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Redoxchemie

Fotosynthese
Primärreaktion der Fotosynthese / Chemiosmose

An dieser Stelle sehen Sie einen deutlichen Zusammenhang zwischen den Vorgängen der Fotosynthese und der aeroben Zellatmung. Die Erzeugung des ATP verläuft in beiden Fällen durch die Kombination aus Redoxchemie und Protonengradient. Dieser über den Elektronentransport „finanzierte“ Protonengradient führt letztendlich zur ATP-Bildung über die ATP-Synthase.

Zum besseren Verständnis ein Ausflug in die Welt der Redoxakzeptoren und der Elektrochemie.

In der Elektrochemie wird ein sogenanntes Redoxpotential (E0) definiert. Dieses Potential beschreibt die Affinität einer Verbindung, Elektronen anzuziehen. Das Redoxpotential ist dabei auf das Redoxpotential einer Wasserstoffelektrode bei pH 1 definiert. In der Biochemie wird mit E0’ gearbeitet, ein Standardwert, der auf die biologischen Zusammenhänge bei pH 7 festgelegt ist. Die Messung des Redoxpotentials erfolgt in Volt.

Eine Substanz mit hoher Elektronenaffinität wirkt als Oxidationsmittel, es oxidiert sein „Gegenüber“ und reduziert sich selbst durch die Elektronenaufnahme. Eine Substanz mit hoher Elektroaffinität wäre demnach ein guter Elektronenakzeptor!

Atmungskette und Fotosynthese: Redoxvorgänge im Vergleich!

In der Atmungskette finden sich wie in der Fotosynthese Elektronenakzeptoren, die die aus den Abbauprozessen des katabolen Stoffwechsel resultierenden Redoxäquivalente reduzieren. So besitzt NADH ein Redoxpotential von –320 mV, das heißt: es gibt seine Elektronen gerne an einen stärkeren Elektronenakzeptor wie z.B. FMN oder Cytochrom ab. Der stärkste (und in der Atmungskette auch finale) Akzeptor ist Sauerstoff mit einem Redoxpotential von E0’= +820 mV.

In der Atmungskette fließen die Elektronen vom niedrigen (negativen) Redoxpotential zum hohen (positiven) Redoxpotential.

In der Fotosynthese haben wir umgekehrte Vorzeichen! Wo in der Zellatmung Energie erzeugt wird, muss diese in der Fotosynthese eingesetzt werden. Wo in der Zellatmung NADH+H+ oxidiert wird, ist das Resultat der Lichtreaktion die Reduktion des NADP+ zu NADPH+H+!

Betrachten wir die Vorzeichen, so finden sich in der Lichtreaktion der Fotosynthese nur „schlechte Elektronenakzeptoren“. Der stärkste Elektronenakzeptor, der Sauerstoff, wird unter massivem Energieaufwand aus dem Wasser herausgelöst. Die Elektronen des Wassers werden auf die Thylakoidmembran übertragen.

Woher kommt nun die Energie, diese fast unmöglich erscheinende Redoxreaktion durchzuführen?

Aus dem Sonnenlicht! Das Fotosystem II hat ein Redoxpotential von +1150 mV, also deutlich höher als das des Sauerstoffs! Die aus dem Sonnenlicht „aufgefangene“ Energie wird in Form eines angeregten Chlorophyllmoleküls zwischengespeichert. Dessen Elektronen werden auf den ersten Elektronenakzeptor, ein Plastochinon-Molekül, übertragen. Von dieser primären Aktivierung an steigen die Redoxpotentiale der Akzeptoren an. Beim Fotosystem I erfolgt eine weitere Aktivierung bzw. Fotooxidation über die Lichtenergie, hin zu einem Redoxpotential von -1300 mV. So können die Elektronen auf den finalen Akzeptor NADP+ (-350 mV) übertragen werden!

Merke

Redoxreaktionen verlaufen spontan vom negativeren zum positiveren Redoxpotential.

Lückentext
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In der Atmungskette fließen die Elektronen vom niedrigen ( ) Redoxpotential zum hohen (positiven) Redoxpotential.

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Autor: Dr. Martina Henn-Sax

Dieses Dokument Redoxchemie ist Teil eines interaktiven Online-Kurses zum Thema Stoffwechsel.

Dr. Martina Henn-Sax verfügt über langjährige Erfahrung auf diesem Themengebiet.
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