist extrem effizient darin, Licht einzufangen und die Energie weiterzugeben.

• Solche Bakterien leben oft in lichtarmen Umgebungen – daher brauchen sie sehr effiziente Lichtnutzung.

📖 Glossar:

• Lichtsammelkomplex: Teil des Photosystems, der Sonnenlicht sammelt und Energie weitergibt.

• BChl a (Bakterielles Chlorophyll a): Pigment in Purpurbakterien, ähnlich wie pflanzliches Chlorophyll.

• Polypeptid: Kette aus Aminosäuren, also ein Protein.

• Membran: Dünne Lipidschicht, in der viele dieser Proteine eingebettet sind.

🟦 Folie 27: Protein als Gerüst für Chlorophyllpositionierung

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Das Protein sorgt dafür, dass Chlorophyllmoleküle exakt an der richtigen Stelle sitzen.

• Die Seitenketten der Aminosäuren interagieren gezielt mit den Chromophoren (z. B. Chlorophyll).

• Das ist entscheidend, damit die Lichtenergie effizient übertragen werden kann.

📌 Ohne diese präzise Anordnung wäre keine zielgerichtete Energieübertragung möglich.

🟦 Folie 28: Anordnung von Lichtsammelkomplexen und Reaktionszentrum

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• In der Membran sind die Lichtsammelkomplexe (LH1, LH2) und das Reaktionszentrum (RC) geordnet angeordnet.

• LH2-Komplexe sammeln Licht und geben die Energie an LH1 weiter.

• LH1 leitet die Energie schließlich zum Reaktionszentrum (RC) → dort beginnt der Elektronentransfer.

📌 Die Energie wird wie ein Staffelstab weitergereicht – von außen (LH2) nach innen (RC).

🟦 Folie 29: Das Reaktionszentrum (aus Rhodobacter sphaeroides)

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Die Folie zeigt die 3D-Struktur des Reaktionszentrums eines Bakteriums (Rhodobacter sphaeroides).

• Es besteht aus mehreren Proteinen und eingebetteten lichtaktiven Molekülen:

  • Chlorophylle

  • Chinon-Moleküle

  • Eisen-Ionen (Fe)

📌 Diese Struktur ist der Ort, an dem die Lichtenergie in eine chemische Reaktion (Elektronenübertragung) umgewandelt wird.

🟦 Folie 30: Komponenten des Reaktionszentrums

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Wichtige Moleküle im Reaktionszentrum:

  • Special pair: Zwei eng stehende Chlorophyll-Moleküle (BChl), die als Lichtfänger dienen.

  • Accessory BChl: Unterstützende Chlorophylle für Elektronenweiterleitung.

  • Bacteriopheophytin (BPheo): Chlorophyll ohne Magnesium – nimmt Elektronen auf.

  • Quinone (QA → Menaquinone und QB → Ubiquinone): Elektronenakzeptoren in der Elektronentransportkette.

  • Fe²⁺-Ion: Verbindung zwischen QA und QB.

📌 Diese Moleküle bilden eine präzise Elektronenflusskette vom Lichtfang bis zur Elektronenübertragung auf Quinone.

🟦 Folie 31: Photooxidation am „special pair“

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Das "special pair" besteht aus zwei BChl-Molekülen, die parallel zueinander angeordnet sind.

• Wird ein Photon absorbiert, wird ein Elektron angeregt und vom special pair abgegeben.

• Dieses Elektron wird weitergegeben an:

  1. Bacteriopheophytin (BPheo)

  2. QA (Quinon A)

  3. QB (Quinon B)

• "Special pair": Zwei Chlorophyll-Moleküle (BChl a), die < 1 nm Abstand haben und parallel zueinander liegen.

• Sie können bei Lichtanregung ein Elektron abgeben → dieser Prozess heißt Photooxidation.

• Die Absorptionseigenschaften ändern sich dabei:

  • Der Name des special pair (z. B. P960) ergibt sich aus der Wellenlänge (960 nm), bei der die Absorption am stärksten abnimmt.

• Photooxidation läuft in zwei Schritten ab:

  1. Photonenabsorption → Elektron wird angeregt und über beide BChl a delokalisiert (P960 → P960*).

  2. Elektronenübertragung in ca. 3 ps auf Bacteriopheophytin (BPheo):
     P960 → P960⁺* und BPheo → BPheo⁻.

• Die schnelle Elektronenübertragung verhindert den Rückfall des Elektrons in den Grundzustand.

📌 Wichtig: Die Rückkehr des Elektrons zum special pair muss verhindert werden, sonst ist keine Netto-Energieübertragung möglich.

🟦 Folie 32: Zeitlicher Ablauf der Elektronenübertragung

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Diese Folie zeigt den genauen zeitlichen Ablauf der Elektronentransfer-Reaktionen:

  • Nach <1 ps (Pikosekunden) wird das Elektron vom special pair zu BPheo b weitergereicht.

  • Innerhalb von ca. 200 ps erfolgt die Übertragung auf Quinon A (QA).

  • Danach gelangt das Elektron auf Quinon B (QB), wo es gespeichert wird.

📌 Dieser Ablauf sorgt dafür, dass Lichtenergie in Form eines geladenen Elektronenträgers (reduziertes QB) gespeichert wird.

🟦 Folie 33: Ultrafast Transient Absorption Spectroscopy (EXKURS , NICHT NÖTIG)

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Diese Methode misst, wie schnell ein Elektron nach Anregung durch Licht in einem Molekül weitergeleitet wird.

• Benötigt werden:

  1. Sehr kurze Laserpulse im Femtosekundenbereich.

  2. Absorptionsmessung von lichtaktiven Molekülen (z. B. Chlorophyll oder Quinone).

  3. Zwei Laserpulse:

     • Pump-Puls: regt das System an.

     • Probe-Puls: misst danach den neuen Zustand.

📌 Ziel: Zeitskala der Elektronenübertragung sichtbar machen (in Pikosekunden).

🟦 Folie 34: Mena-, Ubi- und Plasto-Quinone

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Menaquinon, Ubichinon und Plastochinon sind drei verwandte Chinon-Moleküle, die in biologischen Membranen vorkommen.

• Sie haben alle eine zentrale Rolle bei der Elektronenübertragung in biologischen Reaktionszentren.

• Diese Moleküle sind Co-Faktoren – sie helfen Enzymen bei der Arbeit, sind aber selbst nicht aus Aminosäuren aufgebaut.

• Sie sind redoxaktiv, d. h. sie können Elektronen (e⁻) und Protonen (H⁺) aufnehmen oder abgeben.

📊 Vergleichstabelle:

🔄 Was bedeutet „einfach reduziert“ und „zweifach reduziert“?

• Ein Chinon-Molekül kann Elektronen (e⁻) und Protonen (H⁺) aufnehmen.

• Je nach Zahl der aufgenommenen Elektronen spricht man von unterschiedlichen Reduktionszuständen:

✅ Oxidierte Form:

• Molekül ist ungeladen und kann Elektronen aufnehmen.

✅ Einfach reduziert (Semichinon):

• Hat 1 Elektron + 1 Proton aufgenommen.

• Hat dadurch oft ein ungepaartes Elektron → ist radikalisch und sehr reaktiv.

✅ Zweifach reduziert (Hydrochinon-Form):

• Hat 2 Elektronen + 2 Protonen aufgenommen.

• Jetzt ist das Molekül vollständig reduziert – es kann nun Elektronen wieder abgeben.

Diese Wechsel zwischen Zuständen macht die Moleküle zu elektronentransportierenden Trägern.

📖 Glossar (einfach erklärt):

• Chinon: Aromatisches Molekül mit zwei Ketogruppen (=O); kann Elektronen aufnehmen → wird zu Hydrochinon.

• Co-Faktor: Helfermolekül, das von Enzymen genutzt wird, um ihre Funktion auszuüben.

• Redoxaktiv: Kann Elektronen aufnehmen (Reduktion) oder abgeben (Oxidation).

• Semichinon: Zwischenform; einfach reduziert, oft radikalisch.

• Hydrochinon: Zweifach reduzierte, stabile Form eines Chinons.

• Ubichinon: Auch „Coenzym Q“ genannt, wichtiger Elektronenüberträger in der mitochondrialen Atmungskette.

• Plastochinon: Transportiert Elektronen in der Photosynthese (Thylakoidmembran).

• Menaquinon: Auch „Vitamin K₂“ – beteiligt an Elektronentransport in Bakterien, aber auch an Blutgerinnung im Menschen.

🟦 Folie 35: Menaquinone

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Zeigt die Redox-Zustände von Menaquinon:

  • Oxidierte Form (Quinon): Q

  • Einfach-reduzierte Form (Semichinon): QH·

    • ⚠ instabil und sehr reaktiv!

• Zweifach-reduzierte Form (QH₂) existiert nicht stabil bei Menaquinonen.

📌 Menaquinon übernimmt Elektronen, ist aber weniger stabil als Ubichinon in reduzierter Form.

🟦 Folie 36: Ubichinone (analog: Plastochinone)

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Ubichinon (und Plastochinon) können drei stabile Zustände einnehmen:

  • Q: oxidierte Form

  • QH·: Semichinon (ein Elektron, ein Proton)

  • QH₂: Hydrochinon (zwei Elektronen, zwei Protonen)

📌 Diese Redox-Stufen sind zentral für die Funktion in Elektronentransportketten – sie „shuttlen“ Elektronen von einem Protein zum nächsten.

🟦 Folie 37: Photosynthetische Elektronentransportkette

🧠🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Diese Folie zeigt den sogenannten zyklischen Elektronentransport der Photosynthese – ein alternativer Weg der Elektronen im Photosystem I.

• Dabei wird ein Elektron von P960 angeregt (durch Licht: hν), durchläuft mehrere Redoxkomponenten und kehrt wieder zu P960 zurück.

• Der dabei aufgebaute Protonengradient (H⁺-Gradient) wird zur ATP-Synthese verwendet – aber es entsteht kein NADPH.

• Ubiquinon (auch: Q, nicht zu verwechseln mit Plastoquinon) spielt eine zentrale Rolle im Elektronentransport und Protonentransport.

📌 Ablauf in einfachen Schritten:

1. Lichtanregung (hν):

   • P960 absorbiert Licht → wird zu P960* (angeregter Zustand)

2. Elektronentransfer:

   • Elektron springt auf BPheo b (Bakteriopheophytin)

   • Weiter zu QA → dann QB

3. Ubiquinon (Q) / Q-Pool:

   • Nimmt 2 Elektronen sequenziell auf → wird reduziert → transportiert diese zum Cytochrom-bc₁-Komplex

   • Sprich das vollständig reduzierte (Elektronen würden aufgenommen) Ubiquinone verlässt seinen Platz im Reaktionszentrum (ist nicht mehr an das Protein gebunden) → geht auf Wanderschaft und agiert als mobiler Elektronen-carrier.

4. Cytochrom-bc₁-Komplex:

   • Entspricht funktionell dem Komplex III der Atmungskette in Mitochondrien

   • Pumpt Protonen (H⁺) über die Membran → baut Protonengradienten auf

5. Cytochrom c₂:

   • Überträgt Elektronen zurück zu P960 → Zyklus ist geschlossen

🟦 Folie 38: Konzept der mobilen Elektronenträger

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Elektronen werden über spezialisierte mobile Trägerproteine transportiert.

• Ablauf:

  • Licht regt ein Elektron im Reaktionszentrum an → Elektron wird übertragen.

  • Ubichinol (QH₂) überträgt 2 Elektronen auf das Cytochrom bc₁-Komplex.

  • Cytochrom c (kleines Protein mit Fe³⁺/Fe²⁺) transportiert 1 Elektron weiter.

• Der sogenannte Q-Zyklus sorgt für zusätzliche Protonenpumpwirkung.

📌 Der mobile Elektronentransport ist entscheidend für den Aufbau des Protonengradienten.

🟦 Folie 39: Cytochrom bc₁-Komplex

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Die Folie zeigt den Q-Zyklus, der im Cytochrom bc₁-Komplex (Komplex III) abläuft.

• Dieser Komplex spielt eine zentrale Rolle im Elektronentransport, sowohl:

  • in der Atmungskette (Mitochondrien) als auch

  • in der Photosynthese (z. B. bei phototrophen Bakterien).

• Ziel: Aufbau eines Protonengradienten, um später ATP zu erzeugen.

🔁 Was passiert Schritt für Schritt (vereinfacht):

1. Ein QH₂-Molekül (Ubihydrochinon) bringt 2 Elektronen und 2 Protonen in den Komplex.

2. Die 2 Protonen (H⁺) werden in den Intermembranraum (bzw. Thylakoidlumen) abgegeben → tragen zum Protonengradienten bei.

3. Die Elektronen nehmen zwei unterschiedliche Wege:

   • Ein Elektron geht „nach oben“ → über Fe-S-Zentrum → Cytochrom c₁ → Cyt c (mobile Carrier). → Das Cytochrom c ist reduziert

   • Ein Elektron geht „nach unten“ → zu einem Q-Molekül im Qi-Site, das dadurch einfach reduziert (Q•⁻) wird.

4. In einem zweiten Durchlauf:

   • Ein weiteres QH₂ kommt.

   • Wieder werden 2 Protonen gepumpt und 2 Elektronen gesplittet:

     • Eines geht wieder zu Cyt c.

     • Das andere reduziert das vorherige Q•⁻ vollständig zu QH₂ → Recycling.

• Der Q-Zyklus baut einen Protonengradienten auf.

🧠 Kernaussage:

Der Cytochrom bc₁-Komplex pumpt mithilfe des Q-Zyklus Protonen über die Membran, um einen elektrochemischen Gradienten aufzubauen – nötig für die ATP-Synthese. Elektronen werden dabei über Cytochrom c₂ weitergeleitet.

🔁 Ablauf des Q-Zyklus (vereinfacht und prägnant):

1. QH₂ (Ubihydrochinon) bringt 2 e⁻ + 2 H⁺ in den Komplex.

2. Die 2 H⁺ werden in den Intermembranraum (z. B. Thylakoidlumen) abgegeben.

3. Die 2 e⁻ werden getrennt weitergeleitet:

   • 1 e⁻ → Fe-S-Zentrum → Cyt c₁ → Cyt c₂ (wird reduziert und trägt das e⁻ weiter)

   • 1 e⁻ → Qi-Site → Q → Q•⁻

4. Im nächsten Umlauf:

   • Neues QH₂ liefert 2 e⁻ + 2 H⁺.

   • Das zweite e⁻ reduziert das vorherige Q•⁻ zu QH₂ (→ Recycling).

   • 2 weitere H⁺ werden gepumpt.

📖 Glossar (fokussiert):

🟦 Folie 40: Photosynthese in Pflanzen

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Die Folie zeigt symbolisch, dass alle diese biochemischen Prozesse in Pflanzen ablaufen.

• Ort: in den Chloroplasten der Pflanzenzellen – insbesondere in den Blättern.

• Ergebnis: Pflanzen nutzen Licht, Wasser und CO₂, um Zucker (CH₂O) zu bilden.

📌 Ohne diese Prozesse gäbe es kein pflanzliches Wachstum – und keine Nahrungsgrundlage für Tiere und Menschen.

🟩 Folie 41: Photosynthese in Pflanzen – Das Z-Schema

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Das Z-Schema zeigt den Energiefluss von Elektronen in der Lichtreaktion:

  • Start bei Wasser (H₂O) → Elektronen werden entnommen.

    • Man sieht in der y-achse des Redoxpotentials, dass Wasser recht weit unten ist, seine Elektronen also sehr ungern abgibgt

    • Je höher man ist, bspw. ein Wert von -1,2 dann werden hier die Elektronen gerne abgegeben

      .

• ☀ Lichtreaktion der Photosynthese – Ablauf im Überblick:

  • Startpunkt: Licht trifft auf Photosystem II (PSII)
    → darin befindet sich das spezielle Chlorophyllpaar P680, das bei 680 nm Licht absorbiert.
    → Ein Elektron wird durch Lichtanregung aus P680 „herausgeschossen“ (Photooxidation).

  • Elektronentransportkette:

    • Das Elektron durchläuft eine Reihe von Redoxkomponenten:

      • vom PSII über Plastochinon (PQ) zum Cytochrom-b₆f-Komplex

      • dann über Plastocyanin (PC) weiter zu Photosystem I (PSI)

  • PSI (Photosystem I):

    • Hier befindet sich das Chlorophyllpaar P700, das Licht bei 700 nm absorbiert.

    • P700 wird durch Licht erneut angeregt → gibt das Elektron weiter an Ferredoxin (Fd).

    • Schließlich wird das Elektron auf NADP⁺ übertragen → es entsteht NADPH.

  • ATP-Synthese:

    • Während die Elektronen fließen, werden Protonen (H⁺) vom Stroma ins Thylakoidlumen gepumpt.

    • Es entsteht ein Protonengradient → dieser wird durch die ATP-Synthase genutzt, um ATP zu bilden.

  ✅ Endprodukte der Lichtreaktion:

  • O₂ (durch Wasserspaltung im PSII)

  • ATP (aus dem Protonengradienten)

  • NADPH (durch Elektronenreduktion von NADP⁺)

  📘 Zusammenfassung in einem Satz:

  Licht treibt Elektronen von P680 → P700 → NADP⁺, dabei entstehen ATP, NADPH und Sauerstoff – die Energiebausteine für die Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus).

📌 Wichtige Reaktion:

$2H_2O→O_2 + 4[H]$

🟩 Folie 42: Photosynthese im Membrankontext

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Die Reaktion findet in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten statt.

• Übersicht der beteiligten Komponenten:

  • PSII: Wasseroxidation (O₂ entsteht).

  • Plastoquinon: Transportiert Elektronen.

  • Cytochrom b₆f-Komplex: Protonentransport, Aufbau von Gradient.

  • Plastocyanin: Weiterleitung zu PSI.

  • PSI: Reduziert NADP⁺ zu NADPH.

  • ATP-Synthase: Baut aus dem Protonengradienten ATP.

📌 Die Lichtreaktion erzeugt ATP + NADPH → wird später für die CO₂-Fixierung in der Dunkelreaktion gebraucht.

🔹 Thylakoid-Lumen:
Innenraum der Thylakoidmembran; während der Lichtreaktion mit Protonen angereichert, um einen Protonengradienten aufzubauen – essenziell für die ATP-Synthese im Chloroplasten.

🟩 Folie 43: Photosystem II (PSII)

🧠 Schlüsselkonzepte:

• PSII ist ein riesiger Proteinkomplex (~700 kDa) mit:

  • 19 Untereinheiten,

  • 57 Cofaktoren (z. B. Chlorophyll, Hämgruppen, Eisen-Schwefel-Zentren).

• Stammt aus Thermosynechococcus elongatus (ein thermophiles Cyanobakterium).

• Enthält:

  • P680: Spezialpaar (Reaktionszentrum).

  • OEC: Oxygen Evolving Complex → Ort der Wasserspaltung.

📌 Zentral für die Bildung von O₂ aus Wasser.

🟩 Folie 44: Elektronentransport im Photosystem II

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Im Zentrum steht der Oxygen-Evolving Complex (OEC) mit einem Mangan-Cluster.

• Reaktion:

  $2H2O→O2+4e−+4H+2 H_2O$

• Die Elektronen werden auf das P680 übertragen (P680 ist ein Special Pair) → von dort über verschiedene Cofaktoren weitergeleitet (u. a. Pheophytin, Plastoquinon).

• Beim Elektronen fluss (rot eingezeichnet), nach der Photooxidation ist das Special Pair zu einem Zeitpunkt kurzzeitig positiv geladen

  • In diesem Zustand betragt Standardredoxpotential von +1000 mV → während dieses Zustands beträgt die kurzzeitige positive Ladung, dass dem Wasser auch Elektronen entzogen werden können

  • weil wie gesagt, Wasser gitb Elektronen sehr sehr ungern ab.

• Oxygen-Evolving CLuster (OEC) ist das Herzsstück denn hier geschieht das mit dem Wasser.

  • Hier an diesem Cluster wird dem Wasser elektronen entzogen und Sauerstoff wird gewonnen.

• Protonen werden ins Lumen freigesetzt → trägt zum Protonengradienten bei.

📌 Diese Reaktion liefert die Elektronen für die gesamte Lichtreaktion und setzt Sauerstoff frei.

🟩 Folie 45: Struktur des Oxygen-Evolving Cluster (Stand 2010)

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Diese Folie zeigt frühe Strukturmodelle des Oxygen-Evolving Cluster (OEC), also des Ortes im Photosystem II (PSII), an dem Wasser gespalten und Sauerstoff freigesetzt wird.

• Der OEC besteht aus vier Mangan-Atomen (Mn) und einem Calcium-Ion (Ca), die in einer komplexen Struktur angeordnet sind.

• Diese Struktur war lange ein „Rätsel“, da sie nur schwer mit Röntgenkristallographie auflösbar war.

🔍 Glossar:

• OEC: Komplex, der Wasser oxidiert → Sauerstoff entsteht.

• Mn und Ca: Metallzentren, notwendig für die Katalyse der Wasserspaltung.

🟩 Folie 46: Oxygen-Evolving Cluster – Problem gelöst im Jahr 2011

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Im Jahr 2011 wurde die Struktur des OEC in hoher Auflösung (1,9 Ångström) gelöst.

• Es handelt sich um einen komplexen Cluster aus 4 Mangen-Molekülen und 1 Ca-Ion, verbunden durch Sauerstoffbrücken.

• Diese genaue Anordnung ist entscheidend für die Schrittweise Entfernung von Elektronen aus Wasser (Oxidation).

📌 Diese Struktur ermöglichte erstmals ein genaues mechanistisches Verständnis der Sauerstoffbildung in der Photosynthese.

🟩 Folie 47: Funktion des OEC (Oxygen-Evolving Complex)

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen:

• Der Oxygen-Evolving Complex (OEC) ist der Teil des Photosystem II, der Wasser in Sauerstoff, Protonen und Elektronen aufspaltet.

• Dabei läuft ein zyklischer Prozess in 5 Stufen ab (S₀ bis S₄) – bekannt als S-Zyklus (Kok-Zyklus).

• Der OEC sammelt vier Lichtblitze (Photonen) und durchläuft pro Blitz einen Schritt, bei dem jeweils ein Elektron gewonnen wird.

• Nach vier Elektronentransfers (also nach Erreichen von S₄) wird ein O₂-Molekül freigesetzt – die Elektronen gehen an P680.

• Die Protonen (H⁺) tragen zum Protonengradienten im Thylakoid-Lumen bei, der für die ATP-Synthese genutzt wird.

🔄 Was zeigt die rechte Abbildung?

• Das Diagramm zeigt den S-Zyklus (S₀ → S₄), durch den der OEC schrittweise vier Elektronen gewinnt.

• Jeder Blitz (hv) steht für ein Photon → jedes Photon bringt den Komplex eine Stufe weiter.

• Bei Übergang von S₄ zu S₀ wird auf einen Schlag 4 Elektronen auf von 2 Wassermolekülen, so das Sauerstoff (O₂) freigesetzt und 2 H⁺ ins Lumen transportiert und tragen zum Protonengradienten bei.

📊 Was zeigt die linke Grafik?

• Die Grafik stellt dar, wie viel O₂ pro Lichtblitz (Flash) erzeugt wird.

• Es entsteht nur bei jedem vierten Lichtblitz ein O₂-Molekül → deshalb sieht man eine periodische Spitzenbildung (maximal bei Blitz 4, 8, 12...).

• Danach flacht die Kurve ab, weil sich die verschiedenen OEC-Zustände (S₀ bis S₄) statistisch verteilen.

📌 Wichtige Punkte zum Merken:

• 1 O₂ entsteht nur alle 4 Lichtblitze → da 4 Elektronen für die Spaltung von 2 H₂O nötig sind.

• Der OEC arbeitet schrittweise und ist ein multizentrales Enzym mit Mangan-Kern (Mn₄CaO₅).

• Der Zyklus ist notwendig, weil Wasser sehr ungern Elektronen abgibt – erst die hohe positive Ladung von P680⁺ nach Photooxidation macht das möglich.

📖 Glossar (einfach erklärt):

🟩 Folie 48: Q-Zyklus

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Der Q-Zyklus beschreibt einen Teil des Elektronentransports in der Photosynthese.

• Der Q-Zyklus läuft im Cytochrom b₆f-Komplex ab und sorgt dafür, dass:

  • Protonen ins Thylakoid-Lumen gepumpt werden → Aufbau eines Protonengradienten.

  • Elektronen effizient vom Photosystem II zum Photosystem I weitergeleitet werden.

• Dabei wird Plastoquinon (PQ) reduziert und oxidiert – es nimmt Elektronen auf und gibt sie wieder ab.

📌 Der Q-Zyklus erhöht die Anzahl der Protonen im Lumen → wichtig für ATP-Synthese durch die ATP-Synthase.

🟩 Folie 49: Q-Zyklus (Erweiterung)

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Diese Folie zeigt den Q-Zyklus im Kontext der gesamten Thylakoidmembran.

• Der Zyklus sorgt für den Effizienzgewinn im Elektronentransport zwischen PSII und PSI:

  • Plastoquinon (PQ) nimmt Elektronen im PSII auf und transportiert sie zum Cytochrom b₆f-Komplex.

  • Dort wird PQ wieder oxidiert, wobei Protonen ins Lumen freigesetzt werden.

  • Diese Protonen tragen zum Protonengradienten bei, der später für die ATP-Synthese genutzt wird.

📌 Funktion: Steigerung des Protonentransports → mehr ATP pro übertragenem Elektron.

🟩 Folie 50: Cytochrom b₆f-Komplex

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Der Cytochrom b₆f-Komplex ist ein zentrales Transportsystem in der photosynthetischen Elektronentransportkette.

• Funktion ähnlich dem Cytochrom bc₁-Komplex in Mitochondrien, aber in umgekehrter Richtung dargestellt.

• Wichtigste Bestandteile:

  • Häme (Fe-haltige Gruppen) für Elektronentransfer

  • FeS-Zentrum (Rieske) beteiligt sich am Elektronen-Shuttle

  • Plastoquinon (PQH₂) bringt Elektronen und Protonen zum Komplex

  • Plastocyanin (PC) nimmt Elektronen auf und bringt sie zum PSI

🔍 Glossar:

• Häm: Eisenhaltige Gruppe zur Elektronenübertragung.

• Stroma / Lumen: Außen- bzw. Innenseite der Thylakoidmembran.

🟩 Folie 51: Mobile Elektronenträger: Plastoquinon und Plastocyanin

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Zwei wichtige mobile Elektronenträger werden vorgestellt:

• 1. Plastoquinon (PQ)

  • Funktioniert ähnlich wie Ubichinon (Q) in der mitochondrialen Atmungskette.

  • Hydrophob (fettlöslich) → bewegt sich frei innerhalb der Thylakoidmembran.

  • Transportiert zwei Elektronen (2 e⁻) und zwei Protonen (2 H⁺):

    • Vom PSII → zum Cytochrom-b₆f-Komplex

  • Wird bei der Aufnahme von Elektronen zu Plastoquinol (PQH₂) reduziert.

  • Gibt die Protonen ins Thylakoidlumen ab → trägt zum Aufbau des Protonengradienten bei.

  • ❗ Auch in Bakterien und Mitochondrien gibt es diesen Typ Elektronenträger – dort unter dem Namen Ubichinon (Coenzym Q).

  2. Plastocyanin (PC)

  • Kupferhaltiges, wasserlösliches Protein, das sich frei im Thylakoidlumen bewegt.

  • Transportiert ein Elektron:

    • Vom Cytochrom-b₆f-Komplex → zum Photosystem I (PSI)

  • Redoxmechanismus:

    • Cu²⁺ ↔ Cu⁺+

  • ❗ Nur in Pflanzen und Cyanobakterien vorhanden.

  • In Menschen und Bakterien wird die analoge Funktion nicht von Plastocyanin, sondern von Cytochrom c übernommen (z. B. in der mitochondrialen Atmungskette).

📌 Vergleich:

• PQ → in Membran (hydrophob)

• PC → wasserlöslich, im Lumen

🧠 Was passiert bei Cu²⁺ ↔ Cu⁺ im Plastocyanin?

• Plastocyanin ist ein kleines kupferhaltiges Protein, das ein Elektron transportiert.

• Das Kupferatom im aktiven Zentrum des Proteins wechselt reversibel seine Oxidationsstufe:

  • Wenn es ein Elektron aufnimmt, wird es reduziert:

    Cu2++e−→Cu+\text{Cu}^{2+} + e^- \rightarrow \text{Cu}^+Cu2++e−→Cu+

  • Wenn es das Elektron wieder abgibt, wird es oxidiert:

    Cu+→Cu2++e−\text{Cu}^+ \rightarrow \text{Cu}^{2+} + e^-Cu+→Cu2++e−

🔁 Wo im Photosyntheseweg passiert das?

• Cu²⁺ → Cu⁺ (Reduktion):
  → passiert am Cytochrom-b₆f-Komplex, der ein Elektron auf Plastocyanin überträgt.

• Cu⁺ → Cu²⁺ (Oxidation):
  → passiert am Photosystem I (PSI), das das Elektron vom reduzierten Plastocyanin (Cu⁺) übernimmt.

💡 Warum Kupfer?

• Kupfer kann sehr leicht zwischen den Zuständen Cu⁺ und Cu²⁺ wechseln.

• Es ist deshalb ideal, um schnell und effizient ein einzelnes Elektron zu übertragen.

• Andere Metallionen (z. B. Eisen in Cytochromen) erfüllen ähnliche Funktionen, aber Plastocyanin nutzt Kupfer – das ist besonders für Pflanzen und Cyanobakterien typisch.

🟩 Folie 52: Plastocyanin – Interessante Kupfer-Koordination

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Plastocyanin bindet ein Kupferion (Cu²⁺) über vier Liganden:

  • Zwei Histidinreste (stickstoffhaltig)

  • Ein Cysteinrest (schwefelhaltig)

  • Ein Methioninrest (schwefelhaltig)

• Die genaue Position dieser Liganden stabilisiert das Kupfer und ermöglicht:

  • Einen sehr präzisen Elektronenfluss

  • Hohe Redoxfähigkeit (Standardpotential etwa +400 mV)

📌 Diese besondere Struktur macht Plastocyanin zu einem hoch spezialisierten Elektronenträger in der Photosynthese.

🟩 Folie 53: Photosystem I

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Diese Folie zeigt den Elektronenfluss im sogenannten Z-Schema der Photosynthese.

• Das Photosystem I (PSI) ist das zweite große Lichtsammelsystem nach PSII.

• PSI übernimmt Elektronen, die zuvor im Photosystem II (PSII) durch Licht angeregt und über eine Kette weitergeleitet wurden.

• Ziel: Übertragung der Elektronen auf NADP⁺ → Bildung von NADPH, das in der Dunkelreaktion gebraucht wird.

🔋 PSI arbeitet auf höherem Reduktionsniveau als PSII – es kann Elektronen energiereicher machen.

🟩 Folie 54: Photosystem I – Struktur

🧠 Schlüsselkonzepte:

• PSI besteht (wie PSII) aus vielen Einzelkomponenten, vor allem:

  • 12 Untereinheiten

  • 127 Kofaktoren (z. B. Chlorophylle, Eisen-Schwefel-Cluster)

  • Ist ein noch hochkomplexers Protein (Proteinkomplex) als das PSII.

• Kofaktoren machen etwa 30 % der Gesamtmasse aus.

  • Prallgefüllt mit Kofaktoren.

• PSI aus der thermophilen Cyanobakterienart T. elongatus wurde strukturell genau untersucht.

• Anordnung als Trimer: drei PSI-Einheiten bilden ein funktionelles Ensemble.

🟩 Folie 55: Wie das Photosystem I Elektronen weitergibt

🧠 Was passiert hier ganz allgemein?

• Das Photosystem I (PSI) ist ein Teil der Photosynthese.

• Es hilft dabei, Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln, indem es Elektronen weiterleitet.

☀ Schritt für Schritt erklärt:

1. Licht trifft auf das „special pair“ P700

   • P700 besteht aus zwei Chlorophyll-Molekülen.

   • Wenn Licht auf P700 trifft, wird ein Elektron „hochgehoben“ – also angeregt.

   • Dieses Elektron wird weitergeleitet, wie auf einer Rutsche.

2. Das Elektron wird über mehrere Stationen weitergegeben

   • Diese Stationen sind Metallzentren im PSI – sogenannte Eisen-Schwefel-Cluster (Fe-S).

   • Es gibt drei solche Cluster, die hier „[4Fe-4S]“ genannt werden.

     • Diese heißen so, weil sie 4 Eisen- (Fe) und 4 Schwefel-Atome (S) enthalten.

     • Sie sind in den Proteinen PsaC, PsaD und PsaE eingebaut (bunte Röhren links im Bild).

3. Am Ende landet das Elektron bei Ferredoxin (Fd)

   • Ferredoxin ist ein kleines Eiweiß, das das Elektron aus dem Photosystem „mitnimmt“.

   • Das Ziel ist, mit Hilfe von 2 Elektronen und einem H⁺-Ion das Molekül NADP⁺ in NADPH umzuwandeln → das ist Energie für die Zelle.

🧪 Warum ist das wichtig?

• Ohne diesen Elektronentransport könnte keine NADPH-Produktion stattfinden.

• NADPH wird später gebraucht, um CO₂ in Zucker umzuwandeln (Calvin-Zyklus).

• Es ist also ein zentrales Teilstück der Photosynthese.

📌 Glossar für Einsteiger:

🟩 Folie 56: Wie Ferredoxin seine Elektronen an FNR übergibt

🧠 Was passiert hier?

• Diese Folie zeigt, wie ein Elektron vom Protein Ferredoxin (Fd) auf ein Enzym namens FNR (Ferredoxin-NADP⁺-Reduktase) übertragen wird.

• Ziel: Aus NADP⁺ + H⁺ → NADPH machen → das ist Energie für die Zelle.

⚙ Schritt-für-Schritt-Erklärung:

1. 🧲 Ferredoxin (Fd) – das blaue Teil rechts im Bild –

   • ist ein kleiner Elektronen-Transporter.

   • Es übergibt ein Elektron an die FNR.

2. 🧪 FNR (Enzym) – das bunte Protein in gelb und pink

   • besteht aus zwei Bereichen (Domänen):

     • Gelb: Bindet das Elektron und hilft bei der Übertragung

     • Pink: Unterstützt die Gesamtstruktur und Funktion

3. 🔁 Zwei Elektronen nötig für NADPH

   • FNR braucht zwei Elektronen – aber Fd kann nur eins auf einmal liefern.

   • Deshalb wird der Vorgang zweimal durchlaufen.

4. ⚡ FMN (Flavin-Molekül) – das kleine Molekül in der Mitte

   • FMN ist wie ein "Puffer":

     • Es speichert das erste Elektron kurzzeitig

     • Und wartet auf das zweite, damit beide zusammen weitergegeben werden können.

5. ✅ Endergebnis:

   • FNR überträgt beide Elektronen plus ein H⁺-Ion auf NADP⁺
     → Es entsteht NADPH → ein wichtiges Reduktionsmittel in der Photosynthese.

📌 Glossar für Einsteiger:

🟩 Folie 57: Elektronenübertragung auf FMN

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Molekül	Funktion
  Ferredoxin (Fd)	Trägt ein Elektron (1 e⁻), kommt aus PSI
  FMN	Elektronen-Akzeptor in FNR
  FNR	Enzym, das NADP⁺ zu NADPH reduziert
  NADP⁺	Endelektronenakzeptor → wird zu NADPH

  ---

  🔁 Ablauf Schritt für Schritt:

  1. Licht aktiviert PSI → Elektron wird auf Ferredoxin (Fd) übertragen
     → Ferredoxin ist jetzt reduziert (Fd⁻), enthält 1 Elektron.

  2. Ferredoxin gibt Elektron an FMN (Flavin-Mononukleotid) ab, das in der FNR sitzt:

     • 1. Elektron + 1 H⁺:

       $FMN + e^−$ + $H^{+}$ → FMNH∙

       → Entsteht eine Radikal-Zwischenform (Semichinon, FMNH•)

     • 2. Elektron + 1 H⁺ (von einem zweiten Ferredoxin):

       FMNH∙+e−+H+→FMNH2

       → Jetzt ist FMN vollständig reduziert → FMNH₂ (Hydrochinonform)

  3. FMNH₂ überträgt ein Hydrid (H⁻) auf NADP⁺:

     $NADP^+ + H^− → NADPH$

     → NADPH ist entstanden – das wird später im Calvin-Zyklus gebraucht.

  💡 Wichtig:

  • Ferredoxin überträgt jeweils nur 1 Elektron,
    aber NADP⁺ braucht 2 Elektronen → darum wird FMN als „Sammelstelle“ gebraucht.

  • FMN erlaubt die Umwandlung von 1-e⁻-Transfer (Fd) in 2-e⁻-Transfer (Hydrid für NADP⁺).

  • Dieser Schritt findet im Enzym FNR (Ferredoxin-NADP⁺-Reduktase) statt, das im Stroma liegt.

  📘 Glossar (vereinfacht):

  Begriff	Erklärung
  FMN	Elektronenträger in FNR, Zwischenstufe zwischen Fd und NADP⁺
  FMNH•	Halb-reduzierte Form (Radikal), nach 1 Elektron
  FMNH₂	Vollständig reduzierte Form, gibt Hydrid an NADP⁺ ab
  FNR	Enzym, das FMN enthält und NADP⁺ reduziert
  Hydrid (H⁻)	Ein Proton mit 2 Elektronen → starke Reduktionskraft

  Wenn du willst, mache ich dir auch gerne eine einfache Zeichnung oder eine Symbolkette (Fd → FMN → FMNH• → FMNH₂ → NADPH). Sag einfach Bescheid!

🟩 Folie 58: Reduktion von NADP⁺ zu NADPH

🧠 Schlüsselkonzepte:

• FNR (Ferredoxin-NADP⁺-Reduktase) nutzt das reduzierte FMNH₂, um NADP⁺ zu NADPH zu machen.

• Dabei wird ein sogenannter Hydridion (H⁻) übertragen:

  • H⁻ = 1 Proton (H⁺) + 2 Elektronen → sehr energiereich

• Das Produkt NADPH ist ein zentrales Reduktionsmittel in der Biosynthese (z. B. bei der Kohlenstofffixierung in der Calvin-Zyklus).

🔁 Dies ist der abschließende Schritt der Lichtreaktion, bei dem Lichtenergie chemisch „gespeichert“ wird.

🟩 Folie 59: Hydrid-Anion-Transfer

🧠 Schlüsselkonzepte:

• Die Folie zeigt die chemische Reaktion der Reduktion von NADP⁺ zu NADPH im Detail:

  • Ein Hydridion (H⁻) wird von FMNH₂ auf den NADP⁺-Ring übertragen.

  • Zusätzlich wird ein Proton (H⁺) aufgenommen → vollständige Bildung von NADPH.

• Der Ring von NADP⁺ wird dadurch chemisch verändert → elektronisch reduzierter Zustand = NADPH.

📌 NADPH dient später als Elektronendonator in vielen Biosynthesewegen (z. B. CO₂-Fixierung im Calvin-Zyklus).

🟩 Folie 60: Hemmung des PSII – Zyklische Photophosphorylierung

🧠 Schlüsselkonzepte und Erklärungen

Diese Folie beschreibt, was passiert, wenn Photosystem II (PSII) blockiert ist, und wie Zellen dann auf einen zyklischen Elektronentransport umschalten, um trotzdem weiter ATP zu produzieren – allerdings ohne NADPH.

🔁 Was ist der zyklische Elektronentransport?

• Im Normalfall fließen Elektronen vom Wasser über PSII → PSI → NADP⁺ → dabei entstehen ATP + NADPH.

• Wenn jedoch PSII gehemmt ist (z. B. durch das Herbizid Diuron, links im Bild), kann kein Wasser gespalten werden → keine neuen Elektronen stehen zur Verfügung.

• In diesem Fall aktiviert die Zelle einen Ersatzweg, bei dem nur PSI genutzt wird:

  Ablauf des zyklischen Weges:

  1. PSI (P700) absorbiert Licht → ein Elektron wird angeregt.

  2. Das Elektron wird über mehrere Stationen (Ferredoxin, Cytochrom-b₆f-Komplex) wieder zurück zu PSI geleitet.

  3. Dabei wird kein Elektron dauerhaft abgegeben → es fließt im Kreis = „zyklisch“.

✅ Vorteil des Zyklus:

• Bei jedem Umlauf werden Protonen (H⁺) ins Thylakoid-Innere gepumpt.

• Dadurch entsteht ein Protonengradient → ATP-Synthase kann daraus weiterhin ATP herstellen.

• Der Vorgang heißt deshalb zyklische Photophosphorylierung („ATP-Erzeugung durch Licht im Kreisprozess“).

❌ Nachteil:

• Es entsteht kein NADPH, da die Elektronen nicht auf NADP⁺ übertragen werden.

• Das kann problematisch sein, wenn die Zelle NADPH braucht – z. B. für die Reduktion von CO₂ im Calvin-Zyklus.

💥 Was passiert, wenn PSII dauerhaft ausfällt?

• PSII ist normalerweise dafür zuständig, Elektronen aus Wasser zu entnehmen.

• Bei Ausfall kann kein Sauerstoff (O₂) mehr entstehen.

• Es kommen keine neuen Elektronen aus dem Wasser in den Q-pool (in der Mitte Rot)

• Man kommt von einem nicht-zyklischen Ablauf in einen Zyklischen.

• Der Elektronenfluss kann nicht mehr linear erfolgen → die NADPH-Produktion stoppt.

• Nur der zyklische Weg über PSI bleibt aktiv, um zumindest ATP bereitzustellen.

  • Das Ferrodoxin, welches eigentlich das Elektron abgigbt umm NADPH zu produzieren, füttert dann die Elektronen dafür in den Q-Pool hinein.

  • Beim zyklischen Elektronentransport entstehen aber weiterhin ATP, aber kein NADPH mehr, da dem Wasser keine Elektronen mehr entzogen werden können.

🖼 Visualisierung und Hervorhebungen

• Die rot hervorgehobene Fläche (Zyklus mit „Mehr H⁺“) zeigt den zyklischen Elektronenweg.

• Blau: linearer Elektronenfluss (normalerweise von PSII über PSI zu NADP⁺).

• Lila: „noncyclic pathway“ – der NADPH erzeugt → fällt beim zyklischen Weg weg.

• „Diuron“ (oben links): blockiert PSII, wird nicht mehr zugelassen (Herbizid).

📚 Glossar

🟩 Folie 61: Vertiefungsfrage 2 – Energiebilanz des nicht-zyklischen Weges

❓ Fragen und Erklärung:

a) Wie viele Protonen stehen der F₀F₁-ATPase zur ATP-Synthese zur Verfügung, wenn je 4 Photonen auf PSII und PSI treffen?

• Antwort: Etwa 12 H⁺-Ionen werden pro 8 Photonen über die Elektronentransportkette in das Lumen gepumpt.

• Diese werden für die Synthese von ~3 ATP benötigt (da ~4 H⁺ pro ATP nötig sind).

b) Wie viele NADPH-Moleküle entstehen dabei?

• Antwort: 1 NADPH entsteht pro 2 Elektronen bzw. pro 8 Photonen, also bei jedem vollständigen Elektronentransportzyklus.

c) In wie viele ATP-Moleküle wird die unter a) errechnete Protonenzahl durch die Chloroplasten-ATP-Synthase umgewandelt?

• Antwort: 12 H⁺ / 4 H⁺ pro ATP = 3 ATP.

d) Wie viele Moleküle ATP entstehen aus den unter b) ermittelten NADPH-Molekülen in den Mitochondrien der Pflanze?

• Antwort: In der Atmungskette ergeben 1 NADPH → etwa 2,5 ATP, aber dies geschieht in Mitochondrien, nicht im Chloroplasten.

🟩 Folie 62: Vertiefungsfrage 2 – Übersicht zum Kommentieren und Einzeichnen

🧠 Erklärung:

• Diese Folie ist eine Arbeitsübersicht zur Vertiefungsfrage 2.

• Sie zeigt das gesamte nicht-zyklische Schema der Lichtreaktion:

  • PSII → PQ → Cytochrom b6f → Plastocyanin → PSI → NADP⁺-Reduktase

• Du kannst darauf:

  • Protonenzahl markieren,

  • ATP- und NADPH-Produktion einzeichnen,

  • und nachvollziehen, wo Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird.

📌 Ziel: Verständnis der Energiebilanz und Elektronenwege bei der Photosynthese.