Fotosynthese, Zellatmung, C3 C4 und CAM-Pflanzen, Biologie

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C4-Pflanzen: CO2-Fixierung mit PEPC zu C4-Säuren, Malat und Aspartat bei C3-Pflanzen: CO2-Fixierung mittels RubisCO zu 3-Phosphoglycerat 30-45°C trockenheiße Standorte 230-250 räumliche Trennung (Mesophyll- Bündelscheidenzellen) sehr niedrig hoch bis sehr hoch Crassulacean Acid Metabolism CAM-Pflanzen Schichttyp (dicke Blätter & dicke Kutikula) Apfelsäure/Malat erst PEP-Carboxylase, dann Rubis Co. Ananas, Kakteen um 35°C Anpassung an extremen Wassermangel 50-55 Tag/Nacht-Trennung (Stromata nachts geöffnet, tagsüber Calvin-Zyklus) sehr niedrig sehr niedrig Diurnaler Säurerythmus bei CAM-Pflanzen: In der Nacht führt eine CO2-Fixierung durch Carboxylierung von Phosphoenolpyruvat zu Oxalacetat und dessen Reduktion zu Malat zu einer erhebl. Ansäuerung im Gewebe (vgl. C4-Pflanzen). Bei Tag wird Malat oxidativ decarboxyliert zu Pyruvat. Das dabei freigesetzte CO2 wird an Ribulose-1,5-bisphosphat fixiert. Es schließen sich die Reaktionen des Calvin-Zyklus an. Dieser Mechanismus erlaubt den Pflanzen eine CO2-Absorption in der Nacht, in der die Spaltöffnungen ohne Gefahr eines großen Wasserverlusts geöffnet werden können (Anpassung an die große Trockenheit in ariden Regionen) PEP-Carboxylase: Die PEP-Carboxylase ist ein wichtiges Enzym von Bakterien und Eukaryoten, insbesondere zur reduktiven Kohlenstoffdioxid-Fixierung bei C4-Pflanzen. Außerdem ist sie eine Alternative zum mengenmäßig häufigsten Enzym auf der Erde überhaupt, der Ribulosebisphosphatcarboxylase (RubisCO), die eine zentrale Rolle bei der reduktiven Kohlenstoffdioxid-Fixierung von C3-Pflanzen Die Zellatmung Ausgangsstoffe: Glukose + Sauerstoff (Produkte der Fotosynthese) 1. Glykolyse (im Zellplasma) - Glykose - Molekül wird mit Phosphat-Gruppen gebunden (energetische Aktivierung) Co-Körper wird durch Hydrolyse in zwei C3 Körper zerlegt Phosphat-Gruppe wird auf ADP übertragen (→ ATP entstent) -Oxidation ermöglicht Reduktion von NAD* zu NADH+H* C6H₁₂O6 + 2 NAD + 2 ADP+P 2 C3 + 2 (NADH+H*) +2 ATP ΖΑΤΡ 2.Oxidative Decarboxilierung (Mitochrondienmatrix) -Brenztraubensäure gelangt in Matrix des Mitochrondiums -C-Atom wird als CO₂ aus dem C3-körper getrennt -C₂-Körper entstent (Acetyl-Coenzym A) -C₂- Körper bindet sich mit Oxalessigsäure (Cy-Körper) Zitronensäure entstent (C6- Körper) -CoA Spaltet sich ab - durch Umwandlung des C₁-Körpers wird der C₂-Körper schrittweise abgebaut CO₂ entstent Oxalessigsäure entsteht erneut (Zyklus beginnt erneut) - Wasserstoff wird auf NAD* +FAD übertragen →NADH+H* entsteht, FADH₂ entstent -ADP+P wird zu ATP (2 ATP) a.) Elektronen wandern bis Proteinkomplex IV weiter werden zurück an die Matrix abgegeben -Elektronen werden auf Sauerstoff übertragen 40₂ +46 +4H*→→→ 2H₂O CO₂ Acetyl-CoA C₂ NAD wird zu NADH+H* t 2 C3 H₂O3 + 2 NAD + 2 CoA 2 Acetyl-CoA +2 CO₂ +2 NADH *2H" 3. Der Citrat-Zyklus: (Mitochrondienmatrix) "Ladungsausgleich setzt Energie frei (Synthese von ATP möglich) ❤❤❤ NAD- NADH TH b.) - Protonen werden gegen das ationsgefälle gepumpt -Ausgleich durch ATP-Ase-Komplex (Protonen gelangen in Matrix) (4C) Apfelsaure (4C) Oxal essigsäure (4C) Fumarsaute CoA.SH (4C) Bernsteinsõue Außenbron 4. Die Atmungskette (innere Mitochrondienmembran) ( gebremste knallgasreaktion) -NADH+H* bringt wasserstoff mit Sauerstoff zusammen NADH+H* gibt Elektronen durch Proteinkomplex I an Membran ab -FADH₂ gibt Elektronen durch Proteinkomplex II an die Membran ab elektrische Ladung der Elektronen bewirkt, dass Protonen in den Mem- bran Innenraum gelangen Intermembrorum B xxcog NADH NAD H Matrix (innen) H bd Bernsteinsäure CoA (4 C) FADH FAD www Wasserstoff-lonentranport Elektronentransport NAD NADH TH xoxooooo ADP ATP HF N... Glycerinaldehyd-3-phosphat Dinydroxy- ellie aceton- phosphat Citronensäure (60) H₂O H₂O NAD NADH+H H₂O Isocitronensäure (6C) ...... Glucose a-ketoglutarsäure (5C) ATP APP 0.000 1,3-Biphosphoglycerat 리 ●●●●●● Glucose-6-phosphat ↓ ●●●●● Fructose 6-phosphat ATP ADP ●●●●●● ●●●● 3. Phosp noglycerat H Fructose-1,6 bisphosphat A O 2-Phosphoglycerat title ●●● O Phosphoenolpyruvort ADP ATP ADP ATP C ●●● Brenztraubensäure (Pyruvat) H₂O ADP ATP 0000 ood ADP Synthase ATP+H₂O Mechanismus der Spaplt offnungsbewegungen 1. Aufbau: Spalt, Schließzellenpaar und Nebenzellen bilden den Spaltöffnungsapparat (Stomakomplex). Die Schließzellen enthalten fast immer Chloroplasten mit reichlichen Vorräten von Stärke. Ihre Zellwände sind fast immer ungleich verdickt. Öffnungsmechanismus Verschiedene Reize (starke Lichteinstrahlung, Temperatur, geringe CO2-Versorgung) führen dazu, dass Protonen aus den Schließzellen in die Nebenzellen gepumpt werden (durch ATPasen, unter Verbrauch von ATP). Daraufhin öffnen sich die Kalium-Ionenkanäle. Nun können Kaliumionen aus den Nebenzellen in die Schließzellen strömen. Um einen Ladungsausgleich zu bewirken strömen auch negativ geladene Ionen in das Zellinnere der Schließzellen (Interzellularspalt). Es kommt zur Osmose, da die Teilchenkonzentration in den Schließzellen höher ist als in den Nebenzellen, das bedeutet Wasser strömt in die Schließzellen. Der Wasserstrom sorgt dafür, dass der Porus Der Schließzellen geöffnet wird. Schließungsmechanismus Verschiedene Reize (Lichtmangel, Temperatur, ausreichende CO2-Versorgung) führen dazu, dass die ATPasen ihre Aktivität einstellen. Das führt dazu, dass keine Protonen mehr in die Nebenzellen gepumpt werden. Im 2 Schritt können Protonen aufgrund des negativen Membranpotentials aus den Nebenzellen in die Schließzellen strömen. Dadurch steigt das Membranpotential. Nun strömen die Kalium- und Chlorid-Ionen mit dem Konzentrationsgefälle aus den Schließzellen in die Nebenzellen.. Aufgrund der veränderten Teilchenkonzentration strömt wasser aus den Schließzellen in die Nebenzellen Der Spannungsverlust der Zellwände führt dazu, dass sich der Porus der Spaltöffnungen wieder schließt. Kutikula Nebenzelle Chloroplast Nebenzel Schließzelle Nebenzelle Nebengelle Nebenzelle ATTEDE Arusporine H₂0 for •H* X-Jonenkanal Jesenkanal Aquaporine 4.Schrill -Joneekonal 2. Schrill ام سے -H₂O H₂O (3. Schritt ! (1. Scholt) 2. Schill 1₂0/Satinelle erschaft durch 160 Wasser austrom 3. Schull Einfluss von Faktoren 1. CO2 Gehalt: - CO2 Gehalt in der Luft: 0,035% - je mehr CO2, desto höher die Fotosyntheserate - ab 0,05% Sättigung - ab 0,5 % schädlich für die Pflanze - Kohlenstoffkompensationspunkt: bei C3 Pflanzen: 0,005, bei C4 Pflanzen: 0,001 Sauerstoffabgabe übersteigt die Sauerstoffzunahme (Zellatmung) PL (rel. Einneit) 3. Lichtintensität: - je stärker die Lichtintensität, desto höher die Fotosyntheserate - Lichthemmung kann einsetzen, Zerstörung der fotosynthetisch wirksamen Pigmente - Unterschied Sonnen-/Schattenpflanzen - Sonnenpflanzen erreichen später den KP als Schattenpflanzen, da sie größere Bestrahlungswerte brauchen, um mehr Sauerstoff zu produzieren 80 60 2. Temperatureinfluss: - Unterschied zwischen Starklicht und Schwachlicht - Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel: Bei Temperaturzunahme um 10°C wird die Reaktionsgeschwindigkeit (->Fotosyntheseleistung) verdoppelt - ab 40^C: Denaturierung, Enzyme gehen kaputt - Schwachlicht: Licht ist kein begrenzender Faktor (bei Temperaturzunahme keine Steigerung der Fotosyntheseleistung => Lichtabhängige Lichtreaktion/Temperaturabhängige Dunkelreaktion 4. Lichtqualität: -Wellenlänge (nm) - Pflanzen können Wellenlängen in der Größe von 400-700m fotosynthetisch nutzen - höchste Fotosyntheserate: 450 nm (blau), 680 nm(rot) 20 0.03 0,05 PL (rel. Einneit) 100 60- 40 20 O hone Licht. intensitāt Schwachlicht (5000 Lux) on CO₂-Komentration (voi-%) CO₂-Aufnahme Starklicht (20000 Lux) £40 Optimum 10 20 30 40 geringe ✔4 Tempe. ratur in co Sonnenpflan Schavenpflanse Beleuchtungs strive