Fotosynthese Notizen

Ablauf der Fotosynthese

Primärreaktionen der Fotosynthese

  • Ziel: Bildung von Kohlenhydraten aus Kohlenstoffdioxid. Formal eine Reduktion, die chemische Energie und Reduktionsmittel benötigt.

  • Bereitstellung von Energie und Reduktionsmittel: ATP und NADPH + H+ werden in den Primärreaktionen (Fotoreaktion) bereitgestellt.

    • Ort: Thylakoide der Chloroplasten.

  • Sekundärreaktionen (Synthesereaktion):

    • Ort: Stroma der Chloroplasten.

    • Reduktion von Kohlenstoffdioxid zur Erzeugung von Kohlenhydraten.

Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie

  • Zusammenarbeit von zwei Fotosystemen: Fotosystem I und Fotosystem II.

  • Benennung: Nach der Reihenfolge ihrer Entdeckung.

  • Reaktionszentren: Spezielles Chlorophyllpaar (primärer Donor).

    • P700 (Fotosystem I).

    • P680 (Fotosystem II).

  • Beteiligte Redoxsysteme: Mehrere Redoxsysteme und die ATP-Synthase.

Schritte der Primärreaktionen

  1. Anregung von Fotosystem II durch Licht: Der primäre Donor P680 wird angeregt und gibt ein Elektron an einen Akzeptor ab, wodurch oxidiertes Chlorophyll+ entsteht.

  2. Elektronenzufuhr zum oxidierten Chlorophyll: Durch den Wasserspaltungskomplex von Fotosystem II.

    • Wasserspaltung: Unter Beteiligung einer manganhaltigen Struktur wird Wasser in Elektronen, Protonen und Sauerstoff gespalten.

      • H<em>2O→2H++2e−+12O</em>2H<em>2O \rightarrow 2H^+ + 2e^- + \frac{1}{2}O</em>2

    • Sauerstoff: Wird freigesetzt.

    • Protonen: Verbleiben im Lumen der Thylakoide.

    • Zwei Wassermoleküle: Werden gespalten, um ein Sauerstoffmolekül herzustellen, wobei vier Protonen und Elektronen freigesetzt werden.

  3. Elektronentransportkette: Elektronen gelangen vom Fotosystem II über Redoxsysteme (Plastochinon, Cytochromkomplex, Plastocyanin) zum Fotosystem I.

  4. Protonenpumpe: Plastochinon pumpt in Zusammenarbeit mit dem Cytochromkomplex Protonen in das Lumen der Thylakoide.

    • Protonengradient: Zusammen mit den Protonen aus der Wasserspaltung entsteht ein Protonengradient über die Thylakoidmembran.

    • ATP-Synthase: Nutzt den Protonengradienten zur ATP-Bildung (Fotophosphorylierung).

  5. Fotosystem I: Der primäre Donor P700 gibt nach Anregung durch Licht ein Elektron an eine zweite Elektronentransportkette weiter.

    • Grundzustand: Fotosystem I gelangt wieder in den Grundzustand, indem es ein vom Fotosystem II zugeführtes Elektron übernimmt.

  6. Elektronenübertragung auf NADP+: Am Ende der Elektronentransportkette werden die Elektronen auf das Coenzym NADP+ übertragen, das dabei mit Protonen aus dem Stroma des Chloroplasten zu NADPH + H+ reduziert wird.

Abschluss der Primärreaktionen

  • Bereitstellung von ATP und NADPH + H+.

  • Voraussetzungen für die Sekundärreaktionen sind geschaffen.

Das Blatt als Organ der Fotosynthese

  • Ort der Fotosynthese: Grüne Teile der Pflanze, insbesondere die Laubblätter.

  • Chloroplasten: Enthalten Chlorophyll, das die Grünfärbung verursacht.

Aufbau des Laubblatts

  • Epidermis: Einschichtiges Abschlussgewebe auf Ober- und Unterseite, chloroplastenfrei.

    • Cuticula: Wasserundurchlässige Schutzschicht über den Epidermiszellen.

  • Fotosynthetisch aktives Gewebe: Zwischen oberer und unterer Epidermis.

    • Palisadengewebe: Lang gestreckte, pfahlförmige Zellen mit zahlreichen Chloroplasten, senkrecht zur Blattoberfläche.

    • Schwammgewebe: Unregelmäßig geformte Zellen, meist weniger chloroplastenreich als das Palisadengewebe.

      • Interzellularen: Große, lufterfüllte Zellzwischenräume.

  • Spaltöffnungen: Schlitzförmige Öffnungen, die die Interzellularen mit der Außenwelt verbinden.

    • Funktion: Abgabe von Sauerstoff und Wasserdampf, Aufnahme von Kohlenstoffdioxid.

    • Schließzellen: Begrenzen die Spaltöffnungen.

Anzahl der Spaltöffnungen

  • Mehrere Hundert pro mm2mm^2 zur Sicherstellung der Kohlenstoffdioxidversorgung und des Wasserhaushaltes.

Leitbündel

  • Versorgen die Zellen mit Wasser und Mineralsalzen.

    • Xylem: Wasserleitungsbahnen.

    • Phloem: Leitungsbahnen für organische Stoffe.

  • Blattadern: Äußerlich erkennbare größere Leitbündel.

Schatten- und Sonnenblätter

  • Spezialisierungen im Blattbau: In Abhängigkeit von Standortbedingungen (Wasserverfügbarkeit, Licht).

Schattenpflanzen

  • Großflächige, dünne und zarte Blätter.

  • Anpassung an geringe Lichtintensitäten.

  • Vertragen keine intensive Sonneneinstrahlung.

Sonnenpflanzen

  • Benötigen starke Lichteinstrahlung.

  • Gedeihen bei unzureichender Beleuchtung schlecht.

  • Kleine, derbe oder ledrige Blätter.

  • Oft mehrschichtiges Palisadengewebe.

Anpassung an Lichtverhältnisse

  • Schattenblätter: Große Blattspreite, einschichtiges Palisadengewebe.

  • Sonnenblätter: Mehrschichtiges Palisadengewebe, kleine Blattspreite.

Lichtkompensationspunkt

  • Definition: Lichtintensität, bei der die Fotosyntheserate die Zellatmungsrate kompensiert.

  • Schattenblatt: Erreicht den Lichtkompensationspunkt bei niedrigerer Lichtintensität.

  • Sonnenblatt: Benötigt höhere Lichtintensität, ist aber bei höheren Lichtintensitäten produktiver.

Temperaturabhängigkeit der Fotosynthese

  • Steigende Temperatur: Erhöht die Fotosyntheserate bis zum Temperaturmaximum.

  • Temperaturoptimum: Maximum der Fotosyntheserate.

  • Hohe Lichtintensität: Verstärkt die Temperaturabhängigkeit.

  • Enzymatische Reaktionen: Geschwindigkeiten des Calvin-Zyklus bestimmen die Gesamtgeschwindigkeit der Fotosynthese.

  • Geringe Lichtintensität: Temperatur hat kaum Einfluss auf die Fotosyntheserate.

  • Limitierender Faktor: Licht bei geringer Lichtintensität.

Temperaturbereiche

  • Pflanzen gemäßigter Breiten: Optimum zwischen 20 und 30 °C, Minimum um 0 °C.

  • Wintergrüne Pflanzen: Fotosynthetisch aktiv auch unterhalb des Gefrierpunktes.

  • Tropische Pflanzen: Deutlich höheres Temperaturoptimum.

  • Pflanzen nördlicher Breiten: Entsprechend niedrigeres Temperaturoptimum.

Abhängigkeit der Fotosynthese von äußeren Faktoren

  • Beeinflussende Faktoren: Licht, Wasser, Temperatur, Mineralsalze, Kohlenstoffdioxid.

  • Begrenzender Faktor: Der Faktor, der am weitesten vom Optimum entfernt ist, begrenzt die Fotosyntheserate am meisten.

  • Natürlicher Kohlenstoffdioxidgehalt: Mit 0,04 % oft der begrenzende Faktor.

Messung der Fotosyntheserate

  • Indikatoren: Menge des produzierten Sauerstoffs oder der verwendeten Kohlenstoffdioxidmenge.

  • Zellatmung: Pflanzen nutzen auch das bei der Zellatmung freiwerdende Kohlenstoffdioxid.

Kohlenstoffdioxidgehalt im Gewächshaus

  • Erhöhung: Steigerung der Fotosyntheserate (z.B. Verdreifachung bei Gurken bei Erhöhung auf 0,1 %).

  • Sättigung: Weitere Erhöhung des CO2-Gehalts bringt keine zusätzliche Steigerung.

CO2-Kompensationspunkt

  • Definition: Punkt, an dem die Fotosynthese- und Dissimilationsrate gleich sind.

  • Nettofotosynthese: Gleich null.

  • Überwiegen der Zellatmung: Sinkt die Fotosyntheserate unter den Kompensationspunkt, überwiegt die Zellatmung und die Pflanze kann auf Dauer nicht überleben.

Lichtintensität

  • Abhängigkeit: Fotosynthese ist primär von der Lichtintensität abhängig, d.h. der Anzahl der Lichtquanten pro Zeiteinheit auf eine bestimmte Blattfläche.

  • Dunkelheit: Keine Fotosynthese möglich, Sauerstoffverbrauch aufgrund der Zellatmung.

  • Steigende Lichtintensität: Proportionaler Anstieg der Fotosyntheserate.

  • Lichtkompensationspunkt: Fotosynthetische Sauerstoffproduktion gleicht den Sauerstoffverbrauch durch die Zellatmung aus.

Stoffumsetzungen im Fließgewässer

  • Bedingungen: Veränderungen von der Quelle zur Mündung (Strömung, Eintrag organischen Materials).

  • Stoff- und Energiefluss: Lebewesen sind durch einen Stoff- und Energiefluss miteinander verbunden.

  • Beteiligte Organismen: Produzenten (Ufervegetation, Wasserpflanzen, Algen), Konsumenten (Tiere), Destruenten (Bakterien).

  • Kreislauf: Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Mineralstoffe, tote organische Substanz.