Photosynthese einer der wichtigsten Stoffwechselprozesse der Pflanzen, beeinflusst maßgeblich unsere Atmosphäre und damit das Gesamtökosystem der Erde

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1 Photosynthese einer der wichtigsten Stoffwechselprozesse der Pflanzen, beeinflusst maßgeblich unsere Atmosphäre und damit das Gesamtökosystem der Erde 1. Photosynthese- und Zellatmungskreislauf Essentieller Kreislauf zur Energiegewinnung: o Wachstum o Nährstoffe Mehrere verknüpfte Kreisläufe Bedeutung der Photosynthese: o Pflanzen = photoautotrophe Lebensweise o Produkte = Basis der weltweiten Nahrungskette Bilden Hauptteil der Biomasse Schritte der Photosynthese a. Lichtabsorption Lichtreaktionen b. Energiekonversion Thylakoidmembran c. Erzeugung von ATP und NADPH+H + d. Anabolismus zur Erzeugung von u.a. Kohlenstoffverbindungen Dunkelreaktion Stroma des Chloroplasts Photosynthesegleichung Die Reaktion ist stark endergonisch o Reaktion kann nicht spontan ablaufen o Delta-G 0 = 2862 kj mol -1 Reaktion braucht Lichtenergie um exergonisch zu wirken!

2 Chemisches Gleichgewicht Quantitatives Gleichgewicht: Energie wird frei o Bedingung: Änderung nur von dem Zustand des Stoffgemisches, welcher das höhere Energiepotential besitzt, zum niedrigeren Energiepotential ablaufen kann. o Freiwillige, spontane Reaktion = exergonisch o Freiwerdende Energie = Änderung der freien Enthalpie ΔG des betreffenden Systems bezeichnet Nutzen: Steht als Arbeitsenergie zur Verfügung Reaktion = quantitativ Das Gleichgewicht liegt auf der Seite der Ausgangssubstrate Reaktion kaum oder gar nicht ab. Energie und Arbeit Energie = Triebkraft Arbeit zu verrichten Energie, Arbeit = Joule (J) o 1J = 1 kg m 2 s -2 Kalorien ist eine alte Angabe. Kalorien = Energiemenge die bei Normaldruck zur Steigerung der Temp. Von 1g H 2O von 14,5 auf 15,5 Grad benötigt wird 2. Systeme und Thermodynamik (siehe Biochemie) Organismen = offene Systeme Organismen sind meist sehr weit vom thermodynamischen Gleichgewichtszustand entfernt. o In biologischen Systemen besteht ein Fließgleichgewicht (engl. steady state) Organismen besitzen einen hohen Ordnungsgrad (Struktur). Organismen sind die komplexesten Systeme, die auf der Erde vorkommen: o Eigenschaften: selbstorganisierend Offene Systeme Geschlossene entwickeln sich Systeme replizieren sich. Erster HS der Thermodynamik Schnittstellen mit Umwelt haben Austauschbilanz: Tauschen Materie und Energie mit ihrer Umgebung aus Die innere Energie (U) eines völlig abgeschlossenen Systems, das weder Energie noch Materie mit der Umgebung austauscht, bleibt konstant. ΔU = ΔQ + ΔW keine Materie bzw. kein Stoff austreten bzw. werden diesem zugeführt. Energie kann aber diffundieren Führt man einem geschlossenen System Energie, z.b. Wärmeenergie (ΔQ) zu, so erhöht dies entweder die innere Energie des Systems (ΔU) oder es führt zur Verrichtung einer Arbeit im System (ΔW)

3 Endothermer Prozess System nimmt bei konstantem Druck (Δp = 0) Wärmeenergie auf (ΔH > 0) Exothermer Prozess System gibt bei konstantem Druck (Δp = 0) Wärmeenergie ab (ΔH < 0) Zweiter HS der Thermodynamik Die Entropie (S) nimmt bei spontan ablaufenden Prozessen stets zu (ΔS > 0). ΔH ist ein Maß für die dem System maximal zur Arbeitsleistung zur Verfügung stehende Energiemenge Spontan ablaufende Prozesse streben eine Zunahme der Unordnung des Systems und/oder seiner Umgebung an, d.h. einen Zustand möglichst gleichmäßiger Energieverteilung (Energiedissipation). Das Maß der Energiedissipation ( Unordnung ) ist die Entropie (S). Freie Enthalpie Wenn negativ = exergonisch Wenn positiv = endergonisch Wenn 0 = ausgeglichen (wie endergonisch) Energetische Kopplung Kopplung von endergonischen und exergonischen Reaktionen kann endergonische Reaktionen aufgrund der Gesamtenergiebilanz zum Laufen bringen (Stichwort: Addierung) ATP sehr wichtiges Energieäquivalent (Hydrolyse zu ADP stark exergonisch)

4 3. Transportproteine von Biomembranen Protein, welches stationär in der Zellmembran sitzt und den Transport durch die Zellmembran passiv erleichtert (Beispiel: Ionenkanal) oder aktiv bewerkstelligt (Beispiel Ionenpumpe). Cytosol 1. Protonen strömen aus 2. Sekundäres Protein strömt rein

5 4. ATP-Synthase F-Typ-ATP-Synthasen der Chloroplasten und Mitochondrien synthetisieren ATP unter Verbrauch von Energie, die aus Lichtenergie bzw. der Atmungskette (nach Glykolyse) gewonnen wird Cytosol 5. Aktivierungsenergie und Katalyse Enzyme wirken als Katalysatoren, die die Aktivierungsenergie herabsetzen Nicotinsäureamidadenindinucleotid-2 - phosphat (NADPH + H+) und Nicotinsäureamidadenindinucleotid (NADH + H+) sind wichtige Cosubstrate und wichtige Reduktionsäquivalente biologischer Reaktionen

6 6. Beispiele für Kohlenwasserstoffe und Aromen und organische Verbindungen Pyridin = z.b. NAD(P) Indol = Tryptophan, Auxin (Indol-3- essigsäure) Wie viel e wird aufgenommen?

7 Organische Verbindungen = alle Verbindungen mit Kohlenstoffbasis 7. Lichtspektrum und Farbgebung Lichtspektrum ist der Grund für die Färbung der Pflanzen Pflanzen reflektieren Licht und absorbieren ROT und es bleibt nur GRÜN

8 Photon: o Wechselwirkungsteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung o Photon = elektromagnetische Strahlung o Ladung: 0 o Masse: 0 o Spin: 1 - Pigmente Absorption von Lichtenergie durch Pigmente haben ein ausgedehntes π-elektronensystem auskonjugierten Doppelbindungen je länger das konjugierte Doppelbindungssystem, desto länger die Wellenlänge des absorbierten Lichtes (nieder energetischer) Benzol hat drei Doppelbindungen und absorbiert bei ca. 250 nm im UV (nicht sichtbar). β-carotin hat 11 Doppelbindungen und absorbiert im blaugrünen Bereich des Spektrums ( nm) und erscheint daher orange. Kategorie Massenpigment Sensorpigment Funktion Photosynthese Signalfunktion (Kommunikation) Lichtfilterfunktion Optimierung der Entwicklung Modulation des Verhaltens Beispiele Hohe Konzentration Chlorophyll (lipophil, Thylakoidmembran) Anthocyane (hydrophil, Vacuole) Carotinoide (lipophil, Thylakoidmembran) Niedrige Konzentration Chromoproteine Phytochrom Cryptochrom Phototropine UV-B-Strahlung und Schutz UV-B ( nm): stark in Gebirgen etc.; schädigt Proteine/DNA (Mutation) Schutzpigmente: Chlorophyll, Carotinoide, Flavine Schutzmechanismen: Photolyasen (spalten gefährliche Dimere)