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Zusammenfassung aller Biologie Themen, Abiturprüfungen von Biologie

Biologie

Alle Themen des Biologie Abiturs, z.B. von Neurobiologie über Ökologie über Zellbiologie und Grundlagen

Art: Abiturprüfungen

2019/2020

Zum Verkauf seit 11.04.2023

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Biologie
1) Grundlagen
Kennzeichen des Lebens: Wachstum, Stoffwechsel Fortbewegung, Fortpflanzung, Reizbarkeit
Wasserstoffbrückenbindungen:
-nähern sich zwei Wassermoleküle –> Wasserstoffbrücke
- Anziehung zwischen partiell positivem Wasserstoffatom & das partiell negativ geladenem
Sauerstoffatom eines anderen Moleküls
- bedingt die räumliche Struktur von Nucleinsäuren & Proteinen
- im Eis: weiträumiges Molekülgitter, Volumen ist groß, geringere Dichte
Van-Der-Waals-Kräfte:
- Elektronenbewegung in Molekülen führt kurzfristig zu ungleichmäßiger Ladungsverteilung –>
induzierter (angeregter) durch temporärer (kurzfristiger) Dipol
- umso stärke je größer die Moleküle
- erhöhen Siedetemperatur bei langkettigen Alkanen
=> Anziehungskräfte zwischen temporären & induzierten Dipolen
Dipol :
- in Molekül: elektr. Ladungen unsymmetrisch verteilt –> Teilladungen
- 2 Pole
nach außen hin ist das Molekül neutral geladen
Dipolcharakter des Wassermoleküls:
•zwischen O2- & Wasserstoffatom besteht eine polare Elektronenpaarbindung
•bindende Elektronenpaare werden vom O2-Atom stärker angezogen → ungleiche
Ladungsverteilung => O2-Atom partiell negativ & Wasserstoffatom partiell positiv geladen
•das Wassermolekül wird zum Dipol
•Dipolcharakter bedingt Löslichkeitsverhalten: polare Stoffe lösen sich im polarem Wasser,
unpolare Stoffe nur in unpolaren Lösemitteln
•Moleküle mit polaren Gruppen (Hydroxyg. -OH; Carboxyg. -COOH; Aminog. NH2) &
Ionen sind folglich hydrophil (wasserliebend) →im Wasser umgeben von Hydrathülle, frei
beweglich
•unpolare Gruppen (Kohlenwasserstoffketten) sind hydrophob (wassermeidend)
Elektronenpaarbindung:
- Bindung zw. Atomen wird durch Herausbildung eines oder mehrerer gemeinsamer
Elektronenpaaren bewirkt
- mind. Ein Atom erreicht eine stabile Elektronenkonfiguration
- polar: zieht ein Atom die Bindungselektronen stärker an/ näher zu sich
- unpolar: kaum unterschied bei Elektronennegativität, da die Atomkerne die Bindungselektronen
gleich stark anziehen
Elektronennegativität: relatives Maß für die Fähigkeit eines Atoms, in einer chem. Bindung die
Bindungselektronen an sich zu ziehen
Ionenbindung: entsteht durch elektrostatische Anziehung zw. positiv & negativ geladenen Ionen (in
Salzen)
- Ladung: durch Aufnahme/Abgabe von Elektronen in die Hülle der Atome
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Biologie

1) Grundlagen

Kennzeichen des Lebens: Wachstum, Stoffwechsel Fortbewegung, Fortpflanzung, Reizbarkeit Wasserstoffbrückenbindungen: -nähern sich zwei Wassermoleküle –> Wasserstoffbrücke

  • Anziehung zwischen partiell positivem Wasserstoffatom & das partiell negativ geladenem Sauerstoffatom eines anderen Moleküls
  • bedingt die räumliche Struktur von Nucleinsäuren & Proteinen
  • im Eis: weiträumiges Molekülgitter, Volumen ist groß, geringere Dichte Van-Der-Waals-Kräfte:
  • Elektronenbewegung in Molekülen führt kurzfristig zu ungleichmäßiger Ladungsverteilung –> induzierter (angeregter) durch temporärer (kurzfristiger) Dipol
  • umso stärke je größer die Moleküle
  • erhöhen Siedetemperatur bei langkettigen Alkanen => Anziehungskräfte zwischen temporären & induzierten Dipolen Dipol :
  • in Molekül: elektr. Ladungen unsymmetrisch verteilt –> Teilladungen
  • 2 Pole nach außen hin ist das Molekül neutral geladen Dipolcharakter des Wassermoleküls:
    • zwischen O2- & Wasserstoffatom besteht eine polare Elektronenpaarbindung
    • bindende Elektronenpaare werden vom O2-Atom stärker angezogen → ungleiche Ladungsverteilung => O2-Atom partiell negativ & Wasserstoffatom partiell positiv geladen
    • das Wassermolekül wird zum Dipol
    • Dipolcharakter bedingt Löslichkeitsverhalten: polare Stoffe lösen sich im polarem Wasser, unpolare Stoffe nur in unpolaren Lösemitteln
    • Moleküle mit polaren Gruppen (Hydroxyg. -OH; Carboxyg. -COOH; Aminog. NH2) & Ionen sind folglich hydrophil (wasserliebend) →im Wasser umgeben von Hydrathülle, frei beweglich
    • unpolare Gruppen (Kohlenwasserstoffketten) sind hydrophob (wassermeidend) Elektronenpaarbindung:
  • Bindung zw. Atomen wird durch Herausbildung eines oder mehrerer gemeinsamer Elektronenpaaren bewirkt
  • mind. Ein Atom erreicht eine stabile Elektronenkonfiguration
  • polar: zieht ein Atom die Bindungselektronen stärker an/ näher zu sich
  • unpolar: kaum unterschied bei Elektronennegativität, da die Atomkerne die Bindungselektronen gleich stark anziehen Elektronennegativität: relatives Maß für die Fähigkeit eines Atoms, in einer chem. Bindung die Bindungselektronen an sich zu ziehen Ionenbindung: entsteht durch elektrostatische Anziehung zw. positiv & negativ geladenen Ionen (in Salzen)
  • Ladung: durch Aufnahme/Abgabe von Elektronen in die Hülle der Atome

Proteine/Eiweiße:

  • Funktion : Bewegung (Muskel), katalysiert Stoffwechselprozesse, Gerüstsubstanz (in Haut/Haare), Transport (Atemgasen im Blut), Immunität (Antikörper), Nährstoff (Hühnereiweiß)
  • Aufbau : große kettenförmige Moleküle, Aminosäuren & Peptidbindungen Aminosäuren: kleinsten Bausteine, 20-23 verschied. In Protein
  • an zentrales Kohlenstoffatom ist ein Wasserstoffatom, eine Aminogruppe, eine Carboxygruppe & ein organ. Rest gebunden
  • Unterscheiden sich im organ. Rest; verleiht jeder Aminosäure charakteristische Eigenschaften→ polar (neutrale, saure, basische Aminosäuren)oder unpolarer Rest
  • Bildung Dipeptid
  • Verknüpfung zweier Aminosäuren → Dipeptid
  • reagiert Carboxygruppe mit Aminogruppe einer anderen Aminosäure → Peptidbindung
  • Verknüpfungen: 3-10 As.: Oligpeptid; mehr als 10: Polypeptid, ab etwa 100: Protein
  • Primärstruktur : lineare Abfolge der einzelnen Aminosäuren, die Aminosäuresequenz
    • zentrale Bedeutung für Funktion eines Proteins
  • Sekundärstruktur: symmetrische, dreidimensionale Anordnung
    • α-Helix: Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken innerhalb einer Molekülkette
    • β-Faltblatt: Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken zw. mehreren Polypeptidketten
  • Tertiärstruktur: asymmetrische dreidimensionale Anordnung
    • kann auch α-helicale & β-Faltblatt- Strukturen enthalten
    • Stabilisierung: Wasserstoffbrücken, Van-Der-Waals-Bindungen, Ionenbindungen, Elektronenpaarbindungen zwischen den Resten der unterschiedl. Aminosäuren
  • Quartärstruktur: geordnete, dreidimensionale Anordnung
    • aus mehreren Polypeptidketten, einzelnen Ketten= Untereinheiten

Kohlenhydrate:

  • Funktion: Energielieferant/-reserve, Zellatmung (Glucose zur Herstellung von ATP)
  • Aufbau: kleinste Baueinheit: Monosaccharide, Verknüpfung zweier Monomere → Disaccharide, mehrere tausend Monomere verbunden: Polysaccharide
  • Monosaccharide (Einfachzucker)
    • Unterteilung in Hexosen (6 Kohlenstoffatome) & Pentosen (5 C-Atome)
    • Glucose (Traubenzucker): C H₆ ₁₂O ₆, Position der C-Atome durch Ziffern markiert, nach Stellung der Hydroxygruppe (OH-Gruppe) am C-1-Atom unterscheidet man zwischen α- & β-Glucose
    • Hexosen: Fructose (Fruchtzucker), Galactose (Schleimzucker)
    • Pentosen: Ribose (in RNA), Desoxyribose(DNA)
  • Disaccharide (Zweifachzucker)
    • zwei Einfachzucker verknüpfen entstehende
    • Bindung: glykosidische Bindung
    • Maltose (Glucose+Glucose); Saccharose (Haushalszucker, α-Glucose+Fructose); Laktose (Milchzucker, Glucose+Galaktose)
  • Polysaccharid (Vielfachzucker)
    • über 10- mehrere Tausend Monomere
    • Vertreter: Stärke, Cellulose
    • Stärke (pflanzlicher Speicherstoff): Amylose (schraubigen unverzweigten Ketten aus mehreren hundert Glucosemolekülen)+Amylopektin (mehrere Tausend Glucosemolekülen)
    • Cellulose: lange unverzweigte Ketten von Glucosemolekülen, nebeneinander angeordnet

Eukaryote (tierische&pflanzliche):

  • echter Zellkern mit Kernhülle
  • Bildung getrennter Reaktionsräume durch Membran = Kompartimentierung
  • zahlreiche Organellen mit spezifischen Funktionen
  • größere Ribosomen (80S-Typ)
  • Tierzelle nicht: Zellwand Chloroplasten

Zellorganellen:

  1. Zellkern (Nukleus): Bestandteile: Chromatin(DNA), Kernplasma, Kernkörperchen (Nukleolus), Kernhülle mit Kernporen, Kernmembran; Funktion: Steuerzentrale, Träger der Erbinformation
  2. Endoplasmatisches Retikulum: raues ER mit Ribosomen, glattes ohne; Funktion: Transport, Stoffumwandlung, Aufnahme/Speicherung Calcium, Signalübertragung
  3. Ribosomen: große&kleine Untereinheit, bestehend aus Protein & mRNA; Funktion: Ort der Proteinbiosynthese
  4. Mitochondrien: Kraftwerk der Zelle, Bildung von ATP bei Zellatmung, Fettsäure- & Aminosäureabbau
  5. Chloroplast: Ort der Fotosynthese (pflanzliche)
  6. Golgi- Apparat: Bildung Zellmembran/Zellwand, Stofftransport, Ausprägung der Vesikel
  7. Cytoplasma: hält Zelle in Form, Transportmedium
  8. Lysosom: intrazelluläre Verdauung, Abbau Zellgifte
  9. Vesikel: Transportmittel
  10. Zellmembran/Kernpore: Schutz, Stoffaustausch, Stoffwechselprozesse (Nur pflanzliche)

Endosymbionten-Theorie

=> Mitochondrien & Chloroplasten aus ursprünglich frei lebenden Bakterien entwickelt

  • Bakterien wurde vermutlich von Ur-Eukaryoten durch Endocytose aufgenommen
  • nicht verdaut, sondern lebten in ihnen weiter
  • im Laufe der Evolution: Bakterien & eukaryotischen Zellen voneinander abhängig => Bildung einer Endosymbiose Belege für die Theorie:
    • Größe entspricht der kleiner Bakterien, von zwei Membranen umgeben
    • Beide Zellorganelle beinhalten eigene, ringförmige DNA, wie Bakterien
    • teilen sich unabhängig von der übrigen Zellteilung
    • verfügen über eigene Ribosomen, die den bakteriellen Ribosomen gleichen

Biomembranen

→ grenzen Zellen nach außen hin ab, unkontrollierbarer Stoffaustausch wird verhindert, es entstehen voneinander abgegrenzte Reaktionsräume => Kompartiment

Aufbau:

  • bestehen aus Lipiden, Proteinen, geringe Mengen auch Kohlenhydrate
  • Phospholipid: hydrophilen und hydrophoben Bereich, in Doppelschicht angeordnet, hydrophilen Bereiche nach außen zum Wasser, die hydrophoben nach innen gerichtet => Lipid-Doppelschicht
  • mehr oder weniger flüssige Phospholipid-Doppelschicht, in die Proteine mosaikartig eingelagert sind → können frei bewegen, schwimmen unregelmäßig verteilt => Flüssig-Mosaik-Modell
  • lose an die Oberfläche gebunden: periphere Proteine, integrale Proteine: unterschiedl. Tief, ganz durch und so Tunnelproteine bilden
  • Membran-Asymmetrie: durch Kohlenhydratketten→ nur an Außenseite sind Kohlenhydrate an Lipitde & Proteine gebunden = Glycolipiden, bzw. Glycoproteinen, Schicht= Glykokalyx

Stofftransport durch Biomembranen:

Diffusion: selbstständiger Ausgleich von Konzentrationsunterschieden, beruht auf molekularen

Teilchenbewegungen

freie/ungehinderte Diffusion:

  • Transport ohne Energieaufwand in Richtung des Konzentrationsgefälles
  • Transfer durch die Lipid-Doppelschicht
  • unspezifisch, nicht selektiv
  • große & kleine hydrophobe Moleküle befördert ( 02,CO2)
  • Zusammenhang zwischen Transportgeschwindigkeit und dem Konzentrationsunterschied

passiver Transport- erleichterte Diffusion:

  • Transfer nur in Richtung des Konzentrationsgefälles ohne Energieaufwand
  • Transport über Kanalproteine oder spezifische Proteincarrier
  • spezifischer Transfer
  • schneller als freie Diffusion
  • Transfer von Wassermolekülen durch hydrophile Tunnelproteine
  • Ionen & größere polare Moleküle können Membran nicht durchdringen => mithilfe von Transportproteinen, Unterschied zw. Carrier/Trägerproteinen & Tunnel-/Kanalproteinen

3) Stoffwechsel

Enzyme

  • sind Proteine, die für biochemische Reaktionen unentbehrlich sind
  • erniedrigen Aktivierungsenergie & ermöglichen Reaktionen, die sonst nicht o. langsam ablaufen
  • gehen aus Reaktion unverändert hervor => (Bio-)Katalysatoren
  • Katalysator: Stoff, der Reaktionsgeschw. einer chem. Reaktion beeinflusst & die Aktivierungsenergie herabsetzt, ohne selbst verbraucht zu werden
  • Abhängigkeit Enzymaktivität: Temperatur, Substratmenge, Konzentration Endprodukts

Ablauf der enzymatischen Reaktion:

  • Substratmolekül (Schlüssel) verbindet sich mit dem Enzym(Schloss) und bildet ein Enzym- Substrat-Komplex
  • Substrat bindet an besttm. Abschnitt = aktiven Zentrum , Substrat muss ein zum Enzym passende Form haben; Enzym= substratspezifisch
  • aktive Zentrum lässt nur bestim. chem. Reaktionen zu, Enzyme= reaktionsspezifisch/wirkungsspezifisch
  • Enzym-Substrat-Komplex zerfällt, Produkt & Enzym (unverändert) werden freigesetzt
  • im Substratmolekül werden Bindungen zw. bestim. Atomen verzerrt, sodass sie instabil werden und sich lösen → neue Bindungen werden geknüpft → bilden Produkte

Beeinflussung Enzymaktivität:

  • trägt man Enzymaktivität gegen Temperatur auf, erhält man charak. Optimumkurve → mit steigender Temperatur wächst Teilchenbewegung
  • Zusammentreffen Enzym & Substrat wird so begünstigt, Enzymaktivität steigt
  • Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt bis verdreifacht sich bei Erhöhung um 10°C (RGT-Regel), gilt nur bis 40°C, weil dann die Proteine denaturieren (Struktur verlieren)
  • trägt man Enzymaktivität gegen den pH-Wert auf, erhält man Optimumkurve mit den drei Kardinalpunkten pH-Minimus; pH-Optimum; pH-Maximum
  • meisten Enzyme haben pH-Optimum bei einem pH-Wert von 7 → Abweichung beeinflusst stabilisierende Wechselwirkung innerhalb Proteinmoleküls und dessen Tertiärstruktur Reaktionsgeschw.

Reaktionsgeschwindigkeit & Hemmung des Enzymaktivität

  • trägt man Reaktionsgeschwindigkeit gegen Substratkonzentration auf, erhält man Sättigungskurve
  • bei niedriger Substratkonzentration= zahlreiche Enzymmoleküle frei, Geschwindigkeit ist hoch
  • mit steigender Konzentration= nimmt Zahl der gebundenen Enzymmolekülen zu, bis alle Enzyme belegt sind
  • eine weitere Erhöhung der Substratkonzentration bewirkt keine Steigung der Geschwindigkeit => ungehemmte Enzymreaktion
  • Enzymaktivität wird durch Hemmstoffe/Inhibitoren reguliert

Kompetitive Hemmung:

  • Hemmstoff ähnelt in chem. Struktur dem Substrat und konkurriert um Besetzung des aktiven Zentrums
  • gebundener Hemmstoff wird nicht umgesetzt, löst wieder aus aktiven Zentrum → verringert die Geschwindigkeit der Enzymaktivität
  • Erhöhung Substratkonzentration führt zur Verdrängung des Hemmstoffs
  • bei hoher Konzentration wird maximale Konzentrationsgeschw. trotz Hemmstoff erreicht

Nichtkompetitive Hemmung:

  • Hemmstoff lager außerhalb des aktiven Zentrums an → Veränderung der dreidimensionalen Struktur des Enzyms; Form aktiven Zentrums verändert sich→ Allosterisches Zentrum
  • Substratmoleküle können nicht binden
  • wenn Hemmstoff ablöst, bindet direkt an neues Enzym
  • Anzahl aktiver Enzyme verringert, max. Reaktionsgeschwindigkeit nicht erreicht werden
  • Erhöhung Substratkonzentration kann Hemmwirkung nicht beeinflussen, Hemmstoff & Substrat nicht um aktives Zentrum konkurrieren

Irreversible Hemmung: Hemmstoffe binden dauerhaft an Enzym

2. Citratzyklus

oxidative Decarboxylierung

  • Bei Anwesenheit von O2 wird Pyruvat unter Abspaltung eines CO2-Moleküls an Coenzym A angelagert
  • entstehende C2 Einheit, Acetyl-Coenzym A, bezeichnet als aktivierte Essigsäure
  • auf Abspaltung CO2-Moleküls folgt eine Oxidation → oxidative Decarboxylierung
  • 2Pyruvat + 2NAD+ + 2CoA-SH→ 2 Acetyl-CoA+ 2NADH+H+ + 2 CO Beginn Citratzyklus:
  • C2-Einheit Acetyl-Coenzym A reagiert mit C4-Körper → entsteht Citrat
  • zwei Kohlenstoffatome in Folgereaktionen den Zyklus verlassen
  • weitere Schritte dienen der Regeneration des C4-Körpers zum Akzeptormoleküls Oxalacetat
  • auch das zweite Pyruvat durchläuft den Citratzyklus
  • es wurden sechs Kohlenstoffatome eines Glucose-Moleküls vollständig zu 6 CO2- Molekülen oxidiert
  • Oxidation ist mit Bildung von 8 Molekülen NADH+H+ & 2 FADH2 verbunden
  • 2 Acetyl-CoA+ 6NAD+ + 2FAD + 2ADP + 2P + 4H2O → 4CO2 + 6NADH+H+ +2ATP + 2FADH2 +2CoA Abspaltung Akzeptormolekül reduziert 2 C-Atome abgesplaten Bei jedem Schritt Enzym beteiligt → Umgewandelt, läuft 2 Mal ab ADP+Pi → ATP (entsteht) H2O abgespaltet,

3. Atmungskette

  • im letzten Schritt werden NADH+H+ & FADH2 aus Glykolyse & Citratzyklus zu NAD+ & FAD oxidiert
  • die freiwerdenden Elektronen & H-Atome werden auf Sauerstoff übertragen
  • Energie wird frei, entsteht Wasser
  • Freisetzung der Elektronen von NADH+H+ & FADH2 erfolgt an speziellen Enzymkomplexen in der inneren Mitochondrienmembran
  • diese Freisetzung ist mit dem Transfer von H+-Ionen (Protonen) durch inneren Mitochondrienmembran in den Intermembranraum gekoppelt→ entsteht Protonengradient, der für die Bildung von ATP genutzt wird:
  • Protonen fließen zurück in Matrixraum, passieren Membranprotein → ATP-Synthase , es entsteht ATP
  • da die Phosphorylierung von ADP durch Oxidation von NADH+H+ & FADH2 angetrieben wird → oxidativen Phosphorylierung
  • pro NADH+H+ 3 ATP gebildet, FADH2 liefer 2 ATP
  • liefert aus 10 Molekülen NADH+H+ & zwei Molekülen FADH2 bis zu 34 Molekülen ATP, muss 2 ATP abziehen für den Transport von NADH+H+ aus Cytoplasma ins Mitochondrium, also 32 ATP
  • ein Molekül Glucose ergibt bei vollständigen Oxidation 36 Moleküle ATP Hemmstoffe der Zellatmung
  • in intakten isolierten Mitochondrien→ Kopplung zw. Atmungskette & ATP-Synthase wechselseitig → Verhältnis der Konzentration an ADP bzw. ATP & NAD bzw. NADH beeinflussen Ablauf der Atmungskette & der ATP-Synthase
  • diese Rückkopplung der Atmungskette an ATP-Synthase => zelluläre Atmungskette
  • spezifische Hemmstoffe (Atemgifte) blockieren Atmungskette → Rotenon (Insektizid) & einige Barbiturate hemmen Übertragung von Wasserstoff von NADH2 auf den Enzymkomplex 1 → Antibiotikum Antimycin blockiert Weitergabe von Elektronen von Coenym Q auf den Cytochrom c-Komplex → Cyanidionen & Kohlenstoffmonoxid hemmen Elektronentransport von Cytochrom c auf Komplex 4 , Bindungstelle für Sauerstoff blockieren → Oligomycin & Rutamycin blockieren ATP-Synthase
  • Entkoppler: verhindern Aufbau eines Protonengradienten (Arsenat, Thyroxin) → Zellatmung im Leerlauf, ohne Bildung von für die Zelle verwertbarer Energie (ATP)

Fotosynthese

Licht

  • elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zw. 400-760 nm (sichtbares Licht)
  • Licht als Wellen , Energie von Wellenlänge bzw. Frequenz bestimmt (UV höchste F , sichtbares Licht mittlere, IR niedrigste )
  • kurzwellige Strahlung ist energiereicher als langwellige
  • Licht aus allen Wellenlängen = unbunt
  • 400-500 nm = blau, 500-550 nm= grün, 550-600= gelb, über 600 nm= rot
  • Licht einer einzelnen Wellenlänge= monochromatisch
  • Strahlung kann in Wärme umgewandelt werden, Reaktionen beschleunigen
  • Strahlung kann Struktur von Molekülen zerstören, kurzwellig (Röntgen-, UV-, Gammastrahlung) besonders gefährlich
  • kann Elektronen von Molekülen anregen→ höheren Energiezustand versetzt→ reaktionsfreudig → chem. Arbeit leisten Bedeutung
  • zentrale Stoffwechselvorgang auf der Erde
  • aus energiearmen, anorganischen Stoffen Kohlenstoffdioxid & Wasser bauen Pflanzen in Chloroplasten die energiereichen organischen Verbindung Glucose auf, Nebenprodukt O
  • Energie stammt vom Sonnenlicht
  • 6 H 2 O + 6 CO 2 = 6 O 2 + C 6 H 12 O 6
  • Pflanzen nutzen Glucose für Aufbau körpereigener Stoffe = autotrophe Organismen
  • erzeugte pflanzliche Biomasse bildet Nahrungsgrundlage = heterotrophen Organismen bauen organische Stoffe zu energiearmen anorganischen Stoffen, Kohlenstoffdioxid frei **Außenfaktoren
  1. Licht**
  • über CO2 Aufnahme verfolgt werden, Pflanzen bauen Nährstoffe ab, sodass CO2 produziert
  • Abhängigkeit der Fotosyntheseleistung von Lichtintensität → Sättigungskurve
  • geringen Lichtintensität überwiegt CO2-Abgabe durch Zellatmung die fotosynthetische CO2-Aufnahme
  • Lichtkompensationspunkt= charakterisiert Lichtintensität, bei der sich CO2-Abgabe & Aufnahme entsprechen
  • apparente Fotosyntheseleistung steigt proportional zur Lichtintensität
  • ab bestimmter Lichtintensität führt weitere Zunahme der Lichtintensität zu keiner Erhöhung der Fotosyntheseleistung = Lichtsättigung
  • Schattenpflanzen geringere Lichtkompensationspunkte/ niedrigere Lichtsättigung 2) Temperatur
  • bei hoher Lichtintensität wird Fotosyntheserate von Temperatur bestimmt, zeigt für enzymkatalysierte Reaktionen typische Temperaturabhängigkeit
  • trägt man Fotosyntheseleistung gegen Temperatur auf , ergeben charakt. Optimumkurven
  • Lage der drei Kardinalpunkte (Minimum, Optimum, Maximum): abhängig vom Standort, Pflanzenart
  • bei Starklicht steigt die Fotosynthese mit zunehmender Temperatur stark an
  • wirken fotochemische Reaktionen limitierend → Temperatureinfluss gering
  • bei Schwachlicht hat Erhöhung Temperatur keinen Einfluss auf Fotosynthese 3) Kohlenstoffdioxid
  • Optimum der Pflanzen 0,1 Vol. %, CO2-Gehalt der Luft ca. 0,04 Vol. %
  • Fotosyntheseleistung durch künstliche Begasung mit CO2 steigern Minimumgesetz: der am weitesten vom Optimum entfernte Faktor beeinflusst Fotosyntheserate am meisten, trotz optimaler Licht-& Temperaturverhältnisse Rate begrenzt, da zu wenig CO

Bau der Chloroplasten

  • umschlossen von Doppelmembran
  • inneren schnürt Membransäckchen, Thylakoide, ab
  • im Stroma findet man einzelne Stromathylakoide
  • geldrollenartige Stapel, dem Grana, aus übereinander liegenden Granathylakoiden → in zwei getrennte Reaktionsräume gegliedert Absorptionsspektrum
  • in Thylakoiden befinden sich verschiedene Blattfarbstoffe
  • absorbieren unterschiedlich viel Licht
  • Chlorophyll a absorbiert vorwiegend im blauen & roten Bereich
  • Chlorophyll b besitzt Absorptionsmaxima, die zu mittleren Wellenlängen verschoben sind
  • sämtliche Pigmente zeigen nur geringe Absorption im grünen Bereich Wirkungsspektrum
  • bestrahlt lebende Pflanzen mit Licht (unterschiedl. Wellenlänge) → über gebildete Sauerstoffmenge die Fotosyntheseleistung bestimmen → Wirkungsspektrum, bei welcher Wellenlänge die Fotosynthese am besten läuft Vergleich:
    • nur absorbiertes Licht ist fotosynthetisch wirksam
    • Chlorophyll a= zentrale Fotosynthese-Pigment
    • Chlorophyll b & Carotin verringern Grünlücke, indem dort Licht absorbiere, wo Chlorophyll a nicht absorbiert, dienen als Antennenpigmente Engelmann´scher Bakterienversuch
  • eine Fadenalge wird nicht Licht unterschiedl. Wellenlänge bestrahlt
  • zugegebene sauerstoffliebende Bakterien lagern bei Belichtung bevorzugt da an, wo Fotosynthese der Alge ihre Leistungsmaxima aufweist: blau-violetten & orangen-roten Bereich des sichtbaren Lichts Äußere Membran Innere Membran Stroma Granathyakoide Stromathylakoide Stärkekorn Ribosomen DNA Lipid-Tropfen Lumen (Granainnenraum)

Zyklische Eletronentransport/Phosphorylierung:

Ziel:ATP, beginnt und endet im Fotosystem I

  • P700 absorbiert Photon → angeregt zu P700*
  • angeregte Elektron wird vom P700* auf Ferredoxin übertragen→ reduziert
  • leitet an Plastochinon weiter→ reduziert, passiv 2 H+ aus Stroma in Thylakoidlumen transportiert
  • über Cytochrom-bf-Komplex & Plastochinon gelangt es zum P700* zurück
  • reduziert, ungeladene Form P700 zurück während Elektronentransport→ Protonengradient, mithilfe dessen ATP-Synthase ADP zu ATP phosphorylieren kann

2) Sekundärreaktion/ lichtunabhängige Reaktion

2.1: Fixierung von CO2:

  • Primärakzeptor für CO2 ist 6 RubP (Ribulose-1,5-bisphosphat, C5-Körper)
  • Rubisco katalysiert 6CO2 & 6H2O zu C6-Körper→ instabil→ zerfällt in zwei C3-Körper Phosphoglycerinsäure (12PGS) 2.2: Reduktion des C3-Körper und Zuckersynthese:
  • Produkte der Primärreaktion werden zur Reduktion genutzt
  • 12NADPH+H+ wird zu 12NADPH+ gesplaten, Elektronen abgegeben
  • 12ATP zu 12ADP, Energie frei
  • 12H2O wird abgegeben , es entsteht 12 PGA (Phospho-glycerinaldenhyd)
  • 2 PGA genutzt für Entstehung/Aufbau von Glucose 2.3: Neusynthese:
  • 10 PGA wird zu 6 RubP umgebaut, dabei wird Energie benötigt 6ATP→ 6ADP Fotorespiration
  • Enzym Rubisco: eine Carboxylase (addiert CO2 an RubP), Oxygenase (O2 an RubP addiert) → stehen in Konkurrenz
  • wenn RubP mit O2 reagiert –> keine Verbindung mit CO2, vermindert Gesamtmenge an CO2, die in Kohlenhydrate (Zucker) umgewandelt werden kann → begrenzt Pflanzenwachstum
  • Fotorespiration vermindert die Fotosyntheseleistung
  • durch Fixierung O2 entsteht Phosphoglycolat, kann nicht im Calvin-Zyklus abgebaut werden→ durch andere energieraubende biochemischen Reaktionen umgewandelt werden → in drei Zellkompartimenten: Chloroplast, Peroxisom, Mitochondrium
  • in Glycolat umgesetzt, aus Chloroplast heraustransportiert, durch spezielle Kanäle in Peroxisom
  • Dort Glycolat zu Glyoxylat oxidiert (O2 verbraucht), giftiges H2O2 entsteht
  • Glyoxylat durch spezielle Enzyme zu Aminosäure Glycin umgewandelt, wird in Mitochondrium transportiert
  • hier vereinen sich 2 Glycin zu Serin, entsteht CO
  • Serin umgewandelt & gelangt über Peroxisom zurück in Chloroplast wo es als PGA in Calvin-Zyklus gelangt und in Zucker umgesetzt wird Entscheidung zw. O2 & CO2:
  • zehnfach höhere Affinität für CO2 , CO2-Fixierung bevorzugt
  • O2-Gehalt im Blatt hoch = Rubisco als Oxygenase
  • Kohlendioxid liegt vor = Carboxylase
  • Temperatur: Fotorespiration bei höherer Temperatur, an heißen Sommertag schließen Spaltöffnungen um Wasserverlust zu vermeiden → kein Gasaustausch, CO2-Konzentration sinkt, O2 steigt C4-Pflanzen
  • CO2 an C3-Körper gebunden ( Phosphoenolpyruvat, PEP)
  • katalysierende Enzym PEP-Carboxylase hat höhere Affinität zu CO2 als Rubisco, sodass bei geringer CO2-Versorgung ausreichend Fotosynthese betrieben werden kann
  • die bei CO2-Fixierung entstehende Äpfelsäure, hat vier C-Atome=> C4-Pflanzen
  • besitzen Bündelscheidenzellen, die die Leitbündel umschließen
  • zw. Leitbündelscheide & Blattepidermis liegen die Mesophyllzellen, hier erfolgt CO2-Fixierung
  • C4-Körper in Bündelscheidenzellen transportiert, in denen CO2 freigesetzt & gebunden wird
  • aufgrund höheren CO2-Konzentration findet kein Stoffverlust durch Lichtatmung statt
  • folgt Weiterverarbeitung über Calvin-Zyklus
  • höhere Zuwachsrate als C3-Pflanzen bei optimaler Lichtversorgung
  • zu Hochleistungspflanzen gehören Mais, Zuckerrohr, Hirse Unterscheide C3- & C4-Pflanzen: Akzeptor: C3: Ribulose-1,5-bisphosphat; C4: Phosphoenolpyruvat Entstehung: C3: 3 Phosphoglycerat ( 3Atome); C4: Dicarbonsäure (4Atome) Temperatur: C3: hoch→ Stromata geschlossen, keine CO2-Aufnahme; C4: Affinität zu CO Gedeihen: C3: CO2-Gehalt von 0,005%; C4: noch bei 0,0001%

Ökologie

–> diejenige Teildisziplin der Biologie, welche die Beziehung zw. Organismen untereinander & mit ihrer Umwelt erforscht –> beschreibt Beziehung zw. Lebewesen & ihrem natürlichen Lebensraum Definitionen: Individuum: einzelnes Lebewesen Population: Gruppe von Individuen der selben Art, die ein bestim. Geografisches Gebiet bewohnen, sich untereinander fortpflanzen & über mehrere Generationen genetisch verbunden sind Biozönose: Lebensgemeinschaft von Pflanzen & Tieren in einem Biotop Biotop: Lebensraum einer Art Ökosystem: kleinste ökologische Einheit eines Lebensraumes mit in ihm wohnenden Lebenswesen (Wald, See, Bach) Biosphere: Gesamtheit aller Ökosysteme

Autökologie :

  • Wechselwirkung zwischen dem einzelnen Organismus & der Umwelt
  • wirken unterschiedl. Umweltfaktoren → abiotische und biotische
  • abiotische: Temperatur, Wasser, Licht, pH-Wert
  • biotische: Nahrungsbeziehungen, Konkurrenz, Krankheitserreger, Parasiten abiotische Faktoren: Toleranz & ökologische Potenz:
    • variiert Faktor & misst ergebende Lebensaktivität→ Toleranzkurve
    • begrenzt durch Minimum & Maximum, unter/über diesem Wert→ kein Leben möglich
    • dazwischen: Toleranzbereich, Optimum, Aktivität der Lebewesen am höchsten
    • Pessima (Pessimum): Abschnitte im Toleranzbereich, in denen sie überleben aber nicht fortpflanzen können
    • genetisch festgelegt: → Stenopotente Arten: engen Toleranzbereich (Wollgras wächst nur auf sehr feuchten Moosböden) → Eurypotente: weiten Toleranzbereich (Waldkiefer gedeiht sowohl an sandig trockenen wir an feuchten Moorstandorten) → physiologischen Potenz: genetisch festgelegte Fähigkeit, ohne Konkurrenz, Schwankungen des Umweltfaktors zu ertragen; theoretischer, unter Laborbedingungen ermittelter Wert, da Reinkultur ohne jede Konkurrenz durch andere Arten in der Natur nur selten vorkommt → ökologische Potenz: Fähigkeit einer Art, in Lebensgemeinschaft mit anderen Organismen, unter Bedingungen natürlicher Konkurrenz, Schwankungen des Umweltfaktors zu ertragen; beinhaltet Reaktionsvermögen einer Art auf Kombination von abiotischen & biotischen Faktoren; deutlich geringer als physiologische Potenz

Umweltfaktor Temperatur

  • sämtliche Lebensvorgänge sind temperaturabhängig, da temperaturabhängige chemische Reaktionen zugrunde liegen
  • nach Regulation der Körpertemperatur unterscheidet man 2 Typen: wechselwarme & gleichwarme wechselwarme/ ektotherme Organismen
  • geringe Wärmeproduktion durch eigenen Stoffwechsel
  • Körpertemperatur gleicht sich der Umgebungstemperatur an
  • im Bereich zw. Minimum & Optimum werden Lebensprozesse bei Temperaturerhöhung um 10° C um das Zwei- bis Dreifache beschleunigt (RGT-Regel)
  • unterhalb/oberhalb bestim. Temperaturgrenzwerte zeigen sie keine aktiven Lebensäußerungen (Kälte-/Wärmestarre)
  • keine/kaum Kühlungsmechanismen (Schwitzen)
  • Energie-&Nahrungsbedarf geringer als bei gleichwarmen
  • Vorteile: geringerer Nahrungsbedarf, im Winter keine Nahrungszufuhr nötig
  • Nachteile: nur Regionen mit hinreichenden Temperaturen besiedelt werden
  • Tiergruppen: Wirbellose, Fische, Amphibien, Reptilien Gleichwarme/endotherme Organismen
  • hohe Wärmeproduktion durch eigenen Stoffwechsel
  • annähernd konstante Körpertemperatur unabhängig von Umgebungstemperatur
  • unterstützen Wärmeregulation (Isolationseffekt): Federn, Fettschicht, Haarkleid
  • effiziente Temperaturregulation durch körpereigene Regulationsmechanismen (sinkenden Außentemp.: Muskelzittern (Wärmeproduktion), Aufstellen der Haare, Einrollen; steigende Außentemp.: Kühlung des Körpers durch Schwitzen oder Hecheln)
  • Energie-& Nahrungsbedarf deutlich höher
  • Vorteile: optimale Aktivität in breiten Temperaturspektrum, Besiedlung annähernd aller Lebensräume der Erde möglich
  • Nachteile: hoher Nahrungsbedarf für Wärmeproduktion/Kühlung
  • Tiergruppen: Vögel, Säugetiere → Winterruhe: (Eichhörnchen, Dachs, Bär) wenig abgesekte Körpertemperatur, geringer Energieverbrauch → Winterschlaf: (Igel, Hamster, Fledermaus) stark abgesenkte Körpertemperatur, hohe Energieeinsparung

Klimaregeln für gleichwarme Tiere

Bergmann`sche Regel

  • Individuen einer Art oder nahe verwandter Arten sind in kalten Gebieten größer als in warme Regionen
  • große Tiere im Verhältnis zum Körpervolumen eine relativ geringe Körperoberfläche besitzen
  • Volumen Körpers steigt mit wachsender Größe in der dritten Potenz, Oberfläche nur mit der zweiten Potenz
  • kühlen Regionen: kleinere Körperoberfläche bei relativ großem Volumen von Vorteil, Wärmeaustausch mit der Umwelt über Oberfläche erfolgt
  • Voraussetzung: genügend Nahrung Allen`sche Regel
  • bei verwandten Arten gleichwarmer Tiere sind Körperanhänge (Ohren, Schwänze) in kalten Klimazonen kleiner als in wärmeren Gebieten
  • große Körperanhänge→ relativ große Oberfläche, kühlen schneller ausgleiche
  • warmen Regionen dienen z.B. große Ohren der Abgabe überschüssiger Wärme, Thermoregulation, dort Tiere mit relativ großen Körperanhängen

Umweltfaktor Wasser

Wassertiere : Wasserhaushalt aquatisch lebender Organismen durch osmotischen Wert des umgebenden Mediums bestimmt ➢ Isoosmotisch: bei marinen Wirbellosen (Muscheln, Würmer) entspricht Konzentration osmotisch aktiver Moleküle in Körperflüssigkeit des des umgebenden Wassers ➢ Hypoosmotisch: marinen Knochenfischen weisen Flüssigkeit innerhalb Körpers eine niedrigere Konzentration als das umgebende Wasser→ konstanter Wasserverlust; Ausgleichen durch trinken Meerwasser & Ausscheiden aufgenommenen Salzen über Kiemen