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Übungen: Fotosynthese und Zellatmung

Ein Kohlenstoffatom kann heute im Blatt stecken und morgen wieder als CO₂ in der Luft schweben — wie kommt es dahin?

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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 (Zellatmung) und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.

A1
Zwei Organellen mit Gemeinsamkeiten
AFB I

Nennen Sie alle Merkmale, die Chloroplasten und Mitochondrien gemeinsam haben.

Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Doppelmembran, ringförmige DNA, 70S-Ribosomen und die Vermehrung durch Teilung sprechen für die Endosymbiontentheorie: Beide Organellen gehen auf einst frei lebende Bakterien zurück. Chlorophyll und die O₂-Freisetzung gibt es nur im Chloroplasten; Tierzellen besitzen keine Chloroplasten.
Denken Sie an die Endosymbiontentheorie: Was erinnert bei beiden an ein Bakterium?
Vier Merkmale sind richtig, drei gelten nur für ein Organell oder gar nicht.
A2
Wo läuft was ab?
AFB I

Ordnen Sie jedem Teilprozess von Fotosynthese und Zellatmung seinen Ort in der Zelle 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 membrangebundenen Prozesse (Primärreaktionen, Atmungskette) brauchen eine Membran für den H⁺-Gradienten. Die Kreisprozesse laufen im gelösten Innenraum: Calvin-Zyklus im Stroma, Citratzyklus in der Matrix. Die Glykolyse findet noch außerhalb des Mitochondriums statt.
Prozesse mit Elektronentransportkette sitzen in einer Membran.
Nur ein Teilprozess läuft außerhalb der Organellen ab.
A3
Hin, zurück oder hinaus?
AFB I

Geben Sie für jeden Stoff an, wohin er im belichteten Chloroplasten wandert.

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).
1von den Thylakoiden zum Calvin-Zyklus
2vom Calvin-Zyklus zurück zu den Thylakoiden
3verlässt den Chloroplasten
ATP und NADPH sind die energiereichen „Lieferungen“ der Primärreaktionen. Im Calvin-Zyklus werden sie zu ADP, Pi und NADP⁺ — ohne deren Rückkehr kämen die Primärreaktionen zum Stillstand. O₂ ist ein Nebenprodukt und diffundiert aus dem Chloroplasten und dem Blatt.
Energiereich beladene Überträger gehen zum Verbraucher, entladene kommen zurück.
Welcher Stoff wird im Calvin-Zyklus gar nicht gebraucht?
A4
Bilanz für zwei Glucose-Moleküle
AFB II

Ein Chloroplast bildet zwei Moleküle Glucose. Stellen Sie die Stoffbilanz Schritt für Schritt auf (Bilanzen je Glucose: 12 NADPH und 18 ATP im Calvin-Zyklus).

Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
  1. verbrauchte ATP-Moleküle ATP
  2. verbrauchte NADPH-Moleküle NADPH
  3. dafür gespaltene Wassermoleküle H₂O
  4. freigesetzte Sauerstoffmoleküle O₂
Je Glucose 18 ATP und 12 NADPH, also 36 ATP und 24 NADPH. Jedes NADPH braucht 2 Elektronen; ein Wassermolekül liefert 2 Elektronen — also 24 H₂O. Aus je 2 H₂O entsteht 1 O₂: 12 O₂. Das passt zur Gesamtgleichung \(\ce{12 CO2 + 24 H2O -> 2 C6H12O6 + 12 O2 + 12 H2O}\).
Verdoppeln Sie die Bilanz für eine Glucose.
\(\ce{2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-}\) und \(\ce{NADP+ + 2 e- + H+ -> NADPH}\).
A5
Aufbau oder Abbau?
AFB II

Vergleichen Sie Fotosynthese und Zellatmung, indem Sie jedes Merkmal einem Bereich zuordnen.

Ordnen Sie jedes Merkmal einem der drei Bereiche zu. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, dann 1–3 für den Bereich, 0 zurück.
1 nur Fotosynthese
2 beide
3 nur Zellatmung
Beide Prozesse sind Redoxketten mit chemiosmotischer ATP-Bildung, und beide enthalten einen Kreisprozess (Calvin- bzw. Citratzyklus). Die Fotosynthese baut auf und ist auf autotrophe Zellen beschränkt; die Zellatmung baut ab, beginnt mit der Glykolyse im Cytoplasma und läuft Tag und Nacht.
Anabol heißt aufbauend, katabol abbauend.
Drei Merkmale gehören in die Mitte.
A6
Reise eines Kohlenstoffatoms
AFB II

Ein Kohlenstoffatom gelangt aus der Luft in ein Buchenblatt und später wieder in die Luft. Beschreiben Sie seinen Weg, indem Sie die Stationen ordnen.

Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1als CO₂ durch eine Spaltöffnung ins Blatt
2im Stroma von Rubisco fixiert
3mit ATP und NADPH zu einem Zucker reduziert
4in der Glykolyse im Cytoplasma zu Pyruvat abgebaut
5im Mitochondrium im Citratzyklus als CO₂ abgespalten
6als CO₂ durch eine Spaltöffnung zurück in die Luft
Das Kohlenstoffatom kreist: Die Fotosynthese baut es in Zucker ein, die Zellatmung derselben Pflanze (oder eines Tieres, das das Blatt frisst) setzt es wieder als CO₂ frei. Die Energie dagegen kreist nicht — sie verlässt das System als Wärme.
Erst Aufbau im Chloroplasten, dann Abbau.
Die Zellatmung beginnt außerhalb des Mitochondriums.
A7
Rückblick: die Atmungskette
MixAFB II

Aus Kapitel 1 (Zellatmung): Erläutern Sie die ATP-Bildung im Mitochondrium, 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 gibt seine Elektronen an Komplex I ab. Letzter Elektronenakzeptor ist , dabei entsteht Wasser. Mit der frei werdenden Energie pumpen die Komplexe H⁺ aus der in den . Strömen die H⁺ durch die zurück, entsteht ATP.

„NADPH“ bleibt übrig: Es ist der Wasserstoffüberträger der Fotosynthese. In der Zellatmung liefert NADH (und FADH₂) die Elektronen — ein häufig verwechseltes Paar.
Der kleine Raum zwischen den beiden Membranen bekommt die H⁺.
Achten Sie auf das „P“: Welcher Überträger gehört zur Fotosynthese?
A8
Trickaufgabe: markiertes Wasser
TrickAFB III

Eine Alge erhält Wasser, dessen Sauerstoffatome alle schwer markiert sind (\(\ce{H2^{18}O}\)); das CO₂ ist unmarkiert. Jemand kürzt die Gesamtgleichung zu \(\ce{6 CO2 + 6 H2O -> C6H12O6 + 6 O2}\) und schließt: 6 markierte O-Atome für 12 O-Atome im O₂, also die Hälfte. Legen Sie sich fest: Welcher Anteil der Sauerstoffatome im frei werdenden O₂ ist markiert?

Schieben Sie den Regler auf Ihre Antwort — Pfeiltasten bewegen ihn schrittweise. Nach dem Prüfen sehen Sie den Trefferbereich.
0 %100 %
100 %: Der gesamte freigesetzte Sauerstoff stammt aus der Fotolyse des Wassers, \(\ce{12 H2O -> 6 O2 + 24 H+ + 24 e-}\). Die gekürzte Gleichung verschleiert das — die Sauerstoffatome des CO₂ landen in Glucose und in den 6 neu gebildeten H₂O. Deshalb schreibt man 12 H₂O links und 6 H₂O rechts.
Woher stammt der Sauerstoff in den Primärreaktionen?
Die ungekürzte Gleichung enthält 12 H₂O — genau so viele O-Atome wie in 6 O₂.
A9
Fehlersuche im Lernzettel
AFB III

Eine Schülerin fasst den Vergleich von Fotosynthese und Zellatmung auf einem Lernzettel zusammen. 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 die Kernpunkte des Vergleichs: keine einfache Umkehrung (Wege), die Richtung des Elektronenflusses (Energie) und die Rolle der Mitochondrien in Pflanzen (Organismus).
Prüfen Sie Richtung, Ort und „nur“-Aussagen besonders kritisch.
Drei Zeilen sind falsch.
A10
Eingriffe in die Kopplung
AFB III

Beurteilen Sie, wie sich die folgenden Eingriffe innerhalb weniger Minuten auf die CO₂-Fixierung im Calvin-Zyklus eines belichteten Blattes 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.
Ein Hemmstoff macht die Thylakoidmembran durchlässig für H⁺.
Die Atmungskette in den Mitochondrien der Blattzelle wird gehemmt.
Ein Hemmstoff blockiert den Elektronentransport am Fotosystem II.
Schwaches Licht wird auf mittlere Stärke erhöht (CO₂ reichlich vorhanden).
Der Calvin-Zyklus hängt am Nachschub von ATP und NADPH aus den Primärreaktionen: Dunkelheit, ein zusammengebrochener H⁺-Gradient (kein ATP) oder ein blockiertes Fotosystem II (kein NADPH, kein ATP) bremsen ihn stark. Die Mitochondrien liefern das ATP für die übrige Zelle, nicht für den Calvin-Zyklus — die Fixierung ändert sich kurzfristig kaum. Mehr Licht im Schwachlichtbereich steigert die Rate (vgl. 2.3.2).
Fragen Sie jeweils: Fehlt dem Calvin-Zyklus ATP, NADPH — oder keins von beiden?
Schwachlicht ist der Bereich, in dem Licht der begrenzende Faktor ist.