Biologie LK: Fotosynthese

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Fotosynthese Lichtabsorption [rel. Einheit] DIE ANREGUNG DER FARBPIGMENTE 400 400 Absorption x Wellenlänge = Absorptionsspektrum · Pigmentmoleküle werden bei der lichtabsorption angeregt. • Elektronen in der Atom hülle haben Energiegehalt (Grundzustand) •Durch Energieaufnahme springen Elektronen in den angeregten Zustand Abstand zwischen Grundzustand und angeregtem zustand nat ie nacu Molekul-und Atomart eine festgelegle Broße = Das Anneben eines Elektrons benötigt also auch einen konkreten Energiebetrag Angeregles Elektron fällt meist wieder in den Grundzustand zurück und gibt aufgenommene Energie in Form von Wärme, licht wieder ab (Chlorophyll kann Elektronen auf andere verbindungen übertragen). • Elektrohenübertragung setzt Kette von Folgereaktioner in Gang, bei denen aufgenommenes Wasser und CO₂ in organische Stoffe umgewandelt wird. Diese Assimilation (licutnutzung) bezeichnet man als. Foto suntuese 000O 400- 450- 500 500 Bakterien Fadenalge 550 + 600- 650- 500 Fotosyntheserate x Wellenlänge = wirkungsspektrum. DER ENGELMANN VERSUCH: Theodor W..Engelmann untersuchte mit einem einfachen versuch das sogenannte. Wirkungsspektrum. (Welches licht./ Welche Wellenlänge hat Einfluss auf die Fotosynthese?).. ES. Hurden Fadenalgen mit licht verschiedener Wellenlänge bestrahlt und sauerstoffliebende Bakterien hinzugefügt. Diese sammelten sich an der Fadenalge dort an, wo viel Fotosynthese (Enaprodukt u.a. Sauerstoff) betrieben wurde. Dies erfolgte bei licht mit der Wellenlänge ca. 450 hm und 680 nm. Her haben demnach chlorophyll a und b inre Absorptions maxima.. 700- 600 Wellenlänge (nm) Absorption Energie über Grundumsatz (k)/Mol) blaues Licht rotes Licht 295- 600 170 Chlorophyll a Chlorophyll b Carotinoide Absorption von Blaulicht 700 Wellenlänge [nm] Absorption von Rotlicht Oo 700 Wellenlänge [nm] 2. Anregungs zustand 52 Abgabe von Wärme 1. Anregungs- zustand 51 Abgabe von Wärme Grundzustand von Chlorophyll Elektronenübertragung auf einen Akzeptor Abgabe von Licht Fluoreszenz (rot) ARTEN DES CHLOROPHYLL MOLEKÜLS IN GRUNDZUSTAND ZURÜCKZUKEHREN 1 Isoliestes, chlorophyll molekül CP Übergang in Grundzustand durch Abgabe von Energie in Form von Wärme-oder lichtstrahlung licut und Härme Thin Resonanzvorgang CD Die Energie eines angeregien Culonophyllmorküls kann durch Resonanzvorgänge auf ein benachbartes Culorophyll molekul übertrieben Thim Dim ↑ Dum 3 Elektronendonator- und akzeptor co übertragung des energiereichen Elektron auf ein benachbartes Culorophyll moleküll. (Elektronenakzeptor) Grundzustand des Chlorophylls wird durch Aufnahme eines Elektrons eines Elektronendonators erreicht ОРО - ОРО - ого Elektronendonator. Elektronenakzeptor ANREGUNG VON PIGMENTMOLEKULEN DURCH LICHTABSORPTION •Absorbtion von blauen licht →→ Elektronen des Chlorophylls wird auf. Anregungszustand $2 gehoben. ..S2. ist kurzlebig → Elektron fällt auf Anregungszustand S1 zurück •die daraus entstandene Energie wird in Form von Wärme abgegeben • wird das Elektron vom 81- Zustand nicht fotosynthetisch genutzt, indem es auf einen Akzeptor abertragen wird, fällt es in den Grundzustand zurück. => Ergebnis: Die Energiedifferenz wird in Form von rolem licht (Floureszenz) abgegeben DIE POTOSYSTEME: Piqment Fotosystem I → Reaktionszentrum Chlorophyll a mit Helleniänge lon P700 (culorophy!! a absorbiert am beston bei too nm). Fotosystem II →→→ P680 Reaktionszentrum Culorophyll a, Elektronenak Reptor, lichtenergie wird in chemische Energie umgewandelt (Es enthalt von den Antennen pigmenten Energie und überträgt dann ein Elektron auf ein primären Elektronenakzeptor Antennen pigmente Culorophyll b und Carotinoide (umgeben das Reaktionszentrum) (carotinen und xan tophillen), werden durch licht angeregt und transferieren die Energie in einer Kettenreaktion über benachbarte Pigment molekule bis zum Reaktionszentrum (hier culorophyll a) Elektronenakzeptor → befindet sich im Reaktionszentrum, erhält ein flektion von uniorophylla DIE FOTOSYNTHESE Die Fotosynthese keilt sich in: Primor- und Sekundárreaktionen auf. 1. Lichtabhängige Reaktion (Primärreaktion): -ort : culoroplasten → In Thylakoid membran - Ergebnis: lichtenergle wird in chemische Energieäquivalente (=ATP) urugewandelt und so für Pflanzen nutzbar. Zudem werden mithilfe der licutenergle Reaktionsãquivalente (NAOH + H+) gebildet. Mithilfe von NADH + H+ werden in einem zweilen Schritt der Fotosynthese (calvin-Zyklus) Blucose und CO₂ hergestellt. -Abfall produkt: Sauerstoff - Ablauf: @ Durch lichtenergie werden Antennen pigmente (auch lichtsammelfalle) augeregti due die Energie in einer Kettenreaktion bis zum chlorophyll a (P680) im Reaktionszentrum des Fotosystems I transferieren. Anschließend kommt es zur Elektronen übertragung (e-) auf einem primären Akteptor. (Bild 1) 2) Dadurch entsteht eine Elektronenlücke im P680, die durch Elektronen aus der Fotolyse des Wassers ersetzt wird. (terlegung eines Wassermoleküls in zwel Elektronen (2e), zwei Protonen (H+) und ein sauerstoff atom) (Bild 2) 3 Die Elektronen aus dem Fotosystem II durculaufen eine Elektronentransportkette aus hintereinander geschalteten Redoxsystemen. (systeme, dhe ständig zwischen reduzierten [Aufnahme von Elektronen] und oxidiertem zustand [Abgabe von Elektronen] wechseln. Die Kette besteht aus mehreren Molekülen. Das Redoxpotenzial ist für jedes Redoxsystem charakteristisch und beschreibt das Maß für das Bestreben, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben. (Bild 2-8) Beim Durchfließen der Flekmonen durch die Kette von Redoxsystemen wird Energie frei, die teilweise als Wärme frei wird. Die Energle wird aber auch benutzt, um protonen (H+) aus dem Stroma in das Innere der Thylakoide zu pumpen. (Bild 4) 6 Dadurch entsteht ein Protonengradient (unterschied in der Konzentration an Protonen), der v.a. durch die Redoxsysteme I und I gefördert wird. Sie wirken als Protonen-Pumpe. Dabei wird für jedes Elektron, das unter Freisetzung von Energie in der Elektronen- Transportkette weiterfueßt, ein Proton aus dem Stroma in den Innenraum der Thylakoide gepumpt. 6 Culorophyll a (P700) im Reaktionszentrum des Fotosystems I wird durch Ucut angeregt und zwei Elektronen werden auf eine weitere Elektronen-Transportkette (mittels des primären Akzeptors) übertragen Die Elektronenlücke im Fotosystem I wird durch Elektronen aus der Elektronen - Transportkette (Redoxsysteme I-III) gefüllt. (Bild 6) In der Elektronen - Transportkette werden durch die Wirkung der NADPH - Reduktase (Redoxsystem I) Elektronen schließbuch auf NADP+ und 2H+ übertragen. Es entsteht das Reduktionsäquivalent NADPH + H*, Ho für zwei Elektronen die Elektronen- Transportkette der lichtreaktion durchlaufen werden müssen. 8 Im Protonengradient, der zusätzlich durch die Fotolyse von Wasser erhönt wird, ist Energle gespeichert, was auch am unterschied. des pH-Wertes von Stroma und Thylakoid-Innenraum deutlich wird. Die Energie wird durch die ATP-synthase genutzt: Beim Fluss der protonen durch die ATP-synthase entlang des konzentrationsgefälles von innen nach außen wird Energie frel, die zur Bildung von ATP verwendet wird. Diese sogenannie Fotophosphorylierling (nichtzyklischer Elektronentransport) erfolgt durch eine Anbindung einer Phosphatgruppe an ADP, woraus ATP entsteht (ADP + P = ATP) - Chemiosmose: Kopplung von Elektronen fluss, Aufbau eines Protonengradienten und ATP-Bildung · Ore Redoxsysteme können neben der Nummeriering auch mit Namen bezeichnet werden: Plastocuinon (RSI), cytochrom-b Ilf-komplex (RSI), Plastocyanin (RS III), Ferredoxin (RS II) und NADP+-Reduktase (RSI) Energieniveau/Redoxpotenzial in Millivolt -1,2 -1,0+ -0,8- -0,6- -0,4+ -0,2- 0+ +0,2- +0,4- +0,6- +0,8- +1,0 Thylakoid- außenraum Thylakoid- membran Primärer Akzeptor Thylakoid- innenraum 2 Fotolyse des Hassers H₂O 2e 2H² + ½ 0₂ 1 Nichtzyklischer Elektronentransport Licht 2 H₂0 Licht 1 P680 2 Fotosystem P680 ze ADP+ P Fotolyse des Hassers Protonenpumpe Redoxsystem I Elektronen-Transportkette 11 (ATP Elektronenfluss liefert Energie zur Synthese von ATP, wobei die Energie aus der Chemi- osmose stammt. Fotosystem II Primärer Akzeptor 111 Licht Fotosusten I NADP P700 Reconsystem Lichtabhängige Reaktionen an der Thylakoidmembran NADPH +H* P 100 6 Foto syste Redoxsystem 1.0 (5) Redoxsystem Elektronen-Transportkette NADP+2H* Radoxsystem I Licht 2e NAOPH + H+ ATP und NADPH + H werden für die Se- kundärreaktionen im Stroma zur Glu- cosebildung beno- tigt (Calvin-Zyklus). ADP+P ATP ATP-synthase außenraum Thylakoid- membran mylanbid Thylakoid- innenraum Thylakoid- 2 lichtunabhängige Reaktion (sekundärreaktion) I calvin Zuklus! -ort: Stroma der chloroplasten - Ergebnis: Mithilfe von ATP und NADPH + H+ aus der primārreaktion wird im calvin-Zyklus Plucose aus kohlenstoffdioxid hergestellt. -Ablauf: 3 Phasen, die aus mehreren enzymatischen Einzelreaktionen bestehen 1. Phase → Kohlenstofffixierung •Einbau von Kohlenstoffdioxid in ein organisches Molekül Mithilfe des Enzyms Rubisco wird CO₂ an RUBP (Ribulose-1,5-bisphosphat) gebunden. Aus dem nun instabilen C6-Körper (RuBP) enstehen so zwei Moleküle PGS. (3-Phosphoglycerat (3-körper) 2. Phase Phase der Reduktion und der Bildung von Glucose · PGS wird mithilfe von ATP (aus der Primärreaktion) auf ein höheres Energieniveau. gehoben ·NADPH + H+ (auch aus Primärreaktion) stellt energlereiche Elektronen bereit, die auf PGS. übertragen werden. PGS wird so zu G3P (Glycerinaldehyd-3-phosphat, C3-Körper reduziert. ·aus G3P als energiereiches Produkt des Calvin-Zyklus können flucose und andere. organische Verbindungen hervorgehen. Dabei werden zwei Moleküle von G3P zur Bildung eines Glucosemolekuls benötigt Die restlichen zehn Moleküle von G3P werden für die nächste Phase verwendet.. 3. Phase Phase der Regeneration des CO₂-Akzeptors • der größte Teil an 83P (10 Moleküle) verbleibt im calvin-Zyklus und wird für die Regeneration des CO₂-Akzeptors genutzt. Dabei werden unter ATP-verbrauch. (aus primärreaktion) zenn Moleküle G3P benötigt, um in mehreren Reaktionsschritten. sechs Moleküle des Akzeptors Ribulose-115-bisphosphat (RUBP) zu bilden. Für die Bildung von einem Molekul Glucose muss der Calvin-zuklus formal sechs mal durchlaufen werden, da für ein Glucose-Molekül 6 kohlenstoff dioxid - moleküle benötigt werden. (siene summen formel). -D CO₂ wird gebunden, um Glucose herzustellen (anorganisch wird zu organisch - Grundlage der (photo-) autotrophen organismen) DOOOOOⓇ Ribulose-1,5-bisphosphat 6 ADP 6 ATP 10000 Glycerinaldehyd- 3-phosphat Regenera- tion des CO₂- Akzeptors 12 P + 2P+ 10P = 24P 20 Rubisco 6 ADP 10 CALVIN- Zyklus Glycerinaldehyd-3-phosphat 6 (ATP Ribulose-5-phosphat (Ru5P Glucose 12 P 12 NADP+ Ribulose-1,5 bisphosphat (RuBP) 6 P 12 OOP Glycerinaldehyd-3-phosphat Kohlenstoffkele Phase der Regeneration des CO₂- Akzeptors Glycerinaldehyd-3- phosphat (G3P) 12000® 3-Phosphioglycerat DOOOOO Glucose Fixierung von CO₂ musserst 6 mal ablaufen, um 2 G3P Reduktion abgegeben werde und Glucose- bildung 2 P Phosphat 4 12 NADPH+H* Calvin- Zyklus Phase der Reduktion und der Bildung von Glucose 12 ATP 12 ADP + 12 P -12 NADPH+H* 12 NADP+ 1,3-Bisphosphoglycerat (BPG) 12 P Rubisco Phase der Kohlenstoff- fixierung CO₂ 3-Phospho glycerat (PGS) Cz körper 13 Stroma 2mai 12 ATP 12 ADP kommt von Phosphatabgabe von ATP-ADP GESAMTGLEICHUNG DER FOTOSYNTHESE 12 H₂O + 6C0₂ 60₂ + C6H₁₂O6 + 6H₂O - 12 WASSER AUS DEM BODEN Schritt Fotosynthese- Gesamtaleichung (brutto) LUFT CO₂-Fixierung. Reduktion FOTOLYSE DES WASSERS 6H₂0+600₂ 60₂ + C₂H₁₂O6 2 lichtreaktion: 12 H₂O + 18 ADP + 18 P + 12 NADP + slucosebildung PRIMAR- REAKTION calvin-Zuklus: 6 C0₂ + 12 NADPH+H+ + 18 ATP Regeneration. des CO₂- Akzeptors. CALVIN ZYKUVS 6 C 0₂ + 12 H₂O HEITERES PRODUKT DES (GLUCOSE). CALVIN-ZYKLUS Ausgangsstoff SEKUNDÄRREAKTION 2 G3P (2x C3) ·600₂ (6x (₁) und 6 Ribulose-1,3-bisphosphat (RUBP (6x C5)) 12x 3-Phosphoglycerat. 12 ATP 12 NADPH + H+ 10 G3P (10x (₂) 6 ATP-Verbrauch licht → C₁ H ₁₂06 + 6H₂0 + 60₂ → C₁ H ₁₂ 06 = BRUTTO FOTOSYNTHESE - RATE =NETTOFOTOSYNTHESERATE. →60₂ + 12 NADPH + H+ + 18 ATP. +18 ADP +18 Pi + 12 NADP+ + 6H₂0 produkt 12x 3-Phosphoglycerat (PGS) (12 x C3) ·12. Glycerinaldehyd-3-phosphat (G₂P) (12 x C3) 12. ADP. 12 Phosphat 12 Napp + 1 Glucose (1x.C6) 2 Phosphat 6. RUB P. (.6x (5) 6. ADP. 4 Phosphat Abhängigkeit der Fotosyntheserate von Außenfaktoren: lichtintensität: · geringe lichtintensität: Abgabe von CO₂ (=durch Zellatmung) ist höher als (0₂-Aufnahme (durch Fotosynthese) ・ucutkompensationspunkt: Punkt, bei dem die (0₂: Abgabe durch Zellatmung genau so groß ist wie die Fotosyntueserate lichtkompensations- punkt Fotosyntueserate T 10 CO₂-Aumanme durch die Fotosynthese · ab dem licht kompensation spunkt: Netto fotosyntheserate steigt mit steigender lichtintensität an ·lichtsättigung: Maximalwert der Fotosyntheserate in Abhängigkeit vom licht Temperatur: ・Anpassung der Pflanze je nach Standort / Klimazone •RGT-Regel, Denatuiering beteiligter Entume. 19 20 O lichtsättigungspunkt 30 -optimum licutstärke 40 50 Temperatur CO₂-Aufnahme 0 licutsättigung vicut kompensationspunkt CO₂-Abgabe Zellatmung Brutto Fotosuntuese Netto / Fotosynthese licutintensität CO₂-Konzentration • CO₂- Gehalt in der luft: 0,004 Vol·%. → Optimum von CD₂-Gehalt far Fotosuntuese: 011 Vol 7. • CO₂ - Kompensationspunkt: Punkt, bei dem genauso viel 0₂ durch Fotosynthese freigesetzt wird, wie durch die Zellatmung verbraucht wird · CO ₂ - Sättigungspunkt: Punkt, bei dem trotz steigendem (0₂- Gehalt die Fotosyntheserate nicht mehr steigt 0₂-produktion CO₂-sältigungspunkt `CO₂-kompensationspunkt 0₂-Verbrauch CO₂ Konzentration