Orte der Fotosynthese: Ein Überblick

Orte der Fotosynthese

• Die Fotosynthese findet hauptsächlich in den Blättern von Pflanzen statt.
• Buchenblätter sind Beispiele für bifaziale Laubblätter, bei denen Ober- und Unterseite deutlich unterscheidbar sind.

Aufbau eines Laubblattes

• Blätter sind meistens grün, haben große Oberflächen, sind exponiert und stehen senkrecht zum Lichteinfall.
• Die Hauptfunktionen von Blättern sind Transpiration und Fotosynthese.
• Die Kutikula ist eine äußere Schicht, die Blätter vor Wasserverlust schützt und den Gasaustausch reguliert.
• Die Epidermis ist die einlagige Zellschicht, die das Blatt nach außen abgrenzt, und enthält keine Chloroplasten oder Chlorophyll.
• Die äußeren Zellwände der Epidermis sind verdickt und lückenlos, bedeckt durch die wasserund gasundurchlässige Kutikula.
• Spaltöffnungen (Stomata) befinden sich meist auf der Blattunterseite um Gase wie Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf durchzulassen.

Das Palisadengewebe

• Im Blattquerschnitt fallen große, zylindrische Zellen auf, die senkrecht zur Blattoberseite stehen und dicht gedrängt sind.
• Dieses Gewebe, das Palisadengewebe, kann ein- oder mehrschichtig sein und enthält etwa 80 % der Chloroplasten eines Blattes.
• Es erscheint im mikroskopischen Bild meist grün gefärbt und stellt den Hauptort der Fotosynthese dar.

Das Schwammgewebe

• Das Schwammgewebe liegt unter der Palisadenschicht und ist ein lockerer Gewebebereich mit sehr unterschiedlichen und unregelmäßigen Zellen.
• Es gibt zahlreiche Interzellularen (Zwischenräume), die untereinander und mit den Spaltöffnungen in Verbindung stehen.
• Die Zellen des Schwammgewebes besitzen deutlich weniger Chloroplasten als die des Palisadengewebes.
• Das Interzellularsystem ermöglicht einen intensiven Stoffaustausch zwischen Fotosynthese treibenden Zellen, Leitbündeln und Spaltöffnungen.
• Kohlenstoffdioxid diffundiert ungehindert zu den Zellen, während Sauerstoff und Wasserdampf in umgekehrter Richtung zu den Spaltöffnungen gelangen.

Die Leitbündel

• Die Blattleitbündel, eingebettet in Palisaden- und Schwammgewebe, durchziehen das Blatt wie Adern.
• Sie versorgen alle Teile des Blattes mit Wasser und Mineralsalzen.
• Fotosyntheseprodukte werden über die Blattleitbündel in Spross und Wurzel transportiert.

Blattquerschnitte im Vergleich

• Verschiedene Blattquerschnitte zeigen Anpassungen an unterschiedliche Umweltbedingungen.
• Die Abbildung A zeigt einen Querschnitt eines Blattes, das an einem sonnigen Standort wächst.
• Die Abbildung B zeigt einen Querschnitt eines Blattes, das dem Wasswerverlust reduziert wurde. Es kommt an trockenen Standorten vor.
• Die Abbildung C zeigt einen blattquerschnitt, der an einem feuchten Standort mit wenig Palisadengewebe vorkommt, und dient zum besseren Kohlenstoffdioxidaustausch.

Bau der Chloroplasten

• Chloroplasten sind von einer äußeren und einer inneren Membran umgeben, zwischen denen der Intermembranraum liegt.
• Im Stroma, der Grundsubstanz der Chloroplasten, befinden sich abgeflachte Membransäckchen, die Thylakoide.
• Einzelne Thylakoide im Stroma werden Stromathylakoide genannt.
• Gestapelte Thylakoide werden Grana genannt, die einzelnen Thylakoide Granathylakoide.
• In den Thylakoidmembranen sind Blattfarbstoffe wie Chlorophyll eingelagert.
• Im Stroma befinden sich ringförmige DNA-Moleküle, Ribosomen, Enzyme, Fetttröpfchen und Stärkekörner.

Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Chloroplasten und Mitochondrien

• Beide Organellen sind von einer Doppelmembran umgeben und besitzen einen Intermembranraum.
• Ribosomen und DNA sind in beiden Organellen vorhanden
• Beide Organellen weisen Oberflächenvergrößerungen auf.
• Stoffwechselprozesse wie die Energieumwandlung finden in beiden statt
• Chloroplasten haben drei Kompartimente (Intermembranraum, Stroma, Thylakoidinnenraum), Mitochondrien nur zwei (Intermembranraum, Matrix).

Summenformel der Fotosynthese

• Die Fotosynthese wird durch die folgende Summenformel zusammengefasst: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2, unter Einwirkung von Lichtenergie.

Chromatographie der Blattfarbstoffe

• Die Chromatographie ist ein physikalisches Trennverfahren zur Analyse von Stoffgemischen.
• Das Experiment erfordert Materialien wie Mörser, Sand, Messzylinder, Filterpapier, Becherglas, Trichter, Kreide, Pflanzenblätter und Ethanol/Brennspiritus.
• Die Blätter werden mit Sand zerrieben und mit Ethanol extrahiert, dann wird der Extrakt auf eine Kreide aufgetragen und in ein Becherglas mit dem Extraktionsmittel gestellt.
• Die Farbzonen trennen sich je nach Löslichkeit und Anlagerung an die Kreide.

Chromatographie - Methode

• Die Blattgrün besteht aus einem Gemisch verschiedener Blattfarbstoffe wie Chlorophyll a und b, die sich mit Chromatographie trennen lassen.
• Das zu trennende Stoffgemisch wird von einer beweglichen, mobilen, Phase durch eine nicht bewegliche, stationäre, Phase transportiert.
• Die Trennung des Gemisches beruht darauf, dass sich die einzelnen Bestandteile unterschiedlich gut in der mobilen Phase lösen und unterschiedlich stark an die stationäre Phase anlagern.
• Das Fließen der mobilen Phase kann durch Druck oder Kapillarkräfte erreicht werden.
• Je nach den verwendeten mobilen oder stationären Phasen werden verschiedene Chromatographieverfahren unterschieden, z. B. Papierchromatographie, Dünnschichtchromatographie oder Gaschromatographie.

Dünnschichtchromatographie

• Bei der Dünnschichtchromatographie ist die stationäre Phase Aluminium-oder Siliciumdioxid.
• Auf der DC-Folie werden die aufgetrennten Bestandteile des Stoffgemisches werden über den Rf-Wert identifiziert, der für jede Substanz im Trennsystem charakteristisch ist.
• Der Rf-Wert wird berechnet, idem die Strecke des Stoffs dividiert wird, durch die des Laufmittels dividiert wird

Ergebnisse und Deutung

• Durch die Chromatographie werden unterschiedliche Farbzonen wie Grün und Gelb sichtbar.
• Gelb hat den größten Rf-Wert und löst sich daher am besten in der mobilen Phase.
• Grüne Pflanzenteile enthalten sowohl grüne Blattfarbstoffe (Chlorophyll), als auch weitere Farbstoffe, wie Gelb.

Licht und Farbpigmente

• Chlorophyll enthält ein Ringsystem mit einem zentral gebundenen Magnesium-Ion, wobei Doppelbindungen für die Fotosynthesepigmente charakteristisch sind.
• Wird eine Chlorophyll-Lösung mit Licht bestrahlt, fehlen bestimmte Farben im Spektrum, da sie durch die Lösung absorbiert werden.
• Grüne Blätter erscheinen deshalb grün, weil grünes Licht kaum absorbiert, sondern durchgelassen oder reflektiert wird
• Will man die Lichtabsorption der verschiedenen Blattfarbstoffe genauer bestimmen wird, misst man, wie viel Licht verschiedener Wellenlängen von isolierten Farbstofflösungen absorbiert wird, um Absorptionsspektren zu erstellen .

Absorptions- und Wirkungsspektren

• Absorptionsspektren zeigen, dass Chlorophyll a und b hauptsächlich blaues und rotes Licht absorbieren, Carotinoide nur blaugrünes Licht.
• Das Wirkungsspektrum gibt die Fotosyntheserate in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts wieder.
• Chloroplasten enthalten verschiedene Pigmente, um unterschiedliche Wellenlängen des Lichts zu absorbieren.

Anregung von Elektronen

• Bei Lichtabsorption werden Farbstoff-Moleküle angeregt, wobei Elektronen der Doppelbindungen Licht vom Grundzustand auf ein höheres Niveau gelangen.
• Lichtenergie wird in der Fotosynthese absorbiert, die genau der Energiedifferenz zwischen Grund- und Anregungszustand entspricht.

Energietransfer

• Elektronen können durch rotes Licht auf das erste Niveau gehoben werden, durch blaues Licht auf das zweite Niveau
• Elektronen werden vom Laufmittel mit einer stoffspezifischen Geschwindigkeit transportiert, so erreicht man die Auftrennung.
• Die Fluoreszenz von Chlorophyll entsteht, wenn Elektronen nach Anregung in den Grundzustand zurückkehren und Energie als Licht abgeben
• Durch Energietransfer kann ein Elektron in einem Farbstoffmolekül angeregt und die Energie zum nächsten weitergegeben werden.

Engelmann-Versuch

• Engelmann nutzte Spirogyra-Algen und Bakterien, um die Abhängigkeit der Fotosyntheseaktivität vom Licht zu untersuchen.
• Die Bakterien sammelten sich hauptsächlich in den Wellenlängenbereichen 400-500 nm und 600-700 nm, was auf eine hohe Fotosyntheseaktivität hindeutete.

Dominanz der Cyanobakterien im Sommer

• Bei höheren Temperaturen haben Cyanobakterien eine höhere Zuwachsrate als Grünalgen und bilden Blaualgenteppiche an der Wasseroberfläche.
• Weniger Licht gelangt in tiefere Wasserschichten, was Grünalgen beeinträchtigt.
• Die Photosyntheseleistung ist bei den Grunalgen auch beeinflusst, da das zur Fotosynthese nötige Wasser die Pflanzen nicht erreicht.

Fotosynthese

• Photosynthese wird auch bei der Beleuchtung mit UV-Licht in Gang gesetzt.
• Die Maxima des Wirkungsspektrums entsprechen den Absorptionsspektren von Chlorophyll a und b.
• Diese sind demnach die denkalen Fotosynthesepigmente, aber auch die anderen tragen zur Fotosynthese bei, um für eine optimale Ausnutzung der Wellerlängen des Lichtes zu sorgen.
• Bei Beleuchtung mit UV wird Fluoreszenz erzeugt
• UV-Licht versetzt die Elektronen im Chlorophyll in angeregten Zustand, daraus folgt Fluoroszenz, danach Rückkehr in Grundzustand

Fotosysteme

• Fotosysteme wandeln Lichtenergie in chemische Energie um.
• Ein Pigmentmolekül im Lichtsammelkomplex wechselt nach Lichtabsorption auf ein höheres Energieniveau.

Energieübertragung innerhalb eines Fotosystems

• Licht wird vom Foloystem absorbiert und versetzt das Pigment
• Das Enzym springt in höhere Energieniveau
• Kurze Zeit später wieder zurück in den Grundzustand
• Freigesetzte Energie zum Chlorophyll-a 680 Transport

Anordnung der Fotosynthesepigmente

• Fotosynthesepigmente im Fotosystem sind so angeordnet, dass sie von außen nach innen weniger Anregungsenergie benötigen.
• Es findet eine Zusammenarbeit mit Molekiulpaares und Peleinversindung statt.

Lichtabhängige Reaktionen

• Die lichtabhängigen Reaktionen finden in den Tylakoiden statt.
• Im Thylakoid wird Wasser(H2O) in Sauerstoff(O2)
• Im Stroma wird die Energie aus ATP und NadpH+H genutzt, wobei Co2 aufgenommen wird.
• Dieses Co2 wird unter Energie aus ATP und in Glukose umgewandelt

Engelmann Versuch

• Engelmann Versuch zielt drauf ab , den Zusammenhang der Fotosynthese mit einwirken des Lichts zu beleuchten
• Durchspalterung des Lichts mit einem Prisma und Bakterienzugäbe konnte er so sehen, welche Spektralfarben die sauerstoffliebenden Bakterien aufsuchen

Umweltfaktoren

• Wasser, Licht, Co2, Temperatur

Vergleich Chloro/Mitos

• Chloroplast mit drei Kompartimente
• Mitochondrien nur 2
• Beide haben eine Doppelmembran
• Intermembranraum ist vorhanden —(Stroma/Matrix)

Lichtabhängigen Primärreaktionen der Fotosynthese

• Bei dem die Licht abhängigen Reaktionen findet in Chloroplast Statt. Die Formel ist, siehe Bild.

Photosystem

• Photosystem 1 Fotosystem,2 AntennenPigment —-> Lichtenergie

Lichtunanhängenige Reaktion

• Die Produkte der fotosynthese wandeln sich in glucose um

Sekundärraktion der Phtotsynthese

• Bei der Sekundärraktion wird Kohlenstoffdioxid in Glugose umgewandelt

Tracer Experimente zur Fotosynthese

• Mit Tracern wird verfolgt, welches Atomm aus der Reaktionsgleichung verwendet werden

Fotosynthese Stoffee

• Es muss Wasser und Co2 und Licht geben.
• Mit der Formel kann die Fotosynthese ausgedrückt werden, siehe Bild .

Der Vergleich/Atmung

• Chloroplasten/Mitochondrien nutzen zwar unterschiedliche Rohstoffe, die aber beide den gllichen Mechamismus nutzen-> Protonen Gradient -
• ATP wird aber in verschiedenen Zusammenhängen genutzt

###Primär&sekundärreaktion zusammengetragen

• Wortgleichung +Summenformel der Licht abhängingen(Primär) und Licht unabhängige

CAM Pflanzen

• Nachts werden Spaltöffnung geöffnet
• Tags geschlossen
• Es ist nötig sich an die Trockenheit anzuapassen

Vergleich der Blatttypen des Efeus

• Aufbau und unterscheide
• Umweltfaktor Licht der darauf einwirkung hatt —> Blatttypen sind eine Anpssung

Blattquerschnitte im Vergleich

• Epidermis gelb
• Mesophyll grün
• Kutikular Rot

Unterschiede/ Blattfeuchtigkeiten

• Anpassungsfähigkeit der Pflanzen an die Feuchtigkeit ist die Cuticula
• Epidermis
• Das Mehsophil

Vergelich - Seerosen/ Oleander- Tausendblatt

—> Anpassung an die Feuchtigkeit

###Photosynthese

• Summenformel der Fotosynthese

###Weitere Faktoren Sonnenlicht

• Chloroplast
• Vakuole
• Zellkern
• Zellwand
• Cytoplasma
• interstellares Netz
• Begrenzung bzw Öffnung der Stomata