Pflanze und Licht - Fotomorphose, die Steuerungswirkung auf Pflanzen

Bioarbeit Nr. 1

Pflanze und Licht:

Unterschiedliche Wachstumszeit um der Konkurenz mit anderen Pflanzen auszuweichen

Fotomorphose, die Steuerungswirkung auf Pflanzen

Etoilement (Verteilung)

Das Blatt als Organ der Fotosynthese:

Photosynthese:

6 CO2 + 12 H20 (Licht) C6H12O6 +6 02 +6 H20

Kohlenstoffdioxid +  Wasser Traubenzucker + Sauerstoff + Wasserstoff

1.Durch das vom Antennenkomplex eingefangene und in das Reaktionszentrum mit den beiden Chlorophylpigmenten P680 übertragene Licht wird die Abgabe von 2e- bewirkt.

2. Ein Enzymkomplex entzieht dem Wasser 2e- und pberträgt sie auf die beiden P680 Moleküle. Ersetzen der beiden verlorengegangenen Elektronen durch die Wasserspaltung nennt man Photolyse.

2b. Die Elektronen fließen über eine Elektronentransportkette vom Primären Elektronenakzeptor des Photosystems II zum Photosystem I

3. Der Elektronenfluß von einem Höheren zu einem Niedrigeren Energieniveau liefert die Energie für die Synthese von ATP.

4. Elektronen die das untere Energieniveau der Transportkette erreichen, füllen die Elektronenlücken im P700 auf.

5. Sie ersetzen diejenigen Elektronen, welche die Lichtenergie von P700 zum primären Elektronenakzeptor des Photosystems I getrieben wird.

6. Der primäre Elektronenakzeptor des Photosystems I gibt die angeregten Elektronen über einen weiteren Elektronenüberträger an ein Enzym (NADPH) weiter.

ATP: Adenosintriphosphat ist der universelle Energieüberträger der Natur.

Adenin Ribose ATP

RGT Regel:

Photosynthese, Stoffwechselreaktion chlorophyllhaltiger Organismen (grüne Pflanzen und einige Bakterien), bei der organische Verbindungen aus anorganischen Molekülen durch Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie synthetisiert werden. Die Photosynthese ist einer der wichtigsten physiologischen Prozesse überhaupt, da durch sie organische, energiereiche Verbindungen und Sauerstoff erzeugt werden und damit die Existenz von Lebewesen in unserer Biosphäre überhaupt erst möglich wird.

Eine verallgemeinerte, chemische Gleichung für die Photosynthese lautet

6 CO₂ + 12 H₂A + Sonnenlicht ± C₆H₁₂O₆ + 12 A+ 6 H₂O.

Die Formel H₂A steht für eine Ausgangssubstanz, die oxidiert wird, d. h. Elektronen abgeben kann. CO₂ ist die chemische Formel für Kohlendioxid und C₆H₁₂O₆ steht für Glucose (eine Hexose). Bei der überwiegenden Mehrzahl der Photosynthese treibenden Organismen - grüne Pflanzen und Cyanobakterien - handelt es sich bei H₂A um Wasser (H₂O), aus dessen Spaltung Sauerstoff freigesetzt wird. Bei manchen Photosynthese treibenden Bakterien steht H₂A dagegen für Schwefelwasserstoff (H₂S) oder andere einfach gebaute, organische Substanzen. Bei dieser so genannten anoxygenen Photosynthese von Bakterien entsteht daher kein Sauerstoff. Im folgenden soll nur die Form der Photosynthese näher erläutert werden, bei der Wasser als Elektronenspender fungiert.

Die Photosynthese verläuft in zwei Schritten: In der Lichtreaktion kommt es zu einer Reihe von lichtabhängigen, jedoch temperaturunabhängigen Reaktionen, deren Geschwindigkeit innerhalb bestimmter Grenzen durch steigende Lichtintensität beschleunigt werden kann. Eine Temperaturerhöhung zeigt dagegen keine Wirkung auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Die zweite Reaktionsreihe, die Dunkelreaktion, ist lichtunabhängig, ihre Geschwindigkeit kann jedoch durch Temperaturerhöhung gesteigert werden.

Lichtreaktion

Der erste Schritt bei der Photosynthese ist die Absorption von Licht durch spezielle Pigmente (Farbstoffe), die meist an Proteine gebunden sind und charakteristische Absorptionsspektren (bestimmte Wellenlängenbereiche des Lichtes, in denen ein Pigment Lichtenergie aufnehmen kann) aufweisen. Der Hauptfarbstoff der Photosynthese ist Chlorophyll a. Er nimmt Lichtenergie aus den violetten und roten Anteilen des Spektrums auf. Chlorophyll b und c sowie andere Pigmente wie die Carotinoide und Phycobiline absorbieren leicht abweichende Wellenlängen und können die Lichtenergie an das Chlorophyll a weiterleiten. Diese Pigmente verbreitern damit das Lichtspektrum, das zur Energiegewinnung durch Photosynthese genutzt werden kann.

Die Photosynthese findet innerhalb der Zellen in bestimmten Organellen, den Chloroplasten, statt. Die wichtigsten Strukturelemente der Chloroplasten sind Membransysteme, die Thylakoide. In den Thylakoidmembranen sind die Photosynthesepigmente und Enzymsysteme für die verschiedenen Photosynthesereaktionen lokalisiert, wobei jeweils mehrere Pigmente zu Photosystemen zusammengefasst sind. Durch die Absorption eines Lichtquants werden die Elektronen der Pigmentmoleküle auf höhere Energieniveaus angehoben. Anschließend wird die dadurch gebundene Lichtenergie in Form des angeregten Elektrons über verschiedene Zwischenpigmente bis zum zentralen Molekül des jeweiligen Photosystems, dem Reaktionszentrum, weitergeleitet.

Es lassen sich zwei Lichtreaktionssysteme unterscheiden, Photosystem I und II. Durch Absorption von Licht wird zunächst das Photosystem II angeregt und die energiereichen Elektronen über eine Elektronentransportkette dem Photosystem I zugeführt. Durch Weitergabe des Elektrons entstehen Elektronenlücken bei den Chlorophyllmolekülen im Photosystem II. Diese werden durch Elektronen ersetzt, die aus gespaltenen Wassermolekülen stammen, wobei Sauerstoff freigesetzt wird. Die energiereichen Elektronen werden über eine Elektronentransportkaskade zurück an das Photosystem I geleitet. Die bei der Elektronenübertragung freiwerdende Energie wird zur Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) verwendet. Die vom Photosystem I aufgenommene Lichtenergie wird an das Reaktionszentrum weitergeleitet und für die Anregung der Chlorophyll a-Moleküle verbraucht. Energiereiche Elektronen werden über eine zweite Elektronentransportkette zum Coenzym (siehe Enzyme) Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat (NADP) geleitet, das sie zu energiereichem NADPH₂ reduzieren. Die Elektronen, die das Photosystem bei dieser Reaktion abgibt, werden durch Elektronen ersetzt, die vom Photosystem II zugeleitet wurden. Dadurch fällt das Chlorophyllmolekül in den neutralen Grundzustand zurück. Die Lichtreaktion resultiert daher in einem Energiegewinn in Form der Moleküle ATP und NADPH₂, die im pflanzlichen Stoffwechsel benötigt werden.

Dunkelreaktion

Die Dunkelreaktion findet im Stroma des Chloroplasten - der Matrix, welche die Thylakoidmembranen umgibt - statt. Dort wird die als ATP und NADPH₂ gespeicherte Energie genutzt, um Kohlendioxid zu organischen Kohlenstoffverbindungen zu reduzieren. Dieser Vorgang vollzieht sich nach dem Mechanismus des Calvin-Zyklus. Bei jeder Runde dieses Zyklus tritt ein Kohlendioxidmolekül in den Kreislauf ein. Das Kohlendioxid wird zunächst an eine Pentose (ein Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen) - RubP (Ribulose 1,5-bisphosphat) - gebunden, die in zwei dreigliedrige Kohlenstoffmoleküle (PGA, 3-Phosphoglycerat) zerfällt. Diese werden zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat reduziert. Drei vollständige Durchläufe des Zyklus liefern eines der dreigliedrigen Kohlenstoffmoleküle (Glycerinaldehyd-3-Phosphat), wobei jeder einzelne Zyklus ein Molekül Kohlendioxid, zwei Moleküle NADPH₂ und drei Moleküle ATP verbraucht. Zwei dieser Kohlenstoffmoleküle dienen als Ausgangsstoffe für die Synthese von Hexosen (Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen) im Cytoplasma wie der Glucose (Traubenzucker). Daraus werden wiederum die wichtigsten Transport- und Speicherformen für Zucker, Saccharose und Stärke gebildet. Das Bindemolekül für Kohlendioxid RubP wird mit jeder Umdrehung des Kreislaufes wieder regeneriert.

Damit liegt das Ergebnis der Photosynthesereaktion in der vorübergehenden Umwandlung von Lichtenergie in die chemischen Verbindungen ATP und NADPH₂durch die Lichtreaktion und der endgültigen Fixierung der Energie in Form von Zuckermolekülen mit Hilfe der Dunkelreaktion. Während des Prozesses wird unter Freisetzung von Sauerstoff Wasser gespalten, um Elektronen für die Elektronentransportketten bereitzustellen. Kohlendioxid wird bei der Dunkelreaktion reduziert und liefert dadurch die Grundbausteine für das Endprodukt, das Zuckermolekül. Die Summenformel für die Photosynthesereaktion, bei der Wasser die Rolle des Elektronenspenders übernimmt, lautet daher:

Chloroplasten, Zellorganellen, in denen die Photosynthese stattfindet. Sie finden sich in den Zellen von grünen Pflanzen und den grünen Augentierchen. Chloroplasten sind meist scheibenförmig und besitzen einen Durchmesser von vier bis sechs Mikrometern. Sie kommen bei den Höheren Pflanzen (Farne, Nackt- und Bedecktsamer) in großer Zahl in den Parenchymzellen der Blätter vor und sind in der Lage, sich nach der Lichteinstrahlung selbst auszurichten. Jede Blattzelle enthält ungefähr 40 bis 50 Chloroplasten, was einer Anzahl von 500 000 dieser Organellen pro Quadratmillimeter Blattfläche entspricht.

Chloroplasten sind außen von einer Doppelmembran umgeben. Im Innern befindet sich ein komplexes, miteinander verbundenes Netzwerk von Lamellenkörpern, den so genannten Thylakoiden. Teilweise bilden diese kleine Stapel, vergleichbar mit einem Stapel Teller, teils kommen sie in länger ausgezogener Form vor und verbinden diese "Tellerstapel" miteinander. Lichtmikroskopisch ähneln diese Stapel kleinen Körnern und werden deshalb als Grana bezeichnet (lateinisch granum: Korn). Die Wände der Lamellen bestehen aus Membranen, in denen sich das Chlorophyll befindet, ein Pigmentmolekül, das entscheidend für die Photosynthese ist. Daneben befinden sich auch noch weitere Proteine und Enzyme, die für die Photosynthese notwendig sind, in diesen Lamellen und bilden die so genannten Photosysteme I und II (Photosynthese). Gelegentlich speichern die Chloroplasten auch Energie in Stärkekörnern.

In den Pflanzen entwickeln sich die Chloroplasten unter Lichteinstrahlung aus farblosen Organellen, den Proplastiden. Während der Zellteilung teilen sich die Proplastiden ebenfalls, wobei die Tochterproplastiden ihrerseits wieder Chloroplasten hervorbringen können. Bei den Algen teilen sich die Chloroplasten dagegen direkt, ohne die Vorstufe der Proplastiden. Die Tatsache, dass Chloroplasten sich selbständig vermehren können und dass sie außerdem unabhängig von ihrem Vorkommen in ganz verschiedenen Pflanzen- oder Algengruppen stets sehr ähnlich gebaut sind, führte zu der Hypothese, dass Chloroplasten einst unabhängige Organismen waren, die irgendwann im Lauf der Evolution als Symbionten in die Zellen aufgenommen wurden und fortan nur noch zusammen mit den Zellen existieren konnten.

Ökologie, Lehre von den Wechselbeziehungen zwischen den Organismen untereinander und mit ihrer unbelebten und belebten Umgebung. Die unbelebte oder physikalisch-chemische Umgebung umfasst die Faktoren Licht und Wärme bzw. Sonneneinstrahlung, Feuchtigkeit, Wind, Zusammensetzung der Luft, vor allem den Gehalt an Sauerstoff und Kohlendioxid, sowie die vorhandenen Nährstoffe im Boden, im Wasser und in der Atmosphäre. Zur belebten oder biologischen Umgebung von einem Organismus gehören sowohl die Lebewesen der gleichen Art als auch diejenigen anderer Arten. Die Beziehungen beschränken sich nicht nur auf Pflanzen und Tiere, sondern umfassen auch Pilze, Bakterien, Viren und andere Einzeller.