Wolfgang Lubitz, Johannes Messinger, Peter Paul Schmidt, Alfred R. Holzwarth

Elektronenübertragungsreaktionen (engl. electron transfer, ET) sind von fundamentaler Bedeutung für alle Lebensformen, da sie die Energie für die Lebensprozesse bereitstellen. In unserem kurzen Beitrag beschränken wir uns auf einige grundlegende Aspekte des ET. Wir behandeln dabei den Kreislauf der Elektronen in der Atmungskette einerseits und der Photosynthese andererseits als ein Beispiel für einen der großen Kreisläufe, bei denen eine Vielzahl von ET-Prozessen beteiligt sind (Abbildung 1). Weitere wichtige Zyklen in denen ET-Reaktionen eine zentrale Rolle spielen, sind der Stickstoff- und Schwefelkeislauf.

Abbildung 1: Oben: Darstellung der Thylakoidmembran mit den transmembranen Proteinkomplexen Photosystem I, II, dem Cytochrom b6f und der ATP-Synthase, die an den Elektronen- und Protonentransferprozessen der oxygenen Photosynthese beteiligt sind. Die wesentlichen Komponenten sind Chlorophyll-Pigmente (z. B. P680 im PSII; P700, A0 im PSI), Pheophytine (Pheo), Chinone (QA, QB im PSII; A1 im PSI; Q im Cytb6f), Eisen-Schwefel-Cluster (FeS im Cytb6f; FA, FB, FX im PSI), Häme (Cytb und Cytf) sowie das Cu-Protein Plastocyanin (PC). Die katalytische Wasserspaltung erfolgt im PSII an einem Mn4-Cluster, ein Tyrosin (YZ) fungiert als ET-Komponente zum Mn-Cluster. In der Membran existiert ein Plastochinon Pool (PQ). Die Redoxpotentiale und ET-Zeiten sind in Abb. 2 (Z-Schema) dargestellt. Unten: Darstellung der Mitochondrien-Membran mit den 5 Membran-Komplexen der Atmungskette. I : NADH-Dehydrogenase mit Flavin-Mononucleotid FMN und FeS Zentren als prosthetischen Gruppen (reduziert Ubichinon zu Ubihydrochinon); II : Fumarat-Reductase mit FAD und Fe-S-Zentren (reduziert Ubichinon, UQ); III : Cytochrom bc1 Komplex mit Häm im Cytc (reoxidiert UQH2 zu UQ und pumpt dabei 4H+); IV : Cytochrom c Oxidase mit 2 Häm und 2 Cu-Zentren, (reduziert O2 zu H2O durch Übertragung von 4e- und 4H+); V : ATPase, erzeugt ATP aus ADP mit Hilfe des transmembranen Protonengradienten. (Mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr. Oliver Einsle, Institut für Mikrobiologie und Genetik, Georg-August-Universität Göttingen, http://www.img.bio.uni-goettingen.de/ms-www/teaching-metalloproteine-oe.html, 06 - Cytochrom-c-Oxidase)

Die für den biologischen ET essentiellen Kofaktoren der sog. Redoxenzyme lassen sich in wenige Klassen einteilen. Hierzu zählen organische Kofaktoren wie Chinone und Flavine, aber insbesondere auch Übergangsmetalle wie Fe, Cu, Mn, Ni, Mo. Eisen wird in besonders vielfältiger Form eingesetzt: als Zentralatom in Porphyrinen, in Form von verschiedenen Eisenschwefelclustern und anderweitig gebunden in nicht-Häm Eisenproteinen. Eisenschwefelcluster finden sich im Cytb₆f Komplex, im PSI, und in dem Komplexen I und II der Atmung. Für die Photosynthese sind zusätzlich Metalle, insbesondere Mn (für die Wasserspaltung, siehe unten) und Cu (im Plastocyanin) hervorzuheben. Die ET-Kofaktoren sind in der Regel in komplexe Proteine eingelagert. Die Proteinmatrix beeinflusst die Redoxpotentiale ganz wesentlich und gewährleistet die für die jeweiligen Funktionen benötigte dreidimensionale Anordnung der Kofaktoren und die Wechselwirkung mit den Reaktanten.

In der Biologie finden ET-Prozesse oft über relativ große Entfernungen statt (siehe Anhang Theorie). Häufig verläuft dieser über (kurzlebige) Zwischenstationen. Der universelle Energieträger in der Biologie ist ATP (Adenosintriphosphat), welches durch das Enzym ATPase aus ADP (Adenosindiphosphat) und anorganischem Phosphat (P_i) unter Ausnutzung von Protonengradienten über eine Membran gebildet wird. Hierfür sind biologische Lipidmembranen erforderlich, die weitgehend undurchlässig für die kleinen Protonen sind. Ferner benötigt man Pumpen, die Protonen von einer Seite der geschlossenen Membranen zur anderen transportieren. Dies geschieht in der Atmung und der Photosynthese auf unterschiedliche Weise, durch in die jeweiligen Membranen in spezifischer Richtung eingelagerten Proteinkomplexe, sowie durch lipid- bzw. wasserlösliche mobile ET-Komponenten. Einen Überblick über die Vielzahl der in diesen Membranen beteiligten ET-Komplexe gibt Abbildung 1.

Der wesentliche Energieeintrag für die Lebenskreisläufe der Erde wird durch die photosynthetische Nutzung der Sonnenenergie geleistet. Diese Prozesse, insbesondere die Sauerstoffproduktion aus Wasser, werden weiter unten genauer beschrieben (Photosystem II). Die Photosynthese liefert molekularen Sauerstoff und Kohlenhydrate (Zucker), und über den gekoppelten gerichteten Protonentransport über die Membran auch ATP. Die in den Kohlenhydraten gespeicherte Sonnenenergie kann durch "Verbrennung" von Kohlenhydraten mit Luftsauerstoff (Oxidation) nutzbar gemacht werden. Alle unsere fossilen Energieträger auf der Erde, die wir zur Gewinnung von Wärme und Strom einsetzen, sind durch Photosynthese entstanden. In den Mitochondrien, den "Kraftwerken" der höheren Organismen, welche die Atmungskettenkomplexe enthalten, verläuft diese "Verbrennung" aber viel diffiziler. Statt Wärme, erzeugen die ET-Reaktionen in den Membranen der Mitochondrien einen Protonengradienten, der dann zur ATP Synthese eingesetzt wird. Die auftretenden Elektronen- und Protonenflüsse sind in Abbildung 1 dargestellt.

Insbesondere die lichtinduzierten ET-Reaktionen der Photosynthese bilden ein wunderbares Beispiel für eine Optimierung verschiedener ET-Reaktionen. Die Natur steuert hier offenbar geschickt - über die richtige Auswahl und Anordnung der am ET beteiligten Kofaktoren und des umgebenden Proteins - die Parameter der verschiedenen Reaktionen so, dass eine insgesamt optimierte Vorwärtsreaktion bei weitgehender Vermeidung von Rückreaktionen resultiert. Die nahezu 100-prozentige Quantenausbeute der Gesamtreaktion im Reaktionszentrum (RZ) wird dabei durch Unterdrückung von Ladungsrekombination mittels schneller Vorwärtsreaktionen über mehrere Stationen in einer ET-Kette erzielt. Am Ende stehen allerdings nur 40-60% der Energie des absorbierten Lichtquants als elektrochemische Nutzarbeit in Form eines Membranpotentials zur Verfügung. Der Rest wird für den Antrieb der schnellen Vorwärtsreaktionen und die Minimierung der verlustbringenden Rückreaktionen verbraucht.

Das Photosystem II (PSII) der sauerstoffbildenden Photosynthese in Pflanzen und Cyanobakterien stellt in einem einzigen Pigment-Protein-Superkomplex gewissermaßen ein ganzes Laboratorium zur Untersuchung einer Vielzahl unterschiedlicher biologischer ET-Reaktionen zur Verfügung. Die Reaktionen sollen hier beispielhaft näher beschrieben werden. Der PSII-Komplex der Photosynthese-Membran (siehe Abb. 1 und 2) katalysiert mittels einer Serie von hintereinander geschalteten ET-Schritten die Umwandlung der eingefangenen Sonnenenergie in chemische Energie und die Spaltung von Wasser zu molekularem Sauerstoff. Die biologische Wasserspaltung schuf über einen Zeitraum von mehreren Milliarden Jahren die sauerstoffreiche Atmosphäre der Erde und bildet so die Grundlage des Lebens höherer Organismen, die über die Atmung (s.o.) ihre Energie gewinnen. Die Entwicklung der biologischen Wasserspaltung stellte aber ursprünglich für die meisten der bis dahin entwickelten niederen Organismen einen "Super-GAU" dar, da sie keine Schutzmechanismen gegen den für sie hochtoxischen Sauerstoff besaßen.

Abbildung 2: Das sogenannte Z-Schema der Photosynthese zeigt schematisch den Elektronentransportweg vom Wasser bis zum NADP+. Hierbei gewinnen die Elektronen durch zwei lichtgetriebene Reaktionen, die im Photosystem II bzw. Photosystem I ablaufen, an Reduktionskraft. Die ungefähre Lage der Mittelpunktsredoxpotentiale der verschiedenen Kofaktoren ist auf der Y-Achse angegeben. Die verschiedenen Prozesse in dieser ET-Kette verlaufen mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Charakteristische Halbwertszeiten sind an den Pfeilen notiert. Die Abkürzungen für die Kofaktoren sind in Abbildung 1, bzw. im Text erklärt.

Um die komplizierte Elektrochemie der lichtgetriebenen Wasserspaltung zu O₂, Protonen und biologisch nutzbaren Elektronen ausführen zu können, muss das PSII den sehr schnellen, in wenigen Pikosekunden (10^-12 Sekunden) ablaufenden, lichtgetriebenen Ein-Elektronenprozess der primären Ladungstrennung aus einem elektronisch angeregten Zustand, mit den wesentlich langsameren (µs bis ms) Zwei-Elektronenreaktionen der Plastochinonreduktion und der Vier-Elektronenoxidation von Wasser koppeln (s.u.). Wie bei vielen anderen biologischen Elektronenübertragungsreaktionen spielt außerdem die Kopplung der ET-Prozesse mit Protonenübertragungen eine entscheidende Rolle.

Die primäre Ladungstrennung erfolgt im zentralen Teil des Reaktionszentrums (RZ), der aus einem quasisymmetrischen Ensemble aus vier Chlorophyll- und zwei Pheophytinmolekülen (einem metallfreien Chlorin) gebildet wird. Durch eine in ca. 10 Pikosekunden ablaufende Reaktionskette entsteht ein Radikalpaar P680^•+ Pheo^•- (der hochgestellte Punkt bezeichnet ein Radikal, d.h. ein Molekül mit ungesättigter Elektronenschale) bei dem ein Elektron über die halbe Dicke der Membran "gepumpt" wird. Um die Rekombination der Ladung und den damit verbundenen Verlust der gespeicherten Energie zu vermeiden, erfolgt zunächst mit einer Halbwertszeit von ca. 200 Pikosekunden die Übertragung des Elektrons auf ein energetisch niedriger gelegenes Plasto-Chinon-Molekül, das sog. Q_A. Die Reduktionspotentiale des Q_A sind von der Proteinumgebung so gesteuert, dass es unter normalen Bedingungen nur als Ein-Elektronen Akzeptor/Donator operieren kann. P680^•+ wird anschließend von einer Tyrosinseitenkette, dem sogannten Y_Z, des Reaktionszentrumproteins D1 mit Halbwertszeiten reduziert, die zwischen 30 ns und 10 µs liegen. Dieser ET ist durch die starke Kopplung mit einer Protonenübertragung mehrphasig. Die beschriebene Reaktionsfolge lässt sich wie folgt zusammenfassen (siehe auch Abbildung 2):

Das Oxidationspotential von P680/P680^•+ beträgt ca. +1,25 V und es stellt somit die am stärksten oxidierende bekannte organische Verbindung in der belebten Natur dar. Dieses hohe Oxidationspotential wird benötigt, um die energiereiche Oxidation von Wasser bewerkstelligen zu können.

Um die bei der primären Ladungstrennung erzeugten Elektronen zur Reduktion biologisch nutzbar zu machen, müssen sie auf einen in der Membran beweglichen Elektronenüberträger transferiert werden. Dies ist ebenfalls ein Plastochinonmolekül (PQ), das im PSII als Q_B bezeichnet wird. Q_B kann zwei Elektronen aufnehmen (Zwei-Elektronen-Träger). Die Thylakoidmembran verfügt über einen großen Pool an beweglichen PQ Molekülen. Nach zwei Reaktionsschritten im RZ wird das gebildete Plastohydrochinon, Q_BH₂, durch ein neues PQ Molekül der Membran ersetzt:

Das in der Membran bewegliche PQH₂ überträgt seine aufgenommenen Elektronen zur nächsten Komponente in der Elektronentransferkette der Thylakoidmembran, dem Cytochrom b₆f-Komplex, und leitet dort die Elektronen unter Abgabe seiner vorher vom Stroma aufgenommenen Protonen in den geschlossenen Innenraum der Thylakoide weiter. Während die Elektronen weitere Schritte durchlaufen und dabei durch eine zweite lichtinduzierte Ladungstrennung im Photosystem I ein Reduktionspotential erreichen, das ausreicht, um Kohlendioxid zu Kohlehydraten (Zucker) zu reduzieren, wird das durch den gerichteten Protonentransport erzeugte Membranpotential (Protonenpotential) in der ATPase zur Synthese des zellulären Energieträgers ATP aus ADP genutzt (Abb. 1 und 2).

Das hohe Oxidationspotential von P680/P680^•+ (+1,25 V) kann nicht direkt zur Wasseroxidation eingesetzt werden, da zur Erzeugung eines OH-Radikals in wässriger Lösung ein Oxidationspotential von > 2 V benötigt werden. Auf diese Weise würden außerdem hochreaktive Spezies erzeugt, die Proteine schnell zerstören. Photosystem II speichert daher zuerst vier Oxidationsäquivalente in einem Komplex, der aus einem Ca- und vier Mn-Ionen gebildet wird, die über Sauerstoffbrücken miteinander verbunden sind (Mn₄O_xCa Komplex). Die vier gespeicherten Oxidationsäquivalente werden dann in einem Schritt zur elektrochemischen Wasseroxidation eingesetzt, was zu einer Oszillation in der blitzinduzierten Sauerstoffreisetzung mit einer Periodizität von Vier führt (Abbildung 3A, oben). Die im Mn₄O_xCa Komplex nacheinander auftretenden Oxidationszustände werden nach dem Kok-Zyklus als S_i Zustände bezeichnet (Abbildung 3B; i = 0, 1, 2, 3, 4). Nach ausreichender Dunkeladaptation befinden sich fast alle Zentren im Zustand S₁.

Abbildung 3: (A) Typische Vierer-Oszillation der Sauerstoffentwicklung, die bei Anregung von dunkeladaptierten Thylakoiden mit kurzen Lichtblitzen (3-5 µs) beobachtet wird. Das erste Maximum der Sauerstoffentwicklung tritt nach dem dritten Blitz auf. Anschließend werden immer vier Blitze bis zum nächsten Maximum benötigt. Die Oszillation ist gedämpft (misses, double hits). Erste Messungen dieser Art wurden durch Pierre Joliot et al. 1969 durchgeführt. (B) Kinetisches Schema, welches auf Grundlage der Vierer-Oszillation in der Sauerstoffentwicklung durch Bessel, Kok et al. 1970 aufgestellt wurde. Die fünf auftretenden Zustände werden mit "S"(state) abgekürzt; der Index gibt die Zahl der gespeicherten Oxidationsäquivalente an. Hierbei entspricht der Oxidationszustand S0 formal dem von Wassermolekülen, während S4 formal der Oxidationsstufe von molekularem Sauerstoff gleicht. O2 wird im S4 → S0 Übergang ohne weitere Lichtenergie freigesetzt. In diesem Übergang binden vermutlich auch die beiden Wassermoleküle an den Mn4OxCa-Cluster. Für die S0, S1 und S2 Zustände gibt es relativ gut gesicherte Vorschläge für die Oxidationsstufen der beteiligten Mn-Ionen die angegeben sind. Die Angaben für S3 (Sauerstoffbrückenradikal) und S4 (mit gebundenem Peroxid) sind noch umstritten.

Die genaue Struktur des Mn₄O_xCa-Komplexes wird zur Zeit noch erforscht. Die derzeitigen Vorstellungen über die Oxidationszustände der Mn-Ionen sind für die verschiedenen S_i Zustände in Abbildung 3B angegeben. Der Mn₄O_xCa-Komplex speichert nicht nur die Oxidationsäquivalente, sondern bindet auch die beiden zu oxidierenden Wassermoleküle. Diese Oxidation erfolgt innerhalb von 1-2 ms nach Ausbildung des S₄ Zustandes. Die vorangehenden S_i Zustände haben Lebensdauern, die je nach Bedingungen zwischen einigen Sekunden und Stunden liegen können. Die Spanne der ET-Zeiten im PSII beträgt also etwa 15 Größenordnungen - von Pikosekunden bis Stunden.

In der Photosynthese hat die Natur in einem langen Evolutionsprozess die Reaktionen zur Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie optimiert. Eine zentrale Rolle spielen dabei elektrochemische Prozesse. Die Sonne stellt somit über die Photosynthese die einzige erneuerbare Energiequelle zur Aufrechterhaltung des Lebens auf der Erde dar. Die in der Photosynthese realisierten Prinzipien, werden in den letzten Jahren zunehmend zur Konstruktion und Optimierung künstlicher Systeme zur Umwandlung von Sonnenenergie eingesetzt. Dies gilt sowohl für proteinbasierte Systeme, die durch gezielte Mutagenese (d.h. Erzeugung von Veränderungen im Erbgut von Lebewesen) verändert werden, als auch für biomimetische (d.h. der Natur nachgebaute), bioorganische und bioanorganische Supermoleküle zur lichtinduzierten Ladungstrennung. Ziel dieser Forschungen ist es, in Zukunft auf technische Weise die Sonnenenergie zur Erzeugung von Brennstoffen bzw. Elektrizitätserzeugung zu nutzen, und damit die limitierten und bei der Verbrennung umweltschädlichen fossilen Energieträger Öl, Gas und Kohle zu ersetzen. In solchen künstlichen Solarenergiesystemen werden ET-Prozesse die entscheidenden Funktionen übernehmen.