Photosystem

Ein Photosystem (auch Fotosystem) ist eine Ansammlung von Proteinen und Pigment-Molekülen (Chlorophylle und Carotinoide) in der Thylakoid-Membran von Cyanobakterien und Chloroplasten, die bei der Lichtreaktion der oxygenen Photosynthese Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Sie kommen bei phototrophen Cyanobakterien und eukaryotischen Lebewesen (Pflanzen und Protisten) vor.

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Aufbau und Funktion

Ein Photosystem setzt sich aus einem sogenannten Antennenkomplex und aus einem Reaktionszentrum zusammen.

Der Antennenkomplex (auch Lichtsammelkomplex) besteht je nach Typus des Photosystems aus zirka 30 Proteinen, die mit Pigmentmolekülen verbunden sind. Sie werden durch das Licht in einen energiereichen, angeregten Zustand angehoben. Durch eine Kette von Redoxreaktionen kann diese Energie an das Reaktionszentrum weitergeleitet werden. Die Effizienz der Energieübertragung im Lichtsammelkomplex auf ein Reaktionszentrum beträgt mehr als 90 % und erfolgt in 10^-13 Sekunden.

Das Reaktionszentrum der Photosysteme enthält 4 Chlorophylle, die als primärer Elektronendonor fungieren. Durch die Lichtenergie wird eine Elektronentransportkette in Gang gesetzt.

Im Photosystem II werden in einem Zyklus mittels 4 Lichtquanten Elektronen vom Wasser an ein Chinon übertragen und somit ein Protonengradient über die Membran generiert. Dabei entsteht als Nebenprodukt Sauerstoff.

Im Photosystem I führt der lichtgetriebene Elektronentransfer zur Synthese von NADPH+H⁺.

Typen

Belichtet man Grünalgen jeweils mit Licht der Wellenlänge 700 nm oder 680 nm erhält man jeweils eine bestimmte Sauerstoffmenge. Lässt man jedoch Licht dieser beiden Wellenlängen gleichzeitig einwirken, wird die Photosyntheseleistung deutlich gesteigert. Man nennt dies den Emerson-Effekt. Er zeigt, dass in der Photosynthese zwei verschiedene Licht absorbierende Systeme zusammenarbeiten.

• Das Photosystem I enthält insgesamt zirka 200 Moleküle Chlorophyll a und b sowie 50 Carotine. Das Reaktionszentrum des Photosystems I hat ein Absorptionsmaximum bei einer Wellenlänge von 700 nm, es wird deshalb auch als „P700“ bezeichnet.
• Das Photosystem II enthält insgesamt zirka 250 Moleküle Chlorophyll a und b sowie 50 Carotine. Das Reaktionszentrum des Photosystems II hat ein Absorptionsmaximum bei 680 nm („P680“).

Bei Cyanobakterien enthält das Photosystem Phycocyanobilin und Phycoerythrobilin.

Anaerobe Schwefelbakterien haben ein Photosystem, das dem PSI ähnlich ist.

Anregung durch Licht

Da auf Grund der großen Halbwertszeit des Übergangs vom Triplett- in den Grundzustand der Triplettzustand sehr stabil ist, werden die langsamen photochemischen Prozesse im isolierten Chlorophyll von diesem Zustand aus gestartet, nicht aber in der intakten Thylakoid-Membran. Dort wird ausgehend vom S₁-Zustand die Energie eines nahezu jeden Lichtquants für die Lichtreaktion genutzt. Damit steht von jedem absorbierten Quant, gleichgültig ob aus dem blauen oder roten Bereich ein Energiebetrag von 174 kJ/mol zur Verfügung. Je schlechter aber die Lichtreaktionen ablaufen, desto höher wird der Fluoreszenz-Anteil, und damit der Verlust an nicht nutzbarer Energie.

Literatur

• Gerhard Trageser: Nobelpreis für Chemie: Licht in die Lichtreaktion. In: Spektrum der Wissenschaft. Jg. 1988, Nr. 12, S. 14 ff.

Siehe auch

• Lichtreaktion
• Chlorophyll
• Photosynthese