Helmichs Biologie-Lexikon

Photolyse des Wassers

Unter der Photolyse des Wassers versteht man die Spaltung (Lyse) von Wasser-Molekülen in Wasserstoff und Sauerstoff durch Photonen (Lichtenergie).

2 H2O → 4 H+ + 4 e- + O2

Der genaue Ablauf der Photolyse ist gut erforscht. Die Spaltung der Wasser-Moleküle durch das Sonnenlicht erfolgt indirekt. Es ist also nicht so, dass das Wasser-Molekül ein Photon absorbiert und sofort gespalten wird, sondern die Sache ist etwas komplizierter.

Ein paar Hundert Chlorophyll-Moleküle (und andere Photosynthesepigmente, vor allem Carotinoide) bilden einen Lichtsammelkomplex, arbeiten also als funktionelle Einheit zusammen. Sinn und Zweck dieses Lichtsammelkomplexes ist das "Einsammeln" von Lichtquanten (Quanten sind die kleinsten Einheiten des Lichts, so ähnlich wie Atome die kleinsten Einheiten der Elemente sind).

Der Lichtsammelkomplex besteht aus ca. 400 Chlorophyll-Molekülen, die um ein zentrales Molekül gruppiert sind, das Reaktionszentrum. Jedes Lichtquant, das auf eines dieser 400 Antennen-Moleküle fällt, wird von Molekül zu Molekül weitergereicht, bis schließlich das Reaktionszentrum P680 erreicht ist.

Den Namen P680 hat dieses spezielle Chlorophyll-Molekül daher, dass es vor allem Licht der Wellenlänge 680 nm absorbiert; es hat bei dieser Wellenlänge sein Absorptionsmaximum, absorbiert aber auch Licht anderer Wellenlängen.

Das derart aktivierte Reaktionszentrum spaltet nun ein Wasser-Molekül, und zwar in zwei Protonen, zwei Elektronen und ein halbes Sauerstoff-Molekül:

Halbe Sauerstoff-Moleküle gibt es natürlich nicht, aber die Reaktionsgleichung ist rein mathematisch korrekt. Meistens löst man dieses Problem, indem man die Gleichung mit 2 multipliziert:

Allerdings setzt das Reaktionszentrum bei der Photolyse immer nur ein Wasser-Molekül um.

Die Elektronen des Wassers gehen nicht direkt auf das P680-Reaktionszentrum über, sondern gelangen zunächst zu einem Protein, das vier Mangan-Ionen besitzt. Dieses Mangan-Protein kann vier Elektronen zwischenspeichern. Von diesem Mangan-Protein gelangen die vier Elektronen dann zu einem Elektronenakzeptor "Z", der dann jeweils zwei Elektronen an das Reaktionszentrum P680 weitergibt (Spektrum-Lexikon Biologie).

Dieses Schema zeigt die Photolyse des Wassers noch einmal genauer. Das Reaktionszentrum P680 wird durch die Absorption von Lichtenergie aktiviert. Die hierfür notwendigen Photonen werden aber von anderen Pigmenten des Lichtsammelkomplexes eingefangen und zum Reaktionszentrum geleitet. Die Folge dieser Aktivierung: Das Redoxpotenzial (Y-Achse) von P680 wird deutlich negativer, und infolgedessen können zwei Elektronen des P680 an ein anderes Pigment der Thylakoidmembran abgegeben werden (was hier aber nicht eingezeichnet ist).

Einzelheiten hierzu siehe "P680-Aktivierung" in meinem Biologie-Lexikon.

Dem P680 fehlen jetzt zwei Elektronen. Die fehlenden Elektronen werden jetzt von einem anderen Molekül - hier als Z bezeichnet - nachgeliefert. Das Redoxpotenzial von Z ist weniger positiv als das Redoxpotenzial des nichtangeregten P680.

Nun liegt Z in der oxidierten Form vor, bei Z herrscht jetzt Elektronenmangel. Zum Glück gibt es ein weiteres Molekül, ein Mangan-Protein. Dieses Mangan-Protein ist ein "normales" Protein, das aber neben C-, H-, O-, N- und S-Atomen auch noch vier Mn-Atome besitzt. Jedes dieser Mangan-Atome kann nun ein Elektron an das Z-Molekül liefern; insgesamt fließen also vier Elektronen vom Mn-Protein nach Z. Achten Sie darauf, dass das Mn-Protein ein weniger positives Redoxpotenzial besitzt als das Z-Molekül, daher können die Elektronen "bergab" fließen.

Das Mn-Protein liegt nun in der oxidierten Form vor; ihm fehlen jetzt vier Elektronen. Diese vier Elektronen "holt" sich das Mn-Protein von zwei Wasser-Molekülen. Übrig bleiben vier Protonen und ein Sauerstoff-Molekül.

Die Rolle des Lichtes ist es, das Reaktionszentrum P680 zu aktivieren, so dass dieses zwei Elektronen abgibt. Über die Kette Wasser - Mn-Protein - Z-Molekül "holt" sich das P680 dann diese beiden Elektronen zurück. Die Lichtenergie wirkt also nicht direkt auf die Wasser-Moleküle ein, sondern auf die Pigemente des Lichtsammelkomplexes und damit auf das Reaktionszentrum P680.