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Stoffwechsel - Fotosynthese (ABI)

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Lara Fabienne

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Stoffwechsel - Fotosynthese (ABI)

 Fotosynthese
= zentraler Stoffwechselvorgang
- aus (energiearmen, anorganischen Stoffen) Kohlenstoffdioxid und Wasser bauen Pflanzen in Chl

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Licht- und Dunkelreaktion, Aufbau Chloroplasten und Biomembranen, Außenfaktoren, Fotosysteme, Absorptions- und Wirkungsspektrum

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Fotosynthese = zentraler Stoffwechselvorgang - aus (energiearmen, anorganischen Stoffen) Kohlenstoffdioxid und Wasser bauen Pflanzen in Chloroplasten (energiereiche und organischen Verbindung) Glucose auf - Sauerstoff wird als Nebenprodukt frei - Energie für Reaktionen aus Sonnenlicht (Lichtenergie in chemische Energie) 6 CO, + 12 H,O Licht Chlorophyll - Bedingungen: Licht, Pigmente, Enzyme (Membranen) - Ort: Chloroplasten → C6H₁₂O6 + 6 O₂ + 6H₂O 12 2 - Beeinflussung durch innere und äußere Faktoren - wirken komplex - minimal vorliegen der Faktoren wirkt begrenzt (Gesetz vom Minimum- und Maximumfaktor) - Minimumgesetz: dem am weitesten vom Optimum entfernte Faktor beeinflusst Fotosyntheseleistung am meisten; deswegen bleibt FL trotz optimaler Licht- und Temperaturverhältnisse, wenn zu wenig Kohlenstoffdioxid vorhanden ist, begrenzt → Wachstum von Pflanzen durch die im Verhältnis knappste Ressource eingeschränkt - Abhängigkeit von Außenfaktoren: -Licht: - Abhängigkeit FL von Lichtintensität → Sättigungskurve - geringe Lichtintensität: CO₂-Abgabe durch Zellatmung überwiegt Aufnahme - Lichtkompensationspunkt: CO₂-Abgabe und Aufnahme gleich (FL steigt danach proportional zur Lichtintensität) - Lichtsättigung: ab bestimmter Intensität führt weitere Zunahme zu keiner Erhöhung FL -Temperatur: - FL von Temperatur bei hoher Lichtintensität bestimmt - Temperaturabhängigkeit → Optimumkurve - 3 Kardinalpunkte (Minimum, Optimum, Maximum) abhängig vom Standort Pflanzenart - bei Starklicht steigt FS mit zunehmender Temp. stark an (bei Schwachlicht Erhöhung Temp. kein Einfluss FS ab bestimmter Temp. führt Temperaturerhöhung zur Denaturierung des Enzyms RGT-Regel: Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt-verdreifacht sich, wenn Temperatur um 10°C erhöht wird - Kohlenstoffdioxid: - CO -Gehalt Luft = 0,04 Vol. % (unter...

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Optimum Pflanzen 0,1 Vol. % - FL lässt sich durch künstliche Begasung steigern (bei sonst optimalen Bedingungen) O₂-Produktion LKP O₂-Verbrauch Fotosyntheseleistung [relative Einheiten] LS LKP Abhängigkeit von der Temperatur immergrüne Laubbäume der gemäßigten Zone -5 05 10 Fotosyntheseleistung [relative Einheiten] 100 % 30% I Sonnenpflanze/ Sonnenblatt 20 0,03 0,05 Schattenpflanze/ Schattenblatt Abhängigkeit von der CO₂-Konzentration Lichtintensität 30 40 Temperatur [°C] immergrüne Laubbäume der Tropen 0,1 CO₂-Konzen- tration [Vol.-%] Bau Chloroplasten: 1 aupere Membran (Schurz) 2 Intermembranraum (Enzyme) für Lichtreaution 3 innere Membran (Proteine) 4 Stroma (Auf-/ Abbau Subst.+ Transport Mol.)! Dun hel- 5 Stromathylahoid! Lichtreaktion realtion Granathylakoide 6 Thylahoidmembran (Ort Fs) 7 Granum 8 Thylahoid (Lichtreaktion FS) 1 2 Bakterien 4 5 6 Licht - Endosymbionten - Theorie: Mitochondrien und Chloroplasten aus Prokaryoten hervorgegangen, die von Ureukaryoten als Symbionten aufgenommen wurden Ur-Eukaryoten Endocytose -Absorptionsspektrum: - in Tylakoiden der Chloroplasten verschiedene Blattfarbstoffe -> absorbieren in unterschiedlichem Maße Licht Energietransfer - Lichtabsorption Farbstoffe gegen Wellenlänge Licht= Absorptionsspektrum (Chlorophyll a absorbiert vorwiegend im blauen + roten Bereich) (viele Pigmente nur geringe Absorption im grünen Bereich Grünlücke) Evolution Endorymbionten - Wirkungsspektrum: - werden Pflanzen mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt, kann man über gebildete Sauerstoffmenge FL bestimmen (zeigt, bei welcher Wellenlänge FS am besten läuft) (Chlorophyll a: 400-550nm) Reaktionszentrum 1) Moleküle des Antennenkomplexes 2) Thylakoidmembran - Pigment (nimmt Licht auf) - Chlorophyll a = zentrales FS-Pigment - Chlorophyll b und B-Carotin fotosynthetisch nicht aktiv, (Antennenpigmente) fangen Licht nur auf und leiten es an Chlorophyll a weiter Engelmann'scher Bakterienversuch: - Fadenalge wird mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt Weißliche durch Prismen in Farbbereiche zerlegt - Zugegebene sauerstoffliebende Bakterien Lager sich bei Belichtung bevorzugt an (Alge weist Leistungsmaxima der FS auf: blau-violett, orange-rot) -Fotosysteme: - Einheiten aus verschiedenen Fotosynthesefarbstoffen (in Thylakoidmembranen Chloroplasten) besitzen lichtsammelnden Antennenkomplex (Chlorophyll-Mol. + Carotinoide) - Farbstoffmoleküle dienen als Antennenpigmente (absorbieren Licht, leiten Energie an Chlorophyll- a-Molekül weiter → Reaktionszentrum - nur dieses kann absorbierte Energie in fotochemische Arbeit umwandeln, indem es ein energiereiches Elektron an Akzeptor weiterleitet 1) 2) Phospholipid- doppelschicht ✓ } polarer Chydro- philer) Kopfteil aupen innen unpolares (hydro- phober) Schwanz- teil 8 Glykokalyx (Kohlenhydratseiten kette) ●●● 9 Stärke Extrazellularraum 10 plastidares Ribosom 11 ONA 12 Lipidtropfen ....... periphere Proteine Intrazellularraum (Produlation Enzy. + Proteine) Membran- (Tunnelprotein) protein Transmembranprotein Cholesterin Kanalprotein FS = Assimilation (Aufbau) - Aufbau organischer Substanzen aus anorganischen Stoffen in Pflanze unter Mitwirkung von Lichtenergie -zwei Teilprozesse: Lichtreaktion (lichtabhängige Reaktion) Licht *1. Lichtreaktion Energieumwandlung (Licht- chemische Energie) - in Thylakoiden der Chloroplasten H₂C Fotosystem II 2 2 H+ H₂0 spalt. Enzym komplex Innenraum Stroma Pq (Redoxsysteme) Cytochrom Komplex #h. 1/2 0,2 + 2 H+ Fotolyse der Warrers* Thylakoidmembran 2 H+ Licht Pc ATP- Synthase ADP + P Ferredoxin Fotosystem I H Fd Dunkelreaktion - Substanzumwandlung - in Matrix/Stroma der Chloroplasten 20 Energie wird von Elektronen der Transportkette geliefert Protonengradient wird zur Energiebindung genutzt ATP NADP+- Reduktase Stroma NADP+ + H+ NADPH + H+ - Antennenpigmente (Chlorophyll und Carotinoide) fangen Lichtenergie durch Absorption ein Reaktionszentrum (Chlorophyll-a-Paar) im Fotosystem II wird angeregt - 2 Elektronen werden abgespalten und auf ein danebenliegendes Protein, den primären Elektronenakzeptor, übertragen - dieser wird durch Elektronenaufnahme reduziert, gibt aber sofort Elektronen an anderes Protein ab - Akzeptor wird wieder oxidiert, ist zur Aufnahme weiter Elektronen bereit → Redoxsysteme = Reduktion + Oxidation (Elektronentransportkette): Energieniveau fällt bei Weitergabe ab, Energie wird frei zum Calvin Zyklus - Redoxsystem: Cytochrom-bf-Komplex - reicht durch Thylakoid membran durch und pumpt Protonen von Seite der TM zur anderen - Vorgang erfolgt gegen Konzentrationsgefälle der Protonen, sodass ungleiche Protonenkonz., ein Protonengradient, entsteht - Protonen werden jetzt im Konzentrationsgefälle durch Tunnelproteine in Membran zurück befördert - an diese Kanäle ist Enzym ATP-Synthase gekoppelt - Energie der Protonen wird zur ATP-Synthese genutzt→ Fotophosphorylierung (zyk.c-Transport) Übertragung an Innenseite der TM gibt es Wasser spaltenden Enzymkomplex, der mit Fotosystem II verbunden ist - Fotolyse: durch Licht/Enzyme werden Wassermol. in Sauerstoff, Protonen und Elektronen gespalten von Phosphatgr. aut Mol. - - abgespaltene Elekt. auf Chlorophyll-a-Paar im Fotosystem II übertragen → Elektronenlücken können geschlossen werden - Protonen sammeln sich an Innenseite TM - im Fotosystem I wird ebenfalls Elektronenlücke durch Lichtenergie geöffnet →wird durch Elektronen aus Elektronentransportkette aufgefüllt angeregte P700 gibt Elektronen an eisenhaltiges Ferredoxin (Protein) ab→Elektronen wandern zu Enzym NADP-Reduktase - Enzym führt Elektronen und Protonen wieder zusammen → Wasserstoffatome entstehen - diese werden auf Cosubstrat NADP+ übertragen und reduzieren es zu NADP+H+ - wichtige Endprodukte: ATP und NADP+H+ Calvin-Zyklus (Dunkelreaktion, lichtunabhängige Reaktion) 6 Ribulose-1, 5-diphosphat 03P. 6 ADP 6 ATP H Η Η H 6 Ribulose-5- phosphat C6H12O6 1 Glucose H I HC H H H H H PO 3 6 Kohlenstoffdioxid 6 H₂O H 0-H mehere Zwischen- produkte O=C=O H Enzym: Rubisco 3. Schritt: Regeneration "O-H H 1. Schritt: Fixerung H H 10 Glycerinaldehyd-3-phosphat 1 Phosphat 12 Glycerinsäure-3-phosphat (sowie Dehydrierung) H H....! 9 - 2. Phase: Reduktion und Glucosebildung Produkte der Lichtreaktion werden verarbeitet H PO3 2. Schritt: Reduktion 12 ATP Abgabe P H₂ 1 Fructose-6-phosphat (Zwischenprodukt) H H 12 ADP H H PO3 PO3 12 NADPH + H* PO3 12 Glycerinsäure- 1, 3-diphosphat 12 NADP+ 12 Glycerinaldehyd-3- phosphat 2H+ 12 Phosphat 2 Glycerinaldehyd-3- phosphat - CO₂ aus Luft durch Rubisco an Akzeptor Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden - 6 CO₂-Moleküle werden von 6 Akzeptormolekülen aufgenommen - instabiles Zwischenprodukt mit 6 Kohlenstoffatomen entsteht 1 Phosphat Abgabe H* 2 GPA zu 1 C6H₁₂O6 dieses zerfällt unter Verbrauch von 6 Wasserstoffmolekülen in 12 Triosephosphatmoleküle→ 3-Phosphoglycerat (C3- Körper) →Kohlenstoffdioxid-Fixierung (1. Phase) (- Stroma) unter Verbrauch von 12 ATP und 12 NADP+H+ werden die 12 3-Phosphoglyceratmoleküle unter Abspaltung von 12 Wassermolekülen zu Glycerinaldehyd-3-phosphat reduziert - aus anderen 10 Glycerinaldehyd-3-Phosphat werden über Zwischenreaktionen 6 Moleküle Akzeptor zurückgebildet - 3. Phase: Regeneration des Kohlenstoffdioxid-Akzeptors - dabei werden nochmal 6 ATP-Moleküle verbraucht - 12 reduzierte Triosemoleküle entstehen - zwei dieser Triosemol. schließen sich zu einem C.-Körper zusammen (Fructose-1,6-bisphosphat) -Molekül lagert sich unter Phosphatabspaltung zu Glucose um und kann später zum Aufbau von Speicherstärke genutzt werden (+Zellatmung!)

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Vielen Dank, wirklich hilfreich für mich, da wir gerade genau das Thema in der Schule haben 😁

Licht- und Dunkelreaktion, Aufbau Chloroplasten und Biomembranen, Außenfaktoren, Fotosysteme, Absorptions- und Wirkungsspektrum

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Lichtreaktion realtion Granathylakoide 6 Thylahoidmembran (Ort Fs) 7 Granum 8 Thylahoid (Lichtreaktion FS) 1 2 Bakterien 4 5 6 Licht - Endosymbionten - Theorie: Mitochondrien und Chloroplasten aus Prokaryoten hervorgegangen, die von Ureukaryoten als Symbionten aufgenommen wurden Ur-Eukaryoten Endocytose -Absorptionsspektrum: - in Tylakoiden der Chloroplasten verschiedene Blattfarbstoffe -> absorbieren in unterschiedlichem Maße Licht Energietransfer - Lichtabsorption Farbstoffe gegen Wellenlänge Licht= Absorptionsspektrum (Chlorophyll a absorbiert vorwiegend im blauen + roten Bereich) (viele Pigmente nur geringe Absorption im grünen Bereich Grünlücke) Evolution Endorymbionten - Wirkungsspektrum: - werden Pflanzen mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt, kann man über gebildete Sauerstoffmenge FL bestimmen (zeigt, bei welcher Wellenlänge FS am besten läuft) (Chlorophyll a: 400-550nm) Reaktionszentrum 1) Moleküle des Antennenkomplexes 2) Thylakoidmembran - Pigment (nimmt Licht auf) - Chlorophyll a = zentrales FS-Pigment - Chlorophyll b und B-Carotin fotosynthetisch nicht aktiv, (Antennenpigmente) fangen Licht nur auf und leiten es an Chlorophyll a weiter Engelmann'scher Bakterienversuch: - Fadenalge wird mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt Weißliche durch Prismen in Farbbereiche zerlegt - Zugegebene sauerstoffliebende Bakterien Lager sich bei Belichtung bevorzugt an (Alge weist Leistungsmaxima der FS auf: blau-violett, orange-rot) -Fotosysteme: - Einheiten aus verschiedenen Fotosynthesefarbstoffen (in Thylakoidmembranen Chloroplasten) besitzen lichtsammelnden Antennenkomplex (Chlorophyll-Mol. + Carotinoide) - Farbstoffmoleküle dienen als Antennenpigmente (absorbieren Licht, leiten Energie an Chlorophyll- a-Molekül weiter → Reaktionszentrum - nur dieses kann absorbierte Energie in fotochemische Arbeit umwandeln, indem es ein energiereiches Elektron an Akzeptor weiterleitet 1) 2) Phospholipid- doppelschicht ✓ } polarer Chydro- philer) Kopfteil aupen innen unpolares (hydro- phober) Schwanz- teil 8 Glykokalyx (Kohlenhydratseiten kette) ●●● 9 Stärke Extrazellularraum 10 plastidares Ribosom 11 ONA 12 Lipidtropfen ....... periphere Proteine Intrazellularraum (Produlation Enzy. + Proteine) Membran- (Tunnelprotein) protein Transmembranprotein Cholesterin Kanalprotein FS = Assimilation (Aufbau) - Aufbau organischer Substanzen aus anorganischen Stoffen in Pflanze unter Mitwirkung von Lichtenergie -zwei Teilprozesse: Lichtreaktion (lichtabhängige Reaktion) Licht *1. Lichtreaktion Energieumwandlung (Licht- chemische Energie) - in Thylakoiden der Chloroplasten H₂C Fotosystem II 2 2 H+ H₂0 spalt. Enzym komplex Innenraum Stroma Pq (Redoxsysteme) Cytochrom Komplex #h. 1/2 0,2 + 2 H+ Fotolyse der Warrers* Thylakoidmembran 2 H+ Licht Pc ATP- Synthase ADP + P Ferredoxin Fotosystem I H Fd Dunkelreaktion - Substanzumwandlung - in Matrix/Stroma der Chloroplasten 20 Energie wird von Elektronen der Transportkette geliefert Protonengradient wird zur Energiebindung genutzt ATP NADP+- Reduktase Stroma NADP+ + H+ NADPH + H+ - Antennenpigmente (Chlorophyll und Carotinoide) fangen Lichtenergie durch Absorption ein Reaktionszentrum (Chlorophyll-a-Paar) im Fotosystem II wird angeregt - 2 Elektronen werden abgespalten und auf ein danebenliegendes Protein, den primären Elektronenakzeptor, übertragen - dieser wird durch Elektronenaufnahme reduziert, gibt aber sofort Elektronen an anderes Protein ab - Akzeptor wird wieder oxidiert, ist zur Aufnahme weiter Elektronen bereit → Redoxsysteme = Reduktion + Oxidation (Elektronentransportkette): Energieniveau fällt bei Weitergabe ab, Energie wird frei zum Calvin Zyklus - Redoxsystem: Cytochrom-bf-Komplex - reicht durch Thylakoid membran durch und pumpt Protonen von Seite der TM zur anderen - Vorgang erfolgt gegen Konzentrationsgefälle der Protonen, sodass ungleiche Protonenkonz., ein Protonengradient, entsteht - Protonen werden jetzt im Konzentrationsgefälle durch Tunnelproteine in Membran zurück befördert - an diese Kanäle ist Enzym ATP-Synthase gekoppelt - Energie der Protonen wird zur ATP-Synthese genutzt→ Fotophosphorylierung (zyk.c-Transport) Übertragung an Innenseite der TM gibt es Wasser spaltenden Enzymkomplex, der mit Fotosystem II verbunden ist - Fotolyse: durch Licht/Enzyme werden Wassermol. in Sauerstoff, Protonen und Elektronen gespalten von Phosphatgr. aut Mol. - - abgespaltene Elekt. auf Chlorophyll-a-Paar im Fotosystem II übertragen → Elektronenlücken können geschlossen werden - Protonen sammeln sich an Innenseite TM - im Fotosystem I wird ebenfalls Elektronenlücke durch Lichtenergie geöffnet →wird durch Elektronen aus Elektronentransportkette aufgefüllt angeregte P700 gibt Elektronen an eisenhaltiges Ferredoxin (Protein) ab→Elektronen wandern zu Enzym NADP-Reduktase - Enzym führt Elektronen und Protonen wieder zusammen → Wasserstoffatome entstehen - diese werden auf Cosubstrat NADP+ übertragen und reduzieren es zu NADP+H+ - wichtige Endprodukte: ATP und NADP+H+ Calvin-Zyklus (Dunkelreaktion, lichtunabhängige Reaktion) 6 Ribulose-1, 5-diphosphat 03P. 6 ADP 6 ATP H Η Η H 6 Ribulose-5- phosphat C6H12O6 1 Glucose H I HC H H H H H PO 3 6 Kohlenstoffdioxid 6 H₂O H 0-H mehere Zwischen- produkte O=C=O H Enzym: Rubisco 3. Schritt: Regeneration "O-H H 1. Schritt: Fixerung H H 10 Glycerinaldehyd-3-phosphat 1 Phosphat 12 Glycerinsäure-3-phosphat (sowie Dehydrierung) H H....! 9 - 2. Phase: Reduktion und Glucosebildung Produkte der Lichtreaktion werden verarbeitet H PO3 2. Schritt: Reduktion 12 ATP Abgabe P H₂ 1 Fructose-6-phosphat (Zwischenprodukt) H H 12 ADP H H PO3 PO3 12 NADPH + H* PO3 12 Glycerinsäure- 1, 3-diphosphat 12 NADP+ 12 Glycerinaldehyd-3- phosphat 2H+ 12 Phosphat 2 Glycerinaldehyd-3- phosphat - CO₂ aus Luft durch Rubisco an Akzeptor Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden - 6 CO₂-Moleküle werden von 6 Akzeptormolekülen aufgenommen - instabiles Zwischenprodukt mit 6 Kohlenstoffatomen entsteht 1 Phosphat Abgabe H* 2 GPA zu 1 C6H₁₂O6 dieses zerfällt unter Verbrauch von 6 Wasserstoffmolekülen in 12 Triosephosphatmoleküle→ 3-Phosphoglycerat (C3- Körper) →Kohlenstoffdioxid-Fixierung (1. Phase) (- Stroma) unter Verbrauch von 12 ATP und 12 NADP+H+ werden die 12 3-Phosphoglyceratmoleküle unter Abspaltung von 12 Wassermolekülen zu Glycerinaldehyd-3-phosphat reduziert - aus anderen 10 Glycerinaldehyd-3-Phosphat werden über Zwischenreaktionen 6 Moleküle Akzeptor zurückgebildet - 3. Phase: Regeneration des Kohlenstoffdioxid-Akzeptors - dabei werden nochmal 6 ATP-Moleküle verbraucht - 12 reduzierte Triosemoleküle entstehen - zwei dieser Triosemol. schließen sich zu einem C.-Körper zusammen (Fructose-1,6-bisphosphat) -Molekül lagert sich unter Phosphatabspaltung zu Glucose um und kann später zum Aufbau von Speicherstärke genutzt werden (+Zellatmung!)