Fertige eine beschriftete Skizze des elektronenmikroskopisch erkennbaren Aufbaus eines Chloroplasten an.

Erläutere am Beispiel der Thylakoide in Chloroplasten von Pflanzen den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion anhand von zwei Aspekten.

Vergleiche die beiden Kurven in Abbildung 6 und leite Unterschiede hinsichtlich der Enzymaktivität der beiden Rubiscos ab (M 11).

Beschreibe die in M 12 dargestellten Vorgänge der Kohlenstoffdioxidfixierung bei Cyanobakterien (M 12).

Erläutere, wie es dadurch zu einer größeren Effizienz der Fotosynthese von Cyanobakterien bei höheren CO₂-Konzentrationen kommt (M 12, M 13).

Stelle eine Hypothese über das relative Pflanzenwachstum in den Versuchsansätzen A, B und dem Kontrollansatz (Tabelle 3) im Vergleich zueinander auf (M 11, M 12, M 14).

Beschriftete Skizze

Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion

• Oberfläche der inneren Membran um ein Vielfaches vergrößert → große Anzahl eingelagerter Pigmente → Absorptionsfläche für Licht erhöht → optimierte Lichtausbeute für die Fotosynthese

• Kompartimentierung ermöglicht Abgrenzung des Thylakoidinnenraums vom Stroma → Ablauf der Primär- und Sekundärreaktion der Fotosynthese in den Chloroplasten parallel zueinander möglich.

Vergleich der Kurven

• Die Anzahl der durch Rubisco übertragenen CO₂-Moleküle pro Sekunde steigt bei beiden Rubisco-Varianten mit zunehmender intrazellulärer Konzentration anCO₂.

• Bis zu einer intrazellulären CO₂-Konzentration von ca. 40 μmol/L ist die Anzahl der durch Rubisco pro Sekunde übertragenen CO₂-Moleküle bei Tabakpflanzen höher als bei Cyanobakterien. Bei CO₂-Konzentrationen höher als 40 μmol/L ist die Anzahl der durch Rubisco übertragenen CO₂-Moleküle bei Tabakpflanzen geringer als bei Cyanobakterien.

• Bei CO₂-Konzentrationen unter 40 μmol/L ist die Geschwindigkeit der Kohlenstoffdioxidfixierung durch die Rubisco der Tabakpflanzen höher als die der Cyanobakterien. Die CO₂-Fixierung der Tabakpflanzen erreicht ab ca. 75 μmol/L eine Sättigung, so dass die Geschwindigkeit nicht weiter als ca. 3 Moleküle CO₂ pro Sekunde gesteigert werden kann.

• Bei CO₂-Konzentrationen über 40 μmol/L ist die Geschwindigkeit der Kohlenstoffdioxidfixierung durch die Rubisco der Cyanobakterien höher als die der Tabakpflanzen. Die Geschwindigkeit der Kohlenstoffdioxidfixierung durch die Rubisco der Cyanobakterien steigt weiter an, da die maximale Geschwindigkeit noch nicht erreicht ist.

Unterschiede hinsichtlich der Enzymaktivität

• Enzymaktivität der Rubisco der Tabakpflanze ist bei geringer intrazellulärer CO₂-Konzentration deutlich höher als die der Rubisco der Cyanobakterien

• Enzymaktivität der Rubisco der Tabakpflanze erreicht bei geringerer intrazellulärer CO₂-Konzentration ihr Maximum

• Rubisco der Cyanobakterien ist bei hoher intrazellulärer CO₂-Konzentration aktiver als die der Tabakpflanzen

Beschreibung der dargestellten Vorgänge

• Vorhandensein von Carboxysomen zur Anreicherung von CO₂ für Calvinzyklus

• Anreicherung von Hydrogencarbonat-Ionen im Cytoplasma durch aktiven Transport von Hydrogencarbonat-Ionen aus der Umgebung in das Cytoplasma → Aufbau eines Konzentrationsgefälles zwischen Cytoplasma und Carboxysomen → Diffusion von Hydrogencarbonat-Ionen durch die selektiv permeable Proteinhülle der Carboxysomen → Umwandlung von Hydrogencarbonat-Ionen in den Carboxysomen und Umwandlung von Hydrogencarbonat-Ionen in CO₂ durch Carboanhydrase → Anreicherung von CO₂, da CO₂ die Carboxysomen nicht verlassen kann

Erläuterung der erhöhten Effizienz

• Rubisco als Carboxylase → Glukosebildung möglich

• Rubisco als Oxygenase → keine Glukosebildung möglich

• Effizienz der Fotosynthese wird erhöht, wenn die Aktivität der Rubisco als Carboxylase gesteigert werden kann

• Förderung der Rubisco als Carboxylase durch Erhöhung der intrazellulären CO₂-Konzentration

• Erhöhung der intrazellulären CO₂-Konzentration durch beschriebenen Fixierungsmechanismus in den Carboxysomen

• Fazit: Angepasstheit führt zur Effizienzsteigerung der Fotosynthese durch Erhöhung der intrazellulären CO₂-Konzentration → schnellere Übertragung von CO₂ auf Ribulose-1,5-bisphosphat → gesteigerter Ablauf des Calvin-Zyklus → mehr Glukosebildung

Hypothesen über das relative Pflanzenwachstum

Ansatz A:

• Hypothese: In Ansatz A ist theoretisch ein geringeres Pflanzenwachstum als beim Kontrollansatz und Ansatz B zu erwarten.

• Begründung: Rubisco der Cyanobakterien weist bei geringer intrazellulärer CO₂-Konzentration geringere Aktivität auf → ineffizienter Calvin-Zyklus → geringere Glukosebildung → geringeres Wachstum → im Vergleich zum Ansatz B fehlt der restliche CO₂-Fixierungsmechanismus → kein Vorteil

Ansatz B:

• Hypothese: Bei diesem Ansatz ist theoretisch ein stärkeres Wachstum der Tabakpflanze im Vergleich zu den anderen Ansätzen im Experiment zu erwarten.

• Begründung: Exprimieren der Proteine zum Aufbau der Carboxysomen und der Hydrogencarbonat-Ionen-Transporter → vollständiger CO₂-Fixierungsmechanismus im Vergleich zu Ansatz A → Erhöhung der intrazellulären CO₂-Konzentration

• CO₂-Konzentration im Carboxysom liegt bei 60 μmol/L → hohe Carboxylase-Aktivität der Rubisco gegenüber dem Kontrollexperiment und Ansatz A → Aufbau von Glucose wird gesteigert → mehr Wachstum möglich