pH-Werte im belichteten Chloroplasten
AFB I–IIMit pH-empfindlichen Farbstoffen lassen sich die pH-Werte in den Räumen intakter Chloroplasten bestimmen. M1 zeigt gerundete Werte für Spinat-Chloroplasten im Dunkeln und nach einigen Minuten Belichtung. Das Schlüsselenzym des Calvin-Zyklus, die Rubisco, arbeitet im Stroma und hat ihr Aktivitätsoptimum bei etwa pH 8.
| Raum | im Dunkeln | nach Belichtung |
|---|---|---|
| Thylakoidlumen | 7,0 | 5,0 |
| Stroma | 7,0 | 8,0 |
| Cytoplasma | 7,2 | 7,2 |
- Erstellen Sie eine beschriftete Skizze eines Chloroplasten, aus der seine Membranen und Kompartimente hervorgehen.
- Beschreiben Sie die in M1 dargestellten Veränderungen.
- Erläutern Sie das Zustandekommen der pH-Änderungen und die anschließende ATP-Synthese anhand des chemiosmotischen Modells.
- Begründen Sie mithilfe von M1, dass der Calvin-Zyklus nicht nur über ATP und NADPH vom Licht abhängt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Linsenförmiger Umriss mit doppelter Hüllmembran (äußere und innere Membran, dazwischen der Intermembranraum). Innen die Grundsubstanz, das Stroma. Darin ein Membransystem aus Thylakoiden: flache Membransäckchen, teils zu Grana gestapelt (Granathylakoide), untereinander durch Stromathylakoide verbunden. Die Thylakoidmembran umschließt das Thylakoidlumen.
Beschriftet: äußere und innere Hüllmembran, Stroma, Thylakoidmembran, Thylakoidlumen, Granum; gegebenenfalls zusätzlich DNA, Ribosomen und Stärkekörner im Stroma. Entscheidend ist, dass die Thylakoidmembran Lumen und Stroma als getrennte Kompartimente abgrenzt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Im Dunkeln haben Lumen und Stroma denselben pH-Wert von 7,0. Nach Belichtung sinkt der pH-Wert im Lumen um 2 Stufen auf 5,0, im Stroma steigt er um 1 Stufe auf 8,0. Zwischen Lumen und Stroma besteht damit ein Unterschied von 3 pH-Stufen, die H⁺-Konzentration im Lumen ist \(10^{3}\)-mal so hoch wie im Stroma. Der pH-Wert im Cytoplasma bleibt mit 7,2 unverändert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Licht regt das Fotosystem II an; die abgegebenen Elektronen werden durch Spaltung von Wasser auf der Lumenseite ersetzt: \(\ce{2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-}\). Die H⁺ bleiben im Lumen. Plastochinon übernimmt Elektronen und nimmt dabei H⁺ aus dem Stroma auf, am Cytochrom-b₆f-Komplex gibt es die H⁺ ins Lumen ab. Bei der Bildung von NADPH im Stroma werden H⁺ verbraucht. So wird das Lumen saurer, das Stroma basischer.
Die Thylakoidmembran ist für H⁺ kaum durchlässig; der Gradient speichert die aufgenommene Lichtenergie. H⁺ strömen mit dem Konzentrationsgefälle durch den Kanal (CF₀) der ATP-Synthase ins Stroma zurück. Dabei wird der Kopf (CF₁) angetrieben und verknüpft im Stroma ADP und Phosphat zu ATP: \(\ce{ADP + P_i -> ATP + H2O}\) (Fotophosphorylierung). Das Cytoplasma bleibt unverändert, weil die Hüllmembranen den Chloroplasten abgrenzen und die Protonen nur zwischen Stroma und Lumen verschoben werden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Im Dunkeln liegt der pH-Wert im Stroma bei 7,0 und damit unterhalb des Optimums der Rubisco; das Enzym arbeitet nur schwach. Durch die lichtgetriebene Verschiebung von H⁺ ins Lumen steigt der Stroma-pH auf 8,0 — das Optimum der Rubisco ist erreicht. Licht wirkt also zusätzlich über den pH-Wert auf den Calvin-Zyklus.
Diese Kopplung ist sinnvoll: Der Calvin-Zyklus läuft nur dann schnell, wenn die Primärreaktionen gleichzeitig ATP und NADPH liefern. Im Dunkeln wird so verhindert, dass die Zelle ihre Vorräte an ATP und NADPH verbraucht.
ATP aus dem Kunstbläschen
AFB II–IIIRacker und Stoeckenius bauten 1974 künstliche Membranbläschen (Liposomen) aus Phospholipiden. In die Membran setzten sie zwei Proteine aus ganz verschiedenen Lebewesen ein: Bacteriorhodopsin aus einem Archaeon (Halobacterium) — ein Membranprotein, das bei Belichtung H⁺ durch die Membran pumpt — und die ATP-Synthase aus Mitochondrien des Rinderherzens. Im Außenmedium befanden sich ADP und Phosphat. Die beiden Proteine haben keinen direkten Kontakt zueinander. M2 fasst die Ergebnisse vereinfacht zusammen.
| Versuch | Proteine in der Membran | Bedingung | pH im Außenmedium | ATP-Bildung |
|---|---|---|---|---|
| V1 | Bacteriorhodopsin + ATP-Synthase | Licht | steigt leicht | + + + |
| V2 | Bacteriorhodopsin + ATP-Synthase | Dunkelheit | unverändert | – |
| V3 | nur Bacteriorhodopsin | Licht | steigt deutlich | – |
| V4 | nur ATP-Synthase | Licht | unverändert | – |
- Werten Sie die Versuche V1 bis V4 aus.
- Erklären Sie den unterschiedlichen Anstieg des pH-Werts im Außenmedium in V1 und V3.
- Vergleichen Sie das Liposom aus V1 mit einem belichteten Thylakoid.
- Beurteilen Sie, inwieweit die Versuche das chemiosmotische Modell der ATP-Synthese stützen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
V1/V2: Nur bei Licht entsteht ATP — Licht ist die Energiequelle, und zwar über das Bacteriorhodopsin. V1/V3: Ohne ATP-Synthase entsteht trotz Licht kein ATP, das Bacteriorhodopsin allein kann kein ATP bilden. V1/V4: Ohne Bacteriorhodopsin entsteht trotz Licht kein ATP, die ATP-Synthase allein nutzt kein Licht.
Die pH-Änderungen zeigen, dass Bacteriorhodopsin im Licht H⁺ aus dem Außenmedium ins Innere der Liposomen pumpt (V3). Gesamtaussage: ATP wird nur gebildet, wenn eine lichtgetriebene Protonenpumpe und die ATP-Synthase gemeinsam in einer geschlossenen Membran vorliegen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
V3: Bacteriorhodopsin pumpt H⁺ ins Innere. Die Membran ist für H⁺ kaum durchlässig, ein Rückweg fehlt. Außen sinkt die H⁺-Konzentration stetig, der pH-Wert steigt deutlich; innen entsteht ein steiler Gradient.
V1: Die gepumpten H⁺ strömen mit dem Gefälle durch die ATP-Synthase wieder nach außen und treiben dabei die ATP-Bildung an. Ein Teil der H⁺ kehrt also ins Außenmedium zurück, deshalb steigt der pH-Wert dort nur leicht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Gemeinsamkeiten: Der Innenraum des Liposoms entspricht dem Thylakoidlumen (H⁺ werden angereichert, pH sinkt), das Außenmedium dem Stroma (pH steigt, ATP entsteht dort, weil der Kopf der ATP-Synthase nach außen zeigt). Die Liposomenmembran entspricht der Thylakoidmembran. In beiden Fällen treibt Licht eine H⁺-Verschiebung an, und der Rückstrom durch die ATP-Synthase liefert die Energie für die ATP-Bildung.
Unterschiede: Bacteriorhodopsin ist selbst eine Protonenpumpe; im Thylakoid entsteht der Gradient über Fotolyse, Elektronentransport (Plastochinon, Cytochrom-b₆f) und H⁺-Verbrauch bei der NADPH-Bildung. Im Liposom wird weder Wasser gespalten noch O₂ oder NADPH gebildet. Außerdem stammt die ATP-Synthase aus Mitochondrien, nicht aus Chloroplasten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Stützend: Nach dem chemiosmotischen Modell sind Elektronentransport bzw. Protonenpumpe und ATP-Bildung allein über einen H⁺-Gradienten an einer geschlossenen Membran gekoppelt. Genau das zeigt der Versuch: Zwei Proteine ohne direkten Kontakt, aus Archaeon und Säugetier, die in der Natur nie zusammen vorkommen, bilden gemeinsam ATP. Die einzige Verbindung ist der H⁺-Gradient; eine direkte chemische Kopplung (energiereiches Zwischenprodukt) ist ausgeschlossen. Die Kontrollversuche V2–V4 zeigen, dass beide Bestandteile und Licht nötig sind.
Einschränkend: Es handelt sich um ein künstliches System; Mechanismus und Mengenverhältnisse im echten Chloroplasten werden nicht direkt gemessen. Auch die Orientierung der eingebauten Proteine muss stimmen und wird vorausgesetzt. Insgesamt stützt der Versuch das Modell stark, beweist aber nicht allein, dass die ATP-Synthese im Chloroplasten genauso abläuft.