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die Hauptfunktion ist die Steuerung des Gasaustausch (CO2 diffundiert ins Blatt, 02 und H20 Dampf heraus), (Interzelluläreraum, Atemhöhle). Aufbau und Funktion der Chloroplasten Die Chloroplasten sind die Organellen in denen die Photosynthese stattfindet. Ihr Inneres Matrix (Stroma), wird von einer Doppelmembran umhüllt (Endosymbiontentheorie). - Thylakoidmembran trennt Stroma vom Lumen (Thylakoidinnenraum) und in ihr sind die verschiedenen Pigmentmöleküle wie Chlorophyll. Die Thylakoidstapel werden als Grana bezeichnet. Die Lichtreaktion der Photosynthese findet in und an den Thylakoiden statt. Hierbei wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt (die Produkte sind ATP und NADPH/H+). Im Stroma (Grundsubstanz) findet die Dunkelreaktion der Photosynthese statt. Hierbei wird durch Enzyme die Fixierung von CO2 und Aufbau von Glucose ermöglicht. Chloroplasten enthalten Ribosome, Enzyme und ringförmige freie DNA. 6CO2 + 12H2O Lipidtropfen Lichtenergie Granum (vergrößert) Das oberste der 5 Thylakoiden ist offen dargestellt C6H12O6 + 6H2O + 602 Spaltöffnung Photosynthese findet ausschließlich in den Chloroplasten der Pflanze statt. Überwiegend im Palisaden, aber auch im Schwammgewebe sind Chloroplasten enthalten. An der Unterseite des Blattes befinden sich die Spaltöffnungen (Schließzellen), die den Austausch der Gase koordinieren. -Cuticula obere -Epidermis Palisaden- gewebe -Leitbündel Schwamm- gewebe untere -Epidermis -Cuticula Matrix (Innenraum, Stroma) DNA -Ribosomen Granum -Thylakoid - CO2 strömt von Außen in die Interzellulare ein. - Das für die Photosynthese nötige Wasser transportiert die Pflanze von Innen (aus den Wurzeln) über das Xylem in die Zellen. - Der grüne Farbstoff Chlorophyll sorgt für die Absorption des Sonnenlichts. Ohne diese Energie kann die Photosynthese nicht ablaufen. - Nachdem Kohlenstoffdioxid und Wasser in Sauerstoff und Glucose umgewandelt wurden, öffnen sich die Schließzellen und geben den Sauerstoff an die Umwelt ab. Die Glucose verbleibt in der Zelle (wird von der Pflanze zu Stärke umgewandelt). Summengleichung der Photosynthese -Stärkekorn Chloroplastenhülle: innere Membran äußere membran Lichtspektrum und Bedeutung der Blattfarbstoffe Die Photosynthese ist ein Prozess bei welchem Pflanzen versuchen aus Sonnenlicht chemische Energie zu sammeln. Sonnenlicht ist weiss und enthält alle Farben des sichtbaren Spektrums. Pflanzen absorbieren nur die blauen und roten Wellenlängen und die Grünen hingegen werden reflektiert oder transmittiert. - Wellenlängen die für das menschliche Auge sichtbar sind liegen zw. 400-700nm. - Photonen sind die kleinsten absorbierbaren Energieeinheiten der Strahlung (die Lichtquanten). - Quanten des kurzwelligen Lichtes sind energiereicher als Quanten des langwelligen Lichtes. A. Absorption "geschluckt" B. Transmission "hindurchgelassen" C. Reflexion "zurückgeworfen" (sichtbar) Das photosynthetische Wirkungsspektrum sagt aus, in welchem Lichtbereich und zu welchen Intensitäten der Durchschnitt aller Chlorophylle am stärksten absorbiert wird. Engelmanscher Bakterienversuch 100% 105nm 10-³nm 1 nm 50% 380 nm Gamma- Röntgen- strahlen strahlen Lichtabsorption UV Beta-Carotin 10³nm 10 nm Chlorophyll a Infrarot sichtbares Licht Photosyntheserate (gemessen an der Sauerstoffproduktion) 450 nm 500 nm 550 nm 600 nm 650 nm 700 nm 750 nm Wellenlänge nimmt zu Energie nimmt zu Chlorophyll b 1m (10 nm) Mikro- wellen 600 10³ m Aufbau: Ein Algenfaden zusammen mit Sauerstoff liebenden Bakterien werden mit dem Spektrum des sichtbaren Lichts beleuchten. Beobachtung: Die Bakterien versammelten sich vorwiegend an Stellen des Algenfadens, der mit rotem oder blauem Licht bestrahlt wurde. Radio- wellen 700 760 Wellenlänge des eingestrahlten Lichts Erklärung: die Alge konnte bei rotem und blauem Licht besonders gut Photosynthese betreiben; demnach auch besonders viel Sauerstoff abgeben. Lichtreaktion (Primärreaktion) In der Thylakoidmembran befinden sich Pigmentmoleküle, die mit einem Intergralenprotein das sogenannte Photosystem bilden. Das Photosystem setzt sich aus dem sogenannten Lichtsammelkomplex (Antennenkomplex) und Reaktionszentrum zusammen. Die Lichtreaktion der Photosynthese findet dort statt, das Ziel ist es die Strahlungsenergie des Sonnenlichts in mehreren Reaktionsschritten in chemische Energie (Produkte NADPH+H+ und ATP) umzuwandeln. - Voraussetzungen für die Lichtreaktion sind die Lichtenergie, der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll und Wasser. Photosystem 2 (p680) 1) Das Photon trifft auf die Lichtsammelfalle durch diese Absorption werden Elektronen der beteiligten Moleküle auf ein hohes Energieniveau "gehoben" (angeregter Zustand) und diese Energie wird dann an drunterliegende Pigmentmoleküle weitergegeben. 2) Wenn die Energieübertragung beim „special pair“ ankommt, werden Elektronen auf den Primären Elektronenakzeptor übertragen. 3) Durch die Abgabe der Elektronen entsteht eine Elektronenlücke, welche durch die Photolyse des Wassers wieder gesättigt wird. Photon Chlorophyll a im Reaktions- zentrum strahlungslose Energieüber- tragung Elektronentransfer Photosystem primärer Elektronen- akzeptor -Reaktionszentrum 4) Die entstandene Lücke bildet eine Anziehungskraft, welche dafür sorgt dass Wasserstoffmöleküle zu zwei Sauerstoff (02) (verlässt die Zelle), zwei Protonen (H+) und zwei Elektronen (e-) gespalten werden. Die Elektronen besetzen dann die freigewordene Lücke im Photosystem. Elektronentransportkette 1) Das freigewordene Elektron wird vom Reaktionszentrum an eine Elektronentransportkette (aus Redoxsystemen) gegeben. 2) Als erstes gelangt das Elektron zum Plastochinon. 3) Als zweites zum Cytochromkomlex, bei diesen Redoxsystemen werden dann einwenig der in den Elektron gespeicherten Energie genutzt, um Protonen aus dem Stroma in das Thylakoidlumen (innere) zu befördern. 4) Die dadurch etwas reduzierte Elektronenenergie gelangt dann über das Plastocyanin in das Photosystem 1. 5) Die Anreicherung der Protonen im Thylakoidlumen sorgt für einen elektrochemischen Gradienten (Thylakoidlumen +/ Stroma -). Photosystem 1 (p700) 1) Das Photosystem 1 kann Licht der Wellenlänge 700nm am besten auffangen. 2) Als erstes gelangt ein Photon in die Lichtsammelfalle, dort wird es von den Pigmentmolekülen absorbiert, auf ein höheres Energieniveau gehoben und dann an ein drunterliegendes Pigmentmölekül weitergegeben. 3) Bis es dann ins Reaktionszentrum beim „special pair" ankommt, dort wird die Energie als Elektron an den primären Elektronenakzeptor übertragen. 4) Die nachwandernden Elektronen vom Photosystem zwei schließen die entstandene Elektronenlücke. Thylakoidmembran- Lichtenergie -Fotosystem II P680 Thylakoid- innenraum Stroma H₂O Fotolyse des Wassers 2 H* 0₂+2 HD nichtzyklischer Elektronentransport 2 H Lichtenergie Thylakoidmembran Protonentransport Photon -Fotosystem I P700 NADP-Reduktase- ADP Energie- übertragung | ATP | Thylakoid Photosystem Lichtsammel- Reaktions-, primärer komplex zentrum Elektronen- akzeptor ,,Special pair", bestehend aus Chlorophyll a- Molekülen 2 NADPH + H* NADP+ 2 H+ A Stroma (außen) ATP-Synthase Pigment- moleküle Thylakoidlumen (innen) Ferredoxin/NADP+Reduktase 1) Das Elektron am Primären Elektronenakzeptor wird zum Ferredoxin (Enzymkomplex) und in einem weiteren Schritt zur NADP+ Reduktase übertragen. 2) Die NADP+ Reduktase überträgt dann zwei Elektronen aus dem Photosystem 1 und zwei Protonen aus dem Stroma auf das NADP, welches daraufhin zu NADPH+H+ umgewandelt wird. 3) Der Elektronentransport zieht Elektronen aus dem Wasser am Anfang ab und wird dann über die Redoxsysteme auf das NADP übertragen. ATP-Synthase 1) Die Anreicherung der Protonen im Thylakoidlumen werden dafür genutzt um ATP zu synthetisieren. 2) Die ATP Synthase koppelt den Transport der Protonen ins Stroma an die ATP Synthese. Sie nutzt die Energie des Protonentransport um aus ADP die energiereiche Form ATP herzustellen.