Sauerstoff mit Markierung
AFB I–IILange nahm man an, der Sauerstoff aus der Fotosynthese stamme aus dem Kohlenstoffdioxid. 1941 gaben Samuel Ruben, Martin Kamen und Mitarbeiter Grünalgen (Chlorella) im Licht Wasser und Hydrogencarbonat (CO₂-Quelle), in denen jeweils einer der beiden Stoffe mit dem schweren Sauerstoff-Isotop ¹⁸O angereichert war. Anschließend bestimmten sie mit einem Massenspektrometer den ¹⁸O-Anteil im freigesetzten Sauerstoff (M1). Der natürliche ¹⁸O-Anteil beträgt etwa 0,20 %.
| ¹⁸O im Wasser | ¹⁸O im Hydrogencarbonat | ¹⁸O im freigesetzten O₂ | |
|---|---|---|---|
| Versuch 1 | 0,85 % | 0,20 % | 0,84 % |
| Versuch 2 | 0,20 % | 0,68 % | 0,20 % |
- Beschreiben Sie den Bau eines Chloroplasten und geben Sie an, in welchem Kompartiment der Sauerstoff bei der Fotolyse frei wird.
- Werten Sie M1 aus.
- Stellen Sie die Gleichung der Fotolyse für Versuch 1 auf, sodass die Herkunft der markierten Sauerstoffatome erkennbar ist.
- Erläutern Sie, warum die vereinfachte Gleichung \(\ce{6 CO2 + 6 H2O -> C6H12O6 + 6 O2}\) mit dem Befund aus M1 nicht vereinbar ist, und geben Sie eine passende Gleichung an.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Der Chloroplast ist von einer Hülle aus zwei Membranen umgeben. Innen liegt das Stroma, eine Grundsubstanz mit Enzymen (u. a. für den Calvin-Zyklus), DNA und Ribosomen. Darin liegt ein Membransystem aus Thylakoiden, die zu Grana gestapelt und durch Stromathylakoide verbunden sind. In der Thylakoidmembran sitzen die Pigmente und Fotosysteme. Die Thylakoidmembran umschließt den Thylakoidinnenraum als eigenes Kompartiment.
Die Fotolyse erfolgt am PS II auf der Innenseite der Thylakoidmembran; O₂ (und H⁺) werden in den Thylakoidinnenraum abgegeben, von wo der Sauerstoff aus der Zelle diffundiert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Versuch 1: Nur das Wasser ist markiert. Der gebildete Sauerstoff enthält mit 0,84 % praktisch denselben ¹⁸O-Anteil wie das Wasser (0,85 %), nicht den des Hydrogencarbonats (0,20 %).
Versuch 2: Nur das Hydrogencarbonat ist markiert. Der Sauerstoff zeigt lediglich den natürlichen Anteil von 0,20 % — wie das Wasser.
Folgerung: Der bei der Fotosynthese freigesetzte Sauerstoff stammt (vollständig) aus dem Wasser, nicht aus dem CO₂.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\ce{2 H2^{18}O -> ^{18}O2 + 4 H+ + 4 e-}\)
Beide Sauerstoffatome des O₂ stammen aus Wassermolekülen; die Elektronen gelangen über die Elektronentransportkette zum NADP⁺.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Sechs O₂ enthalten zwölf O-Atome, sechs H₂O liefern aber nur sechs. Nach der vereinfachten Gleichung müsste also mindestens die Hälfte des Sauerstoffs aus dem CO₂ stammen — in Versuch 2 wäre dann markierter Sauerstoff zu erwarten gewesen, was nicht zutrifft.
Passend ist: \(\ce{6 CO2 + 12 H2O -> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O}\). Die zwölf O-Atome des O₂ stammen aus zwölf gespaltenen Wassermolekülen; die O-Atome des CO₂ finden sich in der Glucose und im neu gebildeten Wasser wieder.
Die HILL-Reaktion mit DCPIP
AFB II–III1937 zeigte Robert Hill, dass isolierte Chloroplasten im Licht Sauerstoff freisetzen, wenn man ihnen einen künstlichen Elektronenakzeptor anbietet — ohne dass CO₂ vorhanden sein muss. In einem Schulversuch werden Spinat-Thylakoide in gepufferter Lösung (pH 7, 20 °C) mit dem blauen Redoxfarbstoff DCPIP versetzt. Reduziertes DCPIP (DCPIPH₂) ist farblos. Die Extinktion bei 600 nm (Schichtdicke 1 cm) wird alle zwei Minuten gemessen; sie ist proportional zur Konzentration des blauen DCPIP (M2).
Ansatz A: Thylakoide + DCPIP, belichtet (Rotlicht) · B: wie A, im Dunkeln · C: wie A, Thylakoide vorher 5 min gekocht · D: DCPIP in Puffer ohne Thylakoide, belichtet · E: wie A, zusätzlich DCMU, ein Hemmstoff, der die Elektronenabgabe von PS II an Plastochinon blockiert. Die Extinktion wurde jeweils gegen einen Leerwert ohne DCPIP gemessen. Molarer Extinktionskoeffizient von DCPIP bei 600 nm: \(\varepsilon \approx 21\ \text{L}\cdot\text{mmol}^{-1}\cdot\text{cm}^{-1}\).
| Ansatz | 0 min | 2 min | 4 min | 6 min | 8 min | 10 min |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A · Licht | 0,80 | 0,62 | 0,45 | 0,31 | 0,20 | 0,13 |
| B · Dunkel | 0,80 | 0,80 | 0,79 | 0,79 | 0,78 | 0,78 |
| C · gekochte Thylakoide | 0,80 | 0,80 | 0,80 | 0,79 | 0,79 | 0,79 |
| D · ohne Thylakoide | 0,80 | 0,80 | 0,80 | 0,80 | 0,80 | 0,80 |
| E · mit DCMU | 0,80 | 0,78 | 0,77 | 0,76 | 0,75 | 0,74 |
| Redoxpaar | Redoxpotenzial |
|---|---|
| H₂O / O₂ | +0,82 V |
| P700 / P700⁺ (Grundzustand) | ≈ +0,5 V |
| DCPIPH₂ / DCPIP | +0,22 V |
| Plastochinol / Plastochinon | ≈ 0 V |
| NADPH / NADP⁺ | −0,32 V |
- Erklären Sie mithilfe von M3, warum DCPIP Elektronen aus der Elektronentransportkette aufnehmen kann und warum die Reaktion dennoch nur im Licht abläuft.
- Deuten Sie die Messwerte der Ansätze A bis E (M2).
- Berechnen Sie für Ansatz A die Stoffmengenkonzentration an DCPIP, die in den ersten 6 min reduziert wurde, und die Konzentration an Sauerstoff, die dabei freigesetzt werden müsste.
- Entwickeln Sie ein Experiment, mit dem sich überprüfen lässt, ob die Geschwindigkeit der HILL-Reaktion von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Geben Sie die Variablen und die Kontrollansätze an.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Elektronen fließen freiwillig von einem Redoxpaar mit negativerem zu einem mit positiverem Redoxpotenzial. DCPIP (+0,22 V) ist positiver als Plastochinon (≈ 0 V): Es kann Elektronen aus dem Plastochinon-Pool bzw. dem Cytochrom-b6f-Bereich „bergab“ aufnehmen und ersetzt damit den natürlichen Endakzeptor NADP⁺.
Der Elektronenspender ist aber Wasser (+0,82 V). Von dort zu DCPIP sind es rund 0,6 V „bergauf“ — dieser Schritt läuft nicht freiwillig. Erst die Lichtanregung P680 → P680* hebt die Elektronen auf ein ausreichend negatives Potenzial; P680⁺ entzieht danach dem Wasser Elektronen. Ohne Licht findet deshalb keine Reduktion statt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
A: Die Extinktion sinkt von 0,80 auf 0,13 — DCPIP wird fortlaufend reduziert. Die Abnahme wird mit der Zeit langsamer, weil weniger oxidiertes DCPIP übrig ist.
B: Ohne Licht bleibt die Extinktion praktisch gleich: Die Reduktion ist lichtabhängig.
C: Gekochte Thylakoide entfärben nicht: Die Reaktion ist an intakte Proteine (Fotosysteme, wasserspaltender Komplex) gebunden, Chlorophyll allein reicht nicht.
D: DCPIP wird ohne Thylakoide durch Licht nicht entfärbt — ein Ausbleichen des Farbstoffs durch Licht ist ausgeschlossen.
E: Mit DCMU findet kaum Entfärbung statt: Die Elektronen stammen aus PS II und gelangen über Plastochinon zum DCPIP; da PS II sie aus dem Wasser bezieht, ist Wasser der Elektronenspender. Die geringen Abnahmen in B, C und E liegen im Bereich der Messungenauigkeit bzw. einer unvollständigen Hemmung.
Gesamtdeutung: Chlorophyll in den Fotosystemen ist ein lichtsensibles Redoxpigment, das im Licht Elektronen vom Wasser auf einen Akzeptor überträgt — auch ohne CO₂.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\Delta E = 0{,}80 - 0{,}31 = 0{,}49\)
\(\Delta c(\text{DCPIP}) = \dfrac{0{,}49}{21\ \text{L}\cdot\text{mmol}^{-1}\cdot\text{cm}^{-1}\cdot 1\ \text{cm}} \approx 0{,}023\ \text{mmol/L} = 23\ \text{µmol/L}\)
Je DCPIP werden zwei Elektronen übertragen, je O₂ werden vier Elektronen aus zwei H₂O frei. Also entsteht ein O₂ je zwei reduzierte DCPIP: \(c(\ce{O2}) \approx 23 : 2 \approx 12\ \text{µmol/L}\) in 6 min.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Hypothese: Rotes und blaues Licht führen zu schneller Entfärbung, grünes Licht zu langsamer, weil Chlorophyll grünes Licht kaum absorbiert.
Durchführung: Mehrere Ansätze wie A werden mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge belichtet (z. B. LEDs oder Farbfilter: blau ≈ 450 nm, grün ≈ 530 nm, rot ≈ 660 nm). Die Extinktion bei 600 nm wird alle zwei Minuten gemessen; ausgewertet wird die Anfangssteigung (Abnahme der Extinktion je Minute).
Unabhängige Variable: Wellenlänge. Abhängige Variable: Geschwindigkeit der Entfärbung. Konstant: Lichtintensität (gleiche Photonenzahl, z. B. mit einem Messgerät eingestellt), Temperatur (Wasserbad), pH, Thylakoid- und DCPIP-Konzentration, Abstand zur Lichtquelle, Messzeitpunkte.
Kontrollansätze: je Lichtfarbe DCPIP ohne Thylakoide (Ausbleichen durch das Licht ausschließen) und ein Dunkelansatz. Jeder Ansatz wird mindestens dreimal wiederholt, Mittelwerte werden verglichen.