Fotosynthese

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Nele

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Biologie

 

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Fotosynthese

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Chlorophyll (grüner Farbstoff der Pflanzen) spielt eine zentrale Rolle bei der Fotosynthese
O kann Licht absorbieren, wodurch

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Dies sind meine Lernzettel zum Thema Fotosynthese in meinem Biologie Leistungskurs

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Bedeutung: I Chlorophyll (grüner Farbstoff der Pflanzen) spielt eine zentrale Rolle bei der Fotosynthese O kann Licht absorbieren, wodurch die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie ermöglicht wird Kohlenstoffdioxid und Wasser wird verbraucht, Sauerstoff und Zucker wird produziert O Fotosynthesefähige Lebewesen stellen aus energiearmen anorganischen Stoffen (CO₂) energiereiche organische Stoffe (Glucose, Stärke) her Fotosynthesebegriffe O Autotroph: stellen ihre eigene Nahrung her, unabhängig von anderen Lebewesen (Produzenten) Heterotroph: Lebewesen, die energiereiche organische Stoffe durch Nahrung aufnehmen müssen (Konsumenten) Ernährung von pflanzl. Biomasse oder anderen heterotrophen Organismen Bauen energiereiche Stoffe durch Zellatmung ab Speicherung von Energie in Form von ATP ! Fotosynthese sorgt für Energieversorgung fast aller Lebewesen + liefert den Sauerstoff der Erde ! ■ ■ ■ O Blatt: Struktur und Funktion ■ ■ O Fototroph: Licht O O Lithotroph: O Organotroph: Chemotroph: chemische Energie z. B. Wasser organisch FOTOSYNTHESE Cuticula Epidermis Palisadengewebe Schwammgewebe Leitbündel Spaltöffnungen Energieformen Reduktionsmittel für den Anabolismus wachsartige Schicht; schützt vor Wasserverlust Chloroplastenfrei (keine Fotosynthese); Lichtdurchlässig Hauptort der FS (viel Licht); sehr reich an Chloroplasten weniger Chloroplasten (trotzdem FS); viele Interzellularräume (dient vor allem dem Gasaustausch) transportieren Wasser und Mineralstoffe; leiten Fotosynthesepro- dukte aus dem Blatt an der Blattunterseite (Epidermis); regulieren Gasaustausch und Transpiration 1 -2 3 4 5 -6 7 9 Cuticula Obere Epidermis Chloroplast Palisadengewebe Interzellularraum Schwammgewebe Interzellularraum Untere Epidermis Schließzellen Sonnen und Schattenblatt Sonnenblatt: CO₂-Aufnahme [μmol-m-².s¹] Schattenblatt: 5+ 4+ 3+ 2 1+ 0 -1 + Blattoberfläche Blattdicke 200 Fotosynthese-Enzyme Blattoberfläche Blattdicke Fotosynthese-Enzyme 400 Chloroplasten 1000 600 Sonnenpflanze Granum (vergrößert) Das oberste der 5 Thylakoiden ist offen dargestellt Schattenpflanze Beleuchtungs- 800 stärke [umol Quanten-m²-s¹] Lipidtropfen 28,8cm² 0,185mm viele 48,9cm² 0,093mm wenig ! Lichtkompensationspunkt: die benötigte Beleuchtungsstärke, bei der die Nettofotosyntheserate gleich 0 ist ! -Schattenplatt wechselt bereits bei geringer Lichtintensität zur FS - zunächst höhere CO₂ Aufnahme als Sonnenblatt -> bei weniger Licht - Schattenblatt erreicht seine maximale CO₂ Aufnahme eher - maximale CO₂ Aufnahme...

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jedoch geringer als beim Sonnenblatt -> Schattenblatt besser an lichtärmere Umgebung angepasst Matrix (Innenraum, Stroma) DNA Ribosomen Granum -Thylakoid -Stärkekorn mehr Aufnahmefläche für Licht weniger starke Lichtstrahlen benötigt Chloroplastenhülle: innere Membran äußere membran - besitzen Doppelmembran - Grundsubstanz = Stroma - Einzelne Thylakoide = Stromathyla- koide - gestapelte Thylakoide Grana ! Der Chloroplast ist der Ort der Fotosynthese ! -> in den Membranen der Thylakoide befinden sich Pigmente z.B. Chlorophyll Thylakoide Fotosysteme ■ Besteht aus 6nm dicker Lipid-Doppelschicht, worin Proteinmoleküle gelagert sind Unterschied zur Biomembran: hoher Proteinanteil durch zahlreiche Enzymkomplexe der Fo- tosynthese (enthalten Blattpigmente) An spezielle Proteinkomplexe (Fotosysteme) gebunden, welche für die Aufnahme von Lich- tenergie verantwortlich sind ■ ■ Viele hundert Pigmentmoleküle (Carotinoide und Chlorophyll) Sie umgeben als Lichtsammelkomplex ein Reaktionszentrum aus wenigen Chlorophyllmole- külen Blattfarbstoffe An Reaktionszentrum gebundenes Wasser spaltendes Enzymkomplex Äußere Pigmentdecke: wirken als Antennenpigmente -> absorbieren Lichtenergie, leiten sie wie in einer ,,Lichtfalle" gezielt den Chlorophyllmolekülen im Reaktionszentrum zu, regen diese an, versetzen sie also in einen energiereicheren Zustand Besonders stark sich die Bereiche des sichtbaren Lichts (400-700nm) -> wird genutzt für FS 1882 Engelmann: verschiedene Wellenlängen tragen nicht gleichmäßig zur FS-Leistung bei Blattfarbstoffe der Pflanzen absorbieren Sonnenlicht, werden dadurch angeregt und geben die dadurch aufgenommene Energie beim Rückgang zum Grundzustand wieder ab (Wärme, Fluoreszenzlicht oder durch Übertragung eines Elektrons auf ein Redoxsystems O Letzteres: Pigmente können photochemische Arbeit verrichten Wichtigstes Pigment: Chlorophyll a -> größter Beitrag zum Wirkungsspektrum; absorbiert wie Chlorophyll b vor allem blaues und rotes Licht O Chlorophyll besteht zum Teil aus Magnesium, ohne Magnesium kann weniger grüner Farbstoff gebildet werden -> das Blatt verfärbt sich gelb Orangerotes Carotinoide: absorbieren blaugrünes Licht Chlorophyll b und Carotinoide sind Hilfspigmente, die ihre Anregungsenergie auf Chlorophyll a übertragen, welches die eigentliche photochemische Arbeit verrichtet -> Wirkungsspektrum der Fotosynthese wird erweitert Absorptionsspektren (%) 100 80 60 40 8 0 400 500 Wirkungs- spektrum der Photosynthese Chlorophyll b Carotinoide Chlorophyll a 600 Wellenlänge (nm) 700 100 80 60 8 8 0 Photosyntheserate (in % der Rate bei 670 nm) Wichtig: Je kleiner die Wellenlänge des Lichts, desto größer ist die Energie (kurzwelliges blaues Licht ist energierei- cher als langweiliges, rotes Licht) Fotosynthesepigmente absorbieren Licht & machen die Energie brauchbar (Absorption = Aufnahme) Grünes Licht wird kaum absorbiert, son- dern reflektiert (grüne Blattfarbe) Zwischen 400-700nm am effizientesten Primärreaktion Energie der Elektronen (Redoxpotential) Н.О 1/2 0, 2 H 00 Chlorophyll a IIOO Chlorophyll a ll ■ Elektronen akzeptor Elektronentransportkette ATP Energetisches Modell Chlorophyll a l Chlorophyll a Elektronen akzeptor NADP+ Reduktase NADP+ +2 H+ Schritt 3: Regeneration: NADPH + H+ Licht FS II P680 2 e 2 H+ H₂O 1/2 0₂ 3-Phosphoglyerinsäure zu einem Aldehyd reduziert (je ein Molekül ATP und NADPH+H* notwendig)-> Benötigung der Produkte der Primärreaktion, um C3 Zucker 3-Phosphoglycerinadehyd (3-PGA) zu bilden; 2 Moleküle 3-PGA verbinden sich zu Fructose-1,6- bisphosphat, woraus unter Phosphatabspaltung und Isomerisierung Glucose entsteht oooooooood Cyt-bf- QHVI Komplex 2 e 500003 zyklisch ADP +P 2 H+ 2H+ 3 ADP+ 3 ATP ATP Synthase 2H+ H+ ATP chemiosmotisches Modell ABLAUF 1. Chlorophyll im Fotosystem II wird durch Lichtenergie angeregt und überträgt 2 e auf eine Elektronentransportkette 2. Elektronenlücke im Fotosystem II wird durch Fotolyse des Wassers geschlossen (Spaltung des Wassers in 2 H, ½ O₂ und 2 e) 3. Elektronen durchlaufen die Elektronentransportkette, geben Energie ab EN GẶP 3. Regeneration des CO-Akzeptors (RuBP) -> H* in Innenraum der Thylakoide gepumpt, Protonengradient entsteht (wird später zum Synthetisieren von ATP genutzt) 4. Chlorophyll in Fotosystem I ebenfalls durch Licht angeregt, überträgt 2e auf weitere Elektro- nentransportkette 5. Elektronenlücke im Fotosystem I wird durch Elektronen der ersten Elektronentransportkette geschlossen 6. Elektronen von Fotosystem I werden auf NADP + 2H* übertragen -> NADPH+H* entsteht ! Endprodukte ATP und NADH+H* werden für die Bildung von Glucose (Dunkelreaktion/ Sekundärre- aktion) benötigt ! Sekundärreaktion -> Von Melvin Calvin Mitte des 20. JH durch radioaktiv markierten ¹4℃ erforscht 14 NADP+ PCox PCred Schritt 1: CO₂ Fixierung im Stroma der Chloroplasten: CO₂ wird durch einen Akzeptor (Rubisco) an den C5 Zucker Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden; Entstehung eines instabilen Zwischenprodukts, das un- ter Anlagerung von Wasser in zwei Moleküle 3- Phosphoglycerin (3-PGS) zerfällt Schritt 2: Reduktion 3x CO₂ Protonen- gradient Innenraum amm Thylakoid- membran Stroma 3x Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) G3P (eln Zucket] NADPH + H+ Fd RubisCa FSI (P700) Calvin- Zyklus Glucose (Ertrag) Licht 1. Fixierung des Kohlenstoffs 6x 3-Phosphoglycerat 6x Glycerinaldehyd-3-Phosphat (G3P) 6 ATP 6x 1,3-Bisphosphoglycerat 6 ADP 6 NADPH+H* +6 P. nur 2 von 12 Moleküle 3-PGA für Glucose Bildung; aus den 10 Molekülen 3-PGA entstehen 6 Moleküle Ribulose-1,5-bisphosphat & 6 ATP werden verbraucht 6 NADP 2. Reduktion allgemeine Informationen ■ Gleichung: 6C+40¹²₂ + 12 H†¹₂0´² -----Lichtenergie-----> C²H¹¹₂0˚² + 6 0°₂ + 6 H¹¹₂0²² Lichtreaktion: 18 ATP und 12 NADPH+H* entstehen Dunkelreaktion: 6CO₂ + 18ATP + 12NADPH+H* -> C6H₁2O6 + 18ADP + 18P + 12NADP+ +6H₂O Sauerstoff kommt aus dem Wasser und nicht von dem Kohlenstoff -> CO₂ erst in Dunkelreak- tion benötigt, Sauerstoff schon in Primärreaktion gebildet (Fotolyse) Fotosystem I -> Maximum bei Lichtwellen von 700nm (P700); Fotosystem II bei 680nm (P680) Licht: Außenfaktoren/Abhängigkeiten Temperatur: CO₂-Gehalt: Wasser: Primärreaktion Photosystem Photosystem II Chloroplast H₂O [H] ATP. ADP Sekundärreaktion C6H12O6 C5-Zucker CO₂ weitere Zucker 2 C3-Zucker Fotosyntheserate steigt grundsätzlich bei größerer Lichtintensität, irgendwann ist jedoch maximale Leistung erreicht -> Lichtsättigung für jede Pflanze unterschiedlich (siehe Sonnenblatt und Schattenblatt -> Lichtkompensationspunkt: Lichtintensität, bei der eine Pflanze gerade noch ihren Energiebedarf durch Fotosynthese deckt) wie bei allen chem. Reaktionen, hängt die Fotosynthese von der Temperatur ab: Pflanzen haben ein Temperaturop- timum -> je nach Pflanze unterschiedlich; Aufgrund beteilig- ter Enzyme: RGT-Regel; Denaturierung oberhalb des Opti- mums Maximale Fotosyntheseleistung bei ca. 0,1% CO₂- Konzentration -> Begasung in Treibhäusern, da Konzentrati- on in der Luft bei gerade mal 0,03% liegt; über 0,1% ist für Pflanzen giftig Fotosyntheseleistung Roggen 100% Optimum 4 Fotosyntheseleistung 30% Optimum Mais 20 30 40 Temperatur (°C) Atmosphärenluft ¹0,03% CO₂ 0,05 0,10 CO₂-Konzentration (Vol. %) genügend Wasser im Boden sowie ausreichende Luftfeuchtigkeit ist wichtig; bei zu trockener Luft bleiben die Spaltöffnungen der Blätter zum Schutz vor Austrocknung geschlossen, sodass kein CO₂-Austausch möglich ist Mineralstoffe: sind unter anderem als Cofaktoren in Enzymen lebensnotwendig; Pigmente der Chlo- roplasten enthalten Metallionen; da Pflanzen autotroph leben, müssen Mineralstoffe in ausreichender Menge im Boden vorhanden sein; gilt auch für: Nitrat zum AS- Aufbau und genügend Phosphat

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G

Cool, mit dem Lernzettel konnte ich mich richtig gut auf meine Klassenarbeit vorbereiten. Danke 👍👍

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Chlorophyll Thylakoide Fotosysteme ■ Besteht aus 6nm dicker Lipid-Doppelschicht, worin Proteinmoleküle gelagert sind Unterschied zur Biomembran: hoher Proteinanteil durch zahlreiche Enzymkomplexe der Fo- tosynthese (enthalten Blattpigmente) An spezielle Proteinkomplexe (Fotosysteme) gebunden, welche für die Aufnahme von Lich- tenergie verantwortlich sind ■ ■ Viele hundert Pigmentmoleküle (Carotinoide und Chlorophyll) Sie umgeben als Lichtsammelkomplex ein Reaktionszentrum aus wenigen Chlorophyllmole- külen Blattfarbstoffe An Reaktionszentrum gebundenes Wasser spaltendes Enzymkomplex Äußere Pigmentdecke: wirken als Antennenpigmente -> absorbieren Lichtenergie, leiten sie wie in einer ,,Lichtfalle" gezielt den Chlorophyllmolekülen im Reaktionszentrum zu, regen diese an, versetzen sie also in einen energiereicheren Zustand Besonders stark sich die Bereiche des sichtbaren Lichts (400-700nm) -> wird genutzt für FS 1882 Engelmann: verschiedene Wellenlängen tragen nicht gleichmäßig zur FS-Leistung bei Blattfarbstoffe der Pflanzen absorbieren Sonnenlicht, werden dadurch angeregt und geben die dadurch aufgenommene Energie beim Rückgang zum Grundzustand wieder ab (Wärme, Fluoreszenzlicht oder durch Übertragung eines Elektrons auf ein Redoxsystems O Letzteres: Pigmente können photochemische Arbeit verrichten Wichtigstes Pigment: Chlorophyll a -> größter Beitrag zum Wirkungsspektrum; absorbiert wie Chlorophyll b vor allem blaues und rotes Licht O Chlorophyll besteht zum Teil aus Magnesium, ohne Magnesium kann weniger grüner Farbstoff gebildet werden -> das Blatt verfärbt sich gelb Orangerotes Carotinoide: absorbieren blaugrünes Licht Chlorophyll b und Carotinoide sind Hilfspigmente, die ihre Anregungsenergie auf Chlorophyll a übertragen, welches die eigentliche photochemische Arbeit verrichtet -> Wirkungsspektrum der Fotosynthese wird erweitert Absorptionsspektren (%) 100 80 60 40 8 0 400 500 Wirkungs- spektrum der Photosynthese Chlorophyll b Carotinoide Chlorophyll a 600 Wellenlänge (nm) 700 100 80 60 8 8 0 Photosyntheserate (in % der Rate bei 670 nm) Wichtig: Je kleiner die Wellenlänge des Lichts, desto größer ist die Energie (kurzwelliges blaues Licht ist energierei- cher als langweiliges, rotes Licht) Fotosynthesepigmente absorbieren Licht & machen die Energie brauchbar (Absorption = Aufnahme) Grünes Licht wird kaum absorbiert, son- dern reflektiert (grüne Blattfarbe) Zwischen 400-700nm am effizientesten Primärreaktion Energie der Elektronen (Redoxpotential) Н.О 1/2 0, 2 H 00 Chlorophyll a IIOO Chlorophyll a ll ■ Elektronen akzeptor Elektronentransportkette ATP Energetisches Modell Chlorophyll a l Chlorophyll a Elektronen akzeptor NADP+ Reduktase NADP+ +2 H+ Schritt 3: Regeneration: NADPH + H+ Licht FS II P680 2 e 2 H+ H₂O 1/2 0₂ 3-Phosphoglyerinsäure zu einem Aldehyd reduziert (je ein Molekül ATP und NADPH+H* notwendig)-> Benötigung der Produkte der Primärreaktion, um C3 Zucker 3-Phosphoglycerinadehyd (3-PGA) zu bilden; 2 Moleküle 3-PGA verbinden sich zu Fructose-1,6- bisphosphat, woraus unter Phosphatabspaltung und Isomerisierung Glucose entsteht oooooooood Cyt-bf- QHVI Komplex 2 e 500003 zyklisch ADP +P 2 H+ 2H+ 3 ADP+ 3 ATP ATP Synthase 2H+ H+ ATP chemiosmotisches Modell ABLAUF 1. Chlorophyll im Fotosystem II wird durch Lichtenergie angeregt und überträgt 2 e auf eine Elektronentransportkette 2. Elektronenlücke im Fotosystem II wird durch Fotolyse des Wassers geschlossen (Spaltung des Wassers in 2 H, ½ O₂ und 2 e) 3. Elektronen durchlaufen die Elektronentransportkette, geben Energie ab EN GẶP 3. Regeneration des CO-Akzeptors (RuBP) -> H* in Innenraum der Thylakoide gepumpt, Protonengradient entsteht (wird später zum Synthetisieren von ATP genutzt) 4. Chlorophyll in Fotosystem I ebenfalls durch Licht angeregt, überträgt 2e auf weitere Elektro- nentransportkette 5. Elektronenlücke im Fotosystem I wird durch Elektronen der ersten Elektronentransportkette geschlossen 6. Elektronen von Fotosystem I werden auf NADP + 2H* übertragen -> NADPH+H* entsteht ! Endprodukte ATP und NADH+H* werden für die Bildung von Glucose (Dunkelreaktion/ Sekundärre- aktion) benötigt ! Sekundärreaktion -> Von Melvin Calvin Mitte des 20. JH durch radioaktiv markierten ¹4℃ erforscht 14 NADP+ PCox PCred Schritt 1: CO₂ Fixierung im Stroma der Chloroplasten: CO₂ wird durch einen Akzeptor (Rubisco) an den C5 Zucker Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden; Entstehung eines instabilen Zwischenprodukts, das un- ter Anlagerung von Wasser in zwei Moleküle 3- Phosphoglycerin (3-PGS) zerfällt Schritt 2: Reduktion 3x CO₂ Protonen- gradient Innenraum amm Thylakoid- membran Stroma 3x Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) G3P (eln Zucket] NADPH + H+ Fd RubisCa FSI (P700) Calvin- Zyklus Glucose (Ertrag) Licht 1. Fixierung des Kohlenstoffs 6x 3-Phosphoglycerat 6x Glycerinaldehyd-3-Phosphat (G3P) 6 ATP 6x 1,3-Bisphosphoglycerat 6 ADP 6 NADPH+H* +6 P. nur 2 von 12 Moleküle 3-PGA für Glucose Bildung; aus den 10 Molekülen 3-PGA entstehen 6 Moleküle Ribulose-1,5-bisphosphat & 6 ATP werden verbraucht 6 NADP 2. Reduktion allgemeine Informationen ■ Gleichung: 6C+40¹²₂ + 12 H†¹₂0´² -----Lichtenergie-----> C²H¹¹₂0˚² + 6 0°₂ + 6 H¹¹₂0²² Lichtreaktion: 18 ATP und 12 NADPH+H* entstehen Dunkelreaktion: 6CO₂ + 18ATP + 12NADPH+H* -> C6H₁2O6 + 18ADP + 18P + 12NADP+ +6H₂O Sauerstoff kommt aus dem Wasser und nicht von dem Kohlenstoff -> CO₂ erst in Dunkelreak- tion benötigt, Sauerstoff schon in Primärreaktion gebildet (Fotolyse) Fotosystem I -> Maximum bei Lichtwellen von 700nm (P700); Fotosystem II bei 680nm (P680) Licht: Außenfaktoren/Abhängigkeiten Temperatur: CO₂-Gehalt: Wasser: Primärreaktion Photosystem Photosystem II Chloroplast H₂O [H] ATP. ADP Sekundärreaktion C6H12O6 C5-Zucker CO₂ weitere Zucker 2 C3-Zucker Fotosyntheserate steigt grundsätzlich bei größerer Lichtintensität, irgendwann ist jedoch maximale Leistung erreicht -> Lichtsättigung für jede Pflanze unterschiedlich (siehe Sonnenblatt und Schattenblatt -> Lichtkompensationspunkt: Lichtintensität, bei der eine Pflanze gerade noch ihren Energiebedarf durch Fotosynthese deckt) wie bei allen chem. 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