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Übungen: Die Primärreaktionen

Wasser hinein, Sauerstoff hinaus — und dazwischen ein Elektronenweg, der zweimal durch Licht bergauf gehoben wird.

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Übungsaufgaben

Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus Kapitel 1 und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.

A1
Räume im Chloroplasten
AFB I

Ordnen Sie jeder Struktur des Chloroplasten die passende Beschreibung zu.

Ein Granum besteht aus vielen Thylakoiden.
Die Fotolyse findet an der Innenseite der Thylakoidmembran statt, der Calvin-Zyklus im Stroma.
A2
Wo läuft was ab?
AFB I

Geben Sie für jeden Vorgang an, in welchem Bereich des Chloroplasten er abläuft.

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).
1Thylakoidmembran und -innenraum
2Stroma
Alle lichtabhängigen Schritte sind an die Thylakoide gebunden, weil dort die Pigmente und Fotosysteme sitzen. Im Stroma werden die Produkte NADPH + H⁺ und ATP im Calvin-Zyklus zum Aufbau von Zucker genutzt.
Wo sitzen die Pigmente?
Der Calvin-Zyklus braucht die Produkte der Primärreaktionen — er läuft im Stroma.
A3
Was der Calvin-Zyklus braucht
AFB I

Nennen Sie die Produkte der Primärreaktionen, die im Calvin-Zyklus weiterverwendet werden.

Mehrere Antworten können richtig sein. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
NADPH + H⁺ liefert Elektronen (Reduktionsmittel), ATP liefert Energie. Sauerstoff ist zwar auch ein Produkt, wird aber nicht weiterverwendet — er entweicht als „Abfallprodukt“. NADP⁺ ist ein Ausgangsstoff, Glucose entsteht erst im Calvin-Zyklus.
Gesucht sind die energiereichen Produkte.
Es sind genau zwei: ein Reduktionsmittel und ein Energieträger.
A4
Bilanz für fünf Glucosemoleküle
AFB II

Ein Chloroplast stellt die Energieträger für den Aufbau von fünf Glucosemolekülen bereit. Für ein Glucosemolekül verbraucht der Calvin-Zyklus 12 NADPH + H⁺. Ermitteln Sie Schritt für Schritt die Bilanz der Primärreaktionen.

Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
  1. NADPH + H⁺ Moleküle
  2. Elektronen Stück
  3. gespaltene H₂O Moleküle
  4. freigesetzte O₂ Moleküle
\(5\cdot12 = 60\) NADPH + H⁺; jedes NADP⁺ nimmt zwei Elektronen auf → 120 Elektronen. Jedes Wassermolekül liefert zwei Elektronen → 60 H₂O; je zwei H₂O entsteht ein O₂ → 30 O₂. Zum Vergleich: \(\ce{2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-}\).
\(\ce{NADP+ + 2 e- + 2 H+ -> NADPH + H+}\)
\(\ce{2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-}\): ein Wassermolekül liefert zwei Elektronen.
A5
Zwei Elektronenwege
MixAFB II

Vergleichen Sie den Elektronenfluss in der Atmungskette (Kapitel 1) mit dem in den Primärreaktionen, indem Sie den Lückentext vervollständigen — zwei Wörter bleiben übrig.

Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.

In der Atmungskette geben NADH + H⁺ Elektronen ab; Endakzeptor ist . Der Elektronenfluss setzt dabei Energie . In den Primärreaktionen ist Wasser der und der Endakzeptor. Damit die Elektronen diesen Weg nehmen, muss Energie zuführen. In beiden Fällen dient der Elektronentransport an einer Membran auch der Bildung von .

Die Richtungen sind entgegengesetzt: In der Atmungskette wird Sauerstoff zu Wasser reduziert, in den Primärreaktionen wird Wasser zu Sauerstoff oxidiert. „Kohlenstoffdioxid“ und „Glucose“ bleiben übrig — sie spielen erst im Calvin-Zyklus bzw. in der Glykolyse eine Rolle.
Wasser gibt Elektronen ab, NADP⁺ nimmt sie auf.
Erinnern Sie sich an 1.2.3: Am Ende der Atmungskette entsteht Wasser.
A6
Ein Elektron im Z-Schema
AFB II

Beschreiben Sie den Weg eines Elektrons vom Wasser bis zum NADP⁺ im Z-Schema, indem Sie die Stationen ordnen.

Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Wasser gibt bei der Fotolyse Elektronen ab (+0,82 V).
2P680⁺ nimmt das Elektron auf (≈ +1,1 V).
3Erste Lichtanregung: P680 wird zu P680* (≈ −0,8 V).
4Plastochinon übernimmt das Elektron.
5Über den Cytochrom-b6f-Komplex und Plastocyanin fließt es bergab zu P700.
6Zweite Lichtanregung: P700 wird zu P700* (≈ −1,3 V).
7Ferredoxin übergibt das Elektron an NADP⁺ (−0,32 V).
Das Elektron wird zweimal „hochgehoben“ und fließt dazwischen jeweils bergab zum positiveren Potenzial. Der Abstieg zwischen P680* und P700 treibt den H⁺-Transport am Cytochrom-b6f-Komplex an.
Im Z-Schema geht es abwechselnd bergauf (Licht) und bergab (Transportkette).
Die erste Anregung findet in PS II statt, die zweite in PS I.
A7
Wie weit bergauf?
AFB II

Das Redoxpaar H₂O/O₂ hat ein Redoxpotenzial von +0,82 V, das Paar NADP⁺/NADPH eines von −0,32 V. Berechnen Sie den Betrag der Potenzialdifferenz, die die Elektronen in den Primärreaktionen insgesamt überwinden.

Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
V
\(\Delta E = E(\text{Akzeptor}) - E(\text{Donator}) = -0{,}32\,\text{V} - 0{,}82\,\text{V} = -1{,}14\,\text{V}\), Betrag 1,14 V. Das negative Vorzeichen zeigt: Der Elektronenfluss läuft nicht freiwillig — Lichtenergie muss ihn antreiben. Häufiger Fehler: die Beträge subtrahieren (0,50 V).
Ziehen Sie das Potenzial des Elektronenspenders vom Potenzial des Elektronenempfängers ab.
Achten Sie auf die Vorzeichen: −0,32 − (+0,82).
A8
Trickaufgabe: Sechs Wasser für sechs O₂?
TrickAFB III

In der vereinfachten Gleichung \(\ce{6 CO2 + 6 H2O -> C6H12O6 + 6 O2}\) stehen sechs Wassermoleküle für sechs O₂. Ein Mitschüler folgert: „Für ein Glucosemolekül werden sechs Wassermoleküle gespalten.“ Widerlegen Sie die Aussage, indem Sie die tatsächliche Zahl der gespaltenen Wassermoleküle einstellen.

Schieben Sie den Regler auf Ihre Antwort — Pfeiltasten bewegen ihn schrittweise. Nach dem Prüfen sehen Sie den Trefferbereich.
024
Gespalten werden 12 H₂O: \(\ce{12 H2O -> 6 O2 + 24 H+ + 24 e-}\). Die vereinfachte Gleichung verschweigt, dass im Calvin-Zyklus sechs H₂O neu entstehen — vollständig lautet sie \(\ce{6 CO2 + 12 H2O -> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O}\). Nur so stammen alle zwölf O-Atome des O₂ aus dem Wasser.
Wie viele O-Atome enthalten sechs O₂ — und wie viele liefert ein Wassermolekül?
Sechs O₂ haben zwölf O-Atome; jedes H₂O liefert nur eines.
A9
Fehlersuche im Lernzettel
AFB III

Eine Schülerin hat die Primärreaktionen auf einem Lernzettel zusammengefasst. Überprüfen Sie ihre sechs Aussagen.

In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Die drei Fehler betreffen die drei häufigsten Verwechslungen: Herkunft des Sauerstoffs, Richtung des Elektronenflusses und Ort der NADPH-Bildung.
Prüfen Sie Herkunft, Richtung und Ort.
Drei Zeilen sind falsch.
A10
Wann entfärbt sich DCPIP?
AFB III

Im Standardansatz werden Spinat-Thylakoide in Pufferlösung mit dem blauen Farbstoff DCPIP gemischt und bei schwachem Rotlicht belichtet; die Lösung entfärbt sich innerhalb weniger Minuten. Beurteilen Sie, wie sich die folgenden Änderungen auf die Entfärbungsgeschwindigkeit auswirken.

Wählen Sie für jede Zeile eine Stufe: 1 = deutlich langsamer bzw. keine Entfärbung, 2 = etwas langsamer, 3 = kein Einfluss, 4 = etwas schneller, 5 = deutlich schneller. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = deutlich langsamer5 = deutlich schneller
Der Ansatz wird in Alufolie eingewickelt.
Die Thylakoide werden vorher fünf Minuten gekocht.
Dem Puffer wird zusätzlich Hydrogencarbonat (CO₂-Quelle) zugesetzt.
Die Lichtstärke wird verdoppelt.
Statt rotem Licht wird grünes Licht gleicher Stärke eingestrahlt.
DCPIP wird nur reduziert, wenn angeregtes Chlorophyll Elektronen abgibt, die aus dem Wasser nachgeliefert werden: Ohne Licht oder mit denaturierten Proteinen der Fotosysteme bleibt die Lösung blau. CO₂ spielt keine Rolle — die Hill-Reaktion zeigt gerade, dass die Primärreaktionen ohne CO₂ ablaufen. Im Schwachlicht begrenzt das Licht die Rate; grünes Licht wird kaum absorbiert (2.2.1). Hier zählt die Richtung — bei Licht und Farbe werden „etwas“ und „deutlich“ beide akzeptiert.
Fragen Sie jeweils: Gibt Chlorophyll noch Elektronen an DCPIP ab?
Überlegen Sie, wofür CO₂ gebraucht wird — für die Primärreaktionen oder erst im Calvin-Zyklus?