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Übungen: Die Primärreaktionen

Wasser hinein, Sauerstoff hinaus — und dazwischen ein Elektronenweg quer durch die Thylakoidmembran.

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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.

Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Die Thylakoidmembran trennt zwei Räume: außen das Stroma, innen den Thylakoidinnenraum. Diese Kompartimentierung ist die Voraussetzung dafür, dass sich H⁺-Ionen im Innenraum anreichern können.
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
Der Weg der Lichtenergie
AFB II

Beschreiben Sie, wie Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird, indem Sie die Schritte ordnen.

Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Pigmente absorbieren Lichtenergie.
2Chlorophyll im PS II wird angeregt und gibt ein energiereiches Elektron ab.
3Das Elektron wandert über die Transportkette zum PS I.
4Im PS I wird das Elektron erneut durch Licht angeregt.
5Das Elektron gelangt auf der Stromaseite zum NADP⁺.
6NADPH + H⁺ steht dem Calvin-Zyklus zur Verfügung.
Jedes Elektron wird zweimal angeregt: einmal in PS II und einmal in PS I. Die Energie steckt am Ende im Reduktionsmittel NADPH + H⁺.
Am Anfang steht die Absorption, am Ende das Produkt für den Calvin-Zyklus.
Die Elektronen fließen von PS II zu PS I, nicht umgekehrt.
A7
Lichtquanten für Sauerstoff
AFB II

Damit ein Elektron vom Wasser bis zum NADP⁺ gelangt, müssen zwei Lichtquanten absorbiert werden — eines in PS II und eines in PS I. Berechnen Sie die Mindestzahl an Lichtquanten, die nötig ist, damit drei O₂-Moleküle frei werden.

Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
Lichtquanten
Für ein O₂ werden vier Elektronen aus zwei H₂O frei; jedes braucht zwei Lichtquanten → 8 Lichtquanten je O₂. Für drei O₂: \(3\cdot4\cdot2 = 24\). Häufiger Fehler: nur ein Lichtquant je Elektron rechnen (12).
Wie viele Elektronen werden je O₂ frei?
Je O₂: vier Elektronen, je Elektron zwei Lichtquanten.
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
Was wird aus der O₂-Abgabe?
AFB III

Isolierte Chloroplasten werden in wässriger Lösung mit NADP⁺ belichtet und geben Sauerstoff ab. Beurteilen Sie, wie sich die folgenden Änderungen auf die O₂-Abgabe auswirken.

Wählen Sie für jede Zeile eine Stufe: 1 = deutlich geringer, 2 = etwas geringer, 3 = kein Einfluss, 4 = etwas höher, 5 = deutlich höher. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = deutlich geringer5 = deutlich höher
Die Chloroplasten werden verdunkelt.
Ein Hemmstoff blockiert den Elektronentransport zwischen PS II und PS I.
Bei schwachem Licht wird die Lichtstärke verdoppelt.
Statt rotem Licht wird grünes Licht gleicher Stärke eingestrahlt.
Das Wasser enthält das Isotop ¹⁸O statt ¹⁶O.
Ohne Anregung (Dunkelheit) oder bei unterbrochener Elektronentransportkette wird PS II nicht mehr „frei“ — es werden keine Elektronen aus dem Wasser nachgeliefert, die O₂-Abgabe bricht ein. Grünes Licht wird von Chlorophyll kaum absorbiert (2.2.1). Im Schwachlicht begrenzt das Licht die Rate, deshalb steigt sie bei mehr Licht. Das Isotop ändert nur die Masse des O₂, nicht dessen Menge. Hier zählt die Richtung — „etwas“ und „deutlich“ werden bei den Randstufen beide akzeptiert.
Fragen Sie jeweils: Werden PS II noch Elektronen entzogen?
Erinnern Sie sich an 2.2.1: Welche Farben absorbiert Chlorophyll?