Phosphorylierung bei Mitochondrien und Chloroplast (Biologie)?
Hallo,
Gibt es Unterschiede und Gemeinsamkeiten bei der Phosphorylierung im Mitochondrien bei der Zellatmung und im Chloroplast bei der Photosynthese? Oder weiß jemand eine gute Seite,wo man diese beiden Informationen nachlesen kann?
Danke im Voraus :)
1 Antwort
Hi,
mit Phosphorylierung ist ATP-Bildung gemeint. Zellen nutzen zwei Wege, um ATP zu bilden. Einerseits durch eine ATP-Bildungsreaktion, bei der ein Phosphatrest auf ADP, durch geeignete Metabolite des Stoffwechsels, übertragen wird. Das nennt man Substratkettenphosphorylierung. Dazu sind aber nur wenige Verbindungen in der Lage, die ein ausreichend hohes Phosphatgruppenübertragungspotential haben. Man findet das in der Glykolyse und im Citratzyklus (GTP).
Viel interessanter ist ein Vergleich zwischen Mitochondrien und Chloroplasten, in Bezug auf den zweiten Weg der ATP-Bildung:
Elektronentransportkette ("Atmungskette") der Mitochondrien. Bildquelle: gemeinfrei, link: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitochondriale_Elektronentransportkette.svg
Mitochondrien betreiben Redoxprozesse in Elektronentransportketten, die Energie für den Aufbau eines Wasserstoffionengradienten bereitstellen. Sie pumpen damit H+-Ionen durch die innere Mitochondrienmembran. Das ist eine Form gespeicherter Energie ("protonmotorische Kraft"), die dann zur ATP-Bildung genutzt wird, indem die H+-Ionen durch molekulare Turbinen in der Membran (ATP-Synthase) zurückfließen und dabei ATP gebildet wird. Mitochondrien bilden ATP durch energetische Kopplung an einen Wasserstoffionengradienten. Man kann das ein bischen mit einer Talsperre vergleichen, die einen hohen Wasserstand hat (H+-Ionen) und dann das Wasser durch Turbinen in der Staumauer abgelassen wird, um Strom zu erzeugen.
Bildquelle: https://www.planet-wissen.de/kultur/architektur/staudaemme/pwieenergiegewinnungdurchstauseen100.html
Die innere Mitochondrienmembran (Staumauer), wo die H+-Ionen in das Innere des Mitochondriums zurückströmen, ist der Ort der ATP-Bildung. Genau an den Auslässen. Daher findet man in Mitochondrien immer H+-Gradienten über die innere Membran, deren Rückfluss für die ATP-Erzeugung genutzt wird.
Bildquelle: physiologie.cc
Das gebildete ATP gelangt dann ins Zytoplasma, um es für energieverbrauchende Prozesse zu verwenden. Da die Energie für diese Form der ATP-Bildung letztlich aus dem oxidativen Abbau von Nährstoffmolekülen (z.B. Zucker) stammt, nennt man sie oxidative Phosphorylierung.
Wenn man sich nun im Vergleich anschaut, wie die Bildung von ATP in Chloroplasten abläuft, dann wird man Überraschendes feststellen:
Bildquelle: youtube.com
Obwohl erst mal alles anders aussieht, findet sich (auch) eine inneren Membran in Chloroplasten. In der inneren Membran der Chlorplasten finden sich (auch) Elektronentransportketten, in die die Photosysteme (I und II) mit dem Chlorophyll integriert sind. Hier findet die Lichtreaktion der Photosynthese statt. Und wenn man genau hinschaut, dann sagt man doch potzblitz, diese Elektronentransportkette befördert ja nicht nur Elektronen (bis zum NADPH + H+), sondern dieser durch die Sonne angekurbelte Elektronentransport, bringt Energie auf, um (auch) Wasserstoffionen durch die Thylakoidmembran in den Thylakoidinnenraum zu pumpen (zwischen Plastochinon und Cytochrom-b6-f-Komplex). Ja sollte das etwa? Ja, das ist ein ähnlicher Gradient aus Wasserstoffionen (protonmotorische Kraft), wie in Mitochondrien. Jetzt müssen wir also nach den Turbinen suchen, ATP-Synthase und ganz rechts, da ist eine. Dort strömen die Wassertoffionen zurück ins Stroma, dem Innenraum des Chloroplasten und erzeugen dabei an molekularen Turbinen ATP, ganz ähnlich, wie in Mitochondrien. Diese Form der Phosphorylierung nennt man Photophosphorylierung.
Es gibt also zwei Formen der Phosphorylierung:
- Substrakettenphosphorylierung
- durch H+-Gradienten (protonmotorische Kraft), mit den Unterformen oxidative Phosphorylierung (Mitochondrien) und Photophosphorylierung (Chloroplasten)
Den zweiten Weg nutzen sowohl Mitochondrien, als auch Chloroplasten. Das ist kein Zufall. Denn in erdgeschichtlich sehr alten Organismen, wie Cyanobakterien, die schon über 2 Milliarden Jahre existieren, sind beide Elektronentransportketten, Atmungskette und Photosynthese in derselben Membran lokalisiert. Außerdem findet man in der Thylakoidmembran der Chloroplasten, noch heute ehemalige Bestandteile der Atmungskette (NADH-Dehydrogenease-Komplex), dessen heutige Funktion nicht bekannt ist, die aber eindeutig als Übrigbleibsel der früheren Situation gelten dürften. Dass nämlich beide Phosphorylierungssysteme (Photo- und oxidativ) gemeinsam entstanden sein dürften, auch wenn man sie heute in getrennten Organellen, den Mitochondrien und Chloroplasten, antrifft. So erklärt sich auch die frappierende Ähnlichkeiten, in Bezug auf die energetische Kopplung, mittels eines Wasserstoffionengradienten ATP zu bilden, in Mitochondrien und Chloroplasten. LG
