Arbeitsblatt 1 - Schulbuchzentrum Online

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Lichtreaktionen
ARBEITSBLATT 1
Lösungen
1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Komponenten!
Beschreiben Sie den weiteren Weg des mit einem Pfeil gekennzeichneten Elektrons beim nichtzyklischen Elektronentransport!
Ferredoxin
Lichtsammelkomplex
CytochromKomplex
Fotosystem II
NADPH
P700
Fotosystem I
P680
Plastocyanin
Plastochinon
Wasser
spaltender
Komplex
Fotosynthese
FerredoxinNADPReduktase
Das markierte Elektron verbleibt im Plastosemichinon-Molekül, bis es ein zweites
Elektron aus dem Cytochrom-Komplex aufgenommen und zwei Protonen aus dem
Stroma gebunden hat und so zum Plastohydrochinon-Molekül wurde. Das Plastohydrochinon-Molekül diffundiert vom Cytochrom-Komplex in die Thylakoidmembran
und bindet dann wieder am Cytochrom-Komplex, diesmal aber an der Bindungsstelle
nahe dem Thylakoidinnenraum. Dort entlässt es die beiden Protonen in den Thylakoidinnenraum und die beiden Elektronen in den Cytochrom-Komplex. Für das markierte Elektron ergeben sich nun zwei Möglichkeiten:
a) Es wird von einem Plastochinon-Molekül aufgenommen, das nahe dem Stroma
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am Cytochrom-Komplex gebunden hat, und reduziert dieses zum Plastosemichinon.
Dann wäre die Situation des Elektrons wieder wie zu Beginn.
b) Das Elektron wird auf ein Plastocyanin-Molekül übertragen, das an der Thylakoidinnenraum-Seite des Cytochrom-Komplexes gebunden hat. Dann gelangt es zum
Fotosystem I und füllt nach der nächsten Anregung des P700 die Elektronenlücke.
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Lichtreaktionen
Lösungen
Eventuell wird das beobachtete Elektron bei einer der nächsten Anregungen des
P700 auf ein Ferredoxin-Molekül übertragen, das stromaseitig am Fotosystem I angedockt hat. Dann gelangt es zur Ferredoxin-NADP-Reduktase und reduziert – sobald ein zweites Elektron dort vorliegt – zusammen mit diesem ein NADP+-Molekül.
Dieses verlässt nach Bindung eines Protons aus dem Stroma als NADPH-Molekül
die Ferredoxin-NADP-Reduktase.
2. Beschriften Sie die Abbildung!
Stellen Sie den Elektronenfluss zwischen Fotosystem I und Cytochrom-Komplex dar und ermittteln
Sie in diesem Zusammenhang, wie für jedes im P700 angeregte Elektron zwei Protonen aus dem
Stroma in den Thylakoidinnenraum transportiert werden!
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Fotosynthese
Stroma
Thylakoidinnenraum
Ein im P700 angeregtes Elektron reduziert ein Ferredoxin-Molekül, das stromaseitig
am Fotosystem I gebunden hat. Dieses transportiert das Elektron zum CytochromKomplex. Zusammen mit einem zweiten Elektron, das sich schon im CytochromKomplex befindet, wird es auf ein Plastochinon-Molekül übertragen, das in der Nähe
des Stroma gebunden hat. Nach Bindung zweier Protonen aus dem Stroma diffundiert das Hydroplastochinon-Molekül in die Thylakoidmembran und bindet anschließend wieder am Cytochrom-Komplex, diesmal aber an der Bindungsstelle nahe dem
Thylakoidinnenraum. Dort entlässt es die beiden Protonen in den Thylakoidinnen2
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ARBEITSBLATT 1
Lichtreaktionen
Lösungen
raum und die beiden Elektronen in den Cytochrom-Komplex. Eines der beiden Elektronen verbleibt im Cytochrom-Komplex, das andere redu-ziert ein PlastocyaninMolekül, das an der Thylakoidinnenraum-Seite gebunden hat. Mit diesem gelangt es
zum Fotosystem I und füllt nach der nächsten Anregung des P700 die Elektronenlücke.
Weil immer ein Elektron des Plastohydrochinon-Moleküls im Cytochrom-Komplex
verbleibt, reicht ein einziges über Ferredoxin heran transportiertes Elektron, um ein
weiteres Plastochinon-Molekül zum Hydroplastochinon-Molekül zu reduzieren und so
den Transport von zwei Protonen aus dem Stroma in den Thylakoidinnenraum zu
ermöglichen.
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Fotosynthese
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ARBEITSBLATT 2
Kohlenhydratstoffwechsel
Lösungen
1. Geben Sie der Abbildung einen Titel und beschriften Sie die verschiedenen Moleküle und Phasen!
Beschreiben Sie die hier unmittelbar bevorstehende Reaktion und die Verwertung deren Produkte!
Calvin-Zyklus
Kohlenstoff-Fixierung
C3 1,3-Bisphosphoglycerat
Regeneration
Fotosynthese
NADPH
Reduktion
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Die hier unmittelbar bevorstehende Reaktion ist die Reduktion der sechs Moleküle
1,3-Bisphosphoglycerat zu sechs Molekülen Glycerinaldehyd-3-phosphat. Dabei
werden sechs Moleküle NADPH zu NADP+ oxidiert und sechs Ionen anorganisches
Phosphat freigesetzt. Von den sechs Molekülen Glycerinaldehyd-3-phosphat werden fünf benötigt, um die
drei Moleküle Ribulose-1,5-bisphosphat zu regenerieren, die zu ihrer Synthese benötigt wurden. Das sechste Molekül Glycerinaldehyd-3-phosphat kann im Chloroplasten zur Synthese von Stärke verwendet werden. Es kann aber auch ins Cytosol transportiert und dort beispielsweise zur Bildung von Saccharose verwendet
werden. Die in der Reaktion gebildeten Moleküle NADP+ werden in den Lichtreaktionen zu
NADPH reduziert, die Phosphat-Ionen können dort zur Bildung von ATP dienen.
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ARBEITSBLATT 2
Kohlenhydratstoffwechsel
Lösungen
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Fotosynthese
2. Vervollständigen Sie das Reaktionsschema!
Beschreiben Sie die einzelnen Reaktionsschritte!
Startreaktion im Calvin-Zyklus ist die durch das Enzym Rubisco katalysierte Verbindung zwischen einem Kohlenstoffdioxid-Molekül und einem Molekül Ribulose-1,5bisphosphat. Das dabei entstehende Produkt ist instabil und zerfällt unter Hydrolyse
in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat. Unter Verbrauch von zwei Molekülen ATP werden diese zu 1,3-Bisphosphoglycerat phosphoryliert. Anschließend werden die zwei
Moleküle 1,3-Bisphosphoglycerat zu Glycerinaldehyd-3-phosphat reduziert. Dabei
werden zwei Moleküle NADPH zu NADP+ oxidiert und zwei anorganische PhosphatIonen frei.
Mit der Bildung von Glycerinaldehyd-3-phosphat ist das Ziel des Calvin-Zyklus und
auch der Fotosynthese erreicht: Es ist ein Zucker synthetisiert worden.
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Kohlenhydratstoffwechsel
ARBEITSBLATT 2
Lösungen
3. Erläutern Sie die Reaktionen, die in der Abbildung dargestellt sind!
Nennen Sie die Ausgangssubstanz für die Stärkesynthese und die Zwischenschritte bis zum
Glucose-1-phosphat!
Berechnen Sie unter Verwendung des vorliegenden Schemas den gesamten Energiebedarf für
die Synthese eines Stärkemoleküls aus 500 Glucose-Einheiten!
Glucose-1-phosphat
Fotosynthese
ADP-Glucose
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Ende eines Stärkemoleküls
aus n Glucose-Einheiten
verlängertes Stärkemolekül aus n + 1 Glucose-Einheiten
Im ersten dargestellten Reaktionsschritt wird aus einem Molekül Glucose-1-phosphat
unter Verbrauch eines Moleküls ATP ADP-Glucose synthetisiert. Dabei wird anorganisches Pyrophosphat frei. Im zweiten Schritt wird von der ADP-Glucose ADP abgespalten und der Glucoserest an die endständige Glucose-Einheit eines Stärkemoleküls gebunden, das dadurch um eine Glucose-Einheit verlängert wird.
Ausgangssubstanz für die Stärkesynthese ist das im Calvin-Zyklus gebildete Glycerinaldehyd-3-phosphat.
Aus
zwei
Molekülen
Glycerinaldehyd-3-phosphat
ent-
steht ein Molekül Fructose-1,6-bisphosphat, daraus Fructose-6-phosphat, das über
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ARBEITSBLATT 2
Kohlenhydratstoffwechsel
Lösungen
Glucose-6-phosphat zu Glucose-1-phosphat umgewandelt wird.
Die Bindung von drei Molekülen Kohlenstoffdioxid im Calvin-Zyklus, das heißt die
Produktion eines Moleküls Glycerinaldehyd-3-phosphat, benötigt 9 Moleküle ATP.
Für die Synthese eines Moleküls Glucose-1-phosphat werden also 18 Moleküle ATP
eingesetzt, für die Synthese der ADP-Glucose ein weiteres. Von der Bindung des
Kohlenstoffdioxids bis zur Synthese der ADP-Glucose werden daher insgesamt 19
Moleküle ATP benötigt. Die Produktion eines einzigen Stärkemoleküls aus 500 Glucose-
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Fotosynthese
Einheiten hat also einen Energiebedarf von 9500 Molekülen ATP.
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ARBEITSBLATT 3
Stärkeproduktion im Blatt
Lösungen
1. Die Abbildung zeigt das Ergebnis eines Experiments,
das erstmals im 19. Jahrhundert durchgeführt wurde.
Beschreiben Sie die Durchführung des Experiments
und begründen Sie die einzelnen Schritte!
Erläutern Sie, welche Erkenntnis durch dieses Experiment gewonnen wird!
Das Experiment, das zu dem abgebildeten Ergebnis führt, ist der so genannte Schablonenversuch. Zunächst wird eine Pflanze für zwei Tage ins Dunkle gestellt. Damit
wird erreicht, dass eventuell vorher in den Chloroplasten der Blätter gespeicherte
Stärke abgebaut ist. Anschließend wird auf einem Blatt eine Schablone befestigt. In
diesem Fall handelt es sich dabei um einen Streifen aus lichtundurchlässigem Material, aus dem das Wort „LICHT“ ausgeschnitten ist. Dadurch wird erreicht, dass Licht
Fotosynthese
nur noch auf bestimmte Bereiche des Blattes fallen kann. Nun wird die Pflanze mindestens zwölf Stunden lang beleuchtet. So soll den Blättern ermöglicht werden, Fotosynthese zu betreiben und damit Stärke zu synthetisieren und zu speichern. Nach
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dem Ende der Beleuchtungsphase wird das mit der Schablone versehene Blatt abgepflückt und nach dem Entfernen der Schablone in siedendem Wasser abgetötet.
Dies hat den Zweck zu verhindern, dass die Stärke abgebaut wird. Außerdem wird
so die spätere Behandlung mit Jodlösung erleichtert. Anschließend wird das Blatt in
heißem Alkohol entfärbt, damit die beabsichtigte Anfärbung besser zu erkennen ist.
Die abschließende Behandlung des Blattes mit Jodlösung soll eventuell vorhandene
Stärke durch Anfärben nachweisen.
Der Schablonenversuch zeigt, dass sich Stärke nur dort findet, wo Licht durch die
Lücken in der Schablone auf das Blatt fallen konnte. Damit ist nachgewiesen, dass
für die Bildung von Stärke in einem Blatt Licht notwendig ist. Darüber hinaus wird
deutlich, dass diese Stärke dort verbleibt, wo sie gebildet wird, also nicht in unbeleuchtete Nachbarzellen gelangt.
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ARBEITSBLATT 3
Stärkeproduktion im Blatt
Lösungen
2. Die Abbildung zeigt eine Phase aus einem Experiment,
das die Abhängigkeit der Fotosynthese von einem bestimmten Inhaltsstoff der Blätter untersucht.
Stellen Sie dieses Experiment dar und begründen Sie
die Wahl des Versuchsobjekts!
Ziehen Sie Schlüsse aus dem Ergebnis des Experiments!
Der durch die Abbildung angedeutete Versuch soll die Notwendigkeit von Chlorophyll
für die Fotosynthese nachweisen. Dazu wird ein Versuchsobjekt gewählt, dessen Blätter
Fotosynthese
nicht überall Chlorophyll aufweisen. Damit kann nach Belichtung durch Stärkenachweis geprüft werden, ob nur in den grünen Bereichen Fotosynthese stattgefunden
hat oder auch in den nichtgrünen. Geeignete Blätter sind beispielsweise die der
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Buntnessel.
Das Experiment wird grundsätzlich nach dem üblichen Schema durchgeführt: Beleuchten, Abtöten der Blätter in siedendem Wasser, Entfärben in heißem Alkohol
und abschließend Färbung eventuell vorhandener Stärke durch Jodlösung.
Da nun aber nach dem Entfärben die vormals grünen Bereiche nicht mehr erkennbar
sind, wird unmittelbar nach dem Pflücken des Blattes eine Folie aufgelegt. Die Umrisse des Blattes und des grünen Bereichs werden darauf übertragen und so festgehalten. Wenn man dann nach dem Färben die Folie wieder auf das Blatt legt, können
ehemals grüne Bereiche und nun Stärke enthaltende verglichen werden.
Es zeigt sich, dass nur die ehemals grünen Bereiche durch Jod angefärbt werden,
also Stärke enthalten, während in den übrigen Teilen des Blattes keine Stärke
nachgewiesen kann. Daraus kann geschlossen werden, dass Chlorophyll für die
Fotosynthese zwingend notwendig ist.
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ARBEITSBLATT 4
Sauerstoffproduktion im Blatt
Lösungen
Fotosynthese
1. Die Abbildung zeigt eine Situation aus einem der Experimente des interaktiven Moduls „Sauerstoffproduktion im Blatt“. Führen Sie das Simulationsexperiment in seinen unterschiedlichen
Varianten durch!
Stellen Sie die Ergebnisse dar!
Erläutern Sie die Ergebnisse!
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Im abgebildeten Experiment geht es um den Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke und der Sauerstoffproduktion der Wasserpest, gemessen durch die Anzahl an Bläschen, die pro Zeiteinheit im Versuchsgefäß aufsteigen.
In der dargestellten Situation ist die Lichtquelle in der maximal möglichen Entfernung
vom Versuchsgefäß. Bringt man die Lampe in die mittlere Position, so erhöht sich
die Anzahl der Bläschen pro Zeiteinheit, nähert man sie noch weiter, so ist nochmals
eine Steigerung der Sauerstoffproduktion zu beobachten.
Gleichgültig, welchen Abstand die Lichtquelle vom Versuchsgefäß hat, wenn man
das Versuchsgefäß abdunkelt, stoppt die Sauerstoffproduktion sofort. Entfernt man
die verdunkelnde Maske, so steigen wieder Bläschen auf.
Die im Experiment zu beobachtende Produktion von Sauerstoff ist das Ergebnis der
fotolytischen Spaltung von Wasser. Die Intensität der Wasserspaltung am Fotosystem II hängt von der Frequenz der Anregungsereignisse des P680 ab, diese
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ARBEITSBLATT 4
Sauerstoffproduktion im Blatt
Lösungen
wiederum von der Anzahl an Photonen, die pro Zeiteinheit vom Lichtsammelkomplex
absorbiert werden. Somit ist verständlich, dass die Intensität der Beleuchtung des
Versuchsgefäßes in direktem Zusammenhang steht mit der Frequenz aufsteigender
Bläschen.
Lichtabsorption
2. Werten Sie die Grafik aus!
In einem der Experimente im interaktiven Modul „Sauerstoffproduktion im Blatt“ geht es auch um
die Wellenlänge des Lichts. Führen Sie dieses Experiment durch!
Stellen Sie die Ergebnisse dar und setzen Sie sie in Beziehung zu Ihrer Auswertung der Grafik!
400
500
600
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Fotosynthese
Chlorophyll a
Chlorophyll b
Carotinoide
700
Wellenlänge des Lichts in nm
Die Grafik zeigt so genannte Absorptionsspektren von Chlorophyll a und b sowie von
Carotinoiden. Beide Chlorophylle absorbieren besonders gut blaues und rotes Licht,
kaum dagegen grünes und gelbes. Die Maxima ihrer Absorptionskurven unterscheiden sich nur wenig; im blauen Bereich liegt das Maximum bei Chlorophyll a im Vergleich mit Chlorophyll b bei kürzeren Wellenlängen, im roten Bereich bei längeren.
Carotinoide absorbieren dagegen nur blaues und grünes Licht.
Das interaktive Modul „Sauerstoffproduktion im Blatt“ enthält ein Experiment, mit
dem man die Wirkung farbiger Filter, die vor die Lichtquelle gesetzt werden, auf die
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ARBEITSBLATT 4
Sauerstoffproduktion im Blatt
Lösungen
Sauerstoffproduktion der Wasserpest untersuchen kann. Ist der Filter rot oder blau,
so registriert man lebhafte Sauerstoffproduktion. Wählt man dagegen den grünen
Filter, so stoppt die Sauerstoffproduktion. Diese Ergebnisse passen zu den Aussagen der Grafik: Blaues und rotes Licht werden von den Fotopigmenten gut absorbiert,
sodass diese Energie für die Fotosynthese und somit auch für die Sauerstoff liefernde Wasserspaltung genutzt werden kann. Da grünes Licht von den Chlorophyllen offenbar nicht absorbiert wird, kann es auch nicht genutzt werden. Daher unterbleibt bei grünem Licht die Sauerstoffproduktion.
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Fotosynthese
3. Die abgebildete Versuchsanordnung stammt
aus dem interaktiven Modul „Sauerstoffproduktion im Blatt“. Erläutern Sie, inwiefern das
Ergebnis des Experiments unerwartet ist, geht
man davon aus, dass die Versuchspflanze den
Anforderungen entspricht!
Führen Sie das entsprechende Simulationsexperiment durch und begründen anschließend
die in der Abbildung dargestellte Situation!
Wenn die im Experiment verwendete Wasserpest hinreichend frisch ist, sollte bei
Beleuchtung mit weißem Licht durch eine nahe am Versuchsgefäß positionierte
Lichtquelle Produktion von Sauerstoff durch aufsteigende Bläschen erkennbar sein.
Das Simulationsexperiment, dem die abgebildete Situation entnommen ist, untersucht den Zusammenhang zwischen CO2-Gehalt und Sauerstoffproduktion. Dass
hier keine Bläschen aufsteigen, liegt daran, dass das Versuchsgefäß Wasser enthält, das durch Abkochen gasfrei gemacht wurde, also kein Kohlenstoffdioxid enthält, und folglich keine Fotosynthese ermöglicht.
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Fotosynthesespezialisten
ARBEITSBLATT 5
Lösungen
1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Bereiche!
Benennen Sie die mit Zahlen gekennzeichneten Stoffe!
Charakterisieren Sie den dargestellten Stoffwechselweg als Angepasstheit an heiße Klimate!
Bündelscheidenzelle
Interzellulare
1
7
6
Mesophyllzelle
3
5
Fotosynthese
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Kohlenstoffdioxid
Hydrogencarbonat
PEP
Oxalacetat
Malat
Kohlenstoffdioxid
Pyruvat
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Der in der Abbildung dargestellte Stoffwechselweg ist der C4-Weg. Die Pflanzen, die
diese spezielle Art von Fotosynthese betreiben, zeigen in ihrem Blattaufbau eine Besonderheit: Es gibt zwei Typen choroplastenhaltiger Gewebe, nämlich die Leitbündelscheide und das Mesophyll. Bündelscheiden- und Mesophyllzellen sind vielfältig
durch Plasmodesmen verbunden. Der Calvin-Zyklus läuft nur in den Bündelscheidenzellen ab. Das Besondere dabei ist, dass ein spezieller Stoffwechselweg so effektiv CO2 herantransportiert, dass Rubisco voll ausgelastet arbeitet. Dazu findet im
Cytosol der Mesophyllzellen eine Vorfixierung des Kohlenstoffs durch PEPCarboxylase statt, die mit hoher Aktivität Hydrogencarbonat bindet. Das gebundene
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ARBEITSBLATT 5
Fotosynthesespezialisten
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Hydrogencarbonat wird dadurch ersetzt, dass ständig CO2 aus den Interzellularen in
die Mesophyllzellen diffundiert. Da so die CO2-Konzentration in den Interzellularen
sehr niedrig bleibt, diffundiert auch bei wenig geöffneten Spaltöffnungen hinreichend
CO2 in die Blätter der C4-Pflanzen. Sie verlieren daher auch bei starker Sonneneinstrahlung sehr wenig Wasser und sind demzufolge gut an heiße Klimate angepasst.
2. Beschriften Sie das Reaktionsschema!
Beschreiben Sie anhand des Schemas den Hatch-Slack-Zyklus! Geben Sie bei jeder Reaktion an,
in welchem Kompartiment sie abläuft!
HCO-3
Pi
NADPH + H+ NADP+
Oxalacetat
NADPH + H+ NADP+
Pyruvat-Phosphat-Dikinase
AMP + PPi
ATP + Pi
Malat
Pyruvat
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PEP
Fotosynthese
PEP-Carboxylase
CO2
Der Zyklus beginnt damit, dass die Phosphoenolpyruvat-Carboxylase im Cytosol
einer Mesophyllzelle aus Phosphoenolpyruvat und Hydrogencarbonat Oxalacetat
synthetisiert. Dabei wird anorganisches Phosphat frei. Für die nächste Reaktion
muss das Oxalacetat in das Stroma des Chloroplasten der Mesophyllzelle transportiert werden. Dort wird es zu Malat reduziert, wobei NADPH zu NADP+ oxidiert wird.
Das Malat muss nun durch Plasmodesmen in eine Zelle der Bündelscheide und dort
in das Stroma des Chloroplasten gelangen, wo es unter Reduktion von NADP+ in
CO2 und Pyruvat gespalten wird. Das Pyruvat wird in eine Mesophyllzelle und dort in
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ARBEITSBLATT 5
Fotosynthesespezialisten
Lösungen
das Stroma des Chloroplasten transportiert und dann zu Phosphoenolpyruvat phosphoryliert. Dabei wird gleichzeitig anorganisches Phosphat zu Pyrophosphat phosphoryliert und ATP zu AMP dephosphoryliert. Das Phosphoenolpyruvat wird in das Cytosol transportiert und steht so wieder der Phosphoenolpyruvat-Carboxylase als Substrat
zur Verfügung.
Stärke
Triosephosphat
1,3-Bisphosphoglycerat
3-Phosphoglycerat
Phosphoenolpyruvat
Kohlenstoffdioxid
Hydrogencarbonat
Oxalacetat
Malat
Pyruvat
6
9
8
2
7
Fotosynthese
CAM-Stoffwechsel bei Nacht
1
5
2
4
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3. Geben Sie den Abbildungen passende Titel!
Benennen sie die Stoffe, die
durch Zahlen symbolisiert sind!
Vergleichen Sie den hier dargestellten Stoffwechselweg mit dem
aus den Aufgaben 1 und 2!
3
9
9
6
10
5
5
4
2
4
2
1
CAM-Stoffwechsel am Tag
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ARBEITSBLATT 5
Fotosynthesespezialisten
Lösungen
Der hier abgebildete Stoffwechselweg ist der CAM-Weg, während in den Aufgaben
1 und 2 Aspekte des C4-Weges dargestellt sind. Beide speziellen Fotosynthesewege
sind als Angepasstheit an heiße, trockene Klimate zu sehen und bei beiden findet
vor der endgültigen Fixierung des Kohlenstoffs im Calvin-Zyklus eine Vorfixierung
statt, bei der durch Phosphoenolpyruvat-Carboxylase aus Hydrogencarbonat und
Phosphoenolpyruvat Oxalacetat, ein C4-Körper, synthetisiert wird.
Während beim C4-Weg Vorfixierung und Fixierung gleichzeitig, aber in unterschiedlichen Zellen ablaufen, finden sie bei CAM-Pflanzen in derselben Zelle, aber zu
unterschiedlichen Zeiten statt.
Der Schutz vor zu hohem Wasserverlust wird bei C4-Pflanzen dadurch erreicht, dass
bei ihnen die Spaltöffnungen während der fotosynthetisch aktiven Phase nur wenig
Fotosynthese
geöffnet sind. CAM-Pflanzen sparen Wasser, indem sie die Spaltöffnungen nur bei
Nacht öffnen, wenn die Luft kühler und feuchter ist, und sie während der fotosynthe-
© 2008 Schroedel, Braunschweig
tisch aktiven Phase geschlossen halten.
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