Dunkelreaktion und Lichtreaktion PDF

Preview

Summary

Download Dunkelreaktion und Lichtreaktion PDF

Description

Biolernzettel 11.1 Regenerative Energielieferanten und Fossile Energielieferanten siehe Mappe

Nährstoffe -Kohlenhydrate -Fette ( Glycerin, Fettsäure) -Eiweiße (20 Aminosäuren) Nährsalze ( Mineralien)

Eukaryoten mit Zellkern ( Eucyte) Prokaryoten ohne Zellkern (Procyte) Lichtmikroskopie siehe Mappe

Licht Licht ist eine elektromagnetische Erscheinung. Durch Energiekopplung geht Energie/ Licht wellenförmig. Es geht immer von der maximalen Auslenkung über die Ruhelage hin zur maximalen Auslenkung. 900 Nanometer kann man nicht sehen, aber als Wärmestrahlung wahrnehmen. Licht: Elektromagnetische Strahlung im Bereich zwischen : 380- 780 Nanometer (für Mensch sichtbar). Assimilation ( hier Fotosynthese) Kohlenstoffdioxid + Wasser Lichtenergie Traubenzucker (Glucose) + Sauerstoff Vereinfacht: 6 CO2 + 6 H2O  Lichtenergie  C6H12O6 + 6 O2 Real: 6 CO2 + 12 H2O  Lichtenergie C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O h * r = Wellenlänge * Konstante = Lichtenergie 1

Engelmannscher Bakterienversuch

ENGELMANN projizierte ein durch ein Prisma aufgespaltenes Spektrum weißen Lichts auf eine Fadenalge. Im umgebenden Wasser befanden sich bewegliche, Zellatmung betreibende Bakterien. Diese waren vor der Belichtung gleichmäßig verteilt. Nach Belichtung ergab sich das gezeigte Bild der Bakterienverteilung Erklärung: Nur rotes und blaues Licht, das von Chlorophyll absorbiert wird, ist photosynthetisch aktiv. An den Stellen, wo rot und blau eingestrahlt wird, nicht aber im grünen Bereich, findet die Photosynthese statt und es wird Sauerstoff entwickelt. Dort sammeln sich sauerstoffzeigenden Bakterien an.

2

Dünnschichtchromatographie

Wie kann man die Leistung der Fotosynthese optimieren?

 richtige Belichtungsstärke

Schattenblätter benötigen eine niedrigere Belichtungsstärke als Sonnenblätter. Generell gilt, dass die Blätter mehr Fotosynthese betreiben können, wenn die Belichtungsstärke höher wird. Allerdings können sie die Arbeit bei zu starker Beleuchtung nicht mehr leisten und sogar Schaden nehmen.

Lichtkompensationspunkt: der Punkt, bei dem der Verbrauch und die Freisetzung von Sauerstoff gleich sind.

Lichtsättigung: ab diesem Punkt steigt die Leistung auch bei höherer Beleuchtung nicht mehr

 richtige Temperaturen

 ausreichend Wasser 3

 CO2 steigern auf 0,2

Luftzusammensetzung:



O2

21 Vol%



CO2

0,03 Vol%



N2

78 Vol%



Rest: Edelgase

2.) Experiment: Spektralfotometer

Zuerst haben wir das Licht mithilfe eines Prismas in die einzelnen Spektralfarben aufgespalten und das Farbstoffgemisch mittels Kävette in das Licht gestellt. Wenn eine Lichtsorte durch das Gemisch hindurchreflektiert, also nicht absorbiert wird, ist sie unwichtig für die Fotosynthese. Wenn sie nicht durchscheint, ist sie wichtig, da sie dann absorbiert wird und die Pflanze somit die Energie des Lichts aufnimmt.

 gelbes,hellrotes und grünes Licht gehen durch  dunkelblaues und dunkelrotes Licht werden absorbiert

Zur genaueren Untersuchung haben wir ein Spektralfotometer benutzt. Dieses lässt sich auf verschiedene Wellenlängen einstellen und misst so die Extinktion und Transmission für das Farbstoffgemisch. Dazu haben wir das Gemisch mit Aceton verdünnt

Anpassungsformen an Umweltbedingungen: Jede Pflanze muss sich an ihre Umwelt anpassen, um überleben zu können. Bei einem Schattenblatt zum Beispiel ist die Oberfläche viel größer als bei einem Sonnenblatt, da das Schattenblatt nicht so viel Licht abbekommt und jeden Lichtstrahl ausnutzt, den es bekommt. Aufgrund dieser Tatsache hat das Sonnenblatt ein starkes 4

Palisadengewebe. Die Anpassungsfähigkeit bestimmt somit auch die Gestalt des Schwamm - und Palisadengewebes. Ein weiteres Beispiel ist die Besenheide, die volles Sonnenlicht bekommt, aber dafür nur kleine Blattspreiten hat, sodass sie vom Wind gekühlt wird. Interessant noch zu erwähnen sind die Seerosen., die der Sonne sehr stark ausgesetzt sind und deren Palisadengewebe daher vielschichtig ist. Darüber hinaus ist ihr Schwammgewebe mit Gas gefüllt, damit sie auf dem Wasser schwimmen können. Und auch die Kakteen haben sich an ihre Umwelt angepasst. Die Umwandlung hat stattgefunden, sodass die Kamele davon abgehalten wurden, sich in deren Umgebung aufzuhalten.

Assimilation: 6CO2 +12H2O ------> C6H12O6 + 6CO2 + 6H2O Dissimilation ( findet in den Mitochondrien statt): C6H12O6 + 6H2O + 6O2 -------> 6CO2 +12H2O + Energie

Lichtsättigung ist der Punkt bzw. die Grenze, an dem ein Schattenblatt kein Licht mehr aufnehmen kann, da es belastet ist. Die Chloroplasten sind alle ausgelastet. Lichtkompensationspunkt ist der Punkt, ab dem die CO2-Aufnahme gleich der CO2Abgabe ist. Kilolux ist eine Einheit, mit der der man die Beleuchtungsstärke messen kann. 10 Kilolux=10.000 Lux Im Aquarium befinden sich ca. 1500 Lux. Im Bioraum können wir, wenn die Lichter an sind, 3700 Lux messen. Mittags bei klarem Himmel können bis zu 100.000 Lux gemessen werden.

5

Bau und Funktion von Chloroplasten

Chloroplasten sind von einer Doppelmembran umhüllt; diese umschließt die Matrix (Stroma), den dickflüssigen Inhalt des Chloroplasten und die Thylakoide, das ist das Lamellensystem im Inneren der Chloroplasten. Die Membranen des Thylakoidsystems trennen das Stroma vom Thylakoidinnenraum. An manchen Stellen bilden die Thylakoide geldrollenartige Stapel, diese nennt man Grana (Einzahl: Granum). Wichtig ist, dass das Thylakoidsystem einen abgeschlossenen Raum bildet, in dem sich Stoffe ansammeln können (siehe "Protonengradient") Anregungszustand: Chlorophyll absorbiert blaues und rotes Licht. -blaues und rotes Licht wird vom Blatt absorbiert -blaues Licht ist energiereicher als rotes Licht -grünes Licht wird reflektiert Isotop: gr. Isos = gleichzeitig gr. Topos = Ort Hier: Stoffe, die im Periodensystem den gleichen Platz einnehmen, d.h. die gleichen chemischen Eigenschaften haben 6

Beispiel Wasserstoff: Siehe Mappe ATP = Adenin- Tri – Phosphat Abbildung siehe Mappe Bei einem Körpergewicht von 50kg produziert der Körper täglich ca. 50kg ATP und baut es wieder zu ADP+Pi ab.

Phosphat: = Phosphat ( auch Pi ) = in Ionenform als Bindeglieder zwischen Nucleotiden Nucleotide: Basen + Zucker (Pentose) + 1-3 Phosphate (besteht immer aus einer Base, einer Pentose ( Zucker) und 1-3 Phosphationen ( Pi bzw.

)

→ Nucleotide sind die wichtigsten Bestandteile von Nucleinsauren ( DNA, mRNA und tRNA) NADP+ = Nicotinamid-adenin-dinucleotid-phosphat

Lichtreaktion -findet in den Thylakoidenmembran statt -ATP + NADPH+H+ entstehen  werden zur Dunkelreaktion benötigt -Licht wird benötigt, kein CO2

Dunkelreaktion -findet im Stroma statt -benötigt ATP + NADPH+H+ -CO2 wird benötigt, kein Licht Es gibt 2 Fotosysteme, die miteinander gekoppelt sind und die einzeln weniger leisten als in Kombination.

7

Lichtreaktion -Chlorophyll a absorbiert in Fotosystem 2 Licht - das Licht bringt die 2 Elektronen auf ein höheres Energieniveau -Energiedifferenz entsteht -Energiedifferenz wird zum aktiven Transport von Protonen genutzt -Elektronen wandern vom höheren Energieniveau zum niedrigeren (Redoxsysteme transportieren Elektronen durch die Membran) - nebenbei läuft die Reaktion: -Wasser wird zerlegt ( Photolyse), dabei entstehen 2 H+ Ionen + 2Elektronen + ½ Sauerstoff -die dadurch freigesetzten Elektronen rücken nach ( in das Photosytem 2 )

-auch die Elektronen in Photosystem 1 werden durch Licht auf ein höheres Energieniveau gebracht -Elektronen wandern zur NADPH- Synthetase - dann wandern die 2 freigesetzten Protonen der (Photolyse) zur ATP-Synthase ( durch chemiosmose) - ATP- Synthase katalysiert mithilfe der freiwerdenden Energie ATP aus ADP + Pi -die 2 Protonen wandern weiter zur NADPH- Synthetase, wo sie zusammen mit den 2 Elektronen NADP zu NADPH+H+ reduzieren Bei der Lichtreaktion entstehen also ATP und NADPH+H+.

Wesentlichen Produkte der Lichtreaktion -Protonen -ATP -NADPH+H+ Bei der Spaltung von 1Mol ATP (in ADP+Pi) werden 30.6 kJ Energie freigesetzt. Osmose Diffusion durch semipermeable Membran 8

(-> osmotischer Druck entsteht) Diffusion Wanderung von Teilchen vom Ort ihrer höheren Konzentration zum Ort ihrer geringeren Konzentration. ( exergonischer Prozess) Wenn die Konzentration der H+ -Ionen (Protonen) sinkt, erhöht sich der pH-Wert. Wenn die Konzentration der H+- Ionen (Protonen) steigt, sinkt der pH-Wert.

Dunkelreaktion Welches Produkt erwartet man? – Glucose = Energieträger. Wasser wird frei u. verbraucht. Traubenzucker ( Glucose) wird erzielt. Der Calvinzyklus Die Produkte der Lichtreaktion, ATP und NADPH + H+, werden nun benötigt, um CO2 zu Glucose zu reduzieren. ATP wird als Energiequelle benötigt und NADPH + H+ dient als Reduktionsäquivalente. Da Glucose ein Molekül aus 6 C- Atomen ist, benötigt man für seine Synthese 6 Moleküle CO2. Die Synthese läuft in mehrereren Einzelschritten im Stroma der Thylakoiden ab.

Dunkelreaktion-Calvinzyklus -

CO2 –Fixierung, d.h. das aus der Luft aufgenommene CO2 wird in RuDP eingebaut

-

6 RubP reagieren mit 6 CO2 und 6 H2O zu 6 C6 Körper, die jedoch sehr instabil sind und zu 12 C3 Körpern (PGS) zerfallen

-

Unter Oxidation von 12 ATP und 12 NADPH+H+ und Ausscheidung von 12 H2O wird 12 PGS zu 12 PGA reduziert (es entsteht 12 PGA (C3) )

-

davon bilden 2 PGA unter Ausscheidung von 2 Pi Molekülen ein Glucosemolekül

-

die restlichen 10 PGA (C3) reagieren unter einer Regenerationsreaktion und unter Ausfall von 4 Pi Molekülen zu 6 RuP (C5)

-

nun reagiert 6 RuP (C5) mit 6 ATP zu 6 RubP (C5)

-

der Zyklus beginnt wieder von vorne

-

Um ein Molekül Glucose zu erzeugen, werden insgesamt 18 Moleküle ATP und 12 Moleküle NADPH+H+ verbraucht

9

Ausführlicher : Dunkelreaktion Carboxylierende Phase Der Calvin-Zyklus beginnt mit der CO2- Fixierung, d.h. das aus der Luft aufgenomene CO2 wird in organische Verbindungen der Pflanze eingebaut. Zuerst wird das CO2- Molekül in eine Verbindung namens Ribulose-1,5-biphosphat (RuDP) eingebaut, die aus 5 C- Atomen besteht. Das Enzym, das diesen Schritt katalysiert, heißt RuBP- Carboxylase oder kurz Rubisco. Das Produkt, ein C6- Körper, ist jedoch sehr instabil und zerfällt sofort in zwei C3- Körper namens Phosphoglycerinsäure (PGS). Insgesamt sind 6 CO2- Moleküle erforderlich um das Ausgangsprodukt, ein Glucosemolekül zu erhalten. Reduzierende Phase An jedes PGS- Molekül wird eine Phosphatgruppe gehängt, was die Spaltung von je einem ATPMolekül erfordert. Die entstehende Verbindung heißt 1,3- Diphosphoglycerat (PGA). Im nächsten Schritt reduziert ein vom NADPH geliefertes Elektronenpaar das 1,3- Diphosphoglycerat zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (PGA). Genauer gesagt, reduzieren die Elektronen die Carboxylgruppe (Säuregruppe) des 1,3-DiPGS zur Carbonylgruppe des PGA, die energiereicher ist. Bei der reduzierenden Phase werden pro eingehendes CO2- Mokekül 2 Moleküle ATP und 2 Mokeküle NADPH +H+ verbraucht. Da wir jedoch von 6 eingehenden CO2- Molekülen ausgehen, sind insgesamt 12 Moleküle ATP und 12 Moleküle NADPH + H+ notwendig und es entstehen 12 Moleküle G3P. Zwei von ihnen dienen zur Bildung eines Glucosemoleküls, die weiteren zehn Moleküle verbleiben im Zyklus. Regenerierende Phase In der regenerierenden Phase wird der CO2- Akzeptor, als Ribulose-1,5- diphosphat, wieder hergestellt. Die 10 PGA- Moleküle werden in einer komplizierten Reaktionsfolge so umgeordnet, dass wieder sechs Moleküle RuDP entstehen und der Zyklus wieder von vorn beginnen kann. Bei diesen Regenerationsreakionen werden weitere 6 ATP- Moleküle verbraucht. Eine zweite Funktion der regenerierenden Phase ist die Herstellung von Glucose-6- Phosphat (G6P). Daraus kann dann entweder Stärke oder die Transportform Saccharose gebildet werden. Diese Zwischenprodukte dienen im Intermediärstoffwechsel zur Herstellung von Aminosäuren. 10

Um ein Molekül Glucose zu erzeugen, werden insgesamt 18 Moleküle ATP und 12 Moleküle NADPH + H+ verbraucht. Die Bilanz des Calvinzyklus sieht also folgendermaßen aus: 6 CO2 + 12 NADPH + H + + 18 ATP => C6H12O6 +12 NADP+ + 18 ADP + Pi + 6 H2O

Aminosäure Abbildung siehe Mappe 1 Aminosäure 2 miteinander verknüpfte Aminosäuren Di- Peptid 3

Tri-Peptid

4-10

Oligopeptid

Mehr als 10

Polypeptid

Mehr als 100

Protein ( Eiweiß)

Je mehr H+ -Ionen  desto kleiner ist der pH-Wert Proteine ( Eiweiße ) sind aus 20 Aminosäure zusammen gesetzt.

Funktionen von Proteinen ( Eiweißen) -Steuerfunktion (z.B. Ballosterische Enzyme) -Kontraktion (z.B. Myosin, Actin ) -Stofftransport ( z.B. Carrier-Proteine in Biomembranen, Hämoglobin ) -Immunabwehr ( Antikörper, z.B. „Gamma“- Globuline) -Werkzeug, Biokatalysator ( Enzyme) -Schutz vor Kälte und mechanischen Einwirkungen ( Keratin) -Informationsleitung / Botenstoffe ( Hormone) -Langzeitgedächtnis ( diverse Eiweiße in Synapsen )

Elektronen abgeben  Oxidation Elektronen aufnehmen  Reduktion

11

Stoffmenge 1 Mol ist eine bestimmte Stoffmenge, bestehend aus 6 mal 10 hoch 23 Teilchen, zu erhalten durch Abwiegen: Atommasse/ Molekülmasse in Gramm (g) z.B. wiegt ein Mol Glucose ( C6H12O6) Atommassen 12

C

1

H

16

O

1Mol Glucose C6 mal 12C = 6 mal 12 = 72 H12 mal 1 H = 12 mal 1 = 12 O6 mal 16O = 6 mal 16 = 96 Insgesamt: 180 g C3 Pflanzen Weizen, Reis, Kartoffel, Zuckerrübe - die am weitest verbeitesten (gemäßigtes Klima) - zwischen den Schwammzellen: große Lücken - Leitbündel nicht durchgängig (hintereinander gestapelt) - "Reguläre" Fotosynthese - Lichtabhängige Reaktion - Lichtunabhängige Reaktion (Calvin-Zyklus) - CO2 geht direkt in den Calvin Zyklus - CO2-Fixierung und Lichtunabhängige Reaktion zeitgleich am selben Ort C4-Pflanze (Hochleistungspflanze): - Mais, Hirse, Zuckerrohr - tropische Gebiete - Schwammzellen haben wenige Lücken (eng beieinander) - Leitbündel durchgängig - Lichtabhängige- und Lichtunabhängige Reaktion finden örtlich getrennt statt - Lichtabhängige = Schwammzellen - Lichtunabhängige = Leitbündel 12

- angepasst an niedrige CO2 Konzentration - Fixierung von CO2 in Malat über PEP-Carboxylase CAM-Pflanze: - Ananas, Kakteen, Sukkulenten - Aufbau wie C4-Pflanzen - Stoffwechsel wie C4-Pflanzen - Lichtunabhängige und Lichtabhängige Reaktion finden am selben Ort statt - sehr heißes trockenes Klima (Wüste) - Nehmen nachts durch geöffnete Spaltöffnungen CO2 auf und speichern es - CO2 Fixierung nur Nachts - Tagsüber "nur" Lichtabhängige Reaktion in der ATP gebildet wird und CO2 dem "Speicher" entnommen wird - Zeitlich getrennte Abläufe der Fotosynthese, da sie starken Wasserverlust vermeiden müssen

Fazit: C3-Pflanze = gleicher Zeitlicher- und Örtlicher Ablauf der Fotosynthese C4-Pflanze = Örtlich getrennte Fotosynthese CAM-Pflanze = Zeitliche Trennung der Fotosynthese

13...