Woher kommt der Name Kohlehydrate?
Von der ursprünglichen Annahme, dass bei der Fotosynthese der Sauerstoff aus dem CO2 entfernt wird, wodurch dann Kohlenstoff entsteht an den Wasser angelagert wird = Kohle-Hydrat.
Was wurde mit dem Hill-Experiment gezeigt?
Das O2-Moleküle an isolierten und aufgebrochenen Chloroplasten unter Licht-Einstrahlung auch in Abwesenheit von CO2 entstehen können und das dafür eine Redoxreaktion verantwortlich ist. Es lieferte eigentlich keinen direkten Beweis, dass der Sauerstoff vom Wasser stammt.
Welche Komponente – außer einer Puffer-Substanz – wurden noch im ursprünglichen Hill-Experiment dazu gegeben und welche Aufgabe hatten die einzelnen Komponenten?
aufgebrochene, isolierte Chloroplasten → liefern frei zugängliche Thylakoide mit den notwendigen Komplexen für Verwertung von Lichtenergie und die Aufladung von Redox-Carriern (die Redoxkette der Thylakoid-Membranen).
Fe3+-Salze: Dienten als künstliche Elektronen-Akzeptoren für die fotosynthetische Redox-Kette und zum Nachweis, dass tatsächlich eine Reduktion stattfindet (Fe3+ → Fe2+)
Blut mit Hämoglobin: empfindlicher Nachweis von freigesetztem O2 über Farbumschlag (spektroskopisch messbar)
(Bestrahlungsquelle: Lieferte Lichtenergie für den Redoxprozess)
Mit Hilfe des schweren Sauerstoffisotops 18O wurde letzendlich bewiesen, dass der Sauerstoff bei der Fotosynthese aus Wassermolekülen freigesetzt wird. Beschreiben sie kurz die Vorgehensweise.
Algen wurden mit schwerem H218O gefüttert und Licht ausgesetzt → es wurde 18O2 freigesetzt. Wurden die Algen mit C18O2 gefüttert, war dies nicht zu beobachten.
Warum kann die Wasserspaltung bei der Fotosynthese wohl kaum direkt von einem durch Licht angeregtem Chlorophyll durchgeführt werden?
Die Stabilität des Anregungszustands der Chlorophyll-Moleküle und die Dauer des Prozesses der Wasserspaltung und Sauerstoff-Freisetzung passen zeitlich niemals zusammen. Der S1-Zustand des Chlorophylls zerfällt innerhalb von ns (der S2-Zustand sogar in ps). Der Prozess der Sauerstoff-Freisetzung/Wasserspaltung dauert jedoch 1 – 10 ms und wäre also viel zu langsam, um Energie vom angeregten Chlorophyll-Molekül aufnehmen zu können.
Aufgereinigtes Chlorophyll zeigt unter blauem Licht eine stark ausgeprägte Rotfluoreszenz, welche in intakten Blättern faktisch kaum mehr nachweisbar ist. Woran könnte dies liegen?
Bei isoliertem Chlorophyll führt das blaue Licht zu einer Anregung in den S2-Zustand, der sehr instabil ist, weshalb das angeregt Elektron schnell in den S1-Zustand zurückfällt. Vom S1-Zustand wiederum fällt das Elektron zurück in den Grundzustand, wobei die Energiedifferenz als Photon im roten Spektralbereich abgestrahlt wird. Befindet sich das Chlorophyll in fotosynthetischen Antennen-Komplexen, so gibt es seine Energie strahlungsfreie mittels Exitonen-Transfer an seine Nachbarn weiter = keine Fluoreszenz. Im Reaktionszentrum wiederum wird seine Anregungsenergie genutzt, Elektronen extrem schnell auf andere Moleküle (Oxidationsmittel) zu übertragen. Dadurch wird eine Fluoreszenz ebenfalls unterdrückt.
Was ist der schnellste Prozess in der Redoxkette des Photosystems II nach der Lichtabsorption?
Die Übertragung eines durch Licht angeregten Elektrons aus dem P680-Reaktionszentrum auf ein benachbartes Phaeophytin-a-Molekül (am D1-Protein) in wenigen ps.
Von welchem Molekül holt sich das Photosystem II die Elektronen für sein lichtgetriebene Redoxkette und auf welchem Molekül landen diese letztendlich?
Donor: H2O; Akzeptor: Plastochinon
Wie viele Elektronen müssen durch die Redoxkette des Photosystems II geschleust werden, um ein Molekül Sauerstoff zu erzeugen und wie viele Photonen sind dafür theoretisch mindestens notwendig?
Es müssen dem Wasser 4 Elektronen entnommen und durch das System geschleust werden. Dafür sind mindestens 4 Photonen notwendig.
Wo genau im Photosystem II findet die Wasserspaltung statt?
Am sogenannten Mangan-Cluster im Oxygen-Evolving-Complex (auch: Oxygene-Evolving-Enhancer, da Protein nicht direkt an der Wasserspaltung beteiligt sind). Die Komplexe ragen in Thylakoid-Lumen.
Wie viele der terminalen Akzeptor-Moleküle der Redoxkette des Photosystems II müssen mit diesem in Kontakt treten, damit ein einzelnes Sauerstoffmolekül entstehen kann?
Es müssen 2 Plastochinon-Moleküle an die Bindestelle im PSII gelangen, wobei sie die insgesamt 2 x 2 = 4 Elektronen aus der Wasserspaltung aufnehmen.
Welche Elemente sind am Komplex beteiligt, an dem die eigentliche Wasserspaltung stattfindet?
Am Mangan-Cluster sind folgende Elemente beteiligt: Mangan (Name!), Calzium & Sauerstoff.
In welchem Kompartiment des Chloroplasten findet die Wasserspaltung statt und was entsteht durch die Wasserspaltung in diesem Kompartiment?
Im Thylakoid-Lumen. Dort werden durch die Wasserspaltung Protonen freigesetzt
Das Photosystem II entzieht dem Stroma Protonen. Wie viele Protonen werden dem Stroma pro gebildetem Sauerstoffmolekül entzogen? Wie bewerkstelligt es das Photosystem II, dem Stroma Protonen zu entziehen?
Je freigesetztem O2-Molekül werden dem Stroma theoretisch 4 Protonen entzogen. Das PSII überträgt die dem Wasser entzogenen Elektronen auf Plastochinon-Moleküle. Ein Plastochinon-Molekül nimmt jeweils 2 Elektronen auf bevor es wiederum zur Bindungsabsättigung 2 Protonen an sich bindet. Dies geschieht an der Stroma-Seite des PSII, weshalb die Protonen dem Stroma entnommen werden.
In der Redoxkette des Photosystems II spielt ein aromatischer Aminosäure-Rest im D1-Protein eine wichtige Rolle. Um welche Aminosäure handelt es sich? An wen gibt diese Aminosäure eine Elektron ab und woher holt sie sich ein neues?
Ein Tyrosin, das sogenannte Tyrosin Z. Es gibt seine Elektronen an das Special Pair aus Chlorophyll-a-Molekülen im P680-Reaktionszentrum des PSII ab, nachdem dieses wiederum ein angeregtes Elektron an ein Phäophytin in der Redoxkette verloren hat. Das Tyrosin holt sich daraufhin das fehlende Elektron aus dem Mangan-Cluster, welcher nun dem Wasser ein Elektron entzieht.
Woher bezieht der Cytochrom-b6f-Komplex die Elektronen für seine Redoxkette und auf welche Moleküle überträgt es diese?
Er holt sich die Elektronen vom Plastohydrochinon, welches sich in der Thylakoid-Membran befindet und überträgt jeweils ein Elektron auf ein oxidiertes Plastocyanin und zurück auf ein Plastochinon in einer anderen Bindestelle im Komplex (= Ringtransfer).
Innerhalb des Cytochrom-b6f-Komplexes befinden sich – permanent gebunden - Redox-Carriern aus zwei verschiedenen Klassen von Molekülen, welche häufig an der Übertragung von Elektronen beteiligt sind. Um welche Gruppen von Molekülen handelt es sich dabei?
Eisen-Schwefel-Proteine; Cytochrome (b & f) mit Häm-Molekülen als Co-Faktoren
Wie kann der Cytochrom-b6f-Komplex dem Stroma eigentlich direkt Protonen entziehen?
Der Cytochrom-b6f-Komplex überträgt jeweils eins von zwei Elektronen bei der Entladung von zwei Plastohydrochinon-Molekülen zurück auf ein Plastochinon-Molekül in einer Bindungstasche nahe dem Stroma. Wenn zwei Elektronen auf das Plastochinon übertragen wurden, holt sich dieses netto zwei Protonen aus dem Stroma zum Ladungsausgleich. (Die Entladung der Elektronen-liefernden Plastohydrochinon-Moleküle findet nahe dem Thylakoid-Lumen statt, sodass hier keine Protonen ins Stroma entweichen können.)
Wie viele Elektronen werden eigentlich durch den Cytochrom-b6f-Komplex geschleust, damit es dem Stroma zwei Protonen entziehen kann?
4 Elektronen aus der Entladung von 2 Plastohydrochinon-Molekülen (→ 2 Elektronen in den Plastocyanin- und → 2 Elektronen zurück in den Plastochinon-Pool).
Warum habe ich dem Cytochrom-b6f-Komplex eine Funktion als Protonen-Transporter zugesprochen - er bildet doch gar keinen Protonenkanal durch die Thylakoid-Membran?
Duch die Entladung des Plastohydrochinons am Cytochrom-b6f-Komplex werden Elektronen in das Thylakoid-Lumen abgegeben. Diese stammen entweder der Funktion des Photosystems II bei der Beladung des Plastochinons mit Elektronen und Protonen oder der Reaktion des Cytochrom-b6f-Komplexes selbst (die Erläuterung dazu finden sie in beiden Fragen zuvor).
Wie viele Elektronen überträgt der Cytochrom-b6f-Komplex bei der Entladung eines Plastohydrochinons auf den Plastocyanin-Pool?
Jeweils nur ein Elektron (das andere landet wieder im Plastochinon-Pool).
Woher stammt eigentlich die Energie für die Redoxprozesse am Cytochrom-b6f-Komplex?
Zum einen vom Plastohydrochinon des Plastochinon-Pools in der Thylakoid-Membran, welcher durch die Aktivität des Photosystems II über dessen Lichtabsorption aufgeladen wird, wobei „energiereiche“ Elektronen auf Plastochinon übertragen werden → das Photosystem II „schiebt“ also Elektronen ins System, welche die Reaktion vorantreiben.Die Reaktion käme aber zum Erliegen, wenn nicht ständig das Plastocyanin vom Photosystem I oxidiert würde → das Photosystem I zieht also Elektronen ab, damit das Energiegefälle über dem Cytochrom-b6f-Komplex aufrecht erhalten blei
Woher bezieht das Photosystem I die Elektronen für seine Redoxkette und auf welches Moleküle überträgt es diese?
Er holt sich die Elektronen vom reduzierten Plastocyanin und überträgt es auf oxidiertes Ferredoxin.
Zu welcher Klasse von Redox-Carriern gehört der terminale Akzeptor der angeregten Elektronen aus dem Photosystem I und wie viele Elektronen kann dieser Akzeptor aufnehmen?
Ferredoxin ist ein Eisen-Schwefel-Protein, welches ein Elektron aufnehmen kann.
Was ist der schnellste Prozess in der Redoxkette des Photosystems I nach der Lichtabsorption?
Der Transfer eines durch Licht angeregten Elektrons aus dem Special Pair des P700-Reaktionszentrums auf das benachbarte Chlorophyll-a-Molekül.
Warum ist das Photosystem I auf Grund des molekularen Aufbaus denkbar ungeeignet dafür, Sauerstoff zu produzieren? (Ich denke dabei nicht an energetische Gründe sondern nur an rein chemische!)
Es besitzt viele Eisen-Schwefel-Cluster, dessen reduzierter Schwefel sehr empfindlich für Oxidationsprozesse durch Sauerstoff ist.
Welche Substrate nutzt das Enzym, welche NADPH erzeugt und wie genau heißt es?
Die Substrate sind (2 Moleküle) reduziertes Ferredoxin und NADP+. Es heißt Ferredoxin:NADP-Oxidoreduktase.
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