Stoffwechsel der Pflanzen: Die Fotosynthese.

Ohne die Fähigkeit der Pflanzen, mit Hilfe von Lichtenergie und Chlorophyll aus Kohlenstoffdioxid und Wasser organische Substanzen [also Biomasse] herzustellen, und nebenbei auch noch Sauerstoff zu produzieren, wäre kein Leben auf der Erde möglich, so wie wir es kennen.

Bau der Pflanzenzelle
  • Schema ↓
    Bau einer Pflanzenzelle [schematisch, vereinfacht]

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  • Bau und Funktion der pflanzlichen Zelle → ein Überblick [elektronenmikroskopischer Bau] ...
    Zellorganell Besonderheiten im Bau wichtige Funktionen
    Zellwand enthält Cellulose, fest, dick, mit Poren Abschluss, Schutz, Stoffdurchlass [passiv]
    Zellmembran dünnes Häutchen Abschluss, Schutz, Stoffdurchlass [aktive Hindurchschleusung von Stoffen]
    Zellplasma enthält Wasser, Salze und organische Stoffe viele Stoffwechselprozesse, Speicherung, Stofftransport, Zellinnendruck
    Zellkern [Nukleus] enthält DNA und RNA Vererbung [mehr]; Steuerung der Zellprozesse
    Chloroplasten enthalten grünen Blattfarbstoff Chlorophyll Fotosynthese
    Mitochondrien membranumgrenzt, im Innern große Membranoberfläche durch Faltung Zellatmung [biologische Oxidation] zur Energiegewinnung
    Ribosomen am ER oder im Plasma befindlich Eiweißsynthese
    Vakuole[n] membranumgrenzt, flüssigkeitsgefüllt Stoffspeicherung [Wasser, Salze etc.], Zellinnendruck
    Endoplasmatisches Reticulum [ER] Membransysteme, mit oder ohne Ribosomen Stofftransport in der Zelle
    Golgi-Apparat aus vielen hundert Dictyosomen gebildet; Stapel membranumschlossener Reaktionsräume Ausscheidung [Sekretbildung im Zellstoffwechsel], Stoffspeicherung, Synthese von Membranen und Proteinen
  • tierische Zellen → besitzen übrigens keine Chloroplasten, keine Zellwand und auch keine Vakuolen
Bau und Funktion Laubblattes
  • Organe der Samenpflanzen → Blüten, Laubblätter, Sprossachse mit Leitbündeln, Wurzel
  • Bau eines Laubblattes ↓
    Laubblatt Querschnitt [schematisch, zweikeimblättrige Pflanze; auf viele Zellbestandteile wie Zellkerne oder Vakuolen wurde zwecks Übersichtlichkeit verzichtet, Zellen mit Chloroplasten sind aber gekennzeichnet]

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  • Bau und Funktion → Teile eines Laubblattes und ihre Aufgaben
    Gewebe, Organ Bau Funktion
    Kutikula [Cuticula] Wachsschicht Verdunstungsschutz
    obere Epidermis ein- oder mehrschichtig; keine Chloroplasten Abschluss, Schutz
    Palisadengewebe dicht gepackte zylindrische Zellen mit Chloroplasten; manchmal auch mehrschichtig [z.B. bei einigen Schattenblättern] Fotosynthese
    Schwammgewebe relativ lockeres Gewebe aus Zellen mit Chloroplasten Fotosynthese
    Interzellularen Zellzwischenräume Gastransport
    Spaltöffnungen je 2 Schließzellen [enthalten Chloroplasten] Transpiration, Gasaustausch
    untere Epidermis ein- oder mehrschichtig; ohne Chloroplasten; mit Spaltöffnungen Abschluss, Schutz
    Leitbündel [Blattader] bestehen u.a. aus Gefäßen [Xylem, Holzteil] und Siebröhren [Phloem, Siebteil] Transport von Wasser zum Blatt [Gefäße] bzw. von organischen Stoffen in Richtung Wurzel [Siebröhren]
  • Gasaustausch → Aufnahme von Kohlenstoffdioxid sowie Abgabe von Sauerstoff durch die Spaltöffnungen [passiv]
  • Transpiration → geregelte Wasserdampfabgabe durch die Spaltöffnungen [aktives Öffnen und Schließen der Spaltöffnung in Abhängigkeit von Luftfeuchtigkeit und Wasseraufnahme durch die Pflanze; Grund: Änderung des Zellinnendruckes der Schließzellen]; dadurch entsteht ein Sog in der Pflanze [Transpirationssog]
  • Wasserleitung in der Pflanze → Transport des Wassers von der Wurzel in alle oberirdischen Organe der Pflanze u.a. infolge des Transpirationssoges, aber auch durch andere Kräfte wie, Kapillarität [Wirkung dünner Röhren auf den Wasserstand], Kohäsion [Bindungskräfte zwischen Teilchen eines Stoffes, hier Wassermolekülen] und Adhäsion [Bindungskräfte zwischen unterschiedlichen Phasen, hier Wasser und Gefäßinnenwände]
Gesamtprozess der Fotosynthese
  • Fakten zur Fotosynthese → sind insbesondere ...
    • Ort Chloroplasten [in allen grünen Pflanzenteilen]
    • Ausgangsstoffe Gesamtprozess Kohlenstoffdioxid, Wasser
    • Reaktionsprodukte Gesamtprozess Glucose [Traubenzucker], Sauerstoff
    • Hinweis nicht benötigte Glucose wird anschließend in speicherbare Stärke umgewandelt
    • Bedingungen Lichtenergie, Chlorophyll
    • Gesamtreaktion [Wortgleichung]: Kohlenstoffdioxid + Wasser Glucose + Sauerstoff [exotherm]
    • Gesamtreaktion [Reaktionsgleichung]: 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 ; ΔH = +2870 kJ/mol
      [Nettoreaktion]
    • Bruttoreaktion: 6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
    • Einordnung des Stoffwechselprozesses autotrophe Assimilation
  • Schema ↓
    Die Gesamtreaktion der Fotosynthese im Überblick

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Einige Grund- und Teilprozesse der Fotosynthese
  • Teilreaktionen → lichtabhängige [Lichtreaktion] und lichtunabhängige Phase [Dunkelreaktion]
  • Lichtreaktion → die wichtigsten Vorgänge sind ...
    • Zerlegung des Wassers mit Hilfe der Lichtenergie [Fotolyse] in den lichtaufnehmenden Pigmenten [Chlorophyll], dabei entstehen Wasserstoffionen, Elektronen sowie Sauerstoff, der an die Umwelt abgegeben wird
    • aus Wasserstoffionen, Protonen und einem Enzym [NADP] entsteht enzymgebundener Wasserstoff NADPH
    • während der Redoxreaktionen entsteht aus ADP und P das energiereiche ATP [Adenosintriphosphat, eine speicherbare energiereiche Verbindung]
    • Ausgangsstoffe Lichtreaktion Wasser; NADP, ADP und P
    • Reaktionsprodukte Lichtreaktion ATP, NADPH, Sauerstoff
    • Bedingungen Lichtenergie, Chlorophyll
  • Dunkelreaktion → der sog. Calvin-Zyklus; Grundvorgänge sind ...
    • Bindung von CO2 an ein organisches Molekül mit 5 C-Atomen [Ribulosebisphosphat]
    • schrittweiser Aufbau von Traubenzucker C6H12O6 unter Verbrauch von ATP-Energie sowie NADPH [Bereitstellung des Reduktionsmittels] aus der Lichtreaktion; ATP wird wieder zu ADP und P gespalten, NADP steht wieder für die Lichtreaktion zur Verfügung
    • ein Teil der Kohlenhydratmoleküle wird zur Regeneration von Ribulosebisphosphat genutzt
    • größtenteils entsteht später aus Glucose speicherbare Stärke
    • Ausgangsstoffe Dunkelreaktion Kohlenstoffdioxid; NADPH und ATP aus Lichtreaktion
    • Reaktionsprodukte Dunkelreaktion NADP, ADP und P für Lichtreaktion; Glucose [Traubenzucker]; Wasser
  • Bedeutung von ATP → ATP [Adenosintriphosphat] speichert chemische Energie, die durch Abspaltung von einem oder zwei Phosphatresten freigesetzt werden kann; dabei entstehen ADP [Adenosindiphosphat] bzw. AMP [Adenosinmonophosphat] - steht wieder Energie zur Verfügung, so kann erneut ATP gebildet werden
    ATP ADP + P ; ΔH ≈ - 32,3 kJ/mol   bzw.   ADP + P ATP ; ΔH ≈ + 32,3 kJ/mol
    ATP AMP + P ; ΔH ≈ - 64,6 kJ/mol
Beeinflussung der Fotosyntheseleistung
  • Umweltfaktoren, die die Fotosynthese beeinflussen → sind vor allem ...
    • Temperatur [Luft, Boden]
    • Jahreszeit [siehe z.B. Laubfall]
    • Luftfeuchtigkeit
    • Wasserfaktor des Bodens
    • Lichtintensität, Zusammensetzung des Lichtes
    • Gehalt der Luft an Kohlenstoffdioxid
  • TippMehr zu Umweltfaktoren und ökologischen Grundbegriffen hier.
Bedeutung der Fotosynthese
  • grundlegende Überlegung → Ohne Fotosynthese gäbe es kein Leben auf der Erde, denn nur durch sie können aus energiearmen anorganischen Stoffen mittels Lichtenergie organische Stoffe [also Biomasse] produziert werden. Dazu sind alle Pflanzen in der Lage. Diese bilden somit den Anfang jeder Nahrungskette.
  • Bedeutung → liegt u.a. in ...
    • Stoffaufbau → Produktion von organischen Stoffen [Biomasse]
      1 Hektar Regenwald enthält etwa 1.000 Tonnen pflanzlicher Biomasse; jährlich werden auf der Erde durch Fotosynthese ca. 160 Milliarden Tonnen Biomasse [Trockensubstanz] produziert - die darin gespeicherte Energie beträgt 3 · 1018 kJ, zudem werden dabei 200 Mrd. Tonnen Sauerstoff abgegeben
    • Grundlage der Ernährung tierischer Lebewesen inklusive Mensch, grüne Pflanzen sind Anfang jeder Nahrungskette
    • Energiebindung → mit Hilfe der Sonnenenergie entstehen energiereiche Verbindungen wie z.B. ATP
    • Regulierung des Gehaltes an Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff in der Luft
    • Sauerstoff als Grundlage der Zellatmung [biologische Oxidation], mit der Lebewesen Energie für ihre Lebensprozesse erzeugen
    • aus Sauerstoff wird auch Ozon gebildet, das in der Stratosphäre vor schädlicher UV-Strahlung schützt [wichtige Bedingung für das Landleben]
    • Fixierung von CO2 Zusammenhang zwischen Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft und Treibhauseffekt; damit ist die Fotosynthese auch Klimafaktor [Abholzung der Wälder führt z.B. dazu, dass weniger CO2 durch Pflanzen gebunden wird - dadurch wird der Treibhauseffekt verstärkt]
      jährlich werden etwa 15 Millionen Hektar Regenwald vernichtet [Abholzung, Brandrodung etc.]
  • Tipp Mehr zu Klima und Klimawandel findest Du hier.
Hinweise und einige Fachbegriffe
  • Biomasse → Masse an organischen Stoffen in lebenden und abgestorbenen Organismen
  • Assimilation → Stoff- und Energiewechselprozess, bei die aufgenommenen körperfremden Stoffen meist unter Energiezufuhr in körpereigene Stoffe umgewandelt werden
  • autotrophe Assimilation → Organismen nehmen körperfremde anorganische energiearme Stoffen und wandeln sie mit Hilfe von Energie [z.B. Licht, dann mittels Chlorophyll] in körpereigene organische Stoffe um [grüne Pflanzen, Grünalgen]; betreffende Organismen betreiben meist Fotosynthese, einige wenige Chemosynthese
  • heterotrophe Assimilation → Organismen ernähren sich bereits von organischen Stoffen und wandeln sie in körpereigene organische Stoffe um [Mensch, Tiere, Pilze]
  • Fotosynthese [Photosynthese] → Form der autotrophen Assimilation; aus Kohlenstoffdioxid und Wasser werden mit Hilfe von Lichtenergie in den Chloroplasten mit Chlorophyll organische Stoffe [Glucose] erzeugt, wobei außerdem Sauerstoff entsteht; Nettoreaktionsgleichung ...
    6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 ; ΔH = +2870 kJ/mol
    Kohlenstoffdioxid + Wasser Glucose + Sauerstoff [exotherm]
  • Dissimilation → Bezeichnung für Stoffwechselprozesse, bei denen aus körpereigenen energiereichen organischen Stoffen Energie erzeugt wird; vom Körper angelegte Energiespeicher [z.B. Kohlenhydrate, Fette] werden dabei zu energieärmeren Stoffen abgebaut, wobei Energie in Form von ATP und/oder Wärme frei wird; man unterscheidet Zellatmung [biologische Oxidation, Atmung] und Gärung
  • Zellatmung [Atmung] → Dissimilationsprozess; dabei werden organische Stoffe [z.B. Glucose] biologisch oxidiert [also mittels Sauerstoff]; dabei entsteht ATP- und Wärmeenergie für alle lebensnotwendigen Prozesse im Organismus [z.B. bei Mensch, höheren Tieren und Pflanzen sowie Pilzen]
  • aerobe Atmung → biologische Oxidation unter Anwesenheit von Sauerstoff [nimmt dabei Elektronen auf, ist also Elektronenakzeptor]
  • anaerobe Atmung → biologische Oxidation erfolgt ohne Sauerstoffanwesenheit; als Elektronenakzeptoren fungieren z.B. Nitrationen, Sulfationen oder Eisen(III)-ionen
  • Gärung → verschiedene Dissimilationsprozesse; dabei werden organische Stoffe [z.B. Glucose] zu energieärmeren Stoffen [z.B. Ethanol] zwecks Energieerzeugung abgebaut [z.B. bei Hefepilzen, vielen Bakterien]; einige Formen sind beispielsweise die alkoholische Gärung, die Milchsäuregärung oder die Essigsäuregärung
  • ATP → Adenosintriphosphat; universell einsetzbarerer Energieträger; energiereiche organische Verbindung [speicherbar]; durch Abspaltung eines Phosphatrests kann Energie bereitgestellt werden; es bildet sich ADP [bei Abspaltung von 2 Phosphatresten kommt es zur Bildung von AMP]
    ATP ADP + P ; ΔH ≈ - 32,3 kJ/mol   bzw.   ADP + P ATP ; ΔH ≈ + 32,3 kJ/mol
    ATP AMP + P ; ΔH ≈ - 64,6 kJ/mol
  • Reaktionswärme → ΔH [oder Q]; Angabe in kJ/mol; Wärmeenergie, die bei einer chemische Reaktion abgegeben wird [exotherme Reaktion, ΔH = - n kJ/mol] oder aufgenommen wird [endotherme Reaktion, ΔH = + n KJ/mol]
  • ADP → Adenosindiphosphat; organische Verbindung, die unter Energiezufuhr durch Anlagerung eines Phosphatrests zum energiereicheren ATP umgewandelt werden kann
  • AMP → Adenosinmonophosphat; organische Verbindung, die unter Energiezufuhr durch Anlagerung von 2 Phosphatresten zum energiereicheren ADP bzw. ATP umgewandelt werden kann
  • NADP und NADPH NADP ist ein Koenzym, das das Wasserstoff [ein Reduktionsmittel] binden kann; dabei ist NADPH+ die oxidierte Form und NADPH die reduzierte Form
  • DNA → Desoxyribonucleinsäure; Erbsubstanz im Zellkern [mehr]
Quellenangaben
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  • Für die Gestaltung dieser Internetseite verwendeten wir zur Information, fachlichen Absicherung sowie Prüfung unserer Inhalte auch folgende Internetangebote: wikipedia.de, schuelerlexikon.de, seilnacht.com, darüber hinaus das Schroedel-Lehrbuch Netzwerk Biologie Klassen 7 bis 10 [Ausgaben 2005 ff., Sachsen]. Zitate oder Kopien sind entsprechend gekennzeichnet.

Hinweise

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