Protonenmotorische Kraft - Erklärung

Die Fotosynthese findet in Pflanzen statt. Genauer gesagt in den Chloroplasten der Zellen. Diese verleihen der Pflanze ihre typisch grüne Farbe und sind die Kraftwerke, die aus Licht, Wasser und CO₂ Zucker herstellen. In den Chloroplasten wiederum befinden sich die Tylakoide. Tylakoide sind spezielle Membransysteme, in denen ein Teil der Fotosynthese abläuft, nämlich die Lichtreaktion. An den Zellwänden dieser Thylakoide kommt die protonenmotorische Kraft zum Einsatz.

Aufbau eines Protonengradienten

• Die Fotosynthese ist in mehrere Abläufe eingeteilt. Einer davon ist die sogenannte Elektronentransportkette. Hier werden Elektronen gesammelt und an andere Stellen weitergeleitet, wo sie dann verarbeitet werden.

• Im Thylakoidinnenraum befindet sich Wasser. Dieses Wasser wird durch das einfallende Licht oxidiert. Das bedeutet, dass ihm Elektronen entzogen werden. Dabei entstehen außerdem Sauerstoff und H⁺-Ionen.

• Die entstandenen Elektronen werden sofort in die Elektronentransportkette geschleust und weiterverarbeitet. Die freien H⁺-Ionen reagieren mit Wasser weiter zu Oxoniumionen (H₃O⁺). Diese Ionen sind für den pH-Wert einer Lösung verantwortlich. Je mehr Oxoniumionen vorkommen, umso saurer ist die Lösung.  Das Ganze spielt sich noch immer im Thylakoidinnenraum ab. Aufgrund von Diffusion würden sich die Oxoniumionen normalerweise verteilen, um einen Ladungsausgleich zu erreichen, doch da die Zellwände undurchlässig für diese Ionen sind, stauen sich die positiven Ladungen innerhalb der Zelle.

• Es entsteht also ein Protonengradient (Konzentrationsunterschied an Protonen) oder auch pH Gradient genannt, da die Oxoniumionen schließlich eine saure Lösung verursachen. Protonengradient bedeutet demnach, dass ein extremes Ladungsungleichgewicht herrscht. Der Innenraum des Tylakoids ist im Gegensatz zum Außenraum mit positiven Ladungen gefüllt. Dieser Ladungsunterschied zwischen Innen- und Außenraum führt zu einem Membranpotenzial, indem eine gewisse (elektrische) Spannung aufgebaut wird.

• Protonengradient und Membranpotenzial zusammen ergeben die protonenmotorische Kraft, also die Kraft, die die Protonen schiebt, um ein elektrochemisches Gleichgewicht zu erhalten.

Berechnung der protonenmotorischen Kraft und Verwendung der H⁺-Ionen

Um die protonenmotorische Kraft zu berechnen, kann man die Nernst-Gleichung verwenden. Dazu benötigt man die Konzentration an Oxoniumionen von Innen- sowie dem Außenraum, die man in die Gleichung eingibt.

E=(-26,70mV/z_e)*lg(c_innen/c_außen)

Hinweis: z_e=Anzahl der übertragenen Elektronen, c=Konzentration

Die vielen H⁺-Ionen werden nun auch weiterverwendet. In der Thylakoidmembran sitzt ein Protein, die sogenannte ATP-Synthase, und benötigt zusätzliche Protonen, um die Phospatbindung ATP zu bilden. ATP wiederum ist der nötige Energielieferant, um alle anderen Prozesse bei der Fotosynthese und der Zellatmung am Laufen zu halten.