2.1 Das Blatt als Organ der Fotosynthese
Der Bau des Laubblatts löst drei Aufgaben zugleich: Licht einfangen, CO₂ hereinlassen, möglichst wenig Wasser verlieren.
- Schichtenfolge:Kutikula → obere Epidermis → Palisadengewebe → Schwammgewebe mit Leitbündeln → untere Epidermis mit Spaltöffnungen → Kutikula.
- Palisadengewebe:dicht stehende Zellen mit sehr vielen Chloroplasten — Hauptort der Fotosynthese.
- Schwammgewebe:locker, mit luftgefüllten Interzellularen für den Gasaustausch.
- Leitbündel:Xylem oben (Wasser hinein), Phloem unten (Assimilate hinaus).
- Spaltöffnungen:zwei Schließzellen regeln den Spalt; CO₂ hinein, O₂ und Wasserdampf hinaus.
- Zielkonflikt:offene Spaltöffnungen = viel CO₂, aber hohe Transpiration.
- Sonnen-/Schattenblatt:Modifikation: gleiche Gene, Lichtmenge entscheidet (mehr Palisadenschichten im Sonnenblatt).
- Xerophyt:erbliche Angepasstheit: dicke Kutikula, Krypten mit Haaren, Rollblatt, Wasserspeichergewebe, kleine Oberfläche.
Angepasstheit oder Modifikation?
Erblich und auch bei guter Wasserversorgung vorhanden → Angepasstheit (Xerophyt). Nicht erblich, von den Wachstumsbedingungen abhängig → Modifikation (Sonnen- und Schattenblatt).
2.2 Die lichtabhängigen Reaktionen
Pigmente absorbieren Licht, die Thylakoidmembran macht daraus chemische Energie: NADPH und ATP.
- Pigmente:Chlorophyll a (≈ 430/662 nm), Chlorophyll b (≈ 453/642 nm), Carotinoide (nur Blau, ≈ 420–500 nm).
- Grünlücke:500–600 nm werden kaum absorbiert — das Blatt erscheint grün.
- Wirkungsspektrum:Fotosyntheserate je Wellenlänge; folgt der Summe der Absorptionsspektren (ENGELMANN 1882).
- Chromatografie:Pigmente auf Kieselgel trennen; Rf-Wert = Laufstrecke Pigment : Laufstrecke Fließmittel, beide ab Startlinie.
- Kompartimente:Hülle (2 Membranen), Stroma, Thylakoidmembran, Thylakoidinnenraum (Lumen).
- Fotolyse:am PS II auf der Lumenseite: \(\ce{2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-}\) — der Sauerstoff stammt aus dem Wasser.
- Elektronenweg:H₂O → PS II → Transportkette → PS I → NADP⁺ (wird zu NADPH + H⁺ reduziert).
- Protonengradient:Lumen pH ≈ 5, Stroma pH ≈ 8; je pH-Stufe Faktor 10 in c(H⁺).
- Fotophosphorylierung:H⁺ strömen durch die ATP-Synthase ins Stroma; dabei entsteht ATP aus ADP + Pᵢ.
Innen und außen
Wasserspaltung und H⁺-Anreicherung im Lumen; NADPH- und ATP-Bildung auf der Stromaseite — dort, wo der Calvin-Zyklus sie verbraucht.
2.3 Calvin-Zyklus und Faktoren
Im Stroma wird CO₂ mit ATP und NADPH zu Zucker aufgebaut — wie schnell, bestimmt der Minimumfaktor.
- Fixierung:Rubisco bindet CO₂ an RuBP (C5); das C6-Produkt zerfällt in zwei 3-PG (C3).
- Reduktion:jedes 3-PG mit 1 ATP und 1 NADPH zu G3P.
- Regeneration:aus fünf G3P entstehen drei RuBP (ATP-Verbrauch); ein G3P verlässt den Zyklus.
- Bilanz:je CO₂: 3 ATP und 2 NADPH · je Glucose: 6 Umläufe, 18 ATP, 12 NADPH.
- Netto und brutto:Nettofotosynthese = Bruttofotosynthese − Atmung; messbar ist nur die Nettorate.
- Kompensationspunkt:Lichtintensität, bei der Brutto und Atmung gleich groß sind (Nettorate 0).
- Minimumfaktor:Licht, CO₂ oder Temperatur — nur die Erhöhung des knappsten Faktors steigert die Rate.
- Temperatur:Optimumkurve: RGT-Regel bis zum Optimum, darüber Denaturierung der Enzyme.
- Zellatmung:Tag und Nacht in den Mitochondrien; gleiches chemiosmotisches Prinzip, entgegengesetzte Energierichtung.
Kein „Dunkel“-Zyklus
Der Calvin-Zyklus braucht kein Licht direkt, läuft aber nur, solange die Primärreaktionen ATP und NADPH nachliefern — nachts steht er still.
Die Regeln, an denen die Punkte hängen
Diese drei Stellen kosten in der Klausur am häufigsten Punkte.
Immer Struktur und Funktion
Zu jedem Merkmal die Wirkung nennen: Ein Merkmal allein („dicke Kutikula“) ist noch keine Erläuterung.
Pro CO₂ rechnen
Ein Umlauf = ein CO₂ = 3 ATP + 2 NADPH. Für Glucose mal 6, für Stoffmengen die Gesamtgleichung (1 Glucose ↔ 6 CO₂ ↔ 6 O₂).
Netto, brutto und Minimumfaktor
Bläschen und Gaswechsel zeigen die Nettorate. Eine flache Kurve heißt: Ein anderer Faktor begrenzt — nicht, dass der erste „verbraucht“ ist.