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Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe zur Zellatmung und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Bausteine eines Fotosystems
AFB INennen Sie alle Bestandteile, die zu einem Fotosystem gehören.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Ein Fotosystem besteht aus dem Lichtsammelkomplex (Chl a, Chl b, Carotinoide an Proteinen) und dem Reaktionszentrum mit seinem Chlorophyll-a-Paar. Die ATP-Synthase ist ein eigener Proteinkomplex der Thylakoidmembran (2.2.4), Rubisco ein Enzym des Calvin-Zyklus im Stroma.
Ein Fotosystem hat zwei Teile: eine Antenne und ein Zentrum.
Fünf Antworten sind richtig. Zwei Moleküle arbeiten erst später — eines bildet ATP, eines bindet CO₂.
A2
Fachbegriffe der Lichtsammlung
AFB IOrdnen Sie jedem Fachbegriff die passende Beschreibung zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Nur im Reaktionszentrum wird aus Lichtenergie eine Ladungstrennung: Das Elektron geht an den primären Akzeptor. In der Antenne wandert dagegen nur Anregungsenergie; was nicht weitergegeben wird, geht als Wärme oder Fluoreszenz verloren.
„Resonanz“ und „Fluoreszenz“ sind zwei Wege, Anregungsenergie loszuwerden — einer ohne, einer mit Licht.
„Primär“ heißt: der erste Empfänger des Elektrons.
A3
Zwei Fotosysteme im Steckbrief
AFB IGeben Sie für die beiden Fotosysteme die gesuchten Moleküle an.
Wählen Sie in jedem Menü den passenden Eintrag. Alle fünf Felder müssen stimmen.
| Gesucht | Angabe |
|---|---|
| Reaktionszentrum von Fotosystem II | |
| Reaktionszentrum von Fotosystem I | |
| primärer Elektronenakzeptor in Fotosystem II | |
| Herkunft der Elektronen, die P680⁺ zurückerhält | |
| Herkunft der Elektronen, die P700⁺ zurückerhält |
PS II (P680) gibt sein Elektron an Phäophytin ab und ersetzt es aus Wasser. PS I (P700) erhält seine Elektronen über die Elektronentransportkette (zuletzt Plastocyanin) aus PS II — so sind beide Fotosysteme hintereinandergeschaltet (2.2.3).
Die Zahl im Namen des Reaktionszentrums ist sein Absorptionsmaximum in nm.
Nur PS II spaltet Wasser; PS I liegt in der Kette hinter PS II.
A4
Ein blaues Photon
AFB IIEine Aquarium-LED strahlt blaues Licht der Wellenlänge 450 nm ab. Berechnen Sie die Energie eines Photons dieses Lichts (h = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s, c = 2,998 · 10⁸ m/s).
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
· 10⁻¹⁹ J
\(E = \dfrac{h \cdot c}{\lambda} = \dfrac{6{,}626 \cdot 10^{-34}\,\text{J}\cdot\text{s} \cdot 2{,}998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s}}{450 \cdot 10^{-9}\,\text{m}} \approx 4{,}41 \cdot 10^{-19}\,\text{J}\) (≈ 2,76 eV). Häufiger Fehler: nm nicht in m umgerechnet — dann fehlt der Faktor 10⁻⁹.
\(E = h \cdot c / \lambda\) — Wellenlänge in Meter einsetzen.
450 nm = 4,50 · 10⁻⁷ m. Das Ergebnis liegt zwischen 4 und 5 · 10⁻¹⁹ J.
A5
Photonen gegen ATP gerechnet
MixAFB IIFür die ATP-Bildung aus ADP und Phosphat werden unter Standardbedingungen 30,5 kJ/mol benötigt — derselbe Wert wie bei der Zellatmung. Ein Gewächshaus wird mit türkisblauem Licht von 500 nm beleuchtet. Ermitteln Sie, wie viel ATP ein Mol dieser Photonen höchstens liefern könnte, wenn die gesamte Energie genutzt würde (\(N_A = 6{,}022 \cdot 10^{23}\,\text{mol}^{-1}\)).
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
- Energie eines Photons (500 nm) · 10⁻¹⁹ J
- Energie von 1 mol Photonen kJ
- höchstens bildbare Stoffmenge ATP mol
\(E = 1{,}986 \cdot 10^{-25}\,\text{J}\cdot\text{m} / 5{,}00 \cdot 10^{-7}\,\text{m} \approx 3{,}97 \cdot 10^{-19}\,\text{J}\); mal \(N_A\): \(\approx 239\,\text{kJ}\); geteilt durch 30,5 kJ/mol: \(\approx 7{,}8\,\text{mol ATP}\). Das ist eine theoretische Obergrenze: Im Reaktionszentrum kommen je Photon nur rund 1,8 eV an, und auch die weiteren Schritte verlieren Energie als Wärme — wie bei der Zellatmung, die ebenfalls nur einen Teil der Glucose-Energie in ATP speichert (Kapitel 1).
Erst \(E = h \cdot c/\lambda\), dann mit \(N_A\) multiplizieren und J in kJ umrechnen.
Zum Schluss: Energie von 1 mol Photonen durch 30,5 kJ/mol teilen.
A6
Der Weg durch Fotosystem I
AFB IIBeschreiben Sie die Vorgänge in Fotosystem I von der Absorption bis zum Ausgleich der Ladung, indem Sie die Schritte ordnen.
Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Ein Photon wird von einem Chlorophyll-b-Molekül im Lichtsammelkomplex von PS I absorbiert.
2Ein Elektron des Chl b wird in einen angeregten Zustand gehoben.
3Die Anregungsenergie wird strahlungslos auf ein benachbartes Chl-a-Molekül übertragen.
4Über weitere Chl-a-Moleküle erreicht die Energie das Reaktionszentrum P700.
5P700* gibt ein Elektron an den primären Akzeptor A₀ ab — zurück bleibt P700⁺.
6P700⁺ nimmt ein Elektron aus der Elektronentransportkette (Plastocyanin) auf.
In PS I läuft die Lichtsammlung genauso wie in PS II: Absorption, Anregung, Energietrichter bis zum Reaktionszentrum. Erst dort wird ein Elektron abgegeben. Der primäre Akzeptor von PS I ist ein Chlorophyll-a-Molekül (A₀); die Lücke in P700⁺ füllt ein Elektron, das aus PS II über die Transportkette kommt.
Ohne absorbiertes Photon gibt es keine Anregung.
Ein Elektron verlässt sein Molekül erst im Reaktionszentrum — danach muss die Lücke gefüllt werden.
A7
Wohin mit der Anregungsenergie?
AFB IIErklären Sie, was jeweils mit der Anregungsenergie geschieht, indem Sie die Beobachtungen dem passenden Vorgang zuordnen.
Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1Wärme
2Weitergabe
3Fluoreszenz
4Ladungstrennung
Ein angeregtes Pigment hat vier Wege: Wärme (auch beim Rückfall von S₂ auf S₁ und beim Lichtschutz durch Carotinoide), Weitergabe an ein Nachbarpigment, Fluoreszenz — sie steigt, wenn die Energie nicht mehr abfließen kann, wie in der Lösung ohne Reaktionszentrum oder nach Blockade durch ein Herbizid — und im Reaktionszentrum die Ladungstrennung.
Leuchten heißt Licht — also Fluoreszenz. Wandert ein Elektron, ist es Ladungstrennung.
Je zwei Karten gehören in jeden Korb.
A8
Trickaufgabe: Das violette Photon
TrickAFB IIIEin Chlorophyll-a-Molekül in der Antenne von Fotosystem II absorbiert ein violettes Photon von 400 nm (3,10 eV); die Anregung erreicht das Reaktionszentrum. Schätzen Sie ab, wie viel Anregungsenergie am Reaktionszentrum P680 ankommt.
Auf welches Niveau fällt das Elektron nach der Anregung strahlungslos zurück?
Die Zahl im Namen P680 verrät die Wellenlänge — rechnen Sie sie in eV um (1239,8 eV·nm / λ).
A9
Ein Referat über Fotosysteme
AFB IIIEin Mitschüler hat für ein Referat sechs Kernsätze notiert. Überprüfen Sie seine Aussagen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Die typischen Verwechslungen: Energie- statt Elektronenwanderung in der Antenne, die Richtung des Energietrichters (immer zu längerwelliger Absorption) und die Bedeutung der Zahl in P680/P700.
Prüfen Sie: Was wandert in der Antenne — Energie oder Elektronen? In welche Richtung?
Drei Aussagen sind falsch.
A10
Wozu eine Antenne?
AFB IIIBeurteilen Sie die fünf Aussagen zur Funktion der Lichtsammelkomplexe.
Wählen Sie für jede Zeile eine Stufe: 1 = fachlich falsch, 2 = kaum haltbar, 3 = teilweise richtig, 4 = überwiegend richtig, 5 = fachlich richtig. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = fachlich falsch5 = fachlich richtig
Antennen vergrößern die Fläche, mit der ein Reaktionszentrum Licht einfängt — es bleibt auch bei schwachem Licht ausgelastet.
Antennen mit Chl b und Carotinoiden machen auch Licht nutzbar, das Chl a allein kaum absorbiert.
Antennen erhöhen die Energie jedes Photons, bevor es im Reaktionszentrum ankommt.
Jedes Chlorophyllmolekül mit eigenem Reaktionszentrum wäre sparsamer als ein Fotosystem mit Antenne.
Weil die Weitergabe bergab läuft, kehrt die Anregung selten in die Antenne zurück — sie wird im Zentrum „eingefangen“.
Ein einzelnes Chlorophyll absorbiert selbst im hellen Licht nur wenige Photonen pro Sekunde; eine Antenne aus Hunderten Pigmenten hält das Reaktionszentrum ausgelastet und erweitert mit Chl b und Carotinoiden den Spektralbereich. Energie gewinnen die Photonen dabei nicht — sie verlieren bei jedem Schritt bergab ein wenig. Ein Reaktionszentrum je Pigment wäre teuer: Jedes braucht eine aufwendige Proteinmaschinerie und eine eigene Elektronentransportkette. Das Gefälle zum Zentrum macht die Rückkehr unwahrscheinlich, ausgeschlossen ist sie bei kleinen Energieunterschieden aber nicht. Benachbarte Stufen werden akzeptiert.
Überlegen Sie, wie oft ein einzelnes Chlorophyll im Tageslicht ein Photon absorbiert.
Energie kann beim Weiterreichen nur verloren gehen, nie dazukommen.