Photosynthesis - Technische Universität...

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Photosythesis Dark Reaction

Photosynthesis

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NAPD+ +2H+ + 2e-

workfree enthalpy(biosynthesis,

motility, membrane potentials, ...)

redox potentialelectrochemical membrane potential

chemical (phosphorylation) potentialNADH + H+ / NAD+ + 2H+ + 2e-

!μ

ATP / ADP+Pi

!μH+

(glucose

CO2 + H2O, light)

NADPH + H+

ADP + Pi

ATP

Photosynthese (also autotrophe Energiegewinnung) beruht auf ähnlichen Prinzipien. Davies KM, Daum B (2013) Role of cryo-ET in membrane bioenergetics research. Biochem Soc Trans 41: 1227–1234. doi:10.1042/BST20130029.

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Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential



Mitochondria


Photosynthesis

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Photosynthese (also autotrophe Energiegewinnung) beruht auf ähnlichen Prinzipien. In Chloroplasten findet sowohl ein Aufbau eines elektrochemischen Membranpotentials statt, als auch die Erzeugung von Reduktionsäquivalenten. ATP wird (wie in Mitochondrien) durch eine membranständige, H+-abhängige ATP-Synthase als Kondensationsprodukt von ADP und Phosphat erzeugt. Davies KM, Daum B (2013) Role of cryo-ET in membrane bioenergetics research. Biochem Soc Trans 41: 1227–1234. doi:10.1042/BST20130029.

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Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential



Mitochondria


Photosynthesis

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Die Photosynthese erfolgt in spezialisierten Membranen im Inneren von Chloroplasten statt, den Thylakoiden. Elektronenmikroskopische Rekonstruktionen zeigen, dass diese Thylakoidstapel durch helikoid verbundene Membranen miteinander verbunden sind. Dies dient der Möglichkeit, die Thylakoidstapel den Lichtverhältnissen anzupassen und dynamisch zu verändern. Davies KM, Daum B (2013) Role of cryo-ET in membrane bioenergetics research. Biochem Soc Trans 41: 1227–1234. doi:10.1042/BST20130029.

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Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential



Mitochondria


Photosynthesis

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Austin JR, Staehelin LA (2011) Three-dimensional architecture of grana and stroma thylakoids of higher plants as determined by electron tomography. Plant Physiol 155: 1601–1611. doi:10.1104/pp.110.170647.


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Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential



Mitochondria


Photosynthesis

82PAOLILLO DJ (1970) The Three-Dimensional Arrangement of Intergranal Lamellae in Chloroplasts. Journal of Cell Science 6: 243–253.


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Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential



Mitochondria


Photosynthesis

83PAOLILLO DJ (1970) The Three-Dimensional Arrangement of Intergranal Lamellae in Chloroplasts. Journal of Cell Science 6: 243–253.

Mustárdy L, Buttle K, Steinbach G, Garab G (2008) The three-dimensional network of the thylakoid membranes in plants: quasihelical model of the granum-stroma assembly. Plant Cell 20: 2552–2557. doi:10.1105/tpc.108.059147.

Die Photosynthese erfolgt in spezialisierten Membranen im Inneren von Chloroplasten statt, den Thylakoiden. Elektronenmikroskopische Rekonstruktionen zeigen, dass diese Thylakoidstapel durch helikoid verbundene Membranen miteinander verbunden sind. Dies dient der Möglichkeit, die Thylakoidstapel den Lichtverhältnissen anzupassen und dynamisch zu verändern. Davies KM, Daum B (2013) Role of cryo-ET in membrane bioenergetics research. Biochem Soc Trans 41: 1227–1234. doi:10.1042/BST20130029.Mustárdy L, Buttle K, Steinbach G, Garab G (2008) The three-dimensional network of the thylakoid membranes in plants: quasihelical model of the granum-stroma assembly. Plant Cell 20: 2552–2557. doi:10.1105/tpc.108.059147.

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Redox Energy

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Mitochondria


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Austin JR, Staehelin LA (2011) Three-dimensional architecture of grana and stroma thylakoids of higher plants as determined by electron tomography. Plant Physiol 155: 1601–1611. doi:10.1104/pp.110.170647.


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Chlorophyll A

Die photophysikalischen Vorgänge, und die Wechselwirkungen von Licht mit den photosensitiven chemische Gruppen werden in der VL „Biophysik (in) der Zelle“ ausführlich behandelt. Sie führen letztlich zu einer Abgabe von Elektronen aus dem Photosystem II an Plastochinon. Die Elektronen werden bei der Wasserspaltung frei. Der Elektronenfluss über den Cytochrome b6f-Komplex und Plastocyan zum Photosystem I folgt dem Redoxpotentialgefälle, und wird genutzt, um einen elektochemischen pH-Gradienten zu erzeugen. Im PS I wird ein zweites Photon genutzt, um ein Elektronenpaar zur Reduktion von NADP+ zu NADPH zur Verfügung zu stellen. Beachte, dass die chemische Formel für Chlorophyll die tatsächliche Natur des konjugierten &-Elektronensystems nicht korrekt widerspiegelt! Die vier Mg-ligierenden N-Atome sind äquivalent, die dargestellte Formelschreibweise zeigt eine mögliche mesomere Grenzstruktur. Das System von konjugierten &-Elektronenpaaren ist in der Lage, in angeregte Zustände überzugehen und die aufgenommene Lichtenergie im Photosystem intern weiterzugeben.

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Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential



Mitochondria


Photosynthesis

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Als Produkte der Photosynthese entstehen NADPH + O2, sowie ein H+-Gradient der zur ATP-Synthese genutzt wird. NADPH und ATP fließen in die Fixierung von CO2 in den Zuckermetabolismus ein. Das zentrale Enzym der CO2-Fixierung heißt Ribulose-bis-Phosphat Carboxylase (oder kurz: RuBisCO). Es addiert das CO2-Molekül an Ribulose-1,5-bis-Phosphat, das über verschiedenen intermediäre Stufen zu 2x 3-Phosphoglycerat zerfällt. Dieses wird mit NADPH zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat reduziert und über komplexe Umlagerungsreaktionen (Calvin-Zyklus) zur Synthese von Zuckern genutzt. [Die Intermediate des Calvin-Zyklus brauchen Sie selbstverständlich nicht auswendig lernen.]

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Redox Energy

Membrane Potential



Mitochondria


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Als Produkte der Photosynthese entstehen NADPH + O2, sowie ein H+-Gradient der zur ATP-Synthese genutzt wird. NADPH und ATP fließen in die Fixierung von CO2 in den Zuckermetabolismus ein. Das zentrale Enzym der CO2-Fixierung heißt Ribulose-bis-Phosphat Carboxylase (oder kurz: RuBisCO). Es addiert das CO2-Molekül an Ribulose-1,5-bis-Phosphat, das über verschiedenen intermediäre Stufen zu 2x 3-Phosphoglycerat zerfällt. Dieses wird mit NADPH zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat reduziert und über komplexe Umlagerungsreaktionen (Calvin-Zyklus) zur Synthese von Zuckern genutzt. [Die Intermediate des Calvin-Zyklus brauchen Sie selbstverständlich nicht auswendig lernen.] RuBisCO ist geochemisch das wichtigste Enzym weltweit.

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Redox Energy

Membrane Potential



Mitochondria


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Als Produkte der Photosynthese entstehen NADPH + O2, sowie ein H+-Gradient der zur ATP-Synthese genutzt wird. NADPH und ATP fließen in die Fixierung von CO2 in den Zuckermetabolismus ein. Das zentrale Enzym der CO2-Fixierung heißt Ribulose-bis-Phosphat Carboxylase (oder kurz: RuBisCO). Es addiert das CO2-Molekül an Ribulose-1,5-bis-Phosphat, das über verschiedenen intermediäre Stufen zu 2x 3-Phosphoglycerat zerfällt. Dieses wird mit NADPH zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat reduziert und über komplexe Umlagerungsreaktionen (Calvin-Zyklus) zur Synthese von Zuckern genutzt. Als zentrales Produkt entsteht Fructose-6-Phosphat, das als Basis vieler Biosynthesen genutzt werden kann. [Die Intermediate des Calvin-Zyklus brauchen Sie selbstverständlich nicht auswendig lernen.]

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Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential



Mitochondria

Energetics of Life

redox potentialelectrochemical membrane potential

chemical (phosphorylation) potentialNADH + H+ / NAD+ + 2H+ + 2e-

!μ

ATP / ADP+Pi

Summary• three forms of energy storage

• ATP - chemical bond (phospho-di-ester)• NADH - redox potential• electro-chemical membrane gradient

• inter-convertible• glucose as central catabolite

Zusammenfassung.

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Glycolysis

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Redox Energy

Membrane Potential



Mitochondria

Energetics of Life

kB"T"NA = 2,5 kJ/mol

1 kB"T = 4,2"10-21 J

Energie von 1 mol kB"T (30°C)

Konversion von kB"T ! J (30°C)

Energie eines Ions der Ladung z (30°C)= 4,3"10-26 J/C (=V)R"Tz"F

Energie eines Ions der Ladung z (30°C)= 2,6"10-2 J/mol"C (=V/mol)R"Te-

R"T"NA"ln(10) = 5,8"103 J/mol thermische Energie pro mol (30°C)

thermische Energie pro mol (30°C)R"T"NA"ln(10)z"F = 60"mV/mol

Konversion von kJ/mol ! J pro Teilchen= 1,7"10-21 J1"103J/molNA

Nützliche Umrechnungsfaktoren. Als Tabelle von meiner Webseite zu laden: http://bio.ph.tum.de/fileadmin/user_upload/Vorlesungsmaterial/Grundlagen_und_Methoden_der_Biochemie/MCB_WS2013-14/NaturkonstantenEtc_20100430.xls

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Redox Energy

Membrane Potential



Mitochondria

Energetics of Life

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•!Laden Sie sich die Molekülmodelle Phosphoenolpyruvat / P~Brenztraubensäure und Pyruvat / Brenztraubensäure von der Webseite http://bio.ph.tum.de/home/e22-pd-dr-woehlke/teaching/ws-20142015/grundlagen-und-methoden-der-biochemie-und-molekularen-zellbiologie.html herunter und konvertieren sie mittels Marvin Sketch in 3D-Modelle! Betrachten Sie die Struktur! (Hierzu müssen Sie sich mit dem Menü vertraut machen; suchen Sie auch nach „rotate in 3D“ und testen den Anzeigemodus!)

•!Suchen Sie die Carboxygruppen und überlegen Sie, ob sie in wässriger Lösung so vorliegen wie im Modell (pKs ~2,5)! Was ist der Unterschied zwischen Brenztraubensäure und Pyruvat?

•!Laden Sie D-Glucose-6-Phosphat von der ChEBI Datenbank herunter (es sollte Eintrag 15954 herauskommen). Wo sind asymmetrische Kohlenstoffatome?

•!Benutzen Sie Marvin Sketch, um das Modell 15954 zu D-Glucose-1,6-bis-Phosphat zu ändern!

•!Die Hydrolyse von ATP ist mit !G0' = -30,5 kJ/mol exergon. Schreiben Sie die vollständige Reaktionsgleichung auf!

•!Berechnen Sie die Gleichgewichtskonzentrationen von ATP, ADP und Phosphat, wenn 10 mM eingesetzt wurden!

•!Phosphokreatin ist in Muskeln gespeichert, um nach der ersten Anstrengungsphase „frische“ Energie zur Verfügung zu stellen. Die Kreatin-Kinase setzt Phosphokreatin mit ADP zu Kreatin und ATP um. Benutzen Sie die Angaben zu !G0' aus der Vorlesung, um auszurechnen, welche Konzentrationen sich im Gleichgewicht einstellen, wenn anfangs 25 mM P-Kreatin, 2,5 mM ADP und 0,1 mM ATP vorliegen! [Bemerkung: Die ATP-Vorräte des Muskels sind nach wenigen Sekunden (um die 4"s) intensiver Beanspruchung, z.B. Sprint, hydrolysiert. Durch den P-Kreatinspeicher kann diese Zeit etwa verdoppelt werden. Die Phase, in der ATP und P-Kreatin aufgebraucht werden, wird in der Sportphysiologie anaerobe Phase genannt.]

•!Wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht, vergärt Hefe Glucose zu Alkohol und CO2. Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf und bestimmen Sie die Oxidationsstufen der Kohlenstoffatome!

•!Wenn O2 nicht als Endakzeptor von „Reduktionsäquivalenten“ (NADH + H+) zur Verfügung steht, muss Hefe „ersatzweise“ Acetyl-CoA „verschwenden“, um eine ausgeglichene RedOx-Bilanz zu erzielen. Berechnen Sie, wie viel kJ/mol Hefe aus der alkoholischen Gärung maximal gewinnen kann, wenn das Redoxpaar NAD+/NADH+ ein !E0' von -320 mV liefert, Ethanol/Acetaldehyd (entspricht Ac-CoA) -200 mV!

•!Wieviel Energie enthält 1"M Photonen der Wellenlänge 500"nm?

Aufgaben:

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