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Fotosynthese

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 CHLOROPLAST
Bau der Chloroplasten
• innere / äußere Membran
• Thylauoide:
-Einstülpungen der inneren Membran
ins Stroma/Chloroplasteninnere

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Datei enthält: - Chloroplast: Aufbau, Funktion, Entstehung, Bauprinzipien - Lichtabhängige Reaktion mit ATP-Bildung - Lichtunabhängige Reaktion/Calvin-Zyklus - Außenfaktoren (mit jeweiligen Diagrammen) - Zusammenhang der Licht- und Dunkelreakti

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CHLOROPLAST Bau der Chloroplasten • innere / äußere Membran • Thylauoide: -Einstülpungen der inneren Membran ins Stroma/Chloroplasteninnere • Stroma: Photosynthese Granathylakoide: geldrollenartig gestapelte Thylakoide, enthalten Blatt farbstoffe, absorbieren Licht bestimmter Wellenlängen, Ablauf der Lichtreaktion Stromathylakoide: verbinden Granathylahoide Entstehung • Entwicklung aus Plastiden • durch Teilung Bauprinzipien der Chloroplasten Thylakoidmembran- ringförmige DNA- äußere Chloroplasten- membran Stroma (=Matrix) Ribosomen →> zusammenhängendes Membransystem, gliedert innenraum in zwei getrennte Reaktionsräume Stoffe werden produziert Stärkekorn -> rauml. vom Stroma getrennt . - fast farb- und Strukturlose Grundsubstanz, chlorophyllfrei, Ablauf der Dunkelreaktion, enthält Enzyme (2.B. Zum Glucoseaufbau), Stärkekōrer, DNA (zur Steuerung der Synthese von Enzym- und Strukturproteinen), Ribasomen, Lipid tropfen ooo Funktion • Ort der Photosynthese → Thylahoide: Lichtabhängige Reaktion -> Stroma: Lichtunabhängige Reaktion Granathylakoide • Thylakoid · Oberflächen vergrößerung: gefaltete Thylakoidmembran, dadurch größere Oberfläche → mehr Platz für fotosynthesisch aktive Farbstoffe + Enzyme -> mehr • Aufbau von org. Stoffen aus anorg. Stoffen, Lagerung im Stroma = Assimilationsstärke • Produktion von 0₂ (Sauerstoff) Kompartimentierung: Thylahoidmembran l-innenraum: Licht wird absorbiert + fotosynthesische Primärprozesse finden statt, Lichtreaktion der Fotosynthese Stroma: enzymatische Sekundärprozesse finden statt, Dunkelreaktion der Fotosynthese • funktionelle Kopplung der beiden Teilprozesse über die Membranen CHLOROPHYLL • Chlorophyll a (blaugrun) • Chlorophyll b (gelbgrün) • Carotinoide (Xanthophylle, Carotinoide) LICHTABHÄNGIGE REAKTION -> findet an Thylahoid membran statt Energie nichtzyklischer Elektronentransport zyklischer Elektronentransport Fotolyse H₂O 1/2 0₂- 2 e Fotosystem II P680 (angeregt) P680 11) Übergang Bur Dunkelreaktion primärer Elektronen- akzeptor 10) Reduktion des NADP+ ->NADPH +H* Licht ADP +P; = 2 e 2 H+ Redoxsysteme ATP Fotophosphory- lierung P₁ = Phosphat Fotosystem I P700 (angeregt) P700 primärer Elektronen- 2 e akzeptor Licht 10 ADPH + H+ NADP+ 8 1) Lichtenergie wird von Chlorophyll-a- Molekülpaar im Fotosystem II absorbiert → Reaktionszentrum...

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wird angeregt 2) e² werden auf primären Elektronenakzeptor übertragen → Reduktion, wird aber sofort wieder oxidiert -> e²-Donator 3) e wandern durch Kette von Redoxsystemen (=Elektronentransport kette) →> im Energiegefälle (bergab") Energie wird frei bei Reaktionen → für Aufbau von ATP (Folophosphorylierung) in fotosystem I (P680) entsteht Elektronenluche → saugt e an → Luche durch 2eº aus wasser gefüllt 4) H₂0 wird in Ht, 2e- und ¹/2 0₂ gespallen Fotolyse des Wassers 5) Fotosystem I (P700) absorbiert auch Lichtenergie -> wird angeregt -> neve Elektron en lücke, nimmt 2e aus Redoxsystem auf 6+7) 2e von angereglem Reaktionszentrum Proo an Ferredoxin 8+9) 2e und 2H* laus H₂0 - Spaltung) werden auf NADP+ übertragen Calvin- Zyklus 11 lichtunabhängige Reaktion (Stroma) ATP-Bildung • H* wird in Thylakoidinnenraum transportiert -> H* -Konzentration im Innenraum > im Stroma pH-Wert im Innenraum < im Stroma L> Konzentrationsgefalle (chem. Potential) Spannungsunterschied (elekrisches Potential) an Thylakoid membran: Stroma - und Innenraum + ● · Ausgleich über ATP-Synthase (Enzymkomplex) →> H*-lonen strom vom Innenraum ins Stroma im Konzentrationsgetalle →ATP aus ADP + Phosphat aufgebaut → Speicherung der Energie in ATP (Fotophosphorylierung) LICHTUNABHÄNGIGE REAKTION/CALVIN - ZYKLUS →findet im Stroma statt Fixierung را 6 ATP Ribulose- 1,5-bis- phosphat 6 C5 6 ADP + 6 P; B 6 C₁ Kohlenstoffdioxid Akzeptors Regeneration Rückbildung des 3. Regenerationsphase: 6 C6 GLEICHUNGEN 64₂0 10 Molekülen PGA gebildet 12 (3-Phosphoglycerinsäure - PGS) 3-Phospho- glycerat 12 C3 Reduktion C3 10 C₂ Glycerin- C6 C6 aldehyd- 3-phosphat Glucose ● 6 Ribulose-1,5-bisphosphat wird unter ATP -Verbrauch aus H+ 12 NADPH/HT 12 ATP 12 NADP+ 12 ADP+12 P; 12 H₂O (3-Phosphoglycerinaldehyd - PGA) Fotosynthese: 6CO₂ + 12 H₂O → C6H₁₂O6 + 60₂ + 6H₂0 H+ Thylakoid- innenraum Phasen A.Fixierungsphase: ATP- Synthase Ht gebunden (C5) 2. Reduktionsphase: Ht • 6 CO₂ (C₁) wird an 6 Ribolose-1,5-bisphosphat ADP + → 6 Co-Worper entstehen (instabil) auf die 12 C3-Körper • 12 PGA entstehen Lichtreaktion: 12H₂0 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi60₂ + 12 NADPH + H* + 18 ATP H+ ATP Stroma • 6 C6- Körper zerfallen in 12 PGS (12 C3-Korper) Dunkelreaktion: 6CO₂ + 12 NADPH + H* +18 ATP → CG HAz O6 + 12 NADP+ + 6H₂0 + 18 ADP + 19 P; • ATP wird gespalten + überträgt auf alle 12 C3-Körper einen Phosphatrest -> wird zu ADP -> Reduktion unter Energieverbrauch • NADPH + H* überträgt jeweils ein Wasserstoffion • aus 2 Molekülen PGA entsleht Hexase (C6) -> daraus entsteht Glucose unter Phosphatabspaltung • 10 Moleküle PGA (C3) AUSSENFAKTOREN • Ermittlung der Photosynthese leistung (fotosynthese rate): Glucose konzentration messen, gebundene Menge CO₂ messen, 0₂ -Volumen messen · Unterscheidung in Netto fotosynthese leistung (scheinbare) und Bruttofotosyntheseleistung (reelle) Abhängigkeit von CO2 - Konzentration Fotosynthese (O₂-Abgabe) Atmung (O₂-Aufnahme) 0,01 CO₂-Gehalt der Atmosphäre CO₂-Kompensationspunkt Starklicht: 0,03 0,05 Schwachlicht: 0,07 Abhängigkeit von der Temperatur →T hängt auch von Lichtstärke ab 0,09 % CO₂ (Volumenanteil) › Temperatur = begrenzender Faktor der FST gerader Verlauf; Abnahme oberhalb von 35°C Licht begrenzender Faktor der FST Temperatur- und Lichtabhẩngigkeit: • CO₂-Gehalt nimmt zu →> Kurve steigt fast linear an • 0₂ -Abgabe erst ab CO₂-Gehalt von 0,005% gemessen →> vorher/ unterhalb wird Abhängigkeit von Lichtqualität mehr 0₂ verbraucht als produziert • Kurve steigt bis Maximum (ca. 35°c) an • bis 30°C: Kurvenverlauf nach RGT-Regel (= Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit bei T- Erhöhung von ca. 10°C) • oberhalb von 40°C: Denaturierung der Enzymproteine -> Kurve fällt rapide ab; Nullpunut bei ca. 43°C • CO₂- Kompensationspunkt erreicht: 02-Verbrauch durch Atmung • 0₂ - Produktion durch FST CO₂ - Produktion durch Atmung = CO₂ - Verbrauch durch FST • Abflachen der Kurve ab best. Punkt FST-Leistung • unterschiedliche Kurvenverläufe lassen auf 2 Reaktionssysteme schließen → Lichtreaktion: lichtabhängig + kaum T-abhängig →> Dunkelreaktion: temperaturabhängig, weil enzymatische Prozesse stattfinden 40 Starklicht Schwachlicht 20 30 40 Temperater • Lichtqualität : unterschiedliche Wellenlängen des Lichts • für FST: Licht im Wellenlängenbereich von 400-700 nm → Maxima bei 430-470 nm (blauer Bereich) und bei 650-680 nm (roter Bereich) L> stimmt ungefährt mit Maxima des Absorptionsspektrums von Chlorophyll überein • 500-600 nm: Minimum des Absorptions spektrums von Chlorophyll Carotinoide im Bereich gelb + grün Licht sammel falle Abhängigkeit von Lichtintensität Sonnenpflanzen: • bei schwacher Belichtung überwiegt Atmung, kaum FST (CO₂-Abgabe bei Atmung > CO₂-Aufnahme durch FST) • Lichtintensität nimmt zu → erreicht Licht-kompensationspunkt -> CO₂-Abgabe durch Atmung - CO₂-Aufnahme bei FST → Licht-kompensationspunkt bei höherer Belichtungsstarke erreicht, weil Blatt dicher + mehr Zellschichten L> alle Zellen erst bei höherer Belichtungsstärke versorgt • bis Sättigungswert (FST- Maximum) steigt FST-Rate -> Wert höher wie bei Schattenpflanzen, da mehr Chloroplasten nutzen v.a. hohe Lichtintensitäten Schattenpflanzen: • FST setzt bei Schwachlicht ein Fotosynthese OBERBLICK ZU LICHT-/DUNKELREAKTION O Atmung Ks Kso • ATP bei Lichtreaktion gebildet (Fotophosphorylierung) • NADPH + H+ bei Lichtreaktion gebildet • Sauerstoff entsteht bei wasser spaltung (Fotolyse) • kein Licht: Fotosysteme nicht angeregt, kein eª-Transport -> kein NADPH + H+ und ATP • CO₂ in Fixierungsphase der Dunkelreaktion gebunden Entstehung von Glucose bei Reduktionsphase der Dunkelreaktion -> aus 2 PGA • Licht - Kompensationspunkt im Bereich geringer Belichtungsstärke, weil Blatt dunner + weniger Zellschichten →> geringe Belichtungs- starke reicht für Versorgung aller Zellen • FST-Maximum schneller er cht + Sättigungswert niedriger, weil weniger Chloroplasten nutzen v.a. niedrige Lichtintensitäten Licht zur Bildung notwendig Lichtstärke (Lux) Ks = Kompensationspunkt Schattenpflanze Kso = Kompensationspunkt Sonnenpflanze • Dunkelreaktion auf Produkte der Lichtreaktion angewiesen → sonst kein Reduktion: keine Glucose • Faktoren für Ablaufen der Dunkelreaktion: CO₂-Konzentration, Temperatur

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Potential) Spannungsunterschied (elekrisches Potential) an Thylakoid membran: Stroma - und Innenraum + ● · Ausgleich über ATP-Synthase (Enzymkomplex) →> H*-lonen strom vom Innenraum ins Stroma im Konzentrationsgetalle →ATP aus ADP + Phosphat aufgebaut → Speicherung der Energie in ATP (Fotophosphorylierung) LICHTUNABHÄNGIGE REAKTION/CALVIN - ZYKLUS →findet im Stroma statt Fixierung را 6 ATP Ribulose- 1,5-bis- phosphat 6 C5 6 ADP + 6 P; B 6 C₁ Kohlenstoffdioxid Akzeptors Regeneration Rückbildung des 3. Regenerationsphase: 6 C6 GLEICHUNGEN 64₂0 10 Molekülen PGA gebildet 12 (3-Phosphoglycerinsäure - PGS) 3-Phospho- glycerat 12 C3 Reduktion C3 10 C₂ Glycerin- C6 C6 aldehyd- 3-phosphat Glucose ● 6 Ribulose-1,5-bisphosphat wird unter ATP -Verbrauch aus H+ 12 NADPH/HT 12 ATP 12 NADP+ 12 ADP+12 P; 12 H₂O (3-Phosphoglycerinaldehyd - PGA) Fotosynthese: 6CO₂ + 12 H₂O → C6H₁₂O6 + 60₂ + 6H₂0 H+ Thylakoid- innenraum Phasen A.Fixierungsphase: ATP- Synthase Ht gebunden (C5) 2. Reduktionsphase: Ht • 6 CO₂ (C₁) wird an 6 Ribolose-1,5-bisphosphat ADP + → 6 Co-Worper entstehen (instabil) auf die 12 C3-Körper • 12 PGA entstehen Lichtreaktion: 12H₂0 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi60₂ + 12 NADPH + H* + 18 ATP H+ ATP Stroma • 6 C6- Körper zerfallen in 12 PGS (12 C3-Korper) Dunkelreaktion: 6CO₂ + 12 NADPH + H* +18 ATP → CG HAz O6 + 12 NADP+ + 6H₂0 + 18 ADP + 19 P; • ATP wird gespalten + überträgt auf alle 12 C3-Körper einen Phosphatrest -> wird zu ADP -> Reduktion unter Energieverbrauch • NADPH + H* überträgt jeweils ein Wasserstoffion • aus 2 Molekülen PGA entsleht Hexase (C6) -> daraus entsteht Glucose unter Phosphatabspaltung • 10 Moleküle PGA (C3) AUSSENFAKTOREN • Ermittlung der Photosynthese leistung (fotosynthese rate): Glucose konzentration messen, gebundene Menge CO₂ messen, 0₂ -Volumen messen · Unterscheidung in Netto fotosynthese leistung (scheinbare) und Bruttofotosyntheseleistung (reelle) Abhängigkeit von CO2 - Konzentration Fotosynthese (O₂-Abgabe) Atmung (O₂-Aufnahme) 0,01 CO₂-Gehalt der Atmosphäre CO₂-Kompensationspunkt Starklicht: 0,03 0,05 Schwachlicht: 0,07 Abhängigkeit von der Temperatur →T hängt auch von Lichtstärke ab 0,09 % CO₂ (Volumenanteil) › Temperatur = begrenzender Faktor der FST gerader Verlauf; Abnahme oberhalb von 35°C Licht begrenzender Faktor der FST Temperatur- und Lichtabhẩngigkeit: • CO₂-Gehalt nimmt zu →> Kurve steigt fast linear an • 0₂ -Abgabe erst ab CO₂-Gehalt von 0,005% gemessen →> vorher/ unterhalb wird Abhängigkeit von Lichtqualität mehr 0₂ verbraucht als produziert • Kurve steigt bis Maximum (ca. 35°c) an • bis 30°C: Kurvenverlauf nach RGT-Regel (= Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit bei T- Erhöhung von ca. 10°C) • oberhalb von 40°C: Denaturierung der Enzymproteine -> Kurve fällt rapide ab; Nullpunut bei ca. 43°C • CO₂- Kompensationspunkt erreicht: 02-Verbrauch durch Atmung • 0₂ - Produktion durch FST CO₂ - Produktion durch Atmung = CO₂ - Verbrauch durch FST • Abflachen der Kurve ab best. Punkt FST-Leistung • unterschiedliche Kurvenverläufe lassen auf 2 Reaktionssysteme schließen → Lichtreaktion: lichtabhängig + kaum T-abhängig →> Dunkelreaktion: temperaturabhängig, weil enzymatische Prozesse stattfinden 40 Starklicht Schwachlicht 20 30 40 Temperater • Lichtqualität : unterschiedliche Wellenlängen des Lichts • für FST: Licht im Wellenlängenbereich von 400-700 nm → Maxima bei 430-470 nm (blauer Bereich) und bei 650-680 nm (roter Bereich) L> stimmt ungefährt mit Maxima des Absorptionsspektrums von Chlorophyll überein • 500-600 nm: Minimum des Absorptions spektrums von Chlorophyll Carotinoide im Bereich gelb + grün Licht sammel falle Abhängigkeit von Lichtintensität Sonnenpflanzen: • bei schwacher Belichtung überwiegt Atmung, kaum FST (CO₂-Abgabe bei Atmung > CO₂-Aufnahme durch FST) • Lichtintensität nimmt zu → erreicht Licht-kompensationspunkt -> CO₂-Abgabe durch Atmung - CO₂-Aufnahme bei FST → Licht-kompensationspunkt bei höherer Belichtungsstarke erreicht, weil Blatt dicher + mehr Zellschichten L> alle Zellen erst bei höherer Belichtungsstärke versorgt • bis Sättigungswert (FST- Maximum) steigt FST-Rate -> Wert höher wie bei Schattenpflanzen, da mehr Chloroplasten nutzen v.a. hohe Lichtintensitäten Schattenpflanzen: • FST setzt bei Schwachlicht ein Fotosynthese OBERBLICK ZU LICHT-/DUNKELREAKTION O Atmung Ks Kso • ATP bei Lichtreaktion gebildet (Fotophosphorylierung) • NADPH + H+ bei Lichtreaktion gebildet • Sauerstoff entsteht bei wasser spaltung (Fotolyse) • kein Licht: Fotosysteme nicht angeregt, kein eª-Transport -> kein NADPH + H+ und ATP • CO₂ in Fixierungsphase der Dunkelreaktion gebunden Entstehung von Glucose bei Reduktionsphase der Dunkelreaktion -> aus 2 PGA • Licht - Kompensationspunkt im Bereich geringer Belichtungsstärke, weil Blatt dunner + weniger Zellschichten →> geringe Belichtungs- starke reicht für Versorgung aller Zellen • FST-Maximum schneller er cht + Sättigungswert niedriger, weil weniger Chloroplasten nutzen v.a. niedrige Lichtintensitäten Licht zur Bildung notwendig Lichtstärke (Lux) Ks = Kompensationspunkt Schattenpflanze Kso = Kompensationspunkt Sonnenpflanze • Dunkelreaktion auf Produkte der Lichtreaktion angewiesen → sonst kein Reduktion: keine Glucose • Faktoren für Ablaufen der Dunkelreaktion: CO₂-Konzentration, Temperatur