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Übung AFB I

Zehn Grundaufgaben quer durch die Fotosynthese — wer sie sicher löst, holt die ersten Punkte der Klausur.

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Aufgabenblock — AFB I

Zehn Standardaufgaben zum Wiedergeben: Begriffe kennen, Werte ablesen, Bilanzen rechnen — vom Blattbau über Pigmente, Energietrichter und Z-Schema bis zum Calvin-Zyklus.

A1
Merkmale eines Xerophytenblatts
AFB I

Nennen Sie alle Merkmale, durch die sich das Blatt eines Xerophyten wie des Oleanders typischerweise vom Blatt eines Mesophyten wie der Rotbuche unterscheidet.

Mehrere Antworten können richtig sein. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Alle vier richtigen Merkmale senken die Transpiration. Große, dünne Blätter mit Spaltöffnungen auf Höhe der Epidermis kennzeichnen die Rotbuche. Ohne Palisadengewebe oder ohne Spaltöffnungen könnte auch ein Xerophyt kaum Fotosynthese betreiben.
Fragen Sie bei jeder Option: Senkt dieses Merkmal den Wasserverlust?
Zwei falsche Optionen beschreiben die Rotbuche, zwei sind Übertreibungen: Ohne Spaltöffnungen käme kein CO₂ ins Blatt.
A2
Wo die Pigmente absorbieren
AFB I

Geben Sie für jedes Blattpigment an, wo seine Absorptionsmaxima liegen (Pigmente in Aceton gelöst).

Wählen Sie in jedem Menü den passenden Eintrag. Alle Felder müssen stimmen.
PigmentAbsorptionsmaxima
Chlorophyll a
Chlorophyll b
Carotinoide
Beide Chlorophylle absorbieren im Blau und im Rot, Chlorophyll b etwas näher an der Mitte des Spektrums. Carotinoide absorbieren nur Blau bis Blaugrün. Im Grünbereich liegt bei keinem Pigment ein Maximum — das ist die Grünlücke.
Nur ein Pigment absorbiert kein rotes Licht.
Chlorophyll a hat sein rotes Maximum weiter im Roten als Chlorophyll b.
A3
Lichtkurve des Sauerklees
AFB I

Der Sauerklee wächst am Boden schattiger Buchenwälder. Die Abbildung zeigt seine Netto-CO₂-Aufnahme. Lesen Sie den Lichtkompensationspunkt und die maximale Nettofotosyntheserate ab.

Füllen Sie alle Felder aus und prüfen Sie dann. Enter in einem Feld prüft ebenfalls. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
GrößeWert
Lichtkompensationspunkt in klx
maximale Nettorate in mg CO₂ · dm⁻² · h⁻¹
Die Kurve schneidet die Nulllinie bei 1 klx: Dort gleichen sich Brutto­fotosynthese und Atmung aus. Ab etwa 10 klx verläuft sie waagerecht bei 5 mg CO₂ · dm⁻² · h⁻¹ — Lichtsättigung. Typisch für eine Schattenpflanze: niedriger Kompensationspunkt, frühe Sättigung.
Der Kompensationspunkt ist der Schnittpunkt der Kurve mit der Nulllinie (Netto-Aufnahme = 0).
Die maximale Rate lesen Sie dort ab, wo die Kurve waagerecht verläuft.
−2−1012345605101520Netto-CO₂-Aufnahme in mg · dm⁻² · h⁻¹Lichtintensität in klx
Sauerklee, 20 °C, 0,04 % CO₂ (Modellwerte)
A4
Redoxpotenziale im Z-Schema
AFB I

Ordnen Sie jeder Station im Z-Schema der Primärreaktionen ihr Redoxpotenzial zu (pH 7, gerundet).

Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Im Z-Schema stehen negative Potenziale oben: Dort sind die Elektronen energiereich. Die beiden Lichtanregungen heben die Elektronen von P680 bzw. P700 steil nach oben; P680⁺ ist mit ≈ +1,1 V positiver als H₂O/O₂ (+0,82 V) — nur deshalb kann es dem Wasser Elektronen entziehen. Das stärkste Reduktionsmittel ist P700*.
Je negativer das Potenzial, desto energiereicher die Elektronen — die angeregten Zustände haben die negativsten Werte.
P680⁺ muss Wasser Elektronen entziehen: Sein Potenzial liegt also noch über +0,82 V. P700* liegt ganz oben im Z.
A5
Schichten eines Laubblatts
AFB I

Beschreiben Sie den Aufbau eines bifazialen Laubblatts von der Oberseite zur Unterseite, indem Sie die Schichten ordnen.

Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Kutikula der Oberseite
2obere Epidermis
3Palisadengewebe
4Schwammgewebe mit Leitbündeln
5untere Epidermis mit Spaltöffnungen
6Kutikula der Unterseite
Das chloroplastenreiche Palisadengewebe liegt direkt unter der durchsichtigen oberen Epidermis — dort, wo das meiste Licht ankommt. Die Spaltöffnungen liegen meist unten, die Leitbündel im Schwammgewebe.
Die Kutikula wird von der Epidermis nach außen abgeschieden — sie liegt oben und unten ganz außen.
Die Zellen mit den meisten Chloroplasten liegen dem Licht am nächsten.
A6
Ein Photon für Fotosystem I
AFB I

Das Reaktionszentrum von Fotosystem I hat sein Absorptionsmaximum bei 700 nm. Berechnen Sie die Energie eines Photons dieser Wellenlänge, rechnen Sie sie in Elektronenvolt um und berechnen Sie die Energie von einem Mol dieser Photonen.

\(h = 6{,}626\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\,s}\), \(c = 2{,}998\cdot10^{8}\,\mathrm{m\,s^{-1}}\), \(1\,\mathrm{eV} = 1{,}602\cdot10^{-19}\,\mathrm{J}\), \(N_A = 6{,}022\cdot10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}\)

Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
  1. Energie eines Photons · 10⁻¹⁹ J
  2. Energie eines Photons in eV eV
  3. Energie von 1 mol Photonen kJ/mol
\(E=\dfrac{h\cdot c}{\lambda}=\dfrac{6{,}626\cdot10^{-34}\cdot2{,}998\cdot10^{8}}{700\cdot10^{-9}}\,\mathrm{J}\approx2{,}84\cdot10^{-19}\,\mathrm{J}\) · \(2{,}84\cdot10^{-19}:1{,}602\cdot10^{-19}\approx1{,}77\,\mathrm{eV}\) · \(2{,}84\cdot10^{-19}\,\mathrm{J}\cdot6{,}022\cdot10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}\approx1{,}71\cdot10^{5}\,\mathrm{J}\approx171\,\mathrm{kJ}\). Etwas weniger als bei 680 nm (176 kJ/mol): längere Wellenlänge, energieärmere Photonen.
\(E=\dfrac{h\cdot c}{\lambda}\) — die Wellenlänge vorher in Meter umrechnen: 700 nm = 700 · 10⁻⁹ m.
Für eV durch 1,602 · 10⁻¹⁹ J teilen; für ein Mol mit NA malnehmen und J in kJ umrechnen.
A7
Protonen bei mäßigem Licht
AFB I

Bei mäßigem Licht werden im Thylakoidlumen pH 5,5 und im Stroma pH 7,5 gemessen (Modellwerte). Bestimmen Sie, wie viel Mal höher die H⁺-Konzentration im Lumen ist als im Stroma.

Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
mal höher
ΔpH = 7,5 − 5,5 = 2. Jede pH-Stufe entspricht dem Faktor 10: \(10^{2}=100\). Häufiger Fehler: „2-mal höher“ — der pH-Wert ist eine logarithmische Größe.
Bilden Sie zuerst die Differenz der beiden pH-Werte.
Eine pH-Stufe bedeutet den Faktor 10 in der H⁺-Konzentration.
A8
Der Energietrichter
AFB I

Stellen Sie dar, wie die Energie eines Photons in einem Fotosystem bis zur Ladungstrennung gelangt, indem Sie den Lückentext vervollständigen — drei 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.

Ein Photon wird von einem Pigment im absorbiert. Von Pigment zu Pigment wandert strahlungslos nur die , und zwar stets zu Pigmenten mit gleicher oder Anregungsenergie. So erreicht sie das , in Fotosystem II das Chlorophyll-a-Paar . Erst dieses gibt ein Elektron ab — an den primären Akzeptor .

Die Antenne arbeitet wie ein Trichter: Carotinoide → Chl b → Chl a → Reaktionszentrum, jeweils „bergab“ zu längerwelliger Absorption; der Energieunterschied wird Wärme. Elektronen verlassen ihr Molekül erst im Reaktionszentrum. Plastocyanin gehört zur Transportkette zwischen PS II und PS I.
In der Antenne wandert kein Elektron — nur Energie (Resonanzenergietransfer).
Der Trichter führt „bergab“: vom Carotinoid über Chl b und Chl a zum Reaktionszentrum.
A9
Die Gleichung der Fotolyse
AFB I

Erstellen Sie aus den Bausteinen die Teilgleichung der Fotolyse am Fotosystem II.

Klicken Sie die Bausteine in der richtigen Reihenfolge an — sie wandern nacheinander in die Plätze. Ein Klick auf einen belegten Platz gibt den Baustein zurück.
\(\ce{2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-}\): Zwei Wassermoleküle liefern ein O₂, vier Protonen (bleiben im Lumen) und vier Elektronen (ersetzen die abgegebenen Elektronen des Fotosystems II). Links und rechts stehen je 4 H- und 2 O-Atome.
Ausgangsstoff ist Wasser; CO₂ kommt in der Fotolyse nicht vor.
Für ein O₂ braucht man zwei Wassermoleküle — zählen Sie die H-Atome.
A10
Orte im Chloroplasten
AFB I

Zeichnen Sie in das Schema nacheinander ein, wo die gesuchten Vorgänge ablaufen bzw. die gesuchten Strukturen liegen — klicken Sie dazu die passende Stelle an.

Klicken Sie die gesuchte Stelle an. Mit der Tastatur: Tab oder Pfeiltasten zum Wandern, Enter zum Auswählen.

ABCDE
A: doppelte Hüllmembran · B: Thylakoidmembran mit Chlorophyll, Fotosystemen und ATP-Synthase · C: Thylakoidinnenraum (Lumen) mit Fotolyse und H⁺-Anreicherung · D: Stroma mit Calvin-Zyklus · E: Stärkekorn. Der violette Ring im Stroma ist die ringförmige DNA des Chloroplasten.
Die Primärreaktionen gehören zu den Thylakoiden, der Calvin-Zyklus zur Grundsubstanz drumherum.
Der Innenraum eines Thylakoids ist hell gezeichnet, die dicke grüne Linie darum ist seine Membran.