Lerntafel: Pflanzenphysiologie im Überblick - Beck-Shop

Lerntafeln Biologie
Lerntafel: Pflanzenphysiologie im Überblick
1. Auflage 2009. Sonstiges. 6 S.
ISBN 978 3 8274 2136 4
Format (B x L): 21 x 29,7 cm
Weitere Fachgebiete > Chemie, Biowissenschaften, Agrarwissenschaften > Botanik >
Pflanzenphysiologie, Photosynthese
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Pflanzenphysiologie
im Überblick
Lichtreaktion der Photosynthese
Photosynthese
Photosynthesepigmente
Die Photosynthese ist der zentrale Prozess für die Energieumwandlung in
der Biosphäre. Pflanzen und photosynthetisch aktive Bakterien wandeln
Lichtenergie in metabolisch nutzbare Energie um. In der Lichtreaktion
(Primärreaktion) wird durch die Energie der Photonen Wasser in
Elektronen (e—), O2 und H+ gespalten (Photolyse des Wassers). Dabei
entsteht Reduktionskraft (NADPH) und ein Protonengradient wird aufgebaut, der schließlich zur ATP-Synthese führt. ATP und NADPH werden in
der Dunkelreaktion (Calvin-Zyklus) verbraucht, um aus CO2 Kohlen­
hydrate zu bilden.
Absorption durch das Pigment
Licht (Photon)
Chloroplast
Elektronentransport
Thylakoid
Chlorophyll
O2
H2O
ATPZyklus
Lichtreaktionen
NADPHZyklus
ADP +
Pi
ATP
CO2
NADP
+
NADPH
+ H+
CO2 -fixierende
Reaktionen
Zucker
CalvinZyklus
Photosyntheserate in der Pflanze
Trifft weißes Licht auf Pigmente (Farbstoffe), dann absorbiert
Blaue und orangerote Wellenlängen führen
zu den höchsten Photosyntheseraten.
das Pigment Photonen bestimmter Wellenlängen. Die Licht­
absorption eines gereinigten Pigments, aufgetragen gegen die
Absorptionsspektrum
Wellenlänge, wird als Absorptionsspektrum bezeichnet; trägt
von Chlorophyll a
man die bei verschiedenen Wellenlängen (z.B. über die
O2-Produktion) gemessene Photosyntheseintensität gegen die
Wellenlänge auf, dann handelt es sich um ein Wirkungs­
spektrum. Durch einen Vergleich der Spektren lässt sich festphotosynthetisches
Wirkungsspektrum
stellen, inwiefern die Wellenlängen mit maximaler Photosyn­
von Anacharis
theseintensität mit der maximalen Absorption durch ein
be­stimmtes Pigment übereinstimmen.
Lichtenergie wird von mehreren unterschiedlichen Farbstoffen
mit verschiedenen Absorptionsspektren absorbiert. In Pflanzen
kommen hauptsächlich Chlorophyll a und Chlorophyll b vor,
die sich nur wenig unterscheiden. Beide bestehen aus einem
„Porphyrinkopf“ (Tetrapyrrolring mit vielen konjugierten Dop­
pel­bindungen und einem zentralen Magnesiumatom) und 400 450 500 550 600 650 700
Wellenlänge (nm)
einem hydrophoben Phytolschwanz. Chlorophylle absorbieren
3
7
5
Chlorophyll a
Chlorophyll b
blaues und rotes Licht. Die sog. akzessorischen
4
6
CH 2
2 A
8
B
O
Pigmente sind in Lichtsammelkomplexen (LHC) so
H
NH
N
HC
CH 3
9
1
C
7
20
10
in der Thylakoidmembran von Chloroplasten ange- H C
8 CH
7
3
2 CH 3
A
B
19
11
N
HN
ordnet, dass die Energie eines absorbierten Photons
N
N
C
18 D
12
16
14
Mg
15
von einem Pigmentmolekül zum nächsten weiterge17
13
N
N
Porphyrin
geben wird. Zu diesen Pigmenten gehören neben H C 18 D
C
CH 3
3
17
Chlorophyll auch Carotinoide — Xanthophylle (z.B.
Durch delokalisiertes π-ElektronenCH 2
O
Lutein, Violaxanthin) und Carotin (beide aus Isopren­
system (rot unterlegt) im Porphyrinring
CH 2 C O
kann Chlorophyll Licht absorbieren.
einheiten). Carotinoide schützen hauptsächlich die
C O OCH 3
CH 3
Chlorophylle bei einem Überangebot von Licht,
O
indem sie absorbiertes Licht in Wärme umwandeln.
CH
CH
CH
CH
Stroma
3
3
3
3
Phytolrest
Lichtreaktion
Photosystem II
Der nichtzyklische Elektronentransport erfordert 2 unterschiedliche
Photosysteme, die hintereinandergeschaltet sind. Jedes wird einzeln von
Licht angeregt und besteht aus einem Reaktionszentrum (P680 oder P700)
und akzessorischen Pigmenten. (Die Auftragung der Reaktionsfolge nach
den Redoxpotenzialen ergibt das sog. Z-Schema.)
• Photosystem II (PSII): absorbiert Licht einer Wellenlänge von 680 nm;
veranlasst die Oxidation von Wasser, sodass Protonen, O2 und e— entstehen,
• Photosystem I (PSI): absorbiert Licht einer Wellenlänge von 700 nm;
reduziert NADP+.
PSII absorbiert Photonen, und die über die Lichtsammel­komplexe geleitete Energie wird auf ein Paar von Chlorophyll-a-Molekülen im Reaktions­
zentrum von PSII, P680, übertragen. P680 wird angeregt (P680*) und gibt
Thylakoid-Innenraum
hohe H+-Konzentration
(niedriger pH-Wert)
H2O
2 H+
1
2
O2
H+
H+
H+
H+
H+
e–
e–
e–
e–
PQ
I
Cyt-b6/f
H+
Energie der Moleküle
e–
Photon
e–
O2
+ 2 H+
ADP
e–
+
Pi
Photon
H+
H+
H+
NADP+Reduktase
H+
H+
H+
H+
H+
H+
ATPSynthase
H+
H+
H+
H+
PC
Thylakoid
membrane
e–
Photosystem I
H+
H+
Protonen werden durch den Elektronenfluss von Photosystem II aktiv in den
Thylakoid- Innenraum transportiert.
Stroma
niedrige H+-Konzentration
(hoher pH-Wert)
+
NADPH
+ H+
P700
ATP
Z-Schema
e–
Photosystem II
NADP+Reduktase
P680
Fd
Photon
Fd
H+ H +
ATP-Synthese
H+
e–
NADP+
Photon
H2O
H+
H+
H+
Photosystem I
e–
Elektronentransportkette
H+
Elektronentransportkette
e–
NADP+
NADPH
+
H+
Die ATP-Synthase koppelt die
ATP-Bildung an die passive Diffusion von
Protonen durch die Membran.
ADP
+
Pi
ATP
H+
als starkes Reduk­tions­mittel ein e— an den primären Elek­
tronen­akzeptor, den ersten Carrier in der Elektronen­
transportkette (Phäophytin) ab. P680 wird dabei oxidiert
(P680+). Der sog. wasserspaltende Komplex gleicht den
Elektronenverlust aus, indem er H2O zu O2 und H+ oxidiert
und e— auf P680+ überträgt. Das e— von PSII durchläuft eine
Reihe von exergonischen Redox­reaktionen (über Phäophytin,
Plastochinon (PQ), den Cytochrom-­b6/f-Komplex und
Plastocyanin (PC)). Durch die freigesetzte Energie werden H+
aus dem Stroma in das Thyla­koid­lumen gepumpt und ein
Protonengradient aufgebaut.
PSI absorbiert ebenfalls Photonen. Das Reaktionszentrum
P700 wird angeregt (P700*) und e— (über Phyllochinon und 3
Eisen-Schwefel-Zentren) auf Ferredoxin (Fd) übertragen.
Gefüllt wird die e—-Lücke in P700+ durch e— aus der Redox­
kette, wodurch es in den Grundzustand P700 zurückkehrt.
Ferredoxin reduziert NADP+ zu NADPH + H+.
Bei diesem photosynthetischen Elektronentransport werden
H+ über die Membran transportiert und ein elektrochemischer Gradient aufgebaut. Die H+ strömen aus dem
Thylakoidlumen durch eine ATP-Synthase zurück in das
Stroma, wobei ATP synthetisiert wird (Photophos­phory­
lierung).