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V 1.3: Photosynthese
Protokoll Versuch 1 h
Crassulaceen-Säurestoffwechsel
Einleitung:
CAM-Pflanzen, zu denen z.B. Kakteen gehören, kommen vor allen Dingen an heißen und
trockenen Orten vor. Um unter diesen extremen Bedingungen überleben zu können, haben diese
Pflanzen ihren Stoffwechsel umgestellt, um Wasser zu sparen. Sie öffnen ihre Stomata nur
nachts. Das aufgenommene CO2 wird mittels der Phosphoenolpyruvatcarboxylase an
Phosphoenolpyruvat fixiert. Das entstehende Oxalacetet wird anschließend zu Malat reduziert
und in der Vakuole gespeichert (pH sinkt von ca. 7 auf 4). Tagsüber wird das Malat im Cytosol
wieder zu Pyruvat oxidiert. Das freiwerdenede CO2 wird in der Chloroplastenmatrix in den
Calvin-Zyklus eingeschleust. Das Pyruvat wird anschließend mit Hilfe von ATP in
Phosphoenolpyruvat umgewandelt. Diese Art des Stoffwechsels hat jedoch mehrere Nachteile:
Durch die vielen Transporte durch Membranen (Chloroplasten, Vakuole) und durch die
Regeneration von Phophoenolpyruvat wird mehr ATP verbraucht als bei den C3-Pflanzen.
Außerdem steht dem Calvin-Zyklus tagsüber nur eine beschränkte Menge an CO2 zur
Verfügung, da nur eine begrenzte Menge an Äpfelsäure in der Vakuole gespeichert werden
kann.
Material und Methode:
Mittels Dünnschichtchromatographie wurden die Anteile an Äpfelsäure, Citronensäure und
Isocitronensäure in den Presssäften von belichteten und unbelichteten Blättern gemessen.
Außerdem wurde mit verschiedenen Methoden der pH-Wert bestimmt.
Versuchsergebnisse:
pH-Wert-Messung:
Universalindikatorpapier
Spezialindikatorpapier
pH-Meter
Dunkelblätter [pH]
5
5
4,64
Lichtblätter [pH]
5-6
5,5-6
5,33
Dünnschichtchromatographie:
Der Anteil an Citronensäure ist in beiden Blätter gleich, der Anteil an Äpfelsäure ist in den
Dunkelblättern höher (siehe Anhang).
Auswertung:
Die Versuchsergebnisse zeigen, dass eine Ansäuerung der Vakuolen während der Dunkelphase
stattfindet. Aus der Dünnschichtchromatographie lässt sich entnehmen, dass die Ansäuerung
durch die Anreicherung der Äpfelsäure bedingt ist. Die Äpfelsäure wird bei Belichtung dann
wieder abgebaut und der pH-Wert steigt.
Literatur:
Script zum Pflanzenphysiologischen Praktikum SS 2000, Versuchsgruppe 1: Photosynthese, 1h
V 1.3: Photosynthese
Protokoll Versuch 1 i
Photosynthese der C4-Pflanzen
Einleitung:
Auch C4-Pflanzen haben einen gegenüber den C3-Pflanzen modifizierten Stoffwechsel. Auch
hier dient Phosphoenolpyruvat (PEP) als primärer CO2-Akzeptor. Bei diesen Pflanzen ist jedoch
im Gegensatz zu den CAM-Pflanzen die Dunkel- und die Lichtreaktion nicht zeitlich getrennt,
sondern räumlich. C4-Pflanzen weisen eine typische Kranzanatomie auf: die Leitbündel sind von
Leitbündelscheidenzellen umschlossen, die wiederum von Mesophyllzellen umgeben sind. Die
Chloroplasten der Mesophyllzellen enthalten zwar Grana-Stapel, und somit PS II (H2OSpaltung) jedoch keine RubisCO für den Calvin-Zyklus. Bei den Chloroplasten der
Leitbündelscheidezellen verhält es sich genaue anders herum, hier ist fast nur PS I vorhanden
(zyklischer Elektronentransport, ATP-Bildung, jedoch keine Bildung von NADPH+H+.
Somit wird in den Mesophyllzellen aus PEP und CO2 Oxalacetat gebildet, welches zu Malat
reduziert wird. Das Malat diffundiert in die Leitbündelscheidezellen, wird zu CO2 und Pyruvat
umgesetzt, das CO2 geht in den Calvin-Zyklus ein, das Pyruvat wandert in die Mesophyllzellen
und wird zu PEP phosphoryliert.
Durch diese Art von Stoffwechsel wird zunächst das vorhandene CO2 optimal genutzt (PEPCarboxylase hat einen niedrigeren Km-Wert als RubisCO und arbeitet somit schon bei einer
niedrigeren CO2-Konzentration). Dadurch ist die CO2-Konzentration bei Starklicht nicht der
begrenzende Faktor der Photosynthese. Außerdem wird noch die sehr energieaufwendige
Photorespiration unterdrückt. Diese beruht auf der Tatsache, das RubisCO auch Sauerstoff an
Ribulose 1,5-Bisphosphat anlagern kann und der Sauerstoff somit in Konkurrenz mit dem CO2
steht. Durch den Transport von Malat und die fehlende O2-Bildung in den
Leitbündelscheidezellen wird das Verhältnis von CO2 und O2 stark in die Richtung des CO2
verschoben, so dass RubisCO nur CO2 anlagert.
Material und Methode:
Der Versuch wurde gemäß der Anleitung 1i im Script durchgeführt. Als erstes wurde an einem
Querschnitt eines Maisblattes (C4-Pflanze) ein Stärketest durchgeführt. An einem zweiten
Querschnitt wurde mit Hilfe der Hill-Reagenz Nitroblautetrazoliumchlorid auf einen linearen
Elektronentransport überprüft. Dabei wird Nitroblautetrazoliumchlorid stark gefärbt (reduziert).
Versuchsergebnisse:
Stärketest: Nur die mit Glucose versorgten Blätter zeigten im Stärketest eine positive Reaktion,
eine Braunfärbung.
Makroskopisch: Streifen waren gefärbt (Leitbündel)
Mikroskopisch: Nur die Leitbündelscheidezellen waren braun gefärbt.
Hillreaktion: Die Chloroplasten der Mesophyllzellen färbten sich dunkel.
Querschnitte siehe Anhang
V 1.3: Photosynthese
Auswertung:
Stärke kann nur dort gebildet werden, wo auch der Calvin-Zyklus abläuft. Das hierfür
notwendige Enzym RubisCO ist in C4-Pflanzen nur in den Leitbündelscheidezellen zu finden.
Die vorherige Einstellung der Blätter in Glucose diente zur Erhöhung der Glucosekonzentration
in den jungen Blättern, damit diese noch genug Glucose nach der Assimilation für das
Wachstum übrig haben um Stärke zu bilden.
Für die Hill-Reaktion ist das Vorhandensein von Photosystem II notwendig, das in den
Chloroplasten der Mesophyllzellen in viel höherer Konzentration (Granastapelbildung) als in
den Chloroplasten der Leitbündelscheide (Stromathylakoide) vorhanden ist.
Literatur:
Script zum Pflanzenphysiologischen Praktikum SS 2000, Versuchsgruppe 1: Photosynthese, 1i
V 1.3: Photosynthese
Protokoll Versuch 1 k
Steigerung der Chlorophyllfluoreszenz durch Photosyntheseherbizide
Einleitung:
Die durch Chlorophyll absorbierte Lichtenergie kann wieder in Form von Fluoreszenz
abgestrahlt werden, wenn sie nicht photochemisch genutzt werden kann. Somit folgt aus einer
starken Fluoreszenz eine verminderte Photosyntheseleistung. In dem Versuch wurde die
Wirkung von dem Photosyntheseherbizid DCMU und dem Wuchsstoffherbizid 2,4-D
untersucht. Methanol diente als Kontrolle.
Material und Methode:
Der Versuch wurde gemäß Anleitung 1k im Script durchgeführt. Drei Erbsenblätter wurden auf
der Unterseite jeweils zwei Mal an drei verschiedenen Stellen mit DCMU, 2,4-D bzw. Methanol
bestrichen. Nach etwa einer Stunde wurde der Versuch unter der UV-Lampe auf Fluoreszenz
untersucht.
Versuchsergebnisse
Der mit DCMU bestrichene Punkt zeigte eine starke Fluoreszenz, alle anderen Punkte nicht.
Auswertung:
DCMU, das Photosyntheseherbizid, greift in die Photosynthese ein, in dem es die Bindestelle für
Plastochinon am PSII blockiert. Es hemmt somit den linearen Elektronentransport. Die
angeregten Chlorophyllmoleküle des P680 können ihre Elektronen somit nicht mehr abgeben und
von den Antennenpigmenten auch keine mehr aufnehmen. Diese müssen nun fluoreszieren, um
ihre Energie wieder abzugeben.
2,4-D ist ein auxinähnliches Wachstumsherbizid, d.h., „die Pflanze wächst sich tot“. Als
Wachstumsherbizid greift 2,4-D nicht in photochemische Reaktionen ein und der
Elektronentransport der Photosynthese wird nicht angegriffen. Die Chlorophylle müssen nicht
fluoreszieren.
Literatur:
Script zum Pflanzenphysiologischen Praktikum SS 2000, Versuchsgruppe 1: Photosynthese, 1k