Fotosynthese

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Stoma Thylakoid DNA Ribosome Lipidtropfen und Stärkekorn Funktion - Äußere Membran, Intermembran, innere Membran (Abgrenzung zum Cytoplasma) - Grundsubstanz in Chloroplasten - Auf- und Abbau von Substanzen Transport von Molekülen in der Zelle Ort der lichtunabhängigen Reaktion - - Ort der Lichtreaktion Stapelung von Thylakoide Granum Granum steht über Fortsätze in Verbindung - Enthält Erbinformation für Eiweißstoffe - Notwendig für Bildung von Proteinen - Stoffwechselprozesse führen zu Fett- und Stärkebildung (Ablagerung) Seite 3 von 10 LERNZETTEL FOTOSYTHESE PIGMENTE UND LICHTABSORBATION Lichtabsorption (%) - 100 80 60 40 20 0 400 Lichtabsorption: 500 600 Chlorophyll a Chlorophyll b Carotinoide EMERSON-EFFEKT 700 Wellenlänge des Lichts in nm Fotosyntheserate bei blauem und rotem Licht am höchsten In Tyhlakoiden der Chloroplasten sind verschiedene Blattfarbstoffe (absorbieren in verschiedenen Maße Licht (Absorptionsspektrum)) Pigmente: 1. Chlorophyll a: Zentrales Fotosynthese-Pigment, absorbiert im blauen und rotem Bereich und reflektiert grün - Sämtliche Pigmente zeigen geringe Absorption im grünen Bereich (Grünlücke) - Nur absorbiertes Licht ist fotosynthetisch wirksam 2. Chlorophyll b & Carotinoide: Verringert Grünlücke, absorbiert Lichtenergie welches vom Chlorophyll a kaum genutzt werden kann. Untersuchung der lichtabhängigen Reaktion bei verschiedenen Wellenlängen entdecktes Phänomenen Belichtet man einzellige Algen mit Rotlicht bei 680nm, so erhält man nur geringe 02 Produktion, ähnlicher Effekt bei 700nm Gleichzeitige Beleuchtung mit beiden Wellenlänge deutlich höhere 02 Produktion als in Summe der Einzelbelichtungen Entdeckung, dass es mehrere Fotosysteme geben muss Seite 4 von 10 LERNZETTEL FOTOSYTHESE AUBENFAKTOREN DER FOTOSYTHESE Licht: - Steigt die Lichtintensität, steigt auch die Fotosyntheserate (PS-Rate) Zu hohe Lichtintensität führt zum Rückgang der Fotosyntheserate (Lichtsättigung: ab einer bestimmten Lichtintensität führt eine weitere Zunahme nicht mehr zur Steigerung der Fotosyntheserate) Temperatur: - RGT-Regel Bis 35 Grad Reaktion, danach Denaturierung - Optimumskurve (Abhängig von Standort der Pflanze) CO2-Konzentration: Je mehr CO2, desto höher ist die Fotosyntheserate Kohlenstoffdioxid-Kompensationspunkt: 0,005% (Fotosynthese = Zellatmung) Sättigung ab 0,05% Schädigung > 0,5% SEP RUBISCO CO₂-Aufnahme [umol-ms] LICHTSAMMELFALLE 3 2 1 0 Oy Abgabe 200 O₂-Abgabe (relative Einheiten) 400 600 0.0 Bei Starklicht Bei Schachlicht Sonnenpflanze Schattenpflanze CO₂-Gehalt der Luft Beleuchtungs- 800 stärke 0 10 20 30 40 50 60 70 Je höher die Temperatur, desto höher die Fotosyntheserate. Enzyme arbeiten bei höheren Temperaturen schneller. Ab etwa 40° C beginnen Enzyme zu denaturieren. Die FS- Rate sinkt rapide. [umol Quanten ms"] 0,1 CO₂-Gehalt (%) Temperatur in 'C Enzym Rubisco katalysiert als Carboxylase die Fixierung von CO2 an Ribulosebisphosphat sowie die folgende Spaltung mit H2O Katalsiert weiterhin als Oxygenase die Reaktion zwischen RubP und 02 0,2 Befindet sich bei eukaroytischen Pflanzen in der Thylakoidenmembran der Chloroplasten Dient der Absorption von Licht mit verschiedenen Wellenlängen, der Veränderung des Energiepotentials der Elektronen und der Weiterleitung der Energie zum Reaktionszentrum der Fotosyntheme Seite 5 von 10 LERNZETTEL FOTOSYTHESE LICHTABHÄNGIGE REAKTION (PRIMÄRREAKTION) Grundlagen: - Primärreaktion → Bildung von Sauerstoff, NADP+H+ und ATP In der Lichtreaktion werden mithilfe der Energie aus dem Sonnenlicht das Redoxäquivalent NADPH+H+ und der universelle Energieträger ATP erzeugt Thylakoidmembran Thylakoid- innenraum Stroma Lichtenergie -Fotosystem II P680 H₂O Fotolyse des Wassers 0₂+2 H nichtzyklischer Elektronentransport 2 H* 2 H Lichtenergie NADP-Reduktase Protonentransport -Fotosystem I P700 ADP ATP | 2 NADPH + H NADP* + 2 H* ATP-Synthase Ablauf: 1. Durch Lichtabsorption wird das Fotosystem I (P700) auf ein höheres Energieniveau gehoben und gibt daher 2 Elektronen an den primären Elektronenakzeptor Ferredoxin ab. 2. Ferredoxin gibt diese Elektronen an die NADP+-Reduktase ab, diese nimmt die Elektronen sowie 2 Protonen auf und wandelt NADP+ zu NADPH+H+ um (einer der beiden Ausgangsstoffe für die Dunkelreaktion). 3. Beim Heben auf ein höheres Energieniveau ist in Fotosystem I eine Elektronenlücke entstanden, welche durch Elektronen des Fotosystems II (P 680) geschlossen werden kann. 4. Durch Lichtabsorption wird das Fotosystem II (P680) auf ein höheres Energieniveau gehoben und gibt daher 2 Elektronen an den primären Elektronenakzeptor Plastochinon ab. 5. Die Elektronen durchlaufen eine Elektronentransportkette von Plastochinon zum Cytochromkomplex von dort zu Plastocyanin bis hin zu dem Fotosystem I (Elektronenlücke geschlossen). 6. Nun ist in Fotosystem II auch eine Elektronenlücke entstanden, welche durch Fotolyse des Wassers geschlossen werden kann (Aufnahme von Elektronen, Protonen und Sauerstoff werden frei). 7. Für die Dunkelreaktion wird noch ATP benötigt: durch die Elektronentransportkette wird Energie frei und diese wird genutzt, um Protonen aus dem Stroma in den Thylakoidinnenraum zu befördern, daher entsteht ein Protonengradient. 8. Deswegen fließen die Protonen durch die ATP-Synthase zurück ins Stroma, dies nutzt die ATP-Synthase und synthetisiert ADP+P zu ATP. SEP Seite 6 von 10 LERNZETTEL FOTOSYTHESE LICHTUNABHÄNGIGE REAKTION (DUNKELREAKTION) Grundlagen: - Voraussetzung: In der Lichtabhängigen Reaktion entstandenes ATP und NADPH+H+ Findet in der Stoma statt - Ablauf: Regeneration Ribolose-1.5-biphosphat 6 ADP 6 ATP s Glyceraldehyd-3-phosphat Calvin-Zyklus CO2-Fixierung CO2 Rubisco Glycerinaldehyd-3-phosphat Glucose 3-Phosphatglycerat Glucosebildung Reduktion 12 ATP 12 ADP +P NADH+H+ NADP+ >>>> Glycerinaldehyd-3-phosphat 1. Fixierung von CO2 - Der C1-Körper CO2 wird mithilfe des Enzyms Rubisco an den C5-Körper Ribulose-1,5-biphosphat gebunden. Es entsteht ein C6 Körper → zerfällt durch Instabilität in 12 C3-Körper (3Phosphoglycerinsäure (PGA)). 2. Reduktion des C3-Körpers 3-Phosphoglycerin (PGA) wird unter Energieverbrauch zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat reduziert (12 ATP 12 ADP und 12 NADH+H+→ 12 NADP+). 3. Glucosebildung 2 von den 12 C3 Körpern (Glycerinaldehyd-3-Phosphat) werden benötigt, um den C6 Körper Glucose herzustellen. Dafür wird er Phosphat abgespalten und Glucose verlässt den Zyklus. 4. Regeneration des CO2-Akzeptors- Die übrigen 10 C3-Körper (Glycerinaldehyd-3-Phosphat (PGA)) werden für die Regeneration des CO2-Akzeptors genutzt. Unter Energieverbrauch werden 10 C3 Moleküle zu dem C5 Körper Ribulose-1,5bisphosphat umgewandelt (6 ATP 6 ADP). Seite 7 von 10 LERNZETTEL FOTOSYTHESE FOTORESPIRATION (LICHTATMUNG) Schließung der Spaltöffnung um Wasserverlust durch Transpiration zu verhindern - CO2-Aufnahme eingeschränkt, Fotosyntheserate begrenzt Enzym Rubisco bindet 02 statt CO2 Entstehendes Produkt zerfällt, gebildete Moleküle im Verlauf abgebaut Durch Lichtatmung werden weder Nährstoffe noch ATP gebildet - Fotosyntheserate zusätzlich gemindert - C3/C4/CAM PFLANZEN C3- und C4 Pflanzen: Klima CO2-Nutzung Stomata Weiteres C3-Pflanze Normale klimatische Bedingungen CO2 wird in Calvin-Zyklus bei der RubisCO-Reaktion an Ribulose-1,5- biphosphat fixiert (zerfällt in PGA) Bei heißem Wetter schließt sich die Stomata und die Fotosyntheseleistung sinkt X C4-Pflanze - Wärmere Region mit höherer Lichteinstrahlung (tropisches und subtropisches Klima) Nutzt selbst geringe CO2 Mengen 1. Zwischenprodukt: Oxalacetat (vier C-Atome, in Mesophylzellen) - Mit Hilfer der PEP- Carboxylase besonders effektive Bindung des CO2 SEP - Betreibt auch bei geschlossenen Stomata weiterhin Fotosynthese Umgang mit Wasser sparsam, ohne dabei Leistungsfähigkeit bei der Photosynthese einzubüßen Räumliche Trennung Seite 8 von 10 LERNZETTEL FOTOSYTHESE CAM-Pflanzen: CO2-Nutzung Klima Stomata Kurze Übersicht: Art C3 C4 Weiters Extrem trockene Region mit hoher Lichteinstrahlung (tropisches und subtropisches Klima) CAM-Pflanze Tag: Malet-Speicher wird als CO2 Spender genutzt Nacht: Es erfolgt die CO2-Aufnahme, wenn durch die relativ hohe Luftfeuchtigkeit die Gefahr der erhöhten Wasserdampfabgabe (Transpiration) sehr gering ist Tag: Geschlossene Stomata Nacht: Stomata weit geöffnet Zeitliche Trennung Trennung von einleitender CO2- Fixierung und Calvin-Zyklus Keine Trennung Zwischen Mesophyll- und Bündelscheidenzellen (räumlich) CAM Zwischen Nacht und Tag (zeitlich) Stomata Am besten angepasst an offen Tag Kühle, feuchte Umgebungen Tag Nacht Heiße, sonnige Umgebungen Sehr heiße, trockene Umgebungen Seite 9 von 10 LERNZETTEL FOTOSYTHESE REELLE-APPARENTE FOTOSYNTHESE Reelle Fotosyntese (Bruttofotosynthese): Gesamtheit des gebildeten Zuckers Apparente Fotosynthese (Nettofotosynthese): Gesamtheit des gebildeten Zuckers abzüglich des Energierverbrauchs durch Atmung BRUTTO-NETTOPRIMÄRREAKTION Bruttoprimärprodutkion: Gesamtmenge der von den Pflanzen fixierte Energie Nettoprimärproduktion: verbleibende Energie nach Abzug der Zellatmung KOMPENSATIONSPUNKT Meistens CO2 Kompensationspunkt, der Moment, wenn sich der CO2 Verbrauch der Photosynthese und die CO2 Produktion gerade die Waage halten Seite 10 von 10