Lernzettel Fotosynthese

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Menschen unterschiedlich gut nutzbar. Ein Beispiel: Beim Autofahren wird die chemische Energie des Benzins in Bewegungsenergie und zum größeren Teil in Wärme umgewandelt. Weil die Wärme nicht weiter nutzbar ist, spricht man von Energieentwertung. Im Allgemeinen hat die Energieentwertung erhebliche Ausmaße. Wärme ist zwar für Lebensvorgänge vieler Organismen wichtig jedoch ist Wärme für Lebewesen eine Energieform, die sie nicht in eine andere Energieform wandeln können. Erneuerbare (regenerative) Energien: ist ein Sammelbegriff für alle Energien, die immer wieder erneuert werden und nicht erschöpfen. Sonnenlicht, Biomasse, Windenergie, Wasserkraft und Holz sind zum Beispiel erneuerbare Energien. Fossile Energien: sind Produkte aus se, die vor mehreren hundert Millionen Jahren aus abgestorbenen Lebewesen durch biologische und geologische Prozesse entstanden. Kohle, Erdöl und Erdgas gehören dazu. Beispielaufgabe: Beschreiben Sie die Bedeutung der Fotosynthese für heterotrophe Lebewesen. Die Fotosynthese ist ein Prozess bei dem Pflanzen mithilfe von Lichtenergie der Sonne energiereiche, organische Stoffe wie Glukose und Stärke aufbauen. Als Nebenprodukt entsteht bei dieser Reaktion Sauerstoff. So sorgten die Fotosynthese betreibenden Organismen vor allem erst einmal dafür, dass sich unsere Atmosphäre mit Sauerstoff anreicherte, der Voraussetzung für die Zellatmung ist, die eine Vielzahl an Organismen betreibt, um überleben zu können. Denn ohne den Sauerstoff, ohne Zellatmung können diese Organismen keine Energie für sich nutzbar machen. Da in etwa 20 Kilometer Höhe Sauerstoff durch ultraviolette Strahlung zu Ozon (03) umgewandelt wird, das sich zur Ozonschicht unserer Atmosphäre zusammenlagert, hat die Fotosynthese ebenso dafür gesorgt, dass ein großer Teil der gefährlichen ultravioletten Strahlung abgefangen wird (durch die Ozonschicht). Aber für heterotrophe Lebewesen direkt stellt die Fotosynthese nicht nur Sauerstoff zur Verfügung, um Zellatmung zu betreiben, sondern auch eben die energiereichen Stoffe wie Glukose und Stärke. Heterotrophe Lebewesen können nämlich lebensnotwendige organische Stoffe nicht selbst herstellen, sie müssen sie in Form von pflanzlicher oder tierischer Nahrung aufnehmen. Somit bilden Pflanzen mit ihrer Fotosynthese auch die Grundlage für die Nahrungskette. frisst Algen der Art Vaucheria litoea Dies funktioniert etwa 10 Monate lang, danach können die Chloroplasten nicht mehr arbeiten Elysia Nimmt deren Chloroplasten in ihre Darmzellen auf Sie kann nun auf die übliche Nahrungsaufnahme verzichten Erhält Elysia genügend Licht, so betreiben die Chloroplasten für die Schnecke Fotosynthese und ernähren sie dadurch Weitere Besonderheit der Schnecke: • Sie kann ihren Kopf vom Körper abtrennen und einen Ersatzkörper bilden • Das bedeutet, dass die Schnecke es schafft eine Zeit lang ohne alle lebensnotwendigen Organe zu überleben und sie sogar zu regenerieren Dies scheint allerdings nur bei jüngeren Schnecken möglich zu sein • mögliche Funktion: Schutz vor Parasiten Wichtig: bei Beschriftung immer zwischen oberer und unterer Epidermis unterscheiden! Schwammparenchym untere Epidermis Cuticula Cuticula Allgemeine Funktion des Blattes: - Ort der Fotosynthese - Regelung der Abgabe von Wasserdampf durch Transpiration Obere Epidermis Blatt: Bau und Funktion Palisadenparenchym Schließzellen Interzellularraum Struktur Wachsartige Schicht Chloroplastenfrei, stark Listdurchlässig, verdickte Zellwände, enge Zellverbindung Reich an Chloroplasten, lang, eng aneinander liegend Cuticula obere Epidermis Palisadenparenchym Atemhöhle Spaltöffnung Bifaziales Laubblatt: Blattober- und Blattunterseite sind verschieden Funktion Verdunstungsschutz und Schutz vor äußeren Einflüssen Schutz vor äußeren Einflüssen und Wasserverlust durch Transpiration, Begrenzung Hauptort Fotosynthese Schwammparenchym Spaltöffnungen (Stomata) Untere Epidermis Leitbündel Phloem Xylem Interzellularräume Unregelmäßig geformte Zellen, enthält große mit Luft gefüllte Interzellularräume, weniger Chloroplasten Bestehen aus einem Spalt zwischen zwei Schließzellen (mit Chloroplasten) S.O. Allerdings mit Schließzellen ausgestattet Von zellen mit verdichten Wänden umschlossen (Sklerenchynscheide), innen: Xylem und Phloem Kleinere Zellen Verholzte, röhrenförmige Zellen Hohlraum zwischen den Zellen Gasaustausch, -speicher und auch Fotosynthese Regulation Gasaustausch und Transpiration S.O. Transportweg Transport organischer Verbindungen Wassertransport Gasaustausch und -speicher Stärkekörner Thylakoide Thylakoidmembran Lipidtropfen að Innere Membran Chloroplast Äußere Membran Intermembranraum Ribosomen Grana DNA Stroma Stromathylakoid Thylakoidinnenraum Gefüllt mit Thylakoidlumen Wichtig: Grana und ihre Thylakoide sind Bestandteile der Membran Chloroplasten sind Organellen, in denen die Fotosynthese stattfindet. Sie sind kompartimentiert und von zwei Membranen umhüllt. Dazwischen liegt der Intermembranraum. Die Grundsubstanz eines Chloroplasten wird Stroma genannt. Darin befinden sich unter anderem eine ringförmige DNA, Ribosomen, Stärkekörner und Fetttröpfchen. Durchzogen ist der Chloroplast von einem lamellenartigen System von weitgehend parallel verlaufenden Membransäckchen, den Thylakoiden. Die sie umgebende Membran heißt Thylakoidmembran und geht aus der inneren Chloroplastmembran hervor. Durch die Thylakoidmembran erfolgt eine Trennung des Stroma vondem mit Flüssigkeit gefüllten Innenraum der Thylakoide. Dort, wodie Thylakoide eng pbereinander gestapelt sind, spricht man von Granathylakoiden. Die Granathylakoide sind durch flächige Stromathylakoide verbunden. Insbesondere in den Granathylakoidmembranen sind verschiedene Pigmente eingelagert. Pigmente sind Moleküle, die Licht absorbieren können. Dazu gehört auch das Chlorophyll. Kompartimentierung: Das Prinzip der Kompartimentierung besagt, dass biologische Systeme in abgegrenzt da Teilräume untergliedert sind, in denen verschiedene Vorgänge gleichzeitig und nebeneinander ungestört stattfinden können. Im Falle der Fotosynthese liegt eine Kompartimentierung durch die verschiedenen Reaktionsorte vor. Die Lichtreaktion findet innerhalb der Thylakoide eines Chloroplasten statt, während die Sekundärreaktionen in dessen Stroma stattfinden. So können die einzelnen Teilschritte gleichzeitig ablaufen, wobei die Lichtreaktion für die Sekundärreaktionen ATP und NADP+ zur Verfügung stellt, während die Sekundärreaktionen ADP+P und NADP+ für die Lichtreaktion regenerieren. Struktur und Funktion 1. äußere Membran Funktion: Schutz, Stofftransport 2. Intermembranraum Funktion: Beherbergung von einigen Enzymen, die ATP in etwaige andere Stoffe umwandeln. 3. innere Membran J Oberflächenvergößerung! Funktion: -Die innere Membran ist nicht durchlässig für Moleküle - Beherbergung von Proteinen 4. Stroma Funktion: -Abbau und Aufbau von Substanzen - Transport von Molekülen in der Zelle 5. Thylakoidlumen (innerhalb des Thylakoids) 6. Thylakoidmembran Funktion: Ort der Fotosynthese, Trennung der Kompartimente zur ATP-Synthese 7. Granum (Granalamelle) Funktion: - Beherbergung von Thylakoidauslappungen 8. Thylakoid (Stromalamelle) Funktion: - Lichtreaktion der Photosynthese 9. Stärke (Vorratsstoff) Speicherung Glucose 10. plastidäres Ribosom Funtion: Jede Membran ist eine Doppelmembran! - Produktion von Proteinen und Enzymen Il. plastidäre DNA Funktion: - Planung und Regelung der Zelle - Bereitstellung des Erbgutes - Vermehrung der Plastiden 12. Lipidtröpfchen Speicherung von Proteinen und Phosphokreatinen (?) Chromatographie Ein Stofftrennverfahren, bei dem sich Stoffe aufgrund verschiedener Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel oder dem Trägermaterial auftrennen lassen. Dünnschichtchromatographie: 1. Ein Farbstoffgemisch wird an einer Startlinie aufgetragen 2. Das Trägermaterial wird dann z.B. in eine Laufkammer mit einem Lösungsmittel gestellt 3. Das Trägermaterial saugt das Lösungsmittel auf, das Lösungsmittel steigt auf und mit ihm die darin gelösten Farbstoffe 4. Aufgrund der Wechselwirkungen der Farbstoffe mit dem Lösungsmittel einerseits und mit dem Trägermaterial andererseits ergeben sich stoffspezifische Wanderungsgeschwindigkeiten 1 Dünnschichtchromatographische Auftrennung von Blattforbstoffen Frontlinie B-Carotin Oxidations- produkte der Chlorophylle -Chlorophyll a Chlorophyll b Lutein Violaxanthin Neoxanthin Startlinie Protokoll: Dünnschichtchromatographie Durch diese Dünnschichtchromatographie verschiedene Farbstoffe eines Blattes von einander isoliert werden. Dabei werden in diesem Versuch die Chromatographien eines Efeublattes mit dem eines Christrosenblattes verglichen und zusätzlich zwei verschiedene Kieselgelplatten (Sil und Alox) verwendet, um sie auf ihre Eignung zu testen. Materialien Biologische Materialien: Efeu, Christrose Chemikalien: Aceton, Petrolether und Propan-2-ol für das Laufmittel, destilliertes Wasser, Calciumcarbonat, gereinigter Sand Geräte: 2 Mörser und Pistillen, Spatel, 2 Faltenfilter, 2 Petrischalen, 2 Erlenmeyerkolben (100 ml), Kieselgelplatte für die Dünnschichtchromatographie: 2 mal Alox und 2 mal Sil, 4 Reagenzgläser, 4 Stopfen, Reagenzglasständer, Pinzette, 2 Pipetten, Dunkelkammer Kieselgelplatte Lauf- mittel Acenton-Biostoff- Gemisch Durchführung - zuerst werden etwa 5g Efeu- und 5 g Christrosenblätter mit je einem Mörser und einer Pistille zerkleinert - um das Zerkleiner zu vereinfachen, werden noch je eine Spatelspitze Sand und calciumcarbonat hinzugegeben - damit auch ein flüssiges Gemisch entstehen kann müssen zu dem Efeu und der Christrose je 20 ml Aceton hinzugefügt werden, dabei ist allerdings darauf zu achten, dass eine möglichst dunkel- grüne Mischung entsteht, es darf also nicht zu viel Aceton hinzugegeben werden - nun werden die Blätter weiter kräftig zerrieben, bis von den ursprünglichen Blätter kaum noch etwas übrig ist - diese Blattextrakte müssen als nächstes durch Faltenfilter in die Erlenmeyerkolben filtriert und anschließend verschlossen in die Dunkelkammer gestellt werden - für die Herstellung des Laufmittels wird das Petrolether im Volumenverhältnis 100:10: 0,25 mit Propan-2-ol und destilliertem Wasser gemischt - wichtig ist dabei, dass das Wasser zuerst in das Propan-2-ol gegeben wird - dieses Laufmittel muss nun in die vier Reagenzgläser gefüllt werden (etwa 1 cm Höhe) - die Blattextrakte aus der Dunkelkammer werden nun in die Petrischalen umgefüllt - als nächstes werden mithilfe der Pipetten die Blattextrakte punktuell auf die Kieselgelplatten aufgetragen, dabei wird so lange auf dieselbe Stelle getropft, bis ein möglichst kleiner, dunkel- grüner Kreis entsteht - dabei muss darauf geachtet werden, dass beide der verschiedenen Blattextrakte einmal auf beide der zwei verschiedenen Kieselgelplatten aufgetragen werden – damit das Blattextrakt sich nicht von Beginn an mit dem Laufmittel vermischt, muss der Blattextrakt-Kreis auf der Kieselgelplatte so platziert werden, dass er das Laufmittel beim Eintauchen in dieses nicht berührt - hilfreich hierfür kann eine Art Startlinie sein, die vorsichtig, um die Beschichtung nicht zu beschädigen, auf die Platte gezeichnet wird und die Füllhöhe des Laufmittels markiert - diese Startlinie darf allerdings auch nicht zu weit über der Laufmittelgrenze angesetzt werden, um die gesamte Länge der Kieselgelplatte zur Auftrennung nutzen zu können - nach dem Eintauchen der Kieselgelplatten mithilfe der Pinzette in das Laufmittel werden die vier Reagenzgläser mit den Stopfen verschlossen und wieder in die Dunkelkammer gestellt - es muss allerdings darauf geachtet werden, dass das Laufmittel nicht über den Rand der Kieselgelplatte hinausläuft und die Platte deshalb kurz vorher aus dem Laufmittel genommen wird Beobachtung - die Kombination Christrose und Sil hat sehr schnell eindeutige Banner aufgezeig - bei dem Efeu und der Kieselgelplatte Sil waren zuerst keine Banner sondern Ringe erkennbar, doch zuletzt sind auch hier die deutlichen Banner aufgetreten - die Kieselgelplatte Alox hat allgemein eher zu ineinander übergehenden Bannern geführt, wobei hier die Kombination mit der Christrose noch eher zu einem ablesbaren Ergebnis geführt hat als die Kombination mit dem Efeu RGI:Efeu und Sil RG2: Efeu und Alox RG3: Christrose und Alox RG4: Christrose und Sil Theorie - bei der Dünnschichtchromatographie werden die unterschiedlichen Farbstoffe innerhalb der Blätter dadurch voneinander getrennt, dass die Stoffe unterschiedliche Eigenschaften (zum Beispiel die Polarität) besitzen, die ihre Wechselwirkungen mit dem Lösemittel beeinflussen - dabei binden die einen Farbstoffe (unpolare) besser an das Petrolesther, während die anderen (polare) besser an das Propan-2-ol oder das Wasser binden - diese zwei Stoffe haben unterschiedliche Laufgeschwindigkeiten (die Moleküle des Petrolethers bewegen sich schneller als die des Propan-2-ols und des Wassers) - die Farbstoffe, die mit dem Petrolether Wechselwirkungen eingehen, legen also in derselben Zeit eine Längere Sträcke zurück, so entstehen die unterschiedlichen Banner - einer der Farbstoffe ist Chlorophyll; da Chlorophyll im Licht schnell reagiert, ist der gesamte Versuch möglichst im Dunkeln durchzuführen (Dunkelkammer) Reflexion Zurückblicken ist zu sagen, dass der Vergleich zwischen den beiden Kieselgelplatten gelungen ist, da ein deutlicher Unterschied in den Qualitäten der Chromatographien zu erkennen ist. Somit ist bestätigt, dass die Platte Sil für eine eindeutigere Auftrennung der Farbstoffe sorgt. Allerdings hätte bei diesem Versuch noch ein bisschen mehr auf das Abdunkeln des Blattextraktes geachtet werden können, ebenso wie auf das luftdichte Verschließen. Auch das punktgenaue Auftragen des Blattextraktes auf die Kieselgelplatten hat erst nach einigen Übungsversuchen funktioniert und dann eher schlecht als recht, da die Tropfen doch sehr zerflossen sind. Vielleicht ist hier die Verwendung von Kapillaren sinnvoller. Oder: Die Stoffe, die stärker an das Trägermaterial binden oder sich sogar darin lösen, laufen weniger weit als die Stoffe, die weniger stark daran binden Autoradiographie: Um herauszufinden, in welchen Schritten Stoffwechsleprozesse innerhalb der Zelle ablaufen und deren zeitliche Reihenfolge zu ermitteln (Ablauf beschrieben im Lernzettel „Zellatmung“) 1. Lauf: Bindung an Trägerstoff 2. Lauf, um Stoffe, die übereinander liegen, zu trennen => Bestimmung der Reihenfolge der Zwischenprodukte EKENNTNISGEWINNUNG NACHVOLLZIEHEN Frage: In welchen Schritten verläuft die CO₂-Fixierung in der Fotosynthese? Hypothesen 1. Kohlenstoffdioxid wird in einem Schritt zu Glucose umgewandelt 2. Kohlenstoffdioxid wird in mehreren Schritten über Zwischenprodukte zu Glucose umgewandelt Durchführung Grünalgen wurden in einem Kulturgefäß mit "CO, ver- sorgt und belichtet. Nach 3 und nach 30 Sekun- den wurden die Grünalgen. entnommen, abgetötet und aus ihnen ein Extrakt hergestellt. Die beiden Pflanzen- extrakte wurden jeweils hier aufgetragen und nacheinander in zwei Richtungen chromato- graphiert. Nur in 3PG ist "C nachweisbar. Nach der Auftrennung wurden die beiden Chromatogramme mit einem Röntgenfilm bedeckt, der durch die radioaktive Strahlung von "C verändert wird. Jeder dunkle Punkt ent- spricht einer mit ¹C markierten Verbindung. Ergebnisse: nach 3 Sekunden. 3PG . erster Lauf zweiter Lauf nach 30 Sekunden ALA GLU GLY SER ASP CIT SUC G3P Auswertung Hypothese 2 ist bestätigt. 2 Autoradiographisches Forschungsexperiment 3PG HEXOSE-P In zahlreichen Molekülen ist "C nachweisbar. Lichtpigmente Entdeckung Der Engelmann'sche Versuch Im Jahre 1883 wollte der Biologe W.T.Engelmann die für die Fotosynthese wirksamen Wellenlängen des Lichts identifizieren. Dazu führte er einen Versuch mit Sauerstoff verbrauchenden Bakterien und fadenförmigen Grünalgen durch. Schon oft im Abi! 1 Er hat weißes Licht mithilfe eines Prismas in seine Anteile unterschiedlicher Wellenlängen und damit verschiedene Farben zerlegt und auf die Alge projiziert. 2 Engelmann beobachtete die Verteilung der Bakterien entlang der Alge. Die Sauerstoff verbrauchenden Bakterien wurden durch den bei der Fotosynthese abgegebenen Sauerstoff der Grünalge angelockt. Sie sammelten sich vorwiegend an den Stellen, auf die rotes oder blaues Licht gefallen war. Hieraus schlussfolgerte Engelmann, dass an diesen Stellen besonders viel Sauerstoff entstanden war und dass die Fotosynthese bei rotem und blauem Licht besonders wirksam abläuft. Die Bakteriendichte ist ein Maß für die Fotosyntheseintensität. Verschiedene Wellenlängen des Lichts treiben die Fotosynthese mit unterschiedlicher Wirkung an. Misst man in Experimenten die Sauerstoff-Produktion durch Fotosynthese als Funktion der Wellenlänge, erhält man das Wirkungsspektrum der Fotosynthese Fotosynthesepigmente: Farbstoffmoleküle, die für die Aufnahme von Licht zuständig sind. Sie befinden sich in der Thylakoidmembran der Chloroplasten. Nach der Absorption des Lichts wird dessen Energie für die Fotosynthese nutzbar gemacht. Dabei haben die unterschiedlichen Wellenlänge des Lichts auch einen unterschiedlich hohen Energiegehalt. So ist kurzwelliges blaues Licht energiereicher als langwelliges rotes Licht. Das Spektrum des absorbierten Lichts wird Absorptionsspektrum genannt. Die Fotosynthesepigmente Chlorophyll a, Chlorophyll b und die Carotinoide absorbieren Licht unterschiedlicher Wellenlänge: Chlorophyll a und b absorbieren hauptsächlich blaues und rotes Licht dieses wird effektiv für die Fotosynthese genutzt); Grünes Licht wird fast gar nicht absorbiert sondern viel mehr reflektiert, weshalb die Pflanzen für Menschen grün erscheinen; da im grünen Bereich kaum Licht absorbiert wird, spricht man von einer Grünlücke Absorptionsspektrum Hal Absorption relative 390 400 430 Chlorophyll b) что 1 Engelmannsches Experiment 500 Bakterien, die Sauerstoff benötigen. wellenlänge (nm) 530 580 fadenförmige Grünalge mit soira.igen Chloroplasten 500 600 700nm Wellenlänge in nm Chlorophyll a) 600 640 675 +0.6 +0,4 +0,2 -0 760 Fotosyntheserate (relative Einheit) • Bakterien verbrauchen Sauerstoff und sammeln sich an der Stelle, an der am meisten davon zur Verfügung steht (zwischen 400 und 500 nm sowie zwischen 600 und 700 nm Wellenlänge) •Somit nutzen die Grünalgen vor allem blaues und rotes Licht für die Fotosynthese, bei der Suaerstoff entsteht • andere Spektralfarben eignen sich nicht so gut für die Fotosynthese (Je niedriger die Wellenlänge, desto mehr Energie enthält das Licht, deshalb absorbiert die Pflanze für die Fotosynthese am meisten Licht mit niedriger Wellenlänge, um möglichst viel Glucose bilden zu können) Noch einmal anders formuliert: Absorptions- und Wirkungsspektrum Welche Wirkung haben die unterschiedlichen Spektralfarben auf die Fotosyntheseaktivität von Lebewesen? Licht kann durch ein Glasprisma in seine Spektralfarben zerlegt werden. Dabei entsprechen die unterschiedlichen Farben Licht der Wellenlänge 400-750 Nanometern (nm). Absorptionsspektrum Hält man eine Chlorophyll-Lösung in den Lichtstrahl zwischen Lichtquelle und Prisma, fehlen in dem entstehenden Spektrum die Farben blau und orangerot. Das Licht dieser Wellenlängenbereiche wurde von der Chlorophyll-Lösung absorbiert. Grünes Licht wird kaum absorbiert, sondern durchgelassen oder reflektiert. Ein typisches Laubblatt erscheint daher grün. Neben dem grünen Chlorophyll a und b gibt es auch das orangegelbe Carotinoid. Misst man mithilfe eines Fotometers ihre Absoption in Abhängigkeit von den Wellenlängen, erhält man ein Absorptionsspektrum. Wirkungsspektrum Ermittelt man dagegen die Fotosyntheserate bei verschiedenen Spektralfarben, erhält man ein Wirkungsspektrum. Es zeigt, bei welchen Wellenlängen des Lichts die Fotosyntheserate am besten abläuft. Dieses ermittelte Engelmann. In dem Versuch sammelten sich hinzugegebene sauerstoffliebende Bakterien vor allem an den Stellen der Algen, die mit blauem bzw. rotorangenem Licht bestrahlt wurden. Hier wurde aufgrund einer hohen Fotosyntheserate am meisten Sauerstoff freigesetzt. Exakte Wirkungsspektren zeigen, dass die Fotosyntheserate bei etwa 450 und 680 nm maximal ist. In diesen Wellenlängenbereichen besitzen Chlorophyll a und b ihre Absoptionsmaxima. Daraus kann man schließen, dass hauptsächlich diese Pigmente das für die Fotosynthese benötigte Licht absorbieren. Beispielaufgabe: Vergleich mit Cyanobakterien 1 400 aerobe Bakterien Lichtabsorption 500 Chlorophyll a fadenförmige Grünalge 400 600 700 Wellenlänge in nm Chlorophyll b 500 A Untersuchungen zur Fotosyntheseleistung und zur Verteilung aerober Bakterien bei Bestrahlung mit Licht unter- schiedlicher Wellenlängen. 1 Verteilung aerober Bakterien bei Bestrahlung einer fadenförmigen Grünalge; 2 Verteilung aerober Bakterien bei Bestrahlung eines fadenförmigen Cyanobakteriums B-Carotin Phycocyanin Die Gruppe der Cyanobakterien umfasst weltweit über 2000 Arten. Große Mengender Cyanobakterien kann man oft schon mit bloßem Auge als gallertartige Masse oder gefärbte Wasserblüte auf der Wasseroberfläche erkennen. Cyanobakterien existieren vor allem im Süßwasser, dort sogar in größerer Wassertiefe als Grünalgen. Cyanobakterein sind im Gegensatz zur eukaryotischen Grünalge prokaryotisch. Beide sind fotoautotroph, unterscheiden sich jedoch unter anderem in ihren Absorptionsspektren und den Lichtreaktionen der Fotosynthese. Grünalgen haben als Fotosynthesepigmente Chlorophyll a, Chlorophyll b und B-Carotin. Cyanobakterien besitzen von diesen Pigmenten nur Chlorophyll a und B-Carotin, haben darüber hinaus auch Phycoerythrin und Phycocyanin als Fotosynthesepigmente. Phycoerythrin 21 400 600 2 B Absorptionsspektren von fünf verschiedenen Fotosynthesepigmenten 700 Wellenlänge in nm aerobe Bakterien fadenförmiges Cyanobakterium 2 & 3d design Renate Diener, Wolfgang Gluszak, bearb. 500 600 700 Wellenlänge in nm Werten Sie die in Abbildung A dargestellten Ergebnisse von Engelmann mit Grünalgen und Cyanobakterien jeweils unter Berücksichtigung von Abbildung B aus. Der deutsche Biologe Theodor Engelmann (1843-1909) führte zahlreiche Experimente zum Nachweis der Wirkungsspektren der Fotosynthese von unterschiedlichen Lebewesen durch. Dafür zerlegte er das Sinnenlicht mithilfe eines Prismas in verschiedene Spektralbereiche und bestrahlte damit fadenförmige fotosynthetisch aktive Grünalgen und Cyanobakterien. Um die Sauerstoffbildung verfolgen zu können, gab Engelmann frei bewegliche aerobe Bakterien hinzu, die sich auf die Orte höherer Sauerstoffkonzentration zubewegen. Grünalgen und Cyanobakterien unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung der Fotosynthesepigmente. Beide wiesen Chlorophyll a auf und so können sie Licht mit sowohl sehr hoher als auch sehr niedriger Wellenlänge absorbieren. Das gemeinsame B-Carotin sorgt außerdem dafür, dass sie beide Licht mit einer Wällenlänge von 450-500 nm aufnehmen können. Allerdings haben die Cyanobakterien im Gegensatz zu den Grünalgen kein Chlorophyll b. So haben sie ein Pigment weniger, dass Licht mit sehr hoher und sehr niedrigerer Wellenlänge absorbiert. Dementsprechend ist bei ihnen auch die Fotosyntheserate in diesem Bereich geringer als die der Grünalgen. Im Ausgleich dazu besitzen die Cyanobakterien die Pigmente Phycoerythrin und Phycocyanin und die Grünalgen nicht. Somit können nur die Cyanobakterien Licht aus dem grün-gelben Bereich mit einer Wellenlänge von 450 bis 650 nm absorbieren, wobei die beiden Hochpunkte bei 550 nm und knapp 600 nm liegen. So haben die Cyanobakterien in diesem Bereich eine deutlich höhere Fotosyntheserate als die Grünalgen. Durch das breite Spektrum haben Cyanobakterien die höchste Chance auch bei schwachem Licht in der Tiefe des Wassers möglichst viel Licht zu absorbieren. Bau und Funktion der Fotosysteme Wie und an welcher Stelle erfolgt bei der Fotosynthese die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie? Die verschiedenen Fotosynthesepigmente der Pflanzen sind an bestimmte Proteine in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten gebunden. Mehrere Hundert dieser Pigmentproteine sind jeweils zu einer funktionellen Einheit, einem Fotosystem, zusammengeschlossen. An der Fotosynthese sind zwei verschiedene Fotosysteme beteiligt, die sich in der Lage ihres Absorptionsmaximums unterscheiden. Sie arbeiten eng zusammen. In der Reihenfolge ihrer Entdeckung werden sie als Fotosystem I und Fotosystem II bezeichnet. Aufbau eines Fotosystems Jedes Fotosystem enthält ein besonderes Chlorophyll-a- Molekül. Es besteht aus einem zentral gebundenen Magnesium- Ion (Mg2+) in einem Prophyrring und einer hydrophoben Kohlenwasserstoffkette. Das Chlorophyll-a-Molekül bildet jeweils zusammen mit dem primären Elektronenakzeptor das Reaktionszentrum. Fotosystem I enthält eine Chlorophyll-a- Proteinberbindung mit einem Absorptionsmaximum bei 700 nm. Fotosystem Il besitzt ein ähnliches Molekül, dessen Maximum bei 680 nm liegt. Man bezeichnet daher das jeweilige Chlorophyll-a-Molekül auch als P0 bzw. P60. Der Huchstabe P steht dabei für die Abkürzung von Pigment. CH₂=CH CH3- H- CH3- H O-C o CH CH₂ SCH3 H -N N- Mg N N TH CH₂ H- CHI CO, CHỈ CH2 CHCH3 CH₂ 2CH₂ CH₂ CH3 CH₂ 12 CH₂ CH2 CHCH3 CH₂ 2 CH₂ R CHCH3 Licht absorbie- render Teil des Chlorophyll- -CH₂CH3 moleküls -H -CH3 Kohlenwasser- stoffkette des Chlorophyll- moleküls Neben dem Reaktionszentrum enthält jedes Fotosystem noch zahlreiche Pigment-Moleküle (Chlorophyll b und die Carotinoide), die an Proteine der Thylakoidmembranen gebunden sind. Sie bilden den sogenannten Antennenkomplex. Die verschiedenen Pigmente des Antennenkomplexes haben jeweils unterschiedliche Absorptionsmaxima. Daher kann ein Antennenkomplex Locht unterschiedlicher Wellenlängen absorbieren. Energietransfer im Fotosystem Durch die Lichtabsorption gelangen Fotosynthesepigmente in einen angeregten, energiereichen Zustand. Die Energie kann von einem Pigment-Molekül auf ein benachbartes Pigment-Molekül im Antennenkomplex übertragen werden, wenn dieses Licht in einem längerwelligen und damit energieärmeren Strahlungsbereich absorbiert. Es muss ein energetisches Gefälle zwischen den Fotosynthesepigmenten bestehen, da bei jeder Anegung eines Pigment-Moleküls etwas Energie in Wärme umgewandelt wird. Da im Antennenkomplex die Pigmentmoleküle von außen nach innen zunehmender Wellenlänge angeordnet sind, wird die Energie zu den weiter innen liegenden Pigment-Molekülen geleitet. Am Ende wird sie auf das Chlorophyll-a-Molekül im Reaktionszentrum des Fotosystems übertragen. Elektronenabgabe im Reaktionszentrum Das Chlorophyll-a-Molekül im Reaktionszentru, kann in angeregtem Zustand ein Elektron an den primären Elektronenakzeptor abgeben. Es wird dabei oxidiert, während der primäre Elektronenakzeptor reduziert wird. Lichtenergie wird damit in chemische Energie umgewandelt. Diese zentrale Reaktion der Fotosynthese findet also im Reaktionszentrum des jeweiligen Fotosystems statt. Antennen- komplex 640nm 650nm 660nm Reaktions- zentrum Licht- energie A 670 nm 678 nm P680 (e- A Stroma pH=8 Fotosystem P680 H₂O Forlyse Innenraum der Thylakoide pH-5 des wassers Licht 1/20₂ +20 Lichtreaktion/Primärreaktion Thylacoid membran Chemieosmotisches Modell III Licht Fotosystem ADP + P -NADP+ + 2H+ ATP (H rot 2,7 NADPH + H* benötigt für Sekundärreaktion →Elektronentransport Protonenfluss Die Fotosynthese besteht aus vielen einzelnen Reaktionsschritten, die sich zwei großen Abschnitten zuordnen lassen. Der erste Abschnitt umfasst die Vorgänge, bei denen die Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird. Man bezeichnet sie als lichtabhängige Reaktionen oder Primärreaktionen. Mithilfe der Energie des Lichts werden Wasser-Moleküle in Protonen und Elektronen gespalten. Bei dieser Fotolyse des Wassers wird Sauerstoff freigesetzt. Die Protonen und Elektronen werden über eine Elektronentransportkette auf den Akzeptor NADP+ übertragen, der dadurch zu NADPH + H+ reduziert wird. Bei dem Elektronentransport wird Energie frei, die dazu genutzt wird, ATP zu bilden. Die lichtabhängigen Reaktionen sind wie alle fotochemische Reaktionen nicht von der Temperatur anhängig. Sie finden an den Thylakoidmembranen des Chloroplasten statt. Wie stellt man sich nach dem chemieosmotischen Modell die ATP-Bildung in den lichtabhängigen Reaktionen vor? Im Verlauf der lichtabhängigen Reaktionen der Fotosynthese werden Elektronen von Wasser- Molekülen über die Fotosysteme II und I zu NADP+-Molekülen transportiert. Elektronentransport Bei der Bestrahlung mit Licht wird im Fotosystem II das Chlorophyll-Molekül Pim Reaktionszentrum angeregt, indem ein Elektron auf ein höheres Energieniveau gehoben wird. Das angeregte P-Molekül gibt dann ein Elektron an den primären Elektronenakzeptor ab und wird zum positiv geladenen Pac-Molekül. Ein mit dem Fotosystem Il verbundener Enzymkomplex spaltet Wasser-Moleküle in Protonen, Elektronen und Sauerstoff: H₂O -> 2 H + +26² + 습 02 Diese lichtabhängige Spaltung wird als Fotolyse des Wassers bezeichnet. Eines der beiden aus dem Wasser stammenden Elektronen wird auf ein P-Molekül übertragen, wodurch dieses wieder zu einem ungeladenen P-Molekül wird. Der primäre Elektronenakzeptor des Fotosystems Il gibt das Elektron an Plastochinon, ein Molekül der Elektronentransportkette, ab und wird dadurch sofort wieder zu einer neuen Elektronenaufnahme bereit. Auch im Fotosystem I bewirkt Licht eine Elektronenabgabe des Chlorophyll-Moleküls P‰ im Reaktionszentrum an seinen primären Elektronenakzeptor. Die entstandene Elektronenlücke am P‰˜-Molekül wird von Elektronen aufgefüllt, die über Plastochinon, den Cytochrom-b/f- Komplex und Plastocyanin vom Fotosystem II zum Fotosystem I geleitet werden. Auch der primäre Elektronenakzeptor des Fotosystems I gibt das aufgenommene Elektron sofort an weitere Moleküle der Elektronentranportkette weiter. Eines dieser Moleküle, Ferredoxin genannt, überträgt das Elektron auf ein NADP+-Molekül. Nacheinander durchlaufen die beiden Elektronen aus einem Wasser-Molekül die Elektronentransportkette. Zusammen mit zwei Protonen werden sie auf ein NADP+-Molekül übertragen. Dabei entsteht mithilfe des Enzyms NADP+-Reduktase ein NADPH+H+-Molekül: + NADP+ + 2 + 2H -> + NADPH + H Zusammengefasst fließen bei Belichtung Elektronen von Wasser-Molekülen zu NADP+- Molekülen. Der Elektronentransport verläuft linear und wird deshalb als nichtzyklischer Elektronentransport bezeichnet. Die treibende Kraft dafür ist Licht, das von den beiden Fotosystemen absorbiert wird. Bildung eines Protonengradienten Gibt ein Protein der Elektronentransportkette ein Elektron an ein anderes ab, wird Energie frei. Diese wird vom Cytochrom-b/f-Komplex genutzt, um Protonen aus dem Stroma in den Innenraum der Thylakoide zu pumpen. Gleichzeitig nimmt bei der Bildung von NADPH+H+ die Protonenkonzentration im Stroma ab, während sich durch die Fotolyse des Wassers die Protonenkonzentration im Thylakoidinnenraum und dem Stroma ein deutlicher Protonengradient. ATP-Bildung In der Thylakoidmembran sind ATP-Synthasen integriert. Diffundieren Protonen aufgrund des Konzentrations- und Ladungsgradienten durch den Kanal einer ATP-Synthase, kann das Enzym die in dem Protonengradienten gespeicherte Energie nutzen und eine Phosphatgruppe an ADP binden. Dabei entsteht ATP. Da nach diesen Modellvorstellungen die ATP-Bildung durch eine Kombination von Redoxreaktionen und Osmose, also der Diffusion der Protonen durch die Thylakoidmembran verursacht wird, spricht man vom chemieosmotischen Modell. Treibende Kraft für die ATP-Bildung ist die Energie des Sonnenlichts, daher nennt man diese Form der ATP-Bildung auch Fotophosphorylierung. Zyklischer Elektronentransport Pflanzen können unter bestimmten Bedingungen den Elektronentransport umleiten. Die von den angeregten P-Molekülen abgegebenen Elektronen werden dabei vom Ferredoxin aus auf den Cytochrom-b/f-Komplex übertragen und erneut über die Elektronentransportkette zum Fotosystem I transportiert. Dabei werden auch Protonen in den Thylakoidinnenraum gepumpt und ATP gebildet. Diesen Verlauf des Elektronentransports nennt man zyklischen Elektronentransport. 2H20 +2NADP+ 3ADP + 3P 02 +2 NADPH+ 2H² +3 ATP + Reduktion: 2 NADP+ 4e¯ + 4H² *—> 2 NADPH+2H* (Auch NADPH2 genannt) Oxidation: 2 H20-²02 + 4H²+ 45 Fotosystem I und II absorbieren Licht Info: Insgesamt werden 12 NADPH2 (Reduktionsäquivalente) und 18 ATP zur Herstellung eines Glucosemoleküls benötigt Fotolyse des Wassers 1/2 02 abgespalten Verbindet sich mit anderem zu 02 ↓ Reaktionsgleichung Lichtreaktion Diffundiert nach draußen Chemiosmose 2 H+ Lichtenergie 8 Photonen Chlorophyll a wird angeregt Elektronenlücke entsteht< 2 Elektronen füllen die Lücke Protonengradient ↓ Dient der ATP Bildung an der ATP-Synthase Î 2 Elektronen werden auf primären Elektronenakzeptor übertragen Nutzung der Energie aus dem Protonengradienten Mit dieser Energie werden H+ aus Stroma in Thylakoidinnenraum gepumpt Es entsteht NADPH+H+ Sie durchlaufen die Elektronentransportkette Kette von Redoxsystemen ↓ Elektronen geben Schrittweise Energie ab ↓ Am Ende der Redoxkette: Redoxreaktion Übertragung der Elektronen auf NADP+ relative Fotosyntheserate ਖ਼ਮੀ Licht der aus Licht der aus Wellenlänge 680 nm Licht der Wellenlänge 700 nm 2 Experiment von EMERSON aus Wellenlänge 680 + 700 nm Zeit 1. EMERSON-Effekt. Der Biochemiker ROBERT EMERSON führte im Jahr 1957 Untersuchungen zur Fotosyntheserate bei Belichtungen mit Licht unterschiedlicher Wellenlän- gen durch (Abb. 2). a) Beschreiben Sie die Versuche EMERSONS sowie seine Beobachtungen. b) Belegen Sie anhand von Abb. 2, dass die Fotosysteme I und II bei den Primärreaktionen zusammenarbeiten. 2. Versuche planen: Herkunft des Sauerstoffs. Lange Zeit war unklar, ob der Sauerstoff, der bei der Fotosyn- these freigesetzt wird, aus dem Kohlenstoffdioxid (Hypo- these 1) oder aus dem Wasser (Hypothese 2) oder aus beiden stammt (Hypothese 3). Mithilfe von Isotopen konnte eine Klärung dieser Frage herbeigeführt werden. Planen Sie in Grundzügen Versuche, mit denen die Hypo- thesen geprüft und die Frage widerspruchsfrei beantwor- tet werden kann. Ihnen stehen Wasser und Kohlenstoff- dioxid zur Verfügung, die ausschließlich das Sauerstoff- isotop 180 gebunden haben. Gehen Sie vereinfachend da- von aus, dass normales Wasser und Kohlenstoffdioxid nur 160 enthalten. Zur Analyse wird ein Massenspektrometer verwendet, mit dem das Isotop 180 nachgewiesen werden kann. Beobachtung: das Licht der einzelnen Wellenlängen führt zu einer recht geringen Fotosyntheserate die Kombination aus beiden sorgt für eine sehr hohe Rate •1 → P700; 11 →→ P680 > Nur durch Zusammenarbeit ist volle Leistung möglich > beide Fotosysteme haben ihr Wellenlängenoptimum und nur zusammen können sie beide Wellenlängen des Lichts verarbeiten => Hypothese 2 muss richtig sein Wichtig: Pflanze braucht für Fotosynthese beides, deshalb Isotope für den Nachweis CO2 (018) + Wasser (016) hinzugeben in begrenztem Raum, Messgerät muss zeigen, ob sich 018 bildet umgekehrt: Wasser (018) + CO2 (016) Messgerät 3 beides mit 018 →→ Messgerät 3. Experimente von JAGENDORF und URIBE. Um 1960 gab es verschiedene Hypothesen zur Energieumwandlung bei der Fotosynthese. Eine Hypothese ging davon aus, dass das ATP über chemische Reaktionen im Stroma der Chlo- roplasten, gebildet wird. Die zweite Hypothese ging davon aus, dass an Membranen ein Protonengradient entsteht, dessen Kraft zur ATP-Bildung führt. Die Wissenschaftler ANDRÉ JAGENDORF und ERNEST URIBE führten zur Untersuchung der ATP-Bildung in Chloroplas- ten 1965 u. a. folgende Versuche durch: Experiment 1: Isolierte Thylakoide wurden in eine Lösung gegeben und der pH-Wert bei Belichtung und bei Dunkel- heit gemessen. Schaltete man das Licht an, so stieg der pH-Wert der Lösung auf pH 8 an. Der pH-Wert im Thylako- idlumen sank auf einen pH-Wert von 4. Nach dem Aus- schalten des Lichts sank der pH-Wert in der Lösung all- mählich. Der pH-Wert im Lumen der Thylakoide stieg hingegen langsam an. Experiment 2: siehe Abb. 3. Die Flüssigkeit in den Thylakoiden hatte zu Beginn der je- weiligen Experimente den Wert von pH 7. Sämtliche Er- gebnisse ließen sich nur erzielen, wenn die Thylakoid- membranen intakt waren. a) Beschreiben Sie anhand von Abb. 3 das Experiment von ANDRÉ JAGENDORF und ERNEST URIBE. b) Werten Sie die Experimente 1 und 2 im Zusammen- hang aus (Abb. 3). C) Begründen Sie, weshalb die Hypothese, dass das ATP über chemische Reaktionen im Stroma der Chloroplasten gebildet wird, nicht bestätigt werden konnte. der pH-Wert in den Thykaloiden und steigt in der Pufferlösung. Im Dunkeln wird keine Lichtreakion mehr betriben und das ganze dreht sich um. Chemiosmotisches Modell Experiment 2: COG 000 pH 4 (2) pH 4 b) hat die Flüssigkeitder Thylakoide einen niedrigen pH-Wert, so enthält sie ein hohes Maß an Protonen. Die Pufferlsöung drum herum hat hingegen einen hihen pH-Wert und wenig Protonen. Es ist somit ein Protonengradient vorhanden. Die Protonen wollen diesen ausgleichen und strömen durch die ATP- Synthase aus dem Thylakoidinneren in die Pufferlösung, wobei ATP gebildet wird. Das Licht ist bei diesem Versuch nicht relevant, da schon ein Protonengradient durch die unterschiedlichen pH- Werte besteht. Für Experiment I 3 Hingegen ist das Licht wirchtig, um den Protonengradient zu bilden, denn durch das Licht wird in den isolierten Thylakoiden die Lichtreaktion betrieben, bei der Protonen aus der Pufferlösung in den Thylakoidinnenraum gepumpt werden. So sinkt pH 8 J Info: niedriger pH-Wert bedeutet viel H+, hoher pH-Wert bedeutet wenig H+ Abb.1 Jagendorf-Experiment mit isolierten Thylakoiden ADP + P₁ ATP Beweis: für ATP- Synthese ist kein Licht notwendig, nur der Protonengradient -1,2- -1,0- -0,8- -0.6+ -0,4- - 0₁2- 0- +0,2+ +94 + +0,6- +0,8+ +1,0 Fotolyse des Wassers Licht H₂0 2H*+1¹/20₂ 2e Energetisches Modell Elektronen-Transport tette mmm Energie zur ATP- Bildung Fotosystem 11 Fotosystem | Elektronen-Transport kette IV NADP++ 2H+* Wie stellt man sich die ATP-Bildung nach dem energetischen Modell vor? Licht 2e NADPH +H In den lichtabhängigen Reaktionen der Fotosynthese werden Elektronen über eine Elektronentransportkette von Wasser-Molekülen zu NADP+-Molekülen transportiert. Berücksichtigt man die Redoxpotentiale der beteiligten Redoxsysteme, zeigt die grafische Darstellung des Elektronentransport eine Zickzack-Form. Man spricht daher auch vom 2- Schema. Redoxsysteme und Redoxpotentiale Die Elektronentransportkette setzt sich aus mehreren Redoxsystemen zusammen, die sich in den Thylakoidmembranen befinden. Dazu gehören Plastochinon, Plastocyanin und der Cytochrom-b/f-Komplex (Namen sind nicht wichtig). Die Bereitschaft eines Redoxsystems, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben, wird durch das Redoxpotential beschrieben. So haben Moleküle mit einem niedrigen Redoxpotential ein hohes Bestreben, Elektronen. abzugeben. Solche mit einem hohen Potential neigen stärker zur Elektronenaufnahme. Elektronen können nur von einem Redoxsystem an ein anderes abgegeben werden, wenn das Redoxpotential des elektronenaufnehmenden Redoxsystems positiver ist als das des elektronenabgebenden Redoxsystems. Durch die Absorption von Licht wird der Wert des Rdoxpotentisls der Chlorophyll-a-Moleküle in den Reaktionszentren der Fotosysteme I und Il negativer. Es verändert sich zum Beispiel bei Po von +0,81 V auf -0,8 V im angeregten Zustand P* (genaue Zahlen sind nicht wichtig). Dadurch wird die Bereitschaft des Chlorophyll-Moleküls, Elektronen abzugeben, stark erhöht. So kann ein Elektron an den primären Elektronenakzeptor mit seinem positiveren Redoxpotential weitergeleitet werden. Durch die Elektronenabgabe wird das P-Molekül zum Po-Molekül. Dieses nun positiv geladene Molekül hat ein hohes Bestreben, Elektronen aufzunehmen. Sein Redoxpotential ist positiver als das des Wassers. So können Elektronen von Wasser-Molekülen auf Post-Moleküle übertragen werden und dort die Elektronenlücke auffüllen. Der Wert des Redoxpotentials des Chlorophyll-a-Moleküls Pz verändert sich durch die Lichtabsorption von +0,45 V auf -0,9 V. Das Redoxpotential von NADP+/NADPH+H+ hat einen Wert von -0,32 V. Aufgrund dieses Gefälles können Elektronen über den primären Elektronenakzeptor und Ferrodoxin zu NADP+-Molekülen fließen und diese reduzieren. Energiefreisetzung Bei der Elektronenabgabe von einem Redoxsystem an ein anderes wird Energie freigesetzt. Je größer die Differenz zwischen den Redoxpotentialen der Redoxsysteme ist, um so mehr Energie wird frei. In der Elektronentransportkette wird zwischen den Fotosystemen I und II bei der Elektronenabgabe duech den Cytochrom-b/f-Komplex so viel Energie freigesetzt, dass ATP aus gebildet werden kann. Da das Redoxsystem NADP+/NADPH+H+ ein negativeres Redoxpotential besitzt als das Redoxsystem H20/02, findet der Elektronenfluss von den Wassermolekülen zum NADP+ nicht freiwillig statt! Durch Lichtenergie wird Chlorophyll a (P680) im Reaktionszentrum des Fotosystems II angeregt Fotolyse des Wassers Elektronen aus Wasser füllen Elektronenlücke Zum Schluss werden die Je größer die Differenz zwischen den Redoxpotentialen der Redoxsysteme, umso mehr Energie wird frei Elektronen auf NADP+ übertragen und reduzieren لے۔ dieses zu NADPH+H+ Im Fotosystem Il werden die Elektronen so auf ein -> Redoxpotential von -0,8 Vangehoben Es entsteht eine Elektronenlücke im P680 Bei der Elektronenabgabe von einem Redoxsystem an ein anderes wird Energie freigesetzt Diese wird teilweise für die Bildung von ATP aus ADP+P genutzt und teilweise als Wärme freigesetzt -> Im Reaktionszentrum des Fotosystems I wird Chlorophyll a durch Licht angeregt und seine Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben, sodass sie auf eine weitere Elektronentransportkette übertragen werden können Bereitschaft des Chlorophyll-a- Moleküls, Elektronen abzugeben wird erhöht Elektronen werden auf primären Elektronenakzeptor übertragen Sie durchlaufen die Elektronentransportkette Es entsteht eine Elektronenlücke im V P700, die durch Elektronen aus der ersten Elektronentransportkette gefüllt wird Auch diese Elektronen werden durch Licht auf ein höheres Energieniveau gehoben und durchlaufen die zweite Transportkette 2. Zyklischer Elektronentransport. Bei starker Sonnen- a) einstrahlung kann es zu einem Mangel an NADP kom- men, da sehr viele Elektronen die Elektronentransportket- te durchlaufen. Die Pflanze kann in diesem Fall den Elektronentransport umstellen. a) Vergleichen Sie den zyklischen Elektronentransport mit dem nichtzyklischen Elektronentransport (Abb. 1, 3). Berücksichtigen Sie dabei auch die Bildung von ATP, Sau- - beim zyklischen durchlaufen die Elektronen erstoff und NADPH+H*. dasselbe nochmal: sie werden am Fotosystem I b) Erklären Sie die Bedeutung des zyklischen Elektro- nentransports für die lichtabhängigen Reaktionen der Fo- wieder auf ein höheres Energienieveau gebracht tosynthese. Energieniveau/Redoxpotential in Volt 1,2 - 1,0 - 0,8 - 0,6 e -0,4 -0,2 0 + 0,2 +0,4 +0,6 +0,8 + 1,0 3 Zyklischer Elektronentransport hergestellt b) der zyklische Elektronentransport setzt ein, sobald zu viel Sonneneinstrahlung auf die Fotosysteme trifft, denn mit zu viel Licht werden zu viele Elektronen freigesetzt und zu viel NADP+ umgewandelt. So kann das Blatt kaputt gehen. Durch den Zyklus allerdings werden die Elektronen in der Transportkette sozusagen gefangen und die NADP+-Reserven werden geschont. Es ist somit eine Hemmreaktion des Blattes, bei de die Bildung von Glucose gestoppt wird und die Pflanze vor der hohen energetischen Last des Lichtes geschützt. Fotosystem I Elektronen-Transportkette P700 (ADP+P) ATP beim zyklischen wird kein NADP+ in NADPH+H+ umgewandelt bei beiden entsteht aus ADP und P ATP Licht 111 und in die Transportkette eingeschleust - Auch der Sauerstoff wird bei beiden ZPhosphat Calvin-Zyklus/Sekundärreaktion/Dunkelreaktion (RuBP) Ribulose 1,6 Biphosphat 2x 63P 1 0-0-0-0-0-0 GIUCOSE ATP Ribulose-5-phosphat (RUSP) 60-0-0- 120 (ADP) 10X 63P 12 Phosphat & O-O Glycerinaldehyd 3 Phosphat (GBP) 12 NADP¹4 12 NADPH+H Oxidation Prase der Re- generation des CO₂ Aktzeptors 0-0-0-0-0 CS-Körper Phase der kohlenstoffixierung CALVINZYKLUS Phase der Reduktion & Glucosebildung 120 Reduk 1,3 Biphosphoglycerat (BPG) tion Rubisko I 0.00.0 C6-Körper 3 Phosphoglycerat (PGS) ATP ADP Im zweiten Abschnitt werden die zuvor gebildeten Moleküle NADPH + H+ und ATP genutzt, um Kohlenstoffdioxid zu reduzieren und mithilfe von Enzymen Glukose aufzubauen. Da diese Reaktionen nicht direkt von Licht abhängig sind, werden sie als lichtunabhängige Reaktionen oder auch Sekundäreaktionen bezeichnet. Sie finden im Stroma der Chloroplasten statt und sind wie alle enzymatischen Reaktionen temperaturabhängig. Der Calvin-Zyklus ist in drei Phasen geteilt: Die Phase der Kohlenstofffixierung, die Phase der Reduktion und der Bildung von Glucose und die Phase der Regeneration des CO2-Akzeptors. Zu Beginn der Kohlenstofffixierungsphase stehen 6 C5-Körper Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP). An diese wird über das Enzym Rubisco jeweils ein Co2-Molekül gebunden, sodass 6 C6-Körper entstehen. Diese sind sehr instabil und zerfallen in C3-Körper, 3-Phosphoglycerat (PGS). Diese gehen in die Phase der Reduktion und der Bildung von Glucose ein. Dabei wird mithilfe von ATP aus der Lichtreaktion das PCS auf ein höheres Energienieveau gehoben, indem jeweils eine Phosphatgruppe an die Moleküle bindet. Aus 12 ATP entstehen 12 ADP und PGS wird zu 1,3-Bisphophoglycerat (BPG). Als nächstes übertragen 12 NADPH+H+, die ebenfalls in der Lichtreaktion entstanden sind, ihre Elektronen auf die 12 BPG-Moleküle (C3-Körper). Zusätzlich spaltet jedes BPG-Molekül eine Phosphatgruppe ab. So wird BPG zu G3P (C3- Körper) reduziert und es entstehen 12 NADP+ und 12 P. Unter Abspaltung der jeweils übrig gebliebenen Phosphatgruppe verbinden sich zwei dieser G3P-Moleküle zu einem Glucose- Molekül (C6-Körper). Die anderen 10 G3P-Moleküle gehen in die Phase der CO2-Akzeptor- Regeneration über. Hier werden die C3-Körper zu C5-Körpern, Ribulose-5-phosphat (Ru5p) umgewandelt. Mithilfe von 6 ATP aus der Lichtreaktion wird aus den Vorstufen 6 Ribulose-1,5- bisphosphate (RuBP) gebildet, die nun wieder für die Phase der Kohlenstofffixierung bereitsteht. Reaktionsgleichung: 6CO2 + 12 NADPH+12H+ + 18ATI C6H12O6 + 12 NADP+ +18 ADP + 18P (+6H₂0) 2. Experiment mit Grünalgen zum Calvin-Zyklus. a) Werten Sie die Ergebnisse des Experiments in Abb. 2 unter Bezug auf die Hypothesen aus. Begründen Sie das Versuchsergebnis mithilfe ihrer Kenntnisse über den Calvin-Zyklus. b) Entwerfen Sie ein Abb. 2 entsprechendes Diagramm über den Konzentrationsverlauf von PGS und RuBP, wenn durchgängig genügend Licht vorhanden ist, jedoch beim Übergang von Phase I zu Il das Kohlenstoffdioxid dem Wasser entzogen wird. a) Hypothese I ist richtig. Das Licht hat Einfluss auf die Konzentration der beiden Zwischenprodukte: Bei Dunkelheit steigt die Konzentration von PGS und die von RuBP sinkt. Denn wenn in der Lichtreaktion kein ATP und kein NADPH+H+ mehr hergestellt werden kann, ERKENNTNISGEWINNUNG NACHVOLLZIEHEN Hypothese Der Wechsel vom Licht zum Dunkel hat 1) Einfluss auf die Konzentration wichtiger Zwischen- produkte des Calvin-Zyklus 2) keinen Einfluss darauf. Durchführung In einem Versuchansatz werden Grünalgen in Wasser mit reichlich Kohlenstoffdioxid gehalten. Mit einer be- sonderen Vorgehensweise kann der zeitliche Verlauf der Konzentration von 3-PGS und von RuBP verfolgt werden. Ergebnisse relative Konzentration an PGS und RuBP → Phase I Licht Licht aus 2 Versuch mit Grünalgen zum Calvin-Zyklus Phase II Dunkel Zeit PGS RuBP so entsteht aus PGS kein RuBP mehr. Die Reaktion von RuBP zu PGS ist hingegen unabhängig von ATP und NADPH+H+. b) PGS RuBP. Phase I mit CO2 Phase 2 ohne CO2 Fotosynthese insgesamt 6 H₂O + 6CO2 + Lichtenergie 602 + C 6 H 12 06 Bei der Fotosynthese bauen Pflanzen mithilfe der eingefangenen Lichtenergie aus Wasser und Kohlendioxid energiereichen Traubenzucker auf. Als Abfallstoff fällt bei diesem Vorgang Sauerstoff an. Je nach Bedarf verbrauchen die Pflanzen dann den Traubenzucker für die Aufrechterhaltung der eigenen Lebensvorgänge, die stets mit Energieaufwand verbunden sind, oder sie bauen ihn in eine Speicherform (Stärke) um. Die Fotosynthese findet in zwei Schritten statt: - In der Lichtreaktion wird die Lichtenergie eingefangen und in energiespeichernde Stoffe überführt (ATP und NADPH+H+) - in der Dunkelreaktion wird mit der Energie von ATP und NADPH+H+ der energiereiche und stabile Traubenzucker aufgebaut Granum Lichtreaktion Licht Chlorophyll 12 H₂O Energie 12 H₂O 24 H 18 ATP 18 ADP +18 P 60₂ 12 NADPH+H*, 12 NADP+ I Stroma | Dunkelreaktion 12 C3-Körper Vereinfachte Darstellung der Fotosynthese in einem Chloroplasten Calvin-Zyklus 6 Cs-Körper 6 CO₂ 6 H₂O -C6H12O6 4. Das Zusammenwirken verschiedener Komponen- ten bei der Fotosynthese. Chloroplasten lassen sich experimentell in die Fraktion der Thylakoidmembranen und in die Fraktion des Stromas trennen. Abb. 3 zeigt fünf Versuchsansätze (I bis V) in Reagenzgläsern bei 25 °C mit jeweils unterschiedlicher Kombination von Thylakoid- membranen, Stroma, Licht sowie von außen hinzugefüg- tem ATP und NADPH+H. In allen Reagenzgläsern befand sich genügend Kohlenstoffdioxid. (Lesebeispiel: Versuchs- ansatz Il enthält im Regenzglas neben Kohlenstoffdioxid die Fraktion der Thylakoid membranen. Das Reagenzglas wurde belichtet.) Jeder dieser fünf Versuchsansätze wur- de daraufhin untersucht, ob es im Reagenzglas zur Bil- dung von ATP, von NADPH+H* und von Glucose kommt. Entwerfen Sie für jeden der Versuche | bis V Hypothesen über die zu erwartenden Versuchsergebnisse. Begründen Sie ihre Hypothesen. +CO₂ Vi 11 +CO₂ } +CO₂ IV +CO₂ +ATP +NADPH +H* V +CO₂ +ATP +NADPH +H* wässrige Thylakoid- Fraktion wässrige Stroma- Fraktion 3 Versuchsanordnung zum Zusammenwirken verschiedener Bestandteile bei der Fotosynthese I -> alles drei entsteht, Licht → Thylakoide -> ATP + NADPH + H+ -> Stroma → Glucose : nur ATP und NADPH+H+ denn kein Stroma. || für Dunkelreaktion. 111: nichts entsteht, denn kein Thyla koid. für Licht reaktion. ATP und Licht IV: Glucose entsteht, aber kein eigenes NADPH + H+ selbes wie bei IV, denn Licht nicht notwendig Abhängigkeit der Fotosynthese Gesetz des limitierenden Faktors: Hängt ein Prozess von mehreren Faktoren ab, so kann seine Intensität nur durch denjenigen Faktor gesteigert werden, der jeweils ein Minimum ist und daher begrenzend wirkt. Lichtintensität: - im Dunkeln/ bei zu schwachen Licht ist die Lichtreaktion nicht möglich, sodass kein ATP und kein NADPH+H+ entstehen und damit auch das PGS im Calvin-Zyklus nicht reduziert werden kann - Stillstand der Fotosynthese, es findet nur noch Zellatmung statt CO2 Aufnahme Fotosynthese zellatmung Sonnenpflanze Schaltenpflanze Lichtintensitat Lichtkompensationspunkt: - CO2 Aufnahme und Abgabe gleichen sich aus (Fotosynthese und Zellatmung) der Punkt, an dem die Kurve die Abszisse schneidet - oberhalb des Lichtkompensationspunktes liegt der Kohlenstoff-Nettogewinn vor Lichtsättigungspunkt: - weitere Steigung hätte keine Auswirkung mehr auf die Fotosynthese (dann limitiert die CO2- Konzentration die Fotosyntheserate) Der Lichtkompensationspunkt und der Beginn der Lichtsättigung unterscheiden sich bei Sonnen- und Schattenpflanzen, aber auch bei Sonnen- und Schattenblättern ein und derselben Pflanze. Bei Schattenpflanzen liegt dieser Kompensationspunkt bei viel niedrigeren Lichtintensitäten. Sie können also schon bei viel schwächerem Licht CO2 aus der Umgebung aufnehmen und effektive Fotosynthese betreiben, dabei bleibt die maximale Fotosyntheserate niedriger, auch wenn man ihnen mehr Licht gibt, als sie normalerweise haben (Angepasstheit). Temperatur: - RGT-Regel (Bei 10 Grad mehr verdoppelt sich die Enzymaktivität - Q-Wert) - je höher die Temperatur, desto mehr FS - ab gewisser Temperatur Denaturierung de Enzyme-FS sinkt - Optimumskurve CO2-Konzentration: - je mehr CO2, desto höher die Fotosyntheserate - bildet an natürlichen Standorten begrenzenden Faktor (bei optimaler Temperatur und Lichtstärke), da CO2 Konzentration konstant 02 Abgabe 0 Temperaturoptimum 10 20 30 40 50 8 CO₂ Gehalt der Luft 60 Temperatur Lichtqualität: Nur bestimmte Lichtwellen werden von den Pigmenten in der Thylakoidmembran absorbiert und somit die für die Fotosynthese nutzbar gemacht (Ca. Licht der Wellenlänge 400-450 nm und 600-700 nm) Gesetz des begrenzenden Faktors (Justus von Leibig 1803-1873) Hängt ein Prozess von mehreren Faktoren ab, so kann seine Intensität nur durch denjenigen Faktor gesteigert werden, der jeweils im Minimum ist und daher begrenzend wirkt. Der begrenzende Faktor wird auch limitierender Faktor genannt. Die wichtigsten limitierenden Faktoren sind bei der Fotosynthese die Beleuchtungsstärke, die Temperatur und die Kohlenstoffdioxidkonzentration. Sonnen- und Schattenblätter Blätter aus der Krone einer Buche sind dem vollen Sonnenlicht ausgesetzt. Diese Blätter sind wesentlich kleiner und dicker als solche aus dem inneren und unteren Bereich der Baumkrone. Die Sonnen- und Schattenblätter unterscheiden sich auch im inneren Aufbau und ihrer Stoffwechselaktivität. Die Differenzierung in den jeweiligen Blatttyp wird durch die Lichtintensität bestimmt, die während der Blattentwicklung auf die Knospen trifft. Anatomische Unterschiede Sonnenblätter bilden zumeist ein mehrschichtiges Palisadengewebe mit vielen Chloroplasten aus, Schattenblätter haben dagegen ein reduziertes Palisadengewebe mit großen Zellen und wenigen Chloroplasten. Physiologische Unterschiede Die beiden Blatttypen unterscheiden sich auch hinsichtlich ihrer Fotosyntheseleistung. Sonnenblätter erreichen ihre Lichtsättigung bei höheren Lichtintensitäten als Schattenblätter. Sie sind also im Starklicht fotosynthetisch leistungsfähiger als Schattenblätter und erzielen eine höhere Nettofotosyntheserate als diese. Sonnenblatt (Aufsicht) Schattenblatt (Aufsicht) Sonnenblatt (Querschnitt) • geringe Blattoberfläche • größere Blattdicke Schattenblatt (Querschnitt) Sonnenblatt: • mehrschichtiges Palisadengewebe • Viele Chloroplasten Viel Licht durchflutet das Blatt, daher wird keine große Blattoberfläche benötigt, um das Licht einzufangen. Mit viel Licht kann außerdem viel Fotosynthese betrieben werden, dafür werden viel fotosynthetisches Gewebe und viele Chloroplasten gebraucht, daraus folgt auch die große Blattdicke Schattenblätter sind dagegen im Schwachlicht im Vorteil. Sie erreichen bereits bei sehr geringen Lichtintensitäten den Lichtkompensationspunkt und somit eine positive Nettofotosyntheserate. Sonnen- und Schattenpflanzen Die Gesamtfotosyntheseleistung einer Buche wird dadurch gesteigert, dass sie über verschiedene Blatttypen verfügt, die unterschiedliche Lichtintensität nutzen können. Vergleichbare Angepasstheiten wie bei den Blättern findet man auch bei Sonnen- und Schattenpflanzen. Dann ist der ganze Organismus an sonnige oder schattige Standorte angepasst. CO₂-Aufnahme Fotosyntheserate in rel. Einheiten CO₂-Abgabe Sonnenblatt L, Schattenblatt L, Lichtintensität in rel. Einheiten K, und K; Lichtkompensationspunkte L, und L Lichtsättigung 4 Einfluss der Lichtintensität auf die Fotosyntheseleistung bei Sonnen- und Schattenblättern Schattenblatt: • reduziertes Palisadengewebe mit großen Zellen • wenige Chloroplasten große Blattoberfläche • dünneres Blatt Da die Schattenblätter im unteren Bereich der Baumkrone deutlich weniger Licht erreicht, brauchen sie eine große Blattoberfläche, um die Chance zu steigern, dass Licht eingefangen wird. Die geringe Lichtintensität führt auch dazu, dass weniger fotosynthetischaktives Gewebe und weniger Chloroplasten von Nöten sind, sie wären sonst ein zu hoher Energieaufwand. Dies ist auch die Ursache für die geringe Blattdicke. •Sonnenblätter erreichen ihre Lichtintensität bei höheren Lichtintensitäten • Schattenblätter dagegen erreichen bereits bei sehr geringen Lichtintensitäten den Lichtkompensationspunkt und haben bereits sehr früh eine positive Nettobilanz => Sonnenblätter im Vorteil bei viel Licht => Schattenblätter im Vorteil bei wenig Licht Guttation Ausscheidung von flüssigem Wasser übe sogenannte Waserspalten an den Blattzipfeln, verursacht durch Wurzeldruck. Wird Xylemsaft genannt und meist mit Tautropfen verwechselt Transportwege innerhalb der Pflanze • Wassertransport innerhalb der Pflanze über Leitbahnen, die in Leitbündel zusammengefasst sind (von Wurzelspitze über Sprossachsen bis in die Blätter) • Oberflächenvergrößerung durch Wurzelhaare - begünstigt Aufnahme von Wasser und Mineralsalzen Xylem Struktur: • Gewebe mit abgestorbenen, langgestreckten, hohlen Zellen, die übereinander Liegen • Querwände sind zum Teil aufgelöst (sodass lange Leitungsbahnen entstehen) Funktion: • Leitung von Wasser und Mineralsalzen bis in die Blätter Phloem Struktur: • besteht aus lebenden Zellen, deren Querwände siebartig durchbrochen sind (auch Siebröhren genannt) Funktion: • Transport von in Saccharose umgewandelter Glukose von der Quelle (Fotosyntheseorte) zur Senke (Orte des Bedarfs oder der Speicherung) Source-and-Sink-Modell L> Zusammenhang von Wassertransport im Xylem und dem Transport der Assimilate im Phloem Xylem: passiver Wassertransport durch Diffusion Phloem: aktiver Transport von Saccharose (bzw. Glucose) unter Energieverbrauch in jede Zelle der Pflanze Xylem Н.О H₂O 4 Source-and-Sink-Modell Phloem Siebröhre Ood BARCE Source-Zelle -H₂O Saccharose Sin<-Zelle Saccharose 1. Produktion von Glucose und Umwandlung zu Saccharose in Source-Zelle. 2. Transport in Siebröhre des Phloems entgegen des Konzentrationsgradienten unter ATP- Verbrauch. 3. Einstrom von Wasser aus Xylem ins Phloem durch Osmose (als Transportmittel). 4. Aktiver Transport unter ATP-Verbrauch in Sink-Zelle (für Früchte oder Wurzeln). 5. Wasser strömt zurück ins Xylem. Kontrolliert irreführend, wegen cuticularer Transpiration (Kontrollierte) Abgabe von Wasserdampf durch die Blätter und ihre Spaltöffnungen (Stomata) Wird Wasser über die Blätter abgegeben, wird durch die Wurzeln Wasser nachgezogenen Sieht aus wie Tautropfen Abgabe von flüssigem Wasser in der Nacht Spaltöffnungen: Wasser Abgabe und CO2 Aufnahme Funktion: Transport von Fotosyntheseprodukten (Glucose) von der Quelle zu dem Orstbedarf oder der Speicherung (Senke) Gelangt Luft in die Wurzeln kommt es zur Embolie, die Leitung verstopft Wasserabgabe allgemein Transpiration Gutation Selektiver Transport - Casparischer Schutzfilm - Schutzchicht Struktur: lebende Zellen, deren Querwände siebartig durchbrochen sind (Siebröhren) Kapillareffekt Oberflächenvergrößerung Pfloem Leitbündel- Xylem Source-and-sink-Modell Im Winter fallen die Blätter, um den Baum vor dem Frost zuschützen. Die Transpiration kann nicht mehr stattfinden und die Wasserpumpe kommt zum erliegen. Im Frühling muss dann der Baum aus eigener Kraft das Wasser wieder zu den Blättern pumpen, bis diese nachgewachsen sind und die Transporation wieder als treibende Kraft wirken kann Struktur: abgestorbene, langgestreckte, hohle Zellen, die übereinander liegen; Querwände sind zum Teil aufgelöst Hupoton: mit vermindertem Druck Endodermszellen Hyperton: höherer osmotischer Druck Wasseraufnahme Wurzelhaarzellen Funktion: Leitung von Wasser und Mineralsalzen in die Blätter Zwischendurch: aktiver Transport, dann Osmose in Leitbündel Konzentrationsgefälle der Mineralsalzionen Osmose Wenn Wurzeln trockener sind als der Bonden, dringt über das Konzentrationsgefälle Wasser ein Regulation von Fotosynthese und Transpiration Wie regulieren Pflanzen ihre Transpiration und ihre Kohlenstoffdioxidaufnahme? Pflanzen benötigen Wasser für verschiedene Stoffwechselprozesse sowie als Lösungs- und Transportmittel. Es ist damit eine wachstumsbegrenzende Ressource. Der Wassergehalt des Blattgewebes ist in der Regel höher als der in der umgebenden Luft. Wasser verdunstet daher und diffundiert asl Wasserdampf aus den Interzellularen in die umgebende Luft. Dieser Vorgang wird als Transpiration bezeichnet. Infolge der Wasserdampfabgabe fließt Wasser aus den umgebenden Zellen und dem Leitbündel nach. So entsteht in den Wasserleitungsbahnen ein Unterdruck, der sich bis in die Wurzeln fortsetzt. Durch diesen Transpirationssog werden Wasser und darin gelöste Mineralstoffe in die Blätter transportiert. Bei der Transpiration unterscheidet man verschiedene Arten: Bei der cuticulären Transpiration verliert das Blatt Wasserdampf über die gesamte Blattoberfläche. Ihr Ausmaß wird im Wesentlichen von der Dicke der Cuticula bestimmt. Der größere Teil der Transpiration erfolgt über die Spaltöffnungen, die Stomata. Diese stomatäre Transpiration kann im Gegensatz zur cuticulären Transpiration von der Pflanze reguliert werden. Regulation der Transpiration Jede Spaltöffnung wird von zwei bohnenförmigen Schließzellen, die Chloroplasten enthalten, umschlossen. Bei einer guten Wasserversorgung der Pflanze werden mithilfe von lonenpumpen Kalium-Ionen aus den benachbarten Epidermiszellen in die Schließzellen transportiert. Daraufhin strömt das Wasser osmotisch nach, sodass sich das Volumen der Schließzellen sind verdickt. Nur die Rückwand und der mittlere Bereich der Bauchwand sind unverdickt. Strömt Wasser in eine Schließzelle ein, wird ihr unverdickte Rückwand gedehnt. Infolgedessen wird die weniger elastische Bauchwand nach hinten gezogen, sodass sich die Spaltöffnung zwischen den Schließzellen vergrößert. I ehrt führt ein Wasserverlust zu einer Volumenabnahme der Schließzellen. Als Folge bewegen sich die Bauchwände aufeinander zu und die Spaltöffnung verkleinert sich. Durch Licht und eine niedrige Kohlenstoffdioxidkonzentration in den Interzellularen werden die Kalium-Ionenpumpe aktiviert, sodass sich die Stomata öffnen und Kohlenstoffdioxid einströmt. Nun kann Fotosynthese stattfinden. Geöffnete Stomata haben allerdings eine erhöhte Transpirationsrate zur Folge. Bei hohem Wasserverlust der Schließzellen werden die Spaltöffnungen geschlossen und damit ein Austrocknen der Pflanze verhindert. Dadurch kommt jedoch die Fotosynthese zum Erliegen. Die Regulation der stomatären Transpiration macht einen Kompromiss zwischen Transpiration und Fotosynthese möglich. Osmose Bei der Osmose findet eine Diffusion von Molekülen durch eine semipermeable Membran aufgrund eines Konzentrationsunterschieds der Substanzen auf beiden Seiten der Membran. Das Lösungsmittel diffundiert so lange in das Kompartiment, bis ein Konzentrationsausgleich erreicht ist. Cuticula ist nicht ganz wasserundurchlässig Abgabe von Wasser über die Spaltöffnungen Aufbau des Spaltöffnungsapperats Zwei Cuticuläre und stomatäre Transporation chloroplastenhaltige Schließzellen Dazwischen bildet sich der Spalt Spaltöffnungen dienen nicht in erster Linie der Transpiration Anhängig von der Ausprägung der Cuticula Cuticuläre Transpiration Abgabe von Wasser über die gesamte Blattoberfläche Stomatäre Transpiration Aufnahme von CO2 Von mehreren Nebenzellen umgeben Kombination mit Wasserverlust CO2 Aufnahme also Spaltöffnungen immer in geschlossen bei Wassermangel Es entsteht ein Unterdruck in den Leitbündeln Dieses strömt aus dem Leitgewebe nach Wasser verdunstet und diffundiert durch die Cuticula in die Luft Reduktion der fotosynthetischen CO2- Fixierung Wasser wird an die Luft abgegeben An Nebenzellen grenzende Zellwände der Schließzellen sind verdickt (relativ starr) 1 Bei Erhöhtem Innendruck (Tugor) können sich die Schließzellen in die Nebenzellen hineinwölben und so den Spalt öffnen Transpirationssog Nachführen des Wassers über das Xylem aus den Wurzeln Wasserstrom= Transpirationsstrom Skizze: VÁŽE H Vasiline oben Kontrollblatt Kontrolle ohne Blatt Vasiline unten Vasiline-Versuch - 4 Fliederblätterästchen (etwa gleiches Blattvolumen) Alle Messzylinder mit Wasser auf selbe Höhe gefüllt - Vasiline wird bei der 1. Pflanze auf der Blattoberseite verteilt und bei der 2. Pflanze auf der Blattunterseite verteilt - die dritte Pflanze erhält keine Vasiline, sie stellt den Kontrollversuch dar und die 4. Pflanze stellt einen Kontrollversuch ganz ohne Blätter dar - eine Ölschicht wird auf das Wasser verteilt (damit es nicht verdunsten kann) Hypothese: Vasiline verstopft Spaltöffnungen unten und oben kann keine cuticuläre Transpiration stattfinden 1 2,5-3 ml Stomatäre Transpiration ist blockiert (macht den größten Teil der Transpiration aus) 2 8 ml Stomatäre Transpiration funktioniert normal weiter, nur cuticuläre Transpiration nicht 3 9ml Alles normal 4 2 ml Wasserverlust Erklärung: keine Blätter, kein Transpirationssog Querschnitt des Blattes einer C4-Pflanze: Vergleich mit typischen Blattquerschnitt: Mesophyllzelle Leitbündel C4-Pflanzen Chloroplasten 2 Blottquerschnitt von Mais (C) Bündelscheidenzelle Spaltöffnung - kreisförmige Anordnung um die Leitbündel -dicke Epidermis - kein Schwamm- oder Palisadengewebe, dafür Mesophyllzellen und Bündelscheidenzellen Beispiele für C4-Pflanzen: Mais, Hirse C4-Pflanzen sind angepasst an wärmere Regionen mit hoher Lichteinstrahlung. Sie können auch dann noch Fotosynthese betreiben, wenn die Spaltöffnungen bei großer Hitze kaum oder gar nicht geöffnet sind. Die Pflanze schließt bei höheren Temperaturen ihre Spaltöffnungen, um den Wasserberlust über die stomatäre Transpiration zu minimieren. Allerdings kann sie dadurch gleichzeitig weniger CO2 aufnehmen und die CO2-Konzentration im Blatt sinkt. C4-Pflanzen besitzen zwei Formen von fotosynthetisch aktiven Zellen, die kranzförmig um die Leitbündel angeordnet sind. Die Bündelscheidenzellen umgeben die Leitbündel, nach außen schließen sich die Mesophyllzellen an. Bündelscheidenzellen und Mesophyllzellen unterscheiden sich in ihren Enzymen. Die Chloroplasten der Bündelscheidenzellen können, ähnlich wie bei den C3-Pflanzen, CO2 mithilfe des Enzyms Rubisco fixieren, den Calvinzyklus durchführen und Glucose bilden. Die Mesophyllzellen enthalten kein Rubisco. Im Cytoplasma der Mesophyllzellen befindet sich das Enzym PEP-Carboxylase. Dieses Enzym fixiert CO2 an den Akzeptor PEP (Phosphoenolpyruvat). Es entsteht Oxalacetat, ein C4-Molekül, das in den Chloroplasten weiter zu Malat umgesetzt wird. Malat wird schließlich durch stark ausgebildete Zell-Zell- Plasmaverbindungen von den Mesophyllzellen in die Bündelscheidenzellen trasnportiert. Dort wird CO2 abgespalten. Auf diese Weise wird in der Umgebung des Enzyms Rubisco die CO2- Konzentration beträchtlich erhöht. Das Enzym PEP-Carboxylase versorgt das Enzym Rubisco mit viel CO2. CO2 wird bei C4-Pflanzen also zweimal fixiert, zunächst durch PEP-Carboxylase in den Mesophyllzellen, dann durch Rubisco in den Bündelscheidenzellen. Diese räumliche Trennung ist ein Beispiel für Kompartimentierung. Das Enzym PEP-Carboxylase hat eine vielfach höhere Affinität zu CO2 als Rubisco. PEP-Carboxylase nutzt geringere CO2-Komzentrationen sehr viel effektiver aus als Rubisco. Das ist einer der Gründe dafür, dass C4-Pflanzen besonders in warmer oder heißer Umgebung, wenn die Spaltöffnungen kaum oder gar nicht geöffnet sind, eine relativ höhe Fotosyntheserate haben. Cxalacetat (C₂) Malat (C) Rubisco CO. Pyruvat (C₂) Calvin- Zyklus Glucose 1 Der C-Weg der Fotosynthese PEP- Carboxylase FEP (C₂) (ADP) ATP CO Mesophyll- zelle Bündel- scheidenzelle Zelle im Leitbündel Angepasstheit der C4-Pflanzen: Mesophyllzellen mit Enzym PEP-Carboxylase T Höhere CO2- Affinität als Rubsico Hohe Außentemperatur kaum geöffnete Spaltöffnungen Minimierter Wasserverlust Kaum CO2- Aufnahme CO2-Konzentration im Blatt sink Fixierung von CO2 an den Akzeptor PEP Problem: Rubisco kann bei einer so geringen Konzentration kein CO2 fixieren und für den Calvin-Zyklus zur Verfügung stellen Es entsteht Oxalacetat (C4) Umsetzung zu Malat (C4) in den Chloroplasten Malat wird über Zell-Zell-Plasmaverbindungen in die Bündelscheidenzellen transportiert Konzentration des CO2 in den Bündelscheidenzellen erhöht Abspaltung des CO2 Es entsteht Pyruvat (C3) 1 Pyruvat wird zurück in die Mesophyllzellen transportiert I Unter Aufwand von einem Molekül ATP wird PEP aus Pyruvat gebildet Rubisco kann nun CO2 fixieren und in den Calvin-Zyklus einspeisen C3-Pflanzen bei höherer CO2-Konzentration - bei niedrigerer Temperatur (unter 30 Grad) - bei niedrigerer Beleuchtungsstärke (unter 300 W pro M2) => räumliche Trennung der CO₂-Fixierung. Warum machen dann nicht alle Pflanzen Fotosynthese über das Enzym PEP- Carboxylase? Um das PEP aus dem Pyruvat zu regenerieren muss ATP aufgewendet werden. Den C4- Pflanzen, die in besonders warmen Regionen leben und somit auch viel Sonnenlicht abbekommen ist dies möglich, da sie für die Lichtreaktion genügend Licht abbekommen, um das zusätzliche Maß an ATP herzustellen. Andere Pflanzen, die hingegen nicht in so heißen Gebieten vorkommen und dementsprechend nicht so viel Sonnenlicht abbekommen, können so viel ATP gar nicht herstellen. Es ist für sie also ein zu hoher Energieaufwand. 5 Wann sind C3-pflanzen im Vorteil, wann sind C4-Pflanzen im Vorteil? C4-Pflanzen - bei niedriger CO2- Konzentration - bei höheren Temperaturen (ab über 30 Grad) - bei höherer Beleuchtungsintensität (ab 300 W pro m2) Warum ist die PEP-Carboxylase effektiver? Die PEP-Carboxylase ist deutlich CO2-sensitiver, da das Enzym Rubisco neben CO2 auch 02 binden kann. Ob nun CO2 oder 02 gebunden wird, hängt von der jeweiligen Konzentration ab. So bindet Rubisco nur bei höherer Konzentration das CO2, während die PEP-Carboxylase dies bereits bei niedriger Konzentration tut. Dunkelheit Nach 60s höhere Oxalacetatkonzen- tration in den Mesophylzellen als Malat I Malatkonzentrations- anstieg in der Valuole, aber kein Oxalacetat Im Hellen CAM-Pflanzen Spaltöffnungen nehmen CO2 auf Abtransport von Malat in die Vakuole Transport von Malat aus der Vakuole in Cytoplasma Nach 30s Malatanstieg der Mesophyllzellen Speicherung von Glucose in Form von Zuckerdiphosphaten Fixierung durch PEP-Carboxylase Umwandlung von Oxalacetat in Malat Beginn Calvinzyklus Aufbau von Glucose aus Zuckermonophosphaten Nach 90s Konzentration von allen erhöht, nur die von Malat nicht Nach Is leichte Oxalacetat Konzentration Nach 5s von beidem recht hohe Konzentration Erste Zwischenprodukte erkennbar nach 60s Nach 70s Konzentration der ersten beiden Zwischenprodukten erhöht sich und die anderen kommen hinzu CAM-Pflanzen können Wasser speichern und sind damit an die klimatischen Verhältnisse wie hohe Temperaturen und sehr seltene Niederschläge gut angepasst. Das Phänomen des Wasserspeicherns wird als Sukkulenz bezeichnet. Um bei der großen Hitze kein Wasser über die Spaltöffnungen zu verlieren, hakten CAM- Pflanzen ihre Spaltöffnungen tagsüber geschlossen. Für die CO2-Aufnahme werden die Spaltöffnungen dann nachts geöffnet, also genau umgekehrt wie bei den meisten anderen Pflanzen. Es handelt sich hierbei somit nicht um eine räumliche Trennung der CO2-Fixierung und der Sekundärreaktion der Fotosynthese wie bei den C4-Pflanzen, sondern um eine zeitliche Trennung. Nachts, wenn die Spaltöffnungen geöffnet sind, wird CO2 über das Enzym PEP-Carboxylase an PEP fixiert, wobei Apfelsäure (C4) entsteht. Diese Apfelsäure wird in der Vakuole gespeichert, sodass der pH-Wert des Zellsaftes in der Vakuole absinkt. Am Tag, wenn die Spaltöffnungen dann geschlossen sind, wird die Apfelsäure wieder aus der Vakuole heraus in die Chloroplasten transportiert, sodass der pH-Wert des Zellsaftes wieder ansteigt. In den Chloroplasten wird das CO2 abgespalten und in den Calvin-Zyklus eingebaut. Mesophyll- zelle Äpfelsäure pH-Wert sinkt von 6 auf 3 PEP PEP Vakuole mit Zellsaft (Phosphoenolpyruvat Vakuole mit Zellsaft Äpfelsäure CO Chloroplast 2 CO₂-Fixierung bei CAM-Pflanzen, schematisch CO. Calvin- Zyklus Glucose CAM-Pflanzen weisen zwar eine geringere Produktivität auf als C3-Pflanzen, dafür kann der Wasserverlust aber auf mehr als ein Zehntel des Wasserverlustes einer C3-Pflanzen reduziert werden. Autoradiographie Um herauszufinden, in welchen Schritten Stoffwechselprozesse innerhalb der Zelle ablaufen, muss man die zeitliche Reihenfolge der auftretenden Stoffe ermitteln. Dies geschieht mithilfe der Autoradiographie. Man setzt dabei radioaktiv markierte Isotope ein. Isotope sind Atome eines Elements, die sich in der Anzahl der Neutronen im Kern voneinander unterscheiden. Ablauf: • radioaktiv markierte Isotope werden in die zu analysierenden Moleküle eingebaut (so kann zum Beispiel radioaktiv markierte Glukose entstehen) • durchläuft das markierte Molekül nun die zu untersuchend Reaktion (zum Beispiel die Zellatmung), enthalten auch die entstehenden (Neben-)Produkte das radioaktiv markierte Isotop • die Reaktion wird nach unterschiedlichen Zeitpunkten gestoppt und jeweils aus den entnommenen Zellen ein Extrat hergestellt • die Extrate werden auf Filme aufgetragen und nacheinander in zwei Richtungen chromatographiert (zwei Richtungen, um die einzelnen Produkte besser zu unterscheiden) 1. Lauf: Bindung an Trägerstoff 2. Lauf: um Stoffe, die übereinander liegen zu trennen danach werden die Chromatogramme mit einem Röntgenfilm bedeckt, der durch die radioaktive Strahlung der Isotope verändert wird so werden die radioaktiv markierten Stoffe als unterschiedlich große Punkte sichtbar EKENNTNISGEWINNUNG NACHVOLLZIEHEN Frage: In welchen Schritten verläuft die CO₂-Fixierung in der Fotosynthese? Hypothesen 1. Kohlenstoffdioxid wird in einem Schritt zu Glucose umgewandelt 2. Kohlenstoffdioxid wird in mehreren Schritten über Zwischenprodukte zu Glucose umgewandelt Durchführung Grünalgen wurden in einem. Kulturgefäß mit "CO, ver- sorgt und belichtet. Nach 3 und nach 30 Sekun- den wurden die Grünalgen entnommen, abgetötet und aus ihnen ein Extrakt hergestellt. Die beiden Pflanzen- extrakte wurden jeweils hier aufgetragen und nacheinander in zwei Richtungen chromato- graphiert. Nur in 3PG ist "C nachweisbar. Nach der Auftrennung wurden die beiden Chromatogramme mit einem Röntgenfilm bedeckt, der durch die radioaktive Strahlung von ¹C verändert wird. Jeder dunkle Punkt ent- spricht einer mit "C markierten Verbindung. Ergebnisse: nach 3 Sekunden. 3PG . GLY SER erster Lauf nach 30 Sekunden. GLU ALA zweiter Lauf SUC G3P • Auswertung Hypothese 2 ist bestätigt. 2 Autoradiographisches Forschungsexperiment ASP CIT 3PG HEXOSE-P In zahlreichen Molekülen ist ¹C nachweisbar.