Die Lichtreaktion beginnt im Photosystem II. Hier werden Elektronen durch Lichtenergie angeregt und vom Wasser auf die Elektronentransportkette übertragen. Dieser Vorgang leistet einen wesentlichen Beitrag, um H+ im Thylakoidlumen anzueichern (Protonengradient). Dieser Rückstau ist die Triebkraft für die ATP-Synthese.
Was genau passiert im Photosystem II und wie erfolgt die Photolyse von Wasser und damit die Freisetzung von Sauerstoff?
Photosystem II (PS II)
- Das PS II katalysiert den lichtgetriebenen Transfer von Elektronen aus Wasser auf Plastochinon.
- Das Plastochinon wird dabei zu Plastochinol reduziert: 2Q + 2H2O -> O2 + 2QH2
- PS II ist in der Thylakoidmembran so angeordnet, dass der Ort der Chinonreduktion auf der Stromaseite liegt, das Manganzentrum und damit der Ort der Wasserspaltung dagegen im Thylakoidlumen.
- Die beiden Protonen, die bei der Reduktion von Q zu QH2 aufgenommen werden, stammen aus dem Stroma. Die vier Protonen, die bei der Wasserspaltung freigesetzt werden, gelangen in Thylakoidlumen (Beitrag zum Protonengradienten).
- Die Reaktion beginnt mit der Anregung des speziellen Paares durch Licht (Chlorophyll a; Übergang vom P680 -> P680++ e–).
- Pro Lichtquant wird vom P680+ ein Elektron auf ein nahegelegenes Phäophytin übertragen.
- P680+ ist ein sehr starkes Oxidationsmittel („Elektronenlücke“), es zieht ein Elektron von den Wassermolekülen ab, die am Manganzentrum gebunden sind (Photolyse: „Elektronenlücke“ wird geschlossen).
- Vom Phäophytin wird das Elektron auf ein fest gebundenes Plastochinon (QA –Stelle) und dann auf ein mobiles Plastochinon (QB -Stelle) übertragen.
- Ein zweites Elektron und durch die Aufnahme von zwei Protonen aus dem Stroma wird das mobile Plastochinon zu Plastochinol (QH2) reduziert (Beitrag zum Protonengradienten).
- Die Energie von zwei Photonen ist im Reduktionspotential von QH2 gespeichert.
- Plastochinol (QH2) wird dem Q/QH2-Pool in der Thylakoidmembran zugeführt.
- Plastochinol überträgt die Protonen und Elektronen zum Cytochrom bf – Komplex.
Photolyse – Spaltung von Wasser (HILL-Reaktion)
Das Mangan-Zentrum
- Innerhalb des Manganzentrums befinden sich ein Calciumion und vier Manganionen.
- Mangan kann in vielen Oxidationsstufen vorkommen (Mn2+; Mn3+; Mn4+; Mn5+) und starke Verbindungen mit sauerstoffhaltigen Verbindungen eingehen.
Photolyse – Verlauf
- Nach der Absorption eines Photons wird ein Elektron aus dem P680 entfernt, das spezielle Paar ist dadurch positiv geladen P680+
- P680+ ist ein sehr starkes Oxidationsmittel, welches Elektronen vom Wasser abzieht, die am Manganzentrum gebunden sind.
- Wasser dient als Elektronenquelle zur Neutralisation der positiven Ladung auf dem speziellen Paar im P680+.
- Das Manganzentrum oxidiert zwei Moleküle Wasser zu einem Molekül Sauerstoff.
- Es werden vier Protonen absorbiert, um zwei Wassermolekülen vier Elektronen zu entziehen.
- Die vier aus dem Wasser gewonnenen Elektronen dienen zur Reduktion von zwei Molekülen Q zu QH2
- Abschließend wird Sauerstoff (O2) freigesetzt.
Die Elektronen stammen nicht direkt aus den Manganionen, sondern von einem Thyrosinrest (häufig als Z bezeichnet) der Untereinheit D1 im PS II. Thyrosin wirk hier somit als Elektronendonator. Durch die Elektronenabgabe entsteht ein Thyrosinradikal, das den Manganionen Elektronen entzieht. Die Manganionenerhalten die Elektronen des Wassers, wodurch O2 ensteht und 4H+ freigesetzt werden.
Auf dem Lernpfad