Kapitel 1: Flashcards
Die Studierenden können die Absorption von Photonen und die Umwandlung in chemische Energie in einem Photosystem beschreiben. Die Studierenden können die Photosynthese in ihren einzelnen Schritten und damit die Produktion von ATP und Glucose auf molekularer Ebene beschreiben und erklären. Die Studierenden können die Unterschiede zwischen C3-, C4- und CAM-Pflanzen bezüglich der Photorespiration beschreiben und ihre Bedeutung erklären.
Was ist Licht?
Licht ist eine transversale elektromagnetische Welle.
Licht verhält sich auch wie eine Teilchen (Proton) und besitzt eine bestimmte Energiemenge (Quant).
Der Abstand zwischen zwei Wellenkämmen oder Wellentälern wird als Wellenlänge bezeichnet. Der
Gesamtbereich der elektromagnetischen Wellen wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet. Sichtbares Licht ist zwischen 750nm - 400 nm.
Je nach Wellenlänge bzw. Energiegehalt hat Licht unterschiedliche Wirkungen auf die Materie.
- Radio- u. elektrische Wellen: Veränderung des magnetischen Moments
- Infrarot: Veränderung der thermischen Energie von Molekülen
- UV: Veränderung der Elektronenverteilung von Molekülen (äussere Elektronen)
- Röntgenstrahlen: Veränderung der Elektronenverteilung von Atomen (innere Elektronen)
- Gammastrahlen: Veränderung an Atomkern
Was ist Chlorophyll
In höheren Pflanzen wird das Licht von einem Pigment (grün), dem Chlorophyll absorbiert. Die Chlorophylle der höheren Pflanzen absorbieren insbesondere Licht mit einer Wellenlänge von 450 bis 500 nm (blau) und von 650 bis 700 nm (rot).
Chlorophyll ist ähnlich aufgebaut wie ein Phospholipid und hat einen hydrophoben und einen hydrophilen Teil. Der “Kopf” des Chlorophylls besteht aus einem System konjugierter Doppelbindungen. Dies bedeutet dort gibt es eine hohe Elektronenmobilität. Diese Elektronenmobilität ist verantwortlich für die Lichtabsorbation.
Es gibt zwei unterschiedliche Typen von Chlorophyll. Chlorophyll a ist eher blaugrün und Chlorophyll b eher gelbgrün.
Das Spektrum von Chlorophyll a zeigt, dass blauviolettes und rotes Licht am besten für die Photosynthese geeignet sind, da diese Wellenlängenbereiche gut absorbiert werden, während Licht im grünen Bereich am wenigsten effektiv ist.
Wo befindet sich das Chlorophyll in den Pflanzen?
Nur im grünen Teil der Pflanze, d.h. ein Baumstamm hat kein Chlorophyll.
Die Lichtabsorbierenden Moleküle (Chlorophyll) befinden sich bei höheren Pflanzen auf den Zhylakoidmembranen der Chloroplasten; letztere kommen vornehmlich in den Zellen des Palisaden- und des Schwammparenchyms (d.h. im inneren des Blattes) der Laubblätter vor.
Was passiert bei der Lichteinstrahlung auf ein Laubblatt?
Durch die Absorption von Protonen werden Elektronen der absorbierenden Pigment-Moleküle auf höhere Energieniveaus angehoben (angeregter Zustand). Beim Zurückfallen in den Grundzustand geben die angeregten Elektronen ihre Energie in Form von langwelliger Wärmestrahlung und von energieärmerem Licht (Fluoreszenz) wiederum ab.
Die Absorption von blauem und rotem Licht ist unterschiedlich
Pflanzen und unser Planet
Pflanzen sind für das Leben auf der Erde unerlässlich.
Mindestens 99.5 % der Biosphäre sind Pflanzen
Pflanzen absorbieren CO2
-> Im Winter hat es mehr CO2 in der Atmosphäre als im Sommer. Hauptsächlich wegen der Vegetation auf der Nordhemisphären.
Wie funktioniert die Lichtreaktion der Photosynthese?
Ziel: Die Lichtreaktionen wandeln Sonnenenergie in chemische Energie in Form von ATP und NADPH um
- Anregung von Chlorophyll durch Licht:
Wenn ein Molekül ein Lichtquant (ein Photon) absorbiert, wird eines seiner Elektronen in ein anderes, energetisch höherwertiges Orbital überführt. Man sagt, das Molekül befindet sich im angeregten Zustand. - Das Photosystem
Ein Photosystem besteht aus einem als Reaktionszentrum bezeichneten Proteinkomplex, der von mehreren Lichtsammelkomplexen umgeben ist. Das Reaktionszentrum beinhaltet ein „spezielles“ Paar aus zwei Chlorophyll a-Molekülen. Jeder Lichtsammelkomplex setzt sich aus verschiedenen Farbstoffmolekülen zusammen (Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotinoide), die an Proteine gebunden sind.
Wenn ein Farbstoffmolekül ein Photon absorbiert, wird die Energie innerhalb des Lichtsammelkomplexes von einem Farbstoffmolekül zum nächsten weitergeleitet.
Der Prozess setzt sich fort, bis ein Reaktionszentrum erreicht ist. Das Reaktionszentrum enthält ein Molekül, das Elektronen aufnehmen kann und dadurch reduziert wird. Dieses Molekül wird als primärer Elektronenakzeptor bezeichnet.
Dies bedeutet, dass an dieser Stelle eine durch Licht bewirkte Ladungstrennung stattfindet. Ein Chlorophyll gibt ein Elektron ab und ein Akzeptor nimmt es auf – der primäre Elektronenakzeptor.
Die Thylakoidmembranen enthalten zwei Typen von
Photosystemen, die bei den Lichtreaktionen der Photosynthese zusammenarbeiten und als Photosystem I (PS I) und Photosystem II (PS II) bezeichnet werden. (Die Benennung erfolgte in der Reihenfolge ihrer Entdeckung, doch liegt PS II in der photosynthetischen Reaktionsfolge vor PS I). Das Reaktionszentrum von Photosystem II wird nach der Wellenlänge des Absorptionsmaximums in Nanometern als P680 bezeichnet. Das Reaktionszentrum von Photosystem I heißt entsprechend P700.
- Der lineare Elektronenfluss
Jedes durch die Absorption eines Photons angeregte
Elektron (Elektron kommt vom Wasser) wird von dem primären Elektronenakzeptor des Photosystems II (PS II) über eine Elektronentransportkette zum Photosystem I (PS I) transportiert. Auf der zwischen PS II und PS I geschaltete Elektronentransportkette wird die Energie durch eine ATP-Synthase zunächst in eine mechanische Drehbewegung und dann in die chemische Energie des ATP umgewandelt.
Durch eine zweite Elektronentransportkette reduzierten Ferredoxins durch NADP+ zu NADPH.
Für diese Reduktion sind zwei Elektronen und ein Proton erforderlich. Bei diesem Schritt wird auch ein Proton aus dem Stroma entfernt.
Vgl. Campbell S. 254 Abb. 10.14
Wo findet die Photosynthese statt?
In den grünen Teilen einer Pflanze (vor allem Blätter), genauer in den Chloroplasten, welche sich den Mesophyllzellen des Blattes befinden.
Ein Chloroplast hat eine Hülle, bestehend aus zwei Membranen, umgibt einen in diesen Organellen als Stroma bezeichneten Innenraum.
Das Chlorophyll befindet sich, an Proteine angelagert, in den Thylakoidmembranen. Die Thylakoiden befinden sich im Stroma und an manchen Stellen sind die Thylakoide zu so genannten Grana aufgestapelt.
Die Lichtreaktion findet in der Thylakoidmembran statt, währenddem der Calvin-Zyklus im Stroma stattfindet.
Wie lautet die Summengleichung der Photosynthese?
6 CO2 + 6 H2O + Lichtenergie → C6H12O6 + 6 O2
Kohlendioxid + Wasser + Licht → Glucose + Sauerstoff
Woher kommt der Sauerstoff bei der Photosynthese?
Die Wasseroxidation:
Der von den Pflanzen abgegebene Sauerstoff (O2) stammt aus Wasser und nicht aus Kohlendioxid (CO2)!
Pflanzen spalten Wasser um daraus Elektronen zu gewinnen, die dann zur Reduktion von CO2 zu Zuckern verwendet werden, mit Sauerstoff als Nebenprodukt.
Da die Elektronen dabei an potenzieller Energie
gewinnen, benötigt dieser Prozess Energie – mit anderen Worten, er ist endergon. Die Energie wird in der Photosynthese vom Licht geliefert.
Aus welchen Teilschritten besteht die Photosynthese und wie hängen diese zusammen?
Die beiden Teilschritte der Photosynthese sind als
Lichtreaktionen (Photo-Teil der Photosynthese) und
als Calvin-Zyklus (Synthese-Teil der Photosynthese)
bekannt.
Die Lichtreaktion wandelt Lichtenergie in chemische Energie um. Wasser wird gespalten und dient als
Quelle für Elektronen und Protonen. Sauerstoff wird
als Nebenprodukt gebildet. Das vom Chlorophyll
absorbierte Licht treibt die Übertragung von Elektronen
und Protonen von Wassermolekülen auf einen Zwischenträger an. Dieser Elektronenakzeptor heißt NADP+.
Die Lichtreaktionen nutzen die Lichtenergie, um NADP+ zu NADPH zu reduzieren. Die Lichtreaktionen stellen außerdem genügend Energie zur Synthese von ATP aus ADP und Phosphat bereit.
Damit der Calvin-Zyklus Zucker bilden kann, ist er auf die Produkte NADPH und ATP aus den Lichtreaktionen angewiesen. Die Reaktionen des Calvin-Zyklus werden auch als Dunkelreaktionen bezeichnet, weil kein Schritt direkt auf Lichtenergie angewiesen ist.
Frage aus Campbell:
Wie erreichen die Edukte der Photosynthese die Chloroplasten in den Blättern?
Kohlendioxid gelangt über die Spaltöffnungen in die Blätter, Wasser wird von den Wurzeln aufgenommen und über das Xylem in die Mesophyllzellen der Blätter gebracht.
Frage aus Campbell:
Wie hat die Verwendung eines Sauerstoffisotops bei der Aufklärung der chemischen Reaktionen der Photosynthese geholfen?
Unter Verwendung von Sauerstoff-18 (18O) als Markierung konnten van Niel und Mitarbeiter nachweisen, dass der bei der Photosynthese freigesetzte Sauerstoff aus dem Wasser stammt und nicht aus dem Kohlendioxid.
Frage aus Campbell:
Der Calvin-Zyklus ist auf die Produkte der Lichtreaktionen, ATP und NADPH, angewiesen. Nehmen Sie an, jemand würde behaupten, der umgekehrte Fall würde nicht gelten. Damit hingen die Lichtreaktionen nicht vom Calvin-Zyklus ab und könnten bei fortdauernder Lichteinstrahlung weiterhin ATP und NADPH produzieren. Stimmen Sie dem zu oder nicht? Begründen Sie Ihre Meinung.
Die Lichtreaktionen könnten ohne das NADP+, das ADP und das Pi, die im Calvin-Zyklus kontinuierlich wieder frei werden, nicht mehr mit der Produktion von NADPH und ATP fortfahren. Die beiden Stoffwechselwege sind voneinander abhängig.
Warum sind Blätter grün?
Blätter erscheinen grün, weil das darin enthaltene Chlorophyll blauviolettes und rotes Licht absorbiert, grünes Licht aber durchlässt beziehungsweise reflektiert.
Frage aus Campbell:
Setzt man ein Blatt und eine vorbereitete Lösung mit gleichen Chlorophyllkonzentrationen der gleichen ultravioletten Strahlung aus, beobachtet man im Blatt keine Fluoreszenz. Versuchen Sie, den Unterschied
im Fluoreszenzverhalten zwischen der Lösung und dem
Blatt zu erklären.
Im Blatt werden die meisten durch Licht angeregten Elektronen der Chlorophyllmoleküle in den Reaktionszentren weitergeleitet, um die Reaktionen der Photosynthese anzutreiben.
