Pflanzenphysiologie - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Im Rahmen der Lichtreaktionen der Photosynthese wird Lichtenergie in die chemischen Energieträger ATP und NADPH umgewandelt. Diese Reaktionen finden in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten statt und beinhalten eine Abfolge komplexer Prozesse, die schließlich zur Synthese von ATP und NADPH führen. Zu den Kernprozessen gehört die Absorption von Photonen durch die Photosysteme II und I, die Anregung von Elektronen und deren Transport entlang einer Elektronentransportkette. Dabei entsteht ein Protonengradient, der zur Synthese von ATP durch die ATP-Synthase genutzt wird. Außerdem wird NADP+ zu NADPH reduziert. Eine zentrale Reaktion dieser Prozesse ist die Spaltung von Wasser: 2 H2O → 4 H^+ + 4 e^- + O2.

a)

Beschreibe den Mechanismus des Elektronentransports in den Photosystemen II und I. Welche Rolle spielen die Antennenkomplexe und wie wird die Anregungsenergie weitergeleitet?

Lösung:

Mechanismus des Elektronentransports in den Photosystemen II und I

• Photonenabsorption: Der Prozess beginnt mit der Absorption von Photonen durch die Pigmentmoleküle (hauptsächlich Chlorophyll) im Antennenkomplex des Photosystems II. Diese Energie wird an das Reaktionszentrum P680 weitergeleitet.
• Anregung und Elektronentransfer: Die Energie des Lichts hebt die Elektronen im P680-Reaktionszentrum auf ein höheres Energieniveau. Diese angeregten Elektronen werden auf den primären Elektronenakzeptor (Pheophytin) übertragen.
• Elektronenfluss: Die Elektronen passieren eine Elektronentransportkette, die aus Plastoquinon (PQ), dem Cytochrom-b6f-Komplex und Plastocyanin (PC) besteht.
• Wasserspaltung: Zeitgleich wird Wasser im Reaktionszentrum gespalten, was zur Freisetzung von Elektronen, Protonen und Sauerstoff führt: 2 H2O → 4 H^+ + 4 e^- + O2

• Photonenabsorption: Im Photosystem I wird Lichtenergie von den Pigmenten des Antennenkomplexes absorbiert und an das Reaktionszentrum P700 weitergeleitet.
• Anregung und Elektronentransfer: Die Energie des Lichts hebt die Elektronen im P700-Reaktionszentrum auf ein höheres Energieniveau. Diese angeregten Elektronen werden auf den primären Elektronenakzeptor (A0) übertragen.
• Elektronenfluss: Die Elektronen durchlaufen eine weitere Elektronentransportkette, die aus Ferredoxin (Fd) und NADP+-Reduktase besteht.
• NADPH-Synthese: Schließlich werden die Elektronen genutzt, um NADP+ zu NADPH zu reduzieren, ein wichtiger chemischer Energieträger für den Calvin-Zyklus.

• Funktion der Antennenkomplexe: Die Antennenkomplexe bestehen aus einer Vielzahl von Pigmentmolekülen, die Photonen absorbieren und die Anregungsenergie an das Reaktionszentrum weiterleiten. Dies maximiert die Effizienz der Lichtabsorption.
• Weiterleitung der Anregungsenergie: Nach Absorption eines Photons wird die Anregungsenergie durch induktive Resonanzenergieübertragung von einem Pigmentmolekül zum nächsten weitergereicht, bis sie das Reaktionszentrum erreicht. Dieser Prozess erfolgt sehr effizient und nahezu verlustfrei.
• Reaktionszentrum: Die am Reaktionszentrum ankommende Energie löst die photoinduzierte Elektronentransferreaktion aus, wodurch die Elektronen auf ein höheres Energieniveau gebracht und entlang der Elektronentransportkette weitergeleitet werden.

b)

Berechne die Anzahl der Photonen, die benötigt werden, um sechs Moleküle O2 zu erzeugen. Vergiss nicht, alle Zwischenrechnungen und Annahmen klar zu erläutern.

Lösung:

Berechnung der Anzahl der Photonen zur Erzeugung von sechs Molekülen O2

• Zentrale Reaktion der Wasserspaltung: 2 H2O → 4 H^+ + 4 e^- + O2
• Pro Molekül O2, das gebildet wird, sind daher 2 Moleküle Wasser erforderlich.
• Um sechs Moleküle O2 zu erzeugen, werden dementsprechend 6 × 2 = 12 Moleküle Wasser benötigt.
• Photonenbedarf: Die Wasserspaltung erfolgt im Photosystem II (PSII) durch die Absorption von Lichtenergie.
• Der Elektronentransport im Photosystem II erfordert die Absorption von 4 Photonen, um 1 Molekül O2 zu erzeugen: - 4 Photonen für 4 Elektronen (jedes Photon hebt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau).
• Für sechs Moleküle O2 benötigen wir also: 6 × 4 = 24 Photonen.

Aufgabe 2)

Der Calvin-Zyklus fixiert CO2 und synthetisiert Zucker in den Chloroplasten von Pflanzen. Dieser Prozess wird durch das Enzym Rubisco katalysiert und umfasst die Hauptphasen der Carboxylierung, Reduktion und Regeneration. Die Reaktionsgleichung der Carboxylierung ist 3 CO_2 + 3 Ribulose-1,5-bisphosphat \rightarrow 6 Glycerinsäure-3-phosphat. ATP und NADPH, die in den Lichtreaktionen der Photosynthese erzeugt werden, sind für die Durchführung dieses Zyklus notwendig. Nach sechs Zyklen wird letztendlich eine Glucose-Molekül synthetisiert.

a)

Beschreibe die Rolle von Rubisco im Calvin-Zyklus und erkläre, warum es oft als ineffizient angesehen wird.

Lösung:

Die Rolle von Rubisco im Calvin-Zyklus:

• Katalysator der Carboxylierung: Rubisco (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase) ist das Enzym, das die erste und entscheidende Reaktion im Calvin-Zyklus katalysiert: die Carboxylierung. In dieser Reaktion wird Kohlendioxid (CO₂) an Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) gebunden, was zur Bildung von zwei Molekülen Glycerinsäure-3-phosphat führt. Die Reaktionsgleichung dafür lautet:

3 CO2 + 3 RuBP → 6 3-Phosphoglycerat (3-PGA)

• Die so gebildeten Glycerinsäure-3-phosphat-Moleküle (3-PGA) werden dann in den folgenden Schritten des Calvin-Zyklus weiterverarbeitet und letztlich zur Synthese von Zuckern verwendet.
• Bindung von CO₂: Rubisco spielt eine entscheidende Rolle bei der Fixierung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre, was für die Assimilation von Kohlenstoff in Pflanzen unerlässlich ist.

Warum Rubisco als ineffizient angesehen wird:

• Langsame Reaktionsrate: Rubisco ist eines der langsamsten Enzyme im Stoffwechsel von Pflanzen. Es katalysiert nur etwa 3-10 CO₂-Moleküle pro Sekunde.
• Photorespiration: Rubisco hat auch eine Oxygenase-Aktivität, was bedeutet, dass es neben CO₂ auch O₂ binden kann. Wenn Rubisco O₂ anstelle von CO₂ bindet, führt das zu einem Prozess namens Photorespiration, der weniger effizient ist, weil er Energie verbraucht und keine Kohlenhydrate produziert:

RuBP + O2 → 3-PGA + 2-Phosphoglykolat (PG)

• Phosphoglykolat muss dann in einem Prozess, der Energie und Kohlenstoff kostet, recycelt werden.
• Erhöhte Konzentrationen von Rubisco: Aufgrund seiner ineffizienten Katalyse müssen Pflanzen große Mengen an Rubisco synthetisieren, was einen bedeutenden Energie- und Ressourcenaufwand darstellt.

Zusammengefasst ist Rubisco zwar das Schlüsselelement für die Kohlenstofffixierung und damit für das Pflanzenwachstum, aber seine langsame Geschwindigkeit und die Oxygenase-Aktivität führen zu einer relativen Ineffizienz im Vergleich zu anderen Enzymen.

b)

Berechne die Gesamtmenge an ATP und NADPH, die benötigt wird, um ausgehend von 6 CO2-Molekülen ein Glucose-Molekül zu synthetisieren. Gehe dabei davon aus, dass für jeden Zyklus 3 ATP und 2 NADPH für die Reduktion zu G3P und weitere 3 ATP für die Regeneration von Ribulose-1,5-bisphosphat benötigt werden.

Lösung:

Um zu berechnen, wie viel ATP und NADPH benötigt wird, um ausgehend von 6 CO₂-Molekülen ein Glucose-Molekül zu synthetisieren, schauen wir uns zuerst die Details des Calvin-Zyklus an:

• Pro Zyklus wird ein Molekül CO₂ fixiert.
• Es gibt drei Hauptphasen im Zyklus: Carboxylierung, Reduktion und Regeneration.
• Für jeden dieser Zyklen werden 3 ATP und 2 NADPH für die Reduktion zu G3P (Glycerinaldehyd-3-phosphat) sowie weitere 3 ATP für die Regeneration von Ribulose-1,5-bisphosphat benötigt.

Da sechs Zyklen durchgeführt werden müssen, um ein Glucose-Molekül (C₆H₁₂O₆) zu synthetisieren, betrachten wir die ATP- und NADPH-Gesamtmengen wie folgt:

• Pro Zyklus: 3 ATP (für Reduktion) + 3 ATP (für Regeneration) = 6 ATP-Äquivalente pro Zyklus
• Pro Zyklus: 2 NADPH (für Reduktion)

Also benötigen wir für 6 Zyklen:

• 6 Zyklen × 6 ATP = 36 ATP
• 6 Zyklen × 2 NADPH = 12 NADPH

Zusammenfassung:

• Insgesamt sind 36 ATP-Moleküle notwendig.
• Insgesamt sind 12 NADPH-Moleküle notwendig.

Somit werden zur Synthese eines Glucose-Moleküls ausgehend von 6 CO₂-Molekülen 36 ATP und 12 NADPH benötigt.

c)

Erkläre die drei Hauptphasen (Carboxylierung, Reduktion und Regeneration) des Calvin-Zyklus im Detail und beschreibe die wesentlichen chemischen Reaktionen, die in jeder Phase ablaufen.

Lösung:

Der Calvin-Zyklus: Drei Hauptphasen im Detail

Der Calvin-Zyklus ist ein komplexer biochemischer Prozess, der in den Chloroplasten von Pflanzen abläuft. Im Folgenden sind die drei Hauptphasen des Calvin-Zyklus und die wesentlichen chemischen Reaktionen, die in jeder Phase stattfinden, ausführlich beschrieben:

• 1. Carboxylierung:

In dieser Phase wird CO₂ fixiert und an Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) gebunden. Diese Reaktion wird durch das Enzym Rubisco (Ribulose-1,5-bisphosphat-Caboxylase/Oxygenase) katalysiert. Durch die Carboxylierung entsteht ein instabiles 6-Kohlenstoff-Zwischenprodukt, das sofort in zwei Moleküle Glycerinsäure-3-phosphat (3-PGA) zerfällt.

 3 CO2 + 3 RuBP → 6 3-PGA 

• 2. Reduktion:

In der Reduktionsphase werden die 3-PGA-Moleküle zu Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) reduziert. Diese Phase besteht aus zwei wesentlichen Reaktionen:

• Zuerst wird 3-PGA durch ATP phosphoryliert, um 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) zu bilden:

 6 3-PGA + 6 ATP → 6 1,3-BPG 

• Anschließend wird 1,3-BPG durch NADPH reduziert, um G3P zu bilden:

 6 1,3-BPG + 6 NADPH + 6 H+ → 6 G3P + 6 NADP+ + 6 Pi 

• Aus den sechs Molekülen G3P dient eines als Ausgangsstoff für die Synthese von Glucose und anderen Kohlenhydraten. Die restlichen fünf Moleküle gehen in die Regenerationsphase über.

• 3. Regeneration:

In der Regenerationsphase wird RuBP aus G3P regeneriert, sodass der Zyklus fortgesetzt werden kann. Dies ist ein komplexer Prozess, der mehrere Enzyme und eine Reihe von Zwischenprodukten erfordert. Die wichtigsten Schritte beinhalten die Umwandlung von 5 G3P-Molekülen in 3 Moleküle RuBP unter Verbrauch von ATP:

 5 G3P + 3 ATP → 3 RuBP 

Zusammenfassung:

• In der Carboxylierungsphase wird CO₂ fixiert und in 3-PGA umgewandelt.
• In der Reduktionsphase wird 3-PGA durch ATP und NADPH zu G3P reduziert.
• In der Regenerationsphase wird RuBP aus G3P regeneriert, damit der Zyklus erneut beginnen kann.

Die Netto-Bilanz des Calvin-Zyklus für die Synthese eines Glucose-Moleküls aus sechs CO₂-Molekülen lautet:

 6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H+ → C6H12O6 + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP+ 

d)

Diskutiere die Bedeutung des Calvin-Zyklus für das Pflanzenwachstum und die Rolle des Zyklus in der globalen Kohlenstoffdynamik.

Lösung:

Bedeutung des Calvin-Zyklus für das Pflanzenwachstum und die globale Kohlenstoffdynamik

Der Calvin-Zyklus ist ein zentraler biochemischer Prozess, der für das Pflanzenwachstum und die globale Kohlenstoffdynamik von entscheidender Bedeutung ist. Im Folgenden sind die Hauptaspekte, die seine Bedeutung betonen, aufgeführt:

• Pflanzenwachstum:
• Kohlenstofffixierung: Der Calvin-Zyklus fixiert atmosphärisches Kohlendioxid (CO₂) in organische Verbindungen. Dies ist der erste Schritt in der Synthese von Zuckern, die als Grundlage für die Biosynthese von fast allen anderen Biomolekülen in Pflanzen dienen.
• Synthese von Zucker und Stärke: Die Zuckermoleküle, die aus dem Calvin-Zyklus hervorgehen, dienen als Ausgangsmaterial für die Produktion von Stärke, Cellulose und anderen Kohlenhydraten, die für das Wachstum und die Struktur der Pflanze notwendig sind.
• Energiequelle: Die im Calvin-Zyklus produzierten Kohlenhydrate dienen als Energiequelle für pflanzliche Stoffwechselprozesse, Wachstum und Entwicklung.
• Globale Kohlenstoffdynamik:
• Kohlenstoffsequestrierung: Pflanzen nehmen CO₂ aus der Atmosphäre auf und binden es in organischen Verbindungen. Dies trägt zur Reduktion der atmosphärischen CO₂-Konzentration bei und wirkt als natürliche Kohlenstoffsenke.
• Kohlenstoffkreislauf: Der Calvin-Zyklus ist ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Durch die Fixierung von CO₂ und die Bildung von Biomasse tragen Pflanzen zur Regulierung des Kohlenstoffgehalts in der Atmosphäre und in terrestrischen Ökosystemen bei.
• Klimawandel: Durch die fixierte Menge an CO₂ spielen Pflanzen eine bedeutende Rolle im Abschwächen des Klimawandels. Mehr Photosynthese kann helfen, den Anstieg der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre zu verlangsamen.
• Ökologische Bedeutung:
• Nahrungsgrundlage: Die durch den Calvin-Zyklus synthetisierten Zucker sind die Nahrungsgrundlage für heterotrophe Organismen, einschließlich Tieren und Menschen. Sie liefern die notwendige Energie für den Stoffwechsel.
• Ökosystemdienstleistungen: Durch die Bereitstellung von Nährstoffen und Energie trägt der Calvin-Zyklus zur Stabilisierung von Ökosystemen bei und fördert die Biodiversität.

Zusammenfassung:

Der Calvin-Zyklus ist von zentraler Bedeutung für das Pflanzenwachstum, da er die Fixierung von CO₂ und die Synthese von Zucker ermöglicht, die für die Struktur, das Wachstum und die Energieversorgung der Pflanze essenziell sind. Darüber hinaus trägt er zur globalen Kohlenstoffdynamik bei, indem er CO₂ aus der Atmosphäre entfernt und somit einen positiven Einfluss auf den Klimaschutz und die Erhaltung der Ökosysteme hat.

Aufgabe 4)

Transpiration und ihre Regulation in PflanzenDer Prozess des Wasserverlusts durch Verdunstung über Spaltöffnungen (Stomata) bei Pflanzen ist entscheidend für den Wasserhaushalt und die Nährstoffaufnahme. Die Funktion der Transpiration umfasst sowohl die Kühlung der Pflanze als auch den Transport von Nährstoffen. Die Regulierung der Transpiration erfolgt hauptsächlich über das Öffnen und Schließen der Stomata, und wird durch verschiedene Umweltfaktoren wie Licht, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Wind beeinflusst. Das Wasserpotenzial \(\text{Ψ}\) und die osmotischen Kräfte spielen eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der Transpirationsrate. Die Transpirationsrate kann durch die Berechnung des Transpirationsstroms \(\text{T} = \frac{\text{E}}{\text{R}}\) bestimmt werden.

a)

Beschreibe, wie Licht die Regulierung der Transpiration in Pflanzen beeinflusst. Gehe dabei auf den Mechanismus des Öffnens und Schließens der Stomata ein.

Lösung:

• Einfluss von Licht auf die Regulierung der Transpiration:Licht spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Transpiration in Pflanzen. Der Mechanismus des Öffnens und Schließens der Stomata, der durch Licht beeinflusst wird, kann wie folgt beschrieben werden:

• Photorezeptoren in Pflanzen: Pflanzen haben spezielle Photorezeptoren, die Licht wahrnehmen. Diese Rezeptoren, insbesondere die sogenannten Blaulicht-Rezeptoren, reagieren auf Licht und lösen Signalkaskaden aus, die das Öffnen und Schließen der Stomata regulieren.
• Mechanismus des Öffnens der Stomata:
  • Bei Lichteinfall, insbesondere blauem Licht, werden die Photorezeptoren aktiviert.
  • Die Aktivierung der Photorezeptoren führt zur Öffnung von Kaliumkanälen in den Schließzellen der Stomata.
  • Kalium-Ionen (K⁺) strömen in die Schließzellen ein.
  • Die Aufnahme von K⁺ senkt das osmotische Potenzial in den Schließzellen, wodurch Wasser in diese Zellen strömt.
  • Der Wassereinstrom führt zu einem Anstieg des Turgordrucks in den Schließzellen.
  • Der erhöhte Turgordruck bewirkt, dass sich die Schließzellen dehnen und die Stomata öffnen.
• Mechanismus des Schließens der Stomata:
  • Bei fehlendem Licht oder Dunkelheit wird die Aktivität der Protonenpumpen reduziert, und Kalium-Ionen strömen aus den Schließzellen heraus.
  • Dadurch steigt das Wasserpotenzial in den Schließzellen, was zu einem Wasserverlust führt.
  • Der Turgordruck in den Schließzellen sinkt.
  • Die Schließzellen erschlaffen und die Stomata schließen sich.
• Zusammenfassung:Durch die Belichtung, besonders mit blauem Licht, öffnen sich die Stomata durch ein Zusammenspiel von Ioneneinfluss und Wassereinstrom, der den Turgordruck in den Schließzellen erhöht. Im Dunkeln oder bei geringer Lichtintensität hingegen schließen sich die Stomata aufgrund des verringerten Turgordrucks, der durch Wasserverlust in den Schließzellen verursacht wird.

• Visualisierte Formel und Symbole:
  • Wasserpotenzial: \(\text{Ψ}\)
  • Transpirationsstrom: \(\text{T} = \frac{\text{E}}{\text{R}}\)

c)

Diskutiere die Auswirkungen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf die Transpirationsrate. Berücksichtige dabei auch den Einfluss des Windes auf die Verdunstung und den Transpirationsstrom.

Lösung:

• Einfluss der Temperatur auf die Transpirationsrate:
• Mit steigender Temperatur nimmt die Transpirationsrate zu. Dies liegt daran, dass höhere Temperaturen die Verdunstungsrate des Wassers erhöhen.
• Wärmere Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen, wodurch die Differenz im Wasserpotenzial zwischen dem internen Pflanzensystem und der umgebenden Luft vergrößert wird. Dies beschleunigt die Transpiration.
• Sehr hohe Temperaturen können jedoch auch zu Stomataschließungen führen, um übermäßigen Wasserverlust zu vermeiden, was die Transpirationsrate reduzieren kann.
• Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Transpirationsrate:
• Hohe Luftfeuchtigkeit verringert die Transpirationsrate, da die Luft bereits mit Wasserdampf gesättigt ist. Das Wasserpotenzial innerhalb der Pflanze und in der Atmosphäre nähert sich an, wodurch das treibende Gefälle für die Transpiration abnimmt.
• Niedrige Luftfeuchtigkeit erhöht die Transpirationsrate, da die Differenz im Wasserpotenzial zwischen der Pflanze und der umgebenden Luft größer wird.
• Einfluss des Windes auf die Transpirationsrate:
• Wind erhöht die Transpirationsrate, indem er die Grenzschicht von feuchter Luft um das Blatt herum entfernt. Dies sorgt dafür, dass der Wasserdampf schneller von der Blattoberfläche wegtransportiert wird.
• Durch die Entfernung von Wasserdampf aus der Nähe der Stomata wird das Wasserpotenzialgefälle zwischen dem Inneren der Pflanze und der umgebenden Luft vergrößert, was die Transpiration beschleunigt.
• Sehr starker Wind kann jedoch auch zu Schließungen der Stomata führen, um Wasserverlust zu minimieren, was die Transpiration reduzieren kann.
• Zusammenfassung:
• Die Transpirationsrate wird durch eine Kombination von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Wind beeinflusst. Höhere Temperaturen und niedrige Luftfeuchtigkeit erhöhen die Transpiration, während hohe Luftfeuchtigkeit sie reduziert. Der Wind fördert die Transpiration durch den Abtransport von Wasserdampf von der Blattoberfläche.