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Übungen: ATP-Synthese im Chloroplasten

Tausendmal mehr Protonen auf engstem Raum — und nur ein Ausgang, an dem ATP entsteht.

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Übungsaufgaben

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

A1
Drei Räume, drei Aufgaben
AFB I

Ordnen Sie jeden Vorgang und jeden Bestandteil dem Ort im Chloroplasten zu, an dem er sich befindet.

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).
1Thylakoidlumen
2Thylakoidmembran
3Stroma
Die Membran trägt die Transportproteine und Enzymkomplexe. Im Lumen sammeln sich die Protonen, im Stroma werden sie verbraucht, und dort entsteht auch das ATP — direkt neben den Enzymen des Calvin-Zyklus.
Proteine und Überträger sitzen in der Membran, gelöste Stoffe und Reaktionen in den Räumen daneben.
Der Kopf der ATP-Synthase ragt ins Stroma — dort entsteht das ATP.
A2
Wer baut den Gradienten auf?
AFB I

Nennen Sie alle Vorgänge, die im Licht den Protonengradienten an der Thylakoidmembran aufbauen oder verstärken.

Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Drei Vorgänge vergrößern den Unterschied: H⁺ kommen im Lumen hinzu (Fotolyse, Plastochinon) oder verschwinden aus dem Stroma (NADPH-Bildung). Der Rückstrom durch die ATP-Synthase baut den Gradienten dagegen ab — dabei wird seine Energie genutzt.
Der Gradient wächst, wenn im Lumen H⁺ hinzukommen oder im Stroma H⁺ verschwinden.
Drei Antworten sind richtig; eine der falschen verkleinert den Gradienten sogar.
A3
Bauteile und ihre Aufgaben
AFB I

Geben Sie für jeden Bestandteil seine Aufgabe bei der ATP-Synthese an.

Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Ohne eine dichte Membran gäbe es keinen Gradienten: Die H⁺ würden sofort zurückströmen. Kanal (CF₀) und Kopf (CF₁) bilden zusammen die ATP-Synthase — der Kanal leitet, der Kopf katalysiert.
Zwei Bestandteile bauen den Gradienten auf, zwei nutzen ihn, einer hält ihn aufrecht.
Der Kopf der ATP-Synthase liegt im Stroma, der Kanal steckt in der Membran.
A4
Starklicht-Messung
AFB II

In belichteten Chloroplasten werden bei Starklicht im Lumen pH 4,5 und im Stroma pH 8,0 gemessen (Modellwerte). Berechnen 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. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
-fach
\(\Delta\mathrm{pH} = 8{,}0 - 4{,}5 = 3{,}5\); \(10^{3{,}5} = 10^{3}\cdot10^{0{,}5} \approx 1000\cdot3{,}16 \approx 3160\). Die H⁺-Konzentration im Lumen ist also rund 3200-mal so hoch. Häufiger Fehler: \(10^{3{,}5}\) mit \(10\cdot3{,}5 = 35\) verwechseln.
Bilden Sie zuerst die Differenz der pH-Werte.
Der Faktor ist \(10^{\Delta\mathrm{pH}}\) — auch bei einem halben pH-Schritt.
A5
Vom Lichtquant zum ATP
AFB II

Beschreiben Sie die ATP-Bildung im Chloroplasten nach dem chemiosmotischen Modell, indem Sie die Schritte ordnen.

Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Licht regt das Fotosystem II an.
2Das Fotosystem II gibt Elektronen ab und ersetzt sie durch Spaltung von Wasser; die H⁺ bleiben im Lumen.
3Plastochinon übernimmt die Elektronen und bringt zusätzlich H⁺ aus dem Stroma ins Lumen.
4Im Lumen ist die H⁺-Konzentration nun viel höher als im Stroma.
5H⁺ strömen durch den Kanal der ATP-Synthase ins Stroma.
6Der Kopf der ATP-Synthase verknüpft im Stroma ADP und Phosphat zu ATP.
Das chemiosmotische Modell hat zwei Hälften: Erst wird mit Lichtenergie ein H⁺-Gradient aufgebaut (Schritte 1–4), dann wird er über die ATP-Synthase abgebaut und seine Energie in ATP gespeichert (Schritte 5–6).
Zuerst wird der Gradient aufgebaut, erst danach genutzt.
Das Fotosystem muss Elektronen abgeben, bevor Plastochinon sie übernehmen kann.
A6
Chloroplast und Mitochondrium
MixAFB II

Vergleichen Sie die ATP-Bildung in Chloroplast und Mitochondrium (Kapitel 1), indem Sie den Lückentext vervollständigen — ein Wort bleibt 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 werden H⁺ beim Elektronentransport in den gepumpt, bei der Fotosynthese gelangen sie ins . In beiden Organellen strömen sie durch die ATP-Synthase zurück — im Mitochondrium in die , im Chloroplasten ins . Die Energie für den Gradienten stammt im Mitochondrium aus der Oxidation von NADH, im Chloroplasten aus dem .

„Cytoplasma“ bleibt übrig: Beide Organellen bilden ATP in ihrem inneren Hauptraum (Matrix bzw. Stroma), nicht im Cytoplasma. Das Prinzip ist dasselbe — ein H⁺-Gradient über einer Innenmembran treibt die ATP-Synthase an.
Erinnern Sie sich an Kapitel 1: Zwischen welchen Membranen des Mitochondriums sammeln sich die H⁺?
Das ATP entsteht jeweils dort, wo der Kopf der ATP-Synthase hinzeigt.
A7
Reicht das ATP?
AFB II

Je freigesetztem \(\ce{O2}\)-Molekül gelangen bei der linearen Elektronenübertragung 12 H⁺ ins Lumen (4 aus der Fotolyse, 8 über Plastochinon und Cytochrom-b₆f), und es entstehen 2 NADPH. Die ATP-Synthase der Chloroplasten braucht 14 H⁺ für 3 ATP (Literaturwerte). Ermitteln Sie das Verhältnis von gebildetem ATP zu NADPH.

Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Auf zwei Nachkommastellen runden, Komma oder Punkt.
  1. H⁺ je gebildetem ATP H⁺
  2. ATP je \(\ce{O2}\) ATP
  3. Verhältnis ATP : NADPH : 1
\(14/3 \approx 4{,}67\) H⁺ je ATP; \(12/4{,}67 \approx 2{,}57\) ATP je \(\ce{O2}\); \(2{,}57/2 \approx 1{,}29\). Der Calvin-Zyklus braucht aber 3 ATP je 2 NADPH, also 1,5 : 1. Die lineare Elektronenübertragung liefert allein zu wenig ATP — Pflanzen bilden zusätzliches ATP auf anderen Wegen, etwa über eine zyklische Elektronenübertragung um das Fotosystem I.
Teilen Sie die Protonenzahl durch die ATP-Zahl.
Mit 12 H⁺ lassen sich \(12/4{,}67\) ATP bilden; dieses Ergebnis teilen Sie durch 2 NADPH.
A8
Trickaufgabe: Doppelt so viele Protonen
TrickAFB III

Im Lumen herrscht pH 5,0. Bei stärkerem Licht verdoppelt sich die H⁺-Konzentration im Lumen. Schätzen Sie den neuen pH-Wert im Lumen ab.

Schieben Sie den Regler auf Ihre Antwort — Pfeiltasten bewegen ihn schrittweise. Nach dem Prüfen sehen Sie den Trefferbereich.
pH 2pH 7
Der pH-Wert sinkt nur um etwa 0,3 auf rund 4,7, denn \(\lg 2 \approx 0{,}3\). Die Falle: „doppelt so viele H⁺, halber pH-Wert“ (2,5) — das wäre eine 300-fache Konzentration. Erst eine Verzehnfachung senkt den pH-Wert um eine ganze Stufe.
Der pH-Wert ist ein Logarithmus: Faktor 10 entspricht einer pH-Stufe.
Der Faktor 2 liegt zwischen 1 und 10 — der pH-Wert ändert sich also um weniger als 1.
A9
Fehlersuche im Lernzettel
AFB III

Eine Schülerin hat die ATP-Synthese im Chloroplasten auf einem Lernzettel zusammengefasst. Überprüfen Sie ihre sechs Notizen.

In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Die drei Fehler betreffen Richtung (die Synthase pumpt nicht, sie lässt strömen), Rechnung (pH ist logarithmisch) und Ort (Stroma, nicht Lumen). Genau diese drei Punkte lohnt es, in einer eigenen Erklärung zu kontrollieren.
Prüfen Sie bei jeder Zeile Richtung, Zahl und Ort.
Drei Zeilen sind falsch.
A10
Was bremst die ATP-Bildung?
AFB III

Isolierte Thylakoide bilden im Licht in einem Puffer mit ADP und Phosphat ATP. Beurteilen Sie, wie sich die folgenden Änderungen auf die ATP-Bildungsrate auswirken.

Wählen Sie für jede Zeile eine Stufe: 1 = deutlich weniger, 2 = etwas weniger, 3 = kein Einfluss, 4 = etwas mehr, 5 = deutlich mehr. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = deutlich weniger5 = deutlich mehr
Das Licht wird ausgeschaltet.
Schwaches Licht wird doppelt so stark.
Der Puffer außen wird von pH 8 auf pH 6 angesäuert, das Lumen bleibt bei pH 5.
Grünes statt rotes Licht gleicher Stärke wird eingestrahlt.
Dem Puffer wird zusätzlich CO₂ zugesetzt.
Ohne Licht und bei grünem Licht (wird von Chlorophyll kaum absorbiert) wird der Gradient kaum noch aufgebaut. Ein saurer Puffer verkleinert ΔpH von 3 auf 1 — der Antrieb sinkt auf ein Hundertstel. Im Schwachlicht begrenzt das Licht die Rate, mehr Licht hilft deutlich. CO₂ hat keinen Einfluss: Isolierten Thylakoiden fehlen die Enzyme des Calvin-Zyklus, sie liegen im Stroma.
Fragen Sie bei jeder Zeile: Wird der H⁺-Gradient größer, kleiner oder bleibt er gleich?
Isolierte Thylakoide bestehen nur aus Membran und Lumen — das Stroma mit seinen Enzymen fehlt.