Nutzung von Sonnenlicht in biologischen Prozessen

Wir bekommen es nicht von der Sonne, es wird synthetisiert.

Menschen können es bekommen ...

• über die Ernährung.
• durch Synthese in der Haut, die auf UV-Strahlung angewiesen ist. Die Sonne ist die Hauptquelle dafür (die Strahlung, nicht das Vitamin), und die Synthese in der Haut ist die Hauptquelle des Vitamins. Es muss jedoch in der Leber oder Niere weiter modifiziert werden, um bioaktiv zu werden. UV-Strahlung ist notwendig und verursacht direkt die Öffnung einer zyklischen Molekülstruktur, wodurch ein Cholesterin in ein Prävitamin D3 umgewandelt wird.

Weitere Einzelheiten finden Sie im Kapitel „Biosynthese“ unter https://en.wikipedia.org/wiki/Vitamin_D

Ähnlichkeiten

Trotz großer allgemeiner Unterschiede gibt es einige grundlegende Ähnlichkeiten in den beiden Prozessen:

• Lichtenergie regt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau an.
• Eine kovalente Bindung wird gebrochen, wenn sich das Elektron woanders hinbewegt. Dieser Prozess wird „Photolyse“ genannt und ist rein chemisch.

Unterschiede

Der Unterschied besteht darin, was mit dem angeregten Elektron passiert und wie stark zelluläre Proteine ​​und Lipide beteiligt sind:

• Bei der Vitamin-D-Synthese bewegt sich das Elektron einfach „spontan“ zu einer anderen Bindung in dem neu gebildeten Molekül. Damit ist die Sache erledigt und Enzyme sind an dieser Reaktion nicht beteiligt.
• Bei der Photosynthese wird das Licht zunächst von Photorezeptoren eingefangen und zum Ort der Photolyse geleitet. Nach der Photolyse sorgt das Zusammenwirken vieler Proteine ​​in einem komplexen Prozess innerhalb eines Membran-Bindungssystems dafür, dass das angeregte Elektron auf NAD ⁺ übertragen wird , wodurch NADH entsteht, das Reduktionsmittel für die anschließende Umwandlung von Kohlendioxid in Phosphoglycerat. (Außerdem wird ein elektrochemisches Membranpotential erzeugt, wodurch ADP in ATP umgewandelt werden kann, dessen Hydrolyse zur Bildung der CC-Bindungen des Phosphoglycerats verwendet wird.)

Vitamin-D-Synthese

Der Photolyseschritt bei der Vitamin-D-Synthese ist unten dargestellt:

Das Vorläufermolekül wird in einer Reihe von enzymatischen Reaktionen aus Cholesterin gebildet, und das produzierte Vitamin D3 (das eigentlich aus einer spontanen Umlagerung des anfänglichen Produktmoleküls resultiert) kann in enzymatischen Prozessen weiter metabolisiert werden (siehe Berg et al. für weitere Einzelheiten ) . Die Photolyse der rot markierten Bindung ist jedoch rein chemisch.

Man kann sich fragen, warum keine anderen Elektronen auf ein höheres Energieniveau angehoben und die entsprechenden Bindungen gebrochen werden. Es ist denkbar, dass andere Elektronen angeregt werden, aber in Ermangelung eines geeigneten Reaktionswegs zu einer Verbindung mit niedrigerer thermodynamischer freier Energie fällt das Elektron auf sein ursprüngliches Energieniveau zurück und setzt Wärme frei. Im Fall von 7-Dehydrocholesterol bietet das koordinierte Doppelbindungssystem einen geeigneten Reaktionsweg zu einem Produkt mit geringerer freier Energie. Man kann sich Licht (mit geeigneter Wellenlänge) vorstellen, das die Aktivierungsenergie der Reaktion bereitstellt (wobei die Energiebarriere überwunden wird, die sich aus der höheren freien Energie des Reaktionszwischenprodukts ergibt).

Photosynthese

An den Lichtenergie nutzenden Reaktionen der Photosynthese (den sogenannten „Lichtreaktionen“) sind zwei komplexe Photosysteme beteiligt, die in Standardtexten beschrieben sind, z. B. Berg et al. . Das vereinfachte Diagramm befasst sich nur mit dem gesamten photolytischen Prozess.

Das Molekül, das hier der Photolyse unterzogen wird, ist Wasser – die beiden H-O-Bindungen werden aufgebrochen und Sauerstoff wird produziert. In diesem Fall ist das Produkt jedoch nebensächlich, um dem Elektron zu ermöglichen, NAD ⁺ zu reduzieren . (Die chemische Oxidation ist die Entfernung von Elektronen und die Reduktion ihre Hinzufügung.) Wie oben erwähnt, führt diese komplexe Reihe von Reaktionen auch zu einem elektrochemischen Gradienten innerhalb des Chloroplasten. Die Bewegung von Wasserstoffionen durch eine ATP-Synthase in der Thylakoidmembran des Chloroplastenstromas wandelt ADP in ATP um (ähnlich wie bei der oxidativen Phosphorylierung).

Das Ergebnis der Photolyse ist in diesem Fall die Bereitstellung von molekularer Reduktionskraft und „Energie“, die verwendet wird, um 1-C-Kohlendioxid in den 3-C-reduzierten Zucker in einer separaten Reihe von Reaktionen umzuwandeln, die selbst keine Lichtenergie beinhalten (diese werden als „Dunkelreaktionen“ bezeichnet, obwohl sie offensichtlich nicht im Dunkeln stattfinden müssen).

Koda

Obwohl man oft einen losen Hinweis darauf hört, dass Lichtenergie zur „Herstellung“ von Vitamin D oder Zucker verwendet wird, kann dies ziemlich irreführend sein. Ich würde vorschlagen, dass es besser ist, das, was die Lichtenergie bewirkt, chemisch auszudrücken und dies dann in den Kontext des entsprechenden Syntheseprozesses zu stellen.