verschieden Zusätze:
Thematischer Schwerpunkt 1: Auf- und abbauender Energiestoffwechsel
LM- Bau des Laubblattes
-senkrechte Stellung des Blattes zum Sonnenlicht ermöglicht eine intensive Ausnutzung der Lichtstrahlen
- große Oberfläche des Blattes begünstigt den Gasaustausch mit der Atmosphäre
Epidermis/Blatthaut: an der Ober-und Unterseite des Blattes, chloroplastenfreie Zellen, verdickte Außenwände
Cuticula: wachsartiges Häutchen, Schutz vor Wasserverlust, erhöht mechanische Festigkeit, wasserundurchlässig
Mesophyll (Schwamm- und Palisadengewebe): Palisadengewebe = chloroplastenreich, empfängt am meisten Licht, Ort der Fotosynthese, zwischen den Palisadenzellen viele Zwischenzellräume ; Schwammgewebe= unregelmäßig geformte Zellen, enthalten wenig Chloroplasten, im Interzellulärraum des Schwammgewebes erfolgt der Gasaustausch zwischen Zellen und Luft in den Interzellularen, Durchlüftung des Blattes
Spaltöffnungen: in der Epidermis (vor allem untere Epidermis) befindliche Einstülpungen, Gaswechsel zwischen Interzellularensystem und Umgebungsluft (CO2), können sich öffnen und schließen
Leitbündel: verlaufen in den Blattadern, Wasser und Mineralsalze werden zugeführt, Fotosyntheseprodukte abgeführt, versteifen die Fläche des Blattes
Phloem: vom Ort mit hoher Konzentration zum Ort mit niedriger Konzentration => Nährstoffe und Zucker
Xylem: Transport der gelösten Mineralsalze und Bodenwasser von den Wurzeln nach oben ; Phloem und Xylem bilden die Leitbündel
Schließzellen: jede Spaltöffnung besitzt zwei bohnenförmigen Schließzellen, chloroplastenhaltig, der Spalt zwischen ihnen kann sich durch Turgoränderungen der Schließzellen öffnen und schließen
Blätter mit zweischichtigem Mesophyll heißen bifazial
Bei Pflanzen in Trockengebieten kann an der Blattunterseite Palisadengewebe ausgeprägt sein, diesen Typ nennt man dann äquifazial.
Änderung der Spaltöffnungsweite
Öffnung
Bei Belichtung wird in den Schließzellen viel ATP gebildet
durch die Energie des ATPs werden K +-Ionen durch aktiven Transport gegen das Konzentrationsgefälle aus den Nachbarzellen in die Schließzellen gepumpt
die zunehmende Konzentration der K +-Ionen lässt den osmotischen Wert der Schließzelle ansteigen und aus den Zellwänden und Nachbarwänden strömt Wasser nach, der Innendruck der Schließzelle steigt
die dünnen Wände der Schließzelle wölben sich nach außen, was dazu führt, das der Spalt zwischen den Schließzellen sich öffnet
Schließung
wenn es dunkel wird hört die Fotosynthese auf und es wird weniger ATP gebildet.
die K +-Ionen wandern gemäß des Konzentrationsgefälles wieder in die Nachbarzellen zurück
der osmotische Wert der Schließzellen sinkt, Wasser wird an andere Zellen weitergegeben und die zuvor prall gefüllten Zellen erschlaffen
der Spalt schließt sich
außerdem: Bei großer Trockenheit erschlaffen die Schließzellen aufgrund des Wasserverlustes um die Wasserabgabe der Pflanze herabzusetzen.
Die niedrige CO2-Konzentration führt zur Öffnung, hohe CO2-Konzentration zur Schließung. Bei der Fotosynthese tagsüber bleiben die Spaltöffnungen offen, wenn genug Wasser vorhanden ist und CO2 verbraucht wird.
Bei Dunkelheit schließen sich die Spaltöffnungen, die CO2-Konzentration steigt und der Spalt sich schließt.
Enzyme
- Enzyme sind Proteine, die die Aktivierungsenergie erniedrigen und somit Reaktionen ermöglichen und beschleunigen, die sonst nur langsam oder gar nicht ablaufen würden.
Enzyme gehen unverändert aus der Reaktion hervor. Stoffe mit dieser Eigenschaft nennt man (Bio-)Katalysatoren.
Enzyme haben ein breites Wirkungsspektrum in Industrie und Medizin
Aktivierungsenergie: Energie, die benötigt wird um eine Reaktion in Gang zu setzen.
Die freigesetzte Energie ist bei Reaktionen mit Katalysator und ohne Katalysator dieselbe.
Ablauf der Enzymreaktion
Enzyme wirken nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip
das aktive Zentrum des Enzyms ist unbesetzt
das Substrat verbindet sich mit dem Enzym und bildet einen Enzym-Substrat-Komplex, das aktive Zentrum verändert seine Gestalt und schmiegt sich an das Substrat an.
das Substrat bindet an einem bestimmten Abschnitt des Enzyms, dem aktiven Zentrum (katalytisch wirksame Region des Enzyms). Das Substrat muss eine zum Enzym passende Form haben, denn Enzyme sind substratspezifisch. Das aktive Zentrum ermöglicht nur ganz bestimmte Reaktionen. Enzyme sind also wirkungsspezifisch.
Der Enzym- Substrat- Komplex zerfällt und Produkt und Enzym werden freigesetzt.
das aktive Zentrum steht für ein weiteres Substrat zur Verfügung.
beeinflussende Faktoren
Temperatur: Trägt man die Enzymaktivität gegen die Temperatur auf, so erhält man eine Optimumskurve. Mit steigender Temperatur wächst die Teilchenbewegung (BROWNsche Bewegung). Dadurch wird es wahrscheinlicher, dass Enzym und Substrat zusammentreffen. Die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt bis verdreifacht sich bei einer Erhöhung um 10°C (RGT-Regel). Die meisten Enzyme denaturieren bei einer Temperatur von 60°C. Ausnahmen bilden Enzyme der Bakterien die in heißen Quellen leben, sie haben ein Temperaturoptimum von 70°C und mehr.
Bei einer Erhöhung der Temperatur um 10°C verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit.
Wenn die Temperatur allerdings zu hoch wird kommt es zu einer Zerstörung des Enzyms, auch Denaturierung genannt.
pH-Wert: Variiert man den pH-Wert, so erhält man ebenfalls eine Optimumskurve mit pH-Minimum, pH-Optimum und pH-Maximum. Eine Änderung des pH-Wertes beeinflusst die stabilisierenden Wechselwirkungen innerhalb des Proteinmoleküls und damit dessen Tertiärstruktur. Die meisten Enzyme haben ein pH-Wert-Optimum zwischen 6 und 8 (neutrales Milieu). Pepsin bevorzugt ein saures Milieu, Trypsin ein alkalisches. Die Veränderung des pH-Wertes verursacht Änderungen im Ladungsmuster und den Ionenbindungen der Proteine. Dadurch verringert sich die katalytische Fähigkeit eines Enzyms und hört schließlich auf.
Beispiel für Abhängigkeitskurve
Ungehemmte und gehemmte Enzymreaktion
- bei ungehemmten Enzymreaktionen erhält man stets eine Sättigungskurve.
- bei niedriger Substratkonzentration sind noch viele Enzym-Moleküle frei und die Geschwindigkeit ist entsprechend hoch.
- steigt die Substratkonzentration, so nimmt auch die Zahl der Enzym- Substrat-Komplexe zu, bis schließlich alle belegt sind (Sättigung).
Würde man die Substratkonzentration weiter erhöhen, so würde die Geschwindigkeit nicht gesteigert werden.
Michaelis-Menten-Konstante (Km): Substratkonzentration bei halbmaximaler Reaktionsgeschwindigkeit.
Hemmungen
Enzyme dürfen nicht ständig aktiv sein, sondern nur, wenn ihre Wirkung gebraucht wird. Hemmung und Aktivierung stellen einen wichtigen Kontrollmechanismus dar.
reversible Hemmung = kann aufgehoben werden
irreversible Hemmung= kann nicht aufgehoben werden
kompetitive Hemmung (reversibel):
Hemmstoff ähnelt dem Substrat. Hemmstoff und Substrat konkurrieren um das aktive Zentrum des Enzyms. Es setzt sich an Stelle des Substrats in das aktive Zentrum, wird aber nicht umgesetzt. Das aktive Zentrum ist blockiert. Da sich der Anteil der wirksamen Enzymmoleküle durch die Blockierung mit Inhibitoren für die Substrate verringert, wird die Reaktionsgeschwindigkeit herabgesetzt. Eine Erhöhung der Substratkonzentration führt zur Verdrängung des Hemmstoffs, seine Wirkung wird aufgehoben (z.B. Aspirin).
Nicht-kompetitive Hemmung(reversibel)
Inhibitor und Substrat binden gleichzeitig am Enzym, nur die Bindungszentren sind nicht identisch. Ein nichtkompetitiver Hemmer hemmt die Substratbindung nicht, erniedrigt aber die Anzahl der Substratmoleküle, die in das Produkt umgewandelt werden können.
Der Hemmstoff lagert sich außerhalb des aktiven Zentrums an das Enzym an das allosterische Zentrum. Dies führt zu einer Veränderung der dreidimensionalen Struktur des Enzyms; die Form des aktiven Zentrums verändert sich, Substrat-Moleküle können nicht mehr binden. Eine Erhöhung der Substratkonzentration kann die Hemmwirkung nicht beeinflussen. Es können auch Giftstoffe wie Blei im aktiven Zentrum gebunden werden, dabei kommt es ebenfalls zu keiner Substratumsetzung und diese Hemmung ist irreversibel.
Cosubstrate- Cofaktoren
- für die Katalyse benötigen bestimmte Enzyme neben dem Substrat zusätzliche Komponenten
- diese Cosubstrate sind keine Proteine, z.B. ATP oder NAD+
-diese Cosubstrate gehen verändert aus der Reaktion hervor
- meist locker gebunden, wenn sie fest gebunden ist wird sie als prosthetische Gruppe bezeichnet.
-können auch Metall-Ionen wie Fe2+ (Katalase, H2O2=> O2+ H2O), Cu2+, Zn2+ (Alkoholdehydrogenase, Ethanol => Acetaldehyd), Na+/K+/Mg2+ (ATPase der Plasmamembran, ATP=>ADP+P) sein. Diese stabilisieren die dreidimensionale Struktur des Proteins oder binden das Substrat an das Enzym.
Energietransport durch ATP
ADP wird zu ATP , Vorgang auch reversibel
- bei der Phosphatabspaltung wird Energie frei
- drei Phosphatgruppen (ATP), zwei Phosphatgruppen (ADP), eine Phosphatgruppe (AMP)
- GMP (Guanosintriphosphat) hat die gleiche Funktion
Wasserstoff- und Elektronentransport durch NAD
Oxidation = Elektronenabgabe
Reduktion = Elektronenaufnahme
NAD+ bindet reversibel ein Wasserstoffatom eines H2-Moleküls und zwei Elektronen und wird zu NADH reduziert. In einer Folgereaktion gibt es das Wasserstoff-Atom und die Elektronen wieder ab und wird so zu NAD+ oxidiert. Die gleiche Funktion übernehmen an anderer Stelle im Stoffwechsel die Cofaktoren NADP+/NADPH+ H+ und FAD/FADH2
Stoffklassen (Kohlenhydrate, Proteine, Fette)
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate enthalten als kleinste Baueinheit Monosaccharide (Einfachzucker)
es existieren ferner Disaccharide und Polysaccharide (Verknüpfungen von Einfachzuckern)
Mono-und Disaccharide sind schnell verfügbare Energiequellen für den Organismus (Aufbau durch Fotosynthese)
Speicherung von Energiereserven in Form von Stärke und Glykogen, Funktion als Strukturelement in Form von Cellulose
Stützfunktion (Cellulose, Chitin)
Monosaccharide (Einfachzucker)
Glukose
Hexosen (6C-Atome) oder Pentosen (5C-Atome)
Glukose ist ein wichtiger Vertreter der Hexosen (C6H12O6)
fünf Kohlenstoffatome bilden mit einem Sauerstoffatom einen Ring
nach der Stellung der Hydroxylgruppe (-OH-Gruppe) unterscheidet man Alpha- und Beta-Glukose.
Aldehyd- oder Ketonderivate geradkettiger Polyalkohole (Alkohole mit mehreren OH-Gruppen)
wichtige Hexosen sind außerdem Fructose und Galactose, Ribose (RNA) und Desoxyribose(DNA) sind Pentosen.
Disaccharide (Zweifachzucker)
zwei Monosaccharide reagieren unter Wasserabspaltung zum Disaccharid
die entstehende Bindung nennt man glykosidische Bindung
Saccharose(Rohrzucker) ist das Disaccharid aus Alpha-Glukose und Beta-Fruktose
Maltose ist ein Disaccharid aus zwei Glukosemolekülen
Saccharose
Polysaccharide (Vielfachzucker)
bestehen aus über zehn bis mehreren tausend Monosacchariden durch glykosidische Bindungen verknüpft
Stärke, Glykogen und Cellulose sind typische Vertreter
Stärke besteht zu 20% aus Amylose und zu 80% aus Amylopektin
Fette
zu Lipiden zählen Fette und Phospholipide
sind in unpolaren Lösungsmitteln wie Benzin, Aceton, Methanol gut löslich, in polaren Lösungsmittel Wasser hingegen unlöslich
reagiert ein Alkohol unter Wasserabspaltung mit einer Säure zu einem Ester
Fette sind Ester aus Glycerin (Alkohol mit drei –OH-Gruppen) und drei verschiedenen Fettsäuren
man bezeichnet sie daher auch als Triglyceride oder Neutralfette, spielen eine wichtige Rolle als Speichersubstanz, Isoliermaterial gegen Kälte und als Schutzpolster (z.B. Bauch, Gesäß)
Phospholipide sind wichtige Bausteine der Biomembran
z.B. Lecithin: zwei hydrophobe Fettsäuren sind mit einem hydrophilen Molekülabschnitt verbunden, das Molekül besitzt einen hydrophilen und einen hydrophoben Teil
besitzen den höchsten physiologischen Brennwert (doppelt so hoch wie der von Zucker oder Proteinen)
Bindung zwischen Fettsäureresten und dem Glycerinmolekül ist eine Esterbindung. Reaktion erfolgt zwischen einer Carboxy- und einer Hydroxygruppe unter Abspaltung von Wasser.
gesättigte Fettsäuren: Kohlenstoffgerüst ist vollständig mit Wasserstoffsäuren gesättigt, sie enthalten keine Mehrfachbindungen
ungesättigte Fettsäuren: eine oder mehrere Doppelbindungen(mehrfach ungesättigt) zwischen Kohlenstoffatomen sind möglich. Je mehr Doppelbindungen vorliegen, desto niedriger liegt der Schmelzpunkt.
Unterteilung in verschiedene Gruppen
Fettsäuren
Fette
Triglyceride oder Trialglyceride, genannt Wachse
Phospholipide: auch Phosphatide, Phosphoglyceride oder Glycerinphosphatide
Sterole und pflanzliche Steroide
Eicosanoide ; Glykolypide, Cerebroside, Ganglioside
Fett
Phospholipid
Wachse
Ester langkettiger Fettsäuren mit 16 bis 36 C-Atomen, an Stelle des Glycerins höherwertige Alkohole (z.B. Myricylalkohol). Wachse sind ebenfalls neutrale neutrale Verbindungen, die unpolare längerkettige Kohlenwasserstoffreste enthalten.
Phospholipide
Enthalten eine Phosphatgruppe und sind charakteristische Bestandteile zellulärer Membranen. Glycerin ist mit zwei Fettsäuren und Phosphorsäure verestert. Phosphorsäurerest besitzt eine negative elektrische Ladung und ist mit einem Alkoholrest verbunden. Bilden ist wässriger Lösung Micellen oder Lamellen.
Sphingolipide
komplexe Phospholipide; anstelle des Glycerinrests ist Sphingosin vorhanden; an die Aminogruppe ist ein Fettsäurerest gebunden; die Hydroxygruppe ist mit Phosphorsäure und die wiederum mit Cholin verestert.
Glykolipide
statt Phosphorylcholin ein Mono- oder Oligosaccharidrest verknüpft
Sterole und pflanzliche Steroide
Gerüst aus vier Kohlenstoffringen mit verschiedenen funktionellen Gruppen; Farbstoffe farbig aufgrund ihrer konjugierten Doppelbindungen, nicht in Wasser löslich wegen den langen Kohlenwasserstoffketten.
Nachweis von Lipiden
Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln, Anfärbbarkeit durch unpolare Farbstoffe
Proteine
wird die Funktionalität eines Proteins gestört durch zu starker Wärmebewegung so spricht man von Denaturierung, z.B. kann hohes Fieber die Funktion von Proteinen hemmen
50% Bestandteil des Zellplasmas
essentielle Aminosäuren können vom Körper nicht synthetisiert werden, müssen also zugeführt werden
Funktionen
Katalyse chemischer Reaktionen (Enzyme)
Bewegung (z.B. Aktin- und Myosinfilamente im Muskel)
Gerüstsubstanz (in Haut, Haaren, Horn und Federn, z.B. Keratin und Kollagen)
Transport (z.B. von Atemgasen im Blut durch Hämoglobin)
Immunität (Antikörper)
Nährstoff (z.B. Hühnereiweiß, Bohnen)
Hormone (z.B. Insulin)
Bausteine des Muskels (Actin und Myosin)
Aufbau
aus 20 verschiedenen Aminosäuren
an ein zentrales Kohlenstoff-Atom ist ein Wasserstoff-Atom, eine Aminogruppe (-NH2), eine Carboxylgruppe (-COOH) und ein organischer Rest (R)
die 20 Aminosäuren unterscheiden sich in dem organischen Rest; es gibt saure, basische, polare und unpolare Aminosäuren
wenn zwei Aminosäuren verknüpft sind entsteht ein Dipeptid (OH-Gruppe der Carboxyl-Gruppe einer Aminosäure reagiert mit dem H-Atom der Aminogruppe der anderen Aminosäure unter Wasseraustritt(Hydrolyse)=> Peptidbindung
die Peptidbindung ist das grundlegende Bauprinzip aller Proteine, so entstehen beispielsweise auch Polypeptide
ab hundert Aminosäuren spricht man von einem Protein
die lineare Abfolge der Aminosäuren wird Aminosäuresequenz genannt und ist zugleich die Primärstruktur. Die Aminosäuresequenz verfügt über ein Ende mit freier Aminogruppe und einem Ende mit freier Carboxygruppe
der Austausch von nur einer Aminosäure kann die Struktur des Proteins erheblich beeinflussen
Sekundärstruktur: symmetrische, dreidimensionale Anordnung der Polypeptidkette, schraubig gewundene Alpha-Helix (Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken) und faltblattartig angeordnete Polypeptidketten durch Wasserstoffbrückenbindung oder Ionenbindung werden Beta-Faltblatt-Strukturen genannt. Die Festigkeit der Sekundärstruktur wird durch eine große Anzahl von Bindungen erreicht. Da die planare Peptidbindung nicht frei drehbar ist, entsteht eine gewissen Unbeweglichkeit.
Tertiärstruktur: asymmetrische dreidimensionale Anordnung, die u.a. auch alphahelicale und Betafaltblattstrukturen enthalten; Stabilisierung über Wasserstoffbrückenbindungen, VAN-DER-WAALS-Bindungen (hydrophobe Wechselwirkungen), Ionenbindungen sowie Elektronenpaarbindungen zwischen den Resten der verschiedenen Aminosäuren
Quartärstruktur: geordnete, dreidimensionale Anordnung aus mehreren Polypeptidketten. Die einzelnen Ketten benennt man als Untereinheiten. Die Quartärstruktur entsteht aus Wechselwirkungen zwischen Polypeptidketten eines Moleküls. Proteine, die neben den Aminosäuren ebenfalls eiweißfremde Bestandteile enthalten werden als Proteide bezeichnet. Die dreidimensional Struktur der Proteine ist direkt mit ihrer Funktion verknüpft.
Dipeptid
Farbstoffe
Pflanzen nutzen die Wellenlängen des nutzbaren Lichtes für die Fotosynthese. Die im Chloroplasten vorkommenden Farbstoffe stellen Lichtenergie durch Absorption zur Verfügung. Chlorophylle und Carotinoide absorbieren vorwiegend Wellenlängen des blauen und roten Bereiches. Für die optimale Ausbeute des Lichtes bilden die verschiedenen Pigmente einen Fotosystem-Komplex, der in der Thylakoidmembran ist.
Chlorophylle
Chlorophylle sind der grüne Blattfarbstoff. Sie sind aus 4 Pyrrolringen aufgebaut, die über Methinbrücken ein Porphyrin-Ring bilden. Sie haben Magnesium als Zentralatom und verfügen über einen Phytolrest. Diese Reste unterscheiden die Art des Chlorophylls, es gibt verschiedene (z.B. a, b usw.) Am Pyrrolring III und IV sitzt eine Carboxylgruppe, von denen eine mit Methylalkohol, die andere mit Phytol verestert ist.
Beim Chlorophyll b ist die Methylgruppe am Pyrrolring II durch eine Aldehydgruppe ersetzt. Chlorophyll a
Chlorophyll b
- Das Hauptpigment ist Chlorophyll a. Es ist in allen fotosynthesefähigen Pflanzen und Blaualgen enthalten. Höhere Pflanzen enthalten auch Chlorophyll b. Dieser Stoff besitzt allerdings eine untergeordnete Rolle, deswegen fehlt er auch bei vielen Algen.
Funktion:
Chlorophyll a: Moleküle bilden Reaktionszentrum in Fotosystemen.
Andere Chlorophyllmoleküle sind Holfspigmente im Antennenkomplex.
Damit die Pflanze das Licht nutzen kann für die Fotosynthese müssen bestimmte Moleküle es absorbieren. Diese Absorption erledigen Farbstoffe in den Thylakoiden der Chloroplasten: Chromatophorenpigmente. Dazu gehören Chlorophylle und Carotinoide. Rot- und Blaualgen verfügen über zusätzliche Farbstoffe, den Phycobiliproteiden.
Carotinoide
- Carotinoide sind kettenförmige Kohlenwasserstoffe mit vielen konjugierten Doppelbindungen.
- orangerote Carotinoide sind sauerstofffrei, wie z.B. Beta-Carotin.
- gelbe bis bräunliche Xanthophylle sind Oxidationsprodukte der Carotine und somit sauerstoffhaltig, wie z.B. Lutein
Funktion:
- Hilfspigmente im Antennenkomplex (Lichtsammelfalle)
- Schutz der Chlorophylle
Chromatografie im Experiment
Die Chromatografie ermöglicht es Stoffgemische voneinander zu trennen. Das Trennverfahren verläuft wie folgt: Ein in Lösung befindliches Substanzgemisch wandert durch eine feinporige oder feinkörnige Trägerschicht, z.B. homogenes Filterpapier oder Kieselgel. Durch Wechselwirkungen mit dem Trägermaterial (Absorption) werden die gelösten Stoffe unterschiedlich stark festgehalten. Infolge der verschiedenen Wanderungsgeschwindigkeiten setzen sie sich in deutlich unterscheidbaren Zonen ab.
Dünnschichtchromatografie: Glasplatte oder Kunstoff-Folie mit Kieselgel oder Cellulose, am Ende der dünnen Schicht wird der Zellextrakt getropft, nach dem Trocknen kommt die Platte in ein geeignetes Laufmittel, anschließend werden die Stoffe durch Farbreaktionen sichtbar gemacht (für alle unbekannten Stoffgruppen gibt es spezifische Reaktionen).
es kann neben dem unbekannten Stoffgemisch auch ein Vergleichsstoff mitlaufen. Stoffe, die gleich weit wandern wie die bekannte Substanz werden als identisch angenommen.
komplexe Stoffe werden besser durch eine zweidimensionale Chromatografie getrennt (drehen um 90°)
Andere Formen der Chromatografie: Papierchromatografie (auf Papier), Gaschromatografie (für verdampfbare Stoffe), Gelchromatografie (Trennung nach Molekülgröße im Polysaccharidgel), Hochdruckflüssig- Chromatografie (Laufmittel wird durch ein dünnes Stahlrohr getrieben, welches eine Trägersubstanz enthält, an der das Laufmittel aufgetrennt wird)
RF-Wert (Quotient aus Laufstrecke und der Frontstrecke, Startlinie bis zur Lösungsmittelfront)
Bsp: Laufstrecke A = 8cm, Frontstrecke =20cm => Rf-Wert = 8/20 =0,4
Faktoren, die die Laufgeschwindigkeit beeinflussen:
Masse
Ladungen
Untergrund
Löslichkeit im Laufmittel
Anziehung durch den Trägerstoff
Absorption durch den Trägerstoff
mobile Phase: Wasser, Gas, unpolares Lösungsmittel etc.
Phase, die mit den einzelnen Substanzen Wechselwirkungen eingeht und sich nicht bewegt.
stationäre Phase: Papier, Gel etc.
Phase, in die das Substanzgemisch eingebracht und bewegt wird.
Retention: Verzögerung von einzelnen Substanzen des Gemisches durch Wechselwirkung mit der stationären Phase.
Stärke der Wechselwirkung der Substanz mit der stationären Phase
Siedepunkt der Substanz
Diffusionseigenschaften der Substanz
Retentionszeit: Zeit, die die Stoffkomponenten zum Durchwandern benötigen.
Elektrophorese
- Die elektrische Ladung der Proteine wird zur Trennung verwendet.
- Ein mit Salzlösung getränkter Filtrierpapierstreifen wird zwischen zwei Elektroden ausgespannt und das zu untersuchende Substanzgemisch auf die Mitte des Streifens aufgetragen.
- Nachdem die Gleichspannung angelegt wurde wandern negativ geladene Teilchen zur Anode und positiv geladene zur Kathode.
- Sie wandern verschieden schnell: nach Ladung, Größe und Gestalt des Moleküls. Die unterschiedliche Wanderungsgeschwindigkeit führt zur Stofftrennung, die durch Farbreaktionen sichtbar gemacht wird.
Stoffe mit größerer negativen Ladung wandern schneller zum Pluspol als schwächer geladene. Am Ende der Elektrophorese sind stärker geladene Teilchen weiter gewandert.
Chiralität
Verbindungen, mit funktionellen Gruppen die unterschiedliche Ladungen tragen (neutral im Gesamten) nennt man Zwitterion. Aminosäuren liegen in wässriger Lösung als Zwitterionen vor. Die Carboxy- und die Amino-Gruppe sind ionisierbar, können aber in Abhängigkeit vom pH-Wert als Kation oder Anion auftreten. Bei einem bestimmten pH-Wert der Lösung existieren gleich viele negativ geladene Carboxy-Gruppe und positiv geladene Amino-Gruppe. An diesem isoelektrischen Punkt wandern die Aminosöuren nicht mehr im elektrischen Feld und haben die geringste Löslichkeit.
Dies ist wichtig bei der Elektrophorese.
Fotometrie: Lichtintensitäten werden durch Absorption gemessen, welche abhängig von der Stoffkonzentration und der Schichtdicke ist. Die Messung erfolgt über eine
Fotozelle. Dabei wird die Konzentration des Stoffes bestimmt.
Bau und Funktion von Chloroplasten
Elektronenmikroskop
Lichtmikroskop
Bau der Chloroplasten
grüne Blätter enthalten Chloroplasten
kugelige, linsenförmige oder plankonvexe Gestalt
Durchmesser von 4-8µm
geldrollenartige Stapel (Grana), die aus Granathylakoiden bestehen
äußere Membran, innere Membran mit zahlreichen, lamellenartigen Membransäckchen (=Grana-Thylakoide)
Stroma-Thylakoide(durchziehen das Chloroplast in Form von Membranflächen)
Stroma (Plasma, Matrix) => auch Enzyme für lichtunabhängige Reaktion
DNA, RNA
Ribosomen (7OS-Typ)
durch das Membransystem Gliederung in zwei Reaktionsräume
isolierte Chloroplasten erzeugen bei Belichtung Sauerstoff und Kohlenhydrate, sind also auch außerhalb der Zelle fotosynthetisch aktiv
enthalten alle Enzyme, die für die Fotosynthese benötigt werden
Funktion
Ort der Fotosynthese
Feinbau der Thylakoidmembran
einer inneren Lipiddoppelschicht sind von beiden Seiten her Proteine auf- und eingelagert
aus 50% Proteinen und Lipiden zusammengesetzt (Enzymproteine und Pigment-Protein-Komplexe)
Chlorophyllproteine in die Membran eingelagert, liegen mit ihrem hydrophilen Porphyrinringsystem an der Oberfläche, mit ihrem hydrophoben Phytolrest in den Proteinpartikeln
die lipophilen Carotinoidmoleküle könnten dem Lipidfilm ganz eingelagert sein
Autoradiographie
Sichtbarmachen einer chemischen Komponente durch radioaktive Isotope, ursprünglich durch Schwärzung eines Fotofilms inzwischen mit Hilfe eines Strahlungsdetektors.
Beispiel Analyse der Enzymaktivität:
- ATPase, Enzym, das ATP spaltet wird mit radioaktivem 32P-ATP inkubiert.
die Mischung wird durch Dünnschichtchromatografie aufgetrennt, die Chromatografieplatte wird getrocknet und auf Film gelegt.
die Schwärzung des Films durch 32P-Phosphat spiegelt die Aktivität des Enzyms wieder.
Absorptions- und Wirkungsspektrum
Absorptionsspektrum
In den Thylakoiden der Chloroplasten befinden sich verschiedene Blattfarbstoffe. Diese absorbieren in unterschiedlichem Maße Licht. Trägt man die Lichtabsorption der Farbstoffe gegen die Wellenlänge des Lichtes auf, so erhält man das Absorptionsspektrum.
-Chlorophyll a absorbiert im blauen und roten Bereich
-Chlorophyll b besitzt Absorptionsmaxima die zu mittleren Längen verschoben sind.
-sämtliche Pigmente zeigen nur geringe Absorption im grünen Bereich (Grünlücke)
-Carotinoide absorbieren im blauen Bereich (zwischen 450 und 500nm)
-die beiden Maxima von Chlorophyll b liegen etwas näher beieinander, dadurch wird die Grünlücke verkleinert.
-die absorbierte Energie wird nur zu 20-50% übertragen
Phycobiliproteide: Zusatzpigmente der Rot- und Blaualgen haben ihre Absorptionsmaxima im grünen und gelben Spektralbereich. Mit diesen wird ein weiter Bereich abgedeckt der durch Chlorophylle nur schwer absorbiert wird.
Wirkungsspektrum
Bestrahlt man lebende Pflanzen mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge, so kann man über die gebildete Sauerstoffmenge die Fotosyntheseaktivität bestimmen. Wenn man diese Werte grafisch darstellt erhält man das Wirkungsspektrum.
Vergleicht man Absorptions- und Wirkungsspektrum so zeigt sich:
-nur absorbiertes Licht ist fotosynthetisch aktiv
-Chlorophyll a ist das zentrale Fotosynthesepigment, hier stimmen die Maxima beider Spektren überein.
-Chlorophyll b und Beta-Carotin verringern die Grünlücke, da sie dort Licht absorbieren, wo Chlorophyll a nicht absorbiert. Sie dienen als Hilfs- oder Antennenpigmente. Sie übertragen die von ihnen aufgenommene Lichtenergie auf ganz bestimmte Moleküle des Chlorophylls a. Man bezeichnet sie zusammenfassend als akzessorische Pigmente.
Engelmannscher Versuch
Versuchsaufbau
Durchführung: Eine Grünalge wird mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen bestrahlt (durch ein Prisma erzeugt). Sauerstoffliebende Bakterien lagern sich bei Belichtung bevorzugt da an, wo die Fotosynthese der Alge ihr Leistungsmaxima aufweist: orange-rot und blau-violetter Bereich des sichtbaren Lichts. Die Bakteriendichte ist also ein Maß für die Fotosyntheseintensität, die in den einzelnen Wellenlängenbereichen verschieden ist. Durch diesen Versuch wird die unterschiedliche Wirksamkeit der verschiedenen Wellenlängenbereiche anschaulich demonstriert. Die geringere Wirkung der blauen Strahlung gegenüber Rot geht möglicherweise auf die Abschirmung durch Carotin zurück.
EMERSON-Effekt
Vergleicht man das Absorptionsspektrum lebender grüner Zellen mit dem Wirkungsspektrum der Fotosynthese, so stellt man im blauen Bereich (um 500nm) und im roten Bereich (um 700nm) Abweichungen fest. In diesen Bereichen ist die Fotosynthesewirkung geringer, als es der Absorption entsprechen würde. Der Kurvenverlauf verdeutlicht dies. Die Abweichung im Blaubereich ist darauf zurückzuführen, dass die Carotinoide die von ihnen absorbierten Lichtquanten nur zu einem Teil auf das Chlorophyll a übertragen. Der Abfall des Wirkungsspektrum im langwelligen Rot (Rotabfall) hat eine andere Ursache. Ein kleinerer Teil der absorbierten Lichtquanten wird ausgenutzt als bei benachbarten Wellenlängen. Bestrahlt man gleichzeitig mit 700nm-Licht und <680nm-Licht so ist die Quantenausbeute Bestrahlung mit zwei Wellenlängen am höchsten (mehr als doppelt so hoch) als bei Bestrahlung mit einzelnen Wellenlängenbereichen. Dieser Steigerungseffekt wird EMERSON-Effekt genannt. Daraus ist zu schließen, dass zwei Lichtreaktionen zusammenwirken, die an verschiedenen Photosystemen, I und II, stattfinden. Das eine absorbiert bei 700nm das Andere bei kürzeren Wellenlängen(<680nm).
Modell der Lichtsammelfalle/Aufbau eines Photosystems
mehrere hundert Chlorophyll- und Carotinoid-Moleküle bilden einen Antennenkomplex
die Pigmentmoleküle(Antennenpigmente) sind so angeordnet, dass die äußersten Photonen absorbieren und nach innen die Größe der aufzunehmenden Energiequanten abnimmt.
Alle Energiequanten landen beim Reaktionszentrum des Photosystems I (P700)oder II(P680), das aus zwei Chlorophyll-a-Molekülen besteht. Nur dort kann absorbierte Energie in fotochemische Arbeit umgewandelt werden durch das Weiterreichen von energiereichen Elektronen.
Sie absorbieren die energieärmsten Lichtquanten (680nm bis 700nm) wodurch Elektronen angeregt werden.
Die Elektronegativität der beiden Chlorophyllmoleküle erhöht sich und ein Elektron wird an einen primären Akzeptor weitergegeben, bevor es wieder in einen energieärmeren Zustand zurückfallen kann.
alkoholische Gärung
Gleichung: C6H12O6 => 2 C2H5OH+ 2CO2; =-234kJ
Fehlt Sauerstoff, so erfolgt die weitere Oxidation von Glucose unvollständig:
Glukose wird von Hefen oder Bakterien zu Ethanol und CO2 abgebaut:
Brenztraubensäure => Ethanol+ CO2+ NADH+ H+ + ATP
pro Mol Glukose werden 2 ATP gebildet
das entstehende NADH+H+ dient der Regeneration des in der Glykolyse verbrauchten NAD+
die Gärung verläuft unter anaeroben Bedingungen
Endprodukte der Gärungen sind noch energiehaltig
übersteigt das entstehende Ethanol eine Konzentration von 15%, gehen die Hefepilze im eigenen Ausscheideprodukt zugrunde.
1.Glykolyse: Bildung von 2 Mol ATP
2.Regeneration von NAD+ : aus NADH, ohne diese Regeneration wäre der NAD+-Vorrat schnell erschöpft.
3.NADH wird an Pyruvat (Brenztraubensäure) abgegeben.
4.Pyruvat wird in zwei Reaktionsschritten zu Ethanol umgewandelt.
5.Pyruvat- Decarboxylase: vom Pyruvat wird CO2 abgespalten, es entsteht Acetaldehyd.
6.Alkohol-Dehydrogenase: Reduktion durch NADH zu Ethanol, wie bei der Weinherstellung oder beim Bierbrauen.
Bierbrauen
Ausgangsstoffe: Wasser, Malz, Hopfen und Hefe
Malz: trägt den Alkohol bei und ist Hauptzutat, besteht aus Stärke, die zur Alkoholgewinnung durch Enzyme zu Zucker aufgespalten werden muss.
Hopfen: verleiht Bitterkeit und beeinflusst Farbe und Schaumbildung, durch antibiotische Stoffe ist das Bier länger haltbar
Bitterstoffe: a-Säuren für die Bitterkeit des Bieres
Hefe: sind Pilze, während der Gärung produziert die Hefe nebst Ethanol höhere Alkohole, Ester, Aldehyde und Carbonsäuren
Verlauf
Mälzen: Getreide wird für 1 bis 2 Tage unter Wasser gesetzt und dann in Keimkästen gegeben, diverse Enzyme werden gebildet
Darren: Trocknung um lagerfähiges Malz zu schaffen
Schroten: Damit das Brauwasser an die Stärke kommen kann, muss das Getreide geschrotet werden. Spelzen (Hülle) und Samenschale müssen durchbrochen werden. Mahlvorgang. Spelzen werden zum Schluss als Filter eingesetzt.
Maischen: geschrotetes Malz wird mit dem Brauwasser vermischt, Stärke soll in Zucker abgebaut werden und die Proteine sollen zerlegt werden dabei, die gebildeten Enzyme des Keimlings kommen zur Verwendung.
Proteasen (kurzkettige Polypeptide und Aminosäuren werden gebildet) und Amylasen (Stärkeformen werden in kurze Saccharide aufgespalten) sind von Bedeutung
Abmaischen: Die Maische wird auf 78°C erhitzt, bei dieser Temperatur wird die Beta-Amylase zerstört, die bewirken würde das die unvergärbaren Zucker zu Maltasen abgebaut werden, was die Restsüße zerstört.
Läutern: Maische wird von ungelösten Feststoffen gereinigt und schließlich auf 80°C erhitzt um die Zucker zu lösen (Vorgang muss langsam geschehen).
Würzekochen: Würze wird offen gekocht um aktive Enzyme zu zerstören, zu sterilisieren, Trübung und Klumpen zu verhindern, Bitterstoffe zu lösen, Zuckeranreicherung, unerwünschte Aromen verhindern
Kühlen: Würze muss abkühlen für die Gärung, schnelle Abkühlung ist wichtig, da dabei weitere Eiweissstoffe ausgefällt werden.
Filtrieren: Hopfenteile und Eiweißklumpen müssen entfernt werden durch Filtration; gute Belüftung ist nötig, da die Hefen zu beginn der Gärung Sauerstoff brauchen
Gärung: Hefe wird zugegeben, Gärgefäss wird locker abgedeckt, Hauptgärung beginnt nach einigen Tagen und wird durch eine sehr heftige Schaumbildung charakterisiert.
Nachgärung: Abfüllung in Nachgärbehälter, Sauerstoffzufuhr abschirmen, die Flüssigkeit kann auch in Flaschen direkt abgefüllt werden, hat allerdings zwei Nachteile:
viel Bodensatz, denn die suspendierten Teilchen sind nur wenig sedimentiert.
um genug Kohlensäure zu haben muss zusätzlich Zucker hinzugefügt werden.
Pasteureffekt
Hefen verbrauchen unter anaeroben Bedingungen mehr Glukose als unter aeroben Bedingungen. Der Schaltvorgang zwischen anaeroben und aeroben Energiestoffwechsel wird als Pasteur-Effekt bezeichnet.
analoger Effekt bei höheren Organismen: statt Ethanol entsteht Laktat
- Beispiel: schnelles Laufen => Blut kann nicht mehr so schnell Sauerstoff zuführen wie gebraucht wird, dann wird die Glukose ohne CO2 abgebaut und Laktat bleibt übrig. Die Gärung ist dabei nur ein Notbehelf um schnell Energie zu schaffen.
Thematischer Schwerpunkt 2: Wechselwirkungen und Produktivität im Ökosystem Wald
Ökologie allgemein
Teilgebiet der Biologie das sich mit Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt beschäftigt
Autökologie: der einzelne Organismus und die Wechselwirkungen zwischen ihm und der Umwelt stehen im Mittelpunkt. Auf diese Organismen wirken verschiedene Umweltfaktoren ein: abiotische (Temperatur, Wasser, Licht, ph-Wert, Bodenbeschaffenheit) und biotische (Nahrungsbeziehungen, Konkurrenz, Krankheitserreger, Parasiten)
Demökologie: Populationsökologie: Unter einer Population versteht man eine Gruppe artgleicher Individuen, die in einem bestimmten Lebensraum vorkommen und sich untereinander fortpflanzen. Es wird z.B. untersucht von welchen biotischen (Einflüsse, die von anderen Lebewesen ausgehen) und abiotischen Faktoren (Einflüsse der unbelebten Umwelt) das Wachstum einer Population abhängt.
Synökologie: Die Gesamtheit der in einem bestimmten abgegrenzten Lebensraum vorkommenden Organismen (Lebensgemeinschaft), die Biozönose.
Der Lebensraum einer Biozönose wird als Biotop bezeichnet (z.B. Bachlauf)
Biotop und Biozönose beeinflussen sich wechselseitig und bilden eine funktionelle Einheit, das Ökosystem (z.B. Seen, Flüsse oder Korallenriffe)
Die Gesamtheit aller Ökosysteme der Erde ergibt die Öko- oder Biosphäre.
Materialfluss =blau, Energiefluss = rot
Im Ökosystem leben viele Organismen, z.B. im See Plankton, Kleinkrebse, Wasserpflanzen, Insekten etc. Die Grünpflanzen betreiben Fotosynthese und erhalten dadurch Zucker und Sauerstoff. Dadurch sind die Pflanzen Produzenten. Sie produzieren Stoffe, die die Tiere verbrauchen. Die Tiere sind folglich Konsumenten. Die Konsumenten treten in verschiedenen Ordnungen auf (Bsp: Pflanzen produzieren durch Fotosynthese Glukose und Sauerstoff, werden von einem Herbivoren (Pflanzenfresser) gefressen und dieser Pflanzenfresser wird wiederrum vom Menschen (Carnivor) erlegt und verspeist. Die Tiere scheiden Kot aus und sterben, Pflanzen sterben ab. Bakterien und Pilze bauen diese „toten“ Organismen ab um Kohlenstoffdioxid, Wasser und Mineralsalze zu erlangen, es handelt sich daher um Destruenten. Der Kreislauf schließt sich, da in diesem Fall die Stoffe wieder für die Pflanze zur Verfügung stehen.
1.Reaktionen von Lebewesen auf Umweltfaktoren
- Lebewesen können nut innerhalb eines Toleranzbereiches existieren
- Organismen besitzen eine physiologische und ökologische Potenz
- Wasser, Licht, Temperatur, chemische und mechanische Einwirkungen sind die wichtigsten abiotischen Umweltfaktoren, denen Lebewesen ausgesetzt sind.
- Die Einflüsse der Organismen aufeinander werden als biotische Umweltfaktoren zusammengefasst.
Die Toleranzkurve bezieht sich auf einen Umweltfaktor und umfasst die Werte zwischen dem kleinsten (Minimum) und dem größten (Maximum), die der Organismus gerade noch ertragen kann.
Der Bereich, der sich unmittelbar vor dem Minimum und dem Maximum befindet wird Pessimum genannt. Im Pessimum kann eine Art zwar überleben, sich aber nicht mehr fortpflanzen, da sie die Energie für sich benötigt. Unter dem Minimum und über dem Maximum ist kein Leben möglich.
Auf der x-Achse befindet sich die Stärke des Umweltfaktors von extem niedrig bis extrem hoch und auf der y-Achse die Aktivität des Lebewesens von niedrig bis hoch.
Die Toleranzkurve eines Lebewesens ist weitgehend genetisch bestimmt! Der Hochpunkt dieser Toleranzkurve wird Optimum genannt und beschreibt den Punkt, in dem die optimalen Werte für das Lebewesen liegen und die höchste Aktivität vorliegt. In der Natur leben die wenigsten Arten im Optimum (z.B. durch Konkurrenzkampf) , deswegen können manche Arten durch leichte Veränderungen der Lebensbedingungen bereits verdrängt werden. Außerdem ist der Bereich unter dem Hochpunkt als Präferendum oder Präferenzbereich zu bezeichnen und beschreibt den Bereich, der vom Lebewesen bevorzugt wird.
Arten, die einen engen Toleranzbereich besitzen, heißen stenök/stenopotent (wenig Lebensräume), z.B. Wollgras, das nur auf sehr feuchten Moorböden wächst. Man kann diese Arten als Bioindikatoren für Standorte nutzen (z.B. Lachse, die nur in sehr sauberem Wasser leben). Arten mit weitem Toleranzbereich dagegen heißen euryök/eurypotent (viele Lebensräume), z.B. die Waldkiefer, die an sandig trockenen und an feuchten Moorstandorten gedeiht.
Aus Toleranzkurven für Organismen in einer Reinkultur, d.h. ohne Konkurrenz anderer Lebewesen ergibt sich die physiologische Potenz/ autökologische Potenz. Der durch Konkurrenz veränderte Toleranzbereich wird als ökologische Potenz bezeichnet.
Konkurrenzstarke Arten schaffen es, dass sich physiologische und ökologische Potenz ähneln, bei konkurrenzschwachen Arten weichen diese sehr stark voneinander ab.
Wirkungsgesetz der Umweltfaktoren/ Pessimumgesetz:
Das Vorkommen einer Art wird vor allem durch den Faktor bestimmt, der am weitesten vom Optimum entfernt ist.
Definition der ökologischen Potenz: Die Fähigkeit, innerhalb eines bestimmten Bereiches zu gedeihen, nennt man die ökologische Potenz (Gedeihfähigkeit) der Art gegenüber dem jeweiligen Umweltfaktor.
stenöke Toleranzkurve
euryöke Toleranzkurve
Umweltfaktor Licht ; Einfluss von Licht
Tiere
Bei Tieren spielt das Licht eine geringe Rolle, allerdings gibt es dennoch einige Faktoren, die dabei zu beachten sind.
Vogelzug: Veränderung der Tageslänge bewirkt Änderungen im Hormonhaushalt einiger Vögel. Diese Veränderungen bewirken eine Zugunruhe und die Bereitschaft zum Vogelzug besteht.
Vogeluhr: Durch die morgendliche Helligkeit beginnen die verschiedenen Vogelarten mit ihrem arttypischen Gesang. Auch z.B. das nächtliche Schwärmen der Mücken wird durch periodische Änderungen der Lichtintensität ausgelöst, dies wird auch Fotoperiodik genannt.
Vitamin-D-Bildung: Bei Säugern ist längerwelliges UV-Licht für die Bildung von Vitamin D erforderlich. Lichtmangel hat eine eingeschränkte Vitamin-D-Bildung mit Knochenerweichung (Rachitis) zur Folge.
Innere Uhr und circadiane Rhythmik: Tiere und Menschen verfügen über eine sogenannte „innere Uhr“, die biologische Aktivitäten steuert und beeinflusst (endogene Rythmik). Eine Ratte ist beispielsweise nachaktiv und ruht bei Tag. Der Laborversuch zeigt, dass diese Rhythmik auch bei Dauerlicht beibehalten wird, sie verschiebt sich nur um einige Stunden. Unter natürlichen Bedingungen kommt dem Licht die Funktion eines Taktgebers für die innere Uhr zu.
Saisondimorphismus: das Landkärtchen, eine Schmetterlingsart entwickelt sich in der Abhängigkeit von der Tageslänge zu zwei verschiedenen Farbformen.
z.B. Schlaf- und Wachrhythmus des Menschen
Pflanzen
Für die Pflanzen ist das Licht ein essentieller Faktor. Da das Licht die Energie für die Fotosynthese liefert (Pflanze als Produzent) und pflanzliche Differenzierungs- und Anpassungserscheinungen beeinflusst. Viele Pflanzen wachsen dem Licht entgegen (positiver Fototropismus).
Die Anlage der Blüten wird bei vielen Pflanzen durch die Tageslänge bestimmt. Kurztagspflanzen blühen nur, wenn eine bestimmte kritische Tageslänge (12h) nicht überschritten wird (z.B. Mais, Hirse, Reis, Soja). Langtagspflanzen blühen nur, wenn die kritische Tageslänge überschritten wird, z.B. Zwiebel, Senf, Karotte, Kopfsalat). Es existieren außerdem auch noch tagneutrale Pflanzen wie die Erbse oder die Sonnenblume.
Sonnenblatt und Schattenblatt: Eine Pflanze kann unterschiedlich aufgebaute und gestaltete Blätter bilden Das Sonnenblatt (meist klein) verfügt über ein ausgeprägtes, mehrlagiges Blattgewebe (Palisadengewebe) mit zahlreichen Chloroplasten und meist einen Überzug aus Wachs oder toten Haaren, durch welche die Strahlung stärker reflektiert wird und damit die Verdunstung abgeschwächt wird.
Schattenblätter(dünne Blätter) haben eine zarte Epidermis und einen hohen Chlorophyllgehalt bei geringerer Blattdicke. Sie sind außerdem größer, damit sie möglichst viel des spärlichen Lichtes aufnehmen können. Schattenblätter haben im Gegensatz zu Sonnenblättern einen niedrigeren Lichtkompensationspunkt/ Lichtsättigungspunkt (CO2-Assimilation durch Fotosynthese und Co2-Abgabe durch Atmung halten sich die Waage). Dieser Punkt wird je nach Lichtbedarf bereits ab ca. 1% Lichtgenuss überschritten. Sie erreichen folglich bei niedrigen Lichtintensitäten eine positive Fotosynthesebilanz (Nettoprimärproduktion). Die maximale Fotosyntheserate fällt im Vergleich zu den Sonnenblättern aber gering aus. Die Belichtungsdauer bzw. Tageslänge beeinflusst die Entwicklungsprozesse von Pflanzen (Fotoperiodizität). Lichtpflanzen sind im Gegensatz zu Schattenpflanzen auf eine hohe Lichtintensität angewiesen (erreichen bei vollem Lichtgenuss die höchste Fotosyntheserate) und sterben bei zu geringer Lichtzufuhr ab. Schattenpflanzen können ihre höchste Fotosyntheseleistung bereits bei ca. 10% des vollen Lichtgenusses erreichen und sterben bei zu hoher Lichtintensität ab. Es gibt darüberhinaus auch noch sogenannte Halbschattenpflanzen.
Lichtkompensationspunkt ist bei Sonnenpflanzen höher als bei Schattenpflanzen. Schattenpflanzen sind bereits bei niedriger Lichtintensität im Bereich der Nettoprimärproduktion.
Bruttoprimärproduktion: Stoffproduktion durch Fotosynthese, von der auftreffenden Sonnenenergie werden 1-3 % verwertet. Ein Teil wird von der Pflanze veratmet um Energie zu gewinnen, ein anderer Teil dient dem Zuwachs der Pflanze oder der Speicherung.
Nettoprimärproduktion: ist der Anteil, der insgesamt erzeugten Biomasse nach den Abzügen durch Atmung, Absorption etc.
Historische Versuche zur Fotosynthese
Joseph Priestley: Maus und Kerze in einem abgeschlossenen Behälter => Kerze erlosch, Maus starb
Minzezweig wurde beigegeben und eine neue Kerze angezündet, die darin gut brannte.
Schlussfolgerung: Die Pflanze hat die „verbrauchte“ Luft in „gute“ Luft umgewandelt.
Lavoisier: „verbrauchte Luft“ = Kohlenstoffdioxid, „gute Luft“ = Sauerstoff
Le Saussure: die Pflanze nimmt durch CO2 an Masse zu
Umweltfaktor Temperatur
Pflanzen
-Reaktionen der Fotosynthese sind temperaturabhängig und setzen bei einer bestimmten Temperatur an (ca. –1 °C), nehmen mit steigender Geschwindigkeit zu und nach erreichen eines Optimums wieder ab
-nach dem Erreichen einer Maximaltemperatur hört die Fotosynthese auf
- Pflanzen sind stark von der Außentemperatur abhängig, denn Transpirationskälte und Atmungswärme können die Pflanzentemperaturen nur geringfügig nach unten oder oben verändern
- jahreszeitlicher Temperaturwechsel ist von Bedeutung, denn Frühblüher benötigen z.B. eine Kälteperiode bevor sie austreiben
Tiere
- viele Lebensvorgänge sind temperaturabhängig, da chemische Reaktionen zu Grunde liegen
- es gibt zwei verschiedene Typen von Organismen:
wechselwarme/ektotherme/poikilotherme => Bei diesen Organismen gleicht sich die Körpertemperatur der Umgebungstemperatur an. Wirbellose, Fische, Amphibien und Reptilien sind wechselwarm.
gleichwarme/endotherme/homoiotherme => Diese können ihre Körpertemperatur weitgehend unabhängig von der Außentemperatur konstant halten. Vögel und Säugetiere zählen zu den Gleichwarmen.
Thematischer Schwerpunkt 1: Auf- und abbauender Energiestoffwechsel
LM- Bau des Laubblattes
-senkrechte Stellung des Blattes zum Sonnenlicht ermöglicht eine intensive Ausnutzung der Lichtstrahlen
- große Oberfläche des Blattes begünstigt den Gasaustausch mit der Atmosphäre
Epidermis/Blatthaut: an der Ober-und Unterseite des Blattes, chloroplastenfreie Zellen, verdickte Außenwände
Cuticula: wachsartiges Häutchen, Schutz vor Wasserverlust, erhöht mechanische Festigkeit, wasserundurchlässig
Mesophyll (Schwamm- und Palisadengewebe): Palisadengewebe = chloroplastenreich, empfängt am meisten Licht, Ort der Fotosynthese, zwischen den Palisadenzellen viele Zwischenzellräume ; Schwammgewebe= unregelmäßig geformte Zellen, enthalten wenig Chloroplasten, im Interzellulärraum des Schwammgewebes erfolgt der Gasaustausch zwischen Zellen und Luft in den Interzellularen, Durchlüftung des Blattes
Spaltöffnungen: in der Epidermis (vor allem untere Epidermis) befindliche Einstülpungen, Gaswechsel zwischen Interzellularensystem und Umgebungsluft (CO2), können sich öffnen und schließen
Leitbündel: verlaufen in den Blattadern, Wasser und Mineralsalze werden zugeführt, Fotosyntheseprodukte abgeführt, versteifen die Fläche des Blattes
Phloem: vom Ort mit hoher Konzentration zum Ort mit niedriger Konzentration => Nährstoffe und Zucker
Xylem: Transport der gelösten Mineralsalze und Bodenwasser von den Wurzeln nach oben ; Phloem und Xylem bilden die Leitbündel
Schließzellen: jede Spaltöffnung besitzt zwei bohnenförmigen Schließzellen, chloroplastenhaltig, der Spalt zwischen ihnen kann sich durch Turgoränderungen der Schließzellen öffnen und schließen
Blätter mit zweischichtigem Mesophyll heißen bifazial
Bei Pflanzen in Trockengebieten kann an der Blattunterseite Palisadengewebe ausgeprägt sein, diesen Typ nennt man dann äquifazial.
Änderung der Spaltöffnungsweite
Öffnung
Bei Belichtung wird in den Schließzellen viel ATP gebildet
durch die Energie des ATPs werden K +-Ionen durch aktiven Transport gegen das Konzentrationsgefälle aus den Nachbarzellen in die Schließzellen gepumpt
die zunehmende Konzentration der K +-Ionen lässt den osmotischen Wert der Schließzelle ansteigen und aus den Zellwänden und Nachbarwänden strömt Wasser nach, der Innendruck der Schließzelle steigt
die dünnen Wände der Schließzelle wölben sich nach außen, was dazu führt, das der Spalt zwischen den Schließzellen sich öffnet
Schließung
wenn es dunkel wird hört die Fotosynthese auf und es wird weniger ATP gebildet.
die K +-Ionen wandern gemäß des Konzentrationsgefälles wieder in die Nachbarzellen zurück
der osmotische Wert der Schließzellen sinkt, Wasser wird an andere Zellen weitergegeben und die zuvor prall gefüllten Zellen erschlaffen
der Spalt schließt sich
außerdem: Bei großer Trockenheit erschlaffen die Schließzellen aufgrund des Wasserverlustes um die Wasserabgabe der Pflanze herabzusetzen.
Die niedrige CO2-Konzentration führt zur Öffnung, hohe CO2-Konzentration zur Schließung. Bei der Fotosynthese tagsüber bleiben die Spaltöffnungen offen, wenn genug Wasser vorhanden ist und CO2 verbraucht wird.
Bei Dunkelheit schließen sich die Spaltöffnungen, die CO2-Konzentration steigt und der Spalt sich schließt.
Enzyme
- Enzyme sind Proteine, die die Aktivierungsenergie erniedrigen und somit Reaktionen ermöglichen und beschleunigen, die sonst nur langsam oder gar nicht ablaufen würden.
Enzyme gehen unverändert aus der Reaktion hervor. Stoffe mit dieser Eigenschaft nennt man (Bio-)Katalysatoren.
Enzyme haben ein breites Wirkungsspektrum in Industrie und Medizin
Aktivierungsenergie: Energie, die benötigt wird um eine Reaktion in Gang zu setzen.
Die freigesetzte Energie ist bei Reaktionen mit Katalysator und ohne Katalysator dieselbe.
Ablauf der Enzymreaktion
Enzyme wirken nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip
das aktive Zentrum des Enzyms ist unbesetzt
das Substrat verbindet sich mit dem Enzym und bildet einen Enzym-Substrat-Komplex, das aktive Zentrum verändert seine Gestalt und schmiegt sich an das Substrat an.
das Substrat bindet an einem bestimmten Abschnitt des Enzyms, dem aktiven Zentrum (katalytisch wirksame Region des Enzyms). Das Substrat muss eine zum Enzym passende Form haben, denn Enzyme sind substratspezifisch. Das aktive Zentrum ermöglicht nur ganz bestimmte Reaktionen. Enzyme sind also wirkungsspezifisch.
Der Enzym- Substrat- Komplex zerfällt und Produkt und Enzym werden freigesetzt.
das aktive Zentrum steht für ein weiteres Substrat zur Verfügung.
beeinflussende Faktoren
Temperatur: Trägt man die Enzymaktivität gegen die Temperatur auf, so erhält man eine Optimumskurve. Mit steigender Temperatur wächst die Teilchenbewegung (BROWNsche Bewegung). Dadurch wird es wahrscheinlicher, dass Enzym und Substrat zusammentreffen. Die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt bis verdreifacht sich bei einer Erhöhung um 10°C (RGT-Regel). Die meisten Enzyme denaturieren bei einer Temperatur von 60°C. Ausnahmen bilden Enzyme der Bakterien die in heißen Quellen leben, sie haben ein Temperaturoptimum von 70°C und mehr.
Bei einer Erhöhung der Temperatur um 10°C verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit.
Wenn die Temperatur allerdings zu hoch wird kommt es zu einer Zerstörung des Enzyms, auch Denaturierung genannt.
pH-Wert: Variiert man den pH-Wert, so erhält man ebenfalls eine Optimumskurve mit pH-Minimum, pH-Optimum und pH-Maximum. Eine Änderung des pH-Wertes beeinflusst die stabilisierenden Wechselwirkungen innerhalb des Proteinmoleküls und damit dessen Tertiärstruktur. Die meisten Enzyme haben ein pH-Wert-Optimum zwischen 6 und 8 (neutrales Milieu). Pepsin bevorzugt ein saures Milieu, Trypsin ein alkalisches. Die Veränderung des pH-Wertes verursacht Änderungen im Ladungsmuster und den Ionenbindungen der Proteine. Dadurch verringert sich die katalytische Fähigkeit eines Enzyms und hört schließlich auf.
Beispiel für Abhängigkeitskurve
Ungehemmte und gehemmte Enzymreaktion
- bei ungehemmten Enzymreaktionen erhält man stets eine Sättigungskurve.
- bei niedriger Substratkonzentration sind noch viele Enzym-Moleküle frei und die Geschwindigkeit ist entsprechend hoch.
- steigt die Substratkonzentration, so nimmt auch die Zahl der Enzym- Substrat-Komplexe zu, bis schließlich alle belegt sind (Sättigung).
Würde man die Substratkonzentration weiter erhöhen, so würde die Geschwindigkeit nicht gesteigert werden.
Michaelis-Menten-Konstante (Km): Substratkonzentration bei halbmaximaler Reaktionsgeschwindigkeit.
Hemmungen
Enzyme dürfen nicht ständig aktiv sein, sondern nur, wenn ihre Wirkung gebraucht wird. Hemmung und Aktivierung stellen einen wichtigen Kontrollmechanismus dar.
reversible Hemmung = kann aufgehoben werden
irreversible Hemmung= kann nicht aufgehoben werden
kompetitive Hemmung (reversibel):
Hemmstoff ähnelt dem Substrat. Hemmstoff und Substrat konkurrieren um das aktive Zentrum des Enzyms. Es setzt sich an Stelle des Substrats in das aktive Zentrum, wird aber nicht umgesetzt. Das aktive Zentrum ist blockiert. Da sich der Anteil der wirksamen Enzymmoleküle durch die Blockierung mit Inhibitoren für die Substrate verringert, wird die Reaktionsgeschwindigkeit herabgesetzt. Eine Erhöhung der Substratkonzentration führt zur Verdrängung des Hemmstoffs, seine Wirkung wird aufgehoben (z.B. Aspirin).
Nicht-kompetitive Hemmung(reversibel)
Inhibitor und Substrat binden gleichzeitig am Enzym, nur die Bindungszentren sind nicht identisch. Ein nichtkompetitiver Hemmer hemmt die Substratbindung nicht, erniedrigt aber die Anzahl der Substratmoleküle, die in das Produkt umgewandelt werden können.
Der Hemmstoff lagert sich außerhalb des aktiven Zentrums an das Enzym an das allosterische Zentrum. Dies führt zu einer Veränderung der dreidimensionalen Struktur des Enzyms; die Form des aktiven Zentrums verändert sich, Substrat-Moleküle können nicht mehr binden. Eine Erhöhung der Substratkonzentration kann die Hemmwirkung nicht beeinflussen. Es können auch Giftstoffe wie Blei im aktiven Zentrum gebunden werden, dabei kommt es ebenfalls zu keiner Substratumsetzung und diese Hemmung ist irreversibel.
Cosubstrate- Cofaktoren
- für die Katalyse benötigen bestimmte Enzyme neben dem Substrat zusätzliche Komponenten
- diese Cosubstrate sind keine Proteine, z.B. ATP oder NAD+
-diese Cosubstrate gehen verändert aus der Reaktion hervor
- meist locker gebunden, wenn sie fest gebunden ist wird sie als prosthetische Gruppe bezeichnet.
-können auch Metall-Ionen wie Fe2+ (Katalase, H2O2=> O2+ H2O), Cu2+, Zn2+ (Alkoholdehydrogenase, Ethanol => Acetaldehyd), Na+/K+/Mg2+ (ATPase der Plasmamembran, ATP=>ADP+P) sein. Diese stabilisieren die dreidimensionale Struktur des Proteins oder binden das Substrat an das Enzym.
Energietransport durch ATP
ADP wird zu ATP , Vorgang auch reversibel
- bei der Phosphatabspaltung wird Energie frei
- drei Phosphatgruppen (ATP), zwei Phosphatgruppen (ADP), eine Phosphatgruppe (AMP)
- GMP (Guanosintriphosphat) hat die gleiche Funktion
Wasserstoff- und Elektronentransport durch NAD
Oxidation = Elektronenabgabe
Reduktion = Elektronenaufnahme
NAD+ bindet reversibel ein Wasserstoffatom eines H2-Moleküls und zwei Elektronen und wird zu NADH reduziert. In einer Folgereaktion gibt es das Wasserstoff-Atom und die Elektronen wieder ab und wird so zu NAD+ oxidiert. Die gleiche Funktion übernehmen an anderer Stelle im Stoffwechsel die Cofaktoren NADP+/NADPH+ H+ und FAD/FADH2
Stoffklassen (Kohlenhydrate, Proteine, Fette)
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate enthalten als kleinste Baueinheit Monosaccharide (Einfachzucker)
es existieren ferner Disaccharide und Polysaccharide (Verknüpfungen von Einfachzuckern)
Mono-und Disaccharide sind schnell verfügbare Energiequellen für den Organismus (Aufbau durch Fotosynthese)
Speicherung von Energiereserven in Form von Stärke und Glykogen, Funktion als Strukturelement in Form von Cellulose
Stützfunktion (Cellulose, Chitin)
Monosaccharide (Einfachzucker)
Glukose
Hexosen (6C-Atome) oder Pentosen (5C-Atome)
Glukose ist ein wichtiger Vertreter der Hexosen (C6H12O6)
fünf Kohlenstoffatome bilden mit einem Sauerstoffatom einen Ring
nach der Stellung der Hydroxylgruppe (-OH-Gruppe) unterscheidet man Alpha- und Beta-Glukose.
Aldehyd- oder Ketonderivate geradkettiger Polyalkohole (Alkohole mit mehreren OH-Gruppen)
wichtige Hexosen sind außerdem Fructose und Galactose, Ribose (RNA) und Desoxyribose(DNA) sind Pentosen.
Disaccharide (Zweifachzucker)
zwei Monosaccharide reagieren unter Wasserabspaltung zum Disaccharid
die entstehende Bindung nennt man glykosidische Bindung
Saccharose(Rohrzucker) ist das Disaccharid aus Alpha-Glukose und Beta-Fruktose
Maltose ist ein Disaccharid aus zwei Glukosemolekülen
Saccharose
Polysaccharide (Vielfachzucker)
bestehen aus über zehn bis mehreren tausend Monosacchariden durch glykosidische Bindungen verknüpft
Stärke, Glykogen und Cellulose sind typische Vertreter
Stärke besteht zu 20% aus Amylose und zu 80% aus Amylopektin
Fette
zu Lipiden zählen Fette und Phospholipide
sind in unpolaren Lösungsmitteln wie Benzin, Aceton, Methanol gut löslich, in polaren Lösungsmittel Wasser hingegen unlöslich
reagiert ein Alkohol unter Wasserabspaltung mit einer Säure zu einem Ester
Fette sind Ester aus Glycerin (Alkohol mit drei –OH-Gruppen) und drei verschiedenen Fettsäuren
man bezeichnet sie daher auch als Triglyceride oder Neutralfette, spielen eine wichtige Rolle als Speichersubstanz, Isoliermaterial gegen Kälte und als Schutzpolster (z.B. Bauch, Gesäß)
Phospholipide sind wichtige Bausteine der Biomembran
z.B. Lecithin: zwei hydrophobe Fettsäuren sind mit einem hydrophilen Molekülabschnitt verbunden, das Molekül besitzt einen hydrophilen und einen hydrophoben Teil
besitzen den höchsten physiologischen Brennwert (doppelt so hoch wie der von Zucker oder Proteinen)
Bindung zwischen Fettsäureresten und dem Glycerinmolekül ist eine Esterbindung. Reaktion erfolgt zwischen einer Carboxy- und einer Hydroxygruppe unter Abspaltung von Wasser.
gesättigte Fettsäuren: Kohlenstoffgerüst ist vollständig mit Wasserstoffsäuren gesättigt, sie enthalten keine Mehrfachbindungen
ungesättigte Fettsäuren: eine oder mehrere Doppelbindungen(mehrfach ungesättigt) zwischen Kohlenstoffatomen sind möglich. Je mehr Doppelbindungen vorliegen, desto niedriger liegt der Schmelzpunkt.
Unterteilung in verschiedene Gruppen
Fettsäuren
Fette
Triglyceride oder Trialglyceride, genannt Wachse
Phospholipide: auch Phosphatide, Phosphoglyceride oder Glycerinphosphatide
Sterole und pflanzliche Steroide
Eicosanoide ; Glykolypide, Cerebroside, Ganglioside
Fett
Phospholipid
Wachse
Ester langkettiger Fettsäuren mit 16 bis 36 C-Atomen, an Stelle des Glycerins höherwertige Alkohole (z.B. Myricylalkohol). Wachse sind ebenfalls neutrale neutrale Verbindungen, die unpolare längerkettige Kohlenwasserstoffreste enthalten.
Phospholipide
Enthalten eine Phosphatgruppe und sind charakteristische Bestandteile zellulärer Membranen. Glycerin ist mit zwei Fettsäuren und Phosphorsäure verestert. Phosphorsäurerest besitzt eine negative elektrische Ladung und ist mit einem Alkoholrest verbunden. Bilden ist wässriger Lösung Micellen oder Lamellen.
Sphingolipide
komplexe Phospholipide; anstelle des Glycerinrests ist Sphingosin vorhanden; an die Aminogruppe ist ein Fettsäurerest gebunden; die Hydroxygruppe ist mit Phosphorsäure und die wiederum mit Cholin verestert.
Glykolipide
statt Phosphorylcholin ein Mono- oder Oligosaccharidrest verknüpft
Sterole und pflanzliche Steroide
Gerüst aus vier Kohlenstoffringen mit verschiedenen funktionellen Gruppen; Farbstoffe farbig aufgrund ihrer konjugierten Doppelbindungen, nicht in Wasser löslich wegen den langen Kohlenwasserstoffketten.
Nachweis von Lipiden
Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln, Anfärbbarkeit durch unpolare Farbstoffe
Proteine
wird die Funktionalität eines Proteins gestört durch zu starker Wärmebewegung so spricht man von Denaturierung, z.B. kann hohes Fieber die Funktion von Proteinen hemmen
50% Bestandteil des Zellplasmas
essentielle Aminosäuren können vom Körper nicht synthetisiert werden, müssen also zugeführt werden
Funktionen
Katalyse chemischer Reaktionen (Enzyme)
Bewegung (z.B. Aktin- und Myosinfilamente im Muskel)
Gerüstsubstanz (in Haut, Haaren, Horn und Federn, z.B. Keratin und Kollagen)
Transport (z.B. von Atemgasen im Blut durch Hämoglobin)
Immunität (Antikörper)
Nährstoff (z.B. Hühnereiweiß, Bohnen)
Hormone (z.B. Insulin)
Bausteine des Muskels (Actin und Myosin)
Aufbau
aus 20 verschiedenen Aminosäuren
an ein zentrales Kohlenstoff-Atom ist ein Wasserstoff-Atom, eine Aminogruppe (-NH2), eine Carboxylgruppe (-COOH) und ein organischer Rest (R)
die 20 Aminosäuren unterscheiden sich in dem organischen Rest; es gibt saure, basische, polare und unpolare Aminosäuren
wenn zwei Aminosäuren verknüpft sind entsteht ein Dipeptid (OH-Gruppe der Carboxyl-Gruppe einer Aminosäure reagiert mit dem H-Atom der Aminogruppe der anderen Aminosäure unter Wasseraustritt(Hydrolyse)=> Peptidbindung
die Peptidbindung ist das grundlegende Bauprinzip aller Proteine, so entstehen beispielsweise auch Polypeptide
ab hundert Aminosäuren spricht man von einem Protein
die lineare Abfolge der Aminosäuren wird Aminosäuresequenz genannt und ist zugleich die Primärstruktur. Die Aminosäuresequenz verfügt über ein Ende mit freier Aminogruppe und einem Ende mit freier Carboxygruppe
der Austausch von nur einer Aminosäure kann die Struktur des Proteins erheblich beeinflussen
Sekundärstruktur: symmetrische, dreidimensionale Anordnung der Polypeptidkette, schraubig gewundene Alpha-Helix (Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken) und faltblattartig angeordnete Polypeptidketten durch Wasserstoffbrückenbindung oder Ionenbindung werden Beta-Faltblatt-Strukturen genannt. Die Festigkeit der Sekundärstruktur wird durch eine große Anzahl von Bindungen erreicht. Da die planare Peptidbindung nicht frei drehbar ist, entsteht eine gewissen Unbeweglichkeit.
Tertiärstruktur: asymmetrische dreidimensionale Anordnung, die u.a. auch alphahelicale und Betafaltblattstrukturen enthalten; Stabilisierung über Wasserstoffbrückenbindungen, VAN-DER-WAALS-Bindungen (hydrophobe Wechselwirkungen), Ionenbindungen sowie Elektronenpaarbindungen zwischen den Resten der verschiedenen Aminosäuren
Quartärstruktur: geordnete, dreidimensionale Anordnung aus mehreren Polypeptidketten. Die einzelnen Ketten benennt man als Untereinheiten. Die Quartärstruktur entsteht aus Wechselwirkungen zwischen Polypeptidketten eines Moleküls. Proteine, die neben den Aminosäuren ebenfalls eiweißfremde Bestandteile enthalten werden als Proteide bezeichnet. Die dreidimensional Struktur der Proteine ist direkt mit ihrer Funktion verknüpft.
Dipeptid
Farbstoffe
Pflanzen nutzen die Wellenlängen des nutzbaren Lichtes für die Fotosynthese. Die im Chloroplasten vorkommenden Farbstoffe stellen Lichtenergie durch Absorption zur Verfügung. Chlorophylle und Carotinoide absorbieren vorwiegend Wellenlängen des blauen und roten Bereiches. Für die optimale Ausbeute des Lichtes bilden die verschiedenen Pigmente einen Fotosystem-Komplex, der in der Thylakoidmembran ist.
Chlorophylle
Chlorophylle sind der grüne Blattfarbstoff. Sie sind aus 4 Pyrrolringen aufgebaut, die über Methinbrücken ein Porphyrin-Ring bilden. Sie haben Magnesium als Zentralatom und verfügen über einen Phytolrest. Diese Reste unterscheiden die Art des Chlorophylls, es gibt verschiedene (z.B. a, b usw.) Am Pyrrolring III und IV sitzt eine Carboxylgruppe, von denen eine mit Methylalkohol, die andere mit Phytol verestert ist.
Beim Chlorophyll b ist die Methylgruppe am Pyrrolring II durch eine Aldehydgruppe ersetzt. Chlorophyll a
Chlorophyll b
- Das Hauptpigment ist Chlorophyll a. Es ist in allen fotosynthesefähigen Pflanzen und Blaualgen enthalten. Höhere Pflanzen enthalten auch Chlorophyll b. Dieser Stoff besitzt allerdings eine untergeordnete Rolle, deswegen fehlt er auch bei vielen Algen.
Funktion:
Chlorophyll a: Moleküle bilden Reaktionszentrum in Fotosystemen.
Andere Chlorophyllmoleküle sind Holfspigmente im Antennenkomplex.
Damit die Pflanze das Licht nutzen kann für die Fotosynthese müssen bestimmte Moleküle es absorbieren. Diese Absorption erledigen Farbstoffe in den Thylakoiden der Chloroplasten: Chromatophorenpigmente. Dazu gehören Chlorophylle und Carotinoide. Rot- und Blaualgen verfügen über zusätzliche Farbstoffe, den Phycobiliproteiden.
Carotinoide
- Carotinoide sind kettenförmige Kohlenwasserstoffe mit vielen konjugierten Doppelbindungen.
- orangerote Carotinoide sind sauerstofffrei, wie z.B. Beta-Carotin.
- gelbe bis bräunliche Xanthophylle sind Oxidationsprodukte der Carotine und somit sauerstoffhaltig, wie z.B. Lutein
Funktion:
- Hilfspigmente im Antennenkomplex (Lichtsammelfalle)
- Schutz der Chlorophylle
Chromatografie im Experiment
Die Chromatografie ermöglicht es Stoffgemische voneinander zu trennen. Das Trennverfahren verläuft wie folgt: Ein in Lösung befindliches Substanzgemisch wandert durch eine feinporige oder feinkörnige Trägerschicht, z.B. homogenes Filterpapier oder Kieselgel. Durch Wechselwirkungen mit dem Trägermaterial (Absorption) werden die gelösten Stoffe unterschiedlich stark festgehalten. Infolge der verschiedenen Wanderungsgeschwindigkeiten setzen sie sich in deutlich unterscheidbaren Zonen ab.
Dünnschichtchromatografie: Glasplatte oder Kunstoff-Folie mit Kieselgel oder Cellulose, am Ende der dünnen Schicht wird der Zellextrakt getropft, nach dem Trocknen kommt die Platte in ein geeignetes Laufmittel, anschließend werden die Stoffe durch Farbreaktionen sichtbar gemacht (für alle unbekannten Stoffgruppen gibt es spezifische Reaktionen).
es kann neben dem unbekannten Stoffgemisch auch ein Vergleichsstoff mitlaufen. Stoffe, die gleich weit wandern wie die bekannte Substanz werden als identisch angenommen.
komplexe Stoffe werden besser durch eine zweidimensionale Chromatografie getrennt (drehen um 90°)
Andere Formen der Chromatografie: Papierchromatografie (auf Papier), Gaschromatografie (für verdampfbare Stoffe), Gelchromatografie (Trennung nach Molekülgröße im Polysaccharidgel), Hochdruckflüssig- Chromatografie (Laufmittel wird durch ein dünnes Stahlrohr getrieben, welches eine Trägersubstanz enthält, an der das Laufmittel aufgetrennt wird)
RF-Wert (Quotient aus Laufstrecke und der Frontstrecke, Startlinie bis zur Lösungsmittelfront)
Bsp: Laufstrecke A = 8cm, Frontstrecke =20cm => Rf-Wert = 8/20 =0,4
Faktoren, die die Laufgeschwindigkeit beeinflussen:
Masse
Ladungen
Untergrund
Löslichkeit im Laufmittel
Anziehung durch den Trägerstoff
Absorption durch den Trägerstoff
mobile Phase: Wasser, Gas, unpolares Lösungsmittel etc.
Phase, die mit den einzelnen Substanzen Wechselwirkungen eingeht und sich nicht bewegt.
stationäre Phase: Papier, Gel etc.
Phase, in die das Substanzgemisch eingebracht und bewegt wird.
Retention: Verzögerung von einzelnen Substanzen des Gemisches durch Wechselwirkung mit der stationären Phase.
Stärke der Wechselwirkung der Substanz mit der stationären Phase
Siedepunkt der Substanz
Diffusionseigenschaften der Substanz
Retentionszeit: Zeit, die die Stoffkomponenten zum Durchwandern benötigen.
Elektrophorese
- Die elektrische Ladung der Proteine wird zur Trennung verwendet.
- Ein mit Salzlösung getränkter Filtrierpapierstreifen wird zwischen zwei Elektroden ausgespannt und das zu untersuchende Substanzgemisch auf die Mitte des Streifens aufgetragen.
- Nachdem die Gleichspannung angelegt wurde wandern negativ geladene Teilchen zur Anode und positiv geladene zur Kathode.
- Sie wandern verschieden schnell: nach Ladung, Größe und Gestalt des Moleküls. Die unterschiedliche Wanderungsgeschwindigkeit führt zur Stofftrennung, die durch Farbreaktionen sichtbar gemacht wird.
Stoffe mit größerer negativen Ladung wandern schneller zum Pluspol als schwächer geladene. Am Ende der Elektrophorese sind stärker geladene Teilchen weiter gewandert.
Chiralität
Verbindungen, mit funktionellen Gruppen die unterschiedliche Ladungen tragen (neutral im Gesamten) nennt man Zwitterion. Aminosäuren liegen in wässriger Lösung als Zwitterionen vor. Die Carboxy- und die Amino-Gruppe sind ionisierbar, können aber in Abhängigkeit vom pH-Wert als Kation oder Anion auftreten. Bei einem bestimmten pH-Wert der Lösung existieren gleich viele negativ geladene Carboxy-Gruppe und positiv geladene Amino-Gruppe. An diesem isoelektrischen Punkt wandern die Aminosöuren nicht mehr im elektrischen Feld und haben die geringste Löslichkeit.
Dies ist wichtig bei der Elektrophorese.
Fotometrie: Lichtintensitäten werden durch Absorption gemessen, welche abhängig von der Stoffkonzentration und der Schichtdicke ist. Die Messung erfolgt über eine
Fotozelle. Dabei wird die Konzentration des Stoffes bestimmt.
Bau und Funktion von Chloroplasten
Elektronenmikroskop
Lichtmikroskop
Bau der Chloroplasten
grüne Blätter enthalten Chloroplasten
kugelige, linsenförmige oder plankonvexe Gestalt
Durchmesser von 4-8µm
geldrollenartige Stapel (Grana), die aus Granathylakoiden bestehen
äußere Membran, innere Membran mit zahlreichen, lamellenartigen Membransäckchen (=Grana-Thylakoide)
Stroma-Thylakoide(durchziehen das Chloroplast in Form von Membranflächen)
Stroma (Plasma, Matrix) => auch Enzyme für lichtunabhängige Reaktion
DNA, RNA
Ribosomen (7OS-Typ)
durch das Membransystem Gliederung in zwei Reaktionsräume
isolierte Chloroplasten erzeugen bei Belichtung Sauerstoff und Kohlenhydrate, sind also auch außerhalb der Zelle fotosynthetisch aktiv
enthalten alle Enzyme, die für die Fotosynthese benötigt werden
Funktion
Ort der Fotosynthese
Feinbau der Thylakoidmembran
einer inneren Lipiddoppelschicht sind von beiden Seiten her Proteine auf- und eingelagert
aus 50% Proteinen und Lipiden zusammengesetzt (Enzymproteine und Pigment-Protein-Komplexe)
Chlorophyllproteine in die Membran eingelagert, liegen mit ihrem hydrophilen Porphyrinringsystem an der Oberfläche, mit ihrem hydrophoben Phytolrest in den Proteinpartikeln
die lipophilen Carotinoidmoleküle könnten dem Lipidfilm ganz eingelagert sein
Autoradiographie
Sichtbarmachen einer chemischen Komponente durch radioaktive Isotope, ursprünglich durch Schwärzung eines Fotofilms inzwischen mit Hilfe eines Strahlungsdetektors.
Beispiel Analyse der Enzymaktivität:
- ATPase, Enzym, das ATP spaltet wird mit radioaktivem 32P-ATP inkubiert.
die Mischung wird durch Dünnschichtchromatografie aufgetrennt, die Chromatografieplatte wird getrocknet und auf Film gelegt.
die Schwärzung des Films durch 32P-Phosphat spiegelt die Aktivität des Enzyms wieder.
Absorptions- und Wirkungsspektrum
Absorptionsspektrum
In den Thylakoiden der Chloroplasten befinden sich verschiedene Blattfarbstoffe. Diese absorbieren in unterschiedlichem Maße Licht. Trägt man die Lichtabsorption der Farbstoffe gegen die Wellenlänge des Lichtes auf, so erhält man das Absorptionsspektrum.
-Chlorophyll a absorbiert im blauen und roten Bereich
-Chlorophyll b besitzt Absorptionsmaxima die zu mittleren Längen verschoben sind.
-sämtliche Pigmente zeigen nur geringe Absorption im grünen Bereich (Grünlücke)
-Carotinoide absorbieren im blauen Bereich (zwischen 450 und 500nm)
-die beiden Maxima von Chlorophyll b liegen etwas näher beieinander, dadurch wird die Grünlücke verkleinert.
-die absorbierte Energie wird nur zu 20-50% übertragen
Phycobiliproteide: Zusatzpigmente der Rot- und Blaualgen haben ihre Absorptionsmaxima im grünen und gelben Spektralbereich. Mit diesen wird ein weiter Bereich abgedeckt der durch Chlorophylle nur schwer absorbiert wird.
Wirkungsspektrum
Bestrahlt man lebende Pflanzen mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge, so kann man über die gebildete Sauerstoffmenge die Fotosyntheseaktivität bestimmen. Wenn man diese Werte grafisch darstellt erhält man das Wirkungsspektrum.
Vergleicht man Absorptions- und Wirkungsspektrum so zeigt sich:
-nur absorbiertes Licht ist fotosynthetisch aktiv
-Chlorophyll a ist das zentrale Fotosynthesepigment, hier stimmen die Maxima beider Spektren überein.
-Chlorophyll b und Beta-Carotin verringern die Grünlücke, da sie dort Licht absorbieren, wo Chlorophyll a nicht absorbiert. Sie dienen als Hilfs- oder Antennenpigmente. Sie übertragen die von ihnen aufgenommene Lichtenergie auf ganz bestimmte Moleküle des Chlorophylls a. Man bezeichnet sie zusammenfassend als akzessorische Pigmente.
Engelmannscher Versuch
Versuchsaufbau
Durchführung: Eine Grünalge wird mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen bestrahlt (durch ein Prisma erzeugt). Sauerstoffliebende Bakterien lagern sich bei Belichtung bevorzugt da an, wo die Fotosynthese der Alge ihr Leistungsmaxima aufweist: orange-rot und blau-violetter Bereich des sichtbaren Lichts. Die Bakteriendichte ist also ein Maß für die Fotosyntheseintensität, die in den einzelnen Wellenlängenbereichen verschieden ist. Durch diesen Versuch wird die unterschiedliche Wirksamkeit der verschiedenen Wellenlängenbereiche anschaulich demonstriert. Die geringere Wirkung der blauen Strahlung gegenüber Rot geht möglicherweise auf die Abschirmung durch Carotin zurück.
EMERSON-Effekt
Vergleicht man das Absorptionsspektrum lebender grüner Zellen mit dem Wirkungsspektrum der Fotosynthese, so stellt man im blauen Bereich (um 500nm) und im roten Bereich (um 700nm) Abweichungen fest. In diesen Bereichen ist die Fotosynthesewirkung geringer, als es der Absorption entsprechen würde. Der Kurvenverlauf verdeutlicht dies. Die Abweichung im Blaubereich ist darauf zurückzuführen, dass die Carotinoide die von ihnen absorbierten Lichtquanten nur zu einem Teil auf das Chlorophyll a übertragen. Der Abfall des Wirkungsspektrum im langwelligen Rot (Rotabfall) hat eine andere Ursache. Ein kleinerer Teil der absorbierten Lichtquanten wird ausgenutzt als bei benachbarten Wellenlängen. Bestrahlt man gleichzeitig mit 700nm-Licht und <680nm-Licht so ist die Quantenausbeute Bestrahlung mit zwei Wellenlängen am höchsten (mehr als doppelt so hoch) als bei Bestrahlung mit einzelnen Wellenlängenbereichen. Dieser Steigerungseffekt wird EMERSON-Effekt genannt. Daraus ist zu schließen, dass zwei Lichtreaktionen zusammenwirken, die an verschiedenen Photosystemen, I und II, stattfinden. Das eine absorbiert bei 700nm das Andere bei kürzeren Wellenlängen(<680nm).
Modell der Lichtsammelfalle/Aufbau eines Photosystems
mehrere hundert Chlorophyll- und Carotinoid-Moleküle bilden einen Antennenkomplex
die Pigmentmoleküle(Antennenpigmente) sind so angeordnet, dass die äußersten Photonen absorbieren und nach innen die Größe der aufzunehmenden Energiequanten abnimmt.
Alle Energiequanten landen beim Reaktionszentrum des Photosystems I (P700)oder II(P680), das aus zwei Chlorophyll-a-Molekülen besteht. Nur dort kann absorbierte Energie in fotochemische Arbeit umgewandelt werden durch das Weiterreichen von energiereichen Elektronen.
Sie absorbieren die energieärmsten Lichtquanten (680nm bis 700nm) wodurch Elektronen angeregt werden.
Die Elektronegativität der beiden Chlorophyllmoleküle erhöht sich und ein Elektron wird an einen primären Akzeptor weitergegeben, bevor es wieder in einen energieärmeren Zustand zurückfallen kann.
alkoholische Gärung
Gleichung: C6H12O6 => 2 C2H5OH+ 2CO2; =-234kJ
Fehlt Sauerstoff, so erfolgt die weitere Oxidation von Glucose unvollständig:
Glukose wird von Hefen oder Bakterien zu Ethanol und CO2 abgebaut:
Brenztraubensäure => Ethanol+ CO2+ NADH+ H+ + ATP
pro Mol Glukose werden 2 ATP gebildet
das entstehende NADH+H+ dient der Regeneration des in der Glykolyse verbrauchten NAD+
die Gärung verläuft unter anaeroben Bedingungen
Endprodukte der Gärungen sind noch energiehaltig
übersteigt das entstehende Ethanol eine Konzentration von 15%, gehen die Hefepilze im eigenen Ausscheideprodukt zugrunde.
1.Glykolyse: Bildung von 2 Mol ATP
2.Regeneration von NAD+ : aus NADH, ohne diese Regeneration wäre der NAD+-Vorrat schnell erschöpft.
3.NADH wird an Pyruvat (Brenztraubensäure) abgegeben.
4.Pyruvat wird in zwei Reaktionsschritten zu Ethanol umgewandelt.
5.Pyruvat- Decarboxylase: vom Pyruvat wird CO2 abgespalten, es entsteht Acetaldehyd.
6.Alkohol-Dehydrogenase: Reduktion durch NADH zu Ethanol, wie bei der Weinherstellung oder beim Bierbrauen.
Bierbrauen
Ausgangsstoffe: Wasser, Malz, Hopfen und Hefe
Malz: trägt den Alkohol bei und ist Hauptzutat, besteht aus Stärke, die zur Alkoholgewinnung durch Enzyme zu Zucker aufgespalten werden muss.
Hopfen: verleiht Bitterkeit und beeinflusst Farbe und Schaumbildung, durch antibiotische Stoffe ist das Bier länger haltbar
Bitterstoffe: a-Säuren für die Bitterkeit des Bieres
Hefe: sind Pilze, während der Gärung produziert die Hefe nebst Ethanol höhere Alkohole, Ester, Aldehyde und Carbonsäuren
Verlauf
Mälzen: Getreide wird für 1 bis 2 Tage unter Wasser gesetzt und dann in Keimkästen gegeben, diverse Enzyme werden gebildet
Darren: Trocknung um lagerfähiges Malz zu schaffen
Schroten: Damit das Brauwasser an die Stärke kommen kann, muss das Getreide geschrotet werden. Spelzen (Hülle) und Samenschale müssen durchbrochen werden. Mahlvorgang. Spelzen werden zum Schluss als Filter eingesetzt.
Maischen: geschrotetes Malz wird mit dem Brauwasser vermischt, Stärke soll in Zucker abgebaut werden und die Proteine sollen zerlegt werden dabei, die gebildeten Enzyme des Keimlings kommen zur Verwendung.
Proteasen (kurzkettige Polypeptide und Aminosäuren werden gebildet) und Amylasen (Stärkeformen werden in kurze Saccharide aufgespalten) sind von Bedeutung
Abmaischen: Die Maische wird auf 78°C erhitzt, bei dieser Temperatur wird die Beta-Amylase zerstört, die bewirken würde das die unvergärbaren Zucker zu Maltasen abgebaut werden, was die Restsüße zerstört.
Läutern: Maische wird von ungelösten Feststoffen gereinigt und schließlich auf 80°C erhitzt um die Zucker zu lösen (Vorgang muss langsam geschehen).
Würzekochen: Würze wird offen gekocht um aktive Enzyme zu zerstören, zu sterilisieren, Trübung und Klumpen zu verhindern, Bitterstoffe zu lösen, Zuckeranreicherung, unerwünschte Aromen verhindern
Kühlen: Würze muss abkühlen für die Gärung, schnelle Abkühlung ist wichtig, da dabei weitere Eiweissstoffe ausgefällt werden.
Filtrieren: Hopfenteile und Eiweißklumpen müssen entfernt werden durch Filtration; gute Belüftung ist nötig, da die Hefen zu beginn der Gärung Sauerstoff brauchen
Gärung: Hefe wird zugegeben, Gärgefäss wird locker abgedeckt, Hauptgärung beginnt nach einigen Tagen und wird durch eine sehr heftige Schaumbildung charakterisiert.
Nachgärung: Abfüllung in Nachgärbehälter, Sauerstoffzufuhr abschirmen, die Flüssigkeit kann auch in Flaschen direkt abgefüllt werden, hat allerdings zwei Nachteile:
viel Bodensatz, denn die suspendierten Teilchen sind nur wenig sedimentiert.
um genug Kohlensäure zu haben muss zusätzlich Zucker hinzugefügt werden.
Pasteureffekt
Hefen verbrauchen unter anaeroben Bedingungen mehr Glukose als unter aeroben Bedingungen. Der Schaltvorgang zwischen anaeroben und aeroben Energiestoffwechsel wird als Pasteur-Effekt bezeichnet.
analoger Effekt bei höheren Organismen: statt Ethanol entsteht Laktat
- Beispiel: schnelles Laufen => Blut kann nicht mehr so schnell Sauerstoff zuführen wie gebraucht wird, dann wird die Glukose ohne CO2 abgebaut und Laktat bleibt übrig. Die Gärung ist dabei nur ein Notbehelf um schnell Energie zu schaffen.
Thematischer Schwerpunkt 2: Wechselwirkungen und Produktivität im Ökosystem Wald
Ökologie allgemein
Teilgebiet der Biologie das sich mit Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt beschäftigt
Autökologie: der einzelne Organismus und die Wechselwirkungen zwischen ihm und der Umwelt stehen im Mittelpunkt. Auf diese Organismen wirken verschiedene Umweltfaktoren ein: abiotische (Temperatur, Wasser, Licht, ph-Wert, Bodenbeschaffenheit) und biotische (Nahrungsbeziehungen, Konkurrenz, Krankheitserreger, Parasiten)
Demökologie: Populationsökologie: Unter einer Population versteht man eine Gruppe artgleicher Individuen, die in einem bestimmten Lebensraum vorkommen und sich untereinander fortpflanzen. Es wird z.B. untersucht von welchen biotischen (Einflüsse, die von anderen Lebewesen ausgehen) und abiotischen Faktoren (Einflüsse der unbelebten Umwelt) das Wachstum einer Population abhängt.
Synökologie: Die Gesamtheit der in einem bestimmten abgegrenzten Lebensraum vorkommenden Organismen (Lebensgemeinschaft), die Biozönose.
Der Lebensraum einer Biozönose wird als Biotop bezeichnet (z.B. Bachlauf)
Biotop und Biozönose beeinflussen sich wechselseitig und bilden eine funktionelle Einheit, das Ökosystem (z.B. Seen, Flüsse oder Korallenriffe)
Die Gesamtheit aller Ökosysteme der Erde ergibt die Öko- oder Biosphäre.
Materialfluss =blau, Energiefluss = rot
Im Ökosystem leben viele Organismen, z.B. im See Plankton, Kleinkrebse, Wasserpflanzen, Insekten etc. Die Grünpflanzen betreiben Fotosynthese und erhalten dadurch Zucker und Sauerstoff. Dadurch sind die Pflanzen Produzenten. Sie produzieren Stoffe, die die Tiere verbrauchen. Die Tiere sind folglich Konsumenten. Die Konsumenten treten in verschiedenen Ordnungen auf (Bsp: Pflanzen produzieren durch Fotosynthese Glukose und Sauerstoff, werden von einem Herbivoren (Pflanzenfresser) gefressen und dieser Pflanzenfresser wird wiederrum vom Menschen (Carnivor) erlegt und verspeist. Die Tiere scheiden Kot aus und sterben, Pflanzen sterben ab. Bakterien und Pilze bauen diese „toten“ Organismen ab um Kohlenstoffdioxid, Wasser und Mineralsalze zu erlangen, es handelt sich daher um Destruenten. Der Kreislauf schließt sich, da in diesem Fall die Stoffe wieder für die Pflanze zur Verfügung stehen.
1.Reaktionen von Lebewesen auf Umweltfaktoren
- Lebewesen können nut innerhalb eines Toleranzbereiches existieren
- Organismen besitzen eine physiologische und ökologische Potenz
- Wasser, Licht, Temperatur, chemische und mechanische Einwirkungen sind die wichtigsten abiotischen Umweltfaktoren, denen Lebewesen ausgesetzt sind.
- Die Einflüsse der Organismen aufeinander werden als biotische Umweltfaktoren zusammengefasst.
Die Toleranzkurve bezieht sich auf einen Umweltfaktor und umfasst die Werte zwischen dem kleinsten (Minimum) und dem größten (Maximum), die der Organismus gerade noch ertragen kann.
Der Bereich, der sich unmittelbar vor dem Minimum und dem Maximum befindet wird Pessimum genannt. Im Pessimum kann eine Art zwar überleben, sich aber nicht mehr fortpflanzen, da sie die Energie für sich benötigt. Unter dem Minimum und über dem Maximum ist kein Leben möglich.
Auf der x-Achse befindet sich die Stärke des Umweltfaktors von extem niedrig bis extrem hoch und auf der y-Achse die Aktivität des Lebewesens von niedrig bis hoch.
Die Toleranzkurve eines Lebewesens ist weitgehend genetisch bestimmt! Der Hochpunkt dieser Toleranzkurve wird Optimum genannt und beschreibt den Punkt, in dem die optimalen Werte für das Lebewesen liegen und die höchste Aktivität vorliegt. In der Natur leben die wenigsten Arten im Optimum (z.B. durch Konkurrenzkampf) , deswegen können manche Arten durch leichte Veränderungen der Lebensbedingungen bereits verdrängt werden. Außerdem ist der Bereich unter dem Hochpunkt als Präferendum oder Präferenzbereich zu bezeichnen und beschreibt den Bereich, der vom Lebewesen bevorzugt wird.
Arten, die einen engen Toleranzbereich besitzen, heißen stenök/stenopotent (wenig Lebensräume), z.B. Wollgras, das nur auf sehr feuchten Moorböden wächst. Man kann diese Arten als Bioindikatoren für Standorte nutzen (z.B. Lachse, die nur in sehr sauberem Wasser leben). Arten mit weitem Toleranzbereich dagegen heißen euryök/eurypotent (viele Lebensräume), z.B. die Waldkiefer, die an sandig trockenen und an feuchten Moorstandorten gedeiht.
Aus Toleranzkurven für Organismen in einer Reinkultur, d.h. ohne Konkurrenz anderer Lebewesen ergibt sich die physiologische Potenz/ autökologische Potenz. Der durch Konkurrenz veränderte Toleranzbereich wird als ökologische Potenz bezeichnet.
Konkurrenzstarke Arten schaffen es, dass sich physiologische und ökologische Potenz ähneln, bei konkurrenzschwachen Arten weichen diese sehr stark voneinander ab.
Wirkungsgesetz der Umweltfaktoren/ Pessimumgesetz:
Das Vorkommen einer Art wird vor allem durch den Faktor bestimmt, der am weitesten vom Optimum entfernt ist.
Definition der ökologischen Potenz: Die Fähigkeit, innerhalb eines bestimmten Bereiches zu gedeihen, nennt man die ökologische Potenz (Gedeihfähigkeit) der Art gegenüber dem jeweiligen Umweltfaktor.
stenöke Toleranzkurve
euryöke Toleranzkurve
Umweltfaktor Licht ; Einfluss von Licht
Tiere
Bei Tieren spielt das Licht eine geringe Rolle, allerdings gibt es dennoch einige Faktoren, die dabei zu beachten sind.
Vogelzug: Veränderung der Tageslänge bewirkt Änderungen im Hormonhaushalt einiger Vögel. Diese Veränderungen bewirken eine Zugunruhe und die Bereitschaft zum Vogelzug besteht.
Vogeluhr: Durch die morgendliche Helligkeit beginnen die verschiedenen Vogelarten mit ihrem arttypischen Gesang. Auch z.B. das nächtliche Schwärmen der Mücken wird durch periodische Änderungen der Lichtintensität ausgelöst, dies wird auch Fotoperiodik genannt.
Vitamin-D-Bildung: Bei Säugern ist längerwelliges UV-Licht für die Bildung von Vitamin D erforderlich. Lichtmangel hat eine eingeschränkte Vitamin-D-Bildung mit Knochenerweichung (Rachitis) zur Folge.
Innere Uhr und circadiane Rhythmik: Tiere und Menschen verfügen über eine sogenannte „innere Uhr“, die biologische Aktivitäten steuert und beeinflusst (endogene Rythmik). Eine Ratte ist beispielsweise nachaktiv und ruht bei Tag. Der Laborversuch zeigt, dass diese Rhythmik auch bei Dauerlicht beibehalten wird, sie verschiebt sich nur um einige Stunden. Unter natürlichen Bedingungen kommt dem Licht die Funktion eines Taktgebers für die innere Uhr zu.
Saisondimorphismus: das Landkärtchen, eine Schmetterlingsart entwickelt sich in der Abhängigkeit von der Tageslänge zu zwei verschiedenen Farbformen.
z.B. Schlaf- und Wachrhythmus des Menschen
Pflanzen
Für die Pflanzen ist das Licht ein essentieller Faktor. Da das Licht die Energie für die Fotosynthese liefert (Pflanze als Produzent) und pflanzliche Differenzierungs- und Anpassungserscheinungen beeinflusst. Viele Pflanzen wachsen dem Licht entgegen (positiver Fototropismus).
Die Anlage der Blüten wird bei vielen Pflanzen durch die Tageslänge bestimmt. Kurztagspflanzen blühen nur, wenn eine bestimmte kritische Tageslänge (12h) nicht überschritten wird (z.B. Mais, Hirse, Reis, Soja). Langtagspflanzen blühen nur, wenn die kritische Tageslänge überschritten wird, z.B. Zwiebel, Senf, Karotte, Kopfsalat). Es existieren außerdem auch noch tagneutrale Pflanzen wie die Erbse oder die Sonnenblume.
Sonnenblatt und Schattenblatt: Eine Pflanze kann unterschiedlich aufgebaute und gestaltete Blätter bilden Das Sonnenblatt (meist klein) verfügt über ein ausgeprägtes, mehrlagiges Blattgewebe (Palisadengewebe) mit zahlreichen Chloroplasten und meist einen Überzug aus Wachs oder toten Haaren, durch welche die Strahlung stärker reflektiert wird und damit die Verdunstung abgeschwächt wird.
Schattenblätter(dünne Blätter) haben eine zarte Epidermis und einen hohen Chlorophyllgehalt bei geringerer Blattdicke. Sie sind außerdem größer, damit sie möglichst viel des spärlichen Lichtes aufnehmen können. Schattenblätter haben im Gegensatz zu Sonnenblättern einen niedrigeren Lichtkompensationspunkt/ Lichtsättigungspunkt (CO2-Assimilation durch Fotosynthese und Co2-Abgabe durch Atmung halten sich die Waage). Dieser Punkt wird je nach Lichtbedarf bereits ab ca. 1% Lichtgenuss überschritten. Sie erreichen folglich bei niedrigen Lichtintensitäten eine positive Fotosynthesebilanz (Nettoprimärproduktion). Die maximale Fotosyntheserate fällt im Vergleich zu den Sonnenblättern aber gering aus. Die Belichtungsdauer bzw. Tageslänge beeinflusst die Entwicklungsprozesse von Pflanzen (Fotoperiodizität). Lichtpflanzen sind im Gegensatz zu Schattenpflanzen auf eine hohe Lichtintensität angewiesen (erreichen bei vollem Lichtgenuss die höchste Fotosyntheserate) und sterben bei zu geringer Lichtzufuhr ab. Schattenpflanzen können ihre höchste Fotosyntheseleistung bereits bei ca. 10% des vollen Lichtgenusses erreichen und sterben bei zu hoher Lichtintensität ab. Es gibt darüberhinaus auch noch sogenannte Halbschattenpflanzen.
Lichtkompensationspunkt ist bei Sonnenpflanzen höher als bei Schattenpflanzen. Schattenpflanzen sind bereits bei niedriger Lichtintensität im Bereich der Nettoprimärproduktion.
Bruttoprimärproduktion: Stoffproduktion durch Fotosynthese, von der auftreffenden Sonnenenergie werden 1-3 % verwertet. Ein Teil wird von der Pflanze veratmet um Energie zu gewinnen, ein anderer Teil dient dem Zuwachs der Pflanze oder der Speicherung.
Nettoprimärproduktion: ist der Anteil, der insgesamt erzeugten Biomasse nach den Abzügen durch Atmung, Absorption etc.
Historische Versuche zur Fotosynthese
Joseph Priestley: Maus und Kerze in einem abgeschlossenen Behälter => Kerze erlosch, Maus starb
Minzezweig wurde beigegeben und eine neue Kerze angezündet, die darin gut brannte.
Schlussfolgerung: Die Pflanze hat die „verbrauchte“ Luft in „gute“ Luft umgewandelt.
Lavoisier: „verbrauchte Luft“ = Kohlenstoffdioxid, „gute Luft“ = Sauerstoff
Le Saussure: die Pflanze nimmt durch CO2 an Masse zu
Umweltfaktor Temperatur
Pflanzen
-Reaktionen der Fotosynthese sind temperaturabhängig und setzen bei einer bestimmten Temperatur an (ca. –1 °C), nehmen mit steigender Geschwindigkeit zu und nach erreichen eines Optimums wieder ab
-nach dem Erreichen einer Maximaltemperatur hört die Fotosynthese auf
- Pflanzen sind stark von der Außentemperatur abhängig, denn Transpirationskälte und Atmungswärme können die Pflanzentemperaturen nur geringfügig nach unten oder oben verändern
- jahreszeitlicher Temperaturwechsel ist von Bedeutung, denn Frühblüher benötigen z.B. eine Kälteperiode bevor sie austreiben
Tiere
- viele Lebensvorgänge sind temperaturabhängig, da chemische Reaktionen zu Grunde liegen
- es gibt zwei verschiedene Typen von Organismen:
wechselwarme/ektotherme/poikilotherme => Bei diesen Organismen gleicht sich die Körpertemperatur der Umgebungstemperatur an. Wirbellose, Fische, Amphibien und Reptilien sind wechselwarm.
gleichwarme/endotherme/homoiotherme => Diese können ihre Körpertemperatur weitgehend unabhängig von der Außentemperatur konstant halten. Vögel und Säugetiere zählen zu den Gleichwarmen.
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