Bildung und Bedeutung des Protonengradienten?

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Einen Gradienten kannst du dir als eine Art treibender Kraft vorstellen, der sich aus einem Unterschied zwischen zwei voneinander getrennten Räumen ergibt. Bei der Photosynthese sind diese beiden Räume das Lumen und das Stroma, die durch die Thylakoidmembran voneinander getrennt werden. Die Protonen stammen vor allem aus der Spaltung (Photolyse) des Wassers. Das Wasser wird gespalten in Sauerstoff, den die Pflanze abgibt, und Wasserstoff, also Protonen (denn Protonen sind chemisch gesehen nichts anderes als Wasserstoffkationen). Die Elektronen, die dabei frei werden (so gesehen handelt es sich also um eine Oxidation von Wasser, denn eine Oxidation ist in der Biochemie eine Abgabe von Elektronen, Reduktion entsprechend eine Elektronenaufnahme) werden auf NADP+ übertragen (welches seinerseits durch die Elektronenaufnahme zu NADPH2 reduziert wird).

Gleichzeitig werden dabei Protonen (H+) von der Lumenseite ins Stroma transportiert und damit ein Gradient erzeugt, da dadurch auf der Lumenseite der Thylakoidmembran "wenig" und auf der Stromaseite nun "viele" Protonen sind. Dieser Gradient ist einmal ein chemischer Gradient, der durch die unterschiedlich hohe Konzentration von Protonen bedingt wird (das bereits erwähnte "viel" und "wenig"). Andererseits ist es aber auch ein elektrischer Gradient, denn Protonen sind ja geladen. Dadurch wird also die Stromaseite gegenüber der Lumenseite positiver. Dieser Unterschied in Ladung und Konzentration will natürlich ausgeglichen werden, weshalb die Protonen "freiwillig" mit diesem Gradienten zurück ins Lumen flössen - wäre da nicht die Thylakoidmembran, die das ja verhindert. Die Protonen werden nur an einer Stelle durch die Membran gelassen, nämlich an der ATP-Synthase. Das ist ein Enzym, das in der Membran sitzt und durch das die Protonen also durch müssen, um auf die Lumenseite zu gelangen. Dabei treiben sie die ATP-Synthase an, die dabei frei werdende Energie nutzt diese, um ADP zu ATP (der universellen Energieeinheit allen Lebens) zu phosphorylieren. Der Mechanismus ist zwar ein ganz anderer (den zu erklären wäre aber jetzt echt zu aufwändig, außerdem kannst du das in jedem Biochemielehrbuch detailliert nachschlagen), aber bildhaft kannst du dir das wie ein Pumpspeicherkraftwerk vorstellen: das Unterbecken ist die Lumenseite, das Oberbecken das Stroma. Das Wasser entspricht den Protonen und die Turbine ist die ATP-Synthase. Fließt nun das Wasser von oben nach unten durch die Turbine, wird die Energie genutzt, um Strom (der entspräche dem ATP) zu erzeugen.

Ähnliches passiert auch in den Mitochondrien unserer Zellen bei der Zellatmung. Auch hier sitzt eine ATP-Synthase, die durch Protonen angetrieben wird. Der Protonengradient wird hier jedoch erzeugt, indem Elektronen Schritt für Schritt auf Sauerstoff übertragen werden (der Sauerstoff wird somit also reduziert, und zwar zu Wasser - im Prinzip ist das die bekannte "Knallgasreaktion" aus dem Chemieunterricht). Die Elektronen dafür stecken in den Reduktionsäquivalenten (NADH2 und FADH2), die beispielsweise aus der Glykolyse und dem Citratzyklus stammen.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Biologiestudium, Universität Leipzig

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